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基于可拓实例推理的智能化概念设计研究 摘要 智能化概念设计的研究一直是计算机集成制造领域的前沿课 题。概念设计作为是产品设计过程中最重要，最复杂，最活跃，最 富有创造性的设计阶段，具有明显的创造性，多解性，层次性，近 似性，经验性和综合性特点，是一个复杂的决策过程。对概念设计 过程深层次知识表达和复杂推理的研究是一项富有挑战性和前沿性 的研究课题。本文受国家自然科学基金和国家高科技研究发展计划 ( 8 6 3 计划) 资助，深入研究概念方案的可拓实例方法，对于解决目 前智能设计理论研究与工程实现中的瓶颈问题，具有重要的理论意 义和工程价值。 本文在综述了国内外现有概念设计智能化方法的基础上，综合 运用可拓学理论和实例推理技术，提出基于可拓信息物元的实例推 理方法并在所开发的机械减速器概念设计原型系统上加以验证。 本文的主要贡献概述如下： ( 1 ) 论文在研究与分析可拓推理理论方法的基础上，分析c b c d 创新的三个可能点：原始实例的创新，检索的创新，修改的创新， 进而提出了基于可拓实例推理的概念设计映射模型。 ( 2 ) 本文提出一种适合于实例设计知识表示的可拓信息物元表 示方法，用可拓信息物元作为实例表示的最小知识单元，描述物元 的特有性质，如相关性，发散性，蕴含性等，使知识表示具有“动 态性”。 ( 3 ) 论文在可拓信息物元表示的基础上，提出了一种激励推理算 法，并从理论上证明该算法的有效性。文中对物元的相关性，相似 性度量以及创建实例库等关键性问题进行了深入的分析与讨论。 ( 4 ) 应用本论文提出的可拓信息物元表示方法和相应的激励算 法，成功开发出减速器产品概念设计可拓信息物元实例推理原型系 统。 本论文的工作在实例推理技术的基础上，结合可拓学特有的知 识表示特性，提出了激励推理算法，注重设计方案的创新性和灵活 性，强调了系统的可实现性。 关键字：概念设计，实例推理，激励算法，可拓学，信息物元 n t e l l i g e n tc o n c e p t u a 乙d e s i g nr e s e a r c h o fc a s ee x t e n s i o n b a s e d 妲a s o n i n g a b s t r a c t i n t e l l i g e n tc o n c e p 搬a l 如s i 掰r e s e a h i n ga l w a y si s 搬ef o e u s i n g t o p i c so fc o m p u t e ri n t e a t e dm a n u f a c t u r es y s t e m c o n c e p t u a ld e s i g n i st 量l em o s ti m p o 赡姐t ，也em o s t c o m p l e x ，也em o s ta c t i v e ，a n d 也e 獭o s t c r e a t i v ed e s i g ns t a t e si nm e p r o c e s so fp r o “c t sd e s i g n ，w h i c hh a v et h e n a t u r eo f e x p l i c hc r e a t i v i t y ，越u h i s o l u t i o n ，h i e r a r c h y ， s i m i l a 越t y ， e x p e r i e n c e a n d c o m p o s i t i v t y ， a 1 1 dw h i c hi s a c o m p l e xp m c e s so f d e c i s i o n 啦a g w ek n o w 也a td e 印l yk n o w l e d g er e p r e s e 嫩8 t i o na n d r e a s o n i n g i s8c h a l l e n g er e s e a r c ht a s ki nc o n c e p v u a ld e 8 i g n t h ep a p e r i s s u p p o r t e db y n a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o na n d b y8 6 3 ，t h em e t h o do fc a s e e x t e n s i o n b a s e do f c o n c e p t 【】a ld e s i g ni sm o r o u g h l yt a l k e da b o u t ，w h i c h h a ss i g n i f i c a n tt l e o 翠a n de n g i n e e rv a l u ef o rs o l v i n gt h eb o 抗j e n e c ko f i n t e l l i g e n tc o n c e p t u a ld e s i g n t h ep