（机械制造及其自动化专业论文）基于本体建模的产品配置及评价系统的研究与应用.pdf

摘要 产品配置管理技术是实现大规模定制生产方式的一项关键技术。为最大程度满 足用户的多样化需求，产品配置管理技术可以实现产品的差异化和个性化，有效的 利用历史数据和经验，缩短产品的开发周期，提高零件可重用性，达到低成本、高 灵活性、高效率生产的目的。 为解决目前企业在产品配置方法复杂、产品知识共享率和重用率低和缺乏评价 系统的问题，本文提出了基于本体建模及评价的产品配置方法。首先通过分析国内 外产品配置技术的研究现状，提出产品配置的三项关键技术：本体技术、实例推理 技术和配置评价技术。针对企业需求和用户需求，完成了基于本体建模的产品配置 系统的总体设计，包括系统的功能设计，信息模型设计及实现方法。接着，构建了 摩托车产品配置本体库，定义了顾客需求本体模型和配置本体模型，根据产品配置 规则和约束建立配置本体关系，实现了顾客需求模型向产品配置本体模型的映射， 通过实例推理，完成产品配置。进而，利用层次分析法对配置结果进行了评价和确 定。最后，开发了一个基于本体建模及评价的摩托车产品配置原型系统，达到了满 足客户快速定制需求的目的。 关键词：产品配置，本体，实例推理，层次分析法 a b s t r a c t p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n ti sak e yt e c h n i q u ef o re n t e r p r i s e st oc a r r yo u tm a s s c u s t o m i z a t i o np r o d u c t i o nm o d e i no r d e rt os a t i s f yc u s t o m e r s d i v e r s i f yd e m a n d ，p r o d u c t c o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n tc a r lh e l pr e a l i z i n gd i f f e r e n t i a t i o na n di n d i v i d u a t i o n o fp r o d u c t , m a k i n gu s eo fh i s t o r i c a l d a t aa n de x p e r i e n c ee f f e c t i v e l y , s h o r t e n i n gt h ep r o d u c t d e v e l o p m e n tc y c l e ，i m p r o v es h a r i n ga n dr e u s i n go fc o m p o n e n t s f i n a l l y , l o w c o s t ，1 1 i 鲥y f l e x i b l e ，e f f i c i e n tp r o d u c t i o nc a nb er e a l i z e d p r o d u c tc o n f i g u r a t i o na n de v a l u a t i o nb a s e do no n t o l o g yi sp u tf o r w a r dt os o l v et h e p r o b l e m si ne n t e r p r i s e ，s u c ha sc o m p l e xo fc o n f i g u r a t i o nm e t h o d ，l o ws h a r i n ga n dr e u s e o fp r o d u c tk n o w l e d g ea n dl a c ko fe v a l u a t i o ns y s t e m f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s e so f t h ec u r r e n tr e s e a r c ho fp r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ，t h r e ek e yt e c h n o l o g i e sw e r ep r o p o s e d ， o n t o l o g y , c a s e - b a s e dr e a s o n i n ga n da n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s a c c o r d i n g t ot h er e q u i r e m e n t o fe n t e r p r i s e sa n dc u s t o m e r s ，p r o d u c tc o n f i g u r a t i o ns y s t e mw a sg e n e r a l l yd e s i g n e db a s e d o no n t o l o g y m o d e l ，w h i c hi n c l u d et h es y s t e mf u n c t i o nm o d e l ，i n f o r m a t i o nm o d e la n d i m p l e m e n ta p p r o a c h t h e n , t h eo n t o l o g yb a s eo fm o t o r c y c l e sc o n f i g u r a t i o nw a sb u i l t m o d e l so fc u s t o m e ro n t o l o g ya n dp r o d u c to n t o l o g yc o n f i g u r a t i o nw e r ed e f i n e d a c c o r d i n gt op r o d u c tc o n f i g u r a t i o nr u l e sa n dc o n s t r a i n t s ，o n t o l o g y r e l a t i o n sw e r ec r e a t e d t h e r e f o r e ，t h em a p p i n gf r o mm o d e lo fc u s t o m e r sr e q u i r e m e n tt ot h em o d e lo fp r o d u c t c o n f i g u r a t i o nb a s e do no n t o l o g yi sr e a l i z e d a f t e r w a r d , b yc a s e - b a s e dr e a s o n i n g ，p r o d u c t c o n f i g u r a t i o nw a sa c c o m p l i s h e d m o r e o v e r , b yu s i n gt h et h e o r yo fa n a l y t i ch i e r a r c h y p r o c e s s ，t h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o ns y s t e mb a s e do no n t o l o g yw e r ee v a l u a t e d a n d d e t e r m i n e d k e y w o r d s ：p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n , o n t o l o g y , c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ，a n a l y t i ch i e r a r c h y p r o c e s s ( a h p ) i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 抛降加增日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：叉，o 阵狷3 扣 硕士论文 基于本体建模的产品配置及评价系统的研究与应用 1 绪论 1 1 研究背景及意义 随着市场竞争的日益激烈，全球由卖方市场转向买方市场，消费需求趋向多样化、 柔性化和个性化，产品的目标市场越来越细，曾经在2 0 世纪占主导地位的大批量刚 性生产已经越来越不适应市场的需求。企业间竞争的焦点是缩短产品开发周期、提高 产品质量和降低产品成本的同时，要最大程度地满足消费者个性化需求，大批量定制 生产方式应运而生。 随着目前c a d c 砧w c a e c a p p 在制造企业的广泛应用以及电子商务的普及， 现代企业正由面向生产的传统制造模式向着面向用户的虚拟制造模式转变。以订单为 核心的虚拟设计和制造可打破时间、地域限制，按顾客的需求进行产品定制，并能跟 踪订单的执行情况，大幅度压缩了供应链( s u p p l yc h a i nm a n a g e m e n t ，s c m ) 流程，降 低了库存和成本，加快了市场响应速度，提高了顾客的产品服务满意度，p d m ( p r o d u c t d a t am a n a g e m e n t ，p d m ) j e 是一座将顾客需求与设计部门和制造部门的相关信息连接 起来必不可少的桥梁，它不仅解决了整个产品生命周期中应用数据管理混乱、无法实 现知识共享重用和数据异构等问题，还实现了市场需求、产品设计、制造信息的一体 化管a t l 引。产品数据管理技术作为- - l - j 以信息管理理论和软件为基础，管理所有与 产品相关信息( 包括文档、工程数据、数据库信息、图像信息等) a n 所有与产品相关过 程( 包括工作流程、更改流程) 的技术，它是支持企业重组、敏捷制造、并行工程、协 同设计、i s 0 9 0 0 0 认证等的关键使能技术。p d m 系统的主要功能包括图文档管理、 工作流管理、数据安全管理、产品结构和配置管理和顾客需求管理( c u s t o m e r r e q u i r e m e n tm a n a g e m e n t ，简称c r m ) 等。 