進化算法在工業產品造型設計中的運用

李秋雯

摘 ?要： 為了有效提高產品造型設計的效率，設計一種基于改進差分進化算法的工業產品造型設計系統。首先對產品造型設計的過程及邏輯流程進行分析，然后根據需求功能結構，給出具體的系統工作流程，最后提出改進差分進化算法并應用到產品造型設計中。采用.NET開發平臺進行系統軟件實現。系統運行測試結果表明，所提出系統能夠輔助設計者進行工業產品的造型設計，對進一步實現創新設計提供了良好的技術支撐。

關鍵詞： 差分進化; 工業產品; 造型設計; .NET開發平臺; 系統設計; 輔助設計

中圖分類號： TN911.1?34; TP183 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）09?0177?03

Application of improved differential evolution algorithm in industrial

product modeling design system

LI Qiuwen

（Chengdu Technological University， Chengdu 611730， China）

Abstract： In order to effectively improve the efficiency of product modeling design， an industrial product modeling design system based on improved differential evolution algorithm was designed. The process and logic flow of product modeling design are analyzed. According to the demand function structure， the specific system workflow is given. An improved differential evolution algorithm is proposed and applied to product modeling design. The system software is implemented with .NET development platform. The system operation test results show that the proposed system can assist the designer to perform the modeling design of the industrial products， and provide the strong technical support for further realization of innovative design.

Keywords： differential evolution; industrial product; modeling design; .NET development platform; system design; aided design

0 ?引 ?言

“中國制造2025”是我國政府實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領。工業制造業水平直接關系到國民經濟的基礎，是立國之本、興國之器、強國之基[1]。為了在競爭激烈的開放市場環境下，提升我國制造業的質量和水平，就需要在科學技術和理念上不斷創新，提高自身的技術開發能力。作為一種先進的計算機技術，計算機輔助設計與制造技術（CAD/CAM）是現代工業產品設計必不可少的工具和手段，涉及廣泛的行業應用領域[2?3]。產品設計的好壞不僅由設計者自身的素質決定，還在很大程度上受到計算機輔助設計工具的影響。

隨著工業制造業水平的不斷提高，消費者對產品的要求也不斷增多，如科技含量、種類和外形等，這大大增加了新工業產品設計的難度。為了有效提高產品造型設計的效率，并實現產品的創新性設計，本文設計了一種基于改進差分進化算法的工業產品造型設計系統。系統運行測試結果表明，所提系統能夠輔助設計者進行工業產品的造型設計，驗證了提出算法的正確性和可行性。

1 ?工業產品造型設計理論及其過程

工業產品造型設計理論一直是制造業研究領域的熱點方向。現階段的工業產品設計研究主要分為兩個方向[4]：基于計算機輔助造型技術的產品造型設計系統開發;基于神經網絡的工業產品設計方案評價。文獻[5]提出一種基于遺傳算法優化神經網絡的產品造型設計評價方法。本文研究的內容為前者。針對產品造型設計系統開發問題，文獻[6]設計一種面向工業產品外形設計的草繪實體建模系統，通過估算曲線主方向的方法直接構造三維曲線，能夠滿足產品概念設計的快速三維建模。文獻[7]提出一種計算機輔助創新設計平臺的模型，并基于Java技術開發了一個計算機輔助工具，能夠輔助設計人員進行創新設計，開拓了設計者的思維空間，促進了產品創新設計過程。

此外，研究人員發現遺傳算法優化算法能夠與產品造型設計有效結合，使設計人員能迅速獲得產品造型。文獻[8]提出一種基于遺傳學的產品快速設計系統。文獻[9]提出一種基于進化算法的產品造型創新設計方法。根據認知心理學的研究結果，符合設計人員創造性思維模型的產品造型設計過程及邏輯流程應該包括匹配設計、結構設計和概念設計三個層次，如圖1所示。其中，產品的設計需求是結構設計的基礎，直接決定了產品的最終結構。設計人員概念造型設計必須基于具體的產品結構，不能脫離實際。

圖1 ?產品造型設計過程及邏輯流程

2 ?系統總體設計

2.1 ?系統需求功能結構

目前，基于計算機輔助設計的產品造型設計手段主要包括：

1） 數字化設計，該手段主要采用數字化建模技術;

