WO2000073861A1 - Method and device for designing or optimizing a technical system - Google Patents

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WO2000073861A1
WO2000073861A1 PCT/DE2000/001565 DE0001565W WO0073861A1 WO 2000073861 A1 WO2000073861 A1 WO 2000073861A1 DE 0001565 W DE0001565 W DE 0001565W WO 0073861 A1 WO0073861 A1 WO 0073861A1
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discrete
points
point
pareto
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PCT/DE2000/001565
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Inventor
Regina Hellwig
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/0205Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system
    • G05B13/024Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for designing or optimizing a technical system.
  • the target functions are usually formulated so that the smaller the scalar value of the target function, the more positive the desired properties.
  • a point under consideration is defined as pareto-optimal if there is no further point with the property that the further point is equally good in all goals (the target function one has a value less than or equal to) and is better in at least one target (the objective function has a lower value) than the point under consideration.
  • multi-goal minimization problems deal with either the solution of continuous or discrete multi-goal problems.
  • a continuous parameter is understood to be a parameter that can assume values from a range of values that is continuous at least in sections, while a discrete parameter is understood to mean a parameter that can only assume values from a discrete range of values.
  • the technical system can be the preheating section for the feed water of a steam power plant.
  • the preheating section is supplied with hot steam, which is taken from the turbine or turbines in areas of low, medium or high pressure.
  • the preheating section comprises several heat exchangers of different types, which serve to supply the thermal energy contained in the steam supplied to the cold feed water and to preheat it.
  • the discrete design or optimization parameters to be taken into account are, for example, the existence of a heat exchanger at a certain point, the type of heat exchanger (desuperheater, condensation preheater, condensate cooler or the combination of the heat exchanger comprising a desuperheater, condensation preheater, condensate cooler), the position of the heat exchanger (relative to several possible steam extraction positions on the turbines) etc.
  • the pressure and temperature of the one matched steam supplied and the temperature and pressure of the steam leaving the heat exchanger or the temperature of the condensate leaving the heat exchanger are taken into account.
  • the invention is based on the object of creating a method and a device for designing or optimizing a technical system, all possible parameter assignments being found which are optimal with respect to the target functions.
  • the discrete-continuous multi-target optimization problem is broken down into a plurality of continuous multi-target optimization problems, each with a fixed parameter assignment for the discrete parameters.
  • the number of continuous optimization problems is determined by the number of possible different parameter assignments for the discrete parameters.
  • the continuous-pareto-optimal value assignments for the continuous parameters found in this way (with a specific value assignment for the discrete parameters in each case) are then searched with a discrete search strategy for points which are pareto-opto al with respect to the target functions (value assignments for all parameters) .
  • the discrete search strategy comprises a series connection of several discrete sub-searches, each with a required number of steps, each step of the sub-search method
  • a pairwise comparison of a reference point (one current reference point per sub-search) taken from the continuously continuous pareto-optimal points is carried out with another continuous-pareto-optimal point.
  • the sub-search procedure operates stochastically on pairs of points, consisting of the reference point of the sub-search (first partner) and the comparison point currently under consideration (second partner), a stochastically selected continuously-pareto-optimal point.
  • the reference point serving as the starting point for the search strategy can be selected at random, with the continuously pareto-optimal points being assigned a uniform probability distribution. Since the search strategy is aimed at finding a Pareto optimum for each start reference point that dominates it, it can be guaranteed that all Pareto-Optima have the best possible chance of being found.
  • the stochastic method which processes a sub-search problem, is such that, starting from the pair of standpoints, a stochastically generated pair of neighboring points is jumped to when the comparison ratio of the pair of neighboring points is at least as high "Good” is like that of the standpoint pair, in other words:
  • the neighboring point pair is accepted with a predetermined probability less than 1 and greater than 0 as a new standing point pair. As a consequence, a proposed neighboring point pair is surely always started if the comparison point dominates the reference point.
  • the current reference point of a sub-search is recognized as the Pareto optimum if the stochastic method is based on a agreed number of examined pairs of points, which can be determined by a given termination criterion, does not provide a pair of points at which the comparison point dominates the current reference point. If this is not the case, the comparison point of the pair of result points becomes the current reference point of a further sub-search.
  • sub-searches are appended to one another until a sub-search ends with the information that their reference point is pareto-optimal.
  • the sequence of sub-searches after the detection of a reference point as Pareto-Optimum with the comparison point of the pair of results as the reference point of the first subsequent sub-search can be used to find several or if possible all Pareto-Optima continue, which is more likely than not to be dominated by the Pareto optimum (by definition this point cannot of course dominate the Pareto optimum), ie with a point that is more likely to be "as good” as the pareto optimum as worse. This point will usually not itself represent a pareto optimum (but can!), so that the search strategy proceeds from this point to another pareto -Optimum can get.
  • the Metropolis algorithm is used as the stochastic method for the sub-searches.
  • the information that continuously-pareto-optimal points each have a fixed value assignment of the discrete parameters is mutually exclusive not dominate, can be used to reduce the search space for the discrete sub-search.
  • all of the continuous-pareto-optimal points belonging to the solution set of the continuous multi-target optimization problem for a first parameter assignment for the discrete parameters can be excluded from the search space if it was found that a solution to the solution set of the continuous multi-target Optimization problem for a second parameter assignment for the continuous-pareto-optimal point belonging to the discrete parameters dominates at least one of the points belonging to the solution set mentioned and is the reference point of the sub-search.
  • the single figure shows a block diagram of a device for carrying out the method according to the invention.
  • the technical system 1 shown schematically in the single figure is described by m c continuous parameters and m D discrete parameters.
  • the pareto-optimal parameter assignments are output by the device 3 for design via an output unit 5.
  • the parameter assignment can be output by an output unit 3 designed for this purpose as a screen. This will generally be required by the expert entrusted with the design of the technical system.
  • a specific one of the possibly several found pareto-optimal parameter assignments are output directly to the technical system 1 in the form of signals.
  • the technical system 1 can also be optimized during its operation.
  • the device 3 further comprises a processor unit 7 and a plurality of memories or memory areas assigned to it, namely the program memory or memory area 9, the memory or memory area 11 for the target functions and the memory or memory area 13 for the value ranges of the individual continuous or discrete parameters.
  • variable constants of the target functions can be entered into the memory area 11 for the target functions via a receiving unit 15.
  • These can be parameters which, according to the procedure for the design or optimization of the technical system, are not freely selectable within certain value ranges; In particular, parameters y s of the system 1 that cannot be directly influenced by the device 3 or variables y ⁇ describing environmental influences on the technical system can be taken into account in this way.
  • a system 1 which is in operation can be adapted to changed environmental conditions or changed system-inherent conditions and can be optimized or tracked accordingly.
  • the system parameters y s which are not freely selectable or are not available for the design or optimization, can be detected, for example, by means of measuring devices (for example, the technical system integrated), which are not shown in detail, and can be supplied to the device 3 of the device 3.
  • the environmental sizes ⁇ ⁇ or sizes of other can be input via the emitting unit 15.
  • the emitting unit 15 also serves at the same time for the manual input of the value ranges required for the system description for the target functions into the memory 13.
  • the input can also be made by data transmission from another computer or the like.
  • the program memory 9 contains a program which is used to determine the one or more pareto-optimal parameter assignments for the m c continuous parameters and m D discrete parameters.
  • the parameters are combined to form a continuously discrete parameter vector (X C , X D ).
  • n target functions f ⁇ (x c , XD) to f n (x c , XD) the multi-target optimization problem can be written as:
  • Parameter assignments for the parameter vector (X C , XD) are therefore sought which are as good as possible with regard to the target functions, ie in which the target functions simultaneously assume the lowest possible value.
