设计可重用技术优化方案

设计重用在软件设计领域的研究已经有较长的历史,软件重用是以标准程序库的方式规范、整理和管理软件部件,从而减少软件设计人员的重复劳动。在基于计算机的设计重用系统出现之前,零部件分类技术的发展就已经在鼓励设计重用。1998年,在英国Brunel大学召开的工程设计国际会议使设计重用的研究达到一个阶段性的高潮。设计重用的思想是将以往设计活动产生的知识、经验和成果等信息应用于新的设计场景,以减少重复性的设计过程,优化设计资源,提高设计效率。本节从设计重用策略研究、设计知识重用、设计过程建模及重用和产品模型重用四个方面对设计重用的国内外研究现状进行梳理。

1.设计重用策略研究

设计重用策略的研究包括重用框架研究、基于模块的快速化设计重用、基于生物学原理和可拓学方法的设计重用以及基于案例推理的重用技术。在设计重用的框架研究方面,王玉和邢渊等概括了设计重用的概念、过程模型、重用层次和类型,对设计重用关键技术及支持重用的设计历史建模等问题进行了研究,为基于计算机的设计重用研究提供了理论体系框架;王玉还提出了基于设计制品理论的产品设计重用完整技术体系和需要解决的关键技术问题;Shana Smith等认为依据单一参考源经过修改实现重用的方式限制了产品的创新,为此提出了一种组合不同的参考设计源获得设计方案的产品再设计方法,该方法使用一种结构化的设计原则来消除产生的冲突以提高方案质量,缩短设计周期;Jose对基于产品族的模块化设计进行了详细的梳理;Brie're-Cote等提出了一种基于结构的动态产品族建模方法,即适应性一般产品结构(Adaptive Generic Product Structure,AGPS)方法,该方法可以对产品变体及其特有部件进行系统性安排;Li等提出一种基于谈判的面向不同产品间零部件重用的合作产品设计方法;刘雪梅等针对起重机桥架的模块化特点提出了基于设计重用的模块建模方法,并以此为核心建立了起重机桥架模块库以支持设计重用;Roya和Pramanik通过一系列通用的定义构建了一个功能框架,通过该框架可以获得产品设计说明、功能表示、工件表示、工件行为以及公差表示等,并提出了一种设计综合方法,该方法能够在设计过程的各个阶段进行约束优化,提供从功能需求到工件形成的导航。

可拓学理论研究如何处理矛盾问题以及寻找可能的更优设计方案,基于可拓学的设计重用主要面向变型设计和可配置设计。马辉等通过设计事务元对产品设计单元进行了描述,并运用设计事务元的可拓性进一步形成产品设计过程重用的蕴含可拓集,最终通过优选获得最优的设计重用过程;赵燕伟等针对适应性设计中无法定性定量相结合求解设计矛盾问题的现状,提出了一种基于可拓变换的产品适应性设计方法;龚京忠等提出了一种基于功构变换的产品模块可拓变型设计方法实现模块的变型设计;李文强等提出了一种多层次可拓基因推理的概念设计方法,较好地解决了现有概念设计方法中创新层次和可操作性不能兼容的问题。

基于生物学的设计重用利用生物进化原理和遗传变异机制对设计重用理论和实践进行研究,理论研究主要集中于产品基因建模和基于产品基因的重用方法,实践研究则是基于遗传算法及其各种扩展版本从原有设计中产生新设计;Gero等将基因工程和发育生物学思想引入工程设计过程,围绕工程设计过程与遗传原理及发育生物学的相似性以及基因工程原理在工程设计中的应用等进行了一定的研究;Vajna等将产品在设计过程的产生类比于有机体的进化过程,将设计过程作为技术和工艺的持续发展过程研究了自生设计理论;顾新建等采用产品信息基因模型的概念,对出现在产品生命周期不同环节的机械产品信息进行建模;杨波等将基因工程思想用于产品的进化设计过程,通过对产品基因的多级分解提出了产品组成单元的进化策略。

