KR102079027B1 - Method for topology optimization using deep learning - Google Patents

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Abstract

본 발명은 딥러닝 기술을 이용한 개선된 방식의 위상최적설계 방법에 관한 것이다. 본 발명은 복수의 채널로 이루어지는 노드 변수, 복수의 채널로 이루어지는 요소 변수 및 적어도 하나의 스칼라 변수를 입력하는 단계, 상기 노드 변수 및 상기 요소 변수에 대한 Neural Network을 수행하는 단계, 상기 Neural Network 결과값과 상기 스칼라 변수를 조합하여 잠재변수를 산출하는 단계 및 상기 잠재 변수를 디코딩하여 제1위상 설계 결과를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 잠재 변수를 산출하는 단계는 상기 Neural Network 결과값 및 상기 스칼라 변수를 조합하여, 평균값 벡터 및 표준편차 벡터를 산출하는 단계 및 상기 평균값 벡터 및 표준편차 벡터를 조합하여 상기 잠재변수를 산출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기술을 활용한 위상설계방법을 제공한다.The present invention relates to an improved method of phase optimization design using deep learning technology. The present invention comprises the steps of inputting a node variable consisting of a plurality of channels, an element variable consisting of a plurality of channels and at least one scalar variable, performing a neural network for the node variable and the element variable, and the result of the neural network And calculating the latent variable by combining the scalar variable and the first variable, and calculating the first phase design result by decoding the latent variable, wherein the calculating of the latent variable comprises the Neural Network result value and the scalar variable. Calculating a mean value vector and a standard deviation vector, and calculating the latent variable by combining the mean value vector and the standard deviation vector. to provide.

Figure R1020180015271
Figure R1020180015271

Description

딥러닝 기술을 이용한 위상최적설계 방법{METHOD FOR TOPOLOGY OPTIMIZATION USING DEEP LEARNING}Topology Optimization Using Deep Learning Technology {METHOD FOR TOPOLOGY OPTIMIZATION USING DEEP LEARNING}

본 발명은 딥러닝 기술을 이용한 개선된 방식의 위상최적설계 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an improved method of phase optimization design using deep learning technology.

위상최적설계 기술은 무한한 자유도를 가지는 구조를 설계할 수 있는 설계방법론이다. 하지만 현재 위상최적설계 설계방법론에는 다음과 같은 한계점이 존재한다. 첫 번째, 일반적으로 최적설계 과정을 통하여 상세한 구조를 찾는데 많은 시간이 요구가 된다. 두 번째, 최적설계를 진행하기 위하여 대부분의 경우 수학적인 민감도의 계산이 요구된다. 따라서 설계에 사용될 수 있는 변수가 제한적이다. 세 번째, 부드러운 형상을 얻기 위하여 설계 결과에 후처리가 필요하며, 종종 결과물의 가공이 불가능한 경우가 발생한다. Topology optimization technology is a design methodology that can design a structure with infinite degrees of freedom. However, the following limitations exist in the current phase optimization design methodology. First, a lot of time is usually required to find the detailed structure through the optimal design process. Second, in order to proceed with optimal design, in most cases, calculation of mathematical sensitivity is required. Therefore, the variables that can be used in the design are limited. Third, post-processing is required for the design result in order to obtain a smooth shape, and often the processing of the result is impossible.

본 발명은 최근 개발되고 있는 다양한 딥러닝 기술을 응용하여 종래 위상최적설계 기술보다 개선된 위상최적설계 기술을 제시한다. The present invention proposes an improved phase optimization design technique than the conventional phase optimization design technique by applying various deep learning techniques recently developed.

Kingma and Welling, “Auto-Encoding Variational Bayes”, ICLR, 2014 Kingma and Welling, “Auto-Encoding Variational Bayes”, ICLR, 2014

본 발명은 딥러닝 기술을 이용하여 위상최적설계의 설계 시간을 단축시킬 수 있는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a method that can shorten the design time of a phase optimized design using a deep learning technique.