a p e rs u m m a r i z e st h em e m o do f i m e l l i g e n tc o n c e p t u a ld e s i 如 e u n t l y 溉t 量l ew 耐莲，黼dc o m b i n e se x t e n s i o nt h e o r yw i t hc a s eb a s e d k e a s o n l n gt e c h n o l o g y ，m ep a p e rs u g g e s t sc a s eb a s e dr e a s o n i n gm e t h o d 斑a ti sb a s e do ne x 主e n o n m a t t e re l e 撒e n ti n f o r n l a t i o n ，a n 莲斑ei d e a s i d e “t i f i e d t h r o u g h a p r o t o t y p e d e s i g 靛。 s y s t e m o f s p e e d r e d u c e r c o n c e p t u a l t h e p a p e rm a i nc o n t r i b u t i o ni ss u m m a r i z e da sf o l l o w e d ： ( 1 ) 强ep a p e rr e s e 皴馥e s 黼d 黼鑫l y s e se x t e n s i o 鞋t h e o 拜，搬e n s u g g e s t s t h r e ec r e a t i v e p o i m s i nc b c d ： c r e a t i o no fo r i 黛i n a l c a s e ， e r e 鑫主i o 拄o f 糟t r i e v a l ，e 豫a 专i o 魏o f 勰v i s i o 瓠a n ds 挂p p o 挖sc o n e e p 搬a ld e s i g n m a p p i n g m o d e lo fc a s ee t e n s i o n b a s e r e a s o n i n g ( 2 ) t 歉e p a p e rp u s f o r w a 蟋sa 忿p 狩s e 鞋 a 专i o nm e t 魏。泰o f e x t e n s i o n m a t t e 卜e l e m e n t i n f o n l l a t i o nw m c hi ss u i tt oc a s eb a s e dd e s i 也n k n o w l e 堍er e p r e s e n a t i o n ，a n d 礅a 犍e r - e l e m e 珏t i n 灸r m a i o ni sr e 蛙r d e da s t h es m a i i e s t k n o w l e d g ec e l l ，d e s c r i b e sm ef e a t u r eo fm a t t e re l e m e n t s s u c na sc o r r e i a t l v en a t u r e ，d e r g e n tn a t u r e ，i m p l i c a t i v en a 乏u 糟，m a 她s k n o w l e d g ee x p r e s s i o nh a v e t h ea b i l i t yo f d y n a m i c ( 3 ) t h ep a p e r i sb a s e do nm ee x p r e s s i o n o fm a t t e r e l e m e n t i n f b n n a t i o n ，t h e n a d v a n c e s i n s p i r a 上i o na l g o r i m m s ，a n dp r o v e s t h e e f 诧c t i v t i y o ft h e a l g o r i t s m 撒e r e l e m e n t s r e l a t i v i t y ，s i m i l a r i t y m e a s u r e ，a n dt h eb u i l d i n go f c a s eb a s ei sc o n s i d e r e dp a r t i c u l a r l y ( 4 ) t h r o u g ha p p l y i n gm ei d e a o fm a 七t e r e l e r n e n t - i n f o m l a t i o no f e x t e n s i o na n dc o r r e s p o n d i n gi n s p i r a t i o na l g o r i t h m sm a ti ss u p p o r t e di n t h e p 印e r ，t 1 1 ep a p e rd e v e l o p s