多層次可拓物元基因概念設(shè)計(jì)方法的研究

摘要:面對(duì)現(xiàn)有概念設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新層次和可操作性時(shí)常不能兼顧的困境，合理地將可拓學(xué)的沖突解決理論和生物生長(zhǎng)中的中心法則引入概念設(shè)計(jì)過(guò)程中，以多層次產(chǎn)品分解粒度作為設(shè)計(jì)信息表達(dá)載體，借助可拓變換的推理機(jī)制提出了一種多層次可拓基因推理的概念設(shè)計(jì)方法，較好地解決了兼顧問(wèn)題。討論了設(shè)計(jì)方法的總體框架和相應(yīng)原型系統(tǒng)，實(shí)例化地驗(yàn)證了方法和系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞:生長(zhǎng)表面; 雙次可拓推理; 層次評(píng)價(jià); 原型系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào):TG156文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001－3695(2008)02－0414－03

伴隨全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，加快和提高產(chǎn)品的創(chuàng)新水平已成為企業(yè)生存的關(guān)鍵。產(chǎn)品的創(chuàng)新來(lái)源于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，它不僅決定著產(chǎn)品創(chuàng)新的最終層次，也制約著詳細(xì)設(shè)計(jì)階段很難或不能糾正的設(shè)計(jì)缺陷[1]。遺憾的是，目前雖然存在不少的概念設(shè)計(jì)方法，但卻存在著創(chuàng)新層次和可操作性不能兼顧的問(wèn)題。因此，積極尋找一種靈活高效的概念設(shè)計(jì)方法并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的人機(jī)輔助平臺(tái)已經(jīng)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的緊要問(wèn)題。

1可拓生長(zhǎng)表面

1.1可拓理論

可拓理論[2]是一種形式化的問(wèn)題解決理論。它通過(guò)公式ρ(x0，X0)=|x0-(a+b)/2|-(b-a)/2來(lái)確定問(wèn)題距離解的程度(其中:x0是實(shí)軸上的任意點(diǎn);X0=(a，b)是實(shí)軸上的任意區(qū)間)，并能借助各種可拓推理方法(發(fā)散#65380;相關(guān)#65380;蘊(yùn)涵#65380;共軛)和可拓變換將形式化的問(wèn)題表達(dá)函數(shù)k(x)=ρ(x0，X0)/D(x，X0，X)由負(fù)域集(不滿(mǎn)足解的物元集)變換到正域集(滿(mǎn)足解的物元集)，從而從變化的角度，通過(guò)化不可行為為可行#65380;化對(duì)立為共存的方法解決各種對(duì)立和沖突。

1.2生長(zhǎng)表面

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新水平隨著對(duì)產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)的更深層次不斷分解而逐漸提高。本文根據(jù)不同設(shè)計(jì)階段的特點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程采用了不同的分解粒度。在設(shè)計(jì)的前期階段采用產(chǎn)品機(jī)構(gòu)作為分解粒度，使推理過(guò)程具有較高的效率;在設(shè)計(jì)的后期階段采用生長(zhǎng)表面形式作為分解粒度，使產(chǎn)品的創(chuàng)新水平處于較高層次。作為一個(gè)功能載體，生長(zhǎng)表面一方面承載了產(chǎn)品的功能信息;另一方面又可以看成是零部件幾何形狀的抽象。它將產(chǎn)品功能屬性#65380;工作原理屬性和幾何結(jié)構(gòu)屬性融為一體，形成產(chǎn)品構(gòu)成中零部件在概念設(shè)計(jì)階段的初始形態(tài)。鑒于它與生物生長(zhǎng)過(guò)程中的原機(jī)體具有類(lèi)似的意義，文中稱(chēng)之為生長(zhǎng)表面。它會(huì)像生物生長(zhǎng)一樣，由最初生長(zhǎng)表面逐漸按照設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)信息演變?yōu)楦鞣N形式的復(fù)雜產(chǎn)品。通過(guò)生長(zhǎng)表面間的相互聯(lián)結(jié)關(guān)系和裝配關(guān)系可以建立整個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)原理模型。通過(guò)生長(zhǎng)表面之間進(jìn)行相互聯(lián)結(jié)，按照實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能要求的生長(zhǎng)表面之間一定的約束配合方式，通過(guò)施以相應(yīng)的物理約束，使得它們之間相互協(xié)調(diào)#65380;共同完成預(yù)期的功能要求。通過(guò)建立基本生長(zhǎng)表面間的關(guān)聯(lián)約束并遍歷整個(gè)關(guān)聯(lián)集，即可最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品的需求功能，如圖1所示。