또한, 본 발명은 딥러닝 기술을 이용하여 변수 활용이 자유로운 위상최적설계 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a phase optimization design method using the variable learning freely using the variable.

또한, 본 발명은 결과물 가공이 가능한 위상최적설계 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a phase optimization design method capable of processing the result.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 복수의 채널로 이루어지는 노드 변수, 복수의 채널로 이루어지는 요소 변수 및 적어도 하나의 스칼라 변수를 입력하는 단계, 상기 노드 변수 및 상기 요소 변수에 대한 Neural Network을 수행하는 단계, 상기 Neural Network 결과값과 상기 스칼라 변수를 조합하여 잠재변수를 산출하는 단계 및 상기 잠재 변수를 디코딩하여 제1위상 설계 결과를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 잠재 변수를 산출하는 단계는 상기 Neural Network 결과값 및 상기 스칼라 변수를 조합하여, 평균값 벡터 및 표준편차 벡터를 산출하는 단계 및 상기 평균값 벡터 및 표준편차 벡터를 조합하여 상기 잠재변수를 산출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기술을 활용한 위상설계방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention to achieve the above or another object, the present invention comprises the steps of inputting a node variable consisting of a plurality of channels, an element variable consisting of a plurality of channels and at least one scalar variable, the node variable and the Performing a neural network on an element variable, calculating a latent variable by combining the neural network result value and the scalar variable, and decoding the latent variable to calculate a first phase design result; The calculating of the latent variable includes combining the Neural Network result and the scalar variable, calculating an average vector and a standard deviation vector, and combining the average vector and the standard deviation vector to calculate the latent variable. Phase design method using deep learning technology characterized in that The.

일 실시 예에 있어서, 상기 노드 변수 및 상기 요소 변수에 대한 Neural Network 을 수행하는 단계는, 상기 노드 변수에 대한 Neural Network 을 수행하는 단계, 상기 요소 변수에 대한 Neural Network 을 수행하는 단계 및 상기 노드 변수에 대한 Neural Network 결과값 및 상기 요소 변수에 대한 Neural Network 결과값을 조합하여 Neural Network을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.In an embodiment, the performing of the neural network on the node variable and the element variable may include performing a neural network on the node variable, performing a neural network on the element variable, and performing the node variable. The method may include performing a neural network by combining a neural network result for and a neural network result for the element variable.

일 실시 예에 있어서, 상기 노드 변수는 힘, 경계조건 중 적어도 하나를 정의하고, 상기 요소 변수는 물질이 있는 영역 및 물질이 없는 영역을 정의하고, 상기 스칼라 변수는 물질과 관련된 정보, 필터와 관련된 정보, 페널티 상수와 관련된 정보를 정의할 수 있다.In one embodiment, the node variable defines at least one of a force and a boundary condition, the element variable defines a region with a substance and a region without a substance, and the scalar variable relates to information related to a substance and a filter. Information and penalty constants can be defined.

일 실시 예에 있어서, 상기 잠재변수를 디코딩하여 제1위상 설계 결과를 산출하는 단계는 De-Convolution Neural Network를 통해 수행될 수 있다.In an embodiment, the step of calculating the first phase design result by decoding the latent variable may be performed through a De-Convolution Neural Network.

일 실시 예에 있어서, 본 발명은 상기 제1위상 설계 결과로부터 제2위상 설계 결과를 산출하는 단계 및 상기 제2위상 설계 결과와 실제 위상 설계 데이터의 유사도를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 제2위상 설계 결과는 상기 유사도를 이용하여 재 산출될 수 있다.According to an embodiment, the present invention may include calculating a second phase design result from the first phase design result and calculating a similarity between the second phase design result and the actual phase design data. The phase design result can be recalculated using the similarity.

