（机械设计及理论专业论文）基于功能的概念设计求解过程研究.pdf

基于功能表达的概念设计求解过程研究 摘要 概念设计是产品设计过程中的早期阶段，对产品全生命周期有着极为重 要的影响在概念设计研究中，核心问题在于概念设计的求解过程和为实现 这过程的知识运用。产品设计的目标是以实现产品功能为目的的功能定 义的规范化使得利用知识实现概念设计的求解成为必然本文在分析了现存 的概念设计过程理论研究和应用基础上，提出了基于功能的概念设计过程， 引用本体论，研究了本体知识在该设计过程中的运用本文的主要研究内容 如下： 1 在研究了国内外概念设计过程理论和实现方法的基础上，着重论述了 功能在概念设计求解过程中的作用通过分析现存功能定义存在的问题，提 出了采用功能语义进行功能表达；提出采用本体理论，确立概念设计求解过 程的领域知识。基于上述的研究，本文建立了概念设计求解过程模型f s f m ， 讨论了模型的特点和实现方法 2 为实现计算机辅助概念设计，给出了f s f m 中元模型f p s 的信息概念 表达，建立了通用的f p s 的信息元素和数据模型，并采用x m l 的扩展标记 语言a m l 的s c h e m a ，对信息进行了封装，从而为过程求解的知识共享、 重用和协同设计奠定基础 3 分析了本体论的基本理论和思想，提出功能本体、原理本体和结构本 体作为概念设计求解中的知识表示基于功能语义自然语言，重点探讨了通 过语义相似度实现功能本体库的自动构建利用概念从属理论，建立功能本 体语义树，实现功能语义的关联。采用本体论的建模原语，描述了功能本体， 原理本体和结构本体的知识形式 4 探讨了概念设计知识重用和共享的关键技术建立了一个面向对象的 知识库系统采用实例推理，描述概念设计的知识重用，研究了基于实例推 理的概念设计过程分析了基于w e b 的f s f m 模型的协同设计形式，为协 同过程的数据和语义提供了统一的语法操作性 5 建立了概念设计求解过程，为计算机辅助实现概念设计提供基础以 机械手的设计过程为例，说明了概念设计部分实现方式 关键词：概念设计；本体；功能表达；实例推理；协同设计 基丁功能的摄念设计求解过群研究 i l l a b s t r a c t c o n c e p t u a ld e s i g ni st h ee a r l yp h a s ei np r o d u c td e s i g np r o c e s s i ti sc r i t i c a lt o p r o d u c tl i f e - - c y c l e n 壕c o r eo fc o n c e p t u a ld e s i g ni st h es o l v i n gp r o c e s sa n du t i l i t y o fk n o w l e d g et or e a l i z et h ej ) r o c e s s 1 1 地g o a lo fp r o d u c td e s i g ni st h ea t t e m p tt o r e a l i z e p r o d u c tf u n c t i o n 1 1 比f o r m u l a t i o no ff u n c t i o nd e f i n i t i o n m a k e si t n e c e s s a r yt oa p p l yk n o w l e d g et oi m p l e m e n tt h es o l v i n gp r o c e s sf o rc o n c e p t u a l d e s i g n o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gc u r r e n tr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n so fc o n c e p t u a l d e s i g np r o c e s st h e o r y , t h ef u n c t i o n - b a s e dc o n c e p t u a ld e s i g np l o 蝴i nw h i c h o n t o l o g yi sa p p l i e di sp r o v i d e di nt h i sd i s s e r t a t i o n n 砖a p p l i c a t i o no fo n t o l o g y k n o w l e d g et ot h ec o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s si sa l s od i s c u s s e d t h ef o l l o w i n g s 眦 t h em a i nc o n t e r l t si nt h i sd i s s e r t a t i o n ： 1 b a s e do nr e s e a r c h i n gt h et h e o r i e sa n dr e a