基于組合遺傳算法的產品形態創新設計研究
2009-01-01 00:00:00劉佳星余隋懷
計算機應用研究 2009年4期
（西北工業大學 工業設計研究所， 西安 710072）
摘 要：
通過分析組合原理與遺傳算法在產品形態設計領域的應用現狀與各自的優缺點，提出了一種利用組合原理與遺傳算法在形態設計中的優點進行產品形態創新設計的混合算法，闡述了該算法的應用方式與步驟。通過一個洗衣機的實例驗證了算法的可行性與實用性。結果顯示，該算法能生成具有一定創新性的產品形態。
關鍵詞：組合原理； 遺傳算法； 形態設計； 創新設計
中圖分類號：TP391.7文獻標志碼：A
文章編號：10013695(2009)04124402
Research on product form creative design based on hybrid algorithm ofcombination principle and generic algorithm
LIU Jiaxing， YU Suihuai
(Institute of Industrial Design， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China)
Abstract:
This paper analysed the current application status， advantages and disadvantages of combination principle and generic algorithm. Based on this， it proposed a hybrid algorithm for product form creative design， which took advantage of combination principle and generic algorithm in product form design. Explained the application method and steps of this algorithm. Finally， tested and verified the feasibility and practicability of the hybrid algorithm through a case of washing machine. The result shows that this algorithm can generate some forms with creativity.
Key words：combination principle; generic algorithm; form design; creative design
隨著全球經濟一體化進程的加快，產品創新已成為企業生存和發展的惟一出路。現代科技的系統性和復雜性使得當今大多數產品在技術水平和使用功能方面相差不大，因而產品形態設計的個性與時尚性往往成為了消費者選擇產品與否的決定性因素。
在計算機支持的產品形態設計的研究中，基于組合原理的概念創新設計方法通過分析概念設計過程中的創新思維和各類創新技法，提出了一種基于組合原理的創新設計思路；基于遺傳算法的產品形態創新設計通過模擬生物在自然環境中的遺傳和進化過程而形成一種自適應全局優化概率搜索算法，為產品形態的創新設計研究開辟了一條新的途徑。近年來，國內外已對應用這兩種理論進行創新設計進行了不少研究。文獻[1]深入分析了概念設計過程中的創新思維和各類創新技法，提出了一種基于組合原理的概念創新設計方法；文獻[2]開發了一個基于遺傳算法的產品形態設計軟件系統，并將其應用于手機上蓋的形態設計；文獻[3]采用遺傳算法將一些復雜設計意圖組織成了一種簡練并可共享的形式，并使其可以在沒有人工干預的情況下重復建模。
目前的研究工作大多是對某一種理論在創新設計中的單一應用，而鮮有將多種創新設計理論取長補短之后綜合運用于創新設計的研究。基于這種情況，本文提出了一種組合原理與遺傳算法相結合的形態創新設計方法，并建立了一個基于Rhinoceros 3.0的形態創新設計環境。
1 組合原理與遺傳算法相結合的形態創新方法
1.1 基于組合原理的形態創新方法的優缺點
形態的組合創新方法基于對產品現有形態的分析，進行運算的基本特征模型提取自產品創新需要的基本信息特征。因此，這種形態創新方法能夠充分利用現有的知識以及現有產品形態的信息特征，以它們為基礎進行組合運算能夠在較大程度上繼承其自身的優點，運算后生成的形態設計方案通常實用性較高且具有一定創新性。然而，對于一些形態上整體性較高，不易有效地劃分出進行組合運算的獨立部件的產品，如洗衣機，形態組合創新方法就顯得捉襟見肘了。形態組合創新過程如圖1所示。
1.2 基于遺傳算法的形態創新方法的優缺點
