用戶期望心象驅(qū)動(dòng)的直升機(jī)造型進(jìn)化設(shè)計(jì)

汪智超，黃育龍

(1.海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333002；2.中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

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用戶期望心象驅(qū)動(dòng)的直升機(jī)造型進(jìn)化設(shè)計(jì)

汪智超1，黃育龍2

(1.海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333002；2.中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

選取直升機(jī)造型典型元素——機(jī)身特征線為研究對(duì)象，基于遺傳算法提出用戶期望心象驅(qū)動(dòng)的直升機(jī)造型進(jìn)化思想和方法流程。獲取用戶期望的直升機(jī)造型心象形容詞，經(jīng)過聚類分析得到關(guān)鍵心象詞匯并將其量化表征。從多種途徑選取符合用戶期望心象的直升機(jī)造型初始樣本，選取機(jī)身側(cè)面輪廓線為對(duì)象，利用貝塞爾曲線將其量化描述。為保證造型進(jìn)化一直處于用戶期望心象引導(dǎo)下，基于用戶期望心象形容詞構(gòu)建人工適應(yīng)度評(píng)估機(jī)制；進(jìn)行交叉、變異操作，獲得符合用戶期望心象的造型進(jìn)化子代種群，從而實(shí)現(xiàn)了基于用戶期望心象驅(qū)動(dòng)的造型進(jìn)化目標(biāo)，并以此指導(dǎo)直升機(jī)造型設(shè)計(jì)。以“絕影”高速隱身無人直升機(jī)造型進(jìn)化設(shè)計(jì)為例，證明了該方法的合理性和可行性。

直升機(jī)造型；期望心象形容詞；進(jìn)化；遺傳算法

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，未來中國對(duì)直升機(jī)產(chǎn)品有著十分迫切的需求，尤其是在警用航空、森林滅火、城市消防、醫(yī)療急救等領(lǐng)域，直升機(jī)有獨(dú)特的重要作用，未來市場(chǎng)需求廣闊。面對(duì)國外直升機(jī)巨頭激烈的競(jìng)爭(zhēng)和直升機(jī)用戶不同的需求，直升機(jī)的造型設(shè)計(jì)顯得尤為重要，能否設(shè)計(jì)出符合用戶期望的直升機(jī)產(chǎn)品是直升機(jī)研發(fā)成敗的關(guān)鍵。然而，目前國產(chǎn)直升機(jī)機(jī)型單一，造型設(shè)計(jì)主要以借鑒現(xiàn)存產(chǎn)品為主，對(duì)于如何使產(chǎn)品造型滿足用戶期望的研究還相對(duì)不足，這也就成為了直升機(jī)造型進(jìn)化設(shè)計(jì)必須要解決的迫切問題。本研究提出了一種基于用戶期望心象形容詞的直升機(jī)造型進(jìn)化設(shè)計(jì)方法。一方面，分析了直升機(jī)造型基因及其典型表達(dá)，選取了能夠涵蓋直升機(jī)造型關(guān)鍵信息的典型元素——直升機(jī)造型特征線作為研究對(duì)象，并將其進(jìn)行規(guī)范化的幾何描述，從而形成進(jìn)化計(jì)算的初始種群：另一方面，萃取產(chǎn)品造型用戶期望心象形容詞，利用Osgood語義差異法進(jìn)行量化，進(jìn)而構(gòu)建基于用戶期望心象形容詞的造型特征線進(jìn)化計(jì)算人工適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)。采用遺傳算法(Genetic algorithm ,GA)構(gòu)建用戶期望心象驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品造型進(jìn)化機(jī)制，在一定程度上保證了造型進(jìn)化是按照用戶期望進(jìn)行的目標(biāo)。

