基于船舶初步设计的博弈论的协同多学科决策外文翻译资料

 2022-07-29 15:06:29

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基于船舶初步设计的博弈论的协同多学科决策

摘要: 船舶的设计是一个固有的复杂过程。传统上，设计师（或工程团队）必须解决船体形式（整体和局部），结构强度，机械系统，电气系统，控制系统和船上其他基本子系统等因素。子系统之间的所有矛盾都应该得到解决，最终的解决方案将反映在总体规划中。这些复杂系统的相互作用使得设计过程成为由特定规则确定的相互关联的物理属性的高度耦合的集合。以前，发现一种经典的船舶设计螺旋可用于表明设计过程的交互性，但由于描述不足，该模型被认为是必要的，但不足够。本文提出了一种基于游戏理论的方法来处理初步船舶设计过程中的协同多学科决策问题，以26,000载重吨油船设计和分析情景为例，说明该方法的有效性。 关键词：多学科设计 决策 博弈论 船舶初步设计

  1. 引言

船舶设计被认为是一个复杂而系统的过程，具有许多与其他大型建筑设计相同的特征[1,2]。 对于像船这样复杂的产品，有很多问题需要解决; 在20世纪50年代，船舶运行的系统内部和外部约有40个属性[3]。 通过应用优化方法设计海上船只，没有一个单一的目的很容易解决。 设计过程不仅受到技术意义上的影响，还受到国家，国际，政治经济和环境等方面考虑的各种因素的影响。 因此，普遍接受的是，像其他复杂系统一样，船舶的设计是一个多用途的大型系统工程项目，有时是矛盾的要求。

海军舰艇是一个完整的系统，具有密切的相互依赖关系，并且支持各个功能的无数子系统的高度集成。 工程主导实体，如船舶或飞机，有许多工程设计的组件。 对于复杂的多学科问题，如飞机设计，需要数千个设计变量[4]。对于远洋船舶，系统的复杂性已经增加，这不仅意味着扩展将新的子系统作为过程的一部分，而且增加了设计者必须考虑的复杂性。 与汽车工业或飞机工业类似，造船业复杂程度高，采用多种技术; 与汽车工业或飞机工业不同，设计基本上是针对每一类船舶而设计的，而产品缺乏系列型号。根据传统的常规船舶设计方法，可以将具有相似尺寸和良好性能的相同类型的现有船舶列为历史基线，并且可以解决现有船舶的一些必要修改。 在很大程度上，单船设计缺乏原型，增加了初步设计的风险和重要性。 由于难以确定要求，因此在船舶设计过程中必须考虑到许多性能问题，并不是所有这些问题都能被明确地表达出来。 因此，设计人员应该确定总体绩效要求的平衡，同时考虑到人类对整个系统的有效性的贡献。

对于像远洋船只这样大而复杂的实体的物理实现，面向管理的设计程序已被普遍接受，并且已经广泛使用了一种完全的系统工程方法。表1对直接和间接设计的各种限制进行了分类，说明了船舶设计管理任务的复杂性[5]。对设计的直接约束最容易理解，因此通常存在于设计规范中，并作为最终设计产品的属性显示。对设计过程的限制是设计团队如何完成任务的问题的答案，团队在设计活动中的行动表明采用的设计方法。来自设计环境的约束包括影响设计过程的一些因素，有时超出了团队的控制，并且总是必须考虑。简而言之，内部和外部事务使设计具有挑战性。因此，我们可以很容易地看到，成功实现良好设计需要一个优秀的设计团队，具有良好的设计方法，可以在设计环境的约束条件下完成设计过程。

