（西北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)研究所， 西安 710072）

摘 要：

通過(guò)分析組合原理與遺傳算法在產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種利用組合原理與遺傳算法在形態(tài)設(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的混合算法，闡述了該算法的應(yīng)用方式與步驟。通過(guò)一個(gè)洗衣機(jī)的實(shí)例驗(yàn)證了算法的可行性與實(shí)用性。結(jié)果顯示，該算法能生成具有一定創(chuàng)新性的產(chǎn)品形態(tài)。

關(guān)鍵詞：組合原理； 遺傳算法； 形態(tài)設(shè)計(jì)； 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：10013695(2009)04124402

Research on product form creative design based on hybrid algorithm ofcombination principle and generic algorithm

LIU Jiaxing， YU Suihuai

(Institute of Industrial Design， Northwestern Polytechnical University， Xian 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(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加快，產(chǎn)品創(chuàng)新已成為企業(yè)生存和發(fā)展的惟一出路?，F(xiàn)代科技的系統(tǒng)性和復(fù)雜性使得當(dāng)今大多數(shù)產(chǎn)品在技術(shù)水平和使用功能方面相差不大，因而產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)的個(gè)性與時(shí)尚性往往成為了消費(fèi)者選擇產(chǎn)品與否的決定性因素。

在計(jì)算機(jī)支持的產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)的研究中，基于組合原理的概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法通過(guò)分析概念設(shè)計(jì)過(guò)程中的創(chuàng)新思維和各類(lèi)創(chuàng)新技法，提出了一種基于組合原理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路；基于遺傳算法的產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)新設(shè)計(jì)通過(guò)模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過(guò)程而形成一種自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法，為產(chǎn)品形態(tài)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究開(kāi)辟了一條新的途徑。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已對(duì)應(yīng)用這兩種理論進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行了不少研究。文獻(xiàn)[1]深入分析了概念設(shè)計(jì)過(guò)程中的創(chuàng)新思維和各類(lèi)創(chuàng)新技法，提出了一種基于組合原理的概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)[2]開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于遺傳算法的產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于手機(jī)上蓋的形態(tài)設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[3]采用遺傳算法將一些復(fù)雜設(shè)計(jì)意圖組織成了一種簡(jiǎn)練并可共享的形式，并使其可以在沒(méi)有人工干預(yù)的情況下重復(fù)建模。

目前的研究工作大多是對(duì)某一種理論在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的單一應(yīng)用，而鮮有將多種創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論取長(zhǎng)補(bǔ)短之后綜合運(yùn)用于創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究?；谶@種情況，本文提出了一種組合原理與遺傳算法相結(jié)合的形態(tài)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，并建立了一個(gè)基于Rhinoceros 3.0的形態(tài)創(chuàng)新設(shè)計(jì)環(huán)境。

1 組合原理與遺傳算法相結(jié)合的形態(tài)創(chuàng)新方法

1.1 基于組合原理的形態(tài)創(chuàng)新方法的優(yōu)缺點(diǎn)

形態(tài)的組合創(chuàng)新方法基于對(duì)產(chǎn)品現(xiàn)有形態(tài)的分析，進(jìn)行運(yùn)算的基本特征模型提取自產(chǎn)品創(chuàng)新需要的基本信息特征。因此，這種形態(tài)創(chuàng)新方法能夠充分利用現(xiàn)有的知識(shí)以及現(xiàn)有產(chǎn)品形態(tài)的信息特征，以它們?yōu)榛A(chǔ)進(jìn)行組合運(yùn)算能夠在較大程度上繼承其自身的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)算后生成的形態(tài)設(shè)計(jì)方案通常實(shí)用性較高且具有一定創(chuàng)新性。然而，對(duì)于一些形態(tài)上整體性較高，不易有效地劃分出進(jìn)行組合運(yùn)算的獨(dú)立部件的產(chǎn)品，如洗衣機(jī)，形態(tài)組合創(chuàng)新方法就顯得捉襟見(jiàn)肘了。形態(tài)組合創(chuàng)新過(guò)程如圖1所示。

1.2 基于遺傳算法的形態(tài)創(chuàng)新方法的優(yōu)缺點(diǎn)

