吳 興，屠 立

（浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州310053）

0　引言

產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)重用的目的就是為了充分?jǐn)U展產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)的使用范圍，延長(zhǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)的使用壽命，是解決提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本的有效措施[1-3]。Brandt等針對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)的獲取、表達(dá)、組織、共享、檢索、運(yùn)用以及更新技術(shù)[4-6]，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的管理與重用，從而來提升產(chǎn)品的創(chuàng)新和快速設(shè)計(jì)能力。李治等[7]采用歸類產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)以實(shí)現(xiàn)其表示、獲取和重用。武守飛等[8]針對(duì)客戶的個(gè)性化與多樣化需求滿足問題，提出了“多視圖、多層次、多粒度”的重用方法。這些方法在一定程度上解決了功能信息的表達(dá)，但對(duì)幾何信息的描述相對(duì)較少，同時(shí)缺乏對(duì)產(chǎn)品功能、行為和結(jié)構(gòu)的形式化表示，因此難以支持對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品配置管理與設(shè)計(jì)所需的知識(shí)重用。

1　設(shè)計(jì)知識(shí)的映射模型

設(shè)計(jì)知識(shí)的映射是將功能需求、設(shè)計(jì)知識(shí)、零部件結(jié)構(gòu)通過映射模型實(shí)現(xiàn)相應(yīng)關(guān)聯(lián)，映射模型功構(gòu)分解的目的就是將已有設(shè)計(jì)知識(shí)按需求形成所匹配的結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

1.1　擴(kuò)展的產(chǎn)品設(shè)計(jì)映射圖

功能需求是對(duì)于設(shè)計(jì)目標(biāo)采用相關(guān)特征描述需求的最小集合，其設(shè)計(jì)結(jié)果的內(nèi)容為設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝變量，如圖1所示。

圖1　產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)映射圖

產(chǎn)品設(shè)計(jì)就是在功能、結(jié)構(gòu)域中進(jìn)行求解的映射過程。按各層次的設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過zigzag映射來實(shí)現(xiàn)從功能需求到設(shè)計(jì)參數(shù)的映射，如圖2所示。

圖2　Zig-Zag映射圖

1.2　可重用設(shè)計(jì)知識(shí)

可重用設(shè)計(jì)知識(shí)主要包括功能需求、設(shè)計(jì)參數(shù)、原理經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)約束[9]。

功能需求（Function Requirement）是指設(shè)計(jì)過程中應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能，按客戶需求形成相關(guān)設(shè)計(jì)約束[9]。

設(shè)計(jì)參數(shù)（Design Parameter）是對(duì)于FR可根據(jù)設(shè)計(jì)約束確定優(yōu)化的主要技術(shù)參數(shù)[9]。

原理經(jīng)驗(yàn)（Principle Experience）是為功構(gòu)映射無法滿足要求而需通過優(yōu)化進(jìn)行選擇的設(shè)計(jì)原理或設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)約束（design constraint）是指在設(shè)計(jì)過程中的相關(guān)限制條件。主要包括生產(chǎn)工藝限制和設(shè)計(jì)參數(shù)限制等。

1.3　可重用設(shè)計(jì)知識(shí)的映射模型[10]

可重用設(shè)計(jì)知識(shí)的映射模型構(gòu)建是通過產(chǎn)品功能尋找其行為來匹配產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)從功能到行為再到結(jié)構(gòu)的映射。

產(chǎn)品的功構(gòu)分解是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，需要在FBS之間進(jìn)行不斷疊代來獲得產(chǎn)品可重用設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

功能與結(jié)構(gòu)間的關(guān)系通過行為相關(guān)聯(lián)，其映射是一個(gè)多對(duì)多的關(guān)系，即一個(gè)功能對(duì)應(yīng)于多個(gè)結(jié)構(gòu)，同一結(jié)構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能。所構(gòu)建的FBS映射模型如圖3所示。

圖3　功能-行為-結(jié)構(gòu)映射模型

2　設(shè)計(jì)知識(shí)的可重用過程

2.1　設(shè)計(jì)知識(shí)的形式化表示方法

產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)映射模型可通過形式化語言方式進(jìn)行描述[11]。具體的EXPRESS_G表示如下：

ENTITY requirement_model/*需求模型*/

id：identifier；

name：label；

description：text；

category ：requirement_related_requirement_category；

UNIQUE

UR1：unique_requirement_id：id；

END_ENTITY；

ENTITY function_model/*功能模型*/

id：identifier；

name：label；

description：text；

category：function_related_function_category；

input：SET[0：]OF function-flow

ouput：SET{0：}OF function-flow

1.4　映射模型的功構(gòu)分解流程

映射模型的功構(gòu)分解流程中，首先根據(jù)產(chǎn)品功能得到符合設(shè)計(jì)要求的相應(yīng)結(jié)構(gòu)，如無相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，則按FBS映射模型逐級(jí)分解，使得所有的子功能都有對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)[10]。其具體流程圖如圖4所示。

