（车辆工程专业论文）一种汽车造型特征设计的进化方法.pdf

一种汽车造型特征设计的进化方法 摘要 随着市场竞争的日趋激烈，产品的创新性、外观造型因素愈来愈受到重视， 对于汽车行业来说，外观设计更是生命，创新设计实为灵魂。到目前为止，在汽 车设计行业，尚未有一种系统化的方法引导汽车设计者有条理的进行创新设计。 进化计算技术的兴起，为我们探索一种支持进化的概念创新设计途径提供了很好 的支持，在此基础上产生的进化设计已成为最重要的创新设计技术之一。 本文主要研究汽车造型特征设计的进化方法，将进化设计和汽车造型设计相 结合，通过进化产生新的造型为汽车造型师在概念设计阶段提供帮助。主要的工 作有： 1 首先对汽车造型特征和汽车造型特征线进行研究，论证了汽车造型特征 线是汽车造型特征的最好表达方式，并应用贝塞尔曲线表达式对汽车造 型特征线进行了基因表达；然后将进化设计方法引入到汽车造型设计中， 以提取的汽车造型基因为基础，借鉴生物遗传进化的方法，对提取的造 型基因进行进化，生成了新的造型特征。 以某轿车五代车型的造型基因为样本，对其进行了优化操作，优化采用 了单目标和多目标两种方法。分别以美学和空气动力学为目标做了两次 单目标优化，并从该车型的造型基因中提取了设计变量，设定了约束条 件，然后应用微型遗传算法对其进行优化，优化过程中加入了返回机制， 提高了算法的效率；多目标优化中同时选取美学和空气动力学因素作为 设计目标，设计变量和约束与单目标优化相同，然后采用了微型多目标 遗传算法进行优化，为了保持种群的多样性，算法采用了重启动策略。 本文将生物的遗传性和进化规律导入汽车造型设计中，基于汽车造型和汽车 造型特征线的概念，完成了汽车造型基因的进化，并做了相关的优化工作，最后 以某轿车为例进行了仿真，初步的结果显示了这一方法的可行性和应用潜力。 关键词：进化设计，概念设计，造型特征，汽车造型特征线，造型基因 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g l yf i e r c em a n e tc o m p e t i t i o n ，t h ep r o d u c ti n n o v a t i o na n d o u t l i n ew e r ep a i dm o r ea t t e n t i o nt o i na u t o m o b i l ei n d u s t r y ，o u t l i n ed e s i g ni si t sl i f e a n dc r e a t i v e d e s i g n i si t ss o u l i n d e e d b yf a r , n os y s t e m a t i cm e t h o dc a nd i r e c t d e s i g n e r st oc a r r yo u tc r e a t i v ed e s i g no r d e r l y t h er i s eo ft h ee v o l u t i o nc o m p u t a t i o n p r o v i d e su san e wa p p r o a c hf o rc o n c e p t u a lc r e a t i v ed e s i g n ；t h e r e f o r e ，i th a sb e c o m e o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e sf o rc o m p u t a t i o n a la n dc r e a t i v ed e s i g n t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ee v o l u t i o nm e t h o df o rf e a t u r ed e s i g no fa u t o m o b i l e f o r m ，t oc o m b i n et h ee v o l u t i o nd e s i g na n da u t o m o b i l ef o r md e s i g n ，c r e a t sn e wf o r m t h r o u g ht h ee v o l u t i o nt op r o v i d eh e l pf o rt h ed e s i n g e ri nt h ec o n c e p td e s i g np h a s e t h e m a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 f i r s t l y ，t h ea u t o m o b i l ef o r mf e a t u r ea n da u t o m o b i l ef o r mf e a t u r el i n ea r e s t u d i e d ，a n da u t o m o b i l ef o r mf e a t u r