工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品需求處理的知識模型研究

( 薹蘭皇莖壟_ 曩重冒冒墨口l 墨圓圈圈_ 墨匿衄 工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品需求處理的知識模型研究 酒嫠j 雙工業(yè)設(shè)計出發(fā)，將本體論與產(chǎn)品需求處理結(jié)合起來，研究工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品需求處理的知識建模方法，以數(shù)字電視一體攝底 計為例，對需求設(shè)計知識模型進行了驗證，支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計。 關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計；需求產(chǎn)品；功能分析；知識建模 中圖分類號：r H l 2 2文獻標識碼：A 文章編號：1 0 0 9 9 4 9 2 ( 2 0 0 9 ) 1 2 - 0 0 7 0 0 4 1 引言 隨著商品經(jīng)濟的發(fā)展逐漸形成了以顧客為主體的買 方市場并且市場也從過去的標準化和大批量需求朝著未 來的多元化和個性化的小批量需求方向發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)設(shè) 計可以理解為以市場為驅(qū)動、以創(chuàng)新為核心的設(shè)計，產(chǎn)品 多樣化、個性化和追求時尚已經(jīng)成為市場需求的主流，關(guān) 注客戶需求使工業(yè)設(shè)計的視角更加客觀。使設(shè)計更有商業(yè) 價值。 在把目標市場的用戶需求映射到使用需求詳細說明書 描述的需求產(chǎn)品的需求設(shè)計過程中，工業(yè)設(shè)計師初期面對 的是用戶提出的定性化的需求。并且往往是可以變化的。 如何通過功能分析的方法把這些定性的需求映射為需求詳 細說明書中定量化的需求。是需求處理系統(tǒng)的主要目標之 一。同時。由于需求產(chǎn)品設(shè)計是涉及不同視圖需求的過 程，在它們之間，對需求的理解是不同的：企業(yè)需求是產(chǎn) 品設(shè)計的總綱。指導著產(chǎn)品設(shè)計的方向；用戶需求是要求 滿足的目標：技術(shù)需求是上述兩方面需求的技術(shù)保證。因 此。如何實現(xiàn)設(shè)計信息和設(shè)計知識在這些需求視圖中的重 用和共享，成為提高設(shè)計質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。 本體論是對客觀存在的概念及其關(guān)系的一種規(guī)范說明。 被廣泛用于知識的表達、共享和重用。包括研究領(lǐng)域內(nèi)存 在的對象、對象的概念、對象屬性和其他實體以及它們 之間相互關(guān)系的邏輯描述，提供了領(lǐng)域內(nèi)知識表示和交流 的集合，以及集合中各個對象的關(guān)系。在產(chǎn)品設(shè)計方面， 本體論目前主要集中在產(chǎn)品建模和知識建模等方面 1 。 2 基于E B L 的設(shè)計域知識理論 在很大程度上，新產(chǎn)品的設(shè)計建立在現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計知 收稿日期：2 0 0 9 1 1 - 1 2 識的基礎(chǔ)之上。對現(xiàn)有設(shè)計對象進行一般性和系統(tǒng)化的功 能分析不僅有益于改進這些設(shè)計對象而且有益于對設(shè)計 對象進行創(chuàng)新設(shè)計。價值工程學( V a l u eE n g i n e e r i n g ) 瞠】 提供了一個方法。用于系統(tǒng)化地分析這些對產(chǎn)品的改進和 創(chuàng)新設(shè)計。對現(xiàn)有產(chǎn)品的功能分析主要集中在對設(shè)計對象 進行功能綜合，以產(chǎn)生相關(guān)的描述產(chǎn)品功能的功能圖。然 后，通過這個功能圖就可以不受現(xiàn)有零部件的限制，推導 出改進后的或者創(chuàng)新的產(chǎn)品。傳統(tǒng)的功能圖具有下面的問 題： ( 1 ) 僅應用于特定的分析對象；( 2 ) 功能圖的抽取 依賴于特定分析方法和抽取功能的特定設(shè)計人員。