多学科设计优化方法的研究及其优化系统的构建

机械设计与制造第8期254Machinery Design & Manufacture2009年8月文章编号: 1001-39972009 )08-0254 03综多学科设计优化方法的研究及其优化系统的构建*蔡占军'翁海珊2俞必强2('天津工业大学纺织学院,天津300160)(2 北京科技大学机械工程学院,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]为提高对复杂系统的优化设计效率，构建了针对复杂系统的多学科工程设计优化系统MEDOS。MEDOS系统主要由用户界面、驱动系统、前处理、算法库、数据库及后处理模块组成。MEDOS系统能够对复杂系统进行分解、建模,调用相应的通用算法和专用算法完成优化设计,不仅能够求解- -般的工程优化问题,而且对于涉及离散随机的优化问题也有很强的求解能力,具有友好的用户界面,为应用多学科设计优化方法提供了便利。关键词:多学科设计优化;复杂系统;优化设计[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中图分类号:TH122文献标识码:A1前言2.1.2非层级系统子系统之间没有明确的顺序等级关系,子系统之间相互传递多学科设计优化( Multidisciplinary Design Optimization,MDO)是在传统优化设计基础H逐步发展起来的针对复杂系统的优化信息,具有相互“耦合”的关系,它是-种“网”结构,各子系统之间设计方法。多学科设计优化方法的主要思想是在复杂系统设计的为同一等级的并行关系。整个过程中.集成各学科的知识，应用有效的设计优化策略进行2.1.3混合层级系统复杂系统的优化设计。通过充分利用各子系统之间的相互作用所是指同时具有以上二者特点的系统。系统内的各子系统之间产生的协同效应,获得系统的整体最适解叨。多学科设计优化方从整体:具有顺序层级结构关系,但其中部分子系统之间相互耦法在应用时,需要对复杂系统进行分解、建模和选择适合的优化合,为并行的非层级关系。称其为混合层级系统。这种系统的处理算法等多个步骤，普通的用户使用十分困难。在对多学科设计优既要考虑不同层级之间的影响,又要注意同- -层级子系统的相互化方法研究的基础上,开发了MEDOS优化系统,系统集成了复关系。相对于层级系统和非层级系统来说,具有更高的复杂度。杂系统的分解.建模.专用算法通用算法等模块,为用户应用多学科设计优化方法提供I便利。2多学科设计优化方法的研究2.1复杂系统的分解复杂系统- -般都包含多个子系统,这些子系统之间有着以数据和其它信息相互交换形成的错综复杂的关系。对于复杂系统的(a)层级系统(b)非层级系统(c)混合层级系统图1系统模型图研究,一般将其分解为以下几种系统模型,如图1所示。中国煤化工2.1.1层级系统2.2多子系统之间信息流程具有顺序性,信息的传递是从上层到下2.2.1YHCNMHGcpo层单向传递的。子系统之间没有耦合关系,它是一-种“树“状结构。针对层级系统的多学科设计优化方法，如图2所示。通过对不同层之间形成串联关系,而同一层之间的子系统相互独立的。各个层级的协调优化,最终完成系统的优化。*来稿日期:2008-10-18 * 基金项日:教育部科学技术研究重点项月资助( 106018)第8期蔡占军等:多学科设计优化方法的研究及其优化系统的构建2552.2.2多学科目标协调优化方法MOCDO科的分析工具对子系统进i分析建模,并通过驱动系统，调用算针对非层级系统的多学科设计优化方法.如图3所示。适用法库中 相应的多学科设计优化专用算法和用于子系统优化的通于有系统总体目标的情况,含有系统级和子系统级两个层次的用算法,在 系统的协调控制下,使各子系统协同优化,最终达到系优化进程,通过在系统级优化的协调指导下，各子系统的优化目统总体性能的最优化,将结果输出到后处理模块中做进 步处理。标满足协同关系,最终由系统级的优化得到总体最适解。MEDOS驱动系统后处理一+魏能一前处理系统级建模复朵系统分解了系统建模| 算法调用规则库数据库通用算法库-一专用算法库MEDOS算达库图4 MEDOS系统的结构棋图地优Fig4 Structure of MEDOS systemN↓C完3.1用户界面用户界面,如图5所示。