ap m t o 够p e s y s t e m o fs p e e dr e d u c e r c o n c e p t u a ld e s i g n o fc a s em a t t e r e i e m e n t - i n f o m l a t i o nb a s e d r e a s o n i n g t h em a i nw o “(o f p a p e r i sb a s e do nc a s eb a s e d r e a s o n i n g t e c h n o l o g y ， a n dc o m b i n e sm e s p e c i a lk n o w l e d g ee x p r e s s i o n o f e x t e n s i o n ， m e n s u p p o r t e di n s p i r a t i o na l g o r i t t l m s ， t h e p a p e rp a y s a t t e m i o n 廿1 e c r e a t i v i t y a n dm e f l e x i b i l i t y o f d e s i g l lp r o j e c t ，a n d e m p h a s i z e s t h ea b i l i t yo f s y s t e m r e a l i z a t i o n k e y w o r d s ：c o n c e p t u a ld e s i g n ，c a s eb a s e dr e a s o n i n g ，i n s p i r a t i o n a l g o r i t h r n ，e x t e n s i o n ， m a 骶re l e m e n ti n f o r r n a t i o n 第一章绪论 1 ， 孳l 言 产品设计作为现代工业生产的关键环节，在产品的整个生命周期中占商极 其羹要的位鬻，它从根本上决定了产品的内在本质，以及产品的质凝和成本a 图l l 表示了设计的作用：产品成本的7 0 是由设计阶段决定的；而在运用 图l l 产品成本在拜发各阶段所承摁的份额 c a d c a m 技术的工程阶段，只决定了2 0 的产品成本；在生产过程控制和规 划酴羧，粥只影鹃成本豹1 0 h l 。自筵霹霓，设计怒决定产麓余运簸重要静环 节。 设毒卡伤为季孛刨麟活动始终 拳慰着人类熬发展瑟存在。毽是把设计提舞型 理论的高度，并作为一门学科单独的提出只是最近四五十年的事。臌然目前设 计学的理论尚未育一固定的模式，德是设计绣要求达到“剖耨”兹鞭撂已取缮 不同设计流派的共识。最能体现产晶设计“创新性”的是在概念设计阶段。概 念设计除段农很大糕度上决宠了最终产品的性能、刨造性、价据、市场响应速 度和效率等。此外，据有关资料显示，虽然概念设计阶段实际投入的费用只占 产品开发总成本的5 ，却决定了产始总成本的7 0 ，而且详细设计阶段很难甚 至不能组正穰念设计阶段的设计缺陷和错误。 由于市场竞争的剧烈性，用户需求的多样化和个性化，以及设计产品复杂 往弱捷薹，後穰念浚诗过程辩变更曼抽频繁e 设计表现出不确定往，需要设计 工程师丰富的槌关知识和设计经验，因此传统的cad 技术的几何建模方法在 概念设诗除段基不麓适合其簧求。基蓠，餐缝纯概念浚诗豹骚究己缀成为当蓊 概念设计领域研究的一个热点f 2 】【3 】【4 。智能檄念设计的目的是利用计算机全部或 部分她替代设计人员从事设计的分析和综合过程，在计算机上再现设计师的创 造瞧设计过程。程支抟智能他产品概念设计瓣建摸技本巾，传统懿几褥售患已 不掰占据主导遗像，为了使系统具有推理髓力，系统搿处理豹对象不仅包括数 据信息，而且包獬各种相关的领域知识。圈前世界上几家大型的工业设计软件 生产商都加大了概念设计部分的研究力度，并开发出相关的模块投入市场，如 p 爻0 鹰疑c d r s 模块，u g 疑1 6 舨w 科e 模块，发震翻1 8 、1 9 ，叛基于耘 识驱动的智能模块，都是于针对概念设计阶段所开发的f 5j 。但从根本上来看这 些模块不能实现舆正意义上的概念设计。概念设计应该愿一个不断渐进和深化 的过程，要求支持t o p d 【o w n 设诗方式；实现设诗对象功能信息狂足俺售患缒 协调和相互转换。为了更有效的实现剖薪的概念设计，粼内外学者将远凡年来 出现的各种人工嬲能方法，诸如专家系统，遗传算法，神经网络，遗传编程， 实例推理等引入到设计领域中，试图获得有效的解决办法怕”。为此智能化概念 设诗磅究吴毒羹鬟鼹瑾论意义裟应焉兹最。 1 2 概念设计定义及其过穰 1 2 壤念设计戆定义 对于概念设计目前有两种比较权威的定义：p a l h & b e i t z 在工程设计学 一书中提出概念设计这一名词，并将其定义为：“在确定任务之后，通过抽象化， 攘定功麓结构，瀑求逶当豹俸羯嚣理及茭缝合等，确定爨基本求鼹途径，摄出 求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计n ”mjf r e n c e 在其c o n c e 口t u a l d e s i g nf o r e n g i n e e r s 中将概念设计定义为：“概念设计悬考虑设计问题的内容， 并以方寨鲍形式撼蹬众多匏解的设计除段p l 。” 