為了解 決上面問題。必須引進計算機支持的系統(tǒng)化的功能分析方 法。用于推導出“標準化的”和“一般性的”功能圖。 另外。為了對設(shè)計對象進行“深層次”的理解。必須 解釋為什么在眾多的選擇中采用這些功能和結(jié)構(gòu)。為此， 可以使用基于公理化設(shè)計理論的深度分析方法 3 。這里采 用E B L ( E x p l a n a t i o n B a s e dL e a r n i n g ) 系統(tǒng)在設(shè)計過程 中抽取各種設(shè)計知識。來形成設(shè)計對象的“標準化的”和 “一般性的”功能圖。 2 1 設(shè)計對象的多層次功能圖 根據(jù)價值工程學理論設(shè)計的過程可以被解釋為一個 連續(xù)地選擇設(shè)計功能單元以達到設(shè)計目標的過程這些過 程要符合設(shè)計目標( 主功能) ，得到產(chǎn)品在該設(shè)計階段的 子功能和子結(jié)構(gòu)( 例如，主要部件、材料等) 。而設(shè)計的 目的是為了獲得較好的結(jié)構(gòu)單元或者完全創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)來改 善設(shè)計對象。由于設(shè)計過程主要集中在對設(shè)計對象的功能 組合過程，因此。對新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的選擇和改變并不受現(xiàn)有 結(jié)構(gòu)組合或者設(shè)計對象的約束。 圖1 數(shù)字電視一體機多層次功能圖 知識、結(jié)構(gòu)屬性知識和如圖4 所示的5 個知識空間。這些 ( 9 1 ) 產(chǎn)品設(shè)計知識可以使用需求本體論來統(tǒng)一表達，以保證知 ( F 2 ) 識的共享和重用。各設(shè)計空間的內(nèi)容詳細介紹如下。 ( F 3 ) ( F 4 ) ( F 5 ) ( F 6 ) 圖1 以數(shù)字電視一體機為例，說明了層次功能圖的繪 制實現(xiàn)這些功能的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 圖3 設(shè)計知識的多層次結(jié)構(gòu) 0 6 j l ：外形o b j 2 ：辦公軟件o b j 3 ：撥號網(wǎng)絡(luò)o b j 4 ：瀏覽器 o b j 5 ：空間遙控接口o b j 6 ：資源管理器o b j 7 ：公文o b j 8 ：視 頻軟件o b j 9 ：移動軟件o b j l O ：C P Uo b j l l ：內(nèi)存。 圖2數(shù)字電視一體機的結(jié)構(gòu) 2 2 設(shè)計知識的多層結(jié)構(gòu) 在多層次功能圖中，進行產(chǎn)品的功能組合和結(jié)構(gòu)選擇 需要滿足的合理性條件如下。 ( 1 ) 技術(shù)合理性：說明了設(shè)計功能組合的選擇合理 性。 ( 2 ) 因果合理性：為了獲得某種子功能，所設(shè)計的結(jié) 構(gòu)組合的合理性。 為了解釋在產(chǎn)品功能組合和結(jié)構(gòu)選擇過程中的上述設(shè) 計對象的兩種合理性，需要具有下面的設(shè)計知識。 ( 1 ) 規(guī)劃知識：用于通過結(jié)合子目標( 子功能) 來得 到一個目標( 主功能) 。規(guī)劃知識將一定的主功能集( 目 標空間) 和一定的功能集( 功能空間) 聯(lián)系起來。 ( 2 ) 物理法則知識：是關(guān)于因果法則的知識，用于解 釋滿足子功能的子結(jié)構(gòu)充分性。物理法則知識將功能空間 和一定的結(jié)構(gòu)屬性集( 結(jié)構(gòu)屬性空間) 聯(lián)系起來。 圖3 顯示了上述的設(shè)計知識的多層次結(jié)構(gòu)。 為了能夠推導出如圖l 所示的功能圖，E B L 系統(tǒng)應該 包含下面的特定域知識( 域理論) ：規(guī)劃知識、物理法則 圖4設(shè)計空間 ( 1 ) 目標空間( G ) 。目標空間涉及的是設(shè)計目標的主 功能信息。例如，數(shù)字電視一體機的主要功能之一是“數(shù) 字家庭互動應用”，但是還具有其它功能，例如： “聽 M P 3 ”、“看D V D ”等。因此， “數(shù)字家庭互動應用”應 該出現(xiàn)在目標空間G 中。 ( 2 ) 物理法則知識空間( L ) 。