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有關(guān)支持進(jìn)化的計算機輔助設計
設計問(wèn)題的復雜性.設計問(wèn)題的復雜性使得設計任務(wù)難以被單個(gè)設計人員完成，往往需要設計組的群體合作.設計領(lǐng)域的分布性.分布是設計的一種自然特征，包括設計資源的分布及設計人員的分布，需要有一個(gè)協(xié)作的支撐環(huán)境.設計時(shí)間的限制.產(chǎn)品市場(chǎng)的競爭要求多個(gè)設計者及設計Agent共同協(xié)作，以高效地解決設計領(lǐng)域的問(wèn)題.設計資源的復用.智能Agent技術(shù)有利于重用已有的設計，避免了每個(gè)設計都從頭開(kāi)始.由于上述原因，多Agent設計系統的研究已經(jīng)引起了計算機界、設計界及其它相關(guān)領(lǐng)域研究人員的極大興趣.盡管目前對Agent尚無(wú)統一的定義，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(jìn)行通信、協(xié)作;完成某種特定的任務(wù);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—系統不是全自動(dòng)運行的，人類(lèi)設計者是系統中至關(guān)重要的組成部分.設計Agent是設計人員的助手，在設計過(guò)程中，只能協(xié)助人類(lèi)設計者進(jìn)行工作，最終的設計決策取決于人類(lèi)設計者.多Agent協(xié)同設計環(huán)境結構多Agem協(xié)同設計環(huán)境采用開(kāi)放式結構.該環(huán)境提供了一個(gè)框架，用于將軟件Agent、設計工具和設計人員組成一個(gè)整體，其框架結構如圖1所示.同設計組的Agem 和設計人員通過(guò)局域網(wǎng)、不同組的之間通過(guò)Imemet進(jìn)行通信，交換設計數據和知識在該環(huán)境中，復雜的設計由多個(gè)Agent協(xié)作完成，每個(gè)Agent有自己獨立的知識和設計決策方案，它能理解設計狀態(tài)表示，并能協(xié)助人類(lèi)設計專(zhuān)家完成設計.Agent的策略依賴(lài)于確定的算法，如遺傳算法、分類(lèi)算法等.Agent的行為被系統事件或其它所驅動(dòng).管理Agent在一組工具Agent(如共享知識庫維護Agent，公用數據庫維護Agent、過(guò)程監控Agent、通信Agent、任務(wù)分解Agent等)的協(xié)助下，組織并協(xié)調設計Agent完成設計任務(wù)[5].管理Agent的知識庫中存放著(zhù)各Agent的名字、地址、功能及在以往設計中的績(jì)效等歷史紀錄，這些信息有助于管理Agent在新的設計過(guò)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(zhù)各設計子任務(wù)的執行狀態(tài)和各個(gè)的工作狀態(tài).當有新設計任務(wù)時(shí)，任務(wù)分解Agent(Task De—，TDA)將整個(gè)設計任務(wù)分解為子任務(wù)集合，并用產(chǎn)品設計樹(shù)表示分解結果.的知識庫中有很多產(chǎn)品設計樹(shù)模板，TDA根據產(chǎn)品種類(lèi)選擇合適的模板并推薦給設計工程師，由設計工程師作出初步?jīng)Q策并把結果發(fā)到公告板上.經(jīng)過(guò)一個(gè)動(dòng)態(tài)的分配過(guò)程，設計任務(wù)分配給相應的設計Agent，各Agent根據自己的任務(wù)協(xié)助設計人員工作，并當設計子任務(wù)完成后，將設計結果提交給裝配Agent.裝配Agent產(chǎn)生各部件的組合布局，然后由設計組工程師作最后的決策.在部件組合過(guò)程中，裝配Agent進(jìn)行組裝限制檢查，并針對不符合限制條件的部件，向設計Agent發(fā)送要求修改的信息.如圖2所示，過(guò)程監控Agent通過(guò)事件監控器監視整個(gè)設計過(guò)程，動(dòng)態(tài)記錄各設計Agent的狀態(tài)及設計子任務(wù)的完成情況.設計過(guò)程中的事件(如提交、修改等)觸發(fā)事件監控器，事件監控器將觀(guān)察到的信息傳到監視修正器，對各設計Agent的狀態(tài)及設計子任務(wù)的完成情況動(dòng)態(tài)更新，以保證管理A—對整個(gè)設計過(guò)程的控制及協(xié)調.設計設計環(huán)境中的Agent多數是設計Agent.設計的功能是領(lǐng)域相關(guān)的，其行為是目標驅動(dòng)的.設計Agent的作用是協(xié)助或啟發(fā)設計人員的創(chuàng )造性思考，有創(chuàng )意的設計是由設計人員實(shí)現的.設計具有如下功能：
