人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

李 淵，杜秋月，張明慧

（1.山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西大同 037003；2.北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048）

0 引言

隨著智能理論以及科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，當(dāng)前社會(huì)中應(yīng)用智能計(jì)算方式來(lái)完成日常生活與工作，已經(jīng)成為人們生活中必不可少的一種方式，提高機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅可以為社會(huì)發(fā)展帶來(lái)更多的便利，同時(shí)也能幫助人們完成以往難以完成的工種。在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，最重要的問題之一就是如何將機(jī)械工程設(shè)計(jì)問題直接轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題，選擇最恰當(dāng)?shù)姆绞絹?lái)完成社會(huì)以及人們對(duì)于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的需求。如果按照傳統(tǒng)的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)算法完成優(yōu)化，會(huì)遇到非常多的阻礙，然而利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)算法，則能夠解決以往難以解決的問題。本研究的主要目的就是分析人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概述

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為的新型系統(tǒng)。與以往計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的算法不同，這種優(yōu)化設(shè)計(jì)算法及主要是進(jìn)行分布式信息存儲(chǔ)的數(shù)字算法模型。雖然人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的優(yōu)點(diǎn)較多，并且可以幫助機(jī)械產(chǎn)品在完成設(shè)計(jì)和制造后符合社會(huì)以及當(dāng)前人們的需求。然而由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的處理相對(duì)復(fù)雜，在其對(duì)應(yīng)的處理系統(tǒng)中，需要大量的信息節(jié)點(diǎn)來(lái)幫助信息進(jìn)行傳達(dá)以及命令進(jìn)行發(fā)展。為此，要求所有技術(shù)人員針對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和了解，只有這樣才能保證人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建的效果符合機(jī)械優(yōu)化的實(shí)際需求。

在應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力以及自主適應(yīng)能力，這是由于在設(shè)計(jì)階段就對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)先的信息設(shè)計(jì)。這種信息設(shè)計(jì)可以幫助系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，針對(duì)不同的情況選擇不同的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而形成網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)處理運(yùn)算模型，針對(duì)不同的情況作出不同的反應(yīng)處理。無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展還是科學(xué)發(fā)展，都幫助這一技術(shù)在不斷進(jìn)步。我國(guó)當(dāng)前應(yīng)用的人工網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要有以下3 個(gè)特征，這些特征在不斷地被完善，也在幫助著我國(guó)社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展。

（1）在多數(shù)情況下人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性，這也是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在構(gòu)成過程中最重要的一點(diǎn)特征。與其他算法以及系統(tǒng)不同，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)在不同的情況下對(duì)于環(huán)境以及事物的判斷能力也是不同的，如果神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在激活的情況下，其能夠展現(xiàn)的特征相對(duì)較多，而在抑制狀態(tài)下其可以展現(xiàn)的特征也相對(duì)較少，這種關(guān)系在數(shù)學(xué)研究中被稱為非線性關(guān)系。根據(jù)不同情況選擇不同的控制能力，也是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最重要的特征以及優(yōu)勢(shì)之一。

（2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有非局限性。在任何一個(gè)完整的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建中，由于其所對(duì)應(yīng)的神經(jīng)元傳遞信息效果不同，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的介質(zhì)傳遞也是不同的，而神經(jīng)元的介質(zhì)傳遞是作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中交換信息的最重要因素，也就促使了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有非局限性，可以在傳遞信息時(shí)更難以被控制以及被限制，提高了信息傳遞的準(zhǔn)確性以及速度。

