基于知识工程的智能优化软件系统IOPS

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.06.011 第18卷第6期 北京科技大学学报 Vol.18 No.6 1996年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1996 基于知识工程的智能优化软件系统IOPS* 翁海珊陈立周 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要根据知识工程理论研究了一种智能型的优化设计软件系统OP$,该系统集成了连续、离散、 随机变量的14种优化算法程序，并通过模型诊断、算法选择，多目标决策、参数设计等专家系统的 并行操作，实现了优化设计过程自动化. 关键词优化设计，算法程序，知识工程，智能软件系统 中图分类号P391.72,TH122 多年来的实践证明，当前的所有优化设计软件包（或库）都存在一些共同的缺点，如算法 程序的通用性、计算的可靠性和人机界面性较差、使用复杂，给工程设计人员带来不少的困 难，也因此阻碍了优化设计技术在工程中的广泛推广应用.随着知识工程技术的发展，为了改 善目前优化设计软件的状况，开始在优化设计软件中引人专家系统技术·~，但大多数是属 于针对某种设计对象（如弹簧、阀门防空穴装置或齿轮箱等）或是针对非线性规划方法库.显 然，它们都还不能完全实现优化设计中的符号推理及数值计算过程总控的智能化.因此，从工 程应用来看，需要发展一种完善的智能优化设计软件支撑系统. 1对IOPS系统的基本要求 当前，在工程设计软件的发展中，一个最有前途的领域是将各种设计、计算程序置于一种 基于知识工程的智能系统的环境上运行，使其能模拟领域专家解决实际问题.因此，一种先进 的优化设计软件必须能同时处理几种不同类的设计信息一数学公式，符号、数值、经验以及 图形等，使之综合实现设计思维、计算和决策过程的智能化也就是说，它必须具备以下特点： (1)能帮助设计人员正确、方便地建立优化设计模型，因此要求该系统具备柔性的建模能 力 (2)能自动识别模型的类型，函数的性态、设计变量的型式. (3)能自动选择合适的优化算法、操作参数，并能保证计算出正确的结果. (4)能有自学习的能力，即具备协助设计人员处理错误、积累有用信息、不断补充、修正知 识库中知识的能力. (5)应有一个简明而注释丰富的人机界面，使设计人员易于使用. 建立这样的优化算法程序系统，知识工程的应用是必不可少的. 1995-03-25收橘第一作者女50岁剧教授 事国家自然科学基金资助项目

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 基于 知识工程 的智 能优化软件系 统 翁海珊 陈立 周 北京科技 大学机械工 程 学 院 ， 北京 摘要 根据知识工程理论研究 了 一 种智能型 的优化设计软件系 统 该系 统集成 了连续 、 离散 、 随机变量 的 种优化算法程序 ， 并 通过模 型 诊 断 、 算法 选择 、 多 目标决策 、 参数设计等 专家系 统的 并行操作 ， 实现 了 优化设计过程 自动化 关键词 优化设计 ， 算法程 序 ， 知识工程 ， 智能软件系 统 中图分类号 ， 多 年来 的实 践证 明 ， 当前 的所 有 优 化设计 软件 包 或 库 都存 在 一 些 共 同 的缺 点 ， 如算法 程 序 的通 用 性 、 计 算 的 可 靠 性 和 人 机 界 面 性 较 差 、 使用 复 杂 ， 给 工 程 设计人 员 带来 不 少 的 困 难 ， 也 因此 阻 碍 了优化设计技 术在 工程 中的广泛 推广应用 随着 知识工 程 技术 的发展 ， 为 了改 善 目前 优 化设 计软 件 的状 况 ， 开始 在 优 化设计 软件 中引人 专家 系 统技 术〔 ’ 一 ， 但 大 多 数是 属 于 针 对某 种 设 计对象 如 弹簧 、 阀 门防空 穴 装置 或齿 轮箱等 或是 针 对非 线性规划 方 法 库 显 然 ， 它们都 还 不 能 完全 实 现优化设计 中的符号 推理及 数值计算过程 总控 的智能化 因此 ， 从工 程 应用 来 看 ， 需 要 发展 一种 完 善 的智 