일 실시 예에 있어서, 상기 제2위상 설계 결과를 산출하는 단계 및 상기 제2위상 설계 결과와 상기 실제 위상 설계 데이터의 유사도를 산출하는 단계는 반복적으로 수행되고, 상기 산출된 유사도는 상기 제2위상 설계 결과를 산출하는 단계 및 상기 유사도를 산출하는 단계 중 적어도 하나에 활용될 수 있다.In one embodiment, the calculating of the second phase design result and the calculating of the similarity between the second phase design result and the actual phase design data are repeatedly performed, and the calculated similarity is determined by the second phase. It may be used in at least one of calculating a design result and calculating the similarity.

본 발명에 따르면, 반복적으로 학습된 인공 신경망을 통해 순간적으로 최적의 구조를 찾을 수 있기 때문에, 종래 최적설계 기술보다 설계 시간을 단축시킬 수 있게 된다.According to the present invention, since the optimal structure can be found instantaneously through the repeatedly learned artificial neural network, the design time can be shorter than the conventional optimal design technique.

한편, 본 발명에 따라 수행된 위상최적설계를 통해서 얻어진 구조와 다소의 차이(오차)가 발생할 수 있다. 보다 정확한 구조를 찾아야 하는 경우에는 인공신경망을 통해 추론된 형상을 초기 형상으로 최적설계를 시작하고 강화학습을 통하여 위상최적설계 알고리즘을 효율적으로 튜닝한다면, 기존 방법론 보다 획기적으로 빠르게 최적의 형상을 얻을 수 있다.On the other hand, some differences (errors) may occur with the structure obtained through the phase optimization design performed according to the present invention. If you need to find a more accurate structure, if you start the optimal design of the shape inferred by the neural network with the initial shape and efficiently tune the topological optimization algorithm through reinforcement learning, you can get the optimal shape significantly faster than the existing methodology. have.

도 1은 Variational Autoencoder(VAE)을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제1위상 설계 결과를 산출하는 개념도이다.
도 3은 복수의 채널을 포함하는 입력 변수를 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 입력 변수들로부터 잠재변수를 산출하는 과정을 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 잠재변수로부터 제1위상 설계 결과를 산출하는 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 방법으로 제1위상 설계 결과를 산출한 결과이다.
도 7은 Generative Adversarial Network(GAN)을 나타내는 개념도이다.
도 8 및 9은 GAN 구조를 활용하는 일 실시 예를 나타내는 개념도이다.
도 10은 본 발명에 따른 방법으로 제2위상 설계 결과를 산출한 결과이다.
1 is a conceptual diagram illustrating a Variational Autoencoder (VAE).
2 is a conceptual diagram for calculating a first phase design result according to the present invention.
3 is a conceptual diagram illustrating an input variable including a plurality of channels.
4 is a conceptual diagram illustrating a process of calculating a latent variable from input variables according to the present invention.
5 is a conceptual diagram for calculating a first phase design result from a latent variable according to the present invention.
6 is a result of calculating the first phase design result by the method according to the present invention.
7 is a conceptual diagram illustrating a Generative Adversarial Network (GAN).
8 and 9 are conceptual views illustrating an embodiment using a GAN structure.
10 is a result of calculating the second phase design result by the method according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and the same or similar components will be given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. In the following description of the embodiments disclosed herein, when it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the embodiments disclosed herein, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are intended to facilitate understanding of the embodiments disclosed herein, but are not limited to the technical spirit disclosed herein by the accompanying drawings, all changes included in the spirit and scope of the present invention. It should be understood to include equivalents and substitutes.

이하, 본 발명에 따른 위상설계방법에 대하여 설명한다. 본 발명에 따르면 크게 세 종류의 위상 설계 결과를 얻을 수 있다. 설명의 편의상 상기 세 종류의 결과를 제1 및 제2위상 설계 결과라고 호칭한다. Hereinafter, a phase design method according to the present invention will be described. According to the present invention, three types of phase design results can be obtained. For convenience of explanation, the above three kinds of results are referred to as first and second phase design results.

