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有關(guān)支持進(jìn)化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)問題的復(fù)雜性.設(shè)計(jì)問題的復(fù)雜性使得設(shè)計(jì)任務(wù)難以被單個(gè)設(shè)計(jì)人員完成，往往需要設(shè)計(jì)組的群體合作.設(shè)計(jì)領(lǐng)域的分布性.分布是設(shè)計(jì)的一種自然特征，包括設(shè)計(jì)資源的分布及設(shè)計(jì)人員的分布，需要有一個(gè)協(xié)作的支撐環(huán)境.設(shè)計(jì)時(shí)間的限制.產(chǎn)品市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)要求多個(gè)設(shè)計(jì)者及設(shè)計(jì)Agent共同協(xié)作，以高效地解決設(shè)計(jì)領(lǐng)域的問題.設(shè)計(jì)資源的復(fù)用.智能Agent技術(shù)有利于重用已有的設(shè)計(jì)，避免了每個(gè)設(shè)計(jì)都從頭開始.由于上述原因，多Agent設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究已經(jīng)引起了計(jì)算機(jī)界、設(shè)計(jì)界及其它相關(guān)領(lǐng)域研究人員的極大興趣.盡管目前對(duì)Agent尚無統(tǒng)一的定義，但研究者普遍認(rèn)為軟件Agent是具有如下功能的軟件：
對(duì)特定環(huán)境的感知和反應(yīng);與其它Agent進(jìn)行通信、協(xié)作;完成某種特定的任務(wù);維護(hù)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(dòng)運(yùn)行的，人類設(shè)計(jì)者是系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分.設(shè)計(jì)Agent是設(shè)計(jì)人員的助手，在設(shè)計(jì)過程中，只能協(xié)助人類設(shè)計(jì)者進(jìn)行工作，最終的設(shè)計(jì)決策取決于人類設(shè)計(jì)者.多Agent協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境結(jié)構(gòu)多Agem協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境采用開放式結(jié)構(gòu).該環(huán)境提供了一個(gè)框架，用于將軟件Agent、設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)人員組成一個(gè)整體，其框架結(jié)構(gòu)如圖1所示.同設(shè)計(jì)組的Agem 和設(shè)計(jì)人員通過局域網(wǎng)、不同組的之間通過Imemet進(jìn)行通信，交換設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和知識(shí)在該環(huán)境中，復(fù)雜的設(shè)計(jì)由多個(gè)Agent協(xié)作完成，每個(gè)Agent有自己獨(dú)立的知識(shí)和設(shè)計(jì)決策方案，它能理解設(shè)計(jì)狀態(tài)表示，并能協(xié)助人類設(shè)計(jì)專家完成設(shè)計(jì).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(dòng).管理Agent在一組工具Agent(如共享知識(shí)庫維護(hù)Agent，公用數(shù)據(jù)庫維護(hù)Agent、過程監(jiān)控Agent、通信Agent、任務(wù)分解Agent等)的協(xié)助下，組織并協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)Agent完成設(shè)計(jì)任務(wù)[5].管理Agent的知識(shí)庫中存放著各Agent的名字、地址、功能及在以往設(shè)計(jì)中的績(jī)效等歷史紀(jì)錄，這些信息有助于管理Agent在新的設(shè)計(jì)過程中選擇合適的Agent.除了知識(shí)庫，管理Agent的存儲(chǔ)緩沖器中還存放著各設(shè)計(jì)子任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)和各個(gè)的工作狀態(tài).當(dāng)有新設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，任務(wù)分解Agent(Task De—，TDA)將整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)分解為子任務(wù)集合，并用產(chǎn)品設(shè)計(jì)樹表示分解結(jié)果.的知識(shí)庫中有很多產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)工程師，由設(shè)計(jì)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(gè)動(dòng)態(tài)的分配過程，設(shè)計(jì)任務(wù)分配給相應(yīng)的設(shè)計(jì)Agent，各Agent根據(jù)自己的任務(wù)協(xié)助設(shè)計(jì)人員工作，并當(dāng)設(shè)計(jì)子任務(wù)完成后，將設(shè)計(jì)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(jì)組工程師作最后的決策.在部件組合過程中，裝配Agent進(jìn)行組裝限制檢查，并針對(duì)不符合限制條件的部件，向設(shè)計(jì)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(gè)設(shè)計(jì)過程，動(dòng)態(tài)記錄各設(shè)計(jì)Agent的狀態(tài)及設(shè)計(jì)子任務(wù)的完成情況.