《支持創(chuàng)新的概念設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)》課題申報(bào)表

1、課題申報(bào)表課題名稱支持創(chuàng)新的概念設(shè)計(jì)cad系統(tǒng)研究與開發(fā)學(xué)科分類負(fù)*申報(bào)部門信息學(xué)院填表日期*科研處印制一、課題申請(qǐng)者基本情況課題名稱支持創(chuàng)新的概念設(shè)計(jì)cad系統(tǒng)研究與開發(fā)主題詞cad、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)、知識(shí)表達(dá)與推理、特征建模、特征映射學(xué)科分類計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人姓名*性別男民族漢出生日期*學(xué)歷或?qū)W位博士專業(yè)職務(wù)講師研究專長(zhǎng)cad、設(shè)計(jì)方法學(xué)聯(lián)系電話辦公室：宅：手機(jī)：桂*主要參加者姓名性 別出生 年月專業(yè)職務(wù)研究專長(zhǎng)學(xué)歷 或?qū)W位所在部門*男*付教授知識(shí)管理博士后信息學(xué)院預(yù)期成果c i二a專著b譯著c論文d研究報(bào)告e.工具書f.電腦軟件字?jǐn)?shù)5丁尋申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)（單位：萬(wàn)元）0. 3預(yù)計(jì)完成時(shí)間三.

2、課題設(shè)計(jì)論證1. 本課題前期研究成果，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀述評(píng)、基本內(nèi)容、理論與實(shí)際意義和預(yù)期 成果（可加頁(yè)）。1本課題的研究意義:隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，市場(chǎng)竟?fàn)幦找婕ち遥a(chǎn)品創(chuàng)新能力已經(jīng)成為決定企業(yè)生 存和發(fā)展的重要因素。概念設(shè)計(jì)處于設(shè)計(jì)進(jìn)程的初期，是確定產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)、原理方 案的階段，也是設(shè)計(jì)進(jìn)程中最富創(chuàng)新性的階段。資料表明雖然概念設(shè)計(jì)階段實(shí)際投入 的費(fèi)用只占產(chǎn)品開發(fā)總成本的5%,卻決定了產(chǎn)品總成本的70%叫 因此，概念設(shè)計(jì)理 論、方法和技術(shù)的研究己經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注，并成為近年來(lái)學(xué)術(shù)研究的 熱點(diǎn)。目前，cad技術(shù)已成熟應(yīng)用于詳細(xì)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)階段，涌現(xiàn)出了如proe> ug、

3、i-deas等眾多優(yōu)秀的簡(jiǎn)品化cad軟件，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了設(shè)計(jì)周期，取得了 良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。但現(xiàn)有的cad技術(shù)還存在諸多問(wèn)題：現(xiàn)有的cad技術(shù)主要 依靠建立定量的設(shè)計(jì)對(duì)彖數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行數(shù)值分析和處理，但在概念設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品信 息殘缺不全，不可能也沒必要建立精確的產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)有的cad技術(shù)是以兒 何模型為中心的，強(qiáng)調(diào)對(duì)單個(gè)零部件的描述，缺乏對(duì)產(chǎn)品功能和整體關(guān)系的有力表示。 同時(shí)，過(guò)早進(jìn)行零件的描述容易造成零件之間關(guān)系的不一致性、過(guò)分約束和零件冗余。 概念設(shè)計(jì)是以符號(hào)推理為主的過(guò)程，依靠建立設(shè)計(jì)對(duì)象的知識(shí)模型并進(jìn)行處理，但 現(xiàn)有的cad和人工智能技術(shù)對(duì)知識(shí)的獲取、組織、表達(dá)和推理方面的

