（计算机应用技术专业论文）产品配置知识封装模型及其在模架设计中的应用.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 产品配置知识封装模型研究及其在模架设计中的应用 摘要 在世界市场竞争中，大规模定制已经成为一种工业发展趋势，其重要的使能技术 产品配置技术不断发展和成熟，作用同渐明显。本文以注塑模架作为设计对象，围绕产品 配置理论的面向对象有关封装表达技术展开研究，重点讨论了面向对象表达配置知识的方 式、实例化求解过程的接口抽离，以及如何构造元件类封装实现配置知识。主要内容包括： ( 1 ) 产品配置理论、专家系统理论在面向对象技术下的配置知识的获取、表示和使用 方式。 ( 2 ) 通过分析模架的设计知识、可配性、封装配置知识的可行性，得出模架配置定制 的特点，将其配置过程分两步求解；明确产品模块、产品平台、产品族、产品族配置模型 p f c m 和产品配置模型之间的关系，给出p f c m 的包含结构，用以设计元件类之问的依赖关 系和实例化过程。 ( 3 ) 初步研究配置知识的获取、表示方法，提取了模架的客户需求知识、配置设计知 识，用面向对象技术的字段描绘实体特征值，以其方法隐含各种设计规则、映射转化公式， 以及通过彼此调用类的公开方法以实现配置约束设计，从而实现配置知识的表示。 ( 4 ) 在上面研究基础上，抽象出各级、各种元件类来表示特定功能、特定结构的实体 以封装实体个性知识，并探其在配置约束求解实例化过程中的角色，从中抽离出通用求解 接口，增入元件类中，由此建立了一定程度可求解的封装模型，并阐明零件类、构件类、 产品类的职责功能、构建方法，给出了一种零件垫块的类实例。 ( 5 ) 在建立的模架封装模型基础上，应用面向对象的继承、多态方法刻画了元件类集 的继承视图、组成视图，给出了封装模型的超类，并提供一种用抽象工厂模式求解产品族 功构映射的方法。 ( 6 ) 通过对以上产品配置理论及相关技术的研究基础，开发了w e b 环境下模架配置原 型系统。 关键词：产品配置设计、注塑模架、面向对象、封装模型、知识表示、功构映射求解 浙江工业大学硕士学位论文 e n c a p s u l a t i o nm o d e lo fp r o d u c t co n f i g u r a t i o nk n o w l e d g ea n di t s a p p l i c a t i o ni nt h em o u l d a b s t r a ct w i t ht h er a p i dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n dt h ef i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n ，m a s s c u s t o m i z a t i o n ( m c ) h a sb e e nat e n d e n c yi np r o d u c tm a n u f a c t u r e p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ( p c ) i s o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yf o rp r o d u c tf a s tc u s t o m i z a t i o ni nm c i nv i e wo ft h en e e df o ri t s d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n ，t h i sp a p e rw i l ls t u d yh o w t oe n c a p s u l a t et h ek n o w l e d g eo fp cb y o b j e c t - o r i e n t e d ( o o ) w h i l et a k i n gt h ei n j e c t i o nm o u l da st h er e s e a r c ho b j e c t h e r et h em e t h o d o fo oe x p r e s s i n gp ck n o w l e d g e ，t h ei n t e r f a c ee x t r a c t i o no fi n s t a n c es o l u t i o np r o c e s s ，h o wt o c o n s t r u c tc o m p o n e n t sc l a s se n c a p s u l a t i o nt or e a l i z et h ep ck n o w l e d g ee t ca r em e n t i o n e da s f o l l o w s ( 1 ) s t u d yt h ep ct h e o r y , e x p e r ts y s t e mk n o w l e d g e ，t h ep ck n o w l e d g ea c