其中产品结构和配置管理模块作为p d m 系统的核心功能模块之一，它是针对产 品的系列化和客户化管理而提出的，是p d m 系统与e r p 、c r m 等其他应用系统集 成的桥梁。它便于顾客直接参与设计方案的确定，从产品设计早期就提供主动式客户 服务，帮助设计人员最大准确度的锁定顾客的需求，减少无效劳动，使其将精力集中 在产品的改进和研发上。它在满足客户个性化需求的同时，可以帮助企业实现生产规 模的批量经济性，有效利用历史数据和经验，缩短产品的开发周期，提高零件可重用 性，达到低成本、高灵活性、高效率生产的目的。目前产品配置已应用于众多领域， 如软件开发领域、服务领域( 金融业、旅游业) 、特别是制造领域( 如机械装置，汽车、 计算机、家具等) 。然而由于产品的差异性和用户的需求的多样性以及配置约束规则 的复杂性，使产品配置方案的生成往往是一个复杂的过程 3 , 4 , 5 , 6 , 7 1 。 i 绪论 硕士论文 本课题针对金城集团生产的金城摩托车国内外高端定制产品的需求，为实现客户 驱动的产品配置，提高配置自动化程度，提出基于本体建模的产品配置方法，旨在解 决目前摩托车开发中心信息不统一、检索资料不方便、产品配置不合理、缺乏辅助评 价系统的问题，以期达到缩短产品的开发周期，提高摩托车零件的重用率和生产效率， 实现企业历史经验和知识的传播和应用，达到协同设计数据共享的目的，最终实现摩 托车的快速配置设计和批量定制生产。 1 2 产品配置的国内外研究及发展现状 1 2 1 国内外研究及发展现状 产品配置作为p d m 的核心功能之一，国内外学者从不同的侧面对产品配置方法 进行了研究，促进了配置技术的研究发展与完善。国外p d m 系统研究方向主要侧重 在体系架构方面慢】，在信息模型方面已普遍采用了面向对象的数据建模方法，产品配 置研究方向转向了基于i n t e r n e t 的整个企业供应链中提供全面参数化的产品配置管理 手段，在配置功能上能够直接支持顾客需求的方法研究领域，实现对产品本身的结构 和数据的维护，充分获取客户需求，为设计活动提供全面的支持，如世界著名产品数 据管理软件u g s ，e d s ，p t c 、h e w l e t t p a c k a r d 和d a i m l e r c h r y s l e r 和主要信息管理 提供商如o r a c l e ，s a p 和i l o g t 9 1 。国内的浙江大学，华中科技大学，大连理工大学， 清华大学，西安交通大学等高校依托国家重点实验室和技术中心，在产品配置研究方 面取得了丰富的成果。国内专业p d m 产品中也都比较重视产品配置功能的研究与开 发，如武汉的开目p d m 、南京的新模式p d m 、北京的艾克斯特p d m 、上海的思普 p d m ，都把配置功能的研究作为重点，甚至国内著名e r p 提供商用友软件和金蝶软 件也都在进行产品配置技术的研究与开发。但由于技术和经济环境的约束，国内大多 数p d m 产品配置管理多数关注于支持文档管理、过程管理和结构管理，在产品配置 管理功能上局限于产品结构从版本配置、变量配置、规则配置和有效性等单方面进行 产品配置，整体配置能力比较薄弱，较少考虑顾客的需求信息。 目前，产品配置研究从流程上分析，主要有如下几个研究方向： ( 1 ) 产品配置方法的模型结构研究 基于结构的产品配置方法侧重于配置知识表示，易于理解，因此被很多商用产品 配置系统所采用。该方法一般用概念来表示配置领域中的对象，并对这些概念进行分 类，按照产品的结构对它们进行组合，从而使它们具有反映产品结构的组合结构，产 品中各对象之间或对象的特性之间的限制用约束来描述，通过建立产品的这样一种概 念组织结构和约束来表示产品的配置知识，并在配置求解时依照这种概念结构进行配 置，进而得到配置结果。t i m os o i n i n e n 1 0 】在2 0 0 0 年提出了基于本体论的产品配置知识 2 硕士论文基于本体建模的产品配置及评价系统的研究与应用 置，进而得到配置结果。t i m os o i n i n e n 1 0 】在2 0 0 0 年提出了基于本体论的产品配置知识 的概念化表示方法，统一了对产品配置知识的概念化表示，使概念化的配置知识具有 可重用性、共享性和扩展性，同时易于理解，是一种产品配置知识通用的表示方法。 a l e x a n d e rf e l f e m i g 等】人在构建配置知识库时也提出采用本体来建立产品配置模型 的方法，并将配置本体进一步细化。 目前，不管是以通用物料清单、产品族、模块化的配置模型结构还是基于本体 的功能模型和产品层次结构相结合的方法，都是在结构方面对配置方法的延伸和扩 展。如马佳、高立群【1 2 】针对大规模定制生产的特点，提出了一种基于类物料清单 ( g e n e r i cb i l lo f m a t e r i a l ，g b o m ) 的产品族结构模型，建立了大规模定制生产产品族 结构模型及配置管理方法；张旭辉、宁汝新【l3 】在分析b o m 的组成和应用的基础上， 提出了动态b o m 管理的含义和方法，并叙述了实现动态b o m 管理所需要的关键 技术。