CN102890740A

CN102890740A - 一种多域系统的设计和优化方法

Info

Publication number: CN102890740A
Application number: CN2012104087170A
Authority: CN
Inventors: 刘玉生; 袁文强
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2013-01-23

Abstract

本发明公开了一种多域系统的设计和优化方法，基于系统建模语言SysML对系统优化方法进行形式化表示，并使用SysML扩展机制定义系统设计模型的表示规范；根据待设计和优化的多域系统功能需求分析，基于表示规范建立系统设计模型，自动提取系统优化模型；调用系统优化方法对所述系统优化模型进行自动求解，并将优化结果返回到系统设计模型，根据优化结果对系统设计模型进行优化。本发明的方法有效地将系统设计和优化进行了结合，在系统设计过程中实现了系统的自动优化。

Description

一种多域系统的设计和优化方法

技术领域

本发明涉及系统工程技术领域，具体涉及多域系统的设计和优化的方法。

背景技术

所谓系统,是指由相互关联、相互制约、相互作用的一些部分所组成的具有某种功能的有机整体。系统工程是以系统理论为依据,以整个系统为研究对象,从全局统一考虑,运用运筹学、概率学与统计学、控制论、信息论、管理学、经济学及计算机科学等科学理论与方法去权衡解决问题,实现系统整体性价比最优的一门学科。在系统工程初期阶段,系统产生的信息均是以文档的形式来描述和记录,但是随着系统的规模和复杂程度的不断提高,这种基于文档的系统工程面临的困难越来越突出,如信息表示不准确,容易产生歧义、难以从海量文档中查找所需信息、无法与其他工程领域的设计相衔接(如软件、机械、电子等)。为了解决这些问题,基于模型的系统工程MBSE(Model Based Systems Engineering)便产生了,这也正是未来系统工程发展的必然趋势。

基于模型的系统工程MBSE与传统的基于文档的系统工程最显著的区别在于，在MBSE中，系统设计开发过程中的所有信息均是以模型来表示。这种方法具有如下几个优点：

知识表示的无二义性，模型是一种高度形式化的表示方法，它具有模块化、无歧义、可重用等优点，采用模型可以准确统一地表示系统的各个方面，如功能、结构、行为等。

便于交流和传播，由于开发团队以及项目参与者的分散性，系统相关信息需要在不同人群之间进行交流和传播。由于模型本身的精确性，它在不同涉众之间建立起了无二义的交流规则，使得不同人对同一模型具有统一的理解。

支持信息的转换，系统生命周期中包含着许多信息转换过程，如设计人员需要根据需求信息产生系统的设计。基于模型的表示使得信息转换能够更加方便甚至自动化进行，如从设计模型生成仿真模型从而便于对设计的验证。

支持模型的集成，模型可以清晰地表示各种信息之间的关系，这不仅使得系统层的需求模型、结构模型、行为模型可以有机地联系在一起，也使得各领域的详细设计模型可以与抽象的系统层模型之间建立关联，从而支持各种模型的集成。

MBSE因为其优点而正被系统设计者广泛地采用，为了支持MBSE，国际系统工程学会（International Council of Systems Engineering，INCOSE）和对象管理组织（Object Management Group，OMG）联合提出了系统建模语言（Systems Modeling Language，SysML），SysML是一种通用的针对系统工程应用的建模语言，它可以支持包含硬件、软件、信息等多领域系统的描述、设计、分析、验证等。基于标准系统建模语言SysML，系统设计人员可以基于统一的图表如结构图表、行为图表和参数图方便地表达其设计意图。

但其设计结果是否满足要求、是否为最优则不是设计建模能完成的任务，必须通过优化过程来完成。目前，在多域复杂产品的系统设计层面，系统设计与系统优化还是分为两个不同过程、应用不同软件平台来实现的，其中需要经过数据的转换与重新建模，十分费时费力且易出错，因此，如何在系统设计过程中支持相关设计信息的提取并构建正式系统优化模型、然后将其自动传递给优化工具、从而实现系统的自动优化仍然是一个开放的问题，没有解决。

