基于活動本體的產品設計過程重用方法

王兆華 李春芝

摘 要： 針對產品設計過程知識重用存在知識描述復雜、冗余量大以及不易檢索的難點，提出了按照設計活動來組織設計過程知識，以設計活動為單元進行產品設計過程重用的方法。首先，建立基于知識的設計活動模型，采用本體方法構建設計活動本體，建立已有產品設計活動本體庫;其次，通過對本體概念名稱和概念結構相似度計算來進行語義檢索，以解決關鍵詞檢索的不準確問題;進而提出基于設計活動本體的產品設計過程重用模型;最后，以多功能一體機的產品設計過程重用為例進行驗證，結果證明了該方法的有效性。

關鍵詞： 設計活動;本體;產品設計過程;重用;語義檢索

中圖分類號： TP182

文獻標志碼： A

文章編號：1007-757X（2019）06-0004-05

Abstract： It is very difficult to describe and search design knowledge in the reuse of product design process. Design process knowledge is organized by design activity， thus a reuse method of product design process based on the unit of design activity is proposed. ?First of all， the design activity model based on knowledge is built， and the design activity ontology is constructed by ontology approaches， and the ontology base of design activity is built. And then， the semantic retrieval based on similarity computation of the concept name and structure is proposed to solve the inaccuracy of keyword search. Then the reuse model of product design process is proposed based on design activity ontology. At last， an example of the reuse of all-in-one machine design process is proposed and the result attests the effectiveness of this method.

Key words： Design activity; Ontology; Product design process; Reuse; Semantic retrieval

0?引言

快速變化的市場環境和顧客個性化需求，要求企業提高設計效率，縮短產品開發周期。同類型的產品在其功能、結構及其設計過程等方面存在諸多相似性，對其設計結果和過程進行重用將在很大程度上提高設計效率，改善設計質量，降低設計成本和優化設計過程。

目前對設計重用的研究，一個重要的領域就是對產品零部件設計知識和設計過程知識進行重用。在產品零部件設計知識重用方面，Hicks對設計數據、信息、知識的獲取、存儲和重用需求進行了研究[1];Hunter研究了設計知識表示、重用方法[2];孫璞等提出一種三維工藝知識多粒度表示與重用方法[3];顏端武等提出基于知識組件的產品設計知識重用方法[4];耿靜、楊志兵[5]等學者也都提出基于知識重用的零部件和產品設計。在產品設計過程知識重用方面，萬立等將產品設計過程知識分為項目管理知識、領域知識和設計對象知識三類，提出了設計過程知識重用模型[6];馮全華等進行了攤鋪機產品全生命周期過程知識重用系統開發研究[7];石鑫等構建面向重用的設計過程知識領域本體[8， 9];徐顯龍等提出了基于設計過程知識的設計過程重用方法，設計了基于設計過程知識的設計過程重用流程[10]。

以上基于知識的設計重用，可以實現知識的面向對象建模與集成，具有較強的可擴展性，但也存在不足之處，如知識描述復雜、冗余量大，對于復雜產品來說不易于知識的檢索和重用[11]。產品設計過程是指設計組織為完成產品設計工作而進行的活動序列。設計活動是組成產品設計過程的基本單元。產品設計過程的重構可以看作組成過程的設計活動數量、種類、順序和關系進行重新組合。針對以上知識重用的難點，本文以設計活動作為過程重用的單元，按照設計活動來組織設計過程知識，建立基于本體的設計活動模型，通過對設計活動的重用來構建新的產品設計過程，提高設計效率。

1?產品設計活動

1.1?產品設計活動的定義及要素分析

定義?設計活動（design activity）是指為了實現一定的設計目標，在一定資源和約束條件下，設計團隊使用設計工具和方法對設計對象執行某種設計行為的過程。產品設計過程可以分為不同的設計階段，每個設計階段由不同的設計活動組成。為了對這些設計活動進行重用，需要對設計活動進行分類，分辨出設計活動之間的區別與聯系，識別出設計活動與已有的設計活動實例的相同點與異同點。現代設計過程具有并行性、分布性以及網絡化等特征，難以用一個靜態的框架或標準將設計活動分類，只有通過提取設計活動內部要素，并分析要素間的關系對設計活動加以研究。

根據設計活動的定義，對其中涉及到的設計要素進行歸納提取，將設計目標、設計人員、設計方法、設計行為和設計對象作為設計要素。各要素之間的關系如圖1所示。

設計目標是設計行為的直接驅動力，規定設計行為產生的條件，提出符合目標要求的行為標準;設計目標通過指導設計人員，對設計人員的行為產生影響。設計人員是設計行為的執行者，是設計活動的主體，設計人員將設計目標的要求，轉變為設計思想，進而產生具體的設計行為，改造設計對象，實現設計人員對設計對象的操作。設計方法是設計行為特征的抽象，指導設計行為如何去表達，改變設計對象的狀態，一般根據設計目標選擇設計方法。設計對象是設計行為的承受者，一般是指具體的物質或抽象的系統。