소정의 입력 값들을 제1알고리즘에 도입하여 제1위상 설계 결과를 산출할 수 있으며, 제1위상 설계 결과를 제2알고리즘에 도입하여 제2위상 설계 결과를 산출할 수 있다.The first phase design result may be calculated by introducing predetermined input values into the first algorithm, and the second phase design result may be calculated by introducing the first phase design result into the second algorithm.

이하에서는, 상기 제1 및 제2위상 설계 결과 각각을 산출하는 방법에 대하여 설명한다. Hereinafter, a method of calculating each of the first and second phase design results will be described.

먼저 제1위상 설계 결과를 산출하는 단계에 대하여 설명한다. 이에 앞서, Variational Autoencoder(VAE)에 대하여 설명한다. First, the step of calculating the first phase design result will be described. Prior to this, Variational Autoencoder (VAE) will be described.

도 1과 같이, 일반적인 VAE 구조는 입력과 출력 이미지가 같으며, 입력과 출력의 오차를 최소화하면서 잠재 변수(latent vector)가 정해진 확률분포를 가지는 네트워크가 학습된다. 다수의 위상최적설계 결과를 VAE의 입출력단에 넣어 비지도학습을 수행하면, 모든 최적설계 조건에 따라 생성된 구조물을 적은 수의 잠재 변수(latent vector)로 정확하게 정의할 수 있다. 이 기술은 공학의 차원축약(dimension reduction)기술로 응용될 수 있으며, 이를 통하여 효과적으로 설계를 수행할 수 있다.As shown in FIG. 1, the general VAE structure has the same input and output images, and a network having a probability distribution having a latent vector defined while minimizing an error between the input and the output is learned. If the unsupervised learning is carried out by inserting a number of phase-optimal design results into the input / output stage of the VAE, it is possible to accurately define the structure generated according to all the optimal design conditions with a small number of latent vectors. This technique can be applied as a dimension reduction technique of engineering, which can effectively perform the design.

본 발명은 도 1에서 설명한 또한 이 구조를 변형하여 도 2와 같이 입력단에는 위상최적설계의 변수를 입력하고 출력단에는 위상최적설계를 통해 학습된 결과를 학습한다. In the present invention, the structure described in FIG. 1 is modified, and as shown in FIG.

이 경우 네트워크 학습에 사용되는 손실(loss) 함수는 네트워크로 생성된 구조와 학습에 사용된 구조의 오차를 최소화하는 것으로 정의된다. 학습 데이터는 위상최적설계 코드로 생성되며, 다양한 데이터를 생성하기 위하여 힘 조건, 경계 조건, 물질 비율 등의 정보를 랜덤하게 결정하여 학습을 위한 데이터를 생성한다. 이 VAE 네트워크가 잘 설계되어 성공적으로 학습된다면, 위상최적설계 과정이 없이 최적의 구조를 순간적으로 찾는 것이 가능하다.In this case, the loss function used for network learning is defined as minimizing the error between the network generated structure and the structure used for learning. The training data is generated by a phase-optimal design code, and randomly determines information such as force conditions, boundary conditions, and material ratios to generate data for learning to generate various data. If this VAE network is well designed and successfully learned, it is possible to instantaneously find the optimal structure without the topology optimization process.

입력단의 정보는 노드 변수, 요소 변수 및 스칼라 변수로 이루어진다. 여기서, 상기 노드 변수 및 요소 변수는 복수의 채널로 이루어질 수 있다. 한편, 상기 노드 변수는 힘 및 경계 조건 중 적어도 하나를 정의하고, 상기 요소 변수는 물질이 있는 영역 및 물질이 없는 영역을 정의한다. 또한, 상기 스칼라 변수는 물질과 관련된 정보, 필터와 관련된 정보, 페널티 상수와 관련된 정보를 정의한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 노드 변수, 요소 변수 및 스칼라 변수 각각은 필요에 따라 다른 정보를 정의할 수 있다.The information at the input consists of node variables, element variables and scalar variables. Here, the node variable and element variable may be composed of a plurality of channels. On the other hand, the node variable defines at least one of force and boundary conditions, and the element variable defines an area with material and an area without material. In addition, the scalar variable defines information related to a substance, information related to a filter, and information related to a penalty constant. However, the present invention is not limited thereto, and the node variable, the element variable, and the scalar variable may each define other information as necessary.