发明内容

本发明的目的是解决系统设计建模和系统优化的集成问题，在系统设计过程中完成相关设计信息的提取并构建系统优化模型，从而能实现系统的优化。

一种多域系统的设计和优化方法，包括步骤：

基于系统建模语言SysML对系统优化方法进行形式化表示，并使用SysML扩展机制定义系统设计模型的表示规范；

根据待设计和优化的多域系统功能需求分析，基于所述表示规范建立系统设计模型，自动提取系统优化模型；

调用所述的系统优化方法对所述系统优化模型进行自动求解，并将优化结果返回到系统设计模型，根据优化结果对系统设计模型进行优化。

其中，所述系统设计模型的表示规范包括：系统优化约束条件表示规范，优化目标表示规范，模型实例表示规范，特定领域参数表示规范，约束参数与优化变量属性映射关系表示规范，以及约束参数与特定领域参数映射关系表示规范。所述优化约束条件包括：上下边界约束条件、线性相等约束条件、线性不等约束条件、非线性相等约束条件和非线性不等约束条件。

所述SysML扩展机制定义的表示规范包括：用于表示规范扩展的标识，扩展名称和所述扩展名称对应的基类。

进一步地，所述自动提取系统优化模型，包括步骤：

A）根据待设计和优化的多域系统功能需求，建立系统设计模型，根据优化约束条件表示规范和优化目标表示规范进行解析操作，提取优化约束条件和优化目标信息并保存；

B）根据约束参数与优化变量属性映射关系表示规范，提取约束参数与系统优化变量间的连接关系信息，保存约束参数类型、数值等信息，并保存其对应的系统优化变量类型、数值等信息；

C）根据约束参数与特定领域参数表示规范，提取约束参数与特定领域参数间的连接关系信息，保存约束参数类型、数值等信息，并保存其对应的特定领域参数类型、数值等信息；

D）根据模型实例表示规范，针对某个特定的系统优化变量，创建模型实例，根据其包含的属性信息和功能需求，为系统优化变量赋予初始值；

E）提取上述保存的所有信息，形式化地构建系统优化模型。

进一步地，在提取系统优化模型的过程中，需要进行优化变量和约束参数之间的传递，通过约束参数与优化变量属性映射关系，建立左右两端定义的一一映射关系将优化变量的值传递到约束参数。

进一步地，在提取系统优化模型的过程中，需要进行特定领域参数和约束参数之间的传递，通过约束参数与特定领域参数映射关系，建立左右两端定义的一一映射关系将特定领域参数值传递给约束参数。

本发明基于系统建模语言SysML，提出了一种多域系统设计和优化的集成方法，通过系统建模语言SysML及其扩展机制对系统优化方法和表示规范进行了定义，在系统建模后提取系统优化模型并进行优化求解，并将求解结果返回到系统设计模型，完成系统的建模和优化，有效地将系统设计和优化进行了结合。

附图说明

图1为本发明多域系统的设计和优化的方法流程示意图；

图2为本发明约束参数与优化变量映射示意图；

图3为本发明特定领域参数与约束参数映射示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例子对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例子不构成对本发明的限定。

如图1方法流程图所示，本发明基于系统建模语言SysML，实现多域复杂系统设计和系统优化的集成，包括步骤如下：

步骤1、基于SysML对系统优化方法进行形式化表示，使用SysML扩展机制定义系统设计模型的表示规范。

具体地，基于SysML给出系统优化方法的形式化表示是将目前流行的系统优化方法进行基于SysML的形式化定义，以便在后续的步骤中可以在系统设计平台中自动地调用这些优化方法，例如，使用MATLAB软件中自带的fmincon(FUN,X0,A,B,Aeq,Beq,LB,UB,NONLCON)，其参数具体涵义分别是：FUN表示优化目标，X0表示优化初始值，A表示线性不等优化约束条件的系数矩阵，B表示线性不等优化约束条件的右端值矩阵，Aeq表示线性相等优化约束条件的系数矩阵，Beq表示线性相等优化约束条件的右端值矩阵，LB表示优化变量取值下界，UB表示优化变量取值上界，NONLCON表示非线性优化约束条件，针对这个方法包含的参数，使用SysML扩展机制对其进行表示，例如，使用<<c_obj>>扩展表示FUN优化目标这个参数。