1.2?基于知識支持的產品設計活動模型

產品設計過程本質上是實現以知識為核心的信息轉換，是設計過程知識獲取、處理、創造、革新和運用的過程。在產品設計過程的每一個設計活動中都有設計過程知識的支持，因此可以在分析設計活動內部要素的基礎上，構建基于知識支持的設計活動模型，如圖2所示。

在設計活動執行過程中，需要各類設計過程知識支持，例如設計方法的選取，既需要考慮已有設計方法知識，還需要設計對象知識。因此，如果直接從知識庫中提取單方面的知識，會導致工作程序繁瑣，冗余量增大，也容易形成知識孤島。按照設計活動執行過程來組織知識，將各類知識集成為一個整體對設計活動進行支持，然后以設計活動作為過程重用的單元，能有效解決過程知識直接重用引起的問題。

2?設計活動本體

斯坦福大學Gruber提出的“本體是共享概念模型明確的形式化規范說明”。由概念可見，本體具有概念化、標準化、形式化、重用性等特性，為了實現設計活動的重用，本文采用本體來對設計活動進行描述。

2.1?設計活動本體的定義

設計活動本體是對設計活動中的設計要素及其關系，以及活動執行過程所依賴的資源、規則、標準和方法等知識的抽象描述。設計活動本體（design activity ontology）可以定義為一個5元組式中，如式（1）。

ODA表示設計活動本體;E表示設計活動中設計要素概念的集合;AE表示設計要素的屬性集合;R表示設計要素間的關系集合;AR表示設計要素間關系的屬性集合;D表示設計活動約束集合，包括對資源、規則、標準和方法等的約束要求。

2.2?設計活動本體構建過程

本體構建的方法有多種，如評估法、Bernaras法、SENUS法和骨架法等[12， 13]。產品設計過程領域有其專業化的特點，為了更好地表示設計活動各要素之間的關系，實現設計過程的重用，提出設計活動本體構建的一般過程。

步驟1?產品設計過程領域分析

按照產品設計過程中的任務類別、任務資源需求、任務知識結構等將產品設計過程進行任務分解，最終將產品設計過程分解為各類產品設計活動單元。對設計活動進行本體構建，不但可以降低設計過程本體建模的難度，而且能夠確保設計活動本體與其支持知識的對應關系。

步驟2?列舉重要術語

術語是在特定學科領域用來表示概念稱謂的集合。列出產品設計過程相關領域的重要術語，參考領域內標準，準確定義術語，確保所定義的術語的專業性、科學性、單義性和系統性。

步驟3?定義類、類層次關系和屬性

類是本體庫的核心，用來描述領域的概念。在上一步驟列出重要術語的基礎上，定義類、類層次關系。在定義類和類層次關系后，需要描述概念的內部結構，即類的屬性，并且定義屬性的約束。

步驟4?生成實例

通過對已有產品設計過程的分解，提取設計活動實例，按照上述設計活動本體的定義，創建類的單個實例。首先選擇一個類，然后生成這個類的單個實例，最后為該實例填充類的屬性值。

步驟5形式化描述

為了方便本體的開發和應用，可以采用形式化語言OWL對領域概念、概念間關系、概念的不同屬性等進行描述。OWL語言集中了XML和RDF的優點，具有強大的語義描述能力，輸出OWL格式文檔。

3?設計活動本體語義檢索

對已有的產品設計過程進行設計活動本體構建，形成設計活動本體實例庫。對這些設計活動重用的關鍵在于，能否根據新的產品設計過程需求，高效、準確地從本體庫中檢索出相似設計活動。根據本體概念的特點，可以通過其概念名稱和概念結構相似度計算來進行語義檢索[14-16]。

3.1?概念名稱相似度計算

設A和B分別是新產品設計活動需求本體概念和已有產品設計活動本體概念，則概念名稱相似度計算就是求A和B相類似的程度。在計算概念名稱相似度時，除了要考慮概念詞字符串的相似度，還可以利用語義詞典WordNet計算概念詞的語義相似度，取兩者最大值作為概念名稱相似度[17-19]。

概念詞字符串相似度計算，如式（2）。

式（2）中，length（A）表示概念詞A的字符串長度，length（B）表示概念詞B的字符串長度，ComSubStrings（A，B）表示A和B共有的字串長度。

概念詞語義相似度計算，如式（3）。

式（3）中，synonym（A）為概念詞A在WordNet中具有的同義詞的個數，synonym（B）為概念詞B在WordNet中具有的同義詞的個數。

最后，兩個本體概念名稱相似度可表示為式（4）。

上述計算的優勢是該表述不僅適用于概念名稱完全或部分相同的情況，也適用于概念名稱同義不同詞的情況，既考慮了名稱的形式相似，又考慮了名稱的語義相似。

3.2?概念結構相似度計算

本體概念的層次結構間蘊含著豐富的語義關系信息，因此許多學者都提出以計算概念結構相似度作為評價本體概念相似度的一個方面。其計算方法是先分別計算兩個概念的父概念、子概念、兄弟概念的相似度，再經過領域專家賦予不同的權重來計算，如式（5）。

