優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本知識(shí)

1996年8月5日光明日?qǐng)?bào)發(fā)表了“二十一世紀(jì)初各學(xué)科將重排座次”的專(zhuān)題文章，專(zhuān)家們指出：二十一世紀(jì)科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，將是各門(mén)科學(xué)不斷交叉，加速綜合；社會(huì)科學(xué)與自然科學(xué)進(jìn)一步結(jié)合并定量化；科學(xué)理論將高度數(shù)學(xué)化，這在很大程度上決定了受教育者未來(lái)向高水平和高層次發(fā)展的可能性。21世紀(jì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：a）現(xiàn)代設(shè)計(jì)把設(shè)計(jì)對(duì)象看作一個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)考慮系統(tǒng)與外界的聯(lián)系，用系統(tǒng)工程的概念進(jìn)行分析和綜合，力求系統(tǒng)整體最優(yōu)。b）現(xiàn)代設(shè)計(jì)法具有創(chuàng)造性。強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造能力開(kāi)發(fā)和充分發(fā)揮人員的創(chuàng)造性，重視原理方案的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新產(chǎn)品。c）現(xiàn)代設(shè)計(jì)具有綜合性。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，綜合運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工程、可靠性理論、價(jià)值工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科知識(shí)，探索多種解決設(shè)計(jì)問(wèn)題的科學(xué)途徑。系統(tǒng)設(shè)計(jì)法簡(jiǎn)介一、 系統(tǒng)的實(shí)用性定義所謂系統(tǒng)，可以定義為：處于一定相互聯(lián)系中的、與環(huán)境發(fā)生關(guān)系的各組成部分的總體。是由若干個(gè)相互區(qū)別、相互聯(lián)系、相互作用的要素所組成，它處于一定的環(huán)境之中，是為實(shí)現(xiàn)整體目的而存在的有機(jī)結(jié)合體。系統(tǒng)具有如下八大特征：（1）集合性；（2）相關(guān)性；（3）目的性；（4）整體性；（5）環(huán)境適應(yīng)性；（6）層次性；（7）綜合性；（8）動(dòng)態(tài)平衡性。從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)出發(fā)，可以認(rèn)為城市和建筑、公路、橋梁、隧道等均是世界上存在的無(wú)數(shù)系統(tǒng)之中的特殊“社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—自然”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。二、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)法的基本方法和步驟系統(tǒng)設(shè)計(jì)法是根據(jù)系統(tǒng)的概念、構(gòu)成和性質(zhì)，把所研究的對(duì)象當(dāng)作系統(tǒng)進(jìn)行充分了解和分析，對(duì)分析的結(jié)果加以綜合后所產(chǎn)生的就是系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然后在對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，這樣反復(fù)進(jìn)行，直到能有效地實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目的為止。所謂分析，就是研究為使對(duì)象的目的和其它要求能夠最好地實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成和行動(dòng)的最優(yōu)方式進(jìn)行探討，動(dòng)用各種分析方法對(duì)對(duì)象的要求和功能進(jìn)行分析，從而明確系統(tǒng)的特性，取得為構(gòu)成系統(tǒng)所需要的信息。在分析中，將每次分析結(jié)果同制定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作比較，也考慮環(huán)境等約束條件，達(dá)不到滿(mǎn)意程度就重復(fù)分析過(guò)程。如果分析結(jié)果經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)后認(rèn)為合適，就轉(zhuǎn)入綜合。