(57)【要約】【課題】複数の設計要因を持つ製品を設計する場合に、少ない計算回数で最適な設計要因の組合せを予測して設計ができるようにする。【解決手段】先ず初期値、設計要因及び水準幅を設定し（ステップＳＡ１，ＳＡ２）、直交表に各設計要因を割付ける（ステップＳＡ３）。そして、探索のステップ幅、計算回数、収束条件等の最適解探索条件を設定し（ステップＳＡ４）、直交表に基づく設計要因の組合せを初期値として最適解を探索し（ステップＳＡ５）、探索した複数の最適解の中から最も特性の優れた最適解を選定する（ステップＳＡ６）。選定した最適解が、十分な特性に到達しているか否か等を判定して（ステップＳＡ７）、十分な特性に到達していない場合は初期値を再設定して（ステップＳＡ８）、最適解探索計算を行う。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の設計要因を有する製品を設計する際に用いる最適設計支援装置において、
製品の機能に影響する設計要因と各設計要因の水準を割付けることに適した直交表を選択する手段と、
選択した直交表に各設計要因を割付ける手段と、
直交表の組合せに基づいて最適解を探索する手段と、
探索した複数の最適解の中から最も特性の優れた最適解を選定する手段と、
求めた最適解を判定する手段と、
求めた最適解を実現する設計要因の組合せを初期値に再設定して、繰返し、最適解を探索するステップを有することを特徴とする最適設計支援装置。
【請求項２】
複数の設計要因を有する製品を設計する際に用いる最適設計支援装置において、
製品の機能に影響する設計要因と各設計要因の水準を割付けることに適した直交表を選択する手段と、
選択した直交表に各設計要因を割付ける手段と、
直交表の組合せに基づいて最適解を探索する手段と、
得られた複数の最適解を用いて応答曲面式を作成する手段と、
応答曲面式上で設計要因の最適組合せを探索する手段と、
求めた設計要因の最適組合せで機器機能計算を行い最適解を求める手段と、
求めた最適解を判定する手段と、
求めた最適解を実現する設計要因の組合せを初期値に再設定して、繰返し、最適解を探索する手段とを有することを特徴とする最適設計支援装置。
【請求項３】
複数の設計要因を有する製品を設計する際に用いる最適設計支援方法において、
製品の機能に影響する設計要因と各設計要因の水準を割付けることに適した直交表を選択し、この選択された直交表に各設計要因を割付けて最適解を探索し、当該探査結果から最も特性の優れた最適解を選定して、その最適性を判定し、求めた最適解を実現する設計要因の組合せを初期値に再設定して、繰返し最適解を探索するようにしたことを特徴とする最適設計支援方法。
【請求項４】
複数の設計要因を有する製品を設計する際に用いる最適設計支援方法において、
製品の機能に影響する設計要因と各設計要因の水準を割付けることに適した直交表を選択し、この選択された直交表に各設計要因を割付けて最適解を探索し、当該探査結果による複数の最適解を用いて応答曲面式を作成し、該応答曲面式上で設計要因の最適組合せを探索し、求めた設計要因の最適組合せで機器機能計算を行って最適解を求め、この最適解の最適性を判定し、求めた最適解を実現する設計要因の組合せを初期値に再設定して、繰返し最適解を探索するようにしたことを特徴とする最適設計支援方法。
【請求項５】
複数の設計要因を有する製品を設計する最適設計支援のプログラムにおいて、
製品の機能に影響する設計要因と各設計要因の水準を割付けることに適した直交表を選択するステップと、
選択した直交表に各設計要因を割付けるステップと、
直交表の組合せに基づいて最適解を探索するステップと、
探索した複数の最適解の中から最も特性の優れた最適解を選定するステップと、
求めた最適解を判定するステップと、
求めた最適解を実現する設計要因の組合せを初期値に再設定して、繰返し、最適解を探索するステップとを有することを特徴とする最適設計支援のプログラム。
【請求項６】
複数の設計要因を有する製品を設計する最適設計支援のプログラムにおいて、
製品の機能に影響する設計要因と各設計要因の水準を割付けることに適した直交表を選択するステップと、
選択した直交表に各設計要因を割付けるステップと、
直交表の組合せに基づいて最適解を探索するステップと、
得られた複数の最適解を用いて応答曲面式を作成するステップと、
応答曲面式上で設計要因の最適組合せを探索するステップと、