el i n ei sp r o v e dt ob et h eb e s tw a yt o d e s c r i b et h ea u t o m o b i l ef o r mf e a t u r e ，t h ef o r mf e a t u r el i n ei se x p r e s s e dt o g e n eb yt h eb e z i e rc u r v ee q u a t i o n ；a n dt h e n ，d r a wt h ee v o l u t i o nd e s i g n m e t h o di n t ot h ea u t o m o b i l ef o r md e s i g n ，b a s e do nt h ea u t o m o b i l ef o r m g e n ew h i c he x t r a c t e df r o mt h ef o r mf e a t u r el i n e u t i l i z et h em e t h o do f b i o l o g i c a le v o l u t i o nt og e n e r a t et h en e wf o r mf e a t u r e 2 t h ea u t o m o b i l ef o r mi s o p t i m i z e db a s e do nt h ef o r mg e n eo faf i f t h g e n e r a t i o n a la u t o m o b i l e t w ok i n d so fo p t i m i z a t i o np r o b l e m si n c l u d i n g s i n g l e 。o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e ma n dm u l t i o b j e c t i v ep r o b l e ma r e c o n s i d e r e d i ns i n g l e o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e m s ，a e s t h e t i c sa n da e r o d y n a m i c sa r et r e a t e da st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n s ，s e p a r a t e l y d e s i g nv a r i a b l e s a r es e l e c t e df r o mt h o s ew h i c ha f f e c tt h ea u t o m o b i l ef o r ms i g n i f i c a n t l y s o m ec o n s t r a i n t sa r eg i v e nf r o me m p i r i c a ls t u d y m i c r og e n e t i ca l g o r i t h m i se m p l o y e da st h eo p t i m i z a t i o no p e r a t o ri nw h i c hf e e d b a c kt e c h n i q u ei s a d d e di no r d e rt oi m p r o v et h ec o m p u t a t i o ne f f i c i e n c y i nm u l t i o b je c t i v e p r o b l e m ，a e s t h e t i c sa n da e r od y n a m i c sa r et r e a t e da st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n s ， s i m u l t a n e o u s l y d e s i g nv a r i a b l e sa n dc o n s t r a i n t sa r et h es a m ea st h o s ei n s i n g l e - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e m s t h e n ，m u l t i o b j e c t i v em i c r o g e n e t i ca l g o r i t h mi su s e da st h eo p t i m i z a t i o no p e r a t o r i no r d e rt ok e e pt h e v a r i e t yo fp o p u l a t i o n ，ar e s t a r ts t r a t e g yi sa d o p t e d i i i 