式（5）中，simCS-P（A，B）、simCS-B（A，B）、simCS-S（A，B）分別為父概念、兄弟概念和子概念的相似度值，ω1、ω2、ω3是它們各自的權重，在概念層次結構中，父子關系、兄弟關系對相似度影響程度不同，一般而言，父概念相似度權重最大，兄弟概念相似度次之，最后是子概念相似度。

最后，綜合以上概念名稱相似度和概念結構相似度兩方面，可得到新產品設計活動需求本體和已有產品設計活動本體的概念相似度，如式（6）。

通過本體概念相似度的計算，從多方面計算概念的相似度，不再拘泥于用戶輸入請求語句的字面本身，能夠準確地搜索到最符合要求的結果，從而實現設計活動本體的語義檢索。

3.3?產品設計過程重用

在構建設計活動本體，建立已有產品設計活動本體庫和設計活動本體語義檢索的基礎上，給出產品設計過程重用的過程模型，如圖3所示。

首先，分析新產品設計過程需求，將新產品設計過程分解為一系列相互聯系的設計活動需求，并且構建新產品設計活動需求本體;其次，在已有產品設計活動本體庫中檢索與新產品設計活動需求相似的設計活動，若檢索不到，需要新建新產品設計活動;然后，分析新產品設計活動需求本體間的關系是否合理，若不合理，需要調整，形成在時間、空間和邏輯上合理的新產品設計活動關系序列，按照此序列將檢索到的相似設計活動和新建活動進行排序組合;最后，添加新產品設計的約束條件，形成完整的新產品設計過程，執行這個過程就可以完成新產品設計。

4?應用實例

為了進一步驗證本文提出的產品設計過程重用方法，下面以新產品“打印復印掃描傳真多功能一體機”的設計過程為例來加以說明。

首先，對打印復印掃描傳真一體機的設計過程進行分解，可以分為打印模塊設計活動、掃描模塊設計活動、復印模塊設計活動和傳真模塊設計活動，如圖4所示。

其中，打印模塊是基礎，需要先進行設計;掃描與打印在功能上沒有交集，可以并行進行，但在結構設計上有相關，如數據接口、電源接口采用共用的方式，所以把掃描模塊設計活動排在打印模塊設計活動之后，可以部分并行;復印模塊使用掃描模塊進行紙張信息的錄入，使用打印模塊完成紙張信息的輸出，所以復印模塊設計活動排在打印和掃描模塊之后;發傳真時需要用到掃描模塊，接受傳真時需要用到打印模塊，所以傳真模塊設計活動可以排在掃描模塊設計活動之后與復印模塊設計活動并行。

其次，構建以上四種設計活動的需求本體，因構建方法和構建過程相似，故以打印功能需求本體的構建為例，如圖5所示。

然后，在已有產品設計活動本體庫中檢索出與打印模塊設計活動需求本體概念相似的設計活動本體概念集，如表1所示。

已有產品設計活動本體庫中并沒有新產品多功能一體機的設計活動，但是分別有傳統的打印機、掃描儀、傳真機的相似設計活動，對應于打印模塊設計活動需求本體，從本體庫中檢索出五個型號的打印機相似設計活動，再經過專家人工篩選，最終選擇類似度最高的惠普M202dw打印機設計活動。用同樣的方法，可以找到掃描模塊和傳真模塊相似的設計活動，最終選擇佳能LiDE120 掃描儀設計活動和松下FP7006傳真機設計活動。復印模塊設計活動不需要進行結構設計，只要在掃描模塊和打印模塊結構設計基礎上進行功能設計即可。

最后，根據上述新產品設計活動間的邏輯先后關系，將檢索到設計活動進行組合，因上述設計活動是從功能、性能、結構等設計要素考慮的，需要根據新產品設計需求，添加設計活動其他設計要素（如設計人員、涉及行為等）和其他約束條件，得到多功能一體機的完整設計過程。

5?總結

本文針對產品設計過程知識重用的不足，以設計活動作為過程重用的單元，通過建立基于知識支持的產品設計活動模型，把單方面的過程知識集成起來，采用本體技術構建設計活動本體，建立已有產品設計活動本體庫。提出通過對本體概念名稱和概念結構相似度計算來進行語義檢索，檢索本體庫中與設計活動需求本體相似的設計活動。最后提出了基于活動本體的產品設計過程重用模型，并以新產品多功能一體機為例進行了驗證，初步證明了該模型的有效性。然而，在應用中發現語義檢索出來的相似設計活動較多，還需要專家人工選擇，在后續工作中需要對信息內容的語義檢索作進一步深入研究。

參考文獻

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[3]?孫璞，侯俊杰，石倩，等. 一種三維工藝知識多粒度表示與重用方法研究[J]. 制造業自動化， 2016（3）： 97-101.

[4]?顏端武，魏雪艷，趙飛. 基于知識組件的產品設計知識重用方法研究[J]. 現代圖書情報技術， 2016（5）： 72-79.

[5]?耿靜，高澎. 基于知識重用的飛機典型零件設計資源管理與應用[J]. 航空科學技術，2016（9）： 75-78.