基于直觉启发和改进遗传算法的形状概念设计

【摘要】：针对目前计算机辅助概念设计(CACD)领域的研究现状,采用思维模拟的方法,对计算机辅助概念设计系统进行了研究。本文结合国家自然科学基金项目“基于演化的概念设计生物建模理论与方法研究”(No.60174037)和“基于知识进化的人机协同方案创新设计理论与方法研究”(No.50275013)的理论研究,针对概念设计中几个热点问题进行了深入地研究,主要研究成果如下: 提出了思维的基本单元变异联想的定义。对思维的本质特征以及基本思维形式进行了研究,并且提出了以激励事件为分段节点、以变异联想为基本单元的思维过程的分段连续函数表示方法,同时提出了用变异联想表示其它思维形式的计算模型。 提出了直觉启发的计算模型。针对直觉思维的产生过程,采用了Hopfield神经网络以及交叉变异等实现方法,对直觉、经验、联想和可视激励之间的相互关系进行了定量的描述,建立了模拟直觉启发的认知模型以及计算模型。最后给出了利用直觉启发模型生成新分形图的应用实例,计算结果表明此算法能够实现创新。 提出了采用直觉启发模型进行创新设计的一种新方法。根据思维的突变产生直觉的观点,给出了实现创新设计的多种基本运算规则,并且对Hopfield神经网络实现联想记忆的算法进行了改进,从而给出了利用直觉启发模型进行创新设计的计算过程。最后以桌子的自动造型设计为例对此算法进行了验证,计算结果表明此算法能够产生创新。 提出了产品的设计元素的统一的基因表达方法,本文称之为0-1分段基因表达方法,这种表示方法既表示了产品的功能需求特征,又便于计算,并且将其应用于概念设计和创新设计过程中。 提出了两种改进的遗传算法,一种本文称之为分段遗传算法,这种方法采用多参数级联编码方法,遗传算子采用分段交叉算子和分段互异算子,解决了产品结构概念设计的多目标优化模型的计算问题;另一种改进的遗传算法本文称之为最优蔓延遗传算法,这种方法的特点是:(1) 最优解是一个群体。(2) 优化的目标函数表达的是一类目标。(3)遗传运算的目的是使群体中的最优个体逐渐扩大。(4) 遗传终止条件是当群体中所有的个体都是最优个体时,则结束循环。 提出了概念设计过程中选择最优结构的定量求解方法。由于概念设计中每个功能都对应着多种实现结构,哪一种结构组合更符合顾客需求,无法靠人工选择,需要选择合适的算法进行计算。给出了产品功能与结构、结构与结构之间的相互关系,定义了产品的相关矩阵,建立了产品结构概念设计的多目标优化数学模型。对产品的功能、行为、