Как правило, в инженерной практике при исследовании механических систем часто требуется проведение серийных численных экспериментов: для анализа поведения системы на различных режимах работы, проверки чувствительности по параметрам, подбора наилучших значений параметров. Интегрированный модуль сканирования и оптимизации включает в себя набор инструментов (сканирование, оптимизация, аппроксимация), предназначенных для расширенного анализа динамических свойств моделей.

Все перечисленные инструменты автоматизируют выполнение серий численных экспериментов, протоколируя ход вычислений и сохраняя результаты расчетов на жесткий диск для последующего анализа. Таким образом, исследователь избавляется от монотонной работы по многократному выполнению численного анализа моделей "вручную", что кроме экономии рабочего времени повышает достоверность полученных результатов из-за отсутствия ошибок, которые склонен делать человек при выполнении большого количества повторяющихся операций. Другими словами, исследователь описывает план проведения численных экспериментов для сканирования и аппроксимации или параметры, пределы их изменения, точность и целевую функцию для оптимизация и запускает расчеты в автоматическом режиме. В процессе расчетов доступна текущая статистика процесса: число выполненных экспериментов, прогноз времени, необходимого для завершения всех расчетов. Расчеты устойчивы к отключению электропитания. В этом случае на жестком диске остается информация обо всех завершенных экспериментах, исключая численный эксперимент, на котором произошло отключение. По результатам численных экспериментов можно построить не только осциллограммы всех сохраненных характеристик, но и так называемые сводные графики и поверхности.

Все реализованные инструменты не имеют ограничений по числу исследуемых параметров, т.е. являются многопараметрическими. Размерность определяется только содержанием каждого конкретного исследования с одной стороны и, конечно, затратами машинного времени с другой. В демо-версии программы исследование можно проводить только по одному параметру. Каждый инструмент имеет свои достоинства и недостатки. Однако их совокупность дает исследователю возможность решать достаточно широкий круг задач по анализу и оптимизации механических систем.

При выполнении серий численных экспериментов с целью поиска оптимальных значений параметров встает проблема выбора наилучшего решения. Как определить наилучшее решение среди сотен, а может быть и тысяч рассчитанных вариантов? Это представляет еще большие трудности в случае противоречивых критериев. С целью автоматизации процесса выбора наилучшего решения разработан специальный блок поддержки принятия решений, который поможет исследователю упорядочить варианты по степени оптимальности, в соответствии с выбранными им критериями. Определение степени соответствия варианта представлениям эксперта об оптимальной конструкции базируется на использовании метода анализа иерархий Т. Саати. Метод поддерживает обработку многих, в том числе противоречивых критериев, а также назначение критериям различных весов и контроль корректности введенных экспертом значений.

  Специальное расширение модуля - служба распределенных вычислений - позволяет использовать всю вычислительную мощность доступных в сети компьютеров для проведения серий численных экспериментов, что соответствующим образом сокращает время выполнения всех расчетов. Инструмент удобно использовать в рамках вычислительных центров и лабораторий. Базируясь на использовании протокола TCP/IP, сервер распределенных вычислений позволит вам задействовать в проведении расчетов любой компьютер не только в локальной сети, но также в корпоративной сети или в Интернете.

Дополнительные материалы:
    1. Начинаем работать: модуль оптимизации
    2. Руководство пользователя: модуль оптимизации
    3. Инсталляция клиентской части службы распределенных вычислений um60client.exe

Пользователь задает параметры (как правило, это геометрические, инерционные параметры или параметры жесткости и демпфирования), пределы и шаг их изменения и запускает проект на выполнение. В процессе расчетов на жесткий диск сохраняются выбранные пользователем динамические характеристики механической системы, которые доступны для анализа по окончании вычислений. Существуют специальные возможности для сканирования ж.-д. экипажей: сканирования динамического поведения экипажа на различных профилях колес и рельсов, на различных неровностях путевой структуры, на путях различной макрогеометрии (прямые и кривые участки пути). К достоинствам данного метода можно отнести получение полной информации о поверхности отклика, отыскание глобального оптимума целевой функции. Также очевидны и недостатки метода: весьма значительные вычислительные затраты и "проклятие размерности", делающее нереальным решение задач большой размерности. На практике число параметров для сканирования редко превышает 4-5. Сканирование поддерживает использование службы распределенных вычислений, что позволяет резко сократить время проведения расчетов.

В основе этого инструмента лежит использование классических методов оптимизации нулевого и первого порядка: метод Хука-Дживса, Нелдера-Мида, метод комплексов, метод сопряженных направлений Пауэлла, метод Дэвидона-Флетчера-Пауэлла. К достоинствам методов можно отнести относительно небольшие вычислительные затраты. Однако использование алгоритмов оптимизации сопряжено с определенными проблемами. Это, во-первых, потенциальная возможность остановки алгоритма в локальном максимуме, во-вторых, отсутствие информации о виде поверхности отклика по завершении процесса. С другой стороны, поверхности отклика в технических задачах всегда достаточно гладкие, иначе появилась бы высокая чувствительность системы к изменению одного или нескольких параметров. Это позволяет довольно успешно применять описанные методы. Перспективы развития данного инструмента авторы связывают с реализацией генетических алгоритмов оптимизации, которые позволят перейти к решению нового круга задач, в том числе задач большой размерности.