大连理工大学宋学官教授团队：智重装备的多学科一体化优化设计丨JME文章推荐

引用论文

宋学官, 张天赐, 付涛, 郭东明. 智重装备的结构与控制多学科一体化优化设计方法[J]. 机械工程学报, 2022, 58(17): 26-40.

SONG Xueguan, ZHANG Tianci, FU Tao, GUO Dongming. Multidisciplinary Co-design Optimization of Structural and Control Parameters for Intelligent Large-scale Equipments[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(17): 26-40.

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重大装备是装备制造业中技术先进、研制难度大、成套性强的大型、高端机电装备统称，比如大型矿用挖掘机、隧道掘进机、堆取料机等，其对国民经济建设、国家能源与安全保障等具有重大影响。随着信息化技术、传感技术、人工智能技术等的高速发展，重大装备的智能化改造、升级，实现从单一硬件的“重大”到软硬倶优的“智重”蝶变已经迫在眉睫。在市场明确需求以及“中国制造2025”、“十四五”规划等政策的部署与引导下，近年来重大装备与数字化、信息化技术加速融合，逐步朝智能化与无人化迈进，涌现出无人矿用挖掘机、无人堆取料机、智能起重机和智能隧道掘进机等智能装备。在其研发的各项关键性、基础性使能技术中，系统优化设计是智能装备全生命周期中的基础环节，决定了装备的关键性能指标以及实际运行的可靠性等。

智重装备的优化设计，不同于传统的面向重大装备的机械结构设计再智能控制设计，是一类典型的跨学科多系统的设计问题。而由于智重装备物理结构与控制系统间复杂的耦合关系，传统先结构设计再控制设计的串行顺序优化设计方法难以获得全局最优值。

为此，大连理工大学的宋学官教授团队提出了一种结构与控制并行的多学科一体化优化设计方法来获取最优匹配的结构与控制参数，为智重装备的结构与控制一体化设计提供理论支撑。最后以无人矿用挖掘机和无人堆取料机两个典型智重装备为对象，验证了结构和控制一体化优化方法的可行性与有效性。团队将以上成果以题为《智重装备的结构与控制多学科一体化优化设计方法》发表在《机械工程学报》2022年17期的特邀专栏——先进机电装备可靠性与智能化。

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本文结论

文章分别利用KKT条件与极小值原理，证明了一体化优化设计方法的全局最优性。然后分别以无人矿用挖掘机与无人堆取料机两个典型的智重装备为例，通过建立一体化优化模型对其结构与控制参数同步优化，获取结构与控制参数的全局最优参数。计算结果表明，相较于传统顺序优化设计方法，一体化优化后结果明显目标函数更小，装备性能更为优良。从而验证了所提出的一体化设计方法的可行性和有效性，为大型智能装备的结构与控制系统设计提供了全新的思路。

视频1：与太原重工联合开发的无人操作智能电铲实验台

视频2：无人操作智能电铲的形性一体化数字孪生系统

视频3：国内首次实现大型矿用电铲无人智能化现场测试

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应用与思考

本文是作者在深入思考我国机械设计领域未来发展方向后的初步尝试，所提出的智重装备结构与控制一体化方法不但可以应用于智能无人化的挖掘机、取料机、隧道掘进机等智重装备的系统设计中，同样可以应用到下一代高速列车、风力发电机、飞机等的系统优化设计，从而进一步提升装备的综合或关键性能。同时，该方法也是对传统多学科优化设计理论的补充与拓展，将传统的机、电、液等多学科优化，延伸到后端的智能控制、智能决策领域，为未来智重装备的全生命周期系统设计与性能大幅提升提供了新的思路与方法途径。欢迎同行专家批评指正、交流合作！

无人操作智能矿用电铲示意图

主创简介

宋学官，大连理工大学教授、博导、国家高层次人才计划专家，重大装备设计研究所所长。长期从事多学科建模分析与优化设计、工业大数据与人工智能技术、装备智能化和数字孪生等方面的研究，开发了数据驱动的云端优化设计系统DADOS（www.dados.com.cn）。

共发表论文200余篇，其中SCI论文100余篇，出版著作《ANSYS流固耦合分析与工程实例》，英文书籍章节2章，论文总引用超3000次，H指数为31。先后获得2009年国家优秀留学生奖、2020年机械工业联合会科技进步特等奖、2020年山西省科技进步二等奖、2021年山西省科技进步二等奖、2021年日内瓦国际发明展金奖、2010年美国机械工程师压力容器与管道国际会议（ASME PVP）论文奖、2016年可靠性国际会议论文最佳论文奖和优化领域国际会议最佳张贴海报奖等奖励，指导博士研究生获得ASME PVP博士论文奖等各类奖项10余次。

先后主持国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金项目、辽宁省自然科学基金项目，参与基金委-辽宁联合基金项目，与太原重工、大连重工、三一重工、国机集团、航天科工集团、中国核动力设计研究院、中国工程物理研究院等单位开展研发合作项目10余项。

张天赐，大连理工大学机械工程学院博士研究生，拟就职于燕山大学车辆与能源学院河北省特种运载装备重点实验室，主要研究方向无人工程机械、机器人自主决策与运动规划、深度学习等，发表SCI/EI论文10余篇，发明专利4项，获得第一届COPPPE国际会议最佳论文海报奖等奖项3项。

作 者：宋学官

责任编辑：李 娜

责任校对：金 程

审 核：张 强

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