基于案例的推理(Case-Based Reasoning,CBR)将设计需求作为输入,通过提取以往相似的设计案例后进行适应性修改来获取现有问题的设计方案,是一种有效的设计重用方法。在相似案例的检索方面,Hu等将传统的加权平均数(Weight Mean,WM)方法与灰色关联分析方法(Grey Relation Analysis,GRA)相结合,提出了一种GRA-WM的K-近邻算法来实现相似案例的匹配过程,并将其应用于电源变压器的设计;Fan等将案例匹配过程中涉及的属性进行分类,并提出了混合相似度计算方法,提高了相似检索的精确性;Guo等将本体技术与CBR系统相结合提出了一种基于语义和数值的两级检索方法,该方法为注塑模具制造领域中CBR的应用提供了参考;Tung等将数据挖掘技术与CBR系统相结合对案例库进行组织和管理并引导相似案例检索过程,提高系统的精确性和检索效率;Yuan-Hsin等针对复杂系统中难以快速准确地进行问题诊断的问题,构建了诊断问题本体并采用基于规则的CBR(Rule-based CBR,RCBR)方法建立了方案检索系统,进一步将基于角色的访问控制模型(Role-Based Access Control model,RBAC)和领域专家知识融合,为寻找合适的专家和问题解决方案提供支持。在案例修改环节,Béatrice Fuchs等认为问题描述之间的微小差异会影响对应问题解决方案的获取,通过控制这些微小的差异可以为方案修改过程提供支持;Xie等将表征结构相似度的编辑距离与包含特征权重和案例节点语义信息的语义相似度相结合,提出价值函数来衡量案例的语义相似度,为案例索引的相似度考量提供了新的思路;Peng等将推理技术应用于夹具设计过程,提出了快速构建夹具概念设计方案的方法;Castro等提出了考虑CBR方法获取案例进行应用后的收益与损失因素的案例检索匹配方法,构建收益与损失函数帮助用户选择最优的解决方案,以保证出现错误时的损失最小;Zhu和Hsu将基于案例的推理系统依据创造性地分为四个层次,并指出采用组合、分离、类比、归纳等方法进行案例信息处理是提高创造性的方向之一。

基于案例的推理方法在产品设计领域亦有广泛的应用。刘长毅和徐诚针对枪械自动机方案设计特点,开发了一套枪械自动机方案设计智能CAD原型系统;方峻等提出了一种基于案例推理的面向对象框架原型,并开发了一套枪械自动机方案设计原型系统;王永娟等根据产品数据管理(Product Data Management,PDM)系统,对枪械产品结构、配置、工作流程及版本管理进行了研究,并建立了枪械设计协同工作小组以加快枪械设计过程;丁剑飞等提出了一种基于案例推理的分布式设计系统框架,通过本体服务器在分布式案例库之间建立共享本体以实现知识集成;胡良明采用XML技术表达设计案例,并采用权重邻近法和归纳推理法相结合的两级索引机制实现相似案例的索引,构建了枪械设计专家系统。此外,胡良明等在产品案例结构模型中提出了案例预选和案例匹配的两阶段案例检索策略,并将其应用于枪械自动机设计中;田世英等利用CBR技术进行自行火炮武器系统故障诊断,建立了基于案例推理的自行火炮故障诊断专家系统;楼俐等将灰色系统理论应用于枪械设计方案的量化分析评价,研究了考虑评价指标权重及灰色关联分析的设计方案优选决策理论,完成了加权灰色关联模型的关联度计算。

2.设计知识重用

设计知识重用重点从知识工程(Knowledge Based Engineering,KBE)的角度研究设计知识的重用,包括设计知识的获取、表达、组织与服务等。Mili等针对工程设计决策提出了对应的设计知识表达和建模方法;Hicks等通过定义数据、信息以及知识,并对这些资源间的关系和约束进行研究,提供了一种工程设计活动中知识获取、存储和重用的整体框架;Hunter等通过使用知识模板,提出了重用夹具设计过程中的知识,以匹配诸如检验、装配和焊接等类型的夹具;Ishino和Jin研究工程设计活动中的设计步骤,提出了一种基于挖掘的信息价值序列模式,以捕捉设计过程中的操作知识。李治等通过将KBE技术应用于产品设计领域,对产品设计参数和设计知识进行表达并存储后,利用知识融合(Knowledge Fusion,KF)技术驱动产品设计;齐峰和谭建荣通过建立设计资源的分层多视图可重用模型(MLVRM),实现了设计资源的底层结构信息与高层特征信息、结果信息与过程信息的集成;王珂等提出了四层结构的产品设计知识模型,实现了多种知识表示方法下复杂产品设计知识的分层与分类表示;郝佳等提出了一种可配置知识组件的方法,将企业中的设计规则嵌入几何模型中实现模型的动态生成;赵震等提出了基于KBE的工程设计方法,并按设计知识的集合相关性,对知识处理的工具与方法进行分类,以冲压模具设计为例建立了基于KBE的设计系统框架;郭涛等以基于KBE的透平膨胀机设计为例,将各类数据、知识、工程经验、规则、工程事实等结合起来,构建了广义知识库,并将KF工具与NX工具相结合,帮助设计人员进行推理、判断和决策;Li和Wang等利用人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)建立了设计过程和产品结构之间的映射关系,根据设计的需要,在不同的设计阶段可以建立不同的人工神经网络模型来关联相应的产品结构,利用这种方法可以有效地获取产品设计知识。