能优化设计 软件 支 撑 系 统 对 系统 的基本要求 当前 ， 在 工 程设计 软件 的 发展 中 ， 一个 最有 前 途 的领 域是 将各 种设计 、 计算程 序置 于 一 种 基于 知 识 工 程 的智能 系 统 的环 境 上 运 行 ， 使其 能模拟 领域 专家解 决 实 际 问题 因此 ， 一 种 先 进 的优 化 设计 软件 必 须 能 同时处理 几 种 不 同类 的设计信 息— 数学公 式 、 符 号 、 数值 、 经 验 以及 图形 等 ， 使 之 综合实现设计思 维 、 计算 和 决策过程 的智 能化 也就是 说 ， 它必须具备 以 下 特点 能 帮助 设计人 员 正 确 、 方便 地 建 立 优 化设计模 型 ， 因此要求 该 系 统具备柔 性 的建模 能 力 能 自动 识别模 型 的类 型 、 函数 的性 态 、 设计变 量 的型 式 能 自动 选 择合适 的优化算 法 、 操作参数 ， 并 能保证 计算 出正 确 的结果 能有 自学 习 的能力 ， 即具 备协助 设计 人 员处理 错误 、 积 累 有 用 信 息 、 不 断补 充 、 修 正 知 识库 中知 识 的能力 应有 一个 简 明而 注释 丰富 的人 机界 面 ， 使设计人 员易 于 使 用 建 立 这样 的优化算法 程 序 系统 ， 知 识工 程 的应 用 是 必 不 可 少 的 一 一 收 稿 第 一 作 者 女 岁 副教 授 国 家 自然科学基 金 资 助 项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001—53x．1996．06．011

Vol.18 No.6 翁海珊等：基于知识工程的智能优化软件系统IOPS ·543· 2IOPS的基本结构 智能型优化设计软件系统1OPS的结构如图1所示，它由3个主要部分组成，即工程优化 算法程序库EOPB、设计知识中心型的专家系统平台WESS和智能支撑系统IDOSS 专家系统平台WESS 优化设计 算法程序 知识库 事实库 规则库 推理机 库EOPB 系统界面 数据库 智能支 撑系统 IDOSS 系统接口 CAD系统 知识获 解释 取机制 机制 专家接口 用户接口 人机界面 专家 用户 图1智能型优化设计软件系统IOPS的结构 2.1 工程优化算法程序库EOPB EOPB由14个用FORTRAN语言编写的优化算法程序集合而成，见图2.EOPB的主要特 工程优化设计算法程序库EOPB 连续变量优化设计方法包COD 离散变量优化设计方法包MOD 随机变量优化设计方法包SOD 复合型法 可行方向法 惩罚函数法 约束变尺度法 FDOP SUMT 离教直接搜索法MDOD 离散组合型法MDCP 离散试探组合型法MDHP 离散随机搜索法MDR 离散几何规划法MDGP 随机模拟搜索法SMOD 随机平均梯度逼近法 拉氏随机通近法 随机拟次梯度投影法 随机拟次梯度齿形法 SDOD 图2 工程优化设计算法程序库EOPB的组成

翁海珊等 基于 知识工程 的智 能优化软件系 统 的基本结构 智 能型 优化设计 软件 系 统 的结构 如 图 所示 ， 它 由 个 主要 部分组 成 ， 即 工程 优 化 算法 程 序库 、 设计 知识 中心 型 的专家系 统平 台 和 智能 支撑 系 统 一系接系界统面口 专家系统平台 赢石门 优化设计 算法程序 理机推 库 智能支 撑系统 知识获 取机制 解释 机制 图 专家接 口 用 户 接 口 入机界 面 专家 用 户 图 智能型优化设计软件系统 的结构 工 程优化 算法 程序 库 由 个用 语 言编 写 的优化算法 程 序集合 而 成 ， 见 图 的主要 特 复合法型 惩罚数法函 图 工 程优化设计算法程序库 的组成

