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摘要 摘要 产品设计实例知识作为产品设计知识的一个组成部分，是企业宝贵的财富，对 设计实例知识进行有效的重用可以促进企业充分利用现有设计资源、提高产品设 计的质量和效率。本文针对实例产品设计中所涉及的实例表达，实例检索、实例 修改，实例维护技术做了深入研究。 首先，本文介绍了产品设汁本质，同时介绍了基于知识的智能设计和设计重 用的思想和意义：研究了设计重用中重要支持方法基于实例的推理( c b r ) 方法；采用面向对象的实例表达方式；给出了产品特征相似度具体计算方法及相 应的实例检索算法，同时对实例的修改及保存给出了有效的方法：针对提高实例 库检索效率问题，给出冗余实例、垃圾实例、热点实例和实例增加的解决算法； 接着针对实例推理冲突，给出了实用的解决方法。最后以把实例设计的核心技术 应用到减速器设计中。 关键词：相似度实例表达实例检索实例修改实例维护 a b s 打a c t2 a b s t r a c t p r o d u c td e s i g n sc a s ek n o w l e d g e ，a sap a r to fp r o d u c td e s i g n s k n o w l e d g e ，i s v a l u a b l et r e a s u r ei nt h ee n t e r p r i s e i t se f f e c t i v er e u s ec a n p r o m o t ee n t e r p r i s et om a k e t h e b e s to fe x i s t e dd e s i g nr e s o u r c et oi n c r e a s ed e s i g n sq u a l i t ya n de f f i c i e n c y t h i sp a p e r s t u d i e s p r o d u c td e s i g n st e c h n i q u eh o m e ，w h i c h i n v o l v e sc a s e r e p r e s e n t a t i o n ，c a s e s e a r c h ，c a s em o d i f i c a t i o na n dc a s em a i n t e n a n c e a tf i r s tt h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ee s s e n c eo f p r o d u c td e s i g n ，k n o w l e d g e b a s e d i n t e l l i g e n td e s i g n ，t h ei d e aa n ds i g n i f i c a n c eo fd e s i g nr e u s e ，a n dr e s e a r c h e sc a s e - b a s e d r e a s o n i n g ( c b r ) m e t h o d ，w h i c hi s t h ei m p o r t a n ts u p p o r t i n gm e t h o do fd e s i g nr e u s e s e c o n d l y t h ed i s s e r t a t i o n a d o p t so n e c t - o r i e n t e d m e t h o dt o e x p r e s s t h ei n s t a n c e k n o w l e d g e o f p r o d u c td e s i g n t h i r d l y w e p r o v i d es i m i l a r i t yd e g r e e s d e t a i l e d c a l c u l a t i n gm e t h o d so f t h em a i n p r o d u c tc h a r a c t e r a tt h es a m et i m ee f f e c t i v em e t h o d s a b o u tc a s em o d i f i c a t i o na n dc o n s e r v a t i o na r ep u tf o r w a r d f o u r t h l yt h ed i s s e r t a t i o n p o i n t so u tt h ea r i t h m e t i ct o r e s o l v et h ep r o b l e mo fr e d u n d a n tc a s e s ，o b s o l e t ec a s e s ， h o t s p o t c a s e sa n dc