CN101408909B - 一种产品多专业一体化实现方法 - Google Patents

Abstract

一种产品多专业一体化实现方法，(1)将待描述的产品信息按照学科专业分成不同的学科模型；(2)定义每个学科模型的特征参数，作为该学科模型的属性域；(3)构建属性域的统一访问接口，将与本学科模型有关的计算程序进行规范化封装，作为该学科模型的算法域；(4)算法域中的计算程序通过统一访问接口从属性域中获取输入数据进行计算，并将计算结果给属性域中的相应参数赋值；(5)记录与本学科模型有关联关系的学科模型的索引，作为该学科模型的关系域，当该学科模型属性域中的特征参数发生变化时，根据所述的索引，将发生变化的特征参数值传递给有关联学科模型中的属性域，该关联学科模型从步骤(4)开始执行，实现模型之间关联的自动更新。

Description

一种产品多专业一体化实现方法

技术领域

本发明涉及一种产品计算机辅助设计的信息模型描述方法，属于计算机辅助设计技术领域。 

背景技术

产品信息模型描述方法一直是机械产品计算机辅助设计领域研究的热点，特别是当前随计算机辅助设计手段的增强，人们不再满足于从产品的某一个专业角度逐次开展产品的计算机辅助设计，而更关注整个产品的多学科协同设计。进行产品多学科综合设计的关键是产品信息模型的描述方法，以往的产品信息模型描述侧重于产品设计的某一个学科领域，如比较成熟的产品几何信息描述方法、面向创新的基于设计知识的描述方法等。针对产品多学科综合设计，产品的设计过程涉及更多的专业和更复杂多样的信息，需要一种产品信息模型描述方法，能够采用一种通用规范化的方式来描述各专业模型，并能够灵活的对学科模型进行特征、性能算法等功能扩展，将产品设计过程所使用和产生的知识等资源涵盖在模型中，为实现产品多学科综合设计的知识化、快速化、自动化和集成化提供数字化支撑。 

针对产品多学科综合设计对产品信息模型描述方法的需求，当前提出了很多描述方法，如集成产品建模方法、产品全息模型、智能主模型等。这些描述方法多侧重于从模型集成优化的角度构建，侧重对已存在的各学科模型的输入输出数据的规范化定义，通过提供各种数据信息关联方法，实现对各学科模型之间的数据交换和互相访问。这些方法有利于整合不同软件工具产生的学科模型，规范学科模型之间的数据传递，便于开展多学科优化设计，但对学科模型自身的信息组成构建很少给出通用的描述方法。针对产品概念设计阶段产品信息模型的描述方法多从已存在的具体学科算法出发对学科模型进行描述构建， 形成相对比较固化的辅助设计软件系统，这类方法在集成整合企业自行开发的各种工程算法方面发挥了很大作用，但新算法的扩展需要从程序代码级进行扩展，设计人员无法自行进行功能扩展，无法快速应对新产品的设计。 

如中国专利ZL200610109444.4，发明名称“基于模板的快速工程设计方法”，和中国专利ZL200510123863.9，发明名称“基于文件的复杂产品数字化模型集成设计方法”两个专利中以两种不同的方法，以实现多学科优化为目的，通过对已有算法程序进行封装、集成构建优化设计的过程模型，规范学科模型之间的数据传递，便于开展多学科优化设计，但对学科模型自身的特征属性、产品设计知识、学科模型之间逻辑关系信息的描述没有给出通用的方法。 

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有计算机辅助设计对产品信息描述的不足之处，提供一种产品信息模型描述方法，该方法能够实现产品多专业一体化设计，提高产品设计效率，实现产品计算机辅助设计的知识化、快速化、自动化和集成化。 

本发明的技术解决方案是：一种产品信息模型描述方法，步骤如下： 

(1)将待描述的产品信息按照学科专业分成不同的学科模型； 

(2)定义每个学科模型的特征参数，作为该学科模型的属性域； 

(3)构建属性域的统一访问接口，将与本学科模型有关的计算程序进行规范化封装，作为该学科模型的算法域； 

(4)算法域中的计算程序通过步骤(3)中的统一访问接口从属性域中获取输入数据进行计算，并将计算结果通过所述的统一访问接口给属性域中的相应参数赋值； 

(5)记录与本学科模型有关联关系的学科模型的索引，作为该学科模型的关系域，当该学科模型属性域中的特征参数发生变化时，根据所述的索引，将发生变化的特征参数值传递给有关联学科模型中的属性域，该关联学科模型从步骤(4)开始执行。

