基于智能算法的腸胃機(jī)形態(tài)優(yōu)化設(shè)計研究

李 穎，吳康鑫

(湖北省腫瘤醫(yī)院，湖北 武漢 430079)

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷成熟和同類型醫(yī)療器械產(chǎn)品的大量出現(xiàn)，單純只注重產(chǎn)品的性能已不能滿足客戶的需求[1-2]。腸胃機(jī)的形態(tài)優(yōu)化設(shè)計成為目前醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的話題，相關(guān)專家學(xué)者引入產(chǎn)品基因以及各種評價方法進(jìn)行形態(tài)優(yōu)化設(shè)計，但均沒有達(dá)到理想的優(yōu)化效果。智能算法是當(dāng)前發(fā)展較為快速的智能技術(shù)和理論，它包含了遺傳算法、模擬退火算法以及禁忌搜索等指導(dǎo)性算法，也包含混沌搜索、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)動態(tài)演化算法。其中，遺傳算法在優(yōu)化設(shè)計方面具有獨特的優(yōu)勢。本文利用交互式遺傳算法進(jìn)行腸胃機(jī)形態(tài)優(yōu)化設(shè)計，引入形態(tài)基因和語義基因并分析兩者之間的聯(lián)系，通過共識滿意度函數(shù)選取最優(yōu)產(chǎn)品模型。

1 腸胃機(jī)形態(tài)分析和語義基因提取

腸胃機(jī)的電動檢查床、機(jī)身、球館是決定腸胃機(jī)形態(tài)差異的關(guān)鍵部件[3-4]。球館的形態(tài)基因包括類正方形、正圓形、圓角形、不規(guī)則形，電動檢查床床體的形態(tài)基因包括平板形、圓凸形、凸形，機(jī)身的形態(tài)基因包括圓角形、半圓形、不規(guī)則形、類多邊形。腸胃機(jī)在進(jìn)行形態(tài)優(yōu)化之前需進(jìn)行形態(tài)語義分析和形態(tài)基因提取。本文利用語義差異法找出符合產(chǎn)品形態(tài)的語義基因，然后將產(chǎn)品樣本通過聚類分析法提取出來并利用因子分析法提取產(chǎn)品形態(tài)代表性語義基因。初步選取51個情感風(fēng)格的形容詞對，經(jīng)3位腸胃機(jī)操作醫(yī)生和2位受檢者篩選，最終確定12個情感風(fēng)格的形容詞對，分別是寒冷的-溫暖的、硬朗的-圓潤的、生疏的-親和的、靜態(tài)的-動態(tài)的、傳統(tǒng)的-現(xiàn)代的、復(fù)雜的-簡潔的、平凡的-創(chuàng)意的、幾何的-流線的、誤差的-精準(zhǔn)的、單向的-互動的、危險的-安全的、冒險的-可靠的。腸胃機(jī)樣本的提取通過5名專業(yè)的研究人員根據(jù)12個形容詞對對30個腸胃機(jī)進(jìn)行相似度對比打分，分值為0～5分。30×30的相似性矩陣的表達(dá)為：

(1)

式中：X為相似矩陣；xij為第i腸胃機(jī)和第j腸胃機(jī)的相似度，i,j=1,2,…,30。使用SPSS軟件對5名研究員分別給出的5組平均相似矩陣的結(jié)果進(jìn)行聚類分析，得到情感風(fēng)格相似的腸胃機(jī)，聚類樹形圖如圖1所示。15分作為分類的臨界點，將30個腸胃機(jī)分為6類，分別是序號3、20、24、25、27為第一類，序號6、10、12、14、26為第二類，序號17、21、29、30為第三類，序號1、2、4、15、16、18、19為第四類，序號7、8、9、11、22為第五類，序號5、13、23、28為第六類。每類中典型的樣本序列號分別為25，26，21，15，11，23。

圖1 聚類結(jié)果-樹形圖

選取2名經(jīng)驗豐富的研究生和6名機(jī)械設(shè)計部門的研究人員作為受試者，利用李克特7點尺度量對6臺典型性樣機(jī)進(jìn)行評分。將風(fēng)格意向語義平均值經(jīng)SPSS軟件進(jìn)行分析，得到的分析結(jié)果碎石圖如圖2所示。由圖2可知，有3個因子特征值大于1的風(fēng)格語義分子，總的貢獻(xiàn)率達(dá)到了94.856%。通過進(jìn)一步分析因子負(fù)荷量和因子載荷系數(shù)的絕對值，最終選定寒冷的-溫暖的、硬朗的-圓潤的、單向的-互動的、幾何的-流線的、誤差的-精準(zhǔn)的5組形容詞對作為具有代表性風(fēng)格意向語義基因。

