isight優(yōu)化基本問題

1、4.1iSIGHT優(yōu)化基本問題4.1.1iSIGHT集成軟件的條件從一般意義上來說，只要是可執(zhí)行文件（*.exe、*.bat）iSIGHT都可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。但是為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化過程的自動(dòng)化，要求所集成的數(shù)值分析軟件能進(jìn)行后臺(tái)求解計(jì)算，且要有明確包含優(yōu)化變量的輸入、輸出文件。常用的輸入文件的類型就目前市面上的數(shù)值分析軟件而言，有以下兩類文件可以作為輸入文件：模型信息文件如上所述，數(shù)值分析軟件一般分為三個(gè)模塊，在數(shù)值建模結(jié)束后前處理程序便生成一個(gè)模型信息文件做為求解模塊的輸入文件，該模型文件包含了數(shù)值模型的各種信息，因此在優(yōu)化的時(shí)候該文件便可以當(dāng)作輸入文件。如，MSC.MARC的*.dat文件，LSDY

2、NA的的*.K文件等。命令流或過程記錄文件為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)話建模與分析，好多數(shù)值分析軟件中在提供菜單操作的同時(shí)也提供了相應(yīng)地命令操作，并且可以把命令編程文件進(jìn)行讀入建模和分析，該文件常稱為命令流文件。另外，一些軟件可以自動(dòng)記錄用戶的每一步操作，并能輸出相應(yīng)地命令流文件，軟件也可以讀入該文件實(shí)現(xiàn)建模和分析，該命令流文件習(xí)慣稱之為過程記錄文件。在使用模型信息文件當(dāng)作輸入文件的優(yōu)化過程中，優(yōu)化中在每次迭代過程中沒有了建立模型的環(huán)節(jié)，因此其效率相對(duì)較高！而在用命令流或過程記錄文件當(dāng)作輸入文件的優(yōu)化中，在每次迭代分析時(shí)都從建模開始，故其計(jì)算所需要的時(shí)間相對(duì)較長。然而，正是由于其每次迭代分析時(shí)都是從頭開始建模

3、分析，所以在相關(guān)變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，由于對(duì)模型信息文件的修改往往不能正確地反映模型的變化，故這時(shí)候就需要過程記錄文件做為輸入文件。iSIGHT集成優(yōu)化的一般步驟在工程上利用iSIGHT進(jìn)行集成優(yōu)化一般包括前期工作準(zhǔn)備、過程集成、變量與算法設(shè)置以及過程監(jiān)控與結(jié)果分析等步驟。前期準(zhǔn)備工作在集成優(yōu)化之前的準(zhǔn)備工作主要包括數(shù)值分析軟件選擇、初始計(jì)算以及熟悉相關(guān)文件等。根據(jù)優(yōu)化問題所要求的分析與求解任務(wù)，選擇合適的數(shù)值分析軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。在選擇集成軟件時(shí)應(yīng)該考慮以下幾個(gè)原則:（1）軟件的功能。這是首要的問題，應(yīng)透徹了解所選軟件是否具備所需要的功能，并滿足iSIGHT集成軟件的要求。（2）前、后處理功

4、能。這是很重要的，關(guān)系到是夠易于操作，一定程度上也是計(jì)算成功與否的重要決定因素。（3）軟件所要求的環(huán)境及計(jì)算機(jī)配置。這也是軟件正常運(yùn)行所必需的，當(dāng)然，軟件的價(jià)格也要加以考慮和比較。在選擇好數(shù)值分析軟件后，往往需要在所要集成的數(shù)值分析軟件里邊進(jìn)行一次初始模型計(jì)算，以便生成下步軟件集成所需要的輸入、輸出文件。在進(jìn)行下一步軟件集成之前，要熟悉所集成軟件求解的驅(qū)動(dòng)命令，輸入、輸出文件的格式，要明確設(shè)計(jì)變量參數(shù)、目標(biāo)函數(shù)值在輸入、輸出文件中的位置及其數(shù)據(jù)格式等。iSIGHT軟件集成這部分工作就是要設(shè)置iSIGHT集成軟件代碼，指定所集成軟件的輸入、輸出文件，并指定iSIGHT修改或讀取輸入、輸出文件的位

