CN105183987B - 一种复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统 - Google Patents

Abstract

一种复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统，此系统是基于Matlab编写的，分为三大模块，即优化类型选择模块、优化模型模块和结果输出模块，其间是从优化类型选择模块、优化模型模块到结果输出模块的数据传递和执行先后顺序的关系；本发明为软件平台系统开源，可以查看和修改算法程序的代码，可以嵌入自研算法，多学科设计优化过程更适合复杂工程总体设计系统，对复杂工程总体设计系统更专业、更高效。

Description

一种复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统

技术领域

本发明涉及一种复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统，属于软件技术领域。

背景技术

复杂工程系统设计(如飞行器设计)，要涉及到多个不同的学科(分系统)，且学科(分系统)间存在较为复杂的耦合关系。对每个学科(分系统)分别进行优化设计很难得到系统整体的最优解。在传统的设计方法里，想要获得总体系统的最优解，设计中只能靠经验、分析和试验，设计效率低，而且各学科(分系统)之间必须不断协调折中才能从各学科(分系统)相对的最优解中折中得到全局的最优解。因此设计效率低，各个系统之间要依靠设计报告和数据文件的方式进行协调，不但耗费大量时间及人力，而且还容易出错。

在复杂工程系统设计，应用多学科设计优化方法(multidisciplinary designoptimization(MDO))可以克服传统设计方法效率低、周期长、易出错、得不到最优解等缺点，充分利用了各个学科(分系统)之间的相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解，同时可以大大缩短设计周期。多学科优化理论最早由Sobiesiki于上世纪80年代提出并发展而来，目前已成为现代设计方法当中的一个重要方法。随着数学上优化理论的发展和应用，多学科设计优化方法的思想已经开始应用在越来越多的复杂工程系统设计上，而且由于多学科设计优化方法利用各个学科之间的协同效应容易获得系统最优解的好处，其地位在复杂系统总体设计领域越来越重要。对于一个复杂的工程系统设计，每一个子系统内都会有大量的数据，用人工经验的方法进行优化设计，耗时费力且容易出错，对付复杂的大规模设计问题尚且困难，更不用说考虑各个学科耦合和权衡的问题了。所以要对复杂的问题进行多学科设计优化，就需要一个现代多学科设计优化的环境，故需要集成的多学科设计优化软件平台系统去进行数据的交互和管理。

目前市面上的多学科设计优化软件平台较少，其中以Isight^TM功能比较完善，应用较广。多学科设计优化软件平台Isight^TM最早是由MIT的博士Siu S.Tong在上个世纪80年代提出并领导开发完成的，经过这些年的发展已经成为同类软件中佼佼者。Isight^TM是一个“软件机器人”，可以不断的调用相应的工程计算软件进行计算。Isight^TM主要侧重于提供多学科设计优化和不同层次优化的技术以及优化过程管理能力，将优化方法(数值迭代算法、搜索式算法、启发式算法、实验设计(DOE)、响应面模型(RSM)等)有效地组织起来进行多学科的设计优化，而在实际工程试验的过程中，会遇到各种不同的工作状态，要达到各种不同的设计目的，就需要选用对自己的设计优化对象产生最大效果的优化算法,而Isight^TM虽然提供了很多的算法,但是还是不能满足需求。由于Isight^TM是不开源的软件平台，其内部算法不能被使用者打开查看，当使用者遇到需要选用对优化算法或者遇到的问题需要对优化算法进行改进的时候，Isight^TM不能满足这样的需求。而且Isight^TM作为一款商业软件平台，对于各个领域的多学科设计优化问题比较通用，所以对于某个领域的研究就不够专业，效率不够高。

现代工程系统设计中，多学科设计优化方法正不断推进应用。而且由于复杂系统设计任务的复杂性和困难性，进行多学科设计优化时需要根据实际任务而选择优化系统和算法。所以更专业的应用于复杂工程系统设计的多学科综合设计优化软件平台是很有必要的。

