تحقیق درباره قابلیت اطمینان و الگوریتم ژنتیک

گام اول برای طراحی یک حامل فضایی، طراحی مفهومی این سیستم پیچیده است. مهندس سیستم در فاز طراحی مفهومی آزادی عمل دارد و تنها عاملی که می‌تواند او را محدود کند، قیودی است که کارفرما برای طراح تعیین می‌کند و یا سطح تکنولوژی در دسترس می‌باشد؛ اما در ادامه هر چه جلوتر برویم آزادی عمل کم می شود تا نهایتا کلیاتی از زیرسیستم‌ها طراحی گردد. این کلیات به هرکدام از واحدهایی که قرار است جزئیات آن زیرسیستم را طراحی نمایند ابلاغ گردیده و آن‌ها موظف خواهند بود طرح کلی ابلاغی را به ثمر نشانند؛ بنابراین ملاحظه می‌شود که برای انتخاب روش طراحی، دست متخصصان سیستم باز می‌باشد. بنابراین این متخصصان باید روشی را انتخاب کنند که ضمن تحقق نتیجه، طرح بهینه‌ای را در مدت‌زمان حداقلی به‌عنوان خروجی ارائه کنند و هزینه موردنیاز را در کمترین سطح ممکن نگهدارند.
حامل‌های فضایی پیچیدگی‌های زیادی دارند و طراحی و ساخت آن‌ها توسط تعداد زیادی از متخصصان انجام می‌گیرد. هر حامل فضایی متناسب با مأموریت خود طراحی می‌گردد. این مأموریت‌ها می‌توانند قرار دادن ماهواره در مدارهای چند صد کیلومتری از سطح زمین باشند یا می‌توانند برای انتقال انسان به فضا برنامه‌ریزی شوند. درهرصورت طراحان یا طراحی جدیدی را آغاز می‌کنند یا به بهینه‌سازی طرح‌های قبلی روی می‌آورند؛ اما متغیرهای هزینه، قابلیت اطمینان و افزایش توان حمل محموله، از مهم‌ترین پارامترهای مدنظر طراحان است. به همین دلیل لازم است متخصصان بر روش‌های نوین طراحی حامل اشراف کامل داشته باشند تا بتوانند با انتخاب یک روش مناسب برای طراحی، کار خود را به‌خوبی انجام دهند. در میان این روش‌ها، طراحی بهینه چند موضوعی از مهم‌ترین روش‌های طراحی میباشد. با توجه به این‌که کشور ما امروز توانسته است در شرایط خاص موجود و در اوج تحریم‌ها و کارشکنی‌ها، به تکنولوژی طراحی و تولید و پرتاب حامل فضایی دست یابد، لازم دانستیم روش‌ نوینی برای طراحی را بررسی نماییم تا ان‌شاءالله در طراحی‌های بعدی با بهره‌گیری از آن‌ بتوانیم حامل‌های پیشرفته‌تر و با کارایی بهتر و بهینه‌تر تولید نماییم.
به این منظور در فصل اول مقدماتی را در خصوص حامل‌های فضایی، ساختار و نحوه تقسیم‌بندی آن‌ها آورده‌ایم. در فصل دوم مفاهیم مرتبط با طراحی بهینه چند موضوعی آمده است. همچنین اطلاعاتی در خصوص عدم قطعیت‌ها و مفهوم طراحی مقاوم آورده شده است. فصل سوم به مباحث مرتبط با طراحی زیرسیستم‌های حامل می‌پردازد. بخش شبیه‌سازی حامل نیز در این فصل ارائه شده است. در فصل چهارم به طراحی حامل پرداخته شده است. برای این کار ابتدا ساختار مشارکتی تشکیل شده و یک مثال ریاضی در آن حل شده است. سپس حامل فضایی با این ساختار طراحی شده و نتایج به دست آمده برای بررسی صحتشان با نتایج حاصل از طراحی حامل به روش امکان‌پذیری چند موضوعی مقایسه شده‌اند. در ادامه اثر عدم قطعیت‌ها روی حامل فضایی تحلیل می‌شود و پس‌ازآن برای دست‌یابی به حاملی با ساختار مقاوم نسبت به عدم قطعیت‌ها، روش مشارکتی را با روش طراحی مقاوم ترکیب می‌کنیم. در این روش رویکرد حل مسئله به‌صورت چند هدفی است و نهایتاً حاملی طراحی می‌شود که ضمن تلاش برای کاهش جرم اولیه، مقاوم در برابر عدم قطعیت‌ها باشد.
