基于模型的优化设计

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基于模型的优化设计范文第1篇

【关键词】分布式水文模型；雨洪排放系统；优化设计

1、现有雨洪排放排水系统的缺点

（1）现有雨洪排放系统设计标准偏低。我国城市现有雨水排水管网的设计暴雨标准大多是几年一遇，最高的也只是20年一遇，明显偏低。我国城市化进程速度很快，很多城市目前的局部降雨状况已经大大超过了当初的设计值，排水系统已经不堪重荷，局部区域的雨水不能及时得以排放。形成内涝，内涝又破坏排水系统，使得排水能力下降，形成恶性循环。

（2）现有设计方法本身存在很多不合理性。目前我国大多数城市排水管网设计依据的径流量仍然是直接或者间接通过下面的推理公式得来的[1]。

QS=F.qs.Ψ

式中：QS-管道节点以上的设计流量；F-节点以上的汇流面积；qs-管道节点以上的设计的平均暴雨强度，由历史同历时的最大降雨强度统计得来；Ψ-径流系数。

应用推理公式的优点是简单迅速，但其本身很粗糙。一方面，设计的平均暴雨强度是通过历年的短历时最大降雨强度统计分析总结得出的，用它来计算形成的径流量有偏大之嫌，造成管网建设的浪费，实践中也证实了这一点。另一方面.该公式只是简单地使用一个“刊布”而未经实地检验的径流系数或平均径流系数来计算产流量，不能考虑城市化变化的趋势。 （3）排水系统设计施工中的问题。目前已有的排水系统设计存在很多的不规范性。如在排水管径变化时，当下段的管径计算值比上一段小，简单的取上一段的管径作为本段管径，这反应了设计方法的不合理性。施工中，为了减少工程量。管道埋深不能满足设计要求，在地质条件很差的时候，管道的坡度更是不能达到设计要求，形成淤积或冲刷[2]。

（4）排水系统管理中的问题。重建设轻管理，城市雨水管网在管理方面很是欠缺。一个好的设计排水工程.要想发挥其最大地效率。管理、优化调度与运行很重要。

2、分布式水文模型用于排水系统设计的优势分析

分布式水文模型应用于城市化排水系统的设计的想法，基于以下几点优势：

（1）设计暴雨更接近实际。传统设计方法将统计得来的单次的设计暴雨按照时程逐渐较少、在空间上平均来分配，这明显不以实际情况为基础。典型的降雨是一个先增加达到最大强度后逐渐衰减的过程。推理公式无法将这一复杂的过程用于设计，用分布式水文模型则可以。在确定本地区的“设计雨量”后，用典型降雨的时空分配特征来分配设计降雨，从而为设计提供更为客观的基础[3]。

（2）产汇流机理的科学化。使用水文模型可以从机理上解释径流的形成，从根本上消除传统推理公式带来的一些不合理性。计算正确时一般不会遇到排水系统越来越小的情况。从设计的前提到依据，都从实际情况和科学的角度出发，随着对产汇流物理机理认识的不断加深，模拟精度将不断得以提高，设计的依据越来越可靠。

（3）设计尺度更加合理。分布式水文模型则可以在细化的雨水搜集的区域内做特别的研究，不同的区域将会有不同的产汇流参数来精确反应该区域的特性。

（4）能够反应城市化进程中的设计要求的变化趋势。城市排水系统的设计研究需要更为精细，需要反应随着城市化进程加快出现的一些趋势。使用分布式水文模型，则可以将其一些参数（如下渗率、截留量、蒸发率等）与变化因素关联起来，可以结合对城市发展规划或城市化的趋势。在设计同时预测变化情况下的数值，使得设计兼顾未来[4]。

3、基于分布式水文模型的城市雨洪排放系统设计思路

在城市排水系统设计中应用分布式水文模型将大大消除现有雨洪排放排水系统的各种弊端。其设计思路是[5]：

（1）按照分水线和地势划分雨水收集面积，初步确定雨水管线，并确定各短管网的收集区域。雨水收集排放尽量的依照地形坡度.充分利用坡度进行地面汇流，在不影响输水能力的情况下减少管道工程量。

