性能傳導知識挖掘配置設計系統*

陳尉剛，王 歡，趙燕偉，洪歡歡

(浙江工業大學機械工程學院，浙江杭州310014)

0 引 言

在科學技術飛速發展與經濟基礎日益提高的今天，國際化的競爭愈趨激烈，制造環境發生根本性變化，產品需求進入多樣化的新階段，以滿足客戶的個性化需求為中心、需求驅動企業產品設計成為企業活動的核心與出發點，也是現代企業生存與發展的基礎。

產品配置是根據客戶的需求，在建立各零部件集合與相互約束關系的配置模板基礎上，并通過合理地匹配與組合，生成產品設計物料清單(Bill of material，BOM)，實現滿足客戶需求的產品設計過程［1］。產品配置設計經歷了3個階段的發展。目前配置方法主要有:基于規則的配置設計方法［2］、基于約束的配置設計方法［3-4］、基于可拓的配置設計方法［5-6］、基于本體的配置設計方法［7-8］、基于結構的產品配置方法［9-10］、基于實例的配置設計方法［11］等。

產品配置設計系統則是在計算機技術快速發展和普及以及企業信息化條件下催生的產物。目前根據不同的原理開發的產品配置設計系統種類繁多，黃鈺［12］提出基于模糊度量的質量功能配置系統，利用質量功能配置把客戶對產品的需求進行多層次的演繹分析，轉化為產品的設計要求、零部件特性、工藝要求、生產要求，從而指導產品的設計;林相華［13］提出基于配置模板的快速配置設計系統，它通過基于功能結構單元的產品配置模塊，快速響應客戶需求，獲得最接近客戶需求的配置結果。譚建榮［14］提出支持大批量定制的產品配置設計系統，它根據機械產品結構的復雜性，引入配置設計知識的混合表達方法來適應不同產品設計類型的要求。

然而對于復雜的機械產品，配置知識不易獲取，為此，本研究引入一種性能傳導知識挖掘配置設計系統，利用可拓數據挖掘［15］技術將配置設計過程中的設計知識以及設計經驗變為有用的配置規則，幫助設計人員在配置設計過程中做出有利的決策，避免新矛盾的產生，從而大大提高產品配置的效率和準確性。

1 系統模塊及動能

1.1 系統概述

該系統是運用Microsoft Visual C++6.0在Solidworks平臺上二次開發的一個系統，通過建立產品實例數據庫，對客戶的模糊性能需求建立物元模型，在實例庫中進行相似實例檢索，若不滿足性能需求，通過可拓變換消除矛盾，同時通過可拓分類獲取傳導變換知識，最后生成配置設計方案。系統界面參照Windows XP界面風格進行設計，有標題欄和菜單欄，用戶通過菜單欄、鼠標以及手動輸入就可以完成對整個軟件的操作。

1.2 主要模塊及其功能

系統主要包括以下功能模塊:產品需求實例管理模塊、產品配置設計過程管理模塊、產品配置設計知識管理模塊、產品配置方案管理模塊。系統功能模塊劃分圖如圖1所示。

圖1 系統功能模塊劃分圖

1.2.1 產品需求實例管理模塊

由于客戶在購買產品時對產品的需求描述中通常包含確定屬性和模糊屬性，計算機無法處理其中的模糊信息，需要將模糊信息用一個參數域來表示，該系統中采用三角模糊數來表示:

通過定義區間置信度系數α，三角模糊數可表示為:

依據可拓學的物元概念描述，建立對象Om、性能特征cm以及量值的客戶需求物元模型為:

其中:

本研究根據計算得到的相似度選出與客戶性能需求最接近的產品實例，即相似度最大的產品實例。

1.2.2 產品配置設計過程管理模塊

若檢索到的最相似的實例滿足客戶需求，則配置結束;若不滿足，表示性能需求目標實例G與性能條件實例L存在沖突，則需進行產品配置設計。根據可拓學原理，本研究首先構建矛盾沖突問題模型P=G·L。然后構建關聯函數K(P)，根據關聯函數值判斷性能是否滿足客戶要求，對于不滿足的性能通過發散樹分析方法和蘊含系分析方法進行事元拓展分析，發散樹分析模型和蘊含系分析模型如圖2所示。

圖2 發散樹分析和蘊含分析

本研究通過事元拓展分析獲得可以通過可拓變換最底層的配置基元，來滿足性能特征的需求。變換主要包括變換配置基元對象、基本變換算子生成、變換方向控制。

OT是實施可拓變換的名稱，則:

OT∈{擴大，縮小，增加，刪減，置換，復制，分解，組合…}

可拓變換可表示為:

本研究通過可拓變換消解需求與實例之間的矛盾，從而生成產品配置方案集。產品性能需求與相似實例矛盾消減流程如圖3所示。

1.2.3 產品配置設計知識管理模塊

目前對于配置性能需求的不滿足，研究者都是憑經驗對產品結構進行一定的改型，然后再進行測試，以實現某一或者某幾個性能的滿足，這將會導致產品的開發周期變長，無法滿足客戶的快速需求。且沒有注意對于變換后數據的運用和挖掘，包括實例的其他性能的變化情況，更沒有注意數據之間的相互影響。傳導知識挖掘是帶有矛盾前提的數據挖掘方法，該方法通過挖掘變換前、后性能結構的影響關系，幫助設計人員在需求驅動的配置設計過程中做出有利的決策，避免新的矛盾問題的產生。

