（机械电子工程专业论文）支持快速产品设计的知识管理技术开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 面对日趋激烈的市场竞争，制造业越来越意识到进行快速产品 设计的重要性。本文在总结国内外学者相关领域研究成果的基础 上，提出了为支持快速产品设计所需解决的问题一一建立良好的知 识库管理系统。本文结合支持快速产品设计的系统软件d a r f a d 对 其产品设计过程知识的管理进行了初步和有益的探索。 首先，针对目前快速产品设计技术的发展趋势，研究了在现代 信息技术条件下快速产品开发的策略和途径，重点研究了支持快速 产品设计的模块化技术，并详细分析了快速产品设计的软件d a r f a d 模块划分及各模块的内容。在具体实例中提出了通过模块化技术加 快产品设计的方法，同时也探讨了部件模块化对快速产品生成的作 用。 其次，在上述理论基础上，本文详细论述了支持产品快速设计 的软件d a r f a d 在进行产品设计过程中涉及到的知识，以及如何获 取和表达这些知识；由此作者分析了进行知识管理的必要性并介绍 了本系统采用的知识管理技术。在此基础上本文提出了基于功能表 面的知识编码方法和知识评价的准则，并建立了完整的知识库管理 系统。 最后，介绍了本系统实现的功能及其研究的方案和技术途径。 并以具体实例验证了系统运行的有效性。 本文的创新之处在于，在软件d a r f a d 系统理论基础上构建了 支持产品快速设计的基于功能表面编码的知识管理模块，实现了支 持快速产品设计的模块化技术和知识管理的集成。 本文开发的知识管理模块已经集成在山东大学c a d 省重点实验 室开发的设计自动化系统软件d a r f a d 中，运行效果良好。 【关键词】：快速产品设计；设计自动化；知识管理；知识库 a b s t r a c t w i t h m a r k e tc o m p e t i n gm o r ea n dm o r ei n t e n s i o n w h i c hi s v e r y i m p o r t a n tt om a n u f a c t u r i n gc a r r y i o gt h r o u g hf a s tp r o d u c td e s i g n a u t h o rp u t sf o r w a r dt h eq u e s t i o no ff o u n d i n ga g o o dk n o w l e d g eb a s e m a n a g e m e n ts y s t e mt h a ti sb a s e do nt h ef a s tp r o d u c td e s i g n a u t h o r a n a l y z e st h es o f t w a r eo fd a r f a db yad e t a i ie x a m p l e ，a n dd i s c u s s e st h e k e yq u e s t i o no ft h es o f t w a r ei t s e l fa n dg e t ss o m eb e n e f i t s t h ef i r s t ，a u t h o rr e s e a r c h e st h es t r a t e g ya n da p p r o a c ho fp r o d u c t d e v e l o p m e n tu n d e rt h ec o n d i t i o no fm o d e r ni n f o r m a t i o na n dt e c h n i q u e ， a n dt h e s ea r ea c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n tt r e n do ff a s tp r o d u c td e s i g n ， a n dr e s e a r c h e si m p o r t a n t l ym o d u l a r i z a t i o nt e c h n i q u e st h a ts e r v ef o r f a s tp r o d u c td e s i g n a u t h o ra n a l y s e sd e t a i l e d l yh o wt om o d u i a r i z a t i o n d i v i s i o na n dt h ed a r f a dt h a ti sas o f ta b o u tf a s tp r o d u c td e s i g n a t t h es a m et i m ea u t h o rp u tf o r w a r dt h em e t h u do fq u i c k e n i n gp r o d u c td e s i g n b ym o d u l a m i z a t i o nt e c h n i q u ea n dd