万立掣1 4 】提出一种基于事物特性表的产品族( 零部件族) 描述方式，建立了产 品族( 零部件族) 的通用结构模型，通过参数化的约束规则规范部件族之间的关系， 并依据规则可传递原理简化产品配置规则的定义和推理，实现了参数化的产品犀 置；邵伟平【”】基于产品族可变型结构的产品配置模型；王生发，顾新建等【1 6 】针对基 于实例推理的产品设计系统，缺乏对实例功能、行等描述的特点提出面向实例推理 的产品设计本体模型，并利用本体技术建立基于实例推理的产品设计实例本体及产 品设计实例本体过程模型。 同样这些理论在p d m 产品中也得到了广泛的应用，如德国西门子集团控股的 u g s 公司的t e a m c e n t e r 的产品结构配置管理模块，通过b o m 的浏览功能修改和 控制产品结构，通过c a d 几何模型、各种分析结果、加工程序和文本说明来描述 b o m 结构间的关联；美国p t c 公司【l7 j 的w i n d c h i l l 的通过首先创建通用部件( g e n e r i c p a r t ) ，然后得到一个通用产品结构，并在这个结构树上定义配置逻辑，最后通过配 置得到需要的产品。 由于以上方法中方法如基于事务特性表的、图文法、实例推理、g b o m 产品族等、 都在产品配置知识的共享和重用方面有所欠缺。把本体理论应用于配置领域，能够澄 清用户需求内容，便于知识推理，有利于需求知识的共享和重用，提高了领域知识的 衍生能力，可以解决知识集成中应用技术的多样性、统一性、标准性等问题。所以本 文将本体技术与产品配置方法相结合，实现产品功能模型和产品层次结构的映射，顾 客需求和产品配置模型的匹配映射，最终配置出满足企业效益和顾客满意度的产品。 ( 2 ) 产品配置流程中的规则约束和表达方法 产品配置系统大多采用基于规则的产品配置方法，采用规则来表示产品的配置 知识，并按照一定的推理策略对配置知识进行推理或求解，从而得出配置结果。 基于规则的配置方法最大的问题在于对配置知识的演化和维持上，当因配置知 3 1 绪论硕士论文 识变化而需要修改以规则表示的知识库时，修改不是局部的，这是因为规则之间存 在高度的相互关联性。同时以规则的方式表示配置知识也不便于对配置知识的理 解。从早期的数据管理研究的开始，到现在的产品全生命周期，知识规则的约束和 表达一直是研究热点。如马斌、赵犁【18 】利用面向产品族群的、产品b o m 结构和配 置结构分离的产品建模方法，提出了规则定制与推理逻辑相分离的配置机理，来支 持面向产品族群的、规则驱动的产品配置；y o u l i a n gh u a n g ，w e ek e o n gn g 1 9 等介 绍了一种为了实现产品的多样性而不用设计更多新的产品族的交叉产品族配置概 念，应用一种约束满意问题( c o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o np r o b l e m ) 方式模型，定义了一种 为了产品族获取相关的配冕知识新颖的语义模型，包括产品族组成信息，配置规则 约束和它们映射关系；何陈棋、谭建荣【2 0 】在提出基于面向对象思想的产品配置设计 模块，实现了基于本体论和知识规则的大批量定制配置设计。 最早的基于知识规则的配置系统是2 0 世纪8 0 年代著名的r 1 x c o n 2 1 】它是 d e c 公司的用于大型计算机配置的系统，它由两个分离的程序x s e l 和x c o n 组 成。x s e l 主要用来获取需求信息并映射成相应的部件信息，然后交给x c o n 进行 详细的配置和校验。数据库包含了大约3 1 0 0 0 个零件、4 0 中零件类型、每个零件平 均大约有4 0 个属性、1 7 5 0 0 条配置规则，并且每年大约有4 0 的规则发生变化。 x c o n 的使用暴露了基于规则的表示方法在求解大型知识库时难以维护的问题。国 内清华英泰t i p d m 系统通过有效性和配置规则来对系列化产品进行管理。通过确 立有效性规则，选择各配置变量的取值和设定具体的时间得到系列产品的不同配 置，有力地支持系列化产品设计，根据时间有效性可以追溯产品演变的过程，可为 售后服务提供有效的支持。 目前，基于规则驱动的产品配置技术普遍存在两个不足之处：一是缺乏灵活性， 配置规则是按照产品模型的主结构来定制的，没有将规则定制逻辑和规则匹配实行 分层解决，因此，改变产品主结构势必修改或重新定制规则和相应的匹配、推理逻 辑；二是缺乏通用性，配置规则与产品模型之间是一种固定关系，不同的产品模型 其配置规则的定制都具有不同的方法和工具，缺少对面向产品族群的产品配雹的支 持。所以本文将本体技术和实例推理技术结合规则约束和表达方法进行产品配置方 法的研究。 ( 3 ) 产品配置设计的实现方法 产品配置设计是依据客户需求和设计条件对产品配置模型的求解和实例化的 过程，采用的求解方法与配置模型相适应。 