佟 偉

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

優(yōu)化論設(shè)計(jì)方法綜述

佟 偉

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

設(shè)計(jì)是各類(lèi)基本建設(shè)程序中的前提。設(shè)計(jì)在不同階段有不同的深度，廣度和精度要求，當(dāng)進(jìn)入初步設(shè)計(jì)，特別是技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，則要求考慮的要更為精細(xì)，最終推薦方案必須是經(jīng)多方案優(yōu)選中擇選的。文章闡述了設(shè)計(jì)的基本概念，設(shè)計(jì)通常可采用的20余種方法，重點(diǎn)剖析了優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想原則，廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的主要途徑。

設(shè)計(jì)；概念；優(yōu)化設(shè)計(jì)；思想原則；廣義優(yōu)化；方法途徑

0 前 言

所謂設(shè)計(jì)，從廣義來(lái)講，是指通過(guò)分析、創(chuàng)造與綜合達(dá)到滿(mǎn)足某種特定功能系統(tǒng)的一種活動(dòng)過(guò)程。所以，設(shè)計(jì)是一種有目的意識(shí)活動(dòng)，其目的是創(chuàng)造人為事物，其活動(dòng)必須適之于環(huán)境、改善于環(huán)境。

其設(shè)計(jì)方法視不范疇，不同目標(biāo)、不同經(jīng)濟(jì)與技術(shù)條件采取的方法均有不同。粗略歸類(lèi)，充至少有以下20余種設(shè)計(jì)方法：①現(xiàn)代設(shè)計(jì)法；②信號(hào)分析設(shè)計(jì)方法；③幅值域分析方法；④時(shí)差域分析方法；⑤頻率域分析方法；⑥模式識(shí)別方法；⑦功能分析設(shè)計(jì)方法；⑧功能價(jià)值分析設(shè)計(jì)方法；⑨可靠性設(shè)計(jì)方法；⑩強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)方法；可靠度約束下的強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方法；系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)方法；系統(tǒng)可行性研究設(shè)計(jì)方法；系統(tǒng)的宜人設(shè)計(jì)方法；專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；優(yōu)化論設(shè)計(jì)方法；對(duì)應(yīng)論設(shè)計(jì)方法；產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)方法；成組設(shè)計(jì)方法；控制論設(shè)計(jì)方法；離散論設(shè)計(jì)方法；藝術(shù)論設(shè)計(jì)方法；方案設(shè)計(jì)的模糊決策優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；模糊可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方法。本文僅概要闡述優(yōu)化論設(shè)計(jì)方法[1]。

1 優(yōu)化論設(shè)計(jì)方法的基本概念

最優(yōu)化是追求最好的結(jié)果或最優(yōu)目標(biāo)。確定最佳目標(biāo)、選擇最佳方案、采用最佳方法、達(dá)到最佳效果。都是最優(yōu)化的內(nèi)容，最優(yōu)化亦指實(shí)現(xiàn)上述目的的過(guò)程，即求優(yōu)的過(guò)程 。

最優(yōu)化又是相對(duì)的。這是因?yàn)椤白顑?yōu)”都是相對(duì)一定判據(jù)而言的；數(shù)學(xué)優(yōu)化方法在某種程度上的近似性。造成數(shù)學(xué)意義上的最優(yōu)解亦并非與實(shí)際上的最優(yōu)相對(duì)應(yīng)。因此，在設(shè)計(jì)領(lǐng)域里永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到“最優(yōu)極值設(shè)計(jì)”的地步，最優(yōu)化只能作為一種理想予以追求?？芍?，最優(yōu)化實(shí)際上是對(duì)最優(yōu)目標(biāo)的追求。關(guān)鍵在“化”上——使目標(biāo)、方案、方法、效果逐步達(dá)到盡善盡美的過(guò)程，使問(wèn)題的解決在一定程度上達(dá)到無(wú)可爭(zhēng)議的完善化，以求得最滿(mǎn)意的效果。

