进化算法在工业产品造型设计中的运用

李秋雯

摘  要： 为了有效提高产品造型设计的效率，设计一种基于改进差分进化算法的工业产品造型设计系统。首先对产品造型设计的过程及逻辑流程进行分析，然后根据需求功能结构，给出具体的系统工作流程，最后提出改进差分进化算法并应用到产品造型设计中。采用.NET开发平台进行系统软件实现。系统运行测试结果表明，所提出系统能够辅助设计者进行工业产品的造型设计，对进一步实现创新设计提供了良好的技术支撑。

关键词： 差分进化; 工业产品; 造型设计; .NET开发平台; 系统设计; 辅助设计

中图分类号： TN911.1?34; TP183                   文献标识码： A                   文章编号： 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

“中國制造2025”是我国政府实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。工业制造业水平直接关系到国民经济的基础，是立国之本、兴国之器、强国之基[1]。为了在竞争激烈的开放市场环境下，提升我国制造业的质量和水平，就需要在科学技术和理念上不断创新，提高自身的技术开发能力。作为一种先进的计算机技术，计算机辅助设计与制造技术（CAD/CAM）是现代工业产品设计必不可少的工具和手段，涉及广泛的行业应用领域[2?3]。产品设计的好坏不仅由设计者自身的素质决定，还在很大程度上受到计算机辅助设计工具的影响。

随着工业制造业水平的不断提高，消费者对产品的要求也不断增多，如科技含量、种类和外形等，这大大增加了新工业产品设计的难度。为了有效提高产品造型设计的效率，并实现产品的创新性设计，本文设计了一种基于改进差分进化算法的工业产品造型设计系统。系统运行测试结果表明，所提系统能够辅助设计者进行工业产品的造型设计，验证了提出算法的正确性和可行性。

1  工业产品造型设计理论及其过程

工业产品造型设计理论一直是制造业研究领域的热点方向。现阶段的工业产品设计研究主要分为两个方向[4]：基于计算机辅助造型技术的产品造型设计系统开发;基于神经网络的工业产品设计方案评价。文献[5]提出一种基于遗传算法优化神经网络的产品造型设计评价方法。本文研究的内容为前者。针对产品造型设计系统开发问题，文献[6]设计一种面向工业产品外形设计的草绘实体建模系统，通过估算曲线主方向的方法直接构造三维曲线，能够满足产品概念设计的快速三维建模。文献[7]提出一种计算机辅助创新设计平台的模型，并基于Java技术开发了一个计算机辅助工具，能够辅助设计人员进行创新设计，开拓了设计者的思维空间，促进了产品创新设计过程。

此外，研究人员发现遗传算法优化算法能够与产品造型设计有效结合，使设计人员能迅速获得产品造型。文献[8]提出一种基于遗传学的产品快速设计系统。文献[9]提出一种基于进化算法的产品造型创新设计方法。根据认知心理学的研究结果，符合设计人员创造性思维模型的产品造型设计过程及逻辑流程应该包括匹配设计、结构设计和概念设计三个层次，如图1所示。其中，产品的设计需求是结构设计的基础，直接决定了产品的最终结构。设计人员概念造型设计必须基于具体的产品结构，不能脱离实际。

图1  产品造型设计过程及逻辑流程

2  系统总体设计

2.1  系统需求功能结构

目前，基于计算机辅助设计的产品造型设计手段主要包括：

1） 数字化设计，该手段主要采用数字化建模技术;

2） 并行化设计，该手段主要以产品设计过程的交叉、重组和优化来缩短产品开发周期;

3）虚拟化设计，该手段主要采用虚拟现实技术进行三维可视化设计。

通过上述需求分析可以看出，工业产品造型设计系统应该具备以下几点功能：零件的生成;零件原型库的搜索和匹配;产品设计方案生成。如图2所示。

图2  工业产品造型设计系统需求功能结构

2.2  系統工作流程设计

本文将进化算法应用于产品造型设计系统，系统工作流程如图3所示。

图3  系统工作流程

从图3中可以看出，在执行进化算法过程中，先对原始种群中的个体进行三维造型、造型评价和造型存储操作。当本代所有个体均执行完以上3个步骤后，开始执行进化计算程序，在完成交叉过程后生成新的下一代种群。

3  改进的差分进化算法

差分进化算法作为一种群体智能优化算法，其基本原理借鉴了遗传算法的设计理念[10]。通过使用差分进化算法，能够把产品造型设计系统设计的造型、评价和存储工作转换为复非线性求解问题。文献[9]应用标准遗传算法建立产品造型细化设计系统，进一步优化初始设计方案，快速实现方案的细化智能设计进程。

但是传统差分进化算法的性能对调整因子的大小十分敏感。面对复杂程度较高的问题时，算法迭代的效率存在局限。在搜索的最后阶段，算法可能陷入局部最优。为了加强全局搜索能力，以便得到覆盖全局空间的最优结果，本文引入模拟退火算法中线性退火的思想，从而在一定程度上提高算法的鲁棒性。针对参数自适应变异差分进化算法添加退火因子[q]，得到改进的种群更新方法：

式中：[x（rb，j）]表示最佳值;[p]为样本;[gen_max]为最大迭代次数;[G]为进化代数。在算法进化的过程中，退火因子[q]逐渐从1变为 0，最佳值的比重也会逐渐提高。通过改进种群更新方法，可以提高算法的全局搜索能力。

改进后的差分进化算法对种群进行迭代进化的步骤如下：

步骤1：选择适应度函数：

式中：[Ai]表示目标矩阵;[Bi]表示执行差分进化后的更新矩阵。如[E≤ε]，则迭代结束，否则进行下一步。

步骤2：按照顺序输入样本[p]，产生目标个体[xp={xp1，xp2，…，xpm}]。

步骤3：按照改进的种群更新方法，将退火因子的变异策略引入到种群的差分进化过程，从而实现杂交因子的交叉过程。

步骤4：对比目标个体的适应度值和进化后个体的适应度值，并记录最优结果。本文设置误差目标[ε=0.01]。

步骤5：若[E≤ε]，则停止迭代。

4  系统具体实现

采用.NET开发平台进行系统的具体软件实现。系统开发平台为Visual Studio IDE，开发语言为C#，支撑平台为Pro/E（Pro Engineer）5.0。产品造型设计系统的登录界面如图4所示。设计模块主界面如图5所示。

图4  产品造型设计系统登录界面

图5  设计模块主界面

由图5可看出，设计模块主界面主要包括三个部分：

1） 进化参数设置。包括初始种群的设置按钮，会跳转到初始种群设置子界面。

2） 产品造型评估。种群迭代实现个体造型后，设计人员对该造型进行评估，也就是对当前个体设置适应度值。

3） 进化过程控制。实现整个进化步骤的具体控制。

测试结果表明，系统运行结果良好，能够稳定实现种群个体造型迭代进化，直至设计任务结束。

5  结  语

本文设计了一种基于改进差分进化算法的工业产品造型设计系统，并采用.NET开发平台进行具体软件实现。通过系统测试得出如下结论：验证了改进的差分进化算法的正确性和可行性，能够对三维造型进行全局优化求解;设计的产品造型设计系统运行状态良好、符合预期，能够进行工业产品造型的辅助设计，具有一定的指导意义。

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