（机械设计及理论专业论文）基于设计目录的概念设计自动化研究及其在新产品开发中的应用.pdf

摘要 当今世界，发展竞争的焦点不仅在于产品创新，而且在于对市场的快速响应 能力。因此，我们一方面要提高产品创新能力，另一方面也要提高设计自动化水 平，从而提高产品的开发速度，以适应当代经济快速发展的需要。有鉴于此，本 文开展了以下工作： 分析了国内外在设计方法学特别是设计目录、基于实例推理上的研究现状及 其发展趋势，阐述了本课题研究的难点和重点。 讨论了把设计目录同基于实例的推理技术相结合的策略，提出了与基于实例 推理技术相结合的设计目录的构成框架，给出了该框架每一部分的特征模型，提 出了与设计目录相结合的实例推理原则、方法和步骤，向概念设计自动化的方向 迈出了步。 设计了一台自动木工机，验证了上述模型。并对自动木工机优选方案的关键 部件进行了建模分析，验证了方案的可行性。 讨论了设计目录和基于实例推理过程中的知识来源以及知识更新问题。研究 了设计目录和基于实例推理的设计方法与网络设计相结合的途径，提出了一种在 互联网上合作设计的模式。 关键词：设计自动化设计方法学概念设计设计目录基于实例的推理 产品开发 h a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ec o m p e t i t i v ef o c u so f p r o d u c t si sc o n c e n t r a t e dn o to n l yo np r o d u c t i n n o v a t i o n ，b u ta l s oo nt h er a p i da b i l i t yr e s p o n d i n gt ot h em a r k e tc h a n g e s s o ，w e n e e dt oi m p r o v ep r o d u c ti n n o v a t i o na b i l i t y o nt h eo t h e rh a n d ，w ea l s on e e dt o i m p r o v et h ea u t o m a t i o nl e v e lo f p r o d u c td e s i g nt oa c c e l e r a t et h ep r o d u c td e v e l o p m e n t p r o c e s st oc a t e rf o rt h en e e do f e c o n o m i cd e v e l o p m e n t i nv i e wo f t h ea b o v e ，t h ef o l l o w i n gw o r ki sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r t h ec u r r e n tr e s e a r c h e sa n dt h e i rt e n d e n c yo ft h et h e o r yo nd e s i g nc a t a l o g u ea n d c a s e - b a s e dr e a s o n i n gi nc h i n aa n df o r e i g nc o u n t r i e sa r ea n a l y z e d t h ei m p o r t a n c e a n dd i f f i c u l t yo f t h er e s e a r c ho nt h et h e o r ya r ca l s oi l l u s t r a t e d t h et w os t r a t e g i e so ft h ek n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nm o d eo fd e s i g nc a t a l o g u e s a n dc a s e b a s e dr e a s o n i n gm e t h o da r ed i s c u s s e d ，a n dt h e nt h es t r a t e g yo ft h e i r i n t e g r a t i o ni sg i v e n ，w h i c ha l ea l lt h e ni n t r o d u c e d f i n a l l y ，t h eg e n e r a lp r o c e d u r eo f d e s i g ni sp r e s e n t e du s i n gt h em e t h o d t h es o l u t i o no fa r ta u t o m a t e dt i m b e rm a c h i n i n gm a c h i n ei sd e v e l o p e dt ov e r i f y t h ed e s i g nm o d e l t h ek e yc o m p o n e n t so ft h es o l u t i o na r e a n a l y z e db yt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ，a