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有關(guān)支持進化的計算機輔助設(shè)計
設(shè)計問題的復雜性.設(shè)計問題的復雜性使得設(shè)計任務難以被單個設(shè)計人員完成，往往需要設(shè)計組的群體合作.設(shè)計領(lǐng)域的分布性.分布是設(shè)計的一種自然特征，包括設(shè)計資源的分布及設(shè)計人員的分布，需要有一個協(xié)作的支撐環(huán)境.設(shè)計時間的限制.產(chǎn)品市場的競爭要求多個設(shè)計者及設(shè)計Agent共同協(xié)作，以高效地解決設(shè)計領(lǐng)域的問題.設(shè)計資源的復用.智能Agent技術(shù)有利于重用已有的設(shè)計，避免了每個設(shè)計都從頭開始.由于上述原因，多Agent設(shè)計系統(tǒng)的研究已經(jīng)引起了計算機界、設(shè)計界及其它相關(guān)領(lǐng)域研究人員的極大興趣.盡管目前對Agent尚無統(tǒng)一的定義，但研究者普遍認為軟件Agent是具有如下功能的軟件：
對特定環(huán)境的感知和反應;與其它Agent進行通信、協(xié)作;完成某種特定的任務;維護自己和外部環(huán)境的狀態(tài)[4].本文中的Agent與上述描述是一致的.多A—系統(tǒng)不是全自動運行的，人類設(shè)計者是系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分.設(shè)計Agent是設(shè)計人員的助手，在設(shè)計過程中，只能協(xié)助人類設(shè)計者進行工作，最終的設(shè)計決策取決于人類設(shè)計者.多Agent協(xié)同設(shè)計環(huán)境結(jié)構(gòu)多Agem協(xié)同設(shè)計環(huán)境采用開放式結(jié)構(gòu).該環(huán)境提供了一個框架，用于將軟件Agent、設(shè)計工具和設(shè)計人員組成一個整體，其框架結(jié)構(gòu)如圖1所示.同設(shè)計組的Agem 和設(shè)計人員通過局域網(wǎng)、不同組的之間通過Imemet進行通信，交換設(shè)計數(shù)據(jù)和知識在該環(huán)境中，復雜的設(shè)計由多個Agent協(xié)作完成，每個Agent有自己獨立的知識和設(shè)計決策方案，它能理解設(shè)計狀態(tài)表示，并能協(xié)助人類設(shè)計專家完成設(shè)計.Agent的策略依賴于確定的算法，如遺傳算法、分類算法等.Agent的行為被系統(tǒng)事件或其它所驅(qū)動.管理Agent在一組工具Agent(如共享知識庫維護Agent，公用數(shù)據(jù)庫維護Agent、過程監(jiān)控Agent、通信Agent、任務分解Agent等)的協(xié)助下，組織并協(xié)調(diào)設(shè)計Agent完成設(shè)計任務[5].管理Agent的知識庫中存放著各Agent的名字、地址、功能及在以往設(shè)計中的績效等歷史紀錄，這些信息有助于管理Agent在新的設(shè)計過程中選擇合適的Agent.除了知識庫，管理Agent的存儲緩沖器中還存放著各設(shè)計子任務的執(zhí)行狀態(tài)和各個的工作狀態(tài).當有新設(shè)計任務時，任務分解Agent(Task De—，TDA)將整個設(shè)計任務分解為子任務集合，并用產(chǎn)品設(shè)計樹表示分解結(jié)果.的知識庫中有很多產(chǎn)品設(shè)計樹模板，TDA根據(jù)產(chǎn)品種類選擇合適的模板并推薦給設(shè)計工程師，由設(shè)計工程師作出初步?jīng)Q策并把結(jié)果發(fā)到公告板上.經(jīng)過一個動態(tài)的分配過程，設(shè)計任務分配給相應的設(shè)計Agent，各Agent根據(jù)自己的任務協(xié)助設(shè)計人員工作，并當設(shè)計子任務完成后，將設(shè)計結(jié)果提交給裝配Agent.裝配Agent產(chǎn)生各部件的組合布局，然后由設(shè)計組工程師作最后的決策.在部件組合過程中，裝配Agent進行組裝限制檢查，并針對不符合限制條件的部件，向設(shè)計Agent發(fā)送要求修改的信息.