q u i r e m e n t ， e x p r e s s i o na n du s a g eu n d e rt h e0 b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y ( 2 ) a n a l y z et h ed e s i g nk n o w l e d g e ，c o n f i g u r a b i l i t yo ft h em o u l da n dt h ee n c a p s u l a t i n g f e a s i b i l i t yo fp ck n o w l e d g e ，t og e tt h ef e a t u r e so ft h ed e s i g no ft h em o u l dc u s t o m i z a t i o n ，a n d t h es o l u t i o no fc o n f i g u r a t i o np r o c e s sw i l lb ed i v i d e di n t ot w os t e p s c l a r i f yt h er e l a t i o na m o n g m o d u l a r ，p r o d u c tp l a t f o r m ，p r o d u c tf a m i l y ，p r o d u c tf a m i l yc o n f i g u r a t i o nm o d e la n dp r o d u c t c o n f i g u r a t i o nm o d e ls h o u l db ef o u n do u t t h em a k e u ps t r u c t u r eo fp f c ms h o u l db ep u t f o r w a r dt od e s i g nt h ed e p e n d e n c yr e l a t i o n sb e t w e e nc o m p o n e n t sc l a s sa n di n s t a n c ep r o c e s s ( 3 ) r e s e a r c ht h em e t h o do fd e s i g nk n o w l e d g ea c q u i r e m e n t ，r e p r e s e n t i o n ，t h em o u l d k n o w l e d g ei n c l u d i n gc o u s t o m e r sr e q u i r e m e n t s ，t h ec o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，i se x t r a c t e d u s eo o t e c h n o l o g yw i t ht h ef i e l dt od e s c r i b ee n t i t y i sv a l u e ，i t sm e t h o dt oi m p l i c i tr u l e s ，m a p p i n gi n t o t h ef o r m u l a ，a n dw i t hp u b l i cm e t h o d so fe a r c hc l a s s e st or e a l i z ec o n f i g u r a t i o nc o n s t r a i n s ，t h e n i i 浙江工业大学硕士学位论文 t h ec o n f i g u r a t i o nk n o w l e d g eh a sb e e np r e s e n t e d ( 4 ) s e tu pap r o d u c tf a m i l ye n c a p s u l a t i o nm o d e l ( p f e m ) b a s e do np r e v i o u sr e s e a r c h e s ，p u t f o r w a r dt h eb o t t o m u pd e s i g nm o d e l i n gp r o c e d u r e i l l u m i n a t et h en e c e s s i t yo fc o n f i g u r i n gf a c t b a s e ，a n dt h ee f f e c to ff a c tb a s eo fc o n f i g u r a t i o ns o l v i n gp r o c e s s t h e nt h ec o n s t r u c tm e t h o di s p r o p o s e da n dt h em e t h o do fc o n s t r u c t i n gt h eu n i tc l a s si sp u tf o r w a r dw i t ha ne x a m p l e ( 5 ) b u i l da no p