优化论设计方法综述

佟 伟

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

优化论设计方法综述

佟 伟

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

设计是各类基本建设程序中的前提。设计在不同阶段有不同的深度，广度和精度要求，当进入初步设计，特别是技术设计时，则要求考虑的要更为精细，最终推荐方案必须是经多方案优选中择选的。文章阐述了设计的基本概念，设计通常可采用的20余种方法，重点剖析了优化设计的思想原则，广义优化设计方法的主要途径。

设计；概念；优化设计；思想原则；广义优化；方法途径

0 前 言

所谓设计，从广义来讲，是指通过分析、创造与综合达到满足某种特定功能系统的一种活动过程。所以，设计是一种有目的意识活动，其目的是创造人为事物，其活动必须适之于环境、改善于环境。

其设计方法视不范畴，不同目标、不同经济与技术条件采取的方法均有不同。粗略归类，充至少有以下20余种设计方法：①现代设计法；②信号分析设计方法；③幅值域分析方法；④时差域分析方法；⑤频率域分析方法；⑥模式识别方法；⑦功能分析设计方法；⑧功能价值分析设计方法；⑨可靠性设计方法；⑩强度可靠性设计方法；可靠度约束下的强度优化设计方法；系统可靠性设计方法；系统分析设计方法；系统可行性研究设计方法；系统的宜人设计方法；专家系统设计方法；优化论设计方法；对应论设计方法；产品系列化设计方法；成组设计方法；控制论设计方法；离散论设计方法；艺术论设计方法；方案设计的模糊决策优化设计方法；模糊可靠性优化设计方法。本文仅概要阐述优化论设计方法[1]。

1 优化论设计方法的基本概念

最优化是追求最好的结果或最优目标。确定最佳目标、选择最佳方案、采用最佳方法、达到最佳效果。都是最优化的内容，最优化亦指实现上述目的的过程，即求优的过程 。

最优化又是相对的。这是因为“最优”都是相对一定判据而言的；数学优化方法在某种程度上的近似性。造成数学意义上的最优解亦并非与实际上的最优相对应。因此，在设计领域里永远不会达到“最优极值设计”的地步，最优化只能作为一种理想予以追求。可知，最优化实际上是对最优目标的追求。关键在“化”上——使目标、方案、方法、效果逐步达到尽善尽美的过程，使问题的解决在一定程度上达到无可争议的完善化，以求得最满意的效果。

已有的优化设计是应用最优化理论与方法在计算机上选出现有工程条件下最好设计方案的一种现代设计方法。由于优化的领域(设计、控制、管理等)、优化的层次(方案优化和参数优化)、优化的过程(事物发展的全过程)、优化的目标(多目标的系统整体优化)、优化的方法(一切科学方法论)都是广义的，基于这些特征和范畴的优化设计称为广义优化设计。为区别起见，将已有的优化设计称为传统优化设计。

传统优化设计是参数优化，得出的是定量的数值最优解，它属于求解函数极值问题的数学优化。但在一切设计领域里，均按照函数极值理论的观点去追求其最优点，这是难于达到的。所以广义优化设计采用定性与定量相结合的优化方法(含传统的最优化理论与方法)，其最优解不仅是定量的数值解，还可以是定性的非数值解，或是包含定性的非数值解与定量的数值解的综合。最优解它属于包含方案优化与参数优化的综合优化。广义优化设计不仅合理地吸收了传统优化设计赖以实施的最优化理论与方法的内容，它还基于更广泛的数学理论——现代数学(含不确定性数学分支)和应用其相应的方法。

优化论设计方法就是泛指广义优化设计来说的一类设计方法命题。广义角度来说，所有科学发展论在一定层面上均可起到优化的作用和效果，运用现代设计法比传统设计方法优化，创造性方法比一般推理要优化；借助智能论方法、系统论方法、对应论方法、控制论方法、功能论方法、模糊论方法作设计，都会在相应的方面达到优化的目的；采用信息论方法作设计则在提取有用信息数据上比经验数据要优化。总而言之，对现代设计实行广义优化是优化论设计方法的目的和目标。