4、支持明顯不足, 無(wú)法進(jìn)行深層次的抽象知識(shí)推理。到目前為止，概念設(shè)計(jì)cad技術(shù)尚處于研究開發(fā) 階段，還沒有成熟的工具軟件可供使用。因此，概念設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)成為cad 領(lǐng)域內(nèi)面臨的重大課題和挑戰(zhàn)，是cad技術(shù)深化的一個(gè)主要研究方向。本課題研究就是在這種背景下提出的，旨在通過(guò)対概念設(shè)計(jì)的基本理論、建模技 術(shù)、知識(shí)表達(dá)方法和自動(dòng)化求解策略等方面展開研允，初步解決計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì) 自動(dòng)化求解問(wèn)題。2. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析（1）創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀產(chǎn)品方案創(chuàng)新包括功能創(chuàng)新、原理創(chuàng)新、布局創(chuàng)新、外觀形態(tài)創(chuàng)新，其中功能創(chuàng) 新是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中最初的也是最重要的一步，它需要找出可以實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品功能的各 種可能方

5、案并進(jìn)行優(yōu)選，其關(guān)鍵是如何進(jìn)行產(chǎn)品的功能分解，并以一定功能的零部件 組合來(lái)創(chuàng)新產(chǎn)品。rodenacker koller> paulbeitz等學(xué)者把功能抽象為物料流、能量流和信息流 三個(gè)基本要素，并通過(guò)三個(gè)要素之間的若干種物理作用的輸入輸出關(guān)系表達(dá)功能卩1。 該方法的優(yōu)點(diǎn)是：具有一般性，適用范圍廣，能反映功能的本質(zhì)特征。不足之處在于 該方法與人們?nèi)粘Ｉ钪袑?duì)功能的描述可能會(huì)存在一定差距。bytheway> ruggles和miles等學(xué)者認(rèn)為功能是指研究對(duì)象能夠滿足用戶某種需求 的一種屬性，即提供使用者從該功能的物質(zhì)承擔(dān)者所可能獲得的特定效能或作用宀鐵 該方法過(guò)于簡(jiǎn)單，不能描述出功

6、能的本質(zhì)，很難在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行表達(dá)和推理，不利于 后續(xù)的計(jì)算機(jī)輔助功能分解的實(shí)現(xiàn)。freeman和newell認(rèn)為，設(shè)計(jì)師可以先根據(jù)對(duì)所需li的功能的描述，檢索出能提 供該冃的功能的原理解。這些被選中的對(duì)行的原理解為了能正常地提供所需的功能， 還需要添加一些其它的前置功能，因而又產(chǎn)生了一個(gè)新的功能求解問(wèn)題。依此類推, 直至所有的前置功能都獲得滿足，功能推理過(guò)程才結(jié)束。該方法將原理解與其上層（提供)功能和下層功能關(guān)聯(lián)起來(lái)，可以清晰地反映出功能之間的依存關(guān)系。不足之處在于 沒有明確表達(dá)出功能和原理解之間的因果關(guān)系，使得兩者之間呈現(xiàn)出“跳躍狀態(tài)”， 不利于進(jìn)行多層次創(chuàng)新。(2) 知識(shí)推理技術(shù)的研究現(xiàn)狀

7、在概念設(shè)計(jì)階段，所謂推理技術(shù)是依據(jù)相關(guān)知識(shí)，根據(jù)一個(gè)或一些前提、判斷， 按一定的推理策略得出另一個(gè)或一些判斷，并最終求得結(jié)果(即方案)的思維過(guò)程，也 即是對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)彖進(jìn)行計(jì)算機(jī)操作。目前，常用于概念設(shè)計(jì)階段的推理技術(shù)主要有：基 于規(guī)則的推理、基于實(shí)例的推理、基于原型的推理、定性推理等?；谝?guī)則的推理(rbr)機(jī)制接近于人的思維方法，各條規(guī)則之間相互獨(dú)立，具有 很強(qiáng)的模塊特性，易于實(shí)現(xiàn)解釋功能。thurston d l在設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)中充分考察用戶的需 求，并將規(guī)則推理和多屬性證據(jù)分析結(jié)合起來(lái)。quah tong-seng則將基于規(guī)則推理 的專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成起來(lái)。基于規(guī)則的推理方法不足z處在于

