仿真及优化发展现状和未来展望.doc

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1、仿真及优化发展现状和未来展望摘要：仿真优化技术是实现传统制造向可预测制造、科学制造转变的关键技术，目前已经引起科学界和企业界的广泛关注。本文在阐述了仿真优化基本原理和方法的基础上，介绍了国外仿真优化技术在制造系统中各个层次的应用概况、研究成果及各种仿真优化系统采用的开发工具，并对国外发展状况进行了简要的对比分析，指出了目前仿真优化研究中存在的问题以及主要发展趋势。关键词：仿真，优化，仿真软件，仿真建模。引言20世纪90年代，为了解决产品在TQCSE方面存在的问题，出现了多种制造模式，如可重构制造和大规模定制等。在这些先进制造模式指导下的制造系统规模

2、庞大、结构复杂，制造系统从初期规划（资源配置、布局规划）到实际运行（供求关系管理、生产计划与调度）阶段都存在复杂的决策问题。这些决策问题包含众多影响因素、因素之间关系错综复杂，传统数学优化方法已经无法解决这类问题，仿真优化技术则以其独特的优化方法和强大的建模能力引起科学界和企业界的广泛关注。每年WinterSimulation会议都将仿真优化列为一个国际前沿课题来研讨，并介绍最新的理论研究成果及应用情况。2000年，世界著名的两本仿真书籍《SimulationModelingandAnalysis》与《DiscreteEventSystemsSim

3、ulation》首次将仿真优化作为一个专题进行讨论，并指出仿真优化对仿真的推广应用具有重要的影响；自上世纪90年代中期开始，各种商业化仿真软件将优化作为一个重要模块纳入其中，目前已成为不可或缺的部分。尽管仿真优化已经取得了长足的发展，有些仿真优化系统已经开始工业应用，但仿真优化领域仍然存在一些亟待解决的问题。本文首先从仿真优化的原理、方法等方面对这一技术进行分析，然后综述国外研究现状，最后分析仿真优化存在的问题及发展趋势。一、仿真优化原理利用传统优化技术求解优化问题时，首先要建立问题的解析模型，然后利用某一方法进行优化，通常可以求得问题的最优解。但

4、由于实际问题的复杂性和随机性，很难建立起精确的解析模型。仿真技术作为一种建模方法，能够将系统的相关要素按照实际的运行逻辑有机地结合起来，真实反映出系统的行为，因此可以利用仿真模型代替解析模型研究系统的行为特性。然而，仿真实质上是一种试验方法，通过枚举对备选方案进行逐一验证，搜索目标不明确，无法给出问题的最优或近优解，当试验方案较多时，该方法变得极其复杂，甚至无法实现。因此，将仿真技术和优化方法相结合为解决实际问题提供了有效的优化手段。仿真优化的基本原理是将仿真模型看作一个实值函数其中X为可控因素，即决策参数，ω是不可控，因素为仿真模型的输出，它是一

5、个向量函数。根据仿真优化原理，仿真优化过程描述如下：首先由优化算法产生初始解（决策参数），然后将其输入仿真模型中，仿真运行结束输出响应值（性能指标），通过数据转换接口将其反馈到优化算法中，作为优化算法确定新一轮搜索方向的依据，并将搜索结果重新输入仿真模型。上述过程反复进行，直至满足预先设定的终止条件。常见的仿真优化过程模型。二、仿真优化方法目前常用的仿真优化方法包括如下几类：基于梯度的方法、随机优化方法、响应曲面法、统计方法和启发式方法等，其中每类都包括多种方法。很多文献重点阐述了各种方法的原理和性质，而对仿真优化系统的开发及其应用情况涉及很少，没

6、有从系统的角度研究仿真优化的进展情况。在各类方法中，非启发式方法一般需要大量的理论假设，计算复杂、稳健性差，算法性能随求解问题规模的增大迅速下降，在实际中很少采用。启发式方法则可以避免上述弊端，除此之外，它还可以实现全局优化，并且能够解决离散、定性决策变量问题。三、仿真优化研究现状近几年，许多国家和大学的研究机构都开展了仿真优化的研究，特别是从90年代中后期，随着智能优化算法和仿真建模技术的充分发展和应用，仿真优化已从单纯的理论研究走向了实际应用，渗透到各个领域。3.1国外仿真优化的研究状况1998年，美国密西西比州立大学的Bowden等人首次指出

7、，仿真优化研究人员缺乏从系统的角度对仿真优化进行研究，有必要将仿真优化的各种单点技术集成到一个统一的技术框架下，为此，他们提出了“六域”集成的仿真优化框架。“六域”涵盖了仿真优化的六个研究畴，即问题域、算法域、分类域、策略域、智能域和界面域。问题域辅助用户构造目标函数和约束条件；算法域涉及优化算法库的建立及各种算法的描述；分类域依据求解问题规模和决策变量性质等对给定问题进行分类；策略域实现对某类问题选择适当优化算法，并在有限的计算资源基础上提高仿真优化效率；智能域根据所研究的领域问题知识选择适当的优化策略和方法；界面域研究优化器与用户及仿真模型的接

8、口问题。“六域”构成了一个完整而有联系的理论框架，为仿真优化的集成问题指明了方向。基于“六域”集成思想，他们开发了一个仿真