1.4 多學科設計優化技術國內外研究現狀

20世紀30年代，日趨復雜的包含有多個相互高度關聯子系統的飛行器優化設計難題使科研人員逐漸意識到飛行器設計過程中各子系統間必須進行協調折中，否則很難完成相對完整的飛行器優化設計^[79]，但該問題沒有引起重視。

早在1974年，美國國家航空航天局（NASA）高級研究員SobieskiJ首先提

出了多學科設計優化（MultidisciplinaryDesignOptimization，MDO）的初步思

想^[80]，但該方法與現今的多學科設計優化方法相差甚遠。直到20世紀80年代，文獻[81，82]研究結果表明，飛行器優化設計中的各通用子系統設計因忽視各子系統間的相互影響，其設計結果并非最優。自此以后，一些關于復雜系統優化設計及研究分析的理論方法被陸續提出。1986年，第一屆多學科分析與優化設計大會在美國國家航空航天局蘭利研究中心舉行。到20世紀90年代，出現了一

種新的優化設計方法多學科設計優化（MultidisciplinaryDesignOptimization，

MDO）^[83，84]。1991年，美國航空航天學會（AIAA）發表了多學科設計優化白皮

書^[85]，該白皮書論述了航空工業產品設計方法的發展歷程，指出多學科設計優化策略與優化算法是航空器MDO的主要研究內容，這標志著多學科設計優化作為一個新的研究領域正式誕生。1998年，美國多學科設計優化（MDO）技術委員會基于波音、通用電氣等大型企業MDO技術應用現狀的調查數據又發表了第二份多學科設計優化白皮書^[86]，書中對MDO技術的方法和經驗進行了總結，并提出了多學科設計優化過程中需要解決的困難問題。

對于包含許多子系統的復雜系統設計，該優化設計方法的基本步驟為：

（1）充分考慮各子系統間的相互耦合關系，采用適當的方法以學科（或子系統）為基礎將復雜系統分解。

（2）根據學科間關系，通過某種理論方法協調和控制各子系統（子學科）。（3）通過某種優化算法獲得復雜系統的整體最優解。

10多年來，多學科設計優化是國內外飛行器優化設計研究的一個最新、最活躍的領域，其研究成果有利于促使傳統的串行設計模式向先進的并行、協同設計模式轉換。而多學科設計優化方法（也稱優化策略）則是多學科設計優化技術研究領域中成果最多和最為重要的研究方向，而SobieskiJ.則在這一研究方向取得了一系列的開創性成果，例如適用于復雜耦合系統的“全靈敏度方程分析方法”^[87]和子空間優化方法等^[88]。而文獻[89]則將子空間優化方法改進和發展為并行子空間優化方法，并在機械構件設計應用時取得了滿意的結果。文獻[90，91]分別將響應面方法和專家系統引入到并行子空間優化方法，不僅可減少系統分析的次數和提高全局最優解的精度，而且可在很大程度上提高設計的自動化程度。

對于可重復使用的運載器初步設計問題，文獻[92]利用協作優化方法既實現了并行通信又找到了更好的設計方案。在發動機設計領域方面，文獻[93]采用多學科魯棒性設計優化方法對發動機設計過程中的不確定性進行了評價，取得了比較理想的效果，而文獻[94]則采用多學科優化技術對發動機動力系統進行了優化設計，效果比較理想。

與國外的研究現狀相比，我國在多學科設計優化技術領域的研究仍處于起步階段。20世紀90年代我國科研工作者開始關注多學科設計優化技術的發展動態，但一直沒有取得令人滿意的成果。直到20世紀初期，多學科設計優化技術的研究與應用才正式被科研工作者所重視，涌現了一系列的研究與應用成果，如無人機的并行子空間設計優化^[95，96]、飛行器設計過程異步并行的分布式協同進化MDO算法^[97]、飛行器設計中的協同優化算法^[98]以及對多學科設計優化技術的理論探討^[99107]，但其研究與應用大多集中于航空航天設計過程的多學科設計優化理論研究，真正能在實際中得到工程應用較少。

自2005年以來，多學科設計優化技術開始被引入汽車領域，如以汽車整車、載貨汽車駕駛室、汽車離合器和轎車空調制冷系統為研究對象的多學科設計優化取得了較好的優化效果^[108111]，但作為汽車心臟的發動機及其燃油系統設計方面的多學科設計優化技術研究尚未見相關文獻報道，這足以說明汽車領域的多學科設計優化技術研究仍存在許多有待于科研工作者進一步努力研究空間。