i s c o s s e st h ef u n c t i o no fc o m p o n e n t m o d u l a r i z a t i o nt oq u i e k e np r o d u c td e s i g n t h es e c o n d ，a u t h o rd i s c u s s e st h ek n o w l e d g ed u r i n gp r o d u c td e s i g n p r o c e s sb yu s i n gd a r f a do nt h eb a s eo ft h e o r y ，a n di n t r o d u c e sh o wt o g e tt h i sk n o w l e d g ea n dh o wt oe x p r e s si t ，a n da n a l y s i st h ei m p o r t a n c e o fk n o w l e d g em a n a g e m e n ta n di n t r o d u c ek n o w l e d g em a n a g e m e n tt e c h n i c a l t h e r e f o r e ，a u t h o rb r i n g s f o r w a r dk n o w l e d g ec o d i n gb a s e df u n c t i o n s u r f a c ea n dj u d g i n gk n o w l e d g er u i e s s oa u t h o rc o m p l e t e sk b m s t h ei a s t ，a u t h o ri n t r o d u c e st h i ss y s t e mc o m p l e t ef u n c t i 0 1 3a n d m e t h u da n dt e c h n i c a lt or e s e a r c hi t t oc o n f i r mt h ea v a i l a b i l i t yo f t h i ss y s t e m ，a u t h o rg i v e sam a t e r i a le x a m p l e t h et r e a t i v ev i e w p o i n ti nt h i st e x ti st h a th a sr e a l i z e dt h e i n t e g r a t i o nb e t w e e ni n n o v a t i n gd e s i g ni nf a s tp r o d u c td e s i g na n dt h e k n o w l e d g em a n a g e m e n td u r i n g d e s i g np r o c e s s i n g t h ek n o w l e d g em a n a g e m e n tm o d u l eh a db e e nc o m b i n a t e di n t ot h e s o f t w a r eo fd a r f a dt h a ti sd e v e l o p e db yt h ec a dk e yl a bo fs h a n d o n g 山东大学硕士学位论文 p r o v i n c e n o wi th a sw o r k e dv e r yw e l li nd a r f a ds y s t e m k e yw o r d s ：f a s tp r o d u c td e s i g n ：d e s i g na u t o m a t i z a t i o n ：k n o w l e d g e m a n a g e m e n t ：k n o w l e d g eb a s e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：签乃五日期：壅缝9 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盘三毛导师签名：至龌日 期：主! 里幺主! 坌。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 工业革命以来，世界各国陆续走上由市场导向的经济发展道路。 到了2 0 世纪末，世界经济最大的变化是全球买方市场的形成和产品更 新换代速度的日益加快。纵观各处，由四通八达的铁路、公路、远洋 巨轮、喷气飞机、通讯卫星和“信息高速公路”组成的网络已将全球 紧密地联成一个整体，庞大的人流、物流、信息流和资金流无时无刻 不在沿着各自的管道奔腾流淌，使世界成为一个喧嚣的大市场。同时， 由于生产力的高度发展，使得社会的总供给能力远大于需求量，因而 普遍形成买方市场，所有企业都必须经受这个全球买方市场的挑战。 产品是企业的生命线，是企业在市场竞争中取胜的关键。