进化设计思维与进化设计系统

第34卷第10期上海交通大学学报Vol, 34 No. 102000年10月JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITYOct. 2000文章编号:1006- 2467(2000)10-1449-04进化设计思维与进化设计系统张志伟，叶庆泰，王安麟(.上海交通大学机械工程学院，上海200030)摘要:结合思维的瞬间达 尔文进化机制和遗传程序设计的思想,阐述了设计思维的进化过程.在.此基础上,提出了进化设计系统的结构,并对其特征和构建关键进行了分析.设计是复杂而富创造性的活动,是演化方法和逻辑推理的结合,一方面体现出设计思维的诸多特征;另一方西为形象思维和创造性思维的计算机实现提供了一定程度上的可能性,拓展了设计方法学和设计自动化的研究思路.关键词:进化设计;有限智能体;设计方法学;设计自动化;遗传程序设计中图分类号:TH 122; TP 17; TP 391.72文献标识码: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设计模型,如功能-结构模型、功能-行为-状态困难.模型、功能-行为-结构模型和公理设计模型等1[.2],近来的设计方法学研究中,另一种趋势是对非侧重于研究设计知识的使用过程,试图找到设计过逻辑方法的广泛研究,其中演化方法越来越得到研程中隐含的逻辑关系,其设计类型是自上而下的方究者们的重视[”.不同于纯粹逻辑推理方法的设计法.在上述设计模型中,功能、行为、结构之间的映射过程的实施是推理的展开,在演化设计过程中演化关系,可应用搜索技术来解决,但模型的实现以功个体 的组合具有某种程度上的随机性,通过自然选能、行为和结构的完整存在集为基础.但是,在设计择,最后得到相应于设计要求的优解.在演化设计过开始时功能、行为集定义不良,它们在设计过程中根程中,.中国煤化工设计要求的试据设计要求和现有的状态(结构)动态衍生,这个根解,通H三个设计空间,这本性的问题使这种单纯逻辑方向研究遇到了很大的.CN M H G于结构组合的无限多样性,单纯的演化方法有收敛慢和无法在功.收稿日期:1999-07-12能、行为层面上进行有效评价的困难,因此需要演化作者简介:张志伟(1971~),男，博士生.方法和逻辑方法的有机结合.第10期张志伟,等:进化设计思维与进化设计系统1451传统设计过程全部划分:抽象(逻辑)思维、形象思维、创造性思维，进化设计系统「设计要求此外还有经验起着非常重要的作用,尤其在设计的.早期阶段.基于实例的设计(Case Based Design,方案设计上口设计演化CBD)是目前对经验应用的一个研究重点,它对实例[结构设计8设计方案知的使用是推理的方法.当把实例作为设计知识的模+验证库识式置于设计的演化环境中,则相当于在可能空间中优解理性操作从较优点出发进行搜索，提高了设计效率;同时,对[结果输出]其遗传操作(复制、交叉、变异)则可实现不同实例间结果输出的类比设计,体现出形象思维和创造性思维的特征，[生产制造这在传统的CBD中是难以实现的.此外,从面向对图2 进化设计系统结构及与传统设计过程关系象的观点来看,一个产品可用产品树的结构形式来Fig.2 Structure of evolutionary design systems and its表达,这为遗传操作提供了方便.relation with traditional design process置和大小，而且其结构形式也是演化出来的..3进化设计 系统的构建关键设计的演化算法类似于前述的GP算法,但需3.1演化环境要结合特定的设计领域特征,定义合适的演化个体、设计过程的实施建立在广泛模式的基础上,故演化算子和适应度评价,其流程如图3所示.演化设需建立模式库.模式进一步划分,可分为原型(实计是-种从底层构建系统的方法,由试解演化个体例)、零部件、规则,把涉及的过程性设计规则嵌人系的适应度来决定其留存的概率.统的构造中,原型(实例)库可通过界面接口输人转换建立,有关设计对象的规则库可通过对实例的归[初始设计元素群体生成 ]纳学习而获得.这样,主要的工作就是建立零部件库,而对零部件的描述和划分比较困难.选择父体(一定概率)门3.2 演化个体构造L父体随机有限交叉演化个体联接起演化方法和逻辑推理,在微观花C父体随机有限变异层次上,将其称为有限智能体.有限智能体封装着领域知识，可依据领域知识作出一定的行为.在演化过群体中个体评价程中,有限智能体为遗传操作提供了接口,提供其在方案设计过程中用到的功能、特征的定性描述,根据_N终止?