a s e sa d d i t i o n t h em e t h o d sa r eu s e dt om a i n t a i nt h ec a s e b a s et o p r e s e r v e t h es o l u t i o n s q u a l i t y a n d e f f i c i e n c y o ft h e s y s t e m s i m u l t a n e o u s l y t h i s d i s s e r t a t i o no f f e r sa na p p l i e dr e s o l v e n ta b o u tc a s ec o l l i s i o n f i n a l l yt h i sp a p e re m p l o y s k e m e lt e c h n i q u eo nr e t a r d e rd e s i g n k e yw o r d s ：s i m i l a r i t yd e g r e e c a s em o d i f i c a t i o n c a s er e p r e s e n t a t i o nc a s es e a r c h c a s em a i n t e n a n c e v6 辆与5 l 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即；研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在j 年解密后适用本授权书。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 产品设计+ 概述 设计作为现代工业生产的关键性环节，在产品的整个生命周期中占有极其重 要的位罨，它从根本上决定着产品的质量及成本。如图1 1 所示“1 ：产品成本的 7 0 是由设计阶段决定的；而在运用产品制造的工程阶段，只决定着2 0 的产品 成本：在生产管理阶段，只影响成本的1 0 。由此可见，设计是决定产品命运的 最重要环节。 图1 1 产品成本在开发稃阶段承担的份额 设计是一种创造性活动，设计的本质是创造和革新。设计的本质是由如下 设计的基本特征所决定的： ( 1 ) 约束性：设计是在多种因素的限制和约束下进行的，其中包括科学、技术、 经济等发展状况和水平的限制，也包括生产厂家给出的特定要求和条件，同时还 涉及环境、法律、社会心理、地域文化等因素。设计质量、设计效果取决于设计 者的知识、经验和思考问题的方法。 ( 2 ) 多解性：解决同一技术问题的办法是多种多样的，要满足一定目的的设计 方案通常也并不是唯一的。任何设计对象本身都是包括多种要素构成的功能系统， 其参数的选取、尺寸的确定、结构形式的设想等等都具有很强的可选择性。因此， 设计思维的活动空间是广阔的，它为设计人员创造性的发挥提供了天地。 2基r 实例的机械传动产品设计与实现 ( 3 ) 相对性：设计结论或结果都是相对准确的，而不是绝对完备的。这就使得 设计人员经常处于- ：l b 4 l 互矛盾的问题情境之中。例如，既要降低成本，又要增 加安全性、可靠性。只能做到在一定条件下的相对满意和最佳，而不可能得到绝 对的最优解。 人类已经迈入了二十一世纪，回顾二：十世纪人类所创造的文明成果，计算机 的发明乃至随之而来的信息技术革命无疑给人类社会带来了空前的变革和发展。 在工程设计领域，随着全球经济一体化步伐的加快，市场竞争同趋激烈，同时市 场也更趋向成熟和理性，这对产品设计都给出了新的更高的要求。现代产品设计 的特征标志包括并行设计、智能设计、协同设计、优化设计、快速响应设计与制 造以及绿色设计等“。这些设计围绕着质量、时问、成本及环境展丌，即要求 以最短的时问、最低的成本设计出质量最好、环境负荷最小的产品。 1 ，2 基于知识的智能设计方法 1 2 1 知识处理系统与智能设计 目前，我国的多数机械制造企业设计丌发手段依然很弱，不能充分利用已有的 设计信息，设计中缺乏有效的协作等。其关键之一在于对设计知识运用不善，没有 充分利用相关的设计知识。因此企业必须不断提高设计水平。最充分地重用经过 生产实践考验的产品设计信息。多数新产品的开发只需对很少部分零部件进行 全新设计绝大部分零部件可以重用以前的零部件，这样作不仅可大大缩短生产 周期，而且还减少了产品丌发的风险。然而，目前企业采用的产品丌发系统难以 满足重用己有产品设计信息的要求，一般的c a d 系统通常只支持设计的详细阶段， 取代图板以表达设计的最终结果，却因此丢失了大量设计意图和设计过程信息， 给产品设计信息的重用带来了困难。c a d 系统存在的上述问题使得设计者在使用 计算机辅助设计工具的同时容易忽视对成熟设计信息的继承和重用，造成“新” 零部件不断被设计出来，零件数量无限制增加，制造过程难以控制，工装数量增 加，生产成本提高以及交货周期延长等严重后果。 