基于可拓本體的復雜產品方案設計可拓集成框架研究*

2020-05-25 06:54:32王體春秦家祺

機電工程 2020年5期

王體春,秦家祺,華洋

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016）

0 引言

由于設計理論的不完善性以及設計過程的復雜性，航天航空、發電裝備等行業的復雜產品方案設計往往是基于一定理論基礎和大量實踐經驗相結合的創造性技術勞動，是一個復雜、多層次、多屬性和創造性的設計配置過程。而在配置過程中要有效地解決各種復雜設計問題，則必須解決產品方案設計中各種深層知識的存儲、表示和處理問題，但已有的知識模型多是偏重于表層知識的處理，因此，如何利用設計配置過程中各種設計知識解決設計問題則具有十分重要的意義[1-4]。

本體論使得知識工程中，深層次知識建模清晰化、精細化、準確化和標準化，促進了對深層次設計知識的獲取、組織和捕捉能力，使得知識推理、共享、重用和集成成為可能[5-6]。同時，本體論在軟件工程、語義網、自然語言理解、知識管理等智能設計領域的應用獲得巨大成功，因而具有很好的應用前景[7-10]。目前，本體論研究存在的一個突出問題是已開發出來的本體和本體庫形式化程度不高，許多本體仍處于非形式化階段，只能提供領域術語的一個自然語言或類自然語言的定義庫，影響了本體技術在知識工程領域的深入應用。

可拓學用形式化工具，從定性和定量的角度研究矛盾問題的規律和方法，以基元理論和可拓數學為支柱，把解決問題的過程形式化，從而建立相應的數學模型，并在這個基礎上發展新的計算方法和技術，更智能化和形式化地解決知識庫中深層知識的存儲、表示和處理等問題，把知識工程中的知識向更形式化、更深入、更本質的方向推進[11-14]。但在目前，針對基于可拓設計模式的產品快速設計平臺體系結構的研究，還缺乏有效的復雜產品設計信息的可拓挖掘推理機，與基于產品設計信息可拓挖掘的設計平臺。而這是實現復雜產品設計可拓設計模式的十分關鍵的組成部分，即使是有關利用機器學習與數據挖掘工具解決智能設計中信息智能獲取的瓶頸問題的研究也不多見。未見有系統化、集成化、模型化和形式化的復雜產品集成設計系統開發，這不僅是復雜產品設計工程應用的短板，也是影響復雜產品設計理論向更深層次研究的關鍵因素。

本文在已有研究成果的基礎上，通過對復雜產品方案設計本體概念進行拓展[15-16]，給出可拓本體構建的一般形式，并在此基礎上，對復雜產品基于可拓設計模式的產品快速設計平臺體系結構框架進行研究，從應用層、應用工具層以及環境支撐軟件層的角度，進行基于可拓設計模式的產品快速設計平臺體系架構分析，為復雜產品設計提供理論和技術支持。

1 復雜產品方案設計可拓本體建模

1.1 可拓本體模型構建

為了解決本體論與可拓論發展過程中存在的問題，在已有本體概念的基礎上，對產品設計過程中存在的可拓關系進行拓展，建立可拓本體模型OE為：

OE=

CE,SEo,SEc,AEo,AEc,XE,TE,FE,CAE

（1）

式中：CE—可拓本體概念；SEo—可拓本體概念層次關系集；SEc—可拓關系集；AEo—可拓本體概念屬性集；AEc—可拓關系屬性集；XE—可拓本體公理集；TE—可拓約束與可拓變換集；FE—可拓本體函數集；CAE—可拓本體實例集。

在進行可拓本體建模時，一般可基于領域知識將產品、設計行為、設計關系等進行可拓類別劃分，并基于基元模型表述CE，形成基元特征、量值與對象名稱的有機整體。SEo用于表征可拓本體概念之間的層次關系或者概念集之間的層次關系；SEc用于表征可拓本體概念內外部的可拓關系集合以及可拓關聯性；AEo用于表征具有同一基元特征的同類對象集合；AEc用于表征不同類別可拓關系的屬性表述；XE用于表征指導可拓設計的各種公理、定理、原則、標準和規范等相關內容的集合，既包括描述可拓本體的公理，也包含解決矛盾問題的公理；TE中的可拓約束用以表征對可拓本體概念、概念集或者可拓關系的約束與限制，并以規則的形式進行表述?？赏刈儞Q集是對可拓本體概念、概念集或者可拓關系進行操作的可拓變換方式集合，是對可拓本體概念行為狀態的表征，可拓變換方式往往需要基于可拓約束關系進行選??；FE用于表征可拓本體概念的映射關系以及可拓邏輯關系。