（2）确定设计暴雨及其时程分配。对设计时段的历年雨量进行统计分析或利用气象的资料将设计暴雨作为总雨深和历时的函数，确定设计降雨量，依据典型暴雨时空分布规律，并按照空间特性分配设计降雨。

（3）将降雨的时空分配值带入分布式水文模型进行计算，对降雨通过植物截留、地面储蓄、下渗扣除，求得相应区域的产流，并进行汇流演进计算，得到流量过程。依据流量过程进行管道设计。并逐一进行演算。完成初步设计。

（4）进行排水系统设计的优化。城市化进程带来雨洪排放系统很多不确定性，在这种情况下，对设计的雨洪排放系统某些环节做一定技术上的改进，可以增强排放系统的耐冲击性和适应性。

4、雨洪排放系统设计措施

实践证明，新型的雨洪排放技术应用于排水系统的设计确实大大地提高排水系统的效率。目前。新型的雨洪排放技术化分为两类：以实现及时排放为目的快速雨洪排放技术和以实现雨水利用为目的的雨洪利用技术。前者设法减少雨水在积水区的停留时间.而后者则侧重于用工程措施储蓄雨水而实现对其利用。在很多地方，二者区别并不明显。有结合的趋势。

城市雨洪利用技术一般用于缺水地区[6]。它用工程措施将雨水储蓄起来。然后常以中水的方式加以利用。如屋顶雨水收集技术利用屋顶水箱储蓄雨水，稍加处理后用作室内冲洗厕所；用停车场收集的房屋排水管和建筑物周边的雨水用作的冲洗车辆、喷泉：公园闲置池塘和水沟在下雨期间最大程度的截留雨水，用作浇灌植物和景观用水。在严重缺水的地区，收集的雨水通过渗渠长时间下渗，补给地下水.缓解过度开采地下水造成的“地下漏斗”、地面沉降和海水入侵等问题。

结 论

在设计中不论是运用人工技术还是利用天然设施，都是为了使得设计的系统发挥最大的效用。进行优化设计的系统如果实现了高效调度。即对雨洪的排放、分流、储存、下渗、利用等各个环节达到有机结合。将大大提高对雨洪的耐冲击的能力，缓解高强度降雨对排放系统的压力。有效地防止雨水的淤积。避免大面积内涝。

参考文献

[1] 段志华.城市排水系统的优化设计[ 科技情报开发与经济]，2009，1 9（22）：225 226.

[2] 张灵峰，张志军.北方平原城市雨水系统的优化设计[J].城市道桥与防洪，2008，（03）：41―43.

[3] 陈锐，张志军.旧排水泵站的技术改造[J].中国给水排水，2007，23（08）：26.29.

[4] 任立良，江善虎，袁飞，等.水文学方法的演进与诠释[J].水科学进展，201 1，22（4）：586―592.

基于模型的优化设计范文第2篇

摘要： 在滩地种植防浪林,可以减少风浪在堤防的爬高，是有效的生态护岸措施。为合理设计防浪林优化布局、提高防浪林的消波效果，提出了基于模糊熵权法的防浪林布局优选模型。在考虑防浪林的排列方式、行株距、树干半径、树冠半径和林带宽度多种消波影响因素作用的前提下，以在提高消波效果的同时减少经济成本和减少占地面积为目标进行多目标评价决策。以嫩江干流同盟水文站附近堤段为例，采用模糊熵权法优选出防浪林优化布局，推荐行株距2.5 m、林带宽度40 m的等边三角形排列作为嫩江干流防浪林的优化布局。