n di t sp o s s i b i l i t yi sv e r i f i e db yt h ep r o d u c t m a n u f a c t u r i n g t h es o u r c e sa n du p d a t i n gm e c h a n i s m so fd e s i g nk n o w l e d g ei n t h ed e s i g n c a t a l o g u e sa n dc a s e - b a s e dr e a s o n i n gp r o c e s sa r ed i s c u s s e d t h ei n t e g r a t e dm e t h o d b e t w e e nt h ed e s i g nc a t a l o g u e ，c a s e b a s e dr e a s o n i n ga n dn e t - b a s e dd e s i g ni ss t u d i e d a n dt h e nac o l l a b o r a t i v ed e s i g nm o d e lb a s e do nt h e mi sp r e s e n t e di nt h ei n t e r a c t e n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：d e s i g na u t o m a t i o n ；d e s i g nm e t h o d o l o g y ；c o n c e p t u a ld e s i g n ； d e s i g nc a t a l o g u e ：c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ；p r o d u c td e v e l o p m e n t 1 1 1 致谢 值此论文完成之际，我谨向导师潘双夏教授、冯培恩教授表示深深的感谢。 在两年半的学习和研究工作中，导师的悉心指导和敏锐的洞察力是课题走向成功 的关键。导师渊博的学识，严谨的治学风格，清晰而敏锐的思路，求是创新的学 术追求，为人师表的作风，使我深受教益，将引导和激励着我走向新的起点，迎 接新的挑战。 感谢邱清盈老师和高宇老师在科研工作中的耐心帮助和指导。 感谢高峰博士后在学习和工作上的大力支持和帮助。 感谢陈泳、何斌与张帅博士生在学习和工作上的大力支持和帮助。 感谢本实验室的众多师兄弟，在与他们的学术讨论中，作者受益非浅。感谢 本专业的王晓伟、黄文权、傅超二、邱林金、陈入领、任忠惠、王刚、胡骁、王 唯锐等同学，感谢他们在两年半的学习和生活中给予的关心和帮助。 感谢所有曾关心帮助过我的前辈和师长。 最后，真诚地感谢我的父母双亲，他们给予了我无限而无私的爱。他们的言 传身教使我懂得了人生、认识了世界，他们朴素的作风和顽强的信念鞭策着我奋 发进取。 周志雄 二零零三年春于浙大求是园 塑坚查兰堡圭堂垡丝塞苎：! 堡生! 茎竺塑垒堡生! 垫些型塞墨苎垄堑芝型! 堕! ! ! ! 一 第一章绪论 摘要：介绍了课题提出的背景，阐明了课题的研究意义，介绍了国内外在设 计方法学上的研究现状，分析了其发展趋势，阐述了本课题研究的难点、重点和 主要任务，确定了课题主要的研究内容。 1 1 课题的提出及其意义 1 1 1 概念设计提出的背景 目前，我国生产的机械产品整体上比较落后，即使在需求很旺的国内市场上 也难以与国外产品竞争。这固然跟底子薄，基础研究没跟上有关，另一方面，产 品创新能力不足也是一个很重要的原因。随着科技发展速度的加快，产品创新能 力已成为一个国家可持续发展的核心竞争能力之一。提高产品的创新能力，提高 以产品创新为核心的持续的工业创新能力，使其成为我国强大生产力可持续发展 的基础，是当务之急。 就全球经济而言，发展竞争的焦点不仅在于产品创新，而且在于对市场的快 速响应能力。因此，我们一方面要提高产品创新能力，另一方面也要提高设计自 动化水平，从而提高产品的开发速度，以适应当代经济快速发展的需要。 这些都要求我们遵循合理的设计方法，以达到事倍功半的目的。正是在这一 历史背景下，设计方法学得到了世界各国的极大重视。各国对设计方法学的日益 重视，又激发了各国学者和工程设计人员大力开展对设计方法学的理论研究和实 际应用。 设计方法学从系统的和全局的观点出发，研究合理的设计进程、有效的设计 方法和设计技术，是产品设计阶段的指导理论，能够极大地提高设计的效率、增 强产品的创新程度、完善产品的性能，并有效地降低成本，从而提高产品的市场 竞争力。 设计方法学萌芽于1 9 世纪后期，本世纪6 0 年代以来得到很大发展叫【3 】【4 1 ，到 9 0 年代己基本成熟。在频繁的国际学术交流下，各国学者在设计方法学的很多方 面达成共识。 现代设计方法学提出，一般的设计进程叫5 f 6 】为： 制订产品计划 即通过对当前经济、技术和市场等方面的形势分 析，综合考虑企业战略目标、企业优势和周围环境，系统地寻求和选择有前途的 产品主意并对其跟踪，最终建立一张初步的要求表。 浙江大学硕士学位论文基于设计目是的概念设进皇垫些翌塑墨苎垄堑芏曼墅垄! 塑生旦 阐明任务书 即根据设计开发和各个后继工作步骤的需要，建 立出明确、完整积详细的要求表。