具体地，系统设计模型表示规范包括优化约束条件表示规范，优化目标表示规范，优化模型实例表示规范，特定领域参数表示规范，约束参数与优化变量属性映射关系表示规范，特定领域参数与约束参数映射关系表示规范。所定义的表示规范均保存为模块化的形式以提供给后续的加载使用。优化约束条件和优化目标都是关于优化变量的函数，优化目标和优化约束条件通过约束模块进行表达。

需要说明的是，SysML扩展机制是指被加载了某个扩展的对象拥有此扩展所定义的涵义，如表1所示，<<stereotype>>表示它是一个扩展，其下面的文本表示该扩展的名字以及被赋予的涵义，如c_obj表示扩展的对象为一个优化目标，最下面使用中括号标注的文本表示此扩展所属的基类，表中c_obj扩展的基类为要素Element。

如表1所示，优化约束条件是系统设计模型中所满足的约束规律，包含上下边界约束条件(使用c_bou扩展表示)、线性相等约束条件(使用c_equ扩展表示)、线性不等约束条件(使用c_neq扩展表示)、非线性相等约束条件(使用c_nle扩展表示)和非线性不等约束条件(使用c_nln扩展表示)。

表1

设计人员针对某个特定的系统设计模型，可以建立多个不同的模型实例进行优化分析，模型实例表示规范如表2(使用opti_instance表示)，定义的模型实例给出其属性的量化值，即定义优化变量的初始值。

表2

在整个系统设计模型中，部分模型元素属性根据设计的要求会被选作系统优化变量，即系统优化变量为系统设计模型中需要对其进行优化分析的元素属性，通过使用基于SysML的约束模块表示系统设计模型所满足的约束需求，具体表现为使用约束模块所包含的约束参数进行表示，定义约束模块中的约束参数与需要进行优化分析的模型元素属性之间的映射关系，如表3，使用opti_bc扩展表示系统优化变量与约束参数之间映射的表示规范。同理，特定领域参数与约束参数映射关系表示规范如表3所示。

表3

多域系统中涉及到的多领域知识通过特定领域参数表示规范进行表示，如表4所示，定义了BasicConstants块表示发动机汽缸的领域参数，各参数具体涵义：PI为数学常量，epslon为汽缸几何压缩比，K和delta为计算有效燃烧室容积的系数，n为额定转速，Vs为汽缸工作容积，Cm为活塞平均速度。

