一種機電產(chǎn)品線纜組件優(yōu)化結構的自動生成方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機輔助設計和人工智能技術領域，本發(fā)明涉及一種機電產(chǎn)品設計 中線纜結構的優(yōu)化方法，具體地說是一種根據(jù)機電產(chǎn)品的機械設計三維模型結構和電氣設 計的接線關系，基于遺傳算法的機電產(chǎn)品線纜優(yōu)化結構的自動生成方法。
【背景技術】
[0002] 線纜在機電產(chǎn)品中起到傳輸電能、信號、實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)換等作用，因此線纜的布置是 機電產(chǎn)品設計研發(fā)過程中的重要一環(huán)。一般來說，線纜根據(jù)布置形式分為單根線纜、扁帶、 線纜束等形式，其中，通過將多跟線纜捆扎，形成具有一定拓撲結構的線纜束因為具有結構 清晰、便于裝配等優(yōu)點而被廣泛使用。于是在機電產(chǎn)品設計過程中，對線纜束的設計本質(zhì)上 就是對線纜結構和路徑規(guī)劃的設計。
[0003] 線纜結構優(yōu)化問題是一個相當復雜的問題，屬于典型的NP(Non-deterministic Polynominal，非確定性多項式）難題，常使用精確算法及啟發(fā)式算法來解決此類問題。傳 統(tǒng)的精確算法雖然可以在理論上無限逼近問題的最優(yōu)解，但其求解時間隨問題規(guī)模的增大 而成指數(shù)增長，因此對于約束較多的復雜問題并不適用。而啟發(fā)式算法雖然出現(xiàn)的較晚，但 伴隨著現(xiàn)代計算機技術的飛速發(fā)展，它能夠在較短的時間內(nèi)，得到近似最優(yōu)解，因而在實際 應用中獲得了巨大的成功，越來越受到人們的重視。
[0004] 為此，國外學者針對布線問題進行了大量的研宄。其中遺傳算法因其進行線 纜布線設計、路徑規(guī)劃等NP難題的求解上算法性能優(yōu)異而得到廣泛研宄，例如利用遺 傳算法求解開放空間中的拓撲結構（詳見文獻：Conru,A.B.，"Ageneticapproach tothecableharnessroutingproblem,''EvolutionaryComputation, 1994.IEEE WorldCongressonComputationalIntelligence. ,ProceedingsoftheFirstIEEE Conferenceon,vol.，no.，pp. 200, 205vol. 1，27_29Jun1994)、在有限離散的環(huán)境中進 行布線路徑優(yōu)化的兩層遺傳算法（詳見文獻：MaX，IidaK,XieM，etal.Agenetic algorithmfortheoptimizationofcablerouting[J].SystemsandComputersin Japan，2006, 37(7) :61 - 71.)等。這樣的優(yōu)化方法，在遺傳算法的迭代過程中致死率較高， 且開放空間中計算的拓撲結構針對機電產(chǎn)品布線空間的適應性不強。
[0005] 國內(nèi)方面，機電產(chǎn)品的布線問題及路徑優(yōu)化問題也在廣為研宄。從已發(fā)表的論文 看，目前的研宄方向主要有兩個，一個是利用Pro/E、CATIA、UG等工程軟件或虛擬現(xiàn)實環(huán)境 對線纜進行虛擬布置與仿真。另一個是利用遺傳算法、粒子群算法等智能優(yōu)化算法在復雜 三維空間中進行路徑優(yōu)化。這兩個方向，一個側(cè)重于人機交互，一個側(cè)重于智能算法。人機 交互本質(zhì)上是將實體樣機的布線設計轉(zhuǎn)移到虛擬樣機中（詳見文獻：楊守勇.三維線纜建 模及布線設計的研宄與實現(xiàn)[D].大連理工大學，2012.)，拓撲結構、路徑關鍵節(jié)點等都依 賴經(jīng)驗確定，智能化程度不高。智能算法利用優(yōu)化算法，智能化程度很高，可以自動尋找線 纜的最優(yōu)路徑（詳見文獻：陳世明，謝竟，陳文棟等.基于HPSO算法的三維空間路徑規(guī)劃 [J].華中科技大學學報：自然科學版，2013,41 (2).)，但是無論在求解空間還是拓撲結構 上，都與線纜的實際裝配情況有較大差距。