关键词： 防浪林； 优化布局； 模糊熵权法； 嫩江干流

中图分类号： S 759. 2 , TV 871. 2 文献标识码： A

在汛期，很多大型河流的中下游段来水量大，水面宽阔，风速较快，易产生较大的风浪，对堤防以及堤防保护区内人民的生命财产安全造成严重威胁。目前，在滩地种植防浪林，是一项可以有效降低风浪爬高、滞洪导流、延长堤防寿命、减少水毁工程的生态护岸措施[ 1 ]，并在我国大江大河大湖以及海滨等地段得到广泛应用[ 2 - 7 ]。防浪林的植被布局是一个复杂的多目标问题， 既需要考虑多因素影响下防浪林的消波效果，又要考虑到植被场的种植面积与种植成本。目前，关于防浪林的研究主要集中于对植被消波机理的研究， 多采用控制变量法研究单一因素对防浪林消波效果的影响[ 8 - 11 ]，而对于防浪林的种植布局缺乏科学的规划和定量分析。合理的植被布局可以极大地提高防浪林的消波效果，因此，研究各消波影响因素组合条件下的优化布局，对提高防浪林消波效果、加强生态护坡建设具有非常重要的实际意义。

熵，是热力学中表征体系混乱程度的参量之一，由Shannon[ 12 ]首次引入信息论中，现已在径流分析、水资源配置、水文水资源不确定性分析等多个领域得到广泛应用[ 13 - 16 ]。其主导思想是：在多指标的评价决策体系中，某一指标的变化程度越大，则该指标越重要，其权重也越大。笔者基于模糊熵权思想，提出了多目标防浪林布局优选模型，并应用于嫩江干流同盟段的防浪林优化布局设计。

1　研究区域概况

嫩江干流同盟段位于黑龙江省齐齐哈尔市东阳镇，有良好的水文资料。同盟水文站附近堤段示意图如图1所示。堤段全长均分布有雨淋冲蚀沟，堤前分布有远近不一的汊流河道，部分堤段汊流紧邻堤脚，易产生近堤急流，直接破坏迎水堤坡，形成堤面洪水冲蚀破坏，局部有渗漏、脱坡现象；除护坡堤段外，其它堤坡坡面植被稀疏。在这些险工堤段种植防浪林，可以起到消减波浪、固土护堤的作用。同盟段现状防洪标准为平均10年一遇，局部最低5年一遇，预计黑龙江省嫩江干流治理工程治理后的防洪标准可达到50年一遇。研究区水面宽约5 km，风区长度为5 300 m，计算风速为11.87 m/s，风向为东南，与法线夹角为5°。按设计来水频率为50年一遇计算，研究区设计洪水水深为1.8 m。

2　方案与方法

2. 1　嫩江干流同盟段防浪林布局方案集

目前，已有国内外学者对防浪林消波机理、消波效果进行了研究。综合已有的研究成果，选择排列方式、行株距、树干半径、树冠半径和林带宽度为防浪林消波影响因素。课题组于2016年7月25日至2016年8月25日对嫩江干流已种植的现有防浪林进行了实地勘察，测得研究区现有防浪林各影响因素的参数值，沿岸各地防浪林各现状布局方式参数见表1。并根据章家昌公式[ 7 ]计算出各种现状布局条件下（共25个方案）防浪林消波系数（表1）。

2. 2　模糊熵权法

根据Shannon信息熵的基本思想，一个指标的熵值越大，则各方案在这一指标下的变异程度越大，说明该指标越重要，所对应的权重也就越大。据此计算多目标评价决策体系中各指标的权重，可以得到加权综合评价下的最优方案。熵权法[17 - 18 ]主要有以下4个步骤：

（1）原始数据矩阵进行标准化

由于各指标数据的量纲、数量级有很大差异，各指标对于优的定义也相去甚远，故需对原始数据进行标准化处理，使数据取值都在0~1之间。可以利用相对隶属度对每一指标进行标准化。指标的优劣程度是一个模糊的概念，在实际决策中，通常用模糊集理论中的隶属度函数进行计算，常见的指标对优的相对隶属度计算公式为

优属度向量中，数值最大的分量对应的方案即为最优方案，对所有分量根据数值大小进行排列，可以得到所有方案由优到劣的排序。

3　考虑多目标的嫩江干流防浪林布局优选

防浪林布局问题是一个多目标决策问题，需要综合考虑多个影响因素对防浪林消波的影响。出于经济和占地面积的考虑，希望可以用较少的植被棵数和较小的防浪林种植宽度，达到较大的消波效果。这3个目标可以用消波系数、植被密度和林带宽度3个指标来表示。定义密度表示单位面积上植被的棵数，防浪林排列方式和行株距的不同，均会导致防浪林密度的变化，根据表1中的25个方案，计算每个方案的植被密度（表1最后一列）。采用模糊熵权法对方案进行优选排序，优选时采用3个目标条件：（1）林带宽度越小越好；（2）消波系数越大越好；（3）植被密度越小越好。

