佟 偉

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

優(yōu)化論設(shè)計方法綜述

佟 偉

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

設(shè)計是各類基本建設(shè)程序中的前提。設(shè)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(shè)計，特別是技術(shù)設(shè)計時，則要求考慮的要更為精細，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)計的基本概念，設(shè)計通常可采用的20余種方法，重點剖析了優(yōu)化設(shè)計的思想原則，廣義優(yōu)化設(shè)計方法的主要途徑。

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

0 前 言

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

其設(shè)計方法視不范疇，不同目標、不同經(jīng)濟與技術(shù)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(shè)計方法：①現(xiàn)代設(shè)計法；②信號分析設(shè)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(shè)計方法；⑧功能價值分析設(shè)計方法；⑨可靠性設(shè)計方法；⑩強度可靠性設(shè)計方法；可靠度約束下的強度優(yōu)化設(shè)計方法；系統(tǒng)可靠性設(shè)計方法；系統(tǒng)分析設(shè)計方法；系統(tǒng)可行性研究設(shè)計方法；系統(tǒng)的宜人設(shè)計方法；專家系統(tǒng)設(shè)計方法；優(yōu)化論設(shè)計方法；對應(yīng)論設(shè)計方法；產(chǎn)品系列化設(shè)計方法；成組設(shè)計方法；控制論設(shè)計方法；離散論設(shè)計方法；藝術(shù)論設(shè)計方法；方案設(shè)計的模糊決策優(yōu)化設(shè)計方法；模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計方法。本文僅概要闡述優(yōu)化論設(shè)計方法[1]。

1 優(yōu)化論設(shè)計方法的基本概念

最優(yōu)化是追求最好的結(jié)果或最優(yōu)目標。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(yōu)化的內(nèi)容，最優(yōu)化亦指實現(xiàn)上述目的的過程，即求優(yōu)的過程 。

最優(yōu)化又是相對的。這是因為“最優(yōu)”都是相對一定判據(jù)而言的；數(shù)學優(yōu)化方法在某種程度上的近似性。造成數(shù)學意義上的最優(yōu)解亦并非與實際上的最優(yōu)相對應(yīng)。因此，在設(shè)計領(lǐng)域里永遠不會達到“最優(yōu)極值設(shè)計”的地步，最優(yōu)化只能作為一種理想予以追求。可知，最優(yōu)化實際上是對最優(yōu)目標的追求。關(guān)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(yōu)化設(shè)計是應(yīng)用最優(yōu)化理論與方法在計算機上選出現(xiàn)有工程條件下最好設(shè)計方案的一種現(xiàn)代設(shè)計方法。由于優(yōu)化的領(lǐng)域(設(shè)計、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)化的過程(事物發(fā)展的全過程)、優(yōu)化的目標(多目標的系統(tǒng)整體優(yōu)化)、優(yōu)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(yōu)化設(shè)計稱為廣義優(yōu)化設(shè)計。為區(qū)別起見，將已有的優(yōu)化設(shè)計稱為傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計是參數(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)極值問題的數(shù)學優(yōu)化。但在一切設(shè)計領(lǐng)域里，均按照函數(shù)極值理論的觀點去追求其最優(yōu)點，這是難于達到的。所以廣義優(yōu)化設(shè)計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)計不僅合理地吸收了傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計賴以實施的最優(yōu)化理論與方法的內(nèi)容，它還基于更廣泛的數(shù)學理論——現(xiàn)代數(shù)學(含不確定性數(shù)學分支)和應(yīng)用其相應(yīng)的方法。

