CN101364244A - 基于行为语义网络知识模型的产品基因建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于行为语义网络知识模型的产品基因建模方法，其步骤包括：1)建立产品的行为语义模型；2)建立产品行为语义模型与行为语义谓词的映射准则；3)根据行为语义模型和行为语义谓词的映射准则建立产品功能特征和几何特征的描述框架方案；4)应用进化设计和基因编码技术将步骤3所述的描述框架方案转变为相应的基因编码，建立产品的功能基因模型；以这种编码方式为基础建立起来的功能模型为进化设计和产品的自动化创新奠定了良好的基础，为以后的进一步研究做好了准备工作。

Description

基于行为语义网络知识模型的产品基因建模方法

【技术领域】

本发明涉及设计领域中的知识建模方法，特别涉及基于行为语义网络知识模型的产品基因建模方法。

【背景技术】

一般认为设计阶段会占据一个产品开发周期的绝大部分花费。然而，在过去，产品设计人员都会过分关注于产品的表现和单一的某项功能性指标，这就造成了产品设计过程的自适应和自优化不够，设计过程死板而且缺乏创造。近年来，随着人工智能被不断引入到设计领域，产品设计逐步朝着智能化的方向发展，对智能设计的研究也越来越受到人们的关注。智能设计，就是通过设计型专家系统、人机智能设计系统来求解设计问题，它是人工智能、知识工程在设计领域的应用，被认为是现代设计技术中最具有代表性的一个方面。智能设计主要包括两大任务：第一，建立设计知识模型；第二，开发计算机应用软件系统来实现这一模型。知识建模是实现智能设计的基础和关键。但是，由于设计问题的特殊复杂性，因此尽管近年来新的理论、观点以及新的知识建模方法不断被提出。但完整的设计理论体系迄今仍未建立起来。

【发明内容】

本发明针对现有设计技术的不足，根据功能设计知识和设计对象知识，提出了基于基因编码的产品功能建模方法。

基于行为语义网络知识模型的产品基因建模方法，包括以下步骤：

1)建立产品的行为语义模型；

2)建立产品的行为语义模型与行为语义谓词的映射准则；

3)根据行为语义模型和行为语义谓词的映射准则建立产品的功能特征和几何特征的描述框架方案；

4)应用进化设计和基因编码技术将步骤3所述的描述框架方案转变为相应的基因编码，建立产品的功能基因模型。

作为本发明的一种优选方案，所述的行为语义模型采用了一个三维的自由度直角坐标系，它的三个自由度方向轴分别为：法线轴，横向轴以及纵向轴。

作为本发明的另一种优选方案，所述行为语义谓词共有八个，分别为：咬合、连接、平移、旋转、固定位置、覆盖、装配条件和润滑。

作为本发明的再一种优选方案，所述映射准则为：如果条件成立，那么执行结果。

作为本发明的再一种优选方案，所述的条件包括所需表达的行为、几何特征以及行为所作用的几何特征面，所述结果为按条件映射成的行为语义模型。

本发明的有益效果在于：它从功能定义，功能的表达以及功能的建模出发，在生物基因思想的启发下，对已建立的功能模型进行编码化的表示，并以这种编码方式为基础建立起来的基因模型为进化设计和产品的自动化创新奠定了良好的基础，为以后的进一步研究做好了准备工作。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

【附图说明】

图1为初步功能模型的示意图；

图2为改进功能模型的示意图；

图3为行为构成功能示意图；

图4为产品行为语义网络的示意图；

图5为产品基因和生物基因的概念对比示意图；

图6为产品基因定义示意图；

图7为产品功能特征和几何特征的基因编码描述方案示意图；

图8为车床的部分零件示意图；

图9为车床产品零件的功能特征树和几何特征树的映射关系图；

图10为车床零件的基因编码格式示意图。

【具体实施方式】

基于行为语义网络知识模型的产品基因建模方法，包括以下步骤：1)建立产品的行为语义模型；2)建立产品的行为语义模型与行为语义谓词的映射准则；3)根据行为语义模型和行为语义谓词的映射准则建立产品的功能特征和几何特征的描述框架方案；4)应用进化设计和基因编码技术将步骤3所述的描述框架方案转变为相应的基因编码，建立产品的功能基因模型。

