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浙江 二业火学硕士论文 基于关系物元实例推理的产品配置设计方法 摘要 大规模定制设计是实现大批量定制生产的产品设计方法，而产品配置技术是实现大规 模定制设计的重要方法。利用产品配置技术，针对客户订单进行个性化产品的快速设计， 在重用企业已有产品资源的同时，极大的缩短产品设计时间，降低设计成本。 本文针对现有产品配置方法中对零部件接口关系考虑的不足，在基于实例推理配置的 基础上，结合可拓理论中的物元、关系元及距理论，提出了关系物元实例推理产品配置方 法，研究了具体实现过程。本文的主要工作如下： 1 概述了可拓逻辑的基础理论，将目前普遍采用的知识表示方式与可拓知识结合，根 据产品的特性，利用物元和关系元建立了产品的表达模型，继而建立了产品配置的基本模 型。 2 提出了不同的可拓区间值相似度计算方法。通过对可拓区间距及点与区间距公式的 改进，建立了区间与区间、点与区间的距相似度计算模型，实现了“类内也有程度区别” 的定量描述。并且探讨了权重的动态分配方法。 3 提出关系物元实例推理方法，根据建立的配置模型和相似度模型，在需求结构化的 基础上，研究了基于关系物元的实例推理产品配置设计方法的形式化模型及具体实现过 程，通过对相似度和接口函数的综合评价，得到最终的配置方案。 4 应用本文提出的方法，开发出基于v i s u a lc + + 6 0 、s o l i d w o r k s 平台为开发语言的油 锯产品配置原型系统，并对该系统的框架及其功能界面进行了介绍。 5 最后，对全文进行了总结，提出不足之处，并对进一步的研究提出一些展望。 关键词：可拓配置设计，实例推理，关系物元，距，相似度 浙江工业人学硕士论文 p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd e s i g nb a s e do n r e l a t i o n s h i p m a t t e re l e m e n tr e a s o n i n g a b s t r a c t m a s sc u s t o m i z a t i o nd e s i g ni st h ed e s i g nm e t h o d st or e a l i z em a s sc u s t o m i z a t i o no f p r o d u c t , a n dp r o d u c tf a m i l yc o n f i g u r a t i o nd e s i g ni st h eo n eo ft h em a i nm e t h o d sf o rm a s sc u s t o m i z a t i o n d e s i g n u s i n gp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y , t h ep r o d u c tm e e t i n gt h ec u s t o m e rr e q u i r e m e n t s c a nb ed e s i g n e di nas h o r tt i m e i tr e u s e st h em a t u r ep r o d u c tr e s o u r c eo ft h ee n t e r p r i s e ，a n d g r e a t l yr e d u c e sp r o d u c td e s i g nt i m ea n dc o s t i nt h i sp a p e r , d u et ot h ed e f i c i e n c yi ni n t e r f a c eb e t w e e nc o m p o n e n t si np r o d u c tf a m i l y c o n f i g u r a t i o nm e t h o d a t p r e s e n t ，an e wp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd e s i g nm e t h o db a s e do n r e l a t i o n s h i p - m a t t e r e l e m e n t r e a s o n i n g i sr e s e a r c h e d ，w h i c hi sc o m b i n e dw i t ht h e r e l a t i o n s h i p m a t t e re l e m e n t ，e x t e n s i o nd i s t a n c et h e o r y , a n dc a s e - b a s e dr e a s o n i n g t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t si nt h i st h e s i si n c l u d e ： 1 i ti