MFBS框架下基于知識(shí)的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、21世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈現(xiàn)出信息化、知識(shí)化的特征，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中知識(shí)的增值成為主宰新產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的決定性因素，基于知識(shí)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的一項(xiàng)重要高新技術(shù)。創(chuàng)新是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的本質(zhì)和靈魂。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，對(duì)產(chǎn)品功能求解的設(shè)計(jì)過程，最富創(chuàng)新性。當(dāng)前，新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中所需要的知識(shí)越來(lái)越多，涉及到不同領(lǐng)域的不斷變化知識(shí)資源。開展以設(shè)計(jì)知識(shí)獲取、表達(dá)及運(yùn)用為核心的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)，是提高我國(guó)制造型企業(yè)的創(chuàng)新能力和核心競(jìng)

2、爭(zhēng)力的重要途徑，也符合《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020)》中“數(shù)字化與智能化設(shè)計(jì)制造”優(yōu)先主題中“智能化創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法及技術(shù)”研究?jī)?nèi)容。
　　 本文在系統(tǒng)地綜述了計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論、方法與關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了模塊—功能—行為—結(jié)構(gòu)(Modular-Function-Behavior-Structure，MFBS)框架下基于知識(shí)的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究。研究設(shè)計(jì)知識(shí)的建模、設(shè)計(jì)知識(shí)的更新

3、、基于本體映射的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)方案自動(dòng)生成等關(guān)鍵技術(shù)，通過實(shí)例驗(yàn)證了MFBS框架下基于知識(shí)的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法的正確性。本文的主要工作有:
　　 (1)隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)趨向復(fù)雜化，功能趨向集成化和復(fù)合化，采用功能—行為—結(jié)構(gòu)(Function-Behavior-Structure，F(xiàn)BS)設(shè)計(jì)過程模型，組合各分功能的結(jié)構(gòu)形成產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)方案時(shí)，容易出現(xiàn)“組合爆炸”問題。借鑒模塊化設(shè)計(jì)在縮小產(chǎn)品設(shè)計(jì)求解空間方面的優(yōu)

4、勢(shì)，提出了MFBS的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程模型。綜合考慮客戶需求與產(chǎn)品功能元之間的相關(guān)性，功能元之間的流相關(guān)性和技術(shù)進(jìn)化時(shí)功能元之間的相關(guān)性，構(gòu)造功能矩陣，研究了基于模糊動(dòng)態(tài)聚類的功能模塊劃分方法。以MFBS設(shè)計(jì)知識(shí)的表達(dá)為基礎(chǔ)，建立了產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)的MFBS本體表達(dá)模型和產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)系統(tǒng)。
　　 (2)基于元素級(jí)的本體匹配方法、基于概念結(jié)構(gòu)的本體匹配方法都考慮了本體概念語(yǔ)義中的一部分。基于多策略的本體匹配方法也只是把概念自身的語(yǔ)義和概念間

5、的層次結(jié)構(gòu)以加權(quán)的形式進(jìn)行簡(jiǎn)單地組合。綜合利用本體概念自身的語(yǔ)義和概念間的層次結(jié)構(gòu)，提出了基于本體語(yǔ)義塊相似性匹配的設(shè)計(jì)知識(shí)更新方法。通過Jena提供的元素提取方法提取OWL文件中的本體元素，采用基于元素級(jí)、基于結(jié)構(gòu)級(jí)的方法，獲得匹配概念對(duì)和待匹配概念對(duì);利用本體概念自身的語(yǔ)義信息和本體概念間的層次結(jié)構(gòu)信息，建立概念的語(yǔ)義塊;計(jì)算概念語(yǔ)義塊相似度，判定待匹配概念對(duì)的匹配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)知識(shí)的更新。
　　 (3)針對(duì)現(xiàn)有的知識(shí)檢索與

6、推理方法，在以知識(shí)間語(yǔ)義關(guān)系為主的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面的不足，采用分層遞進(jìn)的本體映射策略，系統(tǒng)地研究Jena編程實(shí)現(xiàn)MFBS本體知識(shí)檢索與映射推理算法，進(jìn)行基于知識(shí)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。引入本體概念的變型空間理論，提出了基于變型空間本體映射的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，提高以產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)間的語(yǔ)義關(guān)系為主的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。
　　 (4)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案生成階段考慮結(jié)構(gòu)的全生命周期評(píng)價(jià)屬性，建立結(jié)構(gòu)的全生命周期評(píng)價(jià)基因模型。構(gòu)造面向全生命周期評(píng)價(jià)的適應(yīng)度函數(shù)，

7、采用選擇、交叉、變異等遺傳操作并設(shè)計(jì)遺傳操作算法，實(shí)現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)全生命周期評(píng)價(jià)基因模型的功能模塊設(shè)計(jì)方案的自動(dòng)生成。更好地體現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的全生命周期評(píng)價(jià)屬性，提高設(shè)計(jì)方案生成的效率。根據(jù)功能結(jié)構(gòu)圖，組合各功能模塊形成產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)方案。
　　 最后，在關(guān)鍵技術(shù)研究基礎(chǔ)上，開發(fā)MFBS框架下基于知識(shí)的計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Computer Aided Product Innovation Design，CAPID)，包括系統(tǒng)框架

8、設(shè)計(jì)、各模塊詳細(xì)流程，并針對(duì)多繩金剛石串珠繩鋸設(shè)計(jì)進(jìn)行應(yīng)用研究。
　　 綜上所述，本文提出MFBS框架下基于知識(shí)的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究。借鑒模塊化設(shè)計(jì)在縮小產(chǎn)品設(shè)計(jì)求解的空間方面的優(yōu)勢(shì)，研究了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)知識(shí)模型，設(shè)計(jì)知識(shí)的表示與更新機(jī)制，設(shè)計(jì)知識(shí)的檢索與推理技術(shù);在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案生成階段就考慮結(jié)構(gòu)的全生命周期評(píng)價(jià)屬性，利用進(jìn)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案自動(dòng)生成，以期獲得可持續(xù)應(yīng)用、基于知識(shí)的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)。由于采用基于語(yǔ)義