智能化產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)模型及其應(yīng)用

1、變型設(shè)計(jì)3作者:An I nte lige nt V a ria nt 2de s ign S uppo rting S ys tem ode lAbstract T he m ain idea of varian t t isting p roduct o r new en ts Based on the analysis lem so lving model of varian t design . W e se a case 2based reson ing system com b inde w ith ru le 2based reason ing and con strain t

2、satisfac 2ti on m ethod to i m itate the p rocess of varian t design . W ith theapp licati on -" sp indle m ach ine modu lar varian t designsystem " as an examp le , w e w ill m ake a detailed discu ssi on ofthe know ledge rep resen tati on model , system fram ew o rk andthe reason ing p r

3、ocess model of the in telligen t varian t 2designsuppo rting system and its app licati on .Keywords V arian t D esign , Know ledge P rocessing , CBR(Case Based R eason ing 摘要產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)的基本思想是通過改進(jìn)已有的系列產(chǎn)品或設(shè)計(jì)實(shí)例來適應(yīng)新的設(shè)計(jì)需求。針對變型設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn),本文提出以基于實(shí)例的推理為基礎(chǔ), 綜合運(yùn)用規(guī)則推理和約束滿足方法來完成產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)活動。文章結(jié)合我們所開發(fā)的“細(xì)紗機(jī)模塊化變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)”, 從知識表達(dá)

4、模式、系統(tǒng)框架和推理流程等方面詳細(xì)討論了以基于實(shí)例的推理為核心方法的面向產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)的智能支持系統(tǒng)模型的實(shí)現(xiàn)及其具體應(yīng)用。關(guān)鍵詞變型設(shè)計(jì)知識處理基于實(shí)例的推理1引言根據(jù)設(shè)計(jì)活動的基本特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用情況, 制造行業(yè)中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)活動一般可以分為以下三種類3本文得到國家863青年基金和浙江省自然科學(xué)基金資助江力博士研究生, 浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)系人工智能研究所, 浙江大學(xué)CAD CG 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 310027孫守遷工學(xué)博士、副教授, 浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)系人工智能研究所, 浙江大學(xué)CAD CG 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 310027何志均教授、博導(dǎo), 浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)系人工智能研究所, 浙江大學(xué)CAD CG 國家重

5、點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 3100271, 創(chuàng)造性設(shè)計(jì)(C reative design :這種設(shè)計(jì)方法針對新的需求, 從已知的、經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)是可行的理論和技術(shù)出發(fā), 設(shè)計(jì)出過去沒有的新型產(chǎn)品。這是一種完全創(chuàng)新的設(shè)計(jì), 其基本特點(diǎn)是:對于設(shè)計(jì)目標(biāo)的描述是不完全和不確定的, 并且沒有現(xiàn)成有效的問題分解模式和對于子問題的設(shè)計(jì)規(guī)劃, 整個設(shè)計(jì)過程是發(fā)散的, 無常規(guī)可循, 基本取決于設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造性思維。適應(yīng)性設(shè)計(jì)(A dap tive design :這類設(shè)計(jì)是在保持產(chǎn)品原理、方案基本不變的前提下, 在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上, 對產(chǎn)品的某些局部功能和結(jié)構(gòu)作出變更, 以適應(yīng)某種要求。從整體上來說, 適應(yīng)性設(shè)計(jì)其設(shè)計(jì)目標(biāo)是確

6、定的, 并且存在著較為固定的問題分解模式。但對于產(chǎn)品的某些子模塊來說則往往在技術(shù)上具有較大變化, 沒有固定的設(shè)計(jì)模式可循, 換言之, 存在著對某些子系統(tǒng)的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)。變型設(shè)計(jì)(V arian t design :是在產(chǎn)品工作原理、基本功能定義不變的情況下, 通過現(xiàn)有產(chǎn)品局部結(jié)構(gòu)型式和尺寸的變異以滿足不同工作性能的需求。這是一種相對刻板、常規(guī)的設(shè)計(jì)活動。其基本特點(diǎn)是具有固定、有效的問題分解結(jié)構(gòu), 對于子問題的設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)錯誤的處理都具有比較明確的常規(guī)步驟和方法, 比較適合于運(yùn)用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)去輔助實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)中, 對于已有產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)占有相當(dāng)大的比重, 尤其是當(dāng)前產(chǎn)品“小批量、多品種”