5、置與格式。設(shè)計(jì)變量與算法設(shè)置又稱數(shù)學(xué)建模，其主要內(nèi)容有優(yōu)化變量設(shè)置、優(yōu)化方法與策略選擇。該部分是優(yōu)化設(shè)計(jì)中的核心工作，尤其是優(yōu)化方法的選擇，它關(guān)系到優(yōu)化計(jì)算的效率的高低甚至成敗，所以在分析的時(shí)候一定要根據(jù)工程實(shí)際問題具體特點(diǎn)合理設(shè)置優(yōu)化算法。4.2.4求解與結(jié)果分析在集成優(yōu)化過程中，iSIGHT軟件提供了讓用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控優(yōu)化過程的功能，它可以圖表、曲線等形式形象地給出目標(biāo)函數(shù)隨設(shè)計(jì)變量的變化圖形，并給出軟件集成日值文件。以上僅對(duì)iSIGHT集成過程進(jìn)行了簡單地解釋與闡釋，更詳細(xì)的描述可參考以后章節(jié)。4.3iSIGHT優(yōu)化入門水杯優(yōu)化以下通過一個(gè)水杯優(yōu)化的具體實(shí)例，詳細(xì)地講述了集成優(yōu)化的各個(gè)過程的

6、操作步驟，希望通過這個(gè)例子讀者能夠iSIGHT集成優(yōu)化能夠有個(gè)初步認(rèn)識(shí)與掌握。4.3.1問題描述注意過普通的水杯嗎？底面圓圓的，上面加蓋的哪一種。仔細(xì)觀察一下，你會(huì)發(fā)現(xiàn)比較老式的此類水杯有一個(gè)共同特點(diǎn)：底面直徑=水杯高度。為什么是這樣呢？原因很簡單因?yàn)橹挥袧M足這個(gè)條件，才能在原料耗費(fèi)最少的情況下使杯子的容積最大?？刹皇?，在材料一定的情況下，如果水杯的底面積大，其高度必然就要??；如果高度變大了，底面積又大不了，如何調(diào)和這兩者之間的矛盾？其實(shí)這恰恰就反應(yīng)了一個(gè)完整的優(yōu)化過程。問題假設(shè)與模型簡化根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在材料一定的情況下我們可以認(rèn)為水杯的成本與其表面積成正比，為了控制成本我們對(duì)其進(jìn)行限值。所以我們

7、的設(shè)計(jì)問題就是，在成本一定的情況下如何合理設(shè)置水杯的幾何尺寸以獲得最大容積。上述問題用優(yōu)化語言描述為：MaximizeV=nR2HS.tS=2nRH+2nR2l00集成軟件的選擇由于在本問題的優(yōu)化過程中，只需要進(jìn)行體積V與表面積S的簡單計(jì)算，我們采用FORTTRAN編程生成可執(zhí)行文件（cup.exe）來完成該工作。在建立自己的優(yōu)化任務(wù)之前，首先需要了解所要集成的數(shù)值分析軟件，主要內(nèi)容包括文件所在位置，驅(qū)動(dòng)命令格式，輸入、輸出文件的格式及優(yōu)化變量在其中的位置等。在本次的練習(xí)中，由于所需要的計(jì)算比較簡單我們采用FORTAN程序變成的可執(zhí)行程序（Cup.exe）來完成所需要的計(jì)算，其內(nèi)容如下：pro

8、gramCupimplicitnonerealR,H,Area,Vcharacter（len=20）:filenamein=InPut.txt,filenameout=OutPut.txtlogicalalivein,aliveoutinquire(file=filenamein,exist=alivein)inquire(file=filenameout,exist=aliveout)if(alivein.and.aliveout)thenwrite(*,*)所需的文件存在！elsewrite(*,*)所需要的文件不存在！endifopen(unit=10,file=InPut.txt)re

9、ad(10,(15X,F12.9,/,15X,F12.9)R,HArea=2*3.14*R*H+2*3.14*R*RV=3.14*R*R*Hopen(unit=10,file=OutPut.txt)write(10,(TheAreais:,F17.9,/,Thevolumeis:,F12.9)Area,Vstopend本例中，所集成的文件為位于D:CupCupProgame下的Cup.exe?？蓤?zhí)行文件從輸入文件為Input.txt中讀入茶杯的幾何尺寸值，計(jì)算茶杯的表面積與容積，然后把計(jì)算結(jié)果寫道輸出文件Out.txt中，其執(zhí)行過程如下圖1所示。匚I,l|JL.iluIfuI-jcii.sis

