（机械电子工程专业论文）机械产品基因工程研究与进化技术开发.pdf

摘要 摘要 在详细研究了现有产品基因( 工程) 理论及遗传算法和进化计算的研 究现状后，本文借用生物基因及生物进化的原理和实现手段，结合d a r f a d 设计系统，提出“产品基因”与“产品进化”的设计思想，赋予“产品基 因”和“产品进化设计”以全新的含义，并应用于生长型设计和进化设计 中。以产品基因的提取为手段，以形成特定的产品基因组为目的，建立产 品基因工程体系；利用产品进化设计技术实现产品由概念结构到实体结构 的转变，最大程度上实现产品设计的创新。 产品基因工程( p g e ) 研究：在对产品基因的理论研究中，详细介绍了 产品基因的获取手段一一以产品原型为来源和载体；特点一一自动生长 性、遗传性、自动调节性和变异性：运算方法一一翻译、转录、复制、逆 转录：详细分类一一结构基因、控制基因、功能基因和基于产品基因的生 长型设计。而后引出产品基因组和产品基因库的概念，建立基因库结构模 型，介绍基于产品基因组的生长型设计理论和操作方法。最后，以生物基 因工程为理论源泉，以创新设计为目标，建立产品基因工程体系，构造系 统模型，并讨论系统实施方法。 产品进化技术开发：首先介绍产品进化设计理论，它是一种新型的进 化计算方法，是对现有遗传算法的创新和延伸。然后，针对机械产品结构 特点，把进化设计运用到d a r f a d 设计系统中，给出了概念结构由简单到 复杂、由抽象到具体的类体系和进化思想的系统实现方法。在每一次对功 能表面、零部件乃至整个产品的操作中运用进化方法加以实现，具体操作 有：零厚度实体、复杂表面求交、标准零件进化及壳体匹配等，从而很好 地实现了概念结构的进化设计。最后，阐明产品进化与产品基因相辅相成， 密不可分，在后者的控制和作用下可得到概念结构实体化的最优解。 文章最后，介绍了我们所开发的产品创新设计系统一一d a r f a d 软件， 结合其中的产品基因系统和进化系统完成了一个设计实例，验证了本文理 山东大学硕士学位论文 论与技术系统的正确性和有效性。本文工作对从事产品基因的研究与开发 工作具有重要的借鉴和指导意义，对开发以产品进化为目的的概念设计和 创新设计软件系统具有重要的实用价值。 关键字概念设计；生长型设计：产品基因：产品进化设计 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a f t e rt r a v e r s i n gt h et h e o r yo fp r o d u c eg e n e ( e n g i n e e r i n g ) ，a c t u a l i t yo f i n h e r i ta r i t h m e t i ca n de v o l u t i o nc a l c u l a t i o ni ne x i s t e n c e ，t h ea r t i c l eb o r r o w s o r g a n i s mg e n e ，t h et h e o r ya n dm e a s u r e so fo r g a n i s m se v o l u t i o n c o m b i n i n g w i t hd a r f a dd e s i g ns y s t e m ，t h ea r t i c l ep u t sf o r w a r dt h et h o u g h to f “p r o d u c t g e n e a n d “e v o l u t i o n ”，t h e ne n d o w st h e mw i t hm e wm e a n i n g s ，i no r d e rt ou s e i ng r o w t hd e s i g na n de v o l u t i o nd e s i g n t h ea r t i c l ee s t a b l i s h e st h es y s t e mo f p g e ( p r o d u c tg e n ee n g i n e e r i n g ) ，i nm e a s u r eo fd i s t i l l i n gp r o d u c tg e n e ， a i m i n ga tc o m b i n i n gs p e c i a lp r o d u c tg e n o m e t h ea r t i c l e u s e se v o l u t i o n d e s i g nt e c h n i q u et o r e a l i z et h ec o n v e r s i o nf r o mc o n c e p t u a ls t r u c t u r et o s u b s t a n t i a ls t r u c t u r e ，s e r v i n gf o rp r o d u c td e s i g n r e s e a r c ho fp g e ：i nt h es t u d yo fp r o d u c tg e n e t h e o r