基于ANN交互式遺傳算法的智能手機(jī)外觀概念設(shè)計研究

張 茜，田祥龍

（天津大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津 300072）

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，人們的生活水平不斷提高，而手機(jī)的演化更是深刻的體現(xiàn)了這一點(diǎn)，從最早的大哥大到后來的彩屏手機(jī)，再到現(xiàn)在的智能手機(jī)，手機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，也成為了人們生活的必需品。而手機(jī)生產(chǎn)商之間的競爭也日趨白熱化，若想要在激烈的競爭中站穩(wěn)腳步，滿足客戶的需要，以客戶為導(dǎo)向的產(chǎn)品設(shè)計是非常重要的因素[1]。而客戶的個性化需求一部分是體現(xiàn)在功能上，還有一個重要的部分就是產(chǎn)品的外觀，而產(chǎn)品的外觀有時甚至起到更加關(guān)鍵的作用[2]。因此，每個手機(jī)生產(chǎn)商均把手機(jī)的外觀設(shè)計作為開發(fā)新產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。而目前關(guān)于智能手機(jī)的外觀設(shè)計的相關(guān)文獻(xiàn)較少，而且大都聚焦在對于現(xiàn)有產(chǎn)品的設(shè)計風(fēng)格的分析以及對于未來趨勢的預(yù)測[4-5]，或者是分析如何利用計算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行設(shè)計[6]，而對于如充分考慮客戶的個性化需求，設(shè)計出客戶滿意的方案，則沒有涉及。因此，本文將交互式遺傳算法應(yīng)用在智能手機(jī)外觀的設(shè)計中，使得客戶能夠直接參與到產(chǎn)品的設(shè)計中，從而滿足其個性化需求。交互式遺傳算法（Interactive Genetic Algorithms，IGA） 于 1980年代中期被提出，是解決含有隱性或模糊指標(biāo)的優(yōu)化問題的有效方法[7]。IGA最顯著的特點(diǎn)就是融入了人的智能，個體的適應(yīng)度由用戶指定而非通過函數(shù)，因為含有隱形或模糊指標(biāo)時函數(shù)很難甚至不可能明確地反映個體適應(yīng)度。IGA已被成功應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如人臉識別、服裝設(shè)計、音樂作曲、助聽器驗配等等[8-11]。然而IGA也存在一些限制，由于用戶通過人機(jī)界面指定個體的適應(yīng)度，頻繁的交互很容易引起用戶疲勞。因此本文應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks，ANN）來適度代替用戶對交互式遺傳算法中產(chǎn)生的個體進(jìn)行評價，從而能夠減少用戶的評價時間，降低疲勞度。

1 基于ANN的交互式遺傳算法

交互式遺傳算法是解決隱式性能指標(biāo)優(yōu)化問題的非常有效的方法，它將人的智能與進(jìn)化算法有機(jī)的結(jié)合在一起，因此能夠使客戶積極的參與到設(shè)計中來。傳統(tǒng)的交互式遺傳算法包括以下幾個步驟。首先，將要優(yōu)化的問題進(jìn)行編碼，使之成為交互式遺傳算法能夠識別的“基因”；然后生成初始種群，用戶對其進(jìn)行評價，賦予其適應(yīng)值；接下來就是進(jìn)化過程，也就是經(jīng)過交叉、變異生成新的種群，然后用戶再進(jìn)行評價，直到出現(xiàn)滿意的個體。但是傳統(tǒng)的IGA要求所有的個體都需要用戶來評價，從而得到適應(yīng)值，因此，長時間的交互評價會使得用戶非常容易陷入疲勞，從而影響交互的準(zhǔn)確度。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)進(jìn)化過程中用戶的偏好，得出模擬函數(shù)，然后就可以代替疲勞的用戶對進(jìn)化產(chǎn)生的個體進(jìn)行評價，如圖1所示。開始的幾次進(jìn)化過程中，由用戶來進(jìn)行評價，而ANN則進(jìn)行學(xué)習(xí)。當(dāng)ANN學(xué)習(xí)結(jié)束后，則用戶可以選擇繼續(xù)人工進(jìn)行評價或者是利用ANN模擬評價。如果選擇ANN進(jìn)行評價，那么系統(tǒng)運(yùn)行的效率會大大提升。下面將講述如何應(yīng)用ANN-IGA來實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)外觀的概念設(shè)計。

圖1 ANN-IGA的算法流程Fig.1 ANN-IGA algorithm flow

2 基于ANN-IGA手機(jī)外觀設(shè)計工作原理

本文應(yīng)用ANN-IGA解決智能手機(jī)外觀設(shè)計問題的工作原理如圖2所示。

圖2 基于ANN-IGA的智能手機(jī)外觀設(shè)計系統(tǒng)工作原理Fig.2 Smart phone design system principle based on ANN-IGA

首先，企業(yè)需要整合現(xiàn)有的手機(jī)設(shè)計資源，將其進(jìn)行模塊化分類。然后組織設(shè)計人員在現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上再進(jìn)行設(shè)計，最后形成企業(yè)自身的設(shè)計資源數(shù)據(jù)庫，其中包括手機(jī)各個模塊的設(shè)計方案。然后通過編碼，將具體的手機(jī)各個模塊的設(shè)計實(shí)例編譯成ANN-IGA可以識別的基因片段，就可以進(jìn)入基于ANN-IGA的設(shè)計系統(tǒng)了。