t i m i z e dp f e ma n das u p e rc l a s sb yu s i n go oe n c a p s u l a t i o n ，i n h e r i t a n c e a n dp o l y m o r p h i s mo nt h eb a s i so fm o u l df a m i l y am e t h o do fs o l v i n gf u n c t i o n s t r u c t u r e m a p p i n gb yu s i n ga b s t r a c tf a c t o r y p a t t e r ni sp r o v i d e d ( 6 ) d e v e l o pw e ba p p l i c a t i o nc o n f i g u r a t i o na n dd e s i g ne x p e r tp r o t o t y p es y s t e mo nt h e b a s i so ft h es t u d yo ft h ea b o v e p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e s k e yw o r d s ：p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ，i n j e c t i o nm o u l d ，o b j e c t o r i e n t e d ，e n c a p s u l a t i o n m o d e l ，k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ，s o l v i n gf u n c t i o n - s t r u c t u r em a p p i n g i i i 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。 作者签名：义拿罕彳、 日期：2 7 年 月2 2 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 、不保密函 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：3 长竿i 导师签名： 日期：2 岬年月z z 日 日期：年月 日 浙江工业大学硕十学位论文 1 1引言 第1 章绪论 随着社会的发展、经济贸易的全球化，当代企业所面临的市场已经发生了很大的变化： 原来的卖方市场转化成买方市场，客户不再满足于被动地选择已经存在的商品，而是需要 能表达其意愿的产品。为满足客户需求和赢得市场竞争，企业不得不进行定制生产，同时 还要保证定制产品供货期短、低成本和高质量。面对这些变化和需求，大规模定制( m a s s c u s t o m i z a t i o n ，m c ) 生产方式作为一种有效的竞争手段被企业采纳，它是以接近大批量 生产的低成本、高质量和高效率提供满足顾客定制需求产品的过程和服务n 。3 1 ，从而提高企 业的竞争能力。知识化、个性化和敏捷化是知识经济下产品设计的显著特点，而产品配置 设计( p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，p c d ) 正是具备这些特点的一种产品设计方法，目 前它被认为是二十一世纪的新型生产模式大规模定制中最主要的设计方法“1 。 产品配置可以理解为一个根据预定义的部件集和部件之间的相互约束关系，按照某种 确定的有效性规则，使产品属性与客户需求逐级匹配，通过零部件之间合理组合，形成满 足客户需求的产品设计过程瞄1 。在计算机和信息技术快速发展的今天，产品配置是用计算 机智能化配置代替人工配置。 国内虽然开发了一些产品配置系统，如摩托车、钻床机、叉车等产品的智能配置系统 吲，但绝大部分是基于实例、基于本体、基于模板的配置设计，侧重于产品配置模型的表 达。笔者所查阅的国内相关参考文献，事实上，他们大多都停留在模型构造层面，没有详 细叙述所构造的配置模型的软件设计问题，以及如何运用模型进行求解的问题，还有对产 品配置系统软件开发的维护性、复用性、可扩性研究很少。 1 2 论文研究的背景 1 2 1 产品配置技术及其发展 上个世纪末期，提出的大规模定制概念。它是在高效率的大规模生产的基础上，通过 产品结构和制造过程的重组，运用现代信息技术、新材料技术、柔性技术等一系列高新技 术，以大规模生产的成本和速度，为单个顾客或小批量多品种市场定制任意数量的产品的 浙江工业大学硕士学位论文 一种生产模式。大规模定制生产方式包括了诸如时间的竞争、精益生产和微观销售等管理 思想的精华。其方法模式得到了现代生产、管理、组织、信息、营销等技术平台的支持， 因而就有超过以往生产模式的优势，更能适应网络经济和经济技术国际一体化的竞争局面 引。企业生产方式转变历程，如图卜1 。 浆 i。