由此可以看出，可拓本體模型是對本體模型的拓展，除了考慮已有本體的基本概念、屬性和關系之外，更引入了可拓關系、可拓變換、可拓公理等概念，在處理復雜產品方案設計中的可拓關系具有更好的適應性，從而進一步深化表征產品方案設計中的深層知識以及對其進行可拓分析，為復雜產品方案設計中各種設計問題，特別是矛盾問題的解決提供支持。

1.2 多類型知識的本體基元表示

可拓關系是復雜產品方案設計拓展性以及適應性能力提升的表征。對可拓本體概念可拓關系進行形式化、模型化表述，清晰地映射出其邏輯關系，將能有效地提升復雜設計問題求解的可拓推理能力。設計對象的可拓本體概念可以通過基元或者基元系統進行表達，使得復雜產品方案設計知識表達的形式化和模型化程度更高。

在公理化設計框架下，可以建立其對應的基元模型JE[17]，一般表示為：

JE=

（2）

式中：RE—可拓本體概念的物元或物元系統；IE—可拓本體概念的事元；GE—可拓本體概念的關系元；ME—可拓本體概念的復合元。

根據基元模型可拓屬性或者可拓關系類型的不同，可獲得相應的可拓邏輯結構形式。如基于相關關系，可以獲得可拓本體概念相關網；基于蘊含關系，可以獲得可拓本體概念蘊含系；基于共軛關系，可以獲得可拓本體概念共軛對等。

1.3 可拓本體知識庫構建的一般框架

為了使得已建立的各種設計信息的基元模型能夠更好地支持面向快速設計的復雜產品方案設計，需要在設計信息單元進行基元形式化表述形成可拓本體，建立與可拓本體基元系統/模型相對應的知識庫、規則庫、實例庫、工程數據庫等?？赏乇倔w庫是基于設計對象領域可拓本體進行的知識庫的建立，即除了考慮本體構建的相關概念、關系和屬性之外，還需要考慮設計對象的可拓關系、可拓變換、可拓公理等概念；而且，設計領域不同對應的這些概念往往也不同，即可拓本體知識庫的構建需要基于具體的設計對象和對應的領域知識。

復雜產品方案設計可拓本體庫構建的一般框架如圖1所示。

圖1 可拓本體庫構建的一般框架

由于復雜產品設計領域內的知識源包括領域設計經驗、領域設計實例、設計規則與準則、設計手冊與文獻、設計原理與方法、設計需求信息以及相關技術信息等，需要借助于領域專家、設計工程師、工程技術人員等多種途徑相結合的方式進行多類型設計知識的獲取。對于獲取的知識需要經過知識處理系統，進行知識抽取和知識轉化，將蘊含于知識源中的知識轉換成適合基元知識庫存放的知識。其中，需要完成的兩個關鍵步驟為：（1）將抽取的設計知識形成知識單元，并且能夠用基元進行形式化和模型化描述；（2）將基于基元模型的設計知識，通過知識編譯系統轉化為計算機系統可直接利用的內部形式。

同時，對于復雜產品方案設計來說，抽取出來的各種知識單元并不是孤立存在的，而是通過設計屬性進行設計對象的內部或者外部的關聯，因此，這將導致各種知識單元可能不屬于同一知識層面。為了能夠使得基元模型進行有效的可拓變換、蘊含分析、相關分析、共軛分析等，需要對其進行知識分層，并形成相應的基元發散集、基元可擴集、基元相關集、基元蘊含集、基元共軛對、基元聚合集等，然后基于知識編譯系統進行知識檢測，將基元存儲到可拓本體庫中。

