（机械设计及理论专业论文）能量转换系统概念设计自动化理论与实现的研究.pdf

摘要 设计活动是产品开发过程中最重要的环节之一。在设计过程中，概念设计是 最富创新性的阶段。概念设计决定了产品的基本特征和主要构架，后续的过程主 要是对这些设计概念的具体化和实现。面对二十一世纪产品竞争日益加剧的挑 战，传统的设计手段和过程不足以很好地满足现代产品开发的需求，导致了现代 工程设计学、其中包括概念设计理论与计算机和人工智能技术的结合。 本文以能量转换系统概念设计自动化为研究对象，研究了概念设计及能量转 换系统设计求解的一般方法和规律，包括系统知识建模、表达、获取和推理的方 法，提出了能量转换功能原理解的产品基因模型及其启发式组合推理求解策略， 并研制了一个支持其概念设计的原型系统e c a c d e s 。 全文共分六章。第一章为绪论，阐述了本课题的研究背景及其意义，分析了 国内外在设计目录、生物遗传学设计法和功能推理上的研究现状和发展趋势，确 定了本课题的研究内容、方法及工作步骤。第二章介绍了原理方案设计目录的相 关概念，研究了设计目录开发的一般策略和步骤，针对能量转换型产品的特点， 提出了能量转换功能原理解的关键载体项和原理解的定量评价策略，确定了能量 转换型产品的原理方案设计目录的总体组成结构。第三章分析了能量型作用对象 的特点，研究了通用的能量型作用对象的特征表达模型，并引入产品基因的概念， 提出了能量转换功能原理解的产品基因模型和产品基因组的概念。第四章研究了 能量转换系统的原理方案设计，提出了基于产品基因的启发式组合推理求解模 型，实现了能量转换功能的快速求解。并以太阳能发动机为例进行了验证。第五 章研制了一个支持能量转换系统概念设计的原型系统e c a c d e s ，详细介绍了系统 的总体结构、各个功能模块、操作界面和应用实例。第六章对全文工作进行了总 结，并对未来研究做了设想。 关键词：产品基因；概念设计；能量转换系统：智能c a d a b s t r a c t d e s i g na c t i v i t y i so n eo fk e yp o i n t si nt h ep r o d u c t sd e v e l o p m e n tp r o c e d u r e ， w h i l e c o n c e p t u a ld e s i g n i sm o s t i m p o r t a n ti nd e s i g na c t i v i t y t i f f si sb e c a u s et h eb a s i c f e a t u r e sa n dm a i n f r a m eo f p r o d u c t sa r ed e t e r m i n e di nt h ec o n c e p t u a ld e s i g np h a s e ， a n dt h et a s k so ff o l l o w u ps t e p sa r eo n l yt os u b s t a n t i a t ea n de m b o d yt h e s ed e s i g n c o n c e p t s w i t ht h es e v e r ec o m p e t i t i o no fp r o d u c t si n2 1 “c e n t u r y , t r a d i t i o n a ld e s i g n m e t h o d sa n d p r o c e d u r e s c a n n o tm e e tw e l lt h ed e m a n d so fm o d e mp r o d u c t s d e v e l o p m e n t ，t h i st r e n dl e a d st ot h ec o m b i n a t i o no f m o d e m e n g i n e e r i n gd e s i g nw i t h c o n c e p t u a ld e s i g nt h e o r ya n d a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n i q u e s t h i s p a p e r f o c u s e so nc o n c e p t u a l d e s i g n o fs y s t e m s d e a l i n g w i t h e n e r g y t r a n s i t i o n t h ea i mo ft h ep r e s e n tw o r ki st og e n e r a t ea n dp r o v i d ev a r i o u se n e r g y t r a n s i t i o ns y s t e ma l t e r n a t i v e so fap r o d u c tb yr e u s i n gp r e v i o u sd e s i g nc o n c e p t si nt h e e x