设计人员必须使用复杂的计算机工具在初始阶段检查项目的许多方面。近几十年来，电脑的能力和能力出现了巨大的增长，从根本上改变了大型复杂设计实体（如船舶）构想和存在的方式。现在的计算机已经成为设计实践的代名词，对设计过程的贡献不仅仅是帮助设计人员进行纯数据计算，逻辑分析或判断。设计师和设计界不仅仅是使用电脑来做更好的工作，而且可以使用电脑更好地实现更加全面和创造性的设计方式。计算机技术越来越多地应用于相关分析领域。随着计算机技术在硬件和软件领域取得的巨大进步，传统的船舶设计方法也随着时代的推移而发展。所以有必要充分利用这些新发展的潜力来改善船舶的设计。

    1. 船舶设计流程和现有方法

在过去的几十年中，船舶已经使用着名的基础船方法设计，也被称为传统的伊万斯 - 布克斯顿 - 安德鲁斯设计螺旋。 在仔细观察船舶设计的实际过程之后，设计师们通常采用这种设计螺旋的图像表示。 1959年，哈维 - 埃文斯[6]首先提出了船舶结构设计的螺旋形（见图1），Snaith和Parker [7]给出了典型的一般船舶设计实例。 此后，这种设计过程的模式已被广泛采用。 自推出以来，有限。 因此，有必要找到新的设计方法，提高船舶设计过程的效率和效率。

在技术层面上，船舶设计过程包括三个基本的顺序子过程[10]：初始尺寸，其中获得总尺寸; 参数化探索，其中主要尺寸和船体形式被演变; 以及建筑和工程综合，其中设计过程在先前确定的限制内逐步执行。

船舶设计过程传统上被视为相互关联的物理属性的高度耦合的集合[11]。 在不同的设计团队中，设计活动开始的一个特定阶段由不同的术语描述为素描设计，初步设计或初步设计。 这个阶段的预期是对大小和成本的粗略估计，这不仅仅是所需性能的总结表达。对于商船，船只采用了两种常见类别的船只[12]：集装箱船和渡轮等能力承载人，其大小取决于货物的数量，载重货船如油轮和散货船 ，其尺寸取决于货物的重量。 必须对有助于尺寸的其他部件的空间或重量进行适当的配额，例如推进机械，船员，船舶服务，燃料，结构等。所有这些组件一起确定总体尺寸 - 其尺寸是总体积 对于载重载体和载重载体的总重量。船舶设计一直被认为是更重要的参数，其原因有两个：作为浮体，船舶的整体重量及其总体布置（特别是垂直）对其完整和损坏的稳定性产生了巨大的影响，因此估计 重量和重心在设计的整个生命周期中是一个主要的关注点。 另外，设计实体（整艘船）的整体成本估算的通常依据是通过重量分解。 虽然具体的主要设备项目可能分配了离散的成本，但是只会在系统或子系统总重量方面描述船舶的一般成本。

如上所述，重量是整体设计中的重要组成部分，但重量直接受船舶尺寸（主要尺寸）的影响。 另外，设备选型，结构，稳定性要求等众多设计因素影响重量。 此外，组件越重要，其相互关系网络越复杂。 例如，选择船舶推进的功率级别需要了解船体的流体动力学性能。 在能够识别所需的整个重量和体积（包括推进系统）的整体重量和体积之前，不能完全确定船体几何形状。设计的许多其他物理方面也是如此，因为它们直接或间接地影响到其他物理方面。 因此，一旦完全开发了一个方面，它通常需要根据与其他与功能无关的参数的关系进行修改。

