基於OpenCL的並行差分進化算法的翼型優化設計方法
2023-12-09 02:37:01
專利名稱：基於OpenCL的並行差分進化算法的翼型優化設計方法
技術領域：
本發明涉及機翼翼型設計技術領域，以及計算機仿真與優化技術領域，具體涉及一種基於OpenCL (Open Computing Language,開放計算語言)的並行差分進化算法的翼型優化設計方法。
背景技術：
翼型選擇與設計是飛機設計前必須進行的一項重要工作，D. P. Raymer指出「就許多方面來說，翼型就是飛機的心臟。」這是因為機翼是飛機產生升力和阻力的主要部件，而構成機翼的翼型對飛機性能有很大影響。翼型影響著巡航速度，起飛和著陸性能，失速速度，操縱性能(特別是接近失速的時候)和所有飛行階段的空氣動力效率。設計具有諸如高升力、低阻力等優秀氣動性能的翼型對於飛機、飛彈等具有重要的意義。翼型優化設計的目的是在給定約束條件下，確定儘可能好的翼型形狀，最大限度地提高飛機性能和飛行品質。傳統翼型優化設計迭代過程中需要頻繁的計算目標函數的梯度，計算梯度的方法如最速下 降法，共扼梯度法，牛頓法等，而在工程計算中，梯度的計算往往很困難。現代基於遺傳算法(GA)及計算流體動力學(CFD)的數值優化方法雖然可找出全局最優解，但是要對種群進行大量的選擇、交差、變異操作，計算量很大，且受種群的規模及進化代數的影響，遺傳算法容易收斂於局部解。差分進化(Differential Evolution, DE)算法是一種基於群體進化的算法,是Storn R和Price K在1995年提出的,是進化類算法的一個分支。它能夠通過種群內個體間的合作與競爭來實現對優化問題的求解，即具有記憶個體最優解和種群內信息共享的特點，其本質是一種基於實數編碼的具有保優思想的貪婪遺傳算法。對於簡單的變異操作和一對一的競爭生存策略，差分進化算法用實數編碼來實現，這使得遺傳操作的複雜性大大降低。和其他進化類算法相比，差分進化算法雖然保留了基於種群的全局搜索策略，但是其特有的記憶能力，使其不需要藉助問題的特徵信息就可以動態跟蹤當前的搜索情況，及時地對搜索策略做出調整。這也是差分進化算法具有較強的全局收斂能力和較高的魯棒性的主要原因之一。差分進化算法在被提出的第二年就證明其是最快的進化算法。同時它還具有內含並行性，算法採用種群的方式組織搜索，因而可以同時搜索解空間的多個區域，並相互交流信息，這種搜索方式使得它雖然每次只執行與種群規模N成比例的計算，而實質上己經進行了大約0(N2)次有效搜索，能以較少的計算獲得較大的利益。由於其簡單易用、穩健性好以及強大的全局搜索能力，使得差分進化算法已在多個領域取得成功。由於設計當中計算量越來越大，往往使需求遠遠超過目前計算機的計算能力，為了解決這個矛盾，人們提出了並行計算的思想。目前並行計算的發展方向隨著計算機技術的發展也經歷著變化，從集中式機群到分布式PC再到當前出現的多處理器以及多CPU+GPU的架構發展。當今主流計算機的處理能力主要來自CPU和GPU (Graphic Processing Unit,圖形處理器)。2008年,蘋果公司向Khronos工作組提交了一份關於跨平臺計算框架的計劃書，該計劃由蘋果公司發起，由AMD、IBM、Intel、NVIDIA等業界主要研發者和製造商作為技術合作方參與，旨在建立一個真正支持異構計算網絡的API (Application ProgrammingInterface,應用程式編程接口)。這樣的異構計算網絡可以包含各種形態的計算資源，如CPU、GPU、Cell、FPGA等。由各種處理器和軟體製造商代表組成的Khronos計算工作組於2008年6月成立，它在蘋果公司提交的計劃書的基礎上進一步細化該跨平臺計算框架的功能，於2008年12月發布了 OpenCL I. O規範。目前OpenCL規範已發展到I. 2版本。OpenCL全稱Open Computing Language,即開放計算語言，是一個用於異構平臺上編程的開放性行業標準。OpenCL為異構平臺提供了一個編寫程序，尤其是並行程序的開放的框架標準。OpenCL所支持的異構平臺可由多核CPU、GPU或其他類型的處理器組成，例如x86CPU、GPU、Cell處理器乃至於ARM構架的DSP處理晶片等等。OpenCL會將各類計算設備組織成一個統一的平臺。OpenCL能夠調用系統內全部計算資源，也就是說無論是CPU、GPU，還是今後額外加入的協處理器，全部都能夠在公共計算平臺上得到調用。OpenCL不僅僅是一種程式語言，更是一個完整的並行編程框架，它包括程式語言，API，函數庫以及運行時系統來支持軟體在整個平臺上的開發。OpenCL提供了基於任務和基於數據兩種並行計算機制，它極大地擴展了 GPU的應用範圍，使之不再局限於圖形領域。由於OpenCL的平臺無關性和真正意義上的異構計算資源解決方案，它的使用者持續迅速增長，在並行計算領域具有廣泛的應用前景。
發明內容