7、已成為制造行業(yè)內(nèi)普遍采用的生產(chǎn)、經(jīng)營策略, 變型設(shè)計(jì)很好地順應(yīng)了這種策略, 故而對于企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營具有十分重要的作用和很好的應(yīng)用價值。基于這種情況, 我們選擇了產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)作為研究對象, 針對其特點(diǎn)構(gòu)造了一個基于知識處理技術(shù)的面向產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)的智能化設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)模型。下面, 本文將結(jié)合與上海二紡機(jī)股份有限公司合作開發(fā)41工程設(shè)計(jì)(Kon struk ti on 1997. 3的“細(xì)紗機(jī)模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)”分別就變型設(shè)計(jì)的基本概念模型、知識處理模型和變型設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)框架展共討論。2變型設(shè)計(jì)的基本求解模型由于產(chǎn)品的基本組成、結(jié)構(gòu)和功能早在開發(fā)其基型產(chǎn)品時就已確定, 因此, 變型設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是根據(jù)

8、具體的設(shè)計(jì)需求, 將已有的類似產(chǎn)品或模塊作為設(shè)計(jì)模板, 在保持其整體結(jié)構(gòu)和功能不變的前提下,對其局部結(jié)構(gòu)的配置和尺寸作出一定范圍內(nèi)的變動調(diào)整, 以設(shè)計(jì)出符合要求的產(chǎn)品系統(tǒng)。, 、零件等功能模塊的設(shè)計(jì)。, 其基本的設(shè)計(jì)求解方法模型可以表示為如圖1所示的流程:由圖1可見, 如果要利用計(jì)算機(jī)來有效地實(shí)現(xiàn)和支持變型設(shè)計(jì), 在求解方法上首先必須解決以下幾方面的問題:能夠?qū)斎雲(yún)?shù)作出必要的分析和檢驗(yàn), 以確認(rèn)輸入設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性; 能夠較好地表達(dá)和組織、管理已有的大量設(shè)計(jì)實(shí)例; 圖1變型設(shè)計(jì)基本求解方法模型能夠根據(jù)新的設(shè)計(jì)要求匹配和檢索相符或相近的實(shí)例組; 能夠從中選取合適的實(shí)例作為變型的模板;能夠參照

9、領(lǐng)域知識對已選取的模板加以合理改進(jìn)以適應(yīng)新的要求; 在各個設(shè)計(jì)層次與階段, 評價。, 。同其他智能系統(tǒng)一樣, 面向產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)的知識表達(dá)模型必須完整、有效地表達(dá)變型設(shè)計(jì)過程中所需的各類知識, 從而為設(shè)計(jì)問題求解提供支持。從面向?qū)ο蟮乃枷氤霭l(fā), 所建立的知識表達(dá)模型既要包括對目標(biāo)產(chǎn)品本身的描述信息, 又必須能夠包容各個對象相應(yīng)的信息處理方法(包括基于知識處理的方法和常規(guī)處理方法兩種 。具體地說, 應(yīng)能描述以下信息:結(jié)構(gòu)類知識:對于任何一個產(chǎn)品而言, 必然存在著基本的靜態(tài)組成結(jié)構(gòu), 它表明了各個設(shè)計(jì)對象之間相互影響、作用的關(guān)系, 并且這部分信息將構(gòu)成控制求解進(jìn)程的依據(jù)。屬性類知識:屬性類知識則是指

10、每一個設(shè)計(jì)對象所具有的在功能、性能、外形、結(jié)構(gòu)組成和生產(chǎn)制造等方面的特征, 設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)就是完全確定對象的全部屬性。對于對象屬性的表達(dá)既應(yīng)有對單一屬性的描述, 同時還必須考慮到屬性之間可能存在的相互聯(lián)系。方法類知識:方法類知識則包含了關(guān)于對象的求解方法和策略。這里所述的方法既包括產(chǎn)生式規(guī)則、描述性框架等屬于人工智能范疇的方法, 同時也包括了與傳統(tǒng)處理方法相結(jié)合的對外部功能的調(diào)用。基于如下考慮, 我們構(gòu)造了一個面向變型設(shè)計(jì)的表達(dá)模型, 其BN F 定義如下:VDO =VDO NAM E VDO TYPE VDO SU 2PER A TTR I BU TE L IST DA TA L IST C

11、OM PON EN T L IST I N STANCE L IST DES IGN A GEN T DESCR IPT I ON VDO NAM E =STR I N G VDO TYPE =STR I N G VDO SU PER =VDO NAM E A TTR I BU TE L IST =A TTR I BU TE +A TTR I BU TE =A TTR NAM E A TTR TYPE 51智能化產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)模型及其應(yīng)用KEY FLA G A TTR W E IGHT A TTR NAM E =STR I N G A TTR TYPE =STR I N G KEY FL

