李秋雯

摘 ?要： 為了有效提高產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的效率，設(shè)計(jì)一種基于改進(jìn)差分進(jìn)化算法的工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。首先對(duì)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的過(guò)程及邏輯流程進(jìn)行分析，然后根據(jù)需求功能結(jié)構(gòu)，給出具體的系統(tǒng)工作流程，最后提出改進(jìn)差分進(jìn)化算法并應(yīng)用到產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中。采用.NET開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明，所提出系統(tǒng)能夠輔助設(shè)計(jì)者進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)，對(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了良好的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞： 差分進(jìn)化; 工業(yè)產(chǎn)品; 造型設(shè)計(jì); .NET開(kāi)發(fā)平臺(tái); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 輔助設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN911.1?34; TP183 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）09?0177?03

Application of improved differential evolution algorithm in industrial

product modeling design system

LI Qiuwen

（Chengdu Technological University， Chengdu 611730， China）

Abstract： In order to effectively improve the efficiency of product modeling design， an industrial product modeling design system based on improved differential evolution algorithm was designed. The process and logic flow of product modeling design are analyzed. According to the demand function structure， the specific system workflow is given. An improved differential evolution algorithm is proposed and applied to product modeling design. The system software is implemented with .NET development platform. The system operation test results show that the proposed system can assist the designer to perform the modeling design of the industrial products， and provide the strong technical support for further realization of innovative design.

Keywords： differential evolution; industrial product; modeling design; .NET development platform; system design; aided design

0 ?引 ?言

“中國(guó)制造2025”是我國(guó)政府實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略第一個(gè)十年的行動(dòng)綱領(lǐng)。工業(yè)制造業(yè)水平直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基[1]。為了在競(jìng)爭(zhēng)激烈的開(kāi)放市場(chǎng)環(huán)境下，提升我國(guó)制造業(yè)的質(zhì)量和水平，就需要在科學(xué)技術(shù)和理念上不斷創(chuàng)新，提高自身的技術(shù)開(kāi)發(fā)能力。作為一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)（CAD/CAM）是現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)必不可少的工具和手段，涉及廣泛的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域[2?3]。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的好壞不僅由設(shè)計(jì)者自身的素質(zhì)決定，還在很大程度上受到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具的影響。

隨著工業(yè)制造業(yè)水平的不斷提高，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的要求也不斷增多，如科技含量、種類和外形等，這大大增加了新工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的難度。為了有效提高產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的效率，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)了一種基于改進(jìn)差分進(jìn)化算法的工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明，所提系統(tǒng)能夠輔助設(shè)計(jì)者進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了提出算法的正確性和可行性。

1 ?工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)理論及其過(guò)程

工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)理論一直是制造業(yè)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向。現(xiàn)階段的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究主要分為兩個(gè)方向[4]：基于計(jì)算機(jī)輔助造型技術(shù)的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā);基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[5]提出一種基于遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法。本文研究的內(nèi)容為前者。針對(duì)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)問(wèn)題，文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)一種面向工業(yè)產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)的草繪實(shí)體建模系統(tǒng)，通過(guò)估算曲線主方向的方法直接構(gòu)造三維曲線，能夠滿足產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的快速三維建模。文獻(xiàn)[7]提出一種計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺(tái)的模型，并基于Java技術(shù)開(kāi)發(fā)了一個(gè)計(jì)算機(jī)輔助工具，能夠輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，開(kāi)拓了設(shè)計(jì)者的思維空間，促進(jìn)了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程。

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)遺傳算法優(yōu)化算法能夠與產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)有效結(jié)合，使設(shè)計(jì)人員能迅速獲得產(chǎn)品造型。文獻(xiàn)[8]提出一種基于遺傳學(xué)的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]提出一種基于進(jìn)化算法的產(chǎn)品造型創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。根據(jù)認(rèn)知心理學(xué)的研究結(jié)果，符合設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造性思維模型的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)過(guò)程及邏輯流程應(yīng)該包括匹配設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)三個(gè)層次，如圖1所示。其中，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，直接決定了產(chǎn)品的最終結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)人員概念造型設(shè)計(jì)必須基于具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，不能脫離實(shí)際。

圖1 ?產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)過(guò)程及邏輯流程

2 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 ?系統(tǒng)需求功能結(jié)構(gòu)

目前，基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)手段主要包括：

1） 數(shù)字化設(shè)計(jì)，該手段主要采用數(shù)字化建模技術(shù);

2） 并行化設(shè)計(jì)，該手段主要以產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的交叉、重組和優(yōu)化來(lái)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期;

3）虛擬化設(shè)計(jì)，該手段主要采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行三維可視化設(shè)計(jì)。

通過(guò)上述需求分析可以看出，工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)該具備以下幾點(diǎn)功能：零件的生成;零件原型庫(kù)的搜索和匹配;產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案生成。如圖2所示。

圖2 ?工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)需求功能結(jié)構(gòu)

2.2 ?系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)

