進(jìn)化設計思維與進(jìn)化設計系統

第34卷第10期上海交通大學(xué)學(xué)報Vol, 34 No. 102000年10月JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITYOct. 2000文章編號:1006- 2467(2000)10-1449-04進(jìn)化設計思維與進(jìn)化設計系統張志偉，葉慶泰，王安麟(.上海交通大學(xué)機械工程學(xué)院，上海200030)摘要:結合思維的瞬間達 爾文進(jìn)化機制和遺傳程序設計的思想,闡述了設計思維的進(jìn)化過(guò)程.在.此基礎上,提出了進(jìn)化設計系統的結構,并對其特征和構建關(guān)鍵進(jìn)行了分析.設計是復雜而富創(chuàng )造性的活動(dòng),是演化方法和邏輯推理的結合,一方面體現出設計思維的諸多特征;另一方西為形象思維和創(chuàng )造性思維的計算機實(shí)現提供了一定程度上的可能性,拓展了設計方法學(xué)和設計自動(dòng)化的研究思路.關(guān)鍵詞:進(jìn)化設計;有限智能體;設計方法學(xué);設計自動(dòng)化;遺傳程序設計中圖分類(lèi)號:TH 122; TP 17; TP 391.72文獻標識碼:AThought and Systems of Evolutionary DesignZHANG Zhi-wei, YE Qing-tai，WANG An-lin(School of Mechanical Eng.，Shanghai Jiaotong Univ.，Shanghai 200030, China)Abstract: Combined with the instant Darwin evolution mechanism of thought and the meaning of geneticprogramming, the evolution process of design thought was represented. Based on the process, the struc-ture of evolutionary design systems was proposed, and the properties and the key points of evolutionarysystem's building were analyzed. Design is an action which is very complex and rich of creativity. Thecombination of evolutionary method and logic reasoning emerges many properties of design thought on onehand, and provides possibility to some extent for the realization of image thought and creativity thought onthe other hand. It is a new access to the research of design methodology and design automation.Key words: evolutionary design; agents limited ; design methodology; design automation; genetic pro-gramming設計模型,如功能-結構模型、功能-行為-狀態(tài)困難.模型、功能-行為-結構模型和公理設計模型等1[.2],近來(lái)的設計方法學(xué)研究中,另一種趨勢是對非側重于研究設計知識的使用過(guò)程,試圖找到設計過(guò)邏輯方法的廣泛研究,其中演化方法越來(lái)越得到研程中隱含的邏輯關(guān)系,其設計類(lèi)型是自上而下的方究者們的重視[”.不同于純粹邏輯推理方法的設計法.在上述設計模型中,功能、行為、結構之間的映射過(guò)程的實(shí)施是推理的展開(kāi),在演化設計過(guò)程中演化關(guān)系,可應用搜索技術(shù)來(lái)解決,但模型的實(shí)現以功個(gè)體 的組合具有某種程度上的隨機性,通過(guò)自然選能、行為和結構的完整存在集為基礎.但是,在設計擇,最后得到相應于設計要求的優(yōu)解.在演化設計過(guò)開(kāi)始時(shí)功能、行為集定義不良,它們在設計過(guò)程中根程中,.