專利名稱：一種多域系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及系統(tǒng)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及多域系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化的方法。
背景技術(shù)：
所謂系統(tǒng)，是指由相互關(guān)聯(lián)、相互制約、相互作用的一些部分所組成的具有某種功能的有機(jī)整體。系統(tǒng)工程是以系統(tǒng)理論為依據(jù)，以整個系統(tǒng)為研究對象，從全局統(tǒng)一考慮，運用運籌學(xué)、概率學(xué)與統(tǒng)計學(xué)、控制論、信息論、管理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)及計算機(jī)科學(xué)等科學(xué)理論與方法去權(quán)衡解決問題，實現(xiàn)系統(tǒng)整體性價比最優(yōu)的一門學(xué)科。在系統(tǒng)工程初期階段，系統(tǒng)產(chǎn)生的信息均是以文檔的形式來描述和記錄，但是隨著系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度的不斷提高，這種基于文檔的系統(tǒng)工程面臨的困難越來越突出，如信息表示不準(zhǔn)確，容易產(chǎn)生歧義、難以從海量文檔中查找所需信息、無法與其他工程領(lǐng)域的設(shè)計相銜接(如軟件、機(jī)械、電子等)。為了解決這些問題，基于模型的系統(tǒng)工程MBSE(Model Based Systems Engineering)便產(chǎn)生了，這也正是未來系統(tǒng)工程發(fā)展的必然趨勢?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程MBSE與傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程最顯著的區(qū)別在于，在MBSE中，系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程中的所有信息均是以模型來表示。這種方法具有如下幾個優(yōu)
占-
^ \\\ ·知識表示的無二義性，模型是一種高度形式化的表示方法，它具有模塊化、無歧義、可重用等優(yōu)點，采用模型可以準(zhǔn)確統(tǒng)一地表示系統(tǒng)的各個方面，如功能、結(jié)構(gòu)、行為等。便于交流和傳播，由于開發(fā)團(tuán)隊以及項目參與者的分散性，系統(tǒng)相關(guān)信息需要在不同人群之間進(jìn)行交流和傳播。由于模型本身的精確性，它在不同涉眾之間建立起了無二義的交流規(guī)則，使得不同人對同一模型具有統(tǒng)一的理解。支持信息的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)生命周期中包含著許多信息轉(zhuǎn)換過程，如設(shè)計人員需要根據(jù)需求信息產(chǎn)生系統(tǒng)的設(shè)計?；谀Ｐ偷谋硎臼沟眯畔⑥D(zhuǎn)換能夠更加方便甚至自動化進(jìn)行，如從設(shè)計模型生成仿真模型從而便于對設(shè)計的驗證。支持模型的集成，模型可以清晰地表示各種信息之間的關(guān)系，這不僅使得系統(tǒng)層的需求模型、結(jié)構(gòu)模型、行為模型可以有機(jī)地聯(lián)系在一起，也使得各領(lǐng)域的詳細(xì)設(shè)計模型可以與抽象的系統(tǒng)層模型之間建立關(guān)聯(lián)，從而支持各種模型的集成。MBSE因為其優(yōu)點而正被系統(tǒng)設(shè)計者廣泛地采用，為了支持MBSE，國際系統(tǒng)工程學(xué)會(International Council of Systems Engineering, INCOSE)和對象管理組織(Ob jectManagement Group, 0MG)聯(lián)合提出了系統(tǒng)建模語言(Systems Modeling Language, SysML),SysML是一種通用的針對系統(tǒng)工程應(yīng)用的建模語言，它可以支持包含硬件、軟件、信息等多領(lǐng)域系統(tǒng)的描述、設(shè)計、分析、驗證等?；跇?biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建模語言SysML，系統(tǒng)設(shè)計人員可以基于統(tǒng)一的圖表如結(jié)構(gòu)圖表、行為圖表和參數(shù)圖方便地表達(dá)其設(shè)計意圖。但其設(shè)計結(jié)果是否滿足要求、是否為最優(yōu)則不是設(shè)計建模能完成的任務(wù)，必須通過優(yōu)化過程來完成。