二十一世纪石油机械的优化设计

　　摘要：对我国机械(包括石油机械)优化设计的研究状况和发展方向做了简要评述，认为现有的机械优化设计方法亟待创新和发展。
　　关键词：石油机械；优化设计
　　一、优化设计的研究状况
　　我国机械优化设计的发展有近30年的历史，石油机械的优化设计起步较晚，但发展较。但国内对于机械优化设计的研究80％以上局限于简单的机械零部件，或对较复杂零部件的简化处理。对于简单的机械零部件，设计变量往往较少，且运用常规设计方法已经研究得比较透彻，因此现场设计人员一般不做建立数学模型的优化设计。而对于较复杂零部件的简化处理，如果所建立的优化模型逼真度低，失去了应有的精确度，就使优化结果的可信度差而难以被实际采用。因此，在实际中发挥效益的优化设计方案或设计结果所占比例不大。出现这种情况的一个重要原因是传统的机械优化设计方法已远不能适应产品创新的需求。在即将进入二十一世纪之际，笔者感到传统的机械优化设计方法已显得单调，在处理实际问题时显得乏力，因此亟待创新与发展。我国石油及石化行业正在由以产量为中心向以效益为中心转变，石油机械行业应加大优化设计的研究力度，提高石油机械行业的整体水平，为石油、石化行业降低成本，提高效益服务。
　　二、优化设计发展方向
　　二十一世纪机械优化的对象已不是简单的机械零部件，而是复杂的零部件、整机直至系列产品和组合产品(统称为复杂系统)。主要向两个方向发展。
　　（一）对产品的性能要求由单一性要求发展到多性能和全性能要求，这将导致基于复杂系统多性能和全性能要求的优化。
　　产品的性能通常可分为技术性能、经济性能和社会性能，对于某些特殊环境下工作的设备另有一些特殊的性能要求。如在沙漠、滩海、冻土、高原和山地服役的石油设备，将有特殊的性能要求。多性能要求必须通过多个目标反映出来，因此多性能要求的优化又是多目标优化。
　　（二）从产品的单一设计优化发展到产品的加工制造、使用、维修与管理直至回用的全寿命周期优化。
　　二十一世纪机械优化将是复杂系统的多目标、全寿命周期优化。要解决这样的优化问题须涉及多个学科和多种技术领域，单靠某一学科和某一技术往往很难解决问题。因此，二十一世纪机械优化又是涉及多个学科和多种技术领域的集成优化。石油机械大多是由复杂的系统构成，如机械采油系统、注水系统等，系统优化产生的效益比零部件优化产生的效益大得多，因此石油机械行业应下大力气解决这一问题。
　　三、主要研究课题
　　（一）优化方法学的研究
　　运用现代设计方法学的理论并在现代设计方法学研究成果的基础上，研究复杂系统的特点和对产品设计的要求；研究确定优化进程的方法及确定各优化阶段的优化策略和方法；研究影响优化质量和效率的因素及提高优化质量和效率的策略与方法。
　　（二）复杂系统建模策略与方法研究
　　1.实现多性能和全性能的多目标优化设计的难点之一在于复杂系统诸方面的性能难以建模。如经济性能，在设计阶段根据设计方案来估算创新系统的全寿命周期成本就十分困难。此外，对复杂系统的社会性能的评价一般是用语言变量表述，如何根据语言变量进行定量评价，有待研究。
　　复杂系统的技术性能、经济性能和社会性能在全寿命周期中往往是变化的，如表示产品经济性能的成本目标在全寿命周期中可分解为设计成本、制造成本、使用成本、维修与管理成本及回用成本等子目标。这样，在复杂系统的全寿命周期中建立全性能目标函数的难度将增大。但这是研究复杂系统建模必须解决的关键性问题。
　　2.用权系数合成多目标系统是处理多目标优化的有效方法，能基本满足复杂系统优化的要求。但在复杂系统中反映各种性能的子目标之间的相关性比较复杂，从而给多目标权系数的确定带来困难，这是需要研究解决的。
　　3.对于大型复杂系统，要使模型与实际系统完全相符是十分困难的，因此必须开展简化建模与近似建模方法的研究。当一个大型复杂系统的各个结构部件之间具有一定的独立性时，如机电一体化系统中的机械、液压、电子部分等子系统之间具有独立性，可考虑采用按各子系统进行分级建模。关于分级建模的方法，有待研究。此外，通过模型的分解也可达到简化建模的目的。