si n t r o d u c e dt h ee l e m e n t a r yt h e o r yo fe x t e n s i o nl o g i c i ta l s ob u i l d st h ep r o d u c tm o d e l b a s e do nr e l a t i o n s h i p - m a t t e re l e m e n tc o m b i n i n gw i t ht h ep o p u l a rk n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o na n d e x t e n s i o nk n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n ，a n dt h ec o n f i g u r a t i o nm o d e lf o rt h ep r o d u c tf a m i l yd e s i g n 2 t h ev a r i a n ti n t e r v a ls i m i l a r i t ym e a s u r e sa r es u g g e s t e d t h en e w s i m i l a r i t ym e a s u r e m e n t s a r eb u i l tb yt h ei m p r o v e m e n to ft h ee x t e n s i o nd i s t a n c eb e t w e e ni n t e r v a l s ，a n db e t w e e np o i n t s w i t hi n t e r v a l ，w h i c he x a c t l yd e s c r i b e st h ep o s i t i o nt h ep o i n t si na ni n t e r v a l a n d t h ed y n a m i c so f t h ew e i g h td i s t r i b u t i o ni sd i s c u s s e d 3 t h er e l a t i o n m a t t e re l e m e n t r e a s o n i n gm e t h o d i s p r e s e n t e da c c o r d i n gt o t h e c o n f i g u r a t i o nm o d e la n ds i m i l a r i t ym e a s u r e m e n t ，t h ep a p e rp r o p o s e st h ed e t a i l e di m p l e m e n t a t i o n p r o c e s so fp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nb a s e do nr e l a t i o n - m a t t e re l e m e n tr e a s o n i n gm e t h o da n dt h e s t r u c t u r em a p p e df r o mt h ec u s t o m e rr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , c o n f i g u r a t i o ns c e n a r i oi so u t p u t t e db y t h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fs i m i l a r i t ya n di n t e r f a c e 4 u t i l i z i n ga l lt h ep r o p o s e dm e t h o d si nt h ep a p e r ，i tb r i n g so u tap r o t o t y p es y s t e mo fg a s c h a i n s a wp r o d u c tf a m i l yc o n f i g u r a t i o nd e s i g nb a s e do nt h es o f t w a r es o l i d w o r k sa n d v i s u a l c + + 6 0 a n dt h es t r u c t u r eg r a p ha n df u n c t i o n si n t e r f a c eo fc u s t o m e rg a sc h a i n s a wa r e i n t r o d u c e d 浙江工业久学硕士论文 5 f i n a l l y , s u m m i n g - u pi sm a d ef o rt h ef u l lt e x t ，t h ed e f i c i e n c i e sa n