癌予对设计豹内涵、设计溅论有不同豹认识与理瓣。导致了对设计过程模 型的不同论述。机械产品设计过程模型归纳超来主要有三种：p a l l l 和b e i t z 认 为：机械设计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段f 8 l ： l l e r 谈戈：裁缀设诗分力产黠规划、凌黢竣诗、定羧设诗窝定量设诗等霾拿 阶段1 9 | ：上海交大邹慧君教授掇出：机械设计分为产品规划、方案设计、详细 设计和改进设计等四个阶段l l 。从本质上来说方案设计的过程就是一个决策的 过嘏，它属于概念设计的范蹲。这些分类的侧重点虽然褥新不同。健怒关于设 诗斡依据、嚣拣、要求、设计遗程豹本震、支持设诗工佟的基本要素簿基本上 是相同的。所以，机械产品设计的过程一般可分为需求分析、概念设计、技术 设计、详细设计四个阶段。流程图见图l 一2 。 嚣求分撰：蓑求分板是产品设计的第一步，它是在市场预测、可行性分檄的 基础上，根据用户需求，确定设计参数以及约束条件，最飚给出详细的设计要 图l 2 产品设计流稷 求表，作为设计、评价、决策的依据。但是在有 些情况下可畈略过市场调查分析部分，直接从设 计要达到的条件入芋。 概念设诗：产晶概念设计是建立在需求分析 的基础上，谶行产品功能原理的设计。设计人员 在设计阶段袋蔫各种方法逶_ l 篷镁薪稳愚。援索探 求，从多个方案中经过排序优选，取得尽可能优 夔缀壤方寨。壤念设诗是一个典型翡躲识密豢型 劳动，要取褥优良的设计方案，设计师必须具有 辜塞疑设计经验_ 摹曩设计j 羲识，掌握众多戆设诗实 例。设计知识、设计经验及设计实例的处理烧概 念设计阶段躲重要特缝。 技术设计：技术设计就怒将功能朦理方察具 体化为机器及零部件的合理缝掏，这阶段的主要 工作包括总体设计、结构设计、用户化设计和模型诚验等。 详细设计：详细设计就是在前蕊三个阶段的基础上，进行零件工作图、部 侔装配图的设计，它的主要结果是究成生产图纸、编制设计说明书、编制工艺 文件和使用说明书等。 在上述产品设计过程来嚣，禳精起来说，设计黔主要多骤是两步：一麓概 念设计，另是构裂设计。前者的目的是制定出方燕，后者的目的是设计出具 体构麓【1 8 。缎是获嚣麓静概念设计磁究趋势来看，琴者浆赛陵已经熬来越模襁， 因为设计阶段需要信息的不断反馈与交流，而人为的过程划分只是强调其羹点 毒联不同罢了。 1 2 2 概念设计的过稷 产品的概念设计般包括设计信息获取、问题识别、形成设计方案、选择 设谤方案和输出设谤方案兄令步骤l l l l 。吴旃瓣工作浚程露蚕l 一3 。 信息获取：信息获取就是在市场调查、需求分析的基础上，获取产品设计 夔原始数握移设诗绞索。 问题识别：问题识别就是对所获敬的原始数据和设计约柬进行深入地分析， 盟确趣题类型，确定设计曩摭和产晶豹总体功能，势进行功戆分辫，得蜀一蓉 列的功能元。所谓功能是对输入和输出的变换所作的抽象描述。例如，减速器 的功能就是对输入辅的转速与功率实现变他。问题的识别怒概念设计过程中的 一个重要步骤。 黼l 一3 檄念设诗王作流稷 形成设计方案：设计方案是指产品的原理方案。方案的设计是从功能元的 求解开始的。功能元的求解就是获取实现功能元的舆体方案。功能元求解的结 果怒获取多缀与每个功能元对应的分系统方案，每组方察的组合就构成了一 个产螽设诗方案。掰有产品设计方案组合在一筵就构成了产赫设计方案静集合。 因而概念设计是一个多目标、多层次、多方案的设计问题。它是基于问题的识 蘩和专家懿後毒 躲识、设计经验纛浚计实铡瓣甾遥髋进程。 选择设计方案：由于产晶概念设计是一个多目标、多方案设计的问题，设 诗方爨瓣选撵在概念设计进程串藏鑫骞分蓬要戆堍经。选择设诗方案载楚对 方案集中的所有方案进行评价和排_ j 筝。实际上设计师在产晶设计的全过程都是 垂甏袋不叁煞建对务秘可戆戆方案避行译徐劳徽出决策。隧蓉秘学技术匏发震 和设计对象的复杂化，有必骚采用先进的科学理论、评价手段和评价系统对各 个候选方案避行分掇鞠评定，芳针对方案存疰的技术秘经济上魏弱点，热以改 进和完善。闲此，从广义上讲，评价是产品开发的优化过穰。方案的评价与排 序也是基于专家的设计经验秘设计知识的过程。 输出满意方案：输出满意方案就是根据各个设计方案的评价和排序结粱， 输出满足设计要求的设计方案。方巢豹输出珂用多种方式，如可用文字输出， 也可黼图彤输出。 上述五个概念设计的过稷不是相互独立的，而怒个相甄联系冉勺有机整体。 信息获取是概念设计的第一步，是藤续所有除段的髓搓，闷邋识稍必须依赖子 所获得的信息和专家的设计知识与设计经验，根据设计目标产生多个殴计方案； 方案貔选择粥是对产生戆多个候选方案进行浮价帮捺序，魏莱有符合要求黪设 计方案，则输出满意方案，否则，根据方案评价信息重新进行问题识别、方案 形残秘方案谬徐秘搂净，毫爨褥密褥含设诗溪求夔浚诗方寰。缀曩然，穰念设 计的过程是一个重复迭代和不断优化的过程，在这个过程中，设计糟的设计经 验和设计知识起着瀵要的作用。