CN107239937A - 一种支持协同设计知识共享的产品设计方法 - Google Patents

一种支持协同设计知识共享的产品设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种支持协同设计知识共享的产品设计方法，该产品设计方法基于本体建模方法，先根据产品设计的一般流程概念构建元本体，在元本体的基础上针对设计对象构建领域本体，元本体和领域本体共同形成完整的协同本体，然后在协同本体中将接口要素关联在接口中，并将一系列设计结果以实例的形式存储在设计属性中，领域本体的一系列设计模块之间通过接口提取接口要素中的知识进行共享及设计。本发明将不同结构的知识用统一的模型表达且可以重用，同时使概念规范化，消除了语义异构性带来的不便；其次，能够通过接口提取接口要素中的知识实时获取其他设计模块的设计知识，实现协同知识共享，提高协同设计效率。

Description

一种支持协同设计知识共享的产品设计方法
技术领域
本发明涉及知识工程领域，具体涉及支持协同设计知识共享的产品设计方法。
背景技术
随着网络技术和智能制造技术的快速发展，知识已经成为企业不可或缺的关键性资源，是企业竞争中的重要因素，其正在逐渐取代土地、劳动、资本和机器设备，成为最重要的生产要素。与此同时，产品设计的复杂性和专业化程度不断提高，作为知识密集型的过程，产品设计无法由单个设计人员独立完成，多个或多组设计人员进行协同设计成为了产品设计的主要形式。
产品设计阶段是决定制造业生产处高质量、低价格产品的关键，直接影响了产品的整个生命周期。作为敏捷制造、并行工程、网络化制造的基本支撑技术，产品协同设计已经成为目前的研究热点和前沿技术，显示出良好的发展前景。在激烈的市场竞争环境下，企业不仅需要以最短的时间、最好的质量、最低的成本将产品投入市场，还必须满足不同用户的个性化需求，更重要的是提高产品创新设计能力，以最快的速度开发出具有独占性技术的产品。因此现代产品设计越来越强调基于分布式知识资源的协同设计方法。因此，建立一个支持知识共享、人员和技术及工具集成的设计环境，支持多学科设计人员实现异地协同设计成为现代设计技术研究的热点。
产品协同设计是一个分阶段的设计知识共享和综合决策过程，一般由各设计小组分别承担不同的设计子任务，形成一系列设计模块，协作进行产品设计。这些设计模块的在时间上表现为并行独立、串行依赖或交叉耦合的过程，相应地表现为模块之间设计知识的独立、单向依赖和相互依赖关系。协同设计中的交互关系复杂，主要表现在：各设计模块之间存在参数约束关系；模块之间的关联具有多样性，如串行关系和交互耦合关系等；一个设计模块的修改会导致其他设计模块的修改。因此提高设计知识共享水平，成为降低协同交互关系复杂性，提升设计效率的重要途径。
协同设计过程中设计模块需要从其他模块获取设计知识，开展本模块的详细设计。目前协同设计知识共享方法有很多不足和问题，主要体现在：(1)各设计模块有独立的知识表示方式和存储结构，不同结构的知识难以用统一的模型表达并进行重用。(2)设计人员的设计对象和学科领域不同，对同一概念的表述不同，为知识共享带来不便，在对设计概念进行共同理解的基础上进行知识交互非常重要。(3)此外，模块之间一致性规则的存在导致了可能发生的冲突，对模块知识共享产生影响，需要在知识共享过程中同步地进行一致性检查并消除冲突，得到各协同模块都接受的设计结果。(4)知识共享内容不完善，没有在知识明确分类的基础上对所有设计知识进行体系化的共享，并且对一致性规则的表达不完整，只能实现设计参数的简单数学关系规则。