在基于公理化設(shè)計理論 的產(chǎn)品設(shè)計過程中，物理域包含了滿足F R s 的特定設(shè)計參 數(shù)D P s 。估計設(shè)計參數(shù)的過程通常由物理法則構(gòu)成的因果 鏈組成它們顯示了構(gòu)成上述目標空間的因果過程。 ( 3 ) 功能空間( F ) 。功能空間是由設(shè)計對象的功能組 成這些功能通過一系列子功能、物理法則或者它們二者 的結(jié)合來得到。表達功能使用了需求本體論的語言，以保 證公式化表達各種功能。 ( 4 ) 規(guī)劃知識空間( P ) 。在該空間中，評估物理域中 的設(shè)計參數(shù)的一個典型規(guī)劃是檢測它，然后將其轉(zhuǎn)變?yōu)樘?定類型量值例如評估電壓、電流等設(shè)計參數(shù)；另外一個 典型的規(guī)劃是和標準物理量進行比較、平衡，然后把它們 的不同之處轉(zhuǎn)換為特定類型的量。 ( 5 ) 結(jié)構(gòu)屬性空間( S ) 。該空間包括產(chǎn)品設(shè)計階段所 有必要的知識和一般性的法則。屬性值的繼承是通過本體 論語言中的“i s a ”或者“p a r t o f ”關(guān)系實現(xiàn)的。 ( 妄蘭皇墅壟_ 重重量冒冒墨_ 墨圜_ _ l 圈圈田 其中，建立上述的設(shè)計領(lǐng)域的多層次結(jié)構(gòu)，使得為每 個獨立的知識空間設(shè)置特定域知識成為可能，便于產(chǎn)品設(shè) 計知識的抽取和存儲。 3 獲取產(chǎn)品設(shè)計知識 在產(chǎn)品設(shè)計過程中。知識獲取工作的內(nèi)容主要包括下 面兩個方面：設(shè)計領(lǐng)域知識的獲取、設(shè)計求解模型的建立。 3 1 領(lǐng)域知識的獲取 領(lǐng)域知識的有效獲取一直是智能系統(tǒng)成功與否的關(guān) 鍵問題。雖然人工智能研究者在這方面做了大量的研究， 并研制了一些知識獲取工具，但目前通常采用的仍然是 知識工程師與領(lǐng)域?qū)＜抑苯訉υ挼姆绞?。知識獲取的知 識源大致可分為三類：專家的知識和經(jīng)驗、書本和資料、 設(shè)計實例。 ( 1 ) 書本和資料上的知識實際上是已經(jīng)經(jīng)過整理的較 為規(guī)范的一般求解知識，知識工程師所做的工作應是盡量 將它們收集起來，進行歸納和綜合，形成較為完整的體系。 ( 2 ) 專家的知識和經(jīng)驗作為他們在大量設(shè)計實踐中所 掌握的規(guī)律的總結(jié)。從某種意義上講比書本知識對目標設(shè) 計系統(tǒng)的知識庫建造的作用更大因為它們大多經(jīng)過實踐 的檢驗，并考慮到了實際的環(huán)境因素，從而具有很強的針 對性。但同時也可能在知識的體系上存在不完整的現(xiàn)象或 者由于針對性強而缺乏一定的普遍性，不過這并不妨礙知 識工程師的工作。知識獲取階段的主要任務就是將這些零 星的知識盡可能地挖掘出來。 ( 3 ) 設(shè)計實例也是一種重要的知識來源，它是過去一 定條件下滿足特定要求的設(shè)計結(jié)果。在設(shè)計實例的形成 過程中。包含了設(shè)計者解決特定問題的知識推理、決策和 判斷，這對于知識工程師對設(shè)計問題的理解有著重要的意 義。因此，通過對設(shè)計實例的剖析，知識工程師可以同領(lǐng) 域?qū)＜乙坏肋M行知識的歸納和總結(jié)。 在獲取設(shè)計領(lǐng)域知識的過程中?？梢愿鶕?jù)E B L 系統(tǒng)的 設(shè)計域理論，利用設(shè)計知識的多層結(jié)構(gòu)，把圖1 和圖2 結(jié) 合起來。生成一般性的多層次功能圖，如圖5 所示，然后 分別獲得不同知識空間中的知識。 3 2 設(shè)計求解模型的建立 設(shè)計是從功能空間到屬性空間的映射，設(shè)計過程可以 看成是從初始狀態(tài)經(jīng)過多個中間狀態(tài)。最后達到目標狀態(tài) 的轉(zhuǎn)換過程。圖6 為設(shè)計過程描述圖，設(shè)計求解模型就是 要描述這一轉(zhuǎn)換過程的機理。 S = S i l i = 0 ，l ，2 ，n ，表示設(shè)計的不同狀態(tài)； O P = f O P i l i = O ，1 ，2 ，n ，表示狀態(tài)間的變換操作 在得到設(shè)計任務的層次規(guī)劃之后就可以在此基礎(chǔ)上 進行設(shè)計求解過程的建模。 4 知識模型的建立 在知識模型建立階段。