所謂綜合，是根據(jù)分析結(jié)果明確的特定解和評(píng)價(jià)結(jié)果，決定事物的構(gòu)成和行動(dòng)方式，作出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這時(shí)，應(yīng)盡可能作出若干個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的供選方案，而后對(duì)各方案按評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)從不同觀點(diǎn)和角度反復(fù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)。這種反復(fù)過(guò)程是一種反饋過(guò)程。系統(tǒng)設(shè)計(jì)法一般程序分成三步：系統(tǒng)分析；2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)；3.系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)。它的整個(gè)過(guò)程是把系統(tǒng)要求說(shuō)明書(shū)作為輸入，把系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為輸出。三．系統(tǒng)分析1.系統(tǒng)分析的概念與意義：系統(tǒng)分析是一個(gè)有目的、有步驟的探索與分析過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)分析人員從系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)和總體最優(yōu)出發(fā)，在選定系統(tǒng)目標(biāo)與準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，分析構(gòu)成系統(tǒng)的各層次子系統(tǒng)的功能及其相互關(guān)系，以及系統(tǒng)同環(huán)境的相互影響；然后在調(diào)查研究、收集資料和系統(tǒng)思維推理的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)的輸入、輸出及轉(zhuǎn)換過(guò)程的種種設(shè)想，探索若干可能互相替代的系統(tǒng)組建方案；再通過(guò)建立模型或用模擬方法，進(jìn)行計(jì)算或分析對(duì)比各個(gè)不同方案，并研究探討它們可能產(chǎn)生的效果；最后，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)、組織管理、方針政策、信息交換等各方面因素，以尋求對(duì)系統(tǒng)整體效益最優(yōu)和有限資源配備最優(yōu)的方案，為決策者提供選取方案的科學(xué)依據(jù)和信息。因此，對(duì)系統(tǒng)分析的概念可以描述為：從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)事物進(jìn)行分析或綜合，找出各種可行方案，以供決策者進(jìn)行理想的選擇?？梢?jiàn)，系統(tǒng)分析的目的是為了設(shè)計(jì)最合理的最優(yōu)系統(tǒng)，按照系統(tǒng)要求說(shuō)明書(shū)運(yùn)用各種分析方法來(lái)分析對(duì)象，通過(guò)研究探討滿(mǎn)足要求的各種條件，為設(shè)計(jì)系統(tǒng)而搜集必要的盡可能足夠的信息。它的最終目的是提供決策者以決策的資料和信息，以作出正確決策。系統(tǒng)分析的特點(diǎn)：（1） 整體性；（2）以尋求解決特定問(wèn)題的最優(yōu)策略為重點(diǎn)；（3）運(yùn)用定量的和其它的科學(xué)方法；（4）憑借價(jià)值判斷。3．系統(tǒng)分析的要素：（1） 明確期望達(dá)到的目標(biāo)，這是系統(tǒng)目的的具體化。經(jīng)分析后確定的目標(biāo)，應(yīng)是必要的、有根據(jù)的、可行的。這是建立系統(tǒng)的根據(jù)，也是系統(tǒng)分析的出發(fā)點(diǎn)。（2） 替代方案。這是達(dá)到系統(tǒng)目標(biāo)的若干種方案，以供比較和選擇。（3） 指標(biāo)。這是對(duì)替代方案進(jìn)行分析的出發(fā)點(diǎn)，是衡量系統(tǒng)總體目標(biāo)的具體標(biāo)志。分析的指標(biāo)包括有關(guān)性能、費(fèi)用與效益、時(shí)間等方面的內(nèi)容：性能是技術(shù)論證的主要方面，費(fèi)用與效益是經(jīng)濟(jì)論證的標(biāo)志；時(shí)間是一種價(jià)值因素，進(jìn)度或周期是其具體表現(xiàn)。為達(dá)到一定的系統(tǒng)目標(biāo)，幾種可能采取的方案將耗用不同數(shù)量的資源（人、財(cái)、物），并將產(chǎn)生不同的效益，而需要的時(shí)間也是不同的。不同指標(biāo)的分析對(duì)比，是決定方案取舍的標(biāo)志。（4） 模型。這是根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)要求，用若干參數(shù)或因素體現(xiàn)出對(duì)系統(tǒng)本質(zhì)方面的描述。它以分析的客觀性、推理的一貫性和可能有限的定量化為基礎(chǔ)，使用模型進(jìn)行分析，是系統(tǒng)分析的基本方法。通過(guò)模型可以預(yù)測(cè)出各替代方案性能、費(fèi)用與效益、時(shí)間等指標(biāo)的情況，以利于方案的分析與比較。模型的優(yōu)化與評(píng)價(jià)，是方案論證的判斷依據(jù)。（5） 準(zhǔn)則。