df u r t h e rs t u d yp r o s p e c t i sp r o p o s e d k e yw o r d s ：e x t e n s i o nc o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ，t h er e l a t i o n - m a t t e re l e m e n t ， e x t e n s i o nd i s t a n c e , s i m i l a r i t y , 浙江： 业人学硕士论文 朋 瓯 锄 v m ；( m ) 善( 0 卅) 善( c 埘) 矿( c 。) r o r c r v r p ( x ，y ) p ( x ，x o ) x o ， d “x o ) p ( x ，x o ) x o p t b ，x o ，x 、) 肛( x ，x o ，x ) m h r m 矗 m f v m l m p 符号说明 物元 事物本身 物元特征 量值 物元的全体 物的全体 特征的全体 特征c 。的量域 关系元 关系名 关系元特征 关系元特征量值 点x 与点y 的距离 点石与区间局的距 点x 与区间的距离 区间x 和x o 之距 最优值 左侧距公式 右侧距公式 结构硬部 结构软部 物元族 物元族值域集 实例物元集合 期望物元集合 s i m ( a ，b )区间a 与b 的相似度 s i m ( a ，b )数值a 与b 的相似度 p t ( a ，b ) 改进后的区间之距 p t ( y ，b ) 改进后的点与区间距 s i m ( p , 问题p 与实例9 的相似度 s i m ( p 。i ，c 硎)0 - q 尸关于属性的相似度 第f 个特征的权重 w 1 第一类权重 w 2 第二类权重 盯 标准差 s 相似度的平均值 瓦 接口函数 方案评价值 相似度计算量 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者虢据峄 吼年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并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 人授权浙江工业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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签 导师签 日期：年月 日 日期：年月日 浙江工业大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 随着经济不断的发展，制造业所处的环境发生了根本变化。产品生命周期的缩短和用 户个性化需求的不断增长，传统的大规模生产模式已经无法满足现代化竞争的需要，新的 生产模式的诞生与发展成为社会和工业发展的必然。制造业的运作模式也不断发展，经历 了不同的阶段【l j ：1 ) 单件生产。2 0 世纪以前，主要的生产运作模式是单件的小批量生产， 以手工劳动和手工工艺为主，生产效率低成本高。2 ) 大规模生产。随着工业革命的推进， 采用了先进的技术和设备，企业的生产效率大大提高，1 9 1 4 年福特流水线生产方式的问世， 标志着大规模生产的到来。这种生产模式大大提高了生产效率，降低了生产成本，但同时 也大大降低了产品种类。3 ) 精益生产。社会生产和人们生活水平的提高，产品的市场环境 发生了巨大的变化，消费者需求日趋多样化和个性化。以丰田公司为代表，这种生产模式 以组成技术和信息技术为支撑，以及时生产为核心，结合了全面质量管理和并行工程，以 减少浪费为思想，大大减少了工艺过程的准备时间，极大的提高了生成效率，但从生产方 式的本质上来看，精益生产仍属于大批量生产方式。4 ) 大规模定制生产。2 1 世纪后，市 场竞争进一步加剧，客户的个性化需求越来越强烈，出现了一种新的生产模式大规模 定铝l j ( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，m c ) 【2 1 ，实现了客户的个性化和大批量生产的有机结合，以美国 d e l l 公司为代表，开始就与客户建立了直接的关系，只生产客户签下订单的计算机。 第一阶段 单件生产 特点 产品定制 生产效率低 成本高 第二阶段 大规模生产 特点 产品标准化 生产效率高 成本低 第三阶段 精益生产 特点 多品种 生产效率低 成本低 图1 i 制造业发展模式过程 第四阶段 定制生产 特点 模块化 产品定制 生产效率高 成本低 浙江工业大学硕土论文 大规模定制生产模式是一种集企业、客户、供应商和环境等一体，在充分利用企业已 有的各种资源并结合标准化技术、信息技术和先进制造技术的支持下，根据客户的个性化 需求，以大批量生产的低成本、高质量和高效率为客户提供定制产品和服务的一种生产模 式。m c 的概念是：一个企业是以大批量生产某种产品，但又根据每个用户的各自需要和 兴趣进行产品的变型，即以大批量的效益进行定制产品的生产，其很好的解决了“大批量” 与“定制 之间的矛盾。它被认为是2 1 世纪制造业最为重要的生产模式。