市场竞争的 加剧，加上现代科技的日新月异，使得产品的更新换代不断加快，市 场寿命周期不断缩短。据估计，近3 0 年来出现的新技术、新产品，已 经远远超过了过去两千年的总和。可见现代社会的生产发展和科技进 步已经加快到何等的高度。这种态势必须导致市场竞争焦点的快速转 移。在以快交货( t ) 、高质量( q ) 、低成本( c ) 和重环保( e ) 去争 取市场份额的市场竞争中，缩短交货期，乃至快速响应市场需求，已 经成为竞争的第一要素。 为此，山东大学c a d 省重点实验室研究开发了支持快速产品设计 的软件一一d a r f a d 系统。它主要是实现产品的自顶向下设计，提供产 品设计从无到有、从少到多、表面从初级到高级、结构从简单到复杂 的“生物进化”模式，解决了产品早期设计阶段中概念设计阶段的高 度抽象表达，以及到详细结构设计的映射，解决了设计一一修改一一 再设计的重复设计过程。从而提高了产品设计速度，保证了产品质量， 增加了企业效益。 当今，面对瞬息万变的市场环境，更要求企业具有高度的灵敏性， 能抓住稍纵即逝的机遇，不断地迅速开发新产品，以吸引顾客，变被 动适应用户为主动引导市场，这样才能保证企业在竞争中立于不败之 地。可见，在这种时代背景下，市场竞争的焦点就转移到速度上来， 即凡能“领先步”，快速提供更高性能价格比产品的企业，将具有更 山东大学硕士学位论文 强的综合竞争力。因此，d a r f a d 软件是响应时代的需要开发出的产 品设计工具，知识管理模块的完善对于整个软件系统具有很重要的作 用，它本身可以看作是一个小的专家系统，具有智能性，我们在使用 它时就会非常方便地设计出具有最少修改量的产品。该产品会以速度 快、质量高来满足客户的要求。该软件的商品化对于快速提高性能价 格比的企业具有重大的意义。 1 2 陕速产品开发研究现状 在全球统一的市场竞争下，一个产品成功的评价指标是t q c s t l l 的综合，即分别为交货期( t i m e ) 、质量( q u a l i t y ) 、价格( c o s t ) 和服务 ( s e r v i c e ) 。t q c s 是制造业的一个永恒的主题，在不同的情况下，侧重 点有所不同。在现代复杂的需求阶段下，交货期可能是关键因素，有 时是质量，有时是价格，有时可能是它们中的几个因素的综合指标。 对每个产品而言，企业都有一个竞争的合理定位，因此，企业进行的 产品开发都是围绕这个目标开展，对如何提高质量、降低产品的成本 及缩短交货期都进行了不懈的努力。同时有资料表明【2 ，1 0 0 项新产品 构想，有1 5 项通过表面审查，6 项进入样品原型设计，3 项通过市场 调用，只有2 项以商品化的形式进入市场。所以有必要规范和加速产 品开发进程，提高产品开发的成功率。为此广大的工程设计人员进行 了不懈的努力。从设计到制造，根据现代的生产条件和客户要求都提 出了理论和思想并进行了相应的实践。 1 2 1 快速产品设计的内容 产品的快速设计是近几年出现的一种新的哲理，与计算机集成 制造( c i m ) ，并行工程( c e ) 和敏捷制造( a m ) 相比，快速产品 设计主要目的是缩短产品的设计开发周期，提高产品的设计质量， 以及提高企业对市场的快速响应能力。现有的快速产品开发的技术 和方法都强调面向产品的全生命周期，而本软件d a r f a d 主要是 面向用户的快速设计，它关注的仅是用户和产品设计之间的设计周 期，即如何快速设计以响应用户的需求。虽然如此，并不是说产品 设计不要面向全生命周期，而是作为面向全生命周期设计的一个组 成部分而存在的。 第一苹绪论 一个产品从想法到设计样品的完成，这其中主要经过三个过 程，分别是：功能设计、概念设计和详细结构设计。而从样品转化 成商品还有许多的工作要做，包括工艺规划、生产制造、运输和销 售，直到产品经使用后报废回收，从而构成了一个产品的生命周期。 波音公司根据对一般生命周期费用( l i f e c y c l ec o s t ：l c c ) 分布 情况的统计，得出如图1 一l 所示的相关结果。 开发设计开发维护 图1 1 ：产品生命周期费用( l c c ) 分布情况 它表明产品开发的早期概念阶段( c o n c e p t & a d v a n c e d d e v e l o p m e n t ) 将决定l c c 的绝大部分成本( 大约为7 5 8 5 ) ，但 该阶段所占l c c 的实际费用却最低( 只有7 ) 【3 ，”。 这也就是说，产品的早期设计将对产品的各项性能起决定的作 用，而在这个阶段所做的修改所谓的风险也最小。因此对缩短产品 的开发周期的研究就集中在如何在产品开发过程中尽早的考虑后续 生命阶段的所有因素( 如工艺性、可制造性、可装配性等等) ，以避 免到了后期由于修改方案而造成资金大量浪费和产品开发周期的延 长。 1 2 2 快速产品设计的意义 快速产品设计就是在最短的时间内设计出最优的产品，从而能够 提高企业的竞争力，换句话说也就是使企业实施“快速响应工程”。由 于快速响应工程可以使企业具备从捕捉产品信息到及时投放市场的全 面快速响应能力。因此，为了提高快速响应能力，企业首先应能迅速 产品生命周期费用 山东大学硕士学位论文 捕捉复杂多变的市场动态信息，并及时做出正确的预测和决策，以决 定新产品的功能特征和上市时间。