智能化产品变型设计支持系统模型及其应用

1、变型设计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 摘要产品变型设计的基本思想是通过改进已有的系列产品或设计实例来适应新的设计需求。针对变型设计的基本特点,本文提出以基于实例的推理为基础, 综合运用规则推理和约束满足方法来完成产品的变型设计活动。文章结合我们所开发的“细纱机模块化变型设计系统”, 从知识表达

4、模式、系统框架和推理流程等方面详细讨论了以基于实例的推理为核心方法的面向产品变型设计的智能支持系统模型的实现及其具体应用。关键词变型设计知识处理基于实例的推理1引言根据设计活动的基本特点和实际应用情况, 制造行业中的产品设计活动一般可以分为以下三种类3本文得到国家863青年基金和浙江省自然科学基金资助江力博士研究生, 浙江大学计算机系人工智能研究所, 浙江大学CAD CG 国家重点实验室, 310027孙守迁工学博士、副教授, 浙江大学计算机系人工智能研究所, 浙江大学CAD CG 国家重点实验室, 310027何志均教授、博导, 浙江大学计算机系人工智能研究所, 浙江大学CAD CG 国家重

5、点实验室, 3100271, 创造性设计(C reative design :这种设计方法针对新的需求, 从已知的、经过实践检验是可行的理论和技术出发, 设计出过去没有的新型产品。这是一种完全创新的设计, 其基本特点是:对于设计目标的描述是不完全和不确定的, 并且没有现成有效的问题分解模式和对于子问题的设计规划, 整个设计过程是发散的, 无常规可循, 基本取决于设计者的创造性思维。适应性设计(A dap tive design :这类设计是在保持产品原理、方案基本不变的前提下, 在原有产品的基础上, 对产品的某些局部功能和结构作出变更, 以适应某种要求。从整体上来说, 适应性设计其设计目标是确

6、定的, 并且存在着较为固定的问题分解模式。但对于产品的某些子模块来说则往往在技术上具有较大变化, 没有固定的设计模式可循, 换言之, 存在着对某些子系统的创造性设计。变型设计(V arian t design :是在产品工作原理、基本功能定义不变的情况下, 通过现有产品局部结构型式和尺寸的变异以满足不同工作性能的需求。这是一种相对刻板、常规的设计活动。其基本特点是具有固定、有效的问题分解结构, 对于子问题的设计和设计错误的处理都具有比较明确的常规步骤和方法, 比较适合于运用现有的计算机技术去辅助实现。在实际生产设计中, 对于已有产品的变型设计占有相当大的比重, 尤其是当前产品“小批量、多品种”

7、已成为制造行业内普遍采用的生产、经营策略, 变型设计很好地顺应了这种策略, 故而对于企业的生产、经营具有十分重要的作用和很好的应用价值。基于这种情况, 我们选择了产品变型设计作为研究对象, 针对其特点构造了一个基于知识处理技术的面向产品变型设计的智能化设计支持系统模型。下面, 本文将结合与上海二纺机股份有限公司合作开发41工程设计(Kon struk ti on 1997. 3的“细纱机模块化设计系统”分别就变型设计的基本概念模型、知识处理模型和变型设计支持系统框架展共讨论。2变型设计的基本求解模型由于产品的基本组成、结构和功能早在开发其基型产品时就已确定, 因此, 变型设计的主要任务就是根据

8、具体的设计需求, 将已有的类似产品或模块作为设计模板, 在保持其整体结构和功能不变的前提下,对其局部结构的配置和尺寸作出一定范围内的变动调整, 以设计出符合要求的产品系统。, 、零件等功能模块的设计。, 其基本的设计求解方法模型可以表示为如图1所示的流程:由图1可见, 如果要利用计算机来有效地实现和支持变型设计, 在求解方法上首先必须解决以下几方面的问题:能够对输入参数作出必要的分析和检验, 以确认输入设计参数的合理性; 能够较好地表达和组织、管理已有的大量设计实例; 图1变型设计基本求解方法模型能够根据新的设计要求匹配和检索相符或相近的实例组; 能够从中选取合适的实例作为变型的模板;能够参照

