產品自組織配置設計中設計需求知識的表達與編碼*

何 彬 劉衛(wèi)東

(1湖北理工學院機電工程學院，湖北黃石435003;2湖北城市職業(yè)學校，湖北黃石435004)

產品自組織配置設計［1－2］是通過配置單元［3］進行決策和組合，根據(jù)嵌入在其內部的動態(tài)知識體系和實現(xiàn)機制，并借助于先進的智能工具和計算方法，實現(xiàn)不同單元體的合成、分解、篩選、計算等環(huán)節(jié)，以形成滿足客戶個性化需求的產品的過程。產品自組織配置設計實質是客戶需求驅動的設計過程。其中，設計需求知識的表達主要針對產品自組織配置設計中的設計需求知識，采取合適的方式進行組織，形成結構化和層次化的知識模型。編碼則是建立在知識模型的基礎上，通過轉換成可被計算機處理和識別的代碼，來實現(xiàn)產品自組織配置設計中的知識獲取、推理、存儲、使用和更新，從而有效地支持產品自組織配置設計的全過程［1］。

在產品自組織配置設計中，設計需求通過外部輸入直接作為設計中的查找、匹配和計算的依據(jù)。因此，有效地對設計需求知識進行表達與編碼，是順利實施產品自組織配置設計過程的關鍵。

1 設計需求知識的類型

產品自組織配置設計中，設計任務書是展現(xiàn)設計需求的最主要方式之一，是設計人員根據(jù)科技發(fā)展水平、市場需求、企業(yè)的生產經營能力以及自身的實際經驗，預先對擬開發(fā)或生產的產品，特別是新開發(fā)的產品項目提出具體的任務、內容、原則和指標等任務性資料［4］。

設計需求是對客戶需求的直接或間接反映，設計任務書中的設計需求主要包括3 類:第1 類是常規(guī)需求，如某類產品中客戶的一些具體要求，主要分屬于同類產品實例的需求范疇;第2 類為專業(yè)需求，主要是和設計過程相聯(lián)系的、由客戶提供的關聯(lián)數(shù)據(jù)、整車參數(shù)、結構信息或使用環(huán)境條件等，此類需求對形成最終的產品是必不可少的;第3 類是客戶個性化需求轉化后的設計要求，即超出了常規(guī)需求的一些特殊要求，此類需求須經過預先處理，如轉化為符合輸入條件的設計要求。其中，常規(guī)和專業(yè)需求主要由客戶掌握和提供，由制造企業(yè)在設計中形成規(guī)范，第3 類需求由設計人員按照對應的要求或約束，并通過自身的經驗知識予以轉換。對于機械產品而言，典型設計需求的分類結構如圖1所示。

圖1 典型機械產品設計需求的分類

2 設計需求的知識模型

按照設計需求的劃分以及產品自組織配置設計的過程特點，采用四元組的結構形式來描述設計需求，即XRe= {CRE，RRE，COR，GRE}。

1)CRE 為設計需求的概念集，從語義上講，它表示全體概念對象的集合，對于機械產品而言，概念的表述必須規(guī)范，可參照相關設計手冊、標準或行規(guī)，盡量避免歧義。

2)RRE 表示設計需求概念之間的關系，即設計需求概念之間的邏輯或層次關系。參照本體建模原語，從語義上講，基本關系主要有4 種，如表1所示。

表1 設計需求概念之間的4 種基本關系

3)COR 表示設計需求概念自身的或概念之間的約束，根據(jù)典型機械類產品客戶需求的特點，可以將此類約束劃分為:

①單一變量取值約束，在設計需求中，變量取值類型主要有4 種，即數(shù)值型、邏輯型、順序型和程度型。單一變量的取值均構成了這一類約束。

②不同變量間的相互約束，如不同尺寸之間的約束關系L =4d－A，多個性能指標之間的比較關系K1+K2+K3≥K4，皆構成此類約束。

包含上述2 種約束的變量通常與其上一層概念之間存在“Attribute－of”關系。

③共存約束，2 個以上約束或概念對象要么同時存在要么同時不存在。

可以描述為:?c1，c2，…，cn(n ≥2)，IF ci∈V(n≥i ≥1)，THEN c1∧c2∧…∧cn∈V;ELSE IF ci?V(n≥i≥1)，THEN c1∨c2∨…∨cn?V。