明确了新产品的开发项目以后，实 现快速设计就成为重要的一环。工程设计的重要性是不言而喻的。据 统计，工程设计的费用虽然只占产品最终成本的一小部分( 不到1 0 ) ， 但往往决定了它的8 0 以上的制造成本，而且还决定性地影响产品的 性能和交货期。现代机械产品由于用户的要求越来越高，产品结构曰 益复杂，科技含量愈来愈高，所以使产品的开发周期日趋延长。如何 解决好产品市场寿命缩短和新产品开发周期延长的尖锐矛盾，已经成 为决定企业成败兴衰的生死攸关问题。产品开发周期包括设计、试制、 试验和修改等一系列环节，除了设计以外的后几个环节可以统称为试 制定型阶段。为了实现快速设计，人们提出了c e ( 并行工程) 、d f x ( 面向制造、装配、检验、质量、服务等的设计) 、c s c w ( 计算机协 同工作支持环境) 和功能分解组合的设计思想，这将引起对现代设计 方法和c a d 发展的新探索。在此基础上，我们提出用变型设计实现快 速响应的策略。这种设计策略以关系型产品模型和与之相适应的产品 信息管理系统以及基于实例推理的智能技术为主要手段，特别强调对 企业产品信息的标准化、规范化重组，通过对企业现有成熟产品的变 型再设计，使企业的宝贵信息资源得到尽可能多的重用，从而达到以 快交货、高质量、低成本的快速响应竞争策略去赢得市场的目的。 1 2 3 支持快速产品设计的技术 从上砸的分析可知，支持产品快速设计的技术涉及到多个方面， 下面就详细介绍一下这方面的技术。 ( 1 ) c e ( 并行工程) 技术： 并行工程是缩短产品开发周期、快速响应用户的有效手段，它可 以使产品设计、工艺设计和设备设计的相关部门协同工作，提出最合 理的产品设计方案。并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ：c e ) 是在1 9 8 6 年夏天，美国国防部防御分析研究所( t h ei n s t i t u t ef o rd e f e n s ea n a l y s e s i d a ) 发表了非常著名的r 一3 3 8 报告，并首次提出了如下定义：“并 行工程是集成地、并行地设计产品及相关的各种过程( 包括制造过程 和支持过程) 的系统方法。这种方法要求产品开发人员从设计一开始 就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素， 包括质量、成本、进度计划和用户的要求 4 第一苹绪论 根据这一定义，并行工程是一种团队工作方法，通过组织跨部门、 多学科的开发小组，小组成员在一起并行协调工作，对产品设计、工 艺、制造等上下游各方面进行同时考虑和并行交叉设计，及时地交流 信息，使各种问题尽早的暴露，并共同的加以解决。从而使得产品的 开发时间大大缩短，同时质量和成本都得到改善。如图1 2 所示： 工序 工序； 并行产品琴凄过程 秣 图1 2 ：并行工程中多部门小组的组织方式 ( a ) 图中是并行工程中多学科小组的组织方式，而图( b ) 则说明了 并行工程缩短产品开发周期的原因，在传统的产品开发过程中，后序 工序只有在前序工序已经完成后才开始，而在并行设计的环境下，后 续工序提前开始，假如出现问题则返回前工序，从而在局部的小循环 中，解决产品设计中可能出现的问题，而不像传统设计一样在设计的 大循环中发现问题并解决此类问题【4 。 ( 2 ) d f x 技术： 在并行工程这种理念的引导和作用下，工程设计和研究人员开发 了相应的工具和方法来实行并行设计。d f x ( d e s i g nf o r x ) 就是最为 关键的工具，同时d f x 的设计理论也是面向型产品设计的主要方法， 它要在产品的设计阶段，全面、有效和清晰地表达产品生命周期内各 阶段、各领域对产品设计的要求；在设计过程中，除了满足产品对功 能的最基本要求，还应在满足上述多种需求中取得折衷，求得产品在 生命周期内最优化的设计方案，从而使产品在其设计阶段就具有良好 的可制造性、可装配性、可维护性和可回收再利用等方面的能力。其 中x 就代表着产品设计中除了功能要求外的其他要求，如制造性、装 配性、维护性等。d f x 涉及产品生命周期内的多个领域，因此各领域 山东大学硕士学位论文 对设计提出的要求，即领域知识的表达，和对设计知识的决策是实现 d f x 的核心。除了目前研究较为深入的d f m ( d e s i g nf o r m a n u f a c t u r i n g ) 和d f a ( d e s i g nf o ra s s e m b l y ) 1 6 1 之外，还有d f d ( d e s i g n f o rd i s a s s e m b l y ) ，d f r ( d e s i g nf o rr e c y c l ea b i l i t y ) ，d f s ( d e s i g nf o r s e r v i c e a b i l i t y l ，和d f e ( d e s i g nf o re n v i r o n m e n t ) 等。 ( 3 ) c a x 技术： 除了d f x 技术之外，在并行工程中另外一种非常重要的支持工具 则是c a x 技术。c a x 技术主要指一系列的计算机辅助技术，包括计算 机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ：c a d ) 、计算机辅助制造( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g ：c a m ) 、计算机辅助工艺规划编程( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ：c a p p ) 、计算机辅助工程( c o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r i n g ：c a e ) 等。这些技术最初并不是专门为并行工程而开发， 但是随着技术的发展，逐渐地溶入到了并行工程中( 虽然它们仍然可 能独立的发挥作用) ，并成为并行工程的有利工具。作为c a x 基础的 c a d 技术，使得现代制造企业可以完全的抛弃图板。现代计算机技术 的发展使得设计人员可以从繁重的体力劳动中解脱出来，无论在产品 设计的直观性、形象性还是在减少修改工作量上，现代的c a d 技术的 作用都是不言而喻的。从以a u t o c a d 为代表的二维绘图软件到以 p r o e 、u g 、c a t i a 为代表的三维作图软件的应用都为减少设计时间， 加快产品的开发进程打下了坚实的基础，随着计算机技术的发展，现 代的c a d 系统已不仅仅是建立几何模型的功能，同时还有工程分析、 动态模拟、自动绘图等功能。所以在现代计算机技术的支持下，一个 完整的c a d 系统是由科学计算、图形系统和工程数据库等组成的，而 这也将进一步的促进快速设计的发展。 ( 4 ) c s c w 技术： 随着时代的发展，技术的更新推动了设计技术和设计思想的进步， 但同时也出现了新的情况，并行工程思想的研究和应用中就出现了要 解决相关设计信息的交换、检索、共享以及异地设计的相关问题，从 而研究人员又提出了计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e d c o l l a b o r a t i v ew o r k ：c s c w ) 以及集成式的产品设计与开发( i n t e g r a t e d p r o d u c td e s i g na n dd e v e l o p m e n t ：i p d d ) ，并开展了相关的产品和设计 过程表达的研究 8 , 1 0 。 ( 5 ) 概念设计技术： 对于快速产品设计而言，还有一些技术和研究取得了成效或显示 第一章绪论 出强大的生命力，诸如计算机辅助产品的概念设计。产品的设计是要 解决其作为一个产品的三个方面的问题；f u n c t i o n 、b e h a v i o r 、s t r u c t u r e ， 而这又对应了三个相对独立的设计阶段：产品定义、概念设计、详细 设计。随着c a d 技术在详细设计阶段的成功应用，研究人员正把研究 的重点转向产品设计的前两个阶段，而作为重点的概念设计的研究也 正如火如荣的展开。作为概念设计，其目的就是要根据功能来找出作 用原理。 ( 6 ) 模块化设计技术： 模块化设计是产品快速设计的使能技术，通过综合利用模块化设 计中的标准化特征、系列化特征，组合特征和面向产品族的设计方法可 咀加快产品设计周期，从而实现产品的快速设计。因此，模块化产品设 计被认为是简化产品实现、减少开发成本和缩短制造周期的晟有效方 法和工程设计实践。现代模块化设计方法的研究已经广泛融合其他现 代设计方法、制造和管理技术，如计算机辅助设计、价值工程、可靠性 和优化设计、成组技术等。模块化设计技术的发展和应用，为现代制造 业的产品设计与制造提供了一套有效的理论和技术方法。 在“快速响应工程”l l ”中，本文重点研究的是模块化设计技术对 产品快速设计的作用，下面就从这方面介绍一下支持快速产品设计 【”。”o 的软件d a r f a d 。 1 3 支持快速产品设计的软件d a r f a d 介绍 该软件是l l 【东大学c a d 实验室完成的国家“8 6 3 ”项目的研究成 果。d a r f a d 软件属高科技、高附加值的计算机软件新产品。d a r f a d 软件建立在需求分析及功能建模上，提供产品设计从无到有、零件从 少到多、表现从实验到高级、结构从简单到复杂的进化模式，完全支 持自顶向下的设计，觯决了产品早期设计阶段，特别是概念设计阶段 的高度抽象表达，解决了设计一一修改一一再设计的病态设计过程， 适合于专业技术人员进行产品的快速设计，更是非专业人员进行产品 快速设计的有力工具。d a r f a d 软件不但是国内第一个提出基于需求 和功能表现分解重构建模的c a d 软件，在国际上也属先例，它完全支 持产品的快速设计，能极大的提高产品设计效率，是现有c a d 软件的 全新尖端技术产品。