l i z i n gm 甜l o d so fc o n c e p t u a ld e s i g n p r o c , 船s ，t h er o l ep l a y e db yf u n c t i o ni n “m c e p t i m ld e s i g np l d c c s si sm a i n l y d i s c u s s e d a f t e r a n a l y z i n ge x i s t i n gp r o b l e m si n f u n c t i o nd e f i n i t i o n , t h i s 蛐t i o np r o p o s e saf u n c t i o nr e p r e s e n t a t i o nm e t h o da o u g hu s i n gf u n c t i o n s e m a n t i c ；u s e s o n t o l o g yt h e o r yt oc a p t u r ed o m a i nk n o w l e d g ei nc o n c e p t u a ld e s i g n p r o c e s s o nt h eb a s i so f r e s e a r c hm e n t i o n e da b o v e ，t h ec o n c e p t u a ld e s i g ns o l v i n g p r o c e s sm o d e lf s f mi se s t a b l i s h e d , a n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h em o d e la n dt h ew a y o f r e a l i z i n g i sd i s c u s s e d 2 i no r d e rt os u p p o r tc o m p u t e r - a i d e dc o n c e p t u a ld e s i g n , t h ei n f o r m a t i o n c o n c e p t u a lr e p r e s e n t a t i o ni sp r o p o s e di nm e t a - m o d e lf p so ff s f m g e n e r a l i n f o r m a t i o ne l e m e n t sa g i v e na n dd a t am o d e li s p r o v i d e df o rf p s t o e n c a p s u l a t et h ei n f o r m a t i o n , c p m ls c h e m ai ss e t 叩t h o u g he x t e n s i o nm a r k u p l a n g u a g e 1 1 l i sr e s e a r c hl a y st h ef o u n d a t i o no f s o l v i n gp r o c c s sk n o w l e d g es h a r i n g r e u s i n ga n dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n 3 md i s s e r t a t i o na n a l y z e st h eb a s i ct h e o r ya n di d e ao f o n t o l o g y , a n dp r o p o s e s f u n c t i o no n t o l o g y , p r i n c i p l eo n t o l o g ya n ds l r u c t u r eo n t o l o g ya st h ek n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o ni nc o n c e p t u a ld e s i g ns o l v i n gp r o c e s s o nt h eb a s eo ff u n c t i o n s e m a n t i cn a t u r a il a n g u a g e ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yd i s c u s s e st h em e t h o dt h a tt h e f u n c t i o no n t o l o g yb a s ei sa u t o m a t i c a l l yc o n s t r u c t e dt h r o u g hs e m a n t i cs i m i l a r i t y c o n c e p t u a ld e p e n d e n c yt h e o r yi sa p p l i e dt ob u i l