本發明的目的是將OpenCL的異構並行框架與差分進化算法相結合，實現基於並行差分進化算法的翼型優化設計方法。本發明翼型優化設計方法充分利用計算資源，在有效空間內進行充分搜索，縮短設計周期，實現跨平臺的翼型優化設計，提高設計效率。本發明提供的基於OpenCL的並行差分進化算法的翼型優化設計方法，包括如下步驟步驟一選定基準翼型和型函數，將型函數的係數作為設計變量，確定所設計翼型的翼型解析函數 所設計翼型的上表面yu(X)表示為
權利要求
1.一種基於OpenCL的並行差分進化算法的翼型優化設計方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟 步驟一選定基準翼型和型函數，將型函數的係數作為設計變量，確定所設計翼型的翼型解析函數 所設計翼型的上表面yu(x)表示為
2.根據權利要求I所述的翼型優化設計方法，其特徵在於，所述的步驟ニ中的目標函數，在設計指標超過I個的情況下，採用統一目標函數法得到，具體是設有q個設計指標，對應q個分目標函數も(X)，f2 (X)，…，f, (X)，將所有的分目標函數統一到一個總的目標函數中:f (X) =f {fj (X)，f2 (x), ..., f q (x)} , f (X)稱為統一目標函數； 使用線性插值方法將各分目標函數規格化
3.根據權利要求I所述的翼型優化設計方法，其特徵在於，所述的步驟三具體包括如下子步驟 步驟3. I :兩次調用clGetPlatformIDs函數，clGetPlatformIDs函數用來獲取指定系統上可用的計算平臺，第一次調用得到系統中可使用的平臺數目，然後為平臺對象分配空間，第二次調用，查詢所有的平臺，選擇需要的OpenCL平臺； 步驟3. 2 :兩次調用clGetDevicelDs函數,clGetDevicelDs函數用來獲取指定的設備，第一次調用查詢設備數量，第二次調用檢索得到要使用的設備；步驟3. 3 :使用clCreateContext函數構造上下文,上下文是指管理OpenCL對象和資源的上下文環境。
4.根據權利要求I所述的翼型優化設計方法，其特徵在於，所述的步驟四具體包括如下子步驟 步驟4. I :使用clCreateCommandQueue函數創建命令隊列,來管理將要執行的各種命令； 步驟4. 2 :使用clCreateProgramWithSource函數創建OpenCL程序對象；所創建的程序對象包括(I) 一個有效的上下文；(2 )包含步驟七到步驟十四種群迭代的源程序或者是含有源程序的二進位代碼；(3)可執行代碼的編譯過程、編譯選項和編譯文檔；(4)與該程序對象關聯的內核對象； 步驟4. 3 :調用clBuildProgram函數,針對下文中的每個設備,編譯、連接原始碼對象，產生設備執行的文件。
5.根據權利要求I所述的翼型優化設計方法，其特徵在於，所述的步驟五具體包括如下子步驟 步驟5. I :使用clCreateBuffer函數在設備上分配數據空間,存儲輸入數據和輸出數據； 步驟5. 2 :使用ClEnqueueWriteBuffer函數初始化OpenCL內存對象,並把相應的數據寫到OpenCL內存關聯的設備內存中。
6.根據權利要求I所述的翼型優化設計方法，其特徵在於，所述的步驟六具體包括如下子步驟 步驟6. I :根據已編譯的程序對象，使用ClCreateKernel函數為程序對象中包含的算法各階段對應的內核分別創建內核函數； 步驟6. 2 :使用ClSetKernelArg函數為算法各階段對應的內核函數設置參數。
7.根據權利要求I所述的翼型優化設計方法，其特徵在於，步驟七中所述的種群規模M取值在20 50之間。
8.根據權利要求I所述的翼型優化設計方法，其特徵在於，步驟十中所述的變異因子F的取值範圍為0. 3、. 6。
9.根據權利要求I所述的翼型優化設計方法，其特徵在於，步驟十一中所述的交叉因子CR的取值範圍為0. 6、. 9。
全文摘要
本發明提出一種基於OpenCL的並行差分進化算法的翼型優化設計方法，用於機翼翼型設計。選定基準翼型、型函數，將型函數係數作為設計變量，並確定優化目標函數，將差分進化算法的步驟根據所處理的數據分成不同的階段，將各階段封裝在不同的內核中，基於OpenCL運行。種群更新中，應用變異算子產生測試向量，應用交叉算子產生子代；對種群中個體還原翼型形狀，檢驗是否滿足幾何約束；使用CFD分析，求得個體的適應度，尋找最優個體，檢驗是否滿足性能約束；最後迭代結束，將最優的結果拷貝回主機內存。本發明實現了翼型設計過程的並行處理，在有效空間內進行充分搜索，縮短了設計周期，實現跨平臺的翼型優化設計，提高了設計效率。
文檔編號G06F17/50GK102779207SQ20121020832
公開日2012年11月14日 申請日期2012年6月19日 優先權日2012年6月19日
發明者李妮, 田超, 蘇澤亞, 龔光紅 申請人:北京航空航天大學