已有的優(yōu)化設(shè)計(jì)是應(yīng)用最優(yōu)化理論與方法在計(jì)算機(jī)上選出現(xiàn)有工程條件下最好設(shè)計(jì)方案的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。由于優(yōu)化的領(lǐng)域(設(shè)計(jì)、控制、管理等)、優(yōu)化的層次(方案優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化)、優(yōu)化的過(guò)程(事物發(fā)展的全過(guò)程)、優(yōu)化的目標(biāo)(多目標(biāo)的系統(tǒng)整體優(yōu)化)、優(yōu)化的方法(一切科學(xué)方法論)都是廣義的，基于這些特征和范疇的優(yōu)化設(shè)計(jì)稱(chēng)為廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)。為區(qū)別起見(jiàn)，將已有的優(yōu)化設(shè)計(jì)稱(chēng)為傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是參數(shù)優(yōu)化，得出的是定量的數(shù)值最優(yōu)解，它屬于求解函數(shù)極值問(wèn)題的數(shù)學(xué)優(yōu)化。但在一切設(shè)計(jì)領(lǐng)域里，均按照函數(shù)極值理論的觀(guān)點(diǎn)去追求其最優(yōu)點(diǎn)，這是難于達(dá)到的。所以廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)采用定性與定量相結(jié)合的優(yōu)化方法(含傳統(tǒng)的最優(yōu)化理論與方法)，其最優(yōu)解不僅是定量的數(shù)值解，還可以是定性的非數(shù)值解，或是包含定性的非數(shù)值解與定量的數(shù)值解的綜合。最優(yōu)解它屬于包含方案優(yōu)化與參數(shù)優(yōu)化的綜合優(yōu)化。廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅合理地吸收了傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)賴(lài)以實(shí)施的最優(yōu)化理論與方法的內(nèi)容，它還基于更廣泛的數(shù)學(xué)理論——現(xiàn)代數(shù)學(xué)(含不確定性數(shù)學(xué)分支)和應(yīng)用其相應(yīng)的方法。

優(yōu)化論設(shè)計(jì)方法就是泛指廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)的一類(lèi)設(shè)計(jì)方法命題。廣義角度來(lái)說(shuō)，所有科學(xué)發(fā)展論在一定層面上均可起到優(yōu)化的作用和效果，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)法比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法優(yōu)化，創(chuàng)造性方法比一般推理要優(yōu)化；借助智能論方法、系統(tǒng)論方法、對(duì)應(yīng)論方法、控制論方法、功能論方法、模糊論方法作設(shè)計(jì)，都會(huì)在相應(yīng)的方面達(dá)到優(yōu)化的目的；采用信息論方法作設(shè)計(jì)則在提取有用信息數(shù)據(jù)上比經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)要優(yōu)化?？偠灾?，對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)實(shí)行廣義優(yōu)化是優(yōu)化論設(shè)計(jì)方法的目的和目標(biāo)。

2 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路原則

2.1 必須具有正確的設(shè)計(jì)世界觀(guān)

設(shè)計(jì)人員的人生觀(guān)體現(xiàn)在他們的設(shè)計(jì)世界觀(guān)中，設(shè)計(jì)者在同時(shí)具備了“創(chuàng)造精神”和“服務(wù)精神”這兩大人生基本觀(guān)點(diǎn)的前提下，他們才可能有獨(dú)立創(chuàng)造性、堅(jiān)持不懈的去為人類(lèi)的精神文明和物質(zhì)文明的空白作補(bǔ)充，將為人民服務(wù)作為設(shè)計(jì)工作宗旨這種高尚思想的設(shè)計(jì)者，才有可能獨(dú)立進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)，所以，只有在正確人生觀(guān)和世界觀(guān)的引導(dǎo)下，廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)思想才有可能真正的建立起來(lái)。