8、：當(dāng)規(guī)則 集的規(guī)則數(shù)量增多吋，根據(jù)上下文兀配并檢索出可用規(guī)則的代價(jià)昂貴，其推理效率過(guò) 于低下。規(guī)則之間不能直接傳遞信息而只能依靠上下文規(guī)則，導(dǎo)致信息傳遞困難?；趯?shí)例的推理(cbr)是一種類比推理方法，其核心在于用過(guò)去的實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)來(lái) 解決當(dāng)前的問(wèn)題?；趯?shí)例的推理是近年來(lái)icad中非常熱門的研究方向，被廣泛應(yīng) 用于概念設(shè)計(jì)領(lǐng)域o ashok k.goel等人開發(fā)的kritik是一個(gè)將cbr技術(shù)同基于模型 的推理(model-based reasoning)相結(jié)合的一個(gè)系統(tǒng)，主要用于小型機(jī)械及電子設(shè)備 的設(shè)計(jì)。它主要利用“結(jié)構(gòu)行為功能”模型來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)實(shí)例。假設(shè)給定一個(gè)新設(shè)計(jì) 任務(wù)的功能要求，通過(guò)

9、功能匹配就可以檢索出以前相關(guān)的設(shè)計(jì)實(shí)例。檢索出的實(shí)例通 過(guò)適當(dāng)調(diào)整以適應(yīng)新的設(shè)計(jì)問(wèn)題。如果滿足一定功能要求，則還需對(duì)修改后的實(shí)例進(jìn) 行評(píng)價(jià)叨。john s.gero提出了設(shè)計(jì)原型表達(dá)的基本結(jié)構(gòu)，即功能特征、結(jié)構(gòu)特征、期望的行 為、與其他原型之間關(guān)系、知識(shí)(為求収結(jié)構(gòu)中變量的值)叭潘云鶴等研究了基于原 型的知識(shí)表示和推理方法，并將其應(yīng)用于廣告的方案設(shè)計(jì)和椅子的方案設(shè)計(jì)中，u-l21o譚 同德等將概念設(shè)計(jì)原型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原型的信息進(jìn)行分類，利用概念設(shè)計(jì)原型與結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)原型信息z間的分類匹配關(guān)系進(jìn)行原型的匹配推理，實(shí)現(xiàn)原型的選擇與提取，完成 從概念設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的映射i。孫正興采用原型特征定義方案設(shè)計(jì)

10、的功能需求、概 略幾何實(shí)現(xiàn)方式等產(chǎn)品方案屬性及其相互關(guān)系。(3) 人工智能(ai)的發(fā)展與應(yīng)用&)年代末9()年代初以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、遺傳算法為代表的新一代智能 技術(shù)在國(guó)際學(xué)術(shù)界受到極大關(guān)注，并且這三種技術(shù)互相滲透，取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成一門稱 為“計(jì)算智能”的技術(shù)。汁算智能從另一角度來(lái)研究人類的智能活動(dòng)，從訃算機(jī)處理 信息的方式上分析，計(jì)算智能符合事物螺旋式發(fā)展的客觀規(guī)律。隨著計(jì)算智能方法的 發(fā)展，這種新技術(shù)被逐漸引入概念設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為該領(lǐng)域的發(fā)展注入新的活力。kumara采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)人類聯(lián)想記憶進(jìn)行建模，基于部分或全部功能要求推理生 成創(chuàng)新方案卩譏grieson提出了結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和

11、遺傳算法的方法，通過(guò)演變和人工學(xué) 習(xí)解決了橋梁結(jié)構(gòu)最優(yōu)方案選擇問(wèn)題。陸金掛等結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展了機(jī)械 設(shè)計(jì)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)型知識(shí)表達(dá)方法的研究，提出了一種甚于多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)表達(dá)方 法，該方法適合于數(shù)值型經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的表達(dá)，并對(duì)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的bp算法進(jìn)行了 改進(jìn)"j郝|専等提出了一種基于遺傳算法的計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型，以多 級(jí)圓柱齒輪減速器為例，將方案設(shè)計(jì)過(guò)程看作一個(gè)狀態(tài)空間問(wèn)題求解，采用而向?qū)﹀?的知識(shí)表示方法建立多層次網(wǎng)絡(luò)知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，然后用遺傳算法控制搜索過(guò)程進(jìn)行方案 優(yōu)化“叫錢志勤針對(duì)復(fù)雜布局方案設(shè)計(jì)問(wèn)題給出了人機(jī)結(jié)合的演化算法及其協(xié)同設(shè)計(jì) 方法，將該演化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用

