[发明专利]一种基于脑电信号的产品设计过程分期方法

摘要

本发明公开的一种基于脑电信号的产品设计过程分期方法，涉及基于脑电信号的产品设计思维过程分期方法，属于产品辅助设计、知识工程、智能制造领域。本发明实现方法为：选取适用于产品设计思维过程脑电信号的基本节律波，得到基本节律波对应的频率范围，采集设计者设计过程的脑电信号，对脑电信号进行小波分解，根据小波分解结果及选取的脑电信号基本节律波的频率范围得到脑电基本节律波；依次计算每个时间窗口的脑电特征参数，获得特征参数点；对各个窗口的特征参数进行基于密度峰值的聚类分析，得到基于脑电信号的设计思维状态的聚类结果；根据得到基于脑电信号的设计思维状态的聚类结果进行脑电信号分期；利用脑电信号分期结果解决工程问题。

主权项

1.一种基于脑电信号的产品设计过程分期方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、选取适用于产品设计思维过程脑电信号的基本节律波，得到基本节律波对应的频率范围，采集设计者产品设计过程的脑电信号，对脑电信号进行小波分解，根据小波分解结果及选取的脑电信号基本节律波的频率范围得到脑电基本节律波；所述的小波分解结果包括小波系数与频率范围的对应关系，根据小波系数与频率范围的对应关系表示成步骤1.1中的脑电基本节律波；步骤1.1、选取适用于产品设计思维过程脑电信号的基本节律波，得到基本节律波对应的频率范围；选取适用于产品设计思维过程脑电信号的基本节律波，得到基本节律波对应的频率范围，基本节律波对应的频率范围包括α节律波(8～13Hz)、β节律波(13～30Hz)、θ节律波(4～8Hz)和δ节律波(1～4Hz)，在不同的产品设计阶段存在不同的脑电节律波；步骤1.2、采集设计者产品设计过程的脑电信号，根据脑电信号的采样频率及选取的基本节律波对脑电信号进行小波分解；步骤1.3、根据小波分解结果及选取的脑电信号基本节律波的频率范围得到设计过程中的脑电基本节律波及表示结果；步骤二、依次计算每个时间窗口的脑电特征参数，获得特征参数；步骤2.1、将产品设计思维过程脑电的时间序列分成若干个宽度为τ的时间窗口；设脑电原始数据为N点的时间序列，表示为{v₁,v₂,…,v_N}；设定时间窗口长度为τ，时间窗口个数为M，将原始数据表示为：{u₁,u₂,…,u_M}      (1)其中u₁＝{v₁,v₂,…,v_τ},…,u_M＝{v_τ(M‑1)+1,v_τ(M‑1)+2,…,v_τ(M‑1)+τ}；步骤2.2、分别计算各个时间窗口下α、β、θ、δ节律波的样本熵，获得特征参数；根据步骤1.3中脑电基本节律波的表示结果对式(1)中的序列进行样本熵求解；样本熵求解方法如下：I、将序列{u(i)}按顺序组成m维矢量，即：X_m(i)＝[u(i)，u(i+1)，…，u(i+m‑1)]，i＝1，2，…，N‑m      (2)II、对每一个i值计算矢量X_m(i)与其余矢量X_m(j)之间的距离：III、给定一个相似容限r值(r>0)，对每一个i值统计d[X_m(i),X_m(j)]<r,(ij＝1～N–m,i≠j)的数目，以及此数目与总的距离数目N‑m‑1的比值，记作即：IV、求对所有i值的平均值，记做B^m(r)，即：V、增加维数为m+1，构造一个m+1维矢量，即：X_m+1(i)＝[u(i)，u(i+1)，…，u(i+m)]，i＝1～N‑m      (6)VI、对每一个i值计算矢量X_m+1(i)与其余矢量X_m+1(j)之间的距离：VII、统计不同i值对应的d[X_m+1(i),X_m+1(j)]<r,(ij＝1～N–m,i≠j)的数目，利用式(10)求得与总距离数目N‑m‑1的比值即：VIII、求对所有i值的平均值，记做B^m+1(r)，即：上次序列的样本熵为：当N为有限值时，得到序列长度为N时的样本熵的估计值，记作：SampEn(m，r，N)＝‑ln[B^m+1(r)/B^m(r)]      (11)样本熵的值显然与m和r的取值有关，其中SD(u)表示原始时间序列的标准差；根据样本熵求解方法计算出步骤1.1中脑电基本节律波的样本熵为S_α，S_β，S_θ，S_δ，即为特征参数，各个时间窗口的特征参数依次为[S_α,S_β,S_θ,S_δ]₁，…，[S_α,S_β,S_θ,S_δ]_M；步骤三、对各个时间窗口的特征参数进行基于密度峰值的聚类分析，得到基于脑电信号的设计思维状态的聚类结果；步骤三具体实现方法为，步骤3.1、对步骤2.2中获得的各个时间窗口的特征参数，得到点P_i(1≤i≤M)；步骤3.2、计算点P_i(1≤i≤M)本身的密度ρ_i和到更大密度点的距离δ_i，并在二维平面内以ρ_i和δ_i为横纵坐标描点，得到点Q_i(1≤i≤M)；点Q_i本身的密度定义为ρ_i＝∑χ(d_ij‑dc)，当x<0时χ(x)＝1，否则χ(x)＝0；ρ_i即为到点Q_i距离小于d_c的数目；在以点Q_i为中心，以d_c为半径的圆内，应包含全部点数量a％的点；点Q_i到更大密度点的距离定义为δ_i为点Q_i到比点Q_i密度更大点的最小距离；步骤3.3、确定基于密度峰值的聚类中心，得到基于脑电信号的设计思维状态的聚类结果，聚类结果即集群的数目及所在集群中的所有点；根据步骤3.2中二维平面内的描点结果，具有较大ρ_i和δ_i值的为聚类中心；在确定聚类中心之后，剩余的点被分配到与它最近的密度较高的点相同的集群中，集群的数目与聚类中心的数目相同均为X；得到基于脑电信号的设计思维状态的聚类结果，聚类结果即集群的数目及所在集群中的所有点；步骤四、根据步骤三得到基于脑电信号的设计思维状态的聚类结果进行脑电信号分期；步骤五、根据步骤四得到产品思维设计过程脑电的分期结果，得出设计者在每个设计状态的脑电特征，进而得出设计者思维特征，解释产品设计思维的过程；根据自动分期结果在不同的状态给设计者提供不同的辅助设计信息，改进设计方案，提高所设计产品性能，解决相关工程问题。