但由于设计活动是一种人类特有的智能行为，在设计方案的确定、模型的建 立和评价决策等许多设计环节中，有相当多的工作还不能建立起精确的数学模型， 并用数值计算的方法求解，而需要设计师发挥自己的创造能力，运用多学科的知 识和实践经验，经过分析推理和综合构思才能取得良好的设计结果。 通常把提供了诸如推理、知识库管理、查询机制等信息处理能力的系统定义 为知识处理系统，例如专家系统就是一种知识处理系统。具有传统计算能力的c a d 箱一带绪沦3 系统被这种知识处理技术加强后称之为智能c a d ( i c a d ) 系统。“。 在设计过程中，许多非结构化问题难于用数学模型来描述，无法用数值方法 求解。要实现这类问题的求解自动化，就只能求助于人工智能技术。因此，实现 自动化求解设计过程中大量存在的非结构化决策问题是智能设计产生的背景之一 。另外，在设计中还有大量的i 1 题，虽然它们可以用数学模型来描述，但出于 问题的高复杂度，无法用数学方法找到精确解，而只能借助经验性的方法求得近 似解。 1 2 2 基于知识的设计系统 人类在生产、工作、r 常生活中有大量的决策活动，人们依据知识做出决策， 这晕知识包括理论性知识和经验性知识，它们可以有多种描述形式( 如数学、符号、 逻辑、图像等) 。如果人们想用计算机来辅助决策，就要设计用计算机来自动化地 处理各种知识，进而实现决策自动化( 或部分自动化) ，这就是智能工程要研究的 问题。 设计一个产品的知识，通常有以下几个来源( 从获取途径来划分) “1 工程设计原理 工程设计原理是在工程领域长期发展形成的领域设计知识，其内容形式多样， 确定了工程结构的计原理、具体设计方法等。 典型工程实例知识 典型工程实例应用的可行性和有效性是得到实践证明的，它可作为同类设计 的参考，也是专家经验的一项来源。因此，典型工程实例就是专业设计知识的一 种，主要包含设计需求、设计任务、设计过程和设计方案，设计结果，其应用一般 体现在设计阶段对各设计参数的拟定、构造设计过程中工程结构形体以及构造细 部尺寸的设计、结构分析阶段的模型构造、设计图纸的表达等。 工程设计规范知识 工程规范、设计手册是工程设计的重要依据，也是工程设计经验的总结。它 规定了在进行工程设计时需要满足的设计要求和具体的设计方法。大多专业领域 的设计都有相关的设计规范、设计手册工程规范是工程设计中很重要的一类知 识。 专家经验类知识 经验类知识是设计领域的专家经过多次实践后归纳总结出来的工程设计经 验，是得到诸多设计实例证明的有很高参考价值的知识。专家经验的利用有助于 得出设计雏形，确定设计重点、难点，对设计中的某些问题能够较快解决。专家 经验包括经验公式、经验数据、叙述性经验和对工程设计问题的设计简化方法等。 4 基丁实例的机械传动产品设计与实现 图形知识 图形是直观描述设计参数、具体结构的有效的工具之一，是工程设计工作中 经常遇到的设计知识。 基于知识的智能化设计是一项将知识工程原理和计算机辅助设计理论相结合 的综合性技术，它不仅能用实物的几何特征参数控制产品模型，而且能将设计人 员在设计过程中采用的设计思想、准则、原理等以显性的知识表达出来，比传统 产品建模技术更能体现产品特征，更适应现代设计的发展需要”1 。基于知识的智 能化设计就是通过设计知识的获取、组织、表达、集成和使用实现设计自动化。 基于知识的设计系统开发是一个综合的过程”1 。丌发者将搜集产品设计、分析 和制造方面的一切信息( 包括设计规则、标准以及装配和制造对设计的要求) 和专 家的知识与经验，并将其集成到设计系统中，使得设计人员能在设计的不同阶段 得到系统的不同程度的支持。它是c a d 、c a m 、c a e 、知识库、推理机、数据库等 的集成，不仅体现了并行工程思想，而且更强调专家知识和经验的继承、传递与 共享。 基于知识的设计，包括设计知识的获取、表达与应用；设计知识的融合、管 理与共享：设计信息和知识的合理流向、转换和控制等。对于知识在设计中的获 取、表征、传递、运用等，人们已经展丌了广泛的研究”1 。如r o t h 给出的设计目 录已在设计实践中得到普遍使用：由同本首先给出的智能制造系统( i m s ) 计划中， 将知识系统化列为一项重要的研究内容；美国n s f 资助的知识与分布智能计划旨 在研究下一代的基于多领域知识的远程团队协同。 1 3 产品设计知识的重要地位和作用及cbr 给出 而对于制造企业来讲，知识中最为重要的当属产品设计知识，其在企业中的 重要地位和作用主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 提高产品丌发效率，缩短丌发周期，降低丌发成本。( 2 ) 可以实现知识的重 用和共享。( 3 ) 发挥知识资产对制造业发展的引导作用，改造和提高制造业的市场 竞争力。( 4 ) 在产品开发中充分挖掘、继承和运用企业知识，通过知识的数字化提 高企业的无形知识资产和抗风险的能力。( 5 ) 设计工作是科学技术转变为生产力的 实践过程，而设计工作离不开设计知识的支撑。设计知识具有决策作用、反馈控 制作用和积累共享作用。( 6 ) 设计知识管理水平已成为衡量一个企业管理水平的 重要标志，设计知识管理是企业最基本的管理工作，设计知识管理上不去，其他 管理工作就失去了根基。 