随着Web技术的发展,设计重用与Web的结合更加紧密。Craven等构建了信息提取系统,建立了一个计算机可理解的知识库,该知识库以Web方式呈现,能够更有效地支持Web信息检索和基于知识的推理及问题解决;Rezayat提出以Web作为主要载体捕获客户需求,以关键特征技术作为知识获取和重用的关键因素;Wang等构建了基于Web的知识源管理系统,其中设计仓库收集了大量设计资源,并提供了智能搜索引擎,为产品设计知识重用提供了一个集成的系统;赖朝安等针对自然语言处理与专家系统的不足,提出了一种能包容多种知识载体与知识表示方法的统一知识表示模型,并基于该模型设计机械知识XML标记,进而研究了相应的知识获取方法,并开发了知识获取系统;杨学明等针对Web信息的语义异构等问题,采用基于本体的知识表示方式,对Web信息的主题和概念层次进行分类,并对单本体和多本体方法的集成进行了研究。(www.xing528.com)

基于本体的方法在知识共享和重用方面有其特有的优势,近年来成为研究热点。Gruber认为本体是概念化的明确规范说明,本体精确定义了概念及其之间的关系,具有共享性且利于重用。Lee等通过对基因本体的研究提出了包含语法元层、理论元层、领域层和构造层的四层架构;Yong Liu等认为本体是概念化的近似颗粒的粒状,且本体中颗粒之间的概念关系是有序元组,基于此提出了一种细粒度本体构建方法;胡建等结合本体理论建立了概念设计知识分类及表达体系,提出基于本体的概念设计知识管理系统框架,并研究了其中的知识建模、基于相似度的知识检索等技术;马辉提出了产品设计知识建模与演化方法,对产品设计知识获取、挖掘、派生及进化中的关键技术进行了研究,从产品设计知识的创新性与重用性结合的角度探索了产品设计知识演化的发展规律。

3.设计过程建模及重用

通过对设计过程建模,将其用于新的设计问题,实现快速设计是设计重用的重要研究方向。设计过程建模与重用研究包括对设计步骤和设计活动的记录、决策支持以及设计理性。

设计步骤和设计活动的记录包括对设计过程的记录和对设计历史(design history)的记录,研究重点包括对设计过程所产生的产品数据和决策信息的采集、存储、分析和建模。Yan等针对产品概念设计过程中产品功能、市场以及商业角度的可持续性整合问题,提出了一种可持续性的产品概念设计系统;朱保廷总结了当前产品开发过程中的产品设计重用需求,建立了面向重用的系统设计过程模型,利用以功能特征为核心的设计信息模型,形成了自动智能化综合设计方法;冯毅雄等将符号学方法与设计过程相结合,对产品模型的高层功能和低层几何表示进行了统一,在此基础上提出了面向重用的四种常见符号单元演化类型,通过符号单元的演化支持设计概念的重用和拓展;范文慧等将产品设计历史分为过程历史和设计意图,过程历史是产品设计活动的具体实现,能够为设计人员提供一个了解产品设计流程的途径,而设计意图是产品设计活动的背后原理。Jeong等提供了一种针对商业过程仿真模型的基于IDEF方法的集成框架,该框架通过功能建模方法(IDEF0)和过程建模方法(IDEF3)获取仿真需求,依据收集的仿真需求建立公共数据建模方法(IDEF1X),能够有效促进系统知识和模型的重用;卞世春等将绿色设计和设计重用相结合,在绿色设计思想、设计重用及IDEF建模分析研究的基础上,建立了支持绿色设计重用过程的IDEF系统模型。