예를 들어, 임의의 최적설계조건을 학습이 가능한 형태로 만들기 위하여 도 3과 같이 힘, 경계조건 등의 조건을 이산화 할 수 있다. 구체적으로, 도 3에 도시된 노드에서 힘이 부가되는 노드에는 힘의 크기 값을 입력하고, 힘이 부가되지 않는 영역에는 0을 입력한다. 한편, 경계 조건으로 최외각 노드는 -1의 값을 입력한다.For example, in order to make any optimal design condition into a form that can be learned, conditions such as force, boundary condition, and the like can be discretized. In detail, in the node illustrated in FIG. 3, a magnitude value of a force is input to a node to which a force is added, and 0 is input to an area where no force is added. On the other hand, the outermost node inputs a value of -1 as the boundary condition.

이후, 상기 변수들을 Neural Network을 통하여 분석한다. 여기서, 상기 Neural Network는 Convolutional Neural Network(CNN), Fully Connected Layer(FCL), Recurrent Neural Network 중 어느 하나 일 수 있다. 본 명세서에서는 Neural Network의 일 실시 예로서 CNN을 예로 들어 설명하지만, 이에 한정되지 않는다.Then, the variables are analyzed through Neural Network. Here, the neural network may be any one of a convolutional neural network (CNN), a fully connected layer (FCL), and a recurrent neural network. In the present specification, a CNN is described as an example of an neural network, but is not limited thereto.

한편, 상기 노드 변수 및 요소 변수 각각을 처리하기 위한 복수의 CNN이 구비될 수 있다. 필요에 따라, 상기 노드 변수 및 요소 변수 각각에 대한 CNN은 출력단에서 조합되는 것이 아니라 CNN 다층 구간에서 서로 정보를 공유할 수 있도록 합쳐진다.Meanwhile, a plurality of CNNs for processing each of the node variable and the element variable may be provided. If necessary, the CNNs for each of the node variables and the element variables are combined not to be combined at an output stage but to be able to share information with each other in a CNN multilayer section.

예를 들어, 위상최적설계에 사용되는 격자가 (N, M)라고 할 때, 힘과 경계조건은 Node에 부가되므로 node 정보를 표현하기 위한 (N+1, M+1) 크기의 네트워크를 구성한다. 또한, 물질이 있거나 없음 등의 격자 정보를 정의하기 위하여 (N, M) 크기의 네트워크를 구성한다. 마지막으로 위상최적설계의 변수에 사용되는 총 물질 비율(volume fraction), filtering radius 및 penalty method 상수 등의 정보를 위한 scalar network를 구성한다. For example, when the grid used for the topology optimization design is (N, M), the force and boundary conditions are added to the node, thus forming a (N + 1, M + 1) sized network to represent node information. do. In addition, a network of (N, M) size is configured to define grid information such as the presence or absence of a substance. Finally, we construct a scalar network for information such as the volume fraction, filtering radius, and penalty method constants used in the variables of the phase optimization design.

한편, 도 4와 같이, 상기 노드 변수 및 상기 요소 변수 각각에 대한 CNN을 수행하는 단계가 진행될 수 있다. 이후, 상기 노드 변수에 대한 CNN 결과값 및 상기 요소 변수에 대한 CNN 결과값을 조합하여 CNN을 수행할 수 있다. 상술한 방식으로 산출된 CNN 결과와 상기 스칼라 변수를 조합하여 잠재변수를 산출할 수 있다. On the other hand, as shown in Figure 4, the step of performing a CNN for each of the node variable and the element variable may be performed. Thereafter, CNN may be performed by combining the CNN result value for the node variable and the CNN result value for the element variable. The latent variable may be calculated by combining the scalar variable and the CNN result calculated in the above-described manner.

