专利名称：一种多域系统的设计和优化方法
技术领域：
本发明涉及系统工程技术领域，具体涉及多域系统的设计和优化的方法。
背景技术：
所谓系统，是指由相互关联、相互制约、相互作用的一些部分所组成的具有某种功能的有机整体。系统工程是以系统理论为依据，以整个系统为研究对象，从全局统一考虑，运用运筹学、概率学与统计学、控制论、信息论、管理学、经济学及计算机科学等科学理论与方法去权衡解决问题，实现系统整体性价比最优的一门学科。在系统工程初期阶段，系统产生的信息均是以文档的形式来描述和记录，但是随着系统的规模和复杂程度的不断提高，这种基于文档的系统工程面临的困难越来越突出，如信息表示不准确，容易产生歧义、难以从海量文档中查找所需信息、无法与其他工程领域的设计相衔接(如软件、机械、电子等)。为了解决这些问题，基于模型的系统工程MBSE(Model Based Systems Engineering)便产生了，这也正是未来系统工程发展的必然趋势。基于模型的系统工程MBSE与传统的基于文档的系统工程最显著的区别在于，在MBSE中，系统设计开发过程中的所有信息均是以模型来表示。这种方法具有如下几个优
占-
^ \\\ ·知识表示的无二义性，模型是一种高度形式化的表示方法，它具有模块化、无歧义、可重用等优点，采用模型可以准确统一地表示系统的各个方面，如功能、结构、行为等。便于交流和传播，由于开发团队以及项目参与者的分散性，系统相关信息需要在不同人群之间进行交流和传播。由于模型本身的精确性，它在不同涉众之间建立起了无二义的交流规则，使得不同人对同一模型具有统一的理解。支持信息的转换，系统生命周期中包含着许多信息转换过程，如设计人员需要根据需求信息产生系统的设计。基于模型的表示使得信息转换能够更加方便甚至自动化进行，如从设计模型生成仿真模型从而便于对设计的验证。支持模型的集成，模型可以清晰地表示各种信息之间的关系，这不仅使得系统层的需求模型、结构模型、行为模型可以有机地联系在一起，也使得各领域的详细设计模型可以与抽象的系统层模型之间建立关联，从而支持各种模型的集成。MBSE因为其优点而正被系统设计者广泛地采用，为了支持MBSE，国际系统工程学会(International Council of Systems Engineering, INCOSE)和对象管理组织(Ob jectManagement Group, 0MG)联合提出了系统建模语言(Systems Modeling Language, SysML),SysML是一种通用的针对系统工程应用的建模语言，它可以支持包含硬件、软件、信息等多领域系统的描述、设计、分析、验证等。基于标准系统建模语言SysML，系统设计人员可以基于统一的图表如结构图表、行为图表和参数图方便地表达其设计意图。但其设计结果是否满足要求、是否为最优则不是设计建模能完成的任务，必须通过优化过程来完成。目前，在多域复杂产品的系统设计层面，系统设计与系统优化还是分为两个不同过程、应用不同软件平台来实现的，其中需要经过数据的转换与重新建模，十分费时费力且易出错，因此，如何在系统设计过程中支持相关设计信息的提取并构建正式系统优化模型、然后将其自动传递给优化工具、从而实现系统的自动优化仍然是一个开放的问题，没有解决。
发明内容
本发明的目的是解决系统设计建模和系统优化的集成问题，在系统设计过程中完成相关设计信息的提取并构建系统优化模型，从而能实现系统的优化。一种多域系统的设计和优化方法，包括步骤基于系统建模语言SysML对系统优化方法进行形式化表示，并使用SysML扩展机制定义系统设计模型的表示规范；根据待设计和优化的多域系统功能需求分析，基于所述表示规范建立系统设计模·型，自动提取系统优化模型；调用所述的系统优化方法对所述系统优化模型进行自动求解，并将优化结果返回到系统设计模型，根据优化结果对系统设计模型进行优化。