本文將進(jìn)化算法應(yīng)用于產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)，系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 ?系統(tǒng)工作流程

從圖3中可以看出，在執(zhí)行進(jìn)化算法過(guò)程中，先對(duì)原始種群中的個(gè)體進(jìn)行三維造型、造型評(píng)價(jià)和造型存儲(chǔ)操作。當(dāng)本代所有個(gè)體均執(zhí)行完以上3個(gè)步驟后，開(kāi)始執(zhí)行進(jìn)化計(jì)算程序，在完成交叉過(guò)程后生成新的下一代種群。

3 ?改進(jìn)的差分進(jìn)化算法

差分進(jìn)化算法作為一種群體智能優(yōu)化算法，其基本原理借鑒了遺傳算法的設(shè)計(jì)理念[10]。通過(guò)使用差分進(jìn)化算法，能夠把產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的造型、評(píng)價(jià)和存儲(chǔ)工作轉(zhuǎn)換為復(fù)非線性求解問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法建立產(chǎn)品造型細(xì)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化初始設(shè)計(jì)方案，快速實(shí)現(xiàn)方案的細(xì)化智能設(shè)計(jì)進(jìn)程。

但是傳統(tǒng)差分進(jìn)化算法的性能對(duì)調(diào)整因子的大小十分敏感。面對(duì)復(fù)雜程度較高的問(wèn)題時(shí)，算法迭代的效率存在局限。在搜索的最后階段，算法可能陷入局部最優(yōu)。為了加強(qiáng)全局搜索能力，以便得到覆蓋全局空間的最優(yōu)結(jié)果，本文引入模擬退火算法中線性退火的思想，從而在一定程度上提高算法的魯棒性。針對(duì)參數(shù)自適應(yīng)變異差分進(jìn)化算法添加退火因子[q]，得到改進(jìn)的種群更新方法：

式中：[x（rb，j）]表示最佳值;[p]為樣本;[gen_max]為最大迭代次數(shù);[G]為進(jìn)化代數(shù)。在算法進(jìn)化的過(guò)程中，退火因子[q]逐漸從1變?yōu)?0，最佳值的比重也會(huì)逐漸提高。通過(guò)改進(jìn)種群更新方法，可以提高算法的全局搜索能力。

改進(jìn)后的差分進(jìn)化算法對(duì)種群進(jìn)行迭代進(jìn)化的步驟如下：

步驟1：選擇適應(yīng)度函數(shù)：

式中：[Ai]表示目標(biāo)矩陣;[Bi]表示執(zhí)行差分進(jìn)化后的更新矩陣。如[E≤ε]，則迭代結(jié)束，否則進(jìn)行下一步。

步驟2：按照順序輸入樣本[p]，產(chǎn)生目標(biāo)個(gè)體[xp={xp1，xp2，…，xpm}]。

步驟3：按照改進(jìn)的種群更新方法，將退火因子的變異策略引入到種群的差分進(jìn)化過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)雜交因子的交叉過(guò)程。

步驟4：對(duì)比目標(biāo)個(gè)體的適應(yīng)度值和進(jìn)化后個(gè)體的適應(yīng)度值，并記錄最優(yōu)結(jié)果。本文設(shè)置誤差目標(biāo)[ε=0.01]。

步驟5：若[E≤ε]，則停止迭代。

4 ?系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

采用.NET開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)的具體軟件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Visual Studio IDE，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C#，支撐平臺(tái)為Pro/E（Pro Engineer）5.0。產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)的登錄界面如圖4所示。設(shè)計(jì)模塊主界面如圖5所示。

圖4 ?產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)登錄界面

圖5 ?設(shè)計(jì)模塊主界面

由圖5可看出，設(shè)計(jì)模塊主界面主要包括三個(gè)部分：

1） 進(jìn)化參數(shù)設(shè)置。包括初始種群的設(shè)置按鈕，會(huì)跳轉(zhuǎn)到初始種群設(shè)置子界面。

2） 產(chǎn)品造型評(píng)估。種群迭代實(shí)現(xiàn)個(gè)體造型后，設(shè)計(jì)人員對(duì)該造型進(jìn)行評(píng)估，也就是對(duì)當(dāng)前個(gè)體設(shè)置適應(yīng)度值。

3） 進(jìn)化過(guò)程控制。實(shí)現(xiàn)整個(gè)進(jìn)化步驟的具體控制。

測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果良好，能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)種群個(gè)體造型迭代進(jìn)化，直至設(shè)計(jì)任務(wù)結(jié)束。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于改進(jìn)差分進(jìn)化算法的工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并采用.NET開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行具體軟件實(shí)現(xiàn)。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試得出如下結(jié)論：驗(yàn)證了改進(jìn)的差分進(jìn)化算法的正確性和可行性，能夠?qū)θS造型進(jìn)行全局優(yōu)化求解;設(shè)計(jì)的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好、符合預(yù)期，能夠進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品造型的輔助設(shè)計(jì)，具有一定的指導(dǎo)意義。

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