o 成本低，定制化，效率高，个性化h大规模定制 组织高度集成，信息会面共享，柔性高，技术复杂 一敏捷制造l 适度自动化，有柔性，精简生产过程，以人为中，刊 精益生产 i l 柔性自动化 h 度自动化，效率高，成本低，有灵活性 i 大批量牛产卜_ t ：圣率高，成本低，分工细，柔性低，管理复杂 i 手t 制造托工操作，效率低，成本高，生产管理简单，技术低时间 1 8 0 01 9 1 51 9 6 01 9 7 01 9 8 01 9 9 0 图1 - 1 生产方式的发展历程及其特点 m c 将产品设计分成产品开发和快速设计两个阶段。图1 - 2 表示了一种比较典型的大量 定制的设计过程。m c 的设计技术赋予产品零部件及其工艺过程和工艺装备以更高的相似 性，从而为在后继生产活动中重用这些相似性奠定了良好的基础n 0 1 。 图1 - 2 人规模定制的设计过程 根据产品或服务的生产活动中的定制特征，还可以对m c 进一步分类。通过引入客户 订单分离点( c u s t o m e ro r d e rd is c o u p li n gp o i n t ，c o d p ) 来说明大规模定制的分类。由基 2 浙江工业大学硕士学位论文 于预测的面向库存的制造( m a k e - t o - s t o c k ，或称备货生产) 转向响应客户需求的定制生产 的转换点在生产活动中的不同阶段，m c 可以分为按订单销售、按订单装配、按订单制造和 按订单设计4 种类型口1 。如图1 - 3 所示。 d 圃回图匾匿 态线定制按订单生产念线 图1 3 生产活动及其分离点 是故，产品配置是一种介于按定单制造和按订单设计之问的、隶属于快速设计的一种 大规模定制生产方式。 产品配置则是解决大规模定制的重要技术，是大规模定制的使能器。产品配置设计系 统纷纷投入应用，其中两个配置设计系统最为著名：d e c 公司的用于计算机配置的x c o n ， w e s ti n g h o u s e 电梯公司的v t 电梯配置器等n 。 产品配置在工业界广受关注的同时在学术界也引起浓厚的兴趣，人工智能技术如专家 系统、知识库、问题求解方法等应用于配置设计领域使得配置设计问题研究得到了很大发 展。自1 9 9 6 年开始连续召开多次产品配置及其相关领域的国际会议：a a a i1 9 9 6 f a l l s y m p o s i t i mo nc o n f i g u r a t i o n ，t h ea a a i 9 9w o r k s h o p0 nc o n f i g u r a ti o n ，e c a l 2 0 0 0 ，i j c a i 2 0 0 1 ，e c a i2 0 0 2 ，i j c a i2 0 0 3 ，a i e d a m2 0 0 3 ，a i e d a m 9 8 ，i e e ee x p e r t9 8j o u r n a l so n c o n f i g u r a t i o n 。配置的研究也不仅仅局限于产品配置内的配置问题、配置模型、配置问 题求解、配置器实现、系统集成、配置系统互操作，己经拓展到电子商务、医疗、新闻等 其他的领域n 副。 因此，产品配置作为大规模生产的核心技术，以其不可比拟的优越性，应用范围也越 来越广泛，随着其技术的不断成熟和发展，它将能够提高企业的生产效率，促进企业信息 化革命进程n 3 。1 鲥。 1 2 2j a v a 在配置设计中的应用 配置设计技术的一个重要的发展方向是：向网络化方向发展n6 1 7 1 。网络技术的发展让 3 浙江工业大学硕士学位论文 人们看到“新大陆 ，它的发展速度甚至超出了人们的想象，越来越多的应用被部署于网 络，网络平台成为了重要的交互方式( 如图卜4 ) 。 图1 _ 4 网络协同设计平台 网络技术的进步，带动了今天网络经济的迅猛发展。尤其是国际互联网的建立及企业 内部网的构筑，使网络经济在世界经济发展中的作用越来越大。互联网络所构建的全球“神 经系统”，既为企业带来新的商机，同时也使企业面临新的威胁。企业必须尽快制订自己 的网络战略，重塑企业的战略价值流，谋划未来的发展与生存。 网络技术和产品配置的有机结合对于充分合理的利用企业资源、增加企业间合作机 会、提高企业间合作效率、实现敏捷生产、开拓新市场都具有重要意义n 8 j 9 1 。 网络技术是m c 的强大的驱动力。只有通过网络，分布在各地的客户均能把自己的需 求迅速反映给企业，并能参与个性化产品的设计；只有通过网络，企业才能充分了解客户 的需求，为客户提供“一对一”的服务；只有通过网络，分布在各地的企业间才能迅速有 效地进行信息交流，分工协作，将不同企业生产的标准模块迅速组合起来，形成个性化的 产品。 j a v a 语言是一个支持网络计算的面向对象程序设计语言。j a v a 语言吸收了s m a l i t a l k 语言和c + + 语言的优点，并增加了其它特性，如支持并发程序设计、网络通信、和多媒体 数据控制等。 j 2 e e 是j a v a 2 平台企业版( j a v a2p l a t f o r me n t e r p r i s ee d i t i o n ) 。j 2 e e 是一套全 然不同于传统应用开发的技术架构，包含许多组件，主要可简化且规范应用系统的开发与 部署，进而提高可移植性、安全与再用价值。