虛擬現實環境下的工業造型設計復雜問題求解優化

姜曉波 凃康瑋

摘 ?要： 通過先進的人機交互方式，虛擬現實技術可以有效提高工業造型設計的工作效率。但是，工業產品的造型設計問題一般性質十分復雜，傳統的優化方法很難實現該問題的求解。因此，提出一種基于虛擬現實技術和多目標遺傳優化的工業造型設計系統。對采用的虛擬現實系統整體結構及其相關軟硬件參數進行介紹。對產品造型設計的流程進行分析，并在產品造型設計中應用排序多目標遺傳算法。軟件開發語言為Visual C++ 6.0，并采用模擬開發軟件Vega實現CAD數據轉換。系統運行測試結果表明，所提出系統能夠有效提高產品造型優化設計的質量、縮短設計周期。

關鍵詞： 虛擬現實; 工業產品; 多目標優化; 遺傳算法; Vega; 造型設計

中圖分類號： TN911.1?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）09?0155?03

Optimization of complex problems solving of industrial modeling design

in virtual reality environment

JIANG Xiaobo， TU Kangwei

（School of Industrial Design， Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China）

Abstract： The virtual reality technology can improve the working efficiency of industrial modeling design effectively by means of advanced human?computer interaction. However， the industrial product modeling design has very complicated problems， and the traditional optimization methods are difficult to solve the problems. Therefore， an industrial modeling design system based on virtual reality technology and multi?objective genetic optimization is proposed. The overall structure of the virtual reality system and its related hardware and software parameters are introduced. The process of product modeling design is analyzed， and the sorting multi?objective genetic algorithm is applied in product modeling design. The software development language Visual C++ 6.0 and simulation development software Vega are used to realize the CAD data conversion. The system operation and test results show that the proposed system can effectively improve the quality and shorten the design cycle of product modeling optimization design.

Keywords： virtual reality; industrial product; multi?objective optimization; genetic algorithm; Vega; modeling design

0 ?引 ?言

隨著工業制造業水平的不斷提高，消費者對產品的質量要求和外形審美也不斷提高。但是，工業產品的造型優化問題一般性質十分復雜，傳統的優化方法很難實現該問題的求解。此外，為了不斷提升我國制造業的質量和水平，需要在科學技術和理念上不斷創新，以便提高自身的技術開發能力。通過先進的人機交互方式，虛擬現實技術可以有效提高工業造型設計的工作效率[1?4]。目前，產品造型優化研究主要分為兩個方面[5]：理性方面和感性方面。但是僅僅使用上述兩種方法不能滿足產品創新設計需求。

遺傳算法是模仿自然界生物個體進化的機理發展而來的一類優化算法，近年來得到廣泛應用，能夠實現各種系統中的特定目標優化問題。因此，研究人員提出將遺傳算法應用于產品造型設計中。文獻[6]提出一種基于進化算法的產品造型創新設計方法。該方法以代表性產品樣本為初始種群，應用元胞遺傳算法建立產品造型初始設計系統，實現以少量原型生成大量創新性方案的智能設計進程，可為產品造型創新設計提供有效的輔助與支持。文獻[7]對傳統遺傳算法進行合理優化，并根據優化后的流程以掘進機造型設計為例進行具體應用，驗證了其可行性。文獻[8]設計基于遺傳算法的葉型氣動優化設計平臺，運用B?Spline開發了實現葉型吸力面、壓力面型線等參數相互轉化的程序。

但是，實際的工程優化問題中大多數是多目標優化問題，標準的遺傳優化算法需要將一個單目標優化問題轉化為多目標優化問題。因此，本文提出一種基于虛擬現實技術和多目標遺傳優化的工業造型設計系統。系統運行測試結果驗證了提出系統的有效性和可行性，能夠為產品造型創新的計算機輔助設計提供新的參考。

1 ?虛擬現實環境的總體框架設計

1.1 ?總體結構

為了應對基于CAD系統的虛擬產品造型設計問題，本文構建虛擬現實環境總體結構[5]，如圖1所示。設計人員通過人機交互界面對CAD系統參數進行調整，從而對生產制造的全過程進行監控。虛擬現實環境中設計人員通過CAD系統能夠對制造模擬進行仿真管理。基于虛擬現實環境的設計平臺可以為用戶提供更簡潔、更便利的設計途徑，進行順暢的3D人機交互操作，有利于提升產品造型的設計效率。