但怒目前豳内外对概念设汁的研究试图淡化这 释形式健麴逶程，褥簌诀鲡秘学豹霜凄寒勰凌概念设诗霹瑟e 本文醣究嚣实镶 推璁方法就是基于爝者来展开的。 2 3 匿内外概念设计静磷究现获譬存在阚题 壤念设诗疆究衡涉及懿关键技术，主葵毽捶藏念设诗系统、撼念谩计过霉 建模、概念设计信恩表达、概念设计方案报理及概念设计方案评价游几个方面。 1 2 、3 概念设计祭统研究糯状 蠹概念设诗藏海设诗镁城翡礤究蒸点乏蓐，不麟戆鸯穰念设诗系统闽艇， 下袭列出了些典擞的概念设计系统，简裂说明如下： ( | ) e 雠d e s 楚爱凌牮大学k 珏s i 呔等予 9 粥年拜发酶藏念竣计系统。该 系统采用了面向对魏技术和规则栩牿合的方法，利用对象避行设计的合成，利 霜溉剿采攒警这个过程。 ( 2 ) d s s u a 怒悉尼大学g e r o js 领导的研究小组于1 9 9 2 年歼发的原裂系 绕。该系统蓥子功g g 一行为一结擒糕絮，艉够支持领域闰类跑，熬鸯一定静斟 新能力。 ( 3 ) 融潮k 魏 d e a l 是健治亚理工学赡e b e la 等人研铡的设计支持系统。 两个系统均能支持产品剖新设计，其中l 蕊t i k 采用藏；铡维瀵技术，丽i d e a l 刚透 过扩展k 矗t i k 实现类比推理。 基本遐论霹以支持以辩识的态在 联系为基础的知识表示【5 9 】。菱形思维是物元可拓过稷中常用的方法【5 4 】【6 0 】。总之， 可拯举理论为叛型餐戆系统中剑造| 堡思维魏产生提撼了一条全耨麓磷究途径。 2 11 物元的概念 给定事物的名称，它关于特征c 的量德为v ，以有序三元组 霞= f ，c ，v ) 作为描述事物的基本元，简称为物元f s 4 l 。事物的名称，特征c 和量v 值 称为物元的三要素。 个事物可以裔多个特征，如聚攀物以珂个特征c l ，c 2 ，c 。及其相应的 量壤v ，p ：，v 。接述，鄹表示为 r ； ，o l ，”l e 2 ，妒2 焉 震2 称胄为n 维物元，其中r 。= ( ，c 。，v 。) ( f = l ，2 ，h ) 称为r 的分物元。 21 2 物元的可拓性 物元的可拓性悬物元特有的性质，是处理矛盾问题的依据，它包括物元的 发散性、可扩性、掇关性、夔含性秘共辍性【5 4 i ；剥斑物元的可拓馋，以形成甥 元可拓方法，相应称为发散树方法、分合链方法、相关网方法、蕴含系方法、 共轭j 尊方法。 l 、发散树方法 把“一物多征，一征多物，一假多物”等特性概括为物元的发散性。报据 物元的发散。陡，由物元的三要素，c ，v 其中个或两个出发进行发散，可以得 到多个物元，从恧为人我勰决闼题撼珙多条霹供选捞的路径。应蠲发鼗缝麟决 求知和求行问题的方法称为发散树方法。 2 、分台链方法 一个事物可以与其它事物结合成新的事物，从而为解决矛盾问题提供了可 能性。同样，一个事物也可以分解成若于薪的事物，它们具有原事物不具有的 某些特征，从而也为解决矛盾问题掇供可能憔。把事物可阻结合和分解的可能 性统称为事物的可扩性。可扩性包括可加性、可积憔和可分性。利用可扩性去 解决求知和求行阎题的方法称为分合链方法。 3 、相关阚方法 一个事物与其它攀物关于某祷，碰翁量毽之淹，醚事物兢阚族肇物关予禁 些特征的量假之间，如果存在一定的依赖关系，我们称之为相关。由于相关性 匏存在：一个事物帮族事耢关于蒸一薅程黪量僮辫交位会尊致关予羽熬将征 的量值的变化，这种变化相互传导于一个相关网中。这使我们可以利用相关关 系去处理采戋瑟滔霆零求露蠢怒。吴一方覆，落出于秘关弼懿京在，捷我翻遴行 物元变换时必须考虑其相关事物的变化，也就是“零发而动全身”。因此，相 关性是研究变换的涟锁作用的依据。应用相关性与物元变抉解决求知和求行问 题的方法称为相关嘲方法。 4 、蕴含系方法 若爿存在，必肖嚣存在，则称a 蕴含b ，记作a j 曰。4 与b 之间的关系 称为蕴含关系。 若z 条件下，若爿存在，必有丑存在，则称该条停下爿蕴含嚣，记作爿j f ! ) 霎 其中爿称为下使元素，口称为上位元素。4 和露可以悬事物、特征、量值、 物元莓。 应用物元的蕴含关系解决求知和求行问题的方法称为蕴含系方法。 5 、共辘对方法 从事物的物质性、系统性、动态性和对立性出发认识事物，能够更完熬的 描述事物的结构，受深刻地揭示事物发展变化的本质。从这四个角度出发，相 应媲提出了寝实、软硬、潜显、负雉这四对对立的概念来搦述事物的构成，称 为事物的共轭性。从这八个角度去研究物元，就是物元的共轭性。应用共轭性 与物元交换去解决求知和求行问题的方法称为共轭对方法。 2 1 ，3 菱彩思维模型 菱形思维是一葶申先发散瑶收敛的思维方式【5 ”。幽于人们的剑造性思维过程 就包括发散性思维和集中憔思维，所以菱形恳维能很好地描述人们的刨造性思 维过程，建立菱形思维模型，可以将人们的创造性思维形式化，使计算机模拟 人的翎造瞧过程成势可能。 l 、单级菱形思维模型 人们簌攀静诲多活动，繇可敬麓耱元采擒述，款菜一耪元出发，穰瑁物元 的可拓方法，沿不问的途径，开拓出许多物元，从而获得大量的信息，为分析 运熬耪簿凌瓣题提供丰富懿资瓣，这个过纛髂惫发散过程。在藏蓥礁上，穰摅 客观条件的限制和躺决不同问题的不同需要，从可行性、优劣性、真伪性、相 容姓照发，对发敖迄程褥至l 数大量镑元进行谱徐，戆选出餐含要求静少量物元， 这个过程称为收敛过程。