2） 并行化設計，該手段主要以產品設計過程的交叉、重組和優化來縮短產品開發周期;

3）虛擬化設計，該手段主要采用虛擬現實技術進行三維可視化設計。

通過上述需求分析可以看出，工業產品造型設計系統應該具備以下幾點功能：零件的生成;零件原型庫的搜索和匹配;產品設計方案生成。如圖2所示。

圖2 ?工業產品造型設計系統需求功能結構

2.2 ?系統工作流程設計

本文將進化算法應用于產品造型設計系統，系統工作流程如圖3所示。

圖3 ?系統工作流程

從圖3中可以看出，在執行進化算法過程中，先對原始種群中的個體進行三維造型、造型評價和造型存儲操作。當本代所有個體均執行完以上3個步驟后，開始執行進化計算程序，在完成交叉過程后生成新的下一代種群。

3 ?改進的差分進化算法

差分進化算法作為一種群體智能優化算法，其基本原理借鑒了遺傳算法的設計理念[10]。通過使用差分進化算法，能夠把產品造型設計系統設計的造型、評價和存儲工作轉換為復非線性求解問題。文獻[9]應用標準遺傳算法建立產品造型細化設計系統，進一步優化初始設計方案，快速實現方案的細化智能設計進程。

但是傳統差分進化算法的性能對調整因子的大小十分敏感。面對復雜程度較高的問題時，算法迭代的效率存在局限。在搜索的最后階段，算法可能陷入局部最優。為了加強全局搜索能力，以便得到覆蓋全局空間的最優結果，本文引入模擬退火算法中線性退火的思想，從而在一定程度上提高算法的魯棒性。針對參數自適應變異差分進化算法添加退火因子[q]，得到改進的種群更新方法：

式中：[x（rb，j）]表示最佳值;[p]為樣本;[gen_max]為最大迭代次數;[G]為進化代數。在算法進化的過程中，退火因子[q]逐漸從1變為 0，最佳值的比重也會逐漸提高。通過改進種群更新方法，可以提高算法的全局搜索能力。

改進后的差分進化算法對種群進行迭代進化的步驟如下：

步驟1：選擇適應度函數：

式中：[Ai]表示目標矩陣;[Bi]表示執行差分進化后的更新矩陣。如[E≤ε]，則迭代結束，否則進行下一步。

步驟2：按照順序輸入樣本[p]，產生目標個體[xp={xp1，xp2，…，xpm}]。

步驟3：按照改進的種群更新方法，將退火因子的變異策略引入到種群的差分進化過程，從而實現雜交因子的交叉過程。

步驟4：對比目標個體的適應度值和進化后個體的適應度值，并記錄最優結果。本文設置誤差目標[ε=0.01]。

步驟5：若[E≤ε]，則停止迭代。

4 ?系統具體實現

采用.NET開發平臺進行系統的具體軟件實現。系統開發平臺為Visual Studio IDE，開發語言為C#，支撐平臺為Pro/E（Pro Engineer）5.0。產品造型設計系統的登錄界面如圖4所示。設計模塊主界面如圖5所示。

圖4 ?產品造型設計系統登錄界面

圖5 ?設計模塊主界面

由圖5可看出，設計模塊主界面主要包括三個部分：

1） 進化參數設置。包括初始種群的設置按鈕，會跳轉到初始種群設置子界面。

2） 產品造型評估。種群迭代實現個體造型后，設計人員對該造型進行評估，也就是對當前個體設置適應度值。

3） 進化過程控制。實現整個進化步驟的具體控制。

測試結果表明，系統運行結果良好，能夠穩定實現種群個體造型迭代進化，直至設計任務結束。

5 ?結 ?語

本文設計了一種基于改進差分進化算法的工業產品造型設計系統，并采用.NET開發平臺進行具體軟件實現。通過系統測試得出如下結論：驗證了改進的差分進化算法的正確性和可行性，能夠對三維造型進行全局優化求解;設計的產品造型設計系統運行狀態良好、符合預期，能夠進行工業產品造型的輔助設計，具有一定的指導意義。

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