综上所述，现有的方法不足以支持协同设计知识共享和一致性检查的工作，降低了协同设计效率。需要一种新的知识共享方法来完成这项工作。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种支持协同设计知识共享的产品设计方法，能够有效促进协同设计中不同设计模块之间的知识共享，使设计人员实时获取其他设计模块的设计知识，实现协同知识共享，提高协同设计效率。
一种支持协同设计知识共享的产品设计方法，该产品设计方法的具体步骤如下：
步骤一，根据产品设计的一般流程概念构建元本体，不涉及具体的设计对象；所述元本体即协同本体的总体框架，是产品设计的一般流程，表达产品设计的通用概念，包括设计属性类及设计任务类，所述设计属性是接口最基本的设计要素，用于表达产品设计的各种数值或非数值参数；所述设计任务用于对设计模块、目标、流程、设计模块之间的关联及功能进行描述；
步骤二，在元本体的基础上针对设计对象构建领域本体，元本体和领域本体共同形成完整的协同本体；所述领域本体是在元本体中类的基础上具体化形成面向设计对象的类，实现本体由总体框架到详细的协同本体的细化；
步骤三，在协同本体中将接口要素关联在接口中；所述接口要素包括从领域本体中提取的设计属性和设计任务，以及指定的设计规则及约束；
步骤四，将针对设计对象具体的设计数据添加到协同本体中，并将一系列设计结果以实例的形式存储在设计属性中，领域本体的一系列设计模块之间通过接口提取接口要素中的知识进行共享及设计。
进一步地，所述产品设计方法进一步包括通过接口读取接口要素中的设计规则及约束，基于PAL语言对实例进行一致性检查，将违反设计规则及约束的实例以表单的形式返回并进行修改，形成最终设计结果。
进一步地，所述设计规则分为两类：参数规则和经验规则，分别定义设计参数中数值型约束和难以用数学关系表达的复杂设计属性的规则。
有益效果：
1、本发明方法基于本体建模方法，将不同结构的知识用统一的模型表达且可以重用，同时使概念规范化，消除了语义异构性带来的不便；其次，能够通过接口提取接口要素中的知识实时获取其他设计模块的设计知识，实现协同知识共享，提高协同设计效率。
2、本发明方法基于PAL语言能够将实例和设计规则及约束进行一致性检查，确保了设计结果符合设计约束，减少了设计错误和设计冲突问题的发生，提高了协同设计的效率。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的元本体结构图；
图3是本发明设计方法的接口形式和内容；
图4是本发明采用PAL语言建立规则示意图；
图5是发动机总体结构图；
图6是曲轴结构图；
图7是汽车发动机缸体的领域本体图；
图8是接口界面图；
图9是一致性检查图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
首先对产品协同设计模式进行说明。当形成产品设计任务后，进行人员和资源配置，将设计任务分解为一系列子任务并将其分配给各设计小组，形成不同的设计模块。各设计模块之间互相协作，共同完成产品设计任务。本发明方法主要解决串行依赖和交叉耦合设计模块的知识共享问题。串行依赖中一个设计模块的完成是另一个设计模块的前提条件，单方面进行知识共享；交叉耦合是指各模块互为前提条件，即模块之间进行设计知识的双向共享。
本发明提供的支持协同设计知识共享的产品设计方法，基于本体建模方法构建元本体及领域本体，元本体和领域本体共同形成完整的协同本体。
协同本体分为元本体及领域本体。元本体即协同本体的总体框架，是产品设计的一般流程，表达产品设计的通用概念，包括设计属性类及设计任务类，如图2所示。元本体不仅有一系列通用概念和术语，并且严格定义了这些概念之间的关联关系。设计属性是接口最基本的设计要素，用于表达产品设计的各种数值或非数值参数，常见的设计属性如设计参数、表面形貌、材料等。设计任务用于对设计模块、目标、流程、设计模块之间的关联及功能进行描述，模块设计过程相当于一系列设计属性的确定过程。