其具有很多优 势：1 ) 使企业生成客户真正需要的产品；2 ) 有利于企业快速适应市场的变化；3 ) 提高生 产效率，降低成本；4 ) 有利于过程和产品的持续改善。 面向大批量定制的设计能够根据预先定义的零部件集合以及它们之闽的相互约束关 系，通过配置单元动态选配和进化演绎，快速形成满足客户个性化需求的定制产品，是解 决设计个性化与低成本之间矛盾的主要方法。因此大规模定制设计成为大规模定制实施的 关键。大规模定制设计主要包括产品族设计和配置设计两部分，二者是彼此支持的关系【3 1 。 产品族设计结果的外在表现是具有可选特征或可调参数的系列产品，而产品平台以及组合 产品方法决定了产品族设计的要求。通过产品族的配置技术，可以在最大程度的满足多变 的市场和个性化需求的同时，降低产品的成本、提高生产效率和缩短生产时间。因此，以 产品族为中心的配置设计模式是实现大批量定制模式的根本保证。 l 1 2 产品配置设计 1 2 1产品配置的概念 产品配置的设计是在一系列已设计的零部件中寻找、组合出满足定要求、符合定 约束的产品的设计方法和过程。目前配置设计( c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，c d ) 的定义有多种形 式，尚未达成统一的认识。产品配置设计思想最早由f r e e m a n 和n e w e l l 在1 9 11 年提出【6 1 ， 他们首先用功能推理的方法来细化设计，将设计分为识别问题和选择问题。识别是指利用 组件的结构和行为说明要设计对象的功能，选择是挑选那些可以组合在一起并能实现期望 功能的组件，这些形成了初步的产品配置思想。 从产品设计方法学入手，认为产品配置是以配置模型和需求模型为输入，以最终产品 的配置结果为输出的一类设计活动。产品配置为4 个模型( 配置模型，需求模型，评价模型， 配置结果模型) 之间的相互关系。其中，配置模型的描述可能出现在配置结果中的组件及其 相互关系；需求模型描述配置完毕的最终产品应该满足特定的约束；配置结果描述最终产 品的组件构成及其相互关系【4 5 】。 浙江工业大学硕士论文 客户驱动的大规模定制的产品配置设计技术是指在一个或若干个能覆盖产品类中既 定型号和规格变化的动态产品族模型的支持下，根据客户定制产品的要求，通过对产品模 型功能、性能、结构构型以及零部件进行选配，以及对局部零部件功能和结构、尺寸的相 应变化来快速设计出满足客户需求的定制产品。配置器是实现配置过程的转换器，因此在 大规模定制过程中起着重要作用。 产品配置位于产品开发的上游，在配置中的错误可能导致后续阶段的重大错误。错误 发现得越晚，在装配阶段、测试阶段或由用户发现与之相关的成本越高。因此，配置 对于整个企业的成功和效率至关重要。产品配置具有两个关键特点：产品模型由固定的元 件集合装配而成，产品模型需要完备定义；元件以预先定义的方式交互，结果不产生新的 元件。产品配置器的开发与人工智能紧密联系，涉及知识的表达、知识库的建立、推理机 制等。 产品配置的研究内容一般包括配置问题的认识和表达、建模和求解、配置器的实现、 配置管理同其他管理的联系等几方面。 1 ) 产品族的管理。现在的产品配置一般不再是针对每个具体产品而是针对产品族进 行，因此，对产品族的管理是产品配置的基本部分。 2 ) 定义物料特征和选项。配置人员将通过不同的物料特征来区分物料，通过不同的选 项来区分产品的结构。用户通过给物料特征赋予一定的值表示希望得到特定功能的产品。 产品选项确定了具体产品可以选用哪些物料。 3 ) 确定配置规则。用户选定了可选参数的值以后，由配置规则决定根据特征的取值选 择具体零部件。如何管理这些配置规则，使其能够方便的使用，是产品结构配置成功的基 础。 4 ) 定义通用产品结构。通用产品结构是针对产品族建立的模型，统一管理产品族的结 构、选项和特征。用树状形式建立产品族的结构，把产品选项、产品相关物料的物料特征、 设计约束和配置规则统一表达在通用产品结构中，是产品配置管理的关键部分。 5 ) 生成具体的产品结构。按照配置规则和设计约束，在通用产品结构的基础上选择符 合需求的特征、选项和数量得到具体产品结构，是产品配置管理的目标。 6 ) 检查用户的配置结果。用户在产品配置过程中或者产品配置完成后，配置器根据通 用产品结构模型中的设计约束和配置规则，检查用户配置的产品结构和选择的物料特性是 否满足要求。对不满足设计约束或配置规则的配置要给予适当反馈。 浙江工业大学硕士论文 1 2 2 产品配置在大规模定制中的地位 大规模定制生产的产品设计可以分为新产品开发和变型设计两个循环，产品配置是大 规模定制生产中快速变型设计阶段的重要设计方法。产品配置是在按大规模定制设计方法 产生的设计资源的基础上，为销售人员定义客户的个性化需求提供选项，根据客户选定的 产品模型进行定型，为客户展示产品和提供价格。客户如果满意，它可继续生成生产部门 使用的产品制造模型。因此，产品配置是企业与潜在客户之间建立关系的纽带，同时也是 一项使能技术。通过高效、直观、简便的产品配置，企业可以建立与更多客户之间的联系， 扩大客户量和客户群体，增强企业在动态多变的市场环境中的竞争力。