  • This discrete-continuous multi-target optimization problem I is broken down into a plurality of purely continuous optimization problems
  • the continuous methods applied to the majority of problems II provide one or more points that are pareto-optimal for each problem II, which are also referred to below as continuous-pareto-optimal points. These form a search space to which a discrete search strategy is applied, which is based on a pairwise comparison of the continuously pareto-optimal points and is subdivided into several discrete sub-searches.
  • a point is randomly selected from the search space as a reference point.
  • the reference points each result from the comparison point of the result point pair of the previous sub-search.
  • the reference point is then compared with other points using a stochastic method.
  • a point is rated "better” if it dominates another point, a point being considered dominant if it is at least equally good in all objective functions (ie has an at least equally low value) and better than that in at least one objective function Reference point.
  • the Metropolis algorithm for example, is suitable for solving the individual discrete sub-problems.
  • a neighborhood structure is determined, which is determined by the probabilities with which each pair of points is generated from each pair of standing points.
  • the stochastic method applied to the individual discrete sub-optimization problem in each step either delivers a new reference point after a certain number of comparisons starting from the starting point or current reference point, or it is terminated with the statement “es” after a defined termination criterion has been reached is no better point than the current reference point ". In this case the current reference point is considered pareto-optimal.
  • the stochastic method which is preferably to be used should also be designed in such a way that not only better or equally good point pairs are jumped to in any case (ie with the probability “1”), but also worse point pairs with a certain probability. The latter is necessary in order to use the method not to get caught in "local minima”.
  • this comparison point is defined as the reference point of the new sub-search and the stochastic, discrete search method is started again. If a current reference point is identified as pareto-optimal according to the aforementioned criteria, the process can be terminated after the method has been trained. However, starting from a starting reference point, only one Pareto optimum is reached. In order to record all or several Pareto-Optima, it is therefore necessary to start the search strategy described above from several different start reference points. This can be done either one after the other or simultaneously.
  • the starting reference points should be chosen so that they do not dominate each other. This can be done using a suitable stochastic selection.
  • Another possibility is not to abort the search strategy described above after recognizing a Pareto optimum, but to continue with an "equally good" point.

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Abstract

The invention relates to a method for designing or optimizing a technical system, according to which the technical system presents at least two defined target functions. Each target function is influenced by a defined number of continuous parameters whose values are taken from a defined continuous range of values, and a defined number of discrete parameters whose values are taken from a discrete range of values. The values assigned to the continuous and discrete parameters are combined in a discrete-continuous parameter vector (xC, xD), where xC designates the values of the continuous parameters and xD the values of the discrete parameters.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren und Einrichtung zum Entwurf oder Optimieren eines technischen SystemsMethod and device for designing or optimizing a technical system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Entwurf oder Optimieren eines technischen Systems.The invention relates to a method and a device for designing or optimizing a technical system.
Für den Entwurf eines komplexen technischen Systems oder die Optimierung des Systems während der Betriebsphase sind oft eine Vielzahl unterschiedlichster Parameter von Interesse, die sich zudem in unterschiedlicher Weise auf bestimmte Eigenschaften des oder Anforderungen an das System auswirken können. Die Darstellung der Ausprägung von Eigenschaften des Systems kann durch Zielfunktionen übernommen werden, die die Parameter jeweils mit einer skalaren Größe, d.h. dem Zielfunktionswert, bewerten.For the design of a complex technical system or the optimization of the system during the operating phase, a multitude of different parameters are often of interest, which can also have different effects on certain properties or requirements of the system. The representation of the characteristics of system properties can be adopted by target functions, which each parameter with a scalar size, i.e. the objective function value.
In der Praxis stellt sich somit das Problem, Wertebelegungen für die Parameter aufzufinden, bei denen die Zielfunktionswerte einen möglichst optimalen Kompromiss der unterschiedlichen gewünschten Eigenschaften und Anforderungen darstellen. Die Zielfunktionen werden hierzu üblicherweise so formuliert, dass die gewünschten Eigenschaften um so positiver werden, je kleiner der skalare Wert der Zielfunktion wird.In practice, this poses the problem of finding value assignments for the parameters in which the objective function values represent the best possible compromise of the different desired properties and requirements. For this purpose, the target functions are usually formulated so that the smaller the scalar value of the target function, the more positive the desired properties.
Da die Zielfunktionen praktisch nie die Eigenschaft haben werden, dass sie alle für die selbe Parameterbelegung minimale Werte annehmen, ist es erforderlich eine oder mehrere Pa- rameterbelegungen aufzufinden, die im Hinblick auf sämtliche Zielfunktionen so gut wie möglich sind. Diese Parameterbelegungen oder Punkte werden als effizient oder pareto-optimal im Hinblick auf die Zielfunktionen bezeichnet.Since the target functions will practically never have the property that they all assume minimal values for the same parameter assignment, it is necessary to find one or more parameter assignments that are as good as possible with regard to all target functions. These parameter assignments or points are called efficient or pareto-optimal with regard to the target functions.
Ein betrachteter Punkt wird als pareto-optimal definiert, wenn es keinen weiteren Punkt mit der Eigenschaft gibt, dass der weitere Punkt in allen Zielen gleich gut (die Zielfunkti- on weist einen Wert kleiner oder gleich auf) und in mindestens einem Ziel besser ist (die Zielfunktion weist einen geringeren Wert auf) als der betrachtete Punkt.A point under consideration is defined as pareto-optimal if there is no further point with the property that the further point is equally good in all goals (the target function one has a value less than or equal to) and is better in at least one target (the objective function has a lower value) than the point under consideration.
Bekannte Verfahren zur Losung solcher Mehrzielprobleme (Mehr- ziel-Minimierungsprobleme) befassen sich entweder mit der Losung kontinuierlicher oder diskreter Mehrzielprobleme.Known methods for solving such multi-goal problems (multi-goal minimization problems) deal with either the solution of continuous or discrete multi-goal problems.
In der Praxis ist es beim Entwurf oder der Optimierung von technischen Systemen häufig erforderlich, sowohl kontinuierliche als auch diskrete Parameter zu berücksichtigen. Als kontinuierlicher Parameter sei dabei ein Parameter verstanden, der Werte aus einem zumindest abschnittsweise kontinuierlichen Wertebereich annehmen kann, wahrend unter einem diskreten Parameter ein Parameter verstanden sei, der nur Werte aus einem diskreten Wertebereich annehmen kann.In practice, when designing or optimizing technical systems, it is often necessary to consider both continuous and discrete parameters. A continuous parameter is understood to be a parameter that can assume values from a range of values that is continuous at least in sections, while a discrete parameter is understood to mean a parameter that can only assume values from a discrete range of values.
Beispielsweise kann es sich bei dem technischen System um die Vorwarmstrecke für das Speisewasser eines Dampfkraftwerkes handeln. Der Vorwarmstrecke wird heißer Dampf zugeführt, der der oder den Turbinen in Bereichen geringen, mittleren oder hohen Drucks entnommen wird. Die Vorwarmstrecke umfasst mehrere Wärmetauscher unterschiedlicher Art, die dazu dienen, die im ihr zugefuhrten Dampf enthaltene Wärmeenergie dem kal- ten Speisewasser zuzuführen und dieses vorzuwärmen.For example, the technical system can be the preheating section for the feed water of a steam power plant. The preheating section is supplied with hot steam, which is taken from the turbine or turbines in areas of low, medium or high pressure. The preheating section comprises several heat exchangers of different types, which serve to supply the thermal energy contained in the steam supplied to the cold feed water and to preheat it.