是用户借助可视化界面与系统进行图2多学科层级协调优化方法的结构流程Fig2 Flow chart of MHCDO交流,控制实施多学科优化设计的平台。用户界面分为:前处理即2.2.3多学科变量耦合优化方法MVCDO子系统建模驱动系统、优化结果和后处理四部分。多学科设计优针对非层级系统的多学科设计优化方法.适用于系统的设计化系统的用户包括负责系统总体优化实施的设计人员和负责各目标分布于各子系统之中的情况，子系统独立.并行地进行优化，学科 子系统的分析建模的学科专家,两类用户通过用户界面分别通过满足耦合变量的耦合关系,求得系统最适解。对MEDOS驱动系统和前处理模块实施相应的操作。学科专家通2.2.4 多学科混合协同优化方法MMCDO过用户界面在前处理模块中利用各学科的分析工具进行子系统针对混合层级系统的多学科设计优化方法，其求解方法融合的分析, 建立子系统优化模型。系统级的设计人员通过用户界面了以上层级系统的顺序关系的优化方法和两种非层级系统的多学控制MEDOS驱动系统,构造多学科优化的系统模型.定制多学科优化方法的特点，适应于含有顺序的和并行的混合优化问题的复科 设计优化任务,完成对系统的初始化设置。计算完成后，可通过杂系统的多学科设计优化。界面查看优化结果,在后处理模块可修改参数重新计算并且可以查看整个优化过程的详细信息。同时,为了更好地实现人机交流，|层级系统1| .. |层级系统nT优化在用户界面下方可以实时显示用户操作的信息。构造协同H标MEDOS 多学科工设计化化系优MEDOS多学科工程设计优化系统系统级优化|层级系统1层级系统n| 北公外花优化[变址协同分析 ][目标协间分析 ]手系晚序号不线日标高教文件 力的华平文件 数明文件雪传减教文件本规内聚酒教文件 邮有结氧文件 日博信息文件选开的再法上<到最优>"，图5 MEDOS系统用户界面C完成D[调整协网用标Fig5 User interface of MEDOS system图3多学科混合协同优化方法的结构流程3.2前处理模块Fig3 Flow chart of MMCDO前处理模块的主要功能是进行复杂系统的分解和子系统建3 MEDOS优化系统的构建模。通过对所研究的复杂系统的分解,理清各子系统之间的相互MEDOS系统主要由用户界面前处理驱动系统算法库数据库关系,中国煤化工杂系统的特征参数传及后处理模块各部分组成。MEDOS系统的结构框图如图4所示。递到驱CNMH(比算法选用。子系统的多学科设计优化系统MEDOS的基本功能为:对复杂系统进模型是基 1rr oruk上R, m不同学科技术领域,各行学科分解,得到若千个分属于不同学科的子系统,子系统具有个子 系统分属不同学科。子系统模型是由其所属学科的设计者来相对的独立性，分别由相应学科的专家在前处理模块中采用该学进行建立的 ，各学科的设计者可以只面向本学科进行操作,而不No.8256机械设计与制造Aug.2009涉及其他各学科的知识。各学科设计者可根据子系统所属学科，.GAD-通用算法库中优化算法数据文件。选用相应学科的分析工具,对子系统进行分析,建立子系统的优在MEDOS运行时,数据的传递和存储能够根据数据文件名化模型,并通过驱动系统选用相应的子系统优化算法。的后缀进行校验,这很大程度上提高了数据在交换、读写和存储在子系统建模时,用户可通过点击建立模型,建立- -个新的时的叮靠性, 为系统的稳定运行打下了良好的基础。子系统优化模型。对于已有的模型也可以通过调用原有的模型来3.6后处理模块实现模型的导人,这样,很大程度上提高了建模的效率。对于建立后处理模块用于对多学科设计优化算法和通用优化算法的的模型可以保存成数据文件以供以后调用,这些模型的特征参数优化结果进行分析后的再设计的运行处理，以及对系统优化的运将传递给驱动系统作为选用优化算法的依据。优化模型中的目标行数据和结果进行分析处理。 后处理模块的主要功能包括:函数名称约束函数名称和子系统的编号同时显示在界面上。(1)输出系统设计优化的全局结果及相关信息,以及各子系3.3驱动系统统的设计忧化结果;驱动系统是整个MEDOS系统的指挥中心.