여기서, 잠재변수를 산출하는 단계는 상기 CNN 결과값을 조합하여, 평균값 벡터 및 표준편차 벡터를 산출하는 단계 및 상기 평균값 벡터 및 표준편차 벡터를 조합하여 상기 잠재변수를 산출하는 단계로 이루어질 수 있다. The calculating of the latent variable may include combining the CNN result, calculating an average vector and a standard deviation vector, and combining the average vector and the standard deviation vector to calculate the latent variable.

이후, 상기 잠재변수는 도 5에 도시된 바와 같이, 디코더 네트워크를 통해 디코딩되어 제1위상 설계 결과로 도출될 수 있다. 여기서, 상기 잠재변수를 디코딩하여 위상 설계 결과를 산출하는 단계는 De-Convolution Neural Network를 통해 수행될 수 있다.The latent variable may then be decoded via a decoder network, as shown in FIG. 5, to derive the first phase design result. Here, the step of decoding the latent variable and calculating the phase design result may be performed through a De-Convolution Neural Network.

상기 디코더는 잠재변수에 정의된 정보에 따라 2차원 또는 3차원 정보를 생성한다. 상기 디코더를 통해 산출된 제1위상 설계 결과는 도 6과 같다.The decoder generates two-dimensional or three-dimensional information according to the information defined in the latent variable. The first phase design result calculated by the decoder is shown in FIG. 6.

상술한 제1위상 설계 결과는 이하에서 설명하는 방법을 통해 제2위상 설계 결과 산출에 활용된다.The first phase design result described above is used to calculate the second phase design result through the method described below.

제2위상 설계 결과 산출 방법에 대하여 설명하기에 앞서 Generative Adversarial Network(GAN) 기술에 대하여 설명한다.Prior to describing the method of calculating the second phase design result, a description will be given of the Generative Adversarial Network (GAN) technology.

GAN은 도 7과 같이 이미지를 생성하는 네트워크와 생성된 이미지를 평가하는 네트워크가 서로 경쟁적으로 발전하여 점점 사실적인 사진을 만들어내는 기술이다. 이 기술은 원본 그림을 새로운 스타일의 그림으로 변환시키거나 새로운 컨텐츠를 제작하는 등의 분야에 응용되고 있다. As shown in FIG. 7, the GAN is a technology in which an image generating network and a network evaluating the generated image evolve competitively to create an increasingly realistic picture. This technology has been applied to the fields such as converting an original picture into a new style picture or creating new content.

이하에서는, GAN기술을 응용하여, 제1위상 설계 결과에서 세밀한 제2위상 설계 결과를 얻는 방법에 대하여 설명한다. 본 발명은 생성자 네트워크 및 구별자를 활용한다.Hereinafter, a method of obtaining a fine second phase design result from the first phase design result by applying the GAN technique will be described. The present invention utilizes producer networks and discriminators.

구체적으로, 도 7과 같이 생성자 네트워크는 상기 제1위상 설계 결과를 입력으로 받아들여, 이를 바탕으로 제2위상 설계 결과를 산출한다. 또한 구별자는 실제 설계 데이터와 상기 제2위상 설계 결과를 쌍으로 입력 받아, 입력에서 제2위상 설계 결과가 들어왔는지, 아니면 실제 설계 데이터가 들어왔는지 판별해 내는 역할을 한다. 생성자 네트워크의 손실(loss) 함수는 구별자가 잘 구별해 낼 수 없는 산출물을 만들수록 작아지게 정의되며, 구별자의 손실(loss) 함수는 제2위상 설계 결과와 실제 설계 데이터를 잘 구분해 낼수록 작아지게 정의된다.Specifically, as shown in FIG. 7, the generator network receives the first phase design result as an input and calculates a second phase design result based on the input. In addition, the discriminator receives the actual design data and the second phase design result in pairs, and serves to determine whether the second phase design result or the actual design data is received from the input. The loss function of the generator network is defined to be smaller as it produces outputs that are indistinguishable from the discriminator, and the loss function of the discriminator is smaller as it better distinguishes the second-phase design results from the actual design data. Is defined.