因此，在大批量定 制技术中，产品配置设计是连接客户需求和企业生产的桥梁，对企业具有非常重要的意义。 1 2 3 产品配置技术研究现状 产品配置设计作为产品配置设计的一种延伸，传统产品配置的很多方法仍然可以应 用。对于产品配置技术的研究，国外起步早且研究时间长，国内在这方面的研究和开发工 作开始于上世纪九十年代，现在我国的产品配置技术也得到了较大的发展。 王世伟等【j 7 】针对产品族的特点，提出了一个基于g b o m ( g e n e r i cb i l lo f m a t e r i a l ，g b o m ) 的产品配置模型，并详细分析了模型中配置单元的构成、划分、约束关系的表达，说明了 配置过程的实现及与p d m 、e r p 的集成。 谭建荣【8 】研究了大规模定制的特点，提出了产品功能结构单元的概念，给出了产品配 置模型的信息模型和配置模型求解策略，引入配置设计知识的混合表的方法以适应不同产 品设计类型的要求，实现了大规模定制生产的产品配置设计系统。 m i t c h r l lm t s e n g 和j i a n x i nj i a 0 【9 】提出了一种基于实例的进化设计思想来满足大规模定 制的需要。它要求选择过去存在的产品族平台为基础，通过对原有信息的重用和改变来完 成多样化的定制，并对产品实例平台的选择和修正方法进行了讨论。 a l e x a n d e rf e l f e m i n g 和g e r h a r df r i e d f i c h e e 1 0 】研究了基于知识库配置环境系统，建立了 产品配置的概念模型和知识库的自动构建模型。采用基于模型的诊断技术对知识库有效 性、不合理配置要求、已有配置的合理性进行确定，并用来支持再配置过程。讨论了如何 用一种标准的设计语言对配置知识库进行建模和管理。 刘刀桂等【l l 】给出了适用于系列产品管理的统一产品变量结构( p r o d u c tv a r i a n ts t r u c t u r e , p v s ) 模型，并提出了变量配置管理( v a r i a n tc o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n t ，v c m ) 概念。这种模 型可以表示出面向配置的简单产品结构，但无法满足实际复杂产品配置的需求。 浙江工业大学硕士论文 阴向阳等【1 2 】从产品配置、产品结构和版本几个方面介绍了产品配置和产品结构的联系 与区别，给出了能够有效实现从产品配置向产品结构转化的算法，并在工程应用中得到验 证。 刘晓冰等1 3 1 提出- r g j 成式物料清单的概念，研究了g b o m 的面向对象表达方式以及 基于它的产品配置过程，提出采用模糊优选法解决配置过程中相似实例的提取问题，并给 出了基本算法。 杨建红【1 4 】提出基于组件搜索的产品配置模型，认为配置的过程是对组件和零件的两次 搜索来完成的，第一次搜索确定出零部件族，第二次搜索确定具体的有效零件版本，并在 三层p d m 结构下进行了设计实现。 艾新好等【1 5 1 讨论了产品配置过程中的信息类别，提出了基于成长树模型的产品规则配 置模型，满足了一定产品配置的要求，但对于复杂结构的配置会显得无能为力。 张劲松【l6 】提出了基于本体的配置建模方法，建立了产品配置元模型；并应用配置本体 的基本概念( 构件、功能、资源、关系、端1 7 1 、约束等) 对产品进行配置建模，给出了配置 建模的一般过程并用面向对象的方法进行了表达和描述。 楼健人等【1 7 1 提出了基于知识的产品可拓配置方法，根据产品的构成和配置设计特点将 配置过程分为一级准配置和二级相似配置。通过一级配置建立客户需求的结构树，二级相 似配置匹配求得组成数的相似件，在这基础上实现基于层次配置的变结构进化设计。 赵燕伟等【1 8 1 提出了一种基于可拓逻辑的产品配置方法，在分析产品需求和功能的可拓 集合上，运用可拓理论确定配置设计的核问题，建立了可拓配置流程，通过设计变换实现 个性化产品功能之间冲突消解，输出配置方案。 龚京忠等f 1 铂讨论了基于可拓理论的产品快速配置设计方法。建立了模块和模块族物元 模型，采用相似匹配算法从模块族中模糊匹配出相似的模块，形成初步配置方案，接着研 究了模块的结构层次的可拓变换。 这些学者都从不同方面对产品配置进行了讨论，建立了多种配置模型。所有这些配置 方法最大的区别在于它们配置知识的表达方式不同，求解的方式也有所区别。 1 2 4 配置系统研究现状 在理论研究的基础上，产品配置技术在商业上也得到了具体应用。当前产品配置设计 系统，从通用化程度可以分成两类：专用化产品配置系统和通用化产品配置系统。 专业化产品配置系统的典型代表有x c o n ( e 印e mc d 矽珈厂口玎d ，1 ) 【2 0 1 ，它是d e c 公司用于 浙江工业大学硕士论文 大型计算机配置的系统，它由两个分离的程序x s e l 和x c o n 组成。x s e l 主要用来获取需 求信息并映射成相应的部件信息，然后交给x c o n 进行详细的配置和校验。配置模型知识 存储在部件信息库、规则库中，知识的表示形式采用框架描述和规则相结合的形式。x c o n 采用分级问题求解方法把问题分解为阶段级和子任务级，x c o n 在阶段级的求解通过模仿 专家的思路，采用一个固定的求解顺序进行。 