機(jī)械設(shè)計(jì)與制造第8期254Machinery Design & Manufacture2009年8月文章編號: 1001-39972009 )08-0254 03綜多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的研究及其優(yōu)化系統(tǒng)的構(gòu)建*蔡占軍'翁海珊2俞必強(qiáng)2('天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院,天津300160)(2 北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,北京100083)Study on multidisciplinary design optimization and its construction of optimal systemCAI Zhan-jun' , WENG Hai -shan2 ,YU Bi-qiang2('School of Textiles ,Tianjin Polytechnic University ,Tianjin 300160,China)('Mechanical Engnering School, University of Seience and Technology Beijing, Beijing 100083 ,China)[摘要]為提高對復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)效率，構(gòu)建了針對復(fù)雜系統(tǒng)的多學(xué)科工程設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)MEDOS。MEDOS系統(tǒng)主要由用戶界面、驅(qū)動系統(tǒng)、前處理、算法庫、數(shù)據(jù)庫及后處理模塊組成。MEDOS系統(tǒng)能夠?qū)?fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分解、建模,調(diào)用相應(yīng)的通用算法和專用算法完成優(yōu)化設(shè)計(jì),不僅能夠求解- -般的工程優(yōu)化問題,而且對于涉及離散隨機(jī)的優(yōu)化問題也有很強(qiáng)的求解能力,具有友好的用戶界面,為應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法提供了便利。關(guān)鍵詞:多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化;復(fù)雜系統(tǒng);優(yōu)化設(shè)計(jì)[Abstract] It establishes Mulidisciplinary Engineering Design Optimization System (MEDOS) forcomplex system in order to improve eficiency of optimization. MEDOS consists of six parts :user interface,driving sgystem ,post -processing,algorithm library ,data library and post -processing modules. It has manyfunctions such as decomposition of complex system ,modeling,and optimization design by calling corre-sponding algorithm. It can solve the optimizalion question with continuous pariable ,discrete variable andstochastic variable. It prouides many convenient for user by its nwell user interface.Key words:Multidisciplinary design optimization;Complex system;Optimization design中圖分類號:TH122文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A1前言2.1.2非層級系統(tǒng)子系統(tǒng)之間沒有明確的順序等級關(guān)系,子系統(tǒng)之間相互傳遞多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化( Multidisciplinary Design Optimization,MDO)是在傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)H逐步發(fā)展起來的針對復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化信息,具有相互“耦合”的關(guān)系,它是-種“網(wǎng)”結(jié)構(gòu),各子系統(tǒng)之間設(shè)計(jì)方法。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的主要思想是在復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的為同一等級的并行關(guān)系。