圖3 產品性能需求與相似實例矛盾消減流程

由于機械產品，無論是產品結構之間、產品性能之間、性能結構之間總存在一定相關性，對產品實例結構的變換，往往會引起產品實例其他結構或者性能的傳導變換。為判斷哪些對象、特征發生了傳導變換，需要進行定量描述。針對具體產品實例對象和特征數據，往往會出現變換前后對應量值的變化，有些對象特征量值變換前后的差值很小。為了更準確地描述什么是傳導對象和傳導特征，通常給定閾值δ＞0，當發生變換的對象或者特征的量值差(傳導效應)Δvli=v'li－vli的絕對值滿足|Δvli|=|v'li－vli|＞δ的時候，則認為相應的對象或特征為傳導對象或傳導特征。

無論是產品實例結構對象變換，還是產品實例性能特征的變換，這些主動變換的傳導作用對傳導對象或者傳導特征究竟有多大的影響，需要通過傳導度進行定量描述。

傳導度γ即可表達為:

傳導度表達了主動變換量(Δv1=v'i－vi)與傳導效應(Δv2=μ'j－μj)的關系，并通過設定傳導度值，來提取傳導知識。傳導度的大小表示在主動變換實施過程后引起的可傳導性的程度，可見傳導度越小對于變換實施的可操作性越強及受約束性越小。

本研究用基于傳導變換的可拓分類知識表達主動變換引起的傳導變換性能特征量值變化的程度，即由于傳導變換性能特征發生了量變(正、負量變)或者質變(正、負質變)。對于產品需求性能集:

式中:k(mj)—需求性能與產品現有實例性能的關聯度，Tli—性能特征事元分析對應的配置基元結構、材料等屬性主動變換，mjTli—Tli引起的性能屬性變化的傳導變換對于論域MO關于性能特征屬性變換Tli的可拓配置集。

通過主動變換，對于發生傳導的性能屬性分類為:

1.2.4 產品配置設計方案管理模塊

產品配置設計方案管理模塊的主要作用是當設計人員完成配置設計時，生成全部設計物料信息，將變換后的產品零部件以及產品原有的零部件結構以物料清單形式展現給相關工作人員。同時還可以查看整個產品的三維模型。

2 應用實例

該系統以大型螺桿空壓機為應用對象，根據客戶對螺桿空壓機的性能需求，進行螺桿空壓機產品相似實例求解;對于性能不滿足需求，建立可拓矛盾模型，并采用性能結構事元映射方法，通過可拓變換進行結構特征變換，實現性能需求矛盾消解;提取相似實例變換前后性能特征數據，獲取主動變換對于傳導特征影響程度，同時通過可拓分類獲取傳導變換知識;最后，生成配置設計方案。但由于篇幅所限，下面僅給出幾個典型系統界面。

客戶需求物元模型的構建如圖4所示，客戶可以在文本框和下拉框中輸入各性能需求描述，而在圖中“穩定性”一欄中是一個模糊描述“好”，可以通過設定置信度系數，根據公式(2)，用三角模糊數表示為［8.4，11.6］參數域。

相似實例檢索界面如圖5所示。研究者根據上一步建立的需求物元模型，點擊“實例檢索”按鈕在實例庫中檢索與其相似度最大的產品實例，由圖5可知最后檢索結果是型號為LG-6.3/10的螺桿空壓機與需求實例相似度最大，但噪聲、重量、潤滑油量的性能仍不能滿足客戶要求，需建立可拓矛盾消解模型P=G·L，進行下一步的產品配置設計。

圖4 設計需求物元模型

圖5 相似實例檢索

設計過程矛盾消解界面如圖6所示。用戶點擊“關聯度”按鈕計算出各性能關聯函數值，噪聲、重量、潤滑油三者的關聯函數值小于零，說明這三者性能不滿足客戶需求，需要分別進行事元分析，以噪聲為例，通過事元分析獲得可變換的配置基元為消聲器，對消聲器進行可拓變換消解矛盾。

性能傳導特征提取界面如圖7所示。用戶在“變換后對應性能信息元”一欄中可以通過“添加”按鈕輸入變換后的信息。點擊“計算”按鈕，計算出變換前、后的信息元之差。

傳導分類知識提取界面如圖8所示，首先，通過設定閾值以及上一步計算得到的信息元之差判斷哪些是傳導特征或傳導對象;然后，計算出傳導度判斷主動變換對傳導特征的影響程度;最后，提取傳導分類知識。

圖6 設計過程矛盾消解圖

圖7 性能傳導特征提取

圖8 傳導分類知識提取圖

3 結束語

本研究運用Microsoft Visual C++6.0在Solidworks平臺上開發的性能傳導知識配置設計系統，能夠有效地建立客戶模糊性能需求的物元模型，實現產品配置設計過程的形式化描述，通過實例庫的有效構建能夠很好地實現產品實例信息的管理以及提高產品的開發效率。系統通過對傳導知識的挖掘和利用，能夠幫助設計人員迅速、準確地獲得產品配置設計方案，使配置設計更加智能化。本研究結合大型螺桿空壓機的實例，驗證了該系統的可行性和有效性。

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