发明内容

1.目的

本发明提供一种复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统，以克服多学科设计优化软件不开源、不能嵌入自研算法，对复杂工程总体设计系统不够专业、效率不高等缺点。

2.技术方案

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案。

本发明提供一种复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统，此系统是基于Matlab编写的，分为三大模块，从属结构如图1所示：即优化类型选择模块、优化模型模块和结果输出模块，三大模块之间的关系是：如图2所示的软件布局位置关系，以及从优化类型选择模块、优化模型模块到结果输出模块的数据传递和执行先后顺序的关系。

模块一：优化类型选择模块

所述优化类型选择模块是复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统的主控制台，如图2所示。该优化类型选择模块由主控制台上的几个优化类型选择按钮、输入路径框和运行、停止按钮组成，它的结构流程如图6所示，通过优化类型选择按钮判断将要执行的优化类型，然后设定工作路径和输入文件路径，复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统在后台读取输入文件的数据以及对建模分析软件的调用。它的主要作用是：选择所需要的专业分析计算软件(数值优化计算器或调用MSC.Software等其他建模软件)并建立新的工程；选择工作目录及输入输出文件的路径；显示当前优化过程结构图；控制算法的运行及停止。

模块二：优化模型模块

所述优化模型模块又由模型建立模块和算法选择模块构成，如图2所示，其间关系是复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统运行过程中，模型建立模块生成和读取数据文件，将数据传递至算法选择模块用算法程序对数据进行处理。

在复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统主界面可打开模型建立模块的子界面，如图3所示。该模型建立模块结构流程如图7所示，模型建立模块子界面里有三个表格窗口用于设定优化模型的优化目标、优化变量和约束条件三个部分。该优化目标是优化模型中所要求得最优值的变量，可以根据具体设计要求进行选择；该优化变量是优化模型进行多学科设计优化过程中需要进行优化计算的参量；该约束条件是在设计过程中必须要满足的条件，可以为线性约束或非线性约束。若为工程优化类型，则模型建立模块会读取输入文件中数据并显示在模型建立模块子窗口上。在模型建立模块子界面里完成优化模型的优化目标、优化变量和约束条件的填写和修改之后，模型建立模块会将数据保存在硬盘中，以后可以直接读取硬盘里的优化模型数据文件。然后该模型建立模块生成关于优化模型数据的中间文件，提交给算法选择模块使用；并且主界面模型建立模块部分有三个显示窗口会显示当前输入的模型参数，方便查看。

算法选择模块是指复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统中为相应的优化模型设计合适的算法的模块，它是由主界面的算法选择模块和算法选择模块子界面组成，主界面的算法选择模块有优化算法的菜单及优化算法的说明框，算法选择模块子界面显示各个算法参数的当前值和默认值，可以进行修改或打开算法源程序。复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统提供若干编好的优化算法，可以直接在复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统主界面算法选择模块的优化算法菜单，如图2所示；直接选择提供的优化算法对相应的优化模型进行优化计算。也可以从算法选择模块打开算法选择模块子界面，如图4所示，在算法选择模块子界面内查看和修改算法各参数的定义、默认值，或者打开算法的源程序查看或改进算法。除此之外，算法选择模块是一个开源的模块，使用者可以在算法选择模块里选择“添加算法”，把自己编写的算法程序直接嵌入到复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统中，这样可以根据实际情况编写最合适相应的优化模型的优化算法进行寻优求解，又能利用集成的多学科设计优化软件平台的便利性，不需要每次都把整个优化过程重新编写程序。该算法选择模块的结构流程图如图8所示，当在优化算法菜单中选择复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统的默认算法时，可以进入算法选择模块子界面查看和修改当前算法的参数，修改完毕后算法选择模块会将修改后的参数输入到默认算法的源程序里。若加入自定义算法时，自定义算法会被复制到算法选择模块的算法库中，自定义算法便嵌入复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统内，并且算法名字也会被显示在优化算法菜单里供以后使用。算法选择完毕后算法选择模块会从模型建立模块生成的中间文件去读取优化模型的相关数据并传递到算法程序中，然后执行算法程序并迭代寻优。算法程序每次迭代的中间数据与结果都会传递到结果输出模块。