i s t i n gd e s i g nc a s e s i nt h i sp a p e r , w ed e s c r i b ec o m m o n m e t h o d sa n dp r i n c i p l e so f c o n c e p t u a ld e s i g n a n de n e r g yt r a n s i t i o nf u n c t i o nd e s i g n ，d i s c u s st h ek n o w l e d g e m o d e l i n ga n dr e p r e s e n t a t i o n , s t u d yt h ea p p l i c a t i o no fp r o d u c tg e n et h e o r yi ne n e r g y t r a n s i t i o nf u n c t i o nc o n c e p t u a ld e s i g n ，u s eh e u r i s t i cm e t h o dt os e a r c hp r o j e c to n e n e r g yt r a n s i t i o ns y s t e m ，a n da l s oi n t r o d u c et h ee s t a b l i s h m e n to fi n t e l l i g e n c es u p p o r t c o n c e p t u a ld e s i g ns y s t e m t h ep a p e rc o n s i s t so fs i xc h a p t e r s 1 h ef i r s to n ei st h ei n t r o d u c t i o n w h i c h a n a l y z e st h e c u r r e n ts i t u a t i o na n dt r e n di nc a s e - b a s er e a s o n i n g ，d e s i g nc a t a l o g ， p r o d u c tg e n ea n df u n c t i o nr e a s o n i n g , s e t sf o r t h t h em e a n i n ga n da i mo f p r e s e n tw o r k t h es e c o n do n ei n t r o d u c e st h er e l a t e dc o n c e p t sa b o u td e s i g nc a t a l o ga n dt h ep r o p e r p r o c e d u r e ，s t u d i e se n e r g yc a r r i e ri t e ma n de v a l u a t i o no fp r i n c i p l es o l u t i o ni nd e s i g n c a t a l o g ，p e r f e c t st h eg l o b a ls t r u c t u r e o f d e s i g nc a t a l o ge x p r e s s i n ge n e r g yt r a n s i t i o n p r o d u c t e s t a b l i s h e s t h ek n o w l e d g eb a s eo fp r i n c i p l es o l u t i o n s t h et h i r dc h a p t e r i n t r o d u c e st h eu n i v e r s a lf u n c t i o ne x p r e s s i o nm o d e lh a s e do ne i g e n v e c t o rt od e s c r i b e e n e r g yt r a n s i t i o np r o d u c t s ，d i s c u s s e st h ep r o d u c tg e n ek n o w l e d g ei n t h e c o n c e p t d e s i g n ，b r i n g sf o r w a r dp r o d u c tg e n e m o d e lo f e n e r g yt r a n s i t i o np r o d u c t sa n d p r o d u c t g e n eg r o u p e s t a b l i s h e st h ek n o w l e d g eb a s eo fp r o d u c tg e n e s t h e f o u r t hc h a p t e r p r o p o s e sa h e u r i s t i ca p p r o a c hb a s e do n p r o d u c tg e n e s f o