2 基于可拓本體的復雜產品方案設計可拓模式分析

2.1 方案設計可拓需求模式

對于復雜產品方案設計來說，客戶需求一般具有抽象性、模糊性、變動性、多樣性、層次性與關聯性等特點，這往往使得設計者在正確理解客戶設計意圖方面存在困難，影響產品的設計質量與效率。因此，基于可拓理論對客戶需求進行可拓分析，將設計需求轉換為一種形式化、模型化的產品需求信息的客觀性表達，可清晰地反映出客戶需求的層次關系和關聯特性，有效地使得設計需求信息轉化為指導產品方案設計的技術要求等信息，從而使得產品方案設計的需求分析更加合理、完備和規范。

產品方案設計需求分析的最終結果就是有效地映射出后續的產品設計參數，包括功能設計參數、結構設計參數以及工藝設計參數。基于可拓理論的產品方案設計需求分析可拓設計，實質上就是有效地將需求基元轉化為設計參數基元，形成一個可拓式的設計框架。本文基于可拓理論、公理化設計給出一種新的將客戶需求轉化為設計參數的需求分析可拓設計模式，并運用改進的質量功能配置QFD獲取指導和貫穿于產品全生命周期的設計信息。

產品方案設計需求分析可拓設計模式如圖2所示。

圖2 產品方案設計需求分析可拓設計模式

從圖2可以看出：基于可拓本體概念的產品方案設計需求分析可拓設計模式包含幾個關鍵組成部分：（1）基于公理化設計的客戶域、功能域、結構域、工藝域的劃分，以及對應基元可拓集的構建[18]；（2）需求基元/系統、需求基元可拓集以及需求可拓本體的構建。在這里需要說明的是，需求基元/系統、需求基元可拓集以及需求可拓本體均是對需求信息以及設計需求關系的描述。需求可拓本體是表征設計需求關系，其構建形式如1.1節所示。需求基元/系統是對需求可拓本體概念的表征，其構建形式如1.2節所示。需求基元可拓集是對設計需求信息的可拓關系表征，其構建形式如1.1節所示；（3）需求信息與設計參數之間的映射關系，包括基于公理化設計的設計域間的Z映射、需求分析蘊含過程模型、可拓分析與可拓變換方法等主要內容[19]；（4）設計參數基元、設計可拓本體以及本體庫構建；（5）基于基元權重分配模型的需求基元和設計參數基元間的可拓關聯矩陣的構建[20-21]；（6）可拓方案集的獲取以及基于可拓優度法的優選方案生成[22-23]。

2.2 方案設計可拓配置模式

產品配置設計是實現大規模定制的重要設計方法之一，它以客戶需求為驅動并貫穿產品的整個設計過程。所以，為了能夠快速地對復雜產品進行配置設計，需要將基于產品方案設計需求分析映射的后續產品設計參數進行有效的規劃和快速的組合。

目前，國內外針對產品快速配置設計的研究已有很多，并取得了相應的研究成果。但是，已有的產品配置設計方法存在以下問題：（1）產品配置設計方法缺乏定量與定性相結合的一致化的配置設計問題描述，一旦提供的配置設計特征較少，將很難通過局部配置設計特征生成產品，影響了后續的產品快速設計工作的展開；（2）在產品配置設計過程中往往產生大量的配置變量，現有的知識模型和知識推理方法多是基于表層知識的推理來進行配置變量的收斂分析和解決配置矛盾問題；而對配置設計過程中設計可拓展性的推理支持不夠，影響了深層知識處理的效果，從而限制了設計可拓重用的范圍。

在復雜產品快速配置設計過程中，根據設計需求獲得產品設計的目標基元，在可拓本體庫中與設計基元進行匹配，符合匹配要求的設計基元將重用到新產品設計中，不符合設計要求的設計基元將不被重用，或者利用基元的可拓性重新進行可拓分析與變換使其達到要求。產品快速配置設計的可拓設計模式能夠基于可拓變換方法獲得領域內豐富的設計知識，通過可拓推理模型實現對設計對象的匹配，通過可拓重用模型將匹配的最佳設計對象重用到新產品的設計中，為復雜產品的可拓設計的順利實施提供支持。