通用化产品配置系统的典型代表是饥纠n c o n f i g u r a t o r ，它是e d s 公司的产品，由一个 窗口界面、组实用程序、一个集成工具箱和一个标准关系数据库管理系统( o 则c l e ) 组成。 i m a n c o n f i g u r a t o r 可以建立系统的产品结构，并管理一个产品定义的多个视图，例如平面 的和组合的。还有一个典型代表就是o r a c l ec o n f i g u r a t o r 。它让用户配置复杂的产品，或 者基于客户的特定需要有指导地完成产品选择。它指导的购买流程通过质量和数量方面的 输入来捕获需求和偏好，由客户需求产生一个初始的产品配置，o r a c l ec d 咒触m 幻燃后 将后续的特征与选项选择仅限于能够满足客户所声明的需求范围内 目前已经有了一系列的商业化产品配置器，包括：i m a nc o n f i g u r a t o r , o r a c l e c o n f i g u r a t o r , t r i t o n 等。美国的戴尔( d e l l ) 公司开发的在线产品配置系统可以让客户配置个 人计算机和服务器，客户可以从其网站上选定自己需要的计算机硬件及必要设备来配置个 性化的电脑；日本的马自达汽车公司开发了轿车在线定制系统，客户可以在其支持下对顶 棚、车轮、转向盘、座椅、车身、车门等选项进行选择，以配置出个性化的轿车设计方案； 国内一些企业和科研机构也展开了大量的研究。中科院软件所、浙江大学和大连理工大学 共同承担的国家8 6 3 重大攻关项目的研究成果，已经初步应用于杭州气轮机股份有限公司、 南京金城集团等定制型企业的产品设计上；谭建荣教授等提出了基于产品功能结构单元的 产品配置模板来完成对客户配置需求的快速响应，给出了产品配置模板的配置求解策略， 开发出了通用的产品配置系统，在电梯厂得到应用。 目前针对产品族设计过程的配置设计模型的研究主要集中在基于框架模型、基于产品 族模型、基于实例推理、基于模块化、基于可变型模型和基于装配过程的配置设计等几方 面。但无论哪种方法都有一定的适应性和不足的地方，针对不同类型的产品，应该根据配 置产品自身的特点有所选择。本文结合可拓理论，采用c b r 进行产品配置设计，基于实 例推理的产品配置具有以下几点优势： 1 ) 具有知识表示，知识重用等方面的优势，能够充分利用历史经验知识，大大提高了 产品设计效率。 2 ) 使得设计任务不需要从零开始，对客户需求多样性的适应能力较强，满足需求产品 浙江工业大学硕士论文 快速响应的要求。 3 ) 可以避免犯成功事例中相同的设计错误，并在原来的基础上进行改进可以更好的解 决问题。 4 ) 有助于企业有效利用各种信息资源。 1 3 实例推理技术研究现状 1 3 1 实例推理技术 实例推理技术( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 作为近年来备受瞩目的人工智能方法，是一 种用以前的经验和方法，通过类比和联想来解决当前相似问题的求解策略。它首先根据问 题的特征，访问知识库中过去同类问题的求解案例，从中检索出相似的实例，当该实例满 足要求时，该实例就是问题的解答，否则将以领域知识和经验为指导，根据问题的实际情 况对检索到的实例加以调整、综合，使之符合当前问题的需求。基于实例的推理技术具有 基于规则的推理技术无法比拟的优越性。 基于实例推理技术是近几年来人工智能研究热点。近年来c b r 系统应用越来越普遍， 已广泛应用于电路、机械设计、故障诊断、医疗诊断、企业决策、法律、农业、气象、软 件工程等各个领域。基于实例推理的实例检索方法有权值邻近法、基于知识的神经索引检 索法、基于知识的引导法等。从检索方法角度来说，目前常用的方法有最邻近法、索引法、 神经网络法和知识驱动法等。 实例推理技术在设计应用方面已取得了很大的成功。h w a i 。e nt s e n g = 等t 2 i 】用c b r 方法检 索出目标产品的物料清单的方法来实现大规模定制，前提是物料清单得到有效的表示； w e i c h o uc h e l a 等f 2 2 】针对实例库非常庞大的情况下，提出一种能有效减少检索时间的并行 索引实例推理方法；c k k w o n g 掣2 3 1 将c b r 引入到并行设计方法中解决低功耗变压器只能 由工程师完成的效率低下的问题；p e i c h a n nc h a n g 等t 2 4 】针对知识表示、特征描述和相似度 量的不确定性，将模糊方法与c b r 结合起来，提出了模糊实例推理方法并用于销售预测上； t w a r r e n “a o 【2 5 】则将多层感知器神经网络法与c b r 结合形成混合c b r 推理方法； m u l l c h e r n g 等【2 6 】将c b r ) i 5 i 法用于新产品的开发上，在运用向量描述产品属性的基础上，由 c b r 检索出已有产品，通过与用户的交互，将新的功能加入原有的产品从而实现新产品的 开发：c h i e h y u a nt s a i 掣2 7 】提出了一种新的最近邻实例推理方法，利用相关性来选择参数 并且在相关性的基础上设置参数；y i k a ij u a n 掣2 8 】将c b r 方法与遗传算法结合起来运用到 个性化房屋的决策中，实现用户参与到设计过程中；王生发掣2 9 】在针对现有的实例推理系 浙江工业大学硕士论文 统缺乏针对实例功能、行为等描述的缺陷，提出了面向实例推理的产品设计本体建模研究 和应用；王云霞等f 3 0 】提出了实例推理技术在定制产品相似件成本估算中的运用；胡良明等 3 1 1 将实例推理技术运用于自动武器辅助系统的设计。 