2雙次可拓物元推理的概念設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)整體框架

本文提出的多層可拓物元推理概念設(shè)計(jì)方法是通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)信息載體粒度的不同層次分解為前提，借助可拓推理工具的發(fā)散性推理策略，通過(guò)兩次基于CBR(case base reason)的過(guò)程推理框架設(shè)計(jì)完成的。第一次推理過(guò)程是以產(chǎn)品機(jī)構(gòu)作為設(shè)計(jì)信息載體，采用相似度作為推理標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)比設(shè)計(jì)需求組件間的相關(guān)度確定組件權(quán)重，根據(jù)最優(yōu)度的計(jì)算準(zhǔn)則來(lái)確定最佳的匹配實(shí)例，并將最佳設(shè)計(jì)實(shí)例作為第二次拓展推理的原型平臺(tái)，使第二次推理具有明確的方向，避免了重組爆炸現(xiàn)象的發(fā)生;第二次推理是以生長(zhǎng)表面作為設(shè)計(jì)信息載體，首先將設(shè)計(jì)需求通過(guò)QFD方法[3]轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)要求，再對(duì)原型平臺(tái)進(jìn)行表面分解，對(duì)比兩者存在的區(qū)別，確定出原型平臺(tái)中對(duì)應(yīng)的病態(tài)生長(zhǎng)表面，通過(guò)可拓變換工具在產(chǎn)品特征表面基因庫(kù)中搜索滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的特征重組表面。重組滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的各生長(zhǎng)表面，從而完成整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的完善設(shè)計(jì)。當(dāng)然，整個(gè)推理過(guò)程都是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)約束和環(huán)境約束控制下完成的，如圖2所示。

2.2基于產(chǎn)品組件物元的匹配推理

為了使產(chǎn)品設(shè)計(jì)的第二次拓展建立在一個(gè)明智的方向上，首先需要獲得一個(gè)與設(shè)計(jì)系統(tǒng)相似度最好的實(shí)例原型作為拓展平臺(tái)。本文采用可拓問(wèn)題解決理論中的關(guān)聯(lián)函數(shù)[2]作為進(jìn)行最優(yōu)實(shí)例匹配的算法依據(jù)，將設(shè)計(jì)產(chǎn)品及構(gòu)成產(chǎn)品的組件都以物元形式加以表示，借助物元信息關(guān)系圖[4](圖3)來(lái)表示匹配過(guò)程中各物元間的關(guān)系，將實(shí)例的匹配推理轉(zhuǎn)變?yōu)槲镌Z(yǔ)義關(guān)系間的類(lèi)比匹配問(wèn)題。整個(gè)物元信息關(guān)系圖可用M=[S，S，σ，φ，K]表示。其中:S表示待設(shè)計(jì)產(chǎn)品物元集;Si為其組件物元集;S為實(shí)例物元集，Si為其組件物元集;σ表示Si與Si之間的相似度; ρ表示Si與S間的關(guān)聯(lián)程度;K(S)表示實(shí)例S的最優(yōu)度[5]。

2.3基于可拓策略的拓展推理

第二次產(chǎn)品功能的拓展是設(shè)計(jì)方法的核心，也是產(chǎn)品得以創(chuàng)新的根源。這次推理過(guò)程包括三個(gè)步驟，即用戶(hù)需求基因的獲取#65380;病態(tài)表面基因的拓展和創(chuàng)新系統(tǒng)的重組，如圖4所示。