·544· 北京科技大学学报 1996年No.6 点是包含了适合于工程设计的一些新方法，如离散变量优化设计方法和随机变量的优化设计 方法.它们通过支撑系统的通讯机制，与用户的统一格式的数学模型接通，可解连续、离散和 随机变量的非线性函数的各类工程设计问题.各种算法的集成化是基于智能管理，当支撑系 统的驱动机制发出指令时，即能准确无误地起动指定算法；计算结束后又能自动生成输出文 件送往中间数据库或解释机制，保证了内部正常运行及与外部模块间数据传输的畅通无误. 2.2知识中心型的专家系统平台WESS 专家系统平台WESS的组成如图3所示.它由6个专家系统组成. (1)模型诊断系统辨识模型格式与表达式的语 法错误，辨识有碍于正确求解的重复设计变量、矛盾和 模型诊断系统 冗余约束条件. 模型识别系统 (2)模型识别系统识别变量、参数的类型和数 量；目标函数、约束函数的类型、数量及其性态，提取相 系统平 算法选择系统」 应的特征量并存储于中间数据库中， 0 多目标决策系统 (3)多目标决策系统根据模型的特征量，选择最 E 适合的多目标处理模型形式和权因子， 运行解的评价与处理系统 (4)算法选择系统根据从模型中提取的特征量， 优化设计知识自学习系统 提出最适合于求解该模型的优化算法，并根据优化领 域专家的经验，提供操作参数的最适宜的赋值， 图3专家系统平台WESS的组成 (5)运行解的评价与处理系统协助用户对计算结果进行评价.对结果不满意时，提出后 续处理的建议，如修改操作参数、数据文件，改变功能选择直至改换算法或修改模型， (6)优化设计知识自学习系统以机械记忆和无导师学习方法在系统运行中或在计算结 束时将一些有价值的信息（特别是有关算法的一些操作参数值）进行信息转换与处理，以便对 现有知识库中的数据和知识进行增补和修改，使系统的知识库和数据库在使用中不断完善， 以上几个专家系统集成为平台WE$S,并共享知识库，数据库、推理机制、知识获取机制 和解释机制等. 2.3智能支撑系统ID0SS 智能支撑系统IDOSS由驱动机制和通讯机制两部分组成. (1)驱动机制主要的任务是实现优化设计过程的总控.它一方面可以控制开式直线链 的驱动，即从建模→选择算法→输入数据→计算结果，另一方面可以控制闭式多重循环链的 驱动，即在实现直线链的基础上对计算结果→评价→再设计→再评价…，直至获得满意的 结果为止 (2)通讯机制主要的任务是实现各个子系统之间的信息传输，包括EOPB系统与 WESS的知识库、数据库之间的指令传递、数据存贮以及与各界面、各接口间的信息传输. 2.40PB系统的界面 整个系统的界面包括人机界面和系统界面，人机界面采用中文显示，其中有一个用户接 口，它为设计人员与系统交流信息、参与设计提供了方便；另一个是专家接口，实现专家对本

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 年 点是 包含 了适 合 于 工 程设计 的 一些 新 方 法 ， 如 离散变量 优 化设计方 法 和 随机 变量 的优化设计 方 法 它 们通 过 支撑 系 统 的通 讯机 制 ， 与用 户 的 统一格 式 的数学模 型 接通 ， 可 解 连续 、 离散和 随机 变 量 的非 线性 函 数 的 各 类 工 程 设计 问题 各 种 算 法 的集 成 化是 基 于 智 能 管 理 ， 当支撑 系 统 的驱 动 机 制 发 出指 令 时 ， 即 能 准确 无误地 起 动指 定 算法 计算结 束 后 又 能 自动 生 成 输 出文 件送往 中 间数据库 或解 释 机 制 ， 保证 了 内部正 常运行及 与外 部模块 间数据传 输 的畅通 无误 知 识 中心型 的专家 系统平 台 专家 系 统平 台 的组成 如 图 所示 它 由 个 专家 系 统组成 模 型 诊 断系 统 辨 识 模 型 格 式 与表 达 式 的语 法 错误 ， 辨 识 有 碍 于 正 确 求解 的重 复设计变量 、 矛盾 和 冗余 约束 条件 模 型 识 别 系 统 识 别 变 量 、 参 数 的 类 型 和 数 量 目标 函 数 、 约束 函 数的类 型 、 数量及 其性 态 ， 提取相 应的特 征量 并 存储于 中间数 据库 中 多 目标 决策 系 统 根 据模 型 的特 征量 ， 选 择最 适合 的多 目标处理模 型形 式 和权 因子 算 法 选 择系 统 根 据从模 型 中提 取 的特征量 ， 提 出最 适 合 于 求 解 该模 型 的 优 化 算 法 ， 并 根 据 优 化 领 域 专家 的经验 ， 提供操作参数 的最 适宜 的赋值 图 专家系统平 台 的组成 运 行解 的评 价 与处理 系 统 协助 用 户 对计 算结果 进行评价 对结果 不 满意 时 ， 提 出后 续处理 的建 议 ， 如修 改操 作 参数 