数十年来，学者纷纷寻求船舶设计方法的新方法，不断引进新的理论和方法。 依靠设计专家的船舶设计和结构力学设计经验和工程知识的传统设计方法逐渐转入专家系统，开发知识获取，知识表示和推理专门技术，解决船舶设计过程中的问题[13,14] 。 在回顾了设计领域的发展之后，出现了一种称为决策设计的船舶设计的现代范例。 这种新的范式涵盖系统思维，体现了生命周期中并行工程设计的概念[15]。还提出了一种用于复杂大型工程系统的基于代理的分布式设计系统架构; 已经开发了基本船舶设计架构的实验实施[16]。 为了在船舶设计过程中实现主要方面的平衡，并达到最佳的最终效果，提出了船舶总体设计的超级系统框架，可以帮助参与者在船舶设计的早期阶段实现这一目标[17]。 在概念设计过程中，新船的初始设计传统上来源于现有参考船（相似尺寸和速度相同的船舶）; 然后，经过一定的修改，设计达到令人满意的质量水平。 开发了基于记忆的学习（MBL）方法，以建立一个有效的索引方案，从以前的船舶设计数据库中检索出良好的参考案例[18]。另外，描述了用于存储历史设计数据以便在概念设计中进行后续重用的数据存储系统[19]。 该数据库旨在支持基于病例的推理和其他类似过程，其中回顾过去的解决方案成为适应的基础，形成新的解决方案。 共识是，成本估算和生产计划是预生产船舶设计中最耗时和最昂贵的过程。 已经开发了一些综合模型，并提供了一个新的范例来满足造船厂及其客户的需求[20]。毫无疑问，船舶设计中的缺陷将影响后续的生产阶段。最近，环境问题，安全，乘客舒适度和生命周期问题正成为当前造船业的重要组成部分。船舶设计（PRODEVIS）生产性评估综合多属性决策支持系统已经被开发出来，被业界和研究人员用来评估在船舶设计初期阶段竞争的船舶设计和设计特征的可行性[21]。这种方法是一种模糊多属性组决策方法，其中可行的设计方案是通过船舶生产模拟技术进行的。最近，船舶设计从基于经验的设计转变为第一原则，基于模拟的设计[22,23]，以及基于构件块的综合，可以被看作是复杂实体设计的综合方法，如船舶[ 1]。已经充分讨论了初始设计中仿真的更广泛的适用性与其他复杂和大规模设计任务的图形驱动合成相结合[24]。

1.2基于博弈论的多目标决策

船舶设计的复杂性部分取决于其自身过程的特点。 除了在工程领域的一些广泛的方法和算法之外，还引入了在其他领域应用的理论来处理船舶设计过程中的特殊问题。 现代产品实现过程的复杂性需要来自不同学科的工程团队的协同工作[25]。该船是海洋工程的主要产品，是一个实体，其设计过程是高度数据导向，动态，交互和多阶段算法。 提出了具有建设性神经网络的这种多学科决策或优化问题的解决方案[26]。 此外，在经济博弈理论中普遍接受的数学分析被引入到工程领域，取得了很好的成果[27]。近几十年来，游戏理论已经成为决策科学的核心课题之一，专门从事交互式环境中的决策分析。 博弈论来源于象棋或扑克游戏的研究，源于尝试数学表达简单游戏的结果，包括该游戏玩家所执行的规则和动作。 在这样的游戏中，玩家必须先考虑一下基于其他玩家预期的反动势的策略。 博弈论关注决策者的行为（策略），他们知道他们的行为相互影响。博弈论是一种强大的分析方法，许多应用或问题可以表现为两个以上玩家之间的游戏，博弈论的研究可以被认为是可以在许多领域使用的高级问题解决技术。约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）和奥斯卡·莫根斯滕（Oskar Morgenstern）[28]介绍了在经济学中使用博弈论的基础。 约翰·纳什[29]介绍了合作游戏之间的区别，可以制定有约束力的协议，而非合作游戏则是有约束力的协议是不可行的。 纳什为非合作游戏制定了一个均衡概念，后来被称为纳什均衡。几十年来，博弈论的研究已经分为三个主要领域：游戏的数学模型，游戏理论以及它如何应用于经济应用，以及其他领域的博弈论应用。 生物学家[30,31]，管理层[32]，应用数学家[33]和立法者[34]研究了促进博弈理论应用的最新主要领域。 博弈论在工程中的研究与应用也是显着的。 案例研究表明，游戏分析方法对解决多目标问题有效，也可以应用于单目标方案[35,36]。与其他多目标优化方法相比，具体实例表明，通过游戏分析方法获得的解快速收敛，鲁棒性更好[37]。 以抗震拱坝的设计为例，结果表明，游戏设计可以同时考虑到稳定性，安全性和经济性[38]。 因此，应用游戏分析方法解决多目标问题是可行和有效的。

