基于特征函數(shù)的產(chǎn)品造型進(jìn)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、設(shè)計(jì)創(chuàng)新是企業(yè)面對激烈市場競爭的最主要策略之一，創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法要為設(shè)計(jì)師提供廣闊的思路，輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境，同時(shí)，由于創(chuàng)新多發(fā)生于概念設(shè)計(jì)階段，創(chuàng)新的數(shù)據(jù)資源也要保證后續(xù)設(shè)計(jì)的重用。針對創(chuàng)新設(shè)計(jì)的這些要求，本研究探討了基于特征函數(shù)的產(chǎn)品造型進(jìn)化設(shè)計(jì)方法。 在逆向設(shè)計(jì)、實(shí)例設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)思想的啟發(fā)下，借助于進(jìn)化機(jī)制不依賴于環(huán)境知識和邏輯思維的特點(diǎn)，建立了以基因組、種群、適應(yīng)函數(shù)和進(jìn)化操作為基礎(chǔ)的進(jìn)化設(shè)計(jì)方法。相對于其他創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，本進(jìn)化設(shè)

2、計(jì)在激發(fā)設(shè)計(jì)師的形象思維和靈感思維進(jìn)而開拓設(shè)計(jì)思路方面發(fā)揮了較大作用；能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化，減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)；用CAD底層幾何API（Application Program Interface）表達(dá)的產(chǎn)品造型表象特征數(shù)據(jù)可以在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段得到復(fù)用。 在充分了解現(xiàn)代設(shè)計(jì)的技術(shù)手段、設(shè)計(jì)對象及任務(wù)、設(shè)計(jì)活動(dòng)和思維的背景下，本文圍繞產(chǎn)品造型創(chuàng)新設(shè)計(jì)展開了進(jìn)化設(shè)計(jì)方法的研究，主要完成了如下工作。 （1）首先探討了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型、功能模型

3、、產(chǎn)品基因組、種群、適應(yīng)函數(shù)、方案評價(jià)、進(jìn)化操作等設(shè)計(jì)、進(jìn)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的概念、方法，指出基因組實(shí)際上就是產(chǎn)品模型，主要是產(chǎn)品的表象結(jié)構(gòu)；種群是相似產(chǎn)品實(shí)例的集合，是一種蘊(yùn)含設(shè)計(jì)邏輯規(guī)律的知識庫；適應(yīng)函數(shù)是設(shè)計(jì)方案評價(jià)機(jī)制的量化模型；進(jìn)化操作是進(jìn)化智能設(shè)計(jì)推理機(jī)制的具體體現(xiàn)；這4個(gè)方面構(gòu)成了進(jìn)化智能設(shè)計(jì)模型的結(jié)構(gòu)體系。 然后，從這4個(gè)層面上分別研究和總結(jié)了現(xiàn)代設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)以及進(jìn)化設(shè)計(jì)近年的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r。 （2）在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

4、模型和功能模型的基礎(chǔ)上，提出了包含結(jié)構(gòu)和功能信息的、用API函數(shù)編碼表示產(chǎn)品造型表象特征的基因組模型，CAD底層的幾何體API函數(shù)及其拓?fù)銩PI函數(shù)被用來表示基因組的結(jié)構(gòu)基因和協(xié)調(diào)基因，這樣的基因粒度利于進(jìn)化方案的多樣性，而且又不失幾何和工程語義。 多個(gè)功能行為組成了功能模型，功能行為用功能表面表示，將結(jié)構(gòu)基因的功能信息存放在屬性表里，用于適應(yīng)度的計(jì)算?；蚪M是結(jié)構(gòu)基因和拓?fù)浠驑?gòu)成的符號串，根據(jù)它們生成次序和空間拓?fù)潢P(guān)系可排列