j 2 e e 核心是一组技术规范与指南，其中所包 含的各类组件、服务架构及技术层次，均有共通的标准及规格，让各种依循j 2 e e 架构的 不同平台之间，存在良好的兼容性，解决过去企业后端使用的信息产品彼此之间无法兼容， 导致企业内部或外部难以互通的窘境。 由此可见，开发基于w e b 的产品配置系统非常具有必要性，j 2 e e 技术将为系统的开发 提供了强大的支持。 4 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 国内外发展现状 随着产品配置理论的发展和成熟，产品定制生产范围和规模的不断扩大。表现在两个 方面，第一个是应用领域的逐步扩大，已有很多产品采用产品配置设计技术来适应这种定 制生产的需求，如机械行业中的汽车、叉车、摩托车、纺织机械、电梯等瞳2 l ；家电行业 中的冰箱、洗衣机、微波炉等，都被作为产品配置设计的对象进行了研究汹删，并且有更 多的企业正在酝酿或即将采用产品配置设计的技术来支持大规模定制生产。第二个方面是 配置的概念在逐步扩大，配置问题己经由传统的设备配置扩展到服务配置，例贷款配置、 保险配置、旅行路线配置、网络协同配置等，当然这也是人工智能专家系统研究进展的体 现。由此可见，产品配置设计技术在企业生产中具有重大的实践意义，产品配置设计方法 和技术被列为2 0 0 0 - - - 一2 0 1 0 年间的十项首要新兴技术之一嘶川。 产品配置问题分为对产品配置知识的表示和对产品配置问题的求解两部分，实际上分 别属于人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 中的知识表示和知识推理。中外专家学 者对产品配置设计技术的研究主要在以下几个方面： 1 3 1 配置知识的表达 在产品配置知识建模方面，主要有基于规则、基于模型、基于约束、基于本体、基于 g b o m 和基于相关矩阵的配置建模法。最早用于计算机产品配置的r 1 x c o n 系统采用基于规 则的配置建模方法，通过规则描述元件的领域知识以及元件间的依赖、选配关系，以对象 的规则关系来构建产品配置模型乜引；j i a oj i a n x i n 等用基于功能一原理一结构的多视图方 法描述产品配置模型乜9 1 ；王世伟、谭建荣等人以g b o m 作为产品族的知识表示方法，提出 了基于g b o m 的产品配置模型g p c m ( g b o m - b a s e dp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nm o d e l ) 训；张劲 松、王启富等人提出了基于本体的配置建模方法，定义了构件、功能、资源、关系、端口 以及约束等配置本体的基本概念；r a f a e lm 等人提出了结构化的约束建模和基于配置单 元的推理方法b 刳；肖刚、王昌建等人建立了一种基于配置相关矩阵的产品配置模型；刘 晓冰、袁长峰等人在建模过程中引入了类和特征的思想，提出了基于类和特征的产品配置 建模方法4 1 ；顾巧祥、纪杨建等人提出采用e c a ( e v e n t - c o n d i t i o n - a c t i o n ) 规则和事物 特性表建立产品配置模型口引。 1 3 2 配置知识的求解 最常用的有基于规则、基于模板、基于实例、基于约束以及基于知识的配置求解法。 如王新等人提出了产品族需求类和需求模板的概念，建立相应的需求模型以及基于实例的 需求产品配置模型，采用二级相似性匹配的方法，得到需求产品的配置结果m 3 ；李伟、张 s 浙江t 业大学硕士学位论文 孟青等人提出了基于约束满足问题( c o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o np r o b l e m ，c s p ) 的产品配 置方法口 ；i n g ok r e u z 在基于知识的配置中，提出了相关知识优先( r e l e v a n tk n o w l e d g e f i r s t ，r k f ) 的方法，通过计算知识的年龄、知识的有用性来判断信息的相关性，为新任 务提供最恰当的配置知识啪1 ；车君华等人提出基于功能域、行为域和结构域的多层次映射 求解模型汹1 。 1 3 3 配置系统的研究方面 产品配置管理系统是产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e r m e n t ，p d m ) 系统中的一个重 要部分和核心模块，产品配置管理是随着p d m 的完善而发展起来的。目前，产品结构与配 置管理的主要功能大致包含下述几个方面： ( 1 ) b o m 创建；( 2 ) 版本生成与修订控制管理；( 3 ) 多视图b o m 建模与管理；( 4 ) 与 m r p i i e r p 系统集成；( 5 ) 规则推动的配置管理。 阴向阳从产品配置、产品结构和版本等三个方面介绍了产品配置和产品结构的联系与 区别，从产品结构中的具体对象出发详细分析了转化中存在的难点，利用两重递归实现了 查询子对象状态、对产品配置对象进行转化两个子算法。结合使用这两个子算法能够有效 的实现产品配置向产品结构的转化h 0 4 1 1 。研究了产品配置设计过程管理问题，提出了一个 产品设计过程模型和任务分解。