一种汽车造型特征设计的进化方法 t h i sp a p e rd r a w st h eb i o l o g i c a li n h e r i t a n c ea n de v o l u t i o ni n t ot h ea u t o m o b i l e f o r md e s i g n ，b a s e do nt h ec o n c e p to ff o r mf e a t u r ea n da u t o m o b i l ef o r mf e a t u r el i n e ， a c c o m p l i s h e st h ee v o l u t i o no fa u t o m o b i l ef o r mg e n e ，a n dd o e ss o m ei n t e r r e l a t e d o p t i m i z ew o r k s a tl a s t ，t a k i n gs o m ec a r sa st h ee x a m p l et os i m u l a t e ，p r i m i t i v e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e dt os h o wt h ep o t e n t i a l so ft h ep r o p o s e dm e t h o d k e yw o r d s ：e v o l u t i o n a r yd e s i g n ；c o n c e p t u a ld e s i g n ；f o r mf e a t u r e ；a u t o m o b i l ef o r m f e a t u r el i n e ；f o r mg e n e 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特另t l d i ：i 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：；抄 日期：1 f 年f 月f 舶 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：易嘭日期：洲年厂月f9 日 翩繇试吣j 鞴洲吁胁日 硕十学位论文 1 1 进化设计 第1 章绪论 大自然是人类解决各种问题时获得灵感的源泉。几百年来，将生物界所提供 的答案应用与实际问题求解己被证明是一个成功的方法，并且已形成一个专门的 科学分支仿生学。自然界所提供给人类的答案是经过漫长的自适应过程进 化过程而获得的结果。除了进化过程的最终结果，也可以利用这一进化过程去解 决一些较为复杂的问题。人们不必非常明确地描述出问题的全部特征，只需要根 据自然法则来产生更好的解。 进化技术正是基于这种思想而发展起来的一种通用的问题求解技术。它采用 简单的编码技术来表示各种复杂的结构，并通过对一组编码表示进行简单的遗传 操作和优胜劣汰的自然选择来指导学习和确定搜索方向。由于它采用种群( 即一组 编码表示) 的方式组织搜索，这使得它可以同时搜索解空间内的多个区域。而且用 种群组织搜索的方式使得进化算法特别适合大规模并行计算。在赋予进化技术自 组织、自学习、自适应等特征的同时，优胜劣汰自然选择和简单的遗传操作使进 化计算具有不受其搜索空间限制性条件的约束及不需要其它辅助信息的特点。这 些新的特点使得进化算法不仅获得较高的效率而且具有简单、易于操作和通用的 特征，而且这些特征正是进化算法越来越受到人们青睐的主要原因之一。 基于进化技术的造型设计是复杂而富创造性的活动，是进化方法和逻辑推理 的结合，一方面体现出设计思维的诸多特征：另一方面为形象思维和创造性思维 的计算机实现提供了一定程度上的可能性，拓展了设计方法学和设计自动化的研 究思路。 达尔文进化论思想在自动问题解决中的应用始于2 0 世纪5 0 年代，远在计算机 飞速发展阶段之前【l j 。2 0 世纪6 0 年代，进化论思想的三种不同实现分别在三个地 方发展起来。在美国，f o g e l 提出了进化规戈, l j ( e v o l u t i o n a r yp r o g r a m m i n g ，e p ) i z j ， 而h o l l a n d 称他的方法为遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) m ，5 l 。在德国，r e c h e n b e r g 和s c h w e f e l 发明了进化策略( e v o l u t i o n a r ys t r a t e g y ，e s ) 1 6 ，7 1 。在以后的大约1 5 年中， 这些领域分别有了自己的发展；自从2 0 世纪9 0 年代初，它们成为了一门技术的不同 分支，这门技术就是进化计算。同样是在2 0 世纪9 0 年代初，第四个分支一遗传程 序设计( g e n e t i cp r o g r a m m i n g ，g p ) 出现了1 8 ，9 1 。