姬彥巧，趙長寬，姚紅良，聞邦椿

JI Yan-qiao1,2, ZHAO Chang-kuan3, YAO Hong-liang1, WEN Bang-chun1

（1.東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110819；2.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽 1101611；3.東北大學(xué) 計算中心，沈陽 110819

0 引言

在航天、航空、艦船等復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計中，多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化設(shè)計（Multidisciplinary Design Optimization, MDO）正在被廣泛地應(yīng)用在產(chǎn)品的概念設(shè)計和詳細設(shè)計當(dāng)中。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的整體最優(yōu)，同時兼顧各個子系統(tǒng)之間的約束和耦合關(guān)系[1,2]。在不同的學(xué)科和專業(yè)領(lǐng)域，采用的設(shè)計方法和設(shè)計工具差異較大和種類繁多。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計中，一個首要的任務(wù)是解決多學(xué)科專業(yè)軟件的集成問題。另外，多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)做為優(yōu)化問題的求解平臺，需要通過基于優(yōu)化算法迭代求優(yōu)，因此其必須解決設(shè)計過程的各種計算任務(wù)和環(huán)節(jié)的整合和自動化問題。實現(xiàn)軟件的集成和設(shè)計過程自動化，包括定制化軟件開發(fā)、程序腳本和可視化流程三種方式。

定制化軟件開發(fā)是指為某種復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計過程，開發(fā)專門的程序。由于此種方式是針對特定產(chǎn)品設(shè)計而研制，以最大滿足設(shè)計需要為目標，優(yōu)點是產(chǎn)品設(shè)計結(jié)合緊密，缺點是適用性差，隨著產(chǎn)品的升級換代，系統(tǒng)本身也要升級，并其開發(fā)周期和成本都相對較高，同時要求用戶具有較高的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化問題分析能力和系統(tǒng)設(shè)計分析能力[1]。國防科技大學(xué)基于J2EE技術(shù)開發(fā)的固體火箭發(fā)動機集成優(yōu)化設(shè)計環(huán)境[3]和導(dǎo)彈數(shù)字化設(shè)計平臺[4]，東北大學(xué)基于COM技術(shù)構(gòu)建的發(fā)動機渦輪集成設(shè)計系統(tǒng)[5]均屬于此類系統(tǒng)。

程序腳本方式是針對多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)建設(shè)的需要，設(shè)計一種專門的腳本程序。此種方式保留了定制程序方式所具有的優(yōu)點，同時又增加了靈活性。由于針對特定產(chǎn)品設(shè)計過程編寫大量的程序，因此要求用戶具有較高的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化程序設(shè)計能力。AML和OpenMDAO采用腳本方式。

可視化流程方式是建立可以描述設(shè)計過程的圖形化流程，通過拖拽方式實現(xiàn)流程圖形化建模，并是實現(xiàn)執(zhí)行過程的可視化監(jiān)控?？梢暬绞降膬?yōu)點是直觀、易操作，并且對用戶的要求不高。近來，大部分商業(yè)系統(tǒng)和定制開發(fā)系統(tǒng)均支持此種方式。例如美國Phoenix公司的Modelcenter、美國Engenious公司的iSight, 北航基于J2EE構(gòu)建的系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化集成環(huán)境(SDOF)，清華大學(xué)基于CORBA和DCOM的分布式對象技術(shù)構(gòu)建多學(xué)科協(xié)同設(shè)計與仿真平臺[5]等。

為了提高的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)的可用性和用戶體驗，基于可視化流程實現(xiàn)軟件的集成和設(shè)計過程的自動化，成為多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化設(shè)計研究的重要內(nèi)容。

目前對于多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化流程（Multidisciplinary Design Optimization Flow,MDOF）主要是作為實現(xiàn)設(shè)計過程自動化來研究，而作為實現(xiàn)多學(xué)科優(yōu)化求解過程的可視化工具，并沒有引起足夠的重視。本文通過對典型復(fù)雜產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化過程的分析，研究流程在多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的作用。提出從過程自動化、程序可視化和軟件集成的角度進行研究，并介紹相關(guān)的研究成果。針對多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化流程作為優(yōu)化問題求解算法的實現(xiàn)，具有科學(xué)計算可視化和程序可視化的特點，提出將多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化流程作為以多個技術(shù)領(lǐng)域融合的新對象加以研究。