df u n c t i o no n t o l o g ys e m a n t i ct r e e 哈尔滨工程大学博士学位论文 a n dt o 妇t h e r e l a t i o n s h i po f f u n c t i o ns e m a n t i c t 1 壕k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n o ff t m c t j o no n t o l o g y , p r i n c i p l eo n t o l o g ya n ds t r u c t u r eo n t o l o g ya 把d i s c u s s e d r e s p e c t i v e l yw i t ho n t o l o g ym o d e u n gp r i m i t i v e 4 k e yt e c h n i q u ei sa n a l y z e di nk n o w l e d g er e u s i n ga n ds h a r i n go fc o n c e p t u a l d e s i g n ；姐o b j e c t - o r i e n t e dk n o w l e d g eb a s es y s t e mi sb u i l t , c a s e - r e a s o n i n g t o d e s c r i b ek n o w l e d g er e u s i n go fc o n c e p t u a ld e s i g ni sp r e s e n t e di nt h ec o n c e p t u a l d e s i g np r o c e s s ；w e b - b a s e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g no ff s f mm o d e l i sa n a l y z e dt o p r o v i d eu n i f i e ds y n t a xo p e r a t i o nf o rd a t aa n ds e m a n t i co fc o l l a b o r a t i v ed e s i g n p r o c e s s 5 ao o n c e p u i r id e s i g ns o l v i n gp r o c e s si se s t a b l i s h e dt os u p p o r tc o m p u t e r - a i d e d c o n c e p t u a ld e s i g 几m a n i p u l a t o ri st a k e na sa l le x a m p l et oi l l u m i n a t et h ep a r t i a l r e a f i z a t i o no f c o n c e p t u a ld e s i g n k e ”w o r d $ ：c o n c e p t u a ld e s i g n ； c a s e - r e a s o n i n g ；c o l l a b o r a t i v ed e s i g n 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 制造业的信息化 制造业是国民经济的发动机，是实现工业化的源泉，是实现现代化的原 动力作为还没有完全实现工业化的国度，我们面临前所未有的挑战。信息 时代的制造业，正在走向全球化，制造业信息化已成为发展趋势 在信息时代的制造业，信息技术、计算机技术、自动化技术、先进管理 技术以及其它先进技术的广泛应用，及其与传统制造技术相结合而产生的先 进制造技术，成为实现全球信息化和数字化的关键与科学技术的发展和人 类社会的进步相适应，先进制造技术的发展，从技艺、技术走向科学。数 字化”将是建立制造科学理论体系的关键；。虚拟化”在产品制造、制造系 统运行全过程中的广泛应用，是预测和评价进行科学化的重要手段；。集成 化”将使制造技术和管理更加深入和广泛的融合，其本质是知识与信息的集 成；。网络化”可为制造企业的设计，生产、管理与营销等提供跨地域的运 行环境，使制造业走向全球化、整体化和有序化；“智能化”将显著提高对 海量和不完整信息的处理能力n 铘 n 。 在现代集成制造中，制造应该具有广义的制造内涵，在这样的内涵中， 设计是其中非常重要的要素体现在两个方面：一是产品本身的信息化，二 是产品设计手段的信息化。设计手段随着科技的发展在不断的改进，从二维 到三维c a d ，我们可以想象在不远的将来，设计软件将在一定程度上体现出 真正的计算机辅助设计以前的c a d 应用，基本上就是计算机辅助绘图，它 不是真正的计算机辅助“设计”真正意义上的辅助设计，是在一定的程度上 能够帮助你更快、更好地设计出创新的产品还有产品设计的其它手段，比 如虚拟设计、语义化设计、智能设计等，能够反映产品的动态性能口舭心 世界发达国家对信息时代的制造技术研究与应用侧重点各有不同嘲： 1 ) 德国“制造2 0 0 0 ”计划 德国制造业在世界的地位是有目共睹的，他们将以下研究任务放在中心 位置：完善产品开发方法，在信息技术的支持下进行分布式的协同工作， 从而进一步集成产品中的机械，电子、控制和信息技术；开发可重复利 哈尔滨工程大学博士学位论文 用的产品，开发能“清洁制造”的产品制造过程。 