12、A G =0 1A TTR W E IGHT =FLOA T 0,1DA TA L IST =DA TA DA TA =DA TA S ITE DA TA TYPE DA TA HANDL ER DA TA S ITE =STR I N G DA TA TYPE =STR I N G DA TA HANDL ER =STR I N G COM PON EN T L IST =+COM PON EN T E I N STANCE =I 3DES IGN A GEN TA SK PLAN TA SK =A TTR NAM E VALU E +VALU E =STR I N G NUMBER PLA

13、N =CON STRA I N T L IST ACT I ON RUL E L IST +CON STA I N T L IST =CON STRA I N T +CON S TRA I N T =CON S P CON S ARGU +CON S ARGU =A TTR NAM E CON STAN T 3CON STAN T =STR I N G NUMBER ACT I ON =TR IGGER CALL TRJGGER =HANDL ER M ESSA EB HANDL ER =VDP MA , E M ESSA GE =A TTR NAM E CON 2STAN T 3CALL =

14、FUNC NAM E FUNCARGU FUNC NAM E =STR I N G FUNC ARGU =A TTR NAM E CON STAN T 3RUL E L IST =RUL E +RUL E =RUL E NAM E COND IT I ON CONCLU S I ON RUL E NAM E =STR I N G COND IT I ON =COND PR I M IT I V E COND PR I M IT I V E OR COND PR I M IT I V E COND PR I M I 2T I V E AND COND PR I M I 2T I V E NO T

15、 CPMD PR I M I 2T I V E COND PR I M IT I V E =COND O P COND ARGU COND ARGU =A TTR NAM E CON STAN T 3CONCLU S I ON =I E COM PON EN T I N 2=ST NAM E VDO 各組成部分具體解釋如下:VDO NAM E :代表變型設(shè)計(jì)對象類的名稱;VDO T YPE :代表變型設(shè)計(jì)對象類所屬的類別;VDO SU PER :代表變型設(shè)計(jì)對象類的父類, 以實(shí)現(xiàn)屬性和操作方法的繼承;A T TR I BU T E L IST :用于描述設(shè)計(jì)對象所具有的屬性特征, 其中每一屬性

16、描述均包括名稱、種類、是否關(guān)鍵屬性及屬性的重要性權(quán)重; DA TA L IST :描述設(shè)計(jì)對象可能對應(yīng)的外部數(shù)據(jù)和圖紙、明細(xì)表等, 包括數(shù)據(jù)地址、數(shù)據(jù)類別和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序;COM PON EN T L IST :利用VDO 名稱索引來描述組成對象的子對象集合, 由此可以體現(xiàn)對象的靜態(tài)組成結(jié)構(gòu), 也為對本對象的設(shè)計(jì)求解提供了推理控制的依據(jù);I N STAN CE L IST :用來記錄現(xiàn)有的屬于本對象類的所有實(shí)例, 各實(shí)例依據(jù)屬性的不同而相互區(qū)別, 由此形成設(shè)計(jì)實(shí)例庫, 為進(jìn)一步的變型設(shè)計(jì)提供信息基礎(chǔ);D ES IGN A GEN T :描述了對于特定對象類的具體設(shè)計(jì)求解策略, 也體61工程

17、設(shè)計(jì)(Kon struk ti on 1997. 3現(xiàn)了各類對象在求解方法上的個性特征。其中, TA SK 描述了可接受的設(shè)計(jì)任務(wù), 繼而以PLAN 來表達(dá)求解方案, 求解方案由約束集、設(shè)計(jì)動作和規(guī)則集依特定順序的組合構(gòu)成:CON STRA I N TL IST 表示各個屬性之間必須滿足的約束條件, 、; A CT I ON 描述了求解過程中需要進(jìn)行的操作包括以消息傳遞的方式下達(dá)對子對象的設(shè)計(jì)任務(wù)和對內(nèi)部與外部各類函數(shù)的調(diào)用:RU L EL IST 則是以產(chǎn)生式規(guī)則的方式描述求解過程中的經(jīng)驗(yàn)性推理規(guī)則。本模型的特點(diǎn)在于:以層次的框架結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο蟮乃枷霝楹诵? 具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)化能力。其優(yōu)點(diǎn)主要

