D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.02.059 第21卷第2期 北京科技大学学报 VoL21 No.2 1999年4月 Journal of University of Science and Technlogy Beijing Apr.1999 基于可视化的广义优化设计的立论基础 王国彪 北京科技大学资源工程学院，北京100083 摘要从可视化角度探讨了基于可视化的广义优化设计研究的可行性，分析了优化设计与可视 化的相互关系，提出了广义优化设计的基本概念与研究内容， 关键词优化设计；可视化：立项基础 分类号TP311,TH123 1概述 用符号处理技术求优化设计问题的符号形式最 优解)、用大系统理论和优化思想研究机械系统 21世纪的信息处理与应用技术将在深度和 在其总造价和技术指标满足要求下以总可靠度 广度上发生质的飞跃，科学计算不再仅仅基于一 进行最优决策的“全局优化，工程随机变量优 个单维信息空间上的数字化处理平台，取而代之 化设计的拟机会约束法、模糊优化设计方法、集 的将是一个面向对象的多维信息空间 成化智能化优化支撑环境等多项理论研究、在80 (Cyberspace))下的综合集成运作环境.一方面，工 年代出现了广义优化设计的萌芽，剧.但是，现有 程问题的多样性和复杂性，已向经典优化理论提 优化设计方法本身所固有的缺陷仍是制约其理 出了挑战，使得优化设计的领域、层次、过程、目 论向前发展的瓶颈因素，这就是非交互式的计算 标和方法正向“广义”方向发展，并迫切要求与之 机环境、传统的数值迭代思路（由前后迭代点、迭 相适应的优化理论；另一方面，可视化(Visualiza- 代方向和迭代步长3部分组成)、迭代过程绝对的 tion)、分形几何(Fractal Geomtry)和计算机图形 程序化和计算结果纯粹的数值化（无图形信息） 学硬软件的发展，已使传统的“几何”概念的内涵 等 由“狭义”向“广义”方向演变，人们认识物理现象 科学计算可视化(VISC:Visualization in 不再局限于通过单一数字表现形式，而更倾向于 Scientific Computing),又称科学可视化(SV: 用几何图形加以描述.“基于可视化的广义优化 Scientific Visualization)是美国计算机成像专业 设计理论与应用研究”课题正是基于这种发展趋 委员会(CP)应美国国家科学基金会的要求，于 势提出来的.它从系统的行为出发，运用可视化、 1987年在华盛顿召开的一次科学计算专题会上 分形几何、计算机图形学、数据结构和知识工程 首先提出来的，是目前计算机图形学中最热门的 等技术、方法与理论，研究传统的数值化迭代算 研究领域之一，它通过将数字信息转换成几何图 法固有信息的几何性、继承性、共享性，创建多维 形信息，把浩如烟海的数据描绘成“数据风景”， 信息空间下的可视化面向对象的优化设计的新 将不可见的变成可见的，使人们能看到用肉眼看 型运作环境，形成广义优化设计的理论基础（理 不到的东西.它充分利用人脑易于接受图形（像） 论、方法与应用) 视觉信息的神经机理，用形象的图形（像）表达数 国内自80年代初开展大规模优化设计研究 据域中抽象数据所反映的内容，使人们更快、更 至今，先后开发出优化方法程序库OPB-1、常用 直观、更深入地进行科学分析，便于更深刻地认 机械零部件及机构优化设计程序库、工程随机 识、观察实际计算问题的内在本质.进入90年代 变量优化设计方法软件包、基于知识工程的智 后，国外在该领域的研究取得了迅速发展.许多 能优化软件系统IOPS等多种优化设计软件；利 研究机构都制定了发展科学可视化的长期计划， 1998-05-10收稿王国彪男，34岁，副教授，博土 已研制出AVS,apE,RIS,MATHLAB等面向应 ·国家自然科学基金资助课题N0.59705010) 用的可视化系统，并被广泛应用于有限元分析、第2 1卷 1 9 9 9年 第2 期 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s ity o f S e i e n c e a n d T e e h n l o gy B e ij in g V O L Z I AP r. N 0 . 2 1 9 9 9 基于可视化的广义优化设计的立论基础 王 国彪 北京科技大学资源 工程学院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 从可 视化 角度探 讨了基于 可视化的广义优化设计研究 的可行性 , 分析 了优化设计 与可视 化的相互 关系 , 提出 了广义优化设计 的基本概念与 研究内容 . 