Als diskrete Entwurfs- oder Optimierungsparameter sind beispielsweise zu berücksichtigen die Existenz eines Wärmetauschers an einer bestimmten Stelle, die Art des Wärmetauschers (Enthitzer, Kondensationsvorwarmer, Kondensatkuhler bzw. die Kombination des Wärmetauschers aus Enthitzer, Kondensationsvorwarmer, Kondensatkuhler) , die Position des Wärmetauschers (relativ zu mehreren möglichen Dampfentnahmepositionen an den Turbinen) etc.The discrete design or optimization parameters to be taken into account are, for example, the existence of a heat exchanger at a certain point, the type of heat exchanger (desuperheater, condensation preheater, condensate cooler or the combination of the heat exchanger comprising a desuperheater, condensation preheater, condensate cooler), the position of the heat exchanger (relative to several possible steam extraction positions on the turbines) etc.
Als kontinuierlich Entwurfs- oder Optimierungsparameter können beispielsweise der Druck und die Temperatur des einem be- stimmten Wärmetauscher zugefuhrten Dampfs und die Temperatur und der Druck des den Wärmetauscher verlassenden Dampfs oder die Temperatur des den Wärmetauscher verlassenden Kondenswas- sers berücksichtigt werden.For example, the pressure and temperature of the one matched steam supplied and the temperature and pressure of the steam leaving the heat exchanger or the temperature of the condensate leaving the heat exchanger are taken into account.
Die Problematik besteht nunmehr darin, dass die vorstehend erläuterte Mehrziel-Minimierung sowohl kontinuierliche als auch diskrete Parameter berücksichtigen muss.The problem now is that the multi-target minimization explained above must take into account both continuous and discrete parameters.
Ein Teil bisher bekannter Entwurfsverfahren für technische Systeme verwendet nur Losungsverfahren zur kontinuierlichen Mehrzieloptimierung. D.h., diskrete Parameter müssen von vornherein mit einer bestimmten Wertebelegung versehen werden. Auf diese Weise muss der mit dem Problem betraute Fach- mann von vornherein eine bestimmte Auswahl für die diskreten Parameter treffen und bringt so bestimmte Präferenzen in die Losung ein. Dies birgt die Gefahr, dass vorteilhafte Losungen, die eine auf den ersten Blick nicht vorteilhaft erscheinende Wertebelegung für die diskreten Parameter erfordern, nicht aufgefunden werden.Some of the previously known design processes for technical systems only use solution processes for continuous multi-target optimization. This means that discrete parameters must be assigned a certain value assignment from the outset. In this way, the specialist entrusted with the problem has to make a certain selection for the discrete parameters from the outset, thus introducing certain preferences into the solution. This harbors the risk that advantageous solutions that require a value assignment for the discrete parameters that does not appear to be advantageous at first glance will not be found.
Ein anderer Teil bekannter Entwurfsverfahren für technische Systeme nimmt von vornherein eine Diskretisierung der kontinuierlichen Parameter vor, d.h. die kontinuierlichen Wertebe- reiche werden diskretisiert. Zur Losung des dann diskreten Mehrzielproblems werden diskrete Mehrziel-Optimierungsver- fahren eingesetzt. Dieses Vorgehen hat den Nachteil, dass bei der Diskretisierung der kontinuierlichen Parameter wertvolle Informationen verlorengehen, beispielsweise Informationen, die in der Steigung oder Krümmung bzw. ganz allgemein in den n-fach differenzierten Funktionen enthalten sind.Another part of known design processes for technical systems discretizes the continuous parameters, i.e. the continuous value ranges are discretized. Discrete multi-target optimization methods are used to solve the then discrete multi-target problem. This procedure has the disadvantage that valuable information is lost when the continuous parameters are discretized, for example information which is contained in the slope or curvature or, more generally, in the n-differentiated functions.
Des Weiteren versuchen bekannte Entwurfsverfahren, ob diskret oder kontinuierlich, m den Suchvorgang nach geeigneten Para- meterbelegungen Präferenzen des Entscheidungstragers mit einfließen zu lassen. Dies kann ein Verfahren irrefuhren und den Entscheidungstrager der Kenntnis interessanter Parameterbele- gungen berauben. Bekannte Entwurfsverfahren, die auf die An¬ gabe von Präferenzen verzichten, sind meist nur unter sehr einschränkenden Bedingungen an die Problemstellung fähig, alle Pareto-Optima zu finden.Furthermore, known design methods, whether discrete or continuous, try to incorporate the decision-maker preferences into the search for suitable parameter assignments. This can mislead a process and make the decision maker aware of interesting parameter evidence. robbing. Renounce known design methods that reproducing the at ¬ preferences are usually capable only under very restrictive conditions to the problem of finding all Pareto optima.
Der Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Entwurf oder Optimierung eines technischen Systems zu schaffen, wobei möglichst alle bezüglich der Zielfunktionen pare- to-optimalen Parameterbelegungen aufgefunden werden.On the basis of this prior art, the invention is based on the object of creating a method and a device for designing or optimizing a technical system, all possible parameter assignments being found which are optimal with respect to the target functions.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalskombinationen der Ansprüche 1 bzw. 14.The invention solves this problem with the combinations of features of claims 1 and 14, respectively.
Erfindungsgemäß wird das diskret-kontinuierliche Mehrziel- Optimierungsproblem zerlegt in eine Mehrzahl von kontinuierlichen Mehrziel-Optimierungsproblemen bei jeweils fester Parameterbelegung für die diskreten Parameter. Die Anzahl der kontinuierlichen Optimierungsprobleme ist bestimmt durch die Anzahl der möglichen unterschiedlichen Parameterbelegungen für die diskreten Parameter. Die auf diese Weise aufgefundenen kontinuierlich-pareto-optimalen Wertebelegungen für die kontinuierlichen Parameter (bei jeweils einer bestimmten Wertebelegung für die diskreten Parameter) werden dann mit einer diskreten Suchstrategie nach bezüglich der Zielfunktionen pa- reto-opti alen Punkten (Wertebelegungen für sämtliche Parameter) durchsucht.According to the invention, the discrete-continuous multi-target optimization problem is broken down into a plurality of continuous multi-target optimization problems, each with a fixed parameter assignment for the discrete parameters. The number of continuous optimization problems is determined by the number of possible different parameter assignments for the discrete parameters. The continuous-pareto-optimal value assignments for the continuous parameters found in this way (with a specific value assignment for the discrete parameters in each case) are then searched with a discrete search strategy for points which are pareto-opto al with respect to the target functions (value assignments for all parameters) .
Die Aufspaltung des diskret-kontinuierlichen Optimierungspro- blems gewährleistet, dass keine im kontinuierlichen Teil des Problems enthaltene Informationen verlorengehen, wie das bei einer Diskretisierung dieses Teils der Fall wäre.Splitting the discrete-continuous optimization problem ensures that no information contained in the continuous part of the problem is lost, as would be the case if this part were discretized.
Nach der bevorzugten Ausbildung der Erfindung umfasst die diskrete Suchstrategie eine Hintereinanderschaltung mehrerer diskreter Sub-Suchen mit jeweils einer erforderlichen Anzahl von Schritten, wobei in jedem Schritt des Sub-Suchverfahrens ein paarweiser Vergleich eines aus den ermittelten kontinu- lerlich-pareto-optimalen Punkten entnommenen Referenzpunktes (jeweils ein aktueller Referenzpunkt j e Sub-Suche) mit einem weiteren kontmuierlich-pareto-optimalen Punkt durchgeführt wird. Das Sub-Suchverfahren operiert stochastisch auf Punktepaaren, bestehend aus dem Referenzpunkt der Sub-Suche (erster Partner) und dem momentan betrachteten Vergleichspunkt (zweiter Partner) , einem stochastisch gewählten kontmuierlich- pareto-optimalen Punkt.According to the preferred embodiment of the invention, the discrete search strategy comprises a series connection of several discrete sub-searches, each with a required number of steps, each step of the sub-search method A pairwise comparison of a reference point (one current reference point per sub-search) taken from the continuously continuous pareto-optimal points is carried out with another continuous-pareto-optimal point. The sub-search procedure operates stochastically on pairs of points, consisting of the reference point of the sub-search (first partner) and the comparison point currently under consideration (second partner), a stochastically selected continuously-pareto-optimal point.
