Solving Computationally Expensive Engineering Problems: Methods and Applications

پیچیدگی محاسباتی یک گلوگاه جدی برای فرآیند طراحی تقریباً در هر حوزه مهندسی است. در حالی که مهاجرت از نمونه سازی و اعتبارسنجی طراحی مبتنی بر آزمایش به راستی آزمایی با استفاده از مدل های شبیه سازی رایانه ای اجتناب ناپذیر است و دارای مزایای متعددی است، هزینه های محاسباتی بالای شبیه سازی های دقیق و با وفاداری بالا می تواند یک مسئله اصلی باشد که توسعه طراحی به کمک رایانه را کند می کند. روش‌ها، به‌ویژه آنهایی که از روش‌های خودکار بهبود طراحی استفاده می‌کنند، به عنوان مثال، بهینه‌سازی عددی. افزایش مستمر منابع محاسباتی موجود همیشه به کوتاه شدن چرخه طراحی تبدیل نمی شود زیرا تقاضای فزاینده برای دقت بالاتر و نیاز به شبیه سازی سیستم های بزرگتر و پیچیده تر است. شبیه سازی دقیق یک طرح واحد از یک سیستم معین ممکن است چندین ساعت، روز یا حتی هفته طول بکشد، که اغلب اتوماسیون طراحی با استفاده از روش های مرسوم را غیرعملی یا حتی ممنوع می کند. مشکلات اضافی شامل نویز عددی که اغلب در داده های شبیه سازی وجود دارد، وجود احتمالی چندین طرح بهینه محلی، و همچنین اهداف متضاد متعدد است. در این کتاب ویرایش شده، تکنیک های مختلفی ارائه شده است که می تواند حل مسائل طراحی مهندسی گران قیمت محاسباتی را کاهش دهد. یکی از امیدوارکننده‌ترین رویکردها استفاده از مدل‌های جایگزین سریع، به اصطلاح جایگزین‌ها، است که به طور قابل اعتماد مدل گران قیمت و مبتنی بر شبیه‌سازی سیستم/دستگاه مورد علاقه را نشان می‌دهند، اما بسیار ارزان‌تر و از نظر تحلیلی قابل حمل هستند. در اینجا، گروهی از کارشناسان بین‌المللی پیشرفت‌های اخیر در این منطقه را خلاصه می‌کنند و کاربردهای آن را در رشته‌های مختلف مهندسی و علوم نشان می‌دهند. هدف اصلی این کار ارائه مفاهیم و فرمول‌بندی‌های اساسی الگوی مدل‌سازی و بهینه‌سازی مبتنی بر جایگزین، و همچنین بحث در مورد تکنیک‌های مدل‌سازی مرتبط، الگوریتم‌های بهینه‌سازی و روش‌های طراحی است. بنابراین، این کتاب باید برای محققان و مهندسان هر رشته‌ای که شبیه‌سازی‌های محاسباتی سنگین به صورت روزانه در فرآیند طراحی استفاده می‌شوند، مفید باشد.

Computational complexity is a serious bottleneck for the design process in virtually any engineering area. While migration from prototyping and experimental-based design validation to verification using computer simulation models is inevitable and has a number of advantages, high computational costs of accurate, high-fidelity simulations can be a major issue that slows down the development of computer-aided design methodologies, particularly those exploiting automated design improvement procedures, e.g., numerical optimization. The continuous increase of available computational resources does not always translate into shortening of the design cycle because of the growing demand for higher accuracy and necessity to simulate larger and more complex systems. Accurate simulation of a single design of a given system may be as long as several hours, days or even weeks, which often makes design automation using conventional methods impractical or even prohibitive. Additional problems include numerical noise often present in the simulation data, possible presence of multiple locally optimum designs, as well as multiple conflicting objectives. In this edited book, various techniques that can alleviate solving computationally expensive engineering design problems are presented. One of the most promising approaches is the use of fast replacement models, so-called surrogates, that reliably represent the expensive, simulation-based model of the system/device of interest but they are much cheaper and analytically tractable. Here, a group of international experts summarize recent developments in the area and demonstrate applications in various disciplines of engineering and science. The main purpose of the work is to provide the basic concepts and formulations of the surrogate-based modeling and optimization paradigm, as well as discuss relevant modeling techniques, optimization algorithms and design procedures. Therefore, this book should be useful to researchers and engineers from any discipline where computationally heavy simulations are used on daily basis in the design process.