Uitnodiging AIDA: AIDA: Artificial Intelligence supported conceptual Design of Aircraft tot het bijwonen van de openbare verdediging van mijn proefschrift AIDA: AIDA: Artificial Intelligence Artificial Intelligence supported supported conceptual Design of Aircraft conceptual Design of Aircraft op maandag 15 november 2004 om 13.00 uur. Vooraf, om 12.30 uur, bent u welkom voor het lekenkwartiertje. De promotie vindt plaats in de Senaatszaal van de Aula van de Technische Universiteit Delft. Aansluitend vindt een receptie plaats waarvoor u ook bent uitgenodigd. Date Rentema 040 256 95 09 Date Rentema [email protected] Date Rentema ± 180 pag. = 11mm rug PMS 137 + PMS 2748 glanslaminaat Oplage: 300 stuks AIDA: Artificial Intelligence supported conceptual Design of Aircraft Proefschrift ter verkrijging van de graad van doctor aan de Technische Universiteit Delft, op gezag van de Rector Magnificus prof. dr. ir. J.T. Fokkema, voorzitter van het College van Promoties, in het openbaar te verdedigen op maandag 15 november 2004 om 13:00 uur door Date Willem Egbert RENTEMA ingenieur Luchtvaart en Ruimtevaart geboren te Soest Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotoren: Prof. dr. ir. F.W. Jansen Prof. dr. ir. E. Torenbeek Samenstelling promotiecommissie: Rector Magnificus, voorzitter Prof. dr. ir. F.W. Jansen, Technische Universiteit Delft, promotor Prof. dr. ir. E. Torenbeek, Technische Universiteit Delft, promotor Prof. dr. H. Koppelaar, Technische Universiteit Delft Prof. dr. ir. M.J.L. van Tooren, Technische Universiteit Delft Prof. dr. F.M.T. Brazier, Vrije Universiteit Amsterdam Prof. dr. J. Fielding, Cranfield University (UK) ii to my dear mother and the memory of my father iii iv Summary This thesis describes the development of a computer support tool that supports the initial, conceptual design process. In this first design phase one or more concepts are defined which are assumed to be able to comply with the design specifications. These concepts can be elaborated in more detail with the aid of the conventional CAD tools that have been developed in the last decades and are currently widely available. Due to the non-deterministic character of conceptual design, however, such conventional computer techniques are inadequate to support this phase. Therefore the use of Artificial Intelligence techniques has been investigated in this project. The initial application was chosen in the area of aircraft design, because of its complexity. The tool and methodology are, however, also applicable to support the design of ships, buildings and industrial appliances. The developed design tool and methodology is based on the well-known "design cycle", which in our version consists of four steps: 1. Suggesting a concept: this task is supported with Case-Based Reasoning (CBR) techniques. From a case-base that is filled with data of existing artefacts, one artefact is selected whose performances best match the design specifications. This case is used as a starting point and delivers the configuration or topology of the design, and the initial parameter settings. Possibly two or more cases can be combined, resulting in an adapted case. 2. Simulating the artefact’s performances: this task is supported with Rule-Based Reasoning (RBR) and Geometric Modelling (GM) techniques. With the rules representing the domain knowledge in an explicit, algebraic format, a network of rules and relations is built that relates the sizing parameters with performance parameters. GM is used to build a geometric model and to handle the geometric constraints. 3. Evaluating these performances: using the RBR network of relations and the GM constraints, the related solvers allow quickly and easy changing of parameter values to modify the design. 4. Proposing modifications: the design tool does not support this task explicitly. However, as is mentioned in step 1, a first modification of the case’s topology (adaptation) is supported with CBR. Then the cycle is repeated until the design concept is satisfactory and can be used as input for further elaboration and evaluation with existing CAD/CAE tools. Each of these three techniques, CBR, RBR and GM, has been implemented in a separate module. Existing programs have been used and adapted for this study. To test the set-up and viability of the design tool, a case-study has been performed, concerning the conceptual design of an 80 passenger commercial v aircraft. The study has proven that the design approach is useful for "configuration design" type of design tasks, but is less suitable for innovative and creative design. Although each technique has shown to be suitable for its task, there are also some difficulties. For example, each technique requires substantial effort in the pre- processing phase, when filling