求めた設計要因の最適組合せで機器機能計算を行い最適解を求めるステップと、
求めた最適解を判定するステップと、
求めた最適解を実現する設計要因の組合せを初期値に再設定して、繰返し、最適解を探索するステップとを有することを特徴とする最適設計支援のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の設計要因を持つ製品を設計する場合に、少ない計算回数で最適な設計要因の組合せを予測して設計ができるようにした最適設計支援装置及び最適設計支援方法並びにそのプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、製品設計を行う場合においては、製品に要求される機能を実現するために、当該機能に影響を与える複数の設計要因の特性を把握し、どのような設計要因の組合せを採用することが妥当であるかの検討を行っている。
【０００３】
このような最適な設計要因の組合せを探索する方法として、数理計画法、ランダムサーチ法、応答曲面法等の種々の最適設計支援方法が用いられている。
【０００４】
例えば、準ニュートン法や逐次二次計画法等の数理計画法は、図５に示す手順に従い最適解を探索する方法で、先ず設計要因の初期値を設定し（ステップＳＣ１）、次に最適解探索条件を設定して（ステップＳＣ２）、数理計画法により最適解を探索する（ステップＳＣ３）。
【０００５】
そして、求められた最適解を評価することにより（ステップＳＣ４）、設計要因の組合せを求める方法である。
【０００６】
また、遺伝的アルゴリズムや焼き鈍し法等のランダムサーチ法は、図６に示す手順に従い最適解を探索する方法で、先ず設計要因の初期値を設定し（ステップＳＤ１）、次に最適解探索条件を設定して（ステップＳＤ２）して、ランダムサーチ法による最適解を探索する（ステップＳＤ３）。
【０００７】
そして、求められた最適解を評価することにより（ステップＳＤ４）、設計要因の組合せを求める方法である。
【０００８】
さらに、応答曲面法は、図７に示す手順に従い最適解を探索する方法で、先ず設計要因の初期値を設定し（ステップＳＥ１）、次に設計要因と水準数を設定して直交表に割付ける（ステップＳＥ３）。
【０００９】
その後、直交表の組合せに基づく特性値を求めて（ステップＳＥ４）、特性値と設計要因との関係を近似する応答曲面式を作成する（ステップＳＥ５）。
【００１０】
そして、最適解探索条件を設定し（ステップＳＥ６）、応答曲面式上で最適解を探索して（ステップＳＥ７）、求められた設計要因の最適組合せの効果を実特性上で確認する（ステップＳＥ８）。
【００１１】
しかし、これらの方法では、後述するように種々の問題があった。即ち、図５に示す準ニュートン法や逐次二次計画法等の数理計画法では、初期値をスタート点にして特性の勾配等を求めながら最適解を探索するため、図８のようにピークが多数存在する特性の場合には、局所的最適解に捕捉されることがある。
【００１２】
図９は、複数の設計要因を有する製品設計に数理計画法による最適解の探索を実施した事例で、設計要因の初期値を変化させると、探索される最適解も大きく変化することが分かる。
【００１３】
また、図６の遺伝的アルゴリズム等のランダムサーチ法では、非常に多くの組合せによる計算が必要なため、大域的最適解は求めることができるが、膨大な計算量を必要とする問題がある。
【００１４】
さらに、図７の応答曲面法では、応答曲面式上で最適解を探索するため計算時間は短くて済むが、応答曲面式の精度が問題となる場合がある。
【００１５】
特に多くの設計要因があって設計要因間に交互作用が多数存在する場合には、応答曲面式の予測精度は低下する傾向にある。
【００１６】
このように各方法は長所、短所を有しており、これらの長所を生かしながら短所を克服する提案が幾つかなされている。
【００１７】
例えば、システム評価結果を解析してパラメータの最適組合せを予測するため、対象のパラメータを内部変数の値に変換された値でシステムを動かして対応した評価値を得る組合せ評価部と、これら評価値群に基づき複数水準の直交水準表を用いてパラメータ因子の組合せを評価し、最適因子を選択して水準を決める要因分析部と、この要因分析で確定しない因子に対して、複数種類の因子からなる因子列を遺伝アルゴリズムを用いて収束させて因子を確定して上記組合せ評価部にパラメータ値として出力する組合せ探索部を備えて、直交計画法と遺伝的アルゴリズムを併用して少ない試行で最適パラメータ組合せを決定予測する構成が提案されている（特許文献１参照）。
