一种基于置信上限树搜索的平面简支桁架构型生成方法

本发明涉及构型生成领域，尤其是涉及一种基于置信上限树搜索的平面简支桁架构型生成方法。

背景技术：

1、构型设计处于整个建造活动中的概念和方案设计阶段。现在工程设计的重心被普遍放在施工图设计中，然而早期的概念和方案设计对工程性能、工程造价和结构性能有很大的影响。设计变更在工程建造活动中发生的时间越晚，所产生的额外造价越高。确立良好的结构概念和初步设计方案对保证最终设计结果的合理性起到举足轻重的作用。

2、传统的工程设计方法依赖于有经验工程师的试算试错过程与思维模式，设计过程繁琐，时间长、效率低，且易于产生设计变更。参数化设计方法将一些结构要素转换成参数，进行设计方案的遴选，本质上是把传统设计过程进行程序化，仍依赖人工进行结构参数的调整。而桁架构型的生成式设计，其目标是在满足设计约束的前提下，自动生成一个或多个最佳构型。其能够在规定的设计要求下，由计算机自主探索设计空间，从而得到新颖、高效的构型方案，为后续设计过程提供良好的基础。

3、中国专利申请号cn202110101197.8公开了一种基于树搜索的桁架装配序列规划方法，包括以下步骤:步骤s1：根据目标桁架结构生成桁架连接关系无向图；步骤s2：将桁架的杆实例化为多叉树的结点，并建立根结点，初始化多叉树；步骤s3：依据广度优先原则扩展该多叉树，从根结点开始逐层生成叶子结点，结点中依据稳定性计算公式求出相应的稳定性量化值；步骤s4：搜索扩展的叶子结点中最稳定的扩展方案进行回溯，并对多叉树剪枝；步骤s5：多叉树逐步退化为类似左偏树的结构，全部杆件均被扩展后得到最优的装配序列。

4、上述申请能够快速有效的获取符合稳定性要求的桁架装配序列，以在实现针对已知桁架结构的安装规划。但是，上述申请实现并未实现构型方案的自动生成。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于置信上限树搜索的平面简支桁架构型生成方法，以实现自动化地进行设计决策，得到符合要求的设计方案对应的桁架的构型图。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的一个方面，提供了一种基于置信上限树搜索的平面简支桁架构型生成方法，包括如下步骤：

4、步骤s1，针对平面简支桁架构型生成过程，构建马尔科夫决策模型；

5、步骤s2，获取目标平面简支桁架构型的设计信息；

6、步骤s3，获取置信上限树搜索算法的超参数；

7、步骤s4，基于所述设计信息以及所述马尔科夫决策模型，以最小化桁架的质量为目标，利用置信上限树搜索算法自动化生成平面简支桁架构型，输出桁架的构型图。

8、作为优选的技术方案，所述平面简支桁架要求桁架的支承条件必须为一端为固定铰支座，一端为滑动支座。所述构型由结点和结点间杆件所组成的图结构表征，桁架的结点即为图节点，连接桁架结点的杆件即为图边。所述马尔科夫决策模型包括四个基本要素，即状态、动作、状态转移模型以及收益函数。

9、作为优选的技术方案，所述的步骤s1包括如下步骤：

10、步骤s101，将桁架在生成过程中任一时刻的构型信息作为马尔科夫决策模型的状态，所述构型信息包括桁架结点的数据结构信息以及桁架杆件的数据结构信息；

11、步骤s102，以设计域的中心轴为对称轴对称地添加结点、对称地添加杆件以及对称地修改杆件截面三种序列决策动作构建所述马尔科夫决策模型的动作；

12、步骤s103，基于0-1分布构建所述马尔科夫决策模型的状态转移模型；

13、步骤s104，基于硬约束收益策略或软约束收益策略构建所述马尔科夫决策模型的收益函数。

14、作为优选的技术方案，所述设计域为由x、y二元坐标系所建立的矩形区域，所述设计域的中心轴为与y轴平行的且通过x轴中点的直线。所述序列决策是指三种动作必须按照对称添加结点、对称添加杆件、对称修改杆件截面的顺序执行。

15、作为优选的技术方案，桁架结点的数据结构信息包括结点的位置坐标、自由度、荷载条件以及支承条件，所述桁架杆件的数据结构信息包括杆件两端结点的编号、杆件两端结点的位置坐标、杆件的截面积、杆件的截面转动惯性矩、杆件长度、杆件内力以及杆件的稳定临界承载力。

16、作为优选的技术方案，所述的硬约束收益策略中，收益值rhar的计算方式为：当桁架无法通过几何稳定约束时，rhard＝-1；当桁架能够满足几何稳定约束，但不能通过其它附加约束时，收益值rhar＝0；当桁架能够通过所有约束时，收益值rhard＝λ/mass2，式中mass为桁架的质量，λ为标准化参数，