9、领域知识对已选取的模板加以合理改进以适应新的要求; 在各个设计层次与阶段, 评价。, 。同其他智能系统一样, 面向产品变型设计的知识表达模型必须完整、有效地表达变型设计过程中所需的各类知识, 从而为设计问题求解提供支持。从面向对象的思想出发, 所建立的知识表达模型既要包括对目标产品本身的描述信息, 又必须能够包容各个对象相应的信息处理方法(包括基于知识处理的方法和常规处理方法两种 。具体地说, 应能描述以下信息:结构类知识:对于任何一个产品而言, 必然存在着基本的静态组成结构, 它表明了各个设计对象之间相互影响、作用的关系, 并且这部分信息将构成控制求解进程的依据。属性类知识:属性类知识则是指

10、每一个设计对象所具有的在功能、性能、外形、结构组成和生产制造等方面的特征, 设计的最终目标就是完全确定对象的全部属性。对于对象属性的表达既应有对单一属性的描述, 同时还必须考虑到属性之间可能存在的相互联系。方法类知识:方法类知识则包含了关于对象的求解方法和策略。这里所述的方法既包括产生式规则、描述性框架等属于人工智能范畴的方法, 同时也包括了与传统处理方法相结合的对外部功能的调用。基于如下考虑, 我们构造了一个面向变型设计的表达模型, 其BN F 定义如下: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智能化产品变型设计支持系统模型及其应用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 各组成部分具体解释如下:VDO NAM E :代表变型设计对象类的名称;VDO T YPE :代表变型设计对象类所属的类别;VDO SU PER :代表变型设计对象类的父类, 以实现属性和操作方法的继承;A T TR I BU T E L IST :用于描述设计对象所具有的属性特征, 其中每一属性

16、描述均包括名称、种类、是否关键属性及属性的重要性权重; DA TA L IST :描述设计对象可能对应的外部数据和图纸、明细表等, 包括数据地址、数据类别和相应的数据处理程序;COM PON EN T L IST :利用VDO 名称索引来描述组成对象的子对象集合, 由此可以体现对象的静态组成结构, 也为对本对象的设计求解提供了推理控制的依据;I N STAN CE L IST :用来记录现有的属于本对象类的所有实例, 各实例依据属性的不同而相互区别, 由此形成设计实例库, 为进一步的变型设计提供信息基础;D ES IGN A GEN T :描述了对于特定对象类的具体设计求解策略, 也体61工程

17、设计(Kon struk ti on 1997. 3现了各类对象在求解方法上的个性特征。其中, TA SK 描述了可接受的设计任务, 继而以PLAN 来表达求解方案, 求解方案由约束集、设计动作和规则集依特定顺序的组合构成:CON STRA I N TL IST 表示各个属性之间必须满足的约束条件, 、; A CT I ON 描述了求解过程中需要进行的操作包括以消息传递的方式下达对子对象的设计任务和对内部与外部各类函数的调用:RU L EL IST 则是以产生式规则的方式描述求解过程中的经验性推理规则。本模型的特点在于:以层次的框架结构和面向对象的思想为核心, 具有较强的结构化能力。其优点主要

18、表现为:具有面向对象的特征:如信息封装性和继承性; 将设计对象的数据与知识作为一个有机的整体进行表达, 有利于求解过程中对知识处理技术和常规数据处理系统等的综合运用; 能够完整有效地表达变型设计过程中所运用的各类设计知识, 支持系统在此基础之上完成基于实例的推理, 并支持约束满足和规则推理; 结构简单, 便于理解, 有利于设计专家对大量知识的直接编辑、维护。4基于实例推理的变型设计混合求解模型4. 1变型设计求解系统框架, 我们首先构造了2:包括一个归纳推理机和设计, 由设计实例库存储已有的设计实例, 由归纳推理机针对设计要求完成对设计实例的匹配、选择。演绎推理模块:包括演绎推理机及领域规则库

19、, 其作用有:控制求解流程, 分解设计任务; 完成对已选设计实例的改进; 评价设计结果的合理性与有效性。工程数据库:存储所有与设计产品相关信息, 包括设计图纸、明细表和设计文档资料等。用户接口模块:负责系统与设计师之间的信息交流, 包括下达设计任务、提交和评价设计结果、 纠正设计错误等。联系界面:管理归纳推理模块、演绎推理模块和用户接口模块之间的信息交流, 以消息传递的形式协调、触发归纳推理和演绎推理模块。知识库维护子系统:主要用于设计工程师对于知识库内各类设计规则、约束的维护、修改。4. 2基于实例推理的变型设计求解流程在以上系统框架的基础上, 系统对于设计对象的求解流程如图3所示。在图3所

