基于模式語言的知識模板五要素描述方法研究

管清貴 殷國富 胡曉兵 尹湘云

四川大學，成都，610065

基于模式語言的知識模板五要素描述方法研究

管清貴 殷國富 胡曉兵 尹湘云

四川大學，成都，610065

針對產品設計過程中大量的設計知識隱含在產品設計實例中，無法被快速有效地描述與重用這一問題，提出了一種基于模式語言的模式名稱、問題、解決方案、效果和多屬性綜合評價的設計知識五要素的描述方法。將設計參與人員在設計過程中長期積累的設計經驗、設計靈感、設計思路、解決問題的依據、最終產品的使用評價等設計過程知識進行了描述和積累，并闡述了設計知識描述模板的結構、序列和分級。利用該描述方法對沖壓模具產品設計過程的設計知識進行了描述，開發了沖壓模具設計資源數據和知識庫系統原型軟件系統，并用沖壓模具設計實例驗證了該方法的可行性和有效性。

設計過程；模式語言；知識描述；知識模板

0 引言

現代機械設計正在從設計公式、經驗型實驗設計和靜態解析為主的理論設計向動態型、人員廣泛全程參與方向發展，結合計算機和互聯網技術呈現出信息化、協同化、面向產品全壽命周期、創新性和智能化的特點［1－2］。目前，傳統的知識表示方式如狀態圖表示、一階謂詞邏輯表示、產生式規則表示、語義網絡表示和框架結構表示等，更多地是關注最終知識的表示和最終設計結果的應用，而對于知識的產生過程、解決問題的思路和專家的思維軌跡研究得較少。導致上述現象的原因在于設計過程是一個設計人員進行大量決策、判斷和思維的過程，設計知識涉及學科廣、領域多、知識分散、隱形和不確定性知識多，難于描述，不利于查詢，從而使設計知識的描述和重用難度加大。

針對這一問題，本文從分析設計過程中依據的不同知識源和設計過程中不同的參與對象入手，在深入研究分析模式語言描述方法的基礎上，研究符合設計過程和利于設計知識重用的設計知識描述方法，提出了基于模式語言的知識模板五要素的設計知識模板結構，通過建立設計過程中人機交互平臺，使設計師、一般開發人員、用戶以及產品設計過程的相關人員都可進行產品設計過程中的產品設計過程設計知識描寫，參與產品設計或評價，為重用設計知識、設計知識管理、積累設計經驗和產品創新設計提供了一個很好的模式和平臺。

1 模式語言的描述方法

1.1 模式語言介紹

模式語言（或稱模板語言）使用規范的模板與格式記錄設計文檔，使設計模式化。模式語言概念下的模式描述了某種環境中反復出現的問題以及該問題的求解方案，它可以被反復地使用而不必從頭做起。一個標準的模式包括3個主要成分：①問題的特定場景；②問題本身；③問題的解決方案。也有學者認為一個模式有4個基本要素：①模式名稱；②問題；③解決方案；④效果。模式語言系統中任何一個模式均不是孤立存在的，它依賴于其所包含的更小模式，并且幫助形成較大的模式，還可與相關的模式交互作用，基本模式的有機組合形成了能夠對整個應用系統進行體系結構描述的模式語言［3］。

1.2 模式語言的管理

建筑學領域的模式語言從模式結構、模式序列和模式分級3個方面進行管理。

（1）模式結構。每一種模式語言下都有意象圖示、引言、設問、解問、總結5個部分。

（2）模式序列。由大到小，從區域和城鎮到鄰里、組團、住宅、房屋和凹室，最后是構造細部，模式有大有小。

（3）模式分級。模式分為三級，一級表示該模式的解決方案概括了解決問題的一切可能途徑的共同特性；二級表示該模式的解決方案幾乎概括解決問題的一切可能途徑的共同特性，但還能從該模式的解決方案中尋求其他解決方案；三級表示該模式對認識不變的特性方面仍未取得成功，解決方案僅僅是其中的一種。

2 基于模式語言的設計知識的描述

2.1 設計知識描述結構

基于模式語言的上述優越性，在深入分析和研究模式語言的基礎上，提出了應用于設計過程中設計知識的五要素描述方法，如圖1所示，具體描述方法見表1。將設計過程中子任務用的設計知識通過過程性知識存儲表進行描述和表達，建立設計知識描述模板結構。將任務從提出到解決整個過程涉及的非規范性知識，按照知識分類的方式，通過知識管理員參與把網絡協同設計過程中實際遇到的問題任務進行描述，提煉出問題或任務、解決思路和方法、顯性知識、隱性知識、效果評價、其他輔助信息，存入到表中的一條記錄，通過實例不斷完善數據表各數據項。在網絡協同設計過程中，對設計人員遇到的問題任務，按照評價值進行排序，在設計動態過程中，從數據庫中提取供設計人員查詢，進行知識共享，同時將調用、評價等有關信息補充到數據庫中。采用數據表的形式進行存儲，利用數據庫進行管理，方便提取、查詢、更新和管理。

