基于遺傳學的產品開發(fā)基因研究

王兆華，同淑榮

（西北工業(yè)大學 管理學院，西安 710072）

0 引言

基因的遺傳和變異使生物的子代具有與親代相似但不完全相同的遺傳特征。通過基因工程的研究，人類可按照自己的意愿把不同生物的基因重新加工組合，定向改變生物遺傳特性，創(chuàng)造出新的生物類型。產品開發(fā)過程中對于原有產品開發(fā)信息的繼承和重組很重要，具有類似生物基因遺傳和變異的特性。從產品開發(fā)過程中提取產品開發(fā)基因，利用基因工程方法修改和重組產品開發(fā)基因，形成新的產品開發(fā)過程，既繼承了原過程的特性，又根據新的產品開發(fā)要求和約束條件進行改善，可以實現產品開發(fā)過程的優(yōu)化和重用。

為了更有效地解決產品族設計的繼承與創(chuàng)新問題，近年來已有一些學者研究將基因工程的相關原理應用于工程設計中。香港大學的陳克彰[1,2]教授等認為產品擁有遺傳信息，提出了制造產品虛擬基因的概念、特征和組成結構。喬治.梅森大學Krasnow研究院的Jone . S.Gero[3～5]教授及其團隊將生物遺傳原理引入工程設計領域，提出了設計基因的概念及其在產品設計中的作用和意義。德國馬德格堡大學的Vajna[6,7]提出了自生設計理論（Autogenetic Design Theory），將產品在設計過程中的產生類比于有機體的進化過程，研究了自生設計理論的特點。這些研究的共同點是通過對產品基因特征與類型的研究，提取出同類產品的遺傳基因，通過對產品基因的繼承和重構，設計出高質量的產品。

本文將產品開發(fā)過程本身看作一種特殊的產品，將指導產品開發(fā)過程進行的信息作為產品開發(fā)基因，借鑒生物基因遺傳變異的特性，研究產品開發(fā)基因的模型和表示，為實現產品開發(fā)過程的優(yōu)化和重用提供支持。

1 產品開發(fā)基因的概念

生物基因是DNA分子上具有遺傳效應的一段核苷酸序列，基因含有特定的遺傳信息，是遺傳物質的最小功能單位[8]。類比生物基因，并結合產品開發(fā)過程的特性，提出產品開發(fā)基因的定義。產品開發(fā)基因（Product Development Gene，PDG）是指導產品開發(fā)過程進行的有遺傳價值信息的集合。產品開發(fā)基因可以看作某類產品開發(fā)過程的“藍圖”或“食譜”，規(guī)定了產品開發(fā)過程的基本特征及自動生成機制，在新產品開發(fā)的外界約束條件下，自動生成新的產品開發(fā)過程。其具有以下幾個方面的特性：

1）產品開發(fā)基因是控制產品開發(fā)活動性狀的基本功能單位，其功能是通過指導產品開發(fā)活動的進行實現產品開發(fā)基因的表達，從而控制產品開發(fā)活動性狀和功能。

2）產品開發(fā)基因本質上是一種與產品開發(fā)過程有關的特殊指令，是一種信息。產品開發(fā)過程的進行需要產品開發(fā)目標、設計策略、人員組織方式和資源調配模式等與產品開發(fā)過程相關的信息來指導。

3）產品開發(fā)基因具有遺傳和變異的特性，新產品開發(fā)經常重用已有相似產品的開發(fā)過程，即原有的產品開發(fā)過程信息傳遞給新的產品開發(fā)過程，類似于生物基因的遺傳特性，同時新產品開發(fā)又要按照新的要求對產品開發(fā)過程進行修改和創(chuàng)新，類似于生物基因的變異特性。

4）類似于生物基因以A, T, C, G四個堿基符號來表示一樣，產品開發(fā)基因也可以通過一定形式或符號來表示。通過形式化表示，為產品開發(fā)基因的存儲、檢索和重用創(chuàng)造條件。

