多層次可拓物元基因概念設計方法的研究

摘要:面對現有概念設計方法創新層次和可操作性時常不能兼顧的困境，合理地將可拓學的沖突解決理論和生物生長中的中心法則引入概念設計過程中，以多層次產品分解粒度作為設計信息表達載體，借助可拓變換的推理機制提出了一種多層次可拓基因推理的概念設計方法，較好地解決了兼顧問題。討論了設計方法的總體框架和相應原型系統，實例化地驗證了方法和系統的可行性。

關鍵詞:生長表面; 雙次可拓推理; 層次評價; 原型系統

中圖分類號:TG156文獻標志碼:A

文章編號:1001－3695(2008)02－0414－03

伴隨全球市場競爭的日益激烈，加快和提高產品的創新水平已成為企業生存的關鍵。產品的創新來源于產品的概念設計，它不僅決定著產品創新的最終層次，也制約著詳細設計階段很難或不能糾正的設計缺陷[1]。遺憾的是，目前雖然存在不少的概念設計方法，但卻存在著創新層次和可操作性不能兼顧的問題。因此，積極尋找一種靈活高效的概念設計方法并開發相應的人機輔助平臺已經成為產品設計的緊要問題。

1可拓生長表面

1.1可拓理論

可拓理論[2]是一種形式化的問題解決理論。它通過公式ρ(x0，X0)=|x0-(a+b)/2|-(b-a)/2來確定問題距離解的程度(其中:x0是實軸上的任意點;X0=(a，b)是實軸上的任意區間)，并能借助各種可拓推理方法(發散#65380;相關#65380;蘊涵#65380;共軛)和可拓變換將形式化的問題表達函數k(x)=ρ(x0，X0)/D(x，X0，X)由負域集(不滿足解的物元集)變換到正域集(滿足解的物元集)，從而從變化的角度，通過化不可行為為可行#65380;化對立為共存的方法解決各種對立和沖突。

1.2生長表面

產品設計的創新水平隨著對產品功能和結構的更深層次不斷分解而逐漸提高。本文根據不同設計階段的特點對設計過程采用了不同的分解粒度。在設計的前期階段采用產品機構作為分解粒度，使推理過程具有較高的效率;在設計的后期階段采用生長表面形式作為分解粒度，使產品的創新水平處于較高層次。作為一個功能載體，生長表面一方面承載了產品的功能信息;另一方面又可以看成是零部件幾何形狀的抽象。它將產品功能屬性#65380;工作原理屬性和幾何結構屬性融為一體，形成產品構成中零部件在概念設計階段的初始形態。鑒于它與生物生長過程中的原機體具有類似的意義，文中稱之為生長表面。它會像生物生長一樣，由最初生長表面逐漸按照設計關聯信息演變為各種形式的復雜產品。通過生長表面間的相互聯結關系和裝配關系可以建立整個產品的結構原理模型。通過生長表面之間進行相互聯結，按照實現預期功能要求的生長表面之間一定的約束配合方式，通過施以相應的物理約束，使得它們之間相互協調#65380;共同完成預期的功能要求。通過建立基本生長表面間的關聯約束并遍歷整個關聯集，即可最終實現整個產品的需求功能，如圖1所示。

2雙次可拓物元推理的概念設計

2.1設計整體框架

本文提出的多層可拓物元推理概念設計方法是通過對設計信息載體粒度的不同層次分解為前提，借助可拓推理工具的發散性推理策略，通過兩次基于CBR(case base reason)的過程推理框架設計完成的。第一次推理過程是以產品機構作為設計信息載體，采用相似度作為推理標準，通過對比設計需求組件間的相關度確定組件權重，根據最優度的計算準則來確定最佳的匹配實例，并將最佳設計實例作為第二次拓展推理的原型平臺，使第二次推理具有明確的方向，避免了重組爆炸現象的發生;第二次推理是以生長表面作為設計信息載體，首先將設計需求通過QFD方法[3]轉換成產品的結構要求，再對原型平臺進行表面分解，對比兩者存在的區別，確定出原型平臺中對應的病態生長表面，通過可拓變換工具在產品特征表面基因庫中搜索滿足設計要求的特征重組表面。重組滿足設計要求的各生長表面，從而完成整個產品系統的完善設計。當然，整個推理過程都是在產品設計約束和環境約束控制下完成的，如圖2所示。

