MFBS框架下基于知識的計算機輔助創(chuàng)新設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、21世紀的經(jīng)濟發(fā)展呈現(xiàn)出信息化、知識化的特征，產(chǎn)品設(shè)計過程中知識的增值成為主宰新產(chǎn)品競爭力的決定性因素，基于知識的設(shè)計方法已經(jīng)成為實現(xiàn)設(shè)計制造自動化，增強企業(yè)競爭力的一項重要高新技術(shù)。創(chuàng)新是產(chǎn)品設(shè)計的本質(zhì)和靈魂。在產(chǎn)品設(shè)計階段，對產(chǎn)品功能求解的設(shè)計過程，最富創(chuàng)新性。當前，新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中所需要的知識越來越多，涉及到不同領(lǐng)域的不斷變化知識資源。開展以設(shè)計知識獲取、表達及運用為核心的計算機輔助創(chuàng)新設(shè)計，是提高我國制造型企業(yè)的創(chuàng)新能力和核心競

2、爭力的重要途徑，也符合《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020)》中“數(shù)字化與智能化設(shè)計制造”優(yōu)先主題中“智能化創(chuàng)新設(shè)計方法及技術(shù)”研究內(nèi)容。
　　 本文在系統(tǒng)地綜述了計算機輔助創(chuàng)新設(shè)計理論、方法與關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了模塊—功能—行為—結(jié)構(gòu)(Modular-Function-Behavior-Structure，MFBS)框架下基于知識的計算機輔助創(chuàng)新設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究。研究設(shè)計知識的建模、設(shè)計知識的更新

3、、基于本體映射的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、設(shè)計方案自動生成等關(guān)鍵技術(shù)，通過實例驗證了MFBS框架下基于知識的計算機輔助創(chuàng)新設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)方法的正確性。本文的主要工作有:
　　 (1)隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)趨向復(fù)雜化，功能趨向集成化和復(fù)合化，采用功能—行為—結(jié)構(gòu)(Function-Behavior-Structure，F(xiàn)BS)設(shè)計過程模型，組合各分功能的結(jié)構(gòu)形成產(chǎn)品整體設(shè)計方案時，容易出現(xiàn)“組合爆炸”問題。借鑒模塊化設(shè)計在縮小產(chǎn)品設(shè)計求解空間方面的優(yōu)

4、勢，提出了MFBS的產(chǎn)品設(shè)計過程模型。綜合考慮客戶需求與產(chǎn)品功能元之間的相關(guān)性，功能元之間的流相關(guān)性和技術(shù)進化時功能元之間的相關(guān)性，構(gòu)造功能矩陣，研究了基于模糊動態(tài)聚類的功能模塊劃分方法。以MFBS設(shè)計知識的表達為基礎(chǔ)，建立了產(chǎn)品設(shè)計知識的MFBS本體表達模型和產(chǎn)品設(shè)計知識系統(tǒng)。
　　 (2)基于元素級的本體匹配方法、基于概念結(jié)構(gòu)的本體匹配方法都考慮了本體概念語義中的一部分?；诙嗖呗缘谋倔w匹配方法也只是把概念自身的語義和概念間

5、的層次結(jié)構(gòu)以加權(quán)的形式進行簡單地組合。綜合利用本體概念自身的語義和概念間的層次結(jié)構(gòu)，提出了基于本體語義塊相似性匹配的設(shè)計知識更新方法。通過Jena提供的元素提取方法提取OWL文件中的本體元素，采用基于元素級、基于結(jié)構(gòu)級的方法，獲得匹配概念對和待匹配概念對;利用本體概念自身的語義信息和本體概念間的層次結(jié)構(gòu)信息，建立概念的語義塊;計算概念語義塊相似度，判定待匹配概念對的匹配關(guān)系，實現(xiàn)設(shè)計知識的更新。
　　 (3)針對現(xiàn)有的知識檢索與

6、推理方法，在以知識間語義關(guān)系為主的創(chuàng)新設(shè)計方面的不足，采用分層遞進的本體映射策略，系統(tǒng)地研究Jena編程實現(xiàn)MFBS本體知識檢索與映射推理算法，進行基于知識的產(chǎn)品設(shè)計。引入本體概念的變型空間理論，提出了基于變型空間本體映射的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法，提高以產(chǎn)品設(shè)計知識間的語義關(guān)系為主的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計能力。
　　 (4)在產(chǎn)品設(shè)計方案生成階段考慮結(jié)構(gòu)的全生命周期評價屬性，建立結(jié)構(gòu)的全生命周期評價基因模型。構(gòu)造面向全生命周期評價的適應(yīng)度函數(shù)，

7、采用選擇、交叉、變異等遺傳操作并設(shè)計遺傳操作算法，實現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)全生命周期評價基因模型的功能模塊設(shè)計方案的自動生成。更好地體現(xiàn)設(shè)計方案的全生命周期評價屬性，提高設(shè)計方案生成的效率。根據(jù)功能結(jié)構(gòu)圖，組合各功能模塊形成產(chǎn)品的整體設(shè)計方案。
　　 最后，在關(guān)鍵技術(shù)研究基礎(chǔ)上，開發(fā)MFBS框架下基于知識的計算機輔助產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)(Computer Aided Product Innovation Design，CAPID)，包括系統(tǒng)框架

8、設(shè)計、各模塊詳細流程，并針對多繩金剛石串珠繩鋸設(shè)計進行應(yīng)用研究。
　　 綜上所述，本文提出MFBS框架下基于知識的計算機輔助創(chuàng)新設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究。借鑒模塊化設(shè)計在縮小產(chǎn)品設(shè)計求解的空間方面的優(yōu)勢，研究了產(chǎn)品的設(shè)計知識模型，設(shè)計知識的表示與更新機制，設(shè)計知識的檢索與推理技術(shù);在產(chǎn)品設(shè)計方案生成階段就考慮結(jié)構(gòu)的全生命周期評價屬性，利用進化技術(shù)實現(xiàn)設(shè)計方案自動生成，以期獲得可持續(xù)應(yīng)用、基于知識的計算機輔助創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)。由于采用基于語義