、 数据 文件 ， 改变 功 能 选 择直至 改 换算法 或修改模 型 优化设计知 识 自学 习 系 统 以 机械 记忆和 无 导师学 习方 法 在 系 统运 行 中或在计算结 束 时将一 些 有 价值 的信 息 特 别是 有 关算 法 的一些 操作参数值 进行信 息转换 与处理 ， 以 便对 现有知 识 库 中 的数据 和 知 识 进行 增 补 和 修改 ， 使系 统 的知识 库和 数据库在使 用 中不 断完 善 以 上 几 个 专家 系 统集 成 为 平 台 ， 并 共 享 知 识 库 、 数 据库 、 推理 机制 、 知 识 获取 机 制 和 解 释 机 制等 智能支撑系统 智 能支撑 系 统 由驱 动 机 制 和 通 讯机 制 两部分 组成 驱 动机 制 主 要 的任务是 实现 优化设 计过 程 的总控 它 一方 面 可 以 控 制开 式直线链 的驱 动 ， 即从建模 、 选 择算法 、 输人 数据 、 计算结果 ， 另 一方 面 可 以控 制 闭式 多 重循 环链 的 驱 动 ， 即在 实现直线链 的基 础 上 对计算结果 评价 再设计 再评价…… ， 直 至获得 满意 的 结果 为止 通 讯 机 制 主 要 的 任 务 是 实 现 各 个 子 系 统 之 间 的 信 息 传 输 ， 包 括 系 统 与 的知 识 库 、 数 据库 之 间的指 令传递 、 数 据存贮 以及 与各界 面 、 各接 口 间 的信息传输 系统 的界面 整 个 系 统 的界 面 包 括 人 机 界 面 和 系 统界 面 人 机 界 面 采 用 中文 显示 ， 其 中有 一个用 户 接 口 ， 它 为 设 计人 员 与 系 统交 流 信息 、 参 与设计 提 供 了 方 便 另 一 个是 专家 接 口 ， 实现 专家 对 本

Vol.18 No.6 翁海珊等：基于知识工程的智能优化软件系统OPS ·545· 系统的维护，对知识库的补充和修改.系统界面是为本系统与CAD系统及其他自动设计系统 的联接提供了接口， 3IOPS系统的特点 与一般优化设计软件系统比较，它具有以下几个显著的特点. (1)面向工程设计人员研制IOPS系统的目的主要是为工程设计人员在使用优化设计 方法解决工程问题时提供一套基本工具.为此，①它与一般数学规划方法不同，包含了几种较 新的优化方法，如离散变量和随机变量的优化设计方法、多目标的处理决策等；②具有中文显 示的友好界面，使对于不很熟悉优化设计方法的工程设计人员亦能根据屏幕的指示逐步进行 设计，并保证可靠地获得计算结果. (2)具有多种集成处理技术和运行机制为了保证应用IOPS系统能顺利地解决实际问 题，因此，①该系统具有诊断型、决策型、设计型等几类专家系统协调运行的集成处理、数值计 算与符号推理的集成处理、FORTRAN和C语言混合编程的集成处理；②该系统可以实现开 式直线链式和闭式多重循环链式的设计驱动， (3)具有较强容错性和运行可靠性的IOPS系统类似于一个黑箱.当使用中出现错误时，都 能及时检出错误，给出警告，提出更正的信息，因此保证了系统的正常运行. 4应用举例 现在对YSP-14型压力容器进行可靠性优化设计.已知所用材料为A20,厚度 h-(3±△h)mm,要求满足H-R≥30，强度可靠性（即不失效概率）在95%以上时，确定最 大容积V所对应的压力容器的几何尺寸R和H. 根据要求，IOPS系统协助用户建立如下数学模型： ×=[x]=[R,H'e(2,R,P)CR2 @=[@][os,P.,h]TE(,E,P)C R3 minf×,0)=4.188(x,-w)3+2r(x,-m)(x2-x) st.P{g(x,w）=ωz1-2ω，四3≤0}≥95% P{82(x,ω）=0x1(2x-x)-2ω0，≤0}≥95% P{g,x,ω)=x1-x2+30≤0}=1 x1x2>0 启动OPS系统的建模专家系统，模型诊断系统对输人的数学模型检查无误后，以优化算 法所能接受的模型格式存储；模型识别系统自动按变量、参数的性质、目标函数和约束函数的 性态提取特征量；算法选择系统按特征量选择了随机变量优化设计方法包中的SMOD算法； 并按照用户提供的以下信息建立数据文件POD.DAT,SMOD.DAT: x1心2为正态分布，离差系数为0.03，随机参数w,(许用应力o,),w,(钢板厚度h)为正态分 布，w2(容器内压力P。)为对数正态分布，即w,~N(387.09,38.709),ω2~LN(14.495,1.4495) w3~N(3,0.1133)