【００１８】
また、直交計画法を探索方向決定に適用し、各現在点の周囲から必要最小限の改善用サンプル点集合を選択し、これにより評価値の分布状況を調査し、前記評価値の分布状況をもとに、最急改善方向である蓋然性の高い最良探索方向を見積ることを繰返して探索を行い、最適パラメータ組合せを予測することで、関数形の得られないシステムに対しても適用可能であって、かつ少ない試行で最適パラメータ組合せを予測ができるようにする構成が開示されている（特許文献２参照）。
【００１９】
【特許文献１】
特開平１０−１４９３４５号公報
【特許文献２】
特開２０００−１３２５３５号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に係る構成も含め、従来の最適設計支援方法においては、局所的最適解に捕捉される点については依然として課題を抱えたままであるため、計算量を十分に抑制することができない問題があった。
【００２１】
また、例えば上記特開２０００−１３２５３５号公報に係る構成のように、従来は、例えば直交表の組合せに基づいてシステムの特性を把握し、その結果に基づき最適解を探索することが行われているため、最適解探査手順が面倒である問題がある。
【００２２】
そこで、本発明は、簡潔な探査手順で大域的最適解を少ない計算量で行えるようにした最適設計支援装置及び最適設計支援方法並びにそのプログラムを提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、複数の設計要因を有する製品を設計する際に用いる最適設計支援装置において、製品の機能に影響する設計要因と各設計要因の水準を割付けることに適した直交表を選択する手段と、選択した直交表に各設計要因を割付ける手段と、直交表の組合せに基づいて最適解を探索する手段と、探索した複数の最適解の中から最も特性の優れた最適解を選定する手段と、求めた最適解を判定する手段と、求めた最適解を実現する設計要因の組合せを初期値に再設定して、繰返し、最適解を探索するステップを有することを特徴とする。
【００２４】
請求項２にかかる発明は、複数の設計要因を有する製品を設計する際に用いる最適設計支援装置において、製品の機能に影響する設計要因と各設計要因の水準を割付けることに適した直交表を選択する手段と、選択した直交表に各設計要因を割付ける手段と、直交表の組合せに基づいて最適解を探索する手段と、得られた複数の最適解を用いて応答曲面式を作成する手段と、応答曲面式上で設計要因の最適組合せを探索する手段と、求めた設計要因の最適組合せで機器機能計算を行い最適解を求める手段と、求めた最適解を判定する手段と、求めた最適解を実現する設計要因の組合せを初期値に再設定して、繰返し、最適解を探索する手段とを有することを特徴とする。
【００２５】
請求項３にかかる発明は、複数の設計要因を有する製品を設計する際に用いる最適設計支援方法において、製品の機能に影響する設計要因と各設計要因の水準を割付けることに適した直交表を選択し、この選択された直交表に各設計要因を割付けて最適解を探索し、当該探査結果から最も特性の優れた最適解を選定して、その最適性を判定し、求めた最適解を実現する設計要因の組合せを初期値に再設定して、繰返し最適解を探索するようにしたことを特徴とする。
【００２６】
請求項４にかかる発明は、複数の設計要因を有する製品を設計する際に用いる最適設計支援方法において、製品の機能に影響する設計要因と各設計要因の水準を割付けることに適した直交表を選択し、この選択された直交表に各設計要因を割付けて最適解を探索し、当該探査結果による複数の最適解を用いて応答曲面式を作成し、該応答曲面式上で設計要因の最適組合せを探索し、求めた設計要因の最適組合せで機器機能計算を行って最適解を求め、この最適解の最適性を判定し、求めた最適解を実現する設計要因の組合せを初期値に再設定して、繰返し最適解を探索するようにしたことを特徴とする。
【００２７】