y , t h ea r t i c l e p a r t i c u l a r l y i n t r o d u c e si ns e v e r a l a s p e c t s ：a c q u i r em e a n s - d i s t i l l i n gf r o m p r o d u c tp r o t o t y p e ；c h a r a c t e r i s t i c s - 一a u t o m a t i c g r o w t h ，t r a n s m i s s i b i l i t y ， a d a p t a b i l i t ya n da b e r r a n c e ；o p e r a t i o nm e t h o d 一t r a n s l a t i o n ，t r a n s c r i b e ，c o p y a n dr e t r a n s c r i b e ；m a t e r i a l c l a s s i f y - s t r u c t u r eg e n e ，c o n t r o lg e n e ，f u n c t i o n g e n e ，a n dg r o w t hd e s i g n b a s e do n p r o d u c eg e n e t h e n i td e r i v e st h e c o n c e p t i o no fp r o d u c tg e n o m ea n dp r o d u c tg e n e b a s e f r o mp r o d u c tg e n e ， c o n s t i t u t e sg e n e b a s es t r u c t u r em o d e l ，a n di n t r o d u c e sg r o w t hd e s i g nt h e o r y a n do p e r a t em e t h o db a s e do np r o d u c tg e n o m e f i n a l l y ，i nt h e o r yo fo r g a n i s m g e n ee n g i n e e r i n ga n di nt a r g e to fi n n o v a t i o nd e s i g n ，t h ea r t i c l ef o u n d sp r o d u c t g e n ee n g i n e e r i n gs y s t e m ，c o n s t r u c t s i t s s y s t e mm o d e la n dd i s c u s s e s i m p l e m e n t so ft h es y s t e m e x p l o i t a t i o no fp r o d u c te v o l u t i o n ：f i r s t ，t h ea r t i c i ei n t r o d u c e st h et h e o r y , i t san e wm e t h o do fe v o l u t i o nc a l c u l a t i o n ，w h i c hi sa ni n n o v a t i o ni ne x i s t i n g i n h e r i ta r i t h m e t i c s e c o n d ，a i m i n ga tt h es t r u c t u r et r a i t so fm e c h a n i c a l p r o d u c t s ，t h i s a r t i c l e m a n a g e s e v o l u t i o n d e s i g n w i t h d a r f a d ，t h e n e s t a b l i s h e sg e n u ss y s t e m sf o rc o n c e p t u a ls t r u c t u r ef r o ms i m p l et oc o m p l e x ， a n df r o ma b s t r a c tt om a t e r i a l ，t h e ng i v e sm e a s u r e st h a ti n c a r n a t et h ei d e ao f e v o l u t i o n i ne v e r yo p e r a t i o n so ff u n c t i o n a ls u r f a c e s ，p a r t sa n dp r o d u c t s ，w e a l lu s ee v o l u t i o nm e t h o dt or e a l i z et h e m t h em a t e r i a lm a n i p u l a t i o n sa r e ： n i l - t h i c k n e s s e n t i t