Die Verwendung eines stochastischen Verfahrens e Sub-Suche gewahrleistet eine Reduzierung des theoretisch unendlichen, in der Praxis immer noch möglichen enorm hohen numerischen Aufwands. Zudem liefern derartige Verfahren Ergebnisse, die mehr oder weniger unabhängig von der Menge der Start-Punktepaare bzw. der Auswahl des Start-Punktepaares sind. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass der mit dem Entwurf des technischen Systems betraute Fachmann von vornherein keinerlei Präferenzen mit in das Losungsverfahren einbringen muss und theoretisch mit positiver Wahrscheinlichkeit samtliche möglichen pareto-optimalen Punkte ermitteln kann.The use of a stochastic method e sub-search ensures a reduction of the theoretically infinite, in practice still extremely high numerical effort. In addition, such methods provide results that are more or less independent of the number of start point pairs or the selection of the start point pair. In addition, there is the advantage that the expert entrusted with the design of the technical system does not have to bring any preferences into the solution process from the outset and can theoretically determine all possible pareto-optimal points with a positive probability.
Nach einer Ausfuhrungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird in jedem Sub-Suchschritt, ausgehend vom momentanen Stand-Punktepaar, jedes der benachbarten Punktepaare für den paarweisen Vergleich des Vergleichspunktes dieses Nachbar- Punktepaares mit dem Referenzpunkt mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit aus den zur Verfugung stehenden, dem Stand-Punktepaar benachbarten Punktepaaren ausgewählt.According to an embodiment of the method according to the invention, in each sub-search step, starting from the current pair of standpoints, each of the neighboring pairs of points for the pairwise comparison of the comparison point of this pair of neighboring points with the reference point with a predetermined probability from the available, the Stand pair of neighboring points selected.
Der als Startpunkt für die Suchstrategie dienende Referenzpunkt kann zufällig ausgewählt werden, wobei den kontinuier- lich-pareto-optimalen Punkten eine Wahrscheinlichkeits- Gleichverteilung zugeordnet wird. Da die Suchstrategie darauf ausgerichtet ist, je Start-Referenzpunkt ein Pareto-Optimum zu finden, das diesen dominiert, kann gewährleistet werden, dass alle Pareto-Optima möglichst gleich gute Chancen haben, gefunden zu werden.The reference point serving as the starting point for the search strategy can be selected at random, with the continuously pareto-optimal points being assigned a uniform probability distribution. Since the search strategy is aimed at finding a Pareto optimum for each start reference point that dominates it, it can be guaranteed that all Pareto-Optima have the best possible chance of being found.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das stochastische Verfahren, das ein Sub- Suchproblem bearbeitet, so beschaffen, dass, ausgehend vom Stand-Punktepaar, ein stochastisch erzeugtes Nachbar- Punktepaar dann sicher angesprungen wird, wenn das Vergleichsverhältnis des Nachbar-Punktepaares mindestens so „gut" ausfällt wie das des Stand-Punktepaares, mit anderen Worten:According to a preferred embodiment of the method according to the invention, the stochastic method, which processes a sub-search problem, is such that, starting from the pair of standpoints, a stochastically generated pair of neighboring points is jumped to when the comparison ratio of the pair of neighboring points is at least as high "Good" is like that of the standpoint pair, in other words:
• Dominiert im Stand-Punktepaar der Referenzpunkt der Sub-Suche den Vergleichspunkt, ist egal, wie im Nach- bar-Punktepaar Referenzpunkt und Vergleichspunkt zueinander stehen;• If the reference point of the sub-search dominates the comparison point in the pair of standing points, it does not matter how the reference point and the comparison point are in relation to each other in the pair of neighboring points;
• Gibt es im Stand-Punktepaar zwischen Referenzpunkt und Vergleichspunkt keine Dominanzen, muss dies auch für das Nachbar-Punktepaar gelten oder der Vergleichspunkt den Referenzpunkt dominieren;• If there are no dominances in the pair of standing points between the reference point and the comparison point, this must also apply to the pair of neighboring points or the comparison point must dominate the reference point;
• Dominiert im Stand-Punktepaar der Vergleichspunkt den Referenzpunkt, muss dies auch im Nachbar-Punktepaar der Fall sein.• If the comparison point dominates the reference point in the pair of standing points, this must also be the case in the pair of neighboring points.
Ist das Vergleichsverhältnis im Nachbar-Punktepaar „schlechter" als im Stand-Punktepaar, wird das Nachbar-Punktepaar mit einer vorbestimmten Wahrscheinlichkeit kleiner 1 und größer 0 als neues Stand-Punktepaar akzeptiert. Als Konsequenz daraus wird ein vorgeschlagenes Nachbar-Punktepaar sicher immer dann angelaufen, wenn der Vergleichspunkt den Referenzpunkt dominiert .If the comparison ratio in the neighboring point pair is “worse” than in the standing point pair, the neighboring point pair is accepted with a predetermined probability less than 1 and greater than 0 as a new standing point pair. As a consequence, a proposed neighboring point pair is surely always started if the comparison point dominates the reference point.
Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der aktuelle Referenzpunkt einer Sub-Suche als Pareto-Optimum erkannt, wenn das stochastische Verfahren nach einer vorbe- stimmten Anzahl von untersuchten Punktepaaren, die durch ein vorgegebenes Abbruchkriterium festlegbar ist, kein Punktepaar liefert, bei dem der Vergleichspunkt den aktuellen Referenzpunkt dominiert. Ist dies nicht der Fall, so wird der Ver- gleichspunkt des Ergebnis-Punktepaares aktueller Referenzpunkt einer weiteren Sub-Suche. In analoger Weise werden solange Sub-Suchen aneinander gehangt, bis eine Sub-Suche mit der Information endet, ihr Referenzpunkt sei pareto-optimal.According to the preferred embodiment of the invention, the current reference point of a sub-search is recognized as the Pareto optimum if the stochastic method is based on a agreed number of examined pairs of points, which can be determined by a given termination criterion, does not provide a pair of points at which the comparison point dominates the current reference point. If this is not the case, the comparison point of the pair of result points becomes the current reference point of a further sub-search. In an analogous manner, sub-searches are appended to one another until a sub-search ends with the information that their reference point is pareto-optimal.
Für das Auffinden mehrerer oder möglichst aller Pareto-Optima können mehrere Folgen von Sub-Suchen gleichzeitig oder nacheinander von unterschiedlichen, einander wechselseitig nicht dominierenden Referenzpunkten gestartet werden.To find several or, if possible, all Pareto-Optima, several sequences of sub-searches can be started simultaneously or successively from different, mutually non-dominating reference points.
Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung kann für das Auffinden mehrerer oder möglichst aller Pareto-Optima die Folge von Sub-Suchen nach dem Erkennen eines Referenzpunkts als Pareto-Optimum mit dem Vergleichspunkt des Ergebnis-Punktepaares als Referenzpunkt der ersten folgenden Sub-Suche fortgesetzt werden, welcher von dem Pareto-Optimum mit größerer Wahrscheinlichkeit nicht dominiert als dominiert wird (defmitionsgemaß kann dieser Punkt das Pareto-Optimum selbstverständlich nicht dominieren) , d.h. mit einem Punkt der wahrscheinlicher „gleich gut" ist wie das Pa- reto-Optimum als schlechter. Dieser Punkt wird m der Regel selbst kein Pareto-Optimum darstellen (kann jedoch!), so dass die Suchstrategie ausgehend von diesem Punkt zu einem weiteren Pareto-Optimum gelangen kann.According to another embodiment of the method according to the invention, the sequence of sub-searches after the detection of a reference point as Pareto-Optimum with the comparison point of the pair of results as the reference point of the first subsequent sub-search can be used to find several or if possible all Pareto-Optima continue, which is more likely than not to be dominated by the Pareto optimum (by definition this point cannot of course dominate the Pareto optimum), ie with a point that is more likely to be "as good" as the pareto optimum as worse. This point will usually not itself represent a pareto optimum (but can!), so that the search strategy proceeds from this point to another pareto -Optimum can get.
