Одним из основных аспектов развития технических систем

131
УДК 681.3
А. В. Петрухин, А. В. Березин
ИНТЕГРИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Волгоградский государственный технический университет
Одним из основных аспектов развития технических систем является их постоянное совершенствование в соответствии с возникающими новыми потребностями. Данный процесс повышения
степени идеальности (иначе оптимизации) бесконечен. Актуальным моментом в этой ситуации является использование современных информационных технологий.
В настоящее время существует большое число автоматизированных систем оптимизации. Однако их использование в процессе проектирования характеризуется рядом проблемных ситуаций.
Например, наличие множества программ (и соответствующих интерфейсов) затрудняет перенос
данных при представлении результатов решения. Также наблюдается проблема выбора необходимого математического метода поиска, имеются трудности при использовании новых алгоритмов.
По результатам проведенного обзора ни одна из существующих современных систем оптимизации не свободна полностью от следующих ограничений:
форма использования программы – в виде отдельного автономного модуля или в виде модуля
расширения функциональности существующей автоматизированной системы;
малое количество поддерживаемых математических методов оптимизации;
невозможность подключения пользователем новых методов;
невозможность использования в процессе поиска оптимального решения результатов расчетов
других программ;
малое число понимаемых форматов входных данных.
С учетом этих соображений становится очевидной потребность в повышении производительности этапа оптимизации процесса проектирования технических объектов. Мы видим, что решением данной проблемы является разработка специальной методики (и реализующего ее программного средства) взаимодействия разнородных программ в процессе поиска оптимального решения.
Такая совокупность методики и программного средства далее называется комплексом.
Оптимизация является органичной частью процесса проектирования. Общепринятым является
деление этапа оптимизации на три процедуры: постановку задачи, поиск решения и представление
результатов решения. На каждой из них возможно использование внешних автоматизированных
систем.
Современной тенденцией процесса внедрения информационных технологий является развитие
систем автоматизированного проектирования (САПР). Использование САПР позволяет автоматически генерировать оптимизационные модели на основе 3D твердотельных моделей деталей и узлов. Постановка задачи оптимизации упрощается за счет использования параметров, определенных при создании 3D модели. Ограничения поля допустимых решений могут поступать из той же
модели технического объекта или из модели проектируемой надсистемы. Реализация данных возможностей характеризует важное свойство интегрируемости комплекса.
Другой характерной особенностью комплекса является автоматизация построения оптимизационных моделей. Данная возможность снимает ограничения на используемые системы оптимизации, ведь зачастую выбор той или иной системы обусловлен тем, что конструктор просто не
знает других программ. Универсальный интегрированный комплекс позволит проектировщику
использовать любой метод оптимизации, включая как общеизвестные классические, так и уникальные авторские. Нередкой является ситуация, когда существует интересный новаторский алгоритм поиска оптимального решения, но его практически невозможно (или неудобно) использовать
в автоматизированном процессе проектирования. Для реализации этой возможности спроектирована информационная модель набора данных задачи оптимизации. Модель представляется в виде
следующей совокупности данных:
О = <П, ПО, ФО, ЦФ, М>,
где П – множество параметров; ПО – множество двусторонних параметрических ограничений; ФО
– множество функциональных ограничений; ЦФ – выражение целевой функции связи критерия
оптимизации и параметров; М – метод поиска оптимального решения.
Важнейшими аспектами поиска оптимального решения являются реализация математического
метода и расчет значения критерия оптимальности.
132
Внутри интегрируемого комплекса используемый метод оптимизации определяет последовательность шагов движения по полю допустимых решений. На каждом шаге производится расчет
значения критерия оптимальности. Таким образом, расчет критерия отделен от логики математического метода. В результате становится возможным совместное использование различных автоматизированных систем. Например, результаты расчета прочности ANSYS используются при
оценке "приспособленности особи" в генетическом алгоритме, реализованном в MathLab.
В интегрируемом комплексе под вычислением критерия оптимальности понимается нахождение значения целевой функции параметров модели технического объекта.
Целевая функция может быть задана тремя различными способами: математическим строковым выражением, подпрограммой-скриптом и внешним приложением.
Математическое строковое выражение представляет собой последовательность идентификаторов параметров, знаков арифметических действий и скобок. Математическое выражение определяет, что оптимизационная модель полностью формализована. Так, например, возможно однозначное определение физических характеристик (массы, объема) через геометрические параметры
технического объекта. К сожалению, такая простая формализация в рамках одного выражения наблюдается не всегда. Зачастую процессы работы технических устройств часто представляются в
виде отдельных стадий (этапов, участков), каждый из которых описывается собственной функциональной зависимостью.
В этом случае требуется ввести логику в процесс вычисления значения критерия. Критерий
(целевая функция) описывается уже в виде подпрограммы. Подпрограмма-скрипт пишется с использованием языка программирования, такого как JavaScript или VBScript. Данный способ определения позволяет использовать логику условий в процессе вычисления. При написании скрипта
пользователь использует идентификаторы переменных модели оптимизации для связи с решаемой
задачей. Возможности скриптовых языков позволяют также вводить внутренние переменные по
мере необходимости, что приводит к повышению производительности, читабельности кода и т. д.
Данный способ задания целевой функции еще более расширяет возможности по описанию целевых функций. Но существует большое количество специализированных расчетных программ,
которые также могут использоваться в процессе поиска оптимального решения.
Представление целевой функции в виде внешнего приложения является наиболее востребованным из-за большого количества уже существующих приложений. Связь с внешним приложением может реализовываться на разных уровнях: от простого формирования входного файла и
доступа к текстовому отчету о результатах до полного управления с использованием предоставляемого API (библиотеки внутренних объектов системы).
При представлении результатов поиска организуется обратная связь по обновлению параметров существующей в САПР модели в соответствии с полученным решением. Данный подход является самым наглядным для инженера-проектировщика.
Важнейшим свойством комплекса является его открытость. Свойство открытости позволяет
наращивать функциональность за счет поддержки новых математических методов оптимизации,
способов расчета критериев и получения исходных данных.
Под источником данных (параметров и ограничений) для задачи оптимизации понимается существующая САПР машиностроения. Большинство современных САПР имеет в своем составе
специальные библиотеки для работы с данными внутренних моделей. В этом случае методы объекта "ввод данных" реализуются при помощи библиотечных функций.
Возможен ввод данных и из других источников информации. В качестве примера можно привести документы технических требований и технических заданий.
Комплекс открыт для подключения любого новаторского метода оптимизации. Подключение
метода оптимизации может производиться на разных уровнях: написание программного кода в соответствующий каркас функций, связь посредством файлов входной-выходной информации или
полная интеграция при помощи библиотек системных объектов.
В ходе разработки комплекса рассматривалось несколько практических задач. Данные учебные
задачи подбирались как обладающие различными требованиями по использованию внешних автоматизированных систем. Рассматривались задачи расчета редукторов, проектирования пружин и
подбора параметров корпуса шестеренчатого насоса. Так, например, при оптимизации по материалоемкости корпуса шестеренчатого насоса для учета степени эксплуатационной деформации использовалась система инженерного анализа Design Simulation, входящая в состав ANSYS Workbench 8.1. В ходе решения было отмечено резкое уменьшение временных затрат с одновременным
отсутствием ограничений на используемые программы. Полученные результаты свидетельствуют
о перспективности использования интегрированного комплекса оптимизации технических систем.