圖1 模式語言的描述設計知識五要素圖

表1 設計知識五要素描述方法

2.2 設計知識模板序列

模板序列依據設計知識分類描述的思想，將模板分為3個層面。如圖2所示，模板名稱用Pxiyjzk來表示。第一層面針對設計過程全局性知識，如設計思想、設計基本要求、設計基本原則等，用xi表示，i＝0，1，2，…，∞；第二層面針對設計過程中階段環節知識，如工藝方案確定、方案選取等，用yj表示，j＝0，1，2，…，∞；第三層面針對設計過程階段中具體知識，如設計過程具體參數的確定、尺寸的確定、具體工藝的選取等，用zk表示，k＝0，1，2，…，∞。

圖2 模板序列示意圖

2.3 設計知識模板分級

設計知識描述模板是由專家、設計者、用戶等眾多參與者不斷完善積累的，因此，設計模板就面臨著大量設計實例的調用和調用排序問題，本文采用多屬性綜合評價，通過參與者的量化打分，不斷完善知識描述模板。

可將設計知識的模板分為三級：一級表示該模板包含的設計知識是涉及解決方案設計過程中全局性的問題、經驗，是設計過程中必須遵守的思路、規則等；二級表示該模板包含在實際中已成功應用的實例所積累的設計經驗、設計思路、解決問題的決策依據、最終產品的使用評價等，是比較成熟的模板；三級表示該模板包含的設計經驗、設計思路、解決問題的決策依據、最終產品的使用評價在實例中具有某一方面的優勢，但還需在實際設計過程中不斷加以完善和補充。

2.4 設計知識的模板積累與管理

不同的設計師有效利用設計知識的能力是不同的，在設計過程中，針對設計問題中的發現問題能力、分析問題能力、解決問題能力和呈現問題能力的不同，充分發揮每個設計師的專長，在設計過程和重復設計中，系統能夠根據設計人員的需要，給出數據庫中以往設計實例的設計經驗和決策依據，通過這一方式可以有效地借鑒和采納其他設計師的意見。因而，在設計知識交互平臺上增加模板語言積累模塊，包括模板寫作格式和結構、模板語言參與人員、模板使用情況。模板語言形成模塊包括核心模板、模板叢和實例。模板語言管理模塊包括整體性模板、階段性模板和細節性模板。

3 基于模式語言的設計知識描述系統

3.1 基于模式語言的設計知識描述的實現

根據上述理念，借助Delphi編程工具和Delphi本身所附帶的數據庫工具Database Desktop，開發了支持產品設計過程的設計知識描述重用平臺，用于沖壓模具的設計。系統的開發思路是：把設計實例按照設計過程進行設計知識分類，然后按模式語言數據表結構存儲在數據庫中，在開始新的設計時，利用參考因素的權重進行多屬性綜合評價，從而在數據庫中搜索與當前設計符合度最高的設計實例、經驗知識、約束條件、決策參考、使用評價等，提高設計效率，使新設計在概念設計階段就能充分考慮產品全壽命周期的各個因素，同時也可針對設計過程中出現的問題進行數據庫搜索，找到解決的方案以及解決問題的思路和依據［4－6］。

3.2 沖壓模具設計知識描述

沖壓模具的設計過程依據沖壓件的產品圖樣進行沖壓工藝過程設計，確定沖壓工藝方案，然后在收集、整理有關設計參考資料和技術標準的基礎上進行沖壓模具的設計。模具的設計制造過程是一個多屬性和模糊性的過程，既要保證制件的質量、提高生產率和降低成本等，又要采用行之有效的工藝手段進行正確的模具設計及選用合理的模具結構，還必須以先進的模具制造技術作為保證［7］。模具結構形式直接影響沖壓件的質量、成本和沖壓生產的水平。在設計模具時，以合理的沖壓工藝過程為基礎，對沖壓件的形狀、尺寸、精度要求、材料性能、生產批量、沖壓設備、模具加工條件等多方面的因素進行多屬性綜合分析，通過研究和比較其綜合的經濟效果，以期在滿足沖壓件質量要求的前提下，最大限度地降低沖壓生產成本。應用設計知識模式語言模板結構對沖壓模具設計過程中的知識進行描述。

3個層面的知識模塊實例如表2～表4所示。

表2 第一層面知識模板實例

表3 第二層面知識模板實例

表4 第三層面知識模板實例

3.3 沖裁模具設計知識描述應用實例

下面以沖裁模具設計為例實現設計知識重用。根據取得的資料，分析零件的沖壓工藝性，確定工藝方案，是一個要考慮多方面因素和大量經驗知識積累的過程，應用本文的基于模式語言的實例知識描述、實例知識庫和綜合評價推理決策技術，實現了面向設計過程的設計知識的重用［8］。圖3為模糊評價實例截圖。