d a r f a d 是支持快速产品设计软件的原因主要体 现在以下方面： 现在以下方而： 山东大学硕士学位论文 一从设计过程来看： ( 1 ) 采用模块化与产品创成技术，使整个软件分为以下几个模块：三维 产品概念创成与结构细化模块、产品概念模拟模块、产品开发过程管 理模块、知识管理模块等，从而使产品设计具有模块化技术的特点， 可以加快产品设计周期，增加知识的重用度。 ( 2 ) 采用产品概念设计和结构设计相结合，模拟生物细胞生长过程，在 产品迅速“生长”的过程中保持产品这一“生物体”的完整有效性， 大大减轻了设计人员的思维负担。 ( 3 1 整个设计过程采用概念设计的思想：从功能需求出发生成概念产品 的设计过程。它解决了现有概念设计与结构设计和参数设计衔接功能 差、设计步骤操作性差、没有自动综合能力等问题。改变了传统机械 产品设计的过程，加快了产品设计的速度。 二从设计目的来看： d a r f a d 是设计自动化软件，其主要目的就是为了加快产品的设 计周期，降低产品开发费用，提高资源的利用率。 所以仅从以上方面来看，d a r f a d 是完全支持快速产品设计的软 件，本文提到的支持快速产品设计的知识管理也就是使用d a r f a d 软 件进行产品设计的知识管理。d a r f a d 软件的出现及推广应用将迅速 推动产品快速设计的进程，极大的提高产品设计全过程的效率和质量， 具有巨大的社会与经济效益。 本文是以d a r f a d 为理论基础开发的、能够使d a r f a d 软件更有 效的管理产品设计过程中的静态知识和动态知识，也即d a r f a d 软件 的知识管理模块。所以本文的主要目的就是在系统工程思想的指导下， 以产品设计过程中的知识为核心、用整体优化的观念对设计信息和设 计过程进行描述，规范产品生命周期，保持设计信息的一致性和可跟 踪性，实现设计知识的有序、设计过程的优化、资源的共享。 1 4 课题的目的及其研究内容 本课题旨在开发套支持产品快速设计的知识管理软件系统，完 成知识获取、评价与管理。 本课题理论方面的主要研究内容如下： 在现有的d a r f a d 软件系统基础上，利用已有的基础开发出一套 完整的知识管理模块。主要包括： 第一章绪论 1 ) 对d a r f a d 整个设计过程中相关的知识进行总结、编码； 2 ) 把系统中各步骤涉及到的知识进行分类存储，比如： + d w g ( 实体零件或产品) ，+ p r t ( 概念零件) ，+ d a t ( 方案群体) 等。 3 ) 根据需求知识的不同功能分别进行知识库设计、开发：建成一套完 整的、有条理、有次序的知识库系统，实现规则知识的完全或不完全 匹配，从而加快产品设计。 4 ) 每个知识库中又有很多数据表，同一个知识库中的表间有一定的相 互关系。 5 ) 系统中知识的使用可以进行自动检索或人机交互选择的方式：由于 每次检索可能有很多相似的方案，我们必须进行方案选择、优化、细 化。 6 ) 由于采用了产品协同设计的模式，就必须进行网上信息获取( 获取已 有知识、与用户交流等) ，允许用户通过服务器对知识库远程自动更新。 由上所述，根据本课题研究的内容来看，课题的实施将会对快速 产品设计提供很好的智力支持，使设计过程知识有一个系统的管理， 从而为快速产品设计提供保障。 本章小结 本章概述了课题的背景及研究意义，分析了快速产品设计的现状 及其意义。论述了支持快速产品设计的技术，并结合支持快速产品设 计的软件d a r f a d 进行了详细介绍。由此引出了课题的来源和研究内 容。 山东大学硕士学位论文 第二章支持快速产品设计的知识管理系统的总 体结构 快速产品设计的目的是要缩短从用户要求到设计结果之间的时 间，即从产品想法到虚拟样机或是试制样件的时间。其中需要考虑作 为一个企业如何去获得产品的创意，如何去定义所取得的创意一一针 对产品的设计来说就是如何定义一个产品的功能要求( 包括总功能、 分功能) 、最后才开始做产品的详细设计一一结构设计。上述这个过程 是企业新产品开发的流程，而在企业与用户之间还有别的流程存在， 诸如：用户产品定制要求，即用户自己提出产品设计的具体要求( 功 能、参数、大致的结构等) 让企业进行生产性的设计工作。面向用户 的关键之一就是企业的产品开发人员应充分了解用户的需求，设计者 要根据用户的消费心理、消费情趣、消费习惯和支付能力来设计产品， 要做到这一点，最为有效的办法莫过于将用户纳入产品设计小组，让 用户参与产品的设计工作。 用户在产品设计小组中的任务应该是帮助设计人员来定义一个产 品，诸如：总功能，某些技术性能的定量、定性指标，而设计人员就 应该在具体的产品定义阶段完成之后和用户及时的沟通，让用户对细 化的产品定义来做一个判断，以确定可行性和用户可接受度或是满意 度。当设计人员在确定产品的定义之后，开始原理方案的设计，如果 在此过程中出现问题，可以进一步的征求参与设计的用户的意见，以 作修改。而在有一定的设计结果时( 如设计效果等) 可以让用户相应 的评价，但经过详细设计完成了虚拟样机后，也应该及时向用户征求 意见，以作相关的修改。 根据上述关于快速设计的相关内容，快速响应设计的总体框架体 系，如图2 1 所示： 0 第二章支持快速产品设计的知识管理系统的总体结构 图2 1 ：快速设计体系框架 图2 1 说明：双点画线框区域是企业设计人员工作区域：概念性想法 可以由各种渠道向各类人员获取，包括设计人员、企业员工、以及用 户等；用户通过i n t e r n e t 能看到企业的各种产品信息应该为三维浏览模 型，诸如：v r m l 格式的产品及其零部件模型【4 】。 