2.3.1設(shè)計(jì)過(guò)程基因的獲取

任何產(chǎn)品設(shè)計(jì)都是基于一定知識(shí)基礎(chǔ)上用戶(hù)需求功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。第一次推理得到的設(shè)計(jì)原型通常不能直接滿(mǎn)足用戶(hù)需求，還需對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)需要獲取兩方面的信息，即確定被改進(jìn)的對(duì)象信息和需求可替換的資源信息。具體獲取方法為:a)根據(jù)用戶(hù)的設(shè)計(jì)需求獲取設(shè)計(jì)需求基因，并根據(jù)設(shè)計(jì)的外界環(huán)境因素得到設(shè)計(jì)的約束基因，從而為確定原型系統(tǒng)中需改進(jìn)的對(duì)象指明方向。本文采用了一個(gè)由顧客驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方法(quality function deployment，QFD)中的QH(quality house)法，通過(guò)設(shè)計(jì)要求→技術(shù)要求→功能要求→結(jié)構(gòu)要求的瀑布式轉(zhuǎn)換形式，將顧客需求映射為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)約束基因，對(duì)比獲取的設(shè)計(jì)約束基因與原型實(shí)例的生長(zhǎng)表面基因。確定出產(chǎn)品的病態(tài)生長(zhǎng)表面，為進(jìn)一步原型平臺(tái)的拓展設(shè)計(jì)提供依據(jù)。b)從設(shè)計(jì)原型平臺(tái)中獲取用于拓展重組的基本表面基因。利用“之”字分解法在初始原型實(shí)例上用抽象的生長(zhǎng)表面表達(dá)出產(chǎn)品的功能實(shí)現(xiàn)形式，即那些表達(dá)產(chǎn)品功能和聯(lián)結(jié)關(guān)系的原理構(gòu)件。將這些產(chǎn)品生長(zhǎng)表面基因集中到產(chǎn)品特征表面基因庫(kù)中，為其后續(xù)的設(shè)計(jì)過(guò)程提供資源。原型平臺(tái)中生長(zhǎng)表面信息的獲取包含表面的功能信息#65380;結(jié)構(gòu)信息和各表面間的關(guān)聯(lián)信息。由于產(chǎn)品的表面功能可由結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，表面基因的獲取主要是生長(zhǎng)表面的結(jié)構(gòu)信息和關(guān)聯(lián)信息。文中采用MDT[6](mechanical desktop)的信息獲取機(jī)制，利用邊界表示(B－rep)數(shù)據(jù)模型，通過(guò)表面的幾何數(shù)據(jù)和拓?fù)鋽?shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息和關(guān)聯(lián)信息的表達(dá)。獲取的產(chǎn)品基因信息用生長(zhǎng)表面關(guān)系矩陣GFace－matrix和生長(zhǎng)表面物元GFace－note的方式加以保存。其中，GFace－matrix中存儲(chǔ)了生長(zhǎng)表面之間的相關(guān)信息，如表面之間的定位關(guān)系和貼合關(guān)系;GFace－note中則存儲(chǔ)著生長(zhǎng)表面的屬性信息，如表面的各個(gè)設(shè)計(jì)特征及其對(duì)應(yīng)的特征值。

2.3.2病態(tài)表面基因的拓展

確定了原型系統(tǒng)中的病態(tài)生長(zhǎng)表面，下面需要對(duì)病態(tài)表面進(jìn)行拓展設(shè)計(jì)以使其能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。病態(tài)生長(zhǎng)表面的拓展通過(guò)對(duì)病態(tài)生長(zhǎng)表面關(guān)系矩陣GFace－matrix和病態(tài)生長(zhǎng)表面物元GFace－note的參數(shù)修改，并在生長(zhǎng)表面特征基因庫(kù)中搜索相應(yīng)健康生長(zhǎng)表面來(lái)實(shí)現(xiàn)。生長(zhǎng)表面的拓展不僅有表面設(shè)計(jì)特征值的拓展，還有設(shè)計(jì)特征域的拓展。病態(tài)生長(zhǎng)表面的拓展主要是包括生長(zhǎng)表面基因的幾何信息#65380;屬性信息和關(guān)聯(lián)信息的拓展;幾何信息拓展主要指生長(zhǎng)表面的結(jié)構(gòu)大小和形狀的拓展，這是表面拓展的主要部分;屬性信息的拓展則是對(duì)表面屬性特征和屬性域的拓展，所有這些拓展都由可拓集合中的各種可拓變換完成[2];關(guān)聯(lián)關(guān)系的拓展主要是對(duì)生長(zhǎng)表面間約束信息的拓展，使其具有良好的貼合關(guān)系。根據(jù)滿(mǎn)足條件的拓展變換，在表面基因庫(kù)中獲取滿(mǎn)足條件的健康表面，進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的重組。