[0006] 針對線纜布線中的結構設計問題，本專利提出一種用于計算線纜結構的智能優(yōu)化 算法，以期得到最優(yōu)的線纜結構，為機電產(chǎn)品研發(fā)人員在布線設計過程中提供參考。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是針對機電產(chǎn)品線纜結構優(yōu)化問題，發(fā)明一種根據(jù)機電產(chǎn)品的機械 設計三維模型結構和電氣設計的接線關系，基于遺傳算法的機電產(chǎn)品線纜優(yōu)化結構的自動 生成方法，以解決機電產(chǎn)品線纜設計過程中的結構優(yōu)化問題。
[0008] 本發(fā)明的技術方案是：
[0009] 一種機電產(chǎn)品中線纜組件優(yōu)化結構的自動生成方法，其特征是它主要包括以下步 驟：（1)對需要布線設計的機電產(chǎn)品結構進行三維空間預處理：將待布線機電產(chǎn)品的三維 結構模型中的可布線空間根據(jù)單位立方體進行離散化，離散化的布線空間用離散的立方體 中心點表示；
[0010] (2)根據(jù)機電產(chǎn)品布線工藝要求，以離散點到熱源距離、離散點到電磁干擾源距離 為離散點設置工藝性權值（ValmPi)，并根據(jù)不同工藝性要求的重要性設定系數(shù)與k)， 累加后即為該離散點針對不同工藝性的總權值（value_P)。然后通過將每個個體經(jīng)過的離 散點的權值累加，引入計算個體適應度的評價函數(shù)（length為只考慮結構長度的原評價函 數(shù)，value為引入權值后的評價函數(shù)）中；
【主權項】
1. 一種機電產(chǎn)品中線纜組件優(yōu)化結構的自動生成方法，其特征是它主要包括以下步 驟： (1)對需要布線設計的機電產(chǎn)品結構進行三維空間預處理：將待布線機電產(chǎn)品的三維 結構模型中的可布線空間根據(jù)單位立方體進行離散化，離散化的布線空間用離散的立方體 中心點表示； ⑵根據(jù)機電產(chǎn)品布線工藝要求，以離散點到熱源距離、離散點到電磁干擾源距離為離 散點設置工藝性權值（ValmPi)，并根據(jù)不同工藝性要求的重要性設定系數(shù)Gii與k)，累加 后即為該離散點針對不同工藝性的總權值（value_P)。然后通過將每個個體經(jīng)過的離散點 的權值累加，引入計算個體適應度的評價函數(shù)（length為只考慮結構長度的原評價函數(shù)， value為引入權值后的評價函數(shù)）中；
value = kXlength+value-P 其中，ki，k為不同工藝的評價系數(shù)，根據(jù)該工藝在布線中的重要性，在[0，1]的區(qū)間內(nèi) 取值； (3) 輸入電氣設計的接線表和所有線纜端口的位置，根據(jù)線纜端口數(shù)量n，隨機選取 n-2個空間的離散點作為線纜的分支點，通過個體編碼方式進行初始化種群，將第O代種 群所有個體編碼完成后，則初始化完畢；然后利用遺傳算法計算線纜分支點位置及分支結 構； (4) 在遺傳算法雜交運算中，遍歷查找雜交后的子代個體中有無相同節(jié)點；如果存在 相同節(jié)點，則子代個體不滿足線纜組件結構，隨機選擇相同節(jié)點中的任意一個繼續(xù)進行交 換；循環(huán)上述二次雜交操作，直至雜交得到的子代個體中沒有相同節(jié)點； (5) 在遺傳算法得到線纜結構的全局最優(yōu)解后，用反編碼將最優(yōu)解可視化，得到多分支 線纜的空間結構。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是：所述的步驟⑵中，為離散點設置工藝性權 值是指一種用公式評價某點的位置作為布線工藝的可行性的方法，通過為離散點依據(jù)不同 的布線工藝性要求賦予權值（ValmP i)，獲得該離散點所處位置的布線工藝性優(yōu)劣評價；
其中，Pi. X、Pi. Y、Pi. Z分別代表第i個端口端點的xyz坐標，H. X、H. Y、H. Z分別代表工 藝障礙點的xyz坐標；將個體經(jīng)過的所有離散點引入遺傳算法的評價函數(shù)中，能夠使遺傳 算法在個體適應度計算中考慮個體的工藝性，使計算的最終結果更加貼近實際的布線工藝 性要求。