圖4　功構(gòu)分解流程圖

UNIQUE

UR1：unique_function_model_id：id；

END_ENTITY；

ENTITY struct/*產(chǎn)品模型*/

id：identifier；

name：label；

description：text；

category：struct_related_product_category；

UNIQUE

UR1：unique_struct_id：id；

END_ENTITY；

2.2　重用過程

設(shè)計(jì)過程首先要分析產(chǎn)品需求，然后通過建立FBS映射模型，來進(jìn)行設(shè)計(jì)知識(shí)重用，如圖5所示。重用過程包括以下步驟[11]：

（1）分析產(chǎn)品的客戶需求，將其分解為功能、行為和結(jié)構(gòu)需求等；

（2）根據(jù)分解得到的功能、行為和結(jié)構(gòu)需求，在知識(shí)庫中檢索得到所需的設(shè)計(jì)知識(shí)；

（3）如果沒有所匹配的設(shè)計(jì)知識(shí)，則進(jìn)一步分解設(shè)計(jì)需求后繼續(xù)再知識(shí)庫中進(jìn)行相應(yīng)檢索；

（4）如果還沒有檢索到相匹配的設(shè)計(jì)知識(shí)，則再進(jìn)行FBS功構(gòu)分解，直到檢索出相匹配的設(shè)計(jì)知識(shí)；

（5）在以上從（1）到（4）的順序分解過程中如果無法得出滿足需求的設(shè)計(jì)知識(shí)，則按照從（4）至（1）的逆序進(jìn)行分解和檢索；

（6）檢索得到設(shè)計(jì)知識(shí)后，則根據(jù)產(chǎn)品要求形成最終的產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙等資料。

圖5　產(chǎn)品設(shè)計(jì)重用

3　應(yīng)用實(shí)例

電子提花機(jī)具有結(jié)構(gòu)先進(jìn)、運(yùn)行可靠、適用性廣、靈活快捷、低耗高效、操作簡(jiǎn)單、管理方便等特性[12]。

3.1　電子提花機(jī)配置設(shè)計(jì)的功構(gòu)分解和FBS模型

電子提花機(jī)零部件配置設(shè)計(jì)的主要功能需求有：動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇、不同提針的選擇和潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的選擇。

針對(duì)電子提花機(jī)零部件與已有設(shè)計(jì)知識(shí)的特點(diǎn)，建立功能域、行為域和結(jié)構(gòu)域間的映射關(guān)系。通過F-S實(shí)現(xiàn)功能-行為-結(jié)構(gòu)三者間映射，得到相關(guān)具體的裝置。裝置子功能直接可以通過F-S映射而直接實(shí)現(xiàn)映射求解，最終完成整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)的表達(dá)過程，如圖6所示[13]。

圖6　電子提花機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)重用映射模型

3.2　電子提花機(jī)的配置管理系統(tǒng)實(shí)例

電子提花機(jī)的配置管理系統(tǒng)是將功能需求、設(shè)計(jì)知識(shí)、零部件結(jié)構(gòu)通過映射模型實(shí)現(xiàn)相應(yīng)關(guān)聯(lián)，映射模型功構(gòu)分解的目的就是將已有設(shè)計(jì)知識(shí)按需求形成所匹配的結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。當(dāng)新產(chǎn)品訂單進(jìn)入系統(tǒng)后，按需求功能從已有的行為（設(shè)計(jì)知識(shí)）去尋找出對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)形成符合客戶要求的產(chǎn)品BOM表，從而完成配置。

電子提花機(jī)配置管理過程中分解了相應(yīng)零部件功能并形成相應(yīng)實(shí)例庫。軟件系統(tǒng)的功構(gòu)分解過程實(shí)現(xiàn)如圖7所示。電子提花機(jī)零部件的配置實(shí)例如圖8所示。

圖7　零部件分解結(jié)構(gòu)實(shí)例

圖8　零部件配置實(shí)例

4　結(jié)束語

將功能—行為—結(jié)構(gòu)作為一個(gè)抽象整體來處理，并形成相應(yīng)的可重用映射模型，基于映射和逐級(jí)分解得到的設(shè)計(jì)知識(shí)適合于復(fù)雜產(chǎn)品的重用設(shè)計(jì)。

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