2 ) 欧洲尤里卡( e u r e k a ) 计划 尤里卡是一个国际合作计划，该计划致力于欧洲企业和研究机构在民用 项目的研究和技术方面的协作。e i 】l l e k a 计划在工业领域的应用项目表 现为柔性制造、维护技术、质量技术和组织集成。 3 ) 法国和制造相关的计划 法国工业部主要针对中小型企业提出许多推进计划，研究重点：c i m 的 导入，新材料和微电子在生产中的应用等。 4 ) 英国的研究计划 英国的贸易工业部( d e p a r t u r eo f t r a d ea n dj r d u s t r y ) 在近十年中与一些 大企业完成了范围很广的先进制造技术的应用项目，从半导体材料和表 面技术到软件技术、管理方法和组织等各方面的课题都给予高度重视 5 ) 美国敏捷制造使能技术战略计划 美国敏捷制造使能技术战略计划( t e m a ) 的目的是利用敏捷制造技术提 高美国制造业的竞争能力。t e m a 计划分为五个领域：产品并行设计， 生产计划和控制，智能闭环过程和企业集成，从而使产品从设计到制造 以更快、更有效和更低的成本进行敏捷企业必须集成工程、制造、业 务领域的信息 回日本制造业发展计划 以机床制造为例，进行企业重组，实现信息一元化，智能制造计划解决 f m s ，c i m s ，m r p - i i 的局限性，开发未来的主导技术、全球信息、制造技 术体系与标准化。 综上所述，2 l 世纪发展的先进制造技术系统必须以信息技术为支持，所 以，坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，是必由之路信息技 术与先进制造技术的应用促进了产品的创新 1 1 2 技术创新 “从中国制造走向中国创造”，这是李培根院士在。中国创造需要信息化” 一文中提出的【7 1 可见，“中国制造”不是我们的目的，“中国创造”才是我 们的目标要包l 造就要有创新，早在1 9 1 2 年经济学家约瑟夫熊比就提出了 创新理论( i n n o v a t i o n ) ，他提出，创新是经济增长的源泉，但这一论点直到 2 0 世纪9 0 年代才引起人们的关注。世界经济和发展组织( o 肋) 在1 9 9 7 年 提出了国家创新系统( n a t i o n a li n n o v a t i o ns y s t e m ) 。与此同时，中科院也提 出我国国家创新体系嘲创新体系表现为以下方面： 2 第1 章绪论 i ) 创新的动力来源于市场需求和科学发现与技术发明市场的竞争，计算机 技术，自动化技术开创了新一代先进制造技术的创新 2 ) 实现跨越创新的关键是关键技术的突破。各种先进技术使机械制造进入数 字化产品开发、数字化制造和数字化管理的新时代 3 ) 集成创新是制造业创新的重要形式包括单元技术和单元技术的集成创 新，比如，数控机床、设计技术与过程技术的集成创新，比如，c x 单元 技术集成应用，还包括技术与管理的集成创新，计算机集成制造就是发挥 计算机数据共享，解决技术与管理集成的创新 从中国制造到中国创造，从技术的层面上讲，怎样通过信息技术促进和 提升创新的设计，这是提高创新能力的重要方面产品设计手段的信息化是 技术创新的重要因素创新的最终结果就是有中国自主产权的中国产品 1 1 3 产品设计信息技术与知识管理 产品的设计在整个产品设计周期中所处的位置可以从图1 1 中看出，其中 任何阶段的数据模型起着关键作用，这是信息处理和知识管理的基础 图1 1 数据模型在产品中的作用 f i 9 1 1 r o l e o f d a m m 砌i n p r o d u c t 信息技术的发展历史可以追溯到人类起源的时候，但是今天我们所说的 信息技术的发展阶段主要是2 0 世纪6 0 年代，即计算机时代的来临以后算起的 它大致分为三个阶段网，见衰i 1 随着8 0 年代计算机信息共享时代的到来，人们很容易通过各种途径得到 大量的信息，但其中有用信息的比例也随之减少，如何有效的利用信息就成 了亟待解决的问题信息的智能技术使得计算机模拟人的思维，并成为人类 智力的延伸 3 哈尔滨工程大学博士学位论文 表1 i 信息技术发展阶段 t a b k1 ii n f o c m m i o nt e c h n o l o g yd t w c l o p i n gp h a s e l - - + 陨 s t 信息孤岛时代信息共享时代 信息智能应用时代 i 时间范圈 2 0 世纪6 0 年代一现在9 0 年代中期一现在 9 0 年代中期一将来 i 技术特征 信息的单机处理，各种网络上信息共享，多 信息深层次处理t 知识 类信息处理种信息的同时处理自动抽取应用 自9 0 年代中期以来，信息深层次的处理促进了知识自动抽取的应用。产 品设计追求的是设计的自动化，设计的自动化实质上是对知识的自动化处理。 