　　必须指出，模型的简化与近似必须保证复杂系统及各子系统有足够的精确度。
　　4.采用柔性建模、智能建模、多媒体技术建模，以及应用模糊优化原理，以提高建模效率和建模的逼真度，这都是有待研究的课题。
　　5.复杂系统的优化涉及的变量有连续变量、离散变量与随机变量，这3类变量在应用时可灵活处理。以连续变量和离散变量的处理为例，通过构造转换模型用象征性的连续变量近似代替原离散变量，然后与其它的连续变量一起参与用连续变量优化方法求解，最后把象征性的连续变量的优化结果还原到原离散值谱上求得其离散变量。关于连续变量、离散变量与随机变量的处理方法有待进一步研究。
　　6.开展随机优化与可靠性优化的建模方法研究。随机因素大量存在于实际中，其优化模型存在不确定性，于是就产生了概率模型、统计均值模型、容差设计模型、可靠性模型等。处理这类优化问题涉及多元随机函数的概率分析、数值计算、随机优化的极值理论及多目标随机优化等一系列尚待深入研究的问题。作为随机优化的一个重要应用领域的可靠性优化是研究的重点，有着很强的实用性。
　　7.在基于非数值知识模型的优化问题中，可供寻求和选择的是定性解而非数值解，如效应、结构等，它们也需要用设计变量表达。这类设计变量在形式上可以转化为数值，但已失去数值的量值意义，而主要起标识作用。从本质上讲，这类设计就是特征设计变量。引入非数值的广义特征设计变量是二十一世纪我国机械优化设计的又一特点，有待深入研究。
　　（三）复杂系统优化搜索策略研究
　　迄今，国内外已有不少学者采用仿生和仿自然特征的方法，提出了一些优化策略，如模拟退火法(简称SA法)、人工神经网络搜索算法(简称ANN算法)、遗传学算法(简称GA算法)、仿生物成长法和小波变换法等。这些方法尚不够成熟，还存在一些缺陷，需继续研究和完善。[!--empirenews.page--]
　　另外，应用人工智能原理和寻优算法方法学，可创新研究出高效率的智能搜索策略和方法。
　　（四）复杂系统智能优化研究
　　1.将人类智能和人工智能渗透到优化全过程的每一个环节，采用智能建模可研究出全自动柔性建模和多媒体建模技术以及面向复杂系统的智能建模系统。
　　2.利用人工智能技术自动监控搜索过程，调整控制策略和进行出错分析及动态修改优化模型(调整参数或更换算法)，并开发集成化智能优化支撑软件。目前这些研究尚处于起步阶段。
　　3.基于人工神经网络的结构动态优化设计的研究将在二十一世纪有重大发展。石油机械中的许多结构部件都应做动态优化设计以代替传统的静态优化设计。人工神经网络模型对许多复杂问题都具有十分快的求解速度，将它用于机械结构的动态优化设计是一种新的方法，并已取得了成功的应用,在石油机械的结构动态优化设计和故障诊断、智能检测、预报和控制中有着广泛的应用前景。目前这种方法研究处于初步阶段。
　　（五）优化设计的可视化研究
　　优化设计的可视化包括设计对象、优化模型和优化过程3个方向的可视化。
　　设计对象的可视化有助于在优化过程中人类智能的直接参与，进而实现人类智能与人工智能相融合的全智能优化。设计对象的可视化主要涉及计算机图形学的知识、建模和相应的软硬件平台。目前国内外此项研究处于起步阶段。
　　优化模型的可视化有助于设计人员直觉地识别模型特征，了解部分解域性状，参与搜索策略的选择。
　　在优化模型可视化的基础上进而显示出求解途径，这就实现了优化过程的可视化，它有助于设计人员直觉地了解部分解域性状及当前解所处的环境，参与优化过程控制的决策。优化模型的可视化和优化过程的可视化研究，目前国内外尚处于初步阶段。
　　四、结语
　　可以预言，二十一世纪将是优化设计取得蓬勃发展和重大成果的新世纪。我国科技工作者通过自己的不懈努力，定能攻克上述所有有待研究和解决的问题，以及一切新的和未曾预料的难题，把包括石油装备、石油化工装备在内的整个机械行业的优化设计提高到一个崭新的水平。

《二十一世纪石油机械的优化设计》

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