2.2基于產品組件物元的匹配推理

為了使產品設計的第二次拓展建立在一個明智的方向上，首先需要獲得一個與設計系統相似度最好的實例原型作為拓展平臺。本文采用可拓問題解決理論中的關聯函數[2]作為進行最優實例匹配的算法依據，將設計產品及構成產品的組件都以物元形式加以表示，借助物元信息關系圖[4](圖3)來表示匹配過程中各物元間的關系，將實例的匹配推理轉變為物元語義關系間的類比匹配問題。整個物元信息關系圖可用M=[S，S，σ，φ，K]表示。其中:S表示待設計產品物元集;Si為其組件物元集;S為實例物元集，Si為其組件物元集;σ表示Si與Si之間的相似度; ρ表示Si與S間的關聯程度;K(S)表示實例S的最優度[5]。

2.3基于可拓策略的拓展推理

第二次產品功能的拓展是設計方法的核心，也是產品得以創新的根源。這次推理過程包括三個步驟，即用戶需求基因的獲取#65380;病態表面基因的拓展和創新系統的重組，如圖4所示。

2.3.1設計過程基因的獲取

任何產品設計都是基于一定知識基礎上用戶需求功能的實現過程。第一次推理得到的設計原型通常不能直接滿足用戶需求，還需對其進行改進。改進需要獲取兩方面的信息，即確定被改進的對象信息和需求可替換的資源信息。具體獲取方法為:a)根據用戶的設計需求獲取設計需求基因，并根據設計的外界環境因素得到設計的約束基因，從而為確定原型系統中需改進的對象指明方向。本文采用了一個由顧客驅動的產品開發設計方法(quality function deployment，QFD)中的QH(quality house)法，通過設計要求→技術要求→功能要求→結構要求的瀑布式轉換形式，將顧客需求映射為相應的結構約束基因，對比獲取的設計約束基因與原型實例的生長表面基因。確定出產品的病態生長表面，為進一步原型平臺的拓展設計提供依據。b)從設計原型平臺中獲取用于拓展重組的基本表面基因。利用“之”字分解法在初始原型實例上用抽象的生長表面表達出產品的功能實現形式，即那些表達產品功能和聯結關系的原理構件。將這些產品生長表面基因集中到產品特征表面基因庫中，為其后續的設計過程提供資源。原型平臺中生長表面信息的獲取包含表面的功能信息#65380;結構信息和各表面間的關聯信息。由于產品的表面功能可由結構實現，表面基因的獲取主要是生長表面的結構信息和關聯信息。文中采用MDT[6](mechanical desktop)的信息獲取機制，利用邊界表示(B－rep)數據模型，通過表面的幾何數據和拓撲數據來實現數據結構信息和關聯信息的表達。獲取的產品基因信息用生長表面關系矩陣GFace－matrix和生長表面物元GFace－note的方式加以保存。其中，GFace－matrix中存儲了生長表面之間的相關信息，如表面之間的定位關系和貼合關系;GFace－note中則存儲著生長表面的屬性信息，如表面的各個設計特征及其對應的特征值。

2.3.2病態表面基因的拓展

確定了原型系統中的病態生長表面，下面需要對病態表面進行拓展設計以使其能夠滿足設計要求。病態生長表面的拓展通過對病態生長表面關系矩陣GFace－matrix和病態生長表面物元GFace－note的參數修改，并在生長表面特征基因庫中搜索相應健康生長表面來實現。生長表面的拓展不僅有表面設計特征值的拓展，還有設計特征域的拓展。病態生長表面的拓展主要是包括生長表面基因的幾何信息#65380;屬性信息和關聯信息的拓展;幾何信息拓展主要指生長表面的結構大小和形狀的拓展，這是表面拓展的主要部分;屬性信息的拓展則是對表面屬性特征和屬性域的拓展，所有這些拓展都由可拓集合中的各種可拓變換完成[2];關聯關系的拓展主要是對生長表面間約束信息的拓展，使其具有良好的貼合關系。根據滿足條件的拓展變換，在表面基因庫中獲取滿足條件的健康表面，進行產品創新設計系統的重組。