در نهایت و در قالب جمع بندی و نتیجهگیری، حامل های طراحی شده به روش مشارکتی و مقاوم مشارکتی با یکدیگر مقایسه می شوند.
این مقدمه را با کلامی از مولا علی علیه‌السلام به پایان می‌برم. ایشان می‌فرمایند:
«العلم سلطان، من وجده صال به و من لم یجده صیل علیه»
علم، سلطنت و قدرت است. هر که آن را بیابد، با آن یورش برد و هر که آن را پیدا نکند، بر او یورش برند./
شرح نهج‌البلاغه، ابن ابی الحدید، جلد 20، ص 319.
فصل اول
حامل های فضایی
مقدمه
حامل‌های فضایی به روش‌های مختلفی طراحی می‌شوند. نوع مأموریت و رویکرد طراحان از مهم‌ترین عوامل تأثیرگذار بر انتخاب روش طراحی هستند. در این پایان‌نامه نگاه نویسنده، استفاده از روش‌های نوین طراحی حامل و همچنین طراحی یک حامل قابل‌اعتماد در مقابل عدم قطعیت‌ها است. بنابراین قصد داریم به کمک روش طراحی بهینه چند موضوعی و ساختار مشارکتی و همچنین روش طراحی مقاوم یک حامل فضایی طراحی نماییم.
بدین منظور در این فصل ابتدا مروری بر فعالیت‌های صورت گرفته در این زمینه خواهیم داشت و در ادامه به معرفی حامل‌ها و انواع آن‌ها می‌پردازیم. سپس توضیحاتی در خصوص طراحی سیستمی بیان می‌شود.
مروری بر فعالیت‌های انجام‌گرفته
با توجه به این‌که در این پایان‌نامه، طراحی حامل با روش طراحی بهینه چند موضوعی با ساختار مشارکتی و ترکیب آن با روش طراحی مقاوم انجام می‌شود، در این بخش سعی شده است فعالیت‌های مرتبط با این حوزه مرور گردد.
اولین بار آقای سیوز بحث بهینه‌سازی چند موضوعی اتفاقی را در سال 1995 مطرح کرد. این مقوله در سال 1998 توسط آقای جیو مجدداً مطرح شد و ایشان در سال 1999 حل یک مسئله چند موضوعی را ازنظر مقاومت از روش بدترین وضعیت بهبود داد[1] .به دنبال آن در سال2000 و 2001 مقالاتی در زمینه مسئله چند موضوعی مقاوم توسط کخ و ماوریس منتشر شدند[2, 3]. چن و همکارانش در سال 2000 [4]کارهای قبلی خود و سایر پژوهشگران قبلی را در زمینه تلفیق طراحی بهینه چند موضوعی با طراحی مقاوم تکمیل کردند و روشی به نام تحلیل عدم قطعیت یکپارچه زیرسیستم اصلاح‌شده (MCSSUA) را معرفی کردند که بهبودیافته کارهای قبلی یعنی تحلیل عدم قطعیت یکپارچه زیرسیستم (CUSSA) بود. چن و همکارانش در سال 2001 [5] طراحی مقاوم را وارد ساختار بهینه‌سازی مشارکتی کردند و یک ساختار سلسه‌مراتبی ابداع نمودند که شامل سه سطح سیستم، زیرسیستم، و سطح تحلیل عدم قطعیت می‌شد. آن‌ها گزارش کردند که اگرچه این روش کارآمد است، ولی به دلیل وجود مشکل همگرایی بهینه‌سازی مشارکتی و حساسیت به نقطه شروع در بهینه‌سازی زیرسیستم، در برخی از مسائل با مشکل مواجه می‌شود[6].