y , i n t e r s e c t i n g f o r c o m p l e xs u r f a c e s ，p a r t se v o l u t i o n ， m a t c h i n gs h e l l sa n ds oo n ，f r o mw h i c hw ec a na c t u a l i z ee v o l u t i o nd e s i g no f i i i 山东大学硕士学位论文 c o n c e p t u a ls t r u c t u r ep r i m l y a tl a s t ，t h i sa r t i c l ec l a r i f i e st h er e l a t i o nb e t w e e n p r o d u c tg e n ea n de v o l u t i o no fc o n c e p t u a ls t r u c t u r e i s i n s e p a r a b l e ，i nt h e o p e r a t i o no ft h el a t t e r ，w ec a ng a i nt h eb e s tr e s u l tf r o mc o n c e p t u a ls t r u c t u r et o e n t i t y a tt h ee n do ft h ea r t i c l e ，w ee x p a t i a t et h ei n n o v a t i v ed e s i g ns y s t e mo f p r o d u c t s - - c o d a r f a d ，a n di t sm o d u l es e t t i n g s ，r u n n i n gc o n d i t i o n ，f u n c t i o n a c h i e v e m e n t s t h e nw eu s et h i ss y s t e mt oa c c o m p l i s ha ne x a m p l e ，w h i c h v a l i d a t e st h ev a l i d i t ya n dc o r r e c t n e s so ft h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo ft h e a r t i c l e t h ew o r ki nt h i sa r t i c l eh a si m p o r t a n tr e f e f e n c e sa n dg u i d em e a n i n g s f o rt h es t u d ya n di n n o v a t i o no fp r o d u c tg e n e ，a n dp 0 s s e s s e si m p o r t a n ta p p l i e d v a l u ef o re x p l o i t i n gc o n c e p t u a ld e s i g na n di n n o v a t i o nd e s i g nw h i c ha i mf o r p r o d u c te v o l u t i o n k e y w o r d s ：c o n c e p t u a ld e s i g n ；g r o w t hd e s i g n ；p r o d u c tg e n e ；p r o d u c t e v o l u t i o nd e s i g n i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的与意义 1 、设计活动是产品开发过程中最重要的环节之一，而在设计过程中， 概念设计又是最重要的关键之一 1 ，2 】。概念设计处于产品设计的早期，提供 产品方案，决定产品的基本特征和主要框架，研究表明，产品大部分成本 在概念设计阶段就已确定。概念设计不仅决定产品的质量、成本、性能、 可靠性、安全性和环保性，而且产生的设计缺陷无法由后续设计弥补。 2 、虽然概念设计从总体上来说是一种创造性的工作，但也包括一些 非创造性的、适于计算机辅助实现的工作。当前对设计的要求越来越高， 这些矛盾只有通过使用计算机辅助概念设计的工具才能得到缓解。近年 来，随着专家系统、智能c a d 和智能工程技术的发展，产品设计中的决 策过程也愈来愈多地借助于计算机进行。因此计算机辅助概念设计 ( c o m p u t e ra i d e dc o n c e p t u a ld e s i g n ，c a c d ) 也有了长足进展，c a c d 已成 为c a d c a m 领域的研究热点。对计算机辅助概念设计的研究引起了世界 范围的关注，c a c d 技术在不断地向产品的全过程延伸，从产品的结构形 状设计到产品的概念设计阶段发展【3 。 3 、设计的本质是创新，而创新的源泉来自于人类的智慧。创新为人 类进步发挥了极其重要的作用，并推动了机械设计的发展与变革，机械结 构每一次的重大改进都离不开发明与创新。