·28 智能系统学报 第2卷 Key words :artificial immune system;engineering immune computing;engineering problem;product design 目前，受生物免疫系统启发而产生的人工免疫 归结为对若干种类的典型问题的求解.以产品设计 系统正在兴起，它作为计算智能研究的新领域，提供 领域为例，虽然产品设计的具体问题各种各样，其要 了一种强大的信息处理和问题求解范式】.人工 求和目标也各不相同，但是产品设计中潜在的可用 免疫系统(artificial immune system,AIS)之所以引 AIS进行求解的各种应用问题经过抽象或转换，可 起人们的极大兴趣，是因为人们希望从生物免疫系 以概括归纳为优化（如优化设计和布局设计等）、识 统的运行机制中获得启发，借助免疫机理和免疫学 别（设计方案如机构轨迹图谱的识别等）、学习（如产 原理建立和发展一种新颖、有效的计算智能方法，并 品族设计中核心平台的聚类分析等)、决策（如设计 用于解决工程实际中的复杂问题.De Castro指出， 方案的评价、决策等)、协同（如复杂产品协同设计 AIS是一种解决工程实际中各种复杂问题的有效手 等)和控制（如汽车空调控制系统的设计）等典型问 段，并提出了“免疫工程州)的概念，旨在促进AIS 题，也就是说，AIS在产品设计中的各种应用基本上 在工程中的应用.文献[4]也指出免疫系统所隐含的 可以归结为对上述几大类问题的求解 丰富资源给予工程人员很多灵感，开发、研究和建立 4)不同AIS应用领域中的某些应用问题可以 适用于工程应用的人工免疫系统，己经成为工程界 抽象或转换为同一类问题进行处理，这意味着不同 关注的焦点，并己在国内外形成活跃的研究氛围， 领域中的某些问题由于具有某一些共性特征，适于 采用同一类免疫算法进行求解.例如，产品设计中的 1 工程免疫计算的提出 布局设计和制造领域中的车间调度都可以抽象为优 从工程应用角度来看，免疫系统的行为特性及 化问题，进而用免疫优化算法进行求解，又如产品设 运行机制与工程领域中许多研究方向有着紧密的联 计中的设计方案识别和图像处理中的文字、符号识 系.实际上，AIS已经在很多工程领域获得了广泛应 别都可以抽象为识别问题进而用免疫识别算法进行 用.利用免疫系统的阴性选择原理构建“计算机免疫 求解 系统M1成为AIS在工程中最直接的一种应用，信 上述分析表明，各个工程领域中潜在的可用 息安全也成为AIS较早的应用领域之一.除了信息 AIS进行求解的诸多应用问题通过抽象或转换，可 安全外，AIS还被成功用于故障诊断、机器人技术、 以归结为若干类别的典型工程问题（本文将由各工 自动控制、数据处理、图像处理、产品设计与制造等 程领域中的具体应用问题通过抽象或转换得到的待 领域1！，为许多复杂问题的有效解决提供了新的 求解问题定义为工程问题)，并结合AIS的有关原 思路和方法.尽管这些工程应用涉及到的具体对象 理和技术进行求解.基于这些关于AS求解工程实 各不相同，下面的分析力图说明AIS在求解工程实 际问题所具有的聚类特征的分析和说明，本文通过 际问题时表现出明显的共性特点和聚类特征 抽象和提炼，概括提出工程免疫计算(engineering 1)AIS在解决工程领域中的应用问题时，通常 immune computing,EIC)的概念，旨在为更好地利 先根据待求解问题的基本特征将其抽象为某一种典 用AIS解决工程实际中的诸多复杂问题提供有效 型问题，进而结合AIS的有关原理和技术进行求 的方法指导，从而提高AIS解决工程实际问题的能 解.例如，文献[13]将轨迹综合问题视作模式匹配问 力，促进AIS在工程中广泛而深入的应用」 题，综合运用ANE无监督学习模型4，、AIRS有监 督学习模型)和阴性选择算法改进模型，提出了一 2工程免疫计算的基本概念 种基于免疫计算的机构轨迹间接综合的新方法， 2.1工程免疫计算的定义与内涵 2)对于直接求解难度较大的应用问题，往往先 定义1工程问题是指对工程领域中的具体应 进行问题转换，然后再用免疫方法进行求解.例如， 用问题通过抽象或转换得到的具有工程应用背景的 文献[16]为了解决机构同构判定问题，首先将其转 待求解问题 换为可降次的旅行商问题—典型的组合优化问 工程问题可以分为若干类，而每一类工程问题 题，进而用免疫方法对其求解. 在问题特征和求解方法上具有共性特点 3)每一个AS应用领域中的各种应用问题通 定义2工程免疫计算由面向工程应用的AS 过抽象或转换可以归结为若干类别的典型问题，这 原理、技术、理论和方法组成，它以工程实际中的应 意味着AIS在某个领域中的各种应用实际上可以 用问题为导向，通过抽取应用问题的本质特征将其 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.netKeywords :artificial immune system ; engineering immune comp uting ; engineering problem ; product design 目前 ,受生物免疫系统启发而产生的人工免疫 系统正在兴起 ,它作为计算智能研究的新领域 ,提供 了一种强大的信息处理和问题求解范式[1 - 2 ] . 