领域本体是在元本体中类的基础上具体化形成面向设计对象的类，实现本体由总体框架到详细的协同本体的细化；
接口与接口要素相关联。接口要素包括从领域本体中提取的设计属性和设计任务以及指定的设计规则及约束；设计规则及约束利用PAL语言定义，设计规则分为两类：参数规则和经验规则，分别定义设计参数中数值型约束和难以用数学关系表达的复杂设计属性的规则，如图3所示。
将针对设计对象具体的设计数据添加到协同本体中，并将一系列设计结果以实例的形式存储在设计属性中，领域本体的一系列设计模块之间通过接口提取接口要素中的知识进行共享及设计。产品设计过程实质上是一系列设计属性的确定过程，在设计过程中，每当设计人员确定一个设计属性，就在相应的设计属性类中建立一个属性实例。如果该属性需要被其他设计模块共享，则在接口要素中添加该属性实例，并在接口用户界面显示。当所有设计属性都以实例的形式确定后，产品设计结果随之产生。
产品设计的的具体步骤和过程如图1所示：
步骤一，根据产品设计的一般流程概念构建元本体，不涉及具体的设计对象；根据产品设计的一般流程，梳理相关领域的核心概念和术语，并整理概念之间的关系，建立元本体。元本体不涉及具体领域和对象，即有“设计任务”、“设计属性”等类，但是没有深入到具体设计中有哪些设计属性、哪些设计任务。元本体的存在固定了协同本体的基本架构，在使用时只需要在元本体的基础上结合具体产品构建领域本体即可，提高了元本体的重用性。在实际设计中，只有进行交互的设计属性才会在接口中表示，如果某个设计属性与其他设计模块没有交互，接口中将不包含这一属性，降低接口的冗余程度。
步骤二，在元本体的基础上针对设计对象构建领域本体，元本体和领域本体共同形成完整的协同本体；领域本体则是在元本体中类的基础上具体化形成面向设计对象的类；如对于汽车发动机曲轴和缸体的协同设计，在“设计任务”类下属的“设计模块”类中添加曲轴模块和缸体模块，将设计过程涉及到的所有设计属性添加在“设计属性”类中，如将曲轴直径添加到设计属性中，这样就实现了本体由总体框架到详细的领域本体的细化。
步骤三，在协同本体中将接口要素关联在接口中；
步骤四，将针对设计对象具体的设计数据添加到协同本体中，并将一系列设计结果以实例的形式存储在设计属性中，领域本体的一系列设计模块之间通过接口提取接口要素中的知识进行共享及设计。
产品设计方法进一步包括通过接口读取接口要素中的设计规则及约束，基于PAL语言对实例进行一致性检查，将违反设计规则及约束的实例以表单的形式返回并进行修改，形成最终设计结果。采用PAL语言建立规则，如图4所示。
在进行产品设计中，通过基于协同本体的接口实现设计知识即设计属性、约束规则等的共享，并在设计过程中将设计结果以实例的形式保存在本体中，进行规则一致性检查并在将来的变型设计中进行重用。
如针对发动机的设计，发动机总体结构如图5所示，气缸提供燃烧的空间并对曲轴提供支撑，曲轴进行旋转，把燃烧产生的能量变为轴的转动。气缸模块的设计属性有：缸体长L，缸体宽B，气缸数N，气缸直径D，飞轮孔直径D3，壁厚T以及支承方式(全支承和半支承)。
曲轴结构如图6所示，曲轴包括前端、油孔、主轴颈、曲柄销、曲柄臂、平衡块和输出端7大部分。曲轴结构设计模块主要指主轴颈、曲柄销和曲柄臂的设计。主轴颈设计属性有：主轴颈数n，直径D1，长度L1，内径d1。曲柄销设计属性有：直径D2，长度L2，内径d2。曲柄臂设计属性有：厚度h，宽度b。
发动机缸体和曲轴在功能结构上有密切的关系，两者的设计不能孤立地进行，必须在下同环境下开展并行设计。二者在协同过程中设计属性交互的一致性规则是：