1 多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化及其流程

下面從汽車、飛行器、導(dǎo)彈、飛機發(fā)動機等復(fù)雜產(chǎn)品的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化過程為例，分析流程在多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中的作用。

吳寶貴等[6]在研究復(fù)雜機械產(chǎn)品虛擬樣機多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化中對一個典型汽車產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化過程進行了描述。整個分析過程包括：基于Pro/E完成汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計，基于Pro/E與Ansys集成實現(xiàn)結(jié)構(gòu)有限元分析，以Adams為核心集成Pro/E和ANSYS實現(xiàn)汽車動力學(xué)仿真分析，基于Adams與PAM/CRASH集成實現(xiàn)汽車碰撞分析，基于ANSYS與Adams集成實現(xiàn)噪聲、振動和聲振粗擦度（Noise、Vibra-tion and Harshness, NVH）特性研究。在不同的學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)，均有面向單一領(lǐng)域的優(yōu)化求解問題，例如ANSYS和Adams中內(nèi)置優(yōu)化求解模塊。整個分析過程中，根據(jù)多學(xué)科系統(tǒng)優(yōu)化策略，對設(shè)計變量進行不斷調(diào)整，最終獲得最優(yōu)方案。

王曉青等[7]在研究空射小運載火箭的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計過程中，將火箭的設(shè)計涉及學(xué)科領(lǐng)域分為氣動、彈道、動力和總體。其中彈道模型和動力模型均通過自編程序?qū)崿F(xiàn)，優(yōu)化求解及過程管理基于iSight實現(xiàn)。

酈仕云[8]在研究飛行器氣動和結(jié)構(gòu)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計過程集成技術(shù)中，詳細分析了此類產(chǎn)品的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化過程。整個產(chǎn)品設(shè)計過程包括：三維幾何建模、CFD、結(jié)構(gòu)強度分析和iSight之間的數(shù)據(jù)集成。三維幾何建模與iSight之間通過了UG/OPEN API二次開發(fā)，并利用參數(shù)化驅(qū)動實現(xiàn)模型更新。UG與CFD的集成通過將UG模型轉(zhuǎn)換為Parasolid模型實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)強度分析采用了Patran，并利用Patran與UG的接口實現(xiàn)三維幾何建模與結(jié)構(gòu)計算分析的集成。氣動計算分析軟件Fluent與iSight之間的集成通過腳本和iSight數(shù)據(jù)文件分析功能實現(xiàn)計算結(jié)果的提取。Fluent與結(jié)構(gòu)分析軟件Nastran的集成通過腳本實現(xiàn)。Nastran與iSight采用腳本和iSight數(shù)據(jù)文件分析功能實現(xiàn)計算結(jié)果的提取，整個多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計流程和優(yōu)化求解通過iSight實現(xiàn)。

湯曉安等[9]將導(dǎo)彈的設(shè)計過程分為任務(wù)分解、概念設(shè)計、初步設(shè)計和詳細設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計主要在初步設(shè)計階段的系統(tǒng)級優(yōu)化和詳細設(shè)計階段的子系統(tǒng)優(yōu)化。系統(tǒng)級別優(yōu)化設(shè)計的主要流程。為了實現(xiàn)對設(shè)計過程的支持，在導(dǎo)彈集成優(yōu)化設(shè)計提出一種支持功能重配的平臺系統(tǒng)，其主要功能是過程集成、數(shù)據(jù)集成和軟件集成。過程集成通過流程實現(xiàn)，主要功能將總體設(shè)計過程中各模型、模型之間的關(guān)系嵌入到導(dǎo)彈設(shè)計執(zhí)行的邏輯過程，并解決設(shè)計修改、迭代計算的自動化，以及過程中工具和數(shù)據(jù)的集成等問題。