（3）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有非常定性。這一特征的主要是在使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成機(jī)械優(yōu)化時(shí)，所產(chǎn)生的機(jī)械產(chǎn)品具有自主學(xué)習(xí)能力以及自主適應(yīng)能力。這兩種能力都充分的表現(xiàn)在機(jī)械產(chǎn)品中，然而隨著網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成信息的不斷變化，科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，在社會(huì)變遷的當(dāng)今其所呈現(xiàn)出來(lái)的穩(wěn)定性變化也不同。因此可以說(shuō)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作能力以及學(xué)習(xí)能力會(huì)隨著科學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而逐漸增強(qiáng)，這是一種系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)，自我成長(zhǎng)的狀態(tài)，可以幫助人們更好地完成工作以及生活中難以完成的事情。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的出現(xiàn)能幫助我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)，為我國(guó)工業(yè)發(fā)展做出非常積極的貢獻(xiàn)。這種技術(shù)的不斷提高，也可以促使社會(huì)的創(chuàng)新能力以及工業(yè)產(chǎn)品的創(chuàng)新，幫助人們?cè)谝院蟮纳詈凸ぷ髦懈颖憷夥湃藗兊膭趧?dòng)力，促使社會(huì)更加和諧地發(fā)展。

2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械化設(shè)計(jì)中的模型構(gòu)建

2.1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

在完成機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，BP（Back Propagation，反向傳播）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)的算法以及模型構(gòu)建，有著非常重要的意義。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是模仿人類大腦中神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)行，而逐漸完成構(gòu)建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在處理信息的過程中，無(wú)論是對(duì)于信息的傳遞還是信息的分析都相對(duì)嚴(yán)密且嚴(yán)謹(jǐn)，能夠在處理信息時(shí)將抽象性的思維與聯(lián)想性的思維進(jìn)行整合運(yùn)用這種思維整合，實(shí)現(xiàn)信息的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化，提高了以往在優(yōu)機(jī)械產(chǎn)品信息轉(zhuǎn)化過程中所遇到的信息處理能力不強(qiáng)這一問題。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，最重要的方式之一就是優(yōu)化及整體的能力展現(xiàn)，按照社會(huì)以及人們對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的需求完成設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，無(wú)論是技術(shù)的處理需求還是線性關(guān)系的構(gòu)建，都需要以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為優(yōu)化的最基本要求。與以往對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的需求不同，當(dāng)前人們對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的要求不僅僅是在其能夠代替人工完成勞動(dòng)活動(dòng)，更是要求所有的機(jī)械產(chǎn)品有著一定的信息處理自主分析能力，這也導(dǎo)致在當(dāng)前工業(yè)中必須要快速地完成機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高機(jī)械產(chǎn)品的信息處理能力。

在優(yōu)化過程中，利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的信息處理特征分析，可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)用這種系統(tǒng)能有效提高信息處理系統(tǒng)的工作效率以及工作質(zhì)量。與其他信息處理系統(tǒng)不同，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行系統(tǒng)可以針對(duì)產(chǎn)品中所存在的不同參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并且提取其中信息的關(guān)鍵因素，整合信息傳遞最優(yōu)化的結(jié)果，將此來(lái)作為整個(gè)系統(tǒng)中控制的最關(guān)鍵因素，這就促使在完成機(jī)械產(chǎn)品的制造過程中，其使用效果能夠滿足人們以及社會(huì)對(duì)于該產(chǎn)品的實(shí)際需求。利用這一系統(tǒng)應(yīng)用，能將系統(tǒng)中應(yīng)該處理的數(shù)據(jù)更加快速且準(zhǔn)確的處理，并且利用數(shù)據(jù)算法整合更加明確地找到信息的關(guān)鍵點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，促使產(chǎn)品在完成數(shù)據(jù)的運(yùn)輸和管理中提高整體的質(zhì)量。

2.2 反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械優(yōu)化過程中所使用的，另外一種系統(tǒng)是反饋（Recurrent Network）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它也是建立在機(jī)械產(chǎn)品的整體傳輸之上、利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)完成的模型構(gòu)建。反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在構(gòu)建的過程中，其主要是借助雙向性連續(xù)控制，完成整個(gè)模型的構(gòu)建和處理。在進(jìn)行信息傳遞時(shí)，主要是根據(jù)對(duì)應(yīng)神經(jīng)元之間的戒指不同，完成不同信息的分析和處理，利用神經(jīng)元信息的轉(zhuǎn)化控制來(lái)對(duì)整體信息傳輸進(jìn)行控制處理，確保不同的信息能夠得到不同的處理，同時(shí)保障信息處理的效率以及其準(zhǔn)確性。