整個過程中.集成各學(xué)科的知識，應(yīng)用有效的設(shè)計(jì)優(yōu)化策略進(jìn)行2.1.3混合層級系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過充分利用各子系統(tǒng)之間的相互作用所是指同時具有以上二者特點(diǎn)的系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)的各子系統(tǒng)之間產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng),獲得系統(tǒng)的整體最適解叨。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方從整體:具有順序?qū)蛹壗Y(jié)構(gòu)關(guān)系,但其中部分子系統(tǒng)之間相互耦法在應(yīng)用時,需要對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分解、建模和選擇適合的優(yōu)化合,為并行的非層級關(guān)系。稱其為混合層級系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的處理算法等多個步驟，普通的用戶使用十分困難。在對多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)既要考慮不同層級之間的影響,又要注意同- -層級子系統(tǒng)的相互化方法研究的基礎(chǔ)上,開發(fā)了MEDOS優(yōu)化系統(tǒng),系統(tǒng)集成了復(fù)關(guān)系。相對于層級系統(tǒng)和非層級系統(tǒng)來說,具有更高的復(fù)雜度。雜系統(tǒng)的分解.建模.專用算法通用算法等模塊,為用戶應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法提供I便利。2多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的研究2.1復(fù)雜系統(tǒng)的分解復(fù)雜系統(tǒng)- -般都包含多個子系統(tǒng),這些子系統(tǒng)之間有著以數(shù)據(jù)和其它信息相互交換形成的錯綜復(fù)雜的關(guān)系。對于復(fù)雜系統(tǒng)的(a)層級系統(tǒng)(b)非層級系統(tǒng)(c)混合層級系統(tǒng)圖1系統(tǒng)模型圖研究,一般將其分解為以下幾種系統(tǒng)模型,如圖1所示。中國煤化工2.1.1層級系統(tǒng)2.2多子系統(tǒng)之間信息流程具有順序性,信息的傳遞是從上層到下2.2.1YHCNMHGcpo層單向傳遞的。子系統(tǒng)之間沒有耦合關(guān)系,它是一-種“樹“狀結(jié)構(gòu)。針對層級系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，如圖2所示。通過對不同層之間形成串聯(lián)關(guān)系,而同一層之間的子系統(tǒng)相互獨(dú)立的。各個層級的協(xié)調(diào)優(yōu)化,最終完成系統(tǒng)的優(yōu)化。*來稿日期:2008-10-18 * 基金項(xiàng)日:教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)月資助( 106018)第8期蔡占軍等:多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的研究及其優(yōu)化系統(tǒng)的構(gòu)建2552.2.2多學(xué)科目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法MOCDO科的分析工具對子系統(tǒng)進(jìn)i分析建模,并通過驅(qū)動系統(tǒng)，調(diào)用算針對非層級系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法.如圖3所示。適用法庫中 相應(yīng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化專用算法和用于子系統(tǒng)優(yōu)化的通于有系統(tǒng)總體目標(biāo)的情況,含有系統(tǒng)級和子系統(tǒng)級兩個層次的用算法,在 系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制下,使各子系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化,最終達(dá)到系優(yōu)化進(jìn)程,通過在系統(tǒng)級優(yōu)化的協(xié)調(diào)指導(dǎo)下，各子系統(tǒng)的優(yōu)化目統(tǒng)總體性能的最優(yōu)化,將結(jié)果輸出到后處理模塊中做進(jìn) 步處理。標(biāo)滿足協(xié)同關(guān)系,最終由系統(tǒng)級的優(yōu)化得到總體最適解。MEDOS驅(qū)動系統(tǒng)后處理一+魏能一前處理系統(tǒng)級建模復(fù)朵系統(tǒng)分解了系統(tǒng)建模| 算法調(diào)用規(guī)則庫數(shù)據(jù)庫通用算法庫-一專用算法庫MEDOS算達(dá)庫圖4 MEDOS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)棋圖地優(yōu)Fig4 Structure of MEDOS systemN↓C完3.1用戶界面用戶界面,如圖5所示。