这整个领域称为进化计算，又称为 进化算法，进化规划、遗传算法、进化策略和遗传程序设计是它的四个分支。 进化技术的基本出发点是基于对生物进化过程的模拟，在求解问题时，不是 一种汽卞造型特衙设计的进化方法 直接作用在问题的解空间上，而是利用解的某种编码表示，它为求解复杂系统优 化问题提供了一种通用的框架。 9 0 年代以来，由于进化策略、进化规划、遗传算法和遗传程序设计在设计领 域取得了一些令人信服的结果，进化设计得到了快速而广泛的发展。一些研究者 认为，自然的进化和人类的设计过程具有直接的可比性。正如燧石手斧变成弓箭， 最原始的计算机变成了今天功能强大的超级计算机，我们的设计很显然得到了进 化。“竞争，这个被看作显著提高设计复杂性的因素，同样也被看作生物复杂 性得到发展的原因。设计比较研究也揭示出，设计内部“种类 的发展，清晰地 定义了“小生境 。事实上，g o l d b e r g 确实试图从形式上根据遗传算法的进化来 定义人类的设计。来自父母方案的基因材料进行再结合，产生了新的子代方案， 他将这样的过程与人类设计行为中结合两种想法形成新方案的程序进行了比较。 对于人类来说，最成功和值得注意的设计是由自然的进化创造的，进化计算 从中得到灵感。历史长河中，自然进化已经而且正在创造成功地进行设计，仅需 匆匆一瞥，我们就会被进化的力量深深折服。事实上，自然的进化产生了迄今最 复杂、最非凡的设计_ 人脑。令人惊讶的不仅是它的最终形式，同时还有它生 长的超级复杂性，在包含在单个分子中d n a 的引导下，它们从单个细胞成长起来。 这也许是最有力的例证，进化计算的进化技术是非常适合设计问题的。 进化设计根植于计算机科学、设计及进化生物学。作为进化计算的一个分支， 设计进化延伸其内涵与计算机辅助设计领域相结合，并从自然进化中得到许多有 益的启示。过去十多年来，进化计算以各种形式被运用于设计生成【1 0 。12 1 。工程师 使用进化优悦的形态，建筑师从头开始发展他们的新建筑方案，计算机科学家们 开发了人工生命的形化他们的产品部件，艺术家运用进化来生成令人愉态和控制 系统。总的来说，这些不同形式的进化计算可以划分为四种类别，进化设计优化、 创造性进化设计、进化艺术和进化人工生命形态。 对于创造性设计系统，至今还缺乏确切的定义。一般认为，此类系统可以对 设计师的创造过程提供支持或者能够产生通常需要借助有创造力的人员才能得到 的问题解决方案。必须强调的是，这类系统并不能代替人类，但是作为“探索器 ， 它们允许设计师考察更多数量和变化的设计方案，从而提高他们的工作效率及创 造力。进化设计领域中对创造性设计系统的研究近年来取得了许多成就。f r a z e 【l 副 和他的学生一起，经过多年的努力，开发了一个进化的设计系统，该系统充分展 示了采用进化技术可以生成令人惊讶而且富有灵感的建筑造型。澳大利亚悉尼大 学设计计算与认知研究中心的g e n o 1 4 】教授和他的同事一起，进行了用遗传算法生 成建筑平面图的研究，新颖的建筑平面图可以满足多个模糊的限制和目标管理。 他们还展示了进化如何通过对著名的建筑风格学习，生成新的建筑物。意大利米 兰工艺学院的s o d d u 教授利用计算机模拟技术生成艺术品，如台灯，雕刻等，他 2 硕一j ：学位论文 在意大利米兰成功地组织了五届生成艺术国际会议，对进化计算在建筑设计、工 业设计、艺术设计和音乐创作的理论研究及应用方面作了深入的探讨。浙江大学 潘云鹤校长及他的学生们在创新原理、创新过程的描述模型和计算模型方面做了 很多探索性的工作，通过综合和类比生成设计等智能c a d 技术，创造性地解决 了图案构图、色彩和描绘等知识表达及实现的问题【1 5 j 。 进化技术目前在产生潜在创新个体方面也己经有一些研究与应用：钱志勇等 综合了人机交互的遗传算法并在约束布局优化中得到了应用【l6 】：b a l a k r i s h n a n 等 从杂交、变异和新群体的产生机制三个角度描述了一种改进的遗传算法，并应用 于动态布局问题的求解【l7 1 ；韩国的h e e s uk i m 将交互式遗传算法应用于服装设计 中；山东师范大学刘希玉教授将进化技术应用于建筑概念设计【1 9 】，刘弘教授将 进化技术应用于概念创新设计中。b e n t l y 暑 l l w a k e f i e l d 2 0 】提出了一个用于设计光学 棱镜的自动创新设计系统。f u n e s 和p o l l a c k 2 1 】用人工进化来产生可实现特定目标 的一i 维或三维l e g o ( 垒高拼装玩具) 结构。这样得到的结构十分合适，而且远远好 于人工设计的结构。t o u r a 和n a g a s a k a t 2 2 】用独特的方法来表示基因型、“胚层b 列 和表现型，从而实现人造卫星的外形设计。他们采用了一种所谓的适应演变型外 形表示法：实际的外形是由繁殖规则与外界环境的交互决定的。j s u n 2 4 1 利用遗传 算法进行手机的造型生成，张文莉等【2 5 】运用进化策略进行船体造型曲线设计等。 尽管对创新设计的研究已经取得了很多令人瞩目的成果，但是由于设计( 特 别是有创意的设计) 对人的智能的强烈依赖性，如何将计算智能应用于设计过程 还是一个新的而且很有吸引力的研究课题。 