根据模型表达方法的不同，现有的产品配置推理方法有基于规则、模板、实例 和本体等多种，如杨煌俊，刘清华【捌提出了一种基于条件约束满足问题框架的配置 建模方法，该方法利用配置变量和配置约束来统一表达配置模型中的产品模型和用 4 硕士论文 基于本体建模的产品配置及评价系统的研究与应用 户需求，从而使配置模型具有表达一致性，根据约束条件和用户需求进行配置推理； n i n an a r o d y t s k a 和t o b yw a l s h 2 3 】提出的产品推理技术，针对复杂的配置问题的搜 索难题提出两个阶段的互动配置方法，开发了一种探索性的约束定制算法( a h e u r i s t i c c o n s t r a i n t - o r d e r i n ga l g o r i t h m ) ；基于实例的方法经常与规则推理结合使用，楼健人【2 4 】 等对面向d f m c ( d e s i g nf o rm a s sc u s t o m i z a t i o n ) 的产品配置设计技术进行了研究， 在客户需求相似性判别基础上，基于产品配置规则与约束，提出了基于历史信息的 产品配置方法，实现了配置资源与结果的重用。a l b e r t h a a g 和u l r i c h j u n k e r 等【2 5 】研 究讨论了关于产品配置中的用户互动问题，提出利用解释的方法帮助用户合理的配 置，从实例库中检索出最少的选择集，在打包和排除的过程中公平的实现用户配置 要求。 基于实例的推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 方法，可以很好的解决规则配置的 复杂性和难移植性问题，它最大的特点就是知道如何记录过去的经验和知识，并在遇 到类似的问题时使用相似的经验。以前求解过的配置问题作为实例被存储在数据库 中，这些配置问题具有一些公共的特征变量来区分各自的不同，然后根据配置约束规 则和需求条件进行实例的推理。 产品配置推理实现方法有很多，如基于规则的方法【2 6 1 、基于约束的方法【2 7 】、基 于资源的方法【2 8 1 、基于端口的方法 2 9 】等等。但这些方法大都存在知识表达、管理和 维护等方面的缺点。通过以上的分析，针对目前企业拥有大量历史经验和知识的现 状，本文采用基于实例的推理，不但能通过相似性分析检索出最为相似的实例，而 且能通过修正修改旧已有的实例，能够充分利用已有的产品知识和设计经验，达到 快速的定制产品的设计。可以看出基于实例推理的配置方法是一种合理、高效并且 可靠的产品配置方法。 ( 4 ) 产品配置结果的评价方法 产品配置成功与否取决于用户满意度，所以对产品配置结果的评价，正是以顾 客为评价主体，以顾客的满意程度为评价目标。如周春景，林志航等【3 0 】提出一种顾 客需求驱动的产品配置优化方法。该方法针对现有产品族模型用于配置设计中存在 的问题，构造了支持产品配置的设计空间，并运用联合分析方法将顾客期望分解为 各产品特性的质量效用，建立了产品优化配置数学模型，并采用遗传算法对其进行 求解，从而达到了顾客满意度和成本之间的平衡一最优配置方案；周宏明，詹永照 【3 1 基于顾客需求特征与眼镜产品结构单元之间的映射关系，提出了需求特征匹配算 法，给出了网络环境下由顾客、经销商和设计人员协同参与的眼镜配置设计系统的 框架结构；鲁聪达，吕超群【3 2 】提出了一种以客户需求为驱动的配置方案评价方法， 实现了面向客户需求的产品配置方案综合评价。钟诗胜【33 j 提出了基于层次分析法 ( t h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sa h p 法) 的模块化产品结构配置模型；魏晓鸣，刘晓 5 l 绪论硕士论文 冰【3 4 】为了对配置结果进行评价，以选出客户最满意的产品实例，采用层次分析法构 建了产品配置设计评价的层次结构模型。 a h p 法是一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法，它具有人的思维分析、 判断和综合的特征。可将客户的经验给予量化，特别适用于目标结构复杂且缺乏数 据的情况，是一种定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法。由于客户对 产品的评价包括功能评价、技术评价和结构评价等，其中既有定性的比较，又有定 量的比较，是一个多目标的优化问题，为此本文从评价目标和易用性出发，采用 a h p 法对产品配置结果进行评价。 1 2 2 产品配置系统面临的问题 综上所述，目前国内外产品配置方面的研究热点主要是：产品配置模型的建立； 产品配置推理方法的探讨；针对顾客需求互动的配置方法研究和基于配置在整个供应 链上业务的集成研究等。据2 0 0 6 年敏捷咨询调查报告【lo 显示：p d m 中的配置管理， 编码管理和工程变更三个方面功能使用满意度最低，所以产品配置管理功能还有很多 需要研究和完善地方，目前主要存在以下问题： ( 1 ) 产品族模型较少考虑配鼍设计的需求。许多方法从产品族开发的角度考虑建 模过程，产品模型难于直接用于构建配置系统。 ( 2 ) 配置模型与建模方法密切相关。不同的建模方法形成的配置模型存在较大差 别，不利于配置系统开发人员正确理解配置模型。 ( 3 ) 配置模型难以表达。由于配置模型包含丰富的配置约束和配置规则，并综合 考虑用户需求，因此模型表达困难，而配置模型的表达直接关系到产品配置系统的开 发和实现。 ( 4 ) 产品配置知识难以共享和重用。在产品数据领域，大量应用问题都是通过参 考并修改以往的案例进行求解的，因此历史经验和数据可以大大提高配置效率，但模 型的不同导致它们很难共享和重用。 ( 5 ) 配置模型维护困难。随着企业新产品变型的开发，或者市场用户需求的变化， 配置模型必须不断更新和修正。 1 3 主要目标及内容 金城集团有限公司自1 9 7 9 年利用航空高科技研制开发金城牌摩托车以来，通过多 年努力耕耘，现已拥有8 大系列、4 0 余种车型，形成了高中低排量齐全，各具特色的 产品结构。产品执行国外先进标准( 日本工业标准j i s d l 0 3 2 1 0 4 0 ) ，国内市场占有率在 全国同行业中位居第三。随着企业产品品种繁多，高端定制订单增多，企业已有系统 6 硕士论文基于本体建模的产品配置及评价系统的研究与应用 目前主要存在如下一些主要问题，如由于信息不准确、不合理，企业产品配置人员查 阅相关产品资料要花费大量的时间，效率低；设计和制造物料清单不一致，设计和生 产过程中的各种更改会造成产品配置信息的混乱；产品配置知识不能共享等。 因此本课题以中国航天一院金城集团摩托车开发中心二期c i m s 并行工程子项 目一产品数据管理项目为背景，在原有新金软公司j c p d m 3 0 基础上，基于以上对 国内外产品配置技术的发展和研究现状的调研，结合p d m 系统中产品配置技术的 发展，提出了基于本体的产品配置技术。首先建立了摩托车企业相关领域知识的本 体库，开发了产品配置原型系统；然后从顾客需求的角度出发，利用实例推理的方 法，充分利用已有的摩托车领域本体库，配置出相关的产品；最终为了能够让j i ；：事 获取最优配置结果，采用层次分析法的相关理论和方法，对具体的摩托车配置绍 进行了分析。本课题主要研究内容如下： ， ( 1 ) 研究了基于本体的产品配置本体库的构建方法。采用在方法中最具参考性 骨架法为配置本体的构建方法，本文应用骨架法实现了面向产品配置的本体建模。 ( 2 ) 研究了产品配置的本体建模实现方法，针对摩托车产品，分析并建立了基 于功能的本体概念层次结构，概念属性，概念关系和本体的实例，研究了产品配置 本体实体关系模型。 ( 3 ) 研究了实例推理技术和本体论在产品配置中的技术实现，实现基于本体的 产品配置实例检索模型建立及实现。 ( 4 ) 研究了基于本体的顾客需求模型向产品配置模型的自动映射。由于描述的 目标是相同的，所以顾客需求本体和产品配置本体两者具有一定的语义相关性，这 种语义相关性可以通过建立关系规则来反映。根据关系规则，将顾客需求本体转换 到产品配置本体，使顾客需求知识映射成产品配置知识。 ( 5 ) 利用层次分析法对产品配置结果的评价。层次分析法作为一种决策过程， 提供了一种表示决策因素测度的基本方法，采用相对标度的形式，并充分利用了人 的经验和判断能力。 1 4 论文的组织结构 本论文各章节的内容安排如下： 第一章：通过对产品配置管理技术的国内外研究发展现状的分析，着重分析了目 前国内产品配置管理技术所面临的问题，针对企业现状提出了本课题研究的意义目标 和主要内容。 第二章：主要结合系统需求，完成了产品配置系统的总体设计。针对课题需要的 主要关键技术进行了分析论述，进行了功能设计、信息模型设计和系统实现流程的设 7 l 绪论 硕士论文 计提出了基于本体建模配置方法。 第三章：结合企业的摩托车产品和顾客需求，进行了基于本体建模的产品配置系 统的详细设计。首先对本体技术中本体的定义、构建方法、工具和建模语言进行了分 析研究，建立了配置本体实体关系模型。接着对产品配置进行了本体建模和实例推理 技术的应用研究，然后实现了基于实例本体的顾客需求模型向产品配置模型的映射， 最后利用层次分析法对配置结果进行了评价。 第四章：主要基于原型系统开发运行实例介绍了上述系统的主要功能及其具体的 实现方法。 第五章：总结了本论文所作的工作并对今后的工作进行了展望。 8 硕士论文 基于本体建模的产品配置及评价系统的研究与应用 2 基于本体建模的产品配置及评价系统的总体设计 对于摩托车生产企业来说基于客户需求的新车型开发，才能更好地满足市场。随 着生产技术的发展，摩托车企业之间竞争不仅存在于技术领域，也存在于生产模式上， 只有面向客户开发的新车型，才能在瞬息万变的市场变化中，立于不败之地。而摩托 车的配置是一个复杂而又反复的过程，需要企业各个部门紧密联系。因此，本章进行 了企业现状和顾客需求分析，分析基于本体建模的产品配置方法的本体技术、实例推 理技术、a h p 配置评价关键技术，对产品配置系统进行了总体设计。 2 1 系统需求分析 2 1 1 企业现状分析 金城集团有限公司自1 9 7 9 年利用航空高科技研制开发金城牌摩托车以来，通过 多年努力耕耘，现已拥有8 大系列、4 0 余种车型，形成了高中低排量齐全，各具特 色的产品结构。