在博弈论系统中，游戏由一组理性玩家描述，与玩家相关的策略以及玩家的收益。 一个理性的球员有他/她自己的兴趣，因此将通过选择可用的策略来实现这一兴趣。 在这种情况下，假设玩家能够准确地或概率地评估游戏的结果或回报，这不仅取决于他/她的动作，而且还取决于其他玩家的动作。 有两种类型的策略：纯粹和混合。 在纯粹的策略中，玩家选择具体策略确定性地，在混合策略中，游戏中至少有一名玩家随机选择使用概率分布的策略。游戏的两个重要特征就是个人主义和相互独立。 虽然个人主义影响了理性（即自身利益）和参与者之间的合作，但相互独立决定了玩家对其他玩家的行为。 两种理论被用来抽象出竞争对手之间利益冲突的局面; 基于纳什均衡概念的非合作模型，以及基于帕累托最优解的概念的合作模型[39,40]。

在非合作游戏中，玩家无法约束和执行与其他玩家的协议。 每个玩家试图以最低成本得到最高的标记，协调不是从外部执行，而是自我执行。 非合作游戏（或游戏的均衡）的解决方案是玩家采用的一套战略，所以玩家不想偏离解决方案。 在这种被称为纳什均衡的均衡中，每个选手的选择策略是最优的，因为每个其他选手也选择均衡策略。如果这个属性不成立，那么至少有一个玩家想要采用不同的策略。 另一方面，合作模式假设每个玩家是团队的一部分，并且愿意妥协自己的收益来改善整体状况。 合作游戏的意图是，团队希望分配资源，使得所有玩家尽可能地更好，并且一个玩家的收益的改善不会导致另一玩家的不可接受的损失。 冯·诺依曼 - 莫根斯坦（Von Neumann-Morgenstern）[28]合作游戏理论产生了许多这样的解决方案，这些解决方案都是非主导的。 纳什假设的议价方案产生了独特和最优的资源分配，使得仲裁结果是帕累托最优的[41-42,43]。

合作可能存在于游戏中，但在大多数情况下，非合作更有吸引力，因为它更加现实，特别是在玩家之间存在竞争的情况下。 实际上，球员之间的合作程度或不合作可能是模糊的[44]。 获得纳什均衡的一个有效方法是使用玩家的最佳反应。 玩家的最佳反应被定义为该玩家给予其他玩家策略的最佳策略。 首先，我们确定每个玩家给出其他玩家策略的最佳反应。 在考虑了球员策略的所有可能组合之后，纳什均衡被确定为所有参与者的最佳反应集。

1.3博弈论船设计方法

博弈分析是一个相对较新的理论，近年来得到了广泛的应用和快速发展。 游戏理论在经济学中的成功启发了研究人员应用游戏理论来解决现代产品设计与实现的多学科决策中工程团队之间的冲突。 控制设计变量子集的每个工程团队就像游戏中的单人游戏一样，力求通过个人约束来优化其功能[45]。 以这种方式，团队合作实现一整套总体目标。

与所有设计项目一样，初步设计了一些限制。 它们可能是客户要求的标准或一套完整的设计任务。 必须无条件遵守国内外许多法定规定或公约。 只是这些设计要求决定了如何开始设计过程。 在船舶的初步设计过程中，必须考虑到许多设计开发活动，如生产，成本核算，质量控制等。 如果不考虑这些因素，设计师很可能提供难以生产的计划，需要高的材料或人工成本，或者包含生产工程师必须纠正或发回修改的一些设计缺

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