智能化射击装置产品设计需求分析

7.1.1.1　某射击装置产品设计过程及特点

某射击装置是一个由多种具有不同属性特征而又相互关联、相互依存的子部件组成的复杂产品,相应的设计过程也是一个系统工程,它综合利用多领域的科学技术,采用严密的组织、综合协调和管理技术才能完成。

某射击装置研制项目总体流程如图7.1所示,主要包含以下5个阶段:论证阶段、方案阶段、工程研制阶段、设计定型阶段、生产定型阶段。其中,论证阶段主要负责初步方案论证,形成论证报告和研制总要求,在此阶段方案基本成型;方案阶段主要对论证阶段形成的初步方案进行细化,进行总体技术方案设计、指标分配、设计任务书撰写和项目工作策划;工程研制阶段是在方案阶段形成的总体方案规划下进行产品可靠性设计与管理、分系统指标细化和接口设计以及各分系统详细设计;设计定型阶段主要是对工程研制的产品进行工艺编制与加工;生产定型阶段是经过两年的生产实践,所设计的产品既满足设计也满足生产定型标准。

图7.1　某射击装置研制项目总体流程

总体来说,某射击装置的设计过程是一个多阶段、多学科、多部门的复杂系统工程,主要有如下特点。

1.极高的反复性

某射击装置初始设计的不确定性、不可预知性都可能导致产品开发的反复。总体方案形成过程中会涉及不同分系统多次迭代并不断修正技术指标的过程,即使是在分系统设计过程中也存在着分系统“初步设计方案-仿真验证-修订分系统方案”等迭代过程。因此,在设计某射击装置时需要提前考虑后面的设计流程将会遇到的问题以减少反复,需要进行快速验证以加速设计过程,而这些都需要知识资源管理和重用的支持。

2.知识密集性

某射击装置设计是一个富有创造性的活动,对知识工作者的能力、知识管理和服务质量有极高的要求。一个产品的设计过程就是知识、经验和设计规范或准则的综合,涉及各类软件资源(CAD、CAE工具)、硬件资源(计算服务器)、专家资源(总师、仿真专家、设计专家)和知识资源(标准、规范、经验等)等。该产品设计中所采用的各种科学技术的原理和方法,所形成的经验、结果数据以及过程本身都具有价值,都值得管理并重新应用于其他产品/系统的设计过程。

3.不确定性和规律性并存

某射击装置设计是一个从无到有的过程,对某一问题往往存在多种解决路径,具有很大的不确定性;同时,它又是一个集合了多学科知识(如控制系统、动力系统、引信系统等)的活动,每一学科知识作用的发挥都有其规律性,例如,对零部件进行应力分析必然用到材料力学方面的知识。该产品设计的不确定性要求相应的设计过程必须按照科学依据与设计知识逐渐细化而不能直接固化下来。

某射击装置设计过程的以上特点表明了该产品对知识资源的迫切需求,其产品设计过程知识密集的特点也为知识资源管理与重用提供了知识来源;不确定性和规律性并存的特点一方面表明可以通过分析获取设计过程中的数据来挖掘潜在的设计规律,另一方面设计的不确定性也意味着对设计知识资源的需求,因为在知识资源的引导下可以推动产品从不确定到确定的演进过程;极高的反复性同样也意味着对知识资源的需求,因为极高的反复性表示有大量重复性的设计工作需要开展,设计流程的固化能够大幅减少重复设计工作、提升产品设计过程的效率。

4.设计周期长

(1)从获得产品需求分析方案到概念设计获得产品设计整体方案,再到产品详细设计获得产品详细结构及加工工艺,持续时间较长。

(2)设计过程涉及人员多。从方案分析到设计,需要不同部门和组别的相关人员的参与。

(3)过程复杂与反复。产品设计过程的不确定性、不可预知性都可能导致整个设计过程复杂多次的交互和迭代,需要有效地协调相关的工作。

(4)设计过程知识密集性。某射击装置产品的设计过程就是知识、经验和设计规范或准则的综合,而且设计中所采用的各种科学技术的原理和方法,所形成的经验、结果数据以及过程本身都具有价值,都值得管理并重新应用于其他产品/系统的设计过程中。

7.1.1.2　某射击装置智能化产品设计需求(www.xing528.com)

考虑到某射击装置的设计过程中仍存在诸多问题,制约了产品关键设计环节的自动化,降低了产品整体的设计水平和设计效率。结合该产品设计特点以及现有情况,总结并归纳了目前某射击装置设计过程中存在的主要问题。

1.设计知识缺少统一、高效的管理

某射击装置的设计是一个多学科、多领域的复杂过程,其设计各个阶段都需要大量的知识资源进行支撑。目前,传统设计知识资源大部分仍以纸质管理为主,尽管部分文档已经利用计算机系统平台进行管理,但仍然没有达到统一管理的要求,存在模板不一、格式异构、分布松散且在创建知识库方面效率低下等问题。同时,缺少在设计过程中各阶段所涉及的数据、信息、知识之间的统一管理以及资源共享。因此,设计知识未能统一而高效地管理,就不可能继续为后续的设计过程提供支撑和服务。这样设计人员就会因为查找知识资料而浪费大量时间,增加工作量,影响设计效率。

2.设计过程的自动化、智能化程度低

目前某射击装置的设计过程仍以设计人员的手工设计计算为主,缺乏有效的设计平台。而该产品设计又是一个参数众多、计算量大、随时需要设计知识的调用予以支持的复杂设计过程。因此,完全依赖于人工设计的工作模式必然会导致设计效率低下、设计成本提升。而这一问题的产生,则来源于设计过程未能实现自动化与智能化。因此,解决该问题的关键就是需要提供一个可以实现产品案例检索与参数设计的智能化系统平台。