当今世界进入知识经济时代， 作为国民经济心脏的机械设计与制造业，要以创新作为其持续发展的基 石。缺乏创新能力将失去知识经济带来的机遇，没有创新就没有新兴的机 械技术。知识创新和技术创新能力是决定国之间、企业之间、人之间竞争 地位的重要因素，关系到民族、企业和个人的前途和命运。 新世纪是一个“知识经济”占主导地位的世纪。在“知识经济”时代， “机械设计和制造”的发展源泉和生命在于“创新”。当今，市场经济日 益发达，产品创新设计必须紧密结合快速变化的市场需求来进行。因此， 将创新研究与计算机技术紧密结合起来，开发产品创新系统成为社会发展 的需要和必然【4 1 。人们也逐渐认识到自顶向下式的生长型设计更加符合自 然界万物适者生存、发展的哲理，利于实现产品创新。 4 、2 0 世纪末人类在基因工程上的突破，极大地改变了人的存在方式。 基因工程作为一项用人工方法干预生物遗传的技术，大大加快了生物物种 山东大学硕士学位论文 的进化速度，基因工程的广泛应用，产生了巨大的社会效应。它在工业、 农业、畜牧业等物质生产部门及军事、医学、文化诸社会生活领域都带来 了积极的革命性变化。 在自然界中，基因是细胞核中控制生物遗传特性的基本物质。根据各 学科间存在的相似性原理，我们有理由相信，在机械产品结构创新设计中， 有产品基因这一抽象物质的客观存在，并且它是控制整个产品设计过程的 决定性因素，一切产品的概念设计和进化设计都是以此为基础进行的。 5 、进化设计是将自然界生物进化思想引入到人类的设计活动中来， 在产品内在进化机制的引导下，使设计对象在需求底层进行一种自适应性 设计的设计模式。设计进程以需求为驱动力，在生物智能和计算智能的帮 助下，对产品进行自组织方式设计，使设计达到一定智能化和自动化的水 平，减少设计环节，缩短设计周期，提高产品设计效率1 5 。现阶段最有影 响的预测理论是t r i z 中的技术进化理论，它通过对世界专利库的分析， 发现并确认了技术从结构上进化的趋势，即技术进化模式与进化路线；而 且还发现，在一个工程领域中总结出的进化模式与进化路线可在另一工程 领域实现，即技术进化模式与进化路线具有可传递性，因此对产品创新设 计具有指导作用。 但是，目前进化设计还处于发展的初级阶段，在理论、方法和技术上 的研究不够，需要加强生物进化原理与人类的设计思维相结合以及设计进 程中各种实现方法与手段等方面的研究，以便于在计算机辅助设计模型的 帮助下实现真正意义上的产品进化设计。 1 2 产品概念设计 随着工业生产的发展，设备和产品的功能与结构日趋复杂，产品设计 在整个生命周期内占有越来越重要的位置。作为只占5 产品成本的设计 活动决定着占7 0 8 0 的产品成本【6 】。在产品的全生命周期中，5 0 的 产品特征f 包括产品的性能、可制造性和生产成本) 是由概念设计阶段决定 的。产品概念设计是一个求解实现功能、满足各种技术经济指标和可能存 在的各种方案，并最终确定综合最优方案的过程，是一个发散思维和创新 设计的过程。概念设计阶段具有明显的创造性、多解性、层次性、近似性、 经验性和综合性特点，是一个复杂的决策过程。 2 第1 章绪论 1 2 1 产品概念设计研究现状 概念设计这一名词最早在1 9 7 1 年由f r e n c h 7 】提出。1 9 8 4 年，p a h l 和 b e i t z 【8j 提出了设计过程分为明确任务( c l a r i f i c a t i o no ft a s k ) 、概念设计 ( c o n c e p t u a ld e s i g n ) 、具体设计( e m b o d i m e n td e s i g n ) 和详细设计( d e t a i l e d d e s i g n ) 的四阶段模型 8 , t6 - 】，并将概念设计定义为：“在确定任务之后，通 过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本 求解途径，得出求解方案的设计工作。” m s h u n d a l 9 】在p a h l 和b e i t z 的基础上将概念设计分为问题本质的抽 象识别、功能结构的建立、子功能一解原理的匹配、子结构的组合及基于 设计规范的方案评价五个阶段，并对各个阶段的计算机支持作了一些阐述 与展望。 产品概念设计是设计过程的初始阶段，其目标是提供产品方案，获得 产品的基本形式或形状。广义上的概念设计的定义是指从产品的需求分析 之后，到详细设计前这一阶段的设计过程【l 。概念设计对设计人员的约束 最少，具有较大的创新空间，最能体现设计者的经验、智慧和创造性。因 此，概念设计被认为是设计过程中最重要、最关键和最具创造性的阶段 【1 8 ，”】。这一阶段的工作高度体现了设计的艺术性、创造性、综合性及设计 师的经验性。 概念设计在产品的整个设计开发过程起着越来越重要的作用。因而， 它一直以来都是c a d c a m 、c i m s 等领域的研究热点。特别是近年来， 随着汁算机图形学、虚拟现实、敏捷设计、多媒体等技术的快速发展和 c a d c a m 应用的不断深入，产品概念设计的研究也有了新的进展f 1 引。 1 2 2 计算机辅助概念设计现状 概念设计既是产品设计的先导，又是产品构型设计的前提。