通過(guò)與設計人員交互、觀(guān)察，將設計人員的興趣、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);執行特定的算法(如本文介紹的遺傳算法以實(shí)現相應的目標，在算法執行過(guò)程中檢查約束條件，生成并顯示草圖，用以拓展設計人員的想象力;維護自身及與設計環(huán)境相關(guān)的知識.設計Agent的結構及其學(xué)習機制的實(shí)現見(jiàn)文獻[7].進(jìn)化設計進(jìn)化設計是在設計領(lǐng)域中采用進(jìn)化計算技術(shù)的一種方法.進(jìn)化計算的研究起源于50年代，當時(shí)幾個(gè)計算機領(lǐng)域的科學(xué)家研究進(jìn)化系統，其思想是將自然界的進(jìn)化過(guò)程引入工程研究領(lǐng)域以解決工程中的優(yōu)化問(wèn)題.在60年代，進(jìn)化策略、進(jìn)化規劃和遺傳算法三者一起構成了進(jìn)化計算的主要框架.從90年代以來(lái)，由于進(jìn)化策略、進(jìn)化規劃和遺傳算法取得了一些令人信服的結果，因此進(jìn)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(guò)程中，三者的差異越來(lái)越小.本文主要討論基于遺傳算法的進(jìn)化計算.盡管進(jìn)化計算已經(jīng)取得了很多令人矚目的成果，但是由于設計(特別是有創(chuàng )意的設計)對人的智能的強烈依賴(lài)性，因此如何將計算智能應用于該過(guò)程還是一個(gè)新的且很有吸引力的研究課題.對遺傳算法的改進(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(guò)程，這一點(diǎn)是其它方法所不能媲美的.但是，將遺傳算法應用于設計領(lǐng)域，必須考慮到設計的特點(diǎn).我們從以下幾個(gè)方面對傳統的遺傳算法進(jìn)行了改進(jìn)：
遺傳算法中常用的固定長(cháng)度編碼方式不夠靈活，因此采用樹(shù)結構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構的設計對象;容易修改.根據創(chuàng )造性設計的特點(diǎn)和編碼方法的不同，定義了樹(shù)結構表示遺傳算法的交叉、變異操作.遺傳算法的適應度函數受許多因素影響，因此采用讓設計人員給出適應度值的方法.這些值將作為知識保存在設計Agent的知識庫中，在出現類(lèi)似情形時(shí)重用.遺傳算法用于兩個(gè)設計階段：部件設計階段和部件組裝階段.第一個(gè)階段用數學(xué)軟件MAT—產(chǎn)生數學(xué)表達式本身及其軸對稱(chēng)的曲線(xiàn)，形成一些輪廓形狀，用以拓寬設計人員的想象空間;第二個(gè)階段將遺傳操作作用于產(chǎn)品樹(shù)，產(chǎn)品樹(shù)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(shù)結構遺傳算法傳統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(wèn)題.但是，這種表示方法不夠靈活.例如，數學(xué)表達式的長(cháng)度是任意的，不同產(chǎn)品對象的部件及特征數是不一樣的.因此，用固定長(cháng)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(wèn)題受到領(lǐng)域的限制，只能用于特定的問(wèn)題而不是通用的情形.本文采用一種可以用來(lái)表示數學(xué)表達式及其它彈性問(wèn)題的樹(shù)結構表示方法.
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