優化論設計方法綜述

佟 偉

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

優化論設計方法綜述

佟 偉

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

設計是各類基本建設程序中的前提。設計在不同階段有不同的深度，廣度和精度要求，當進入初步設計，特別是技術設計時，則要求考慮的要更為精細，最終推薦方案必須是經多方案優選中擇選的。文章闡述了設計的基本概念，設計通常可采用的20余種方法，重點剖析了優化設計的思想原則，廣義優化設計方法的主要途徑。

設計；概念；優化設計；思想原則；廣義優化；方法途徑

0 前 言

所謂設計，從廣義來講，是指通過分析、創造與綜合達到滿足某種特定功能系統的一種活動過程。所以，設計是一種有目的意識活動，其目的是創造人為事物，其活動必須適之于環境、改善于環境。

其設計方法視不范疇，不同目標、不同經濟與技術條件采取的方法均有不同。粗略歸類，充至少有以下20余種設計方法：①現代設計法；②信號分析設計方法；③幅值域分析方法；④時差域分析方法；⑤頻率域分析方法；⑥模式識別方法；⑦功能分析設計方法；⑧功能價值分析設計方法；⑨可靠性設計方法；⑩強度可靠性設計方法；可靠度約束下的強度優化設計方法；系統可靠性設計方法；系統分析設計方法；系統可行性研究設計方法；系統的宜人設計方法；專家系統設計方法；優化論設計方法；對應論設計方法；產品系列化設計方法；成組設計方法；控制論設計方法；離散論設計方法；藝術論設計方法；方案設計的模糊決策優化設計方法；模糊可靠性優化設計方法。本文僅概要闡述優化論設計方法[1]。

1 優化論設計方法的基本概念

最優化是追求最好的結果或最優目標。確定最佳目標、選擇最佳方案、采用最佳方法、達到最佳效果。都是最優化的內容，最優化亦指實現上述目的的過程，即求優的過程 。

最優化又是相對的。這是因為“最優”都是相對一定判據而言的；數學優化方法在某種程度上的近似性。造成數學意義上的最優解亦并非與實際上的最優相對應。因此，在設計領域里永遠不會達到“最優極值設計”的地步，最優化只能作為一種理想予以追求。可知，最優化實際上是對最優目標的追求。關鍵在“化”上——使目標、方案、方法、效果逐步達到盡善盡美的過程，使問題的解決在一定程度上達到無可爭議的完善化，以求得最滿意的效果。

已有的優化設計是應用最優化理論與方法在計算機上選出現有工程條件下最好設計方案的一種現代設計方法。由于優化的領域(設計、控制、管理等)、優化的層次(方案優化和參數優化)、優化的過程(事物發展的全過程)、優化的目標(多目標的系統整體優化)、優化的方法(一切科學方法論)都是廣義的，基于這些特征和范疇的優化設計稱為廣義優化設計。為區別起見，將已有的優化設計稱為傳統優化設計。

傳統優化設計是參數優化，得出的是定量的數值最優解，它屬于求解函數極值問題的數學優化。但在一切設計領域里，均按照函數極值理論的觀點去追求其最優點，這是難于達到的。所以廣義優化設計采用定性與定量相結合的優化方法(含傳統的最優化理論與方法)，其最優解不僅是定量的數值解，還可以是定性的非數值解，或是包含定性的非數值解與定量的數值解的綜合。最優解它屬于包含方案優化與參數優化的綜合優化。廣義優化設計不僅合理地吸收了傳統優化設計賴以實施的最優化理論與方法的內容，它還基于更廣泛的數學理論——現代數學(含不確定性數學分支)和應用其相應的方法。

優化論設計方法就是泛指廣義優化設計來說的一類設計方法命題。廣義角度來說，所有科學發展論在一定層面上均可起到優化的作用和效果，運用現代設計法比傳統設計方法優化，創造性方法比一般推理要優化；借助智能論方法、系統論方法、對應論方法、控制論方法、功能論方法、模糊論方法作設計，都會在相應的方面達到優化的目的；采用信息論方法作設計則在提取有用信息數據上比經驗數據要優化。總而言之，對現代設計實行廣義優化是優化論設計方法的目的和目標。