表4

为了将上述领域参数在本方法中规范化表示，使用如表5中扩展表示：

表5

步骤2、根据待设计和优化的多域系统功能需求分析，基于上述所定义的表示规范建立完整的系统设计模型，自动提取系统优化模型。

在步骤2中，使用已定义的表示规范自动生成系统优化模型的详细步骤包括：

A）根据功能需求，建立系统设计模型，根据优化约束条件表示规范和优化目标表示规范进行解析操作，提取优化约束条件和优化目标信息并保存；

B）根据约束参数与优化变量属性表示规范，提取约束参数与系统优化变量间的连接关系信息，保存约束参数类型、数值等信息，并保存其对应的系统优化变量类型、数值等信息；

E）提取上述保存的所有约束参数信息、模型元素属性映射信息和模型实例信息，形式化地构建系统优化模型。

具体地，根据步骤1中定义的多个表示规范，提取系统优化模型的信息，包括优化目标、优化变量、优化变量上下边界约束条件、线性相等约束条件、线性不等约束条件、非线性相等约束条件、非线性不等约束条件和模型实例。在提取的过程中，需要进行优化变量和约束参数之间的传递，如图2中存在三个加载opti_bc扩展的连接关系，其左端冲程参数Sp,缸径参数Dp和目标参数fxp属于约束参数，其右端Stroke(冲程)和Diameter(缸径)属于优化变量，objValue(汽缸最小散热面积)为优化目标值，通过建立左右两端定义的一一映射关系将优化变量的值传递到约束参数，进而表示Stroke，Diameter和objValue也满足fxp所定义的数学关系；其中constraint表示为约束条件，Fxcp:f(x){fxp=Plc*epslonc-a)*Dp*Sp+Plc/2*power(Dp,2)}为参数的具体数学关系。在进行优化变量和约束参数进行传递的同时，特定领域参数和约束参数也需要建立传递关系，如图3中所示，g2Xcp（第二个约束属性，即有效燃烧室容积）加载了c_nln扩展，表明其表达一个非线性不等的约束条件，中间存在三个加载了opti_bc扩展的连接关系，其左端Kc,epslonc和deltac属于约束参数，其右端K,epslon和delta属于发动机汽缸领域参数，通过建立左右两端定义的一一映射关系将发动机汽缸领域的参数值传递给约束参数，进而表示K，epslon，delta和其他优化变量一起满足g2Xcp定义的非线性不等关系，G2xcp:g2(x){Kc+deltac*(epslon-1)/Sp-1<0}为参数的具体数学关系。

将提取的所有信息进行形式化，根据优化方法的输入要求对系统优化模型进行整理得到可求解系统优化模型。

步骤3、调用已经形式化表示的优化方法实现系统优化模型的自动求解，并将优化结果自动返回到系统设计模型中，根据优化结果对系统设计模型进行优化。

具体地，将系统优化模型作为输入通过优化方法进行数值计算，进行自动求解，从而获得优化后的求解结果。该优化后的求解结果，包括优化后的变量和目标值。可求解系统优化模型包括目标函数文件、非线性约束条件文件、优化变量边界约束条件矩阵、线性相等约束矩阵和线性不等约束矩阵、提取的系统优化模型以可视化的形式呈现给设计人员。对可求解系统优化模型自动求解后，优化求解结果会以可视化界面的方式呈现给设计人员。优化求解结果可以自动地替换到系统模型中，如优化模型实例cylinder1是一个FeaturedCylinder类型的对象实例，其属性Stroke和Diameter作为系统优化变量，优化前Stroke和Diameter初始值分别为0.142和0.130，优化目标最小散热面积objValue值为空，在进行自动优化求解后，求得系统模型中优化变量Stroke和Diameter值分别为0.139和0.134，优化目标最小散热面积objValue为0.091827，将这些优化后的值带入系统设计模型实现系统的优化。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种多域系统的设计和优化方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的多域系统的设计和优化方法，其特征在于，所述系统设计模型的表示规范包括：系统优化约束条件表示规范，优化目标表示规范，模型实例表示规范，特定领域参数表示规范，约束参数与优化变量属性映射关系表示规范，以及约束参数与特定领域参数映射关系表示规范。

3.根据权利要求1所述的多域系统的设计和优化方法，其特征在于，所述SysML扩展机制定义的表示规范包括：

用于表示规范扩展的标识，扩展名称和所述扩展名称对应的基类。

4.根据权利要求2所述的多域系统的设计和优化方法，其特征在于，所述优化约束条件包括：上下边界约束条件、线性相等约束条件、线性不等约束条件、非线性相等约束条件和非线性不等约束条件。

5.根据权利要求2所述的多域系统的设计和优化方法，其特征在于，所述自动提取系统优化模型，包括步骤：

E）提取上述保存的所有信息，形式化地构建系统优化模型。

6.根据权利要求5所述的多域系统的设计和优化方法，其特征在于，还包括步骤：通过约束参数与优化变量属性映射关系将优化变量的值传递到约束参数。

7.根据权利要求5所述的多域系统的设计和优化方法，其特征在于，还包括步骤：通过约束参数与特定领域参数映射关系将特定领域参数值传递给约束参数。