基于特征函數(shù)的產(chǎn)品造型進化設計研究.pdf

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

2、計在激發(fā)設計師的形象思維和靈感思維進而開拓設計思路方面發(fā)揮了較大作用；能夠?qū)崿F(xiàn)設計自動化，減輕設計負擔；用CAD底層幾何API（Application Program Interface）表達的產(chǎn)品造型表象特征數(shù)據(jù)可以在詳細設計階段得到復用。 在充分了解現(xiàn)代設計的技術(shù)手段、設計對象及任務、設計活動和思維的背景下，本文圍繞產(chǎn)品造型創(chuàng)新設計展開了進化設計方法的研究，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、適應函數(shù)、方案評價、進化操作等設計、進化設計領(lǐng)域的概念、方法，指出基因組實際上就是產(chǎn)品模型，主要是產(chǎn)品的表象結(jié)構(gòu)；種群是相似產(chǎn)品實例的集合，是一種蘊含設計邏輯規(guī)律的知識庫；適應函數(shù)是設計方案評價機制的量化模型；進化操作是進化智能設計推理機制的具體體現(xiàn)；這4個方面構(gòu)成了進化智能設計模型的結(jié)構(gòu)體系。 然后，從這4個層面上分別研究和總結(jié)了現(xiàn)代設計、智能設計以及進化設計近年的國內(nèi)外發(fā)展狀況。 （2）在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

4、模型和功能模型的基礎上，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)及其拓撲API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化方案的多樣性，而且又不失幾何和工程語義。 多個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，用于適應度的計算?；蚪M是結(jié)構(gòu)基因和拓撲基因構(gòu)成的符號串，根據(jù)它們生成次序和空間拓撲關(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)，主基因為每個分支的根結(jié)點，拓撲基因為子結(jié)點，次基因為孫子結(jié)點，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算。 （3）種群庫是進化設計創(chuàng)新的源泉，提出了根據(jù)相似基因組建立種群庫的方法?；蚪M相似性存在兩個方面的含義：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。 相似度計算的主要工作是參照目標基因組得到一群個體的相似度，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體。 種群庫是C/S體系結(jié)構(gòu)，可為進化設計模塊提供最優(yōu)良的個體空間。 （4）為了與進化設計的自動性

7、、高速性和方案的多樣性相適應，提出了三層次的適應函數(shù)用于進化過程中創(chuàng)新方案的評價。第一層為限定類指標，只有滿足基本約束條件的造型才能得到高適應度值，這些限制條件主要是重量和尺寸等。第二層是功能類指標，要設計的產(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功能模型作為參照物，待評價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)絡的輸入，適應度為輸出。第三層是適宜類指標，由人工評價得到分值，經(jīng)綜合平

8、均得到適應度，這是一種廣泛分布、評價人員眾多的評價體系，能與高速的進化設計步調(diào)合拍。三類適應度之和是基因組用于選擇操作的最終適應度。 （5）為了滿足大規(guī)模創(chuàng)新設計要求，采用多子群免疫進化機制，將初始種群劃分為多個子群，每個子群獨立運算若干代后，再合并為一個種群進行運算，最后選擇出相對最優(yōu)的設計方案。進化操作中運用了三個操作算子：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)境下的進化創(chuàng)新平臺采用了

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