利用反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成整體構(gòu)建時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要注意，反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在購(gòu)建時(shí)對(duì)應(yīng)的模型構(gòu)建必須要注重神經(jīng)元傳遞的全職控制，一旦權(quán)值控制出現(xiàn)問題，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)件出現(xiàn)難以解決的問題。只有保證在完成反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中，其神經(jīng)元傳遞的權(quán)值處理能夠滿足該產(chǎn)品整體的反饋調(diào)節(jié)工作，才能確保在進(jìn)行后續(xù)的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中其整體性以及產(chǎn)品的性能符合設(shè)計(jì)要求。在反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建系統(tǒng)中，其信息處理系統(tǒng)主要是通過神經(jīng)元戒指的傳遞，準(zhǔn)確地將不同信息完全轉(zhuǎn)化后以不同的指令發(fā)送給各個(gè)不同的零部件。為此，在利用反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，必須要控制好整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的外部信息輸入，并且根據(jù)不同信息輸入之間的關(guān)系，進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，及時(shí)將整體信息管理結(jié)合整個(gè)機(jī)械產(chǎn)品的要點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確保機(jī)械產(chǎn)品的性能滿足社會(huì)需求以及設(shè)計(jì)要求。

在反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建中，其對(duì)于信息的調(diào)節(jié)控制主要是以反饋模型構(gòu)建中的關(guān)鍵因素進(jìn)行控制的。為此，為了保證整個(gè)信息調(diào)節(jié)過程的準(zhǔn)確性，必須要控制好關(guān)鍵性因素的標(biāo)準(zhǔn)性，并且按照神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中所存在的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行協(xié)調(diào)，確保可將系統(tǒng)內(nèi)的信息準(zhǔn)確的發(fā)送到不同的位置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制管理的真正意義。以往在完成機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，經(jīng)常忽略了信息反饋這一問題，認(rèn)為信息反饋并不重要，然而一旦系統(tǒng)中的信息反饋調(diào)節(jié)出現(xiàn)問題，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中命令出現(xiàn)問題，進(jìn)而促使機(jī)械產(chǎn)品出現(xiàn)問題。這種問題一旦出現(xiàn)難以解決，也會(huì)導(dǎo)致機(jī)械優(yōu)化出現(xiàn)失敗。因此，要求在完成神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中，針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)反饋調(diào)節(jié)處理，必須要對(duì)其中的變量設(shè)計(jì)以及對(duì)應(yīng)的約束條件進(jìn)行明確，只有這樣才能保證在約束條件中控制好其所需要發(fā)揮的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提高模型整體的工作效果。但是需要意識(shí)到在該模型中，其對(duì)應(yīng)模型一定會(huì)存在著一定的差異，這種差異是難以被協(xié)調(diào)和改變的，為此就要求系統(tǒng)模型在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的包容性，避免由于差異性而導(dǎo)致信息難以傳遞和反饋的問題，提高排除模型的局限性，真正優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，提高機(jī)械產(chǎn)品在應(yīng)用過程中的容錯(cuò)性，讓機(jī)械產(chǎn)品能夠更好地應(yīng)用在社會(huì)中。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著科技的發(fā)展與智能技術(shù)的逐漸優(yōu)化，人們對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的要求也逐漸提高，尤其是對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的綜合性能，無(wú)論是其功能性還是簡(jiǎn)便性，都有著越來(lái)越高的要求。如果始終按照傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化方式來(lái)進(jìn)行算法優(yōu)化，那么其優(yōu)化的效果難以滿足社會(huì)需求。只有利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)完成機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能讓機(jī)械產(chǎn)品的綜合性能滿足社會(huì)需求，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)積極的作用，并且克服傳統(tǒng)優(yōu)化算法中存在的問題。