概念设计 搞好了，产品设计才有可能达到高水平。目前计算机辅助设计已经深入发 展并得到广泛应用，概念设计可以在计算机辅助智能化设计和专家系统技 术的基础上得到更充分地发展【1 。 由于概念设计阶段的主要处理对象是功能，是一种t o p d o w n 的设计 方式，因此传统c a d 系统不能支持概念设计，它看上去更像是一个 c o m p u t e r a i d e dd r a f t i n g 系统，对真正的设计活动支持较少：不支持 t o p d o w n 设计方法，不符合设计人员的正常设计思维，且人脑的概念设计 结果和手绘的设计草图不能为计算机直接使用【2 1 。尽管从抽象概念造型， 山东大学硕士学位论文 到实体造型，再到特征造型的进步标志着c a d 技术对设计过程支持能力 的增强，但要实现对包括概念设计在内的全生命周期的支持，则必须对以 计算机辅助绘图和依据算法的结构性能分析为主的传统的c a d 技术来 次创新，这也是当前概念设计研究中的热点问题。 1 、概念设计对象模型：设计的过程实际上是设计对象的描述信息由 抽象到具体、由模糊到精确，逐步清晰和完善的过程。由此可见，设计对 象本身的建模尤为重要。 国外一些学者如s r i d h a r k o t a 、u m e d a t l 2 】、q i a n l l 3 t 1 4 等在基于功能的产 品建模方面做了细致的工作。国内南京大学孙正兴提出了基于原型特征的 产品建模。浙江大学顾建新则在新产品与以前的产品之间有一定的联系的 认识论基础上提出了产品信息基因模型。 2 、概念设计过程模型：计算机辅助概念设计的过程模型一般基于某 种设计方法学的基本理论。对设计过程本身理解的不同，导致了设计方法 学理论种类的繁多，并各成体系。由此，也就出现了各种各样的设计建模 方法。概括起来主要有以下几种： ( 1 ) 基于约束求解的过程模型：即在给定组功能和一组约束的情况 下产生一个或一组部件的详细的结构化描述，而这个产生与处理的过程是 一个约束逐步满足的计算过程。 f 2 1 通用信息流过程模型：即试图从设计信息的角度表现设计过程的 非单调搜索、知识密集型和多阶段迭代的过程本质。 ( 3 ) 基于功能的过程模型：它又可分为：功能一结构模型，将设计 过程视为在满足约束条件下由功能确定出结构的过程，即由功能向结构映 射的过程。功能一行为一状态模型，u m e d a 、g o e l 等认为：“功能”是 人们为实现设计意图而对行为的抽象描述：“状态”是由一组实体的属性 及该实体在其他实体间的关系组成；“行为”是状态沿时间而不断变化的 过程。在此理解的基础上，建立了功能一行为一状态设计过程模型。功 能一行为一结构模型，在“结构”中定义该设计由哪些元件组成，这些元 件的属性如何，以及元件之间的关系如何；“行为”表示设计者用来推断 出结构的方法，它由行为类型、行为变量和定性的因果关系组成；“功能” 则仅仅是一个设计体的目的的表达而已。q i a n 等利用这种设计过程模型和 基于类比的推理方法把一种设计与数据库中的另一种设计相类比，产生不 同设计领域的可参照性。该方法的特点是可在比较抽象的层次中表达知 识，适用于非动态的结构设计中。 无论是功能一结构的两层设计过程模型，还是改进后的三层设计过程 模型都具有一定的缺陷，有待进一步完善。 4 第1 章绪论 1 2 3 计算机辅助概念设计的关键技术 概念设计是从产品开发需求到功能原理解的映射过程。其一般过程 是，设计人员首先把用户需求表示为功能；然后对功能进行反复分解为一 些可以解决的子功能，最终这些功能和子功能形成了设计的功能树；然后 设计人员对各子功能进行求解、综合和评估，得到最终的功能原理解 2 1 。 在概念设计阶段有这样几个特点： l 、在概念设计阶段的主要处理对象是功能，功能的表示、维护和推 理是概念设计阶段的核心问题： 2 、在概念设计阶段产品的几何信息是不完全的，为了表示不完全的 几何信息，要对传统的几何造型方法进行改造，使之能表示不完全几何信 息和抽象几何信息； 3 、对整个设计过程来说，设计对象是随着设计过程的进行而不断细 化的，要求c a d 系统支持渐进设计过程和t o p d o w n 设计方式； 4 、功能信息和几何信息反映了设计对象的不同侧面，要求在c a d 系 统中妥善解决好这两种建模技术的兼容性和相互转化关系。 结合以上特点，要对概念设计阶段进行计算机支持，主要包括以下几 项关键技术： 1 、产品信息建模和功能推理技术 信息建模技术是c a d 系统的核心，它是表示设计对象和设计过程的 重要工具，是完成人机交互的主要媒介。在现有的c a d 信息建模技术中， 几何信息占统治地位；但随着信息建模技术的发展，几何信息的地位正日 益下降，因为几何信息并不是唯一且能全面表示设计信息的方式。 由上面所述的概念设计特点可见，在概念设计阶段，传统的c a d 建 模技术是不适用的，在支持概念设计的建模技术中，功能信息应代替几何 信息占主导地位。虽然对于功能一直没有一个统一的定义，但有一点可以 肯定，几何信息表示了“w h a t ”，而功能信息表示了“h o w ”。因此功能信 息建模不仅在概念设计中是必须的，而且在后续设计过程中也方便设计人 员理解设计意图，以便于对设计方案的修改和再设计。