最后，对选出的物元进行物元变换或综合处理，可以 褥到超乎寻卷靛薮鼹点、巍思想、获方案。这个过程裁是零缓菱形思维过稳， 其模型如图2 1 所示，其中”脚。 在上述模型中发数过援酆 r _ r 1 ，心，- 一，r 。 其中，符号“_ ”为发敬，它壤据物元豹可菸熬进行。可敬翻鹅发数瓣， 或分合链，藏相关网，或共轭对，藏综合其中若干个方法进行发散。而收敛的 r 。，r ：，r 。) 卜- 忸：，r ；，一，r ： 蜀钒”1 “) 尺2 = 【2 ，c 2 ，v 2 ) r = ( ，c ，v ) 一 r 。：( 。) r ：= _ v ： 图2 1 单级菱形思维模型 其中，符号“卜”为收敛，依据评价方法筛选发散出的物元。 2 、多级菱形思维模型 在解决一些复杂问题时，我们往往采用发散一收敛一再发散一再收敛的 思维方式，如此反复多次的菱形思维过程，可以看成是简单菱形思维方法的多 级串联或并联，称为多级菱形思维方法。多级菱形思维方法的模型如图2 2 所 示。 焉 r 且 t l 疋r 一” 钳“ 图2 2 多级菱形思维模型 3 、发散树模型 在解决实际问题的过程中，往往要综合应用若干个发散性才能找到解决矛 盾问题的方案。发散树一般模型如图2 3 所示。 人分 拶c o ，v n _ 1 ，2 ，妥，芩一，v o n 乩2 ，砖y ，心川，：影峄n z 一y v 一 图2 3 发散树一般模型 2 2 基于实例推理的概念设计基本内容 基于实例推理方法( c b r ) 一般可描述如下：为解决某一特定问题，从过 去的经验知识存储中寻找相似的问题，试图重用过去的成功解答来完成当前问 题。下面的四个问题是任何类型c b r 研究的核心【6 2 】。其中基于可拓信息物元 实例推理概念设计研究主要围绕这四个问题展开讨论。 l 、概念设计的问题和解答的表示方法。 2 、待推理检索中已有设计实例的组织。 3 、筛选满足设计要求的相似设计实例。 4 、已有的设计实例重用。 2 2 1 概念设计的实例内容及表示方法 实例是c b r 技术的基础，其表达信息的内容和方式关系到用它解决相似问 题的质量和效率。因此如何将已有的设计资源表示成满足c b r 要求的实例就 成为c b r 的重要环节。其中涉及两个方面：实例的内容和表示方法。 221 1 实例的内容 实例的内容和表达方法与应用领域有关，机械产品概念设计领域，实例应 当包含设计所需的信息，主要有：产品的功能、主要性能参数、结构特征、设 计计划、几何模型、管理信息等。具体的实施则又因人因系统和应用对象而异。 b a r d a s z 和z e i d 提出设计实例应是设计计划，并认为通过修改设计计划来获得 新产品比通道修改产品本身鼹有效，而且将设计计划分为四个层次：产品、装 配体、零件、元件设计计划，并利爝认知模鍪来组织实饿库5 。m a l l e r 在 c a d s y n 系统中中认为实例是特征属性一德对，且个实例由s u p e r - c a s e 和 s u b ，c a s e 缰成嗣。g l l a s s a n 等将实饿袭示成梳械运动结构，镶括：结鞫框架( 包 含设计技术规格) 、豳( 代表零件之间的连接关系) 、设计规则和数据库表( 描 述不阖豹极槭零斧f 矧。s y c 撤在c a d e t 系统中将实镄表示戒功麓、结褥、 行为及它们之间的关系【6 “。r 且p h a e l 在c a d r e m 系统中，将实例表示为设计方 案、浚诗方法霹设诗经务懿缝合，莠撂毒一拿设诗实锲应惫话竣下内容：毽含 设计需求的设计问题描述、最终设计结果、隐含在设计结果中的因果关系、设 诗评铃、藏臻熬设计帮失败鸵实铡1 6 7 i 。以上轰示方法对祝槭产晶概念设诗还不 能完全满足要求。它们仅仅描述了产品的一定层面，但一个产品很难用一个完 整懿模型来攒述，产器模型一般具裔多视图性，作为实例则嚣包含这些视黧， 并且能够反映这些视图之间的关联关系，但这些问题仍有待于深入研究。 2 。2 2 实铡豹表示 实觏豹表示方法与实捌豹瘛套密甥捃关，m 惑e r 将这些方法织续为：j i 慕缝 一值对、文本、面向对象表永、图、多媒体袭示和屡次图表示。概念设计c b r 系统大多采趱其中的一静或几秘方法黔组合1 6 8 1 。概念设计c b 技系统的实例表蜣 形式，归纳越来可以着作一个设计实例是一个由设计问题和设计解答组成的数 组，即： 设计实例一( 设计问题，设计解替) 一个设计实例应包括设计问题和设计解答的全部相关特征信息。但不应包 括广义知识戴当前学习的具体知识。通常，设诗查谲具有实时一睦和动态往，它 被认为是一个特殊的实例，它表示了当前问题的具体状况，但不包括解答部分： 设计查诲一( 设诗阀遂) 实例库仪是实例的集合，相应的，实例存储则是结构化的实例庠，也就是 浼，实绸露为了检索翡嚣懿，穰缓绞戏一特定酶存储结橡。 2 2 2 实例的相似性 一个产品设计实例包含了丰富的信息。这些信恩中，并不是每一个细节都 露实鲻的往穗和祷，谯有着等间静影响，不可熊也没裔必要对设诗方案实铡的每 一个细节进行考察，而只是考察那臻区别于其它设计方案实例的属性，这贱属 性海毒鼙予羚翳该实鲷是否与其它实镶裰儆，是否每当蘸懿设诗要求褶像，本 文称这样的属性为实例的特征属性，将它们的结合称之为实例特征【删。 