Muster和Mistree将设计过程视为一系列设计决策的过程,认为复杂产品设计往往是将系统分解为可控的小模块,这些小模块的实施则由决策支持问题技术(Decision Support Problem Technology,DSPT)来完成,设计人员的主要工作是进行设计决策,DSPT包括选择决策和妥协决策两种决策类型;Panchal等提出了妥协决策支持问题模板,对设计过程中的决策问题进行模块化划分,将决策过程涉及的问题情境、求解工具和方法等以设计模板的形式组织和管理,便于设计过程的存储和重用;明振军等聚焦于妥协决策支持问题(Compromise Decision Support Problem,CDSP)模板的重用,引入本体方法对决策模板各个模块的信息进行定义,以适应不同设计角色对决策模板的创建、编辑以及重用,并对设计决策模板维护的一致性检验问题进行了研究。

1970年,Kunz和Rittel最早提出了设计理性(Design Rational,DR)的概念,其目的是因为信息不完全而难以解决的问题提供一种基于论据的框架。不同学者对设计理性有着不同的定义。Sim认为设计理性是实现设计意图(设计者为满足需求而具备的行为)时所做决策背后的论据以及推理过程。Conklin等认为设计理性指的是那些能够解释产品为何如此设计以及为何具备某些行为的原因信息;Lee认为设计理性不仅仅包含设计决策背后的原因,还包括与这些原因有关的论据、其他考虑过的备选方案以及方案的考量过程等。刘继红等针对现有设计理性模型内容简单,无法详细表达设计过程决策知识的问题,对设计意图进行了详细分类,提出了细粒度设计思考过程模型;敬石开等针对设计理性知识获取困难的问题,在设计理性建模的基础上提出了一种设计理性知识粒度评价方法;Liu等针对传统的用户手动获取设计理性的问题,提出了一种问题—方案—产品的层次化设计理性模型,该模型可以运用自然语言处理算法从设计文档中自动抽取设计理性并存储于知识库中。

4.产品模型重用

产品模型重用研究产品零部件的建模以及检索。在产品建模方面,Costa等研究了知识重用在产品开发中支持敏捷和有效的决策过程,通过集成拓展产品信息模型提出了产品广义模型,为产品的开发提供决策支持;余军合等研究了基于零件库标准的产品信息建模技术,通过总体、几何和功能视图三类模型描述产品设计原理和多域、多级别视图,并在此基础上重点介绍了产品几何视图信息建模方法,为建立其他产品视图提供参考;Kristian等提出的方法可以实现几何数据的形态学操作,也能够实现几何数据的拓扑学操作,并能够将企业中的规则嵌入模型中,构成几何模型模板,这种模板能够通过规则生成新的几何模型;顾复等对基于语义网络的产品建模及配置方案的搜索方法进行了集成研究,以提高产品配置和设计的效率;孙学军系统地研究了集成产品模型的内涵,拓展了集成产品模型的范围,将本体论思想运用到集成产品模型的建模中,并对集成产品模型的设计重用开展了研究。

零部件的检索主要通过建立零部件的特征模型库,并设计一定的匹配规则实现。Bai提出了一种面向重用的三维计算机辅助设计模型检索方法,并针对不同的检索需求建立了常规检索模型、精确检索模型和开放检索模型等不同模型;Mok等开发了一种有效的重用和检索系统,在设计人员不了解复杂数据库构建规则的情况下对标准模型进行记录,并将其重用于零部件的建模过程,该系统包括标准部件模块、部件列表模块和检索重用模块;Chen等针对基于文本或基于内容的装配检索不能很好地满足用户需求的问题,提出了一种新的装配检索方法,首先建立了一种支持多样化检索需求的多层次装配描述方式,然后建立相应的匹配和相似度评估方法,并提出了一种加速装配检索的索引机制以过滤不匹配的装配模型;马军等针对产品快速响应设计中零件资源的可重用需求,研究了基于面向对象技术的零件资源可重用建模和匹配问题,提出零件资源重用的两个过程,即满足客户需求的零件组定位和案例匹配检索,将获取的通用零件案例按照一定约束规则结构化成为具体产品,并给出了零件匹配规则和匹配算法。