產品快速配置設計的可拓設計模式如圖3所示。

圖3 產品方案設計快速配置的可拓設計模式

從圖3可以看出：基于可拓本體概念的產品方案設計快速配置的可拓設計模式包含有幾個關鍵組成部分：（1）基于可拓需求分析獲得目標基元，并建立相應的需求基元可拓集以及相應的可拓本體；（2）在可拓本體庫中對目標基元進行可拓本體檢索，獲得相匹配的設計對象，可拓本體檢索可以對可拓本體特征進行匹配，由于可拓本體概念是基于基元模型/系統而建立的，可拓本體特征匹配算法和基元特征匹配算法是一致的，筆者在文獻[24-25]中給出了相應的基元特征匹配算法；（3）在匹配集中基于對應的可拓重用算法和模型獲得滿足設計要求的重用對象集[26]；（4）對多設計重用對象進行可拓優選，獲得最佳設計對象[27-28]。

2.3 方案設計可拓再設計模式

可拓適應性設計是一種基于可拓理論的解決產品全生命周期中設計矛盾問題的有效拓展途徑。可拓適應性設計通過可拓變換和可拓推理的方式對已有產品的部分功能、原理、結構的變異獲得新的設計方案，能夠充分重用已有的設計、制造、管理等資源，提高產品設計效率，降低設計成本，是企業快速響應市場和應對市場競爭的有效設計手段。

目前，雖然已有一些學者開展了可拓適應性設計的研究，并取得了一定的研究成果，但可拓適應性設計的研究還處于初級階段，存在很多的不足和缺陷，如多數研究僅是采用了基元的形式進行了設計問題的可拓模型建立，初步搭構了產品適應性設計的框架模型，而對基于可拓變換的可拓適應性設計過程的設計修改支持不夠，從而限制了可拓推理的實施；再者，多數研究僅從結構配置變換的角度和配置結果評價優化的角度考慮可拓適應性設計，而未將適應性設計評價優化作為實現適應性設計的首要條件，并將其融入到配置過程中，使得新的耦合關聯關系和矛盾問題無法得到有效的解決，導致可拓適應性設計具有局限性。

可拓本體的提出對復雜產品方案設計可拓再設計具有較好的適應性：（1）能夠對復雜產品方案設計過程中的深層設計知識進行有效的描述，進而建立形式化和模型化的知識模型；（2）對于適應性設計過程中的復雜問題可拓求解、可拓推理以及矛盾問題可拓變換處理具有較好的針對性和融合性，更容易獲得有效的最優解，進而支持復雜產品的方案設計。

教師與學生面對面組織的活動：教師首先介紹本節課程的教學內容和教學目標，然后對學生自主學習過程中產生的共性疑難問題進行講解。接下來，按照難易程度逐個實施教師預先設計好的課堂教學活動。對于只需要識記的概念性知識點，教師直接組織學生完成作業，對完成作業有困難的學生可以進行一對一輔導。對于需要理解和應用的知識點，教師可歸納出幾個關鍵性問題，組織學生進行小組討論，小組討論結束后由小組代表發言，進行關鍵問題解決方案的成果匯報，教師對學生匯報中存在的問題進行講解。

復雜產品方案設計可拓再設計模式的實施，一般情況下首先基于領域知識建立產品方案設計可拓本體概念模型，并通過基元或者基元系統的形式建立對應的產品方案設計可拓適應性設計的過程模型；基于設計對象可拓本體的特征關聯度和權重獲得適應性設計的可拓展方向，采用可拓本體特征和特征量值的可拓變換，并建立相應的可拓本體特征可拓關聯函數，然后基于可拓適應性設計的目標函數進行設計條件與設計目標的相容性分析，由此獲得可拓適應性設計方案；通過領域設計專家給定方案優選的評價指標，基于可拓優選模型獲得最優設計方案。

產品方案設計可拓再設計模式如圖4所示。

圖4 產品方案設計可拓再設計模式

從圖4可以看出：基于可拓本體概念的產品方案設計可拓再設計模式包含有幾個關鍵組成部分：（1）基于需求分析進行產品方案設計可拓展設計方向的生成。可拓展設計方向的獲取，一方面需要基于設計域進行劃分，即是否面向客戶域、功能域、結構域和工藝域進行拓展，并需要確定其拓展的基元論域、基元特征以及基元特征量值，另一方面需要對拓展的設計方向進行有效的收斂性分析[29-30]；（2）產品方案設計可拓適應性設計過程模型的構建[31]；（3）產品方案設計可拓適應性的基元系統以及可拓本體庫的構建；（4）產品方案設計可拓再設計多方案多屬性決策分析模型的構建[32-33]。