其中，所述系统设计模型的表示规范包括系统优化约束条件表示规范，优化目标表示规范，模型实例表示规范，特定领域参数表示规范，约束参数与优化变量属性映射关系表示规范，以及约束参数与特定领域参数映射关系表示规范。所述优化约束条件包括上下边界约束条件、线性相等约束条件、线性不等约束条件、非线性相等约束条件和非线性不等约束条件。所述SysML扩展机制定义的表示规范包括用于表示规范扩展的标识，扩展名称和所述扩展名称对应的基类。进一步地，所述自动提取系统优化模型，包括步骤A)根据待设计和优化的多域系统功能需求，建立系统设计模型，根据优化约束条件表示规范和优化目标表示规范进行解析操作，提取优化约束条件和优化目标信息并保存；B)根据约束参数与优化变量属性映射关系表示规范，提取约束参数与系统优化变量间的连接关系信息，保存约束参数类型、数值等信息，并保存其对应的系统优化变量类型、数值等信息；C)根据约束参数与特定领域参数表示规范，提取约束参数与特定领域参数间的连接关系信息，保存约束参数类型、数值等信息，并保存其对应的特定领域参数类型、数值等信息；D)根据模型实例表示规范，针对某个特定的系统优化变量，创建模型实例，根据其包含的属性信息和功能需求，为系统优化变量赋予初始值；E)提取上述保存的所有信息，形式化地构建系统优化模型。进一步地，在提取系统优化模型的过程中，需要进行优化变量和约束参数之间的传递，通过约束参数与优化变量属性映射关系，建立左右两端定义的一一映射关系将优化变量的值传递到约束参数。进一步地，在提取系统优化模型的过程中，需要进行特定领域参数和约束参数之间的传递，通过约束参数与特定领域参数映射关系，建立左右两端定义的一一映射关系将特定领域参数值传递给约束参数。本发明基于系统建模语言SysML，提出了一种多域系统设计和优化的集成方法，通过系统建模语言SysML及其扩展机制对系统优化方法和表示规范进行了定义，在系统建模后提取系统优化模型并进行优化求解，并将求解结果返回到系统设计模型，完成系统的建模和优化，有效地将系统设计和优化进行了结合。
图I为本发明多域系统的设计和优化的方法流程示意图；图2为本发明约束参数与优化变量映射示意图；图3为本发明特定领域参数与约束参数映射示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例子对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例子不构成对本发明的限定。如图I方法流程图所示，本发明基于系统建模语言SysML，实现多域复杂系统设计和系统优化的集成，包括步骤如下步骤I、基于SysML对系统优化方法进行形式化表示，使用SysML扩展机制定义系统设计模型的表示规范。具体地，基于SysML给出系统优化方法的形式化表示是将目前流行的系统优化方法进行基于SysML的形式化定义，以便在后续的步骤中可以在系统设计平台中自动地调用这些优化方法，例如，使用MATLAB软件中自带的fmincon (FUN, X0, A, B, Aeq, Beq, LB, UB, NONLCON),其参数具体涵义分别是FUN表示优化目标，XO表示优化初始值，A表示线性不等优化约束条件的系数矩阵，B表示线性不等优化约束条件的右端值矩阵，Aeq表示线性相等优化约束条件的系数矩阵，Beq表示线性相等优化约束条件的右端值矩阵，LB表示优化变量取值下界，UB表示优化变量取值上界，N0NLC0N表示非线性优化约束条件，针对这个方法包含的参数，使用SysML扩展机制对其进行表示，例如，使用〈〈c_obj>>扩展表示FUN优化目标这个参数。具体地，系统设计模型表示规范包括优化约束条件表示规范，优化目标表示规范，优化模型实例表示规范，特定领域参数表示规范，约束参数与优化变量属性映射关系表示规范，特定领域参数与约束参数映射关系表示规范。所定义的表示规范均保存为模块化的形式以提供给后续的加载使用。优化约束条件和优化目标都是关于优化变量的函数，优化目标和优化约束条件通过约束模块进行表达。