1 3 2 相似度算法 实例检索是c b r 的中心环节，而实例间的相似性度量又是检索的关键，因此，c b r 系 统在某种程度上成为相似度检索系统，相似度计算决定了实例检索的质量和可靠性【3 甜。一 种好的c b r 方法必定有着合理的相似度计算模型，以防丢失有用的实例。y u r ia v r a m e n k o 等【3 3 】对现有相似度的计算公式进行了总结分析，并针对其领域的特殊情况给出适用的相似 度计算模型；c b c h e n g 3 4 】针对c b r 中的线性相似度计算不能在非线性中通用的问题，研 究了非线性条件下的相似度计算公式。 分析产品配置设计中的用户需求可以发现，由于大多数用户并非技术专家，他们提出 的需求条件往往是模糊、不准确的，而且需求是动态的，随着配置设计的逐渐深入，客户 需求是会经常发生变化和不稳定的。除一些必须满足的、具有特定取值的需求条件外，更 多的用户需求具有弹性，需求强度是可调整的，需求参数有一定变动余度。关于这一点， 刘飞等人【3 5 】在研究面向大规模定制的用户需求协同配置方法中就已明确提出，用户需求通 常都具有一定的变动范围。因为，从用户的角度来讲，由于他们并不真正了解产品的详细 结构，所以，在他们看来，每一个需求都很重要，对每个需求都给定个期望值，希望所 有的需求都得到满足并达到既定的期望值。这当然不仅是用户的愿望，也是企业在产品开 发中一直追求的目标。但结合大多数产品开发的实际过程，可以发现，更多情况下这是一 种理想情形，在实际产品开发中很难做到，也是不现实的。在与用户协商和对用户需求的 正确引导、协调下，用户需求的期望值存在一定调节余地。 另一方面，从配置设计过程角度考虑。产品配置设计过程是一个复杂的约束满足过程， 每一零件的选择、零件参数的确定都要受技术需求约束和模型构件约束的限制，在这些约 束条件的作用下，变量的取值也被很好地限定到某一期望值。但通过实际配置可以发现， 作用于变量上的这些约束条件对变量的约束强度不尽相同，而且，在这些约束条件作用下， 除一些关键的、必须满足的变量参数不可变动外，许多可选择组件或组件的参数取值在一 定范围内允许变动。在每一约束条件下变量取得它的期望值，只是达到局部的最优，但从 整体方案的角度考虑，一个有效可行的配置方案，是在被选择的标准下变量被赋予了具有 “最好值的方案。因此区间值的相似度有着重要的研究意义。 浙江工业大学硕士论文 秦玉平等【3 翻提出了一种计算区间长度重叠率或面积重叠率来计算区间的相似度；蒋占 四等【3 7 】提出了一种统一的计算区间与区间和点与区间属性值类型的相似度方法；高山武等 【3 8 1 通过引出相似元来计算区间的相似度等。 1 4 目前存在的问题 针对产品配置中存在的一些常规及传统问题，许多的专家和学者经过多年的研究和实 践，已经提出了很多的方法和理论来克服这些不足，如今，随着世界经济的不断发展，以 及大规模定制生产方式的推行，针对产品配置的研究又出现了一些新的问题。当前实施大 规模定制生产企业中在产品配置方面需解决以下几个问题： 1 ) 产品结构模型的柔性和可配置性不够理性。现在生产企业急需一种数据模型，它能 够以最少的基本产品结构，形成最多的最终产品型号，可拓形式化语言为这种模型提供了 有力的工具； 2 ) 通常的配置偏向于产品设计领域，而大规模定制生产下的产品配置则偏向于产品结 构的变型，即通过很少甚至不用设计新的零部件来达到最多产品型号的要求，这样，就需 要解决在基本产品数据模型基础上的配置约束的多样化的需求模型与描述； 3 ) 配置实例推理技术中，基于经典距离公式建立的相似度实例检索方法，使得区分同 一区间内部不同元素之间相似度变得困难，而且当配置结构处于不同层次时，如何对不同 配置区间的特征之间的关系进行定量化的表示，避免丢失大量可行解。 1 5 本文的主要研究内容及体系 鉴于目前对产品配置理论研究的不足，以提高我国企业产品开发水平和在国际市场的 竞争力为目标，本课题提出了“基于关系物元实例的产品配置方法的研究 。本论文的研 究得到国家自然科学基金项目“基于可拓逻辑的产品族适应性设计理论与方法” ( 5 0 5 7 5 2 0 7 ) 资助。本文的研究工作以理论和应用结合的方法进行，旨在有效的实现基于关 系物元实例推理的产品配置方法。本研究主要完成如下的相关工作： 1 ) 配置模型的建立。定义了类零部件物元及接1 2 1 关系元模型，在此基础上，建立了关 系物元推理配置模型。在运用物元表达零部件的基础上，用关系元表示零部件的接口关系。 2 ) 提出相似度计算模型，研究了动态权重的分配。在分析现有相似度公式的基础上， 针对其不足，在距的基础上，通过对距公式的改进，提出了更具代表性的相似度计算模型， 并相应的分析了动态权重分配方法。 