基于遺傳算法的產品創新設計

胡春雨，劉弘

(山東師范大學信息科學與工程學院，山東 濟南 250014)

隨著全球經濟的迅速發展，產品的市場占有率對企業的生存和發展起到了舉足輕重的作用，而產品的創新性又決定了其市場占有份額。實踐證明，在產品設計過程中概念設計是產品設計中最關鍵、最復雜、最有決定性和創新性的階段［1］。計算機輔助設計(CAD)技術改變了傳統的設計方式，而且正朝著智能化的方向發展［2］。如何利用CAD來實現概念設計的自動化，減輕設計者的壓力成為計算機圖形學領域面臨的挑戰。

進化設計方法作為一種新方法已經得到了廣泛的應用［3］。遺傳算法作為進化計算的重要組成部分更是受到了越來越多的關注。1975年，Holland［4］首先提出了遺傳算法這一概念。到20世紀80年代后期，由于在經濟預測等應用領域獲得成功，進化計算成為十分熱門的研究話題［5］。目前，國內外已經將遺傳算法應用于產品創新設計領域并做了大量的研究。文獻［6］提出了一種用進化計算及可視化技術支持概念創新的方法，并將其運用于臺燈造型設計。文獻［7］運用遺傳算法設計出新穎的建筑平面圖，同時展示了進化計算可以使智能體獲得學習能力，生成新的建筑物。文獻［8］在討論人機交互的特性的基礎上，利用遺傳算法應用生成了輪椅靠背曲面形態。文獻［9］和文獻［10］也在遺傳算法的基礎上分別實現了家具造型以及汽車造型的創新設計。

在產品創新設計領域，遺傳編碼作為應用遺傳算法時非常重要的一部分，其研究與應用起到了十分重要的作用。目前在該領域中應用較多的編碼方式有樹形結構編碼、實數編碼、二進制編碼等等，這些編碼方式都很好的實現了設計者的創新要求［11］。

本文介紹了一種基于遺傳算法進行產品創新設計的方法，以及該方法運用于產品外觀設計的過程。對于編碼方式，本文采用了文獻［12］提出的雙層結構編碼方式，雖然這種編碼方式在產品外觀造型創新設計領域還未得到廣泛應用，但十分適合對控制點坐標進行編碼，將其應用于產品外觀輪廓線的設計十分方便、直觀。在VC++6.0及三維建模引擎ACIS可視化平臺的基礎上，將以上方法應用于風箏的設計過程中，得到了很多設計方案。

1 基于遺傳算法的產品外觀造型創新設計

為充分發揮雙層結構與二進制結構兩種編碼方式的優勢，針對不同類型的產品，在充分了解其造型特征的基礎之上，劃分為兩類:可分割類型(例如臺燈、手機等)和不可分割類型(例如洗衣機、風箏等)，并針對兩種類型提出一種可以通用的產品造型創新設計方法。

1.1 遺傳算法的應用方式

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［2］，對于外觀造型可分割為獨立組件的產品，可以首先采用雙層結構的遺傳算法對單個組件進行形態造型設計，然后使用二進制編碼遺傳算法對不同組件生成組合方案。對于形態造型不可分割為獨立組件的產品，可選擇出對外觀造型產生重要影響的主要部件，采用雙層結構的遺傳算法對該部件進行造型設計。

1.1.1 染色體編碼方式

通過對已有的各種編碼方式的優缺點進行比較，本文選擇了兩種編碼方式:一種是標準遺傳算法中通常采用的二進制編碼方式，這種編碼方式雖然表達不夠靈活，但其基因表達細膩，可用于產品不同部件的組合搭配之中;另一種編碼方式為雙層結構的編碼方式，對于產品中一些不可分割的部件或整體，可以將其形態看做整體的外部輪廓線，通過對外部輪廓線提取控制點，并對控制點坐標進行交叉、變異操作，從而實現曲線形態的改變。

1.1.1.1 雙層結構染色體編碼方式

雙層結構編碼方式充分模擬了生物體中承載遺傳機制的染色體結構，將染色體劃分為兩層:上層表示產品的控制點序列，對應生物體中的染色體;下層表示控制點的坐標信息，即對應生物體中DNA上所攜帶的遺傳信息。其具體的編碼方式見圖1。

1.1.1.2 二進制染色體編碼方式

二進制編碼方式所使用的編碼符號集是由二進制符號0和1所組成的二值符號集{0，1}，它所構成的個體基因型是一個二進制編碼符號串［13］。將二進制編碼應用于產品不同組件的組裝時，可以給每種部件賦以一定數位的二進制編碼，圖2給出了兩個有二進制編碼的產品部件組合。

1.1.2 遺傳算子

1.1.2.1 雙層結構編碼遺傳算子

在雙層結構的編碼方式下，交叉算子和變異算子都是對控制點進行的，控制點的不同組合對應著不同的產品形態曲線。對于雙層結構編碼的遺傳算子，本文將以風箏造型的創新設計為例來說明其交叉與變異過程(本文中的設計實例所涉及到的控制點太多，無法一一列出，對稱控制點只列出一個且只列出主要的控制點坐標)。圖3詳細地說明了這種編碼方式的交叉過程，變異過程與此類似，在此沒有畫出詳細的圖示。為形象說明這種編碼方式，圖4與圖5以風箏造型的設計實例介紹了該遺傳操作過程。