是用戶借助可視化界面與系統(tǒng)進(jìn)行圖2多學(xué)科層級協(xié)調(diào)優(yōu)化方法的結(jié)構(gòu)流程Fig2 Flow chart of MHCDO交流,控制實(shí)施多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的平臺。用戶界面分為:前處理即2.2.3多學(xué)科變量耦合優(yōu)化方法MVCDO子系統(tǒng)建模驅(qū)動系統(tǒng)、優(yōu)化結(jié)果和后處理四部分。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)針對非層級系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法.適用于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)化系統(tǒng)的用戶包括負(fù)責(zé)系統(tǒng)總體優(yōu)化實(shí)施的設(shè)計(jì)人員和負(fù)責(zé)各目標(biāo)分布于各子系統(tǒng)之中的情況，子系統(tǒng)獨(dú)立.并行地進(jìn)行優(yōu)化，學(xué)科 子系統(tǒng)的分析建模的學(xué)科專家,兩類用戶通過用戶界面分別通過滿足耦合變量的耦合關(guān)系,求得系統(tǒng)最適解。對MEDOS驅(qū)動系統(tǒng)和前處理模塊實(shí)施相應(yīng)的操作。學(xué)科專家通2.2.4 多學(xué)科混合協(xié)同優(yōu)化方法MMCDO過用戶界面在前處理模塊中利用各學(xué)科的分析工具進(jìn)行子系統(tǒng)針對混合層級系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，其求解方法融合的分析, 建立子系統(tǒng)優(yōu)化模型。系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)人員通過用戶界面了以上層級系統(tǒng)的順序關(guān)系的優(yōu)化方法和兩種非層級系統(tǒng)的多學(xué)控制MEDOS驅(qū)動系統(tǒng),構(gòu)造多學(xué)科優(yōu)化的系統(tǒng)模型.定制多學(xué)科優(yōu)化方法的特點(diǎn)，適應(yīng)于含有順序的和并行的混合優(yōu)化問題的復(fù)科 設(shè)計(jì)優(yōu)化任務(wù),完成對系統(tǒng)的初始化設(shè)置。計(jì)算完成后，可通過雜系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化。界面查看優(yōu)化結(jié)果,在后處理模塊可修改參數(shù)重新計(jì)算并且可以查看整個優(yōu)化過程的詳細(xì)信息。同時,為了更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流，|層級系統(tǒng)1| .. |層級系統(tǒng)nT優(yōu)化在用戶界面下方可以實(shí)時顯示用戶操作的信息。構(gòu)造協(xié)同H標(biāo)MEDOS 多學(xué)科工設(shè)計(jì)化化系優(yōu)MEDOS多學(xué)科工程設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)系統(tǒng)級優(yōu)化|層級系統(tǒng)1層級系統(tǒng)n| 北公外花優(yōu)化[變址協(xié)同分析 ][目標(biāo)協(xié)間分析 ]手系晚序號不線日標(biāo)高教文件 力的華平文件 數(shù)明文件雪傳減教文件本規(guī)內(nèi)聚酒教文件 郵有結(jié)氧文件 日博信息文件選開的再法上<到最優(yōu)>"，圖5 MEDOS系統(tǒng)用戶界面C完成D[調(diào)整協(xié)網(wǎng)用標(biāo)Fig5 User interface of MEDOS system圖3多學(xué)科混合協(xié)同優(yōu)化方法的結(jié)構(gòu)流程3.2前處理模塊Fig3 Flow chart of MMCDO前處理模塊的主要功能是進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的分解和子系統(tǒng)建3 MEDOS優(yōu)化系統(tǒng)的構(gòu)建模。通過對所研究的復(fù)雜系統(tǒng)的分解,理清各子系統(tǒng)之間的相互MEDOS系統(tǒng)主要由用戶界面前處理驅(qū)動系統(tǒng)算法庫數(shù)據(jù)庫關(guān)系,中國煤化工雜系統(tǒng)的特征參數(shù)傳及后處理模塊各部分組成。MEDOS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。遞到驅(qū)CNMH(比算法選用。子系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)MEDOS的基本功能為:對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)模型是基 1rr oruk上R, m不同學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域,各行學(xué)科分解,得到若千個分屬于不同學(xué)科的子系統(tǒng),子系統(tǒng)具有個子 系統(tǒng)分屬不同學(xué)科。