18、表現(xiàn)為:具有面向?qū)ο蟮奶卣?如信息封裝性和繼承性; 將設(shè)計(jì)對象的數(shù)據(jù)與知識作為一個有機(jī)的整體進(jìn)行表達(dá), 有利于求解過程中對知識處理技術(shù)和常規(guī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等的綜合運(yùn)用; 能夠完整有效地表達(dá)變型設(shè)計(jì)過程中所運(yùn)用的各類設(shè)計(jì)知識, 支持系統(tǒng)在此基礎(chǔ)之上完成基于實(shí)例的推理, 并支持約束滿足和規(guī)則推理; 結(jié)構(gòu)簡單, 便于理解, 有利于設(shè)計(jì)專家對大量知識的直接編輯、維護(hù)。4基于實(shí)例推理的變型設(shè)計(jì)混合求解模型4. 1變型設(shè)計(jì)求解系統(tǒng)框架, 我們首先構(gòu)造了2:包括一個歸納推理機(jī)和設(shè)計(jì), 由設(shè)計(jì)實(shí)例庫存儲已有的設(shè)計(jì)實(shí)例, 由歸納推理機(jī)針對設(shè)計(jì)要求完成對設(shè)計(jì)實(shí)例的匹配、選擇。演繹推理模塊:包括演繹推理機(jī)及領(lǐng)域規(guī)則庫

19、, 其作用有:控制求解流程, 分解設(shè)計(jì)任務(wù); 完成對已選設(shè)計(jì)實(shí)例的改進(jìn); 評價設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性與有效性。工程數(shù)據(jù)庫:存儲所有與設(shè)計(jì)產(chǎn)品相關(guān)信息, 包括設(shè)計(jì)圖紙、明細(xì)表和設(shè)計(jì)文檔資料等。用戶接口模塊:負(fù)責(zé)系統(tǒng)與設(shè)計(jì)師之間的信息交流, 包括下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)、提交和評價設(shè)計(jì)結(jié)果、 糾正設(shè)計(jì)錯誤等。聯(lián)系界面:管理歸納推理模塊、演繹推理模塊和用戶接口模塊之間的信息交流, 以消息傳遞的形式協(xié)調(diào)、觸發(fā)歸納推理和演繹推理模塊。知識庫維護(hù)子系統(tǒng):主要用于設(shè)計(jì)工程師對于知識庫內(nèi)各類設(shè)計(jì)規(guī)則、約束的維護(hù)、修改。4. 2基于實(shí)例推理的變型設(shè)計(jì)求解流程在以上系統(tǒng)框架的基礎(chǔ)上, 系統(tǒng)對于設(shè)計(jì)對象的求解流程如圖3所示。在圖3所

20、示的混合求解模型中, 基本的求解方法是以基于實(shí)例的推理為基礎(chǔ), 即通過對已有設(shè)計(jì)實(shí)例71智能化產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)模型及其應(yīng)用 的檢索、選擇和變型來完成求解3, 4, 5, 6。以下, 我們結(jié)合對細(xì)紗機(jī)部件“車頭傳動”的設(shè)計(jì), 對推理過程中所應(yīng)用的近似匹配算法、模板選擇算法和模板改進(jìn)方法分別作出描述。4. 3近似匹配算法在接受了設(shè)計(jì)任務(wù)以后, 如果設(shè)計(jì)實(shí)例庫中沒有與要求設(shè)計(jì)參數(shù)完全匹配的實(shí)例, 則應(yīng)從已有實(shí)例中提取與設(shè)計(jì)參數(shù)部分匹配的實(shí)例組, 具體算法如下:步驟1:令F =f 1, f 2, , f n , f n+1, f n+2, , f n+n 表示一類設(shè)計(jì)對象所具有的一組屬性, 其中由

21、屬性的KEY FLA G 可得f i (i =1,2, , m 為對象的重要屬性, f i (I =m +1, m +2, , m +n 為對象的一般屬性;步驟2:設(shè)定W =W (f n+1 , W (f n+2 , , W(f n+n 0, 1為對象一般屬性的權(quán)值(由設(shè)計(jì)師依經(jīng)驗(yàn)確定 ;步驟3:令V =v 1, v 2, , v n+n 表示一組相應(yīng)于對象屬性的值, 設(shè)要求設(shè)計(jì)參數(shù)為V , 對每一實(shí)例取其實(shí)際功能屬性V , 計(jì)算S=S 1(v 1, v 1 , S 2(v 2, v 2, , S m +n (v n+n , v n+n ,當(dāng)v i 與v i 相同時, 取S i 為1, 否則S