虽然在传统的信息 建模技术中为了表示高层次信息，也有一些非几何信息或功能信息的表示 方法，但对于概念设计中的功能建模是不适用的，因为几何信息的构筑对 象是零件，因此信息只能隶属于零件，而功能却往往表示为两个以上的零 件相互作用的结果。但是，为了与后续设计过程相兼容，几何信息在概念 设计阶段的产品信息建模中也是不可缺少的，另外为了方便设计修改和再 设计，在概念设计阶段的产品信息建模中还要考虑到设计意图建模，设计 山东大学硕士学位论文 意图描述了满足设计需求的几何形状和技术参数是如何产生和决定采用 的。在概念设计阶段的集成产品信息建模是综合了功能、几何和设计意图 建模技术的结果，其结构示意如图1 - 1 所示。 集成产品模型 功能需求设计意图几何模型 厂 广 功能符号量化设计要求评估意见几何信息 技术信息附注 i 广- 厂+ 设计目录形状装配关系精度 材料加工要求 图1 1 概念设计集成产品模型 功能建模是概念设计阶段信息建模的重点，对功能的表示方式主要有 动名词组输入输出流转换和输入输出状态转换三种c 2 卜2 引。 对设计意图建模是信息建模的另一个重点，它记录了设计人员的思维 过程，包括功能到功能的分解；功能到结构的转化和结构约束求解的过程。 在概念设计中，设计对象往往只有一个粗略的形状和一些主要的尺寸 和装配关系，或是一个标准件的代码。因此要建一个草图系统，用一些符 号和示意图来表示不完全几何信息和抽象几何，当然这个草图符号库也是 面向具体设计的。在概念设计结束后，要用这个草图系统去表示概念设计 方案，且后续的设计工作是在这个概念设计方案草图上进行的。 2 、设计全过程的集成 设计是一个渐进和反复的过程，对于一个支持设计全过程的c a d 系 统，有以下几点要求： ( 1 ) 要支持t o p d o w n 设计方式，就必须以概念设计得到的草图为基础 进行后续设计，草图中的各种数据信息将成为约束来推动后续设计过程的 进行。而且在任一后续设计中，前一步设计方案将成为后一步设计过程的 约束条件，若在后一步设计过程中发现前一步设计方案的错误，则只有回 到前一步设计过程中才有权限对这些错误进行修改。另外在草图中，不完 全几何信息和抽象几何往往表现为一些点线面信息，因此在c a d 系统中， 应将点线面信息和实体信息给予同等的对待； ( 2 ) 设计意图在一定程度上反映了设计对象的整个设计历史过程，因 此设计意图信息在设计过程中的继承能使设计人员随时针对某个零件或 结构调阅其设计意图，从而方便修改和再设计。因此设计意图建模不光是 概念设计阶段所独有的，在后续设计过程的信息建模技术中也应得到体 现； ( 3 ) 要支持t o p d o w n 设计方式，面向装配的建模技术是必须的，而且 6 第1 章绪论 为了支持从概念设计到详细设计的整个设计过程，不同设计过程的几何建 模技术应是相互兼容的，可以方便地进行转换，而且面向装配的建模不以 零件为信息载体，也方便于功能信息的表示。 1 2 4 计算机辅助概念设计的发展方向 从国内外的机械产品计算机辅助概念设计的研究现状来看，目前多数 集中在概念设计建模方面的研究上，即主要集中在概念功能和概念形状设 计建模上。就发展趋势而言，概念设计今后的研究重点和方向主要集中在 两个方面：一方面是支持概念设计的计算机技术的研究；另一方面是概念 设计与其它设计阶段集成的研究 25 1 。 在支持概念设计的计算机技术研究方面，主要包括两点：一点是计算 机辅助概念设计相关理论的研究，如概念设计建模理论：其重点是针对概 念设计阶段的特性，研究概念设计模型的定义和描述方法、模型的操作和 演化，使之在有利于计算机表达和操作的同时，能较好地符合设计者的设 计思维习惯。另一点是创新设计技术的研究。概念设计最能体现产品创新 特性，因此，在计算机辅助概念设计中，研究设计创新应遵循怎样的原则 和规范和创新设计方法将具有重要的意义。 随着计算机技术的飞速发展，从产品整个设计过程的发展趋势来看， 产品设计模式在信息化的基础上，正朝着数字化、集成化、网络化和智能 化的方向发展。计算机辅助概念设计作为产品设计的一个重要组成部分， 必然与上述发展趋势相一致，因此，建立统一的设计模型将是计算机辅助 概念设计的重点研究内容之一。目前，在集成方面的研究上，主要借助于 数据库中间环节或通过映射方式等得以实现：今后，实现计算机辅助概念 设计与其它设计阶段无缝集成，在产品设计过程中对减少设计误差、提高 设计效率等必将具有重要作用。此外，在概念设计中考虑制造、成本等其 它因素的并行设计，以及不同设计者之间或不同地域之间的协同设计，将 是计算机辅助概念设计符合发展趋势的另一项研究内容。 1 3 产品基因工程研究现状 近年来，对产品基因工程的研究一直在不断地完善和发展，每位研究 者都在各自的研究领域中为“产品基因”这一概念作了具体的诠释：周生 祥教授将基因工程的思想用于产品的结构设计，将“特征”看作是产品结 构信息的“d n a ”，通过研究父部件与子部件之间尺寸特征和形状特征的 7 第1 章绪论 为了支持从概念设计到详细设计的整个设计过程，不同设计过程的几何建 模技术应是相互兼容的，可以方便地进行转换，而且面向装配的建模不以 零件为信息载体，也方便于功能信息的表示。 