产品执行国外先进标准( 日本工业标准j i s d l 0 3 2 1 0 4 0 ) ，其中3 6 c c 排量的金城t r 3 6 l 四冲程“助力车”被誉为国内首创的“绿色”产品，金城牌5 0 c c 、 7 0 c c 、9 0 c c 、1 0 0 c c 、1 1 0 c c 、1 2 5 c c 等各排量系列摩托车中均具有达到国际同类 产品先进水平的车型，如：金城一铃木a x 1 0 0 、s j s 0 ( a j 5 0 ) 并ns j l l 0 等车型已达到 日本铃木公司同期技术质量水平；金城j c 5 0 q 、j c l 2 5 7 b 、j c l 2 5 8 以及j c l 2 5 2 a 等车型己获得德国的“落地”认证，出口欧洲形势喜人：金城c j 7 0 a 、j c 5 0 q 、j c 9 0 b 等车型的性能质量已达到了日本本田公司同类产品的水平。公司研制开发摩托车产品 国内市场占有率为9 3 0 ，国内市场占有率在全国同行业中位居第三。 1 9 9 5 年金城集团开始实施c i m s 一期工程，通过引进国外成熟的应用软件和集 团内部的自主开发与二次开发来改造企业，使企业的经营决策、产品开发、生产管理、 市场营销等方面的水平上了一个新台阶。目前，c i m s 二期工程中金城摩托车开发中 心的p d m 项目正在逐步的推开，目前产品数据管理项目作为子项目主要帮助企业解 决的以下问题： ( 1 ) 在原有新金软公司j c p d m 3 0 基础上，满足金城集团生产的金城摩托车国内 外高端定制产品的需求，缩短产品的开发周期，提高摩托车零件的重用率和使用效率。 ( 2 ) 综合考虑顾客需求和产品设计，实现客户驱动的产品配置，解决配置方法复 杂和配置模型不合理的问题，实现数据的共享和设计的协同和信息反馈畅通的目的。 ( 3 ) 提高配置自动化程度，解决摩托车信息混乱不统一，数据的存储分散，检索 9 2 基于本体的产品配簧及评价系统的总体设计 硕士论文 资料不方便的问题。 ( 4 ) 实现企业历史经验和知识的传播和应用，解决产品配置知识不能够共享和重 用的问题。 ( 5 ) 提供辅助评价系统，解决产品配置不合理的问题。 企业需要在做好产品的标准化、模块化和系列化的基础上，针对不同的需求运用 各种配置方法，开发相应的产品配置系统。最终达到更好的满足顾客需求，缩短产品 的开发周期，提高摩托车零部件的重用率，共享协同设计数据，最终实现摩托车的快 速配置设计和定制生产的目标。 本文在研究前人的配置方法的基础上，针对具体的摩托车研究对象以金城集团摩 托车技术开发中心为企业载体，研究分析并提出了基于本体建模的产品配置方法。 2 1 2 顾客需求分析 产品配置是为了满足顾客的个性化需求而进行的设计，一个产品从最早的产品定 义开始、到产品平台和产品族的形成、产品配置模型的建立、以致最后产品配置设计 过程的完成，都离不开顾客的需求信息。由于国内家庭轿车的逐渐普及，摩托车将从 早期的作为主要代步的交通工具，逐渐向显示个性，代表个人爱好，豪华性定制摩托 车转变，所以企业更要重视和研究顾客的需求信息，才能赢得市场获得发展。顾客需 求信息不论是在可配置产品的开发中，还是在以后的产品配置中，都是最重要的信息 输入源。 顾客需求建模是指产品需求信息被采集、分析、结构化、并转换为设计规范( 产品 定义) 的过程。该过程是市场调研与设计之问的桥梁，是决定企业能否快速响应顾客 多样化需求和提高市场竞争力的关键。产品需求分析与建模是产品开发的源头。目前 产品需求建模的方法根据其研究起点的不刚3 5 】，可以主要分为两类： ( 1 ) 新产品设计的需求建模 新产品设计的需求建模步骤如图2 1 所示，一般包括用户需求获取、用户需求分 析、利用q f d ( q u a l i t yf u n c t i o nd e v e l o p m c n t ) 方法实现顾客需求和产品开发的关联。 1 0 硕士论文 基于本体建模的产品配置及评价系统的研究与应用 初始需求设计者 图2 1新产品需求建模步骤示意图 ( 2 ) 对已有产品的进化设计建模 根据产品设计知识的可用性，设计一般可分为三类：创新设计、变型设计和常 规设计。其中，变型设计是要求扩展己有设计的范围以适应新产品的功能和变化， 据估计+ 9 0 以上的产品设计是基于变型的设计【3 6 】即在现有产品的基础上通过变型 设计而完成的，因此研究基于现有产品进化的产品需求建模方法和步骤也十分必 要。这种方法一般是通过映射历史数据来识别产品需求模式( p r o d u c tr e q u i r e m e n t p a t t e r s ) ，从而在新产品设计中根据这些模式，通过对现有产品设计的修改和进化来 进行需求分析【3 7 j 。 企业客户目前大部分配置是基于已有成熟产品零件进行的，所以目前企业配置 建模以已有产品的进化设计建模为主，但为了企业进行前沿设计和车型的概念设 计，引导消费者的消费潮流，也提供了新产品设计需求建模的辅助方法。 本文在构建顾客需求本体时，针对摩托车的顾客需求信息，先进行顶层需求本 体的抽象，然后让新产品设计需求模型本体和产品进化设计模型本体继承顶层领域 需求本体。 2 2 关键技术 为提高产品配置知识的共享和重用，解决规则配置的复杂性和难移植性问题， 方便顾客定性和定量相结合、系统化对产品配置结果进行评价。本文将本体技术与 产品配置方法相结合，采用层析分析法对配置结果进行评价确定，最终配置出满足 企业效益和顾客满意度的产品。 