Nach der bevorzugten Ausführungsform des erfmdungsgemaßen Verfahrens wird als stochastisches Verfahren für die SubSuchen der Metropolis-Algorithmus verwendet.According to the preferred embodiment of the method according to the invention, the Metropolis algorithm is used as the stochastic method for the sub-searches.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann bei der Losung des momentanen diskreten Sub-Problems die Information, dass sich kontinuierlich-pareto-optimale Punkte zu jeweils einer festen Wertebelegung der diskreten Parameter gegenseitig nicht dominieren, zur Reduzierung des Suchraums für die diskrete Sub-Suche verwendet werden.According to one embodiment of the invention, when solving the current discrete sub-problem, the information that continuously-pareto-optimal points each have a fixed value assignment of the discrete parameters is mutually exclusive not dominate, can be used to reduce the search space for the discrete sub-search.
Beispielsweise können in einer Sub-Suche sämtliche zur Lö- sungsmenge des kontinuierlichen Mehrziel-Optimierungsproblems für eine erste Parameterbelegung für die diskreten Parameter gehörenden kontinuierlich-pareto-optimalen Punkte aus dem Suchraum ausgeschlossen werden, wenn festgestellt wurde, dass ein zur Lösungsmenge des kontinuierlichen Mehrziel-Optimie- rungsproblems für eine zweite Parameterbelegung für die diskreten Parameter gehörender kontinuierlich-pareto-optimaler Punkt zumindest einen der zu der genannten Lösungsmenge gehörenden Punkte dominiert und Referenzpunkt der Sub-Suche ist.For example, in a sub-search, all of the continuous-pareto-optimal points belonging to the solution set of the continuous multi-target optimization problem for a first parameter assignment for the discrete parameters can be excluded from the search space if it was found that a solution to the solution set of the continuous multi-target Optimization problem for a second parameter assignment for the continuous-pareto-optimal point belonging to the discrete parameters dominates at least one of the points belonging to the solution set mentioned and is the reference point of the sub-search.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further embodiments of the invention result from the subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to an embodiment shown in the drawing.
Die einzige Figur zeigt ein Blockschema einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.The single figure shows a block diagram of a device for carrying out the method according to the invention.
Das in der einzigen Figur schematisch dargestellte technische System 1 ist durch mc kontinuierliche Parameter und mD diskrete Parameter beschrieben. Die pareto-optimalen Parameterbelegungen werden von der Einrichtung 3 zum Entwurf über eine Ausgabeeinheit 5 ausgegeben. Das Ausgeben der Parameterbelegung kann durch eine hierzu als Bildschirm ausgebildete Aus- gabeeinheit 3 erfolgen. Dies wird der mit dem Entwurf des technischen Systems betraute Fachmann in aller Regel benötigen. Des Weiteren ist es jedoch, wie in der Figur dargestellt, ebenfalls denkbar, dass eine bestimmte der möglicherweise mehreren aufgefundenen pareto-optimalen Parameterbele- gungen unmittelbar in Form von Signalen an das technische System 1 ausgegeben werden. Hierdurch kann eine Optimierung des technischen Systems 1 auch während dessen Betriebs erfolgen. Die Einrichtung 3 umfasst des Weiteren eine Prozessoreinheit 7 und mehrere dieser zugeordnete Speicher bzw. Speicherbereiche, nämlich den Programmspeicher oder -Speicherbereich 9, den Speicher oder Speicherbereich 11 für die Zielfunktionen und den Speicher oder Speicherbereich 13 für die Werteberei- che der einzelnen kontinuierlichen bzw. diskreten Parameter.The technical system 1 shown schematically in the single figure is described by m c continuous parameters and m D discrete parameters. The pareto-optimal parameter assignments are output by the device 3 for design via an output unit 5. The parameter assignment can be output by an output unit 3 designed for this purpose as a screen. This will generally be required by the expert entrusted with the design of the technical system. Furthermore, as shown in the figure, it is also conceivable that a specific one of the possibly several found pareto-optimal parameter assignments are output directly to the technical system 1 in the form of signals. As a result, the technical system 1 can also be optimized during its operation. The device 3 further comprises a processor unit 7 and a plurality of memories or memory areas assigned to it, namely the program memory or memory area 9, the memory or memory area 11 for the target functions and the memory or memory area 13 for the value ranges of the individual continuous or discrete parameters.
Dem Speicherbereich 11 für die Zielfunktionen können über ei- ne Emgabeemheit 15 neben der Struktur der Zielfunktionen auch Daten über veränderliche Konstanten der Zielfunktionen eingegeben werden. Hierbei kann es sich um solche Parameter handeln, die nach dem Verfahren für den Entwurf bzw. die Optimierung des technischen Systems nicht innerhalb von be- stimmten Wertebereichen frei wahlbare sind; Insbesondere können auf diese Weise nicht von der Einrichtung 3 unmittelbar beeinflussbare Parameter ys des Systems 1 oder Umwelteinflüsse auf das technische System beschreibende Großen yυ berücksichtigt werden.In addition to the structure of the target functions, data about variable constants of the target functions can be entered into the memory area 11 for the target functions via a receiving unit 15. These can be parameters which, according to the procedure for the design or optimization of the technical system, are not freely selectable within certain value ranges; In particular, parameters y s of the system 1 that cannot be directly influenced by the device 3 or variables y υ describing environmental influences on the technical system can be taken into account in this way.
Auf diese Weise kann ein in Betrieb befindliches System 1 an veränderte Umgebungsbedingungen bzw. veränderte systemimmanente Bedingungen angepasst und entsprechend optimiert bzw. nachgefuhrt werden. Die nicht frei wahlbaren oder für den Entwurf bzw. die Optimierung nicht zur Verfugung stehenden Systemparameter ys können beispielsweise mittels nicht naher dargestellter Messeinrichtungen (beispielsweise m das technische System integriert) erfasst und der Emgabeemheit 15 der Einrichtung 3 zugeführt werden. In gleicher Weise können auch die Umweltgroßen γυ oder Großen anderer (beispielsweise vor- oder nachgeschalteter oder übergeordneter technischer oder sonstiger Systeme) über die Emgabeemheit 15 eingegeben werden.In this way, a system 1 which is in operation can be adapted to changed environmental conditions or changed system-inherent conditions and can be optimized or tracked accordingly. The system parameters y s , which are not freely selectable or are not available for the design or optimization, can be detected, for example, by means of measuring devices (for example, the technical system integrated), which are not shown in detail, and can be supplied to the device 3 of the device 3. In the same way, the environmental sizes γ υ or sizes of other (for example upstream or downstream or higher-level technical or other systems) can be input via the emitting unit 15.
Die Emgabeemheit 15 dient zudem gleichzeitig für die manuelle Eingabe der zur Systembeschreibung erforderlichen Werte- bereiche für die Zielfunktionen in den Speicher 13. Selbst- verständlich kann die Eingabe auch durch eine Datenübertragung von einem weiteren Rechner oder dergleichen erfolgen.The emitting unit 15 also serves at the same time for the manual input of the value ranges required for the system description for the target functions into the memory 13. understandably, the input can also be made by data transmission from another computer or the like.