模块三：结果输出模块

所述结果输出模块由数据输出模块和图像输出模块组成，如图2所示。数据输出模块和图像输出模块都是对同一份复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统进行优化设计过程中的优化变量、过程量和迭代的寻优结果进行输出，数据输出模块是直接输出优化变量、过程量和迭代的寻优结果的精确数值，图像输出模块是把优化变量、过程量和迭代的寻优结果这些变量之间的关系或者变量的迭代次数之间的关系直观地表示出来的模块。在优化计算之后，就可以在输出模块输出寻优结果。该数据输出模块是可以把寻优的过程量和结果的精确数值以表格的形式进行数据实时输出的模块，由复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统主界面的表格窗口和导出按钮组成，该表格窗口可以在优化计算过程中实时输出当前各变量数值，计算结束后可以由导出按钮将数据导出。该图像输出模块是可以把寻优的过程量和结果以图像的形式进行实时输出的模块，由复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统主界面的图像输出窗口和图像输出子界面组成。图像输出窗口可以实时同步画出输出数据的图像，也可以根据使用者的要求添加各个变量的图像。图像输出子界面可以将输出图像进行对比和处理。

3.优点及功效

本发明提供一种复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统，其主要优点是：软件平台系统开源，可以查看和修改算法程序的代码，可以嵌入自研算法，多学科设计优化过程更适合复杂工程总体设计系统，对复杂工程总体设计系统更专业、更高效。

附图说明

图1为复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统结构从属图。

图2为复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统主界面模块图。

图3为复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统模型建立模块子界面模块图。

图4为复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统算法选择模块子界面模块图。

图5为复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统数据传递流程图。

图6为复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统优化类型选择模块结构流程图。

图7为复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统模型建立模块结构流程图。

图8为复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统算法选择模块结构流程图。

具体实施方式

以下结合操作步骤和数据传递流程(如图5所示)具体对本发明的各模块进行进一步描述。

本发明一种复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统，此系统是基于Matlab编写的，分为三大模块，从属结构如图1所示：即优化类型选择模块、优化模型模块和结果输出模块，三大模块之间的关系是：如图2所示的软件布局位置关系，以及从优化类型选择模块、优化模型模块到结果输出模块的数据传递的关系，还有操作复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统时模块执行先后顺序的关系。

使用本复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统进行多学科设计优化，首先打开此软件平台系统主界面，软件主界面示意如图2，然后依次执行技术方案所述的三个模块：优化类型选择模块、优化模型模块和结果输出模块，正式开始针对优化设计对象进行多学科设计优化。复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统数据传递流程也如图5所示，对数值类型进行优化设计时，算法程序读取中间文件储存的优化模型数据然后进行优化迭代，将结果以表格和图像的形式输出；对工程类型进行优化设计时，复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统先读取输入输出文件的数据，然后传递到模型建立模块，建立优化模型之后算法程序从中间文件读取优化模型数据进行优化计算，再调用建模分析软件把计算结果进行分析，得出新的数据再继续进行优化计算，如此迭代至最优解，迭代过程中过程量和结果都在结果输出模块同步输出。

模块一：优化类型选择模块

所述的优化类型选择模块即为复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统主界面主控制台部分，如图2所示。该模块的结构和执行流程如图6所示。执行多学科设计优化工程时需要先在优化类型选择模块选择要执行的优化类型。所述优化类型在此复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统中分为数值优化类型和工程优化类型两种，数值优化模型指的是计算的过程不需要调用其他建模分析软件进行建模计算的优化模型；工程优化模型指的是设计优化过程中需要调用到其他实体建模分析软件(如MSC.Software和Ansys等)进行建模计算分析的优化模型。如果是数值优化类型即选择优化类型选择模块中“数值计算器”的按钮。如果是工程优化类型，需要先在类型选择模块上选择优化过程需要调用的建模计算软件(如MSC.Software和Ansys等)，然后在工程选择模块选择相应编程语言编写的多学科优化模型程序输入、输出文件的路径，复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统就会从输入、输出文件中读取到优化模型数据。此模块回调函数中写有语句(！+软件路径)用以在后台打开所调用的软件，故其他各模块按顺序执行完毕后开始进行优化计算，主控制台就会通过回调函数的命令把用优化算法计算的数据传递给调用的软件进行建模分析，再接收建模分析后的数据给复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统进行数据优化计算，如此迭代计算直至满足终止条件得到最优解。