2.2 培養(yǎng)并樹(shù)立空間型發(fā)展性思維

空間型指多維的、廣角的交叉。由于現(xiàn)代科技、社會(huì)問(wèn)題和設(shè)計(jì)問(wèn)題的復(fù)雜性，都具有多個(gè)、甚至成百上千個(gè)變量和約束條件，如果沒(méi)有空間型發(fā)展性思維，就不可能獲得全面的、科學(xué)的設(shè)計(jì)成果。例如，人-機(jī)的交叉可靠性、適用性與經(jīng)濟(jì)性的交叉；水、氣、液、機(jī)、電的交叉；設(shè)計(jì)、維修、制造、管理、使用的交叉；設(shè)計(jì)思想、規(guī)律、程式、方法、工具的交叉等等。因此，現(xiàn)代廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)中必須牢固地建立空間型發(fā)展性思維方法。

2.3 掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)的基本規(guī)律

設(shè)計(jì)者的思想必須要遵循其自然的客觀(guān)規(guī)律，只有遵循運(yùn)用這些規(guī)律，才可能有正確的設(shè)計(jì)思想。設(shè)計(jì)哲學(xué)的根本問(wèn)題就是設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)相互關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。有創(chuàng)造性的思想，無(wú)法以科學(xué)的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)，也只能是設(shè)想，無(wú)法應(yīng)用到實(shí)際轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力；反之，再先進(jìn)的科技手段，沒(méi)有創(chuàng)造式的設(shè)計(jì)也是沒(méi)用的。

1)最變?cè)O(shè)計(jì)與突變創(chuàng)造的質(zhì)量互變規(guī)律是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的一條基本規(guī)律。只有充分了解這條規(guī)律，人們才會(huì)認(rèn)識(shí)到長(zhǎng)期積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與傳統(tǒng)的精華部分?！皩?zhuān)家系統(tǒng)”之所以成為“人工智能”就是這個(gè)道理。但是如果迷信專(zhuān)家不去創(chuàng)造，則又走向了另一個(gè)危險(xiǎn)的極端。因?yàn)椤皠?chuàng)”最為基本、主要的，它會(huì)使人類(lèi)現(xiàn)有的生活情況發(fā)生質(zhì)變，所以絕不能停滯不前，保持既成道路。

2)設(shè)計(jì)過(guò)程是綜合人類(lèi)能與電腦智能為一體的過(guò)程。只有綜合準(zhǔn)確的利用兩者關(guān)系，人類(lèi)能和電腦智能才能在性質(zhì)對(duì)立中統(tǒng)一的、有機(jī)的發(fā)揮各自特長(zhǎng)。設(shè)計(jì)者在利用電腦的快速性、準(zhǔn)確性與大容量性的同時(shí)，將人腦的模糊識(shí)別能力植入電腦中去，這樣，某種意義上超人的人工腦才會(huì)實(shí)現(xiàn)，它將用于設(shè)計(jì)任何事物。所以?xún)烧咧悄艿膶?duì)立統(tǒng)一規(guī)律是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的基本規(guī)律之一。只有利用好硬性和軟件，才能創(chuàng)新硬性和軟件，搞更好的設(shè)計(jì)來(lái)。

3 廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)法是優(yōu)化論設(shè)計(jì)方法的主要途徑

可以這樣認(rèn)為，凡是有效的各類(lèi)優(yōu)化方法均屬?gòu)V義優(yōu)化方法。

1)直覺(jué)優(yōu)化方法。直覺(jué)優(yōu)化最重要的，雖然方法簡(jiǎn)單，但最不應(yīng)被忽視。直覺(jué)優(yōu)化取決于設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)知識(shí)的廣泛性、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)判斷的推理性以及豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。這種方法不需要計(jì)算，比如，設(shè)計(jì)者對(duì)工程或產(chǎn)品的藝術(shù)外形，可通過(guò)設(shè)計(jì)要求、以往經(jīng)驗(yàn)、客戶(hù)心理、個(gè)人美學(xué)審美作出判斷。直覺(jué)優(yōu)化只能適用于較單純的優(yōu)化要求。