此要求表可提供解的要求、解存在的条件及其 重要性方面的信息，为后续设计过程的标准和指南。 概念设计( 即方案设计) 即在阐明任务书以后，通过抽象化来认识本质问 题，建立功能结构，并通过寻求合适的作用原理再将其组合成作用结构，来确定 原理解。 技术设计即从作用结构或原理解出发，根据产晶的技术性、 经济性和社会性来明确地、完整地拟订组合结构，也即完成产品的结构设计，确 定总体技术设计方案。 施工设计即通过规定所有零件的形状、尺寸和表面质量， 确定所有选择的材料，来补充一个技术产物的组合结构，并通过编制加工、装配 和运输规程及使用说明书完善生产文件，最终确定生产文件并交付生产。 在以上设计进程中，有个很重要的设计阶段就是概念设计( 即方案设计) ， 它是直接涉及到具体产品的第一个环节。 另一方面，现代设计方法学认为，机电产品的设计可分为三类5 】【7 】： ( 1 ) 创新设计 在工作原理、产品结构等完全未知的情况下，按照一 个系统的设计要求，制定一个新的解的原理，并应用成熟的科学技术或经过实验 证明是可行的新技术，设计出过去没有的新型产品。这是一种完全创新的设计。 ( 2 ) 适应性设计 在原理方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的 变更或设计一个新部件，使产品在质和量方面能满足使用要求。 ( 3 ) 变型设计 在工作原理方案基本都不变的情况下，变更现有产品 的结构配置和尺寸，使之适应于更多的量的要求。 从这三种设计类型同样可以看出，概念设计是至关重要的一个阶段。 1 1 2 概念设计的相关概念、方法及其设计过程自动化的难点 目前，概念设计有两种比较权威的定义。 g p a h l 和w b e i t z 将概念设计定义为：在确定任务之后，通过抽象化，拟 定功能结构，并寻求适当的作用原理及其组合，确定出基本求解途径，得出求解 方案，这一部分设计工作叫做概念设计叹 mj f r e n c e 将概念设计定义为：概念设计是考虑设计问题的内容，并以方 案的形式提出众多的解的设计阶段乱。 概念设计具有创新性、多样性、层次性和残缺性等特性【9 1 。 ( 1 ) 创新性：创新是概念设计的灵魂，它包括功能、结构等的修改、改良和创 新等。 2 浙江大学硕士学位论文 基于设计目录的概念设计鱼型些研塞墨苎垄堑兰曼墅垄! 竺生旦 ( 2 ) 多样性 多样性。 ( 3 ) 层次性 层次关系。 概念设计的多样性主要体现在其设计路径的多样性和设计结果的 分为功能层、行为层、结构层和形状层。各层自身又包含一定的 ( 4 ) 残缺性：概念设计阶段区别于其它设计阶段的显著特点之一是，在该阶段 产品的信息是残缺的，表现为 产品信息是定性的( q u a l i t a t i v e ) 产品信息是不精确的( i m p r e c i s e ) 产品信息是不确定的( u n c e r t a i n ) 产品信息是不完全的( i n c o m p l e t e ) 实际上，概念设计就是原理方案的构思与拟定的过程。它是从物理效应和作 用原理出发，通过优化和筛选，找出最适宜于实现预定目标并满足各种约束要求 的原理方案。原理解的寻求既要借鉴前人的设计经验，又要运用创造性思维方法。 经典的偏重于直觉的创造性思维方法，如智暴法、6 3 5 法、陈列法等，依靠 专家小组的集体智慧，利用群动效应，经过多次反复有希望得到较好的原理解。 但经典的方法效率低、周期长且要耗费很大的人力物力，已不能满足现代的产品 开发高效和迅捷的要求。因此，为了谋求工程设计的自动化，中外学者提出了各 种设计自动化方法和技术，并开发出了相应的软件系统。，但是，传统的c a d 系统 大多侧重子进行图形处理或数值计算，主要面向产品详细设计和造型绘图阶段， 而对真正的设计过程缺乏支持。虽然随着c a d c a m c a p p 集成技术的发展，面向技 术设计和施工设计阶段的c a d 技术得到了广泛的应用推广，但仍缺乏足够的智能 性以支持通用的方案设计过程，在实际的应用中仍不足以支持产品概念设计，不 能充分体现设计人员的创新设计思维活动。所有这些都促使人们对新一代c a d 技 术( 即智能c a d ) 展开研究与开发，计算机辅助概念设计也随即成为智能c a d 研究的 重要组成部分之一。正因如此，自8 0 年代中期以来，计算机辅助概念设计逐渐受 到人们的普遍重视，并成为当前设计领域的研究热点之一。 工程设计技术与专家系统技术的结合为解决设计中的智能性问题提供了最 好的途径，各种各样的基于知识的方案设计专家系统( c d e s ) 应运而生。但其中大 多以实现某种专用的机器零配件或特定整机的粗略方案生成为主，成熟的通用方 案设计型专家系统仍未实现。这其中主要的原因有： ( 1 ) 对人工方案设计的思维模式细节的认识不够。认知科学的研究表明，人工方 案设计的过程是：愿望专准备专处理专酝酿得出暗示的线索阐明解专验证评 价。但对设计过程中知识的利用，知识的关联和联想式的思维机理没有得出令人 满意的结论。 ( 2 ) 知识获取和管理的困难。建立专家系统的知识库，需要领域专家和知识工程 浙江大学硕士学位论文 基于设计目录的概念设计自动化研塑婴在翅兰曼墅茎! 竺壁旦 师的合作，总结专家经验，然后形式化，编码送入计算机。由于一些领域知识 比较模糊，一般很难描述和提取，同时在知识获取的交流过程中不可避免地会引 入许多人为的错误，再加上领域专家时间的珍贵等原因，使得知识获取成了专家 系统开发过程中的一个“瓶颈”。