关键词 优化设计 ; 可视化 ; 立项基础 分类号 T P 3 1 1 , T H 12 3 1 概述 21 世 纪 的 信息处理 与应 用 技 术 将在 深 度 和 广 度 上发 生 质 的 飞跃 , 科 学 计算 不再仅仅基 于 一 个 单维信息 空 间 上 的数 字 化处理 平 台 , 取而 代之 的 将 是 一 个 面 向 对 象 的 多 维 信 息 空 间 (C y be sr aP ce ) 下 的综 合 集 成 运 作 环 境 一方 面 , 工 程 问题 的多 样 性和 复杂 性 , 已 向经典优 化理 论提 出 了挑 战 , 使 得 优化设计 的 领 域 、 层 次 、 过 程 、 目 标 和方 法 正 向 “ 广 义 ” 方 向发展 , 并迫 切 要求 与 之 相 适应 的 优化理 论 ; 另 一方 面 , 可视 化 (iV s us ilz 二 t i o n ) 、 分 形 几 何 ( F r a e at l o e o m ytr ) 和 计 算 机 图形 学 硬 软件 的发 展 , 已 使传统 的 “ 几 何 ” 概 念 的 内涵 由 “ 狭 义 ” 向 “ 广义 ” 方 向演 变 , 人们认 识 物理 现 象 不 再局 限于 通 过单 一数字 表现 形 式 , 而 更倾 向于 用 几 何 图形 加 以 描 述 . “ 基 于 可 视 化 的 广 义 优化 设计 理论 与应 用研究 ” 课题 正是 基于 这 种发 展趋 势 提 出来 的 . 它 从系 统 的行 为 出 发 , 运用 可 视化 、 分 形 几 何 、 计算 机 图形 学 、 数据 结 构 和 知 识 工程 等技 术 、 方 法 与 理 论 , 研 究 传 统 的 数 值 化 迭代 算 法 固有 信息 的几何 性 、 继承 性 、 共 享 性 , 创建 多 维 信息空 间下 的 可 视化 面 向 对象 的 优 化 设 计 的新 型 运作 环 境 , 形 成 广 义 优 化设 计 的理 论基 础 ( 理 论 、 方 法 与应用 ) . 国 内 自 8 0 年 代 初 开展 大规模 优 化设 计 研究 至今 , 先 后开 发 出优 化方 法 程序 库 o P B 一 1 〕 、 常 用 机 械零 部 件 及 机 构 优 化 设 计程 序 库 2[] 、 工 程 随机 变 量优 化设计方 法 软件 包 3[] 、 基 于 知 识 工 程 的智 能优化 软件系 统 IO P s 4[] 等多种 优化 设 计软 件 ; 利 1 9 9 8 一 0 5 一 10 收稿 王 国 彪 男 , 3 4 岁 , 副教授 , 博士 , 国 家 自然科学基金资助 课题N( 。 万 9 7 0 5 01 0) 用符 号处理 技 术 求优化 设计 问题 的符号 形 式最 优解 5[] 、 用 大系 统理 论和优化思 想 研究 机械 系统 在其总造 价和 技术指 标满足 要求下 以总可靠度 进行 最 优决 策 的 “ 全局 优 化 , s6[] 工 程 随机 变量 优 化 设计的拟 机 会约 束法 、 模 糊 优化设计方 法 、 集 成化智能化优化 支撑环 境等多 项理 论研 究 、 在 80 年代 出现 了广义 优 化设 计的萌 芽 7[,8 1 . 但 是 , 现有 优化设 计方 法本身所 固有 的缺 陷仍是 制 约 其 理 论向前 发展 的瓶颈 因素 . 这 就是非 交互 式 的计算 机环境 、 传统的数值迭代思 路 ( 由前 后 迭代 点 、 迭 代方 向和迭代步长 3 部分 组成 ) 、 迭代过程 绝 对的 程序化 和 计算结 果 纯 粹 的数值化 ( 无 图 形信 息 ) 等 . 科 学 计 算 可 视 化 ` , ] (v l s e : v i s u a li z at i o n 恤 s c i e n t iif c C o帅ut in g ) , 又 称 科 学 可 视 化 (s v : S c i e nt iif e V i s u a l说iat o n )是 美 国计 算机 成 像 专 业 委 员 会 (C IP )应 美 国 国家 科 学 基 金 会 的要 求 , 于 1 9 8 7 年 在 华盛 顿召 开 的一 次科 学 计算 专题 会 上 首先 提 出来的 , 是 目前 计算 机 图形学 中最 热 门的 研究 领 域之 一它 通过 将数字信息转 换成几 何 图 形 信息 , 把浩 如烟 海 的数据描 绘 成 “ 数据 风 景 ” , 将 不可 见的 变成 可见 的 , 使人们 能看 到 用 肉眼看 不 到 的东西 . 它 充分 利 用人 脑易 于 接受 图形 ( 像) 视 觉信 息的 神经机 理 , 用形 象 的图形 ( 像)表 达数 据 域 中抽 象 数据 所 反 映 的 内容 , 使 人们 更 快 、 更 直 观 、 更 深 人 地 进行 科学 分 析 , 便 于 更 深 刻 地 认 识 、 观 察实 际 计算 问题 的 内在 本 质 . 进 入 90 年 代 后 , 国外 在 该 领 域 的研 究 取 得 了迅 速 发 展 . 许多 研 究机 构都制 定 了发展 科 学 可视 化 的长 期 计划 , 已 研 制 出 A V S , ap E , I RI S , M A T H L A B 等 面 向 应 用 的可 视 化 系 统 , 并 被 广泛 应 用 于 有 限 元 分 析 、 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1999. 02. 059