负责指挥、协调(2)对计结果进行系统评价和用户评价,如未达到满意结果，整个系统各模块的运行,它的主要功能是:(1)接收前处理模块传可以 直接调用数据文件,修改参数后重新计算;递过来的信息,这些信息包括:复杂系统的结构特点,子系统模型(3)查看整个优化过程中记录的详细信息,有利于对优化结的特征数据等;(2)进行系统级建模,在前处理模块的信息的指导果的分析和处理;下.建立系统级的优化模型;(3)选择优化算法,根据系统级和子(4)生成各种数据曲线,如日标函数的迭代过程曲线,设计变系统的优化模型的特点,对照算法调用规则库通用算法和专用算量的达代过程曲线等，可以非常直观化地反映整个求解过程,为法的适用范围,选择匹配的优化算法,对模型进行求解;(4)向后用户分析优化结果提供帮助。处理模块传递计算过程数据和结果数据,指导后处理工作。4 MEDOS系统的实现技术算法调用规则库中建立一些常用模型的特征参数,如:系统、整个系统是利用VC++语言和FORTRAN语言混合编程完子系统优化模型的目标丽数和约束函数的性质和特点;设计变量成的。以VC++编制整个系统框架,由系统的界面调用FORTRAN是否连续是否有离散和随机变量等,对专用算法库和通用算法语言编制的算法程序。这样,既可以产生友好的图形界面,增强人库中优化算法作了详细的说明,制定了具体算法调用规则。机交互能力,又能充分发挥FORTRAN程序强大的数值计算能力。3.4算法库在FORTRAN优化设计程序中,包括目标函数和约束函数在算法库包含多学科设计优化专用算法库和通用优化算法库。内的优化模型由于具体问题的不同,经常需要改变。这就需要在3.4.1多学科优化专用算法库包括了前面所研究的四种多学科设计优化方法,能够针对于每次模型改变的时候,重新打开FORTRAN源程序,找到需要修不同类型的复杂系统的多种多学科优化算法,并可与不同类型的改的模型进行修改,十分不方便。对于多目标、多学科的优化,由于其模型规模很大,修改起来更是不易。因此,在VC++语言和FOR-子系统优化算法兼容。TRAN语言混合编程中,重点解决了从界面输人优化模型的目标3.4.2多学科优化通用算法库通用算法库包括:连续变量的优化算法库、离散变量的优化函数和约束函数的问题,即实现了从VC++语言向FORTRAN语算法库和随机变量的优化算法库。对于实际T程中的连续变量、言传递函数的问题,为系统的构建提供了良好的技术支持。离散变量和随机变量的优化问题能够进行有效的求解。5结论.3.5数据库上述系统的各组成部分相互联系构成了多学科工程设计优系统在建模、输人数据、计算过程和后处理等过程中通过数化系统MEDOS。该系统具有以下特点:可处理层级系统、非层级据库来实现数据的输人和输出。数据库主要存储的数据信息有:系统和混合层级系统等复杂系统的多学科设计优化问题;能够对(1)系统与子系统的模型信息; .实际工程中的连续变量、离散变量和随机变量的优化问题进行有(2)设计变量的初始值、上下界以及各类设计参数;效的求解;各子系统可独自建立数学模型,相对独立的进行设计(3)系统级和子系统级各部分优化过程中产生的各类中间数优化,便于发挥学科专家在某- 领域的技术优势.提高子系统分据和结果数据,为优化结果的分析提供支持。析求解的准确度和效率;由VC++和FORTRAN语言混合编程开数据库中存贮的这些数据信息是以数据文件的形式存在的。发的系统,具有友好的图形界面和高效的计算效率。根据数据类型的不同特点,建立不同的数据文件,利用文件名的参考文献后缀来区分不同的数据文件。1 Sobieacanski -Sobiesk i J,Haftka T. Mulidisciplinary aero Bpace design数据库中常见的数据文件名后缀如下:oplAIAA中国煤化工.0BF-优化模型的目标丽数数据文件;.COF-优化模型的约束函数数据文件;2李响CNMHG本类型及协同设计方法宇航.RST-优化结果数据文件;3王书河,何麟书,张玉珠飞行器多学科设计优化软件系统北京航空航天.SAD-专用算法库中优化算法数据文件;大学学报2005.,3(1):51-55