需要说明的是，SysML扩展机制是指被加载了某个扩展的对象拥有此扩展所定义的涵义，如表I所示，〈〈stereotype 表示它是一个扩展,其下面的文本表示该扩展的名字以及被赋予的涵义，如c_obj表示扩展的对象为一个优化目标，最下面使用中括号标注的文本表示此扩展所属的基类，表中c_obj扩展的基类为要素Element。如表I所示，优化约束条件是系统设计模型中所满足的约束规律，包含上下边界约束条件(使用c_bou扩展表示)、线性相等约束条件(使用c_equ扩展表示)、线性不等约束条件(使用c_neq扩展表示)、非线性相等约束条件(使用c_nle扩展表示)和非线性不等约束条件(使用c_nln扩展表示)。
权利要求
1.一种多域系统的设计和优化方法，其特征在于，包括步骤 基于系统建模语言SysML对系统 优化方法进行形式化表示，并使用SysML扩展机制定义系统设计模型的表示规范； 根据待设计和优化的多域系统功能需求分析，基于所述表示规范建立系统设计模型，自动提取系统优化模型； 调用所述的系统优化方法对所述系统优化模型进行自动求解，并将优化结果返回到系统设计模型，根据优化结果对系统设计模型进行优化。
2.根据权利要求I所述的多域系统的设计和优化方法，其特征在于，所述系统设计模型的表示规范包括系统优化约束条件表示规范，优化目标表示规范，模型实例表示规范，特定领域参数表示规范，约束参数与优化变量属性映射关系表示规范，以及约束参数与特定领域参数映射关系表示规范。
3.根据权利要求I所述的多域系统的设计和优化方法，其特征在于，所述SysML扩展机制定义的表示规范包括 用于表示规范扩展的标识，扩展名称和所述扩展名称对应的基类。
4.根据权利要求2所述的多域系统的设计和优化方法，其特征在于，所述优化约束条件包括上下边界约束条件、线性相等约束条件、线性不等约束条件、非线性相等约束条件和非线性不等约束条件。
5.根据权利要求2所述的多域系统的设计和优化方法，其特征在于，所述自动提取系统优化模型，包括步骤 A)根据待设计和优化的多域系统功能需求，建立系统设计模型，根据优化约束条件表示规范和优化目标表示规范进行解析操作，提取优化约束条件和优化目标信息并保存； B)根据约束参数与优化变量属性映射关系表示规范，提取约束参数与系统优化变量间的连接关系信息，保存约束参数类型、数值等信息，并保存其对应的系统优化变量类型、数值等信息； C)根据约束参数与特定领域参数表示规范，提取约束参数与特定领域参数间的连接关系信息，保存约束参数类型、数值等信息，并保存其对应的特定领域参数类型、数值等信息； D)根据模型实例表示规范，针对某个特定的系统优化变量，创建模型实例，根据其包含的属性信息和功能需求，为系统优化变量赋予初始值； E)提取上述保存的所有信息，形式化地构建系统优化模型。
6.根据权利要求5所述的多域系统的设计和优化方法，其特征在于，还包括步骤通过约束参数与优化变量属性映射关系将优化变量的值传递到约束参数。
7.根据权利要求5所述的多域系统的设计和优化方法，其特征在于，还包括步骤通过约束参数与特定领域参数映射关系将特定领域参数值传递给约束参数。
全文摘要
本发明公开了一种多域系统的设计和优化方法，基于系统建模语言SysML对系统优化方法进行形式化表示，并使用SysML扩展机制定义系统设计模型的表示规范；根据待设计和优化的多域系统功能需求分析，基于表示规范建立系统设计模型，自动提取系统优化模型；调用系统优化方法对所述系统优化模型进行自动求解，并将优化结果返回到系统设计模型，根据优化结果对系统设计模型进行优化。本发明的方法有效地将系统设计和优化进行了结合，在系统设计过程中实现了系统的自动优化。
文档编号G06F17/50GK102890740SQ20121040871
公开日2013年1月23日 申请日期2012年10月23日 优先权日2012年10月23日
发明者刘玉生, 袁文强 申请人:浙江大学