王世伟、谭建荣等人h2 l ，通过对于设计任务的分解，定义 了分解的三个层次和两个模板，从而柔性、灵活地实现了产品配置设计过程管理、以及与 产品数据结构管理的有效集成。 1 4 研究内容及结构安排 1 4 1现有产品配置知识表达中封装技术缺失影晌 由上面文献研究可见，尽管产品配置的研究和实现己取得了一定的成果，但现阶段产 品配置研究还存在如下问题： 1 ) 知识的表达方面，有研究领域知识的获取以及如何进行描述，是属于基础性的、 简单的知识表达设计；有研究配置模型的组成和构建，是属于系统功能模块的概念性设计， 但是少有人研究跨越这细微、宏观两者之间的中间层设计，即如何在配置模型中组织这些 形式化的知识。 2 ) 虽然建立了不少产品配置模型，但是很少有人讨论这些模型的使用问题，更少有 人结合某项表达技术深入讨论模型配置求解的通用性过程，以及模型( 本质上来说就是一 个数据结构) 如何提供规范的接口( 函数) 供外部的工具集使用。由于缺少对软件构造的层 面的系统研究，目前对配置模型的软件开发的难度、软件复用性和系统功能可扩性等的考 6 浙江工业人学硕士学位论文 虑欠缺。 3 ) 虽然文献中提出了一些功能结构映射求解的一些算法，但是从配置系统构造的角 度来看，引入面向对象的接口技术，用接口表示功能、具体的实现类表示结构的方式是一 种可取的求解方式。 4 ) 配置订单过程中，客户的需求是复杂的、多样的，除了需要对客户的需求进行区 别、分类、转化以外，客户的需求内部之间还存在逻辑的相继性，因此，有必要对产品配 置模型进行功能分化，反映配置求解的阶段性和制约相继性。 1 4 2 本文研究的目的和意义 本文研究目的通过对定制生产方式下产品配置设计理论和技术的研究，针对机械产品 设计特点，从智能配置软件设计开发的角度，探讨如何应用面向对象技术深入的封装表达 产品族配置模型。 研究的意义在于运用面向对象技术开发产品配置专家系统，有助于降低开发系统的难 度，提高产品配置设计的效率和正确性，提高配置软件的可维护性、可复用性、可扩展性 和灵活性，扩大系统的普适性。有了基于j a v a 的分布式应用环境下的配置使能器，才可 能协同利用企业已有的大量产品设计知识和产品数据，为客户提供远程网络配置界面，进 行快速的定制配置。从而有效缩短产品设计时间和交货期，提高客户对定制产品的满意度， 降低生产成本，极大地增强企业产品竞争力，真真意义上实现快速配置设计。 1 4 3 本文的主要内容 本文在大规模定制条件下，考虑到机械行业的特点，采用面向对象 ( o b j e c t o r i e n t e d ，0 0 ) 软件开发设计思路，将机械设计零部件归类，并用类封装设计知识。 这样一方面便于表达机械产品的结构层次，使得设计知识能得到良好组织和维护，另一方 面能充分表达各种设计信息。 论文研究的主要思路，在产品配置理论指导下，运用0 0 的分析和设计方法，结合专 家系统的建构的要素，研究机械产品的结构和功能特点及其可配置性，产品平台组成，配 置知识库的种类和内容，配置求解过程等。其中，核心企图阐述、研究三个问题：一是针 对国家业已制定标准的机械产品，进行定制配置的理想配置求解过程研究；二是运用面向 对象技术表示配置知识问题，构造的产品族封装模型又如何为实例化求解过程提供帮助， 由此又应该如何设计产品族封装模型；三是推理过程中，产品功能结构映射求解的实现模 式。在此基础上，以机械产品标准模架为例，开发模架产品配置设计原型系统，验证知识 配置模型，实现计算机辅助的产品配置设计。 文章研究的主要内容包括： 7 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 研究产品配置设计的理论，包括产品配置设计的概念、原理、过程和关键技术。 研究专家系统理论，并应用于产品配置理论，结合面向对象的分析和设计方法，将各种知 识理论综合运用到产品配置设计开发的设计过程当中。 ( 2 ) 深入了解机械产品的特性，研究产品模块、产品平台、产品族三者的关系，事实 库在产品配置过程的基础性作用，以及产品族模型和事实库之间的对应互动关系。 ( 3 ) 研究模架的配置知识的抽取过程、表示方法，如何提取模架的客户需求知识、配 置设计知识，用面向对象技术抽象封装零件、构件、产品等实体的个性知识，从而实现配 置知识的表示。 ( 4 ) 研究基于类和特征的思想、产品配置的求解过程，建立一个个封装实体个性知识 和求解过程的功能、结构特异的元件类，以及元件类之间的层次关系、组成关系、继承关 系及相互之间实例化的过程。 ( 5 ) 研究产品配置推理求解的技术和方法。针对标准型系列产品的定制配置，根据其 特性适合用配置两步法，来满足客户需求的产品配置实例。对配置求解的功能结构映射关 系，元件类实例化的过程也做了一些探讨。 1 0 4 4 本文的组织安排 本论文的结构是按照产品配置设计开发过程的一般事物认识规律进行组织的，章节安 排如图卜5 所示。 第一章绪论 之乡 |第_ 章产品配置理论及封装技术研究 jl ， 第三章产品配置知识的获取与表示 一l 第四章产品配置知识的封装设计 l 之乡 第五章基于知识封装的模架配置系统原型 之乡 第六章总结与展望 图1 5 论文总体结构 8 浙江工业大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章阐述了产品配置设计在当前市场条件下的作用和地位，介绍了本文研究的背景和 意义，分析产品配置设计技术的国内外研究现状，概要阐述本文的主要研究内容，给出本 文的总体结构。 