전체 네트워크의 학습과정은 일반적인 GAN과 마찬가지로, 구별자는 산출물/생성물의 구별을 학습하게 되고, 생성자는 구별자가 구별하기 힘든 세밀한 격자 생성물을 만들어 내기 위해 학습하게 된다. 따라서 학습이 계속 될수록 두 개의 네트워크는 서로 경쟁하여 개선되어, 그 결과 생성자 네트워크가 생성하는 제2위상 설계 결과는 세밀한 격자에서의 위상최적설계 결과물과 아주 유사하게 된다. 일 실시 예에 있어서, 상술한 GAN 구조는 도 8 및 9에 도시된 바와 같이 활용될 수 있다. 위와 같은 구조를 이용한 학습으로 생성된 결과의 예를 도 10에 나타내었다.The learning process of the entire network is similar to the general GAN, where the distinguisher learns the distinction of the product / product, and the producer learns to produce a fine grid product that is difficult for the discriminator to distinguish. Thus, as learning continues, the two networks compete with each other to improve, so that the second phase design results generated by the generator network are very similar to the topological design results in a fine grid. In an embodiment, the above-described GAN structure may be utilized as shown in FIGS. 8 and 9. An example of the result generated by learning using the above structure is shown in FIG. 10.

이러한 결과를 더욱 발전시키면 GAN 기술은 구조물의 특징을 제어하는데 이용될 수 있을 것으로 보인다. 예를 들어 얼굴 사진의 경우 GAN으로 생성된 네트워크의 입력변수를 조절하면 얼굴의 각도, 표정, 눈동자 모양 등을 제어하는 것이 가능하다. 위상최적설계의 결과는 하중 및 경계 조건뿐만 아니라 민감도 필터링 반경(sensitivity filtering radius)과 같은 설계 파라미터들이 존재하는데, 이들 정보에 대한 특징을 추출하여 새롭게 위상최적설계를 수행하지 않고도 구조의 변화를 추론할 수 있다.To further develop these results, GAN technology could be used to control the characteristics of structures. For example, in the case of face photos, it is possible to control the angle, facial expression, and pupil shape of the face by adjusting the input variables of the network generated by the GAN. The result of the topology optimization is that there are design parameters such as sensitivity filtering radius as well as load and boundary conditions. The characteristics of these information can be extracted to infer the change of the structure without performing new topology optimization. Can be.

Claims (7)