某射击装置设计过程中,由于缺少统一的产品模型,在产品设计各阶段,不同环节所涉及的设计工具和系统的工作是孤立、封闭的,缺少一个开放的体系结构将不同环节、不同阶段的设计工具等异性系统进行集成,使得各独立系统模块可以在产品设计过程中针对不同设计阶段的不同设计任务,实现协同工作、相互通信、共享资源等功能。例如,产品设计过程中,其结构参数设计环节与仿真分析环节相分离,这一问题直接导致在设计过程中需要引入办公PDM系统,让其作为桥梁连接设计与仿真。实际上,办公PDM系统并不是该产品设计过程中必不可少的支撑环境。

目前,某射击装置传统的设计方法主要依托设计人员的设计经验和专业领域知识的熟悉程度,进行人工计算评判和校核,需要设计人员熟悉相关设计手册,了解以往各种产品的模式,通过简化问题描述,将传统的定性描述方法转化为定量模型,从而捕捉定量关系所隐含的知识,进而进行推理和给出设计方案。

在进行总体方案或零部件设计时,设计人员大多采用类比推理的模式,将新问题与过去的设计比较,并从中选择最接近的设计案例,设计人员通常根据上层任务提出的性能参数和要求,选择一个或多个相近的产品案例资料,将设计对象与案例进行类比分析,对于案例中可满足设计对象要求的则直接引用,不满足的部分修改后采用。有时需要调用多个设计案例进行类比匹配,通过适当的修改和综合,以得到满足要求的新设计。

是否能采用一种符合设计人员认知过程的智能推理与决策方法,即在不改变设计人员认知习惯的情况下,自动地、智能地完成上述设计过程,使得设计人员从一些重复性的工作中解脱出来,实现提高设计效率、缩短设计周期的目标?针对上述问题,以某射击装置设计阶段为应用对象,需要构建相应的智能化产品设计平台,组织整合上下游单位的知识资源,汇集设计过程中相关的数据、知识、工具,实现分析软件与计算资源的共享与应用;集成知识管理与服务系统,实现设计知识、产品数据及专家资源的积累、共享和基于知识库的智能设计;形成知识管理与服务融合智能推理与决策的协同模式,提高产品智能设计能力。

该智能化产品设计平台应通过组织集成设计过程中的各类设计案例知识,封装商业以及自研软件,完成设计过程中的知识和工具等设计资源整合;构建推理检索引擎和规则修改引擎,实现案例检索、案例评价、案例修改和案例重用的智能推理过程,同时其适应性修改决策由知识库辅助支撑,获得的设计方案可以与数据管理系统交互实现案例知识的更新;支持设计过程中的三维建模、仿真分析等功能。因此,平台需提供可配置知识库构建及管理、知识组件建立以及智能推理与决策等功能,支持可配置知识库支撑的某射击装置智能化产品设计,如图7.2所示。

通过对某射击装置设计过程的特点分析,总结了该产品智能化设计对知识资源管理、设计工具封装与重用、智能推理与决策等不同方面的需求。具体包括如下三个方面的需求。

1.某射击装置设计需要多学科、多领域的知识资源的支持

某射击装置的设计与实现必然综合多学科专业技术(结构、动力等)、经历多个不同阶段(指标分析、总体方案、分部件方案等),其所依赖的案例知识资源也多种多样,有些甚至难以获取和重用。因此需要在各种知识资源分类存储的基础上,通过本体技术实现案例知识资源的语义建模,从多维度不同层次描述案例知识资源。基于本体为各种设计案例知识资源赋予丰富的语义信息,使计算机能够更好地理解其本质内容。该产品设计过程也需要多层次的案例知识资源服务,通过案例知识关联单元、知识资源组件以及案例方案三个层面来支持相关系统设计过程。

2.某射击装置设计需要柔性的产品智能主模型以及智能推理引擎

某射击装置设计过程是一个从抽象到具体、从全局到局部反复迭代、逐步求精的过程。由于其设计过程的层次性与复杂性,在不同设计阶段,需要不同角色的设计人员共同参与,但由于他们可能身处不同部门或厂所,造成相互之间交互性差,不易协同地完成设计任务,需要一个覆盖产品设计过程的复杂产品模型,要具有智能、柔性、动态交互的特性,满足复杂产品设计过程需求多变的需要,应覆盖复杂产品的产品族和由其配置得到的产品的整个设计生命周期,能够完整地提供复杂产品设计生命周期各应用领域所需的各种几何、非几何信息和知识;同时,复杂产品开发设计往往是异构环境下的多领域协同开发,因此还要求复杂产品模型能够方便不同领域、不同地区的专家和技术人员协同工作,并且能够实现对模型数据和知识的共享和操作。同时,基于该模型实现智能设计相关的推理、修改等功能。因此,需要建立一个统一的产品智能主模型以及智能推理引擎来实现灵活的设计过程和支持某射击装置的智能设计过程。

3.某射击装置设计需要完善、智能的知识服务与决策支持

某射击装置设计的核心是形成某射击装置可行的设计方案,可配置知识库的某射击装置智能化产品设计过程同样是围绕设计方案而形成的。为了减少案例知识资源的获取、组织、管理、检索等给设计人员带来的工作负载,使案例知识资源更好地服务于某射击装置智能化产品设计过程,首先将案例知识资源以问题解决方案的方式进行组织,针对某一具体问题提供一套完整的案例知识资源服务;采用知识组件将多种资源组织在一起并进行过程化封装,形成可运行的知识模块以支持快速智能设计。知识服务和知识组件的封装对不同来源、不同层次、不同结构、不同内容的资源进行识别、选择和有机融合,使其具有较强的柔性、条理性和系统性。提升企业资源整合能力,有效支持产品设计过程,实现产品设计自动化。