在計算機輔助形態設計領域，遺傳算法主要用來生成產品形態的整體輪廓或決定某一部件形態的關鍵曲線的形狀。例如在文獻[4]中通過遺傳算法生成了一系列臺燈部件的特征曲線，并通過旋轉等操作生成了一系列臺燈模型，如圖2（a）所示；文獻[5]在分析產品人機形態成型原理的基礎上，利用遺傳算法完成了一個輪椅靠背曲面形態的設計，如圖2（b）所示。
從以上例子可以看出，遺傳算法既可以對產品整體進行進化計算，也可以對產品的部件單獨進行進化計算，而不像組合運算那樣受產品本身結構約束。因此，通過遺傳算法進行形態設計更容易產生一些與現有方案差別較大的方案，更有利于激發出一些創新性較高的方案。不過遺傳算法對算法的設計有很大依賴，如果算法設計有缺陷，則很可能不能很好地生成需要的設計方案。
1.3 組合原理與遺傳算法相結合的形態創新設計方法
為了充分發揮兩種算法的長處，需要針對不同的產品，在分析其形態特征的基礎上，確定組合原理與遺傳算法的應用方式。基于此，本文將組合原理應用于確定產品整體的大致形態或尺寸范圍，將遺傳算法用于產品形態細部改進或創新，從而提出一種組合遺傳混合算法。
1.3.1 組合原理的應用方式
對于形態上容易分割為獨立部件的產品，可以先通過組合運算確定產品的整體形態，再通過遺傳算法對單個部件或者局部形態進行進化計算，以這種方式應用組合原理在文獻[1，6]中已有較詳盡的闡述，本文不再贅述；對于形態上不易分割為獨立部件的產品，可以先確定出對其外部形態影響較大的內部部件，對其進行組合運算，確定產品的大致形態，然后再通過遺傳算法對其外部形態進行進化計算，從而生成產品最終的形態。應用組合原理的具體步驟如下：
a)選擇產品類型。系統會根據選擇的產品確定下一步需要選擇的組件。
b)選擇產品組件。對于形態上容易分割為獨立部件的產品來說，就是選擇構成產品外部形態的部件；對于形態上不易分割為獨立部件的產品來說，就是選擇對其外部形態產生影響的內部部件。
c)進行組合計算。根據之前確定的組件以及組件的定位方式進行組合運算，并生成組合后的產品模型。
1.3.2 遺傳算法的應用方式
1)染色體編碼方案 因為一條曲線的形態可由其控制點控制，所以可以通過改變曲線控制點的坐標來改變曲線的形態。在利用遺傳算法進行產品形態設計時，編碼個體必須能夠包含構成產品外形輪廓曲線控制點的坐標，只有這樣才能描述問題的可行解以及把可行解轉換到遺傳算法的搜索空間中。本文提出的染色體編碼結構如圖3所示。
這種染色體的結構具有兩層，上層代表產品染色體，它的每個基因位是一個控制點；下層代表控制點，它的每個基因位是一個坐標。通過這種結構，每個形態輪廓曲線的控制點就被編碼進產品形態的個體編碼中。
2)遺傳算子 在本文中，個體編碼采用雙層結構，其中不同的控制點對應著不同的產品形態。據此設計變異、交叉運算的過程分別如圖4、5所示。
3)個體的篩選 對于一個產品的形態是否有創新性很難用一個統一的公式來確定，因此本文采用人工選擇與文獻[7]中提出的agent技術相結合的方式進行評價。在算法執行過程中，設計者給出的適應度值作為知識被存儲到知識庫中，如果再遇到類似的情況，系統將直接從知識庫中取出適應度值重用。隨著系統的不斷運行，人機交互將會逐漸減少。
4)具體計算步驟
a)選擇進行進化計算的組件。對于形態上不易分割為獨立部件的產品則略去此步。
b)設定遺傳算法的參數，開始運算，生成初始種群。
c)通過與設計人員交互得到初始種群中個體適應度值。
d)根據當前種群的適應度值形成新的種群，在此過程中交叉和變異運算將會被運行。
e)重復c)和d)，直至運算到達終止條件或人為停止運算。
完整算法的流程如圖6所示。
2 設計實例
下面介紹一個洗衣機的設計實例，說明如何利用組合遺傳混合算法進行產品形態設計。
a)選擇產品類型。洗衣機形態上不易分割為獨立部件，且對其外部形態影響較大的只有洗衣桶一個部件，因此系統會根據對洗衣機的設定直接在后臺計算出產品各部分尺寸的變化范圍，并將其作為后續計算的參數保存下來。
b)設定產品參數及遺傳算法參數。
c)生成初始種群，并通過與設計人員的交互得到個體的適應度，如圖7所示。
d)根據當前種群的適應度值形成新的種群，在此過程中交叉和變異運算將會被運行。圖8中對圈出的控制點進行交叉運算后，得到了兩個新的洗衣機俯視輪廓線個體。圖9中對方框內的控制點實施變異操作生成了一個新個體。
e)重復c)，直至用戶選擇停止運算。
生成的模型可用于幫助設計師產生有創意的設計思維。由于采用的是Rhino的設計環境，設計師可以方便地進行后續的詳細設計。
3 結束語
計算機支持的創新設計是一門多學科交叉的研究課題，針對不同領域、不同產品，各種新方法、新理論層出不窮。然而，任何單一的理論和方法總是有其局限性的，而產品創新設計往往是一個多因素共同作用的過程，因此，將多種創新設計理論揚長避短、綜合運用，將會成為未來提高計算機輔助設計效率的重要手段。
參考文獻：
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