請求項５にかかる発明は、複数の設計要因を有する製品を設計する最適設計支援のプログラムにおいて、製品の機能に影響する設計要因と各設計要因の水準を割付けることに適した直交表を選択するステップと、選択した直交表に各設計要因を割付けるステップと、直交表の組合せに基づいて最適解を探索するステップと、探索した複数の最適解の中から最も特性の優れた最適解を選定するステップと、求めた最適解を判定するステップと、求めた最適解を実現する設計要因の組合せを初期値に再設定して、繰返し、最適解を探索するステップとを有することを特徴とする。
【００２８】
請求項６にかかる発明は、複数の設計要因を有する製品を設計する最適設計支援のプログラムにおいて、製品の機能に影響する設計要因と各設計要因の水準を割付けることに適した直交表を選択するステップと、選択した直交表に各設計要因を割付けるステップと、直交表の組合せに基づいて最適解を探索するステップと、得られた複数の最適解を用いて応答曲面式を作成するステップと、応答曲面式上で設計要因の最適組合せを探索するステップと、求めた設計要因の最適組合せで機器機能計算を行い最適解を求めるステップと、求めた最適解を判定するステップと、求めた最適解を実現する設計要因の組合せを初期値に再設定して、繰返し、最適解を探索するステップとを有することを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は本実施の形態の説明に適用される最適設計支援装置の概略構成を示すブロック図である。
【００３０】
当該最適設計支援装置は、入力装置部１、計算機本体２、出力装置部３、処理手順（プログラム）を記録した記録媒体部４等を備え、該記録媒体部４は機器機能計算部５及び最適解探索計算部６等により構成されている。
【００３１】
そして、入力装置部１から入力された機器設計の初期値をベースにして、機器機能計算部５及び最適解探索計算部６により機器の最適設計計算が行われ、その計算結果が出力装置部３から出力される。
【００３２】
図２は、第１の実施の形態にかかる最適設計計算を行う手順を示すフローチャートである。
【００３３】
最適設計計算の手順は、先ず製品設計の計算に必要な初期値を設定し（ステップＳＡ１）、設計要因、この設計要因を変化させる範囲（水準幅）を設定する（ステップＳＡ２）。
【００３４】
そして、設計要因数及び水準数に適した直交表を選択し、この直交表に各設計要因を割付ける（ステップＳＡ３）。
【００３５】
図３は、Ｌ１８の直交表を例にして７種類の設計要因ａ〜ｇ（列の欄）を割付けた例を示す図で、この場合水準数は各設計要因とも３水準で、水準値は直交表中１，２，３で表示されている。
【００３６】
なお、直交表は、各設計要因をバランスよく組合せるため、最適解探索に使用する複数の初期値を設定する場合には適した方法である。
【００３７】
そして、探索のステップ幅、計算回数、収束条件等の最適解探索条件を設定して（ステップＳＡ４）、直交表に基づく設計要因の組合せを初期値として、直交表の組合せに基づいて最適解を探索し（ステップＳＡ５）、探索した複数の最適解の中から最も特性の優れた最適解を選定する（ステップＳＡ６）。
【００３８】
即ち、図３に示すように直交表の組合せ毎に最適解ＯＰＴ−１〜ＯＰＴ−１８を求め、得られた複数の最適解ＯＰＴ−１〜ＯＰＴ−１８の中から最も特性の優れた最適解を選定する。
【００３９】
このようにして選定した最適解が、十分な特性に到達しているかどうか、あるいは計算回数が制限値に達しているかどうかを判定する（ステップＳＡ７）。
【００４０】
もし、最適解が十分な特性に到達していない場合や計算回数が制限値内の場合には、求めた最適解を実現する設計要因の組合せを初期値に再設定して（ステップＳＡ８）、繰返し直交表の組合せ毎の最適解探索計算を行うべくステップＳＡ２に戻る。
【００４１】
このように、本発明によれば、簡潔な探査手順で局所的最適解に捕捉されることなく、直交表の組合せに基づいて最適解探索の初期値を設定するため、各設計要因をバランス良く組合せて最適解を探索することができるようになる。
【００４２】
また、直交表の水準幅は各設計要因毎に任意に設定できるため、広い範囲の探索が可能であり、求めた最適解を判定し必要に応じて初期値を再設定して繰返し最適解を探索するため、より特性の優れた大域的最適解を求めることが可能となる。
【００４３】
次に、本発明の第２の実施の形態を図を参照して説明する。なお、第１の実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用い説明を適宜省略する。
【００４４】