信息技术实现是知识管理的重要手段1 9 , 1 0 i 信息化的应用随着信息技术的发 展也是从数据管理( 2 0 世纪5 0 一7 0 年代) 到信息管理( 2 0 世纪8 0 年代) ， 再到知识管理( 2 0 世纪9 0 年代) 近一二十年来，关于本体论( o n t o l o g y ) 的研究、开发和应用越来越受到重 视。把现实世界中的应用领域抽象或概括成组概念及概念问的关系，构造 出各个应用领域的本体，会使计算机对该领域的信息处理大为方便，本体论 正在成为知识获取以及表示、数据库框架集成、自然语言处理等领域共同关 心的一个核心【1 一 为了操作或使用不同领域、不同性质或用于不同目的的知识，人们提出 各种各样的知识的表达和推理，开发各种不同的系统当积累了一定数量的 知识系统之后人们发现，由于采用不同的表示和推理机制，因为推理和求解 问题可能会同时涉及到数个领域1 1 2 1 ，这些来自不同领域的知识必须统一起 来领域本体能建立一套共享的术语和信息表示结构，从而实现多数据源的 集成，减少信息转换的难度，为信息集成提供同一模式 本文选题的目的在于从数据和信息的角度来抽象产品设计早期过程，研 究产品的概念设计求解过程模型，分析领域知识本体在该过程的知识表达形 式，基于本体知识模型，实现产品设计过程的信息集成和知识集成，为知识 表示和智能推理提供理论模型和信息系统框架 1 2 本体的基本思想和方法 1 2 1 本体的基本思想 本体( o r 吐o 1 0 0 y ) 的概念最初起源于哲学领域，它在哲学中的定义为“对 世界上客观存在物的系统地描述，即存在论。，即世界在本质上有什么样的东 西存在，存在的实体所具有的属性。所以本体是客观存在的一个系统的解释 或说明 4 第1 章绪论 尽管本体起源于哲学领域，但是，因为它能对客观事物进行本质的描述， 所以，从九十年代初，本体论在计算机领域尤其是人工智能和信息技术的发 展中，占有重要位置 在人工智能界，对于本体有两种代表性的定义： 1 ) 本体定义了组成主题领域的词汇表的基本术语及其关系，以及结合这些术 语和关系来定义词汇表外延的规则【1 3 1 2 ) 本体是概念化的明确的规范说明闱 尽管定义有不同的方式，但是从内涵上来看，不同研究者对于本体的认 识是统一的，都把本体当作是领域( 可以是特定领域的，也可以是更广的范 围) 内部不同主体( 人、机器、软件系统等) 之间进行交流( 对话、互操作、 共享等) 的一种语义基础，即由本体提供一种定义明确的共识 在人工智能领域，人们对通用问题求解方法的研究陷入了困境，学者们 开始研究通过专门领域的知识表达来支持自动推理其中，作为研究知识库 和知识系统构建技术的学科“知识工程”( k n o w l e d g ee n g i l 赋抽g ) 发展起来 知识工程中的知识是泛指的，包括不同领域的知识、不同性质的知识、不同 目的的知识等为了使用这些不同的知识，人们提出了各种各样的知识表示 和推理方法，开发出各种各样基于知识的系统由此存在两个问题： 1 ) 知识重用问题为了减少构建知识库的代价，避免每次都从头开始，越来 越有必要考虑知识的重用问题 动知识共享问题当积累了一定数量的知识系统之后人们发现，由于采用不 同的知识表示和推理机制，这些系统之问的知识难以共享，系统之问难以 互操作 而本体论的哲学思想告诉我们，本体论研究实体的存在性和实体存在的 本质，是独立于任何语言而存在的深层次的本质上的知识因此本体论把知 识工程中的知识f 句更深入、更本质的方向推进一步 要实现知识的共享和重用，首先要明确所研究的领域，本质上有些什么 样的对象、过程、属性和关系7 它们之间的相互依赖关系如何? 这正是本体论 所研究的内容 1 2 2 本体的特点 当前的计算机正在从单一的设备向进行信息交换和事务处理的世界范围 网络转变因此，支持数据、信息和知识的交换、重用和共享成了当今计算 机技术要迫切面临的任务人们之所以在知识工程、自然语言处理、信息检 索系统、智能信息集成和知识管理、信息交换和软件工程等等领域研究和发 5 哈尔滨工程大学博士学位论文 展本体，是因为本体有以下突出的特点 1 1 , 6 2 1 ： 1 ) 本体可以在不同的建模方法、范式、语言和软件工具之间进行翻译和映射， 以实现不同系统之间的互操作和继承 2 ) 从功能上来讲，本体提供的是一个领域严谨丰富的理论，而不单单是一个 存放数据的结构 3 ) 本体是领域内重要实体、属性、过程及其相互关系形式化描述的基础这 种形式化的描述可成为实现知识的重用和共享的基础 4 ) 本体可以为知识库的构建提供一个基本的结构它可以用来描述简单事实 的对象类型，也可以描述抽象概念，主要描述的是事物或概念的各个组成 部分以及这些组成部分之间的静态联系； 5 ) 对于知识管理系统来说，本体就是一个正式的词汇表。本体可以将对象知 识的概念和相互阆的关系进行较为精确的定义。在这样一系列概念的支持 下进行知识搜索、知识积累、知识共享的效率将大大提高，真正意义上的 知识重用和知识共享也能成为现实 6 ) 本体适合表示抽象的描述。