17、所述的软约束收益策略中，当桁架无法通过几何稳定约束时，收益值rsoft＝-1；当桁架能够满足几何稳定约束，但不能通过其它附加约束条件时，收益值为一个带有惩罚的正数值rsoft,当桁架能够通过所有约束时，收益值rsoft＝λ/mass2。

18、作为优选的技术方案，所述的添加结点包括：

19、当所添加的结点为轴结点时，在中心轴上添加一个结点到桁架构型中，当所添加的结点不是轴结点时，在设计域的中心轴两侧，以中心轴为对称轴分别添加一个结点到桁架构型中，

20、所述的添加杆件包括：

21、所添加杆件为轴杆件时，添加一根杆件，当所需添加杆件不是轴杆件时，在设计域的中心轴两侧以中心轴为对称轴分别添加一根杆件到桁架构型中，

22、所述的修改杆件截面包括：

23、当所修改截面的杆件为轴杆件时，修改该杆件的截面，当所修改截面的杆件不是轴杆件时，修改此根杆件以及与它同时被添加到桁架构型中的另一根对称杆件的截面。

24、作为优选的技术方案，所述的设计信息包括目标函数、设计变量、材料属性、约束条件和边界条件，其中，以最小化桁架的质量为目的构建所述目标函数，所述的设计变量包括依次确定的结点位置坐标、结点间杆件的拓扑连接以及杆件的截面，并且三种设计变量具有严格的设计顺序性，必须先确定桁架构型的结点位置坐标，再确定结点间杆件的拓扑连接，最后再确定杆件的截面，所述的材料属性包括材料的质量密度、弹性模量以及屈服强度，所述的约束条件包括几何稳定约束，约束条件还包括杆件应力约束、结点位移约束、杆件夹角约束、杆件长度约束、杆件刚度约束以及杆件不相交约束中的至少一个，所述的边界条件包括设计域、支承条件以及荷载作用，桁架的构型必须被限制在矩形设计域内；支承条件必须为一端为固定铰支座，一端为滑动支座；荷载作用的特征在于，荷载可以用一个力大小的作用于结点上的矢量表示，允许将任意大小和方向的荷载放在桁架构型的任何结点上。

25、作为优选的技术方案，所述的超参数包括桁架容许结点数p、算法搜索次数上限值i、置信上限公式参数c、收益函数的权重系数α以及收益函数的标准化参数λ。

26、作为优选的技术方案，所述的置信上限树搜索算法包括如下步骤：

27、step1，选择步，基于t-ucb公式找到当前决策树的可扩展结点；

28、step2，扩展步，根据决策树当前状态所对应的动作集合，依据t-ucb公式选定集合中信心值最高的动作；

29、step3，模拟步，以顺序执行随机对称添加结点、随机对称添加杆件、随机对称修改杆件截面三种动作为默认策略，在扩展节点上进行蒙特卡洛模拟，直至到达终止状态；

30、step4，回溯步，计算收益值并依次向上更新决策树节点的信心值。

31、作为优选的技术方案，所述的终止状态为：

32、随机对称添加结点的终止条件为桁架构型中的结点数达到桁架容许结点数p；

33、随机对称添加杆件的终止条件为决策树当前状态所对应的动作集合中没有候选杆件可供添加，或者当前桁架构型能够满足所有的约束条件；

34、随机选定杆件截面的终止标准为所有杆件的截面均已经历一次修改。

35、作为优选的技术方案，t-ucb公式为：

36、

37、式中，ua为置信上限树搜索算法中的动作a的信心值，va为动作a的价值，na、nb分别表示动作a、b的访问次数。

38、作为优选的技术方案，所述桁架的构型图为由结点和结点间杆件所组成的图结构。输出的桁架构型图中包含桁架的杆件受力状态以及结点和杆件的生成顺序。通过采用不同颜色对桁架杆件的受力状态进行描述，其中，蓝色表示杆件受压，红色表示杆件受拉。通过英文字母表征结点的生成顺序。通过数字表征杆件的生成顺序。

39、本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如上述基于置信上限树搜索的平面简支桁架构型生成方法的指令。

40、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

41、(1)实现构型方案的自动生成：不同于传统的将一些结构要素转换成参数，进行设计方案的遴选的方法，本发明针对平面简支桁架构型生成过程，利用马尔科夫决策进行建模，基于目标平面简支桁架构型的设计信息以及建立好的马尔科夫决策模型，以最小化桁架的质量为目标，利用置信上限树搜索算法自动化生成平面简支桁架构型，输出桁架的构型图，本方法能够在仅对设计要求进行参数化处理的前提下，由计算机自动化地进行设计决策，确定设计方案，无需人工参与结构设计过程。

42、(2)通用性和寻优性良好：在对设计要求进行数学建模和调整置信上限树搜索算法参数的前提下，该方法能够应用于各种平面简支桁架构型设计任务，高效地寻找满足设计要求且性能优秀的设计方案。

43、(3)符合工程逻辑思考：在获取设计变量的过程中，依次确定结点位置坐标、结点间杆件的拓扑连接以及杆件的截面，使建模更加准确。