圖1 ?虛擬現實環境總體結構

1.2 ?系統配置

上述虛擬現實環境采用的系統硬件配置為：2.8 GHz Intel 酷睿i5 8400，4 GB內存，400 GB硬盤。3D圖形加速卡為Ge Force GTX1060，DRAM為6 GB。虛擬現實硬件系統原理如圖2所示。軟件開發語言為Visual C++ 6.0，并采用模擬開發軟件Vega實現CAD數據轉換。

圖2 ?虛擬環境硬件系統

2 ?基于多目標優化遺傳算法的產品造型優化設計模型

2.1 ?產品造型創新設計的過程

產品創新設計是指將不同創新設計方法相互結合，通過設計師的創造性理念、經驗和專業知識，改良原有產品的外形、功能、結構、特征等屬性，或者做出創新性的改變，使之能夠滿足用戶的使用習慣和個性化要求。產品創新設計的過程可以分為3個層次，如圖3所示。

圖3 ?產品創新三層次

產品造型設計的過程一般具有三個階段：匹配階段、結構階段和概念階段。

2.2 ?多目標優化遺傳算法

遺傳算法能夠模擬自然界優勝劣汰的進化現象，把搜索空間（問題解的組成空間）映射為遺傳空間進行染色體編碼。通過不斷計算各染色體的適應值，選擇最好的染色體，獲得最優解。標準遺傳算法的關鍵步驟為：

1） 基因編碼;

2） 設計初始群體;

3） 適應度計算（剪枝）;

4） 產生下一代;

5） 重復步驟3）完成迭代循環，直到達到迭代次數。

本文采用的排序遺傳算法是一種基于Pareto最優概念的遺傳算法。與標準遺傳算法的不同之處在于，排序遺傳算法在進行算子抽取之前會按照個體之間的支配信息進行排序。該算法中適應度共享的計算方式為：

式中：[P]表示種群;[x，y]分別表示不同的個體;[f（x）]和[f（x）]分別表示個體[x]共享后和共享前的適應度值;[s]表示共享函數;[d]表示距離函數。

共享函數為小生境群體中其他個體和[s]個體的關系：

采用Visual C++ 6.0對排序多目標優化遺傳算法進行軟件實現。通過實數和二進制編碼對遺傳算法編碼進行實現。其中，針對二進制編碼設置單點交叉和一致交叉兩種交叉方式，可讓設計人員根據自身需要自定義選擇。排序多目標遺傳算法的軟件實現框圖如圖4所示。

圖4 ?排序多目標遺傳算法的軟件實現框圖

3 ?數值測試實驗

使用經典數值凹測試函數對排序多目標遺傳算法優化軟件的可靠性和有效性進行驗證。選取的測試函數為Schaffer提出的一個凹測試函數[9]：

設置種群數量為200，進化次數為50。排序多目標遺傳算法和標準遺傳算法優化[7]得到的Pareto曲線分別如圖5，圖6所示。

圖5 ?排序多目標遺傳算法優化結果

圖6 ?標準遺傳算法優化結果

從圖5和圖6的結果可以看出，在使用同樣的種群數量和進化次數時，相比于標準遺傳算法，排序多目標遺傳算法具有更好的Pareto曲線結果，即最優解的數量更多，驗證了其高效性和可靠性。因此，基于排序多目標遺傳算法的虛擬造型設計系統可以輸出性能更加優良的結果，縮短設計周期。

4 ?結 ?語

本文提出一種基于虛擬現實技術和多目標遺傳優化的工業造型設計系統。在產品造型設計流程分析的基礎上，在產品造型設計中應用排序多目標遺傳算法。數值測試結果驗證了提出系統的實用性和創新性，排序多目標遺傳算法的最優解收斂性。能夠為產品造型創新的計算機輔助設計提供新的參考。后續將增加種群進化約束機制，以便符合不同行業的產品造型創新設計需求。

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