22、 i 為0, i =1, 2, , m +n步驟4:計(jì)算B =7S i (v i , v i 3(6W (f j S j (v j , v j 0, 1,即得實(shí)例的匹配值, 其中i =1, 2, , m , j =m +1, m +2, m +n ;步驟5:設(shè)匹配閥值T , 取B T 的實(shí)例為所選相似實(shí)例。例如:現(xiàn)有細(xì)紗機(jī)部件車頭傳動, 其屬性參數(shù)包括:錠距、升降動程、機(jī)器高度和錠盤高度, 各參數(shù)重要性定義如下表, 其中匹配閥值為0. 75:參數(shù)錠距升降動程錠盤高度機(jī)器高度權(quán)值10. 50. 250. 25實(shí)例庫中現(xiàn)已有以下實(shí)例:錠距升降動程錠盤高度機(jī)器高度機(jī)架型號66. 67515535正常

23、T EJ 251K -663155-0066. 67516530正常251-663165-007018035增加50251-703180-007020530增加50mm T EJ 251M -703205-007018030正常T EJ 251K -703180-007020535正常251-703205-00現(xiàn)有設(shè)計(jì)任務(wù)為:錠距:70, 升降動程:180, 錠盤高度:30, 機(jī)器高度:增加50mm 由近似匹配算法計(jì)算可得各實(shí)例匹配值如下表:T EJ 251K -663155-000T EJ 251K -663165-000T EJ 251M -703180-000. 75T EJ 251M

24、-703205-000. 50T EJ 251K -703180-000. 75T EJ 251K -703205-00由匹配閥值為0. 75, 可得近似匹配實(shí)例組為:T EJ 251M -703180-00, T EJ 251K -703180-00。81工程設(shè)計(jì)(Kon struk ti on 1997. 3智能化產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)模型及其應(yīng)用 1 9 數(shù)進(jìn)行改進(jìn), 改進(jìn)所需的知識由 知 識 表 達(dá) 模 型 中 D E 2S IGN A GEN T 提供并完成相應(yīng)的推理過程, 基本過程如下: 步驟1: 確定所選實(shí)例中與設(shè)計(jì)要求不符的特征; 步驟 2: 根據(jù)變型規(guī)則確定需要改進(jìn)的部分, 由

25、 D ES IGN A GEN T 通過對 CALL 的 解釋, 調(diào)用相應(yīng)的處理方法; 步驟3: 如需對組成本對象的子對象作出改進(jìn), 則 下達(dá)對子對象的設(shè)計(jì)任務(wù), 對子對象的求 解將重復(fù)4. 3 4. 5過程。 一般而言, 依據(jù)近似匹配算法得到的匹配實(shí)例可 對于上例, 比較設(shè)計(jì)參數(shù)和所選部件 T EJ 251M 能為多個, 因此, 還必須從中選擇合適的實(shí)例作為設(shè) - 703 180- 00可知二者僅機(jī)器高度不同, 由規(guī)則 “若 計(jì)模板。 具體算法如下: 機(jī)器高度不符, 則轉(zhuǎn)入對零件車頭傳動支架設(shè)計(jì)”向 , 4. 4模板選擇算法 步驟1: 令 C = C 1 , C 2 , , C n 為經(jīng)近似

26、匹配所得 的候選實(shí)例; 步驟2: 令 S= S 1 , S 2 , , Sn 為一組評價標(biāo)準(zhǔn); 步驟3: 計(jì)算評價矩陣 R: C × S 0, 1 , R ij = R (C i, S j 0, 1 , R ci = (R i1 , R i2 , , R in 0, 1 n , 其中, R ij 表示實(shí)例 C i 對于評價標(biāo) 準(zhǔn) S j 的符合值; 目前, 我們已經(jīng)完成了產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型 步驟4: 計(jì)算評價函數(shù) E (R i1 , R i2 , , R in 的實(shí)例 VD S 的構(gòu)造, 在此基礎(chǔ)上與上海二紡機(jī)股份有限公 的評價分 E; 司開發(fā)完成了 “細(xì)紗機(jī)模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)”系統(tǒng)在

27、實(shí)際 , 步驟5: 取 E 值最高實(shí)例為設(shè)計(jì)所需的基型。 應(yīng)用中取得了較好的效果, 在保證設(shè)計(jì)結(jié)果正確的基 例如: 對于上文細(xì)紗機(jī)部件車頭傳動的設(shè)計(jì), 現(xiàn) 有評價標(biāo)準(zhǔn)為 a 若升降動程與錠盤高度均相符, 則評價分為0. 6; b 若錠盤高度與機(jī)器高度均相符, 則評價分為 0. 5; 根據(jù)模板選擇算法可得: T EJ 251 - 70 3 180M 00為與設(shè)計(jì)參數(shù)最相近的實(shí)例。 4. 5模板改進(jìn)方法 在已確定的設(shè)計(jì)模板基礎(chǔ)上, 還必須按照要求參 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1. G. Pah l W. Beitz Eng ineering D esign. Sp ringer2verl