2 進行優化設計的思路原則

2.1 必須具有正確的設計世界觀

設計人員的人生觀體現在他們的設計世界觀中，設計者在同時具備了“創造精神”和“服務精神”這兩大人生基本觀點的前提下，他們才可能有獨立創造性、堅持不懈的去為人類的精神文明和物質文明的空白作補充，將為人民服務作為設計工作宗旨這種高尚思想的設計者，才有可能獨立進行創造性的設計，所以，只有在正確人生觀和世界觀的引導下，廣義優化設計思想才有可能真正的建立起來。

2.2 培養并樹立空間型發展性思維

空間型指多維的、廣角的交叉。由于現代科技、社會問題和設計問題的復雜性，都具有多個、甚至成百上千個變量和約束條件，如果沒有空間型發展性思維，就不可能獲得全面的、科學的設計成果。例如，人-機的交叉可靠性、適用性與經濟性的交叉；水、氣、液、機、電的交叉；設計、維修、制造、管理、使用的交叉；設計思想、規律、程式、方法、工具的交叉等等。因此，現代廣義優化設計中必須牢固地建立空間型發展性思維方法。

2.3 掌握現代設計的基本規律

設計者的思想必須要遵循其自然的客觀規律，只有遵循運用這些規律，才可能有正確的設計思想。設計哲學的根本問題就是設計與現實相互關聯的問題。有創造性的思想，無法以科學的技術手段實現，也只能是設想，無法應用到實際轉化為生產力；反之，再先進的科技手段，沒有創造式的設計也是沒用的。

1)最變設計與突變創造的質量互變規律是現代設計的一條基本規律。只有充分了解這條規律，人們才會認識到長期積累的設計經驗與傳統的精華部分。“專家系統”之所以成為“人工智能”就是這個道理。但是如果迷信專家不去創造，則又走向了另一個危險的極端。因為“創”最為基本、主要的，它會使人類現有的生活情況發生質變，所以絕不能停滯不前，保持既成道路。

2)設計過程是綜合人類能與電腦智能為一體的過程。只有綜合準確的利用兩者關系，人類能和電腦智能才能在性質對立中統一的、有機的發揮各自特長。設計者在利用電腦的快速性、準確性與大容量性的同時，將人腦的模糊識別能力植入電腦中去，這樣，某種意義上超人的人工腦才會實現，它將用于設計任何事物。所以兩者智能的對立統一規律是現代設計的基本規律之一。只有利用好硬性和軟件，才能創新硬性和軟件，搞更好的設計來。

3 廣義優化設計法是優化論設計方法的主要途徑

可以這樣認為，凡是有效的各類優化方法均屬廣義優化方法。

1)直覺優化方法。直覺優化最重要的，雖然方法簡單，但最不應被忽視。直覺優化取決于設計者設計知識的廣泛性、設計經驗判斷的推理性以及豐富的設計經驗。這種方法不需要計算，比如，設計者對工程或產品的藝術外形，可通過設計要求、以往經驗、客戶心理、個人美學審美作出判斷。直覺優化只能適用于較單純的優化要求。

2)試驗優化方法。試驗優化法可以很好的應用于工程或產品設計中，解決工程或產品本身的機理不很清楚，寫不出參數間的函數表達式；或者之前沒有對新工程和產品的設計經驗，設計中各項參數對指標的主次影響難以區分等問題。試驗優化需要試驗模型(或者樣機或者模化裝置)，在初始試驗時建立的模型不一定很完善，可以在多次試驗中不斷加以改正和完善，根據最終試驗結果選出最優方案。或者也可以根據實驗數據構造出一種函數，再求出這個函數的極值，以達到優化的目的。一般可用正交試驗、導數求極值的方法或0.618法等求之。應用計算機模擬試驗過程是現在比較常用的一種試驗優化方法。

3)進化優化方法。以生物學角度來講，進化是由漸變與突變兩種方式形成。工程與產品的進化也與生物進化相近，隨著市場競爭不斷加劇，客戶要求不斷提高，工程與產品也需要不斷更新換代。價值工程是從有效使用過程中的功能價值出發，通過價值分析方法，使工程與產品逐步達到優化；適應性設計、變異性設計也是一種進化優化；而突變的創造性方法則是突變性的優化，所謂開發性設計即屬此類。