韓明紅等[2]在研究復(fù)雜工程系統(tǒng)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化集成環(huán)境時，介紹了發(fā)動機渦輪盤多學(xué)科設(shè)計過程。產(chǎn)品優(yōu)化目標是滿足最終機械性能和壽命約束的條件下，渦輪盤質(zhì)量最輕，應(yīng)力和應(yīng)變最小。在設(shè)計過程中設(shè)計CAD軟件UG、鍛壓仿真軟件MSC.Marc.AutoForge、有限元分析軟件ANSYS、熱處理軟件MSC.Patran軟件的集成，并通過iSight實現(xiàn)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計求解。

綜上分析，多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化流程主要任務(wù)包括設(shè)計過程自動化、程序可視化和軟件集成三個方面。

1）設(shè)計過程自動化：流程是實現(xiàn)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的過程模型，按照相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯過程建立。另外必須提供圖形化的流程設(shè)計工具實現(xiàn)過程建模；構(gòu)建流程引擎實現(xiàn)整個流程中任務(wù)節(jié)點的求解，并監(jiān)控流程的進行。

2）程序可視化：多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化流程作為優(yōu)化求解算法的計算機實現(xiàn)，其實質(zhì)是一個程序可視化問題。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化求解算法的可視化平臺，需要解決算法和程序的可視化問題。

3）軟件集成：作為多種軟件的集成平臺，需要解決軟件集成、調(diào)度、計算結(jié)果的輸入輸出和參數(shù)管理

目前主要將多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化流程定位于設(shè)計過程自動化的實現(xiàn)，從而將其作為工作流進行研究[4,9]，對其作為優(yōu)化算法求解過程的可視化問題重視不夠。

2 設(shè)計過程自動化

2.1 工作流

為了解決過程自動化問題，工作流（workflow）技術(shù)研究從20世紀90年代開始獲得廣泛關(guān)注，現(xiàn)在依然是一個熱點研究領(lǐng)域。工作流研究重點是通過直觀的、可視化的流程實現(xiàn)業(yè)務(wù)過程建模。工作流技術(shù)迅速應(yīng)用企業(yè)集成制造系統(tǒng)(CIMS)相關(guān)的企業(yè)資源管理計劃系統(tǒng)（ERP）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(PDM)和協(xié)同設(shè)計（CPC）領(lǐng)域。工作流技術(shù)提供的可視化流程解決了過程管理的程序化和自動化問題。范玉順等將工作流定義理解為“計算機系統(tǒng)按照一定規(guī)則自動執(zhí)行的那部分”，并提出“凡是由計算機軟件系統(tǒng)控制其執(zhí)行的過程都稱為工作流”。工作流由活動、活動順序、活動啟動和終止條件構(gòu)成，其特點是涉及人機互動和多人協(xié)作參與。工作流研究重點包括工作流建模、驗證、調(diào)度、性能分析、回溯、并發(fā)，研究方法包括Petri網(wǎng)、有向有環(huán)圖、自動機理論。工作流應(yīng)用研究的內(nèi)容更加豐富，從辦公自動、企業(yè)信息管理，延伸到建筑[4]、科學(xué)計算等領(lǐng)域。

2.2 多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計過程自動化

目前在多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化研究領(lǐng)域，流程是作為實現(xiàn)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)過程服務(wù)的一部分，研究內(nèi)容包括過程模型、過程建模方法和過程管理方法[4]。過程建模方法主要研究如何建立和描述過程模型，主要研究成果包括Petri及擴展Petri網(wǎng)、IDEF3、工作流、關(guān)鍵路徑法和設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣[3]。

在多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方面，一般采用兩種方案：一種是采用現(xiàn)有商業(yè)優(yōu)化軟件產(chǎn)品 ；一種是采用自主研制的軟件平臺。商業(yè)化的軟件系統(tǒng)包括美國Phoenix公司的Modelcenter、美國Engenious公司的iSight、美國Technosoft公司的AML、美國Sandia國家實驗室開發(fā)的DAKOTA、Vanderplaats等開發(fā)的VisualDOC。