实例的特征属馥包括描述实谢的主要功能、结构和评价耩往，使实铡嚣潮 予冀它实例的实例属性。实例特征悬实例特征属性的集合。 实铡待，鬣是实镶的浓缩翻提炼。实铡静设计磊豁、幸露始条件、满足静设计 约束等都应作为实例的特征属| 生而成为实例特征的一部分，这一部分特征实际 上裁楚实铡产生蓬程中蘸满楚兹设诗任务。在实际彝冬设诗过程孛，给定了设计 任务，实际上就决怒了将来产生的设计方案，即实例的主要功能。实例特征中 夔雯帮分譬等薤| | 嚣缝应是撵遴实铡络梅懿关键属牲，它决定鬻其它戆梅| | 嚣瞧蕊， 实例的评价祸性是指在同一功能下，结构的实例会裔多个，要从中选出最健的 实例，需要瓣实铡璐送厅趣关译徐，嚣评价熬过理嚣要绘出糖关兹涎份嚣燃搔 标。旦这魑关键属性确定了之后，整个设计方案实例就确定了，其它属性的 确定均屡绕这些关键属性展开静。对手实例懿超似憋有以下掰个论点： 论点l 其有相似设计任务的实例是相似实例。鼹有与当前设计任务相似的 实例可作为相似实例为当前的设计过程提供参考。 论点2 矮有一个或多个相似特谯属性的实例具有相似憔。这种相似性通常 表现为实例间特征属性的值成比例或共同满足同一个约束。 论点3 猩满定l ，2 论点的基础上，得出的实佣加以评价藩性的约束，麓使 最终实例解收敛到最优。 对论点l 、论点2 、论点3 有如下认滚： 1 、论点l 从宏观层次对实例相似性的解释，它着眼于设计的功能描述，而 不关心实铡瓣产生避疆及痰帮结穆。它意设计问题番律是一个篓籍或灰籍阉蘧。 设计的功能和结构可以分开处理的，完成同功能的设计，可以采用不同的设 计方法，款巍产生不掏匏缝擒。这耱提篷芰接瑾方法黪结果，麸菜秘意义上漭是 能进行变异设计、具有创造性。 2 、设计馑务包含窍多静爝蛙，涉及不鄹镁域，毽宅翻应 乍为一个整蒋来处 理，它们对窟例性质和功能的影响照相互作用的综台结果。这种综合的过糨是 基于设计的深层次知识推理瓣产物，恧不是麓单地嫠船。 3 、论点2 是一个关于椭似的微观描述，没有涉及到实例的性质和功能，而 是把注意力集中到实例的某一个局郝，反映的是实例的结构相似性。 4 、论点3 将本威在实例推理井宠成的工作包含进来，使得在实倒推理完成 后，得到的实例就是最实际的解答，丽无需褥作出相关评价。 5 、在实际设计过程中，实例与窝例闻静相似性判断，安铡与当前设计阔题 的棚似性判断应是在融合三个论点的基础上统筹考虑，取长补短，相辅相承。 骏宏黢上，论点l 绘密了实傍l 褶钕瞧的本质播述酃功能裙戳筏。而论点2 鼠微 观角度描述了实例的璃性相似性。论点3 从评价的角度考虑了实例的相似性。 曩时矮有这强耱糨钕性的实绸方是最佳稿板实铡。銎2 4 爱淤了两种裙讼实织 与最佳相似实例的关系。而实例检索就是要找出最馋相似实例。因此，实例的 检索依据应嫩实例特征各属性的相互作用的综合结粜。 功能结构 评价 l 相亿卜一相似相似 _ 最健相似实例 实铡实镄实铡j 豳2 4 相似实例的关系阁 2 - 2 3e 8 r 的过程模裂 c b r 系统过程模型通常被描述成r 4 ，即由四个以r 字母开头的环节组成。 如餮2 5 。一般酌e b r 模黧由下瑟强阶段缎成f 7 啦： l 、检索( r e 廿i e v e ) ：在实例存储中寻找接近与给定问题的最相似实例。 2 、重嗣( r e u s e ：把检索型静袋相铉实锯应瘸羽当兹润蘧上，这里包括了 适应部分。 3 、修改 装v i s e ) ：霉要检查蓑一除鬏的解答黎露臻洼翻正确蕊，这是c 转r 阶段必须的部分，因为不确切的匹配将会产生不正确的解答。 4 、缳存( r 暑t a 巍) ：逡经过修改纛爨藜实铡期入戮系绫中，不叛匏李 充实镬 库，使之具商荐学习和自动升级的功能。 r 4 模型戆每一个部分攒述了接蘧过程的个特定玲段，共旦每部分可通 过一些不同的方法来实施。比如，检索包括了相关特征的识别，从实例存储中 搜索实例，掬4 以度傻的计算，以及最相似实例豹选蝾。搜索零身又肖众多可供 选择的方法，如索引法，线性搜索，层次搜索等等f 7 ”。 r 4 模烈几乎已成为c b r 模型鲍一神标准。当然并不是每一个特定系统都 必须龟含以上的四个环节。院如自动重用是否可行以及自动傈存功能是否具备 可视系统的j 藏用情况而定，但是我们可以确定每个系统都必定包括实例的捡索 阶段。 除了r 4 模型外，其他紫者还提出了不问的建模过程。如a l l e n 提出了5 r 模餮，包戆表示，检索，敬编，确试帮瑟瑟五个环节，这个模型可以壹接从 r 4 模型映射得到。 最 解 蹦2 5e 8 r 过程模攫 建议 解答 t h o m a s 提出了r 6 模型 7 3 】，他在r 4 模型的基础上加入了复习( r c v i e w ) 和恢复( r e s t o r e ) 环节。r 6 模垄酶撵出侧黧予闷题得到更好的解决。更重臻的 是，r 4 把c b r 看成一个循环的过程，使得学习和问题解答紧密的结合起来， 并整镀茂静锈接更趋合理。 2 。3 基于霹拓信患物元实例推理基本原理 2 3 + 1 问题的提出 本文将物元可拓学理论弓j 入到c b r 设计系统中。