10、:：.；：Theheighti：1.0可執(zhí)行文件S=27T+R=H+27T=+=R+R匚i,I：Cl.-ijl.idHieareais：12S60000420Ihevolumeis；31S4.7133789O6圖4.3.2Cup.exe執(zhí)行流程圖4.3.4iSIGHT集成優(yōu)化在建立集成優(yōu)化工程問題之前,我們?cè)贒盤下建立了一個(gè)文件夾Cup用以存放優(yōu)化過程中的數(shù)據(jù)文件。文件夾建好后把分析所需要的各種文件（對(duì)本問題而言，有l(wèi)nput.txt、Output.exe、Cup.exe及其相關(guān)文件）移到該文件夾下，復(fù)制Input.txt文件，并重命名為CupInTemp.dat。提示：iSIGHT同大多數(shù)英

11、文軟件一樣識(shí)別中文字符有困難，所以在文件命名的時(shí)候不能取中文名，也不能存放在中文路徑下，否則編譯時(shí)會(huì)出錯(cuò)！4.3.4.1添加集成代碼啟動(dòng)iSIGHT軟件后，便打開如圖4.3.3所示的任務(wù)管理頁面。由于我們還沒有建立優(yōu)化任務(wù)，所以該頁面呈現(xiàn)空白狀態(tài)。圖4.3.3任務(wù)管理界面圖4.3.4集成代碼添加界面2、點(diǎn)擊圖4.3.3中的過程集成按鈕，則進(jìn)入添加集成代碼界面，并自動(dòng)建立任務(wù)Taskl，如圖4.3.4所示。3、點(diǎn)擊圖4.3.4工具條上的集成代碼按鈕，添加集成代碼。一個(gè)名為SimcodeO集成代碼塊出現(xiàn)在集成對(duì)話框右邊的工作區(qū)內(nèi)，如圖4.3.5所示。|TM7lHd*lnliE)|搭|A*fTD|k

12、FnxMI*(D伽inGftsvii-&wO詞眄卿rpn#圖4.3.5添加集成代碼后的界面注釋：為了便于敘述，以后我們用塊來描述上圖4.3.5右邊的圖標(biāo)。4、雙擊圖4.3.5中的任務(wù)塊，則顯示出集成代碼的內(nèi)容，如圖4.3.6所示。圖4.3.6集成代碼內(nèi)容在設(shè)計(jì)的過程中，我們需要設(shè)置所用軟件的基本信息（位置與名稱），制定iSIGHT軟件調(diào)用該軟件的規(guī)則，這樣才能保證集成優(yōu)化的順利進(jìn)行。a5、點(diǎn)擊集成代碼塊左邊的屬性按鈕，彈出代碼屬性設(shè)置對(duì)話框，如圖4.3.7所示。曬的4吧匹rimlriEl昭朋!1Bamlimit悒Homl劉：|5dcOfiUofi11ar-gumenrfs:CancelTwit

13、ElCUl3l古i|PrOgr?niOSinmlaboncode-jaUMiMDmam丘刊啣311圖4.3.7集成代碼屬性設(shè)置對(duì)話框D/Oupi/CupProgameDayouwish価placeyourFteprectu-nderthisdirectcirv?Hessageoccurredin:SetMewProjectDirectorySetRevProj&ctDirectQEyThefliesneededbyaniSI&HTprojectareusuallyplacedunderihesamedirectoryasthedestriplionfile.Yojhaveselectedafi

14、leneededbyaproject.Thissuggeststhatyouwis-htoplaceyourprojectunderthisdirectory:口口兇圖4.3.8路徑設(shè)置對(duì)話框在圖4.3.7中，simulationcode（pathand）name文本框用來輸入集成代碼信息的，它包括集成代碼名稱與所處的位置；Optionalargument選項(xiàng)是用來輸入驅(qū)動(dòng)集成代碼輔助命令，這是因?yàn)橛行?shù)值分析軟件在調(diào)用求解器的時(shí)候還需要輔助的命令來指定一些信息，如輸入、輸出文件名稱等；Elapsedtimelimit（seconds）選項(xiàng)用以設(shè)置溢出時(shí)間，當(dāng)軟件調(diào)用的集成代碼在該時(shí)間內(nèi)沒有求