在所述步骤(1)后还可以记录学科模型设计时所使用和产生的原理、规范、经验，作为该学科模型的知识域，为后续设计提供参考。 

所述的知识域采用知识树对知识条目进行描述，具体的构成为： 

第一层由原理知识、规范知识、经验知识三个子节点组成，每个子节点下是具体的知识条目；知识浏览看板是一个知识条目的展示界面，将用户在知识树上选择的知识条目的具体内容通过图文显示界面展示出来；知识编辑器是知识条目的交互编辑界面，可以增加新的知识条目，增加后的知识条目自动添加到知识树上；对象知识库是知识树的存储数据库，对整个知识树进行直接保存。 

所述的特征参数包括设计参数和计算参数； 

设计参数采用树结构进行描述，参数可以根据设计过程的需要动态增加和修改； 

计算参数由规范化的字段构成，对算法域返回的计算结果的合理性进行自动判断。 

所述的规范化的字段一般包括参数名称、参数类型、参数取值范围、参数当前值和是否合理。 

所述的设计参数之间通过自定义表达式进行约束，用来表达模型参数之间逻辑关系的不确定性，该表达式可以被后续设计重用，也可以在后续设计中进行修改或删除，所述的设计参数之间通过自定义表达式进行约束的具体实现过程为： 

第一步，将设计参数树上的每个节点的参数名称映射给动态语言引擎； 

第二步，用户通过设计参数语法编辑器对动态语言引擎中映射的参数定义表达式语法； 

第三步，动态语言引擎执行表达式语法得到各个参数的具体值，并根据映射关系将参数值赋给设计参数树的相应参数变量。 

本发明与现有技术相比的有益效果是： 

(1)本发明方法将整个产品设计过程按照学科专业分别构建各学科模型， 学科模型的特征信息、算法程序和与其它学科的依赖关系信息通过属性域、算法域和关系域三部分进行描述，属性域与算法域之间通过统一的访问接口进行联系，有关联学科模型之间通过关系域进行联系，并且每个学科模型的属性域、算法域、关系域可以独立的进行扩展，便于继承，可实现产品设计过程中各学科模型信息的统一规范化描述，形成通用化、模块化、良好扩展性的各学科模型，实现产品多专业一体化设计，提高产品设计效率。 

(2)本发明设计的知识域可以记录设计过程中所使用和产生的知识信息，该信息可以被后续设计参考和使用，实现设计知识的积累和充分利用；并且本发明知识域采用对象数据库进行存储与现有技术中一般采用关系数据库进行存储相比，本发明有利于对设计过程产生的新知识的捕获，保证产品设计知识的完整性和持续性。 

(3)本发明将属性域分为设计参数和计算参数，通过树结构来描述设计参数，有利于模型新特征的扩展，通过引入动态语言引擎，可对设计参数之间逻辑关系进行客户化自定义，更好的支持产品设计活动的不确定性，从而将设计意图捕获到产品信息模型，更好的实现设计过程的知识共享。 

(4)本发明通过算法域，将具体性能计算算法与学科模型的特征描述分离，使学科模型不依赖于具体算法，通过属性统一访问接口同一个学科模型可以包含多种功能的算法，有利于对已有算法的独立修改和新算法的增加，避免了算法的修改导致模型不可用的问题。 

(5)本发明通过关系域，实现学科模型之间状态变化的自动通知，当一个学科模型的状态发生变化后，能够及时通知与之关联的其它学科模型，并且该模型可以进行自动更新，从而实现了学科模型之间数据传递的自动化，有利于进行多学科集成优化。 