9 浙江工业大学硕十学位论文 2 1引言 第2 章产品配置理论及封装技术研究 任何产品设计都是人们利用一定的知识和经验、从定性到定量，综合运用知识的智能 过程，都是基于知识的设计h 引。本章内容围绕产品配置基本概念，展开机械产品设计知识 的面向对象封装表达研究，再结合具体研究对象注塑模模架，抽取配置知识，论证定 制配置的可行性。 2 2 产品配置理论 2 2 1 产品配置设计的基本理论 1 ) 产品配置定义 配置设计作为一种基于知识的产品设计方法，其思想最早是由f r e e m a n 和n e w e l l 在 1 9 7 1 年提出的h 钔，他们利用功能推理的方法来细化设计，认为设计应分为两个主要问题， 即识别问题( i d e n t i f i c a t i o np r o b l e m ) 和选择问题( s e l e c t i o np r o b l e m ) 。识别是指利 用组件( c o m p o n e n t s ) 的结构和行为知识说明要设计对象的功能，选择是挑选那些可以组 合在一起并能实现所希望功能的组件。 但这只是最初的产品配置设计思想，对产品配置设计理论进一步的探索和研究，是在 1 9 8 9 年m it t a l 和f r a y m a n d 提出产品配置设计的概念后才真j 下开始的。他们把产品配置任 务描述成一个输入输出系统h 引，其输入为： ( 1 ) 一个固定的、预定义的构件集合，每个构件由一个属性集、该部件与其它部件进 行联接的端口集、端口上的约束集及其它结构约束集来描述； ( 2 ) 配置的需求定义集； ( 3 ) 一些进行优化选择的规则集。 其输出为： ( 1 ) 一个或多个配置结果，其中每个配置结果由一个构件集合及该集合中元素的相互 连接关系描述组成； ( 2 ) 配置结果满足需求定义； l o 浙江工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 配置结果满足优化选择的规则。 并且该定义指出了一个配置设计活动的三个重要方面： 配置过程中不能生成新的组件； 组件间的连接关系都是固定的、预知的； 配置结果不但包括组件集，而且还包括组件之间的关系描述。 从上面的经典定义可以看出，产品配置一般不考虑产品的创新问题，在本质上不能算 是一种创新设计方法m 1 。退一步讲，即使在配置设计中允许产生新的组件，那么这些新的 组件设计一般也是通过参数化设计或变型设计的方法实现的。简言之，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常规设计方法。 2 ) 产品配置的模型表示 面向大批量定制以减少产品内部多样化、增加产品外部多样化为目标，在运用相似性 原理、重用性原理、全局性原理和成组技术等基本原理和技术，建立了产品主结构、零部 件主模型和主文档h 刀( 图1 - 2 ) 。在此基础上的产品配置设计是面向用户订单的销售一交货过 程中的建模，并且能够以系统的方式完成。 产品配置模型p c m ( p r o d u c tc o n f i g u r em o d e l ) ：= ( r m ，p f c m ，o m ，e m ) 是一个四元组， 其中：需求模型r m ( r e q u i r em o d e l ) 描述最终产品应该满足的特定约束，是客户或销售工 程师提供的部分变量值；产品族配置模型p f c m ( p r o d u c tf a m il yc o n f i g u r em o d e l ) ，描述 可能出现在配置结果中的部件及其相互关系的集合；配置结果模型o m ( o u t p u tm o d e l ) 描述 最终产品的部件构成及相互关系；评价模型e m ( e s t i m a t em o d e l ) 描述配置结果与配置模型、 需求模型间的一致性满足评价规则集。申明，本文论述中，产品族配置模型有时直接用配 置模型术语替代，方便书写。 在实际制造领域，产品配置任务首先由制造领域专家、知识工程师共同建立p c m ，然 后由销售工程师或客户向r m 提供满足客户需求的约束值，通过p f c m 计算和推理，确定是 否有符合e m 要求的约束配置解，并提供一个配置结果实例的过程。 其配置的框架如图2 - 1 所示。 浙婆三些奎堂堡主堂堡笙奎 一 需求模型r m 评价模型e m 严丽族配置模型 磊配置结餍模犁o m 配置结窠输出 亟梦讴受缈嗵醴堂 图2 1 产品配置结构框架 上述几种模型中，p f c t 4 是d p 心，它表达了产品模型的基本结构，包含了各种可能的产 品配置结果，将物料的各种特性、配置规则和设计约束集成在一个模型中描述，是整个产 品配置的基础。因此，p f c m 的建立是本文研究的中心内容。 判断一个模型是否为正确的配置模型，已经被确定为n p ( n 。n d e t e 瑚i n i s t i c p o l y n o m i a lp r o b l e m ) 难题。