目前，在多域復(fù)雜產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計層面，系統(tǒng)設(shè)計與系統(tǒng)優(yōu)化還是分為兩個不同過程、應(yīng)用不同軟件平臺來實現(xiàn)的，其中需要經(jīng)過數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與重新建模，十分費時費力且易出錯，因此，如何在系統(tǒng)設(shè)計過程中支持相關(guān)設(shè)計信息的提取并構(gòu)建正式系統(tǒng)優(yōu)化模型、然后將其自動傳遞給優(yōu)化工具、從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自動優(yōu)化仍然是一個開放的問題，沒有解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決系統(tǒng)設(shè)計建模和系統(tǒng)優(yōu)化的集成問題，在系統(tǒng)設(shè)計過程中完成相關(guān)設(shè)計信息的提取并構(gòu)建系統(tǒng)優(yōu)化模型，從而能實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化。一種多域系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化方法，包括步驟基于系統(tǒng)建模語言SysML對系統(tǒng)優(yōu)化方法進(jìn)行形式化表示，并使用SysML擴(kuò)展機(jī)制定義系統(tǒng)設(shè)計模型的表示規(guī)范；根據(jù)待設(shè)計和優(yōu)化的多域系統(tǒng)功能需求分析，基于所述表示規(guī)范建立系統(tǒng)設(shè)計模·型，自動提取系統(tǒng)優(yōu)化模型；調(diào)用所述的系統(tǒng)優(yōu)化方法對所述系統(tǒng)優(yōu)化模型進(jìn)行自動求解，并將優(yōu)化結(jié)果返回到系統(tǒng)設(shè)計模型，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對系統(tǒng)設(shè)計模型進(jìn)行優(yōu)化。其中，所述系統(tǒng)設(shè)計模型的表示規(guī)范包括系統(tǒng)優(yōu)化約束條件表示規(guī)范，優(yōu)化目標(biāo)表示規(guī)范，模型實例表示規(guī)范，特定領(lǐng)域參數(shù)表示規(guī)范，約束參數(shù)與優(yōu)化變量屬性映射關(guān)系表示規(guī)范，以及約束參數(shù)與特定領(lǐng)域參數(shù)映射關(guān)系表示規(guī)范。所述優(yōu)化約束條件包括上下邊界約束條件、線性相等約束條件、線性不等約束條件、非線性相等約束條件和非線性不等約束條件。所述SysML擴(kuò)展機(jī)制定義的表示規(guī)范包括用于表示規(guī)范擴(kuò)展的標(biāo)識，擴(kuò)展名稱和所述擴(kuò)展名稱對應(yīng)的基類。進(jìn)一步地，所述自動提取系統(tǒng)優(yōu)化模型，包括步驟A)根據(jù)待設(shè)計和優(yōu)化的多域系統(tǒng)功能需求，建立系統(tǒng)設(shè)計模型，根據(jù)優(yōu)化約束條件表示規(guī)范和優(yōu)化目標(biāo)表示規(guī)范進(jìn)行解析操作，提取優(yōu)化約束條件和優(yōu)化目標(biāo)信息并保存；B)根據(jù)約束參數(shù)與優(yōu)化變量屬性映射關(guān)系表示規(guī)范，提取約束參數(shù)與系統(tǒng)優(yōu)化變量間的連接關(guān)系信息，保存約束參數(shù)類型、數(shù)值等信息，并保存其對應(yīng)的系統(tǒng)優(yōu)化變量類型、數(shù)值等信息；C)根據(jù)約束參數(shù)與特定領(lǐng)域參數(shù)表示規(guī)范，提取約束參數(shù)與特定領(lǐng)域參數(shù)間的連接關(guān)系信息，保存約束參數(shù)類型、數(shù)值等信息，并保存其對應(yīng)的特定領(lǐng)域參數(shù)類型、數(shù)值等信息；D)根據(jù)模型實例表示規(guī)范，針對某個特定的系統(tǒng)優(yōu)化變量，創(chuàng)建模型實例，根據(jù)其包含的屬性信息和功能需求，為系統(tǒng)優(yōu)化變量賦予初始值；E)提取上述保存的所有信息，形式化地構(gòu)建系統(tǒng)優(yōu)化模型。進(jìn)一步地，在提取系統(tǒng)優(yōu)化模型的過程中，需要進(jìn)行優(yōu)化變量和約束參數(shù)之間的傳遞，通過約束參數(shù)與優(yōu)化變量屬性映射關(guān)系，建立左右兩端定義的一一映射關(guān)系將優(yōu)化變量的值傳遞到約束參數(shù)。進(jìn)一步地，在提取系統(tǒng)優(yōu)化模型的過程中，需要進(jìn)行特定領(lǐng)域參數(shù)和約束參數(shù)之間的傳遞，通過約束參數(shù)與特定領(lǐng)域參數(shù)映射關(guān)系，建立左右兩端定義的一一映射關(guān)系將特定領(lǐng)域參數(shù)值傳遞給約束參數(shù)。本發(fā)明基于系統(tǒng)建模語言SysML，提出了一種多域系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化的集成方法，通過系統(tǒng)建模語言SysML及其擴(kuò)展機(jī)制對系統(tǒng)優(yōu)化方法和表示規(guī)范進(jìn)行了定義，在系統(tǒng)建模后提取系統(tǒng)優(yōu)化模型并進(jìn)行優(yōu)化求解，并將求解結(jié)果返回到系統(tǒng)設(shè)計模型，完成系統(tǒng)的建模和優(yōu)化，有效地將系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化進(jìn)行了結(jié)合。