附图说明

图1是本发明学科模型信息组成示意图； 

图2是本发明学科模型的属性域组成原理图；

图3是本发明采用动态语言对设计参数赋予表达式语法的原理图； 

图4是本发明学科模型知识域的组成原理图； 

图5是本发明学科模型状态自动跟踪的原理图； 

图6是本发明学科模型算法域的组成原理图； 

图7是实施例汽车底盘纵梁设计过程示意图； 

图8是实施例汽车底盘纵梁几何造型学科模型的实现原理图； 

图9是实施例汽车底盘纵梁设计知识浏览示意图； 

图10是实施例汽车底盘纵梁几何造型设计示意图。 

具体实施方式

本发明一种产品信息模型描述方法，步骤为： 

(1)将待描述的产品信息按照学科专业分成不同的学科模型； 

(2)定义每个学科模型的特征参数，作为该学科模型的属性域； 

(3)构建属性域的统一访问接口，将与本学科模型有关的计算程序进行规范化封装，作为该学科模型的算法域； 

(4)算法域中的计算程序通过步骤(3)中的统一访问接口从属性域中获取输入数据进行计算，并将计算结果通过所述的统一访问接口给属性域中的相应参数赋值； 

(5)记录与本学科模型有关联关系的学科模型的索引，作为该学科模型的关系域，当该学科模型属性域中的特征参数发生变化时，根据所述的索引，将发生变化的特征参数值传递给有关联学科模型中的属性域，该关联学科模型从步骤(4)开始执行。 

为了对设计知识进行积累和充分利用，学科模型还包括知识域，知识域记录学科模型设计时的原理、规范、经验，为设计提供参考，如图1所示。 

属性域分为设计参数和计算参数，如图2所示。设计参数是由用户输入的变量，设计参数采用树结构进行组织，可以动态增加和修改，以便于对新产品的特征进行描述表达。计算参数是由算法程序计算得到的模型的性能变量，每 个计算参数都由规范化的字段来描述，如下表所示。 

  

参数名称

参数类型

参数最小取值

参数最大取值

参数当前值

是否合理

参数说明

当算法执行后，通过参数当前值与参数最大取值和最小取值的比较给出是否合理，计算参数看板将计算参数状态显示给用户。 

本发明采用动态语言可在运行时对设计参数赋予表达式语法，其原理如图3，首先在设计参数树和动态语言引擎之间建立参数映射关系，即将设计参数树上的每个节点的参数名称映射给动态语言引擎中的参数key键，用户通过设计参数语法编辑器对参数key键定义表达式语法，然后动态语言引擎根据表达式语法进行运算得到各个参数key键的具体值，最后根据映射关系将参数key键的值赋给设计参数树的相应参数变量。 

上面所述的知识域，将学科知识按照原理、规范、经验进行分类，采用知识树对知识条目进行管理，对象数据库进行知识存储。具体的构成如图4，知识树为树形数据结构，第一层由原理知识、规范知识、经验知识三个子节点组成，每个子节点下是具体的知识条目；知识浏览看板是一个知识条目的展示界面，将用户在知识树上选择的知识条目的具体内容通过图文显示界面展示出来。知识编辑器是知识条目的交互编辑界面，可以增加新的知识条目，增加后的知识条目自动添加到知识树上；对象知识库是知识树的存储数据库，对整个知识树进行直接保存。 

本发明通过对学科模型的编码，记录本学科模型所影响的其它学科模型，当本学科模型状态发生变化后，根据依赖关系，自动触发其它学科模型进行更新。具体原理如图5，每个学科模型中通过一个后向依赖模型索引数组存放本模型所要影响的其它模型的编号，当学科模型状态发生变化后，学科模型给学科模型管理中心发送消息通知，学科模型管理中心接到通知后获取后向依赖模型索引数组中的各索引编号，并在学科模型编号字典中查找对应编号的学科模型名称，据此名称从学科模型对象引用数组中获取对应学科模型对象的引用， 最后根据此引用向学科模型对象发送状态变化通知。 

算法域的组成如图6，通过属性统一访问接口实现算法程序对属性域设计参数的访问，对计算参数的赋值。不同的算法均通过属性统一访问接口操作唯一的学科模型数据，不同的算法程序通过算法库进行管理，用户可根据属性统一访问接口的规范来增加新的算法模块，产品设计时根据所需从算法库中选择满足计算功能要求的算法。 

下面以具体的实施例详细介绍本发明产品信息模型描述方法，但是本发明的保护范围并不局限于所给的实施例。 

实施例 

本实施例的产品设计对象为汽车底盘纵梁。纵梁是汽车底盘重要的承力结构，位于底盘的左右两侧。纵梁的设计需要根据整个汽车的设计载荷，进行纵梁的截面尺寸和空间走向进行设计，并根据汽车结构布置需要，对纵梁进行安装孔设计。设计过程中，需要考虑纵梁的强度是否满足载荷要求，并考虑纵梁的整个成本是否超标。因此，纵梁的设计可以看作是由几何造型、强度校核和成本估算三个专业学科组成。 