1 2 计算机辅助概念设计研究现状 1 2 1 工业设计流程 随着社会消费观念的不断变化，产品的功能已不再是影响消费者购买决策的 最主要因素。产品的创新性、外观造型、宜人性、环保性等因素愈来愈受到重视， 工业设计在竞争中正占据愈来愈突出的地位。作为以工业产品为对象的造型设计， 工业设计处于产品开发的最初阶段，对产品的最终成功起着决定性的作用。 长期的发展过程中，工业设计逐渐形成了规范的方法与流程。传统的工作内 容和步骤可以概述如下： 1 ) 市场分析与产品定位设计师大量地进行市场调查，收集有关资料并进 行分析，其目的在于掌握市场趋势、了解竞争情况、形成新产品开发的 策略，以此作为产品设计的依据和方向。调查内容包括研究市场上现有 各品牌产品的特点、功能、价格、材料、性能；了解各类产品被市场接 受的状况；收集相关竞争企业的新产品开发资料，分析竞争对手的动向， 3 一种汽车造型特征设计的进化方法 抢占市场份额；深入了解目标消费者生活方式，探求其对产品的需求趋 势，以进行有针对性的产品开发。 2 ) 构思草图阶段参照前述第一阶段定义的设计依据进行新产品的功能、 造型等综合因素的构思工作。这一阶段属于设计思维的发散阶段，也是 最能发挥设计师创造能力的阶段。设计师要寻求各种各样的方案，并以 直观的方式将大脑中的想法快速地表现出来，绘出设计草图。该阶段的 主要任务是针对同一设计主题探讨尽可能多的解决方法，要求设计师能 够灵活、快速地把握住瞬间的创意，而不必花心思去处理太多的细节问 题。 3 ) 设计发展阶段这一阶段是设计思维的收敛阶段，从前一阶段得到的大 量设计草案中，设计师筛选、淘汰出少数几个乃至一个设计方案深入发 展，对产品的型态、比例、尺寸、细部等因素进行推敲，将该方案进一 步完善。最终将基本定型的方案通过较为正式的效果图表达出来，并按 比例绘制三视图。该阶段设计工作还应考虑产品的生产条件、技术要求、 产品尺度的限制、人机工学要素等，从而保证产品量产的可能性。 4 ) 模型制作阶段制作模型的目的在于更直观地表达设计方案。设计草图、 效果图、三视图等所表达的设计想法可以通过实物模型更全面地表现出 来，模型还可以作为功能、外形、 实体模型相对于平面效果图而言， 人机工学等因素的评估依据。三维的 能够更真实地反映出方案的形态、比 例、尺寸等因素，在设计过程中有着不可替代的作用，如车身造型设计 过程中的1 ：1 实物模型。 5 ) 评估决策阶段为了保证设计方案能够量产，并能够从未来的市场中获 益，在决定设计方案继续执行下去之前，必须进行由设计、管理、工程 技术、市场营销等相关部门的联合评估，以保证其结构的合理性、加工 的可能性并符合市场需求等等要求。这些部门对产品的各项因素进行综 合评估，并给出相应的反馈意见。慎重地对产品开发进行决策，可以避 免由于方案的不适当而带来的灾难性后果。 6 ) 工程制图阶段对于确定下来的设计方案，设计师以工程制图的方式完 整地表达出来，清楚地表明产品的尺寸、形状，以传达给工业设计的后 续工程。工程制图是设计师与工程师沟通的语言和合作的桥梁，是工业 设计工作的终点，同时也是工程师进行下一步工作的起点。工程师在此 基础上进行工程技术设计，包括结构、相关成型工艺、装配方式等等， 直至模具加工并大量生产。 近十几年来计算机工具的逐渐引入，给工业设计注入了新的活力。虽然在主 要工作流程上并没有什么变化，仍然要经过调查草图设计深入模型一 4 硕上学位论文 评估数据传输的过程。但是由于工具、手段的改进，与传统的设计过程相 比较，在同一设计阶段上会有不同的具体表现形式，设计过程中的许多细节已经 改变。 受目前的技术条件限制，计算机在构思草图阶段对设计过程所提供的帮助比 较有限【2 6 1 。由于设计思维过程是一个直觉的、非语言的形象思维过程，而传统计 算机却是以逻辑运算、算术运算为基础的，当前的计算机系统并不擅长进行创意 与概念的产生，也无法对美感进行评判选择，因此计算机还不可能在工业设计的 这个阶段完全取代人的作用。草图仍然是设计师在概念阶段最直观快捷的表达方 式之一，用以即时抓取设计想法。计算机所提供的三维建模功能，由于相对比较 复杂、不易操作，还不能对设计思维提供足够的帮助。 1 2 2 计算机辅助概念设计 计算机辅助概念设计( c o m p u t e r a i d e dc o n c e p t u a ld e s i g n ，简称c a c d ) 技术， 即在计算机及其相应的计算机辅助概念设计系统的支持下，进行产品概念设计领 域的各类创造性活动。与传统的产品概念设计相比，c a c d 在设计方式与设计观 念、设计的表达效果与表达方式、设计质量与效率等各方面都发生了质的变化， 提升了产品的创新性、定位的准确性、外观造型的美观性、使用的宜人性等，最 终促进产品核心竞争力的提升。c a c d 技术己成为先进制造与自动化技术领域的 研究热点之一，是c a d 领域的一个重要分支。 概念设计不仅与需求分析、详细设计紧密相连，其内部的各个环节也相互依 赖，互为驱动，因而概念设计是一个相当复杂的过程。一个好的设计方案既要有 合理的功能结构、美观的造型、简便的操作，同时还要富有创新性。