4)數學規劃優化方法。數學規劃優化法包括：線性規劃、非線性規劃、動態規劃、幾何規劃、整數規劃、多目標規劃等。這些尋優方法主要特點在于嚴密、精確，計算機自動尋優就是這種方法的基本特征，它主要是用來解決復雜問題，在多種可行參數的方案中挑選出最優方案。應用數學規劃方法來解決一個優化設計問題，一般要經過3個階段：①要將設計方案以數學模型的形式表現出來，所轉換出的數學模型要同時表達出工程技術問題中各個要素間的內在聯系和其物理現象的本質特征，又要能抓住問題的主要矛盾以便求解。一個完整的優化設計數學模型必須包括3個方面：優化參數(獨立變量)、優化目標函數(工程設計評價準則)、優化目標函數(工程設計評價準則)和優化約束條件(邊界約束和性能約束)；②根據數學模型中函數的性質，選用合適的優化方法，并作出相應的解法程序設計；③用計算機自動得出最優值，根據所得最優值聯系實際情況做分析研究和正確評價，得出最終最佳的設計方案。

5)專家系統(知識工程)優化方法。收集相關專家的知識論據和形成規則編制相應數據輸出儲存在計算機中，根據設計要求為計算機設置原始參數，這樣使計算機模擬相關專家推理、判斷與決策的相近過程，得出最優方案，以應用到實際中解決問題。由于收集到大批專家的材料組成的龐大數據庫，所得出的結果必定超過單獨一個專家的智能水平，達到最好的優化效果。

6)其它參數優化方法。這主要是指數學規劃優化方法以外的幾種求解數學模型的優化方法，包括：①參數無約束尋優方法；②參數約束尋優方法；③離散參數尋優方法。這些方法都有其單獨的數學模型和計算方法。

7)模糊優化方法。現實生活、社會科學和工程領域中的許多事物，都程度不同的存在著界限不清楚的模糊特點，因此，模糊集合和模糊優化的概念不可忽視。隨著人工智能和整個科技的發展，模糊優化越來越顯得重要。模糊優化是建立在模糊數學基礎上，優化過程中加入多種模糊因素的一種新的優化方法。這種優化設計過程可以給出各種有效的安全優化方案，讓客戶可以根據特殊需要作出選擇；同時它在設計過程中可以選擇單一或者多種變量處理方案中的種種模糊因素，設計成果看起來更加符合實際情況。因此，最終設計結果更加科學、合理、有效、切合實際情況。

8)其它優化方法。多維圖形法、圖論網絡法、準則法、以及大量的創造學方法。都可以應用到優化設計中。

在考慮設計方法的時候需要了解各種優化方法的利弊，熟知它們可應用的情況，選擇最優的優化方案使得優化設計能得出最好的設計結果。比如，系統論方法適用于大系統工程與開發性的方案設計；動態設計方法適用于對動態特性要求較高的部位；相似設計法適用于已有同類的優良產品可作參照的場合；模擬設計法用于某些過程與參數尚不很清楚的情況；可靠性設計適用于使用壽命期間具有較高功能穩定性的部位；價值工程則適用于設計后的校核和綜合評價；數學規劃方法適用于參數優化價值較高的關鍵零部件；人機工程主要適用于操縱系統、造型與環境設計；模糊論方法主要適用于控制系統與綜合評價等等。當然所列舉的優化方法隨著科技和社會的發展適用范圍并不是不變的，應隨著時代的進步不斷的提升、深化，某些方法的應用范圍正在擴大，同時還在產生大量的新方法。總之，優化方法也是在遵循不斷優化的道路上前進，新方法的不斷涌現，正是優化方法廣義的正直含義所在。

在水利水電工程的優化設計中，主要尋求在選址方面優化、工程施工條件優化，工程造價優化及工程經濟效益、環境效益、社會效益等方面的優化。

[1]林延江，陸昌甫，朱光熙 ，等.水利土木工程系統分析方法[M].北京：水利電力出版社，1983：21-32.

1007-7596(2014)12-0066-03

2014-04-12

佟偉(1965-)，男，黑龍江呼瑪人，高級工程師。

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