采用本发明产品信息模型的描述方法，将纵梁的产品信息模型按照专业分为几何造型、强度校核和成本估算，通过构建这三个学科模型完成纵梁的产品信息模型。基于该纵梁产品信息模型的设计过程如图7所示，用户首先查看汽车底盘纵梁设计相关知识资料；然后定义纵梁几何设计参数，并根据设计意图设置各个参数之间的约束关系；接下来从三维外形造型算法种选择一种建模算法，建模算法根据设计参数生成纵梁三维几何模型，并计算纵梁的质量以计算参数方式给用户；完成纵梁的几何建模后，几何建模学科模型根据学科模型的关系域，自动通知后续的纵梁强度校核学科和纵梁成本估算学科，将相应数据自动传送，用户进入后续学科的设计。 

采用本发明产品信息模型的描述方法构建上述汽车底盘纵梁几何造型学科模型的过程如下(图8)：

(1)按照构建属性域的方法构建纵梁几何造型学科的属性域。将纵梁的截面尺寸，长度，高度等几何尺寸定义为设计参数，每个设计参数是一个树结构叶子节点类，所有的设计参数都由设计参数树管理。按照本发明的计算参数的字段组成，定义纵梁的总质量为计算参数，同样也采用树结构的叶子节点类构建，计算参数由计算参数树管理。设计参数树和计算参数树作为成员对象构成纵梁的几何设计学科的属性类。便于用户对参数的访问，定义一个纵梁设计参数设置界面，用户通过该界面对设计参数进行直接赋值，并可以定义新的设计参数。定义一个纵梁计算参数查看界面，将计算参数的当前值和合理性显示给用户。 

按照对设计参数进行表达式定义的方法，构建一个以BeanShell脚本语言为引擎的动态脚本引擎类，该类实现对属性域的设计参数进行访问，用户通过纵梁设计参数约束设置界面定义设计参数的表达式，BeanShell引擎计算表达式的具体值后赋给对应的设计参数，用户通过定义设计参数的表达式实现对参数约束关系的定义。 

(2)按照算法域的构建算法，构建纵梁几何三维造型学科的具体实现算法。首先定义纵梁几何造型学科模型属性域的属性域统一访问接口，造型的具体算法均通过该接口获取算法的输入数据，并将算法计算结果通过该接口给属性域中相应参数赋值； 

通过构建几何造型通用接口实现纵梁三维造型算法封装，该几何造型通用接口声明了纵梁三维造型算法必须要实现的两个方法函数，即CreateGeometry()方法为生成纵梁三维几何模型，setCalculateParas()方法负责设置计算参数即纵梁总质量的具体值。通过构造该纵梁几何造型通用接口，规范了不同的纵梁几何三维造型算法具体实现的类结构，不同的实现方法都能够被调用。本实施例中采用了Catia作为具体实现算法，构造一个Catia纵梁造型算法类，该类实现了纵梁几何造型通用接口，具体CreateGeometry()函数可通过调用Catia建模API函数实现，读取纵梁的设计参数自动生成纵梁三维 几何模型。按照同样的实现方式可以再构造采用Pro\E作为造型软件的纵梁三维几何造型算法。为便于用户对不同的纵梁三维几何造型算法的选择控制，构造一个纵梁造型算法选择界面，将各纵梁三维几何造型算法以列表方式显示给用户，用户根据需要自己来选择具体的实现算法。 

按照上述步骤实现的汽车底盘纵梁几何造型学科模型如图9。 

(3)按照关系域的构建方法，将纵梁强度校核和成本估算两个学科模型记录到纵梁几何造型学科模型的关系域。具体实现步骤为建立一个纵梁几何后项关联关系类，并创建一个List列表型的成员变量，该变量记录了纵梁强度校核和成本估算两个学科模型的编号，构造一个UpdataOthers()成员函数，该函数根据List列表的其它学科模型的编号，从学科模型树上获取对应的学科模型对象，发送状态更新信息给各自学科模型对象。由于各学科模型都采用了本发明所述的模型描述方法，所以不管纵梁强度校核和成本估算两个学科模型的具体算法实现如何，都能够受到来自几何造型模型的状态变化通知。 