石 翁海珊等 基于 知 识工程 的智 能优化软件系统 系 统 的 维 护 、 对知 识库 的补 充 和 修 改 系 统界 面是 为本 系 统 与 系 统及 其他 自动设计 系 统 的联接提供 了接 口 系统的特点 与一般优化设计 软件 系 统 比较 ， 它具 有 以 下几个 显著 的特 点 面 向工 程 设计人 员 研 制 系 统 的 目的 主要 是 为工 程 设计人 员 在 使用 优 化设计 方法解 决工 程 问题 时提供一套基 本工具 为此 ， ① 它 与一 般数学规划 方 法 不 同 ， 包含 了几种 较 新 的优化方法 ， 如离散变 量 和 随机变量 的优化设计方法 、 多 目标 的处理 决策等 ②具有 中文显 示 的友 好界 面 ， 使对于 不 很熟悉优化设计方法 的工程设计人员 亦 能 根 据屏 幕 的指 示 逐 步进行 设计 ， 并 保证 可 靠地 获得 计算 结果 具 有 多 种 集成 处理 技 术 和 运 行 机 制 为 了保证 应 用 系 统能 顺利 地 解 决 实 际 问 题 ， 因此 ， ① 该 系 统具 有诊 断型 、 决 策 型 、 设计 型等几类 专家系 统协调 运行 的集 成处理 、 数值计 算 与符 号 推理 的集 成处 理 、 和 语 言混合 编 程 的集成 处理 ② 该 系 统可 以 实 现 开 式直线链 式 和 闭式多重 循 环链式 的设计驱 动 具有 较强容 错 性 和 运行 可靠 性 的 系 统类似于 一个 黑箱 当使 用 中 出现 错误 时 ， 都 能及 时检 出错误 ， 给 出警告 ， 提 出更 正 的信息 ， 因此 保证 了系 统的正 常运行 应用 举例 现 在 对 一 型 压 力 容 器 进 行 可 靠 性 优 化 设 计 已 知 所 用 材 料 为 ， 厚 度 土 乙 ， 要 求满足 一 全 ， 强度 可 靠 性 即不 失效 概 率 在 以 上 时 ， 确 定 最 大容 积 所 对应 的压力容器 的几何尺 寸 和 根 据要 求 ， 系 统协助 用 户建 立 如 下 数学模 型 一 声 一 ，川 ‘ 。 ， ， 尺， 田 田 ，田 ，田 ， 、 ， ‘ 。 ，， 天， ， 。 一 一 。 ， 兀 ， 一 。 一 · ，田 田 ， 一 田 田 ‘ 七 王易 ，臼 。 产 圣 一 一 。 ，。 圣‘ 全 笼 ，毋 一 ‘ 声 启动 系 统 的建模 专家系 统 ， 模 型诊 断系 统对输人 的数学模 型检 查 无误后 ， 以 优化算 法所 能接受 的模 型格 式存储 模 型 识 别系 统 自动按变量 、 参数的性 质 、 目标 函数 和 约束 函 数的 性态提 取 特征量 算 法 选 择系 统按 特 征 量 选 择 了 随机 变 量 优化设计 方 法 包 中的 算 法 并按 照用 户提供 的 以 下 信息建 立 数 据文 件 ， 二 声 为正 态分 布 ， 离差 系数 为 ， 随机 参数 。 许用 应 力 吼 ， 。 ， 钢板厚度 为正 态分 布 ， 臼 容 器 内压 力 为 对数 正 态 分 布 ， 即 臼 ，一 · ， · ， 田 一 · ， · ， 田 一 ， · ·

·546 北京科技大学学报 1996年No.6 经过计算，求得结果：x,x,的最优均值为(79.72,147.29)mm,日标函数()的均值为4.23 ×10-3m3,3个随机约束的概率为(99.7%，95.6%，100%)，满足了计算要求. 由不熟悉优化设计方法的工程技术人员在OPS系统的协助下，算得的结果与优化设计 专家凭长期的工作经验计算得到的结果一致， 5结束语 与目前国内外其他优化方法程序包（或库）相比，基于知识工程的智能型优化设计软件系 统IOPS具有很大的优越性，经过实例运行，系统能完成多项功能. 