یکی از کارهای ارائه‌شده و قابل‌دسترس در زمینه طراحی ماهواره‌بر در یک پایان‌نامه دکتری توسط آقای مک کورمیک در سال 2001 [7] انجام شده است. در این کار که برای مرکز تحقیقاتی لانگلی انجام شده است، عدم قطعیت با روش احتمالات در طراحی یک ماهواره‌بر چند بار مصرف با روش بهینه‌سازی مشارکتی اعمال ‌شده است. در این پژوهش کار نسبتاً کاملی ازلحاظ مباحث طراحی بهینه چند موضوعی با توجه به نرم‌افزارهای قوی در دسترس محقق انجام شده است. در سال 2006 آقای لینشو و همکارش بهینه‌سازی مقاوم یک ماهواره‌بر چندمرحله‌ای را انجام دادند. هدف اصلی این مقاله این است که روش تکاملی را برای طراحی مفهومی مقاوم یک ماهواره‌بر با در نظر گرفتن بهینه‌سازی مسیر به کار ببرند. در این روش بهینه‌سازی مقاوم تکاملی، ایده اساسی تعریف یک همسایگی برای یک حل و بنابراین تعیین میانگین و واریانس موضعی یک حل می‌باشد. بنابراین به کمک بهینه‌سازی چند هدفی تکاملی می‌تواند تعاملی بین بهینگی و مقاومت برقرار شود. ساختار مدل‌سازی طراحی بهینه چند موضوعی به‌صورت همه در یک مرحله است و از روش الگوریتم ژنتیک برای بهینه‌سازی استفاده‌شده است. به‌علاوه مدل‌های به‌کاررفته بسیار ساده می‌باشند. به‌عنوان‌مثال برای شبیه‌سازی مسیر از روابط دو درجه آزادی، آیرودینامیک روابط تجربی ساده، وزن روابط آماری و پیشران روابط تحلیلی ساده استفاده‌شده است[8]. در سال 2007 آقای ماهادوان و همکارش روشی مجزا برای بهینه‌سازی طراحی چند موضوعی تحت عدم قطعیت ارائه دادند[9]. در سال 2008 آقای لینشو و همکارانش مقاله‌ای تحت عنوان روش طراحی مقاوم ممکن بر مبنای شبیه‌سازی برای طراحی یک ماهواره‌بر چندمرحله‌ای ارائه کردند. در این مقاله ذکر شده است که در سال‌های اخیر، در مقالات روش‌هایی برای دست یافتن به طراحی مقاوم ارائه شده است اما یا این روش‌ها ازنظر محاسباتی هزینه‌بر هستند یا نیاز به اطلاعات مشتق‌گیری دارند، درحالی‌که اکثر توابع به‌کاررفته در کارهای مختلف شدیداً غیرخطی هستند و یا پیچیده‌اند و دارای ناپیوستگی و نقاط نوک‌تیزند که غیرقابل مشتق‌گیری می‌باشند. در این مقاله، یک روش طراحی مقاوم کارآمد ارائه‌ شده است که حضور عدم قطعیت‌ها را نسبت به سطح مطلوبی از مقاومت مدیریت می‌کند و آن را طراحی مقاوم ممکن نامیده‌اند. از روش بدترین وضعیت سازگاری برای تخمین عدم قطعیت تولیدشده در پیشگویی عملکرد استفاده‌شده است و به‌منظور به دست آوردن تخمین بدترین وضعیت، ماتریس طراحی متعامد مرتبه اول به‌صورت یکپارچه‌شده با الگوریتم ژنتیک به کار گرفته‌شده است. برعکس کارهای انجام‌شده در مقالات قبل، روش ارائه‌شده از اطلاعات مشتق‌گیری استفاده نمی‌کند. در این مقاله نیز از همان مدل‌های ساده به‌کاررفته در مقاله سال 2006 استفاده‌شده است[10]. در سال 2011، آقای زمن و