因此在目前的技术条件下，无法给出一个算法来精确判定配 置模型。可以根据实际经验来组织一个产品的配置模型，同时考虑所建立的配置模型的效 率性。配置模型设计中有如下要点捌( 1 ) 静态和动态的结合；( 2 ) 确定有限的配置项类型； ( 3 ) 使用缓存，保存例示搭配。 22产品配置设计过程和实现步骤2 产品配置设计是在一定目标或规则约束下向客户提供具体产品结构的过程。产品配置 设计技术之所以能够使制造企业快速、高效、低成本地为客户提供他们所需要定制的产品 其中一个关键的因素是产品配置设计将产品设计过程分为两个相对独立的过程：产品族的 开发设计过程和面向客户需求的快速配置设计实现过程。 在产品开发设计过程中，产品设计的目标不是单个的产品，而是一个完整的产品族。 因此，设计方案是一个完整的产品族配置模型p f c m ，代表基本功能相似的、不同结构的产 品集合。p f c m 是通过对模型节点上的构件或零部件的描述实现的。为了获得客户要求的多 样性，企业以通用框架为基础，加入各种实现不同功能的零部件来构建p f c m ，产品组成构 件的标准接口允许构件之间合理地组合，以覆盖所有可能的产品功能需求范围。因此 设 计一个p f c m 是在产品数据模型中捕捉和建立各种产品变型的过程。 系统输入 产品配置一系统输出 浙江工业大学硕十学位论文 1 ) 从客户配置过程，看产品配置设计的基本流程 对产品进行配置求解的过程为：根据给定的一组客户需求和产品描述，在产品配置模 型的可替换产品零部件中找到一组有效的、完全的零部件组合，构成满足定制要求的具体 产品结构。图2 2 是产品配置设计的基本流程。 图2 - 2 产品配置设计流程 2 ) 从产品设计开发人员角度，产品配置设计全过程的实现步骤如下： 第一步：建立产品配置模型。面向客户需求的产品快速配置设计，是在大规模定制的 产品族设计完成之后进行。配置设计需要企业已有产品的支持，利用企业已有产品设计成 果，对模块化、规范化和标准化的产品族结构及其组件进行可配置性分析，建立面向配置 设计的产品配置模型，使之能很好地表达产品配置设计所需的产品知识，如产品族的层次 结构、模块化零部件特征信息、产品装配信息等。 第二步：客户配置需求的映射与转化。在分析大量客户需求的基础上的建立客户需求 模板，用于完整、规范描述客户需求；确定客户需求与配置设计技术要求之间的映射关系， 用于将客户需求转换成设计要求；并提取设计变量、约束转化规则，记录用户需求输入条 件，建立产品配置需求模型r m ，使得根据特定客户需求配置求解成为可能。在这一过程中， 要求准确理解客户的需求，生成满足客户需求的产品变型的完整描述。在需求获取阶段， 精确扑捉用户的定制需求，转化为数字化描述的好坏直接影响配置结果的正确性与效率。 第三步：配置模型推理求解。用一定的配置推理机制，将配置模型实例化，配置推理 方法是配置设计的关键。对于随时到来的客户订货要求进行规范化描述，并将其转换成设 计技术要求后，接着从相应配置模型和配置规则库中读取内容，通过各种推理方法确定产 品配置模型结构上的配置节点和配置实例，最终得到符合客户需求的设计实例。 第四步：配置方案的评价与优化。对获得的设计实例进行评价，以选出最优设计实例， 浙江t 业入学硕十学位论文 在这一阶段，可以对设计进行优化，得到符合客户需求的最佳产品设计。如果有新设计变 型产生，则更新产品族模型。 第五步：配置结果处理。产品配置设计最终结果是精确的产品实例结构b o m 和相关的 产品文档，经过与c a d 系统的集成，用参数化c a d 软件生成产品零部件的参数化模型对配 置结果进行预装配验证，并向配置客户展示配置结果。 第六步：变形设计与模块更新。在产品配置模型不能通过零部件实例的组合来满足客 户需求的情况下，可以进行的变形设计。变形设计基于配置设计结果，用来解决产品配置 无法达到的客户需求。对频繁出现的无法满足的客户需求，需要考虑进行调整产品族配置 模型并完善配置规则库。 第七步：组织生产，交付客户。产品配置后得到客户化的产品结构b o m ，包含了具体 零部件图纸及相关的文档资料等，经过工艺设计阶段，针对协同设计后续部门进行视图映 射，利用成组技术快速地组织生产，在最短时间内提供客户所需要的产品。 为完成以上配置过程，需要一个配置设计软件工具产品配置设计系统( 或配置 器) 。产品配置设计系统可定义为与客户进行交互并帮助或支持客户进行产品配置设计的 智能化软件系统。 2 2 3 产品配置求解方法 一般的约束求解方法有提高一致性算法、简单的搜索算法、混和算法和基于启发性的 信息的算法等h 9 5 0 1 。 1 ) 简单搜索算法 简单搜索算法的内容是给变量赋值，并检查约束是否得到满足、改算法在搜索空间内 作穷尽搜索，并找到问题的所有解。每次赋值时，已被赋值的变量成为过去变量，未被赋 值的变量称为未来变量，正在被赋值的变量成为当前的变量。当进行配置运算时，选择一 个变量值作为当前变量的当前值，然后检查所有与当前变量和过去变量有关的约束条件， 看被选择的变量值是否满足规定的约束条件，如果满足，变量的当前赋值就是一个解，若 不是，则在未来值中选择一个变量值进行检查，以此类推，做穷尽搜索。 简单搜索算法具体有两种：( 1 ) 给出产品数据模型，由客户来对每个结点进行选择， 这种可称为过程式的产品配置过程，对于产品模型上的每一个