第34卷第10期上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)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(shè)計(jì)思維與進(jìn)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)張志偉，葉慶泰，王安麟(.上海交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海200030)摘要:結(jié)合思維的瞬間達(dá) 爾文進(jìn)化機(jī)制和遺傳程序設(shè)計(jì)的思想,闡述了設(shè)計(jì)思維的進(jìn)化過程.在.此基礎(chǔ)上,提出了進(jìn)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),并對其特征和構(gòu)建關(guān)鍵進(jìn)行了分析.設(shè)計(jì)是復(fù)雜而富創(chuàng)造性的活動,是演化方法和邏輯推理的結(jié)合,一方面體現(xiàn)出設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)提供了一定程度上的可能性,拓展了設(shè)計(jì)方法學(xué)和設(shè)計(jì)自動化的研究思路.關(guān)鍵詞:進(jìn)化設(shè)計(jì);有限智能體;設(shè)計(jì)方法學(xué);設(shè)計(jì)自動化;遺傳程序設(shè)計(jì)中圖分類號:TH 122; TP 17; TP 391.72文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)計(jì)模型,如功能-結(jié)構(gòu)模型、功能-行為-狀態(tài)困難.模型、功能-行為-結(jié)構(gòu)模型和公理設(shè)計(jì)模型等1[.2],近來的設(shè)計(jì)方法學(xué)研究中,另一種趨勢是對非側(cè)重于研究設(shè)計(jì)知識的使用過程,試圖找到設(shè)計(jì)過邏輯方法的廣泛研究,其中演化方法越來越得到研程中隱含的邏輯關(guān)系,其設(shè)計(jì)類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(shè)計(jì)法.在上述設(shè)計(jì)模型中,功能、行為、結(jié)構(gòu)之間的映射過程的實(shí)施是推理的展開,在演化設(shè)計(jì)過程中演化關(guān)系,可應(yīng)用搜索技術(shù)來解決,但模型的實(shí)現(xiàn)以功個體 的組合具有某種程度上的隨機(jī)性,通過自然選能、行為和結(jié)構(gòu)的完整存在集為基礎(chǔ).但是,在設(shè)計(jì)擇,最后得到相應(yīng)于設(shè)計(jì)要求的優(yōu)解.在演化設(shè)計(jì)過開始時功能、行為集定義不良,它們在設(shè)計(jì)過程中根程中,.中國煤化工設(shè)計(jì)要求的試據(jù)設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)有的狀態(tài)(結(jié)構(gòu))動態(tài)衍生,這個根解,通H三個設(shè)計(jì)空間,這本性的問題使這種單純邏輯方向研究遇到了很大的.CN M H G于結(jié)構(gòu)組合的無限多樣性,單純的演化方法有收斂慢和無法在功.收稿日期:1999-07-12能、行為層面上進(jìn)行有效評價的困難,因此需要演化作者簡介:張志偉(1971~),男，博士生.方法和邏輯方法的有機(jī)結(jié)合.第10期張志偉,等:進(jìn)化設(shè)計(jì)思維與進(jìn)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)1451傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程全部劃分:抽象(邏輯)思維、形象思維、創(chuàng)造性思維，進(jìn)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)「設(shè)計(jì)要求此外還有經(jīng)驗(yàn)起著非常重要的作用,尤其在設(shè)計(jì)的.早期階段.基于實(shí)例的設(shè)計(jì)(Case Based Design,方案設(shè)計(jì)上口設(shè)計(jì)演化CBD)是目前對經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用的一個研究重點(diǎn),它對實(shí)例[結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8設(shè)計(jì)方案知的使用是推理的方法.當(dāng)把實(shí)例作為設(shè)計(jì)知識的模+驗(yàn)證庫識式置于設(shè)計(jì)的演化環(huán)境中,則相當(dāng)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(shè)計(jì)效率;同時,對[結(jié)果輸出]其遺傳操作(復(fù)制、交叉、變異)則可實(shí)現(xiàn)不同實(shí)例間結(jié)果輸出的類比設(shè)計(jì),體現(xiàn)出形象思維和創(chuàng)造性思維的特征，[生產(chǎn)制造這在傳統(tǒng)的CBD中是難以實(shí)現(xiàn)的.此外,從面向?qū)D2 進(jìn)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程關(guān)系象的觀點(diǎn)來看,一個產(chǎn)品可用產(chǎn)品樹的結(jié)構(gòu)形式來Fig.2 Structure of evolutionary design systems and its表達(dá),這為遺傳操作提供了方便.relation with traditional design process置和大小，而且其結(jié)構(gòu)形式也是演化出來的..3進(jìn)化設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的構(gòu)建關(guān)鍵設(shè)計(jì)的演化算法類似于前述的GP算法,但需3.1演化環(huán)境要結(jié)合特定的設(shè)計(jì)領(lǐng)域特征,定義合適的演化個體、設(shè)計(jì)過程的實(shí)施建立在廣泛模式的基礎(chǔ)上,故演化算子和適應(yīng)度評價,其流程如圖3所示.演化設(shè)需建立模式庫.