2)試驗(yàn)優(yōu)化方法。試驗(yàn)優(yōu)化法可以很好的應(yīng)用于工程或產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，解決工程或產(chǎn)品本身的機(jī)理不很清楚，寫(xiě)不出參數(shù)間的函數(shù)表達(dá)式；或者之前沒(méi)有對(duì)新工程和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)中各項(xiàng)參數(shù)對(duì)指標(biāo)的主次影響難以區(qū)分等問(wèn)題。試驗(yàn)優(yōu)化需要試驗(yàn)?zāi)Ｐ?或者樣機(jī)或者?；b置)，在初始試驗(yàn)時(shí)建立的模型不一定很完善，可以在多次試驗(yàn)中不斷加以改正和完善，根據(jù)最終試驗(yàn)結(jié)果選出最優(yōu)方案?；蛘咭部梢愿鶕?jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)造出一種函數(shù)，再求出這個(gè)函數(shù)的極值，以達(dá)到優(yōu)化的目的。一般可用正交試驗(yàn)、導(dǎo)數(shù)求極值的方法或0.618法等求之。應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)過(guò)程是現(xiàn)在比較常用的一種試驗(yàn)優(yōu)化方法。

3)進(jìn)化優(yōu)化方法。以生物學(xué)角度來(lái)講，進(jìn)化是由漸變與突變兩種方式形成。工程與產(chǎn)品的進(jìn)化也與生物進(jìn)化相近，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，客戶(hù)要求不斷提高，工程與產(chǎn)品也需要不斷更新?lián)Q代。價(jià)值工程是從有效使用過(guò)程中的功能價(jià)值出發(fā)，通過(guò)價(jià)值分析方法，使工程與產(chǎn)品逐步達(dá)到優(yōu)化；適應(yīng)性設(shè)計(jì)、變異性設(shè)計(jì)也是一種進(jìn)化優(yōu)化；而突變的創(chuàng)造性方法則是突變性的優(yōu)化，所謂開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)即屬此類(lèi)。

4)數(shù)學(xué)規(guī)劃優(yōu)化方法。數(shù)學(xué)規(guī)劃優(yōu)化法包括：線(xiàn)性規(guī)劃、非線(xiàn)性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、幾何規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、多目標(biāo)規(guī)劃等。這些尋優(yōu)方法主要特點(diǎn)在于嚴(yán)密、精確，計(jì)算機(jī)自動(dòng)尋優(yōu)就是這種方法的基本特征，它主要是用來(lái)解決復(fù)雜問(wèn)題，在多種可行參數(shù)的方案中挑選出最優(yōu)方案。應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法來(lái)解決一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，一般要經(jīng)過(guò)3個(gè)階段：①要將設(shè)計(jì)方案以數(shù)學(xué)模型的形式表現(xiàn)出來(lái)，所轉(zhuǎn)換出的數(shù)學(xué)模型要同時(shí)表達(dá)出工程技術(shù)問(wèn)題中各個(gè)要素間的內(nèi)在聯(lián)系和其物理現(xiàn)象的本質(zhì)特征，又要能抓住問(wèn)題的主要矛盾以便求解。一個(gè)完整的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型必須包括3個(gè)方面：優(yōu)化參數(shù)(獨(dú)立變量)、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)(工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則)、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)(工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則)和優(yōu)化約束條件(邊界約束和性能約束)；②根據(jù)數(shù)學(xué)模型中函數(shù)的性質(zhì)，選用合適的優(yōu)化方法，并作出相應(yīng)的解法程序設(shè)計(jì)；③用計(jì)算機(jī)自動(dòng)得出最優(yōu)值，根據(jù)所得最優(yōu)值聯(lián)系實(shí)際情況做分析研究和正確評(píng)價(jià)，得出最終最佳的設(shè)計(jì)方案。

5)專(zhuān)家系統(tǒng)(知識(shí)工程)優(yōu)化方法。收集相關(guān)專(zhuān)家的知識(shí)論據(jù)和形成規(guī)則編制相應(yīng)數(shù)據(jù)輸出儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求為計(jì)算機(jī)設(shè)置原始參數(shù)，這樣使計(jì)算機(jī)模擬相關(guān)專(zhuān)家推理、判斷與決策的相近過(guò)程，得出最優(yōu)方案，以應(yīng)用到實(shí)際中解決問(wèn)題。由于收集到大批專(zhuān)家的材料組成的龐大數(shù)據(jù)庫(kù)，所得出的結(jié)果必定超過(guò)單獨(dú)一個(gè)專(zhuān)家的智能水平，達(dá)到最好的優(yōu)化效果。