Modelcenter采用了類似IDEF圖形式的可視化流程。流程的執(zhí)行過程采用并行機制。優(yōu)化求解由優(yōu)化器節(jié)點控制，實現(xiàn)流程的迭代運行，在最新版本中已經(jīng)引入了邏輯判斷、循環(huán)計算，支持流程嵌套和并行結(jié)構(gòu)[5]，從而增強了流程的靈活性。用戶可以定義包含復(fù)雜邏輯結(jié)構(gòu)的流程。

iSight采用MDOL(Multidisciplinary Optimization Language)來描述MDO問題，在iSight-FD版本中對流程進行了改造，增強了以任務(wù)為核心的流程設(shè)計，并支持“自頂向下”設(shè)計任務(wù)分解。

AML采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，支持對象的隸屬管理，通過對象樹實現(xiàn)節(jié)點之間的信息共享，通過命令驅(qū)動模型實現(xiàn)優(yōu)化求解過程，其可視化流程功能相對較弱。另外的DAKOTA和VisualDOC的可視化流程功能也相對較弱。

針對企業(yè)設(shè)計實踐，自主研制的軟件平臺中，主要參照Workflow Management Coalition(WfMC)制定工作流參考模型（Work flow Reference Model）實現(xiàn)，具體實現(xiàn)技術(shù)包括擴展賦時著色Petri網(wǎng)、JavaBean、COM、Agent和WebService。

3 程序可視化

在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)中，多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的目標是獲得全局最優(yōu)，而在不同的學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)有各自的單一學(xué)科優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，在求解過程需要不斷的調(diào)用其他軟件系統(tǒng)，因此多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)需要解決多學(xué)科問題優(yōu)化求解過程的計算機程序化。

求解過程序化是需要在解決設(shè)計過程自動化和軟件集成的基礎(chǔ)上，將設(shè)計過程轉(zhuǎn)化為可以計算機執(zhí)行的程序，才能實現(xiàn)自動計算。

求解過程即求解算法，其程序化實質(zhì)是將算法轉(zhuǎn)化為計算機可以處理的程序。將算法直接翻譯成某種程序設(shè)計語言編寫的程序，一直是計算機求解問題的主要方法，一般稱為程序設(shè)計(Programming)。但是這種方法主要存在的問題是：1）只能解決特定問題，不易修改和重用。2）要求設(shè)計要有較高程序設(shè)計技術(shù)水平，并精通優(yōu)化設(shè)計理論。3）不直觀。

為了解決求解過程的可視化問題，在不同的學(xué)科領(lǐng)域采用不同的處理方式。在程序設(shè)計領(lǐng)域，以程序可視化為主。在科學(xué)計算領(lǐng)域，以科學(xué)計算可視化為主。在業(yè)務(wù)過程自動化領(lǐng)域，以工作流為主。

3.1 程序可視化

程序可視化原本是軟件工程領(lǐng)域的一個問題，最初是解決程序的可視化描述，例如流程圖、NS圖和UML模型圖均為其研究重點。1993年Gruia-Catalin Roman和Kenneth C.Co對此程序可視化研究進行重新定義，其認為程序可視化的基本思想是將程序映射為圖形，研究內(nèi)容包括程序的作用域、抽象、專業(yè)方法和技術(shù)。作用域是研究程序的那方面可視化，包括代碼、數(shù)據(jù)狀態(tài)、控制狀態(tài)、行為。抽象研究何種程序信息以何種形式的方式傳遞，包括結(jié)構(gòu)化表示、合成表示、解釋表示等等。專業(yè)方法研究可視化構(gòu)造的方式，包括預(yù)定義、注釋、關(guān)聯(lián)方法和說明方法等等。技術(shù)研究如何用圖形表示程序信息，包括樣本執(zhí)行選擇，屏幕設(shè)計和信息編碼。當(dāng)前軟件工程領(lǐng)域的集成開發(fā)環(huán)境如Microsoft Visual Studio和Eclispe中實現(xiàn)了軟件界面設(shè)計的可視化，并實現(xiàn)基于高亮顯示代碼行方式監(jiān)控程序運行。Johannes Bohnet給出一種原型系統(tǒng)實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)分析函數(shù)的調(diào)用過程，并以2.5D的圖形顯示。ROSE這類系統(tǒng)已經(jīng)部分解決了程序的圖形化問題，例如根據(jù)圖形化的UML類圖直接生存C++或JAVA的類定義，或?qū)⑽谋拘问匠绦蛴成錇闉閁ML圖形。另外動畫設(shè)計領(lǐng)域的軟件，例如Flash部分實現(xiàn)動畫設(shè)計可視化程序設(shè)計問題，通過時間軸的控制、預(yù)定義的動畫生成方法，實現(xiàn)動畫的設(shè)計。