本体的使用可以帮助研究者们清楚地理解特定 领域的相关元素，关系和概念，让知识表达更加准确便捷，以便进行更好 的决策 本体的最大贡献在于它可以将某个或多个特定领域的概念和术语规范 化，为其在该领域或领域之间的实际应用提供便利 1 3 产品的设计方法学研究综述 1 3 1 产品和产品的工程设计 设计是人类征服自然改造世界的基本活动之一，是人们为满足一定的需 量车隹 l 1 j 卜_ 图1 2 实现输入腧出转换的黑箱系统 f i g1 2b l a c kb o xs y s t e m 托砌逝 i n p u t o u t p u tc o n v a s i o n 求而进行的一种创造性活动的实践过程。 人类文明的历史就是不断进行设计活动 的历史【9 】【1 3 】。产品是设计结果的物质表 现。 p a b l b e i d l 4 1 在( e n g i n e e r i n gd e s i g n ) 一书中指出，设计科学是通过技术构成而 概念化的实现工程任务。设计的最终表现 结果就是产品模型，产品表现在其后的详 细设计中 6 第1 章绪论 产品可以作为一个上位概念一般地描述所有技术领域，如机械、装置等等 根据l ( c d l e r l 嘲对产品的分类，他把工程设计的对象( 即产品) 定义为技术系 统，该技术系统看作是黑箱，是实现输入流到输出流的转换，即输入输出的 是物科流、能量流和信息流，见图1 2 产品设计是纵向和横向多门学科知识的交叉，对产品本身而言，是基于 产品功能的设计，对外部而言，表现在产品的全部寿命周期中产品的结构、 性能、质量、成本、交货时间、可制造性、可维护性以及人、机、环境之间 的关系等，原则上都是产品设计阶段制定的 ，3 2 设计方法的一般理论 英国、德国、美国、俄罗斯、日本等国的专家以工程设计实践经验为基 础，直接总结并抽象概括了设计方法的理论基于不同的技术与社会背景， 其发展的设计方法各有特色，近几年来表现在以下几个方面： 整体设计( t o t a ld e s i g n ) 0 6 1 英国的v u g h 在整体设计( t o t a ld e s i g n ) 中，用系统化的观点描述将整 体设计过程，定义“设计核( d e s i g n c o r e ) ”贯穿设计始终，“设计核”分别 为明确需求、概念设计、详细设计和加工制造。在“概念设计核”的研究中， 强调概念设计过程是一个合成过程，即概念设计表示了所有子系统或组件的 组合过程。概念设计关心的是设计思想和设计解的产生，认为满足需求的概 念设计求解过程在整体设计中起到重要作用 公理化设计方法( a x i o m a t i cd e s i g nt h e o r y ) l l ，捌 n 卫s l l h 提出了公理论设计其目的是为了寻找能导出好的设计结果的 基本设计原理。例如热力学第一、第二定律的提出，确立了能量和熵的概念， 给出了科学判定发动机性能的工具，根据这些定律排除了对永动机等不适当 对象的研究还给出了计算能量系统的效率和理论界线的手段同样地，如 果在设计中存在某些公理，根据它们可以在概念设计阶段进行评价设计，除 去本质上不好的设计，提高设计工作的效率 s u h 的公理化理论强调了两个公理：独立公理和信息公理。独立公理说明 功能需求必须始终保持独立，同时，被定义为表征设计目标的独立需求的最 小集合，独立公理要求设计的诸功能相互独立信息公理在那些满足独立公 理的设计中，具有最少信息含量的设计就是最好的设计当信息含量有限时， 必须通过用户或其它途径获取设计信息所以可以看出，公理设计是研究设 计的理论和方法，而不是算法和工具因为强调信息的最小化，所以使设计 能够在较大范围内调整设计参数和过程变量而仍然满足功能需求 7 哈尔滨工程大学博士学位论文 通用设计理论( u n i v e r s a ld e s i g nt h e o r y ) 1 7 , 1 s l ： 德国的k a r l s n l l 砖大学的r p k 研究所自二十世纪六十年代开始设计方法 学的研究，在p a i d 和b e i m 的设计理论“功能卜原理一结构”这一基本框架基 圈1 3 通用设计理论的设计阶段 f i g1 3d e s i g np h a s eo f t i l c 窘既l c f a l d e s i g nt h e o r y 础上，总结了不同学科领域的设计特 点，将设计过程分为四个阶段，见图 1 3 通用设计理论认为，设计的四个 阶段是一个动态的过程，图中的需求 模型层、功能模型层、原理模型层、 详细设计层之间从抽象到具体、从分 解到组合、从分析到综合的关系，充 分体现了产品设计理论的基本思想。 通用设计理论的创新实质是形态学 矩阵组合方法得到问题的求解方案。 扩展通用设计理论( e x t e n d e dg e n e r a ld e s i g nt h e o r y ) 口l l 吉川弘之创立的通用设计学认为，通用设计学所研究的基础性课题是： 阐明所有设计行为所共同拥有的人类智能活动的机理：而通用设计学的应用 性课题则是：产生可用于各领域部门并具有高度实用性的指导性原理。扩展通 用设计理论认为，设计过程要考虑设计对象的物理方面、逻辑方面及环境条 件。设计是复杂的思维过程，应该采用演绎法和公理法做基础来进行研究 主张用人工智能的拓扑模型来描述人的推理思维过程，即明确描述设计对象 的主要概念定义，提出公理，推出定理，用数学方法描述设计知识及设计过 程。