這是評(píng)價(jià)方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)方案指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最后可按不同準(zhǔn)則排出各方案的優(yōu)先順序。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可能包括：費(fèi)用效益比、性能周期比、費(fèi)用周期比等。4.系統(tǒng)方案選優(yōu)決策原則：有了不同標(biāo)準(zhǔn)下的方案優(yōu)先順序之后，決策者還要根據(jù)分析結(jié)果的不同側(cè)面、個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)判斷、以及各種決策原則，進(jìn)行綜合的總體的考慮，最后作出選優(yōu)決策。決策的原則包括：（1）當(dāng)前與長(zhǎng)遠(yuǎn)利益相結(jié)合。（2）局部與整體效益相結(jié)合。（3）內(nèi)部與外部條件相結(jié)合。（4）定量與定性相結(jié)合。5.系統(tǒng)分析的步驟：（1） 總體分析。這一步主要是確定系統(tǒng)的總目標(biāo)及客觀條件的限制。（2）任務(wù)與要求的分析：為實(shí)現(xiàn)總目標(biāo)需要完成哪些任務(wù)以及滿(mǎn)足哪些要求。（3）功能分析：根據(jù)任務(wù)與要求，對(duì)整體系統(tǒng)各子系統(tǒng)的功能和相互關(guān)系進(jìn)行分析。（4）指標(biāo)分配：在功能分析的基礎(chǔ)上確定對(duì)各子系統(tǒng)的要求及指標(biāo)分配。（5）方案研究：為了完成預(yù)定的任務(wù)和各子系統(tǒng)的指標(biāo)要求，需要制定出各種可能實(shí)現(xiàn)的方案。（6） 分析模擬：由于一個(gè)大系統(tǒng)往往是受許多因素的影響，所以當(dāng)某個(gè)因素發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)指標(biāo)也會(huì)隨之發(fā)生變化，這種因果關(guān)系的變化通常要經(jīng)分析模擬來(lái)確定。（7） 系統(tǒng)優(yōu)化：在方案研究和分析模擬的基礎(chǔ)上從可行方案中選出最優(yōu)方案。（8） 系統(tǒng)綜合：選定的最佳方案至此還只是原則上的東西，欲使其付諸實(shí)現(xiàn)，還要進(jìn)行理論上的論證和實(shí)際設(shè)計(jì)。通常情況下，為解決某一系統(tǒng)問(wèn)題，首先要建立系統(tǒng)的總目標(biāo)，并經(jīng)分析和論證，說(shuō)明總目標(biāo)建立的合理性，確定系統(tǒng)建立的社會(huì)價(jià)值，這樣可以防止盲目性，避免造成各種可能的損失與浪費(fèi)。調(diào)查分析是用以初步檢驗(yàn)系統(tǒng)分析的預(yù)期目標(biāo)。首先分析現(xiàn)有系統(tǒng)或考察系統(tǒng)的不足之處和不適應(yīng)環(huán)境的原因；其次，分析擬建系統(tǒng)應(yīng)具有功能和所需的條件，最后圍繞預(yù)期目標(biāo)，分析建立系統(tǒng)的約束條件，如資金、材料、技術(shù)、時(shí)間等。設(shè)想解決問(wèn)題的方案和初步可行性探討后通過(guò)系統(tǒng)的概略模型，并按概略模型反復(fù)進(jìn)行模擬，評(píng)價(jià)功能的完成程度，最后在此基礎(chǔ)上探討目的和目標(biāo)成功的可能性。若達(dá)不到要求，則需修改目的和功能，或者采取措施改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)條件。通過(guò)系統(tǒng)目標(biāo)分析，一是論證目標(biāo)的合理性、可行性和經(jīng)濟(jì)性：二是獲得分析的結(jié)果——目標(biāo)集。四系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概念系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。系統(tǒng)分析為系統(tǒng)設(shè)計(jì)所提供的成果是：新建或改建系統(tǒng)的必要性、可能性和可行性；系統(tǒng)的目標(biāo)與系統(tǒng)的約束；新建或改建系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)和評(píng)價(jià)基礎(chǔ)；幾種有價(jià)值的可供進(jìn)一步加工的系統(tǒng)方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是充分利用和發(fā)揮系統(tǒng)分析的成果，并把這些成果具體化和結(jié)構(gòu)化，設(shè)計(jì)出最大限度滿(mǎn)足系統(tǒng)要求說(shuō)明書(shū)的具體設(shè)計(jì)來(lái)。所謂系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是指在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，用系統(tǒng)思想綜合運(yùn)用各有關(guān)學(xué)科的知識(shí)、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)總體研究和詳細(xì)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，落實(shí)到具體的工程上，以創(chuàng)造滿(mǎn)足系統(tǒng)目標(biāo)要求的人工系統(tǒng)。