在具体产品开发过程中，设计公理和设计意图记录了设计决策的过程，通过 捕获的设计公理和设计意图，下游的设计人员可以理解产品设计目的，并因此可 笫一章绪论 以对如何重用设计知识作进一步的推理。设计实例库聚集了大量相关产品的设计 知识，并且提供了搜索引擎，可以有效地支持信息和知识的共享。产品设计知识 是人们在产品规程设计时所运用的各种数据、实际经验等的集合是十分广泛和复 杂的，并且随着数据库技术的成熟和数掘应用的普及人类积累的设计经验正在 以指数速度增长。由此可知，如何充分利用已有的产品实例设计经验，使其发挥 作用，就显得尤为迫切。 基于实例的推理( cbr ) 是八十年代人工智能中新崛起的一项重要推理技术。 基于实例的推理在某种程度上与类比推理相类似，而又不完全等同于类比推理。 它在很大程度上符合专家迅速、准确地求解新问题的过程，因而这种旨在利用过 去经验进行推理的思想从一开始就展现了它独有的魅力。基于实例的设计方法的 理论基础是相似问题有相似的解，故其设计思想非常接近产品设计方式。面对一 个新的设计要求，系统从记录以往设计方案的实例库中选出最接近设计要求的实 例，并以此为基础模拟出满足当前要求的设计方案。修改后的实例又可作为以后 设计的参考实例，实现系统的自学习能力。 1 4 本论文的主要研究内容 本文主要基于实例对产品设计进行研究，首先对产品实例知识给出面向对象 知识表示；接着对实例检索与修改给出自己的解决方法及相关算法：同时对实例 的维护给出自己的解决方法及相关算法。最后把实例的产品设计的核心技术应用 到减速器设计中。 本文完成的主要工作如下： 概述了产品设计，分析了基于知识的智能设计方法，叙述了产品设计知识 的重要地位和作用，最后引出了基于实例的产品设计。 本文经过对比分析现有的几种实例表示方法的优缺点，结合自己对设计实 例内容的理解，给出面向对象表示方法。 本文针对产品实例设计的基础理论相似理论进行了深入的研究，给出 在产品设计具体领域产品主要特征相似度的具体计算方法。 通过对产品设计具体领域深入研究及大量的调研，本文对实例检索给出通 用的检索算法，同时对实例的修改及保存给出有效的方法。 阐述了实例库维护( c b m ) 概念及其研究领域，重点就冗余实例的判断和 处理、垃圾实例的处理、热点实例的处理、实例的增加等给出了具体方法 及算法，最后给出实例推理冲突解决方法。 首先给出基于实例产品设计过程模型。接着本文以减速器设计为例，对减 速器设计知识实例进行表达，同时对减速器进行部件与零件( 轴) 的具体相 6基1 ：实例的机械传动产品设计与实现 似度计算。结果较为满意。 1 5 论文结构 绪论 上 3 产 实例i 5 ： 计的基础 理论相似理论 5 实例的维护一2 实例的表达4 实例的检索与修改 6 实例设计的思路及核心技术 在减速器殴计中的麻川 7 总结与展望 第一章产鼎设计实例知识的表达 7 第二章产品设计实例知识的表达 知识表达是c b r 系统的丌始，它决定着咀后各个步骤的j j i 自, n 与否，用户首先 根据其对当前问题的理解，用系统可以识别的语言刈问题进行描述，系统以此为 基础生成结构化的查询实例，作为实例检索的依据。对于知识表达通常有这些要 求：表达能力，即能否将问题求解所需要的各类知识完全表达出来：推理效 率，能否有效地利用知识库中的知识快捷、有效地完成推理；币确性，表达方 法是否具备良好定义的语义并保证推理的f 确性；结构性，表达方法是否具有 良好的模块化结构，便于知识库的维护。实例是c b r 系统的基础，其表达的信息 的内容和方式关系到用它解决相似问题的质量和效率。因此首先要解决的问题是 如何将企业己有的设计资源表达成满足c b d 要求的实例，这关系到两个方面：实 例知识的表达方法和包含的内容。 2 1 知识的表达方法 目前比较流行的知识表达方法有以下几种”“：谓词逻辑方法( 主要是一 阶谓词逻辑) 、产生式规则方法、框架方法、语义网络方法、过程模式、状态空间 搜索模式、脚本方式、直接表达法、面向对象的表达方法等。其中框架和面向对 象表达是目前大多数c b r 系统采用的方法“。 2 1 1 框架表达法 框架( f r a m e ) 是将某类对象的所有知识组织在一起的一种通用数据结构，而 相互关联的框架连结组成框架系统。框架由美国的人工智能学者m i n s k y 于1 9 7 5 年给出，认为人们对现实世界中各种事物的认 ： 都是以一种类似于框架的结构存 储在记忆中的，当面临一个新事物时，就从汜忆中找出一个合适的框架，并根据 实际情况对其细节加以修改、补充，从而形成对当静事物的认识。世界上的各类 事物各自具有不同的属性，而不同事物的属性之间往往具有一定的规律性的联系。 这种规律性的知识经过提炼，就可以形成人们认识某一类事物的一种固定的框架。 框架表达法就是用来表达这种经验性知识的一种知识表达方法1 ，是一种理想的 结构化层次知识表达方法，目前在知识系统中应用较多。一个框架由框架名和若 干个槽( s l o t s ) 所组成，槽值描述框架所表达实体的各个属性。