c a c d 涉及 到了设计方法学、人机工程学、人工智能、c a d 以及认知与思维科学等多个领域 的方法与技术。因此，计算机辅助概念设计的研究，就需要去研究概念设计程序 与方法。 在现代各种方案评价和分析决策中，由于产品的复杂性，一个方案的评价需 要综合考虑多项指标，如布局的合理性、形状的美观性、使用的宜人性等等，因 此需要进行综合评价。目i j 尚找不到一种十全十美的评价方法，此外产品的评价 指标是多角度、多层次的，所以组合评价与决策方法是今后努力的方向。 1 2 3 研究现状 目前，国内外对计算机辅助概念设计领域的研究都比较重视，设立了相关的 研究计划，如m i t a il a b 的d e s i g nr a t i o n a l e 项目，m i tc a dl a b 的c a i d 、 d o m e 、c m uc o m p u t a t i o n a ld e s i g nr e s e a r c hg r o u p 开展的几何建模、并行设计、 智能推理的工作，c m u 在d e s i g np r o c e s sm a n a g e m e n t 方面开发的o d y s s e y 系统， p r i n c e t o n 大学开发的3 dm o d e ls e a r c he n g i n e ，加州大学伯克利分校专家系统实 5 一种汽车造型特征设计的进化方法 验室开展的“计算机辅助概念设计概念库的建立及其在机械中的应用 等。 在造型设计方面对于概念设计的研究也已经比较广泛。例如南京航天航空大 学的张文莉、左洪福提出的基于自适应交互进化的设计意图驱动造型，在交互进 化计算中引入自适应机制来捕捉并跟踪设计意图，旨在使造型进化过程能够主动 迎合设计意图，设计过程中的搜索能够沿着设计师希望的方向自动调整，他们所 应用的进化算法为进化策略，并在船体造型中应用了该方法：总参6 1 所的李德毅、 陈桂生提出的在定性知识指导下的基于云模型的进化设计策略，以一个基本的汽 车模型作为期望，在汽车设计领域知识的支持下，按照参数化设计模式，对汽车 外观特征属性依据云模型发生器的分布规律进行遗传和变异，产生新的外观模式， 从而实现稳定与求变相统一的进化策略；在汽车造型特征研究方面，台湾成功大 学的陈鸿源、张育铭对汽车轮廓形态意向与区分特征关系进行了研究；浙江大学 的黄琦、孙守迁提出了基于产品风格认知模型的计算机辅助概念设计技术，并开 发了相应的p s r 。c a c d 系统；在概念设计的人工评价方面，广东工业大学的黄向 东提出了基于神经网络的汽车车身美学评价系统，探讨将人工神经网络( a n n ) 技术应用于汽车车身造型美学评价的方法，阐述a n n 美学评价子系统的价值、 结构和功能，初步创建了该子系统，并集成于智能化计算机辅助车身造型系统之 中。 1 3 汽车造型特征进化方法的提出 1 3 1 造型特征相关理论 从认知心理学的角度，通过观看一件复杂的事物的几个突出标记或特征，就 可以识别此事物，还能唤起人对此复杂事物的回忆。特征不仅足以使人把事物识 别出来，而且能够传达一种生动的印象，使人觉得这就是那个真实的事物的完整 形象。 形态是物体的基本特征之一，它是除了物体的位置和方向等性质之外的外表 形象【2 7 1 。物体的识别过程简单说，都是经过对比输入刺激所形成的表征( 即形态) 以及内在储存的表征来完成的，并对形态特征进行分类、分群( 特征集) 。因此 特征是形态识别的基础，就形态或造型来说也因各自具有其特征才得以被人所区 分。 特征是形成产品的风格、品牌、类型识别的基本单位，风格是由某些具有共 同的特征属性的特征的一个集合，因而理论性地被命名为某种造型风格。产品的 品牌和类型的形成，同样是一个特征集合，只是品牌、类型主要用来区分和定义 不同的特征来源( 企业) 和功能特性( 如越野车和跑车) 。 特征总是与过去知觉的各种形态的记忆相联系。视觉感受的强度，关系到特 6 硕上学位论文 征形状的视觉冲击力和复杂性，使得某些特征较其他特征易于呈现，越有吸引力 的特征就越容易被识别，同样风格、品牌、类型也具有这个属性。可以发现造型 的特征不仅能区分出造型之间的差异，也可以区分产品造型的风格、品牌和类型。 汽车造型的特征可以通过认知心理学的识别理论来研究： 1 ) 特征分析法( f e a t u r e a n a l y s i st h e o r y ) ，是指造型由一些基本的属性与特 征所组成，在识别造型时，是先分析他们的特征，再考虑其特征的量值。 造型的风格、品牌和类型的识别过程中，通常人们将一些日常所接触、 体验和学习造型的这些特征类加以储存、记忆，作为识别的基础。 2 ) 结构模式( c o n f i g u r a t i o nm o d e l ) ，g a r n e r 于19 7 8 提出结构模式，结构模式 源于完形心理学，它用基本组成元素( 特征) 及其相互的结构关系对造 型进行描述和识别，特征的变化会衍生出许多新生特征( e m e r g e n t p r o p e r t i e s ) 和关系。 