圖2 碎石圖

2 基于交互式遺傳算法的腸胃機(jī)形態(tài)優(yōu)化模型

2.1 交互式遺傳算法

遺傳算法是處理優(yōu)化問題常用的一種方法。隨著遺傳算法的發(fā)展，其在解決多類問題時具有更強(qiáng)的處理能力，適用于工程和研究等領(lǐng)域。最近興起的改進(jìn)型遺傳算法有向量評估多目標(biāo)遺傳算法、交互式遺傳算法(IGA)、非劣質(zhì)分層遺傳算法[5-6]。IGA是在進(jìn)化理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行形態(tài)優(yōu)化的方法，經(jīng)過交叉、變異、自然選擇3個步驟優(yōu)化產(chǎn)品外形。和經(jīng)典的遺傳算法相比，IGA能夠在具體的應(yīng)用過程中經(jīng)過多次迭代得到符合適應(yīng)度函數(shù)的最優(yōu)解決方案。IGA提出利用人類的主觀評價作為個體適應(yīng)度的評價標(biāo)準(zhǔn)，替代經(jīng)典算法中的適應(yīng)度函數(shù)，因此IGA系統(tǒng)融入了人類喜好、情感、心理優(yōu)化、直覺等重要的隱性指標(biāo)，能夠更好地找到滿足設(shè)計要求的最優(yōu)解。IGA流程如圖3所示。

圖3 交互式遺傳算法具體流程

2.2 基于交互式遺傳算法的腸胃機(jī)形態(tài)優(yōu)化模型

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ayn為腸胃機(jī)語義基因y和形態(tài)設(shè)計基因n的相關(guān)性。第u個形態(tài)設(shè)計基因和語義基因評價值的偏相關(guān)性Ryu為：

(6)

式中：auy為腸胃機(jī)語義基因y和u的相關(guān)性。通過以上公式，可以對腸胃機(jī)的形態(tài)設(shè)計基因和語義基因數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，得到兩者之間的關(guān)系，貢獻(xiàn)值的絕對值大小表現(xiàn)兩者之間的關(guān)系強(qiáng)弱，貢獻(xiàn)值的正、負(fù)分別表示情感含義相反的形容詞。交互式遺傳算法模型主要包括編碼染色體和構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù),合理的染色體編碼可提高遺傳算法的求解速度和質(zhì)量。腸胃機(jī)的形態(tài)由球館、床體、機(jī)身3個部分決定，其特征以二進(jìn)制的形式表達(dá)，設(shè)計基因的編碼均為6位，因此腸胃機(jī)的編碼為18位[7-8]，構(gòu)建的腸胃機(jī)染色體編碼如圖4所示。

通過評分的方式來量化腸胃機(jī)的滿意度和共識度，分值的大小表示用戶的滿意程度。用戶的評分分為3個等級，分別是滿意(3分)、一般(2分)、不滿意(1分)。同時給滿意度和共識度分配相應(yīng)的權(quán)重，避免在滿意度分值相同的情況下，難以對方案進(jìn)行正確的選擇[9-10]。假設(shè)用戶評價分值為{Fi}，i=1,2,…,n，F(xiàn)max={Fl；Fl≥Fi}，F(xiàn)min={Fk；Fk≤Fi}，F(xiàn)l和Fk分別為用戶l和用戶k的評分值，F(xiàn)max和Fmin分別為分值中的最大值和最小值。對Fi進(jìn)行[0，1]歸一化處理為：

S(Fi)=(Fi-Fmin)/(Fmax-Fmin)

(7)

式中：S(Fi)為Fi歸一化后的數(shù)值。假定共識度是T，標(biāo)準(zhǔn)差表示為：

(8)

(9)

(10)

式中：Fitness為共識滿意度。

3 腸胃機(jī)的形態(tài)優(yōu)化結(jié)果及分析評價

利用所提出的模型設(shè)計了一款融合溫暖的、精準(zhǔn)的風(fēng)格意向語義基因的腸胃機(jī)，運用交互式遺傳算法選出20名用戶和研究人員共識滿意度評分最高的個體，并利用犀牛軟件建立其模型，渲染圖如圖5所示。由圖可以看出，進(jìn)行形態(tài)優(yōu)化之后的腸胃機(jī)整體看起來很專業(yè)，能增強(qiáng)客戶的信賴感，其圓潤的設(shè)計融合冷色系的低調(diào)和簡潔，看起來非常舒服，且節(jié)省空間。該腸胃機(jī)符合最初所提出的設(shè)計要求。