④互斥約束，概念或約束與其他概念或約束不能同時存在。

可以描述為:?ai∈A，?bj∈B，IF ai∈V，THEN bj?V。

4)GRE 表示概念或約束的粒度(Granularity)等級。設計需求中相關概念或約束的粒度是指知識的精細或粗糙程度，主要通過其所描述對象的范圍予以度量［5］。通常，概念的這種范圍可以采用內涵加外延來表示。

內涵體現(xiàn)了概念中確定的層次信息，外延則反映了其中不確定的層次信息。外延越大，概念范疇就大，不確定性越大;內涵越大，概念則越明晰。對于同一對象，外延越大，描述該對象的知識粒度越大，內涵越大，表明描述該對象的知識粒度越小。

3 知識編碼方法

從上述表達模型可知，設計需求具有粒度特性和層次性，而樹狀編碼結構則可直觀反映這類特性，如圖2所示。碼段間連線表示表1中所描述的4 種基本關系，即除最高層碼段“A”外，其余碼段的含義都由其較高一層碼段給出，如“Aa”表示該概念是“A”的下一級概念，“Aab”則為概念“Aa”的下一級，如此類推。

圖2 設計需求的樹狀編碼結構

編碼由英文字母和數(shù)字組成，主要便于計算機識別和處理，數(shù)據(jù)編碼中推薦使用的字符為字母A 到Z，數(shù)字0 到9，以及連接符(－)［6］。

編碼主要針對設計需求中第1 類需求，用戶的個性化需求中一部分可以轉化為第1 類需求來進行編碼，其他不能轉化的則轉換成計算機易于識別的設計要求進行輸入。表2 是典型機械產品常規(guī)需求的概念類型碼示例，表中的概念是常規(guī)需求中處在最上一層、粒度相對最大的概念集，用大寫字母表示。

表2 典型機械產品常規(guī)需求的概念類型碼示例

最高層概念以下皆用小寫字母表示，以汽車鋼板彈簧為例，性能需求的下一層概念有使用壽命、質量、力學性能等，力學性能的下一層概念為設計應力、剛度、卷耳強度等，如表3所示。

表3 下層概念編碼示例

概念的約束類型共有7 種，分別以數(shù)字1～7 來表示，0 表示沒有約束，如表4所示。

表4 約束類型編碼

約束的取值須根據(jù)其數(shù)據(jù)類型來進行編碼，定義如下:

1)數(shù)值型編碼直接采用具體取值，開、閉區(qū)間分別以“l(fā)z”和“Lz”定義，如“(32，52)”、“(32，52］”、“≥32”“＜52”的編碼分別為“32lala52”、“32 laLa52”、“32 La”和“l(fā)a52”。

2)邏輯型取值，即“存在”，編碼以1 表示;“不存在”以0 表示。

3)順序型如果是日期型，直接用日期的阿拉伯數(shù)字表示，如“20110202”，非日期型則用二進制編碼表示，如“批量”有4 種取值:“單件”、“小”、“中”、“大”，分別用“11”、“10”、“01”和“00”表示。

4)程度型同樣按照二進制編碼表示，如5種程度:“很強”、“強”、“較強”、“一般”和“不強”，可分別用“000”、“001”、“010”、“011”和“100”來區(qū)分。

5)多個變量間的約束通常比較復雜，可以統(tǒng)一用“multi”表示，并從其他需求輸入中提取和存儲。

6)共存約束采用概念編碼疊加的方式表述，如共存的2 個概念所對應的編碼分別為“Xcb”和“Xab”，則其編碼疊加起來，即“XcbXab”。

7)互斥約束的編碼類似于共存約束的疊加編碼方式。

不同概念的取值用符號“”分隔，如“50 La45

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