1.1.2.2 二進制編碼遺傳算子

在二進制編碼方式下，交叉算子和變異算子都是對二進制字符串中的位進行的。據此設計的交叉和變異過程分別見圖6(以圖2中的‘M’點為交叉點)、圖7(以圖2中的‘N’點為變異作用點)。(該遺傳編碼方式的操作過程較為常見，可參考文獻［5］中圖11的臺燈組裝方案)

1.1.3 個體的篩選

在遺傳算法中，個體的篩選通常是由適應度函數來決定的。由于產品的創新性以及外形是否美觀通常來自于人的主觀感受，無法用統一的公式或函數來確定，本文采用人機交互與文獻［14］所提出的Agent技術相結合的方式來進行評價。在設計的初始階段由設計人員給出產品的適應度值，并由Agent將適應度值作為知識保存到知識庫中，當后續再次遇到類似的情況時，系統直接給出適應度值，從而逐漸減少人機交互的次數，減少設計者的工作量，實現智能化處理。

遺傳算法應用步驟:

步驟1:生成初始化種群。在進行部件外觀設計時，利用雙層結構遺傳算法，通過使用掃描儀或數碼相機取得產品外觀造型的輪廓曲線，或者在直接獲取的造型輪廓曲線中提取控制點坐標，生成初始個體。在進行部件組裝時，利用二進制遺傳算法，利用已有產品個體生成初始種群。

步驟2:通過人機交互對初始種群中的個體進行評價并設定適應度值。

步驟3:利用上述提到的方法對種群進行交叉、變異和篩選。

步驟4:如果用戶不終止遺傳過程，則轉步驟2;否則，結束。

1.2 產品外形的分割方法

首先，通過人機交互判斷產品外觀是否可分割，對于外觀不可分割的產品選出影響其外觀造型的主要部件。而對于外觀可分割的產品，由于組件的劃分和個體的篩選類似，通常依靠人的主觀意識進行判斷，很難依靠計算機直接進行判斷，這里采用文獻［9］中介紹的“支持創新概念設計的多Agent系統”所具有的任務分解功能對產品進行組件劃分，將產品整體作為一個任務，利用任務分解功能將其劃分為多個不同的組件。具體的應用過程可參考文獻［9］第4部分的花瓶的設計分解模型。

1.3 產品外觀創新設計的具體步驟

(1)選擇要進行外觀創新設計的產品，判斷產品的外觀是否可劃分為不同的組件。

(2)對于外觀不可分割的產品選出影響其外觀造型的主要部件，然后轉向步驟(4);對于外觀可分割的產品利用1.2中所介紹的分割方法進行組件的劃分，然后轉向步驟(3)。

(3)在劃分出的眾多部件中選出要進行造型設計的部件。

(4)利用雙層結構的遺傳算法(包括生成初始種群、選擇、交叉、變異、篩選等步驟)對產品部件進行外觀創新設計。

(5)判斷產品的所有部件是否都已完成設計，若是，轉向步驟(6);若不是，轉向步驟(3)。

(6)判斷產品外觀是否經過分割，若是，轉向步驟(7);若不是，轉向步驟(8)。

(7)利用二進制編碼的遺傳算法進行部件組裝。

(8)通過人機交互對產品進行修改和改進，至此產品的設計過程完成。

完整的算法偽代碼如下:

利用二進制編碼的遺傳算法進行部件組裝;

Else選擇對產品外觀產生最重要影響的部件;

利用雙層結構編碼的遺傳算法對產品部件進行外觀設計;通過人機交互對產品進行修改;End;

2 設計實例

下面介紹風箏的設計實例，說明如何運用遺傳算法進行產品外觀創新設計。

(1)選擇風箏作為要進行產品外觀創新設計的產品，然后判斷產品類型。風箏外觀形態不易分割，且對其外觀形態影響較大的部件即為風箏面，本例中主要對風箏的輪廓線進行造型設計，系統根據設計要求設定風箏的尺寸大小，為后續設計計算作參考。

(2)設定產品參數及遺傳算法參數。

(3)選擇已有的風箏造型作為初始種群，并通過系統與設計人員的人機交互設定個體的適應度值。

(4)根據當前種群的適應度值，利用雙層結構的遺傳算法對產品進行創新設計，此過程包括了交叉和變異兩種操作。

(5)重復第(3)步操作，直到設計人員得到了滿意的產品造型才選擇停止操作。

(6)人機交互對生成的產品作進一步的修改，生成最終的產品造型。

圖8列出了一部分生成的風箏設計效果圖。

圖8 部分生成的風箏設計方案Fig.8 Design scheme of some generated kites

3 結語

將遺傳算法應用于產品創新設計之中具有十分重要的現實意義，本文提出的這種應用遺傳算法進行產品創新設計的方法主要適用于進行簡單產品的不規則外觀造型設計，為設計師進行造型設計提供依據，目前主要應用于工藝品設計領域。未來仍需進行的工作是進一步完善該方法，并將其應用到更多種類的產品創新設計之中，充分擴展其應用范圍。

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