工业设计产品需求处理的知识模型研究

( 薹兰皇茎垄_ 曩重冒冒墨口l 墨圆圈圈_ 墨匿衄 工业设计产品需求处理的知识模型研究 酒嫠j 双工业设计出发，将本体论与产品需求处理结合起来，研究工业设计产品需求处理的知识建模方法，以数字电视一体摄底 计为例，对需求设计知识模型进行了验证，支持产品创新设计。 关键词：工业设计；需求产品；功能分析；知识建模 中图分类号：r H l 2 2文献标识码：A 文章编号：1 0 0 9 9 4 9 2 ( 2 0 0 9 ) 1 2 - 0 0 7 0 0 4 1 引言 随着商品经济的发展逐渐形成了以顾客为主体的买 方市场并且市场也从过去的标准化和大批量需求朝着未 来的多元化和个性化的小批量需求方向发展。现代工业设 计可以理解为以市场为驱动、以创新为核心的设计，产品 多样化、个性化和追求时尚已经成为市场需求的主流，关 注客户需求使工业设计的视角更加客观。使设计更有商业 价值。 在把目标市场的用户需求映射到使用需求详细说明书 描述的需求产品的需求设计过程中，工业设计师初期面对 的是用户提出的定性化的需求。并且往往是可以变化的。 如何通过功能分析的方法把这些定性的需求映射为需求详 细说明书中定量化的需求。是需求处理系统的主要目标之 一。同时。由于需求产品设计是涉及不同视图需求的过 程，在它们之间，对需求的理解是不同的：企业需求是产 品设计的总纲。指导着产品设计的方向；用户需求是要求 满足的目标：技术需求是上述两方面需求的技术保证。因 此。如何实现设计信息和设计知识在这些需求视图中的重 用和共享，成为提高设计质量和效率的关键。 本体论是对客观存在的概念及其关系的一种规范说明。 被广泛用于知识的表达、共享和重用。包括研究领域内存 在的对象、对象的概念、对象属性和其他实体以及它们 之间相互关系的逻辑描述，提供了领域内知识表示和交流 的集合，以及集合中各个对象的关系。在产品设计方面， 本体论目前主要集中在产品建模和知识建模等方面 1 。 2 基于E B L 的设计域知识理论 在很大程度上，新产品的设计建立在现有产品设计知 收稿日期：2 0 0 9 1 1 - 1 2 识的基础之上。对现有设计对象进行一般性和系统化的功 能分析不仅有益于改进这些设计对象而且有益于对设计 对象进行创新设计。价值工程学( V a l u eE n g i n e e r i n g ) 瞠】 提供了一个方法。用于系统化地分析这些对产品的改进和 创新设计。对现有产品的功能分析主要集中在对设计对象 进行功能综合，以产生相关的描述产品功能的功能图。然 后，通过这个功能图就可以不受现有零部件的限制，推导 出改进后的或者创新的产品。传统的功能图具有下面的问 题： ( 1 ) 仅应用于特定的分析对象；( 2 ) 功能图的抽取 依赖于特定分析方法和抽取功能的特定设计人员。为了解 决上面问题。必须引进计算机支持的系统化的功能分析方 法。用于推导出“标准化的”和“一般性的”功能图。 另外。为了对设计对象进行“深层次”的理解。必须 解释为什么在众多的选择中采用这些功能和结构。为此， 可以使用基于公理化设计理论的深度分析方法 3 。这里采 用E B L ( E x p l a n a t i o n B a s e dL e a r n i n g ) 系统在设计过程 中抽取各种设计知识。来形成设计对象的“标准化的”和 “一般性的”功能图。 2 1 设计对象的多层次功能图 根据价值工程学理论设计的过程可以被解释为一个 连续地选择设计功能单元以达到设计目标的过程这些过 程要符合设计目标( 主功能) ，得到产品在该设计阶段的 子功能和子结构( 例如，主要部件、材料等) 。而设计的 目的是为了获得较好的结构单元或者完全创新的结构来改 善设计对象。由于设计过程主要集中在对设计对象的功能 组合过程，因此。对新产品结构的选择和改变并不受现有 结构组合或者设计对象的约束。 图1 数字电视一体机多层次功能图 知识、结构属性知识和如图4 所示的5 个知识空间。这些 ( 9 1 ) 产品设计知识可以使用需求本体论来统一表达，以保证知 ( F 2 ) 识的共享和重用。各设计空间的内容详细介绍如下。 ( F 3 ) ( F 4 ) ( F 5 ) ( F 6 ) 图1 以数字电视一体机为例，说明了层次功能图的绘 制实现这些功能的结构如图2 所示。 