rp r i n c i p l ec o n c e p t u a ld e s i g n o fe n e r g yt r a n s f o r m i n gs y s t e m s ，w h i c hi s d e m o n s t r a t e dv a l i d b y a l l i l l u s t r a t i v e e x a m p l e t h e f i f t ho n ei n t r o d u c e s c o m p u t e r - a i d e de n e r g y t r a n s i t i o nf u n c t i o n c o n c e p t u a ld e s i g np r o t o t y p es y s t e m ，i n c l u d i n gt h eg l o b a l s t r u c t u r eo fp r o t o t y p e s y s t e m ，e v e r yf u n c t i o n a lm o d u l e ，o p e r a t i o ni n t e r f a c ea n da p p l i c a t i o n a n dt h es i x t h o n ei st h ec o n c l u s i o no ft h ew h o l ep a p e r , a tt h es a m et i m eg i v e ss u g g e s t i o n sf o rt h e f u t u r e k e y w o r d ：p r o d u c tg e n e ；c o n c e p t u a l d e s i g n ；e n e r g yt r a n s f o r m i n gs y s t e m s ； i n t e l l i g e n tc a d 2 致谢 值此论文完成之际，我谨向恩师冯培恩教授表示深深的感谢! 在两年半的学 习和研究工作中，恩师的悉心指导和敏锐的洞察力是课题走向成功的指路明灯。 恩师渊博的学识、严谨的治学风格、清晰而深刻的思路、求是创新的学术追求和 为人师表的作风使我深受启迪，并将引导和激励着我走向新的起点，迎接新的挑 战。 感谢潘双夏教授、邱清盈副教授、赵亮和高宇老师在科研工作中的耐心帮助 和指导。 感谢同课题组的陈泳博士给予的帮助和启发，感谢张帅博士与何斌博士在学 习和工作上的大力支持和帮助。 感谢本实验室的所有师兄弟和师姐妹，在与他们的学术讨论中，作者受益非 浅。 感谢所有曾关心帮助过我的前辈和师长。 最后，真诚地感谢我的家人，他们给予了我无限而无私的爱。他们的言传身 教使我懂得了人生、认识了世界，他们朴素的作风和顽强的信念鞭策着我奋发进 取。 第一章绪论 摘要：阐述了本课题的研究背景及其意义，分析了国内外在c b r 、设计目录、 生物遗传学设计法和功能推理上的研究现状和发展趋势，确定了本课题的研究和 方法，拟出了工作步骤。 关键词：概念设计设计目录产品基因原理方案设计功能设计 1 1 课题的提出及其意义 历史的车轮驶入2 1 世纪，经济的全球化已成为不可逆转的潮流，行业间及 行业内的市场竞争日益激烈。产品的创新性是决定产品竞争力的关键因素，因此， 如何帮助企业快速地实现产品创新对提高产品的竞争力从而使企业在国际市场 中占据有利的位置具有非常重要的意义。 产品的创新性基本上在设计阶段就已被决定。p a h l 和b e i t z 的系统化设计理 论【1 1 把设计过程分为概念设计( c o n c e p t u a ld e s i g n ，也叫方案设计) ，结构设计 ( e m b o d i m e n td e s i g n ，也叫技术设计) 和详细设计( d e t a i l e dd e s i g n ，也叫施工设 计) 三大阶段。类似的分类也存在于y o s h i k a w a 等提出的通用设计理论( g d t , g e n e r a ld e s i g nt h e o r y ) 1 2 。其中，概念设计从根本上或基本上决定了产品的功 能、质量、成本和开发时间，尤其是从根本上或基本上决定了产品的创新性。 概念设计是产品设计进程中最富创新性的阶段之一，原理方案设计则是概念 设计的核心，对提高产品性能，降低产品成本有决定性的影响。德国学者早在三 十多年前就开始对原理方案设计知识进行系统的手工整理、表达和运用，其成果 为建立设计知识库提供了重要的参考。近三十年来，随着计算机技术的发展，计 算机辅助原理方案设计的研究已逐步发展起来，对从根本上改善产品的创新性有 着重要的意义。 然而，概念设计是一种知识密集型工程( k n o w l e d g e i n t e n s i v e e n g i n e e r i n g ) ，涉及大量的知识表达和推理技术。1 ，现有的以处理几何信息为主 的c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 技术难以给概念设计提供有力的支持。人工 智能技术的长足发展“3 ，为计算机辅助概念设计提供了可能。