20、示的混合求解模型中, 基本的求解方法是以基于实例的推理为基础, 即通过对已有设计实例71智能化产品变型设计支持系统模型及其应用 的检索、选择和变型来完成求解3, 4, 5, 6。以下, 我们结合对细纱机部件“车头传动”的设计, 对推理过程中所应用的近似匹配算法、模板选择算法和模板改进方法分别作出描述。4. 3近似匹配算法在接受了设计任务以后, 如果设计实例库中没有与要求设计参数完全匹配的实例, 则应从已有实例中提取与设计参数部分匹配的实例组, 具体算法如下:步骤1:令F =f 1, f 2, , f n , f n+1, f n+2, , f n+n 表示一类设计对象所具有的一组属性, 其中由

21、属性的KEY FLA G 可得f i (i =1,2, , m 为对象的重要属性, f i (I =m +1, m +2, , m +n 为对象的一般属性;步骤2:设定W =W (f n+1 , W (f n+2 , , W(f n+n 0, 1为对象一般属性的权值(由设计师依经验确定 ;步骤3:令V =v 1, v 2, , v n+n 表示一组相应于对象属性的值, 设要求设计参数为V , 对每一实例取其实际功能属性V , 计算S=S 1(v 1, v 1 , S 2(v 2, v 2, , S m +n (v n+n , v n+n ,当v i 与v i 相同时, 取S i 为1, 否则S

22、 i 为0, i =1, 2, , m +n步骤4:计算B =7S i (v i , v i 3(6W (f j S j (v j , v j 0, 1,即得实例的匹配值, 其中i =1, 2, , m , j =m +1, m +2, m +n ;步骤5:设匹配阀值T , 取B T 的实例为所选相似实例。例如:现有细纱机部件车头传动, 其属性参数包括:锭距、升降动程、机器高度和锭盘高度, 各参数重要性定义如下表, 其中匹配阀值为0. 75:参数锭距升降动程锭盘高度机器高度权值10. 50. 250. 25实例库中现已有以下实例:锭距升降动程锭盘高度机器高度机架型号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现有设计任务为:锭距:70, 升降动程:180, 锭盘高度:30, 机器高度:增加50mm 由近似匹配算法计算可得各实例匹配值如下表: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由匹配阀值为0. 75, 可得近似匹配实例组为:T EJ 251M -703180-00, T EJ 251K -703180-00。81工程设计(Kon struk ti on 1997. 3智能化产品变型设计支持系统模型及其应用 1 9 数进行改进, 改进所需的知识由 知 识 表 达 模 型 中 D E 2S IGN A GEN T 提供并完成相应的推理过程, 基本过程如下: 步骤1: 确定所选实例中与设计要求不符的特征; 步骤 2: 根据变型规则确定需要改进的部分, 由

25、 D ES IGN A GEN T 通过对 CALL 的 解释, 调用相应的处理方法; 步骤3: 如需对组成本对象的子对象作出改进, 则 下达对子对象的设计任务, 对子对象的求 解将重复4. 3 4. 5过程。 一般而言, 依据近似匹配算法得到的匹配实例可 对于上例, 比较设计参数和所选部件 T EJ 251M 能为多个, 因此, 还必须从中选择合适的实例作为设 - 703 180- 00可知二者仅机器高度不同, 由规则 “若 计模板。 具体算法如下: 机器高度不符, 则转入对零件车头传动支架设计”向 , 4. 4模板选择算法 步骤1: 令 C = C 1 , C 2 , , C n 为经近似

26、匹配所得 的候选实例; 步骤2: 令 S= S 1 , S 2 , , Sn 为一组评价标准; 步骤3: 计算评价矩阵 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 表示实例 C i 对于评价标 准 S j 的符合值; 目前, 我们已经完成了产品变型设计系统模型 步骤4: 计算评价函数 E (R i1 , R i2 , , R in 的实例 VD S 的构造, 在此基础上与上海二纺机股份有限公 的评价分 E; 司开发完成了 “细纱机模块化设计系统”系统在

27、实际 , 步骤5: 取 E 值最高实例为设计所需的基型。 应用中取得了较好的效果, 在保证设计结果正确的基 例如: 对于上文细纱机部件车头传动的设计, 现 有评价标准为 a 若升降动程与锭盘高度均相符, 则评价分为0. 6; b 若锭盘高度与机器高度均相符, 则评价分为 0. 5; 根据模板选择算法可得: T EJ 251 - 70 3 180M 00为与设计参数最相近的实例。 4. 5模板改进方法 在已确定的设计模板基础上, 还必须按照要求参 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1. G. Pah l W. Beitz Eng ineering D esign. Sp ringer2verl