15、解結(jié)束時(shí)，則它認(rèn)為系統(tǒng)出錯(cuò)，并結(jié)束任務(wù)。FileIEl平申鬭Irtirt（豐忙知（BfwEDKlIlalHQ|QfrbCi*1$nt!$SHmmun亡閉片(ptih*n曲nmoI沖U兇VCflEEtHiUP阿仙曲電I圖4.3.9添加集成代碼后的屬性對(duì)話框6、點(diǎn)擊圖437中文件菜單，在隨后彈出文件選擇對(duì)話框中選擇位于D:CupCupProgame下的Cup.exe文件。7、點(diǎn)擊確認(rèn)后彈出設(shè)置新任務(wù)路徑對(duì)話框，如圖4.3.8所示。為了便于管理，我們?cè)趦?yōu)化的時(shí)候往往單獨(dú)建立一個(gè)與所集成代碼位置不同的文件來存放優(yōu)化數(shù)據(jù)，所以這時(shí)候軟件就詢問用戶是不是把優(yōu)化數(shù)據(jù)放在集成代碼所在的文件夾下。如果，用戶確認(rèn)

16、是的話就點(diǎn)擊yes，若要放在另外的位置的話點(diǎn)擊No燃后制定該位置。&點(diǎn)擊No，然后制定D:Cup為本問題工作路徑，則返回圖4.3.9所示界面。9、點(diǎn)擊439圖中的OK按鈕，返回過程集成界面，如圖5.5.10所示。從圖5.5.10可以看到，集成代碼塊的名稱改為Cup.exe4.3.4.2定義輸入文件在集成優(yōu)化中，僅僅定義集成代碼信息往往是不不夠的，這是因?yàn)閕SIGHT軟件需要按照優(yōu)化算法以不同的R和H值多次調(diào)用集成代碼，因此我們需要告訴iSIGHT如何對(duì)這些文件進(jìn)行操作。a|1、點(diǎn)擊輸入塊InputO的屬性按鈕，則彈出輸入屬性對(duì)話框，如圖4.3.11所示。在制定iSIGHT軟件修改輸入文件規(guī)則之

17、前，我們首先需要給它明確工作對(duì)象，即定義輸入文件信息，主要包括輸入文件名與存放位置等。4ElimEdit5sawbnteniawa-HelplatmiCQdffaimcQdHiasjFEfieetryJnt!.!monsCUlHIITLEDnTarfiki3imC4dDTk|KIQtm圖4.3.24過程集成界面a)b)TO：(WdtlH-IIVQlurr#JFromCirtFvtMJTe:-OUTRUT-1QlunragDdC)d)InflireiPJbi-cn:UVTITLEB,EJS6ElEMIW|Mf1ItlIMXs3馮u*a-ecsi4.3.25數(shù)據(jù)流窗口4.3.4.4優(yōu)化變量與算法設(shè)

18、置我們以完成軟件集成與數(shù)據(jù)流定義，下面將通過變量對(duì)話框、任務(wù)方安設(shè)置和數(shù)據(jù)庫對(duì)話框來進(jìn)行優(yōu)化變、量算法及其一些輔助選項(xiàng)設(shè)置。1點(diǎn)擊任務(wù)管理界面工作條上的Parameters按鈕，變量對(duì)話框，如圖4.3.26所示。圖4.326中，Obj為目標(biāo)函數(shù)選項(xiàng)，用來設(shè)定目標(biāo)函數(shù)及其性質(zhì)；type用來設(shè)置優(yōu)化變量的類型，包括整數(shù)型、離散型和離散型；Upper(Lower)bound用來定義變量的上(下)限值；而CurrentValue用以設(shè)置變量的初值。5宣蟲MfrLHWVWLnHrcsjntl割*4uWfef卓r口iSiffruiPlDti聞DKiyi廠1bJUCHMKlDEwL甕腳筍如啊轉(zhuǎn)#晉圍打時(shí)打r