因此，探索基于知 识的概念设计c a d 成了当今国际上c a d 的重要发展方向，7 ，8 一。 国际上，美国、德国、英国都相继支持了一大批关于计算机辅助概念设计或 智能概念设计的研究课题，随之出现了一些支持概念设计的计算机辅助原型系统 和智能系统。相应地，在一些国际知名学术期刊上，都出现了关于概念设计问题 的专辑。在最近几届关于工程设计的权威国际会议上，概念设计都一直是热门话 题。 在国内，原有的机电产品绝大部分以照搬照抄国外产品的原理和结构为主， 根本不能满足企业对于产品快速创新的需要。随着中国加入世界贸易组织，我国 大量的依靠关税壁垒得以生存的机电产品制造企业面临严峻的考验。国内企业要 在国内市场乃至国际市场上站稳脚跟，就必须有独立开发创新产品的能力。因此， 研究面向机电产品快速创新的概念设计的理论、方法与技术对推动我国制造业的 整体进步并促进其在国际竞争中处于有利地位同样具有十分重要的意义。 目前，虽然在支持概念设计的智能c a d 上已经取得了一些重要的成果，但是， 现有的计算机辅助原型系统大多以实现某种专用的机器零配件或特定整机的粗 略方案生成为主，成熟的通用方案设计型专家系统仍未实现。其主要原因可以归 结为三个方面： 1 面向计算机的知识表达的不足设计作为人脑的思维活动还不能很好地 利用计算机加以模拟，这使得方案设计中的原理创新过程和需用的知识难以建成 数学模型。 2 方法学上的不足面向计算机的合理的原理方案设计过程性模型还不成 熟，至今，偏重于对整个设计过程的一般描述，特别是对作用原理求解的具体实 施步骤的研究尚不够深入，而这恰恰是实现方案设计自动化的关键所在。 3 功能推理技术的不足原理方案设计的核心在于总功能的分解和功能的 求解，但是，目前还没有成熟的功能自动推理技术，现有的专家系统也只能按照 预定的模式推理，缺乏创造性。 针对以上不足，本文以能量转换系统的概念设计自动化为研究对象，阐述了 概念设计及能量转换功能( 系统) 设计的一般方法和规律，论述了能量转换系统 知识建模、表达、获取和推理的方法，研究了产品基因理论及其在能量转换功能 概念设计中的应用。 本课题得到了国家自然科学基金的资助，项目名称为“机械产品概念设计若 干基础问题的探索研究”( 资助号：5 0 1 7 5 1 0 0 ) 。 1 2 国内外研究现状 由于产品研发的实际需要及竞争的压力，世界各国都纷纷加强了对设计方法 及理论的研究。下面按照本论文的研究内容对现有的概念设计相关研究状况分别 进行阐述。 1 2 1 基于实例的原理方案设计 1 2 1 1c b r 与c b d 基本概念 基于实例推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 的技术是人工智能领域新崛 起的一项重要技术，它通过联想( 或类比) ，将解决过去问题的经验( 包括解答 和解决过程) 用于解决当前问题l l 们。c b r 的思想起源于r o g e rs h a n k 在( ( d y n a m i c m e m o r y ) ) ( 1 9 8 2 ) q b 所做的工作，后由其学生逐渐发展起来。1 9 8 3 年，j a n e t k o l o d n e r 的c y r u s 系统首次在计算机上实现y s h a n k 著作中的许多理论。从那以后，许多学 者投入c b r 的研究与应用，c b r 得到极大发展并逐渐成熟起来。c b r 的一般进 程主要包括实例的选择、实例的变换与实例的存贮。 c b r 应用于解决设计问题，就被叫做c b d ( c a s e b a s e dd e s i g n ) 。c b d 在2 0 世纪9 0 年代得到了广泛的研究，尤其是在建筑结构设计领域【1 l ，”】。随之产生了众 多的c b d 系统，女1 a r c h i e t l 3 1 ，a r c h i e i i 1 4 1 ，c a d s y n 1 5 】，s e e d c o n f i g 旧，另外也 有个别的工程设计c b d 系统，如d e j a v u ( 1 7 和k r i t i k l i 1 8 1 。这些系统的共同点在于 他们都是建立在“设计师常常不能记住设计细节”的心理学认识基础上，因此它 们都是支持结构设计或详细设计的c b d 系统，目的在于当设计师对设计问题的概 念解有了初步的认识后，通过帮助设计重新找回由细节性知识构成的设计实例来 帮助设计师对设计解进行完善。目前为止，这类针对结构设计和详细设计的c b d 系统的技术已经初步成熟，正向实用化迈进【l 9 】。 1 2 1 2 基于实例的概念设计( c b c d ) 在原理方案设计中，限于人工智能的发展水平，计算机并不能设计出一个真 正的原理解。因此，在计算机辅助原理方案设计中，常常采用基于实例推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) “2 6 1 的方法，即直接用原理解的功能或行为来索引原理 解，而不考虑功能、行为、效应以及原理解之间的逐步映射过程。基于实例的概 念设计( c b c d ) 与过去的c b d 研究有着很大的差别。