同时，由于专家系统的知识库是固定的，所以 当推理时所用知识稍稍超出其范围时，系统就出现推理断点而彻底失败，这是 知识的脆弱性问题。当然可以通过增加新的知识来解决，但又会产生知识库庞大 与不一致性和冗余性的检查问题。此外，单一的求解方法，固定的推理策略无法 适应领域知识的多样性。尽管专家系统构造工具提供了多种推理方法，但这只是 量的多少，而无质的改变。 ( 3 ) 对设计过程的本质认识不足。设计过程是非常复杂的智能行为，涉及到设计 者的知识、经验、思维方式和精神状态。些学者通过对一般设计人员的工作背 景、知识水平和设计行为与设计结果的比较、分析和研究，来探索人类设计过程 的本质。这种通过表象来认识本质的方法，使人们对设计过程的实质有了更深入 的理解，但远未充分阐述，对设计过程的计算机模拟仍存在相当大的困难。为了 更好的指导设计和设计的自动化，中外学者提出了各种设计方法学理论。设计方 法学给出了设计的一般步骤、基本规范和评价标准，是设计型专家系统组建的指 南。但它并未给出设计铋造思维的细节性描述和明确的求解策略，仍需进一步发 展和完善。 ( 4 ) 专家系统技术还不够成熟。现有的专家系统往往是按照预定的推理策略进行 求解，缺乏专家应有的直觉、灵感和创造能力。专家的知识可以通过运用知识来 扩充，并由此获得经验，也就是有自学习自适应的能力。面目前的专家系统即使 遇到了前面已解决过的问题也还要一步一步地重复推理。所以，专家系统应加入 自学习模块，不仅要学习知识、积累知识，还要学习、运用知识，即学习推理策 略并进行对推理策略的推理，以搜索出适当的推理策略或产生新的推理策略。 1 1 3 本课题的研究意义 产品设计是产品开发过程中最重要的环节之一。据统计，产品全生命周期的 成本在产品设计阶段有9 0 已经被决定，特别在概念设计阶段，有7 0 一8 0 被决 定。此外，产品的质量和性能等在概念设计阶段很大程度上也被确定下来。概念 设计是产品设计进程中最富创新性的阶段之一，它对提高产品性能，降低产品成 本有着决定性的影喃。 随着科学技术的迅速发展，新产品不断涌现，产品的创新已成为增强现代产 品竞争力的焦点。机电产品的设计师已不再仅仅满足于适应性设计和变型设计， 进行产品的开发性的创新设计已成为他们设计的重点和难点。产品的开发性设计 4 浙江大学硕士学位论文 基于设计目录的概念设计自动化研究尽其在新塑臻生塑壁旦 即创新设计的关键在于原理方案的创新，而这正是设计进程中的概念设计也即寻 求原理解的过程的核心任务。 因此，我们有必要对设计理论、方法，尤其是创新设计和设计自动化方法， 作更深入的研究和实践。面对二十一世纪世界各国普遍重视提高产品设计水平的 情况，我们应迎头赶上，以更好地应对产品竞争日益加剧的挑战。 产品设计的根本目的就是创新产品，以满足市场的需要。重视创新设计是增 加机械产品竞争力的根本途径。产品设计本身是创造性的劳动，设计的本质是创 新。特别是在概念设计阶段，由于对设计人员的约束相对较少，更具有较大的创 新空间。因此产品的概念设计对产品走向市场至关重要。 研制原理解的设计知识目录和知识库，并在此基础上，研究复合功能的特征 建模及其求解是一种比较实用也是可行的方案设计途径，它为概念设计也为产品 的创新设计和设计自动化打开了大门。本课题以利于产品创新和实现方案设计自 动化为目标，通过对方案设计理论和本质的研究，建立起设计目录的合理组成和 结构，将设计目录同基于实例的推理技术结合起来，迸行具有复合功能的新产品 的开发，以此开展课题的研究，并在此基础上，探讨了将设计目录同互联网相结 合进行人机交互设计的方案设计手段以及利用计算机辅助设计软件进行方案设 计的策略。 本课题的研究将有益于设计方法学，有利于产品创新和设计自动化的研究。 1 - 2 国内外研究现状 多年以来，欧洲工业国家率先开展了设计理论的相关研究，并日益走向深入， 取得了许多科研成果和巨大的经济效益。8 0 年代中期以后，美国受形势所迫，急 起直追，以其雄厚的实力在设计理论的研究上取得了巨大的进展。我国从8 0 年代 中期以来即力求推动设计理论研究的开展，但尚有许多工作需要做。 近年来，由于科学技术的飞速发展，产品的质量进一步得到提高，产品的成 本逐步降低，产品的更新周期大幅度缩短。市场的竞争更加激烈。为了提高产品 在市场上的生存力和竞争力，以产品创新为最终目标，各国更是加强了设计理论 的研究及其应用实践。 当前，设计理论与方法学研究在国际上受到普遍重视，其中，主要有德语国 家学者的系统化设计方法学理论，日本学者的通用设计理论，美国学者的创新设 计理论以及我国目前在概念设计领域的理论。 浙江大学硕上学位论文基于设计目录的概念设计自动化研究及其在新产品开发中的应用 1 2 1 德语国家学者的系统化设计方法学理论f 1 - a l 1 6 ji l o - l s l 系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系 统，每个设计要素具有独立性，各个要素问存在着有机的联系，并具有层次性， 所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务“。 系统化设计思想于7 0 年代由德国学者p a h l 和b e i t z 教授提出，他们以系统理 论为基础，制订了设计的一般模式。倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协 会在这一设计思想的基础上，制订出标准v d l 2 2 2 1 “技术系统和产品的开发设计 方法”，其设计流程见图1 1 【1 7 】。 图1 1 技术系统和产品的开发设计方法 ( 德国工程师协会标准v d l 2 2 2 1 ) 由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计 时采用的具体研究方法亦存在差异，因此，系统化设计方法有很多种。 瑞士的v h u b k a 以系统理论为基础，把人的需求及其实现的全过程，看成是 一个系统。他的目的是建立一个普遍可用的、跨专业的有着较强格式的进程模型， 6 浙江大学 丽士学位论文基于设计目录的概念设计自动化研窭丝基在新塑堑壅! 笪壅旦 以实现设计的一定程度的自动化。他认为一个系统可以是一级系统，也可以是多 级系统。每一个子系统，都必包含一个技术过程，而该过程又必依赖一个技术系 统来实现。技术系统的工程实现，又必先经过一个设计过程。他的学术思想是， 以系统理论为基础，利用系统分析方法，以人的需求及其实现为根据，从拟定技 术过程、制定功能结构图、利用形态学矩阵获取多种可行技术方案，经评价决策 得到最优方案。 德国的g p a h l 和w b e i t z 研究以系统理论为基础，利用信息论原理，有计 划地达到设计目标的方法。提出了总功能由功能结构中各子层的分功能逐层组合 而成，这样就便于利用设计目录来求得多个分功能的组合以产生多种可行的方案 解。 设计目录是一定设计任务或分功能的已知解或经过考验的解的汇编。其中可 贮存有物理效应、作用原理、原理解、设计要求等等。它是技术信息库的初级阶 段，既是手工进行方案设计的有力工具，又是进行计算机辅助设计的知识库原始 文档。 德国的r o t h 把设计进程划分为任务阐明阶段、功能阶段和结构设计阶段。他 的进程方式的特点是应用目录设计的算法选择法( a a k ) ，将设计过程精细地分解 为明确定义的分步骤，并以设计目录的形式准备好解法或解元素，从而求得更多 的解的组合。r o t h 在设计目录的研究和应用方面作了大量的细致的工作，研究了 产品用数学模型描述的可能性，并以固联接为主要例子给出了相应的设计目录。 德国的k o l l e r 对实现常用功能的物理效应作了系统整理和分析，研制了大量 相应的设计目录，给出了适用范围或选用准则，总结了原理方案变异规律。但他 局限于对物理效应的描述，而效应层的解法过于抽象，难以具体化为功能原理解， 实用意义相对较小。 g p a h 、w b e i t z 、r o t h 年l ：l k 0 1 1 e r 等学者的基础性研究工作推动了设计目 录理论的研究、应用和发展。 德语地区学者强调设计中的系统性和设计进程的程式化研究，对设计进程作 了详尽的阐述。近年来，他们也开始注重吸牧英语学派的创新方法，努力促进系 统化设计与创造性设计的结合。 1 2 2 英语地区学者的创新设计理论忙1 【4 1 1 6 l 【1 8 l 英语地区学者的设计理论的基本思想，最突出的是发挥人的创造性，并为其 发挥创造条件，强调计算机技术、应用数学及跨学科技术在设计中的应用。同时， 他们的设计理论又受到g p a h l 和w b e i t z 的设计思想的影响，以系统理论为基础， 重视对设计过程的建模。 7 浙江大学硕士学位论文基于设计目录的概念设计自动化研，堕! 皇蔓在新主曼墅叁史堕! 堡旦 英国组织成立了设计管理委员会( d m c ) ，指导设计研究的开展，并建立了 些设计研究中心。主要研究领域包括设计自动化、特征描述、专家系统、功能模 拟、组合优化和创造性工具及原理等方面，非常注重创新设计。 美国设计学方面的代表人物r c j o h n s o n 提出了设计综合的方法。该方法以 优化为核心，以概念分析及优化数学为基础，强调创新性思维，但并不否定技术 性方法对创造能力的辅助作用，认为设计中的创造性主要体现在将目标问题分解 为各个小问题，并根据物理上的基本原理，抽象化后求出各个小问题的解，通过 组合而得到多解，也即功能分解和功能组合的方法。 当前，他们的研究方向和内容是：( 1 ) 研究设计模型和方法的科学基础。其 中，包括设计进程的计算机表达；生成、组织和具体化设计知识：设计综合和冗 余综合。( 2 ) 开发和改善设计支撑软件工具。( 3 ) 将设计与经济联系。加强质量与 成本建模，以产品创新来降低产品成本。( 4 ) 研究将人工智能技术尤其是专家系 统技术与工程设计相结合的合理方法。 1 2 3 日本学者的通用设计理论1 2 | i 3 1 1 6 li t 9 1 日本学者的设计学研究的特点是，博采众家之长，具有明显的实用性、经济 性及面向市场性侧重于与计算机技术的结合。 其中，赤木新介以系统理论为基础，提出了工程系统的设计模型。 h y o s h i k a w a 认为当前出现的各种设计方法都需要取长补短，因而提出了通 用设计理论。他认为，设计过程是由功能空间到属性空间的映射过程。其中，功 能空间是对设计要求的描述空间，而属性空间则是对设计方案、参数的描述空间。 设想在设计阶段，通过一定步骤，就可以将功能转化为所需的实体，进而形成实 现方案设计的c a d 系统，并向设计师工作装置系统发展。但他并没有实现这一独 具匠心的设想。 