5、為有序串，結(jié)構(gòu)基因按照其在基因組的地位和在造型中的作用主要分為主基因和次基因。這樣的基因組是一種樹形結(jié)構(gòu)，主基因?yàn)槊總€(gè)分支的根結(jié)點(diǎn)，拓?fù)浠驗(yàn)樽咏Y(jié)點(diǎn)，次基因?yàn)閷O子結(jié)點(diǎn)，這樣可轉(zhuǎn)化為二叉樹形式，以方便對基因及其功能信息的遍歷和基因組相似性計(jì)算。 （3）種群庫是進(jìn)化設(shè)計(jì)創(chuàng)新的源泉，提出了根據(jù)相似基因組建立種群庫的方法。基因組相似性存在兩個(gè)方面的含義：相同基因塊的數(shù)量、所有等同基因相似度的平均值。將多數(shù)基因組上排列相同的一系列基因符號

6、串定義為基因塊，基因塊對應(yīng)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形狀特征，防止基因塊的分裂可以保持該產(chǎn)品的特色，基因塊的甄別采用的是串模式匹配算法。 相似度計(jì)算的主要工作是參照目標(biāo)基因組得到一群個(gè)體的相似度，根據(jù)相似度值的大小分為不同的種群類，這屬于基于內(nèi)容的三維模型檢索技術(shù)，與其他檢索技術(shù)不同，主要通過基因符號串的等同比較和匹配來取得相似個(gè)體。 種群庫是C/S體系結(jié)構(gòu)，可為進(jìn)化設(shè)計(jì)模塊提供最優(yōu)良的個(gè)體空間。 （4）為了與進(jìn)化設(shè)計(jì)的自動(dòng)性

7、、高速性和方案的多樣性相適應(yīng)，提出了三層次的適應(yīng)函數(shù)用于進(jìn)化過程中創(chuàng)新方案的評價(jià)。第一層為限定類指標(biāo)，只有滿足基本約束條件的造型才能得到高適應(yīng)度值，這些限制條件主要是重量和尺寸等。第二層是功能類指標(biāo)，要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品有一些基本的功能必須滿足，將這些基本功能以功能表面的方式組成基準(zhǔn)功能模型作為參照物，待評價(jià)的造型基因組與它比較，以它們的配對功能表面參數(shù)向量作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，適應(yīng)度為輸出。第三層是適宜類指標(biāo)，由人工評價(jià)得到分值，經(jīng)綜合平

8、均得到適應(yīng)度，這是一種廣泛分布、評價(jià)人員眾多的評價(jià)體系，能與高速的進(jìn)化設(shè)計(jì)步調(diào)合拍。三類適應(yīng)度之和是基因組用于選擇操作的最終適應(yīng)度。 （5）為了滿足大規(guī)模創(chuàng)新設(shè)計(jì)要求，采用多子群免疫進(jìn)化機(jī)制，將初始種群劃分為多個(gè)子群，每個(gè)子群獨(dú)立運(yùn)算若干代后，再合并為一個(gè)種群進(jìn)行運(yùn)算，最后選擇出相對最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。進(jìn)化操作中運(yùn)用了三個(gè)操作算子：免疫選擇算子、基因塊覆蓋交叉算子、基因參數(shù)變異算子。 建立在ACIS環(huán)境下的進(jìn)化創(chuàng)新平臺采用了

9、并行計(jì)算模式，為了協(xié)調(diào)各個(gè)運(yùn)行端的工作，采用了ACIS—HOOPS的通信和消息機(jī)制。以某工藝品企業(yè)的茶壺類產(chǎn)品進(jìn)行了從基因組生成、相似度計(jì)算、基準(zhǔn)功能模型和適應(yīng)函數(shù)建立到最后的進(jìn)化操作創(chuàng)新等各個(gè)進(jìn)化過程的計(jì)算機(jī)模擬，驗(yàn)證了基于特征函數(shù)、面向造型的進(jìn)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的有效性，以及創(chuàng)新平臺的可行性。 總之，本研究在產(chǎn)品造型進(jìn)化設(shè)計(jì)的基因組、種群、適應(yīng)函數(shù)、進(jìn)化操作算子4個(gè)方面提出了一些較新的概念和模型，為概念設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品造型創(chuàng)新提供