每个槽又可由多 个侧面( f a c e t s ) 组成，各个侧面又可以拥有若干个值从不同方面来描述槽的特 性。一个框架的一般结构如下1 ： 8 基丁实例的机械传动产鼎敬计与实现 i ； ； 框架的b n f 描述为 3 0 ： ：= ：= 框架名 ：= ( 槽 ， ：= 约束 ， ：= i ( ， ) ：= i ：= i ( 用户自定义槽名 ：= i i i i ：= ， ：= ：= i ：= ( 静态描述 i l i i ：= i i i ：= i ( 动作 ， ：= 对于大多数问题，不能简单地用一个框架表达出来，要同时使用许多框架， 组成一个框架系统，框架之间通过泛化关系( i sa 或ap a r to f ) 连结成上下 层的纵向联系。框架之间具有属性继承类系即下层框架可以继承或修改其上层 父辈框架的属性值。还可以通过槽值为另一个框架名的嵌套连结成横向联系。整 个框架系统由纵、横向联系成一个具有层次的网络结构。框架推理时出上下文中 的数据选择候选框架，通过上下文查询、默认、继承、附加过程等获得属性值， 按照框架中各个槽的次序填入，使候选框架具体化，以生成一个描述当前情况的 实例。 框架知识库是一种基于“抽象一具体”概念的层次型构造，上位框架为抽象 度高的信息，下位框架为具体的信息，最下位框架对应于各个实例。由于知识库 第一章产r f 设计实例知识的表达 9 中框架之间的联系清晰，使一贯性的库管理得到有力的保证，加之推理完全接近 于人们的认识过程，所以框架知识表达非常适合于建立解决较复杂问题的知识系 统。孔凡国等“”用框架方法表达设计方案实例李志刚“用框架方法表达电动滚 筒的实例。 2 1 2 面向对象表达法 2 1 2 1 面向对象的基本概念 随着科技的发展，大量的知识被不断的重复运用，这些重复性知识迫使人们 寻求更方便的方法来对知识进行有效的管理、组织。面向对象思想在解决知识重 用这方面具有很强的应用价值。 面向对象技术是通过抽象现实世界概念，把一组相互作用的对象中的数据和 行为紧密结合在一起的实际应用技术。 从面向对象建模和仿真技术的观点看，对象是模型和运用的分割单位；从知识 工程的观点看，对象又是知识和功能的分割单位，是本身具有一定知识处理能力的 独立个体。所以面向对象系统可以自然地联合运用深层和浅层知识，可以嵌入多种 问题求解方式，甚至嵌入多种知谚 表达形式和模型种类等。对于复杂系统行为仿真 和执行多种求解策略并在解题过程中实现多种智能组织方式都具有很大的优越 性。 2 1 2 2 面向对象方法的要点 概括地说，面向对象方法具有以下四个要点： ( 1 ) 认为现实世界是由各种对象组成，任何事物都是对象，复杂的对象可以由比 较简单的对象以某种方式组合而成。按此种观点，可以认为整个世界就是一 个最复杂的对象。面向对象的软件系统是由对象组成，软件中的任何元素都 是对象，复杂的软件对象由比较简单的对象组合而成。 ( 2 ) 把所有对象都划分成各种对象类( 简称类) ，每个对象类都定义了一组数据和 一组方法。数据用于表达对象的静态属性，是对象的状态信息。每当建立这 个对象类的一个新实例时，就按照类中对数据的定义，为这个新对象生成一 组专用的数据，以便描述该对象独特的属性值。类中定义的方法，是允许施 加于该类对象上的操作，为该类所有对象共事并不需要为每个对象都复制 操作的代码。 ( 3 ) 按照予类( 也称导出类) 与父类的关系，把若干个对象类组成一个层次结构的 系统。在这种层次结构中，通常下层推导出的于类具有和上层的父类相同的 特性( 包括数据结构和方法) 这种现象称为继承。 ( 4 ) 对象之间仅能通过传递消息相联系。对象与传统的数据有本质的区别，它不 o 基丁实例的机械传动产品设汁与实现 是被动地等待外界对它施加操作。相反，它是进行处理的主体，必须发消息请求 它执行某个操作，处理私有数据，而不能从外界直接对它的私有数据进行操作。 即一切局部于该对象的私有信息，都被封装在该对象类的定义中，好像装在一个 不透明的“黑匣子”里一样，外界看不见，更不能直接使用，这就是“封装性”。 面向对象方法以客观世界中的对象为中心，其分析和设计思想符合人们的思 维方式，分析和设计的结果与客观世界的实际比较接近，容易被人们所接受。面 向对象开发不仅允许在一个应用中共享信息，而且给将来的项目提供了重复利用 设计代码的可能。 2 1 2 3 面向对象方法主要优点 一个设计良好的面向对象系统是易于扩充和修改的因此能够适应不断增加 的新需求，并从长远的软件质量指标来考虑。面向对象设计方法之所以受到当今 各个方面的重视，是因为它具有许多良好的特点”“。 ( 1 ) 模块性：对象是一个功能和数掘独立的单元互相之l 刨只能通过对象认可 的途径进行通信，相互没有预料不到的影响，也可以较为自由地为各个不同的软 件系统所用； ( 2 ) 封装功能：为信息隐蔽提供具体的实现手段，用户不必清楚对象的内部细 节，只要了解其功能描述就可以便用： ( 3 ) 代码共享：继承性提供了一种代码共享的手段，可以避免重复的代码设计， 使得面向对象的方法确实有效； ( 4 ) 灵活性：对象的功能执行是在消息传递酬确定的，支持对象的主体特征， 使得对象可以根据自身的待点进行功能实现，提高了程序设计的灵活性； ( 5 ) 易维护性：对象实现了抽象和封装，使其中可能出现的错误限制在自身， 不会向外传播，易于检错和修改； ( 6 ) 增量型设计：面向对象系统可以通过继承机制不断扩充功能，而不影响原 有软件的运行。