2.4 方案設計可拓集成框架搭構

從本質上來說，基于可拓設計模式的產品快速設計就是建立知識可拓推理技術與產品快速設計技術的融合與集成，將基于本體論、可拓理論和基元理論的可拓變換、可拓推理、可拓重用、可拓優選等可拓方法與技術綜合應用到產品的設計過程中，由此形成面向全生命周期的產品各個設計環節的設計模式，即需求分析的可拓設計模式、快速配置的可拓設計模式和適應性設計的可拓設計模式。

產品快速設計的可拓設計模式的實施是以復雜產品的工程設計為應用背景的，因此，產品快速設計可拓設計模式的框架搭構需要從產品設計需求分析、產品快速配置設計、產品適應性設計以及面向產品設計工程的設計系統開發等4個方面進行分析；不僅要建立各自的設計模式，更要同時確立它們相互之間的關聯作用。

可拓快速設計是在已有快速配置設計的基礎上發展起來的。對于復雜產品方案設計而言，由于其方案設計過程的復雜性，往往會存在多種設計矛盾問題，而通過在產品配置設計過程中引入可拓理論，不僅可使產品設計知識建模更加形式化和模型化，而且可拓變換以及可拓推理模型和算法的應用，使得基于知識的產品方案快速配置設計推理能力提升，特別是在處理設計矛盾問題方面具有較好的適應性。此外，可拓本體概念模型是將本體論與可拓理論相融合，使得基于可拓本體的復雜產品方案可拓快速設計在處理設計矛盾問題方面，能夠解決配置設計過程中深層知識的存儲、表示和處理問題。

圖5 基于可拓本體概念的產品快速設計可拓設計模式框架組成

從圖5可以看出：基于可拓本體概念的產品可拓設計模式的實施，統一采用基元或者基元系統對領域內產品設計過程中各個環節的深層次設計知識進行形式化和模型化表述，建立產品方案設計可拓本體概念，并形成相應的可拓本體庫，包括可拓本體知識庫、可拓本體實例庫、可拓本體規則庫、可拓本體可拓集等。

在進行新產品設計時，首先基于設計需求分析的可拓設計模式對設計需求信息進行分析，通過公理化設計和QFD進行設計需求信息的映射和轉化；同時，基于需求分析蘊含過程模型在需求基元知識庫中進行設計需求信息蘊含性分析，基于可拓本體特征權重分配模型進行設計對象基元特征權重分配，并結合設計需求分析的可拓過程模型進行已有設計需求基元向已有設計基元的映射的搜索與匹配，獲得支持產品快速配置設計的初步設計參數。然后，基于產品快速配置設計的可拓設計模式，運用設計域變換、基元特征變換、特征量值變換等可拓變換方法對設計對象進行拓展，基于可拓推理模型進行設計對象與拓展對象的可拓匹配分析，并通過可拓重用模型進行已匹配的設計對象的重用分析；對于滿足設計要求的設計對象，將其應用到新產品的設計中，從而快速地獲得產品初步設計方案。而對于獲得的初步設計方案，可能會含有不滿意的局部的設計參數或者需要對一些設計參數進行再設計分析，為此需要基于適應性設計的可拓設計模式，找到設計方案相應需要改進的部分即獲得可拓設計方向，對需改進的部分進行變換改進，最后產生多個滿足目標變化的再設計方案，基于可拓優選模型對設計方案進行多屬性優選分析，獲得最優的可拓設計方案。

由于適應性設計過程是產品設計方案所產生的客觀效果相對于預定目的的檢驗和修正過程，產品設計可拓變換和設計方案可拓優選技術需緊緊圍繞領域內產品設計知識和評價知識來展開。

3 應用案例

基于本體論和可拓理論進行復雜產品可拓配置設計支持平臺的開發是溝通客戶、企業（主要包括企業產品設計部、專業設計小組、設計工程師等設計主體）、市場的信息橋梁，也是產品快速設計實現的關鍵支撐環節。從功能實現的角度來說，基于可拓設計模式的產品快速設計平臺體系需要實現設計知識建模、可拓需求分析、設計可拓變換、設計可拓推理、設計可拓重用、設計可拓優選、可拓適應性設計以及基于上述技術的產品設計實例驗證?；诳赏卦O計模式的復雜產品快速設計平臺體系結構一般需要包括3個關鍵組成部分：