人工 免疫系统(artificial immune system ,AIS) 之所以引 起人们的极大兴趣 ,是因为人们希望从生物免疫系 统的运行机制中获得启发 ,借助免疫机理和免疫学 原理建立和发展一种新颖、有效的计算智能方法 ,并 用于解决工程实际中的复杂问题. De Castro 指出 , AIS 是一种解决工程实际中各种复杂问题的有效手 段 ,并提出了“免疫工程”[3 ] 的概念 ,旨在促进 AIS 在工程中的应用. 文献[ 4 ]也指出免疫系统所隐含的 丰富资源给予工程人员很多灵感 ,开发、研究和建立 适用于工程应用的人工免疫系统 ,已经成为工程界 关注的焦点 ,并已在国内外形成活跃的研究氛围. 1 工程免疫计算的提出 从工程应用角度来看 ,免疫系统的行为特性及 运行机制与工程领域中许多研究方向有着紧密的联 系. 实际上 ,AIS 已经在很多工程领域获得了广泛应 用. 利用免疫系统的阴性选择原理构建“计算机免疫 系统”[5 ] 成为 AIS 在工程中最直接的一种应用 ,信 息安全也成为 AIS 较早的应用领域之一. 除了信息 安全外 ,AIS 还被成功用于故障诊断、机器人技术、 自动控制、数据处理、图像处理、产品设计与制造等 领域[ 1 - 18 ] ,为许多复杂问题的有效解决提供了新的 思路和方法. 尽管这些工程应用涉及到的具体对象 各不相同 ,下面的分析力图说明 A IS 在求解工程实 际问题时表现出明显的共性特点和聚类特征. 1) A IS 在解决工程领域中的应用问题时 ,通常 先根据待求解问题的基本特征将其抽象为某一种典 型问题 ,进而结合 AIS 的有关原理和技术进行求 解. 例如 ,文献[ 13 ]将轨迹综合问题视作模式匹配问 题 ,综合运用 A IN E 无监督学习模型[14 ] 、A IRS 有监 督学习模型[15 ]和阴性选择算法改进模型 ,提出了一 种基于免疫计算的机构轨迹间接综合的新方法. 2) 对于直接求解难度较大的应用问题 ,往往先 进行问题转换 ,然后再用免疫方法进行求解. 例如 , 文献[ 16 ]为了解决机构同构判定问题 ,首先将其转 换为可降次的旅行商问题 ———典型的组合优化问 题 ,进而用免疫方法对其求解. 3) 每一个 AIS 应用领域中的各种应用问题通 过抽象或转换可以归结为若干类别的典型问题 ,这 意味着 A IS 在某个领域中的各种应用实际上可以 归结为对若干种类的典型问题的求解. 以产品设计 领域为例 ,虽然产品设计的具体问题各种各样 ,其要 求和目标也各不相同 ,但是产品设计中潜在的可用 AIS 进行求解的各种应用问题经过抽象或转换 ,可 以概括归纳为优化 (如优化设计和布局设计等) 、识 别(设计方案如机构轨迹图谱的识别等) 、学习(如产 品族设计中核心平台的聚类分析等) 、决策 (如设计 方案的评价、决策等) 、协同 (如复杂产品协同设计 等) 和控制(如汽车空调控制系统的设计) 等典型问 题 ,也就是说 ,AIS 在产品设计中的各种应用基本上 可以归结为对上述几大类问题的求解. 4) 不同 AIS 应用领域中的某些应用问题可以 抽象或转换为同一类问题进行处理 ,这意味着不同 领域中的某些问题由于具有某一些共性特征 ,适于 采用同一类免疫算法进行求解. 例如 ,产品设计中的 布局设计和制造领域中的车间调度都可以抽象为优 化问题 ,进而用免疫优化算法进行求解 ,又如产品设 计中的设计方案识别和图像处理中的文字、符号识 别都可以抽象为识别问题进而用免疫识别算法进行 求解. 上述分析表明 ,各个工程领域中潜在的可用 AIS 进行求解的诸多应用问题通过抽象或转换 ,可 以归结为若干类别的典型工程问题 (本文将由各工 程领域中的具体应用问题通过抽象或转换得到的待 求解问题定义为工程问题) ,并结合 A IS 的有关原 理和技术进行求解. 基于这些关于 A IS 求解工程实 际问题所具有的聚类特征的分析和说明 ,本文通过 抽象和提炼 ,概括提出工程免疫计算 (engineering immune comp uting , EIC) 的概念 ,旨在为更好地利 用 AIS 解决工程实际中的诸多复杂问题提供有效 的方法指导 ,从而提高 AIS 解决工程实际问题的能 力 ,促进 AIS 在工程中广泛而深入的应用. 2 工程免疫计算的基本概念 211 工程免疫计算的定义与内涵 定义 1 工程问题是指对工程领域中的具体应 用问题通过抽象或转换得到的具有工程应用背景的 待求解问题. 工程问题可以分为若干类 ,而每一类工程问题 在问题特征和求解方法上具有共性特点. 定义 2 工程免疫计算由面向工程应用的 AIS 原理、技术、理论和方法组成 ,它以工程实际中的应 用问题为导向 ,通过抽取应用问题的本质特征将其 ·28 · 智 能 系 统 学 报 第 2 卷