19、I?iMiFnJEPi|rtAih(”-W吟丄葩阿仙SKHTrdajFrvS-4JHN?*|E$t|Cm圖4.3.28任務(wù)方案對(duì)話框4.3.4.5數(shù)據(jù)庫選項(xiàng)定義在設(shè)計(jì)探索計(jì)劃執(zhí)行過程中，設(shè)計(jì)問題的分析過程會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以保存在iSIGHT數(shù)據(jù)庫文件中，而數(shù)據(jù)庫文件可以自動(dòng)產(chǎn)生也可以由用戶指定路徑，這樣就大大增強(qiáng)了操作和管理靈活性，極大的降低了獲得較優(yōu)的可行設(shè)計(jì)方案所需的時(shí)間。41呂比W：DBiEBih-AEH-VheLhDafBdbHSM34廣DWBiria購鄧*JKIHurftf廣口4444心.彌|廠QvfcuRumh*fFtf|D.rfCupJtupt*ie*r|bh薊呻機(jī)如珊

20、呦fiRy專圖4.3.29數(shù)據(jù)庫設(shè)置對(duì)話框可以通過以下步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)置：B1點(diǎn)擊任務(wù)管理界面工作條上的Database按鈕*，則彈出圖4.3.29所示的數(shù)據(jù)庫設(shè)置對(duì)話框。圖4.3.29中，DatabaseMode選項(xiàng)用來設(shè)置迭代中數(shù)據(jù)庫保存格式，其中Append為延續(xù)模式，而Overwrite為覆蓋模式。DatabaseStorageOption選項(xiàng)用以設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容與格式。2、在SelectDatabaseFileName文本框里輸入數(shù)據(jù)庫名：Cup.db。3、點(diǎn)擊圖4.3.29下方的OK按鈕，則返回任務(wù)管理界面。4.3.4.6過程監(jiān)控設(shè)置圖4.3.30監(jiān)控設(shè)置對(duì)話框我們想了解在設(shè)計(jì)搜索

21、的過程中各設(shè)計(jì)變量的變化情況，因此只需要用表格的形式列出各變量的值即可。=圖4.3.31插入表對(duì)話框1.點(diǎn)擊圖4.3.30工具條中的Table表，則彈出圖4.3.31所示的插入表對(duì)話框。3、選擇TableType選項(xiàng)下邊的Custom，并點(diǎn)擊OK確認(rèn)后返回監(jiān)控設(shè)置對(duì)話框，如圖4.3.32所示。圖4.3.32插入表后的監(jiān)控設(shè)置對(duì)話框4、用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊表Customtable，在隨后彈出菜單中選擇FittoWindow1選項(xiàng)，則最終的監(jiān)控界面如圖4.3.33所示,(1)圖4.3.33過程監(jiān)控界面4.3.4.7執(zhí)行計(jì)算在執(zhí)行計(jì)算之前，我們需要先對(duì)文件進(jìn)行一下保存。1設(shè)任務(wù)管理界面為當(dāng)前界面，點(diǎn)擊Fi

22、le菜單下的Save按鈕進(jìn)行保存。2、點(diǎn)擊任務(wù)管理界面工具條上的Execute執(zhí)行按鈕，則任務(wù)開始執(zhí)行。3、重設(shè)任務(wù)監(jiān)控界面為當(dāng)前工作界面，就可以實(shí)時(shí)觀看設(shè)計(jì)搜索的過程了。經(jīng)過76次調(diào)用Cup.exe后，分析結(jié)束，最終的監(jiān)控界面如圖4.3.34所示。在求解結(jié)束的同時(shí)，系統(tǒng)彈出執(zhí)行結(jié)果報(bào)告，如圖4.3.35所示。圖4.3.34求解結(jié)束時(shí)監(jiān)控界面注：圖4.3.35中的最有一次求解結(jié)果并不一定是最優(yōu)結(jié)果。rEcvtiuHiKwaitp!Sia&qrv口冋闔3EziXU.C.undraLd.cT-x-aflE-asnE-i-9TLStepli陽強(qiáng)也工皿電*匚Ofeiair-L-oaROSTEE.哄FPFVV工#3UE.tVr1QbjecckvwAndfv-MBLcy-J.Miw*-re.,估丹*-J.