采用熵权法对25个方案、3个指标进行矩阵计算，得到每一个方案的优属度，将所有方案按优属度从高到低进行排序。

3. 1　计算相对隶属度矩阵R

根据25个方案的种植宽度、消波系数、植被密度数据，得到本问题的相对隶属度矩阵，绘出各方案的密度和消波系数散点图（图2）。根据散点分布可以看到，密度多集中在0.2~0.6的区域中，消波系数多集中于70%~85%；又由于防浪林宽度超过70 m后，消波效果增长不明显，因此可以分别定义3个约束条件的隶属度函数如下：

3. 2　计算熵值向量H

根据式（3）计算出的林带宽度、消波系数和植被密度的熵值分别为：

3. 3　计算熵权向量W

根据式（5）计算出的林带宽度、消波系数和植被密度的权重分别为：

3. 4　计算优属度向量U

根据式（8）计算出的所有方案在优选目标条件下的优属度为：

U=0.4588 0.3956 0.3900 0.9218 L 0.5986 0.1756 0.5126 0.3289

统计分析所有方案优属度取值的分布（图3），本研究选取0.9作为优选阈值，从中选择优属度大于0.9的方案作为较优方案，并将这4个方案列于表2，做进一步分析。

通过基于模糊熵权法的多目标防浪林布局优选模型优选出的4个较优方案中，防浪林行株距均为2.5 m，排列方式均为等边三角形，这是由于在行株距为2.5 m、排列方式为等边三角形时，密度达到最低。优选方案的防浪林宽度为40 m或50 m，未见有方案的宽度是30 m，说明虽然在目标中加入了“防浪林宽度越小越好”的约束，但防浪林宽度对防浪林消波具有极大的影响作用，对宽度的变化较敏感。防浪林消波效果对树干半径和树冠半径的变化不明显，对树干半径的变化尤其不明显，总体随树冠和树干半径的增大而增大。可以根据当地树种供应情况选择种植，在保证植被正常生长的前提下保持树冠半径尽可能大。

4　结　论

4. 1　通过基于模糊熵权法的多目标防浪林布局优选模型计算，推荐“防浪林行株距2.5 m，林带宽度40 m，排列方式等边三角形”为嫩江干流防浪林优化布局方式， 该布局方式可以在较小的防浪林宽度和较少的植被棵数的前提下， 达到较高的消波效果。

4. 2　嫩江干流同盟段的应用实例证明，本研究提出的基于模糊熵权法的多目标防浪林布局优选模型，求解过程受主观因素影响小，切实可行。该方法可以为其他地区生态护岸工程的防浪林优化布局设计提供指导和借鉴。

参考文献

［1］　张宝森， 王仲梅. 黄河郑州段种植500 m宽防浪林可行性研究［J］. 华北水利水电大学学报(自然科学版), 2005, 26(3): 71 - 73.

［2］　张茂章， 宋正明. 不同林相结构防浪林的消波性能计算［J］. 水利水电科技进展, 2013, 33(6): 40 - 43.

［3］　李锡泉， 吴敏， 汤玉喜. 洞庭湖区防浪林林分林冠结构的研究［J］. 湖南林业科技, 2007, 34(1): 5 - 7.

［4］　张敏， 刘洪林， 张立师. 洪泽湖大堤生物防护模式的实践［J］. 人民长江, 2008, 39(3): 54 - 56.

［5］　刘达， 黄本胜， 邱静， 等. 华南沿海防浪林带种植宽度对消浪效果影响的试验研究［J］. 水利水电技术, 2015, 46(9): 109 - 114.

［6］　刘逸诘， 李国庆， 田晔林， 等. 近30年来山东半岛东部沿海防护林动态变化研究［J］. 林业科技， 2017， 42（2）：56-59.

