（计算机应用技术专业论文）基于语义的单件小批量产品创新设计模型研究.pdf

摘要 摘要 制造业是决定一个国家经济发展水平的支柱产业，而产品创新设计是制造业的“灵 魂”，它在现在制造业中发挥着越来越重要的作用。本文阐述的是有关单件小批量企业 产品的创新设计模型研究。企业产品的创新设计模型是企业实施先进制造战略、增强企 业经营过程竞争力的重要基础：而知识又是产品创新设计的核心，所以本文采用基于本 体的语义库来进行知识的表达，采用基于语义的遗传算法对产品的创新设计进行优化， 进而建立单件小批量产品的创新设计模型。 本文探索了有关单件小批量企业产品的创新设计，主要的研究工作如下： 首先，从总体上介绍了国内以及国外单件小批量产品创新设计的研究现状，叙述了 目前我国在该领域取得的进步以及与国外存在的差距。当前我们还存在哪些问题，随后 给出了整个论文的思路和组织结构。 我们通过基于语义的遗传算法来对单件小批量产品的创新设计系统进行优化。在此 过程中我们给出了有关语义的表示和形成，以及遗传算法的具体实现过程。在建立产品 创新设计系统的过程中，我们详细论述了本体的定义和分类，并建立了基于本体的语义 库和语义库的建模过程。 详细讨论了基于语义的单件小批量产品创新设计系统的设计过程和模型的建立，在 此过程中我们用到了产品的分解重构理论，从而使我们的系统更加的完善和高效。 最后，根据己建立的语义库和产品的设计模型，对单件小批量产品创新设计模型系 统进行了设计从流程的设计、功能设计、语义库设计、权限的设计以及逻辑的处理 等各方面进行完整的阐述。 论文的最后我们采用基于s t r u t s 的框架，i s p 和s q ls e r v e r2 0 0 0 ，构建了单件小批 量产品创新系统的原型系统。 关键词：单件小批量；创新设计；遗传算法；语义 大连交通人学i ：学硕lj 学位论文 a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y i sap i l l a r i n d u s t r y t od e t e r m i n eac o u n t r y se c o n o m i c d e v e l o p m e n tl e v e l ，a n di n n o v a t i v ed e s i g ni nt h em o d e r nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yh a sp l a y e da n i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e t h i sp a p e ri sc o n c e r n e dw i t ho n e - p i e c el o w v o l u m ep r o d u c t i n n o v a t i o nd e s i g nm o d e l t h i sp a p e ri sc o n c e r n e dw i t ho n e - p i e c el o w v o l u m ep r o d u c t i n n o v a t i o nd e s i g nm o d e l e n t e r p r i s ep r o d u 反i n f o r m a t i o nm o d e li sa ni m p o r t a n tb a s i st h a tt h e i m p l e m e n t a t i o n o fa d v a n c e d m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s es t r a t e g i e s ， e n h a n c i n g t h e c o m p e t i t i v e n e s so fe n t e r p r i s e sb u s i n e s s k n o w l e d g ei st h ec o r eo fp r o d u c ti n n o v a t i o na n d d e s i g n ，a n d ，t h i sp a p e r ，o n t o l o g y b a s e ds e m a n t i cb a s et oc a r r yo u t t h ee x p r e s s i o no f k n o w l e d g e ，s e m a n t i c b a s e dg e n e t i ca l g o r i t h mt oo p t i m i z et h ed e s i g no ft h ep r o d u c t ， p r o c e e d i n gt ob u i l das i n g l ep i e c eo fs m a l l v o l u m ep r o d u c t s ，i n n o v a t i v ed e s i g nm o d e l a tl a s t ， t h ee s t a b l i s h m e n to fas i n g l ep i e c eo fs m a l l - v o l u m ep r o d u c t s ，i n n o v a t i v ed e s i g nm o d e l p a p e ri sb a s e do nc r e a t i v ed e s i g nm o d e la b o u ts i n g l e p i e c ea n ds m a l l b a t c hp r o d u c t s ， t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，f r o mt h eg e n e r a lo u t l i n eo ft h ed o m e s t i c a n df o r e i g no n e p i e c ed e s i g no f l o w - v o l u m ep r o d u c ti n n o v a t i o nr e s e a r c hc u r r e n ts i t u a t i o na n df u r t h e rd e s c r i b e dt h ec u r r e n t c h i n a sp r o g r e s si nt h i sf i e l d ，a sw e l la st h eg a pw i t hf o r e i g nc o u n t r i e s c u r r e n t l yw ea les o i l t h o s eq u e s t i o n s ，a n dt h e ng i v et h ew h o l ei d e aa n ds t r u c t u r eo fp a p e r i nt h i sp r o c e s s ，w eg i v e t h es e m a n t i cr e p r e s e n t a t i o na n df o r m a t i o n ，a sw e l la st h ec o n c r e t er e a l i z a t i o no ft h ep r o c e s so f g e n e t i ca l g o r i t h m t h ed e t a i l e dd i s c u s s i o no ft h es e m a n t i c so ft h el i b r a r yb u i l d i n gh a sb e e ng i v e n ，a sw e l la s o n t o l o g y b a s e dm o d e l i n gp r o c e s s w ed i s c u s s e di nd e t a i lb a s e do nt h es e m a n t i c so fas i n g l e s m a l l v o l u m e , p r o d u c t i n n o v a t i o na n dd e s i g ns y s t e md e s i g np r o c e s sa n dm o d e l ，i nt h i sp r o c e s s ，w eu s e dt h ep r o d u c t o fd e c o m p o s i t i o nr e c o n s t r u c t i o nt h e o r y ，t h u sm a k i n go u r s y s t e mm o r ep e r f e c ta n de f f i c i e n t f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h es e m a n t i c so fl i b r a r i e sh a v eb e e ne s t a b l i s h e da n dp r o d u c td e s i g n m o d e l s ，w eh a v eas i n g l ep i e c ea n ds m a l l v o l u m ep r o d u c ti n n o v a t i o na n dd e s i g no fm o d e l s y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d f r o mp r o c e s sd e s i g n ，f u n c t i o n a ld e s i g n ，s e m a n t i cd a t a b a s ed e s i g n ， p e r m i s s i o n s ，d e s i g na n dh a n d l i n go fa l la s p e c t so ft h el o g i cc o m p l e t ee x p o s i t i o n t h ef i n a lp a p e rb a s e do nt h es t r u t so ft h ef r a m e w o r kw eh a v ea d o p t e d ，j s p ，a n ds q l s e r v e r2 0 0 0 ，b u i l ta r o u n das i n g l e p i e c ea n ds m a l lq u a n t i t i e so fp r o d u c ti n n o v a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：s i n g l e - p i e c ea n ds m a l l - b a t c h ；c r e a t i v ed e s i g n ：g e n e t i ca l g o r i t h m ； s e m a n t i c s h 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整交通太堂或其他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 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 砂撬翠 日期： 矿，年h 月- - t j 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解大整交通大堂有关保护知识产权及保 留、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 知识产权单位属太董銮通盍堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库谤等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： i 菇餮 导师签名： 日期：1 j d 厂年i 、月仉日 日期： 7 叩厂年f 砂月z v 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景、目的及意义 1 1 1 课题的研究背景 二十一世纪制造业竞争的焦点是新产品和市场的竞争，创新产品的开发是赢得竞争 的关键。科学技术是第一生产力。当今任何一个国家，若要在综合国力上取得优势地位， 就必须在科学技术上取得优势，尤其要在高新技术产品的创新设计与开发能力上取得优 势，否则，在强大的国际竞争压力下将难以生存和发展。 一方面，随着社会主义市场经济的发展，人们的生活水平得到了提高，追求产品的 多样化成为社会的风尚，人们对消费品的要求越来越高，希望产品符合自己的特色。市 场要求产品的品种越来越多，而每种产品的批量却越来越小大批量生产正逐渐被小批 量生产方式所取代i l j 。如何实现产品的创新设计是困扰单件小批量企业的一个非常关键 的问题。毫无疑问，我国的制造企业已面临着在全球竞争环境下生存、发展的难题。为 解决这一难题，我们都必须大力推进产品的创新能力，加快企业的现代化建设，因此要 求我国制造企业必须能够适应全球化制造业发展的趋势，建立现代企业制度，全面实现 企业产品的创新设计。 另一方面，从二十世纪九十年代中期以来，由于以计算机技术为代表的整个i t 技 术的迅猛发展，迅速地改变了整个社会的生活环境，也使整个市场秩序发生了急剧的变 化。人们进入了数字化时代，网络化则进一步加快了经济的全球化趋势，信息化则使整 个市场的竞争进一步加剧，并形成了消费者的买方市场。在优胜劣汰的情况下，从全球 市场总体分析，当今的制造业正处在一个动态、突变、非平稳的环境，若想在激烈的市 场竞争中胜出，就必须以客户为中心，充分重视产品的创新，综合利用各种先进制造技 术，加快产品的设计、开发、制造、销售及服务，缩短新产品的交货和上市时间，同时 必须以质量为本，降低成本，为客户提供全方位的服务。创新思想体现在产品整个生命 周期中的各个环节上，对产品进行创新性设计是其中保证在市场竞争中取胜的关键性环 节。据统计，产品生命周期成本的8 0 呻0 是由设计阶段最早的1 0 _ 2 0 环节决定 的，原则上说，产品的性能、结构、质量、成本、维护性等诸方面都是在产品设计阶段 确定的，因此，产品设计可称为制造业的“灵魂 1 2 l 。为了在市场竞争中取得优势，产 品创新性设计的重要性是不言而喻的。 再者，中国加入w t o ，意味着中国制造企业将面临着更加激烈的国际、国内市场 竞争，那么如何迅速提高制造企业的核心竞争力，关键的一点，建立产品的创新设计模 人迮交通人学i ：学硕十学f 眵论文 型。那么如何建立产品的创新设计模型呢? 这就需要数据的采集和积累，进而归类形成 比较系统的数据库，从而建立产品创新设计模型。 在企业产品的创新设计的过程中，建模是一项基本的工作，以企业产品的设计模型 为基础，对企业的重要数据元素进行分类和编码，这样可以使得企业更加方便快捷的取 得产品设计，从而提高单件小批量企业的效益和竞争力。 1 1 2 课题的研究目的和意义 本文研究的是基于语义的单件小批量产品创新设计，其目的是通过对基于语义的产 品创新设计方法、模式、体系结构以及语义库建模、创新设计映射和设计评价等技术的 分析和探讨，为单件小批量企业产品的创新设计平台的开发提供理论和技术支持。个性 化需求的快速响应，而且能让客户参与产品创新设计过程、虚拟体验和评价创新设计方 案；能为设计者在产品概念创新设计阶段和详细设计阶段提供知识智力支持、拓展创新 思路以及提供创新设计向导，从而支持面向客户的快速创新设计，提高产品对市场的响 应速度，降低产品开发成本，提高产品的知识技术含量、创新性和竞争力p j 。 1 2 单件小批量产品创新设计国内外现状综述 1 2 1 国内研究现状 虽然创新是企业获取竞争优势的重要方式已是不争的事实，但是目前我国企业的创 新情况从总体上来说并不乐观。如何提高企业的创新能力是一个值得我们去研究的问 题。由于科学技术的发展和信息技术的广泛应用，知识扩散的速度越来越快。竞争对手 可以很快地模仿创新成果，使得企业原有的创新优势将越来越难以长久维持，企业要保 持长期竞争优势，就要不断地进行创新。而良好的知识管理是企业产生创新点子、降低 创新风险、提高创新能力的有效方式，因此只有知识管理效果良好的公司，才能长期地 维持竞争优势。 在国内，开展产品创新设计相关研究的单位主要有华中科技大学、上海交通大学、 大连理工大学、华南理工大学、重庆大学、浙江大学、中科院成都计算所、清华大学、 哈尔滨工业大学和南京航空航天大学等。哈尔滨工业大学应用知识处理工具实现了基于 知识的产品概念设计。清华大学的钟佩思教授和高国安教授研究了智能c a d 系统中的 知识表示与知识获取策略。清华大学的黄深教授等则研究了工作流管理与知识管理的集 成技术。华南理工大学的赖朝安教师在研究知识文档标记方法、基于x m l 的概念及概 念词典( 本体) 的定义方法的基础上，开发了新型语义库系统的原型系统。为满足产品敏 捷定制设计过程对知识的快速获取、组织和重用的要求，大连理工大学c i m s 中心的刘 2 第一章绪论 晓冰教授、杨春立教授和孙伟教授等人提出了基于设计仓库的知识管理体系，并构建了 基于j 2 e e 平台的语义库引擎。华中科技大学的刘忠途教授、王启付教授和陈立平教授 则通过知识约束将设计知识和参数化特征造型系统有机地联系起来，在三维c a d 系统 中，将工程问题和任务分解为知识项，再通过知识项到知识约束的分解，实现设计知识 融合驱动的知识约束模型。同济大学彭岳华教授等运用知识工程理论构建了变速箱设计 专家系统，充分考虑了弯曲疲劳强度和接触疲劳强度等工程因素对齿轮设计的影响，实 现了齿轮的优化设计。上海交通大学王斌则以轿车车门为对象，利用u g k f 语言编写 工程规则调用铰链u d f ，实现了轿车车门的快速设计。 以上学者主要从产品集成设计知识模型、设计知识管理以及动态推理策略、工作流 管理与知识管理的集成、基于知识的c a x 集成的系统框架、知识表示与获取和驱动技 术、产品设计语义库建立方法等不同方面对知识工程及其与产品设计的结合进行了有关 研究【3 j 。这些研究对知识驱动创新设计系统的开发归纳起来可分三类： ( 1 ) 创新设计知识管理系统 ( 2 ) 基于知识工程的设计专家系统 ( 3 ) 对c a d 进行二次开发并融入知识工程应用模块 1 2 2 国外研究现状 近年来，国外己经在进行将遗传算法应用于创新设计的研究。f r a z e r 提出一个进化 的设计系统，该系统充分展示了采用进化技术可以生成富有灵感的建筑造型1 4 1 ；g e r o 等 用遗传算法生成建筑平面图，新颖的建筑平面图可以满足多个模糊的限制和目标管理他 们还展示了进化如何通过对著名韵建筑风格学习，生成新的建筑物1 5 l ；s o d d u 用计算机 模拟技术生成艺术品；t o u r a 和n a g a s a k a 将遗传算法应用于卫星的外形设计，他们采用 了一种所谓的适应演变型外形表示法：实际的外形是由繁殖规则与外界环境的交互决定 的【6 j o 遗传算法作为一种有效的全局搜索方法，从产生至今不断扩展应用领域，同时应用 实践又促进了遗传算法的发展和完善。传统上比较成功的案例与应用领域有：旅行商问 题、生产调度问题、遗传学习、自动控制领域、人工智能与计算机科学、社会与经济领 域。另外，很多专家学者将遗传算法应用于各自所从事的工程领域，如v l s i 设计、运 输规划、设备布局、土木工程、生物工程等，对解决具体实践问题起到了极大的促进作 用。 3 人连交通大学f ：学硕f ：学位论文 总的来说，国内对这方面的研究刚刚开始，相关的研究成果很少，而将进化算法应 用到产品创新设计方面具有极大的研究价值和应用前景，所以这是产品创新设计领域的 一项前沿课题。 1 3 主要的不足和问题 目前，主流的c a d 软件不仅在概念设计阶段缺少产品创新技法支持，而且在详细 设计阶段缺少领域设计知识支持，而计算机辅助创新软件( c a i ) 与企业实际产品设计结 合不紧密，缺少从概念设计到详细设计的直接过渡。为此，迫切需要将知识工程技术引 入到c a d 中，融合创新构思、创新技法、特征造型方法和工程数据等知识，构建基于 语义的创新设计系统，实现从产品概念创新设计到详细设计的知识驱动创新设计。 1 4 论文的研究内容及思路 本论文所做的主要工作： 第一阶段是学习了有关单件小批量产品和创新设计的相关理论。 ( 1 ) 了解和熟悉单件小批量企业的特点和国内外研究现状； ( 2 ) 了解和熟悉创新设计方面的相关理论和内容； 第二阶段是学习了语义、知识、本体和遗传算法等方面的理论。 尽可能详细地查阅了国内外有关方面研究的资料，掌握了遗传算法和本体论的基本 理论，算法的流程、特点以及目前存在的缺陷； 第三阶段是对单件小批量企业的产品创新设计建立模型。 重 深入研究了遗传算法韵知识，并且将遗传算法和语义结合起来。形成了基于语 义的遗传算法； ( 2 ) 研究了本体论的知识，并且将本体论和语义库结合起来，建立了基于本体的语 义库； ( 3 ) 研究了x m l 的相关知识，掌握了x m l 的语法结构和相关内容。 ( 4 ) 深入学习了产品创新设计过程和建模过程，重点研究了分解重构理论，掌握了 分解重构理论的建模方法和步骤； 第四阶段是构建了基于s t r u t s 的单件小批量产品创新设计的原型系统； ( 1 ) 重点学习了s t r u t s 架构技术以及j s p 、s o ls e r v e r 2 0 0 0 数据库的相关技术； ( 2 ) 建立基于语义韵单件小批量产品创新设计原型系统。 4 第一章绪论 1 5 论文的组织结构 本课题用到j s p 和s t l l l t s 架构技术，使用了s q ls e v e r2 0 0 0 数据库，借助于基于语义的 遗传算法和基于本体的语义库，建立基于语义的单件小批量产品创新设计系统。 第一章简要介绍了课题的研究背景、研究目的和课题研究的国内外现状，阐述该论 文的研究内容和思路。 第二章详细介绍了基于语义的遗传算法，给出了语义的概念、定义和表示，阐述了 遗传算法的基本步骤和整个过程以及遗传算法在单件小批量产品创新设计中的应用。 第三章详细介绍了本体论的知识以及基于本体的语义库的建立，从而为单件小批量 产品创新设计模型的建立提供了数据上的支持。 第四章重点介绍了单件小批量产品创新设计模型的设计过程和模型的建立过程。给 出了产品设计系统的模型表示、产品设计过程阶段划分；产品概念设计中的分解重构理 论。 第五章介绍了单件小批量产品创新设计系统的实现给出了设计系统的总体框图 主要介绍了该系统的设计目标、对系统流程的设计、功能设计、语义库设计、权限设计 等。 第六章介绍了系统实现用到的技术s t r u t s 架构技术和j s p 、s q l 2 0 0 0 等相关技术和工 具。 最后，对全文进行了总结和展望，指出了本论文的不足之处并提出了改进意见。 5 人适交通大学l ：硕_ f ：学俺论文 2 1 语义概述 第二章基于语义的遗传算法 2 1 1 语义的定义 数据的含义就是语义。简单的说，数据就是符号。数据本身没有任何意义，只有被 赋予含义的数据才能够被使用，这时候数据就转化为了信息，而数据的含义就是语义。 语义可以简单地看作是数据所对应的现实世界中的事物所代表的概念的含义，以及 这些含义之| 百j 的关系，是数据在某个领域上的解释和逻辑表示。 语义具有领域性特征，不属于任何领域的语义是不存在的。而语义异构则是指对同 一事物在解释上所存在差异，也就体现为同一事物在不同领域中理解的不同。对于计算 机科学来说，语义一般是指用户对于那些用来描述现实世界的计算机表示( 即符号) 的 解释，也就是用户用来联系计算机表示和现实世界的途径【7 j i 引。 2 1 2 语义的表示 所渭语义的表示就是要确定语义符号化的一种描述法则，以便把这种描述方便有效 的变成计算机能处理的数据结构。 ( 1 ) 首先，将语义分类，根据用户的不同需求，选取适合设计的语义，建立对应的 需求数据库表。将所有的用户需求按照语义的分类分别存入数据库中形成需求向量： 厂i ( 厂l ，厂2 ， ) m ) ( 2 ) 将语义进行0 1 表示 将每一条语义用0 1 向量表示，每个向量的维数必须与向量厂相同，记为 “f2 川n ，“f 2 ，“折， ( 2 2 ) 其中i 。t , 2 ，l i t ，并且： 驴乍鬈：露霎荔 仁3 ，2 1 0o 表桑比：中有需 g 3 ) 其中j = 1 , 2 ，刀 ( 3 ) 用户需求的o 1 向量表示 对于给定的多种用户需求，查找需求数据库表，对数据库中查找到的用户需求，在 其对应的位置设为1 ，其他位置为0 ，得到n 维向量： 厂o = ( 厂o - ，允，允) ( 2 4 ) 6 第：章基丁语义的遗传算法 2 1 3 语义的形成 由于信息概念具有很强的主观特征，目前还没有一个统一和明确的解释。我们可以 将信息简单的定义为被赋予了含义的数据，如果该含义( 语义) 能够被计算机所“理 解 ( 指能够通过形式化系统解释、推理并判断) ，那么该信息就是能够被计算机所处 理的信息。关于知识的概念目前没有明确的定义，一般来说，知识为人类提供了一种能 够理解的模式用来判断事物到底表示什么或者事情将会如何发展。从知识的陈述特性上 来看，知识即指用来描述信息的概念、概念之间的关系，以及概念在陈述具体事实时所 必须遵守的条件。从这一点看，对于信息的语义以及信息语义之间的关联关系的描述本 身就是一种知识的表达，因此在许多研究中，往往将语义的描述等同于知识的描述。 从计算机科学的角度看，语义是分析处理信息的结果，在这个过程中，数据信息经 过分析、比较、整合，结合成有意义的资源。这个过程如图2 1 所示。 图2 1 语义的形成 f i g 2 1t h ef o r m a t i o no fs e m a n t i c 2 2 基于语义的遗传算法 优化问题处理的是具有多个变量且通常需要服从等式和( 或) 不等式约束的最小化 或最大化函数问题，用遗传算法解决优化问题的研究被称为遗传优化。我们给出以下定 义： 定义1 评价函数 遗传算法使用个体的自适应函数f 9 l 【1 0 1 对解得质量进行评价，个体的适应值越高，相 应解得质量就越好，该个体的被选择的概率就大。而在本文中的自适应函数厂o ) 是一 个与用户需求有关的函数，我们叫做该条语义对此种需求的评价函数h ( x ) ；由此可以得 出评价函数的值越好那么该条语义个体被选择的概率就越大。 定义2 权值矩阵 7 人适交通人学乏硕十学位论文 即鞋矧 仁5 ， 率p f 为【1 2 】： p z 一鬼j l l ， 7 - 1 ( 2 6 ) 因此，个体的适应值h ；直接反映它被选中的选择概率p ；，这样就能保证更优良的个 体进入下一代。 2 2 2 重组 有性繁殖是自然生物进化的普遍现象，同源染色体通过交叉实现基因重组，从而形 成新的个体或五种。模拟这一自然进化现象，进化算法也使用重组算子生成新的个体。 重组操作通过组合不同个体的遗传信息( 基因) 以生成可能的优良个体，是遗传算法生成 新个体的主要方法。重组算子的设计一般与所求的解得问题和表示方案有关，但总的设 计原则是保证个体的优良性状能在子代个体中得到遗传和继承。b a c k l l 3 1 1 1 4 】将最常用的 重组算子归纳为一点交叉、多点交叉和均匀交叉、离散重组和算术重组等。 对于二进制编码，我们实行一点交叉，再染色体编码中随机地设定一个交叉点，将 该点之前或之后的两个染色体的部分结构进行交换，并生成两个新的个体。 设二进制编码的长度为厅，表示交叉点的位置的随机数： ke l 2 ，以一q ( 2 7 ) 父代个体为： 4 = 口l ，口- t ，a t ，a 量“，a 。)( 2 8 ) b ；p ”，b j , 巾饥，b k + l ，b n ( 2 9 ) 经一点交叉操作后生成的两个子代个体为： 8 第二章基r 语义的遗传算法 a f = p l ，饥巾坟，口m ，a 。( 2 1 0 ) 6 = 口l9 6 9 a k _ la i ，b k + l ，b 。) ( 2 1 1 ) 重组操作通过组合不同个体的遗传信息以生成可能的优良个体，从而可以得到更多 的符合用户需求的设计。 2 2 3 变异 在标准的遗传算法中，变异算子是作为一个“背景 算子而提出的，为了能得出更 多更好的产品设计，我们可以通过变异的方式引进种群中缺失的基因，以实现问题的可 行性领域的全局搜索。对于二进制编码表示，变异算子以很小的概率： p ( 0 0 0 1 ，0 0 1 )( 2 1 2 ) 将个体中的二进制位进行逆转操作。个体： a 一 口l ，口2 ，a i ) 经过变异操作后生成的子代个体： 小e 臻篡 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 此处，k le 0 , 1 1 表示对每个二进制位均重新采样的服从均匀分布的随机变量。 2 2 4 约束处理和停止准则 一般地，遗传算法的初始种群可以使一组随机生成的个体，也可以是一组由其他搜 索算法产生的中间结果。通过对种群循环地进行选择、重组和变异操作，使种群不断地 朝包含全局最优解的状态进化，指导满足某一停止规则。停止规则可以是预先规定的循 环次数( 进化的代数_ ) 或适应值函数评估次数，也可以是规定的搜索精度。 实际应用中的优化问题，往往都有一个或多个约束条件，在本文中我们用遗传算法 处理约束条件的方法为惩罚函数法1 1 引。惩罚函数法在计算个体的适应值时，对于不满足 约束条件的个体处以一个惩罚值，从而降低个体的适应值，使之被选择进入下一代种群 的机会减少。 停止准则可以是我们预先规定的循环次数来结束算法的执行。 程序流程图如图2 - 1 所示： 9 人连交通人学i ：学硕十学位论文 图2 2 程序流程图 f i g 2 2t h ef l o w i n gc h a r to fp r o g r a m 2 3 遗传算法在产品创新设计中的应用 自2 0 世纪末以来，计算机辅助概念设计逐渐受到人们的重视，利用计算机的快速 运算能力和人工智能技术，辅助设计者进行创新概念设计，成为当前设计领域的研究热 1 0 第二章荩丁语义的遗传算法 点之一。尤其是近年来，国内外的一些学者将遗传算法应用于创新设计的研究，显示了 遗传算法对创新设计的支持【3 3 l 。因此，我们将遗传算法应用于产品创新设计。在利用 生物演化的思想进行创新设计的同时又引入了自适应1 3 4 1 学习过程，使得系统在动态设计 中智能性地使用先验知识，提高了设计的效率随着语义库的不断扩充，必将为设计者 提供更多更好的辅助信息。 2 3 1 结构染色体及其编码 定义结构染色体 在产品创新设计中，我们把用户的需求转换成语义，并将这些语义作为对产品创新 系统中的子结构或子功能进行优化是的参数信息进行输入，以达到对产品设计方案的优 化，我们把这些语义就叫做结构染色体。 在对产品设计方案优化之前，首先应该对产品创新系统的原始子结构或子功能进行 编码，得到这些子结构或子功能的染色体。该染色体存储着子结构或子功能的各种特征 信息，它由多个基因段构成，这些基因段包含了子结构的位置或实现哪些子功能以及他 们的类型、大小、形状等信息，如图2 3 所示，用数学模型表示： g 一 f 1 ，z 2 ，。 ( 2 1 5 ) 每个染色体的长度是一定的，所有的染色体结合起来就构成了遗传算法所需要的初 始种群。 染色体的组成 2 3 染色体的组成 f i g 2 3t h ec o m p o s i t i o no fc h r o m o s o m e 2 3 2 创新系统性能评价 在单件小批量产品的创新设计中我们要首先保证创新系统的稳定性，同时还要系统 还要满足人们的要求，要有创新性。因此，本节我们结合这两方面的内容，将遗传算法 引入到产品创新系统中以保证系统的稳定性和创新性。 首先，初始种群群定后要计算每个个体的适应度，选择适应度较高的个体，淘汰适 应度较低的个体。因此，我们定义评价函数为： h ( x ) 一h l s + h 2 c( 2 1 6 ) 人迕交通人学f ：学硕十学何论文 其中，s 表示系统的稳定性，c 表示系统的创新性；两者的权值分别是h ，和h ：。设 计人员可以根据自己的需要改变它们的权值。其中s 和c 的值越大表示系统的越稳定且 创新性越好。 本章小结 本章首先介绍了语义的相关概念和原理，重点介绍了基于语义的遗传算法，包括个 体的选择、重组、变异以及约束处理和停止准则。最后在综合前面内容的基础上，并进 一步给出了遗传算法在单件小批量产品创新设计中的应用，使得给系统有了实现的理论 基础。 第二章基丁本体的语义库的建屯 第三章基于本体的语义库的建立 在语义库中，本体具有非常重要的地位，是解决语义层次上信息共享和重用的基础 【3 5 1 。基于本体论的信息描述与获取是一种目前较为合理的语义库建模方法，该方法是对 数据的一种概念化的显式说明，是对客观存在的概念和关系的描述。由于本体论采用精 确的形式语言、句法和明确的语义，使得问题域中的概念与概念、概念与对象、对象与 对象之间的关系更加明确，这就大大减少了对问题域中概念和逻辑关系可能造成的误 解。 3 1 本体概述 要实现知识的共享和语义库系统的重用，需要一种有效的机制来实现各层次间的协 调，使相互独立的层次紧密地联系在一起，共同组成一个完整的系统，这个机制的核心 就是“本体，即本体。 3 1 1 本体的定义 本体最早是一个哲学的范畴，后来随着人工智能的发展，被人工智能界给予了新的 定义。然后最初人们对本体的理解并不完善，这些定义也出在不断的发展变化申。 目前，比较权威的一个定义是1 9 9 8 年s t u d i e r 提出的共享概念模型的明确的形式化 规范说明。这一定义一共体现了本体的四层含义： 概念模型( c a p i t a l i z a t i o n ) ：通过抽象出客观世界中一些现象( p h e n o m e n o n ) 的相 关概念而得到的模型，其表示韵含义独立于具体的环境状态 明确( e x p l i c i t ) ：所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定义。 形式化( f o r m a l ) ：本体是计算机可读的。 共享( s h a r e ) ：本体中体现的是共同认可的知识，反映的是相关领域中公认的概念 集，它所针对的是团体而不是个体。 3 1 2 本体的分类 本体论在计算机的许多领域得到了广泛的应用，如知识工程、数字图书馆、软件复 用、信息检索和w e b 信息的存储、语义w e b 等。目前被广泛使用的本体有如下5 个： w o r l d n e t l l 6 1 、f r a m en e t l l 7 1 、g u m 1 8 l 、s e n s u s l l 9 1 、m i c m c o s m 【删。 w o r l d n e t 是基于心理语言规则的英文词典，它以s u n s e t s 为单位组织信息。所谓 s u n s e t s 是在特定的上下文环境中可互换的同义词的集合。 1 3 人连交通人学f ：学硕 ：学何论丈 f r a m e n e t 也是英文词典，采用称为语义框架( f r a m es e m a n t i c s ) 的描述框架，提供很 强的语义分析能力，目前发展为f r a m en e ti i 。 g u m 、s e n s u s 和m i c r o c o s m 都是面向自然语言处理的。g u m 支持多语种处理， 包含基本的概念及独立于各种具体语言的概念组织形式，它的建立是以系统功能语言学 为理论依据的。s e n s u s 为机器翻译提供概念结构，包括7 力多个概念。m i c r o c o s m 也 支持多语种处理，采用一种语言中立的中问语言t m r 来表示知识。 为了对本体论进行有效的分类，g u e r i n 2 1 】以详细程度和领域依赖度两个维度作为对 本体论划分的基础。详细程度是相对的、较模糊的一个概念，指描述或刻画建模对象的 程度。详细程度高的称作参考( r e f e r e n c e ) 本体，详细程度低的称为共享( s h a r e ) 本体。依照 领域依赖程度，可以细分为顶级( t o p 1 e v e l ) 、领域( d o m a i n ) 、任务( t a s k ) 和应用( a p p l i c a t i o n ) 本体【2 2 】4 类。其中：项级本体描述的是最普通的概念及概念之间的关系；领域本体描述 的是特定领域( 医药、汽车等) 中的概念及概念之间的关系；任务本体描述的是特定任务 或行为中的概念及概念之间的关系；应用本体描述的是依赖于特定领域和任务的概念及 概念之间的关系。 3 1 3 本体的建模元语 本体是语义库中最重要的部分，本体定义的是否合理直接关系到后面的推理。可知， 一个本体是关于一个领域的概念的集合，概念的含义通过概念之间关系来体现。而在一 个特定的领域内，一个概念往往具有其特有的属性，即确定了一个概念，也就决定了它 所具有的属性；反之，由一个概念所具有的属性，也可以确定一个概念。 本体包含5 个建模元语：分别为：类( c l a s s e s ) ，关系( r e l a t i o n s ) ，函数( f 强n c t i o n s ) ，公 理( a x i o m s ) 和实例( i n s t a n c e s ) ，通常类( c l a s s e s ) 也被称为概念( c o n c e p t s ) 。 ( 1 ) 类含义很广泛，可以指任何事物，如工作描述、功能、行为、策略和推理过程 等。从语义上讲，它表示的是对象的集合，其定义一般采用框架( f r a m e ) 结构，包括 概念的名称，与其他概念之间的关系的集合，以及用自然语言对概念的描述。 ( 2 ) 关系代表了在领域中概念之问的交互作用。形式上定义为n 维笛卡儿乘积的子 集： r ：c ，c ，c 。( 3 1 ) 如子类关系( s u b c l a s s o f ) 。在语义上关系对应于对象元组的集合。 ( 3 ) 函数是一类特殊的关系。在这种关系中l i fn 1 个元素可以惟一决定第n 个元素。 形式化的定义如下： f ：c l c 2 c n 一1 c 。 ( 3 2 ) 1 4 第j 章基丁本体的语义库的建谚 例如m o t h e r o f 关系就是一个函数，其中m o t h e r o f ( x ，y ) 表示y 是x 的母亲，显然x 可以惟一确定它的母亲y 。 ( 4 ) 公理代表永真断言，用于说明函数之间或关联之间存在的关联或约束，比如概 念a 属于概念b 的范围，即a e b 。 ( 5 ) 实例是指属于某个概念的个体，代表元素。 从语义上分析，实例表示的就是对象，而概念表示的则是对象的集合，关系对应于 对象元组的集合。概念的定义一般采用框架( f r a m e ) 结构，包括概念的名称，与其他概念 之间关系的集合以及用自然语言对该概念的描述。在本体中，概念之间的基本关系有4 种：p a r t o f ，i n s t a n c e o f ，a t t r i b u t e o f 和k i n d o f 。p a r t o f 表达概念之间部分与整体的关系； i n s t a n c e o f 表达概念的实例和概念之间的关系，类似于面向对象中的对象和类之间的关 系；a t t r i b u t e o f 表达某个概念是另外一个概念的属性；k i n d o f 表达概念之间的继承关系， 类似于面向对象中的父类和子类之间的关系。 在实际的应用中，不一定要严格地按照上述5 个元语来构建本体；同时概念之间的 关系也不仅限于上面列出的4 种基本关系，可以根据特定领域的具体情况定义相应的关 系，以满足应用的需要。 3 2 语义库的建立 3 2 1 语义库概述 语义库( k n o w l e d g eb a s e ) 是针对某一( 或某些) 领域问题求解的需要，采用某种( 或若 干) 知识表示方式在计算机存储器中存储、组织、管理和使用的互相联系的各种语义的 集合。这些语义包括与领域相关的理论知识、事实数据，由专家经验得到的启发式知识， 如某领域内有关的定义、定理和运算法则以及常识性知识等。 知识是人类智慧的结晶。语义库使基于知识的系统( 或专家系统) 具有智能性。并不 是所有具有智能的程序都拥有语义库，只有基于知识的系统才拥有语义库。现在许多应 用程序都利用知识，其中有的还达到了很高的水平，但是，这些应用程序可能并不是基 于语义的系统，它们也不拥有语义库。一般的应用程序与基于语义的系统之间的区别在 于：一般的应用程序是把问题求解的知识隐含地编码在程序中，而基于语义的系统则将 应用领域的问题求解知识显式地表达，并单独地组成一个相对独立的程序实体。 语义库的特点如下。 ( 1 ) 语义库中的知识根据它们的应用领域特征、背景特征( 获取时的背景信息) 、使 用特征、属性特征等而被构建成为便于利用的、有结构的组织形式。 1 5 人连交通大学一1