基于遗传编程的异构编码产品概念设计演化模型

Product conceptual design’s evolution often accompanied with its structure's evolution from simple complex, which is often neglected by evolutionary algorithms and regarded as fixed code format. A product conceptual design’s structure and quality evolution model will be built on the basis of genetic programming (GP) and its tree structure coding. A layered tree-graph GP code structure is designed oriented to the Axiomatic Design's user area, function area and physical area, which can describe product concepts from original user requirements and design parameters, and keep concept’s historic evolution information in the code tree. Code formats of three layers in semantic space are designed to calculate concept’s fitness. A requirement fitness concept is proposed to drive the evolution instead of the usual fitness, and guide the genetic operators like crossover and mutation, etc. With the help of information space framework, a collaborative GP implementation plan involving user, designer, engineer, software, etc. is designed to accomplish product’s evolution collaboratively and in parallel method. Taking mechanical movement mechanism design as example, a prototype system on will be programmed to test the system. The study proposes an evolutional plan for the implementation of Axiomatic Design, whose independence axiomatic and information axiomatic can be denoted directly in the code. The study is hopefully to take a leap on the product's functional innovation's intelligent design methods.

产品概念演化伴随着从简单到复杂的结构演化，但常被进化算法忽略并处理为固定编码格式。本项目基于遗传编程（GP）的树状编码建立产品概念的结构与质量的并行演化模型，面向公理设计的用户域、功能域和物理域建立了树-图结合的分层GP编码，表达从原始用户需求到设计参数的产品概念，并在编码中保留了演化历史信息。定义了各层编码的语义空间用于计算概念方案的适应度；提出了需求吻合度概念，把各级适应度折算到编码树的根节点，形成针对原始需求的吻合度指标，驱动进化过程并主导交叉、变异等遗传操作。基于信息空间框架分析用户、设计师、工程师、智能软件等角色的作用和对设计过程的介入方式，建立人机协作的GP实施方案，令各角色协作完成产品概念的结构与质量并行演化。以机械运动机构设计为载体开发原型系统验证。本项目提出了公理设计的进化式解决方案，并在编码结构上直接体现独立公理和信息公理，有望在产品功能的智能设计方法上产生显著进展。

产品概念演化伴随着从简单到复杂的结构演化，但常被进化算法忽略并处理为固定编码格式。本项目基于遗传编程（GP）的树状编码建立产品概念的结构与质量的并行演化模型，面向公理设计的用户域、功能域和物理域建立了树-图结合的分层GP编码，表达从原始用户需求到设计参数的产品概念，并在编码中保留了演化历史信息。定义了各层编码的语义空间用于计算概念方案的适应度；提出了需求吻合度概念，把各级适应度折算到编码树的根节点，形成针对原始需求的吻合度指标，驱动进化过程并主导交叉、变异等遗传操作。基于信息空间框架分析用户、设计师、工程师、智能软件等角色的作用和对设计过程的介入方式，建立人机协作的GP实施方案，令各角色协作完成产品概念的结构与质量并行演化。以机械运动机构设计为载体开发原型系统验证。.本项目将遗传编程与机构的进化设计相结合，针对典型机构的进化设计：机构再生运动链创新设计、机构运动链同构识别进化设计、行星齿轮传动方案进化设计、变自由度机构定向进化设计，主要完成以下工作：.1）在GP的树状编码基本型基础上，面向产品概念设计的两个演化需求以及所选的工作载体，设计产品概念方案的编码结构，以及公理设计三个域上的编码结构定义。2）在编码基础上构建GP演化过程模型，一方面基于优化角度，定义优化目标函数结构，即概念方案与原始需求信息之间的“需求吻合度”计算方法，完成异构编码基础上的比较计算；另一方面从进化算法角度，基于所设计的GP编码进一步设计交叉、变异等遗传操作算子，使产品概念方案同时完成结构演化和质量演化。3）构建GP演化模型的实施方案，实现基于遗传规划的产品概念设计，给出该模型的执行方案。4）以机械运动机构产品为典型案例结合matlab开发原型系统，实现方法体系的各项功能，并进行应用验证。 .通过上述研究，为基于遗传编程的产品概念设计的应用与实践提供了关键的技术支持，有望在产品功能的智能设计方法上产生显著进展。