인공 신경망이 복수의 채널로 이루어지는 노드 변수, 복수의 채널로 이루어지는 요소 변수 및 적어도 하나의 스칼라 변수를 입력하는 단계;
상기 인공 신경망이 상기 노드 변수 및 상기 요소 변수에 대한 Neural Network을 수행하는 단계;
상기 인공 신경망이 상기 Neural Network 결과값과 상기 스칼라 변수를 조합하여 잠재변수를 산출하는 단계; 및
상기 인공 신경망이 상기 잠재 변수를 디코딩하여 제1위상 설계 결과를 산출하는 단계를 포함하고,
상기 인공 신경망이 상기 잠재 변수를 산출하는 단계는,
상기 인공 신경망이 상기 Neural Network 결과값 및 상기 스칼라 변수를 조합하여, 평균값 벡터 및 표준편차 벡터를 산출하는 단계; 및
상기 인공 신경망이 상기 평균값 벡터 및 표준편차 벡터를 조합하여 상기 잠재변수를 산출하는 단계를 포함하여 이루어지고,
상기 인공 신경망이 상기 노드 변수 및 상기 요소 변수에 대한 Neural Network을 수행하는 단계는,
상기 인공 신경망이 상기 노드 변수에 대한 Neural Network을 수행하는 단계;
상기 인공 신경망이 상기 요소 변수에 대한 Neural Network을 수행하는 단계; 및
상기 인공 신경망이 상기 노드 변수에 대한 Neural Network 결과값 및 상기 요소 변수에 대한 Neural Network 결과값을 조합하여 Neural Network을 수행하는 단계를 포함하고,
상기 노드 변수는 힘, 경계조건 중 적어도 하나를 정의하고,
상기 요소 변수는 물질이 있는 영역 및 물질이 없는 영역을 정의하고,
상기 스칼라 변수는 물질과 관련된 정보, 필터와 관련된 정보, 페널티 상수와 관련된 정보를 정의하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기술을 활용한 위상설계방법.
Inputting, by an artificial neural network, a node variable consisting of a plurality of channels, an element variable consisting of a plurality of channels, and at least one scalar variable;
Performing, by the artificial neural network, a neural network for the node variable and the element variable;
Calculating, by the artificial neural network, a latent variable by combining the neural network result and the scalar variable; And
The artificial neural network decoding the latent variable to produce a first phase design result;
Computing the latent variable by the artificial neural network,
Calculating, by the artificial neural network, the mean value vector and the standard deviation vector by combining the neural network result and the scalar variable; And
The artificial neural network includes calculating the latent variable by combining the mean value vector and the standard deviation vector,
The neural network performing the neural network for the node variable and the element variable,
The neural network performing the neural network on the node variable;
The neural network performing a neural network on the element variable; And
The artificial neural network performing a neural network by combining a neural network result value for the node variable and a neural network result value for the element variable;
The node variable defines at least one of force and boundary condition,
The elemental variable defines a region with and without a substance,
The scalar variable is a phase design method using deep learning technology, characterized in that for defining information related to the material, filter related information, penalty information.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 인공 신경망이 상기 잠재변수를 디코딩하여 제1위상 설계 결과를 산출하는 단계는,
De-Convolution Neural Network를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기술을 활용한 위상설계방법.
The method of claim 1,
The artificial neural network decoding the latent variable to produce a first phase design result,
Topology design method using deep learning technology, which is carried out through De-Convolution Neural Network.
제1항에 있어서,
상기 인공 신경망이 상기 제1위상 설계 결과로부터 제2위상 설계 결과를 산출하는 단계; 및
상기 인공 신경망이 상기 제2위상 설계 결과와 실제 위상 설계 데이터의 유사도를 산출하는 단계를 포함하고,
상기 제2위상 설계 결과는 상기 유사도를 이용하여 재 산출되는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기술을 활용한 위상설계방법.
The method of claim 1,
Calculating, by the artificial neural network, a second phase design result from the first phase design result; And
Calculating, by the artificial neural network, a similarity degree between the second phase design result and actual phase design data;
And the second phase design result is recalculated using the similarity.
제5항에 있어서,
상기 인공 신경망이 상기 제2위상 설계 결과를 산출하는 단계 및 상기 인공 신경망이 상기 제2위상 설계 결과와 상기 실제 위상 설계 데이터의 유사도를 산출하는 단계는 반복적으로 수행되고,
상기 산출된 유사도는,
상기 인공 신경망이 상기 제2위상 설계 결과를 산출하는 단계 및 상기 인공 신경망이 상기 유사도를 산출하는 단계 중 적어도 하나에 활용되는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기술을 활용한 위상설계방법.
The method of claim 5,
The artificial neural network calculating the second phase design result and the artificial neural network calculating the similarity between the second phase design result and the actual phase design data are repeatedly performed;
The calculated similarity is
And wherein the artificial neural network is used in at least one of calculating the second phase design result and the artificial neural network calculating the similarity.
제1항에 있어서,
상기 Neural Network는 Convolutional Neural Network인 것을 특징으로 하는 딥러닝 기술을 활용한 위상설계방법.
The method of claim 1,
The neural network is a topology design method using deep learning technology, characterized in that the convolutional neural network.
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