如圖2所示，過程監(jiān)控Agent通過事件監(jiān)控器監(jiān)視整個設(shè)計過程，動態(tài)記錄各設(shè)計Agent的狀態(tài)及設(shè)計子任務的完成情況.設(shè)計過程中的事件(如提交、修改等)觸發(fā)事件監(jiān)控器，事件監(jiān)控器將觀察到的信息傳到監(jiān)視修正器，對各設(shè)計Agent的狀態(tài)及設(shè)計子任務的完成情況動態(tài)更新，以保證管理A—對整個設(shè)計過程的控制及協(xié)調(diào).設(shè)計設(shè)計環(huán)境中的Agent多數(shù)是設(shè)計Agent.設(shè)計的功能是領(lǐng)域相關(guān)的，其行為是目標驅(qū)動的.設(shè)計Agent的作用是協(xié)助或啟發(fā)設(shè)計人員的創(chuàng)造性思考，有創(chuàng)意的設(shè)計是由設(shè)計人員實現(xiàn)的.設(shè)計具有如下功能：
通過與設(shè)計人員交互、觀察，將設(shè)計人員的興趣、習慣保存在其知識庫中(如本文遺傳算法中用到的適應度值);執(zhí)行特定的算法(如本文介紹的遺傳算法以實現(xiàn)相應的目標，在算法執(zhí)行過程中檢查約束條件，生成并顯示草圖，用以拓展設(shè)計人員的想象力;維護自身及與設(shè)計環(huán)境相關(guān)的知識.設(shè)計Agent的結(jié)構(gòu)及其學習機制的實現(xiàn)見文獻[7].進化設(shè)計進化設(shè)計是在設(shè)計領(lǐng)域中采用進化計算技術(shù)的一種方法.進化計算的研究起源于50年代，當時幾個計算機領(lǐng)域的科學家研究進化系統(tǒng)，其思想是將自然界的進化過程引入工程研究領(lǐng)域以解決工程中的優(yōu)化問題.在60年代，進化策略、進化規(guī)劃和遺傳算法三者一起構(gòu)成了進化計算的主要框架.從90年代以來，由于進化策略、進化規(guī)劃和遺傳算法取得了一些令人信服的結(jié)果，因此進化計算技術(shù)得到了快速的發(fā)展和廣泛的應用.在發(fā)展過程中，三者的差異越來越小.本文主要討論基于遺傳算法的進化計算.盡管進化計算已經(jīng)取得了很多令人矚目的成果，但是由于設(shè)計(特別是有創(chuàng)意的設(shè)計)對人的智能的強烈依賴性，因此如何將計算智能應用于該過程還是一個新的且很有吸引力的研究課題.對遺傳算法的改進基于自然選擇和進化原理的遺傳算法能夠自然地模擬進化過程，這一點是其它方法所不能媲美的.但是，將遺傳算法應用于設(shè)計領(lǐng)域，必須考慮到設(shè)計的特點.我們從以下幾個方面對傳統(tǒng)的遺傳算法進行了改進：
遺傳算法中常用的固定長度編碼方式不夠靈活，因此采用樹結(jié)構(gòu)編碼方法直接表示實體.該方法有兩個優(yōu)點：容易描述具有分層結(jié)構(gòu)的設(shè)計對象;容易修改.根據(jù)創(chuàng)造性設(shè)計的特點和編碼方法的不同，定義了樹結(jié)構(gòu)表示遺傳算法的交叉、變異操作.遺傳算法的適應度函數(shù)受許多因素影響，因此采用讓設(shè)計人員給出適應度值的方法.這些值將作為知識保存在設(shè)計Agent的知識庫中，在出現(xiàn)類似情形時重用.遺傳算法用于兩個設(shè)計階段：部件設(shè)計階段和部件組裝階段.第一個階段用數(shù)學軟件MAT—產(chǎn)生數(shù)學表達式本身及其軸對稱的曲線，形成一些輪廓形狀，用以拓寬設(shè)計人員的想象空間;第二個階段將遺傳操作作用于產(chǎn)品樹，產(chǎn)品樹的基本元素是部件，裝配Agent進行裝配限制檢查，遺傳算法產(chǎn)生部件及其特征的新組合..2 樹結(jié)構(gòu)遺傳算法傳統(tǒng)的遺傳算法采用二進制字符串表示，該表示方法已經(jīng)成功地解決了很多問題.但是，這種表示方法不夠靈活.例如，數(shù)學表達式的長度是任意的，不同產(chǎn)品對象的部件及特征數(shù)是不一樣的.因此，用固定長度的二進制字符串表示它們是很不方便的.另外，用二進制字符串表示的問題受到領(lǐng)域的限制，只能用于特定的問題而不是通用的情形.本文采用一種可以用來表示數(shù)學表達式及其它彈性問題的樹結(jié)構(gòu)表示方法.
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