在計(jì)算機(jī)輔助形態(tài)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，遺傳算法主要用來(lái)生成產(chǎn)品形態(tài)的整體輪廓或決定某一部件形態(tài)的關(guān)鍵曲線的形狀。例如在文獻(xiàn)[4]中通過(guò)遺傳算法生成了一系列臺(tái)燈部件的特征曲線，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)等操作生成了一系列臺(tái)燈模型，如圖2（a）所示；文獻(xiàn)[5]在分析產(chǎn)品人機(jī)形態(tài)成型原理的基礎(chǔ)上，利用遺傳算法完成了一個(gè)輪椅靠背曲面形態(tài)的設(shè)計(jì)，如圖2（b）所示。

從以上例子可以看出，遺傳算法既可以對(duì)產(chǎn)品整體進(jìn)行進(jìn)化計(jì)算，也可以對(duì)產(chǎn)品的部件單獨(dú)進(jìn)行進(jìn)化計(jì)算，而不像組合運(yùn)算那樣受產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)約束。因此，通過(guò)遺傳算法進(jìn)行形態(tài)設(shè)計(jì)更容易產(chǎn)生一些與現(xiàn)有方案差別較大的方案，更有利于激發(fā)出一些創(chuàng)新性較高的方案。不過(guò)遺傳算法對(duì)算法的設(shè)計(jì)有很大依賴，如果算法設(shè)計(jì)有缺陷，則很可能不能很好地生成需要的設(shè)計(jì)方案。



1.3 組合原理與遺傳算法相結(jié)合的形態(tài)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

為了充分發(fā)揮兩種算法的長(zhǎng)處，需要針對(duì)不同的產(chǎn)品，在分析其形態(tài)特征的基礎(chǔ)上，確定組合原理與遺傳算法的應(yīng)用方式?；诖?，本文將組合原理應(yīng)用于確定產(chǎn)品整體的大致形態(tài)或尺寸范圍，將遺傳算法用于產(chǎn)品形態(tài)細(xì)部改進(jìn)或創(chuàng)新，從而提出一種組合遺傳混合算法。

1.3.1 組合原理的應(yīng)用方式

對(duì)于形態(tài)上容易分割為獨(dú)立部件的產(chǎn)品，可以先通過(guò)組合運(yùn)算確定產(chǎn)品的整體形態(tài)，再通過(guò)遺傳算法對(duì)單個(gè)部件或者局部形態(tài)進(jìn)行進(jìn)化計(jì)算，以這種方式應(yīng)用組合原理在文獻(xiàn)[1，6]中已有較詳盡的闡述，本文不再贅述；對(duì)于形態(tài)上不易分割為獨(dú)立部件的產(chǎn)品，可以先確定出對(duì)其外部形態(tài)影響較大的內(nèi)部部件，對(duì)其進(jìn)行組合運(yùn)算，確定產(chǎn)品的大致形態(tài)，然后再通過(guò)遺傳算法對(duì)其外部形態(tài)進(jìn)行進(jìn)化計(jì)算，從而生成產(chǎn)品最終的形態(tài)。應(yīng)用組合原理的具體步驟如下：

a)選擇產(chǎn)品類(lèi)型。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)選擇的產(chǎn)品確定下一步需要選擇的組件。

b)選擇產(chǎn)品組件。對(duì)于形態(tài)上容易分割為獨(dú)立部件的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，就是選擇構(gòu)成產(chǎn)品外部形態(tài)的部件；對(duì)于形態(tài)上不易分割為獨(dú)立部件的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，就是選擇對(duì)其外部形態(tài)產(chǎn)生影響的內(nèi)部部件。

c)進(jìn)行組合計(jì)算。根據(jù)之前確定的組件以及組件的定位方式進(jìn)行組合運(yùn)算，并生成組合后的產(chǎn)品模型。

1.3.2 遺傳算法的應(yīng)用方式

1)染色體編碼方案 因?yàn)橐粭l曲線的形態(tài)可由其控制點(diǎn)控制，所以可以通過(guò)改變曲線控制點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)改變曲線的形態(tài)。在利用遺傳算法進(jìn)行產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，編碼個(gè)體必須能夠包含構(gòu)成產(chǎn)品外形輪廓曲線控制點(diǎn)的坐標(biāo)，只有這樣才能描述問(wèn)題的可行解以及把可行解轉(zhuǎn)換到遺傳算法的搜索空間中。本文提出的染色體編碼結(jié)構(gòu)如圖3所示。