2.3.3創新系統的重組

只有將拓展后的健康生長表面重組成新的產品系統，前面全部的工作才有意義。本文采用的重組方案是先確定一個健康的生長表面;然后根據生長表面之間的幾何關系#65380;聯結關系，通過生長表面間的功能約束依次完成新產品系統重組。產品基因的重組能否成功，關鍵在于從表面基因庫中獲取的產品拓展表面與原型實例中的健康載體表面之間的匹配能否成功，并促使由此產生的所表達出的概念零件能夠進行有效的裝配。產品基因重組匹配包括幾何信息和匹配#65380;屬性信息的關聯信息的匹配;幾何信息的匹配包括概念表面基點#65380;線#65380;面以及幾何類型#65380;定位特征等信息的匹配。屬性信息的匹配要求拓展表面基因所表達的輸入和輸出間能夠滿足數量的一致;關聯信息的匹配則是用拓展表面替代原有表面后，所有生長表面間都具有良好的聯結關系。只有當完成了拓展生長表面與原有載體表面的穩定匹配，才算真正實現了新產品的創新設計過程。

2.4層次模糊評價

通過上述重組方法得到的設計方案會有多個，這是設計思路的發散過程，有助于提高設計的創新性。為了得到最佳的設計方案，還必須對這些發散的設計方案進行評價，完成方案空間的收斂。本文采用了一種層次可拓評價方法，下面簡要給出評價步驟。

a)確定評價標準物元和評價物元。根據設計產品的實際需求制定出符合技術要求#65380;經濟要求和社會要求的評價標準，組成評價標準集M=(M1，M2，…，Mn)。

3設計實例

下面以一個減速器為例簡述基于這一推理方法簡單原型設計系統的設計過程。設所需設計的減速器要求為:輸入轉速為1 200 r/min，輸出轉速為250 r/min;輸入轉矩為31.8 N·m，輸出轉矩為57.3 N·m;輸入功率為4.0 kW，輸出功率為2.8 kW;其他設計要求和工況情況在圖5需求物元激活界面中給出。通過激活設計需求物元，調用最優匹配算法得到與設計要求最接近的減速器原型(圖6)，從而完成了第一次推理過程。圖6中最左邊的視圖欄是該減速器系統的結構樹;最右邊的視圖欄為該減速器的物元信息;中間的視圖欄為該減速器的三維模型;下面的視圖欄是與設計需求相比的病態組件名稱及在原型系統中的權重。通過對病態子組件輸入軸子系統的激活得到圖7的可拓推理界面。選擇可拓推理方法發散算法后，得到了輸入軸子系統的改進界面，可以選擇對每個組件表面從屬性和尺寸兩個方面的可拓變換，最終在產品基因庫中獲取到所需的健康特征生長表面，實現病態生長表面的拓展，以滿足設計要求。該設計系統可以以文本框的形式給出匹配健康生長表面的物元特征狀態和系統的適應性狀況，并可以通過顯示改進組件在原型系統中的重組情況來評價改進的最終效果。

4結束語

鑒于現有概念設計方法的缺陷，本文提出了一種基于多層次物元基因的概念設計方法并開發了相應的原型系統，積極地對智能化概念設計方法進行了新的探索。與以往設計方法相比，通過根據不同設計階段的特點選擇不同的分解粒度，這種方法不但能很好地避免設計中設計要素重組爆炸現象的出現，還能使新產品的創新處于較高層次。同時，借助可拓理論的形式化推理技術，使定性推理與定量推理相結合，從而順利地實現了產品概念設計與詳細設計之間的過渡。

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