（1）實例。凸凹模設計中沖壓工藝方案確定。

圖3 模糊評價實例

（2）輸入初始條件。工件名稱為手柄；材料為Q235－A鋼；材料厚度為1.2mm；沖壓工序只有落料、沖孔。

（3）結構。相對簡單，有一個φ8mm的孔和5個φ5mm的孔；孔與孔、孔與邊緣之間的距離也滿足要求，最小壁厚為3.5mm（大端4個φ5mm孔與φ8mm孔、φ5mm孔與R16mm外圓之間的壁厚）。

（4）精度。全部為自由公差，可看作IT14級，尺寸精度較低，普通沖裁完全能滿足要求。

（5）工藝方案選取。系統給出二級模式的3個設計實例，如表5所示。

因工作零件的形狀相對較簡單，故適宜采用線切割機床分別加工落料凸模、凹模、凸模固定板以及卸料板，這種加工方法可以保證這些零件各個孔的同軸度，使裝配工作簡化。

輸入多屬性綜合評價考慮因素權重：模具制造成本0.4；模具制造難易0.3；工作效率0.2；沖壓件質量0.1。經比較分析得出，選用沖孔－落料級進沖壓工藝較好。

表5 沖裁模具設計工藝方案選取實例

4 結束語

本文充分汲取現有知識描述表示方法，從利于設計知識重用的角度，提出一種方便積累和管理的設計知識描述方法，并結合模式語言描述方法提出在重新設計和創新設計過程中，利用人機交互的方式，使設計師、一般開發人員、用戶以及產品全壽命周期的相關人員參與產品的設計或評價產品重新設計和創新設計，這種方式利用設計過程中經驗性知識和隱性知識的積累，使設計系統能夠自適應、自學習、自成長，通過管理模塊，可以將設計過程中的成功經驗不斷在系統中積累，成為集體智慧的承載。可以預見，機械設計的發展過程是一個逐步完善的過程，在當前計算機智能無法很好地模擬人類智能進行創新設計的情況下，建立開放性的設計平臺，使設計過程透明化，遇到的問題明確化，利用人機交互，充分發揮不同知識專家、設計人員和用戶的不同領域知識的作用，可以很好地解決這一問題，這一方法對于設計知識的積累以及產品的重復設計、變型設計和創新設計有著重要意義。

［1］ 雷源忠.綜合交叉，開創我國制造科學研究的新局面［J］.數字制造科學，2004，2（1／2）：20－48.

［2］ Roucoules L，Salomons O.Process Planning as an Integration of Knowledge in the Detailed Design Phase［J］.International Journal of Computer Integrated Manufacturing，2003，16（1）：25－37.

［3］ 亞歷山大C，伊希卡娃S，西爾佛斯坦 M，等.建筑模式語言［M］.北京：知識產權出版社，2002.

［4］ 趙震，呂士軍，彭穎紅，等.沖裁模具結構設計知識表示與處理技術研究［J］.中國機械工程，2003，14（4）：299－301.

［5］ 管清貴，殷國富，胡曉兵，等.基于模式語言的設計知識描述與發現方法研究［J］.四川大學學報（工程科學版），2008，40（6）：177－185.

［6］ 方輝，殷國富，高偉，等.工藝方案評價的不確定語言多屬性決策研究［J］.計算機集成制造系統，2006，12（11）：1894－1915.

［7］ 屠立，張樹有，陸長明.基于知識模板的復雜產品設計重用方法研究［J］.計算機集成制造系統，2009，15（6）：1041－1048.

［8］ 鄭家賢.沖壓模具設計實用手冊［M］.北京：機械工業出版社，2007.

Research on Knowledge Description Method of Knowledge Template Five Factors Based on Pattern Language

Guan Qinggui Yin Guofu Hu Xiaobing Yin Xiangyun
Sichuan University，Chengdu，610065

Faced on mass design knowledge which hides in a product design example，how to describe effectively all kinds of design process knowledge under the web－based product design，establishing a support knowledge base for intelligence design，discovering and accumulating all sorts of knowledge in design process，providing the method for knowledge reuse，were the important technology problems for constructing and realizing in intelligence design.A method of applying pattern language to describe these knowledge was put forwarded.A die design resource data and knowledge base system was developed successfully for verification of the architecture，key technologies and implement methods.

design process；pattern language；knowledge description；knowledge template

TH122

1004—132X（2011）10—1185—04

2010—07—23

國家自然科學基金資助項目（50575153）；國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2006AA04Z108）

（編輯 袁興玲）

管清貴，男，1974年生。四川大學制造科學與工程學院博士研究生。主要研究方向為CAD／CAM。殷國富，男，1956年生。四川大學制造科學與工程學院教授、博士研究生導師。胡曉兵，男，1970年生。四川大學制造科學與工程學院教授。嚴湘云，男，1970年生。四川大學制造科學與工程學院博士研究生。