需要完成的任務是將知識獲取 階段得到的各種知識和設(shè)計求解模型轉(zhuǎn)化為知識語言的描 述。即建立知識庫以及相關(guān)設(shè)計推理策略。 這里使用需求本體論作為產(chǎn)品設(shè)計知識的描述，在 G P F L S 數(shù)字家膨互動威J ! I j 或范圍或范腑成范田斌范圈或范圈或范圍或范暖或范匿或范暖_ 啞范圍 r _ 叫I ( 1 e v e l3 ) O b j l 0O b j lo b j lO b j 9O b j 6 O b j 7O b j 3。q 2o b j 5o b j l l 一鬯。廠= 圖5多層次功能圖 圖6設(shè)計過程描述 I D E F 5 中提供了一套知識表示的語言規(guī)范。這一規(guī)范是需 求專家系統(tǒng)進行知識推理的基礎(chǔ)，同時，需求本體論還提 供了知識庫建立的基本方法。下面以掌上電腦的部分設(shè)計 知識為例，繪制出用I D E F 5 圖表語言描述的產(chǎn)品設(shè)計知 識。如圖7 所示。 是變形 D V D 播 放設(shè)備 是的選項 音頻播 放設(shè)備 是變形 ，一、 M P 3 播、 放設(shè)備 圖7 數(shù)字電視一體機部分設(shè)計知識的本體論圖表表示 盡管使用上面的圖表可以可視化地分析相對簡單的本 體論知識，但是由于其表達能力有限，因此不利于本體論 知識的結(jié)構(gòu)化表達和計算機專家系統(tǒng)的實現(xiàn)。知識工程師 和領(lǐng)域?qū)＜铱梢允褂肐 D E F 5 圖表語言來獲取一個初始的本 體論，對其進行分析。然后將其記錄到細化描述語言中 去。以實現(xiàn)對這些本體論知識的結(jié)構(gòu)化表達。 5 結(jié)束語 需求產(chǎn)品設(shè)計是涉及不同視圖需求的過程，為了統(tǒng)一 它們對需求的認識，方便產(chǎn)品設(shè)計知識的獲取、共享和重 用，本文基于需求本體論，根據(jù)價值工程學理論，采用 E B L 系統(tǒng)建立多層次功能圖，用于獲取設(shè)計知識，并以此 建立了知識模型。最后以數(shù)字電視一體機設(shè)計為例，對知 識模型進行了驗證。 參考文獻： 1 羅仕鑒，朱上上工業(yè)設(shè)計中基于本體的產(chǎn)品族設(shè)計D N A 一 J 計算機集成制造系統(tǒng)，2 0 0 9 ，1 5 ( 2 ) ：2 2 6 2 3 3 2 M i l e s ，L D T e c h n i q u e s o fV a l u e A n a l y s i sE n g i n e e r i n g M N e wY o r k ：M c G r a w H i l l ，1 9 7 2 3 鄧家提產(chǎn)品設(shè)計的基本理論和技術(shù) J 中國機械工程， 2 0 0 0 ( 1 1 ) ：1 3 9 - 1 4 3 4 H K a w a k a m i ，0 K a t a i ，e ta 1 K n o w l e d g ea c q u i s i t i o nm e t h o d f o r c o n c e p t u a l d e s i g n b a s e do nv a l u e e n g i n e e r i n ga n d a x i o m a t i c d e s i g nt h e o r y J A r t i f i c i a lI n t e l l i g e n c ei nE n s i - n e e r i n g ，1 9 9 6 ，1 0 ( 1 ) ：1 8 7 - 2 0 2 作者簡介：冼燃，男，1 9 6 8 年生，廣東南海人，碩士，高級工 業(yè)設(shè)計師。研究領(lǐng)域：工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域，已發(fā)表論文4 篇。 ( 編輯：梁玉) 卜n 卜一一一+ 一+ 一+ - + 一+ “+ “+ - + “+ - 0 一一+ - 4 - - + 一+ - 4 - - - + 一+ 一+ 一+ - + - + - + - + 一+ + 一+ 一一+ 一一+ 一- - 4 - - ( 上接第1 4 頁) 泵組的作用下，第二級色譜的流動相會將富集環(huán)內(nèi)的目標 組分送入第二級色譜柱。 ( b ) 圖3在線方式閥門位置圖 W A S T E S A M P L E 2 離線工作方式。即將第一級色譜柱分離后的餾分依次 收集