優(yōu)化論設(shè)計方法就是泛指廣義優(yōu)化設(shè)計來說的一類設(shè)計方法命題。廣義角度來說，所有科學發(fā)展論在一定層面上均可起到優(yōu)化的作用和效果，運用現(xiàn)代設(shè)計法比傳統(tǒng)設(shè)計方法優(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、對應(yīng)論方法、控制論方法、功能論方法、模糊論方法作設(shè)計，都會在相應(yīng)的方面達到優(yōu)化的目的；采用信息論方法作設(shè)計則在提取有用信息數(shù)據(jù)上比經(jīng)驗數(shù)據(jù)要優(yōu)化?？偠灾?，對現(xiàn)代設(shè)計實行廣義優(yōu)化是優(yōu)化論設(shè)計方法的目的和目標。

2 進行優(yōu)化設(shè)計的思路原則

2.1 必須具有正確的設(shè)計世界觀

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

2.2 培養(yǎng)并樹立空間型發(fā)展性思維

空間型指多維的、廣角的交叉。由于現(xiàn)代科技、社會問題和設(shè)計問題的復(fù)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(fā)展性思維，就不可能獲得全面的、科學的設(shè)計成果。例如，人-機的交叉可靠性、適用性與經(jīng)濟性的交叉；水、氣、液、機、電的交叉；設(shè)計、維修、制造、管理、使用的交叉；設(shè)計思想、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)計的基本規(guī)律

設(shè)計者的思想必須要遵循其自然的客觀規(guī)律，只有遵循運用這些規(guī)律，才可能有正確的設(shè)計思想。設(shè)計哲學的根本問題就是設(shè)計與現(xiàn)實相互關(guān)聯(lián)的問題。有創(chuàng)造性的思想，無法以科學的技術(shù)手段實現(xiàn)，也只能是設(shè)想，無法應(yīng)用到實際轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力；反之，再先進的科技手段，沒有創(chuàng)造式的設(shè)計也是沒用的。

1)最變設(shè)計與突變創(chuàng)造的質(zhì)量互變規(guī)律是現(xiàn)代設(shè)計的一條基本規(guī)律。只有充分了解這條規(guī)律，人們才會認識到長期積累的設(shè)計經(jīng)驗與傳統(tǒng)的精華部分?！皩＜蚁到y(tǒng)”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(chuàng)造，則又走向了另一個危險的極端。因為“創(chuàng)”最為基本、主要的，它會使人類現(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(guān)系，人類能和電腦智能才能在性質(zhì)對立中統(tǒng)一的、有機的發(fā)揮各自特長。設(shè)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(xiàn)，它將用于設(shè)計任何事物。所以兩者智能的對立統(tǒng)一規(guī)律是現(xiàn)代設(shè)計的基本規(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)計來。

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

可以這樣認為，凡是有效的各類優(yōu)化方法均屬廣義優(yōu)化方法。

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

2)試驗優(yōu)化方法。試驗優(yōu)化法可以很好的應(yīng)用于工程或產(chǎn)品設(shè)計中，解決工程或產(chǎn)品本身的機理不很清楚，寫不出參數(shù)間的函數(shù)表達式；或者之前沒有對新工程和產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計中各項參數(shù)對指標的主次影響難以區(qū)分等問題。試驗優(yōu)化需要試驗?zāi)Ｐ?或者樣機或者?；b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(jù)最終試驗結(jié)果選出最優(yōu)方案。或者也可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)構(gòu)造出一種函數(shù)，再求出這個函數(shù)的極值，以達到優(yōu)化的目的。一般可用正交試驗、導數(shù)求極值的方法或0.618法等求之。應(yīng)用計算機模擬試驗過程是現(xiàn)在比較常用的一種試驗優(yōu)化方法。

3)進化優(yōu)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(chǎn)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(chǎn)品也需要不斷更新?lián)Q代。價值工程是從有效使用過程中的功能價值出發(fā)，通過價值分析方法，使工程與產(chǎn)品逐步達到優(yōu)化；適應(yīng)性設(shè)計、變異性設(shè)計也是一種進化優(yōu)化；而突變的創(chuàng)造性方法則是突變性的優(yōu)化，所謂開發(fā)性設(shè)計即屬此類。