2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程與程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程是“目標(biāo)—功能—結(jié)構(gòu)—效益”的多次分析與綜合的過(guò)程，以產(chǎn)生最系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)，也是產(chǎn)生解決問(wèn)題的最優(yōu)方案，而在方案的尋優(yōu)過(guò)程中又充滿(mǎn)著綜合與分析的交叉作用。這正體現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)法的基本方法——“分析—綜合”的方法貫穿于系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的全過(guò)程。綜合與分析是合理解決目標(biāo)—功能—結(jié)構(gòu)—效益之間協(xié)調(diào)的技術(shù)，二者在方案尋優(yōu)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。綜合，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中可理解為各種解決問(wèn)題要素拼合的模型化過(guò)程，這是一種高度的創(chuàng)造性行為。這正體現(xiàn)了系統(tǒng)方法在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中應(yīng)用而使現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)呈現(xiàn)為“系統(tǒng)合成”型科學(xué)技術(shù)的特點(diǎn)。分析是綜合的反行為，又是提高綜合水平的必要手段。分析意為分解與剖析，它對(duì)綜合后產(chǎn)生的解決方案（包括已經(jīng)制定的基本目標(biāo)、各種功能、結(jié)構(gòu)完整性以及實(shí)施條件和效果等）提出質(zhì)疑、論證和改革。分析的作用就體現(xiàn)為不斷把結(jié)果與要求作對(duì)比，找出方案的缺陷，以便不斷完善方案。通過(guò)分析，剔除不合適的方案或方案中不合適的部分，為改善、提高和評(píng)價(jià)作準(zhǔn)備。綜合與分析在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中是不可分割的整體。因?yàn)樽顑?yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案是通過(guò)多方案的比較而產(chǎn)生的，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要多方案，能否從多方案中選出最優(yōu)方案，關(guān)鍵是能否從現(xiàn)有技術(shù)條件出發(fā)設(shè)計(jì)出盡可能多的方案，但另一方面，當(dāng)方案足夠多時(shí)，由于方案設(shè)計(jì)及所需試驗(yàn)費(fèi)用大大超過(guò)因選優(yōu)所得到的收益的話(huà)，那么這種做法也是值得考慮的。通常的做法是供選的方案不宜過(guò)多。系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的工作步驟：先對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方針和方法家以研究、制定和評(píng)價(jià)，提出草案；在此基礎(chǔ)上，為設(shè)計(jì)收集和整理數(shù)據(jù)資料，根據(jù)這些資料評(píng)價(jià)子系統(tǒng)和總系統(tǒng)；進(jìn)而設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的供選方案。五系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)1、系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的概念在系統(tǒng)設(shè)計(jì)法的基本方法中，不論是分析或綜合的選優(yōu)過(guò)程，都有一個(gè)對(duì)其結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)的環(huán)節(jié)，就系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的全過(guò)程來(lái)看，評(píng)價(jià)工作亦不僅在整體系統(tǒng)的全部設(shè)計(jì)完成后是需要的，它在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的每一個(gè)階段里也是需要的。往往因?yàn)橄到y(tǒng)達(dá)到的目標(biāo)很多，而且在各方面又有不同的要求，這些要求有時(shí)甚至是互相矛盾的。