h n a k a z a w a 以系统理论为基础，提出了工程系统的设计模型和整体设计原 理。此模型以“确定设计系统功能”为起点，经过“商业调查”，到“提出设计 方案”，再到“最适化”，到“确定产品”，强调“功能解析”、“工程系统及其经 济性”和“最优化”等。 1 2 4 国内学者的设计方法学研究1 4 1 1 7 1 1 5 1 2 0 - 3 3 1 我国从7 0 年代末期开始，开展设计方法学的研究，参加国际工程设计会议 ( i c e o ) ，举办全国性的现代设计理论与方法学发展研讨会。 我国学者在分析研究德国设计学成果的基础上，在建立有中国特色的设计进 程模式方面，在推广设计方法学的研究与应用方面都取得了定的成果。其中， b 塑坚查堂堡主堂堡堕苎 苎王堡生里墨盟堡垒望塑皂塑垡堕壅墨苎垄堑兰鱼重茎! 堕! ! ! l 清华大学、浙江大学和华中理工大学等高校的众多学者在设计方法学的研究与应 用上做了大量卓有成效的工作。 浙江大学在柔性优化、广义优化和设计目录方面的研究作出了有特色的突 破，并将设计目录的方法成功地运用到产品的原理方案设计当中，取得了较好的 效果。 华中理工大学主要在基于实例的基础上，对工程中的实例检索、重用及再设 计问题进行研究。但是面向传动系统和功能的研究成果还不是很明显。 清华大学在c a d 软件商品化上作出了有益的贡献。 上海交通大学结合机械产品概念设计开展了较为系统的机械运动方案设计 专家系统的研究。 1 2 s 基于实例的推理 基于实例推理( c a s e 。b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 的技术是人工智能领域新崛起 的一项重要技术，它通过联想( 或类比) ，烽解决过去问题的经验( 包括解答和 解决过程) 用于解决当前问题【3 4 1 。设计师的设计活动，往往不是从头开始考虑每 个细节，而是依据过去的经验和实例，做适当调整或进行某种联想或类比以解决 当前问题。因此，用实例来描述设计知识和用基于实例的推理来模拟设计过程更 接近真实情况。基于实例的推理不仅可用于将实例解直接重用于解决当前问题， 还可经过适当调整来解决当前问题或解释当前问题并给出专家建议。 a s h o kk g o e l 等人开发的k 对t i k 是一个将c b r 技术同基于模型的推理 ( m o d e l b a s e dr e a s o n i n g ) 相结合的一个系统，主要用于小型机械及电子设备的 设计1 3 ”。它主要利用“结构一行为功能”模型来表达设计实例。假设给定一个新 设计任务的功能要求，通过功能匹配就可以检索出以前相关的设计实例。检索出 的实例通过适当调整以适应新的设计问题。如果满足一定功能要求，则还需对修 改后的实例进行评价。 d n a v i n c h a n d r a ，k a t i ap s y c r a 等人开发的c a d e t 系统主要应用于动力设备 设计【3 。它包含个计算模型，在给定的输入输出运动行为下，能从已有设计的 实例库中综合出想要的设备。它使用一种详尽索引的技术来作为发现和综合实例 整体或实例部件的方法。这个系统侧重于功能行为的表达和定性建模上。它在不 精确匹配和实例的多重重用上有很多启发意义和可以借用的思想，但是，他们的 方法实际上$ 口k o t a 的方法很接近。系统首先进行精确匹配，如果失败，则变换代 表设计要求的索引以寻求可以实现部分运动行为的组件。索引的变换可以认为就 是一种设计要求的分解。所以这个系统的工作跟k o t a 方法里的设计任务的分解和 匹配很相近。设计任务的分解需要预先设定详尽、合理和完整的规则，而综合的 9 塑垩奎兰堡主兰堡丝苎 苎王堡盐旦墨塑丝鱼望立旦垫些翌茎垦苎垄翌兰鱼至堡! 里坐里! l 结果容易受到分解规则的影响。在他们思路的基础上，我们可以事先就把已有系 统的方案或者子方案提取出来，而不是在设计任务下达以后。可以使它们以虚拟 功能生成器的形式存在，并编入系统索引，这样实际上是一种源实例的分解。利 用虚拟功能生成器和系统索弓1 既能保留成熟系统的设计知识和子知识，也可以避 免耗时的图匹配的方法，是一种有益的思路。 p e a r lp u 和l i s ap u r v i s 提出了一种利用约束满足度修改算法进行适应性设计 的方法 3 7 1 。他们的方法主要运用于两个设计领域：装配序列生成和结构设计。在 装配序列生成方面，整体装配的关系模型是和那些部件的关系模型相匹配的。这 样，整体装配序列可以通过合并匹配部件的序列来获得，同时，利用最小冲突算 法可以最大限度地减少装配中可能出现的冲突。 1 3 本课题的研究工作 系统化设计方法将设计任务由抽象到具体( 由设计的任务要求到实现该任务 的方案或结构) 进行层次划分，拟定出每一层欲实现的目标和方法，由浅入深、 由抽象至具体地将各层有机地联系在一起，使整个设计过程系统化，使设计有规 律可循，有方法可依，易于设计过程的计算机辅助实现。 结构模块化设计方法视具有某种功能的实现为一个结构模块，通过结构模块 的组合，实现产品的方案设计。对于特定种类的机械产品，由于其组成部分的功 能较为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易，因此，采用结构模块化方法 进彳亍方案设计较为合适。由于实体与功能之问并非是一一对应的关系，一个实体 通常可以实现若干种功能，一个功能往往又可通过若干种实体予以实现。