浙江工业大学硕：l 论文 3 ) 关系物元推理算法的实现。给出了的关系物元推理算法的定义，探讨了该算法在产 品配置过程中具体实现流程：根据建立的关系物元配置模型，在其中一个物元被激活的基 础上，相应的关系元也被激活，从而激活与该物元相匹配的其它物元，并且随着关系的不 断传导，经过相似度和接口函数的计算，形成产品的配置方案。该方法旨在提高检索效率 和准确性。 4 ) 根据提出的相似度计和产品配置方法，开发基于关系物元实例推理的产品配置原型 系统。 本论文共分为6 章，各章的关系如图1 2 ： 图i - 2 论文总体结构图 第1 章绪论 本章介绍了国内外配置及实例推理技术的研究现状。首先介绍了制造业生产模式的转 变，接着对实现大规模定制的技术之一的配置技术相关概念、研究技术和系统现状进行了 介绍。接着介绍了实例推理及其关键技术相似度的研究现状。给出了课题的来源和主 要研究内容。 第2 章基于关系物元实例推理的产品配置模型 本章介绍了可拓建模的基本理论，主要涉及物元、关系元及可拓数学，接着对现有配 置的方法和主要内容进行了分析，提出了不足之处。提出将关系物元引入配置方法中，对 配置模型进行了剖析，建立了关系物元配置模型及系统结构模型。 第3 章基于关系物元实例推理的相似度算法研究 浙江工业大学硕士论文 本章首先对实例检索中的关键技术相似度的概念进行介绍。首先分析了现有的案 例区间属性值相似度计算公式的不足，在距的基础上，通过对距公式的改进，针对属性特 征值的不同，将局部相似度分为点到点、点到区间和区间到区间三种类型，并提出了不同 的区间值相似度计算方法，尤其是考虑到客户定制设计要求的点与区间的相似度模型。接 着提出了基于相似度标准差的动态赋权方法，并与客户的需求偏好进行权重组合计算全局 相似度。 第4 章基于关系物元实例推理的产品配置求解 本章结合客户需求的特点，首先分析了需求的结构化可拓理论方法。在这基础上，给 出了关系物元推理的概念及形式化表达模型。在关系物元配置模型及相似度模型的基础 上，通过对零部件之间接口的研究，提出可基于关系元实例产品配置方法的具体实现过程， 并对其效率和优势进行了分析，并应用该方法研究了油锯的配置。 第5 章基于关系物元实例推理的油锯配置原型系统 本章应用第3 章、第4 章的研究成果，针对油锯产品，利用v c + + 与s o l i d w o r k s 等软 件，设计并完成了一个基于关系物元实例产品配置原型系统，简要介绍了系统的总体框架 和各模块结构，验证了关系物元实例产品配置设计方法合理性与可行性。 第6 章结论与展望 对本论文的研究工作进行了总结，指出了有待解决的关键技术问题，提出未来的研究 方向和希望。 浙江工业大学硕士论文 第2 章基于关系物元实例推理的产品配置模型 针对现有配置方法的不足，本论文引入可拓这一科学方法到配置设计方法中，建立关 系物元配置模型，以求能从新的角度审视整个配置过程，探讨配置设计的新方法，达到快 速准确配置设计的目的。 2 1可拓建模知识概述 可拓学【3 9 , 4 0 是由中国学者蔡文于1 9 8 3 年提出的- f - j 原创性学科，经过2 0 多年的发展， 逐渐形成了可拓学的理论框架。可拓学以形式化的模型，探讨事物的可拓性以及开拓的规 律与方法，并用于解决矛盾问题的学科。可拓学具有以下特色： 1 ) 建立了基元理论，以基元的可拓性为依据的基元变换为解决矛盾问题提供了强有力 的工具。 2 ) 提出了化矛盾问题为相容问题的基本思想和方法。 3 ) 建立了可拓集合理论。以可拓域和临界元素对事物量变到质变进行定量化描述，在 可拓集合的基础上，形成可拓学的定量化工具可拓数学。 4 ) 形成并发展了可拓工程方法，把可拓方法成功地应用于决策、新产品构思、控制、 诊断、评判和识别等领域。 近年来，对可拓学的研究己逐渐从单一的理论研究转移到应用研究，并取得了相当的 成果c 4 。杨春燕教授【4 2 】将可拓学引入产品创新设计，提出了三个创造法；赵燕伟教授【4 3 j 将 可拓学理论引入机械产品的概念设计，有效的利用了可拓学中的菱形思维方法，系统地研 究了基于可拓的机械产品概念设计，使概念设计更加接近人类专家的创造性设计过程。可 拓学理论为新型智能系统中创造性思维的产生提出了一条全新的研究途径。 2 1 1 物元 定义2 1以物瓯为对象，c 。为特征，瓯关于c m 的量值v r a 构成的有序三元组 m = ( 0 。，c 。，v 。) ( 2 一1 ) 作为描述物的基本元。称为一维物元，瓯、c 。、l m 三者为物元m 的三要素，其中c 。和v 啊 构成的二元组( 、) 称为物q 的特征元。 1 2 浙江工业大学硕七论文 为方便起见，把物元的全体记为孝( m ) ，物的全体记为善( d 。) ，特征的全体记为4 ( c 。) 。 关于特征c 。的取值范围记为v ( c 。) ，称为c 。的量域。 一个事物可以有多个特征，与一维物元相仿，可以定义多维物元。 定义2 2 物哦，刀个特征c m l 2 ，c m 。及吼关于c 。，( f = 1 , 2 ，起) 对应的量值 v m ，( f = 1 , 2 ，n ) n 构成的阵列 称为n 维物元，其中 m = c ，= 瓯，c 。l