其中，所述的行为语义模型采用了一个三维的自由度直角坐标系，它的三个自由度方向轴分别为：法线轴，横向轴以及纵向轴；所述行为语义谓词共有八个，分别为：咬合、连接、平移、旋转、固定位置、覆盖、装配条件和润滑；所述映射准则为：如果条件成立，那么执行结果；所述的条件包括所需表达的行为、几何特征以及行为所作用的几何特征面，所述结果为按条件映射成的行为语义模型。

一、产品功能——行为语义表达模型

1、产品功能模型

1.1、产品功能的定义和功能模型总体概念

产品设计过程的目标是将总的产品功能要求分解为相应的子功能，然后再综合那些实现子功能的设计部分，从而能使它们能够体现出有效的，经济的且可制造的设计。为了实现这个目标，就得首先把握功能的表达。如何合理的表达产品的功能是产品设计的第一步。功能的表达与功能的定义密切相关，不同的定义导致不同的表达。而由于功能是一个比较主观的概念，至今还没有一个完全统一的定义。研究中，我们发现，功能的定义可归纳为以下三种观点：

(1)功能用途观点；

(2)系统观点；

(3)行为观点。

对比上述三种观点后发现，行为观点易于在进化算法和基因编码上应用。因为，在这种观点下，功能更利于被归纳和抽象，更有利于被以编码的方式表达。以此为基础我们给出了功能的理论定义。

定义1.功能：在外部物理实体驱动下一系列的零件行为产生的结果。

为了解释这个定义在此给出了一系列相关子定义。

定义2.零件：相关约束面的集合

定义3.零件功能：由一个零件执行的从输入物理实体到输出物理实体的转化

定义4.零件行为：在一系列装配操作条件下，通过零件之间的相互作用，实现期望的物理实体间的转换(零件功能)。

定义5.产品功能模型(PFM)：一个或多个零件行为，在装配过程中由预先定义好的功能性关系控制下相互作用，将输入实体所期望产生的结果传递给输出实体。这种功能性关系包括两类，即空间性关系和设计功能性关系。

在过去，大部分有关功能的研究大都集中在概念设计的阶段或是探讨功能在空间内的关系，从这些方面很难深入到详细设计的阶段，很难与零件或产品的几何图形层面相联系，很难得出一个完整的方法去表示功能，模型化功能并且分解功能。因此，我们在给出合理的功能定义之后需要对部件功能进行合理的建模，以便能够更合理的对功能进行编码。

1.2、产品功能模型的理论定义

根据上面给出的对于功能的定义，我们很容易得出，每个功能都有一组相关的输入和输出物理实体(速率，能源，动力等等)。以语义的方法来描述的话，可以用输入输出关系图(i-o)来表达功能，如图1所示。

这个简易的模型没有牵涉到行为，只给出了在概念设计阶段的功能模式。我们可以在此基础上加入几何特征，物理规则以及行为等概念来使这个模型更具体，从而达到能具体又合理的表达功能，如图2所示。

在这个改进的模型中，功能依然被作为输入物理实体到输出物理实体的转变。这种转变由我们新加入的行为这个元素来控制，而行为则是由零件的几何特征和物理规则决定的。在一些部件独立面的功能性关系约束下，单个或多个零件行为组合完成相应的零件功能。其中，零件独立面间的功能性关系有助于对产品表现的描述。例如，零件独立面的功能关系可以用来说明独立面的尺寸，表面的磨光和表面坚硬度。这些在产品的详细设计很有价值，以此可以确定很多零件行为。