其中，面向对象方法模拟了人类认识问题的较高、较广层次的过 程，即分类过程，属于战略性方法；函数和逻辑方法则更适合于模拟人的逻辑思 维，处于人类认识问题的较深层次过程，用于战术性方法，它们的结合才是最完 美的。 2 1 3 两种表达方法的比较 框架结构与面向对象的结构很类似，知t 都可以使用类的概念按一定的层次 结构来组织。然而，框架知识表达的模块性不能清楚地定义。削弱框架系统结构 化的两大因素是：框架之问的关系既可能是具有继承关系的子类连接和成员连接， 也可能是反映全体和部分关系的组成连接，而且不是唯一的；规则可以通过一个 第一章产鼎设计实例知识的表达 框架连接到另一个框架。在面向对象的知识表达中，两个类之问的连接关系只有 子类连接，而规则用作一个类的内部方法，不可能出现跨越两个对象的规则。类 的唯一对外接口是消息模式，类之外的代码唯有通过传递有关消息才能与该类的 方法打交道。因此，面向对象的表达特别适合于大型知识系统的开发和维护“”。 2 2 产晶设计实例包含的内容 现在c b r 界对哪些信息必须包含在实例中还缺乏一致的认识“，但有两种实 用方法可用来决定哪些信息应当存贮在实例中：系统的功能性和获取信息表达的 容易度。一般来讲，一个实例应当包含：描述实例状态的问题；新问题可获得的 解答；描述实例状态的产出。 b a r d a s z 和z e i d 给出设计实例应是设计计划，并认为通过修改设计计划来 获得新产品比通过修改产品本身更有效，而且将设计计划分为四个层次：产品、 装配体、零件、元件设计计划，并利用认知模型来组织实例库。s y c a r a 在c a d e t 中，将实例表达成功能、结构、行为及它们之间的关系。r a p h a e l 认为设计实例 应该包含：设计结果记录( 设计需求说明、完整的设计方案) 和设计过程汜录( 设 计方案所依据的领域知识、设计规范等、对设计方案的评估、成功以及失败的设 计历史已录) “。 张红旗等”认为一个实例信息应包含：属性类信息，描述实例中设计对象 所具有的功能、性能和结构组成等各种信息；结构类信息，包括实例中描述对 象的空间结构信息、装配信息、分析计算信息、制造信息和工艺信息等；方法 类信息，包含了在求解列象时的算法和策略。刘溪涓等n “提到实例内容还应包括 与失败案例和设计禁忌相关信息、设计评估的评价规则、用于设计优化的成本和 质量信息等。蒋祖华等“”认为设计实例由设计实例的数据、实例的求解知识和实 例的索引三部分组成。 作者认为作为可重用的产品设计实例应主要包含设计需求、设计任务( 如设 计要求，初始条件) 、设计方案、设计过程和设计结果( 如材料、热处理方式、毛 坯类型、形状等零件特性及装配的图类) 五部分内容。其中，设计需求可以分为产 品性能需求、设计制造成本约束以及产品应用环境约束等。然而，把所有影响产品 设计的因素都考虑进来以表达一个设计实例不但繁琐，而且也十分困难；此外，用 大量的影响因素来表达一个设计实例不利于基于实例设计的其它阶段，如实例编 码、实例匹配和实例检索等任务的进行，同时也会降低知识获取的有效性。 2 基丁实例的机械传动产品设汁与实现 3 选择知识表达方法的准则 在建立一个具体的实例设计系统时，究竟采用哪种表达形式，目前还没有统 一的标准，也不存在一个万能的知识表达形式。但一般说来，在选择知识表达方 法时，应从以下几个方面进行考虑 2 3 1 ： ( 1 ) 能够充分表达领域知识 在确定个知识表达形式时，首先应陔考虑的是它能否充分地表达领域知识。 为此，需要深入地了解领域知识以及每一种表达形式的特征，以便做到“对症下 药”。例如，在机械产品设计领域中，由于一个部件一般由多个子部件组成，部件 与子部件既有相同的属性又有不同的属性，即它们既有共性又有个性，因而在进 行知识表达时应该把这个特点反映出来，此时单用产生式规则模式来表达就不 能反映出知识间的这种结构关系，这就需要把面向对象表达法与产生式规则表达 法结合起来。由此可见知识表达形式的选择和确定往往受到领域知识自然结构 的制约，要视具体情况而定。 ( 2 ) 有利于对知识的利用 知识的表达与利用是密切相关的两个方面。“表达”的作用是把领域内的相关 知识形式化并用适当的内部形式存储到计算机中去，而“利用”是使用这些知识 进行推理，求解现实问题。为了使一个智能系统能有效地求解领域内的各种问题， 除了必须具备足够的知识外，还必须使其表达形式便于对知识的利用。如果一种 表达形式的数据结构过于复杂或者难于理解，使推理不便于进行匹配、冲突消解 及不确定性的计算等处理，那就势必影响到系统的推理效率，从而降低系统求解 问题的能力。 ( 3 ) 便于对知识的组织、维护与管理 为了把知识存储到计算机中去，除了需要以合适的表达方法把知识表达出来 外，还需要对知识进行合理地组织，而对知识的组织与表达方法密切相关的，不 同的表达方法对应于不同的组织方式。