子系統(tǒng)模型是由其所屬學(xué)科的設(shè)計(jì)者來相對的獨(dú)立性，分別由相應(yīng)學(xué)科的專家在前處理模塊中采用該學(xué)進(jìn)行建立的 ，各學(xué)科的設(shè)計(jì)者可以只面向本學(xué)科進(jìn)行操作,而不No.8256機(jī)械設(shè)計(jì)與制造Aug.2009涉及其他各學(xué)科的知識。各學(xué)科設(shè)計(jì)者可根據(jù)子系統(tǒng)所屬學(xué)科，.GAD-通用算法庫中優(yōu)化算法數(shù)據(jù)文件。選用相應(yīng)學(xué)科的分析工具,對子系統(tǒng)進(jìn)行分析,建立子系統(tǒng)的優(yōu)在MEDOS運(yùn)行時,數(shù)據(jù)的傳遞和存儲能夠根據(jù)數(shù)據(jù)文件名化模型,并通過驅(qū)動系統(tǒng)選用相應(yīng)的子系統(tǒng)優(yōu)化算法。的后綴進(jìn)行校驗(yàn),這很大程度上提高了數(shù)據(jù)在交換、讀寫和存儲在子系統(tǒng)建模時,用戶可通過點(diǎn)擊建立模型,建立- -個新的時的?？啃? 為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行打下了良好的基礎(chǔ)。子系統(tǒng)優(yōu)化模型。對于已有的模型也可以通過調(diào)用原有的模型來3.6后處理模塊實(shí)現(xiàn)模型的導(dǎo)人,這樣,很大程度上提高了建模的效率。對于建立后處理模塊用于對多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法和通用優(yōu)化算法的的模型可以保存成數(shù)據(jù)文件以供以后調(diào)用,這些模型的特征參數(shù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析后的再設(shè)計(jì)的運(yùn)行處理，以及對系統(tǒng)優(yōu)化的運(yùn)將傳遞給驅(qū)動系統(tǒng)作為選用優(yōu)化算法的依據(jù)。優(yōu)化模型中的目標(biāo)行數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行分析處理。 后處理模塊的主要功能包括:函數(shù)名稱約束函數(shù)名稱和子系統(tǒng)的編號同時顯示在界面上。(1)輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的全局結(jié)果及相關(guān)信息,以及各子系3.3驅(qū)動系統(tǒng)統(tǒng)的設(shè)計(jì)憂化結(jié)果;驅(qū)動系統(tǒng)是整個MEDOS系統(tǒng)的指揮中心.負(fù)責(zé)指揮、協(xié)調(diào)(2)對計(jì)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)評價和用戶評價,如未達(dá)到滿意結(jié)果，整個系統(tǒng)各模塊的運(yùn)行,它的主要功能是:(1)接收前處理模塊傳可以 直接調(diào)用數(shù)據(jù)文件,修改參數(shù)后重新計(jì)算;遞過來的信息,這些信息包括:復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),子系統(tǒng)模型(3)查看整個優(yōu)化過程中記錄的詳細(xì)信息,有利于對優(yōu)化結(jié)的特征數(shù)據(jù)等;(2)進(jìn)行系統(tǒng)級建模,在前處理模塊的信息的指導(dǎo)果的分析和處理;下.建立系統(tǒng)級的優(yōu)化模型;(3)選擇優(yōu)化算法,根據(jù)系統(tǒng)級和子(4)生成各種數(shù)據(jù)曲線,如日標(biāo)函數(shù)的迭代過程曲線,設(shè)計(jì)變系統(tǒng)的優(yōu)化模型的特點(diǎn),對照算法調(diào)用規(guī)則庫通用算法和專用算量的達(dá)代過程曲線等，可以非常直觀化地反映整個求解過程,為法的適用范圍,選擇匹配的優(yōu)化算法,對模型進(jìn)行求解;(4)向后用戶分析優(yōu)化結(jié)果提供幫助。處理模塊傳遞計(jì)算過程數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù),指導(dǎo)后處理工作。4 MEDOS系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)算法調(diào)用規(guī)則庫中建立一些常用模型的特征參數(shù),如:系統(tǒng)、整個系統(tǒng)是利用VC++語言和FORTRAN語言混合編程完子系統(tǒng)優(yōu)化模型的目標(biāo)麗數(shù)和約束函數(shù)的性質(zhì)和特點(diǎn);設(shè)計(jì)變量成的。以VC++編制整個系統(tǒng)框架,由系統(tǒng)的界面調(diào)用FORTRAN是否連續(xù)是否有離散和隨機(jī)變量等,對專用算法庫和通用算法語言編制的算法程序。