2.3.3創(chuàng)新系統(tǒng)的重組

只有將拓展后的健康生長(zhǎng)表面重組成新的產(chǎn)品系統(tǒng)，前面全部的工作才有意義。本文采用的重組方案是先確定一個(gè)健康的生長(zhǎng)表面;然后根據(jù)生長(zhǎng)表面之間的幾何關(guān)系#65380;聯(lián)結(jié)關(guān)系，通過(guò)生長(zhǎng)表面間的功能約束依次完成新產(chǎn)品系統(tǒng)重組。產(chǎn)品基因的重組能否成功，關(guān)鍵在于從表面基因庫(kù)中獲取的產(chǎn)品拓展表面與原型實(shí)例中的健康載體表面之間的匹配能否成功，并促使由此產(chǎn)生的所表達(dá)出的概念零件能夠進(jìn)行有效的裝配。產(chǎn)品基因重組匹配包括幾何信息和匹配#65380;屬性信息的關(guān)聯(lián)信息的匹配;幾何信息的匹配包括概念表面基點(diǎn)#65380;線(xiàn)#65380;面以及幾何類(lèi)型#65380;定位特征等信息的匹配。屬性信息的匹配要求拓展表面基因所表達(dá)的輸入和輸出間能夠滿(mǎn)足數(shù)量的一致;關(guān)聯(lián)信息的匹配則是用拓展表面替代原有表面后，所有生長(zhǎng)表面間都具有良好的聯(lián)結(jié)關(guān)系。只有當(dāng)完成了拓展生長(zhǎng)表面與原有載體表面的穩(wěn)定匹配，才算真正實(shí)現(xiàn)了新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程。

2.4層次模糊評(píng)價(jià)

通過(guò)上述重組方法得到的設(shè)計(jì)方案會(huì)有多個(gè)，這是設(shè)計(jì)思路的發(fā)散過(guò)程，有助于提高設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性。為了得到最佳的設(shè)計(jì)方案，還必須對(duì)這些發(fā)散的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，完成方案空間的收斂。本文采用了一種層次可拓評(píng)價(jià)方法，下面簡(jiǎn)要給出評(píng)價(jià)步驟。

a)確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)物元和評(píng)價(jià)物元。根據(jù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的實(shí)際需求制定出符合技術(shù)要求#65380;經(jīng)濟(jì)要求和社會(huì)要求的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，組成評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集M=(M1，M2，…，Mn)。

3設(shè)計(jì)實(shí)例

下面以一個(gè)減速器為例簡(jiǎn)述基于這一推理方法簡(jiǎn)單原型設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。設(shè)所需設(shè)計(jì)的減速器要求為:輸入轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，輸出轉(zhuǎn)速為250 r/min;輸入轉(zhuǎn)矩為31.8 N·m，輸出轉(zhuǎn)矩為57.3 N·m;輸入功率為4.0 kW，輸出功率為2.8 kW;其他設(shè)計(jì)要求和工況情況在圖5需求物元激活界面中給出。通過(guò)激活設(shè)計(jì)需求物元，調(diào)用最優(yōu)匹配算法得到與設(shè)計(jì)要求最接近的減速器原型(圖6)，從而完成了第一次推理過(guò)程。圖6中最左邊的視圖欄是該減速器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)樹(shù);最右邊的視圖欄為該減速器的物元信息;中間的視圖欄為該減速器的三維模型;下面的視圖欄是與設(shè)計(jì)需求相比的病態(tài)組件名稱(chēng)及在原型系統(tǒng)中的權(quán)重。通過(guò)對(duì)病態(tài)子組件輸入軸子系統(tǒng)的激活得到圖7的可拓推理界面。選擇可拓推理方法發(fā)散算法后，得到了輸入軸子系統(tǒng)的改進(jìn)界面，可以選擇對(duì)每個(gè)組件表面從屬性和尺寸兩個(gè)方面的可拓變換，最終在產(chǎn)品基因庫(kù)中獲取到所需的健康特征生長(zhǎng)表面，實(shí)現(xiàn)病態(tài)生長(zhǎng)表面的拓展，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以以文本框的形式給出匹配健康生長(zhǎng)表面的物元特征狀態(tài)和系統(tǒng)的適應(yīng)性狀況，并可以通過(guò)顯示改進(jìn)組件在原型系統(tǒng)中的重組情況來(lái)評(píng)價(jià)改進(jìn)的最終效果。

4結(jié)束語(yǔ)

鑒于現(xiàn)有概念設(shè)計(jì)方法的缺陷，本文提出了一種基于多層次物元基因的概念設(shè)計(jì)方法并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的原型系統(tǒng)，積極地對(duì)智能化概念設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了新的探索。與以往設(shè)計(jì)方法相比，通過(guò)根據(jù)不同設(shè)計(jì)階段的特點(diǎn)選擇不同的分解粒度，這種方法不但能很好地避免設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)要素重組爆炸現(xiàn)象的出現(xiàn)，還能使新產(chǎn)品的創(chuàng)新處于較高層次。同時(shí)，借助可拓理論的形式化推理技術(shù)，使定性推理與定量推理相結(jié)合，從而順利地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)之間的過(guò)渡。

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