1 2 4 计算机辅助概念设计的发展方向 从围内外的机械产品计算机辅助概念设计的研究现状来看，目前多数 集中在概念设计建模方面的研究上，即主要集中在概念功能和概念形状设 计建模上。就发展趋势而言，概念设计今后的研究重点和方向主要集中在 两个方面：一方面是支持概念设计的计算机技术的研究；另一方面足概念 设计与其它设计阶段集成的研究p “。 在支持概念设计的计算机技术研究方面，主要包括两点：一点是计算 机辅助概念设计相关理论的研究，如概念设计建模理论 其重点是针列概 念设计阶段的特性，研究概念设计模型的定义和描述方法、模型的操作和 演化，使之在有利于计算机表达和操作的同时，能较好地符合设计者的设 计思维习惯。另一点是创新设计技术的研究。概念设计最能体现产品创新 特- 眭，因此在计算机辅助概念设计叶1 ，研究设计创新应遵循怎样的原则 和规范和创新设计方法将具有重要的意义。 随着计算机技术的飞速发展，从产品整个设汁过程的发展趋势来看， 产品设计模式在信息化的基础上，丁f 朝着数字化、集成化、网络化和智能 化的方向发展。计算机辅助概念设训作为产品设计的一个重要组成部分， 必然与上述发展趋势相一致，因此，建立统的设计模型将是计算机辅助 概念设计的重点研究内容之一。目前，在集成方面的研究上，主要借助于 数据库中间环节或通过映射方式等得以实现 今后，实现计算机辅助概念 设计与其它设计阶段无缝集成，在产品设计过程中对减少设计误差、提高 设计效率等必将具有重要作用。此外，在概念设计叶1 考虑制造、成本等其 它固素的并行设计，以及不同设计者之间或不同地域之间的协同设计，将 是计算机辅助概念设训符合发展趋势的另一项研究内容。 1 3 产品基因工程研究现状 近年来，对产品基因工程的研究一直在不断地完善和发展，每位研究 者都在各自的研究领域中为“产品基因”这一概念作了具体的诠释：周生 祥教授将基因工程的思想用于产品的结构设计，将“特征”看作是产品结 构信息的“d n a ”，通过研究父部件与子部件之间尺寸特征和形状特征的 构信息的“d n a ”，通过研究父部件与子部件之问尺寸特妊和形状特征的 7 山东大学硕士学位论文 继承关系及零、部件的结构变异，揭示了叫奇征”这种信息流在产品树中 的传播规律，在此基础上提出了一种基于基因工程思想的产品建模方法 ”“。顾新建等 z 3 a 3 提出了全生命周期的机械产品信息基因模型、过程信息 中的基因模型，指出产品基因是产品科学和技术的继承者和传递者，认为 可以从产品的作用原理和功能以及零件的功能和制造的角度，分别对产品 概念基因和产品结构基因进行建模。产品概念基因模型包括基本原理、功 能模块、典型产品模型三个层次，产品由具有不同作用原理、不同子功能 的模块组成，可采用设计目录的方法，将各种形式的功能模块以编码或图 表的形式加以描述，当然功能模块的组合不是随意的，要进行优化选择。 产品结构基因模型包括基本特征、功能特征和典型零件三个层次，功能特 征模型被用于控制设计的多样化。冯培恩1 2 4 , 5 1 】教授，通过对生物基因工程 与产品原理方案设计的系统类比，引出产品原理方案设计中的信息遗传基 础“产品基因”的概念，提出“产品基因”的“转录”、“翻译”及“复制” 机理，揭示了产品基因在功能设计与原理方案设计之间的桥梁作用。文献 f 2 7 认为复合功能产品主要通过对已知元功能的已知原理解进行重组来实 现整体功能和原理创新，其关键在于对已有原理解及设计知识的重用，本 质上体现了遗传的思想和规律。在产品的原理方案设计中也存在着与生物 基因类似的“产品基因”，它是关于产品功能及其实现手段的可遗传性知 识。一个功能可能对应多个产品基因，不同功能和特征的组合则可能导致 不同产品基因的出现；等等。 1 4 遗传算法研究现状 人们对遗传算法的研究已经进行了几十年，早在6 0 年代，h o l l a n d 就 从开始研究自然和人工系统的自适应行为，在这些研究中，他试图发展一 种用于创造通用程序和机器的理论【3 0 】。通用程序和机器具有日益适应环境 的能力，h o l l a n d 意识到用群体方法搜索及选择、交换等操作策略的重要 性1 3 1 】。在6 0 年代中期至7 0 年代末期，b a g l e y 3 2 】发明“遗传算法”一词并 发表了第一篇有关遗传算法应用的论文。论文中发展了与目前类似的复 制、交换、突变、显性、倒位等基因操作，他还敏锐地察觉到防止早熟收 敛的机理，并发展了自组织遗传算法的概念。与此同时，r o s e n b e r g 口3 】在 他的博士论文中进行了单细胞生物群体的计算机仿真研究，对以后函数优 化的研究颇有启发，并发展了自适应交换策略。c a v i c c h i o p 4j 于1 9 7 0 年研 究了基于遗传算法的子程序选择和模式识别问题。在模式识别问题上，采 用整数编码，检索空间很大，他提出了以预选择策略保证群体多样性，对 8 第1 章绪论 遗传性算法参数进行中心控制。同年，w e i n b e r g ”1 研究了生物体的仿真， 他的贡献在于提出运用多层遗传算法来进行遗传算法参数的自寻优。与前 面几位博士不同，h o l l a n d 首次采用二进制编码来进行函数优化问题，并 提出了运用g r a y 码的一些优点，他研究了从生物系统不同的选择和配对 策略。