這樣,既可以產(chǎn)生友好的圖形界面,增強(qiáng)人庫中優(yōu)化算法作了詳細(xì)的說明,制定了具體算法調(diào)用規(guī)則。機(jī)交互能力,又能充分發(fā)揮FORTRAN程序強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力。3.4算法庫在FORTRAN優(yōu)化設(shè)計(jì)程序中,包括目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)在算法庫包含多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化專用算法庫和通用優(yōu)化算法庫。內(nèi)的優(yōu)化模型由于具體問題的不同,經(jīng)常需要改變。這就需要在3.4.1多學(xué)科優(yōu)化專用算法庫包括了前面所研究的四種多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法,能夠針對于每次模型改變的時候,重新打開FORTRAN源程序,找到需要修不同類型的復(fù)雜系統(tǒng)的多種多學(xué)科優(yōu)化算法,并可與不同類型的改的模型進(jìn)行修改,十分不方便。對于多目標(biāo)、多學(xué)科的優(yōu)化,由于其模型規(guī)模很大,修改起來更是不易。因此,在VC++語言和FOR-子系統(tǒng)優(yōu)化算法兼容。TRAN語言混合編程中,重點(diǎn)解決了從界面輸人優(yōu)化模型的目標(biāo)3.4.2多學(xué)科優(yōu)化通用算法庫通用算法庫包括:連續(xù)變量的優(yōu)化算法庫、離散變量的優(yōu)化函數(shù)和約束函數(shù)的問題,即實(shí)現(xiàn)了從VC++語言向FORTRAN語算法庫和隨機(jī)變量的優(yōu)化算法庫。對于實(shí)際T程中的連續(xù)變量、言傳遞函數(shù)的問題,為系統(tǒng)的構(gòu)建提供了良好的技術(shù)支持。離散變量和隨機(jī)變量的優(yōu)化問題能夠進(jìn)行有效的求解。5結(jié)論.3.5數(shù)據(jù)庫上述系統(tǒng)的各組成部分相互聯(lián)系構(gòu)成了多學(xué)科工程設(shè)計(jì)優(yōu)系統(tǒng)在建模、輸人數(shù)據(jù)、計(jì)算過程和后處理等過程中通過數(shù)化系統(tǒng)MEDOS。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):可處理層級系統(tǒng)、非層級據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸人和輸出。數(shù)據(jù)庫主要存儲的數(shù)據(jù)信息有:系統(tǒng)和混合層級系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化問題;能夠?qū)?1)系統(tǒng)與子系統(tǒng)的模型信息; .實(shí)際工程中的連續(xù)變量、離散變量和隨機(jī)變量的優(yōu)化問題進(jìn)行有(2)設(shè)計(jì)變量的初始值、上下界以及各類設(shè)計(jì)參數(shù);效的求解;各子系統(tǒng)可獨(dú)自建立數(shù)學(xué)模型,相對獨(dú)立的進(jìn)行設(shè)計(jì)(3)系統(tǒng)級和子系統(tǒng)級各部分優(yōu)化過程中產(chǎn)生的各類中間數(shù)優(yōu)化,便于發(fā)揮學(xué)科專家在某- 領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢.提高子系統(tǒng)分據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù),為優(yōu)化結(jié)果的分析提供支持。析求解的準(zhǔn)確度和效率;由VC++和FORTRAN語言混合編程開數(shù)據(jù)庫中存貯的這些數(shù)據(jù)信息是以數(shù)據(jù)文件的形式存在的。發(fā)的系統(tǒng),具有友好的圖形界面和高效的計(jì)算效率。根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同特點(diǎn),建立不同的數(shù)據(jù)文件,利用文件名的參考文獻(xiàn)后綴來區(qū)分不同的數(shù)據(jù)文件。1 Sobieacanski -Sobiesk i J,Haftka T. Mulidisciplinary aero Bpace design數(shù)據(jù)庫中常見的數(shù)據(jù)文件名后綴如下:oplAIAA中國煤化工.0BF-優(yōu)化模型的目標(biāo)麗數(shù)數(shù)據(jù)文件;.COF-優(yōu)化模型的約束函數(shù)數(shù)據(jù)文件;2李響CNMHG本類型及協(xié)同設(shè)計(jì)方法宇航.RST-優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù)文件;3王書河,何麟書,張玉珠飛行器多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件系統(tǒng)北京航空航天.SAD-專用算法庫中優(yōu)化算法數(shù)據(jù)文件;大學(xué)學(xué)報2005.,3(1):51-55