圖I為本發(fā)明多域系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化的方法流程示意圖；圖2為本發(fā)明約束參數(shù)與優(yōu)化變量映射示意圖；圖3為本發(fā)明特定領(lǐng)域參數(shù)與約束參數(shù)映射示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例子對本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說明，以下實施例子不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。如圖I方法流程圖所示，本發(fā)明基于系統(tǒng)建模語言SysML，實現(xiàn)多域復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)優(yōu)化的集成，包括步驟如下步驟I、基于SysML對系統(tǒng)優(yōu)化方法進(jìn)行形式化表示，使用SysML擴(kuò)展機(jī)制定義系統(tǒng)設(shè)計模型的表示規(guī)范。具體地，基于SysML給出系統(tǒng)優(yōu)化方法的形式化表示是將目前流行的系統(tǒng)優(yōu)化方法進(jìn)行基于SysML的形式化定義，以便在后續(xù)的步驟中可以在系統(tǒng)設(shè)計平臺中自動地調(diào)用這些優(yōu)化方法，例如，使用MATLAB軟件中自帶的fmincon (FUN, X0, A, B, Aeq, Beq, LB, UB, NONLCON),其參數(shù)具體涵義分別是FUN表示優(yōu)化目標(biāo)，XO表示優(yōu)化初始值，A表示線性不等優(yōu)化約束條件的系數(shù)矩陣，B表示線性不等優(yōu)化約束條件的右端值矩陣，Aeq表示線性相等優(yōu)化約束條件的系數(shù)矩陣，Beq表示線性相等優(yōu)化約束條件的右端值矩陣，LB表示優(yōu)化變量取值下界，UB表示優(yōu)化變量取值上界，N0NLC0N表示非線性優(yōu)化約束條件，針對這個方法包含的參數(shù)，使用SysML擴(kuò)展機(jī)制對其進(jìn)行表示，例如，使用〈〈c_obj>>擴(kuò)展表示FUN優(yōu)化目標(biāo)這個參數(shù)。具體地，系統(tǒng)設(shè)計模型表示規(guī)范包括優(yōu)化約束條件表示規(guī)范，優(yōu)化目標(biāo)表示規(guī)范，優(yōu)化模型實例表示規(guī)范，特定領(lǐng)域參數(shù)表示規(guī)范，約束參數(shù)與優(yōu)化變量屬性映射關(guān)系表示規(guī)范，特定領(lǐng)域參數(shù)與約束參數(shù)映射關(guān)系表示規(guī)范。所定義的表示規(guī)范均保存為模塊化的形式以提供給后續(xù)的加載使用。優(yōu)化約束條件和優(yōu)化目標(biāo)都是關(guān)于優(yōu)化變量的函數(shù)，優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化約束條件通過約束模塊進(jìn)行表達(dá)。需要說明的是，SysML擴(kuò)展機(jī)制是指被加載了某個擴(kuò)展的對象擁有此擴(kuò)展所定義的涵義，如表I所示，〈〈stereotype 表示它是一個擴(kuò)展,其下面的文本表示該擴(kuò)展的名字以及被賦予的涵義，如c_obj表示擴(kuò)展的對象為一個優(yōu)化目標(biāo)，最下面使用中括號標(biāo)注的文本表示此擴(kuò)展所屬的基類，表中c_obj擴(kuò)展的基類為要素Element。如表I所示，優(yōu)化約束條件是系統(tǒng)設(shè)計模型中所滿足的約束規(guī)律，包含上下邊界約束條件(使用c_bou擴(kuò)展表示)、線性相等約束條件(使用c_equ擴(kuò)展表示)、線性不等約束條件(使用c_neq擴(kuò)展表示)、非線性相等約束條件(使用c_nle擴(kuò)展表示)和非線性不等約束條件(使用c_nln擴(kuò)展表示)。
權(quán)利要求
1.一種多域系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化方法，其特征在于，包括步驟 基于系統(tǒng)建模語言SysML對系統(tǒng) 優(yōu)化方法進(jìn)行形式化表示，并使用SysML擴(kuò)展機(jī)制定義系統(tǒng)設(shè)計模型的表示規(guī)范； 根據(jù)待設(shè)計和優(yōu)化的多域系統(tǒng)功能需求分析，基于所述表示規(guī)范建立系統(tǒng)設(shè)計模型，自動提取系統(tǒng)優(yōu)化模型； 調(diào)用所述的系統(tǒng)優(yōu)化方法對所述系統(tǒng)優(yōu)化模型進(jìn)行自動求解，并將優(yōu)化結(jié)果返回到系統(tǒng)設(shè)計模型，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對系統(tǒng)設(shè)計模型進(jìn)行優(yōu)化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多域系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化方法，其特征在于，所述系統(tǒng)設(shè)計模型的表示規(guī)范包括系統(tǒng)優(yōu)化約束條件表示規(guī)范，優(yōu)化目標(biāo)表示規(guī)范，模型實例表示規(guī)范，特定領(lǐng)域參數(shù)表示規(guī)范，約束參數(shù)與優(yōu)化變量屬性映射關(guān)系表示規(guī)范，以及約束參數(shù)與特定領(lǐng)域參數(shù)映射關(guān)系表示規(guī)范。