1 感性心象與直升機(jī)造型

1.1 用戶期望心象及其量化表征

產(chǎn)品造型心象是指人對(duì)產(chǎn)品形態(tài)所產(chǎn)生的直覺聯(lián)想，包括視覺的、觸覺的、嗅覺的、聽覺的和味覺的等種種感覺，并且腦海里形成對(duì)產(chǎn)品的某種意象[1-2]。產(chǎn)品造型的心象認(rèn)知與人的文化背景和生活形態(tài)有很大的關(guān)系，是屬于心理活動(dòng)中感覺經(jīng)驗(yàn)的一種體現(xiàn)，心象同時(shí)存在于設(shè)計(jì)師和用戶的頭腦之中[3]。通常用戶會(huì)用一些形容詞描述他們對(duì)于產(chǎn)品外觀造型的期望，比如某個(gè)產(chǎn)品造型應(yīng)該是“可愛的”、“優(yōu)美的”、“豪華的”等，這些形容詞被定義為“用戶期望心象形容詞”。新產(chǎn)品開發(fā)的最終目的是為了滿足用戶的需求。因此，在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)前期應(yīng)該進(jìn)行充分的市場(chǎng)調(diào)研和用戶研究，從而獲取用戶對(duì)于新產(chǎn)品造型的期望心象。設(shè)計(jì)師基于用戶的造型期望心象進(jìn)行設(shè)計(jì)，在很大程度上可以避免產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的盲目性，降低新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

通過問卷調(diào)研、典型產(chǎn)品情報(bào)分析等方法獲取用戶對(duì)于產(chǎn)品造型的期望心象形容詞，進(jìn)而將用戶期望心象形容詞制作成由正義詞和反義詞組成的形容詞對(duì)。利用Osgood語義差異法[4]將用戶對(duì)于產(chǎn)品的期望心象反應(yīng)在一個(gè)心理量表上(7點(diǎn)量表)，從而將用戶期望心象進(jìn)行量化表征。

1.2 直升機(jī)造型進(jìn)化及其幾何描述

對(duì)于在產(chǎn)品形態(tài)生成過程中的“基本造型”的反復(fù)應(yīng)用，從生物學(xué)角度可以解釋成為一種遺傳，而這些基本造型被認(rèn)為是“基本造型詞匯”，對(duì)基本造型詞匯的遺傳性質(zhì)的描述則是造型基因。產(chǎn)品的造型進(jìn)化是指在基本造型的基礎(chǔ)上，外表特征與造型基因在不同代產(chǎn)品之間的改變。

直升機(jī)造型進(jìn)化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)師在進(jìn)行直升機(jī)造型時(shí)對(duì)飛機(jī)造型特征的一種操作手段。通過造型進(jìn)化，可在直升機(jī)基本造型特征的基礎(chǔ)上，演變出多個(gè)直升機(jī)造型的特征，由造型特征形成直升機(jī)的整機(jī)造型。直升機(jī)造型特征包括造型特征點(diǎn)、造型特征線和造型特征面等。直升機(jī)造型特征線是有特定結(jié)構(gòu)約束和造型內(nèi)涵的，被標(biāo)記為主旋翼塔橋線、側(cè)面輪廓線等名稱的一種有幾何表達(dá)的造型實(shí)體[5]。直升機(jī)造型特征線是直升機(jī)造型的典型表達(dá)，根據(jù)不同特征線對(duì)機(jī)身造型影響的程度和由此產(chǎn)生的直升機(jī)造型識(shí)別性的高低，我們將提取的10幾條直升機(jī)造型特征線分為主特征線和過渡特征線兩類，如圖1所示L1-L6，L9-L10，L14-L15為主特征線，L7-L8,L11-L13為過渡特征線。

其中，主特征線控制的是直升機(jī)造型的整體感覺和風(fēng)格，對(duì)機(jī)體造型的變化和風(fēng)格趨勢(shì)研究有重要的描述意義。由于機(jī)體造型特征線對(duì)于直升機(jī)造型心象的形成具有決定性的作用，因此本研究將直升機(jī)造型基因研究抽象簡(jiǎn)化為直升機(jī)造型特征線研究[6]。圖1中L1-L6線(直升機(jī)外輪廓線)是直升機(jī)的主特征線，對(duì)于直升機(jī)造型的整體造型心象具有重要的影響，因此本研究主要選定為L(zhǎng)1-L6直升機(jī)造型進(jìn)化設(shè)計(jì)研究的對(duì)象。

直升機(jī)造型特征線多為自由曲線，因此其幾何描述可以概括為若干個(gè)連續(xù)的線段l及其位置和屬性關(guān)系，可以表達(dá)為:

L={l(1，2)，l(2，3，)…，l(n，n+1)}

式中，線段l可以由該線段曲線錨點(diǎn)p和控制點(diǎn)c表達(dá)：

圖1 直升機(jī)造型特征線及其分類

l(i，j)=(pi，pj,ci) 1≤i≤nj=i+1

式中,i,j,n均為自然數(shù)；Pi代表線段l的起始錨點(diǎn)；Pj代表線段l的終止錨點(diǎn)：ci代表線段l的控制點(diǎn)。

采用貝塞爾曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)方式對(duì)造型特征線進(jìn)行統(tǒng)一的造型轉(zhuǎn)化。本研究采用二次方貝塞爾曲線對(duì)造型特征線進(jìn)行擬合，將其轉(zhuǎn)化成若干個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)構(gòu)成的特征線造型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行造型數(shù)據(jù)的進(jìn)化。二次方貝塞爾曲線的參數(shù)形式為：