2 进行优化设计的思路原则

2.1 必须具有正确的设计世界观

设计人员的人生观体现在他们的设计世界观中，设计者在同时具备了“创造精神”和“服务精神”这两大人生基本观点的前提下，他们才可能有独立创造性、坚持不懈的去为人类的精神文明和物质文明的空白作补充，将为人民服务作为设计工作宗旨这种高尚思想的设计者，才有可能独立进行创造性的设计，所以，只有在正确人生观和世界观的引导下，广义优化设计思想才有可能真正的建立起来。

2.2 培养并树立空间型发展性思维

空间型指多维的、广角的交叉。由于现代科技、社会问题和设计问题的复杂性，都具有多个、甚至成百上千个变量和约束条件，如果没有空间型发展性思维，就不可能获得全面的、科学的设计成果。例如，人-机的交叉可靠性、适用性与经济性的交叉；水、气、液、机、电的交叉；设计、维修、制造、管理、使用的交叉；设计思想、规律、程式、方法、工具的交叉等等。因此，现代广义优化设计中必须牢固地建立空间型发展性思维方法。

2.3 掌握现代设计的基本规律

设计者的思想必须要遵循其自然的客观规律，只有遵循运用这些规律，才可能有正确的设计思想。设计哲学的根本问题就是设计与现实相互关联的问题。有创造性的思想，无法以科学的技术手段实现，也只能是设想，无法应用到实际转化为生产力；反之，再先进的科技手段，没有创造式的设计也是没用的。

1)最变设计与突变创造的质量互变规律是现代设计的一条基本规律。只有充分了解这条规律，人们才会认识到长期积累的设计经验与传统的精华部分。“专家系统”之所以成为“人工智能”就是这个道理。但是如果迷信专家不去创造，则又走向了另一个危险的极端。因为“创”最为基本、主要的，它会使人类现有的生活情况发生质变，所以绝不能停滞不前，保持既成道路。

2)设计过程是综合人类能与电脑智能为一体的过程。只有综合准确的利用两者关系，人类能和电脑智能才能在性质对立中统一的、有机的发挥各自特长。设计者在利用电脑的快速性、准确性与大容量性的同时，将人脑的模糊识别能力植入电脑中去，这样，某种意义上超人的人工脑才会实现，它将用于设计任何事物。所以两者智能的对立统一规律是现代设计的基本规律之一。只有利用好硬性和软件，才能创新硬性和软件，搞更好的设计来。

3 广义优化设计法是优化论设计方法的主要途径

可以这样认为，凡是有效的各类优化方法均属广义优化方法。

1)直觉优化方法。直觉优化最重要的，虽然方法简单，但最不应被忽视。直觉优化取决于设计者设计知识的广泛性、设计经验判断的推理性以及丰富的设计经验。这种方法不需要计算，比如，设计者对工程或产品的艺术外形，可通过设计要求、以往经验、客户心理、个人美学审美作出判断。直觉优化只能适用于较单纯的优化要求。

2)试验优化方法。试验优化法可以很好的应用于工程或产品设计中，解决工程或产品本身的机理不很清楚，写不出参数间的函数表达式；或者之前没有对新工程和产品的设计经验，设计中各项参数对指标的主次影响难以区分等问题。试验优化需要试验模型(或者样机或者模化装置)，在初始试验时建立的模型不一定很完善，可以在多次试验中不断加以改正和完善，根据最终试验结果选出最优方案。或者也可以根据实验数据构造出一种函数，再求出这个函数的极值，以达到优化的目的。一般可用正交试验、导数求极值的方法或0.618法等求之。应用计算机模拟试验过程是现在比较常用的一种试验优化方法。

3)进化优化方法。以生物学角度来讲，进化是由渐变与突变两种方式形成。工程与产品的进化也与生物进化相近，随着市场竞争不断加剧，客户要求不断提高，工程与产品也需要不断更新换代。价值工程是从有效使用过程中的功能价值出发，通过价值分析方法，使工程与产品逐步达到优化；适应性设计、变异性设计也是一种进化优化；而突变的创造性方法则是突变性的优化，所谓开发性设计即属此类。