2 產品開發(fā)基因的獲取

生物學的發(fā)展，經歷了從生物體、器官、細胞、蛋白質、DNA，最后獲得基因，這樣一個從宏觀到微觀，不斷分解、深入細化的過程。類似地，產品開發(fā)基因的獲取，可以通過對已有產品開發(fā)過程進行分析，將產品開發(fā)過程逐步分解為產品開發(fā)活動單元（類似于生物細胞），提取驅動產品開發(fā)活動單元進行的遺傳信息，集合成產品開發(fā)基因。如圖1所示，首先將產品開發(fā)過程分解為產品規(guī)劃、概念設計、結構設計、詳細設計、工藝設計、試制、測試和改進以及產品推出等階段；其次以概念設計為例，將其分解為營銷部門、設計部門、制造部門和法律部門等各部門的任務；接著以營銷部門收集客戶需求的任務為例，將其分解為收集原始數據、恰當表述需求、組織需求等級和建立需求重要度等活動單元；最后以收集顧客原始數據這一活動單元為例，提取出驅動其進行的約束條件、施行對象、受動對象、動作和結果等遺傳信息，這些信息集合在一起組成指導收集顧客原始數據這一活動單元進行的產品開發(fā)基因。

圖1 產品開發(fā)基因的獲取過程

3 產品開發(fā)基因的模型

產品開發(fā)活動單元可以描述為“在一定的約束條件下，施動對象對受動對象實施一系列的動作，獲得一定的結果。”對應地，其中包含的遺傳信息有：約束條件信息、施動對象信息、動作信息、受動對象信息、結果信息，這些信息構成產品開發(fā)基因。本文以動作信息為核心，構建產品開發(fā)基因模型，如圖2所示。產品開發(fā)基因可以用一個六元組來概括：PDG={C,A,M,R,S}。其中，約束條件信息C(Constraint)描述動作發(fā)生的條件；施動對象信息A(Actor)描述動作的發(fā)出者；動作信息M(Motion)描述產品開發(fā)活動單元進行的方式；受動對象信息R(Recipient)描述動作的承受者；結果信息S(Solution)描述動作發(fā)生的結果。

圖2 產品開發(fā)基因模型

4 產品開發(fā)基因的表示

在建立產品開發(fā)基因模型基礎上，對產品開發(fā)基因進行表示，為建立產品開發(fā)基因庫，實現產品開發(fā)過程的重用奠定基礎。產品開發(fā)基因表示是產品開發(fā)基因形式化和符號化的過程，主要是選擇適當的形式來表示產品開發(fā)基因。產品開發(fā)基因所包含的信息形式較多，既有結構性信息，又有過程性信息。框架表示法適合表示結構性信息，而產生式表示法適合表示過程性信息[9]，因此本文將框架表示法和產生式表示法結合起來進行產品開發(fā)基因表示。如圖3所示，在進行產品開發(fā)基因表示時以框架表示為主體，把產生式規(guī)則嵌入到框架表示中，在約束條件槽、受動對象槽和結果槽的過程側面，采用產生式表示法表示過程性信息。

圖3 產品開發(fā)基因表示

5 產品開發(fā)過程重用中的PDG操作流程

參照生物遺傳學的規(guī)律，產品開發(fā)過程實際上是產品開發(fā)基因復制、變異、表達的過程。在課題組前期工作[10]的基礎上，構建如圖4所示的PDG操作流程框架。首先從產品開發(fā)過程基因庫中檢索出相似產品A，B和C的開發(fā)過程基因組，新產品的開發(fā)過程選擇性繼承這些相似產品的產品開發(fā)基因Aa，Bb和Cn，并根據新產品的開發(fā)要求增加基因庫中沒有的新基因D，重組形成新的產品開發(fā)過程基因組；其次按照新產品開發(fā)目標和約束條件進行變異進化，基因從狀態(tài)1進化到狀態(tài)n，得到最終的產品開發(fā)過程基因組；最后將產品開發(fā)基因表達為一系列產品開發(fā)活動，組成完整的產品開發(fā)過程，實現產品開發(fā)過程的重用。