另外，在一个系统初步建成后，经过对一 定数量实例的运行，可能会发现其知识在质量、数量或性能方面存在某些问题， 此时或者需要增补一些新知识，或者需要修改甚至删除某些已有的知识。在进行 这些工作时，又需要进行多方面的检测，以保证知识的一致性、完备性等，这称 之为对知识的维护与管理。在确定知识的表达形式时，应充分考虑维护与管理的 方便性。 ( 4 ) 便于理解和实现 一种知识表达形式应该是使人们容易理解的，这就要求它符合人们的思维习 惯。至于实现上的方便性，更是显然的。如果一种表达形式不便于在计算机上实 第二章产品设计实例知识的表达 现，那就只能是纸上谈兵，没有任何的实用价值。 对于产品设计的具体领域来说，把所有影响产品设计的因素都考虑进来以表 达一个设计实例不但繁琐，而且也十分困难；此外，用大量的影响因素来表达一 个设计实例不利于基于实例设计的其它阶段，如实例组织、实例匹配和实例检索 等任务的进行，同时也会降低知识获取的有效性和可行性。 一个有效的解决方法是把待解决的问题分解成若干个有机联系的子问题( 子 任务) ，在实例库中分别搜索这些子问题所对应的解决方案，然后再对搜索到的子 方案进行综合处理，从而形成最终的解决方案。这样会有效地提高c b r 系统的性能 使实例的重用更具有灵活性“2 。实例的分解描述对实例推理是非常有利的，因为 在许多设计中，只需对类似设计方案中的某些部分做相应的修改或从另一实例中 提取相应部分做替换即可。在这种情况下，依掘分解模型可方便地提取实例，灵活 地组合修改实例，综合成新的解决方案。更重要的是，对于大型设计问题，设计实例 的收集通常是十分困难的，而且数量也是不充分的；而采用设计实例分解的方式可 以很容易地获得许多子实例。这样，通过子实例解决方案的综合就有可能在实例不 充分的情况下得到有效的设计方案。 复杂的实例可以表达成一组相关联的子实例的集合，咀形成问题解的结构，用 数学方法表达为c a s e = e ：c a s e ， 对于其中一个简单的实例c a s e 可表达成一组特征： c a s e = f ，f ：，f 。，i = l ，2 ，n ，其中f 代表一个实例的不同特征。值得 注意的是，采用这种方法的关键是分解后的各个子问题之间不能出现强耦合。这样， 子问题才有可能被独立解决；继而又可能综合各个子方案以获得最终的解决方案。 因此，实例的分解依赖于设计任务的分解，即设计任务是否可以清晰地分解成若干 个子设计。 2 4 产品设计实例知识的面向对象表达 如下面利用面向对象知识表达方法来表达作者给出的设计实例各内容。图 2 1 所示为j a v a 语言的产品设计实例的面向对象模型，图中显示了设计中类的静 念结构和相互间的关系。包括聚合关系、继承关系和依赖关系等。从图中可以看 出，一个产品设计类是设计需求类、设计任务类、设计结果、设计过程类和设计方 案类的聚合。其中，设计任务类、设计结果类、设计过程类和设计方案类不用实例 化成某一个具体的对象，而只是出它们来派生各自的子类( 如子设计任务类、子设 计结果类、子设计过程类和子设计方案类等) ，以提供这些类的共同的属性和行为。 派生的子设计任务类的多少取决于实际产品的设计任务分解的数目，一个子设计 任务类又是一个子设计过程类和一个子设计方案类的聚合，在类的数目上它们一 基丁实例的机械传动产鼎设计与实现 一对应。因为不同的设计需求会影响相应的设计任务，因此设计需求类和设计任务 类之间存在依赖关系。 设计需 求类 设计任务 抽象类 产品设计类 设计任务具体类1 忖叶爿设计过程类 没计过秽 抽象类 设计任务具体类2 h 剖设计过释类2 设计任务具体类n 卜f 设计过程类n 鬻i 日 殴计方案类 设计方案类2 设计方案类n 设计结果 ( 零什及 装配图形 等抽象类) 设计结果类 设计结果类2 r 1 r r 一一1 睑盔| 丝巫苤薹14 i 筮塑羞墨：j 一 匦区习日 幽2 1 产品设计实例的面向对象模删 下面是零件类的总体特征信息的0 - 0 表达 c l a s sp a r t s t r i n gp a r t n a m e ：零件名 s t r i n gp a r t n u m b e r ：零件号 i n tm a t e r i a l c o d e ：材料类型编号 i n tl e n g t h ：外形尺寸：长度 设计结果类n m a x d i a m e t e rm a x n ：外形尺寸：最大直径 s u r f a c e r o u g h n e s ss u r n ：表面粗糙度 d e f i n e f e a t u r e sd e f n ；定义特征 特征如：位黉! 