通过对设计信息物元以及 魏元关系的处理，缎过程瘦敬推理舞法，饺来籍润蘧转换为己镭同蘧。羁爝魏 元的可拓特性，有效的拓展绒收敛解的空间域。 在c b r 设诗过程中，嚣要楚理好嚣令荧键运瑟。一拿楚实爨懿耋霸懑趱。 另一个是决策的柔性问题。实例的激用是宓例特征能通过不同组合取得同样的 设计方案，嚣不是一对一斡楚理模式，郎一个阗题怼应一个圈定的艇答，这凌 极大的消弱实例重用的能力，大大降低系统的应用性。c b r 概念设计系统作为 设计爆的箍勋智能决策工具，不能宠金替代入的l 乍髑。众躜周知，入熬思维是 需要定导向的，这是辅助决策的一项重要功能。当前的c b r 系统多半是赘询 系统，忽略了人的璇耽决策作用，设计方嶷豹有效、刨新与否只取决于蒎壤算 法。这样的c b r 设计不能豁是真正的智能化设计。 考虑到概念设计的复杂性、不定性、创新性，搬它作为应用并在可拓c 8 r 系统中e p 证论文的竣心思怒蹙菲常合适酶，因而本文建立一个基予可拓秘元的 减速器c b c d 系统。但是鉴于概念设计的屡次性，信息物元之间的关系是舆有 特定层次性，关联性的，所以在进行推理之前必须建立可捅物元的概念设计模 型。 总之，可拓c b c d 系统的变化主要应体现在三方面：一是决策的智能化程 度撼商；二是推理的效率提糍；三怒方案的创新能力增强。 2 3 2 基于可拓信息物元实例推理模型 概念设计的信息建模是概念设计研究的基本问磁。建模的正确性和有效性 将壹接影响设计方案的推理产生。网撵，为了实现可拄实例推理，关键在于如 何建立相应的可拓信息物元模型。 本节首先讨论实例推理的概念设计映射模型，然后提出可拓物元的c b c d 模螫。 2 。3 。2 基予实铡攥瑾凝念设计浃象模型 c b r 的磺究表明，产品设计的剖新能力很大程璇上由实例推理技术本身决 定。实例推瓒只是从以往的成功经验中找出适合于灏前问题的最佳方案，成功 的经验已经被存放在c b r 系统的实例库中，设计人员只需从中检索出满意的方 案即可。设计入员创新注的参与受系统流程所局限。可见c b c d 最能体现创新 能力的环节肖三个：由于成功的经验具备了一定的创新能力，一般来说越是 成功翡经验，所包含剖薪的糕度就越大，繇淤c b c d 实例瘁中如莱收集越多的 实例，就有w 能更大的体现出创新性的可能；方案产生的途径。赢观的精， 设诗方案静产生是一个攘素黢过程，这骰乎哭影确方案产熏浆效率，与匐新牲 无关，但从认知学角度来看，检索慰确切的说，应该是一个重构的过程，徽显 然萋携兹有效与否势必影礁裁蔹毪；对e 转袋夔修改( r e v i s e ) 。一个c 8 c d 系统实例库的大小终究是有限的，除了人工增加实例外，系统还可通过自学习 来添奏蠡薮熬修教岳熬实铡数扩大实铡津，毽建辍器修羧是缀难产生全耨设计实 例的，真正的创新实例还需溪人工操作来完成。这讵是概念设计最有可能实现 剖薮鹩骧毽疑在。 目前对于映射模型的研究大多停留在人工实现阶段，徽难将这种创新延续 到计算机辅助设计阶段。计舞机辅助实例推理在概念设计中的创薪性同样受到 约束。我们称之为c b c d 的“刨新瓶颈”。打个比方，就像缀济学上经常被人；i 用的“木桶理论”【h 】，最终价值的体现取决于木桶中最低的那块木片，丽不是 决定于最高瀚那块。把这个璎论借餍剐c b c d 系统中也可说明一个邋理：c b c d 的创新能力i = i ic b r 系统的创新性所决定，即便概念设计可以体现出离度的创新 东平，僵概念设诗鹃销新靛力最终遥受陵予c b r 豹铺新能力。那么现在可以考 虑备种不同映射模型在c b c d 系统中使用的意义了。大家或许有这样的疑问， 为什么在c b c d 系统中回避了概念设计的映射模型，却仍可以检索出方案呢? 为傍么不去缓羁更鸯剑薮霹姥熬其它浚射摸整醒? 蔟实嚣令鹚题签鬃的中心都 是围绕最简单的映射模型一功能结构映射模型展歼的。第个问题的答案是 c b e d 系统戆性的馒爰了功能结构浃射摸型，妇图2 6 ，囊设计人爨输入囱基 标、约束及些相关条件组成的设计任务，经过功能分解，便能将功能相似问 题转换为结构的相似闯题，中闽映射环节以实例特惩值 乍为中介通过相似度的 比较来完成。第二个问题的答案是功能结构映射模激最适台c b r 的工作流程， 丽其它映射模型的引入，由于增加了映射环节，势必影响c b r 工作的效率， 蠲2 6c b r 功能结构映射模型 无论映射阶段如何创新，最终的实例是相对固定的。完全可能将映射阶段产生 豹方案否定袋者弱化。c b r 遥合予产晶煞交整设诗，露拳麓设诗和翻薪设计作 用效果并不明显，这说明功能结构映射模型在c b r 中是有效的。 翅子受“剑薪瓶矮”豹影嚷，联兹对c b r 系统熬到藜憝力载提麓，主要集 中在检索的创新和修改的创新。但实例数量移少对c b r 系统的影响也是不容忽 视的。 2 3 。2 2 基予霹搔售纛物元实翻推璞凝念设嚣淤射模整 检索剑凝和骖改翎赫戆嚣贾究褰不开模型瓣竣射隧送。逶避对c b c 玲淡射模 型的分析，技现传统映射模溅的设计方案绝大多数依靠搜索产生的。文献【6 9 i 提 出了基于重橡分类嬲媳实例摭索模型，它不是献基予设计任务( 功能) 款捻索 模型入手，而是从实例特征属性入手来分析创新性与实时响应性。这就引发出 下列闽题：c b c