همکارانش مقاله‌ای با عنوان بهینه‌سازی طراحی بر مبنای مقاومت تحت عدم قطعیت در اطلاعات ارائه کرده‌اند[11]. این مقاله فرمول‌بندی و الگوریتمی برای بهینه‌سازی طراحی تحت هر دو نوع عدم قطعیت، شانسی (یعنی تغییرپذیری فیزیکی یا طبیعی) و شناختی (یعنی اطلاعات احتمالی غیردقیق)، از منظر مقاومت سیستم پیشنهاد می‌کند. در این مقاله یک روش مجزا ارائه شده تا طراحی بر مبنای مقاومت را از آنالیز متغیرهای شناختی غیر طراحی برای رسیدن به کارایی محاسباتی جدا کند. روش پیشنهادشده برای مسئله طراحی مرحله فوقانی یک ماهواره‌بر دومرحله‌ای به کار رفته است، که در آن اطلاعات درباره ورودی‌های تصادفی طراحی فقط به‌صورت داده‌هایی پراکنده یا بازه‌ای در دسترس هستند. نظر به این‌که جمع‌آوری اطلاعات بیشتر عدم قطعیت را کاهش اما هزینه را افزایش می‌دهد، اثر اندازه نمونه روی بهینگی و مقاومت راه‌حل نیز مطالعه شده است. در این مقاله روشی توسعه داده شده است تا اندازه نمونه بهینه را برای تعداد داده‌های پراکنده‌ای که منجر به حلی از مسئله طراحی می‌شوند که کمترین حساسیت به تغییرات در متغیرهای ورودی تصادفی را داشته باشد تعیین کند[6].
البته درزمینه طراحی مشارکتی با رویکرد چند هدفی آقای ولف در سال 2005 [12] پژوهش‌هایی داشته است. همچنین آقای بالسدنت نیز درزمینه طراحی بهینه چند موضوعی یک حامل در سال 2011 تز دکترای خود را ارائه نموده است[13]. حسینی و همکاران نیز در سال 2011 توانستند یک حامل فضایی دومرحله‌ای را به روش مشارکتی و باهدف کاهش جرم اولیه پرتاب طراحی نمایند[14]. آقای بطالبلو در سال 2013 [6] نیز عملیات طراحی مقاوم یک ماهواره‌بر سوخت مایع را با احتساب عدم قطعیت انجام داده است.
بنابراین با نگاهی به مراجع مرور شده می توان دریافت که اعمال عدم قطعیت ها در بدو مسیر طراحی مدنظر طراحان قرار گرفته است. همچنین مطالعاتی در زمینه ترکیب طراحی بهینه چند موضوعی و طراحی مقاوم انجام شده است. اما به طور خاص حضور عدم قطعیت ها در ساختار مشارکتی منجر به پیچیده شدن مسیر همگرایی می گردد. در این پایان نامه سعی کردیم با ترفندهایی مسیر همگرایی را بهبود بخشیم.
در ادامه به معرفی موشک حامل و ساختار و نحوه تقسیم‌بندی آن می‌پردازیم.
تعریف موشک حامل
موشک‌های حامل عبارتنداز موشک‌هایی که برای حمل یک محموله یا بار مفید از روی زمین به مدار اطراف زمین مورد استفاده قرار می‌گیرند. موشک‌های حامل بکار گرفته‌شده تا به امروز از دو مرحله یا بیشتر تشکیل‌شده‌اند. این موشک‌ها برای انجام مأموریت خود به‌صورت عمودی از زمین جداشده و با زاویه صفر درجه نسبت به افق محلی بار محموله خود را در مدار اطراف زمین قرار می‌دهند. ‏ شکل1-1 شمای موشک حامل سفیر را نشان می‌دهد.
این نوشته در علمی ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.