the data or knowledge bases. And experience is needed to operate the CBR and RBR modules properly. Many apparently minor practical issues can have a serious effect on the efficiency of the techniques. Issues which need much attention in following development studies are case adaptation and integration of the three applied techniques. vi Samenvatting Dit proefschrift beschrijft de ontwikkeling van een computer gereedschap dat het initiële, conceptuele ontwerp proces ondersteunt. Het doel van de eerste ontwerpfase is om één of meerdere concepten te definiëren waarvan verondersteld wordt dat ze voldoen aan de ontwerp specificaties. Deze concepten kunnen uitgewerkt worden m.b.v. conventionele CAD ("Computer Aided Design") gereedschappen die in de laatste decenia zijn ontwikkeld en algemeen beschikbaar zijn. Vanwege het niet- deterministische karakter van conceptueel ontwerpen zijn dergelijke conventionele computer technieken echter niet geschikt om hierin ondersteuning te bieden. Daarom is in dit project het gebruik van Kunstmatige Intelligente technieken onderzocht. Als eerste toepassings gebied is gekozen voor het vliegtuig ontwerp, vanwege de complexiteit. Het gereedschap en de methodiek zijn echter ook toepasbaar om het ontwerp te ondersteunen van schepen, gebouwen en industriële installaties. Het ontwikkelde ontwerp gereedschap en methodiek is gebaseerd op de bekende "ontwerp cyclus", die in onze versie bestaat uit vier stappen: 1. Het voorstellen van een concept: deze taak wordt ondersteund met zgn. "Case- Based Reasoning" (CBR) (voorbeeld gebaseerde redenatie) technieken. Uit een "case base" (data bank), die is gevuld met data van bestaande voorwerpen, wordt één voorwerp geselecteerd waarvan de prestaties het meest overeenkomen met de ontwerp specificaties. Dit voorbeeld wordt gebruikt als startpunt en levert de configuratie of topologie van het ontwerp, samen met de initiële parameter instellingen. Het is mogelijk om twee of meerdere voorbeelden te combineren, wat leidt tot een geadapteerd voorbeeld. 2. Het simuleren van de prestaties van het voorwerp: deze taak wordt ondersteund met "Rule-Based Reasoning" (RBR) (regel gebaseerde redenatie) en Geometrische Modellering (GM) technieken. De regels in RBR representeren de domein kennis in een expliciet, algebraïsch formaat. Er wordt een netwerk van deze regels gebouwd dat de schaal parameters in relatie brengt met de prestatie parameters. GM wordt gebruikt om een geometrisch model te maken en om met de geometrische relaties om te kunnen gaan. 3. Het evalueren van deze prestaties: de "solvers" (oplos algoritmen) van de RBR en de GM technieken maken het mogelijk om snel en makkelijk de parameter waarden te veranderen via het RBR netwerk van relaties en de GM relaties. 4. Het voorstellen van modificaties: het ontwerp gereedschap ondersteunt deze taak niet expliciet. Maar, zoals gezegd bij stap 1, een eerste modificatie van de topologie van het voorbeeld (de adaptatie) wordt wel ondersteund met CBR. Daarna wordt de cyclus herhaald totdat het concept ontwerp naar bevrediging is ontwikkeld en gebruikt kan worden als invoer voor verdere uitwerking en evaluatie met bestaande CAD/CAE gereedschappen. vii Ieder van deze drie technieken, CBR, RBR en GM, is geïmplementeerd in een aparte module. Bestaande programma’s zijn gebruikt en aangepast voor deze studie. Om de opzet en doelmatigheid van het ontwerp gereedschap te testen, is een voorbeeld studie uitgevoerd op het conceptuele ontwerp van een commercieel passagiers vliegtuig voor 80 personen. De studie heeft uitgewezen dat de ontwerp benadering bruikbaar is voor het ontwerpen met geparametriseerde componenten, het zgn. "configuratie-ontwerp" type ontwerpen, maar minder bruikbaar voor het "innovatieve" en "creatieve" type ontwerpen. Hoewel is gebleken dat iedere techniek geschikt is voor haar taak, zijn er ook beperkingen. Zo vereist iedere techniek een behoorlijke inspanning in de voorbereidende fase, bij het vullen van de data of kennis banken. En er is ervaring nodig om de CBR en RBR modules goed te kunnen bedienen. Vervolg studies dienen zich vooral te richten op de adaptatie van het voorbeeld en de integratie van de drie toegepaste technieken. viii Preface This thesis is the result of the AIDA (Artificial Intelligence supported conceptual Design of Aircraft) project. The aim of this project was to develop and implement a design tool for the conceptual design phase. Existing CAD/CAE (Computer-Aided Design and Computer-Aided Engineering) tools, such as ADAS (Aircraft Design and Analysis System), are more tailored to optimizing existing design configurations and do not provide support for the initial design phase when new or modified design concepts have to be proposed. The objective of the AIDA project was to investigate