這種染色體的結(jié)構(gòu)具有兩層，上層代表產(chǎn)品染色體，它的每個(gè)基因位是一個(gè)控制點(diǎn)；下層代表控制點(diǎn)，它的每個(gè)基因位是一個(gè)坐標(biāo)。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，每個(gè)形態(tài)輪廓曲線的控制點(diǎn)就被編碼進(jìn)產(chǎn)品形態(tài)的個(gè)體編碼中。

2)遺傳算子 在本文中，個(gè)體編碼采用雙層結(jié)構(gòu)，其中不同的控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)著不同的產(chǎn)品形態(tài)。據(jù)此設(shè)計(jì)變異、交叉運(yùn)算的過(guò)程分別如圖4、5所示。



3)個(gè)體的篩選 對(duì)于一個(gè)產(chǎn)品的形態(tài)是否有創(chuàng)新性很難用一個(gè)統(tǒng)一的公式來(lái)確定，因此本文采用人工選擇與文獻(xiàn)[7]中提出的agent技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。在算法執(zhí)行過(guò)程中，設(shè)計(jì)者給出的適應(yīng)度值作為知識(shí)被存儲(chǔ)到知識(shí)庫(kù)中，如果再遇到類(lèi)似的情況，系統(tǒng)將直接從知識(shí)庫(kù)中取出適應(yīng)度值重用。隨著系統(tǒng)的不斷運(yùn)行，人機(jī)交互將會(huì)逐漸減少。



4)具體計(jì)算步驟

a)選擇進(jìn)行進(jìn)化計(jì)算的組件。對(duì)于形態(tài)上不易分割為獨(dú)立部件的產(chǎn)品則略去此步。

b)設(shè)定遺傳算法的參數(shù)，開(kāi)始運(yùn)算，生成初始種群。

c)通過(guò)與設(shè)計(jì)人員交互得到初始種群中個(gè)體適應(yīng)度值。

d)根據(jù)當(dāng)前種群的適應(yīng)度值形成新的種群，在此過(guò)程中交叉和變異運(yùn)算將會(huì)被運(yùn)行。

e)重復(fù)c)和d)，直至運(yùn)算到達(dá)終止條件或人為停止運(yùn)算。

完整算法的流程如圖6所示。



2 設(shè)計(jì)實(shí)例

下面介紹一個(gè)洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)例，說(shuō)明如何利用組合遺傳混合算法進(jìn)行產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)。

a)選擇產(chǎn)品類(lèi)型。洗衣機(jī)形態(tài)上不易分割為獨(dú)立部件，且對(duì)其外部形態(tài)影響較大的只有洗衣桶一個(gè)部件，因此系統(tǒng)會(huì)根據(jù)對(duì)洗衣機(jī)的設(shè)定直接在后臺(tái)計(jì)算出產(chǎn)品各部分尺寸的變化范圍，并將其作為后續(xù)計(jì)算的參數(shù)保存下來(lái)。

b)設(shè)定產(chǎn)品參數(shù)及遺傳算法參數(shù)。

c)生成初始種群，并通過(guò)與設(shè)計(jì)人員的交互得到個(gè)體的適應(yīng)度，如圖7所示。

d)根據(jù)當(dāng)前種群的適應(yīng)度值形成新的種群，在此過(guò)程中交叉和變異運(yùn)算將會(huì)被運(yùn)行。圖8中對(duì)圈出的控制點(diǎn)進(jìn)行交叉運(yùn)算后，得到了兩個(gè)新的洗衣機(jī)俯視輪廓線個(gè)體。圖9中對(duì)方框內(nèi)的控制點(diǎn)實(shí)施變異操作生成了一個(gè)新個(gè)體。

e)重復(fù)c)，直至用戶選擇停止運(yùn)算。

生成的模型可用于幫助設(shè)計(jì)師產(chǎn)生有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)思維。由于采用的是Rhino的設(shè)計(jì)環(huán)境，設(shè)計(jì)師可以方便地進(jìn)行后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)支持的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是一門(mén)多學(xué)科交叉的研究課題，針對(duì)不同領(lǐng)域、不同產(chǎn)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(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)往往是一個(gè)多因素共同作用的過(guò)程，因此，將多種創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論揚(yáng)長(zhǎng)避短、綜合運(yùn)用，將會(huì)成為未來(lái)提高計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)效率的重要手段。

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