特征，精度特征，技术特征，材料特征，其他特征 a d d f e a t u r ea d d f e a t u r e n ：添加新特征 r e m o v e f e a t u r er e m o v e n ：删除已有特征 s e l e c t o p e r a t i o t i so p e r a t i o r s n ：选择加工操作 第一章产品设计实例知识的表达 1 5 s e l e c t t o o st o o l s n ：选择刀具 s e l e c t m a c h i n e sm a c h i n e s n ：选择机床 s e q u e n c e o p e r a t i o n ss e q u e n c e n ：工艺排序 g e t b e s t p r o c e s sb e s t ：挑选最好的加工工艺 1 6基丁实例的机械传动产晶蹬计与实现 第三章产品实例设计的基础理论相似理论 3 1 引言 随着产品市场的国际化和企业竞争的激烈化，企业必须快速丌发新的产品。 以快速响应市场的需求。如何有效地利用已有的设计知 = 和准确地分析提耿外界 的参考信息，成为制约产品开发速度的关键。 很多产品是由相似的产品设计知识组成的，为此工程师必须经常进行乏味的计 算和目录查询，重新分析和评估。如果在产品模型中采用重用技术，可以对产品 知识进行重用设计，提高产品丌发速度。 本章在相似性理论的基础上，分析了产品的特征相似要素和相似元，界定了相 似度，并给出了具体设计属性相似度计算方法。 3 2 1 相似性理论 3 2 相似性理论与相似性分析 相似性理论是说明自然界和工程科学中各种相似现象原理的学蜕【2 6 , 2 7 , 2 8 。类 比检索或基于实例的检索均建立在相似性理论基础之上。两个实体相似的基础在 于两者之阳j 存在相似要素，相似要素指两个或两个以上实体阳j 存在着的共有属性 或特征，它们在数值上存在着差异，这些共有属性和特征称为相似属性或相似特 征，通称为相似要素。 通常，一个设计实体可以用其结构要素和属性来表达。结构要素指用不同的 精度和不同的方法表达设计实体的方法( 途径和手段) ，用于捕获功能规范和物理 设计实体。结构具有层次陛，它包括：与层次结构相耦合的端口、结构属性、部 件规范集和通过端口相结合的耦合结构、属性计算器、基于约束的因果规则。 结构表达了具有一定自由度的设计实体，其核心特征是一个结构对其予结构 的详细说明( 又称作配置) 。每一个部件的详细说明包括：耦合端口、属性以及部 件要完成的要求。 属性指与结构相关的性质。它包括属性名称、属性值的范围及其单位。一个 具体结构的属性是属性类的实例，可以定义己知属性的值及其范围。 第二章产鼎实例设计的基础理论相似理论 3 2 2 相似要素和相似元 3 2 2 1 基本定义 一个设计实体由不同的子实体或构件组成不同构件的组成要素不同。根据 相似性理论【2 “，不同的层次系统中组成要素和特性不尽相同，但是在这些系统中 某些要素的属性和特征存在着共同性。相似要素可以分为精确相似要素、模糊相 似要素、他似相似要素和自相似要素。 系统间存在一个相似要素，便在系统问构成一个相似单元，简称相似元。相 似元具有层次性，根据所处的层次不同，可以分为同级相似元和异级相似元。同 级相似元出处于同一层次、不同种类的系统间相似要素组成；异级相似要素出处 于不同层次的相似要素构成。 相似要素遵循的下列一般规律：如果在a 系统中存在一个要素与b 系统中某 个要素相似，那么在b 系统中的那个要素与a 系统对应的要素相似；如果在c 系统中有一个要素同时与a 系统和b 系统中的某个要素相似，那么a 系统中的 某个要素和b 系统中的对应要素相似。以上称为相似可逆和相似交换定律。 3 2 2 2 相似特征的确定方法 一个相似要素由一个或多个特征组成。设相似要素a 有k 个特征，b 有1 个 特征，相似要素a ，和b ，之间有m 个相似特征。 设要素a ，中k 个特征组成集合a 要素b ，中1 个特征组成集合成要素a ，和b 间相似特征的集合即为a 与b 的交集u 。 u = a u b 要素a ，和b 所有特征集合为并集s = a ub 3 3 相似性层次关系 相似性关系是类比问题求解的基础【2 。目标实例与源实例之间的相似性可以 分成三个层次： f 1 ) 功能和目标层次，包括功能相似、目标相似、语义相似和语用相似： f 2 ) 结构层次，包括拓扑结构相似、系统布置拓扑结构相似和物理实体结构相 似，物理实体结构相似又称为结构相似： ( 3 ) 行为层次，包括时间相似、速度相似、温度相似、运动学相似和动力学相 似。 有些学者把相似性关系区分为表面相似性和结构相似性。表面相似性指对确 定问题的解不扮演因果角色的那些共性；相反，影响目标的那些共性被称为结构 1 8 基丁实例的机械传动产r 铺设计与实现 的相似性。如果对一个定义加以较少的限制，可以把结构十h c j , 性定义为关系之间 语义的交叠。表面相似性有助于发现最初的类比和辨识个体；结构相似性有助于 类比映射，同样有助于类比检索。 3 3 1 功能和目标相似层 ( 1 ) 功能相似性 指实现的功能具有相似性，可以是总的功能，也可以是子功能或某一功能单 元相同或相似。 f 2 ) 语义相似性 语义相似性指在两个相似实体的表达中所使用的谓词具有语义相似性。如果 两个谓词相同，或者如果它们是同义词、表达同类事物的词或表达部分整体关 系的词，则这两个谓词具有语义相似性【2 9 】。 两实例阳j 可以类比的前提是在语义上具有相