在應(yīng)用ANN-IGA進(jìn)行設(shè)計時，用戶是系統(tǒng)的主要使用者，由其對系統(tǒng)進(jìn)化產(chǎn)生的個體進(jìn)行評價，賦予其適應(yīng)值，使進(jìn)化不斷進(jìn)行。而且在用戶感到疲勞之后，還可以選擇應(yīng)用ANN來進(jìn)行模擬評價，并且可以隨時中止ANN來自己進(jìn)行評價，直到產(chǎn)生滿意的設(shè)計個體。同時，設(shè)計人員可以隨時提供幫助，而且，如果最后到了系統(tǒng)強(qiáng)制結(jié)束后都沒有找到滿意個體，還可以通過與設(shè)計人員交流來幫助其找到滿意個體。

3 基于ANN-IGA手機(jī)外觀概念設(shè)計系統(tǒng)

3.1 智能手機(jī)外觀設(shè)計問題的編碼

應(yīng)用ANN-IGA解決智能手機(jī)外觀的設(shè)計問題，最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是如何對其進(jìn)行編碼，也就是如何使之成為交互式遺傳算法能夠識別的基因語言。

本文首先將智能手機(jī)的外觀分為機(jī)身、屏幕、開機(jī)/鎖屏鍵、功能鍵、揚(yáng)聲器、聽筒、攝像頭、閃光燈、USB接口等9個模塊，其對應(yīng)的基因片段如圖3所示。一條染色體代表一個設(shè)計出來的產(chǎn)品，總體分為10個部分，分別對應(yīng)智能手機(jī)的九大模塊和顏色模塊。每一部分又進(jìn)一步分為若干基因，每一個基因的二進(jìn)制代碼均代表一個具體的實(shí)例。例如，圖3中USB接口的編碼0010即代表如左圖所示的實(shí)例，即“接口在低端，標(biāo)準(zhǔn)化接口”。

將智能手機(jī)的各個模塊轉(zhuǎn)變?yōu)锳NN-IGA能夠識別的“基因”之后，就可以按照ANN-IGA的算法流程來對其進(jìn)行遺傳操作，經(jīng)過進(jìn)化最終得到用戶滿意的個體。

圖3 智能手機(jī)外觀設(shè)計問題的編碼Fig.3 Smart phone design issues coding

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

交互式遺傳算法的運(yùn)行過程需要用戶的參與，因此，交互界面是此算法中非常重要的部分。本文在ANN-IGA的基礎(chǔ)上開發(fā)出了智能手機(jī)外觀設(shè)計系統(tǒng)，其交互界面如圖4所示。

圖4 智能手機(jī)外觀設(shè)計系統(tǒng)交互界面Fig.4 Interface of Smart phone design system

界面分為左右兩部分，左面顯示的是遺傳操作中每一代的個體經(jīng)過解碼之后所呈現(xiàn)的設(shè)計圖像，然后用戶可以對每個個體進(jìn)行評價，為了避免評價范圍太廣而導(dǎo)致客戶猶豫，本文設(shè)定的評價區(qū)間為0-9，可通過拖動滾動按鈕來進(jìn)行評分。本系統(tǒng)每產(chǎn)生一代新種群，默認(rèn)的顯示圖像為手機(jī)的正視圖，如果客戶對于某一款設(shè)計感興趣，還可以點(diǎn)擊“3D”按鈕來查看設(shè)計方案的全視圖，即前后、左右、上下各個視圖，如圖5所示。

圖5 點(diǎn)擊“3D”查看設(shè)計全視圖Fig.5 Click the“3D”to view full view design

右半部分顯示的是當(dāng)前最優(yōu)的個體及其適應(yīng)值，以供用戶參考。當(dāng)用戶評價完一代之后，如果沒有發(fā)現(xiàn)滿意的個體，用戶可以點(diǎn)擊右下方的 “進(jìn)入下一代”，然后系統(tǒng)就會進(jìn)行“交叉、變異”等遺傳操作，生成下一代種群。期間如果用戶感到疲勞了，還可以通過點(diǎn)擊“應(yīng)用ANN模擬”來使用ANN模擬評價，從而減少用戶的疲勞度。

當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)令其滿意的個體時，可以點(diǎn)擊“最優(yōu)”來終止系統(tǒng)的運(yùn)行，然后系統(tǒng)會自動輸出最優(yōu)結(jié)果。如果系統(tǒng)運(yùn)行至截止代數(shù)還沒有滿意個體，那么系統(tǒng)會自動停止并輸出適應(yīng)值最高的個體。本系統(tǒng)截止代數(shù)為30代。

4 結(jié) 論

本文主要針對現(xiàn)有的智能手機(jī)外觀概念設(shè)計方法存在的一些不足：客戶不能實(shí)際參與到產(chǎn)品的設(shè)計中，難以得到令其滿意的結(jié)果，從而提出一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的交互式遺傳算法（ANN-IGA）來應(yīng)用到智能手機(jī)外觀的設(shè)計中，使得客戶能夠充分參與到手機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計過程中，最大程度的滿足其個性化需求。然后詳細(xì)闡述了本方法的工作原理，并建立了基于ANN-IGA的智能手機(jī)外觀設(shè)計系統(tǒng)。結(jié)果證明此方法能夠很好使用戶參與到智能手機(jī)的外觀設(shè)計過程中，從而得到令其滿意的設(shè)計方案，具有很好的使用性和應(yīng)用前景。

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