（1）應用層。是直接與用戶關聯的部分，是設計人員利用基于可拓設計模式的產品快速設計平臺體系進行產品方案設計的應用功能集，包括面向可拓設計的知識獲取與建模、知識推理與重用、適應性設計、設計需求分析以及其他智能設計技術等；同時，應用層還負責使用者和支持系統間的數據交互，接受客戶的輸入，并將客戶需要的數據以適當的形式輸出給客戶；

（2）應用工具層。是基于可拓設計模式的產品快速設計平臺體系實施的基礎，由知識建模工具、知識挖掘工具、產品再設計工具、融合型知識推理工具、知識編譯工具、設計優選工具等組成，通過上述應用層工具的有機融合，實現復雜產品可拓設計的智能化；

（3）環境支撐軟件。主要指數據庫連接技術、數據管理系統、操作系統、網絡環境和計算機硬件等為基于可拓設計模式的復雜產品快速設計平臺體系正常運行提供基礎條件的軟件與硬件環境。

上文已對基于可拓本體的復雜產品方案設計可拓集成框架的幾個關鍵組成部分，如可拓本體建模、方案設計可拓需求模式、方案設計可拓配置模式、方案設計可拓再設計模式等進行了闡述，包括相應關鍵環節的模型、算法以及架構。以上述分析模型、算法和架構為理論基礎，筆者在應用層、應用工具層和環境支撐軟件層的層次結構下，以某型號飛機產品設計為工程應用驗證，說明在進行復雜產品方案可拓快速設計時對應的產品設計可拓集成平臺的基本形式。由于型號飛機產品設計的可拓集成平臺設計是一個非常復雜的系統工程，包含有較多的子級系統和功能模塊，限于篇幅，本文不再贅述。

基于可拓本體的型號飛機產品設計平臺與系統如圖6所示。

從圖6可以看出：應用層是直接面向用戶操作的，包括型號飛機產品設計的多設計域劃分模塊、可拓本體建模模塊、設計知識可拓本體推理模塊、方案設計可拓優化模塊、方案設計可拓挖掘模塊以及方案設計可拓變換模塊等，在各個組成模塊的子系統實現過程中，涉及到可拓本體模型、可拓變換方法、可拓本體推理算法、可拓優化算法、可拓挖掘算法、可拓重用模型等多種模型和算法的綜合運用。

應用工具層則是實現型號飛機產品方案設計平臺的技術支撐，包括面向型號飛機產品方案設計知識運用的可拓本體編輯工具、支持可拓推理的可拓本體推理機、支持可拓挖掘的可拓本體挖掘工具、支持可拓重用的可拓本體再生器、支持可拓優化的決策與優化工具等組成部分，通過各種應用接口的內部關聯，實現型號飛機產品方案設計各功能模塊的綜合集成。

環境支撐層則是構建型號飛機產品方案可拓設計平臺的底層支撐環節，開發了面向型號飛機產品方案可拓設計過程中各種設計知識可拓應用的知識庫、接口以及網絡協議，從而為型號飛機產品方案可拓設計平臺的順利實施提供支持。

圖6 基于可拓本體模型的型號飛機產品設計平臺與系統

4 結束語

本文針對復雜產品多層次、多屬性、創造性的產品結構配置過程，研究了復雜產品基于可拓設計模式的產品快速設計平臺體系結構開發工作，構建了復雜產品可拓本體概念模型，提出了基于可拓本體概念的復雜產品、可拓設計模式的產品快速設計平臺體系結構。

該體系結構將基于本體論、可拓理論和基元理論的可拓變換、可拓推理、可拓重用、可拓優選等可拓方法與技術綜合應用到復雜產品的方案設計過程中，由此形成了面向全生命周期的復雜產品各個設計環節的可拓設計模式，形成復雜產品的可拓需求分析設計模塊、可拓快速配置設計模塊、可拓適應性設計模塊等關鍵組成部分；同時，筆者以某型號飛機產品設計為例，從應用層、應用工具層以及環境支撐軟件層的角度，給出了基于可拓設計模式的產品快速設計平臺體系搭構框架，從而為復雜產品計算機輔助快速設計的順利實施提供了理論和工程應用支持。