図４は、本実施の形態にかかる最適設計計算を行う手順を示すフローチャートで、先ず製品設計の計算に必要な初期値を設定し（ステップＳＢ１）、設計要因及び選択した設計要因を変化させる範囲（水準幅）を設定する（ステップＳＢ２）。
【００４５】
そして、設計要因数、水準数及び設計要因間の交互作用を考慮して、割付けに適した直交表を選択し、この選択した直交表に各設計要因を割付ける（ステップＳＢ３）。
【００４６】
その後、適用する最適解探索法に必要な探索のステップ幅、計算回数、収束条件等の探索条件を設定し（ステップＳＢ４）、直交表に基づく設計要因の組合せを初期値として、直交表の組合せに基づいて最適解を探索する（ステップＳＢ５）。
【００４７】
次に、このようにして、直交表の組合せに基づき探索した複数の最適解を用いて、最適解と設計要因との関係を近似する応答曲面式を作成する（ステップＳＢ６）。
【００４８】
応答曲面式の作成後、探索のステップ幅、収束条件等の最適解探索条件を設定して（ステップＳＢ７）、応答曲面式上で数理計画法に基づき設計要因の最適組合せを探索する（ステップＳＢ８）。
【００４９】
このようにして、求めた設計要因の最適組合せで機器機能計算を行い最適解を求め（ステップＳＢ９）、この最適解が十分な特性に到達しているかどうか、あるいは計算回数が制限値に達しているかどうかを判定する（ステップＳＢ１０）。
【００５０】
この判断により、最適解が十分な特性に到達していない場合や計算回数が制限値内の場合には、求めた最適解を実現する設計要因の組合せを初期値に再設定して（ステップＳＢ１１）、繰返し最適解を探索する。
【００５１】
このように、本発明の最適設計支援方法によれば、直交表の組合せに基づいて最適解探索の初期値を設定するため、各設計要因をバランス良く組合せて最適解を探索することができる。
【００５２】
また、直交表の水準幅は各設計要因毎に任意に設定できるため、広い範囲の探索が可能である。
【００５３】
また、特性値ではなく、最適解そのものに対する応答曲面式を作成して設計要因の最適組合せを求めるため、従来の特性値に対する応答曲面式を作成して最適解を求める方法等に比べ、精度が向上すると共に探索時間の短縮が可能になる。
【００５４】
さらに、求めた最適解を判定し必要に応じて初期値を再設定して、繰返し最適解を探索するため、より特性の優れた大域的最適解を求めることが可能となる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡潔な探査手順で局所的最適解に捕捉されることなく、直交表の組合せに基づいて最適解探索の初期値を設定するため、各設計要因をバランス良く組合せて最適解を探索することができるようになる。
【００５６】
また、直交表の水準幅は各設計要因毎に任意に設定できるため、広い範囲の探索が可能であり、求めた最適解を判定し必要に応じて初期値を再設定して繰返し最適解を探索するため、より特性の優れた大域的最適解を求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の各実施の形態の説明に適用される最適設計支援装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の説明に適用される最適解を探索手順を示すフローチャートである。
【図３】直交表を適用して組合せ毎に最適解を探索した例を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の説明に適用される最適解を探索手順を示すフローチャートである。
【図５】従来の技術の説明に適用される数理計画法を用いて最適解を探索する際のフローチャートである。
【図６】従来の技術の説明に適用されるランダムサーチ法を用いて最適解を探索する際のフローチャートである。
【図７】従来の技術の説明に適用される応答曲面法を用いて最適解を探索する際のフローチャートである。
【図８】大域的最適解と局所的最適解を説明する図である。
【図９】初期値の違いにより探索した最適解が変化する様子を示す図である。
【符号の説明】
１　入力装置部
２　計算機本体
３　出力装置部
４　記録媒体部
５　機器機能計算部
６　最適解探索計算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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