Im Programmspeicher 9 ist ein Programm enthalten, das zur Ermittlung der einen oder mehreren pareto-optimalen Parameterbelegungen für die mc kontinuierlichen Parameter und mD diskreten Parameter dient. Die Parameter werden für die Lösung des kontinuierlich diskreten Optimierungsproblems zu einem kontinuierlich-diskreten Parametervektor (XC,XD) zusammenge- fasst. Mit den n Zielfunktionen fι(xc,XD) bis fn(xc,XD) lässt sich das Mehrziel-Optimierungsproblem schreiben als:The program memory 9 contains a program which is used to determine the one or more pareto-optimal parameter assignments for the m c continuous parameters and m D discrete parameters. To solve the continuously discrete optimization problem, the parameters are combined to form a continuously discrete parameter vector (X C , X D ). With the n target functions fι (x c , XD) to f n (x c , XD) the multi-target optimization problem can be written as:
Figure imgf000012_0001
Figure imgf000012_0001
Es werden also Parameterbelegungen für den Parametervektor (XC,XD) gesucht, welche bezüglich der Zielfunktionen möglichst gut sind, d.h. bei denen die Zielfunktionen gleichzeitig einen möglichst geringen Wert annehmen.Parameter assignments for the parameter vector (X C , XD) are therefore sought which are as good as possible with regard to the target functions, ie in which the target functions simultaneously assume the lowest possible value.
Dieses diskret-kontinuierliche Mehrziel-Optimierungsproblem I wird zerlegt in eine Mehrzahl von rein kontinuierlichen Opti- ierungsproblemenThis discrete-continuous multi-target optimization problem I is broken down into a plurality of purely continuous optimization problems
Figure imgf000012_0002
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für jeweils eine zulässige Wertebelegung xD für die Anzahl mD der diskreten Parameter. Die Anzahl der rein kontinuierlichen Optimierungsprobleme II ergibt sich aus der Anzahl der zuläs- sigen unterschiedlichen Wertebelegungen für die diskreten Parameter.for a permissible value assignment x D for the number m D of the discrete parameters. The number of purely continuous optimization problems II results from the number of permitted different value assignments for the discrete parameters.
Diese rein kontinuierlichen Optimierungsprobleme können mit an sich bekannten kontinuierlichen Mehrziel-Optimierungsver- fahren gelöst werden, die an dieser Stelle daher keiner näheren Erläuterung bedürfen.These purely continuous optimization problems can be solved with known continuous multi-target optimization methods, which therefore do not require any further explanation at this point.
Die auf die Mehrzahl der Probleme II angewandten kontinuier- liehen Verfahren liefern für jedes Problem II ein oder mehrere für das jeweilige Problem pareto-optimale Punkte, die im Folgenden auch als kontinuierlich-pareto-optimale Punkte bezeichnet werden. Diese bilden einen Suchraum, auf den eine diskrete Suchstrategie angewandt wird, die auf einem paarwei- sen Vergleich der kontinuierlich-pareto-optimalen Punkte beruht und sich in mehrere diskrete Sub-Suchen untergliedert.The continuous methods applied to the majority of problems II provide one or more points that are pareto-optimal for each problem II, which are also referred to below as continuous-pareto-optimal points. These form a search space to which a discrete search strategy is applied, which is based on a pairwise comparison of the continuously pareto-optimal points and is subdivided into several discrete sub-searches.
Dabei wird für die erste Sub-Suche zunächst zufällig ein Punkt aus dem Suchraum als Referenzpunkt ausgewählt. Für nachfolgende Sub-Suchen ergeben sich die Referenzpunkte jeweils aus dem Vergleichspunkt des Ergebnis-Punktepaares der vorhergehenden Sub-Suche. Der Referenzpunkt wird dann nach einem stochastischen Verfahren mit weiteren Punkten verglichen.For the first sub-search, a point is randomly selected from the search space as a reference point. For subsequent sub-searches, the reference points each result from the comparison point of the result point pair of the previous sub-search. The reference point is then compared with other points using a stochastic method.
Der Vergleich beruht dabei auf einer „besser", „schlechter" oder „gleich gut" Aussage nach folgendem Muster:The comparison is based on a "better", "worse" or "equally good" statement according to the following pattern:
Ein Punkt wird als „besser" bewertet, wenn er einen anderen Punkt dominiert, wobei ein Punkt als dominant angesehen wird, wenn er in allen Zielfunktionen mindestens gleich gut ist (d.h. einen mindestens gleich niedrigen Wert aufweist) und in wenigstens einer Zielfunktion besser als der Vergleichspunkt.A point is rated "better" if it dominates another point, a point being considered dominant if it is at least equally good in all objective functions (ie has an at least equally low value) and better than that in at least one objective function Reference point.
Ein Punkt wird als „schlechter" bewertet, wenn er vom Vergleichspunkt dominiert wird und als „gleich gut", wenn weder ein Punkt den anderen dominiert, noch umgekehrt. Es wird also eine skalare Zielfunktion festgelegt, welche das Paar der zu vergleichenden Punkte bewertet. Beispielsweise kann die Aussage „Partner 2 besser als Partner 1" (=Punktepaar „besser,,) mit „0", die Aussage „Partner 1 besser als Partner 2" (=Punktepaar „schlechter") mit „1" und die Aussage „Partner gleich gut" (=Punktepaar „gleich gut") mit „0,5" bewertet werden.A point is rated "worse" if it is dominated by the comparison point and "equally good" if neither point dominates the other, or vice versa. So it will set a scalar objective function that evaluates the pair of points to be compared. For example, the statement "partner 2 better than partner 1" (= pair of points "better") with "0", the statement "partner 1 better than partner 2" (= pair of points "worse") with "1" and the statement " Partner equally good "(= pair of points" equally good ") with" 0.5 ".
Zur Lösung der einzelnen diskreten Sub-Probleme eignet sich beispielsweise der Metropolis-Algorithmus. Dabei wird eine Nachbarschaftsstruktur festgelegt, die durch die Wahrscheinlichkeiten bestimmt wird, mit der jedes Punktepaar von jedem Stand-Punktepaar aus generiert wird.The Metropolis algorithm, for example, is suitable for solving the individual discrete sub-problems. A neighborhood structure is determined, which is determined by the probabilities with which each pair of points is generated from each pair of standing points.
Das in jedem Schritt auf das einzelne diskrete Sub-Optimie- rungsproblem angewandte stochastische Verfahren liefert entweder nach einer bestimmten Anzahl von Vergleichen ausgehend vom Startpunkt bzw. aktuellen Referenzpunkt einen neuen Referenzpunkt oder es wird nach Erreichen eines festgelegten Ab- bruchkriteriums abgebrochen mit der Aussage „es gibt keinen besseren Punkt als den aktuellen Referenzpunkt". In diesem Fall wird der aktuelle Referenzpunkt als pareto-optimal angesehen.The stochastic method applied to the individual discrete sub-optimization problem in each step either delivers a new reference point after a certain number of comparisons starting from the starting point or current reference point, or it is terminated with the statement “es” after a defined termination criterion has been reached is no better point than the current reference point ". In this case the current reference point is considered pareto-optimal.
Das vorzugsweise anzuwendende stochastische Verfahren sollte auch so ausgebildet sein, dass nicht nur bessere oder gleich gute Punktepaare in jedem Fall (d.h. mit der Wahrscheinlichkeit „1"), sondern auch schlechtere Punktepaare mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit angesprungen werden. Letzteres ist erforderlich, um das Verfahren nicht in „lokalen Minima" hängenbleiben zu lassen.The stochastic method which is preferably to be used should also be designed in such a way that not only better or equally good point pairs are jumped to in any case (ie with the probability “1”), but also worse point pairs with a certain probability. The latter is necessary in order to use the method not to get caught in "local minima".