B(t)=(1-t)2P0+2t(1-t)P1+t2P2t∈[0,1]

以主特征線L1為例，將其特征線造型要素分為錨點(diǎn)(表示為Pi，i=1，2，…，n)和曲率控制點(diǎn)(表示為Ci，i=1，2，…，n)。如圖2所示，通過兩種造型要素的組合對(duì)主特征線L1進(jìn)行造型表達(dá)。

圖2 部分主特征線及其貝塞爾曲線表達(dá)

2 用戶期望心象驅(qū)動(dòng)的直升機(jī)造型進(jìn)化設(shè)計(jì)

本研究中采用遺傳算法作為直升機(jī)造型的進(jìn)化算法。基于用戶期望心象形容詞構(gòu)建直升機(jī)造型進(jìn)化的人工適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)，獲取符合用戶期望心象度較高的造型特征線種子，進(jìn)而達(dá)到輔助直升機(jī)造型設(shè)計(jì)師進(jìn)行以用戶期望為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

2.1 基于遺傳算法的造型設(shè)計(jì)進(jìn)化流程

基于遺傳算法的造型設(shè)計(jì)進(jìn)化主要涉及初始種群選擇、適應(yīng)度定義和交叉變異概率等問題。用戶期望心象驅(qū)動(dòng)的直升機(jī)造型設(shè)計(jì)進(jìn)化流程如圖3所示，首先接收用戶需求輸入，再通過多種途徑獲取相關(guān)造型樣本案例，選取優(yōu)良樣本案例進(jìn)行特征抽取和量化描述，由此得到進(jìn)化的初始種群。進(jìn)化程序進(jìn)行交叉與變異，并基于復(fù)合適應(yīng)度評(píng)估機(jī)制對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，若評(píng)價(jià)后種群部分結(jié)果已經(jīng)達(dá)到進(jìn)化期望，則進(jìn)化結(jié)束；否則再次進(jìn)行適應(yīng)度評(píng)價(jià)，進(jìn)入進(jìn)化迭代[7]。

圖3 造型設(shè)計(jì)進(jìn)化流程

2.2 初始種群的設(shè)定

為了能夠匹配用戶期望心象，每個(gè)初始種群的種子都能夠至少涵蓋用戶對(duì)于直升機(jī)造型期望心象的部分信息，并且要能夠在機(jī)型、尺寸等方面滿足造型進(jìn)化的幾何描述規(guī)則。初始種群有多種獲取途徑，本研究采用以下兩種方式。

1)通過互聯(lián)網(wǎng)、飛機(jī)宣傳資料等收集相關(guān)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型資料，并經(jīng)過用戶、設(shè)計(jì)師的評(píng)審，提取能夠體現(xiàn)用戶期望心象的飛機(jī)圖片作為進(jìn)化樣本案例。

2)設(shè)計(jì)師根據(jù)用戶期望心象繪制機(jī)型概念表現(xiàn)圖，并通過用戶、設(shè)計(jì)師評(píng)審提取最能代表用戶期望心象的設(shè)計(jì)概念表現(xiàn)圖，以此作為初始種群的樣本案例。

將初始種群樣本案例進(jìn)行三維數(shù)字建模，截取正側(cè)面模型圖片，然后利用矢量繪圖軟件提取直升機(jī)側(cè)面輪廓線(L1-L6)，從而實(shí)現(xiàn)初始種群樣本的特征抽取和幾何描述。由于不同樣本案例的幾何尺寸有差異，故而在盡量保證樣本造型信息不失真的情況下，需要對(duì)樣本特征線以飛機(jī)最前端點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行等比例縮放，統(tǒng)一幾何尺寸。

2.3 適應(yīng)度評(píng)估機(jī)制

由于直升機(jī)造型設(shè)計(jì)的非理性和不確定性，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)往往難以完全量化。因此本研究在造型基因進(jìn)化過程中采取交互進(jìn)化方法來捕捉并跟蹤設(shè)計(jì)心象。為了能夠使造型進(jìn)化符合用戶的造型期望心象，降低直升機(jī)新產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，直升機(jī)造型設(shè)計(jì)進(jìn)化的人工適應(yīng)度評(píng)價(jià)必須按照用戶期望心象進(jìn)行，具體操作流程如下。