图3 设计知识的多层次结构 0 6 j l ：外形o b j 2 ：办公软件o b j 3 ：拨号网络o b j 4 ：浏览器 o b j 5 ：空间遥控接口o b j 6 ：资源管理器o b j 7 ：公文o b j 8 ：视 频软件o b j 9 ：移动软件o b j l O ：C P Uo b j l l ：内存。 图2数字电视一体机的结构 2 2 设计知识的多层结构 在多层次功能图中，进行产品的功能组合和结构选择 需要满足的合理性条件如下。 ( 1 ) 技术合理性：说明了设计功能组合的选择合理 性。 ( 2 ) 因果合理性：为了获得某种子功能，所设计的结 构组合的合理性。 为了解释在产品功能组合和结构选择过程中的上述设 计对象的两种合理性，需要具有下面的设计知识。 ( 1 ) 规划知识：用于通过结合子目标( 子功能) 来得 到一个目标( 主功能) 。规划知识将一定的主功能集( 目 标空间) 和一定的功能集( 功能空间) 联系起来。 ( 2 ) 物理法则知识：是关于因果法则的知识，用于解 释满足子功能的子结构充分性。物理法则知识将功能空间 和一定的结构属性集( 结构属性空间) 联系起来。 图3 显示了上述的设计知识的多层次结构。 为了能够推导出如图l 所示的功能图，E B L 系统应该 包含下面的特定域知识( 域理论) ：规划知识、物理法则 图4设计空间 ( 1 ) 目标空间( G ) 。目标空间涉及的是设计目标的主 功能信息。例如，数字电视一体机的主要功能之一是“数 字家庭互动应用”，但是还具有其它功能，例如： “听 M P 3 ”、“看D V D ”等。因此， “数字家庭互动应用”应 该出现在目标空间G 中。 ( 2 ) 物理法则知识空间( L ) 。在基于公理化设计理论 的产品设计过程中，物理域包含了满足F R s 的特定设计参 数D P s 。估计设计参数的过程通常由物理法则构成的因果 链组成它们显示了构成上述目标空间的因果过程。 ( 3 ) 功能空间( F ) 。功能空间是由设计对象的功能组 成这些功能通过一系列子功能、物理法则或者它们二者 的结合来得到。表达功能使用了需求本体论的语言，以保 证公式化表达各种功能。 ( 4 ) 规划知识空间( P ) 。在该空间中，评估物理域中 的设计参数的一个典型规划是检测它，然后将其转变为特 定类型量值例如评估电压、电流等设计参数；另外一个 典型的规划是和标准物理量进行比较、平衡，然后把它们 的不同之处转换为特定类型的量。 ( 5 ) 结构属性空间( S ) 。该空间包括产品设计阶段所 有必要的知识和一般性的法则。属性值的继承是通过本体 论语言中的“i s a ”或者“p a r t o f ”关系实现的。 ( 妄兰皇墅垄_ 重重量冒冒墨_ 墨圜_ _ l 圈圈田 其中，建立上述的设计领域的多层次结构，使得为每 个独立的知识空间设置特定域知识成为可能，便于产品设 计知识的抽取和存储。 3 获取产品设计知识 在产品设计过程中。知识获取工作的内容主要包括下 面两个方面：设计领域知识的获取、设计求解模型的建立。 3 1 领域知识的获取 领域知识的有效获取一直是智能系统成功与否的关 键问题。虽然人工智能研究者在这方面做了大量的研究， 并研制了一些知识获取工具，但目前通常采用的仍然是 知识工程师与领域专家直接对话的方式。知识获取的知 识源大致可分为三类：专家的知识和经验、书本和资料、 设计实例。 ( 1 ) 书本和资料上的知识实际上是已经经过整理的较 为规范的一般求解知识，知识工程师所做的工作应是尽量 将它们收集起来，进行归纳和综合，形成较为完整的体系。 ( 2 ) 专家的知识和经验作为他们在大量设计实践中所 掌握的规律的总结。从某种意义上讲比书本知识对目标设 计系统的知识库建造的作用更大因为它们大多经过实践 的检验，并考虑到了实际的环境因素，从而具有很强的针 对性。但同时也可能在知识的体系上存在不完整的现象或 者由于针对性强而缺乏一定的普遍性，不过这并不妨碍知 识工程师的工作。知识获取阶段的主要任务就是将这些零 星的知识尽可能地挖掘出来。 ( 3 ) 设计实例也是一种重要的知识来源，它是过去一 定条件下满足特定要求的设计结果。在设计实例的形成 过程中。包含了设计者解决特定问题的知识推理、决策和 判断，这对于知识工程师对设计问题的理解有着重要的意 义。因此，通过对设计实例的剖析，知识工程师可以同领 域专家一道进行知识的归纳和总结。 在获取设计领域知识的过程中。可以根据E B L 系统的 设计域理论，利用设计知识的多层结构，把图1 和图2 结 合起来。生成一般性的多层次功能图，如图5 所示，然后 分别获得不同知识空间中的知识。 