2、产品行为语义模型

2.1、产品的行为

在详细设计的过程中，设计人员很难一一对独立面的功能性关系进行说明，而要以功能关系来确定零件行为也就不能实现。因此，为了实际而有效得描述行为，我们定义了八个行为语义谓词，它们分别为咬合，连接，平移，旋转，固定位置，覆盖，装配条件，润滑。它们的具体定义如下：

定义6.行为语义谓词：

咬合：上下几何体或几何面咬合接触在一起形成的接触关系

连接：两个或多个几何面的结合与相连关系

平移：几何体从坐标系的初始位置移动到终点位置

旋转：几何体绕坐标系内的某一点或某一支线进行转动

固定位置：零件被固定于坐标系的某一确定位置，此位置坐标不改变

覆盖：描述两个或多个零件的位置关系，其中在法线轴的方向上，一个零件位于其他几个零件之上，并且其与法线轴垂直的几何面面积最大

装配条件：描述零件在装配过程中的各种状态，例如是永久性的或是暂时的

润滑：描述连接两个或多个几何体的中间媒介和各种连接条件

这些语义谓词以及它们的组合可以代替功能性关系来对产品表现进行表述，所以以此为基础，建立能有效描述产品功能的零件功能模型。

2.2、产品行为的语义网络

在提出了八个行为语义谓词的基础上，我们就可以用语义网络来表示零件和行为的简单构成。然后，通过这些简单构成的合理组合来描述产品的功能或者子功能。我们用图3的例子来详细阐述行为语意谓词是如何合理组合来构成功能的。

如图3所示，我们将两个连接在一起的圆柱体绕它们中心轴旋转的功能定义为“同轴转动”。在这个部件中，我们可以看到以下功能性关系：(1)两个圆柱体接触的独立面之间的关系，(2)绕同心轴旋转的动力描述。相应的，在部件功能模型中我们用行为代替功能性关系来描述功能。“同轴转动”这个功能可以被连接和旋转这两个行为合理得表达，这两个行为分别描述了上面提到的两个功能性关系。由此我们可以看到加入行为这个概念之后功能模型变得更加清晰和具体。

这两个行为的行为语义谓词的逻辑表示如下：

CONTACT(Cylinder₁，Cylinder2)

ROTARY(Product，NDirector)

Product：Cylinder₁和Cylinder2构成的零件

“同轴转动”功能的语义网络表示如图4所示。

2.3、基于行为语义谓词的产品行为语义模型

在三维空间内，产品特征的几何信息是以已设定的坐标轴为基础加以描述的。我们定义的功能模型中的行为都是作用在零件的相关几何约束面上，所以为了约束行为在空间域内的自由度，就必须先建立统一的自由度坐标系。为了能和几何坐标系相结合且又不依赖某种特定的坐标系框架，我们提出了一个三维的自由度直角坐标系，它的三个自由度方向轴分别为：法线轴(Normal)，横向轴(Transverse)以及纵向轴(Longitudinal)。功能模型中的行为都可以用零件在沿着这三个自由度方向轴的部件运动和动力传递以及它们的组合来表示。在此基础上，我们定义一个六元组来表示行为，即{K_N，K_T，K_L，F_N，F_T，F_L}，其中K是代表零件的部件运动而F代表零件的动力传递，K_N，K_T，K_L，F_N，F_T，F_L分别表示所描述的行为在沿着法线轴，横向轴以及纵向轴方向上的部件运动和动力传递的自由度约束取值。例如，图3中提到的旋转行为就可以用法向轴和横向轴上的部件运动和动力传递来描述，即将六元组中的K_N和K_T位设置为1，F_T也相应设置为1，其他位设置为0。在这个六元组表示的方式基础上再加上对行为属性的描述就能表达空间域内的确定行为，即在六元组上再加上一位Battribute，构成一个七元组。例如图3中提到的旋转行为，在其表达七元组中的Battribute位上加上旋转的速率这个属性描述，这样这个行为的完整表述就完成了。自此，我们所给出的这个七元组就是产品行为语意模型的数学表达形式，我们通过定义给出其完整形式^[4]。