3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是：所述的步驟⑶中，全新的個體編碼方式是 指一種將線纜分支結構編入表格進行遺傳算法操作的方法；在接線表確定的情況下，分支 點數(shù)量t取不同值會導致線纜結構不同，因而分支點數(shù)量t取最大值，即t = n-2計算，若 計算中兩分支點位置接近或重合，則近似認為兩分支點等效為一個分支點，然后通過將用 Tl, T2......Tt表示的分支點與用P1，P2......Pn表示的端點編入4*t的表格中，采用t行 *4列表格對可行的線纜結構進行編碼，具體操作如下： 第一步：根據(jù)接線表確定拓撲結構端點數(shù)量n，及位置坐標，在機電產(chǎn)品待布線環(huán)境中 隨機生成t個拓撲點位置； 第二步：將拓撲點順序賦值到第一列表格中，將除Tl外的所有拓撲點依次賦值到從第 二行起的第四列表格； 第三步：將除Tl外所有拓撲點與端點（η+t-l)亂序排列，依次賦值到第二列、第三列和 第四列第一行中；， 第四步：循環(huán)第二步、第三步，直至完成初始種群中所有個體的初始化編碼，然后利用 遺傳算法計算線纜分支結構。
4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是所述的步驟（4)中，二次雜交是一種在經(jīng)典遺 傳算法雜交操作完成后，通過遍歷查找子代中的重復節(jié)點并繼續(xù)進行交換從而降低子代個 體中的致死率的方法，其具體步驟是： 第一步：以一定的概率選擇待雜交個體； 第二步：雜交完成后，遍歷查找子代個體中有無相同節(jié)點，如果無相同節(jié)點，則無需進 行二次雜交，跳轉(zhuǎn)到第四步，繼續(xù)進行算法其他操作；如果存在相同節(jié)點，則隨機選擇相同 節(jié)點中的任意一個，與子代對應節(jié)點進行二次交換； 第三步：重復第二步，直至子代個體中沒有相同節(jié)點的存在； 第四步：以設定的變異概率選擇個體，隨機選中待變異個體兩節(jié)點交換，完成變異； 第五步：繼續(xù)進行算法其他操作。
5. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是所述的步驟（5)中，反編碼法是一種將編碼的 個體表格解碼為一條可視化線纜結構的方法，即將個體編碼的t行*4列表格從第一行起， 在三維空間中將第一列到第四列中的TI、T2、T3、T4點的位置以空間點表示，并以直線將T1 與其余點相連，依次完成第N行中的Tn，直至獲得一條可視化的線纜組件。
6. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是所述的立方體邊長尺寸取機電產(chǎn)品x，y，ζ方 向中最小尺寸的1/1〇〇。
7. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是所述的離散點包括熱源、電磁干擾源；所述的 工藝性包括遠離熱源、遠離電磁干擾及走線沿或接近內(nèi)壁。
【專利摘要】一種機電產(chǎn)品線纜組件優(yōu)化結構的自動生成方法，其特征是：在對待布線機電產(chǎn)品的布線空間進行離散化預處理得到可供布線空間內(nèi)的離散點的基礎上，首先采用工藝權值法為各離散點按照工藝性賦予權值，并通過將權值引入遺傳算法評價函數(shù)中，而后采用遺傳算法求解線纜結構，針對線纜結構的特點，使用初始化種群方法保證了初始種群理論可以涵蓋所有可能的線纜結構。在此基礎上，改進了算法的雜交變異操作，通過引入二次雜交降低了雜交后個體的致死率，并采用精英保留策略避免了算法的局部收斂，從而得到了理想的機電產(chǎn)品線纜結構方案。本發(fā)明解決了在機電產(chǎn)品研發(fā)領域，由于線纜設計過度依靠經(jīng)驗所導致的人力物力浪費，效率低下的問題，并且算法高效可行。
【IPC分類】G06N3-12, G06F17-50
【公開號】CN104679947
【申請?zhí)枴緾N201510054214
【發(fā)明人】張丹, 李國聞, 杜海遙, 左敦穩(wěn)
【申請人】南京航空航天大學
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月2日