模块二：优化模型模块

所述优化模型模块又由模型建立模块和算法选择模块构成。

所述模型建立模块包括复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统主界面中的模型建立部分(如图2所示)和模型建立子界面(如图3所示)，该模块的结构流程图如图7所示。选择工程类型之后，从主界面模型建立部分打开模型建立子界面(如图3所示)，设定优化目标、优化变量和约束条件。如果是进行数值类型的多学科设计优化，则直接在模型建立子界面上读取保存过的数据文件或者输入数值优化模型的优化目标、优化变量和约束条件即可。如果进行工程类型多学科设计优化，则模型建立子界面会把使用者编写的优化模型程序的优化变量名读出来，使用者可以在这个界面对优化目标、优化变量和约束条件进行调整和修改。优化目标、优化变量和约束条件设计完毕之后，复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统生成一个中间文件用以保存和传递模型建立的数据。

所述算法选择模块包括复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统主界面中的算法选择部分(如图2所示)和算法选择子界面(如图4所示)，该模块的结构流程图如图8所示。模型建立完毕之后即可为优化模型设计合适的优化算法。复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统为使用者提供若干常用的优化算法(如梯度算法、智能算法等)，在复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统的主界面算法选择部分有算法的简介及相关说明。使用者可以根据实际优化模型的需要在复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统主界面选择系统提供的默认优化算法，也可以打开算法选择子界面查看默认算法各项参数的定义和默认值，对算法参数的默认值进行修改。算法参数确定之后，参数传递到相应的算法程序里面，算法程序读取模型建立的数据，然后就可以进行优化的迭代计算。除此之外，使用者也可以通过算法选择子界面打开默认算法的源程序，查看默认算法的代码，对默认算法的代码进行改进。或者使用者还可以根据实际的需要在算法选择模块里选择“添加算法”，系统会把所要添加的算法程序复制到指定目录下，使用者就可以把自己编写的算法程序直接嵌入到复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统中，以后便可以在主界面算法选择模块选用用自研算法进行多学科设计优化。由于算法选择模块足够开源，使用者可以为实际优化过程选择最优的算法去求解，使结果最优且效率高。

模块三：结果输出模块

技术方案中所述结果输出模块在复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统主界面上(如图2所示)。把上述步骤执行完毕之后在复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统主控制台中操作让系统开始运行。复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统的数据输出模块会同步将优化的过程量和优化结果在主界面的表格窗口进行数据输出，使用者可以通过导出按钮将数据一键导出到EXCEL中保存和进行数据处理；图像输出模块可以根据使用者的要求在主界面图像输出窗口输出反映相应的参数之间关系的图像，并且可以在图像输出模块的图像输出子界面对输出的图像进行对比和处理。

Claims (1)

1.一种复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统，其特征在于：此系统是基于Matlab编写的，分为三大模块，即优化类型选择模块、优化模型模块和结果输出模块，其间是从优化类型选择模块、优化模型模块到结果输出模块的数据传递和执行先后顺序的关系；

所述优化类型选择模块是复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统的主控制台，该优化类型选择模块由主控制台上的复数个优化类型选择按钮、输入路径框和运行、停止按钮组成，通过优化类型选择按钮判断将要执行的优化类型，然后设定工作路径和输入文件路径，复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统在后台读取输入文件的数据以及对建模分析软件进行调用；它的作用是：选择所需要的专业分析计算软件并建立新的工程；选择工作目录及输入输出文件的路径；显示当前优化过程结构图；控制算法的运行及停止；