中國煤化工設計要求的試據設計要求和現有的狀態(tài)(結構)動(dòng)態(tài)衍生,這個(gè)根解,通H三個(gè)設計空間,這本性的問(wèn)題使這種單純邏輯方向研究遇到了很大的.CN M H G于結構組合的無(wú)限多樣性,單純的演化方法有收斂慢和無(wú)法在功.收稿日期:1999-07-12能、行為層面上進(jìn)行有效評價(jià)的困難,因此需要演化作者簡(jiǎn)介:張志偉(1971~),男，博士生.方法和邏輯方法的有機結合.第10期張志偉,等:進(jìn)化設計思維與進(jìn)化設計系統1451傳統設計過(guò)程全部劃分:抽象(邏輯)思維、形象思維、創(chuàng )造性思維，進(jìn)化設計系統「設計要求此外還有經(jīng)驗起著(zhù)非常重要的作用,尤其在設計的.早期階段.基于實(shí)例的設計(Case Based Design,方案設計上口設計演化CBD)是目前對經(jīng)驗應用的一個(gè)研究重點(diǎn),它對實(shí)例[結構設計8設計方案知的使用是推理的方法.當把實(shí)例作為設計知識的模+驗證庫識式置于設計的演化環(huán)境中,則相當于在可能空間中優(yōu)解理性操作從較優(yōu)點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行搜索，提高了設計效率;同時(shí),對[結果輸出]其遺傳操作(復制、交叉、變異)則可實(shí)現不同實(shí)例間結果輸出的類(lèi)比設計,體現出形象思維和創(chuàng )造性思維的特征，[生產(chǎn)制造這在傳統的CBD中是難以實(shí)現的.此外,從面向對圖2 進(jìn)化設計系統結構及與傳統設計過(guò)程關(guān)系象的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看,一個(gè)產(chǎn)品可用產(chǎn)品樹(shù)的結構形式來(lái)Fig.2 Structure of evolutionary design systems and its表達,這為遺傳操作提供了方便.relation with traditional design process置和大小，而且其結構形式也是演化出來(lái)的..3進(jìn)化設計 系統的構建關(guān)鍵設計的演化算法類(lèi)似于前述的GP算法,但需3.1演化環(huán)境要結合特定的設計領(lǐng)域特征,定義合適的演化個(gè)體、設計過(guò)程的實(shí)施建立在廣泛模式的基礎上,故演化算子和適應度評價(jià),其流程如圖3所示.演化設需建立模式庫.模式進(jìn)一步劃分,可分為原型(實(shí)計是-種從底層構建系統的方法,由試解演化個(gè)體例)、零部件、規則,把涉及的過(guò)程性設計規則嵌人系的適應度來(lái)決定其留存的概率.統的構造中,原型(實(shí)例)庫可通過(guò)界面接口輸人轉換建立,有關(guān)設計對象的規則庫可通過(guò)對實(shí)例的歸[初始設計元素群體生成 ]納學(xué)習而獲得.這樣,主要的工作就是建立零部件庫,而對零部件的描述和劃分比較困難.選擇父體(一定概率)門(mén)3.2 演化個(gè)體構造L父體隨機有限交叉演化個(gè)體聯(lián)接起演化方法和邏輯推理,在微觀(guān)花C父體隨機有限變異層次上,將其稱(chēng)為有限智能體.有限智能體封裝著(zhù)領(lǐng)域知識，可依據領(lǐng)域知識作出一定的行為.在演化過(guò)群體中個(gè)體評價(jià)程中,有限智能體為遺傳操作提供了接口,提供其在方案設計過(guò)程中用到的功能、特征的定性描述,根據_N終止?其擁有的領(lǐng)域知識和遺傳操作,建立起與其他智能體之間的聯(lián)系,構成-一個(gè)試解.方案產(chǎn)生后,根據鄰方案輸出接智能體的輸人及其屬性、特征和規律構造自身，即圖3設計的演 化算法流程圖進(jìn)人詳細設計階段.Fig.3 Flowchart of design evolutionary algorithm演化個(gè)體的結構可表述如下:2.2設計演化 的兩層結構原型::名稱(chēng)設計的演化具有兩層結構:宏觀(guān)的演化和微觀(guān)功能:://定義的功能的行為(見(jiàn)圖3).宏觀(guān)演化過(guò)程中,演化個(gè)體服從代要求:://對應的設計要求和應用環(huán)境代遺傳復制、交叉、變異等演化規律,作為被操作對特征://原型特征象而存在.