其拥有的领域知识和遗传操作,建立起与其他智能体之间的联系,构成-一个试解.方案产生后,根据邻方案输出接智能体的输人及其属性、特征和规律构造自身，即图3设计的演 化算法流程图进人详细设计阶段.Fig.3 Flowchart of design evolutionary algorithm演化个体的结构可表述如下:2.2设计演化 的两层结构原型::名称设计的演化具有两层结构:宏观的演化和微观功能:://定义的功能的行为(见图3).宏观演化过程中,演化个体服从代要求:://对应的设计要求和应用环境代遗传复制、交叉、变异等演化规律,作为被操作对特征://原型特征象而存在.而在微观层次上,演化个体又有一定的自结构:://描述原型的结构主性，依据领域知识实施--定的行为(如结盟、强化、组成::<原型::名称)//*< )”表示可重复相关、分解、匹配等微观关系操作),故其交叉和变异空间关系::操作是有限随机的.构建自身形状和尺寸的微观内连接关系::容操作,作为有限智能体而存在.因此，宏观层次的演化保证算法的收敛，而微观层次的自主行为保证中国煤化工试解的合理和完整,体现着逻辑的一面,由演化个体YHCNMHG把它们联接起来. .映射::/7数据映射2.3设计经验的遗传使用设计规则:://设计经验设计过程是极端复杂的，包含着人们对思维的图形://装配图1452上海交通大学学报第34卷最底层零部件表达如下(其设计过程由.上一层体应具有适应性增长的机制,即各自在设计解中担部件来描述):任什么角色,与其他设计解中演化个体的关系如何,原型::名称并且提高其对某- -功能满足的程度.这种机制和人功能:://定义的功能的设计习惯是相似的.材料:://底层零部件所用材料4结语属性:://性能特征形状:://形状描述设计过程中包含逻辑思维、形象思维和创造性参数://设计所使用的参数思维.借助于自然智能的高速稳健的优化方法一输人位置://力、扭矩、能量输入位置演化,通过设计知识模式之间的演化过程,不仅体现输出位置:://力、扭矩、能量输出位置出了形象思维和创造性思维的特征，而且最后获得图形:://图形的绘制了设计问题的优解.同时,和设计方法学中对某些创3.3演化算子造技法的研究有相同之处.演化方法和逻辑推理在演化个体可表达为树结构的形式,因此可和设计过程中担当不同的角色,它们之间的有机结合，GP中的演化算子一样,进行复制、交叉和变异,只可各扬其长,互补不足.是交叉和变异在某一概率下并非完全随机，而要受:参考文献:到匹配原则的限制,由微观关系操作补充纯粹组合理性的不足.[1] SuhN P. Axiomatic design of mechanical systems3.4 适应度[J]. A Special Combined Issue of the Journal of Me-对于设计问题,适应度的确定是难以处理的,一chanical Design and the Journal of Vibration andAcoustics, 1995, 117(b); 2~10.方面是由于对问题解的合理性和可实现性在方案设[2] Shimomura Y, Yoshioka M, Takeda H, et al. Repre-计阶段并没有精确的指标,且多目标之间往往互相sentation of design object based on the functional evo-矛盾;另一方面对产生的试解一演化个体的新组lution process mode [J]. Journal of Mechanical De-合,难以在创新性和合理性之间进行抉择.根据设计sign, JE 1998, 120; 221~229. .的一般规律,由功能满足原则和最简结构原则,适应[3] Rosenmsn M A. An exploration into evolutionary度可定义为design[J]. Arificial Intelli-f=a(_af/它5+a+中国煤化工。97, (11); 287~293.MHCN MH G何思维一智力演化的今昔_M].杨雄里，梁培基译.上海:上海科学技术出版社，其中:a、ar分别为功能原则和最简结构原则的权重;1996.w,为结构满足某功能f,的程度;力,为第j个部件.[5] Koza, J R. Genetic programming: on the program-3.5个体适 应性增长ming of computers by means of natural selection[M].面方数的设计完成之后,与其相关的演化个Cambridge M A: MIT Press, 1992.