因此， 若将结构模块化设计方法用于一般意义的产品方案设计，结构模块的划分和选用 都比较困难，而且要求设计人员具有相当丰富的设计经验和广博的多学科领域知 识。 机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模 型进行完整的描述而需根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知 识和经验进行推理和决策。因此，欲实现计算机辅助产品的方案设计，必须解决 计算机存储和运用产品设计知识和专家设计决策等有关方面的问题，由此形成基 于产品特征知识的设计方法。 智能化设计方法主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计，直观性 较好，开发初期用户可以在一定程度上直接参与到设计中，但系统性较差，且零 部件的结构、形状、尺寸、位置的合理确定，要求软件具有较高的智能化程度， 或者有丰富经验的设计者参与。 网络技术的蓬勃发展，使异地协同设计与制造，以及从用户对产品的功能需 求一设计一加工一装配一成品这一并行工程的实现成为可能。但是，达到这些目 o 塑坚奎兰婴圭堂垡兰苎 墨王堡盐! 墨塑塑垒堡生皇垫些翌壅丝墨垄堑主旦互望! 堕! 垩! l 标的重要前提条件之一，就是实现产品方案设计效果的三维可视化。为此，不仅 三维图形软件、智能化设计软件愈来愈多地应用于产品的方案设计中，虚拟现实 技术以及多媒体、超媒体工具也在产品的方案设计中初露锋芒。目前，德国等发 达国家正着力于研究超媒体技术、产品数据交换标准s t e p ，以及标准虚拟现实造 型语言v r m l ( i n t e m e t 上基于虚拟环境的标准交换格式) 在产品设计中的应用 s g - 4 0 l 。 本课题旨在将这些方法结合起来，以利于原理方案设计。在系统化设计方法 中，考虑到设计目录有着信息量大、条理清楚并且内含有求解线索，便于指导高 效知识库和实例库的组建，也适合于用面向对象的方法来描述的特点，合理地构 造设计目录，以设计目录为知识收集和组织的手段，采用基于实例推理技术研制 通用的原理方案设计专家系统。在设计目录中，采用模块化的方法具体组织其中 的内容，视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块，并将其 应用到系统化设计有关层次的具体设计中。将结构模块化方法融于系统化设计方 法中，不仅可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质 量，降低设计成本。在设计目录中建立原理解、功能、约束、评价和实例等特征 模型，研究从设计要求的提出到物理效应解，再到原理方案解的产生与变异的内 在线索和推理策略。在系统实现技术上，运用面向对象的描述和编程方法( o o p ) ， 采用基于实例的推理策略( c b r ) 和自学习方法，建立起既能进行基于实例的推理 和自学习，又具有实例库管理功能的设计型专家系统。 机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设 计靠4 造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目 前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。综合运用以上多种类 型设计方法是达到这一目标的有效途径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较 多，不仅与机械设计的领域知识有关，而且还涉及到系统工程理论、人工智能理 论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识，但仍然是产品方案设计 必须努力的方向。 1 3 1 研究的重点和难点1 3 8 1 ( 1 ) 面向分功能的设计目录的构造依据是设计方法学关于设计规律的理论。因 此，研究设计方法学的理论并探讨有效构造原理方案设计目录的方法是研究的重 点之一。其目的是研究设计目录的合理结构，以增强设计目录的通用性和实用性， 使设计目录既适合人工检索的要求，又有利于设计自动化系统的知识组织和编 译，并且便于实例库的组织和管理。 浙江大学硕士学位论文 基于设计目录的概念设计自动傻婴塞墨苎壅堑兰曼茎垄主盟堡旦 ( 2 ) 设计目录的知识是图文混杂的复杂集合，如何把目录知识分解开来，按一定 方法分别转化为计算机可识别的有用知识，并进行合理的组织和管理是系统设计 的一个关键问题。 ( 3 ) 面向分功能求解的专家系统涉及到知识的大量收集和获取，既有面向各学科 的通用知识，又有针对本研究课题的知识。而且要建立知识的校验模块以保证知 识的准确性和有效性。知识丰富和准确是专家的基本特征，而没有现成的知识获 取工具可以借用，因此知识获取工具的开发和利用是完善专家系统的重要基础。 ( 4 ) 基于实例的推理( c b r ) 是设计型专家系统的一种高效求解手段，但是，要提 高系统的高效性和适应性只用一种推理方法是不够的。c b r 适用于已有实例能充 分满足当前问题求解的时候，而基于规则的推理r b r 适用于已有实例不能充分满 足当前问题求解时，能放宽约束并依据现有的知识进行推理从而得出相似解。