这种理论能够产生设计过程中的有用知识，因为形式化的描述知识，使 之能适合计算机的智能设计 在通用设计学研究中。概念”被限定为使用能定义的语言、符号及图形 所能表示的范围。它捧除了“无法用语言表达”的概念“实体”的范围被 限定在使用科学手段能认识其属性的范围内在这里，实体不是指通过生产 行为制造出的物理实体，是信息型的实体，是与真的物理性实体相对应的智 能型产品，或者是制造物理性实体所必需的充足的信息 t r i z 设计理论吲 u z 设计理论论述了创造学的理论和方法，其基本要点是，解决发明课 题的关键在于找出课题包含的技术矛盾，并进一步揭示其本质物理矛盾。解 决物理矛盾的基本方法是构造包含物理矛盾的物场。场可认为是最小的技术 l 第1 章绪论 体系技术体系的发明和改造，其本质就是物场结构的形成和改造 a l t s h u l l 护l 对概念设计阶段的创新问题提供了基础理论和方法指导 1 4 产品概念设计的研究 1 4 1 概念设计的内涵 p a h l 和b e i t z 在砸嘴i n 墩i n gd e s i g l 3 ，- - 书中。对概念设计的表述为：在确 定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理和组合，确 定基本求解途经，得出求解方案，这一部分工作叫做概念设计可以看出， 概念设计是指设计的早期阶段，一般认为，概念设计就是产品设计过程中具 体设计之前的设计阶段，有的学者认为是产品设计过程中的功能设计阶段 本文中采用第二种观点，概念设计阶段分为两层【1 7 l ，功能层和原理层在功 能层中，要对功能定义和表达，要对功能进行分解，原理层是寻找到与功能 相适应的原理方案，一方面，在功能层和原理层中其自身存在关联( 即自身 的层次关系) ，另一方面，功能层和原理层是由映射关系连接起来的， 1 4 2 概念设计的研究动态 许多研究者从不同角度对概念设计进行了研究，主要集中在以下几个方 面：概念设计功能表达的研究，概念设计模型的研究，其它相关模型的研究 1 ) 概念设计功能表达的研究 功能设计是决定产品基本特征的关键环节a 瑚妇锄e k 嬲m 等人采用自顶 向下的方法来表达功能，首先描述设备的整体功能，然后基于功能描述每个 部件的行为【1 2 1 1 w a s a k i 等人对这一方法进行了扩展，并提出了因果功能表达 语言c f r l ( c m m a lf u n c t i o n a lr e p r e s e n t a t i o n a ll a n g u a g e ) 来表达设备功能洲 s a s a j i m a 等人从功能和行为的观点提出了表达部件的方法和本体论，其功能 和行为的建模语言并不依赖于特殊领域的词汇，而是使建模者可以在不同的 抽象层次上描述每个部件例 s i m o n 等人认为功能和行为是设计对象的两个不同方面，一个功能可以 被多个物理实体所实现，每个物理实体可以具有不同的行为 2 2 7 1 功能 驱动设计，而设计实体为满足功能而具备相应的行为他们提出了一种 功能和过程流的表达形式，并建立了功能和过程流的本体论 a n n e 和l 研究了基于功能的知识表达，认为功能就是设各要实现的 意图或设备要达到的目标网功能由行为来实现，即功能是希望要达到 哈尔滨工程大学博士学位论文 的目标，而行为则是实现功能的途径。结构是物理部件间的关系和组织。 筋概念设计模型的研究 g e r o 提出了被广为接受的f - b - - s ( f u n c t i o n - b e l m v i o r - s m l c t i l x e ) 概念设计 模型框架，它为建立常规设计的设计过程提供了满意基础冽。f b s 框 架建立了一条由功能经行为到结构的因果逻辑链，是概念设计过程推理 基础。它将概念设计信息按照功能、行为和结构进行分层抽象，不同抽 象层次的信息的结合为实现设计创新提供了途径。钟毅芳应用数学描述 方法，描述了机械产品概念设计过程模型f m 零_ e ( 功能一行为一结构一 环境约束) 的各要素及其相互关系，利用优化算法创建了行为关系树与实 现产品功能概念解的整个设计过程的形式化表达p 川。 t a k e d a 和t o m i y m m l 利用大型数据库建立了一个概念设计开发环境，又提 出了f _ 王k sm o d e l e r ( f u n c t i o n - b e h a v i o r - s t a t em o d e l e r ) 支持功能设计， 如图1 4 这一模型不仅适合适应性的设计，还适合创新设计。在模型知 识库中，可以建立分解的知识和物理特征。f - 】b - sm o d e l e r 的优点是可以 由实例证明设计者怎样使用工具，设计者怎样设计功能冗余系统【3 3 ) 其它相关模型 概念设计建模技术中，学者们还提出层次概念模型瓯3 3 1 ，许多学者将产 品结构设计、装配设计等方面的研究加以拓展，应用在概念设计过程中，提 出以支持变量特征和概念设计为标志的各类产品模型，如基于特征关联语义 模型删。这些模型中的特征概念在继承原有特征的性质和属性操作的基础上 增加了语义性和遗传性等新特点，以适应概念设计过程中对象的抽象性、模 糊性和继承性。