2 基于本体的产品配置及评价系统的总体设计硕士论文 2 2 1 本体技术 ( 1 ) 本体( o n t o l o g y ) 及本体技术的概念 本体( o n t o l o g y ) 的概念最初起源于哲学领域，它在哲学中的定义为“对世界上客观 存在物的系统地描述，即存在论”，即世界在本质上有什么样的东西存在，存在的实 体所具有的属性。所以本体是客观存在的一个系统的解释或说明。 本体是领域共享概念的一种认同，用于描述或表达某一领域知识的一组概念或术 语，它可以用来组织知识库较高层次的知识抽象，也可以用来描述特定领域的知识。 在人工智能领域，本体是构成相关领域词汇的基本术语和关系，以及利用这些术语和 关系，构成这些词汇外延规则的定义。定义本体的目的是为使知识能够共享和重用【3 8 1 。 由于本体和具体的应用领域密切相关，不少文献从不同的问题域和研究角度出 发，给出了不同的本体定义： g r u b e r 提出“本体是对概念的明确的规范说明1 3 叼； u s c h o l d 认为“本体是对概念化的某一部分的明确的表达或描述”【4 0 】； g u a r i n o 认为“本体是一种能对概念模型进行明确的、部分描述的逻辑理论”【4 1 1 。 本体作为应用领域的概念模型，使不同的建模方法、算法、语言和软件工具之间 能够共享相同的背景知识，实现系统间的互操作。领域本体的目标是捕获相关领域的 知识，共同理解该领域知识，确定该领域内共同认可的词汇，从不同层次的形式化模 式中给出这些词汇和词汇问相互关系的明确定义，通过概念之间的关系来描述概念的 语义，描述领域内实体及其属性和行为，以及实体关系的词汇、定义、公理、定理的 集合等，构成领域本体的内容，领域本体是领域知识表达的基础。 本体技术( o n t o l o g y ) 自2 0 世纪9 0 年代初提出，经过了l o 多年的发展，从概念到逻 辑基础，从实现语言、构建环境到方法论，已经初步构建了本体的理论框架和技术体 系，并在众多领域得到广泛应用。建造本体被看作是改进知识工程过程、增强知识共 享和复用、促进异构系统间互操作的重要手段。本体已经广泛应用于常识知识、企业 集成、自然语言翻译、语义w e b 、软件设计、医药工程、机械工程、电子商务、情报 信息系统、地理信息系统、基因工程和生物信息系统等。 ( 2 ) 基于本体论的产品配置 本体在机械制造行业的应用包括企业本体、工程设计本体、产品本体、产品设计 资源本体和( 分布式) 工作流程本体等。不同的研究人员由于侧重点不同，所建立的产 品本体反映出的产品信息也各不相同，具体包括用于设计的产品本体【4 2 】、用于产品生 命周期管理的产品本体【4 3 1 、用于产品数据交换的产品本体】、构建产品信息系统的 产品本体【4 5 1 、产品零件库本体【4 6 】和产品配置本体【4 7 】等。 由于配置过程涉及不同的建模方法、算法、语言和软件工具，为了能够共享相同 的背景知识，实现系统间的互操作，本文采用基于本体理论配置建模方法，将本体应 1 2 硕士论文基于本体建模的产品配置及评价系统的研究与应用 用于产品配置领域，具有以下优点： 1 ) 可重用性，本体是领域中实体、属性、处理过程，以及实体之间关系形式化编 码的基础。这种形式化表示有助于配置知识的重用； ，2 ) 便于知识获取，使用本体作为引导知识获取的起点和基础，建立产品配置知识 库； 3 ) 可靠，形式化表达使配置的一致性检查成为可能。 基于本体论的产品配置知识的概念化表示方法，综合涵盖了基于结构、基于资源、 基于连接和基于功能这四种产品配置方法中的结构、资源、连接和功能这四种概念， 是一种产品配置知识通用的表示方法。a l e x a n d e rf e l f e r n i g 等【4 8 】人在构建配置知识库 时将配置本体进一步细化，包括；构件种类、功能种类、资源、泛化、聚合、连接和 端口、兼容性关系、附加的建模概念、约束和功能配置知识。 本文将结合在已有的本体知识和配置方法，研究产品零件本体、产品设计本体、 顾客需求本体和产品配置本体之间的信息共享与交换，通过定义构件、资源、接口等 配置本体含义构建配置模型，提高模型的共享性、重用性和对模型语义的正确理解。 2 2 2 实例推理技术 基于实例的推理( c b r ) 技术是人工智能方向的一个重要研究领域。它是由英国 剑桥大学r o g e rc s c h a n k 教授【4 9 】首次提出的一种适用于机械产品再设计的类比推 理人工智能方法。其基本原理是：在实例库中预先存入大量已有的、成熟的实例， 根据待设计产品的要求和特征，按照相似度从实例库中检索出一组相关实例，进行 必要的修改、组合和处理后，即可形成新的产品设计方案，并且可作为新的实例不 断扩展实例库。c b r 的核心在于利用过去的实践经验来解决新问题。 基于实例推理过程是一个模拟人工设计的过程，实际上是从用户需求空间到实例 空间的映射过程。基于实例的推理提供了将经验知识应用于求解新问题的过程模式， 其推理过程的一般步骤如下： ( 1 ) 提出问题。根据要解决的问题，输入初始条件及其它相关信息； ( 2 ) 提取实例。根据问题要求及初始条件，从实例中检索出一组与当前问题相似 的实例集； ( 3 ) 修改应用实例。从相似实例中找出最相似的实例或通过多个实例的修改、组 合最终形成目标问题的解决方案，使之满足当前问题的要求； ( 4 ) 存储实例。新设计方案生成后，将其作