模式進(jìn)一步劃分,可分為原型(實(shí)計(jì)是-種從底層構(gòu)建系統(tǒng)的方法,由試解演化個體例)、零部件、規(guī)則,把涉及的過程性設(shè)計(jì)規(guī)則嵌人系的適應(yīng)度來決定其留存的概率.統(tǒng)的構(gòu)造中,原型(實(shí)例)庫可通過界面接口輸人轉(zhuǎn)換建立,有關(guān)設(shè)計(jì)對象的規(guī)則庫可通過對實(shí)例的歸[初始設(shè)計(jì)元素群體生成 ]納學(xué)習(xí)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3.2 演化個體構(gòu)造L父體隨機(jī)有限交叉演化個體聯(lián)接起演化方法和邏輯推理,在微觀花C父體隨機(jī)有限變異層次上,將其稱為有限智能體.有限智能體封裝著領(lǐng)域知識，可依據(jù)領(lǐng)域知識作出一定的行為.在演化過群體中個體評價程中,有限智能體為遺傳操作提供了接口,提供其在方案設(shè)計(jì)過程中用到的功能、特征的定性描述,根據(jù)_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(gòu)成-一個試解.方案產(chǎn)生后,根據(jù)鄰方案輸出接智能體的輸人及其屬性、特征和規(guī)律構(gòu)造自身，即圖3設(shè)計(jì)的演 化算法流程圖進(jìn)人詳細(xì)設(shè)計(jì)階段.Fig.3 Flowchart of design evolutionary algorithm演化個體的結(jié)構(gòu)可表述如下:2.2設(shè)計(jì)演化 的兩層結(jié)構(gòu)原型::名稱設(shè)計(jì)的演化具有兩層結(jié)構(gòu):宏觀的演化和微觀功能:://定義的功能的行為(見圖3).宏觀演化過程中,演化個體服從代要求:://對應(yīng)的設(shè)計(jì)要求和應(yīng)用環(huán)境代遺傳復(fù)制、交叉、變異等演化規(guī)律,作為被操作對特征://原型特征象而存在.而在微觀層次上,演化個體又有一定的自結(jié)構(gòu):://描述原型的結(jié)構(gòu)主性，依據(jù)領(lǐng)域知識實(shí)施--定的行為(如結(jié)盟、強(qiáng)化、組成::<原型::名稱)//*< )”表示可重復(fù)相關(guān)、分解、匹配等微觀關(guān)系操作),故其交叉和變異空間關(guān)系::操作是有限隨機(jī)的.構(gòu)建自身形狀和尺寸的微觀內(nèi)連接關(guān)系::容操作,作為有限智能體而存在.因此，宏觀層次的演化保證算法的收斂，而微觀層次的自主行為保證中國煤化工試解的合理和完整,體現(xiàn)著邏輯的一面,由演化個體YHCNMHG把它們聯(lián)接起來. .映射::/7數(shù)據(jù)映射2.3設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的遺傳使用設(shè)計(jì)規(guī)則:://設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程是極端復(fù)雜的，包含著人們對思維的圖形://裝配圖1452上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)第34卷最底層零部件表達(dá)如下(其設(shè)計(jì)過程由.上一層體應(yīng)具有適應(yīng)性增長的機(jī)制,即各自在設(shè)計(jì)解中擔(dān)部件來描述):任什么角色,與其他設(shè)計(jì)解中演化個體的關(guān)系如何,原型::名稱并且提高其對某- -功能滿足的程度.這種機(jī)制和人功能:://定義的功能的設(shè)計(jì)習(xí)慣是相似的.材料:://底層零部件所用材料4結(jié)語屬性:://性能特征形狀:://形狀描述設(shè)計(jì)過程中包含邏輯思維、形象思維和創(chuàng)造性參數(shù)://設(shè)計(jì)所使用的參數(shù)思維.借助于自然智能的高速穩(wěn)健的優(yōu)化方法一輸人位置://力、扭矩、能量輸入位置演化,通過設(shè)計(jì)知識模式之間的演化過程,不僅體現(xiàn)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(shè)計(jì)問題的優(yōu)解.同時,和設(shè)計(jì)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體可表達(dá)為樹結(jié)構(gòu)的形式,因此可和設(shè)計(jì)過程中擔(dān)當(dāng)不同的角色,它們之間的有機(jī)結(jié)合，GP中的演化算子一樣,進(jìn)行復(fù)制、交叉和變異,只可各揚(yáng)其長,互補(bǔ)不足.是交叉和變異在某一概率下并非完全隨機(jī)，而要受:參考文獻(xiàn):到匹配原則的限制,由微觀關(guān)系操作補(bǔ)充純粹組合理性的不足.[1] SuhN P. Axiomatic design of mechanical systems3.4 適應(yīng)度[J]. A Special Combined Issue of the Journal of Me-對于設(shè)計(jì)問題,適應(yīng)度的確定是難以處理的,一chanical Design and the Journal of Vibration andAcoustics, 1995, 117(b); 2~10.方面是由于對問題解的合理性和可實(shí)現(xiàn)性在方案設(shè)[2] Shimomura Y, Yoshioka M, Takeda H, et al. Repre-計(jì)階段并沒有精確的指標(biāo),且多目標(biāo)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(jù)設(shè)計(jì)sign, JE 1998, 120; 221~229. .的一般規(guī)律,由功能滿足原則和最簡結(jié)構(gòu)原則,適應(yīng)[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結(jié)構(gòu)原則的權(quán)重;1996.w,為結(jié)構(gòu)滿足某功能f,的程度;力,為第j個部件.[5] Koza, J R. Genetic programming: on the program-3.5個體適 應(yīng)性增長ming of computers by means of natural selection[M].面方數(shù)的設(shè)計(jì)完成之后,與其相關(guān)的演化個Cambridge M A: MIT Press, 1992.