[发明专利]一种基于键合图和遗传编程的工程设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及工程设计技术领域，更具体地说，涉及一种基于键合图工具和遗传编程算法对混合领域系统或各种不同领域系统进行自动化进化设计的工程设计方法。

背景技术

在传统的工程设计中，存在着大量约定俗成的模式，设计人员根据经验形成产品的初步设计方案，然后据此建立物理样机，并对物理样机进行分析或试验，以便获得产品的性能数据。如果这些数据不能达到要求，则返回并重新修改设计方案，再试制产品，然后再分析或试验，反复该过程，直至得到满足性能要求的产品。当然，一旦设计的产品比较复杂，则整个设计周期会比较长。占有的资源会较多，且难以保证设计质量。

随着计算机技术的普及和应用的不断扩展，社会各领域的科技水平得到了大幅度的提升。在机械工程设计方面，出现了一系列新技术，大大提高了设计制造过程的效率，减低了生产成本，对推动机械行业的发展发挥了越来越重要的作用。而同时随着市场需求的新变化，使得传统机械设计制造与生产过程在很多方面也越来越无法满足现代生产的需要，现代的CAD与CAM、CAPP、PDM等技术结合起来，已经大大改变了过去落后的设计制造和生产管理模式。计算机技术的发展，使得设计师越来越关注自动化设计，很多科技工作者也致力于利用进化方法来改进一些系统的性能，以设计出更高效、且应用方法更广的设计方法。

自20世纪60年代末、70年代初以来出现了许多基于进化算法的计算设计，如基于遗传编程的自动设计方法，基于遗传算法的设计等。遗传编程（Genetic Programming，GP）是利用遗传算法的进化原理来自动进化出计算机程序的一种开放式搜索算法。在1989年美国斯坦福大学Koza教授基于遗传算法提出了遗传编程的概念并对其进行了深入研究。自20世纪90年以来，他利用1000台350MHz PC机自动进化出30多项模拟电子电路专利。1999年美国国家航空航天研究中心的研究员Colombano提出了一种基于遗传算法的电路自动化设计，其不足之处就是仅仅允许对一定数目的元件进行进化。2000年英国瑞丁大学教授Grimbleby提出了一种基于遗传算法的方法来实现电路的拓扑结构优化的设计。2004年国际遗传与进化计算国际会议颁发了首届全球挑战人类设计锦标赛，获奖成果包括利用遗传编程实现的量子电路设计、美国航天宇航局（NSNA）进化出的性能优异外形奇特的卫星天线、康奈尔大学Lipson进化出能够实现直线运动的连杆结构、美国喷气推进实验室进化出了特殊的电子电路。

然而，现代产品设计往往是一个多领域、多学科设计的过程。一个多领域的工程系统（如机电系统）设计，不同于单一领域的系统（如电路、机械、液压系统）设计，它需要整合不同领域的特征来预测系统的行为。虽然进化设计方法在设计周期、设计方案性能上比传统的设计方法更加具有优势，但是，这些基于进化算法的自动设计也存在不足：主要用于单一领域系统的设计，如模拟电路设计；且在设计过程中，为满足设计的要求，它们需要占用大量的计算资源和耗费大量的计算时间。

综上所述，目前传统工程设计和已有的进化算法设计依然存在许多不足：在传统工程设计中存在设计周期长，通用性差、人力成本高、设计效率低以及产品性能低等问题；

在现有进化算法设计中存在设计领域单一化、进化时间长、占用计算资源量大、目标搜索能力不足，搜索目标值常常陷于局部最优值等缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对传统设计方法和现有进化算法设计中存在的以上不足，提供一种基于键合图和遗传编程的工程设计方法，结合了键合图工具和遗传编程算法的优点，能对各种不同领域系统或混合领域动态系统进行自动化工程设计，达到解放人力、提高效率、规范化设计的效果。

为了实现上述的目的，采用如下的技术方案：一种基于键合图和遗传编程的工程设计方法，结合键合图工具和遗传编程进化算法的优点来对不同领域系统或混合领域系统，以自动化方式进行设计的方法，是对键合图解析和遗传算子的操作进行循环直至满足终止条件，进而对设计进行物理实现的过程。不同领域或混合领域包括机械、电气、液压、气动、热力学领域或由这些领域组成的混合领域。本方法包括以下步骤：

a.指定胚胎物理结构示意图；

b.用户输入：根据胚胎物理结构示意图指定胚胎的键合图模型，输入遗传编程运行参数和定义适应度函数Fitness(X)或目标函数f(X)，所述胚胎键合图模型指定一个或多个允许执行插入或者增加或者替换操作的可生长点；

c.创建遗传编程树的初始种群：根据用户指定的胚胎键合图模型和输入的遗传编程运行参数，随机创建初始的遗传编程树种群；