圖5 腸胃機(jī)渲染圖

實驗將溫暖的、圓潤的、互動的、流線的、精準(zhǔn)的5種風(fēng)格意向語義基因兩兩結(jié)合，設(shè)計了10種方案，分別為溫暖圓潤、溫暖互動、溫暖流線、溫暖精準(zhǔn)、圓潤互動、圓潤流線、圓潤精準(zhǔn)、互動流線、互動精準(zhǔn)、流線精準(zhǔn)，評價者為20名用戶和研究人員，評價分值為[1，10]，共識滿意度大于0.8方案的個體為滿意的個體。10種方案的平均共識滿意度及交互式遺傳算法迭代次數(shù)如圖6所示。從圖中可以看出，溫暖圓潤方案在迭代到第4代和第9代、溫暖互動方案在迭代到第3代和第11代、溫暖流線方案在迭代到第5代和第10代、溫暖精準(zhǔn)方案在迭代到第6代和第8代、圓潤互動方案在迭代到第4代和第10代、圓潤流線方案在迭代到第5代和第9代、圓潤精準(zhǔn)方案在迭代到第4代和第10代、互動流線方案在迭代到第5代和第11代、互動精準(zhǔn)方案在迭代到第7代和第10代、流線精準(zhǔn)方案在迭代到第5代和第7代，個體模型為最優(yōu)模型。

圖6 10種方案的平均共識滿意度和交互式遺傳算法迭代次數(shù)

20名評價者對10種方案的評價結(jié)果如圖7所示，若綜合得分在142分及以上，說明該方案具有明顯的優(yōu)化效果。從圖7可以看出，溫暖圓潤、圓潤互動、圓潤精準(zhǔn)、互動流線、互動精準(zhǔn)5種風(fēng)格意向語義方案得分在142分及以上，具有明顯的優(yōu)化效果，而溫暖互動和溫暖流線風(fēng)格意向語義方案得分較低，其優(yōu)化效果不明顯。

圖7 20名評價者對10種方案情感語義評估結(jié)果

采用模糊評價方法驗證所提出設(shè)計方案的可行性。針對評價過程中存在色彩、安全性等軟性指標(biāo)，引入語言變量使模糊信息數(shù)值化，有助于進(jìn)行合理公正的定量評價。隸屬度為[0,1]的任意數(shù)，該值越接近1，表示隸屬度越高。20名用戶和研究人員的評分均為[1,10]分，評分為[1，6]，表示腸胃機(jī)設(shè)計方案不滿足設(shè)計要求(不滿意)；評分為[6，8]，表示方案基本符合設(shè)計要求(基本滿意)；評分為[8，10]，表示方案滿足設(shè)計要求(滿意)。為提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，去掉最低分和最高分后，再計算該方案的平均得分。10種方案的平均得分為8.20分，其中圓潤互動方案得分最低，為8.16分，滿意、基本滿意、不滿意的程度分別為0.009,0.991,0；流線精準(zhǔn)方案得分最高，為8.28，滿意、基本滿意、不滿意的程度分別為0.123,0.756,0.121。10種方案的得分統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示。由圖可知，所設(shè)計的形態(tài)優(yōu)化模型能夠滿足設(shè)計的需求。

圖8 10種方案的隸屬函數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié)束語

醫(yī)療器械在保證其功能特性的同時，外觀形態(tài)優(yōu)化設(shè)計成為了該領(lǐng)域新的市場需求。針對腸胃機(jī)形態(tài)設(shè)計的不足，本文提出了一種基于交互式遺傳算法的形態(tài)優(yōu)化設(shè)計模型，經(jīng)過交互式遺傳算法迭代分析，在12代以內(nèi)出現(xiàn)了滿足設(shè)計要求的產(chǎn)品，且共識滿意度達(dá)到0.8以上。經(jīng)過20名研究人員和用戶對基于5組意向風(fēng)格基因的10種設(shè)計方案進(jìn)行評價，其中5種方案的優(yōu)化結(jié)果具有較高的滿意度，并且符合設(shè)計要求。鑒于本文的研究結(jié)果受限于客觀條件，后續(xù)將對腸胃機(jī)的形態(tài)進(jìn)行大量客觀公正的評價，以進(jìn)一步驗證優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的可靠性。