基于上述分析，程序可視化研究領(lǐng)域?qū)θ绾螌⒊绦蛟O(shè)計思想以圖形化建模，并直接在計算機上執(zhí)行研究不多，其依然將程序代碼作為實現(xiàn)算法的載體，只是增加了可視化的圖形描述。反而在動畫設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)研究成果部分實現(xiàn)將設(shè)計意圖以圖形描述，并以圖形的方式輸出結(jié)果。

3.2 科學(xué)計算可視化

為了解決科學(xué)計算中大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理問題，美國科學(xué)基金會提出了科學(xué)計算可視化（Visualization in Scientific Computing,VoSC），研究重點是將數(shù)字化符號轉(zhuǎn)換為集合圖形，使科學(xué)家能夠觀察其模型和計算過程，早期應(yīng)用主要計算流體力學(xué)，醫(yī)學(xué)、地球物理、氣象、分子結(jié)構(gòu)學(xué)。近年來科學(xué)計算可視化在虛擬儀器方面技術(shù)發(fā)展迅速，例如VI公司的Labview中提供里大量虛擬電子元器件，可以直接設(shè)計電子電路，并進行實時仿真和分析。Timothy介紹通過科學(xué)工作流（scientific work flow）實現(xiàn)計算分析過程的自動化和可視化，其基本思想是通過可視化的工作流實現(xiàn)科學(xué)計算過程的可視化，但是其依然只是部分解決科學(xué)計算可視化問題。

3.3 多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計流程可視化

目前對多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化流程研究集中在其作為工作流的一種，通過工作流可視化實現(xiàn)其可視化[1,9,10]。而很少列為一種求解程序可視化問題研究。

多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化流程可視化的研究內(nèi)容包括優(yōu)化求解算法的可視化和用戶自定義程序的可視化。研究重點是將如下的求解程序以圖1圖形化的方式構(gòu)建出來，并對執(zhí)行過程和狀態(tài)進行研究。

圖1 程序可視化

4 軟件集成

多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化過程需要集成多種設(shè)計分析軟件，這些軟件可以分為兩類：商業(yè)系統(tǒng)和自定義程序。商業(yè)系統(tǒng)較多，常用的包括Ansys、Fluent、Matlab等，特點是軟件規(guī)模較大，并且接口復(fù)雜。自定義程序為用戶開發(fā)，完成特定任務(wù)的計算程序，特點是軟件規(guī)模較小，采用的編成語言比較復(fù)雜。

在多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化問題求解過程，需要將參數(shù)傳遞給設(shè)計分析軟件，完成其調(diào)用，并獲取計算結(jié)果。因此設(shè)計分析軟件與多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化集成，需要解決軟件調(diào)用和參數(shù)輸入輸出問題。

為解決此問題iSight采用基于腳本的封裝技術(shù)，基于數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)參數(shù)輸入輸出；基于命令行調(diào)用實現(xiàn)軟件調(diào)用。Modelcenter采用Plugin技術(shù)，利用ActiveX組件技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)用的封裝，實現(xiàn)參數(shù)傳遞和軟件調(diào)用。另外其他一些系統(tǒng)采用COM/DCOM[1]，WebService。

5 結(jié)束語

多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的過程管理的角度，其流程與工作流有很多共同點，因此大多的研究重點集中在從工作流的角度研究多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化流程。

但是由于多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化流程作為優(yōu)化求解算法的實現(xiàn)，其按照嚴格的數(shù)學(xué)模型建模，并實現(xiàn)程序化和自動執(zhí)行，其部分具有科學(xué)計算可視化和程序可視化的特點，因此在未來的多學(xué)科設(shè)計有必要將其視為一個多學(xué)科技術(shù)融合的新研究對象，并從研究范圍、抽象模型、方法、技術(shù)五個方面進行分析并建立有效可行的多學(xué)科研究方法和研究平臺。

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