3 ) 由上而下的形态识别理论( t o p d o w np r o c e s s i n g ) ，是一种概念导向的处 理，指大脑在进行识别时，主动的先依据脑中所储存的基础特征知识来 诠释造型，这个理论接近完形心理学从整体到部分的知觉过程，被称为 脉络( c o n t e x t ) 效应l 2 8 j 。 综上所述，人对造型特征的认知，是经过感知、识别、记忆等过程并加工而 成的。人们通过这种认知，来感知汽车的造型、特征并识别、区分，进而整理归 类和记忆，这是一个不断的循环并且积累的过程。而在此过程中，从接收信息、 辨别差异、以至风格的识别等，特征都扮演着重要的角色。“特征 作为产品中 具有特定含义的设计信息单元，已在基于特征的过程规划【2 9 1 、基于特征的装配、 基于特征的建模和基于特征的设计【3o 】等领域得到广泛的研究与应用。 1 3 2 造型特征研究 基于特征的研究在许多领域被运用，如工程制造，计算机图形图像学，图像 识别技术，3 d 立体服装设计，三维动画等。 特征技术是c a d c a m 技术发展中的一个新里程碑，它是在c a d c a m 技术的发 展和应用达到一定水平，要求进一步提高生产组织的集成化、自动化程度的历史 下发展起来的。由于特征具有的对象特性，方便了软件系统对模型的管理和对设 计意图的捕捉，它的提出实现了多个系统之间的信息集成。 在工程领域中，“特征 作为产品中具有特定含义的设计信息单元，已在基 于特征的过程规划、基于特征的装配、基于特征的建模和基于特征的设计等领域 得到广泛的研究与应用。然而，这种以几何信息为中心的特征并不适于表示产品 的抽象特征，基于它的特征设计也未将风格、形态、品牌等造型因素贯穿于整个 设计流程。 7 一种汽乍造型特征设计的进化方法 工业设计主要关注产品的形态以及相关的人的审美、情感、体验等方面的问 题。所谓形态，它包含两层意思。“形 是指一个物体的外形或形状，如圆形、 方形或三角形。“态”则是指蕴含在形体内的“神态 或“精神势态 。工业设 计所关注的产品形态包括形状和“神态”两个方面，这个概念的意义在于把内部 与外部统一起来。传统的特征技术局限于表达产品具体的物理特征，只记录了有 关“形的信息，不能记录和讨论“态 的各种信息，为了解决这个问题，必须 提出造型特征( 图1 1 ) 的概念，它不仅仅包括目前常见的对产品设计有重大影 响的产品形状特征、技术特征、材料特征等物理特征，它还包括了风格，品牌等 对产品神态有着重要影响的情境特征。 图1 1 造型特征内涵 1 3 3 特征进化方法的提出 汽车造型设计是一种典型产品设计活动【3 1 1 。汽车作为一类典型的工业产品， 是衡量社会文明和经济发展水平的重要标志。从传统的技术驱动的汽车设计到品 牌战略驱动的现代汽车设计，汽车业的“生态”发生了巨大的变化，汽车的竞争 最直接的表现是品牌竞争，而“品牌造型基因 作为一种延续品牌“生命力”的设 计要素成为汽车的核心竞争力。各大汽车集团一方面通过提炼汽车造型特征来延 续“品牌基因”的性状，造型特征成为品牌遗传信息的载体；另一方面又不断推出 概念车，测试和引领未来的汽车设计方向，通过创新设计获得新的造型特征和造 型风格，以实现品牌造型基因的“变异”。但是由于汽车造型设计具有很强的专业 性和技术综合性，属于典型的进程多发、需求交叉、多目标综合、知识密集的现 代设计，汽车造型本身又具有造型信息、结构信息和形面信息等多重信息结构， 如何提取品牌造型基因，保证汽车造型设计中品牌的延续性和创新性成为了汽车 造型设计研究的热点。 汽车造型特征进化设计方法是进化设计的一种，该方法建立在对汽车造型特 征认识的基础上。通过对汽车造型特征进行表征和提取，获得汽车造型特征的造 型基因，然后在造型基因的基础上，应用进化设计方法来进行汽车造型。 特征进化方法是在汽车造型设计的概念设计阶段对汽车造型提供帮助，进化 的结果是二维草图，大量的二维草图的产生可以为造型师提供创作的灵感和素材。 8 硕士学位论文 在造型特征研究的基础上，提出的特征进化设计方法一方面要找到合适的进化算 法，另一方面需要对特征进行人工评价，本文针对汽车造型的特点，对汽车造型 特征进化选择了微型遗传算法和人工进行评价的方式。 1 4 本文的研究背景与目标 本研究课题来源于由清华大学主持的，国家重点基础研究计划，9 7 3 计划项目 现代设计大型应用软件的共性基础( 项目编号：2 0 0 4 c b 7 1 9 4 0 0 ) ，其中湖南大 学负责子课题工业( 造型) 设计专门知识辅助设计系统( 课题编号： 2 0 0 4 c b 7 1 9 4 0 1 ) 。 工业( 造型) 设计专门知识辅助设计系统项目的主要研究内容和目标如 下： 设计专门知识获取与表达的理论与方法； 复杂设计情境下知识模型与设计对象的“映射 与转化； 产品概念创新的认知过程与思维模式； 面向汽车产品的工业设计及其与工程设计的整合设计理论与方法。 课题从2 0 0 6 年2 月开始，采用认知心理学和设计研究的理论和方法，联合清 华大学计算机学院，北京6 l 所，对汽车产品造型设计的相关问题进行深入研究。 到2 0 0 7 年初课题组已完成了10 0 个汽车造型设计案例( 造型特征集) 的获取、2 0 个汽车造型计情境的构建、相关汽车造型意象映射算法，并在此基础上建立了基 于案例情境的汽车造型计算机辅助设计系统。 