這就決定了對(duì)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)工作帶有綜合性的特點(diǎn)，即要從總體上對(duì)其各項(xiàng)目標(biāo)值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，稱(chēng)為綜合評(píng)價(jià)。系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)法過(guò)程中的一個(gè)復(fù)雜而又重要的工作環(huán)節(jié)，它是方案選優(yōu)與決策的基礎(chǔ)。2、系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的原則（1） 要保證評(píng)價(jià)的客觀性，必須注意評(píng)價(jià)資料的全面性和可靠性；防止評(píng)價(jià)人員的傾向性。（2） 要保證方案的可比性。個(gè)替代方案在保證實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能上要有可比性和一致性。不能搞“一俊遮百丑”。更不能為突出某個(gè)方案，而搞“陪襯”方案，從而失去了評(píng)價(jià)的真意。（3） 要有評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。評(píng)價(jià)指標(biāo)要包括系統(tǒng)目標(biāo)所涉及的各個(gè)方面，而且對(duì)定性問(wèn)題也要有恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)指標(biāo)，以保證評(píng)價(jià)不出現(xiàn)片面性。（4） 評(píng)價(jià)指標(biāo)必須與國(guó)家的方針、政策、法規(guī)的要求相一致，不允許有違背和疏漏之處。3系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的步驟（1）對(duì)各被評(píng)價(jià)的方案做出簡(jiǎn)要的說(shuō)明，使方案的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)清晰明了，便于評(píng)價(jià)人員掌握。（2） 確定由分項(xiàng)和大類(lèi)指標(biāo)組成的指標(biāo)體系或評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)圖。（3） 確定表明各大類(lèi)及單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性的權(quán)系統(tǒng)，并從整體上予以調(diào)整。（4） 進(jìn)行單項(xiàng)評(píng)價(jià)，查明各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度，得出各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值。（5） 進(jìn)行單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合，得出大類(lèi)指標(biāo)的價(jià)值。（6） 進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，綜合各大類(lèi)指標(biāo)的價(jià)值，得出系統(tǒng)的總價(jià)值。所謂評(píng)價(jià)，一般是指“根據(jù)明確的目的來(lái)測(cè)定對(duì)象的屬性，并將這種屬性變?yōu)橹饔^效用（欲滿(mǎn)足主體期望的程度）的行為。也就是針對(duì)明確價(jià)值的過(guò)程”而言的。因此，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，首先要有明確的評(píng)價(jià)目標(biāo)，根據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)來(lái)評(píng)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。復(fù)雜系統(tǒng)的多目標(biāo)的特點(diǎn)決定了系統(tǒng)往往要達(dá)到多個(gè)有時(shí)是相互矛盾的指標(biāo)，因此選優(yōu)過(guò)程在數(shù)學(xué)上，反映為多因素決策過(guò)程。本課題使用的AHP（層次分析法）及改進(jìn)的TOPSIS方法、灰色聚類(lèi)綜合評(píng)價(jià)方法、關(guān)聯(lián)分析綜合評(píng)價(jià)方法等都是用來(lái)解決綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題的。優(yōu)化設(shè)計(jì)的定義所謂“優(yōu)化設(shè)計(jì)”是指：研究問(wèn)題和尋求解決問(wèn)題的最優(yōu)方案，最優(yōu)”兩字應(yīng)理解為在給定條件下得到盡可能滿(mǎn)意的結(jié)果。千百年來(lái)，在現(xiàn)實(shí)生活中，人們總是試圖把現(xiàn)實(shí)狀況轉(zhuǎn)變?yōu)樗Ｍ⑺非蟮臓顟B(tài)，正如1978年諾貝爾獎(jiǎng)金得主H?西蒙在“關(guān)于人工事物的科學(xué)”一書(shū)中提到了上述的“滿(mǎn)意”是不同專(zhuān)業(yè)人們思考、選擇、表達(dá)面臨的不同方案的基點(diǎn)，此為不同領(lǐng)域工作者的共性問(wèn)題，也即是“廣義設(shè)計(jì)”的概念。