而 且，要实现实例检索模型的动态知识引导。也需要r b r 的支持。因此，研究结合 c b r 和r b r 的有效方法有助于进一步完善基于实例的推理机制。研究结合c b r 和基 于规则的推理( r b r ) 的有效方法是一大难点。 ( 5 ) 系统求解出的实例往往不能满足特定的设计问题，这就要求系统有实例修改 和自学习的功能。面向底层分功能的实例修改有相当大的难度，中外文献中也极 少有深入的研究。实例修改的关键在于对分功能的再分解，并对每个元功能的功 能属性和组合约束进行分类、组织和管理，建立子实例的相似检索特征模型。对 实例库的修改通过与用户交互来实现，系统应能给出相关的建议和帮助，并对修 改后的实例进行相容性检查。有效的实例修改机制是实例库添加和扩展的基础， 有利于基于实例的自学习机制的研究和实现。 ( 6 ) 复合功能原理求解赊了需要研究每个原理解的独立的功能可行性之外，还 需要研究各个原理解作为整体的有机组成部分相联结时，接口的表达以及接口的 适配性，这是复合功能求解需重点解决的问题。 ( 7 ) 复合功能原理求解完后，尚需给结构设计提供简单的接口。为方便于结构 设计，需要提供简单的数学模型或提供简单的仿真分析，以供结构设计参考。 1 3 2 主要任务和目标 ( i ) 研究原理方案设计目录的合理构造形式，以将基于实例的推理同设计目录 结合起来，使设计目录能应用于基于实例的推理中，并具备实例的修改功能和自 学习的功能。 ( 2 ) 完善分离、驱动、传动等典型功能原理方案解的知识库，完善复合功能产 品原理解的特征模型，完善复合功能产品原理方案求解的计算机支持平台。 1 2 浙江大学硕士学位论文 基于设计目录的概念设计自动化研究及其在新产品开发中的应用 ( 3 ) 完善基于设计目录的功能分解模块，使功能分解与设计目录协调一致，形 成一个完整的设计整体。 ( 4 ) 在最后得到的原理方案中完成有利于结构设计的简单数学模型建模或简单 仿真分析，以供设计人员参考，从而为下一步的结构设计提供方便。 ( 5 ) 完善设计过程中各进程的接口，使其具有人机交互功能，并探讨将设计目 录同网络设计相结合的策略，以利于设计。 ( 6 ) 实例验证该系统。 塑坚查兰堕主堂堡笙壅茔主堡盐里至塑塑垒堡盐笪垫垡堕塞墨基壅塑兰苎至望墨鲨塑! 旦一 第二章设计目录与基于实例的推理技术相结合的研究 摘要：提出了与基于实例推理技术相结合的设计目录酌构成框架，给出了该 框架每一部分的特征模型，提出了与设计目录相结合的实例推理原则、方法和步 骤，向概念设计自动化的方向迈出了一步。 2 i 引言 设计过程是信息的获取和分析处理的过程。概念设计是这一过程的开始阶 段。概念设计主要指功能结构私工作原理方案设计，也包括考虑主功能载体的初 步结构构思及总体主参数的选择计算”j 。 概念设计目录是辅助方案设计的新型知识库。概念设计目录要能适合于概念 设计，其结构与内容安排均要适合于概念设计的目的。 设计师在设计过程中常常会参考以前设计成功的相似产品的经验和结果，并 将其适当调整以指导或直接应用于当前的设计4 2 1 。众多学者开发出了许多有效 的基于实例的推理系统广泛地应用于各种领域，服务业f 4 ”、医药、法律和设计领 域【4 1 1 “i 4 5 垮。传统的知识处理系统对其“边界”以外的知识处理十分低效，不能 从知识的积累中进行学习丽自我完善，系统的整体性能相当脆弱，不适合用于设 计类的专家系统的知识处理策略。而基于实例的推理是基于人的认知过程的，其 核心就是利用过去的经验来解决新问题，这与设计的思想是一致的。 以下详缅讨论把设计目录这一设计工具与人工智能中强有力的推理技术 一基于实例的推理技术相结合的策略，研究将两者结合起来，使二者优势互补的 方法，研制能进行实例推理的设计目录，伎其成为既便于手工操作，又便予计算 机自动设计的工具，探讨原理方案设计自动化的途径。 2 2 有关设计目录的知识 2 2 1 基本概念 设计目录是一种设计信息的载体，是一定设计任务或分功能的已知解或经过 考验的解的汇编1 1 网。它以图文表格的形式来表达设计信息，并按一定的方式对 其分类组织。按内容，设计目录可分为： ( i ) 对象目录：不针对具体任务的一般性信息的目录，如运动学目录、几何关系 式目录、材料特性目录、设计目录、总类目录等； 1 4 塑垩盔兰堕主兰堡笙苎 苎三望生! 墨竺塑垒堡生! 垫些翌壅墨苎垄堑丛茎垄! 堕! ! ! ! 一 ( 2 ) 搡作目录：系统性程式设计中的工作准则、步骤、方法等的目录，如构形变 型的准则、方案的选择原则等的目录； ( 3 ) 解法目录：针对具体任务、具体功能的解法信息，它详细描述了解的信息， 并包含有实现该解的路径。如力的放大、传动目录和方案设计目录等。 2 2 2 设计目录的特点及其开发原则 各类手册资料、设计图库、机械装置专利也提供了大量的设计思路和先前设 计的实例，通过对原始设计知识的组合改造，新的设计思路应运而生。然而由于 它们都是以装置或机构图表的形式给出，所以不能直接应用于计算机辅助的概念 设计。为了实现自动化设计过程，已有原理设计解应该用一种合适的形式来表示。 设计目录的方法不同于一般的手册和资料，作为一种设计信息载体它具有信息完 备性、易检索性和可补充性，既适用于手工检索来获得设计方案，又适用于计算 机辅助概念设计。它是设计实例和设计经验的提炼和综合，为计算机提供了丰富 的设计信息，是利用计算机进行辅助设计的知识基础。 设计目录作为设计信息的载体