Complexity Analysis and Structural Optimization for Architecture Models of Mechatronic Systems

Autor: Zhang, Yuanyang
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2023
Předmět:
Druh dokumentu: Text
Popis: The design and development of mechatronic system are becoming an increasingly complex task due to the numerous disciplines involved, rapidly increasing scales, and the integration issues of different domains and technologies. The structural complexity of the architecture model design decides the quality of system design in many aspects: the scalability of the system design; usage of allocated resources which influences the computational overhead, etc. It is a measurable characteristic of the mechatronic system. Therefore, finding efficient algorithm to measure and analyze the structural complexity of the architecture design model serves the purpose of optimizing and improving the design of the overall mechatronic system. In this research project we abstract the Design Structure Matrix (DSM) from the system achitecture model and adopt a matrix-based approach to quantify the structural complexity of complex mechatronic system from three aspects: 1) the component complexity; 2) the interaction complexity due to the interaction behavior among components and the variety of interfaces; 3) the topology complexity based on the different system architecture patterns. We verify that thisapproach well matches the design regime. We then propose two different approaches: 1) a genetic algorithm-based approach; 2) a hierarchical clustering-based approach to solve the partitioning design problem. These two approaches aim to provide the partitioning strategy of the system architecture model to form a modularized design. This serves the purpose of lowering structural complexity and giving better design performance. We reproduce an existing DSM-based partitioning approach as a contrast to prove the validation of our proposed approaches. A case study: an autonomous forest machine test platform is performed to verify our proposed complexity analysis and partitioning optimization design framework. We firstly build the corresponding architecture model and measure its structural complexity. The two proposed approaches give us two different partitioning strategies which focus on different aspects of system architecture but both approaches have a good performance. The reproduced approach is not applicable on the case study and needs further modification.
Utformning och utveckling av mekatroniska system blir en alltmer komplex uppgift på grund av de många discipliner som är inblandade, de snabbt ökande skalorna och integrationsfrågorna inom olika områden och tekniker. Den strukturella komplexiteten i utformningen av arkitekturmodellen avgör kvaliteten på systemutformningen i många avseenden: systemutformningens skalbarhet, användningen av tilldelade resurser, vilket påverkar beräkningsomkostnaderna osv. Det är en mätbar egenskap hos det mekatroniska systemet. Det är en mätbar faktor för det mekatroniska systemet. Det är därför viktigt att hitta en effektiv algoritm för att mäta och analysera den strukturella komplexiteten hos arkitekturmodellen för att optimera och förbättra utformningen av det övergripande mekatroniska systemet. I det här forskningsprojektet abstraherar vi Design Structure Matrix (DSM) från systemarkitekturmodellen och antar ett matrisbaserat tillvägagångssätt för att kvantifiera den strukturella komplexiteten hos komplexa mekatroniska system utifrån tre aspekter: 1) komponentkomplexiteten, 2) interaktionskomplexiteten på grund av interaktionsbeteendet mellan komponenterna och de många olika gränssnitten, 3) topologikomplexiteten baserad på olika systemarkitekturmönster. Vi verifierar att detta tillvägagångssätt stämmer väl överens med konstruktionsordningen. Vi föreslår sedan två olika tillvägagångssätt: 1) en genetisk algoritm-baserad metod och 2) en hierarkisk klusterbaserad metod för att lösa problemet med partitionering. Dessa två metoder syftar till att tillhandahålla en partitioneringsstrategi för systemarkitekturmodellen för att skapa en modulariserad konstruktion. Detta tjänar syftet att minska den strukturella komplexiteten och ge bättre designprestanda. Vi återger en befintlig DSM-baserad partitioneringsmetod som en kontrast för att visa att våra föreslagna metoder är validerade. En fallstudie: en testplattform för en autonom skogsmaskin utförs för att verifiera vår föreslagna komplexitetsanalys och ram för optimering av partitionering. Vi bygger först upp motsvarande arkitekturmodell och mäter dess strukturella komplexitet. De två föreslagna tillvägagångssätten ger oss två olika partitioneringsstrategier som fokuserar på olika aspekter av systemarkitekturen, men båda tillvägagångssätten ger goda resultat. Den reproducerade metoden är inte tillämplig på fallstudien och behöver modifieras ytterligare.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: