基于cad軟件框架,評估產(chǎn)品的生命周期

1、基于CAD的軟件框架的構(gòu)建能源估算通過產(chǎn)品生命周期 抽象 何黃博士 華盛頓州立大學(xué) 2012年5月 導(dǎo)師：Gaurav Ameta 過多的能量消耗已成為當今的設(shè)計和制造工業(yè)的全球問題。估計能耗可稍后被用來與CAD/ CAM系統(tǒng)集成框架是需求。本研究發(fā)展一個能源評估框架,它可以連接各種計算工具計算在產(chǎn)品生命周期能源消耗,即。,從原材料的提取、設(shè)計、制造、使用、回收或處置階段。這項研究第一次回顧文獻和相關(guān)領(lǐng)域背景的。開發(fā)框架的方法說明是在軟件開發(fā)生命周期(SDLC)的步驟?？蚣艿哪繕耸怯颡毩⒑挽`活,這樣它就可以擴展為不同的生產(chǎn)領(lǐng)域和可定制的用戶。框架的細節(jié)及其在每個階段提出了計算工具。之間的交互框

2、架及其計算工具進行了討論。最后,工業(yè)產(chǎn)品的測試用例進行測試的有效性和評估框架的性能。在其生命周期能源消費總量將計算。這樣估計可以用來重新設(shè)計部分和程序集的能源效率。這個框架的幫助下,知識工程師發(fā)揮知識集成到計算機系統(tǒng)可以解釋特定領(lǐng)域的知識和分享他們的專業(yè)知識來提高框架?？蚣苓€協(xié)助用戶幾乎沒有知識能量計算估計能源消耗在設(shè)計階段。能量估計在每一個階段,在整個產(chǎn)品生命周期可以和能源效率的產(chǎn)品可以提高利用這個框架。 第一章：簡介 1.1可持續(xù)制造 據(jù)報道,“美國人只占世界人口的5%,但他們消耗40%的地球上的不可再生資源和產(chǎn)生近30%的總浪費”1。隨著能源消耗在顯著率增加,行業(yè)開始尋求方法來有效地利用

3、能源,并遵守政府法規(guī)與環(huán)境和人類健康而提高其產(chǎn)品和服務(wù)的市場。可持續(xù)制造已成為一個制造業(yè)的戰(zhàn)略趨勢?？沙掷m(xù)制造由商務(wù)部定義”的創(chuàng)建工業(yè)產(chǎn)品使用過程無污染,節(jié)約能源和自然資源,經(jīng)濟上對員工健康安全,社區(qū),和消費者。”2。根據(jù)Reich等人的3,可持續(xù)制造戰(zhàn)略實現(xiàn)以下三個重要部分:(1)選擇和應(yīng)用適當?shù)慕Ｖ笜撕饬恐圃鞓I(yè)可持續(xù)發(fā)展,(2)完成全面、透明,且可重復(fù)的生命周期評估(LCA),和(3)調(diào)整/優(yōu)化系統(tǒng)的環(huán)境影響和成本降到最低。 上述文獻中強調(diào)了可持續(xù)發(fā)展的理念，它給的靈感，開發(fā)一個軟件框架，以優(yōu)化能源消耗;這種架構(gòu)將幫助制造行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)的戰(zhàn)略，使環(huán)境影響和成本最小化。本文將給深入的在下面

4、的章節(jié)討論這種能量估算框架。能量估計框架可以被視為一個抽象的殼為能量的計算。它可以被安裝有用于各種目的的各種能量的計算工具。框架定義了能量計算和交互用戶和軟件之間的規(guī)則，以便它是可重復(fù)使用的和可擴展的。前探測到框架的細節(jié)，幾個概念需要首先加以介紹。下面的章節(jié)將介紹的產(chǎn)品生命周期（PLC）的概念，產(chǎn)品生命周期管理（PLM），以及生命周期評估（LCA）第一，其次是能源效率和電流建模工具和框架，在可持續(xù)生產(chǎn)這表明文獻綜述意義開發(fā)這樣的軟件框架。然后，軟件開發(fā)生命周期（SDLC）將討論以顯示如何把想法變成軟件的實施。實現(xiàn)知識管理軟件的要求,采用可擴展標記語言(XML)作為用戶和軟件之間知識傳播者。因此

5、,本章將揭示了XML和知識管理的光芒。1.2產(chǎn)品生命周期（PLC）和產(chǎn)品生命周期管理（PLM） 在一般情況下，該產(chǎn)品生命周期（PLC）的制造產(chǎn)品包括四個階段。這四個階段是材料提取階段，設(shè)計和制造階段，使用階段和處置或回收階段4。這四個階段可通過供應(yīng)鏈來連接。圖1示出的產(chǎn)品的一般的生命周期。 產(chǎn)品生命周期的概念,考慮所有相關(guān)的影響對環(huán)境,經(jīng)濟和社會在整個產(chǎn)品的生命周期鏈4。它使行業(yè)服務(wù)提供商、經(jīng)理和客戶長期的決策考慮的全面的觀點在整個產(chǎn)品供應(yīng)鏈。更可持續(xù)的產(chǎn)品和過程的發(fā)展方向可以這樣行業(yè)可以收獲的好處發(fā)展和應(yīng)用清潔過程和產(chǎn)品選擇。 圖1:產(chǎn)品生命周期的四個階段與PLC的概念,產(chǎn)品生命周期管理(P

6、LM)的想法。PLM是一個過程來管理公司。它開發(fā)了管理一個產(chǎn)品的整個生命周期的概念,通過設(shè)計、制造、服務(wù)和處理5。PLM集人、數(shù)據(jù)和流程提供全面的產(chǎn)品信息6。記錄產(chǎn)品生命周期管理的好處包括7: 縮短產(chǎn)品上市時間;提高產(chǎn)品質(zhì)量;降低成本;原始數(shù)據(jù)的可重用性;用于產(chǎn)品優(yōu)化的框架;減少對環(huán)境的影響/廢物; 1.3生命周期評估（LCA） 根據(jù)汗等人8的生命周期評估（LCA）是成功執(zhí)行環(huán)境可持續(xù)性的上下文中，方法或產(chǎn)品的開發(fā)中最重要的技術(shù)之一。生命周期評估的方法框架是由ISO14040系列，其中包括目標，范圍定義，清單分析，影響評估和解釋定義9。 Rebebitzer等。 10審查的框架，目標和范圍定義

7、，庫存分析和生命周期評估的應(yīng)用。LCA的目的和范圍定義為系統(tǒng)邊界和功能單位，定義了正在研究中，并批量交付的確切內(nèi)容。生命周期清單分析，給出了資源的消耗和廢物/排放這是由于產(chǎn)品的生命周期10量的估計。生命周期影響評估結(jié)果表明資源提取和廢物/排放量基礎(chǔ)上的庫存分析10的潛在貢獻。生命周期解釋總結(jié)了生命周期清單分析和/或生命周期影響評估的結(jié)果，并給出結(jié)論和建議的LCA研究9。由于LCA的在產(chǎn)品開發(fā)過程中的重要性，LCA已經(jīng)在各個方面，如產(chǎn)品設(shè)計和制造應(yīng)用。 Bevilacqua的等。 11開發(fā)了一種可持續(xù)的產(chǎn)品生命周期模型制造企業(yè)相結(jié)合的環(huán)境和經(jīng)濟方面的考慮。有很多現(xiàn)有的LCA軟件，如司馬臨12，加

8、比13，并EcoScan14，使生命周期評估的細節(jié)高水平。許多研究項目集成LCA與CAD，供用戶在設(shè)計階段申請的決定。 Nawata和青山15 LCA的數(shù)據(jù)鏈接到CAD / CAM的數(shù)據(jù)開發(fā)的生命周期設(shè)計系統(tǒng)的機床。Leibrecht16討論了基本原則，整合生命周期評估納入基于CAD的產(chǎn)品型號。盡管大型應(yīng)用LCA的，它有它的缺點。產(chǎn)品設(shè)計師不能執(zhí)行LCA沒有單獨LCA專家，設(shè)計師，生產(chǎn)商，供應(yīng)商和管理。此外，LCA僅提供方法以評估對環(huán)境的影響，并且不提供任何工具或度量減少的影響16。1.4能源效率和能源的啟示 前面的章節(jié)介紹PLC，PLM和LCA的基本概念。為了實現(xiàn)在1.1節(jié)中提到的能量估計軟

9、件，需要研究當前的研究為提高能源利用效率。以下兩節(jié)將回顧文獻關(guān)于能源效率和當前建模工具和框架在可持續(xù)生產(chǎn)。 能源有望維持一個產(chǎn)品的生命周期的每一個方面。由全國制造商協(xié)會（NAM，）進行的一項研究推測約19十億美元，新的節(jié)能技術(shù)17的發(fā)展可能的節(jié)約。能源之星18的標準已開發(fā)，以試圖減少能源消耗。然而，能源之星不包括在產(chǎn)品生命周期的制造階段的能量消耗。廣泛的研究已經(jīng)進行了在制造過程中有效地利用能源。Munoz和Sheng19發(fā)現(xiàn)的分析方法來確定加工對環(huán)境的影響;盛等。20研究環(huán)境為基礎(chǔ)的系統(tǒng)規(guī)劃進行加工。然而，該研究只在材料移除的過程中集中在能源消耗。 Chen等人。21建立

10、了一個新的所有生命周期耗能模型在整個產(chǎn)品生命周期中的估算的能量消耗。但作者只集中在理論部，并沒有進行在制造階段的能量估計。Gutowski的研究小組研究了不同的制造工藝的各種能量的影響，并提出加工22-25的環(huán)境分析，它們的廣義的多樣的制造工藝的能量消耗。他們的研究主要集中在無課程設(shè)計階段以及有關(guān)能源估計制造階段不是特定的產(chǎn)品。Jeswiet26廣義的CO2因素的計算，從產(chǎn)品相關(guān)的二氧化碳排放的電力需求。不過，筆者并不認為制造工藝的可變性。目前,大量的建模工具是可用的和可持續(xù)的生產(chǎn)使用。例如,劉et al。27創(chuàng)建了一個通用模型分析消費情況,產(chǎn)品在制造系統(tǒng)物質(zhì)資源。徐等。28在實踐中提出了一個

11、基于生命周期評價模型?；谠撃Ｐ汀⑸芷谠u估數(shù)據(jù)可以從生命周期清單分析,生成模型,然后可以提要數(shù)據(jù)回生產(chǎn)計劃階段改善加工計劃。Dimache等人29開發(fā)了一種生命周期成本評估決策的工具在設(shè)計過程的早期階段。馮等人30建模成本和干燥加工過程信息。Reddy等人.(31)建模領(lǐng)域知識DfM的鑄件。趙和沙32研究了DFM系統(tǒng)的建模和表示制造業(yè)知識幫助制造業(yè)知識工程師闡述他們的知識并將其存儲到電腦,并幫助設(shè)計人員在設(shè)計階段分析工藝性。然而,上述研究人員專注于特定領(lǐng)域的制造或只關(guān)注特定階段的產(chǎn)品生命周期。因此,本文提出了構(gòu)建一個通用和域獨立框架在整個產(chǎn)品生命周期。軟件框架的細節(jié)對能源評估將在第二章描述

12、。許多研究者提出了不同的框架可持續(xù)生產(chǎn)。楊和林33開發(fā)了早期制造成本估算的綜合框架特征。這個系統(tǒng)傾向于提供一種工具，以協(xié)助設(shè)計者來估算，以便在設(shè)計階段的成本向下游的不必要的成本。 Shin和Waters34開發(fā)了一種加工咨詢系統(tǒng)，它可以結(jié)合規(guī)則推斷最佳加工參數(shù)的一個框架。Lee等人35提出，支持并發(fā)模具制造工藝規(guī)劃的計算架構(gòu)。本研究將有助于模具開發(fā)過程規(guī)劃的自動化，從而提高成型產(chǎn)品的效率和質(zhì)量。Wei 和Egbelu36提出了從幾何設(shè)計數(shù)據(jù)估算制造成本的框架。 Kwon等人37開發(fā)了一種基于語法的框架集設(shè)計和制造。它有助于工程師來瀏覽過程的替代品和預(yù)見不同設(shè)計選擇的影響。 Tharakan等3

13、8提出了一種制造性評價殼，它提供對技術(shù)和經(jīng)濟制造性評價可重構(gòu)環(huán)境。 Zhao等人 39開發(fā)了基于成本收益分析的一個規(guī)范性框架，DFM處理的設(shè)計目標和制造成本/效率之間的權(quán)衡。楊振寧與李政道40提出了一種改進的功能框架，一代工藝方案。上述成果表明在可持續(xù)制造業(yè)顯著的研究進展。然而，這些框架可以直接用于能量估計。為了估算能量消耗，一個計算軟件框架需要被構(gòu)造;第二章將介紹發(fā)展這樣的能量估計框架的方法。1.5目前的建模工具和可持續(xù)制造框架目前,大量的建模工具是可用的和可持續(xù)的生產(chǎn)使用。 。例如，Liu等人。 27創(chuàng)建一個通用的模型，分析了制造系統(tǒng)的產(chǎn)品物質(zhì)資源的消耗情況。 Xu等人。 28提出了一種基

14、于特征的生命周期評估模式在實踐中。基于該模型，生命周期評估數(shù)據(jù)可以從生命周期清單分析來產(chǎn)生，然后該模型可以將數(shù)據(jù)回喂到制造規(guī)劃階段，以提高加工計劃。 Dimache等。 29開發(fā)生命周期的成本估算工具，決策設(shè)計過程的早期階段。 Feng等。 30為藍本的成本和處理信息的干式加工。 Reddy等。 31為藍本的領(lǐng)域知識的鑄件DFM。趙和Shah 32研究了建模和制造知識表達的DFM系統(tǒng)，以幫助制造知識工程師formulize他們的知識，并將其存儲到電腦，并幫助在設(shè)計階段，設(shè)計師分析可制造性。然而，研究人員要么以上集中在制造特定的域或提請注意只對產(chǎn)品生命周期的特定階段。因此，本文提出在整個產(chǎn)品生命

15、周期，構(gòu)建一個通用的，獨立的域框架。節(jié)能評估軟件框架的細節(jié)將在第二章加以說明。許多研究者提出了不同的框架可持續(xù)生產(chǎn)。楊和林33開發(fā)了基于特征的早期制造成本估算的綜合框架。這個系統(tǒng)傾向于提供一種工具，以協(xié)助設(shè)計者來估算，以便在設(shè)計階段的成本向下游的不必要的成本。Shin和Waters 34開發(fā)了一種加工咨詢系統(tǒng)，它可以結(jié)合規(guī)則推斷最佳加工參數(shù)的一個框架。 Lee等人 35提出，支持并發(fā)模具制造工藝規(guī)劃的計算架構(gòu)。本研究將有助于模具開發(fā)過程規(guī)劃的自動化，從而提高成型產(chǎn)品的效率和質(zhì)量。Wei和Egbelu 36提出了從幾何設(shè)計數(shù)據(jù)估算制造成本的框架。 Kwon等人37開發(fā)了一種基于語法的框架集設(shè)計和

16、制造。它有助于工程師來瀏覽過程的替代品和預(yù)見不同設(shè)計選擇的影響。 Tharakan等 38提出了一種制造性評價殼，它提供對技術(shù)和經(jīng)濟制造性評價可重構(gòu)環(huán)境。 Zhao等人 39開發(fā)了基于成本收益分析的一個規(guī)范性框架，DFM處理的設(shè)計目標和制造成本/效率之間的權(quán)衡。楊振寧與李政道40提出了一種改進的功能框架，一代工藝方案。上述成果表明在可持續(xù)制造業(yè)顯著的研究進展。然而，這些框架可以直接用于能量估計。為了估算能量消耗，一個計算軟件框架需要被構(gòu)造;第二章將介紹發(fā)展這樣的能量估計框架的方法。 下面是上面的回顧文獻的簡要總結(jié)： 表1：文獻復(fù)習(xí)相關(guān)文獻進行研究示例和參考可持續(xù)制造1.6軟件開發(fā)生命周期（SD

17、LC） 由于該研究的目標是建立一個軟件框架來估算能耗，軟件框架將使用SDLC步驟來開發(fā)，這部分會給SDLC的簡要概述;將在第2章關(guān)于如何實現(xiàn)使用SDLC軟件的詳細討論。SDLC是一個完整的計劃，概述如何將軟件將被創(chuàng)建，制定，實施并最終從它的功能41退休。圖2示出一般的SDLC步驟。在項目規(guī)劃階段，應(yīng)用目標將被定義，和可行性進行分析。需求定義階段表征的需要，要求和對項目的邊界條件。在設(shè)計和開發(fā)階段，軟件模型，提出了類圖和用例，然后代碼執(zhí)行。集成和測試階段確保軟件的不同模塊之間的順暢交流和驗證通過各種測試用例的軟件。安裝和驗收階段負責(zé)分發(fā)和部署的軟件。1.7知識管理和XML 為了使能量估計，軟件架

18、構(gòu)需要處理大量的投入，從現(xiàn)有的知識。因此，該框架要求知識管理（KM）。XML（可擴展標記語言）被用作溝通解釋和傳授知識。本節(jié)將在KM和XML一個簡單的介紹。 知識管理是正確的人在正確的時間獲得正確的信息，并幫助人們的方式，將可測量的提高性能42創(chuàng)建于信息知識，共享和行動。知識管理活動可以識別和捕獲整個知識領(lǐng)域42存在的信息。KM過程可以幫助人們查找，組織和跨越時間和空間的障礙，共享知識資源。XML（可擴展標記語言）是由萬維網(wǎng)聯(lián)盟（W3C）43開發(fā)的一種規(guī)范。XML允許用戶定義自己的描述性標簽。在XML中，是可能的運輸和存儲的數(shù)據(jù)44。XML規(guī)范的XML文檔定義為一個良好的文本，它滿足了規(guī)定的語

19、法規(guī)則45。在所謂的XML模式45本說明書中提供的預(yù)定義的規(guī)則。XML Schema是的驗證方法的XML文件中的一個。它就像一個語法XML文件。它使用了豐富的數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，并允許在一個XML文檔的邏輯結(jié)構(gòu)46具體的限制。采用XML存儲和轉(zhuǎn)換軟件的知識,因為它是能夠處理信息需要由軟件讀入?？梢詣?chuàng)建自定義標簽和結(jié)構(gòu),以便修改數(shù)據(jù)文件會變得方便和靈活。例如,一個XML結(jié)構(gòu)的部分數(shù)據(jù)可以被定義為:<部分><材料類.><材料名稱> .</材料名稱>.</材料類.></部分>該標簽可以很容易地修改和擴展，通過該知識可被成功地存儲和轉(zhuǎn)化

20、。1.8問題陳述根據(jù)上面的討論，對于本研究的問題陳述可以被描述為如下。本研究旨在開發(fā)一個軟件的基礎(chǔ)能源評估框架,它可以連接各種能量計算工具計算在產(chǎn)品生命周期能源消耗,即。,從原材料的提取、設(shè)計、制造、使用、回收或處置階段。這個軟件框架開發(fā)遵循軟件開發(fā)生命周期(SDLC)的步驟。框架的目標是域獨立,這樣它就可以擴展為不同的生產(chǎn)領(lǐng)域。它也將為用戶定制。能源消費總量在產(chǎn)品的生命周期可以計算。這樣估計可以用來重新設(shè)計部分和組件制造能源效率。1.9綱要的論文本文包含七個章節(jié)。每章說明了對完成節(jié)能評估框架的一個特定的主題。第1章文學(xué)評論和背景在可持續(xù)生產(chǎn)，PLC，PLM，LCA，能源效率，建模工具和可持續(xù)

21、生產(chǎn)，SDLC和XML框架。在第2章，開發(fā)框架的方法說明如下軟件開發(fā)生命周期（SDLC）的步驟。它從項目規(guī)劃，分析需求，意義，以及能量估計框架的結(jié)果。系統(tǒng)邊界，結(jié)構(gòu)和功能目標，然后在需求分析建議。第2章還介紹了如何設(shè)計，開發(fā)，集成和測試框架。正能量估計框架和細節(jié)的計算工具，分別介紹了第3章和第4章。第3章介紹了框架的整體設(shè)計，然后再精心示出的用戶接口，知識管理模塊和能量估計模塊。第4章說明所有連接到框架，以在每個階段和整個產(chǎn)品生命周期的計算能量的計算工具。在第5章，框架和計算工具之間的相互作用進行了討論。在第6章，工業(yè)產(chǎn)品的測試用例進行測試的有效性和評價框架的性能。最后，本文借鑒目前的研究結(jié)論

22、，并提出了今后工作的建議。第2章 ：能源發(fā)展的估計框架下面的SDLC方法步驟本章提出的方法對發(fā)展能源評估框架遵循SDLC的步驟,即。,從項目計劃、需求分析、設(shè)計、開發(fā)、集成和測試。在項目規(guī)劃階段,需要和意義等開發(fā)框架提出,和預(yù)期結(jié)果列出。需求分析階段提供了系統(tǒng)邊界和分析結(jié)構(gòu)和功能框架需要達到的目標。在設(shè)計和開發(fā)階段,它描述了如何構(gòu)建框架,以及如何描述這個能源評估功能。最后提出了集成和測試。2.1項目規(guī)劃能源是不可缺少的原材料到最終產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型。在當今的設(shè)計和制造工業(yè)，能源消耗增加以快速的速率47。能量從有限的資源，如天然氣和煤炭獲得，并且它的價格一直在不斷增加48。此外，過多的能量消耗帶來了大量

23、的環(huán)境問題，如空氣污染和有害物質(zhì)的填埋，這可能危害人體健康的47。因此，至關(guān)重要的是要減少在產(chǎn)品生命周期中的能量消耗。還已經(jīng)報道，由原始設(shè)備制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品的60-80是由外部供應(yīng)商49在不同的域中工作的制造。因此，從各個領(lǐng)域知識是孤立的，不能重復(fù)使用50。如果產(chǎn)品的能耗可為內(nèi)其整個生命周期中的域的獨立框架來估計，能量可以被有效地利用，通過生命周期。如圖3所示，用戶可以優(yōu)化其設(shè)計以實現(xiàn)合理的能量消耗適當?shù)难莩?。知識工程師可以分享他們的專業(yè)知識，以提高能源評估框架。 圖3：能源估算框架示意圖根據(jù)Gielen等人的研究幾乎33的世界能源消耗和其二氧化碳的36（CO 2）的排放量是由于制造業(yè)。200

24、4年，全球一次能源供應(yīng)是469艾焦，其中超過147艾焦被占行業(yè)消費51。過多的能量消耗可能會導(dǎo)致51：（1）增加的凈溫室氣體排放量，（2）提高酸沉降和空氣污染，和（3）增加填埋。溫室氣體排放導(dǎo)致全球氣候變暖，并造成全球氣候問題。氮氧化物，硫氧化物和汞化合物被排放到空氣可顯著降低空氣質(zhì)量和威脅人類健康。垃圾填埋也造成地面污染。過多的能量消耗造成處理排放和污染的增加的成本。因此，它增加了產(chǎn)品的總壽命周期成本。根據(jù)能源消耗趨勢52,能源消耗不斷增加在未來幾十年。日益增長的全球需求的產(chǎn)品、服務(wù)和公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是提高整體能源消耗。研究數(shù)據(jù)顯示,工業(yè)使用的能源在1971年到2004年之間增長了61%(5

25、3)。因此,過度的能源消耗是一個緊迫的問題在今天的設(shè)計和制造業(yè)。制造商有責(zé)任制造產(chǎn)品節(jié)能和排放較低的溫室氣體排放。為了生產(chǎn)節(jié)能產(chǎn)品,計劃對能源消耗必須考慮在設(shè)計階段。因此,能源消費在整個產(chǎn)品生命周期估計將在巨大的需求,從而減少有害的環(huán)境影響。2.1.2能源估計框架的意義在產(chǎn)品生命周期的構(gòu)成一個能量估計框架將對用戶和知識工程師顯著影響。但從用戶的角度，估計在設(shè)計階段進行能源消耗將為作出決定不同的方案。但從知識工程師的角度，建議框架提供的能力，輸入領(lǐng)域的知識。當能量消耗為一個產(chǎn)品的整個生命周期減小時，溫室氣體排放量的影響，空氣中的污染也將減少，從而降低了產(chǎn)品的總壽命周期成本。盡筆者所知，一些工具已

26、經(jīng)開發(fā)期間，整個產(chǎn)品生命周期來估算的能量消耗。因此設(shè)計師和工程師的知識可以從建議的框架顯著受益。此外，制造業(yè)可以評估其當前制造計劃和適應(yīng)的最佳方法，通過以較低的成本消耗更少的能量來處理產(chǎn)品。2.1.3預(yù)期成果這項工作的主要預(yù)期貢獻可以描述如下：（a）在產(chǎn)品生命周期的一種設(shè)計框架能量估計將被建造。（b）框架將定制的能量估計用戶。（c）框架將可擴展的開發(fā)人員和知識工程師。（d）的框架將域獨立的，所以它不會依賴于特定領(lǐng)域知識。（e）框架將包含各種工具，在四個階段的產(chǎn)品生命周期和不同的制造工藝來估算的能量消耗。（f）給定的情況下的產(chǎn)品，能量消耗的各相，并在其生命周期將生成。2.2需求分析這項研究的目的

27、是建立一個獨立的域設(shè)計框架來估算的能量消耗。該框架應(yīng)該能夠計算能耗在不同階段的產(chǎn)品生命周期。這些階段包括原材料提取階段，設(shè)計和制造階段，使用階段，而且回收或處置階段。也應(yīng)獲得如在生命周期的碳重量的環(huán)境影響。估計能耗可顯著利于行業(yè)評估其產(chǎn)品的能源效率并改善其加工方法。因此，總的能量消耗和有害環(huán)境的影響將會降低。2.2.1.該框架的系統(tǒng)邊界該框架的邊界被定義如下： (a)框架定義了一組類和模型對能源評估、結(jié)構(gòu)將允許各種工具來估計能源消耗在產(chǎn)品生命周期的不同階段。 (b)框架估計直接能源。直接能源意味著能源消耗直接生產(chǎn)的部分。因為機器也做的部分,相關(guān)的能源消耗在機器的零件將不會被考慮。 (c)特定生

28、產(chǎn)過程的能源消耗后只能計算領(lǐng)域知識的輸入。估計結(jié)果與完成相關(guān)領(lǐng)域知識。 (d)實際能源消耗之后才可以計算出詳細的計劃,如生產(chǎn)過程位置和生產(chǎn)設(shè)備是固定的。是不可能獲得所有在設(shè)計階段制造信息。因此,能量估計的不確定性范圍存在和細化的結(jié)果與計劃的詳細過程。（e）如不同的設(shè)置和制造業(yè)務(wù)將影響估算結(jié)果不同個體的影響。這項研究將提供基于典型情況下，領(lǐng)域知識一般估計。除非提供個人情況的詳細信息，該框架無法做出具體的能量估計。（f）目前，該框架將不會與實驗數(shù)據(jù)整合并不會考慮的設(shè)計和制造過程中的公差;整合和寬容是留給未來的工作。因此，該框架提供的估計可能不同于在實際的制造實驗。 (g)能源消耗在產(chǎn)品生命周期也與

29、制造商和分銷商的供應(yīng)鏈包括位置、運輸方法,等等。供應(yīng)鏈將不考慮在這個擬議的框架。 (h)能源消耗的拆卸將不考慮擬議的框架。在產(chǎn)品生命周期的結(jié)束,只有在處理階段能耗計算。（）在該研究中，對材料，制造資源，和制造方法的數(shù)據(jù)是遠未完成。然而，由于框架的域無關(guān)的特征，這樣的信息可以通過各種知識工程師展開。2.2.2結(jié)構(gòu)節(jié)能目標估計框架具體目標包括結(jié)構(gòu)和功能。結(jié)構(gòu)的目標是構(gòu)造一個可定制和可擴展的能量估計的框架。功能目的是計算能源消耗在產(chǎn)品生命周期的四個階段。結(jié)構(gòu)目標擬議框架將被指定為如下：（a） 域名獨立性節(jié)能評估的框架應(yīng)該是獨立于特定的域。雖然不同的制造領(lǐng)域在能源計算多樣的知識，框架應(yīng)在一個通用的方式

30、表征不同領(lǐng)域的信息。從具體領(lǐng)域知識的領(lǐng)域獨立的框架分離將是該框架是通用的一個重要方面。(b)框架應(yīng)可擴展的開發(fā)人員和知識工程師為了使框架是通用的,它必須被設(shè)計,不同領(lǐng)域知識可以很容易地修改、更新和擴展。每個知識工程師都有他的專長,應(yīng)該能夠擴大在不同領(lǐng)域的知識。開發(fā)人員應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)各種計算工具和附加的工具框架,該框架可以擴展。修改現(xiàn)有知識和能力的新領(lǐng)域知識和新計算工具是至關(guān)重要的成功使框架實現(xiàn)不同的目標。(c)框架應(yīng)該為用戶定制這個框架應(yīng)該提供一個環(huán)境,用戶可以根據(jù)他們的需求,配置和定制的輸出是個性化的。(d)的靈活性框架應(yīng)該能夠讓能源估計等多個階段初步設(shè)計階段和詳細設(shè)計階段。如果一個設(shè)計師想要

31、修改或者重新設(shè)計他的一些設(shè)計方法,系統(tǒng)應(yīng)該提供實時反饋的能量估計的任何更改。2.2.3功能目標的能量估計的框架正如上面所討論的,具體的結(jié)構(gòu)的目的是使能量的計算成為可能,然后目標在不同的階段應(yīng)該的功能框架。原材料是第一個從地球中提取一種可以很容易地存儲和轉(zhuǎn)換。原料提取階段可以被輸入到一個新的產(chǎn)品生命周期。因此,它應(yīng)該是一個起點,估計在產(chǎn)品生命周期能源消耗。設(shè)計和制造階段是主要集中在這個研究。這個階段決定了材料,形狀,和最終產(chǎn)品的加工方法和有很大的能耗在整個生命周期的影響。的能量估計在生產(chǎn)階段是設(shè)計階段的互補。它將處理更多地關(guān)注真正的制造過程。案例研究部分,程序集和一些簡單的工業(yè)產(chǎn)品將進行。有不同

32、的情況,不同的產(chǎn)品在使用階段。如果一個產(chǎn)品是能源消費在它的生命周期,然后總能量消耗必須考慮。本研究將一個產(chǎn)品的一個例子,能源消費和估計其能源消費在使用階段。當產(chǎn)品來結(jié)束他們的生命,他們需要處理或回收利用。能源消耗在這個階段也應(yīng)該被考慮。2.3設(shè)計和開發(fā)2.3.1框架建設(shè)框架,目的是在上面的部分,應(yīng)該為開發(fā)人員和知識工程師可擴展的和可定制的用戶。它還應(yīng)該領(lǐng)域獨立。為了滿足這些需求,提出能源評估應(yīng)該包含一個知識框架數(shù)據(jù)模塊、能源評估模塊和兩個接口,分別對知識工程師和用戶。開發(fā)人員還需要實現(xiàn)各種能源計算工具在不同的生產(chǎn)領(lǐng)域和把這些工具的能量估計的框架。(a)知識數(shù)據(jù)模塊為了執(zhí)行能源評估、多樣化的知識

33、數(shù)據(jù)需要被收購。這些是材料數(shù)據(jù),計算工具位置數(shù)據(jù),制造資源數(shù)據(jù),和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。所有這些數(shù)據(jù)都存儲在XML文件,可以用來存儲和轉(zhuǎn)移知識。因此,修改數(shù)據(jù)文件將變得方便和框架靈活對不同生產(chǎn)領(lǐng)域。(1)材料的數(shù)據(jù)。材料的屬性存儲在材料數(shù)據(jù)。不同的材料有不同的屬性,他們將有一個偉大的對生產(chǎn)過程的影響。(2)計算工具位置數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲位置的計算工具連接到框架。這些數(shù)據(jù)將促進框架解析并調(diào)用相應(yīng)的計算工具通過用戶的選擇。(3)制造資源數(shù)據(jù)。制造資源數(shù)據(jù)提供信息可用的制造設(shè)備加工材料。規(guī)格的機器和刀具。(4)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲信息具體制造工藝如車削和銑削。它將幫助設(shè)計者選擇能源評估過程中可行的生產(chǎn)工藝。(

34、b)能源評估模塊模塊應(yīng)該執(zhí)行兩個主要功能:讀取和解析輸入能量計算和計算能源消耗。在輸入解析模塊,所有XML文件解析和產(chǎn)品的幾何模型。能量計算模塊將包括所有類型的詳細信息包括制造方法和能量估算公式。數(shù)據(jù)相關(guān)的幾何信息、材料特性和制造參數(shù)也將獲得估計能源消耗。該框架包括兩個接口。一個是知識工程師接口負責(zé)提供知識工程師和框架之間的交互。另一種是用戶界面。用戶與不同的模塊,如制造過程和能量計算通過這個接口。所提出的能量估計框架的細節(jié)示于圖4。 圖4:泛型殼的能量估計的框架2.3.2.能源估計四個階段特征能源消耗估計應(yīng)該開始從原料提取階段,因為它是一個新產(chǎn)品生命周期的輸入。的因素,需要在這一階段表2中列

35、出。材料類型和提取位置應(yīng)考慮,因為特定的能量提取材料對不同材料和不同提取位置。這項研究的目標不是為所有類型的材料提供完整的數(shù)據(jù)和位置世界各地。示例計算在美國一些典型材料將進行。表2:因素在原料提取階段原材料提取階段（a）類型的材料 （b）Volume/weight的原材料（c）特定能量取決于材料type,提取location,用于提取和類型的過程設(shè)計和制造階段決定了材料,形狀,和最終產(chǎn)品的加工方法和能源消耗有很大的影響,在整個產(chǎn)品生命周期。因此,主要集中在于這個階段。請注意,數(shù)據(jù)不同的生產(chǎn)過程是不完整的。而基于特定領(lǐng)域的特性,知識工程師來自世界各地可以增加他們的知識,提高框架。完成所有設(shè)計制造

36、領(lǐng)域需要大量的努力,在這個研究,制造業(yè)領(lǐng)域是有限的加工和鑄造、轉(zhuǎn)彎和例子,銑,鑄造會。在設(shè)計和制造階段的因素如表3所示。在設(shè)計階段,產(chǎn)品分析不考慮它們的制造規(guī)范。這樣的評估將幫助設(shè)計師關(guān)于能源效率和改善他們的產(chǎn)品設(shè)計過程中幫助他們。幾何信息,如軸信息,曲率和面臨信息將使用幾何抽象內(nèi)核埃西斯54。這些信息是用來分析產(chǎn)品和自動計算能耗。質(zhì)量屬性,如重量、表面區(qū)域和數(shù)量也將獲得。這些屬性有助于計算去除體積的產(chǎn)品。在收集特定能源55不同的生產(chǎn)流程,通過具體的能源和材料去除量的代數(shù),能源消耗可以計算。表3:因素在設(shè)計和制造階段設(shè)計階段􀁺幾何信息的產(chǎn)品軸信息;外部信息(決定面對類型),曲

37、率信息(確定方向和絕對值)􀁺質(zhì)量屬性表面積重量轉(zhuǎn):卷部分,可轉(zhuǎn)動的卷,刪除卷。銑削:卷,一部分股票,卷卷。􀁺特定能量􀁺擴展panel:因素和不同的進程可以被擴展,以供將來使用制造階段􀁺材料：類，名稱，重量􀁺制造工藝（目前車削和銑削）：切削速度，主軸轉(zhuǎn)速，進給速度，切削深度，切削寬度􀁺工具/設(shè)備參數(shù)：機床類型刀具直徑，長度，角度􀁺時間消耗：負荷，加工，閑置􀁺材料去除率􀁺機械加工的能源消耗􀁺總能量消耗在生產(chǎn)階段,生產(chǎn)規(guī)格

38、將被考慮。材料和制造過程的細節(jié),如切削速度、進給速率,和切割深度,等等,將被考慮。參數(shù)的工具和加工機器也應(yīng)該用于執(zhí)行計算。能源消耗在裝配,機器負載、工具取代和空閑時間應(yīng)該反映在能源評估過程。再一次,這是不可能的收集所有的數(shù)據(jù)不同的工具和機器,以及能源消耗在裝配,機器負載,工具取代和空閑時間可能會由于各種截然不同的制造商和工人,因此只會采取一些典型參數(shù)估計能源消耗。一些產(chǎn)品在使用階段需要電源。這個階段可以持續(xù)一段時間。因此,它也是在產(chǎn)品生命周期的重要階段之一,應(yīng)該考慮能源消耗。因為不同的產(chǎn)品有自己的規(guī)范和運行周期,能量估計相當依賴于特定的產(chǎn)品。本研究將一個產(chǎn)品的一個例子,能源消費和估計其能源消費

39、在使用階段。使用的因素包括權(quán)力和總時間。能源消耗在運輸?shù)犬a(chǎn)品的供應(yīng)鏈將不考慮在這個研究。表4：在使用階段的因素使用階段 電力供應(yīng)產(chǎn)品所需功能的消費者 使用時間供應(yīng)鏈（不要在這個框架內(nèi)考慮）當產(chǎn)品來結(jié)束他們的生命,等各種操作可能采取某些部件的重用,再制造、回收和處理。由于重用的多樣性和復(fù)雜性,再制造和回收,他們不認為在這個研究。本研究將重點只在產(chǎn)品的最終處置階段的生活。通常,能源消耗在處理階段取決于材料的類型,在處理具體的能源。表5：在處置階段的因素處理階段 產(chǎn)品類別 以設(shè)置體積/重量的材料 根據(jù)材料的類型比能量和處置位置 為了演示框架,一個特定的案例研究將對能源進行估計。部

40、件和組件將通過產(chǎn)品生命周期的各個階段進行了分析。估計對于簡單的工業(yè)產(chǎn)品將展示該框架的有效性。能源消耗在整個生命周期的每個階段,將獲得。2.3.3用例圖5展示了用例擬議的框架。用例說明框架之間的關(guān)系和知識工程師和框架之間的關(guān)系和能量估計用戶。 圖5:用例場景的能量估計的框架2.4集成和測試自框架需要與估計用戶交互,知識工程師、XML文件,和各種能源評估工具,集成是至關(guān)重要的,以確保能源評估框架工作正常。圖6給出了集成框架,計算工具,知識工程師和能源估計用戶。 圖6:集成框架,計算工具,知識工程師,估計用戶框架本身可以訪問XML文件,以便它可以讀取、解析和編寫知識文件能量計算?？蚣芴峁┝藘蓚€接口,

41、允許用戶和知識工程師估計與框架的組件進行交互?？蚣芤材苷{(diào)用特定的計算工具和接收反饋的計算結(jié)果。知識工程師可以加載和編輯XML能源評估、準備和評估用戶可以使用框架提供的工具來計算能量估計。在SDLC,測試是重要的確認一個健壯的和正確的功能的軟件。在這一點上,所有測試用例運行來驗證軟件的正確性和完整性。這種能量估計框架的測試計劃可以描述如下:(a)語法檢查檢查軟件是否有發(fā)生的主要功能和錯誤。(b)預(yù)排這一步是確保系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和算法是否正常工作。(c)代碼檢查在本部分中,可能的錯誤或錯誤的代碼進行了綜述編碼技術(shù)。(d)模塊測試將測試每個模塊的框架可能的錯誤,如果錯誤發(fā)生在特定的模塊,需要審核代碼的

42、模塊。(e)集成測試整個項目將受到考驗。這一步確保每個工具的集成和模塊的正確性的框架。(f)測試用例樣品產(chǎn)品和工業(yè)情況下將被視為輸入框架來驗證框架。 第三章:能源評估框架在前兩章的基礎(chǔ)上討論、能源評估框架可以開發(fā)以下SDLC的步驟。在本章總體設(shè)計框架的類圖將首先被引入。因為知識管理框架中發(fā)揮著重要作用,其機制將說明。本章將目前能源評估框架和精心的概述說明它的用戶界面和兩個模塊:知識管理模塊和能量評估模塊。3.1能源評估框架的總體設(shè)計本研究采用Microsoft Visual c+ 2005,幾何內(nèi)核埃西斯(54),可擴展標記語言(XML),統(tǒng)一建模語言(UML)來開發(fā)這些能源評估框架。所有的代

43、碼都是使用vc+生成2005,和微軟基礎(chǔ)類(MFC)是利用建立的軟件接口。XML是用于存儲和轉(zhuǎn)移知識,和XML的細節(jié)將在下一節(jié)中說明:知識管理通過XML。幾何內(nèi)核埃西斯用于可視化和分析數(shù)字產(chǎn)品的數(shù)據(jù)(CAD模型)。采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄒ舶l(fā)展的框架,因為這種方法提供了優(yōu)勢增加了靈活性和可重用性。在面向?qū)ο蠓椒ㄖ?類在整體設(shè)計中起著至關(guān)重要的作用。類是一個抽象數(shù)據(jù)類型,一起組一組屬性和操作。一組屬性可以被描述為對象的狀態(tài)和對象的實例變量;而一個對象是一組操作的行為。UML是面向?qū)ο蟮慕９ぞ叻治龊蛙浖O(shè)計。它可用于可視化、構(gòu)建和記錄軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在本研究中,利用UML生成框架的類圖,可以顯式地表示

44、類之間的關(guān)系。下面的UML類圖描述了類之間的整體關(guān)系中實現(xiàn)這一研究。 圖7:類圖的能量估計的框架Doc-View結(jié)構(gòu)來源于MFC。當能源評估框架的應(yīng)用程序被調(diào)用時,它創(chuàng)建一個“EgyEstFwDoc”對象處理的打開和保存文檔。然后創(chuàng)建的文檔對象框架,并調(diào)用視圖類的能量估計的框架。在“EgyEstFrm”類,方法,菜單,工具欄,和活動視圖重寫決定有關(guān)能源評估組件的可見性和可用性?！癊gyEstView”類負責(zé)查看的框架,也是一個關(guān)鍵組成部分,大部分的能量計算發(fā)生?！癊gyEstView”類管理能源評估和知識交流。有四類聚合:“CDialogClientType”、“CDialogUserInpu

45、t”、“CDialogTool”,“CDialogComptRslts”。以來有兩種類型的客戶的能量評估框架:能源評估用戶和知識工程師,和每一個客戶都是執(zhí)行完全不同的任務(wù)在使用框架。為了避免混淆,它有利于設(shè)置不同的用戶界面和使用框架時只允許一個接口功能?！癈DialogClientType”類負責(zé)處理客戶端類型控制?？刂瓶蛻舳祟愋偷募毠?jié)可以在§3.3:用戶界面的能量估計的框架?！癈DialogUserInput”類解析和記錄用戶輸入的數(shù)據(jù)可能需要提供參數(shù),通過特定的能量計算工具。“CDialogTool”類解析位置的計算工具,是連接到框架,并執(zhí)行相應(yīng)的工具根據(jù)用戶的請求。“CDial

46、ogComptRslts”類解析并顯示能源能源評估計算結(jié)果返回給用戶。這些類的實現(xiàn)可以在§3.5:找到能量估計模塊的能量估計的框架。類“EgyEstToolExtr”、“EgyEstToolDM”、“EgyEstToolUse”,“EgyEstToolDsp”、“EgyEstToolPLC”能源評估工具類與能源相關(guān)的評估框架類“EgyEstFwView”。他們代表的計算工具連接到框架。每個工具負責(zé)計算能量在提取階段,設(shè)計和制造階段,使用階段,分別處理階段,和整個產(chǎn)品生命周期。估計能量后,每個工具能夠保存計算結(jié)果相對XML文件?！癈DialogMfg”和“GeomInfo”兩類聚合“E

47、gyEstToolDM”協(xié)助評估在設(shè)計和制造階段的能量。這些類實現(xiàn)的細節(jié)可以在第三章和第四章。“CXML”是一個類,可以驗證,解析,搜索,寫和打印XML文件。這個類被廣泛使用在幾乎每一個組件的能量評估框架和能源評估工具。它在知識管理中起著重要作用。這個類的細節(jié)將在以下部分描述:知識管理通過XML。3.2知識管理通過XML3.2.1 XML和XML Schema(XSD)XML模式是一種XML文檔的描述,通常描述的限制文檔的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容56。這些約束通常使用一些語法規(guī)則的組合表示元素的順序56。例如,布爾類型謂詞,內(nèi)容必須滿足一個布爾變量。元素和屬性的數(shù)據(jù)類型管理的內(nèi)容。 圖8：一個XML文件和它

48、的架構(gòu)實例因為XML允許用戶定義的標記,它可以利用存儲知識。XML schema(XSD)提供了一種強大的方法來訪問XML文件的結(jié)構(gòu)和語法。每個元素的數(shù)據(jù)類型必須嚴格在XSD文件中定義的。圖8顯示了一個XML文件存儲的細節(jié)具體能源不同的材料及其模式。特定的能源被認為是一個重要的財產(chǎn)在實現(xiàn)的能量估計的計算軟件。注意在XSD文件,元素類型的“名稱”,和“SpecE”設(shè)置為“字符串”和“浮動”。這樣的約束框架提供了可能性,可以知道哪些數(shù)據(jù)類型訪問。3.2.2知識管理類:CXML為了管理知識通過XML,需要構(gòu)造一個類框架和計算工具可以利用的知識存儲在XML文件。類的類圖如下圖9所示。“XML錯誤處理程序”和“XML解析器”是兩個私有成員CXML內(nèi)部類只能訪問其成員函數(shù)。這兩個成員負責(zé)XML解析和錯誤處理?！霸亓斜怼?、“文本”列表,和“列屬性”變量可以存儲解析后的信息從一個XML文件?！癤ML數(shù)據(jù)段”用于存儲任何用戶輸入數(shù)據(jù)。類提供了六個操作來驗證解析,印刷、搜索、寫字,獲取信息從一個XML文件。圖9