而在微觀(guān)層次上,演化個(gè)體又有一定的自結構:://描述原型的結構主性，依據領(lǐng)域知識實(shí)施--定的行為(如結盟、強化、組成::<原型::名稱(chēng))//*< )”表示可重復相關(guān)、分解、匹配等微觀(guān)關(guān)系操作),故其交叉和變異空間關(guān)系::操作是有限隨機的.構建自身形狀和尺寸的微觀(guān)內連接關(guān)系::容操作,作為有限智能體而存在.因此，宏觀(guān)層次的演化保證算法的收斂，而微觀(guān)層次的自主行為保證中國煤化工試解的合理和完整,體現著(zhù)邏輯的一面,由演化個(gè)體YHCNMHG把它們聯(lián)接起來(lái). .映射::/7數據映射2.3設計經(jīng)驗的遺傳使用設計規則:://設計經(jīng)驗設計過(guò)程是極端復雜的，包含著(zhù)人們對思維的圖形://裝配圖1452上海交通大學(xué)學(xué)報第34卷最底層零部件表達如下(其設計過(guò)程由.上一層體應具有適應性增長(cháng)的機制,即各自在設計解中擔部件來(lái)描述):任什么角色,與其他設計解中演化個(gè)體的關(guān)系如何,原型::名稱(chēng)并且提高其對某- -功能滿(mǎn)足的程度.這種機制和人功能:://定義的功能的設計習慣是相似的.材料:://底層零部件所用材料4結語(yǔ)屬性:://性能特征形狀:://形狀描述設計過(guò)程中包含邏輯思維、形象思維和創(chuàng )造性參數://設計所使用的參數思維.借助于自然智能的高速穩健的優(yōu)化方法一輸人位置://力、扭矩、能量輸入位置演化,通過(guò)設計知識模式之間的演化過(guò)程,不僅體現輸出位置:://力、扭矩、能量輸出位置出了形象思維和創(chuàng )造性思維的特征，而且最后獲得圖形:://圖形的繪制了設計問(wèn)題的優(yōu)解.同時(shí),和設計方法學(xué)中對某些創(chuàng )3.3演化算子造技法的研究有相同之處.演化方法和邏輯推理在演化個(gè)體可表達為樹(shù)結構的形式,因此可和設計過(guò)程中擔當不同的角色,它們之間的有機結合，GP中的演化算子一樣,進(jìn)行復制、交叉和變異,只可各揚其長(cháng),互補不足.是交叉和變異在某一概率下并非完全隨機，而要受:參考文獻:到匹配原則的限制,由微觀(guān)關(guān)系操作補充純粹組合理性的不足.[1] SuhN P. Axiomatic design of mechanical systems3.4 適應度[J]. A Special Combined Issue of the Journal of Me-對于設計問(wèn)題,適應度的確定是難以處理的,一chanical Design and the Journal of Vibration andAcoustics, 1995, 117(b); 2~10.方面是由于對問(wèn)題解的合理性和可實(shí)現性在方案設[2] Shimomura Y, Yoshioka M, Takeda H, et al. Repre-計階段并沒(méi)有精確的指標,且多目標之間往往互相sentation of design object based on the functional evo-矛盾;另一方面對產(chǎn)生的試解一演化個(gè)體的新組lution process mode [J]. Journal of Mechanical De-合,難以在創(chuàng )新性和合理性之間進(jìn)行抉擇.根據設計sign, JE 1998, 120; 221~229. .的一般規律,由功能滿(mǎn)足原則和最簡(jiǎn)結構原則,適應[3] Rosenmsn M A. An exploration into evolutionary度可定義為design[J]. Arificial Intelli-f=a(_af/它5+a+中國煤化工。97, (11); 287~293.MHCN MH G何思維一智力演化的今昔_M].楊雄里，梁培基譯.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，其中:a、ar分別為功能原則和最簡(jiǎn)結構原則的權重;1996.w,為結構滿(mǎn)足某功能f,的程度;力,為第j個(gè)部件.[5] Koza, J R. Genetic programming: on the program-3.5個(gè)體適 應性增長(cháng)ming of computers by means of natural selection[M].面方數的設計完成之后,與其相關(guān)的演化個(gè)Cambridge M A: MIT Press, 1992.