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多域系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化方法，其特征在于，所述SysML擴(kuò)展機(jī)制定義的表示規(guī)范包括 用于表示規(guī)范擴(kuò)展的標(biāo)識，擴(kuò)展名稱和所述擴(kuò)展名稱對應(yīng)的基類。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多域系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化方法，其特征在于，所述優(yōu)化約束條件包括上下邊界約束條件、線性相等約束條件、線性不等約束條件、非線性相等約束條件和非線性不等約束條件。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多域系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化方法，其特征在于，所述自動提取系統(tǒng)優(yōu)化模型，包括步驟 A)根據(jù)待設(shè)計和優(yōu)化的多域系統(tǒng)功能需求，建立系統(tǒng)設(shè)計模型，根據(jù)優(yōu)化約束條件表示規(guī)范和優(yōu)化目標(biāo)表示規(guī)范進(jìn)行解析操作，提取優(yōu)化約束條件和優(yōu)化目標(biāo)信息并保存； B)根據(jù)約束參數(shù)與優(yōu)化變量屬性映射關(guān)系表示規(guī)范，提取約束參數(shù)與系統(tǒng)優(yōu)化變量間的連接關(guān)系信息，保存約束參數(shù)類型、數(shù)值等信息，并保存其對應(yīng)的系統(tǒng)優(yōu)化變量類型、數(shù)值等信息； C)根據(jù)約束參數(shù)與特定領(lǐng)域參數(shù)表示規(guī)范，提取約束參數(shù)與特定領(lǐng)域參數(shù)間的連接關(guān)系信息，保存約束參數(shù)類型、數(shù)值等信息，并保存其對應(yīng)的特定領(lǐng)域參數(shù)類型、數(shù)值等信息； D)根據(jù)模型實例表示規(guī)范，針對某個特定的系統(tǒng)優(yōu)化變量，創(chuàng)建模型實例，根據(jù)其包含的屬性信息和功能需求，為系統(tǒng)優(yōu)化變量賦予初始值； E)提取上述保存的所有信息，形式化地構(gòu)建系統(tǒng)優(yōu)化模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多域系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化方法，其特征在于，還包括步驟通過約束參數(shù)與優(yōu)化變量屬性映射關(guān)系將優(yōu)化變量的值傳遞到約束參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多域系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化方法，其特征在于，還包括步驟通過約束參數(shù)與特定領(lǐng)域參數(shù)映射關(guān)系將特定領(lǐng)域參數(shù)值傳遞給約束參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多域系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化方法，基于系統(tǒng)建模語言SysML對系統(tǒng)優(yōu)化方法進(jìn)行形式化表示，并使用SysML擴(kuò)展機(jī)制定義系統(tǒng)設(shè)計模型的表示規(guī)范；根據(jù)待設(shè)計和優(yōu)化的多域系統(tǒng)功能需求分析，基于表示規(guī)范建立系統(tǒng)設(shè)計模型，自動提取系統(tǒng)優(yōu)化模型；調(diào)用系統(tǒng)優(yōu)化方法對所述系統(tǒng)優(yōu)化模型進(jìn)行自動求解，并將優(yōu)化結(jié)果返回到系統(tǒng)設(shè)計模型，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對系統(tǒng)設(shè)計模型進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明的方法有效地將系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化進(jìn)行了結(jié)合，在系統(tǒng)設(shè)計過程中實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動優(yōu)化。
文檔編號G06F17/50GK102890740SQ20121040871
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者劉玉生, 袁文強(qiáng) 申請人:浙江大學(xué)