［7］　张茂章. 影响淮河中游防浪林建设的因素分析及树种选择［J］. 中国水利, 2015(9): 22 - 24.

［8］　章家昌. 防波林的消波性能［J］. 水利学报, 1966(2): 49 - 52.

［9］　Moller I, Spencer T. Wave dissipation over macro-tidal

saltmarshes: Effects of marsh edge typology and vegetation change［J］. Journal of Coastal Research, 2002, 36(4): 506 - 521.

［10］　黄本胜， 吉红香. 植物护岸对大堤波浪爬高影响试验初探［J］. 水利技术监督, 2005, 13(3): 43 - 46.

基于模型的优化设计范文第3篇

关键词 TerraExplorerPro；SkyLine；三维建模；地理信息

中图分类号TP39 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）72-0207-02

0引言

随着地理信息向三维化的普及，城市三维景观模型在三维空间中对城市地形表面以及地表以上各种自然以及人工地物进行三维模拟表现，给人产生与在真实场景中相同的体验与感知。笔者结合在一个小区的三维建模试点的实践经验，讨论根据遥感影像数据以及DEM在TerraBuilder模块中建立地球三维模型后,对城市三维景观建模的一些技术和经验。

1软件简介

TerraExplorer Pro是SkyLine公司出品的能够基于地表的卫星影像、航空影像，创建高分辨率的三维虚拟地球场景，实现实时三维地形可视化功能，同时还能够在三维场景上创建和编辑二维文本、图片对象和三维模型对象，从标准GIS文件和空间数据库中读取各种地形叠加所需要的信息。

2 三维建模流程

为了更好的实现三维模型的真实性，本次建模都选择在3DsMAX中实现并导出模型后添加到TerraExplorer Pro已经建好的三维场景当中，并在TerraExplorer Pro中实现对场景的布置以及优化。由于三维建模大多为整个三维模型系统服务，模型数据量的大小会影响整个系统的运行速度，繁冗而又过大的模型、过多的面、图片的数据量都会严重影响模型加载的速度。所以建模的中心思想即为简单和突出主题，在不缺失主体的情况下对模型以及场景进行综合取舍，舍去过多的折角。尽量通过图片的阴影效果来弥补模型的细节。

2.1准备工作

高分辨的卫星影像；城区试点区域内1：500地形图；外业实地拍摄照片。

2.2 实地采集图片方法

整体的处理是先拍远景和大的场景，然后需在两个面的交接处角度进行拍摄，这样做的目的是对在后期内业建模时对整体的建模思路和规划有所帮助，且使拍摄的照片有有序。局部拍摄要求建筑物的每个面都要求尽量正面拍摄，这样在后期处理照片时变形较小，然后对具有特点的部分进行特别的拍摄，如门窗、建筑物的特殊标志和图案等。拍摄完建筑物主体时，也需拍摄如花坛、大门、雕塑等需要在三维建模时拟合真实场景的地方，照片拍摄的越详细，角度越好，越能够还原真实的场景。最后光线也对拍摄有很重要的影响，拍摄时尽量选择明朗的天气，且在一片小区域内的拍摄时间相同，这样拍摄的照片不仅色彩较好，且一栋建筑每个面的色差也不大，后期易处理。

拍摄完成后需对图片处理，提取出模型每个面的贴图，图片宽度和高度的象素数都要设置成2的N次方，；为提高场景运算速度和模型的简化，例如一栋住宅楼高6层，每层有5个窗户，那么仅需处理一部分包括窗户图片，这样在后期的模型贴图中可以将一扇窗户做6乘5的排列。减少数据量，优化模型。

2.3 3DsMAX中的建模以及优化

为了使加载模型后的场景具有较快的浏览和运行速度，建议对每一栋建筑物分别建模，建模前将地形图导入3DsMAX作为底图使用，并依据地形图中的房屋绘制相应的矩形或者多边形。对于所建的模型进行优化时，在维持模型显示效果的前提下，使用尽可能少的点、面和多边形。如创建圆柱使Height Segment 和 Cap Segment的数值都是1，边数一般为10或12，如果是小细柱，则用4边即可。如果模型中有重复的部分，那么只创建重复部分的一个模型，然后在TerraExplorer Pro中进行复制。在建模过程中尽量不用布尔运算和切割等工具，减少面的数量和出错的可能性。使用布尔运算时两物体法线方向应一致，这样防止两物体有坏面。建模完成后确保模型的中心的坐标为（0，0，0）并且确保所有模型的底部在水平面之上。