4)數(shù)學規(guī)劃優(yōu)化方法。數(shù)學規(guī)劃優(yōu)化法包括：線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、幾何規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、多目標規(guī)劃等。這些尋優(yōu)方法主要特點在于嚴密、精確，計算機自動尋優(yōu)就是這種方法的基本特征，它主要是用來解決復(fù)雜問題，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)學規(guī)劃方法來解決一個優(yōu)化設(shè)計問題，一般要經(jīng)過3個階段：①要將設(shè)計方案以數(shù)學模型的形式表現(xiàn)出來，所轉(zhuǎn)換出的數(shù)學模型要同時表達出工程技術(shù)問題中各個要素間的內(nèi)在聯(lián)系和其物理現(xiàn)象的本質(zhì)特征，又要能抓住問題的主要矛盾以便求解。一個完整的優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型必須包括3個方面：優(yōu)化參數(shù)(獨立變量)、優(yōu)化目標函數(shù)(工程設(shè)計評價準則)、優(yōu)化目標函數(shù)(工程設(shè)計評價準則)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；③用計算機自動得出最優(yōu)值，根據(jù)所得最優(yōu)值聯(lián)系實際情況做分析研究和正確評價，得出最終最佳的設(shè)計方案。

5)專家系統(tǒng)(知識工程)優(yōu)化方法。收集相關(guān)專家的知識論據(jù)和形成規(guī)則編制相應(yīng)數(shù)據(jù)輸出儲存在計算機中，根據(jù)設(shè)計要求為計算機設(shè)置原始參數(shù)，這樣使計算機模擬相關(guān)專家推理、判斷與決策的相近過程，得出最優(yōu)方案，以應(yīng)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(shù)據(jù)庫，所得出的結(jié)果必定超過單獨一個專家的智能水平，達到最好的優(yōu)化效果。

6)其它參數(shù)優(yōu)化方法。這主要是指數(shù)學規(guī)劃優(yōu)化方法以外的幾種求解數(shù)學模型的優(yōu)化方法，包括：①參數(shù)無約束尋優(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的數(shù)學模型和計算方法。

7)模糊優(yōu)化方法?，F(xiàn)實生活、社會科學和工程領(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，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科技的發(fā)展，模糊優(yōu)化越來越顯得重要。模糊優(yōu)化是建立在模糊數(shù)學基礎(chǔ)上，優(yōu)化過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)計過程可以給出各種有效的安全優(yōu)化方案，讓客戶可以根據(jù)特殊需要作出選擇；同時它在設(shè)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(shè)計成果看起來更加符合實際情況。因此，最終設(shè)計結(jié)果更加科學、合理、有效、切合實際情況。

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

在考慮設(shè)計方法的時候需要了解各種優(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)計能得出最好的設(shè)計結(jié)果。比如，系統(tǒng)論方法適用于大系統(tǒng)工程與開發(fā)性的方案設(shè)計；動態(tài)設(shè)計方法適用于對動態(tài)特性要求較高的部位；相似設(shè)計法適用于已有同類的優(yōu)良產(chǎn)品可作參照的場合；模擬設(shè)計法用于某些過程與參數(shù)尚不很清楚的情況；可靠性設(shè)計適用于使用壽命期間具有較高功能穩(wěn)定性的部位；價值工程則適用于設(shè)計后的校核和綜合評價；數(shù)學規(guī)劃方法適用于參數(shù)優(yōu)化價值較高的關(guān)鍵零部件；人機工程主要適用于操縱系統(tǒng)、造型與環(huán)境設(shè)計；模糊論方法主要適用于控制系統(tǒng)與綜合評價等等。當然所列舉的優(yōu)化方法隨著科技和社會的發(fā)展適用范圍并不是不變的，應(yīng)隨著時代的進步不斷的提升、深化，某些方法的應(yīng)用范圍正在擴大，同時還在產(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，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，工程造價優(yōu)化及工程經(jīng)濟效益、環(huán)境效益、社會效益等方面的優(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，高級工程師。

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