Dominiert der Vergleichspunkt des Ergebnis-Punktepaares der vorhergehenden Sub-Suche deren Referenzpunkt, so wird dieser Vergleichspunkt als Referenzpunkt der neuen Sub-Suche definiert und das stochastische diskrete Suchverfahren erneut gestartet. Wird ein aktueller Referenzpunkt nach den vorgenannten Kriterien als pareto-optimal erkannt, so kann nach einer Ausbildung des Verfahrens ein Abbruch erfolgen. Allerdings wird hierbei ausgehend von einem Start-Referenzpunkt jeweils nur ein Pareto-Optimum erreicht. Um alle oder mehrere Pareto- Optima zu erfassen ist es daher erforderlich, ausgehend von mehreren unterschiedlichen Start-Referenzpunkten die vorbeschriebene Suchstrategie zu starten. Dies kann entweder nach- einander oder gleichzeitig erfolgen.If the comparison point of the result point pair of the previous sub-search dominates their reference point, this comparison point is defined as the reference point of the new sub-search and the stochastic, discrete search method is started again. If a current reference point is identified as pareto-optimal according to the aforementioned criteria, the process can be terminated after the method has been trained. However, starting from a starting reference point, only one Pareto optimum is reached. In order to record all or several Pareto-Optima, it is therefore necessary to start the search strategy described above from several different start reference points. This can be done either one after the other or simultaneously.
Die Start-Referenzpunkte sollten dabei sinnvollerweise so gewählt werden, dass sie einander nicht dominieren. Dies kann mittels geeigneter stochastischer Auswahl erfolgen.The starting reference points should be chosen so that they do not dominate each other. This can be done using a suitable stochastic selection.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die vorbeschriebene Suchstrategie nicht nach dem Erkennen eines Pareto-Optimums abzubrechen, sondern mit einem „gleich guten" Punkt fortzusetzen. Another possibility is not to abort the search strategy described above after recognizing a Pareto optimum, but to continue with an "equally good" point.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Entwurf oder Optimieren eines technischen Systems,1. method for designing or optimizing a technical system,
a) bei dem das technische System wenigstens zwei vorge¬ gebene Zielfunktionen aufweist;a) in which the technical system comprises at least two pre-¬ passed objective functions;
b) bei dem jede Zielfunktion beemflusst wird von einer vorgegebenen Anzahl von kontinuierlichen Parametern, deren Parameterwerte einem vorgegebenen kontinuierlichen Wertebereich entnommen sind, und einer vorgegebenen Anzahl von diskreten Parametern, deren Parameterwerte einem diskreten Wertebereich entnommen sind;b) in which each objective function is influenced by a predetermined number of continuous parameters, the parameter values of which are taken from a predetermined continuous value range, and a predetermined number of discrete parameters, the parameter values of which are taken from a discrete value range;
c) bei dem eine Wertebelegung der kontinuierlichen und der diskreten Parameter m einem diskret-kontinuier- lichen Parametervektor (XC,XD) zusammengefasst wird, wobei mit xc die Wertebelegung der kontinuierlichen Parameter und mit xD die Wertebelegung der diskretenc) in which a value assignment of the continuous and the discrete parameters m is combined into a discrete-continuous parameter vector (X C , X D ), with x c the value assignment of the continuous parameters and x D the value assignment of the discrete
Parameter bezeichnet ist;Parameter is designated;
d) bei dem zur Ermittlung von bezüglich der Zielfunktionen pareto-optimalen Punkten und jeweils zu den Punk- ten gehörigen Wertebelegungen des Parametervektorsd) in the case of the value assignments of the parameter vector which are pareto-optimal with respect to the target functions and in each case belong to the points
(Xc, XD)(Xc, XD)
I) zunächst unter Verwendung eines Verfahrens zur Losung kontinuierlicher Mehrzielprobleme jeweils für alle zulassigen oder sinnvollen Wertebelegungen xD der diskreten Parameter die bezüglich der Zielfunktionen bei jeweils fester diskreter Wertebelegung der diskreten Parameter kontmuier- lich-pareto-optimalen Punkte und hierzu gehörigen Wertebelegungen für die kontinuierlichen Parameter bestimmt werden; und ii) anschließend aus der Mehrzahl der kontinuierlich- pareto-optimalen Punkte unter Verwendung einer diskreten Suchstrategie die bezüglich der kontinuierlich-diskreten Zielfunktionen pareto- optimalen Punkte und hierzu gehörigen Wertebelegungen des diskret-kontinuierlichen Parametervektors (XC/ D) ermittelt werden.I) first, using a method for solving continuous multi-goal problems for all admissible or sensible value assignments x D of the discrete parameters which, with respect to the target functions, with the discrete parameters being consistently fixed and with pareto-optimal points and associated value assignments for the continuous ones Parameters are determined; and ii) then, from the majority of the continuously pareto-optimal points using a discrete search strategy, the pareto-optimal points with respect to the continuously-discrete target functions and the associated value assignments of the discrete-continuous parameter vector (XC / D) are determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die diskrete Suchstra- tegie mehrere diskrete Sub-Suchen mit jeweils einer erforderliche Anzahl von Schritten umfasst, wobei in jeder Sub-Suche mittels eines stochastischen Verfahrens paarweise Vergleiche eines aus den ermittelten kontinuier- lich-pareto-optimalen Punkten entnommenen Referenzpunkts mit weiteren kontinuierlich-pareto-optimalen Punkten durchgeführt werden.2. The method as claimed in claim 1, in which the discrete search strategy comprises a plurality of discrete sub-searches, each with a required number of steps, with each sub-search using a stochastic method in pairs to make comparisons of one of the continuously-pareto determined optimal points taken from the reference point can be carried out with further continuously-pareto-optimal points.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem in jeder Sub-Suche ausgehend von einem Stand-Punktepaar, welches aus aktuel- len Referenzpunkt der Sub-Suche und einem kontinuierlich- pareto-optimalen Punkt besteht, mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit aus den zur Verfügung stehenden, dem Stand-Punktepaar benachbarten Punktepaaren, Nachbar- Punktepaare ausgewählt werden, welche jeweils aus dem ak- tuellen Referenzpunkt und einem weiteren kontinuierlich- pareto-optimalen Punkt bestehen.3. The method as claimed in claim 2, in which, in each sub-search, starting from a pair of standpoints consisting of the current reference point of the sub-search and a continuously pareto-optimal point, with a predetermined probability from the available ones , the neighboring point pairs, neighboring point pairs, which each consist of the current reference point and a further continuously pareto-optimal point, are selected.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der als Startpunkt für die Suchstrategie dienende Referenzpunkt zufäl- lig ausgewählt wird, wobei den kontinuierlich-pareto- optimalen Punkten eine Wahrscheinlichkeits-Gleichver- teilung zugeordnet wird.4. The method according to claim 2 or 3, in which the reference point serving as the starting point for the search strategy is selected randomly, with a uniform probability distribution being assigned to the continuously pareto-optimal points.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei dem das stochastische Verfahren für die Sub-Suchen so beschaffen ist, dass je Sub-Suche ein vom Stand-Punktepaar aus zufällig erzeugtes Nachbar-Punktepaar sicher als neues Stand-Punktepaar akzeptiert wird, wenn das Vergleichsver¬ hältnis des Nachbar-Punktepaares mindestens so „gut" aus¬ fällt wie das des Stand-Punktepaares, wobei das Vergleichsverhältnis als mindestens so „gut" definiert wird, wenn5. The method according to any one of claims 3 or 4, wherein the stochastic method for the sub-searches is such that for each sub-search a neighboring point pair generated randomly from the standpoint pair as a new one Stand-point pair is accepted if the ratio of the Vergleichsver ¬ neighboring pair of points so falls at least "good" ¬ as that of the stand-point pair, the comparison ratio is defined as at least as "good" when
a) im Stand-Punktepaar der Referenzpunkt der Sub-Suche den Vergleichspunkt dominiert und das Vergleichsver- hältnis des Nachbar-Punktepaares beliebig ausfällt;a) in the pair of standpoints, the reference point of the sub-search dominates the comparison point and the comparison ratio of the neighboring pair of points is arbitrary;