建模时应该用实际大小建模，即导入场景中使模型的比例值为1。建模时数据的小数点前或后的位数不应太多，以提高运行速度。然后根据高度信息进行挤压建立模型，一般来说建筑物的高度都在3m左右，所以当无法知道建筑物的高度时可根据建筑物的层数来估算高度。主体模型完成后根据拍摄的建筑物照片制作贴图并依附于建立的三维模型。在建模时对一些不必要的模型可以进行精简，例如一段楼梯不需用一多个矩形建立，仅需建立一个面，将面贴图即可；一个广告牌也仅需建一个多边形，完成贴图；由于TerraExplorer Pro支持3DMAX模型中使用TAG格式的贴图来达到镂空的效果，一组栏杆也只需建立一个多边形，用镂空贴图完成。这些做法都会使得模型即与真实场景吻合，又减少了模型的数据量。

2.4模型贴图

由于三维城市建模的目的是展现一片区域的场景，建模的数量多，但对每一个模型的要求不是特别精细，所以不需对一个模型的纹理需要精细的处理，而纹理文件需要大量的显卡资源，且当单张贴图超过1MB时，导入的模型贴图很有可能出现拉花的现象，所以贴图大小最好不要超过1024象素，大多为256象素即可。为了便于修改模型，同一模型的贴图名称最好按照具体规定依次进行数字排列，且每个导出的模型及其图片都要放在一个单独的文件夹中。

3 TerraExplorer Pro中场景的制作与美化

TerraExplorer Pro中的MPT文件是根据遥感影像数据以及DEM在TerraBuilder模块中建立的地球三维模型，且根据显示比例的不同，加载的的影像数据分辨率逐级增加。我们可以在这个模型中找到我们需要建模的位置（见图1）。

加载三维模型数据的时候注意以下相关的各项参数信息：Altitude Method为设置是相对高程还是绝对高程，根据建模时需对高度做估算，一般选择相对高程；X、Y为3D模型的经纬度坐标，Yaw为模型的旋转角度，导入时选择0；Scale为导入比例尺，为1.0；Default Viewing Distance为三维模型可见以及可编辑距离，默认设置为500m，也就是说当相对高度在500m外此三维模型在场景中不可见，我们可以根据这个选项设置不同比例尺中显示模型的内容，做到分级显示，分级加载，提高加载速度。

由于仅仅加载三维模型不能做到对三维场景的突出和美化，所以我们需要根据真实场景来美化建筑物周边的三维场景，一般有城市绿地、道路、城市附属设施等的美化。由于TerraExplorer Pro支持二维贴图、透明贴图、GIF动画等，并且有很多种贴图模式，我们就利用这些功能美化三维场景。树木是实现城市三维建模生动化的一个必不可少的美化要素，选取带有树木的GIF图片来贴图，在贴图前处理好图片，使树木以外的地方透明，图片导入后需注意两点：1）参数中Lock Mode的方式一定要选择Decal保证树木一定按照Z轴旋转，这样无论从哪个方向观看都是树木垂直于地面；2）参数中的比例尺Scale的设置。由于每一棵树木都是独一无二的，所以靠近在一起的相同树木图片应根据大小来控制他们的不同；比较好的方法是不同类的数木可以穿插贴图，使得看上去更具有真实感。

除了树木，由于也可以支持GIF格式的动画贴图，这样就可以制作喷泉的水柱、飘动的红旗等使得三维场景更具有观赏性，且TerraExplorer Pro本身也附带动态模型的加载，也可以将汽车、飞机等模型加载其中，并设定动态模型的运动轨迹；设定轨迹参数需注意设定其速度、转弯速度、路径是否循环等，设定完成成之后，我们的动态模型就可以根据自己的需要来运行。

4结论

由于实现了对模型的优化以及相关设施场景的建设，提高了三维模型的加载和浏览速度，使得在三维场景在TerraExplorer Pro中浏览更加流畅和美观，这些都可以应用在城市、大型厂区、交通设施等规划建设的现场演示中，同时也对数字城市三维浏览服务起到重要作用。

参考文献

[1]文雪中，潘建平，付飞飞.三维建模技术在数字城市中的应用[J].科技资讯,2010(2).