定义7.产品行为语义模型(KFB-Model)：{K_N，K_T，K_L，F_N，F_T，F_L，Battribute}。

从上面我们可以看到如果两个产品行为数学模型是一致的那么这两个行为就是同一个行为。同一个行为也可以作用在不同几何特征的零件约束面上，如图3中的旋转行为，它可以是圆柱体的绕轴旋转，也可以是一个球体绕固定的一个轴旋转，在哪个面上旋转也不是固定的。所以如对行为在空间域内的约束，我们对行为所作用的几何特征面也要制定出一套规则来加以约束。我们定义了一个FSet位，让它来表示行为所作用的几何特征面。所定义的FSet是一个由3个二进制编码位构成的表示位。我们把沿着法向轴的几何面用001来表示，把沿着横向轴的面用010来表示，把沿着纵向轴的面100来表示，最后如果行为对任何几何面上产生作用那就把FSet设为000。FSet位可以通过二进制编码的或运算来进行对几何面的融合表示，即如果一个几何面是由横向轴和纵向轴确定，那么我们可以将FSet设置为110。

3、产品行为语义模型与行为语义谓词的映射准则

在给出了产品行为数学模型和所作用几何面的详细定义之后，我们需要制定一系列的规则以便实现基于遗传算法的机器学习。机器学习的宗旨在于，使复杂环境中行走的机器人像动物一样具有高度学习能力。这种能力应用在产品功能设计阶段的功能需求分析上就可以实现功能分解自动化。把产品所需达到的功能需求逐层分解，当分解至用行为来表达子功能的时候，按制定的规则将行为转化成KFB-Model形式表达，从而进行基因编码。我们应用产生式系统中的规则表示方法来描述所需制定的行为映射规则，即其形式如下：

               IF<condition> THEN<action>

我们把所需表达的行为、相关零件几何特征以及行为所作用的几何特征面作为条件(condition)，把按相关条件映射成的行为的KFB-Model形式作为结果(action)。其映射规则具体形式如表1所示：

表1行为映射规则表

这种定义不是绝对的，即条件和结果是可以相互转换的。例如，在反求的工程中我们也可以把行为的KFB-Model表达形式作为条件，从而反求出相应的行为和零件几何特征。图3中的“旋转”行为和“连接”行为就可以用映射规则表达成KFB-Model形式，如表2所示：

表2行为映射规则举例描述表

二、功能模型的基因编码

1、产品基因、功能基因与生物基因的对比

由生物遗传学可知，生物基因是由四种脱氧核糖核酸(A，G，T，P)反复排列构成的序列。这在形式上和产品基因的构成明显不同。如前所述，产品基因是由功能基因和几何特征组成。与脱氧核糖核酸的种类相比，产品基因中的几何特征的种类要远远多于脱氧核糖核酸的种类。并且，一个产品基因中的几何特征一般不会自相重复。

但是，如果把产品基因的载体由文字转为计算机中的二进制表达，把染色体的脱氧核糖核酸序列理解成为一种类似于四进制的表达，那么产品基因的概念与生物基因的概念之间就有了可类比性，如图5所示。从图中可以看出，产品基因其实指的是产品部件及其集合的可遗传的功能性信息和相关的几何特征信息。

2、产品基因的初步定义

人类最初认识生物基因是从生物体的性状开始的。类似地，人类可以从产品功能来研究产品基因。在基于产品基因的计算机辅助原理方案设计系统中，产品基因必须与功能相匹配，这样计算机才能根据功能(即待求产品的性状)来寻求它的产品基因，再通过不同产品基因的组合来形成完整的产品。因此，初步提出如图6所示的产品基因模型。