1)通過用戶問卷調(diào)研和需求分析提取N對(duì)用戶期望心象形容詞對(duì)(本實(shí)例研究中提取3個(gè)最具代表性的形容詞作為用戶期望心象形容詞)并賦予權(quán)重(0～1)。根據(jù)用戶期望心象形容詞及其權(quán)重，制定人工適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)為：

F=αF1+βF2+(1-α-β)F3

式中，α,β代表心象形容詞權(quán)重；F1,F2,F3代表用戶期望心象形容詞量化值。

2)設(shè)計(jì)者根據(jù)用戶期望心象形容詞對(duì)子代種子進(jìn)行評(píng)價(jià)，并按照7點(diǎn)心理量表打分。

3)將用戶期望心象形容詞權(quán)重及評(píng)價(jià)分值，代入人工適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)得出該子代種子的人工適應(yīng)度評(píng)價(jià)值。

設(shè)計(jì)師對(duì)進(jìn)化子代種群進(jìn)行基于用戶期望心象形容詞的評(píng)價(jià)，符合特定適應(yīng)度值的種子才能進(jìn)入下一輪的進(jìn)化，這樣就可以在一定程度上保證造型進(jìn)化是按照用戶期望心象進(jìn)行，從而降低新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。再者，直升機(jī)造型設(shè)計(jì)必須面向生產(chǎn)和制造，還須根據(jù)直升機(jī)造型的幾何特征規(guī)則構(gòu)建自動(dòng)適應(yīng)度過濾機(jī)制。該過濾機(jī)制亦可控制生成種群的規(guī)模，減少人工適應(yīng)度評(píng)估的工作量，提高進(jìn)化效率和精確度[8]。以主特征線L1(機(jī)艙側(cè)面輪廓線局部)為例，將該特征線轉(zhuǎn)化為二次貝塞爾曲線表示，如圖4所示。主特征線L1具備直升機(jī)造型幾何特征意義的先決條件是P1至P3之間的曲線連續(xù)，即C1,P2,C2同線。其次，若進(jìn)一步加入直升機(jī)造型幾何特征意義，P1至P3曲線上的任意一點(diǎn)必須低于(y軸小于)P3點(diǎn)且高于(y軸大于)P1點(diǎn)。

圖4 直升機(jī)主特征線的特征點(diǎn)表達(dá)

2.4 交叉和變異

常規(guī)遺傳算法中，由于種群規(guī)模較大，因此交叉概率Pc通常取值Pc=0.25～0.75，變異概率Pm通常取值Pm=0.01～0.20。本研究由于直升機(jī)造型的復(fù)雜性和案例范圍的限制以及人工參與適應(yīng)度評(píng)價(jià)的局限，種群規(guī)模較小。因此，在造型特征線進(jìn)化過程中應(yīng)適當(dāng)增加變異概率Pm。經(jīng)過算法調(diào)試，變異概率Pm=0.2～0.4取值較為合適。

3 實(shí)例研究

以作者所參與的一款高速隱身無人直升機(jī)項(xiàng)目——“絕影”為例，來驗(yàn)證本文所提設(shè)計(jì)方法的合理性和可行性。在無人直升機(jī)造型設(shè)計(jì)項(xiàng)目伊始，我們收到來自用戶的期望心象有“高速”、“隱身”、“冷酷”、“硬朗”等，經(jīng)過聚類分析及結(jié)合Osgood語義空間三要素，將用戶期望心象形容詞最終確定為“高速”、“隱身”、“硬朗”。進(jìn)一步將其制作成形容詞對(duì)為高速——低速；隱身——不隱身；硬朗——流暢(圖5)。再者，這款直升機(jī)造型的幾何特征要完全適應(yīng)某驗(yàn)證機(jī)的外輪廓。

圖5 用戶期望心象形容詞7點(diǎn)量圖表

基于層次分析法[9-10]的思想，以“直升機(jī)造型符合用戶期望心象”為總目標(biāo)，對(duì)“高速、隱身、硬朗”三個(gè)心象形容詞進(jìn)行兩兩比較，計(jì)算權(quán)重?cái)?shù)值。又由于造型設(shè)計(jì)的主觀性和非理性，計(jì)算結(jié)果再次經(jīng)過用戶、設(shè)計(jì)師討論取整后，得出高速、隱身、硬朗三個(gè)形容詞的權(quán)重為0.4、0.3、0.3，并根據(jù)此權(quán)重，最終將進(jìn)化設(shè)計(jì)人工適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)確定為:

F=αF1+βF2+(1-α-β)F3

式中,F1為高速(量化值)；F2為隱身(量化值)；F3為硬朗(量化值)；α=0.4；β=0.3。由人工適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)結(jié)合自動(dòng)適應(yīng)度評(píng)價(jià)過濾規(guī)則，構(gòu)建民用直升機(jī)造型特征線進(jìn)化復(fù)合適應(yīng)度評(píng)價(jià)機(jī)制。通過

互聯(lián)網(wǎng)和飛機(jī)雜志收集24款民用直升飛機(jī)的效果圖和三視圖，選取10名典型用戶和10名具有3年以上直升機(jī)造型設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師，按照用戶期望心象形容詞(高速、隱身、硬朗)對(duì)收集的直升機(jī)進(jìn)行造型心象評(píng)價(jià)打分，最后選出適應(yīng)度較高的X2、“科曼奇”、“阿帕奇”和某驗(yàn)證機(jī)等4款直升機(jī)作為本試驗(yàn)的初始種群。利用三維建模軟件對(duì)選中的4款機(jī)型進(jìn)行三維電子建模，截取正側(cè)面的電子模型圖片，然后在矢量繪圖軟件中提取4款直升機(jī)的側(cè)面輪廓特征線，得到4條矢量側(cè)面輪廓特征線，并將它們以飛機(jī)最前端點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行等比例縮放統(tǒng)一幾何尺寸(圖6)。

圖6 初始種群案例特征線

然后通過貝塞爾曲線公式把特征線轉(zhuǎn)化為硬點(diǎn)坐標(biāo)，形成初始種群,如表1所示。

表1 初始種群

通過10代基于用戶期望心象引導(dǎo)的特征線的進(jìn)化迭代，獲取了4個(gè)適應(yīng)度最高個(gè)體，即該代種群中最符合用戶期望心象的造型基因特征線方案(圖7)。根據(jù)造型進(jìn)化獲取的優(yōu)良子代特征線進(jìn)行后期的民用直升機(jī)造型設(shè)計(jì),既可以傳承民用機(jī)的造型基因，又在一定程度上耦合用戶期望心象。

圖7 進(jìn)化所得優(yōu)秀種子

4 結(jié)論

本研究以直升機(jī)造型典型元素——造型特征線為研究載體，基于遺傳算法對(duì)用戶期望心象驅(qū)動(dòng)的直升機(jī)造型進(jìn)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

由于直升機(jī)造型設(shè)計(jì)過程的復(fù)雜性，目前該方法還有待于進(jìn)一步深入研究，未來的工作是：①多條特征線協(xié)同進(jìn)化問題；②如何將進(jìn)化結(jié)果與后期造型設(shè)計(jì)進(jìn)行更好的銜接問題。

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Helicopter Styling Evolution Design Driven by Users’ Expectation Image

WANG Zhichao1,HUANG Yulong2

(1.Navy Aviation Military Representative Office in Jingdezhen Region, Jingdezhen 333002, China;2.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

The styling feature line, a typical element of helicopter styling gene, was selected as research object. Based on genetic algorithm，the thought and method flow of helicopter styling gene evolution driven by users’ expectation image was proposed．The adjectives of users’ expectation image were obtained through investigation and typical helicopter analysis. The key image words were obtained through cluster analysis and characterized quantitatively．Helicopter side profile line was taken as research object and described quantitatively by using Bezier curves. The case samples of initial population that satisfy the users’ expectation image were obtained through several methods and they are translated to genotype．After constructing the mechanism of artificial fitness evaluation based on the users’ expectation image adjectives，the progeny populations according with users’ expectation image were obtained through crossover and mutation operations．Thus the target of helicopter styling gene evolution driven by users’ expectation image was attained．A case of civil helicopter styling evolution design was given，which demonstrated that the method was rational and feasible.

helicopter styling; expectation; evolution; genetic algorithm

附表

2014-09-17

汪智超(1985-)，男，江西九江人，大學(xué)，助理工程師，主要研究方向：航電。

1673-1220(2015)02-029-06

V221+.2

A