所述优化模型模块由模型建立模块和算法选择模块构成，其间关系是复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统运行过程中，模型建立模块生成和读取数据文件，将数据传递至算法选择模块用算法程序对数据进行处理；

在复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统主界面打开模型建立模块的子界面，该模型建立模块子界面里有三个表格窗口用于设定优化模型的优化目标、优化变量和约束条件三个部分；该优化目标是优化模型中所要求得最优值的变量，根据具体设计要求进行选择；该优化变量是优化模型进行多学科设计优化过程中需要进行优化计算的参量；该约束条件是在设计过程中必须要满足的条件，为线性约束或非线性约束；若为工程优化类型，则模型建立模块会读取输入文件中数据并显示在模型建立模块子窗口上；在模型建立模块子界面里完成优化模型的优化目标、优化变量和约束条件的填写和修改之后，模型建立模块会将数据保存在硬盘中，以后能直接读取硬盘里的优化模型数据文件，然后该模型建立模块生成关于优化模型数据的中间文件，提交给算法选择模块使用；并且主界面模型建立模块部分有三个显示窗口会显示当前输入的模型参数，方便查看；

该算法选择模块是指复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统中为相应的优化模型设计合适的算法的模块，它是由主界面的算法选择模块和算法选择模块子界面组成，主界面的算法选择模块有优化算法的菜单及优化算法的说明框，算法选择模块子界面显示各个算法参数的当前值和默认值，能进行修改或打开算法源程序；复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统提供编好的优化算法，直接在复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统主界面算法选择模块的优化算法菜单，直接选择提供的优化算法对相应的优化模型进行优化计算；也能从算法选择模块打开算法选择模块子界面，在算法选择模块子界面内查看和修改算法各参数的定义、默认值，或者打开算法的源程序查看或改进算法；除此之外，算法选择模块是一个开源的模块，使用者能在算法选择模块里选择“添加算法”，把自己编写的算法程序直接嵌入到复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统中，根据实际情况编写最合适相应的优化模型的优化算法进行寻优求解，利用集成的多学科设计优化软件平台的便利性，不需要每次都把整个优化过程重新编写程序；当在优化算法菜单中选择复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统的默认算法时，进入算法选择模块子界面查看和修改当前算法的参数，修改完毕后算法选择模块会将修改后的参数输入到默认算法的源程序里；若加入自定义算法时，自定义算法会被复制到算法选择模块的算法库中，自定义算法便嵌入复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统内，并且算法名字也会被显示在优化算法菜单里供以后使用；算法选择完毕后算法选择模块会从模型建立模块生成的中间文件去读取优化模型的相关数据并传递到算法程序中，然后执行算法程序并迭代寻优，算法程序每次迭代的中间数据与结果都会传递到结果输出模块；

所述结果输出模块由数据输出模块和图像输出模块组成，数据输出模块和图像输出模块都是对同一份复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统进行优化设计过程中的优化变量、过程量和迭代的寻优结果进行输出，数据输出模块是直接输出优化变量、过程量和迭代的寻优结果的精确数值，图像输出模块是把优化变量、过程量和迭代的寻优结果这些变量之间的关系或者变量的迭代次数之间的关系直观地表示出来的模块；在优化计算之后，就在输出模块输出寻优结果；该数据输出模块是把寻优的过程量和结果的精确数值以表格的形式进行数据实时输出的模块，由复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统主界面的表格窗口和导出按钮组成，该表格窗口在优化计算过程中实时输出当前各变量数值，计算结束后由导出按钮将数据导出；该图像输出模块是把寻优的过程量和结果以图像的形式进行实时输出的模块，由复杂工程多学科综合设计优化软件平台系统主界面的图像输出窗口和图像输出子界面组成，图像输出窗口实时同步画出输出数据的图像，也能根据使用者的要求添加各个变量的图像，图像输出子界面能将输出图像进行对比和处理。