因此，追求“優(yōu)化”是創(chuàng)造一切人工事物的共同目標(biāo)。目前的設(shè)計(jì)，多采用類(lèi)比法，參考已有的設(shè)計(jì)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析對(duì)比，從而確定所需的設(shè)計(jì)參數(shù)。也有選擇有限的幾種方案進(jìn)行計(jì)算，最后根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定一組較好的設(shè)計(jì)參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，這樣確定的設(shè)計(jì)方案，不是最佳的設(shè)計(jì)方案。但是，如果采用最優(yōu)化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，則可以獲得最佳的設(shè)計(jì)方案。我們?cè)诠こ讨幸\(yùn)用新的設(shè)計(jì)觀念，強(qiáng)調(diào)整體優(yōu)化原則。設(shè)計(jì)要貫穿”系統(tǒng)化”和優(yōu)化的思想，例如性能最好的機(jī)器其內(nèi)部零件不一定是最好的;性能最好的機(jī)器也不一定是效益最好的機(jī)器;只要是有利于整體優(yōu)化,機(jī)械部件也可以考慮用電子或其他元器件替代?？傊?設(shè)計(jì)人員要將設(shè)計(jì)方案放在大系統(tǒng)中去考慮,尋求最優(yōu),要從經(jīng)濟(jì),技術(shù),社會(huì)效益等各方面去分析,計(jì)算,權(quán)衡利弊,盡量使設(shè)計(jì)效果達(dá)到最佳設(shè)計(jì)。尋求最優(yōu)方案的方法是最優(yōu)化方法，最優(yōu)化的理論和方法是隨著計(jì)算機(jī)的迅速普及而發(fā)展起來(lái)的，正因?yàn)樽顑?yōu)化的宗旨是追求最優(yōu)目標(biāo)，這就決定了它的應(yīng)用價(jià)值，最優(yōu)化問(wèn)題的解決意味著在相同條件下獲得最優(yōu)的方案、最好的效果和最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。最優(yōu)化的應(yīng)用和推廣，必將使設(shè)計(jì)提高到一個(gè)新水平。最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，是根據(jù)設(shè)計(jì)要求建立數(shù)學(xué)模型，選用有效的最優(yōu)化計(jì)算方法，設(shè)計(jì)編寫(xiě)優(yōu)化軟件，在計(jì)算機(jī)上完成設(shè)計(jì)計(jì)算，最后獲得最佳的設(shè)計(jì)方案。（注：研究生班的同學(xué)不必自己設(shè)計(jì)編寫(xiě)軟件，劉士鐸教授將免費(fèi)為你們提供相關(guān)的優(yōu)化計(jì)算軟件）優(yōu)化設(shè)計(jì)分為方案優(yōu)化設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)兩大層次，前者主要是通過(guò)概念設(shè)計(jì)來(lái)完成。概念設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段，其目標(biāo)是獲得產(chǎn)品的基本形式或形狀，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。在概念設(shè)計(jì)階段，必須突出創(chuàng)新的原則，通過(guò)直覺(jué)、推理、組合等途徑，探求創(chuàng)新設(shè)計(jì)的原理方案和結(jié)構(gòu)，做到有所發(fā)明，有所創(chuàng)造，有所前進(jìn)。優(yōu)化技術(shù)可以把產(chǎn)品所需性能全部考慮進(jìn)來(lái)，在給定的設(shè)計(jì)空間下找到最佳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路；在虛擬試驗(yàn)階段（或通過(guò)“系統(tǒng)設(shè)計(jì)法”進(jìn)行科學(xué)、嚴(yán)密的論證）發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，優(yōu)化技術(shù)可以直接給出產(chǎn)品改進(jìn)的方案，而不僅僅是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行校核，從而真正幫助設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)出創(chuàng)新和可靠的產(chǎn)品。以1989年中國(guó)現(xiàn)代設(shè)計(jì)法研究會(huì)承擔(dān)的的一個(gè)重型起重機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，在方案優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段通過(guò)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)初步設(shè)計(jì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，在滿(mǎn)足所有工況條件和最大許用應(yīng)力水平的情況下，通過(guò)形狀和尺寸優(yōu)化方法來(lái)優(yōu)化加強(qiáng)筋的尺寸和形狀，以達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)、降低質(zhì)量的目的。