参考文献 1 Schittkowski K.EMP:An Expert System for Mathematical Programing.Mathematisch Institut Univ Bayreuth,1990(D-8700):125~157 2 Balachandran M,Gero J S.Development of A Knowledge-based System for Structural Optimiza- tion.Al in Computational Eng,1992(1):17~24 3 Chen J L.The Development of an Intelligent Computer-aided Optimal Design Enviroment for Mechan- ical Design Desicion-making.Joint Seminar on Recent Developments in Mechanical Design,1990. 11 4 Balachandrau M.Gero J S.A Knowledge-based Approach To Design Modelling and Optimization. Engineering Optimization.1987(12):91~115 5杨叔子，丁洪，史铁林.基于知识的诊断推理.北京：清华大学出版社，1993.49~54 Development of Intelligent Optimination Software System IOPS for Engineering Design Weng Haishan Chen Lizhou College of Mechanical Engineering.USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT Based on the principle of knowledge engineering,an intelligent optimization software system IOPS that can be applied to the engineering design is investigated.It is an integrated intelligent program including fourteen kinds of the algorithms for continual, discrete and stochastic variables.This system completes automatic treatment of the symbolic reasoning and numeric calculating in optimization through the concurrent proccess- ing of the optimization modelling,diagnose of models,selection of algorithm,made deci- sion of multi-objective and valuation of operating parameter etc.expert systems. KEY WORDS optimal design,algorithm program,knowledge engineering,intelligent soft- ware system

· 北 京 科 技 大 学 学 报 年 经 过 计算 ， 求 得 结 果 ， 的最优 均值 为 ， ， 目标 函 数 的均值 为 一 ’ ， ， 个 随机 约束的概 率为 ， ， ， 满足 了计算要 求 由不 熟 悉 优 化 设 计方 法 的工 程 技 术人 员在 系 统 的协助 下 ， 算得 的结 果 与优 化设计 专家凭 长期 的工作 经验计算 得 到 的结果 一致 结束语 与 目前 国 内外 其他 优化方 法 程 序 包 或库 相 比 ， 基 于 知 识 工程 的智 能 型 优化设计 软件 系 统 具有 很大 的优越性 经 过 实例运行 ， 系 统 能完成多 项 功 能 参 考 文 献 ， 一 一 ， 灿 一 ’ 奴 ， 一 一 一 ， ， 肠 一 ， 一 杨叔 子 ， 丁 洪 ， 史铁林 基于 知 识 的诊 断推理 北京 清华大学 出版社 ， 一 不于论 ， ， ， 巧 ， ， ， ， ， ， 一 ， ，