企业的产品信息库并不完全对所有的网上人员开发，特别是对于 企业新设计的概念性产品( 未投入市场的设计) ，而仅对参与产品设计 的用户开放。 2 1 知识管理系统结构确定的原则 为了实现产品的快速设计，本文建立了基于功能表面的知识管理 系统和在利用o b j e c t a r x 开发已有软件m e c h a n i c a ld e s k t o p 基础上建 立了产品快速设计的应用系统，具体编程语言有v i s u a lc + + 、 o b i e c t a r x ，既可运行于单机也可运行于系统设计的分布应用系统上。 系统所遵循的基本原则有： ( 1 ) 系统设计具有可扩展性，不仅是指知识库系统中知识数量的可扩 展性和支持产品设计的各种规则、数据的可扩展性，更重要的是指本 系统对已有的成熟软件的可包容性。对产品设计是面向全生命周期的 设计系统在产品概念设计阶段，由于对不同系统的包容，对产品的制 造性、装配性和拆装性的分析存在相对不一致的地方，所以不能过分 山东大学硕士学位论文 强调某一方面，系统应对不同的软件所产生的结果具有可协调性，使 系统具有可扩展性。 ( 2 ) 系统设计各模块的相对独立性，本系统有知识库结构模块和知识 管理模块两大部分组成，并且知识库结构模块又可分为产品库、方案 实例库、数据库等；管理模块包括设计支持模块和设计评价模块：各 模块既可单独运行又可联合运行，具有各自的相对独立性，这样可保 证系统的稳定运行和系统的可扩展性。 2 2 知识管理系统的总体结构 系统具有以下几个主要功能： a 产品知识库查询、更改、增加和知识评价功能； b 对产品设计过程的支持与实现； c 对部分阶段的产品详细设计支持； 系统的模块组成： ( 1 ) 系统知识库，该知识库属于动态约束型知识库；是进行产品设计 的支持，目前包括产品方案库、壳体库、零部件库和数据库。 ( 2 ) 产品设计模块，用以支持产品的概念设计和部分详细设计。 ( 3 ) 概念方案的分析与评价子模块，对产品概念设计阶段进行制造性、 装配性、拆装性分析评价，根据评价指标对性能指标进行量化，向设 计者提供评价信息和设计建议，提供初步的设计建议。由于不同的评 价目标可能存在相瓦矛盾的地方，在设计后有综合评价模块对各项指 标的冲突进行协调，协调各种数据，使按用户的需求进行设计。 ( 4 ) 功能表面编码子模块，可根据工程图对已有产品进行功能表面的 分类，通过对该产品功能的分类与识别，进行编码存储。可对非本系 统设计的产品进行分析评价，并对产品的再设计和改进提供数据支 持。 2 3 快速产品设计软件d a r f a d 的工作流程 使用d a r f a d 软件进行产品快速设计的工作流程如图2 2 所示， 这里产品设计过程如上一章所述有三个基本阶段：功能原理分析、概 念设计与详细设计，各阶段任务如上划分，系统输入为用户对产品的 功能需求和设计初始条件，最终输出为产品的概念结构。 第二章支持快速产品设计的知识管理系统的总体结构 用户需求l j 需求分析l _ 4 概念设计il 已有实体图 产品搜索 工 功能产品库 产品方案库 是否搜到 ) 调出产品 磊磊夏森西翮i 实体抽壳 唰蓄擎 分析评价 详细设计 壳体 存储 图2 2d a r f a d 软件的产品设计工作流程 由系统流程可以看出，该系统有一个主工作流程和从工作流程。 产品设计为系统主线，辅线是知识库的操作( 包括存储、搜索等) 。但都 是为了能够设计更好的产品，知识库的操作是为了对产品设计提供更 好的支持，是对已有产品进行评价、分析和提供再设计建议的基础。 所以系统中知识库的结构与操作是本文的重点。 在产品概念设计阶段，在概念结构形成后，再进行的就是概念方 案的匹配问题，对概念方案中的每一个工作部分根据广义定位原理进 行选择，选择的过程是知识库的知识优化的过程。既可由系统选择， 也可由设计者自选。在概念方案确定后，系统自动根据选择的编码调 用知识库中的功能图形，根据p a r t n e t 提供的图形位置在系统中显 示，随着各功能部件的细化和逐步选择，产品的概念结构就形成了。 也就是产品的功能部件、产品的基本轮廓也基本形成了。下一步就是 进行产品的详细设计，对产品结构的具体位置关系、及部件上的辅助 零件进一步设计。详细设计的初级阶段就是在产品的概念结构形成后， 由功能图模块生成产品实体( 初步设计) 的过程。其过程包括各零件 的组合选择，产品零件方案的确定，本文讨论的是从需求分析到产品 概念结构及概念方案完成，以及到产品实体的替换这整个过程中涉及 到的知识。 本文产品的设计都是基于知识库的，概念功能的信息模式及产品 的构造规则都存在于知识库中；对知识库的操作过程，既是对知识库 山东大学硕士学位论文 的优化过程，也是对产品设计优化、改进的过程。 2 4 系统知识的特点 本文设计系统的知识类型包括： ( 1 ) 工程知识和分析知识，其中大部分是设计过程使用的设计规则， 这是静态知识，另一部分是在设计过程中生成的知识，包括各功能的 评价性能知识，各子目标分析及权重分析知识等，这些知识具有高度 动态性。 ( 2 ) 产品知识，它包括功能表面的几何信息以及概念产品信息，这类 知识数量大，且结构复杂。 ( 3 ) 专家知识和评价准则，比如设计过程中的专家提示、信息查询、 方案设计最优化评价准则等。 上述知识有以下特点： 知识结构复杂，除部分是数字外，大部分为结构化数据，如图形、 概念模型信息、表格等。 知识间关系复杂，各种知识之间存在复杂的联系，它们有一对一、 一对多和多对一等各种关系。 知识间一致性维护较多，且难度较大，各参数间存在复杂的约束 关系，需要对每一种关系建立专门的推理机制和协调机制保证各 关系数据的一致性。 2 5 知识管理系统的分布式应用 本系统知识库是面向网络协同设计而开发的，其应用对象是所有 设计人员，随着开发的进行，知识库中知识量增多，用户想要本机知 识库中知识进行更新，就要与开发程序主机或服务器进行协同工作， 所以建立了基于w e b 的协同分布知识库系统。本课题利用网络协同式 的c t s 的分布式知识库应用如图2 3 所示： 4 第二章支持快速产品设计的知识管理系统的总体结构 图2 3 知识库协同应用模型 2 6 知识管理系统中的模块化思想 知识的模块化是指产品设计中某一阶段的所有设计知识的集合， 各集合也即各模块之间既保持相对独立又因设计过程的连续而保持着 一定的联系。由于单个模块的知识相对比较固定，其修改、更新不是 很频繁，所以比较易于管理。而模块之间是以弱耦合连接的，当其连 接关系变化时对各个模块知识的影响很小，所以从这方面来说模块化 技术也是有利于知识管理的。综上所述，模块化技术便于知识的管理 及知识的重用，所以在本文的知识管理系统中采用了模块化技术。 本章小结 在阐述了企业快速响应体系内容的基础上，提出了支持快速产品 设计的总体结构，并对此结构的相关问题进行简单的分析，然后介绍 了系统结构组成和工作流程，并对系统集成的一些关键问题具体说明。 并由此提出了基于功能划分的产品模块化设计思想。 山东大学硕士学位论文 第三章支持快速产品设计的模块化技术 模块化技术是支持快速产品设计的技术之一，它便于资源的优化、 知识的重用和知识的管理：在快速产品设计中，模块化技术的优点： a 缩短设计周期、提高产品灵活性，增强产品竞争能力： b 提高了产品质量，降低生产成本： c 易于做好用户服务( 便于维修) ； d 便于产品更新换代，发展变型产品； e 便于实现标准化功能模块。 对于支持快速产品设计的知识管理系统来说，模块化有两层含义： 一方面是指产品设计过程的模块化，这主要是产品设计过程分为不同 的设计阶段，把设计阶段进行模块划分，也即产品的模块化设计；另 一方面是指知识管理系统的模块化，即设计不同阶段知识的划分和知 识库管理系统的模块组成。 3 1 产品模块化设计过程 产品的模块化思想是将某一产品( 实体产品或是概念产品) 按一定 的规则分解为不同的、利于产品设计及制造和装配的许多模块，而后按 照模块来组织生产。模块化的实质就是要将产品进行功能模块匹配，目 的使得各个模块分散在各个企业进行开发、生产、装配、服务，以便联 盟集中优势资源进行产品开发、设计制造直至售后服务的各环节活动。 产品模块化设计i l 6 , 17 是以产品功能的分析为基础，将产品的总功 能分解为若干层次较高的综合性能单元，然后根据不同需求，将这些 综合性能单元分别层层细化成若干层次较低的、可互换的、独立的基 础单元模块。 由于基础单元模块具有可以重复利用的特性，从而促进利用基础 单元模块使单件生产转化为批量生产，产品设计人员通过选用不同层 次的模块，即可组成不同的产品。应用模块化设计大大缩短了设计、 试制和生产的周期，在较短的时间内可以满足不同用户对产品的需求， 从而提高了产品的市场竞争力。 产品模块化是用一定的分类方法将某一产品划分并设计制造出一 系列模块，之后通过相应的模块组合构成预期的产品。一个理想化的 第三章支持快速产品设计的模块化技术 产品模块，应该具有以下特点：标准化；组合化；集成化； 层次化；灵活化；方便化；互换性：相关性( 模块问的直接装 配关系或间接相对位置关系) ；相容性( 指两个模块在同一层次模块级 别上或产品中同时存在的可能性) 。 按照产品使用功能的要求，进行分析、分解，形成总功能和分功 能的实体( 模块) ，这就是模块的形成过程。模块化的目标则根据设计 任务的不同而不同，但其核心在于模块化产品的快速上市，即寻求明 显的、可分离的模块来开发设计制造产品，以满足快速产品开发制造、 能重复使用、能升级、重构和其他的工程目标。 为此本文采用了模块化设计的思想来划分知识管理系统，以便使 快速产品设计能更快的跟上市场的需求，从而也使知识具有模块化管 理的特点。 3 2 模块化技术与产品快速设计 3 2 1 模块化设计技术 现代产品设计的复杂性使任何部门或人员难于独立完成整个产品 的设计过程，需将产品划分为子系统，可以从根本上降低设计的复杂 性，加快产品的研究开发。同时，随着市场竞争的加剧，用户需求呈多样 化、个性化趋势，而产品的生命周期却日益缩短，企业必须改变原有的 大批量生产模式，转而采用与市场相适应的多品种、小批量生产模式， 并将原有的以产品为单位的设计模式，转变为模块化的设计模式。随着 产