它们支持的设计模式更加符合产品的实际设计过程，在一定 程度上反映了概念设计中特征的演化过程 国内学者北航的邓家裎教授在产品概念设计建模和有关技术方面进行了 深入的研究，结合德国通用设计模型和公理化思想，对设计过程进行了论述 建立了概念设计的信息模型，把概念设计扩展到s t e p 标准中【3 7 例。 浙江大学的冯培恩和潘双夏教授提出了一种产品功能、效应、作用原理 和结构方案循环交叉求解的计算机辅助概念设计进程模型。强调复合功能产 品概念设计过程，提出了辅助功能的生成和求解往往伴随着目的功能的求解 及其解的完善过程逐步得以实现的思想；同时建立了由主体特征和接口特征 组成的功能特征模型，以及基于“需求域一功能域一原理解域循环映射”的概 念设计模型；提出了适用于计算机处理的概念设计与或树形式化表达方法， 为支持功能设计和功能求解的复合功能概念设计自动化奠定了基础【3 5 阄 m 第l 章绪论 圈1 4f 删m o d e l e r f 培1 4 陆s m o d e i 簟 1 4 3 与功能相关的其它研究 在功能研究中，除了对功能表达的关注外，功能模型也是一个被关注的 领域，其侧重点也不同 文献 4 0 研究了功能模型关键要回答的问题：什么是功能? 什么是形 式? 两者的关系? 功能的定义、形式、闯题、解以及它们在设计语境中的作 用如何? 作者希望能利用功能推理理论解决这些问题文献 4 1 讨论了结构 的、行为的、功能的和目的论的知识定义，作者强调在表达形式上区分这些 知识定义的必要性他们把功能表达分成两个主要方法，一个是基于状态表 达，功能定义为行为状态的抽象形式另外一个方法是基于流的表达，功能 定义为输入与输出的关系，功能流为能量流，物料流和信号流，这种方法的 主要问题是很难列出一个领域完整的、充分的功能原子 文献 4 2 提出了一个新的功能模型和概念设计方法，这个功能模型包括 功能的表达方法和功能分析方法功能表达方法采用不同的框架、词汇和必 要的规范说明，建立有效的功能结构来捕捉机电系统的功能提出了功能分 析方法，该方法试图建立覆盖所有领域的定量和定性的功能分析事实上， 这个功能模型建立了功能表达的语法框架，尽管提到了功能表达所要运用的 功能词汇，但对计算机怎样理解这些功能词汇却没有提及 鼬h l s t r i 阳】基于公理化设计理论表达设计过程中的信息，建立了a i m - d ( a x i o m a t i ci n f o r m a t i o nm o d e lf o rd 髓i 蚋) 模型，并且把该模型用于设计数 据库系统的开发，该系统在计算机的环境下提供了逻辑的严密性k i t a n m n 等人鼢。“】基于f _ s 模型研究了功能对结构和行为的重要作用，把本体论 应用到对功能的表达，提出了功能概念本体，该本体与行为起，能够给出 丰富的本体词汇表达功能，并且提供了功能和行为原子表达的形式，其目的 是能实现功能到行为之间的映射但该方法是以上述的k 哪b 基础上建立 的，没有通用性的验证 哈尔滨工程大学博士学位论文 1 5 概念设计的知识表达 在知识管理研究中，包括知识捕获、储存和表达。知识管理的驱动力就 是能否发现新的捕捉、储存、表达信息的新方法，使得信息表达、获取越来 越容易，越来越有效。概念设计模型的表达同样依赖于怎样表达知识。 1 5 1 产品设计的知识表达 人们借助于计算机把在工程实践中积累和掌握的设计经验、技术和方法 以知识的形式储存起来，设计者可以通过计算机对这些知识学习和利用。这 是产品设计过程最终要实现的目标设计的自动化，设计的自动化实质上是对 知识的自动化处理，这种自动化处理的技术对计算机智能技术是至关重要的 1 9 1 。人工智能技术把知识表达、推理和学习智能过程的研究作为设计自动化 研究的一个重要方向。 在1 9 7 7 年的第五届国际人工智能学术研讨会上，美国斯坦福大学的 f e i g e n b 嬲m 教授 4 7 1 首次提出了知识工程的概念，他指出i 知识工程是人工智 能的一种技艺，它运用人工智能的原理和方法，为那些需要专家知识才能解 决的应用难题提供求解手段。恰当运用专家知识的获取、表达和推理过程的 构成与解释，是设计基于知识系统的重要技术闯题这标志着知识信息处理 进入工程化的阶段 知识表达是人工智能应用于产品设计的基础。通常知识工程师与产品设 计专家合作进行设计知识的获取，他们分析设计领域中所有相关特性，对知 识进行形式化和结构化的处理，建立知识模型。 宋慧军【艟l 将行为域引入公理化设计作为功能域和载体域之间的转换桥 梁，针对该域结构定义扩展“之”字映射，建立了不同层次功能、行为和载 体之间的映射关系；构造了概念设计方案的域结构模版知识表示模型：李宗 斌【4 9 】给出了基于多色集合理论和功能方法树的机械产品概念设计的知识表 达，给出一个关于方案功能相对需求功能冗余程度的数学模型，提出了基于 多色集合理论的机械产品概念设计的设计步骤和实现流程图。 1 5 2 本体知识模型 经典的知识模型包括产生式系统、框架、语义网络、面向对象的知识模 型等。产品设计过程是知识不断增加的过程，而产品设计问题本身，存在不 第1 章绪论 精确性，模糊性、随机性等特点，所以，在分布、开放、动态、海量的知识 环境中要提高知识的