3 2 设计求解模型的建立 设计是从功能空间到属性空间的映射，设计过程可以 看成是从初始状态经过多个中间状态。最后达到目标状态 的转换过程。图6 为设计过程描述图，设计求解模型就是 要描述这一转换过程的机理。 S = S i l i = 0 ，l ，2 ，n ，表示设计的不同状态； O P = f O P i l i = O ，1 ，2 ，n ，表示状态间的变换操作 在得到设计任务的层次规划之后就可以在此基础上 进行设计求解过程的建模。 4 知识模型的建立 在知识模型建立阶段。需要完成的任务是将知识获取 阶段得到的各种知识和设计求解模型转化为知识语言的描 述。即建立知识库以及相关设计推理策略。 这里使用需求本体论作为产品设计知识的描述，在 G P F L S 数字家膨互动威J ! I j 或范围或范腑成范田斌范圈或范圈或范围或范暖或范匿或范暖_ 哑范围 r _ 叫I ( 1 e v e l3 ) O b j l 0O b j lo b j lO b j 9O b j 6 O b j 7O b j 3。q 2o b j 5o b j l l 一鬯。厂= 图5多层次功能图 图6设计过程描述 I D E F 5 中提供了一套知识表示的语言规范。这一规范是需 求专家系统进行知识推理的基础，同时，需求本体论还提 供了知识库建立的基本方法。下面以掌上电脑的部分设计 知识为例，绘制出用I D E F 5 图表语言描述的产品设计知 识。如图7 所示。 是变形 D V D 播 放设备 是的选项 音频播 放设备 是变形 ，一、 M P 3 播、 放设备 图7 数字电视一体机部分设计知识的本体论图表表示 尽管使用上面的图表可以可视化地分析相对简单的本 体论知识，但是由于其表达能力有限，因此不利于本体论 知识的结构化表达和计算机专家系统的实现。知识工程师 和领域专家可以使用I D E F 5 图表语言来获取一个初始的本 体论，对其进行分析。然后将其记录到细化描述语言中 去。以实现对这些本体论知识的结构化表达。 5 结束语 需求产品设计是涉及不同视图需求的过程，为了统一 它们对需求的认识，方便产品设计知识的获取、共享和重 用，本文基于需求本体论，根据价值工程学理论，采用 E B L 系统建立多层次功能图，用于获取设计知识，并以此 建立了知识模型。最后以数字电视一体机设计为例，对知 识模型进行了验证。 参考文献： 1 罗仕鉴，朱上上工业设计中基于本体的产品族设计D N A 一 J 计算机集成制造系统，2 0 0 9 ，1 5 ( 2 ) ：2 2 6 2 3 3 2 M i l e s ，L D T e c h n i q u e s o fV a l u e A n a l y s i sE n g i n e e r i n g M N e wY o r k ：M c G r a w H i l l ，1 9 7 2 3 邓家提产品设计的基本理论和技术 J 中国机械工程， 2 0 0 0 ( 1 1 ) ：1 3 9 - 1 4 3 4 H K a w a k a m i ，0 K a t a i ，e ta 1 K n o w l e d g ea c q u i s i t i o nm e t h o d f o r c o n c e p t u a l d e s i g n b a s e do nv a l u e e n g i n e e r i n ga n d a x i o m a t i c d e s i g nt h e o r y J A r t i f i c i a lI n t e l l i g e n c ei nE n s i - n e e r i n g ，1 9 9 6 ，1 0 ( 1 ) ：1 8 7 - 2 0 2 作者简介：冼燃，男，1 9 6 8 年生，广东南海人，硕士，高级工 业设计师。研究领域：工业设计领域，已发表论文4 篇。 ( 编辑：梁玉) 卜n 卜一一一+ 一+ 一+ - + 一+ “+ “+ - + “+ - 0 一一+ - 4 - - + 一+ - 4 - - - + 一+ 一+ 一+ - + - + - + - + 一+ + 一+ 一一+ 一一+ 一- - 4 - - ( 上接第1 4 页) 泵组的作用下，第二级色谱的流动相会将富集环内的目标 组分送入第二级色谱柱。 ( b ) 图3在线方式阀门位置图 W A S T E S A M P L E 2 离线工作方式。即将第一级色谱柱分离后的馏分依次 收集