本文的主要研究目标是：在汽车整车造型研究，汽车造型特征研究和汽车产 品造型基因研究的基础上，对提取的汽车产品造型基因运用进化算法进行进化设 计，对汽车造型基因进化采用了单目标和多目标两种方式进行优化。 1 5 论文的组织 整篇论文规划为4 个章节。 第一章，绪论。包括论文研究的相关背景，研究课题的来源，研究目标和论 文组织。 第二章，汽车造型特征和特征进化。首先对汽车造型特征和汽车造型特征线 进行研究，提出汽车造型特征线是汽车造型特征的最佳表达方式，并对汽车造型 特征线进行基因表达，由线映射到点，用特征点控制特征线，以特征点作为进化 算法的初始种群进行进化，进化结果再由点还原为线，产生新的特征线，进而构 造新的造型；然后对提取的某轿车五代车型的侧视顶型线进行了基因表达，得到 了进化算法的初始种群。最后应用进化算法对该车型的造型基因进行了进化操作， 9 一种汽下造型特征设计的进化方法 得到了满意的进化结果。 第三章，对上一章节某轿车五代车型的造型基因进化设计进行了优化，优化 分为单目标和多目标两种方式，优化应用算法为微型遗传算法。单目标做了两个 实例，一个是以影响汽车造型的美学因素作为优化目标，另一个是以影响汽车造 型特征的空气动力学因素为目标；多目标优化是同时考虑了美学和空气动力学因 素。 结论，总结了本文的研究方法，研究框架和研究目标以及研究意义，并探讨 了算法的应用前景和存在的不足之处。 1 0 第2 章汽车造型特征与特征进化 2 1 汽车造型特征 2 1 1 汽车造型特征 汽车造型是对汽车结构与功能布局的整体包络，造型实体具有型面复杂、信 息量大的特点。由于空气动力学等因素的约束，汽车造型多为连续光顺型面，太 的型面日j 均有平滑过渡。汽车造型实体由若干薄板冲压成型的主体造型外覆盖件 和附加部件构成。其中，汽车外覆盖型面的复杂程度，由空气动力性能和成型工 艺、金属材料的特性决定【”】。因此汽车造型特征的集中体现是复杂的、连续的 整体型面和局部的附加型面。 从视觉符号性和人的认知过程角度汽车整体型面可抽象为“三围一顶”为 代表的主要型面，即车前围、车侧围、车后围和车顶盖( 囝2 1 ) ，和主要型面之 间的过渡型面( 图2 2 ) 。与之对映，汽车造型几何特征在整体型面的体现可以分 为主特征和过渡特征。主特征( 如引擎盖、车顶盖等) 构成了汽车造型的关键约 束信息，是车身结构和模具制造的主要控制特征，在认知过程中对整体造型意象 的形成具有重要作用。过渡特征( 如a c 柱，侧翼子板等) 体现主特征要素之间 的空间连接关系，对整体意象的形成具有辅助作用。 汽车造型局部的附加型面是指在整体造型上功能独立的关键部件( 如进气隔 栅，车灯等) ，是通过裁减和添加手法形成的局部造型区域，体现为附加特征。附 加特征是整体造型之外的重要附加信息。对局部造型意象的深入具有影响a 由此， 汽车造型特征定义为由主特征集、过渡特征集和附加特征集构成的几何造型特征 空间，如圈23 所示i ”j 。 图2 1 汽车主要型面 ：些! ：三兰兰丝! 些! 塑兰! ! 兰兰 图2 2 汽车过渡型面 图2 3 汽车造型特征分类 2 1 2 汽车造型特征表达 汽车造型的曲线、曲面具有自由曲面的复杂、多样的特点，精确描述汽车造 型形态和造型特征，是研究的基础。汽车造型本身是复杂的三维立体造型，而在 设计师的画笔之下，世型特征是通过造型特征线来表达。j 下足造型特征线对造型 特征的富有含蓄性、表现性、象征性与抽象性的表达，设计师的创意能够通过造 型特征线进行表达并可以被他人感受到使得汽车设引师的概念设计阶段可以存 而且绝大部分是在2 d 的情况下完成。在设汁创作中，由于灵感的转噼即逝，设计 师通常希望可以用最陕和最直接的方式把想法表达出来，草图则是最快最好的表 达方法，因此设计师的创意、经验都包含在草图的线条中。 在造型设计中，任何形态都是由点、线、面这些基本元素构成的。点，在几 何学上被界定为没有蚝、宽、厚度而只有位置的几何图形；线，可以看作是一个 点任意移动所构成的图形；面是线的集合。如图2 4 所示【3 ”，点、线、面之f u 在 几何空间上构成包含关系，即特征点存在于特征线中，特征线存在于特征面中。 从某种意义上特征线可以认为是连续的点构成的，其中具有独立信息意义的关 键点即为特征点。因此，特征点是对特征线的信息简约，特征线是对特征面的信 息倚约。其中，特征线作为特征面与特征点的中间层，具有重要的过渡作用。 y 1y 2y n x 1x 2x n 图2 4 汽车造型几何特征的信息层次结构 分析汽车造型设计过程，不论是在草图阶段还是c a d 阶段，线特征都是作 为实体而存在并被运用的。在对汽车造型的定量描述( 如长度、宽度、圊角、曲 率等) 过程中，也是以线为基准来测量的。线在汽车造型设计中有着重要的作用， 特征传递是造型设计的基础。汽车草图中造型特征线的表达主要涉及3 种特征线 型：顶端线( c r o w nl i n e ) 、造型线( f o r ml i n e ) 、区域线( a r e a l l n e ) ( 图25 ) 。顶 端线，如汽车侧视顶型线，是表达和控制整车造型信息量最大的特征线，也往往 代表了“设计硬点”的项目约束信息，是草图中表达造型结构作