基于模型的优化设计范文第4篇

关键词：平面连杆机构 MATLAB 优化设计 运动仿真

引言

连杆机构由于能有效地实现给定的运动规律或运动轨迹，很好地完成预定的动作，因而在机械和仪表等多个领域中得到广泛的应用。传统的基于图解法或解析法的连杆机构设计无论设计精度还是设计效率都相对低下，不能满足现代机械高速高精度的要求。常规的设计计算方法具有一定的局限性，不但工作量大，而且很难准确的进行设计，其设计结果未必是最优方案。我们将可靠性理论和优化设计方法用于连杆机构的设计，其实质是在决策集和约束集条件下求解连杆机构的参数和尺寸的最优解，并且利用计算机软件优化计算得到了连杆机构参数和尺寸的最优解。仿真在现代设计中也是十分重要的。通过仿真可以确定某些构件运动所需的空间，校验它们运动是否干涉。

2、基于MATLAB的优化设计的数学模型

2.1.1确定优化设计数学模型

3、基于Simulink机构运动仿真

3.1数学模型的建立

3.3仿真结果

连杆上的M点的轨迹如图3所示，其坐标和表1提供的设计数据相一致，满足经过预定点的设计要求，所以优化设计的结果是正确的。

结论

本文应用MATLAB对预定某点轨迹的四杆机构进行优化设计，既能提高设计质量和设计精度，又能有效的控制好各个参数，达到期望的目的；并用Smiulink仿真出连杆上给定点的轨迹，及连杆和摇杆的速度和加速度。起到很好的反馈作用，仿真出来的轨迹点可以帮助设计者验证设计是否满足要求，并有效的控制连杆运行的角度范围，取得有利的传动角，获得较大的机械利益。该设计模式不但可以应用在各种四连杆机构的设计中，还可以不断的衍生出需要的六连杆机构，具有很强的实用性，通用性。结果表明，运用这种方法可以提高机构设计及分析效率。

参考文献：

1.郭仁生.基于MATLAB和Pro/ENGINEER优化设计实例解析[M].北京：机械工业出版，2007.1：166—167，167—201.

2.孙靖民.现代机械设计方法[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003：51—54.

基于模型的优化设计范文第5篇

关键词:优化设计;计算智能;遗传算法

1 优化设计与计算智能

优化设计是在20世纪60年代随着计算机的广泛应用而发展起来的一种现代设计方法｡由于该方法将工程或产品的设计问题转化为最优化问题,在计算机上基于最优化理论进行寻优计算,从而能在满足设计要求和限制条件的全部可行方案中选定最优方案,大大提高了设计质量和效率,因此在工程和产品设计中得到广泛应用｡

就工程优化设计而言,随着优化设计在工程领域应用的深入,人们趋向与用更接近实际的模型解决大型复杂系统或结构的整体､全局､全方位的优化问题,优化设计所要解决的问题因其大(设计变量､约束条件数目大)､杂(不同性质的对象并存)和灰(不确定性,包括随机､模糊､未确知)而十分复杂｡面对这样复杂的问题,各种传统的优化方法往往无能为力｡

向生命学习,从生物和人的自身寻求如何解决问题的答案｡80年代末~90年代初,人们创建出计算智能｡智能计算方法的应用证明,计算智能对解决大规模､复杂系统的问题非常有力｡

将计算智能与优化设计有机结合,运用计算智能的计算方法解决优化问题,这就是基于计算智能的优化设计-智能优化设计｡

2 基于计算智能的优化设计

2.1 基于模糊计算的优化设计

工程设计存在大量的模糊信息,如:设计标准的模糊性､设计准则(规范)的模糊性､外部环境作用的模糊性等｡由于模糊信息不能用准确的数量来表达,必须用模糊计算的方法来处理,包括:模糊变量､模糊约束､模糊目标函数､模糊推理计算等｡