由图6可以看出，产品基因由两部分组成，一部分是功能基因，另一部分是几何特征基因。产品所需要实现的总功能可以被逐步分解成相应的子功能，参考之前我们定义的功能模型，行为、行为所作用的几何面以及附加的行为参数这些信息能合理地表达已分解的子功能，将它们加入到子功能基因的表达方式中，成为其基因的构成部分并作为功能基因的最底层。

3、功能模型的基因编码的具体描述

在产品基因的初步定义和参照生物基因的基础上，我们可以设计出数学化的功能模型的基因编码。这种编码的具体表现形式如图7所示。

如图7所示，我们借鉴了Zigzag方法，将产品的信息分成两棵特征树来描述，分别为功能特征树和几何特征树。Zigzag方法是Suh在公理化设计理论中提出的一种功能机构设计方法，是一种典型的认知模型。应用这种方法我们不仅能将产品信息合理地分解为功能信息和几何特征，而且还能使功能信息和几何特征之间进行反复映射来生成产品功能结构。我们提出的产品基因编码是由四部分组成的，它的首位是产品基因起始标志位，其作用就是在一段基因链中说明一个完整产品基因的开始。第二部分和第三部分分别是功能基因编码和几何特征编码。最后一部分是产品特征树所处位置位，它说明了这段基因在整个产品特征树中所处的位置。整个产品基因编码是对两棵特征树最底层节点相结合的描述，多个基因的前后串联就形成了针对两棵特征树的DNA编码链。对之前建立的数学化的功能模型编码化就形成了产品基因中的功能基因模型，它由三部分组成，分别为功能基因起始标志位，行为表达编码和功能结构树编码。其中，行为编码即为之前建立的KFB-Model的编码表达形式，而功能结构树编码是由FPos和BattributePos组成的。FPos指明了该段功能基因在功能特征树中所处的位置，相应的，BattributePos指明了行为参数说明信息在产品特征池中所处的位置。

三、实施例

为了验证这种编码方法的可行性，我们将上述推导的理论应用在车床的部分零件上，对这个零件进行基因编码，从而以编码的形式来描述这部分零件所实现的功能。其中，车床的部分零件如图8所示。

根据上面形成的理论，首先，我们对整个零件进行信息分解，以便形成功能特征树和几何特征树，分解后形成的两棵特征树大致如图9所示。

在得到功能特征树和几何特征树之后，用我们之前给出的行为规则映射描述表将功能特征树中的五个行为用KFB-Mode的形式来描述，其具体映射形式如表3所示：

表3车床零件中的行为映射表

最后，根据我们提出的功能模型的基因编码的具体描述方法，将所有的子功能编码表示，其编码结果如图10所示.

Claims (5)

1.基于行为语义网络知识模型的产品基因建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)建立产品的行为语义模型；

2)建立产品的行为语义模型与行为语义谓词的映射准则；

3)根据行为语义模型和行为语义谓词的映射准则建立产品的功能特征和几何特征的描述框架方案；

4)应用进化设计和基因编码技术将步骤3所述的描述框架方案转变为相应的基因编码，建立产品的功能基因模型。

2.根据权利要求1所述基于行为语义网络知识模型的产品基因建模方法，其特征在于：所述行为语义模型采用了一个三维的自由度直角坐标系，它的三个自由度方向轴分别为：法线轴，横向轴以及纵向轴。

3.根据权利要求1所述基于行为语义网络知识模型的产品基因建模方法，其特征在于：所述行为语义谓词共有八个，分别为：咬合、连接、平移、旋转、固定位置、覆盖、装配条件和润滑。

4.根据权利要求1所述基于行为语义网络知识模型的产品基因建模方法，其特征在于：所述映射准则为：如果条件成立，那么执行结果。

5.根据权利要求4所述基于行为语义网络知识模型的产品基因建模方法，其特征在于：所述条件包括所需表达的行为、几何特征以及行为所作用的几何特征面，所述结果为按条件映射成的行为语义模型。

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