6)其它參數(shù)優(yōu)化方法。這主要是指數(shù)學(xué)規(guī)劃優(yōu)化方法以外的幾種求解數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化方法，包括：①參數(shù)無(wú)約束尋優(yōu)方法；②參數(shù)約束尋優(yōu)方法；③離散參數(shù)尋優(yōu)方法。這些方法都有其單獨(dú)的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法。

7)模糊優(yōu)化方法?，F(xiàn)實(shí)生活、社會(huì)科學(xué)和工程領(lǐng)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(diǎn)，因此，模糊集合和模糊優(yōu)化的概念不可忽視。隨著人工智能和整個(gè)科技的發(fā)展，模糊優(yōu)化越來(lái)越顯得重要。模糊優(yōu)化是建立在模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，優(yōu)化過(guò)程中加入多種模糊因素的一種新的優(yōu)化方法。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程可以給出各種有效的安全優(yōu)化方案，讓客戶(hù)可以根據(jù)特殊需要作出選擇；同時(shí)它在設(shè)計(jì)過(guò)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(shè)計(jì)成果看起來(lái)更加符合實(shí)際情況。因此，最終設(shè)計(jì)結(jié)果更加科學(xué)、合理、有效、切合實(shí)際情況。

8)其它優(yōu)化方法。多維圖形法、圖論網(wǎng)絡(luò)法、準(zhǔn)則法、以及大量的創(chuàng)造學(xué)方法。都可以應(yīng)用到優(yōu)化設(shè)計(jì)中。

在考慮設(shè)計(jì)方法的時(shí)候需要了解各種優(yōu)化方法的利弊，熟知它們可應(yīng)用的情況，選擇最優(yōu)的優(yōu)化方案使得優(yōu)化設(shè)計(jì)能得出最好的設(shè)計(jì)結(jié)果。比如，系統(tǒng)論方法適用于大系統(tǒng)工程與開(kāi)發(fā)性的方案設(shè)計(jì)；動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法適用于對(duì)動(dòng)態(tài)特性要求較高的部位；相似設(shè)計(jì)法適用于已有同類(lèi)的優(yōu)良產(chǎn)品可作參照的場(chǎng)合；模擬設(shè)計(jì)法用于某些過(guò)程與參數(shù)尚不很清楚的情況；可靠性設(shè)計(jì)適用于使用壽命期間具有較高功能穩(wěn)定性的部位；價(jià)值工程則適用于設(shè)計(jì)后的校核和綜合評(píng)價(jià)；數(shù)學(xué)規(guī)劃方法適用于參數(shù)優(yōu)化價(jià)值較高的關(guān)鍵零部件；人機(jī)工程主要適用于操縱系統(tǒng)、造型與環(huán)境設(shè)計(jì)；模糊論方法主要適用于控制系統(tǒng)與綜合評(píng)價(jià)等等。當(dāng)然所列舉的優(yōu)化方法隨著科技和社會(huì)的發(fā)展適用范圍并不是不變的，應(yīng)隨著時(shí)代的進(jìn)步不斷的提升、深化，某些方法的應(yīng)用范圍正在擴(kuò)大，同時(shí)還在產(chǎn)生大量的新方法。總之，優(yōu)化方法也是在遵循不斷優(yōu)化的道路上前進(jìn)，新方法的不斷涌現(xiàn)，正是優(yōu)化方法廣義的正直含義所在。

在水利水電工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，主要尋求在選址方面優(yōu)化、工程施工條件優(yōu)化，工程造價(jià)優(yōu)化及工程經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、社會(huì)效益等方面的優(yōu)化。

[1]林延江，陸昌甫，朱光熙 ，等.水利土木工程系統(tǒng)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(jí)工程師。

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