b) im Stand-Punktepaar weder der Referenzpunkt den Vergleichspunkt dominiert noch umgekehrt und im Nachbar- Punktepaar weder der Referenzpunkt den Vergleichspunkt dominiert noch umgekehrt oder der Vergleich- spunkt den Referenzpunkt dominiert;b) in the pair of standing points neither the reference point dominates the comparison point nor vice versa and in the neighboring point pair neither the reference point dominates the comparison point nor vice versa or the comparison point dominates the reference point;
c) im Stand-Punktepaar der Vergleichspunkt den Referenzpunkt dominiert und im Nachbar-Punktepaar der Vergleichspunkt den Referenzpunkt dominiert; undc) the reference point dominates the reference point in the pair of standing points and the reference point dominates the reference point in the pair of neighboring points; and
bei dem das Nachbar-Punktepaar mit einer vorbestimmten Wahrscheinlichkeit kleiner 1 und größer 0 als neues Stand-Punktepaar akzeptiert wird, falls das Vergleichs- verhältnis im Nachbar-Punktepaar „schlechter" ist, als im Stand-Punktepaar.in which the neighboring point pair is accepted with a predetermined probability of less than 1 and greater than 0 as a new pair of standing points if the comparison ratio in the neighboring pair of points is “worse” than in the pair of standing points.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der aktuelle Referenzpunkt als Pareto-Optimum erkannt wird, wenn das stochastische Verfahren nach einer vorbestimmten Anzahl von untersuchten Punktepaaren, die durch ein vorgegebenes Abbruchkriterium festlegbar ist, kein Punktepaar liefert, bei dem der Vergleichspunkt den aktuellen Referenzpunkt dominiert.6. The method according to any one of claims 2 to 5, wherein the current reference point is recognized as the Pareto optimum if the stochastic method does not deliver a pair of points at which the. After a predetermined number of examined pairs of points, which can be determined by a predetermined termination criterion Comparison point dominates the current reference point.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem für das Auffinden mehrerer Pareto-Optima die paarweisen Vergleiche gleichzeitig oder nacheinander von unterschiedli- chen, einander wechselseitig nicht dominierenden Referenzpunkten gestartet wird.7. The method according to any one of claims 2 to 6, in which for the finding of several Pareto optima the pairwise comparisons simultaneously or successively of different Chen, mutually non-dominant reference points is started.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem für das Auffinden mehrerer Pareto-Optima die paarweisen Vergleiche nach dem Erkennen eines Referenzpunkts als Pareto-Optimum mit einem Referenzpunkt fortgesetzt werden, welcher von dem Pareto-Optimum mit größerer Wahrscheinlichkeit nicht dominiert als dominiert wird.8. The method according to any one of claims 2 to 7, in which for the finding of several Pareto-Optima the pairwise comparisons are continued after recognizing a reference point as Pareto-Optimum with a reference point which is more likely than not to be dominated by the Pareto-Optimum than is dominated.
9. Verfahrern nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem als stochastisches Verfahren für die Sub-Suchen der Metropolis-Algorithmus verwendet wird.9. Method according to one of claims 2 to 5, in which the metropolis algorithm is used as the stochastic method for the sub-searches.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei dem zur Anwendung des stochastischen Verfahrens eine diskrete skalare Zielfunktion definiert wird, welcne das Verhältnis zweier Punkte eines paarweisen Vergleichs bewertet.10. The method according to any one of claims 2 to 9, in which a discrete scalar target function is defined for the application of the stochastic method, which evaluates the ratio of two points of a pairwise comparison.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die diskrete skalare Zielfunktion den Vergleich der beiden zu vergleichenden Punkte mit einem diskreten Wert MIN, vorzugsweise MIN=0, bewertet, wenn der Vergleichspunkt den aktuellen Referenzpunkt dominiert, mit einem diskreten Wert MAX, vor- zugsweise MAX=1, wenn der aktuelle Referenzpunkt den Vergleichspunkt dominiert, und mit einem diskreten Wert MID, vorzugsweise MID=0,5, wenn keiner der beiden Punkten den jeweils anderen dominiert.11. The method according to claim 10, in which the discrete scalar objective function evaluates the comparison of the two points to be compared with a discrete value MIN, preferably MIN = 0, if the comparison point dominates the current reference point, preferably with a discrete value MAX MAX = 1 if the current reference point dominates the comparison point, and with a discrete value MID, preferably MID = 0.5, if neither of the two points dominates the other.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei der Losung des momentanen diskreten Sub-Problems die Information, dass sich kontmuierlich-pareto-optimale Punkte zu jeweils einer festen Wertebelegungen der diskreten Parameter gegenseitig nicht dominieren, zur einer Reduzierung des Suchraums für die diskrete Sub-Suche verwendet wird. 12. The method according to any one of the preceding claims, in which, in solving the current discrete sub-problem, the information that continuous-pareto-optimal points for a fixed value assignment of the discrete parameters do not dominate each other to reduce the search space for the discrete sub-search is used.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem samtliche zur Losungsmenge des kontinuierlichen Mehrziel-Optimierungspro- blems für eine erste Parameterbelegung für die diskreten Parameter gehörenden kontmuierlich-pareto-optimalen Punkte aus dem Suchraum einer Sub-Suche ausgeschlossen werden, wenn festgestellt wurde, dass ein zur Losungsmenge des kontinuierlichen Mehrziel-Optimierungsproblems für eine zweite Parameterbelegung für die diskreten Parameter gehörender kontmuierlich-pareto-optimaler Punkt zumin- dest einen der zu der genannten Losungsmenge gehörenden Punkte dominiert und Referenzpunkt der Sub-Suche ist.13. The method according to claim 12, in which all of the solution quantity of the continuous multi-target optimization problem for a first parameter assignment for the discrete parameters continuous-pareto-optimal points belonging to the search space of a sub-search are excluded if it was found that a the continuous-pareto-optimal point belonging to the solution set of the continuous multi-target optimization problem for a second parameter assignment for the discrete parameters is dominated by at least one of the points belonging to the solution set mentioned and is the reference point of the sub-search.
14. Einrichtung zum Entwurf oder Optimieren eines technischen Systems,14. facility for designing or optimizing a technical system,
mit einer Prozessoreinheit und einem in einem Arbeitsspeicher gespeicherten Programm, welches die Verfahrensschritte gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchfuhrt,with a processor unit and a program stored in a working memory, which carries out the method steps according to one of the preceding claims,
mit einer Emgabeemheit, mittels welcher die Werte- bereiche für die diskreten und die kontinuierlichen Parameter eingebbar sind und in einem Speicherbereich ablegbar sind, undwith an emitting unit, by means of which the value ranges for the discrete and the continuous parameters can be entered and can be stored in a memory area, and
mit einer Ausgabeeinheit, über welche die pareto- optimalen Punkte als Daten für den Entwurf des technischen Systems und/oder als Signale zur optimierten Ansteuerung des technischen Systems ausgebbar sind.with an output unit, via which the pareto-optimal points can be output as data for the design of the technical system and / or as signals for optimized control of the technical system.
15. Computerprogramm-Produkt, wobei das Programm m den Arbeitsspeicher (9, 11, 13) einer Datenverarbeitungsem- richtung oder einer Prozessoreinheit (7) einer Einrichtung nach Anspruch 14 ladbar ist und welches einen Code zur Durchfuhrung der Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst. 15. Computer program product, wherein the program m the working memory (9, 11, 13) of a data processing device or a processor unit (7) of a device according to claim 14 can be loaded and which has a code for performing the method steps according to one of claims 1 to 13 includes.
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