1 9 7 5 年树立了遗传算法发展史上的两块里程碑，一是h o l l a n d 出版 了经典著作a d a p t a t i o ni nn a t u r a la n da r t i f i c i a ls y s t e m s ) ) 1 3 6 1 ，该书是作 者几十年间许多思想及其现实的结晶，详细阐述了遗传算法的理论，并为 其奠定了数学基础，发展了一整套模拟生物自适应系统的理论；二是 d e j o n g 完成了具有指导意义的博士论文a na n a l y s i so f t h eb e h a v i o ro fa c l a s so f g e n e t i ca d a p t i v es y s t e m ) ) 1 3 ”，他深入领会了模式定理并做了大量 严格的计算实验，给出了明确的结论，他还建立了著名的d e j o n g 五函数 测试平台，定义了性能评价标准，并以函数优化为例对遗传算法的六种方 案的性能及机理进行了详细实验和分析，他的工作成为后继者范例并为以 后的广泛应用奠定了坚实的基础。 进入8 0 年代，随着以符号系统模拟人类智慧的传统人工智能暂时陷 入困境，神经网络、机器学习和遗传算法重新复活并获得繁荣 3 8 1 。g o l d b e r g 在遗传算法研究中起着继往开来的作用，他在1 9 8 3 年的博士论文中第 次将遗传算法用于实际的工程系统一一煤气管道的优化，从此，遗传算法 的理论研究更为深入丰富，应用研究更为广泛和完善。 进入9 0 年代，学术界出现了以不确定性、非线性、时间不可逆为内 涵，以复杂问题为对象的科学新范畴，如广义进化综合理论。由于遗传算 法能有效地求解属于n p c 类型的组合优化问题及非线性多模型，因此遗传 算法是求解多目标的函数优化问题的最佳工具之一。 而今，遗传算法的应用研究比理论研究更为丰富，已渗透到许多学科。 到目前为止，遗传算法的应用按其内容侧重点的不同可分为三大部分，即 基于遗传的优化计算、基于遗传的优化编程、基于遗传的机器学习，分别 简称为遗传计算( g e n e t i cc o m p u t a t i o n ) 、遗传编程( g e n e t i cp r o g r a m m i n g ) 、遗 传学习( g e n e t i cl e a r n i n g ) 。 1 5 本文组织安排 通过对有关产品概念设计、产品基因工程和遗传算法等方面研究成果 的了解和分析，并结合本实验室在产品设计自动化领域所作的研究和开发 基础，本文提出了产品基因与进化设计理论，具体工作如下： l 、提出新的产品基因理论，开创基于产品基因的概念结构生长型设 9 山东大学硕士学位论文 计方法； 2 、由产品基因建立产品基因库模型和产品基因工程系统建模，并在 系统已有功能的基础上进行创新设计； 3 、提出概念结构进化设计理论，由功能表面一零部件一产品的结构 层次，分别建立各层的类体系和进化设计方法： 4 、阐述创新设计d a r f a d 的运行环境和特点，描述了一个设计实例 在此系统中的运行过程。 本文内容的组织安排如图1 2 所示。 图1 2 本文的组织安排结构图 1 0 第2 章产品基因工程研究与进化技术开发 第2 章产品基因工程研究与进化技术开发 设计方法学的提出和发展，使人们对设计过程有了一个总体上的理解 和把握，并试图在整个设计过程的各个层面上建立起可操作的过程模型， 生长型设计就是其中之一。本章将对概念产品生长型设计及其延伸出的产 品基因概念和理论进行探讨，并提出了概念结构进化设计思想。 2 1 基于功能表面分解重构的产品“生长型”设计理论 在实际的设计过程中，一个产品的设计首先要考虑的是该产品的功能 及装配方面的事项，然后才能对组成产品的各部分零部件进行详细设计。 在这一过程中，首先需要考虑个体零件在装配、功能及制造方面的设计， 而它们的设计又依赖于前期概念阶段的抽象设计；因此，后者对前者限定 了严格的行为准则和性能要求。因此，这种设计实际上是一种自顶向下的 设计过程，在以计算机为辅助工具的设计自动化理论中也要采用这种 t o p d o w n 的设计过程。 在产品信息组织分类上，通过基于面向对象的技术，我们设计了产品 类( m p r o d u e t ) 、零件类( m p a r t ) 平l l 功能表面类( m f u n c f a c e ) 这三个层次的信息 组织方式。基于功能表面的产品信息模型需要表达产品中零件与零件间、 零件与表面间及表面与表面间的配合、联接、受力、尺寸等各方面的约束 关系。产品设计信息模型由功能分解而来，通过功一构映射，最终进化为 实体结构。设计过程可以用这种实体结构上的分解重构方法进行描述。 本节的理论研究和实践为基于产品基因的进化设计理论研究及系统 开发提供理论支持和开发基础。 2 1 1 分解重构理论 机械产品创新设计必须完成的核心内容，就是探索机械产品创新发明 的机理、模式和方法，具体描述机械产品创新设计的过程，并使之程式化、 符号化、算法化。然而，目前已有的创新方法，如：智暴法、提问追溯法、 联想类推法、知识链接法等，都不容易实现创新设计过程的程式化与算法 化，因此当前产品结构创新设计存在的关键问题仍是缺乏实现创新的设计 理论及相应的设计方法。从创