一種復(fù)雜工程多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)雜工程多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)系統(tǒng)，屬于軟件技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)(如飛行器設(shè)計(jì))，要涉及到多個(gè)不同的學(xué)科(分系統(tǒng))，且學(xué)科(分系統(tǒng))間存在較為復(fù)雜的耦合關(guān)系。對(duì)每個(gè)學(xué)科(分系統(tǒng))分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)很難得到系統(tǒng)整體的最優(yōu)解。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法里，想要獲得總體系統(tǒng)的最優(yōu)解，設(shè)計(jì)中只能靠經(jīng)驗(yàn)、分析和試驗(yàn)，設(shè)計(jì)效率低，而且各學(xué)科(分系統(tǒng))之間必須不斷協(xié)調(diào)折中才能從各學(xué)科(分系統(tǒng))相對(duì)的最優(yōu)解中折中得到全局的最優(yōu)解。因此設(shè)計(jì)效率低，各個(gè)系統(tǒng)之間要依靠設(shè)計(jì)報(bào)告和數(shù)據(jù)文件的方式進(jìn)行協(xié)調(diào)，不但耗費(fèi)大量時(shí)間及人力，而且還容易出錯(cuò)。
[0003]在復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法(multidisciplinary designoptimizat1n(MDO))可以克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法效率低、周期長(zhǎng)、易出錯(cuò)、得不到最優(yōu)解等缺點(diǎn)，充分利用了各個(gè)學(xué)科(分系統(tǒng))之間的相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解，同時(shí)可以大大縮短設(shè)計(jì)周期。多學(xué)科優(yōu)化理論最早由Sobiesiki于上世紀(jì)80年代提出并發(fā)展而來(lái)，目前已成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法當(dāng)中的一個(gè)重要方法。隨著數(shù)學(xué)上優(yōu)化理論的發(fā)展和應(yīng)用，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的思想已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用在越來(lái)越多的復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，而且由于多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法利用各個(gè)學(xué)科之間的協(xié)同效應(yīng)容易獲得系統(tǒng)最優(yōu)解的好處，其地位在復(fù)雜系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)領(lǐng)域越來(lái)越重要。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)，每一個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)都會(huì)有大量的數(shù)據(jù)，用人工經(jīng)驗(yàn)的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，耗時(shí)費(fèi)力且容易出錯(cuò)，對(duì)付復(fù)雜的大規(guī)模設(shè)計(jì)問(wèn)題尚且困難，更不用說(shuō)考慮各個(gè)學(xué)科耦合和權(quán)衡的問(wèn)題了。所以要對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，就需要一個(gè)現(xiàn)代多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的環(huán)境，故需要集成的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)系統(tǒng)去進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互和管理。
[0004]目前市面上的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)較少，其中以Isight?功能比較完善，應(yīng)用較廣。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)Isight?最早是由MIT的博士 Siu S.Tong在上個(gè)世紀(jì)80年代提出并領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)發(fā)完成的，經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展已經(jīng)成為同類(lèi)軟件中佼佼者。Isight?是一個(gè)“軟件機(jī)器人”，可以不斷的調(diào)用相應(yīng)的工程計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。Isight?主要側(cè)重于提供多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化和不同層次優(yōu)化的技術(shù)以及優(yōu)化過(guò)程管理能力，將優(yōu)化方法(數(shù)值迭代算法、搜索式算法、啟發(fā)式算法、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)、響應(yīng)面模型(RSM)等)有效地組織起來(lái)進(jìn)行多學(xué)科的設(shè)計(jì)優(yōu)化，而在實(shí)際工程試驗(yàn)的過(guò)程中，會(huì)遇到各種不同的工作狀態(tài)，要達(dá)到各種不同的設(shè)計(jì)目的，就需要選用對(duì)自己的設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)象產(chǎn)生最大效果的優(yōu)化算法，而Isight?雖然提供了很多的算法，但是還是不能滿足需求。由于Isight?是不開(kāi)源的軟件平臺(tái)，其內(nèi)部算法不能被使用者打開(kāi)查看，當(dāng)使用者遇到需要選用對(duì)優(yōu)化算法或者遇到的問(wèn)題需要對(duì)優(yōu)化算法進(jìn)行改進(jìn)的時(shí)候，Isight?不能滿足這樣的需求。而且Isight?作為一款商業(yè)軟件平臺(tái)，對(duì)于各個(gè)領(lǐng)域的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題比較通用，所以對(duì)于某個(gè)領(lǐng)域的研究就不夠?qū)I(yè)，效率不夠高。