4)数学规划优化方法。数学规划优化法包括：线性规划、非线性规划、动态规划、几何规划、整数规划、多目标规划等。这些寻优方法主要特点在于严密、精确，计算机自动寻优就是这种方法的基本特征，它主要是用来解决复杂问题，在多种可行参数的方案中挑选出最优方案。应用数学规划方法来解决一个优化设计问题，一般要经过3个阶段：①要将设计方案以数学模型的形式表现出来，所转换出的数学模型要同时表达出工程技术问题中各个要素间的内在联系和其物理现象的本质特征，又要能抓住问题的主要矛盾以便求解。一个完整的优化设计数学模型必须包括3个方面：优化参数(独立变量)、优化目标函数(工程设计评价准则)、优化目标函数(工程设计评价准则)和优化约束条件(边界约束和性能约束)；②根据数学模型中函数的性质，选用合适的优化方法，并作出相应的解法程序设计；③用计算机自动得出最优值，根据所得最优值联系实际情况做分析研究和正确评价，得出最终最佳的设计方案。

5)专家系统(知识工程)优化方法。收集相关专家的知识论据和形成规则编制相应数据输出储存在计算机中，根据设计要求为计算机设置原始参数，这样使计算机模拟相关专家推理、判断与决策的相近过程，得出最优方案，以应用到实际中解决问题。由于收集到大批专家的材料组成的庞大数据库，所得出的结果必定超过单独一个专家的智能水平，达到最好的优化效果。

6)其它参数优化方法。这主要是指数学规划优化方法以外的几种求解数学模型的优化方法，包括：①参数无约束寻优方法；②参数约束寻优方法；③离散参数寻优方法。这些方法都有其单独的数学模型和计算方法。

7)模糊优化方法。现实生活、社会科学和工程领域中的许多事物，都程度不同的存在着界限不清楚的模糊特点，因此，模糊集合和模糊优化的概念不可忽视。随着人工智能和整个科技的发展，模糊优化越来越显得重要。模糊优化是建立在模糊数学基础上，优化过程中加入多种模糊因素的一种新的优化方法。这种优化设计过程可以给出各种有效的安全优化方案，让客户可以根据特殊需要作出选择；同时它在设计过程中可以选择单一或者多种变量处理方案中的种种模糊因素，设计成果看起来更加符合实际情况。因此，最终设计结果更加科学、合理、有效、切合实际情况。

8)其它优化方法。多维图形法、图论网络法、准则法、以及大量的创造学方法。都可以应用到优化设计中。

在考虑设计方法的时候需要了解各种优化方法的利弊，熟知它们可应用的情况，选择最优的优化方案使得优化设计能得出最好的设计结果。比如，系统论方法适用于大系统工程与开发性的方案设计；动态设计方法适用于对动态特性要求较高的部位；相似设计法适用于已有同类的优良产品可作参照的场合；模拟设计法用于某些过程与参数尚不很清楚的情况；可靠性设计适用于使用寿命期间具有较高功能稳定性的部位；价值工程则适用于设计后的校核和综合评价；数学规划方法适用于参数优化价值较高的关键零部件；人机工程主要适用于操纵系统、造型与环境设计；模糊论方法主要适用于控制系统与综合评价等等。当然所列举的优化方法随着科技和社会的发展适用范围并不是不变的，应随着时代的进步不断的提升、深化，某些方法的应用范围正在扩大，同时还在产生大量的新方法。总之，优化方法也是在遵循不断优化的道路上前进，新方法的不断涌现，正是优化方法广义的正直含义所在。

在水利水电工程的优化设计中，主要寻求在选址方面优化、工程施工条件优化，工程造价优化及工程经济效益、环境效益、社会效益等方面的优化。

[1]林延江，陆昌甫，朱光熙 ，等.水利土木工程系统分析方法[M].北京：水利电力出版社，1983：21-32.

1007-7596(2014)12-0066-03

2014-04-12

佟伟(1965-)，男，黑龙江呼玛人，高级工程师。

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