过去的c b d 系统是在原 理鳃已知的情况下对设计进行适应性修改，即目的功能及其原理解已经清楚。例 如，概念设计起始于“设计一个能完成将转动转化为往复平动的装置”，而过去 的c b d 系统则可能明确表示成设计一个曲柄滑块机构。这就意味着概念设计 c b d 必须髓够从功能开始进行推理，并且应该能清楚地表达原理解的通用的归 纳性知识如功能、行为及结构等。 在概念设计中，“设计问题与现存解的索引不能匹配”主要指目的功能不能 完全与现存解的目的功能描述一致。这种情况常出现在目的功能只涉及单个作用 对象的多个属性间的变化。例如，在描述一个传动机构的功能时，需要多个参数， 如类型，速度，速度方向，距离，可反转性等”。很多时候设计师给出的对于这 些参数的要求不能完全与知识库中已有机构解的相应参数值一致。当运用c b r 对该功能求解时，首先从知识库中通过比较选择个最接近目的功能的解 ( p r o p o s e ) ，然后根据新解的结果和所需结果进行比较来确定新的功能要求 ( c r i t i q u e ) ，根据新的功能要求继续求解产生新的机构( m o d i f y ) ，这一过程一 直重复直到所有功能要求都被满足为止。“2 “2 “1 。l i 把这种方法叫做启发式方法 ( h e u r i s t i c a p p r o a c h ) ，它其实就是一种c b r 方法。国内梁庆华等有类似的研究。“。 在c b c d 系统中，原理解的重用需要解决三个基本问题：原理解的表达、 索引和选择。 1 2 2 设计目录 在基于实例的概念设计c b c d 中，直接用原理解的功能或行为来索引原理解。 因此，原理解的表达对于计算机辅助概念设计而言，具有重要的意义。 设计目录是一定设计任务或分功能的已知解或经过考验的解的汇编。其中可 贮存有物理效应、作用原理、原理解、设计要求等等。它是技术信息库的初级阶 段，既是手工进行方案设计的有力工具，又是进行计算机辅助设计的知识库原始 文档。 德国的gp a h l 和w b e i t z 研究以系统理论为基础，利用信息论原理，有计划 地达到设计目标的方法。提出了总功能由功能结构中各子层的分功能逐层组合而 成，这样就便于利用设计目录来求得多个分功能的组合以产生多种可行的方案 解。 德国的r o t h 把设计进程划分为任务阐明阶段、功能阶段和结构设计阶段。他 的进程方式的特点是“应用目录设计的算法选择法( a a k ) ”，将设计过程精细地分 解为明确定义的分步骤，并以设计目录的形式准备好解法或解元素，从而求得更 多的解的组合。r 0 l l l 在设计目录的研究和应用方面作了大量的细致的工作，研究 了产品用数学模型描述的可能性，并以固联接为主要例子给出了相应的设计目录 ( 如表1 1 ) 。 表1 1r o t h 的设计目录( 示例) 分类标准 主体项选择特征 联接特联接链联接联接典型例子典型联接链联接矩传动力限 征类型类型力类型阵制 直接 嬲 阳 ：表面 单纯形封闭式 锁合 l l卜= t 乞一 1 ： 压力 间接 谭 1丰丰l 山一 德国的k o l l e r 对实现常用功能的物理效应作了系统整理和分析，研制了大量 相应的设计目录，给出了适用范围或选用准则，总结了原理方案变异规律，如表 1 2 。但他局限于对物理效应的描述，而效应层的解法过于抽象，难以具体化为 功能原理解，实用意义相对较小。 表1 2k o l l e r 的效应目录( 示例) 力学效应 1 t i = d ( j ) a tf = d ( m v 、d t 功能符号原理示意图物理公式注释参考文献 在力f 的作用 ；匝p a l v ( t ) 1 t ，= 扩t ( r ) 出 下，使物体 上r j 厂 a ( 质量为m ) 水平移动。 gp a h l 、wb e i t z 、r o t h 和k o l l e r 等学者的基础性研究工作推动了设计目录理 论的研究、应用和发展。 恩师冯培恩教授等受设计目录。7 3 的启发，比较系统地提出了适合在计算机中 表达的基于特征的原理解目录啪一。基于设计目录的原理解表达框架在分离装置 m “3 2 1 和机械传动装置1 等知识库系统得到了较广泛的应用。 设计目录的最大意义在于给出了设计解表达的知识框架体系，即在设计目录 中应该表达什么样的知识。但是，设计目录中对于原理解自身知识的表达几乎都 是描述性的，其目的是为了给设计师一个提醒，而计算机本身并不能对这些知识 进行操作和利用。这将在很大程度上束缚计算机介入概念设计的过程。 另外，国内的毛权研究过类似于原理解的实例原型的表达【5 6 】，然而他仅从 结构设计的角度来对实例原型进行表达，而忽略了实例原型的行为表达。 总的来说，目前对于原理解的表达虽然取得了很大进展，但是为了让计算机 能更有效地帮助设计师进行概念设计，对于原理解的表达模型还需要做进一步研 究。 1 2 3 基于生物遗传学的原理方案设计 1 2 3 1 生物与产品的类比 原理方案设计的关键是如何把功能映射成相应的原理解。在用生物遗传的思 想来探索原理方案设计前，需要先分析一下生物与产品的相似性，以决定是否可 以从生物遗传学的角度来探索计算机辅助原理方案设计的方法。 一个高等生物体由多个系统组成，而每个系统又由多种细胞组成。各种细 胞通过其具有特定功能的蛋白质行使特定的功能。比如人的循环系统中，血 细胞通过血红蛋白输送氧气。复合功能产品也类似：复合功能产品由多个部 件组成，每个部件( 相当于系统) 又可分解成许多零件( 相当于细胞) ，各个 零件的功能( 相当于每个细胞的特定功能) 则需要通过该零件运用的原理解 ( 相当于特殊功能的蛋白质) 来实现。生物与产品的相似性对比见图1 1 。 表示相似 图1 1生物与产品的相似性对比 1 2 3 2 基因工程与原理方案设计 基因工程( g e n e t i ce n g i n e e r i n g ) ，也叫基因操作、遗传工程或重组d n a 技术。 它是一种将生物的某个基因通过基因载体运送到另一种生物的活性细胞中，并使 之无性繁殖和行使正常功能，从而创造生物新品种或新物种的遗传技术。基因重 组是基因工程的核一t l , ，其主要目的就是通过基因的重新优化组合创造出更有价值 的生物体5 ” 原理方案设计是概念设计的核心组成部分。目前的计算机辅助原理方案设计 都是建立在c b r 。”的理论基础上，产品主要通过对已知元功能的已知原理解进行 重组来实现整体功能和原理的创新，其关键在于对已有原理解进行设计知识的重 用，本质上体现了遗传的思想和规律。文献。”通过对生物基因工程与产品原理方 案设计的系统类比，引出物料处理型产品原理方案设计中的信息遗传基础“产品 基因”的概念，提出了“产品基因”的“转录”、“翻译”、“复制”以及“逆转录” 机理，揭示了产品基因在功能设计与原理方案设计之间的桥梁作用( 见图1 2 ) ， 建立了基于产品基因遗传和重组的橛念设计框架，并以一种毅型硬币分离装置的 原理方案设计为例进行了验证。 说明： 信息流e ：= 墨相似 图l - 2 原理方案设计过程的映射模型 从原理解遗传的角度来探索原理解的索引，为实现原理方案设计的创新提供 了一条新的途径。 1 2 4 基于组合推理的原理方案设计 功能结构设计的目标是要生成产品的功能结构。这方面的研究包括两类，一 类是基于功能分解( f u n c t i o n a ld e c o m p o s i t i o n ) 方法的计算机辅助功能结构设计 研究；另一类是基于功能推理( f u n c t i o n a lr 船s o n i n 曲的功能结构设计专家系统的 研究，在常规设计( r o u t i n ed e s i g n ) 和适应性设计( a d a p t i v ed e s i g n ) 中，常常采 用功能分解的方法来建立产品的功能结构 1 , 3 9 , 4 0 , 4 1 , e t c 。功能分解的目标是将总功 能( 目的功能) 逐步分解为能求解的子功能，其过程可以用图1 3 来形象地表示。 功能分解方法其实是对过去的功能分解经验的重用。因此，实现计算机辅助 功能分解方法的关键是关于功能分解经验的知识的表达。功能分解知识的一个缺 点是具有很强的环境相关性( c o n t e x t - s e n s i t i v e ) ，同一个功能在不同情况中可能 分解成不同的功能结构。因此，计算机辅助功能分解系统还应该有在何种情况下 选择何种功能分解经验知识的规则。当功能分解知识库变大时，这个问题将会变 得越来越突出。遗憾的是，目前还没有这方面的研究。 图1 3 功能分解过程【1 与上述试图用基于经验的功能分解法来完成功能结构设计不一样，很多学者 试图为功能结构设计建立健壮的推理模型。最早的功能推理模型由f r e e m a n 和 n e w e l l 在1 9 7 1 年的第二届国际人工智能联合大会( i j c a i ，i n t e r n a t i o n a lj o i n t c o n f e r e n c e o n a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ) 提出，其核心可以概括为借助功能模块问的 输入流( 即作用对象) 和输出流( 即输出作用对象) 的匹配来完成功能结构的组 合创成h i 。因为功能推理是通过一些有已知解的功能的组合来实现目的功能， 所以被用于组合的功能之间必须有明确的接口。因此，与前面的功能分解中普遍 使用“动词+ 名词”的功能表达不一样，这里通常使用输入输出流变化 4 3 】的功能 表达方法。需要说明，k o t a 等用矩阵来表达功能本质上和基于输入输出流变化 的功能表达方法是一致的：矩阵其实是输入输出流变化耦合关系的间接描述，是 显式的输入输出流的变体。 在特定的领域内，由于功能所涉及的流( 即作用对象) 是确定的，而用于描 述这些作用对象的属性在概念设计中往往都只能取几个有限的离散值，因此，作 用对象的状态空间就是有限的。这就意味着基于有限状态空间的功能空间也是有 度ti 限的。于是可以用穷举搜索方法 4 】来生成很多组合功能结构，十分有利于产品创 新【4 4 ；4 5 ：4 6 ；4 7 9 8 ；4 3 4 9 ；5 0 ；5 1 ；e r e 。以机构设计为例，其概念设计涉及的作用对象是力或 力矩，可以被看作是广义力。把广义力矢量理解成两个特征组成的二元组膨型， 方砌来描述广义力，其中“类型”特征可取2 个值( 力或者力矩) ，“方向”特 征可取5 个值( 同一直线，平行，等) 1 5 z , 5 3 1 ，那么，设计师所需要的机构功能就 都可以用这个二元组的输入输出状态表示。给出一组存在已知解的二元组对，当 待求功能二元组对与这些二元组中的某个一致时，就可以直接调用该功能所索引 的原理解；否则，就可以将该功能用一些二元组对的组合来实现，这就实现了功 能推理。 与功能分解方法相比，功能推理的优点是能帮助解决一些知识库中不存在现 成解的目的功能。因此功能推理方法能实现产品创新。但是，功能推理方法不能 支持辅助功能结构设计，而基于经验的功能分解方法则可以。 1 3 本文的工作及意义 本文以能量转换型产品为对象，研究了能量转换功能原理解的设计目录表 达、基于产品基因的原理解索引以及基于启发式搜索的组合推理求解模型。 ( 1 ) 以设计目录为原型，建立原理解知识库 设计目录有着信息量大、条理清楚并且内含有求解的线索等特点，便于指导 高效知识库和实例库的组建，也适合于用面向对象的方法来描述。因此，本论文 采用设计目录的方法进行原理解表达。第二章介绍了原理方案设计目录的相关概 念，研究了设计目录开发的一般策略和步骤。针对能量型产品的自身特点，提出 了能量型原理解的关键载体项和原理解的自动化评价策略，确定了能量型产品的 原理方案设计目录的总体组成结构，探讨了如何有效地把设计目录知识转化为计 算机可以识别并利用的知识。最后，通过对大量现有产品进行分析，得到了百余 个能量转换功能原理解，在此基础上构造了个包含百余条原理解的知识库。 ( 2 ) 建立能量转换功能原理解的产品基因模型，构造产品基因知识库 第三章分析了能量型作用对象的特点，建立了能量型作用对象的特征表达模 型，引入产品基因的概念，通过对产品基因中的求解特征和作用过程特征的分析， 提出能量转换功能原理解的产品基因模型及其产品基因组的概念，进而对能量转 换型原理解进行分析，构造了一个包含百余条产品基因的知识库。 ( 3 ) 能量转换系统的原理方案设计策略研究 第四章研究了基于产品基因的能量转换功能求解策略。介绍了能量种类转换 图知识，属性特征代价函数及原理解评价函数，提出了基于产品基因的启发式组 合推理求解模型，实现了能量转换系统中多种能量转换和同种能量属性特征转换 功能的快速求解，并以太阳能发动机为例进行了验证。 上述三个部分构成了本论文的核心内容。 1 4 要解决的关键问题 虽然很多人对能量转换型功能做过很多分析，但是，到目前为止，还没有令 人满意的适合能量转换系统自动化概念设计的功能表达方法。主要原因在于，缺 乏一个良好的功能表达模型，它既能和目的功能相匹配，又能准确地描述出原理 解的关键特性，从而可以成为目的功能和原理解之间的桥梁。 ( 1 ) 能量转换型原理解的表达 能量转换总是通过一定的物质载体实现的，当物质条件改变时，能量转换就 不一定能实现。同时，原理解的评价项需要定量描述以实现计算机的自动评价。 由于能量转换系统的上述特点，现有的设计目录结构不能完全表达能量转换型原 理解，因此，需要对现有的设计目录做进一步的完善。 ( 2 ) 能量转换系统的功能表达模型 能量转换系统的功能表达模型中应同时表达多种类能量及其特征的变化，从 而构成完整的功能空间，可采用类似于文献 3 的状态空间法在功能空间中进行 搜索来实现目的功能的求解。但是，多种类能量涉及3 0 个左右的物理量，建立 这些物理量的统一模型需要近1 0 个特征，假定每个特征平均取2 个值，那么采 用输入输出矢量的功能表达方法 3 建立的功能空间可能包含上亿个功能元素 ( ( 3 0 x 2 ”) 2 6 x 1 0 8 ) ，不适合组合求解。因此，需要寻求新的功能表达模型。 ( 3 ) 知识库问题 知识库是实现能量转换功能概念设计自动化系统的基石，建立一个体系架构 良好、组织严谨、关系清晰、与外界环境具有良好接口适应性的知识库系统至关 重要。 1 6 ( 4 ) 组合策略问题 组合策略问题主要有两类，一是抑制组合爆炸；二是组合接口匹配。 国、内外现有模型里普遍存在的一个问题是，在映射、组合过程中会产生过 多解而导致后续处理困难。我们在前期的实践工作中，也碰到了类似的问题，今 后的研究工作中，如何缓减、抑制这种现象是必须正视的问题。一个可能的办法 是从多方面出发，建立一个多层次、全方位的考察机制，尽可能地缩小设计师必 须直接面对的问题规模。 1 5 工作计划安排 ( 1 ) 调查研究 调研与本文相关的国内外研究现状，特别注意可能有助于解决关键问题的学 科领域或方向的最新研究进展。深入分析能量系统设计案例，特别对概念设计的 内容和规律进行系统总结。在上述工作基础上初步形成解决关键性问题的可能方 法和途径。 ( 2 ) 完善并最终明确知识库模型，建立起知识的获取工具 系统分析调研结果，总结与课题相关的国内外优秀成果：完善并最终明确知 识库模型，建立知识获取工具；实现能量转换系统设计目录的录入和输出，将目 录知识转化为有条理的知识库内的知识，实现实例库的添加、修改，最终形成支 持能量系统概念设计自动化的知识库。 ( 3 ) 确定关键问题的解决策略与系统的整体框架 针对课题的关键问题，要经过科学论证，反复求实，从多个初步确定的可选 方法中确定最优的解决策略，并形成问题求解的整体框架。 ( 4 ) 建立支持能量转换功能概念设计自动化的软件系统 在建立支持传动功能概念设计的知识库之后，提出关键问题的解决策略，且 对整个系统进行详实规划后，就可以展开复合传动功能概念设计自动化软件系统 的研制工作。 ( 5 ) 学位论文撰写 对能量转换功能概念设计自动化实现的整体流程进行系统性的总结，完成学 位论文。 第二章原理方案设计目录的研究 摘要介绍了原理方案设计目录的相关概念，研究了设计目录开发的一般策略和 步骤。针对能量转换型产品的自身特点，提出了能量型原理解的关键载体项和原 理解的定量评价策略，确定了能量型产品的原理方案设计目录的总体组成结构， 并详细阐述了各组成部分的具体含义。 关键字设计i f l 录关键载体原理解评价 2 1 引言 概念设计是产品设计进程中最富创新性的阶段之一，原理方案设计则是概念 设计的核心。七、十年代一些德国学者主张以系统化设计法进行方案设计，提出 了原理方案设计的一般进程，如图2 1 所示。 由图2 1 可知，原理方案设计的核心在于功能分解和组合，总功能分解为多 个分功能后，对于各个分功能，必须找到作用原理，然后将它们组合成作用结构， 由此再具体化，得到原理解。经过长期的实践经验，总结出了如下常见的求解手 段和方法：1 传统法，如查阅文献、分析自然系统、分析已知技术系统、类比考 察和测量、模型试验等；2 偏重于直觉的方法，如智暴法、6 3 5 法、陈列法、d e l p h i 法、联想法、复合应用等；3 偏重逻辑思维的方法，如物理进程变异法、编排表 法、设计目录的方法等。其中，设计目录是设计实例和设计经验的提炼和综合， 既适用于手工检索，又适用于计算机辅助方案设计，为计算机提供了丰富的设计 信息，是利用计算机来辅助设计的知识基础。 2 2 设计目录概述 2 2 1 基本概念 目录是一定设计任务或分功能的已知解或经过考验的解的汇编。目录可以包 含各种各样内容的信息和不同具体化程度的解”。它以图文表格的形式来表达设 计信息，并按一定的方式对其分类组织。按其内容，设计目录可分为： ( 1 ) 对象目录：不针对具体任务的一般性信息的目录，如运动学目录、几何关系 式目录、材料特性目录、设计目录总类目录等： ( 2 ) 操作目录：系统性程式设计中的工作准则、步骤、方法等的目录，如构形变 型的准则、方案的选择原则等的目录； f 3 1 解法目录：详细描述针对具体任务、具体功能的解法信息，并包含有实现该 解的路径。本文研究面向能量转换的原理方案设计目录。能量转换包括下面 几种类型：能量种类的转变，例如电能转变为机械能；能量属性特征的变化， 如放大、缩小、传导、贮存等。 图2 1 方案设计( 概念设计) 的工作步骤 2 2 2 设计目录的特点和开发原则 设计目录不同于一般的手册和资料，后者着重于提供局部设计参数的优先 下lililiill妻案设计lillliilliii 数和推荐的经验值上，只是描述性数据的收集。设计目录作为设计信息的载体， 有以下特点： 一给出提取或检索的特征项，方便了设计知识的选用。而传统手册只提供对象 的定义知识，不提供对象的选用知识。 一按设计过程有系统地编排分类，密切结合设计需要来提供系统化的设计信息。 一每个设计目录力求清晰，信息覆盖面宽。在设计目录中，分析对象被看作 个系统，分析系统的组成及影响系统的所有独立因素，按一维、二维或多维 混排表格列出它们之间的关系。 一应用的广泛性。设计目录的应用已经超出了机械领域，在控制和电子工程领 域获得较好的应用效果 5 5 1 成为控制系统创新设计的工具之一。 为了充分发挥设计目录的作用，考虑到设计目录的特点，它的开发和结构组织 应符合以下几点原则： 一采用统一而明确的定义、术语、示意图模式和符号来表达。这样有利于设计 目录的组织整理和知识的获取及处理。 一保证设计目录的实用性。首先，它所包含的设计信息是可用的且经过考验的。 其次，检索方便快速，这就要求对目录的组织和分类合理。设计目录的实用 性还体现在它的适应性上，即它既要适合于传统的手工检索，又要有利于计 算机辅助设计。 一满足设计目录的开放性。设计目录应该可以在原有内容的基础上补充入新的 信息，并可以根据技术水平的发展而进行修正。 一尽量满足设计目录的完备性。设计目录的优势主要体现在丰富的设计信息上， 对于特定类型的设计目录，要使它在该类型空间内达到足够的完备，才能更 好地服务于该专业方向的设计工作。 2 3 原理方案设计目录的开发 本章的研究对象是面向能量转换功能( 包括能量种类转换和能量属性特征转 换) 的原理方案设计目录，从中可以看出设计目录开发的般进程。 2 0 2 3 1 设计目录的组成 罗特及其合作者首先从事设计目录的建立和开发“，他提出设计目录分类 部分、主要部分、检索部分和附注四部分基本构造，下面分别解释：( 1 ) 分类部 分即编排依据，决定了如何有系统地建立目录，它影响到可用性和快速检索。它 可以适应所贮存的解的具体化程度和复杂性，亦可以适应要使用该目录的设计阶 段。例如对于方案设计阶段，宜选择要用该解来实现的功能作为编排依据，因为 方案是从分功能出发来制定的。( 2 ) 主要部分包括目录内容本身。其中描述了对 象。根据具体化程度不同，将对象表达为线划简图并带有或不带有物理方程，或 表达为不同完善程度的示图或插图。( 3 ) 在检