[0005]現(xiàn)代工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法正不斷推進(jìn)應(yīng)用。而且由于復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)的復(fù)雜性和困難性，進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)需要根據(jù)實(shí)際任務(wù)而選擇優(yōu)化系統(tǒng)和算法。所以更專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用于復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)是很有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]1.目的
[0007]本發(fā)明提供一種復(fù)雜工程多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)系統(tǒng)，以克服多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件不開(kāi)源、不能嵌入自研算法，對(duì)復(fù)雜工程總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)不夠?qū)I(yè)、效率不高等缺點(diǎn)。
[0008]2.技術(shù)方案
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。
[0010]本發(fā)明提供一種復(fù)雜工程多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)系統(tǒng)，此系統(tǒng)是基于Matlab編寫(xiě)的，分為三大模塊，從屬結(jié)構(gòu)如圖1所示:即優(yōu)化類(lèi)型選擇模塊、優(yōu)化模型模塊和結(jié)果輸出模塊，三大模塊之間的關(guān)系是:如圖2所示的軟件布局位置關(guān)系，以及從優(yōu)化類(lèi)型選擇模塊、優(yōu)化模型模塊到結(jié)果輸出模塊的數(shù)據(jù)傳遞和執(zhí)行先后順序的關(guān)系。
[0011 ] 模塊一:優(yōu)化類(lèi)型選擇模塊
[0012]所述優(yōu)化類(lèi)型選擇模塊是復(fù)雜工程多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)系統(tǒng)的主控制臺(tái)，如圖2所示。該優(yōu)化類(lèi)型選擇模塊由主控制臺(tái)上的幾個(gè)優(yōu)化類(lèi)型選擇按鈕、輸入路徑框和運(yùn)行、停止按鈕組成，它的結(jié)構(gòu)流程如圖6所示，通過(guò)優(yōu)化類(lèi)型選擇按鈕判斷將要執(zhí)行的優(yōu)化類(lèi)型，然后設(shè)定工作路徑和輸入文件路徑，復(fù)雜工程多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)系統(tǒng)在后臺(tái)讀取輸入文件的數(shù)據(jù)以及對(duì)建模分析軟件的調(diào)用。它的主要作用是:選擇所需要的專(zhuān)業(yè)分析計(jì)算軟件(數(shù)值優(yōu)化計(jì)算器或調(diào)用MSC.Software等其他建模軟件)并建立新的工程；選擇工作目錄及輸入輸出文件的路徑；顯示當(dāng)前優(yōu)化過(guò)程結(jié)構(gòu)圖；控制算法的運(yùn)行及停止。
[0013]模塊二:優(yōu)化模型模塊
[0014]所述優(yōu)化模型模塊又由模型建立模塊和算法選擇模塊構(gòu)成，如圖2所示，其間關(guān)系是復(fù)雜工程多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，模型建立模塊生成和讀取數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)傳遞至算法選擇模塊用算法程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。
[0015]在復(fù)雜工程多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)系統(tǒng)主界面可打開(kāi)模型建立模塊的子界面，如圖3所示。該模型建立模塊結(jié)構(gòu)流程如圖7所示，模型建立模塊子界面里有三個(gè)表格窗口用于設(shè)定優(yōu)化模型的優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量和約束條件三個(gè)部分。該優(yōu)化目標(biāo)是優(yōu)化模型中所要求得最優(yōu)值的變量，可以根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇；該優(yōu)化變量是優(yōu)化模型進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中需要進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算的參量；該約束條件是在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要滿足的條件，可以為線性約束或非線性約束。若為工程優(yōu)化類(lèi)型，則模型建立模塊會(huì)讀取輸入文件中數(shù)據(jù)并顯示在模型建立模塊子窗口上。在模型建立模塊子界面里完成優(yōu)化模型的優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量和約束條件的填寫(xiě)和修改之后，模型建立模塊會(huì)將數(shù)據(jù)保存在硬盤(pán)中，以后可以直接讀取硬盤(pán)里的優(yōu)化模型數(shù)據(jù)文件。然后該模型建立模塊生成關(guān)于優(yōu)化模型數(shù)據(jù)的中間文件，提交給算法選擇模塊使用；并且主界面模型建立模塊部分有三個(gè)顯示窗口會(huì)顯示當(dāng)前輸入的模型參數(shù)，方便查看。
[0016]算法選擇模塊是指復(fù)雜工程多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)系統(tǒng)中為相應(yīng)的優(yōu)化模型設(shè)計(jì)合適的算法的模塊，它是由主界面的算法選擇模塊和算法選擇模塊子界面組成，主界面的算法選擇模塊有優(yōu)化算法的菜單及優(yōu)化算法的說(shuō)明框，算法選擇模塊子界面顯示各個(gè)算法參數(shù)的當(dāng)前值和默認(rèn)值，可以進(jìn)行修改或打開(kāi)算法源程序。復(fù)雜工程多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)系統(tǒng)提供若干編好的優(yōu)化算法，可以直接在復(fù)雜工程多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)系統(tǒng)主界面算法選擇模塊的優(yōu)化算法菜單，如圖2所示；直接選擇提供的優(yōu)化算法對(duì)相應(yīng)的優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。也可以從算法選擇模塊打開(kāi)算法選擇模塊子界面，如圖4所示，在算法選擇模塊子界面內(nèi)查看和修改算法各參數(shù)的定義、默認(rèn)值，或者打開(kāi)算法的源程序查看或改進(jìn)算法。除此之外，算法選擇模塊是一個(gè)開(kāi)源的模塊，使用者可以在算法選擇模塊里選擇“添加算法”，把自己編寫(xiě)的算法程序直接嵌入到復(fù)雜工程多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件平臺(tái)系統(tǒng)中，這樣可以根據(jù)實(shí)際情況編寫(xiě)最合適相應(yīng)的優(yōu)化模型的優(yōu)化算法進(jìn)行尋優(yōu)求解，又能利用集成的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化