(4)根据本发明学科模型信息组成的知识域的特征构成，将纵梁几何设计的相关知识按照原理、规范和经验进行梳理分类，采用面向对象语言设计纵梁设计知识录入和纵梁设计知识浏览两个对话框界面，用户通过纵梁设计知识录入界面可以将原理、规范和经验三类知识以文本或者图片方式输入到知识树模型。纵梁设计知识浏览界面负责知识内容的展示，采用将知识内容转化为Html格式的方式显示。 

知识树模型是一个知识管理类，包含三个树结构的成员对象：TheoryKnowldege、RulesKnowledge和TipKnowledge，分别管理三类知识，用户输入了知识内容按照类别作为节点放置在三个成员对象树上。采用对象数据库DB40对整个知识树模型进行存储。 

按照上述步骤实现的汽车底盘纵梁设计知识浏览如图10。 

上述为纵梁几何造型学科模型的描述方法，纵梁强度校核和成本估算两个学科模型的描述方法与此相同，不再赘述。 

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种产品多专业一体化实现方法，其特征在于步骤如下：

(1)将汽车底盘纵梁产品信息按照学科专业分成几何造型、强度校核和成本估算三个学科模型；

(2)分别定义三个学科模型的特征参数，作为学科模型的属性域；所述的特征参数包括设计参数和计算参数；设计参数采用树结构进行描述，参数可以根据设计过程的需要动态增加和修改；计算参数由规范化的字段构成，所述的规范化的字段包括参数名称、参数类型、参数取值范围、参数当前值是否合理，其中，几何造型学科模型的设计参数为纵梁几何尺寸，计算参数为纵梁的总质量；

所述的设计参数之间通过自定义表达式进行约束，用来表达模型参数之间逻辑关系的不确定性，该表达式可以被后续设计重用，也可以在后续设计中进行修改或删除，所述的设计参数之间通过自定义表达式进行约束的具体实现过程为：

第一步，将设计参数树上的每个节点的参数名称映射给动态语言引擎；

第二步，用户通过设计参数语法编辑器对动态语言引擎中映射的参数定义表达式语法；

第三步，动态语言引擎执行表达式语法得到各个参数的具体值，并根据映射关系将参数值赋给设计参数树的相应参数变量；

(3)构建三个学科模型属性域的统一访问接口，将与本学科模型有关的计算程序进行规范化封装，作为该学科模型的算法域；

(4)算法域中的计算程序通过步骤(3)中的统一访问接口从属性域中获取输入数据进行计算，并将计算结果通过所述的统一访问接口给属性域中的相应参数赋值；属性域对算法域赋值的参数当前值与参数取值范围的比较，对参数当前值的合理性进行自动判断；

(5)每个学科模型中通过一个后向依赖模型索引数组存放本学科模型所要影响的其它学科模型的编号，作为该学科模型的关系域，具体建立步骤为：建立一个纵梁几何后项关联关系类，并创建一个List列表型的成员变量，该变量记录了纵梁强度校核和成本估算两个学科模型的编号；当几何造型学科模型状态发生变化后即其属性域中的特征参数发生变化，几何造型学科模型给学科模型管理中心发送消息通知，学科模型管理中心接到通知后获取后向依赖模型索引数组中的各索引编号，并在学科模型编号字典中查找对应编号的学科模型名称，据此名称从学科模型对象引用数组中获取对应学科模型对象的引用，最后根据此引用向学科模型对象即强度校核和成本估算两个学科模型发送状态变化通知，将发生变化的特征参数值传递给强度校核和成本估算两个学科模型中的属性域，强度校核和成本估算学科模型从步骤(4)开始执行。

2.根据权利要求1所述的一种产品多专业一体化实现方法，其特征在于：在所述步骤(1)后还可以记录学科模型设计所使用和产生的原理、规范、经验，作为该学科模型的知识域，为后续设计提供参考。

3.根据权利要求2所述的一种产品多专业一体化实现方法，其特征在于：所述的知识域采用知识树对知识条目进行描述，具体的构成为：

第一层由原理知识、规范知识、经验知识三个子节点组成，每个子节点下是具体的知识条目；知识浏览看板是一个知识条目的展示界面，将用户在知识树上选择的知识条目的具体内容通过图文显示界面展示出来；知识编辑器是知识条目的交互编辑界面，可以增加新的知识条目，增加后的知识条目自动添加到知识树上；对象知识库是知识树的存储数据库，对整个知识树进行直接保存。

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