設(shè)計(jì)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(duì)各設(shè)計(jì)Agent的狀態(tài)及設(shè)計(jì)子任務(wù)的完成情況動(dòng)態(tài)更新，以保證管理A—對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過程的控制及協(xié)調(diào).設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)環(huán)境中的Agent多數(shù)是設(shè)計(jì)Agent.設(shè)計(jì)的功能是領(lǐng)域相關(guān)的，其行為是目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的.設(shè)計(jì)Agent的作用是協(xié)助或啟發(fā)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性思考，有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)是由設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)的.設(shè)計(jì)具有如下功能：
通過與設(shè)計(jì)人員交互、觀察，將設(shè)計(jì)人員的興趣、習(xí)慣保存在其知識(shí)庫中(如本文遺傳算法中用到的適應(yīng)度值);執(zhí)行特定的算法(如本文介紹的遺傳算法以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的目標(biāo)，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(jì)人員的想象力;維護(hù)自身及與設(shè)計(jì)環(huán)境相關(guān)的知識(shí).設(shè)計(jì)Agent的結(jié)構(gòu)及其學(xué)習(xí)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)見文獻(xiàn)[7].進(jìn)化設(shè)計(jì)進(jìn)化設(shè)計(jì)是在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中采用進(jìn)化計(jì)算技術(shù)的一種方法.進(jìn)化計(jì)算的研究起源于50年代，當(dāng)時(shí)幾個(gè)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的科學(xué)家研究進(jìn)化系統(tǒng)，其思想是將自然界的進(jìn)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(jìn)化策略、進(jìn)化規(guī)劃和遺傳算法三者一起構(gòu)成了進(jìn)化計(jì)算的主要框架.從90年代以來，由于進(jìn)化策略、進(jìn)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(jìn)化計(jì)算技術(shù)得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)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(jìn)化計(jì)算.盡管進(jìn)化計(jì)算已經(jīng)取得了很多令人矚目的成果，但是由于設(shè)計(jì)(特別是有創(chuàng)意的設(shè)計(jì))對(duì)人的智能的強(qiáng)烈依賴性，因此如何將計(jì)算智能應(yīng)用于該過程還是一個(gè)新的且很有吸引力的研究課題.對(duì)遺傳算法的改進(jìn)基于自然選擇和進(jìn)化原理的遺傳算法能夠自然地模擬進(jìn)化過程，這一點(diǎn)是其它方法所不能媲美的.但是，將遺傳算法應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域，必須考慮到設(shè)計(jì)的特點(diǎn).我們從以下幾個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)的遺傳算法進(jìn)行了改進(jìn)：
遺傳算法中常用的固定長(zhǎng)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(shí)體.該方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：容易描述具有分層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)象;容易修改.根據(jù)創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)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(yīng)度函數(shù)受許多因素影響，因此采用讓設(shè)計(jì)人員給出適應(yīng)度值的方法.這些值將作為知識(shí)保存在設(shè)計(jì)Agent的知識(shí)庫中，在出現(xiàn)類似情形時(shí)重用.遺傳算法用于兩個(gè)設(shè)計(jì)階段：部件設(shè)計(jì)階段和部件組裝階段.第一個(gè)階段用數(shù)學(xué)軟件MAT—產(chǎn)生數(shù)學(xué)表達(dá)式本身及其軸對(duì)稱的曲線，形成一些輪廓形狀，用以拓寬設(shè)計(jì)人員的想象空間;第二個(gè)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(jìn)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(jìn)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(xué)表達(dá)式的長(zhǎng)度是任意的，不同產(chǎn)品對(duì)象的部件及特征數(shù)是不一樣的.因此，用固定長(zhǎng)度的二進(jìn)制字符串表示它們是很不方便的.另外，用二進(jìn)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(xué)表達(dá)式及其它彈性問題的樹結(jié)構(gòu)表示方法.
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