[发明专利]一种基于遗传算法的室内环境反向设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及建筑的室内环境设计领域，特别是基于遗传算法的室内环境反向设计方 法。

背景技术

建筑室内环境设计包含三个主要内容：设计变量、设计目标以及设计方法。设计方 法是室内环境设计的核心内容，可按设计方向分为两大类：正向设计与反向设计。正向 设计根据设计变量值确定相应的设计目标值，通过不断的尝试或利用设计者本身的经 验，对设计变量值进行修正，逐步使设计目标值达到设计要求，进而完成室内环境的设 计过程。但由于室内环境设计问题的复杂性和设计参数的非线性等因素，正向设计过程 往往很难得到理想的结果。反向设计基于结果求原因的顺序，根据设计目标值确定相应 的设计变量值，设计过程存在明确的方向性，且不需要设计者有丰富的经验。因此，反 向设计方法在室内环境设计中的适用性更强。

优化方法是最常用的反向设计方法，其适用性强，应用范围广。遗传算法是一种经 典的优化算法，与其它优化算法相比，遗传算法更容易探索整个设计空间，并找到全局 最优解。它把优化过程看成是生物种群的进化过程，每个变量可能的解表示成一个染色 体的片段，所有变量可能的解按顺序排列成一条完整的染色体，每条染色体代表进化过 程中的一个个体，处于同一代的所有个体称为一个种群。在执行遗传算法之前，首先给 出初始种群，也就是一些假设的解。然后，把这些假设解置于问题的环境中，并按照适 者生存的原则，通过交叉、变异、选择等过程产生更适应环境的新一代种群。这样一代 一代地进化，最后就会收敛得到问题的最优解。

使用遗传算法时，经常会遇到多目标问题，可以使用非支配排序的方法解决此问题。 这里以最大化问题为例，表述非支配关系，对于两个任意个体A、B：

对于任意目标函数f，均满足f(A)>f(B)，称A占优B或A支配B；

(2)若A不占优于B，且B不占优于A时，称A与B无差别。

非支配个体是指不被其它任何个体所支配的个体，它们的特点是如果对其中一个目 标进行提高，必将损害其它至少一个目标。所有非支配个体构成帕累托前沿，在帕累托 前沿上的个体不受任何其它个体支配。

通过非支配排序方法，对个体数为n的种群进行排序的具体步骤如下：

(1)设i＝1；

(2)对于所有的j＝1，2…，n，且j≠i，按照支配关系的定义比较个体i和个体j 之间的支配与非支配关系；

(3)如果不存在任何一个个体j优于i，则i标记为非支配个体；

(4)令i＝i+1，转到步骤(2)，直到找到所有的非支配个体。

(5)通过上述步骤得到的非支配个体集是种群的第一级非支配层，然后，忽略这 些已经标记的非支配个体，再遵循步骤(1)～(4)，就会得到第二级非支配层。依此 类推，直到整个种群被分层。

(6)种群分层结束后，对每个支配层内的个体，使用拥挤度进行排序，得到所有 个体的排序。拥挤度计算公式如下：

tk=Σi=1n(|fi(k+1)-fi(k-1)|)---(1)]]>

t_k为第k个点的拥挤度，f_i(k+1)为第k+1个点第i个目标的目标函数值，f_i(k-1) 为第k-1个点的第i个目标的目标函数值。