圖4 產品開發(fā)過程重用中PDG操作流程

表1 “收集客戶原始數據”活動單元包含的遺傳信息

圖5 產品開發(fā)基因實例

6 產品開發(fā)基因實例

為了闡明如何從活動單元中提取出遺傳信息，進而集合成產品開發(fā)基因，本文以開發(fā)一款無繩螺絲刀為例（案例來源于文獻[11]），對其“收集客戶原始數據”這一活動單元進行分析。該活動單元包含選擇客戶、選擇收集數據的方式和整理收集的原始數據三個過程，提取其中包含的遺傳信息如表1所示。

將這些遺傳信息以動作信息為核心，構建客戶選擇基因、收集方式選擇基因和數據整理基因，如圖5所示。

最后按照上文提出的產品開發(fā)基因表示方法，對其中的客戶選擇基因實例進行表示，如圖6所示。在客戶選擇基因中，首先為了揭示大部分客戶的需求，需要確定應該與多少個客戶訪談，判斷的標準是：當增加的訪談對象不能揭示出新的需求時，則停止該流程。對于本例來說，訪談人數約30人，訪談總時長約25小時，地點可以通過產生式規(guī)則來選擇，最后通過客戶選擇矩陣和產生式規(guī)則，來定位領先客戶和一般客戶。

圖6 客戶選擇基因實例

7 結論

基于生物遺傳理論與方法，從產品開發(fā)過程中提取產品開發(fā)基因，利用基因工程原理修改和重組產品開發(fā)基因，形成新的產品開發(fā)過程，可以實現產品開發(fā)過程的重用和優(yōu)化。文中提出的產品開發(fā)基因模型、表示方法和操作流程是實現產品開發(fā)基因遺傳變異和重用產品開發(fā)過程的基礎。文章的研究成果還處于初步階段，產品開發(fā)基因在重用過程中，如何實現進化變異和表達等問題，仍需進一步深入研究。

[1] Chen, K. Z., Feng, X. A. Virtual Genes of Manufacturing Products and Their Reforms for Product Innovative Design[C].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, part C (Journal of Mechanical Engineering Science),2004,218(C5):557-574.

[2] Chen, K.Z., Feng, X.A., Chen,X.C. Reverse Deduction of Virtual Chromosomes of Manufactured Products for Their Gene-Engineering-Based Innovation Design[J].Computer-Aided Design,2005,37(11):1191-1203.

[3] Gero, J.S.Adaptive Systems in Designing: New Analogies from Genetics and Developmental Biology[J].Adaptive Computing in Design and Manufacture. Springer-Verlag,1998:3-12.

[4] Gero, J.S., Kazakov, V.A.and Schnier, T. Evolving Design Genes as well as Design Solutions[C].Proceedings of the Third ASCE International Workshop on Computing in Civil Engineering. New York, N.Y., USA: American Society of Civil Engineers Press,1996: 84-90.

[5] Gero, J.S., Kazakov, V. A Genetic Engineering Approach to Genetic Algorithems[J].Evolutionary Computation,2001,9(1):71-92.

[6] Vajna, S., Clement, S.,& Jordan,A.Autogenetic design theory: an approach to optimise both the design process and the product[C].ASME,2002.

[7] Vajna,S.,Clement, S.,Jordan,A.et al.The Autogenetic Design Theory: An Evolutionary View of the Design Process[J].Journal of Engineering Design,2005,16(4):423-440.

[8] 謝兆輝.基因概念的演繹[J].遺傳,2010(05):448-454.

[9] 姜躍,等.基于模糊邏輯的產生式-框架的知識表示及推理的研究[J].云南大學學報(自然科學版),2007(S2):171-174.

[10] 李博,同淑榮,徐顯龍.基于基因工程的產品設計過程重用方法[J].機械設計,2011(12):1-5.

[11] 卡爾·T.猶里齊,斯蒂芬·D.埃平格,著.楊德林,譯.產品設計與開發(fā)[M].大連:東北財經大學出版社,2008.