(1)曲轴尺寸参数大多取决于气缸直径：
主轴颈：D1为0.7～0.8D L1为0.35～0.5D
曲柄销：D2为0.6～0.7D L2为0.35～0.45D
曲柄臂：h为0.2~0.3D b为0.9～1.3D
(2)曲轴主轴颈数n取决于汽缸数N和支承方式。当采用全支承结构时，主轴颈数比汽缸数大1，当采用非全支承结构时，主轴颈数等于汽缸数。
(3)飞轮孔直径D3大于主轴颈直径D1但其差值小于20mm。
(4)气缸体长L应该比曲轴长与气缸体壁厚的和多100mm以上。
此外，设计模块内部也存在一些约束如：
(5)主轴颈和曲柄销的内径取决于各自的直径：
主轴颈：d1＝0.4-0.7D1
曲柄销：d2＝0.4-0.6D2
气缸和曲轴设计互相需要对方的设计属性才能开展协同设计，设计模块之间有强耦合关系，利用本发明提出的协同设计知识共享模型实现协同共享。建立如图7所示的汽车发动机缸体的领域本体图。首先将设计知识从发动机总体设计人员传递到各模块详细设计人员，其次通过协同本体实现气缸体设计模块和曲轴设计模块的知识共享和一致性检查，模块设计人员从接口中得到所需另一个模块的知识，使设计知识能够同步地在两个设计模块之间进行共享。
进一步的，在协同本体中建立接口实例，设计人员通过接口获取所需设计知识。接口界面如图8所示。
针对初步设计结果，利用本体推理引擎基于PAL语言进行规则的一致性检查，如图9所示：
发现有三处设计结果违反了设计规则，分别是(1)曲柄销外径和气缸直径的约束，(2)主轴颈外径和飞轮孔直径的约束。(3)支承方式、汽缸数和主轴颈数的约束。设计人员根据反馈对相关设计结果进行修改，形成符合设计要求的最终设计结果。该实例证明所提出的知识共享方法能够有效地促进协同设计中不同模块之间的设计知识的共享，并对设计结果和设计规则进行一致性检查，减少设计错误的发生，提高设计效率。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种支持协同设计知识共享的产品设计方法，其特征在于，所述产品设计方法的具体步骤如下：
步骤一，根据产品设计的一般流程概念构建元本体，不涉及具体的设计对象；所述元本体即协同本体的总体框架，是产品设计的一般流程，表达产品设计的通用概念，包括设计属性类及设计任务类，所述设计属性是接口最基本的设计要素，用于表达产品设计的各种数值或非数值参数；所述设计任务用于对设计模块、目标、流程、设计模块之间的关联及功能进行描述；
步骤二，在元本体的基础上针对设计对象构建领域本体，元本体和领域本体共同形成完整的协同本体；所述领域本体是在元本体中类的基础上具体化形成面向设计对象的类，实现本体由总体框架到详细的协同本体的细化；
步骤三，在协同本体中将接口要素关联在接口中；所述接口要素包括从领域本体中提取的设计属性和设计任务，以及指定的设计规则及约束；
步骤四，将针对设计对象具体的设计数据添加到协同本体中，并将一系列设计结果以实例的形式存储在设计属性中，领域本体的一系列设计模块之间通过接口提取接口要素中的知识进行共享及设计。
2.如权利要求1所述的支持协同设计知识共享的产品设计方法，其特征在于，所述产品设计方法进一步包括通过接口读取接口要素中的设计规则及约束，基于PAL语言对实例进行一致性检查，将违反设计规则及约束的实例以表单的形式返回并进行修改，形成最终设计结果。
3.如权利要求1所述的支持协同设计知识共享的本体建模方法，其特征在于，所述设计规则分为两类：参数规则和经验规则，分别定义设计参数中数值型约束和难以用数学关系表达的复杂设计属性的规则。
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