優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終結(jié)果減重達(dá)到了20%，設(shè)計(jì)周期從原來(lái)的三個(gè)月縮短到現(xiàn)在的三個(gè)星期。由于在設(shè)計(jì)一開(kāi)始就實(shí)現(xiàn)了方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免了在設(shè)計(jì)后期階段過(guò)多的反復(fù)，從而大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。此外更重要的是，優(yōu)化設(shè)計(jì)本身可以幫助尋找到更輕、同時(shí)性能更好的設(shè)計(jì)方案，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)減重和自主創(chuàng)新領(lǐng)域都有非常重要的意義。參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)首先要解決的關(guān)鍵問(wèn)題就是將工程實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型,建立數(shù)學(xué)模型的三個(gè)基本要素是:目標(biāo)函數(shù),設(shè)計(jì)變量和約束條件。參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理是通過(guò)構(gòu)建優(yōu)化模型，運(yùn)用各種優(yōu)化方法，通過(guò)在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的條件下迭代計(jì)算，求得目標(biāo)函數(shù)的極值，得到最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。1．目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)，它是用來(lái)衡量設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的目標(biāo)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)可以是優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式、確定優(yōu)化的截面尺寸、成本最低、生產(chǎn)率最高等。其目的就是要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使這個(gè)目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最佳值，目標(biāo)函數(shù)分單目標(biāo)函數(shù)和多目標(biāo)函數(shù)。單目標(biāo)函數(shù)的求解比較簡(jiǎn)明準(zhǔn)確，而多目標(biāo)函數(shù)的求解比較繁瑣。由于實(shí)際問(wèn)題的要求不同，如有的設(shè)計(jì)（以暖通中的設(shè)計(jì)為例）要在滿(mǎn)足一定熱負(fù)荷下阻力最?。挥械囊髠鳠崦孀钚〉鹊?，因而就有不同的目標(biāo)函數(shù)。2．設(shè)計(jì)變量任何一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案都要用一些相關(guān)的物理和幾何量來(lái)表示。由于設(shè)計(jì)問(wèn)題的類(lèi)別或要求不同，這些量可能不同，但不論哪種優(yōu)化設(shè)計(jì)，都可將這些量分成給定的和未給定的兩種。未給定的那些量就需要在設(shè)計(jì)中優(yōu)選，通過(guò)對(duì)它們的優(yōu)選，最終使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)值，我們把這些未定變量稱(chēng)為設(shè)計(jì)變量。如以熱質(zhì)交換設(shè)備的傳熱系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，流體的流速、溫度等就是設(shè)計(jì)變量。這樣，對(duì)于有n個(gè)設(shè)計(jì)變量X,X, X的最優(yōu)化問(wèn)題，目標(biāo)函數(shù)F（x）可寫(xiě)作l2 nF（x）=F（x，x,…，x）1 2 n3．約束條件在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常對(duì)設(shè)計(jì)變量的選取加以某些限制或一些附加設(shè)計(jì)條件，這些設(shè)計(jì)條件稱(chēng)為約束條件。如求解熱質(zhì)交換設(shè)備傳熱性能最好的問(wèn)題，常常有阻力損失不能超過(guò)某個(gè)數(shù)值的約束條件。約束條件可分為等式約束條件和不等式約束條件。在某些特殊情況下，還會(huì)有無(wú)約束的最優(yōu)化問(wèn)題。約束條件也