模糊优化设计包括三个方面的内容:

①模糊优化设计方法;

②自适应模糊优化系统模型;

③模糊专家系统｡

2.2 基于神经网络的优化设计

人工神经网络是模拟人脑神经网络的结构而形成的,具有一定智能(自学习､自适应､容错性)的计算模型,也是一个大规模复杂非线性动力学系统｡它具有非线性大规模并行分布处理的高速运算能力､很强的非线性映射能力和信息的分布式动态存贮能力｡可以处理不完整､不准确的信息｡

2.3 基于进化计算的优化设计

进化是自然界最为壮丽的过程｡进化的自然法则是过度繁殖､生存斗争､遗传和变异､优胜劣汰､适者生存｡这一法则的选择结果就是物种的优化｡进化过程也是自然界的优化过程｡

进化计算是模仿自然界进化过程的计算方法｡该方法无须明确描述问题的全部特征,只需根据自然法则来产生新的更好的解｡

实现进化计算的思路是:用简单的编码来表示复杂的结构,通过对一组编码(种群)进行遗传和变异的操作,优胜劣汰的选择,实现进化(寻优)的计算过程｡

进化计算具有适合大规模并行计算和不受搜索空间限制条件(如:可微､连续､单峰)的约束的特点｡

进化计算包括:演化算法和遗传算法｡

3 关于基于遗传算法的优化设计的讨论

3.1 基于遗传算法的优化设计方法

3.2 基于遗传算法的优化设计方法的讨论

(1)由于Ai=a1a2……an,且ai∈xi,基于遗传算法的优化过程是在优化问题的解空间中利用进化规则进行寻优的过程｡作为遗传操作,由于只有编码码位在不同个体之间的交换,没有码值的改变,故遗传操作是在由群体所有码值张成的子空间的有限点集中的寻优｡因此,遗传操作可以获得解的收敛性,但难以得到全局最优｡变异操作改变了码位值,因而,改变了寻优空间,这将有助与跳出局部极值的陷阱,得到更优的解｡

(2)尽管变异操作可以不断改变寻优空间,仍存在两个问题:

第一,如何保证寻优搜索的非重复性和遍历性,这关系到寻优的效率和得到全局最优解｡

第二,优化过程通常是非线性系统的动力学过程,变异操作中码位值的变化都有可能使寻优过程进入混沌状态,在奇异吸引子的吸引和束缚下,优化解点在混沌区内无规､不定､不重复的跳动,从而导致优化过程无法收敛｡

(3)将混沌理论引入优化设计,有可能解决上面的问题｡

混沌运动具有无重复和遍历性,这正是寻优搜索所需要的｡利用混沌生成技术,将码位值定义为混沌变量,通过变异操作,实现寻优的无重复､遍历搜索｡

在适应度判别时,利用混沌分析技术识别寻优过程是否进入混沌状态｡若是混沌状态,则利用混沌控制技术,将混沌状态转化为非混沌状态｡从而保证优化过程收敛｡

4 结束语

随着优化设计在工程领域应用的深入,面对因其大､杂和灰而十分复杂的问题,各种传统的优化方法往往无能为力｡计算智能,包括模糊计算､人工神经网络､进化计算(包括遗传算法),被证明对解决大规模､复杂系统的问题非常有力｡将计算智能与优化设计有机结合,形成基于计算智能的优化设计,为解决工程优化设计面临的复杂问题提供了可行途径｡

参考文献

[1]吕大刚,王光远.结构智能优化设计――一个新的研究方向[J].哈尔滨建筑大学学报,1999,(4).

[2]李泉永.机械结构优化设计的回顾与展望[J].桂林电子工业学院学报,2000,(4).

[3]樊会元,席 光,王尚锦.应用遗传算法对叶栅进行改进设计的研究[J].机械科学与技术,2001,(1).

[4]黄文培,王金诺,于兰峰.混沌-Powell混合算法在机械优化设计中的应用研究[J].四川大学学报,2001,(5).