12、于布局方案設(shè)計(jì)，解決衛(wèi)星艙的布局方案設(shè)計(jì)問(wèn)題i。 馮培恩通過(guò)對(duì)生物基因工程與產(chǎn)品原理方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)類比，提出了 “產(chǎn)品基因”的“轉(zhuǎn)錄”、“翻譯”、“復(fù)制”以及“逆轉(zhuǎn)錄”機(jī)理，揭示了產(chǎn)品基因在功能設(shè)計(jì)與原理 方案設(shè)計(jì)之間的橋梁作用，建立了基于產(chǎn)品基因遺傳和重組的概念設(shè)計(jì)框架，并以一 種新型硬幣分離裝置的原理方案設(shè)計(jì)為例進(jìn)行驗(yàn)證|2°1。3. 主耍研究?jī)?nèi)容綜上所述，概念設(shè)計(jì)cad領(lǐng)域存在的問(wèn)題可歸結(jié)為兩個(gè)方面，即設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí) 的相對(duì)匱乏和設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的不夠完善，前者導(dǎo)致設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)構(gòu)造上的困難，后者 則主要導(dǎo)致知識(shí)利用上的困難。本課題以知識(shí)的獲取、表達(dá)和利用為主線，以計(jì)算機(jī) 輔助概念設(shè)計(jì)

13、自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)為最終目標(biāo)，對(duì)概念設(shè)計(jì)的基本理論、建模技術(shù)和自動(dòng)化求 解策略等方面展開研究，揭示設(shè)計(jì)作為一種基于知識(shí)的活動(dòng)的本質(zhì)。本課題的主要研究?jī)?nèi)容如下：(1) 設(shè)計(jì)n錄既是進(jìn)行手工原理方案求解的知識(shí)庫(kù)，也是構(gòu)建而向計(jì)算機(jī)求解的 知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)，其開發(fā)過(guò)程是一個(gè)繁雜的系統(tǒng)工程。本課題將從原理方案知識(shí)的收集 和整理入手，最終整理成一個(gè)比較完整的計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)。(2) 在分析單一功能與復(fù)合功能各自求解進(jìn)程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)面向復(fù)合 功能產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)循環(huán)映射模型，該模型通過(guò)構(gòu)造合理的映射層次和豐富的映射關(guān) 系，能充分支持概念設(shè)計(jì)過(guò)程屮的多層次創(chuàng)新活動(dòng)，可以適應(yīng)復(fù)雜的概念設(shè)計(jì)求解過(guò) 程需求；同時(shí)，也提供

14、支持功能分解、功能求解和功能解組合等進(jìn)程交替進(jìn)行的循環(huán) 映射機(jī)制，從而在生成合理完整的功能結(jié)構(gòu)的同時(shí)也派生出相應(yīng)的可實(shí)現(xiàn)的整體結(jié)構(gòu) 方案解。(3) 研究復(fù)合功能產(chǎn)品的循壞求解過(guò)程，提出適用于計(jì)算機(jī)處理的概念設(shè)計(jì)與/或 樹形式化表達(dá)方法，并探討相應(yīng)的求解算法。(4) 基于以上研究，開發(fā)一個(gè)面向攵合功能產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)白動(dòng)化求解原型系統(tǒng)。4. 預(yù)期成果(1) 公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文1篇(2) 開發(fā)支持創(chuàng)新的概念設(shè)計(jì)cad系統(tǒng)5. 參考文獻(xiàn)：1 hyeon h j, parsaei h r, wong j p. concurrent engineering: the manufacturing philos

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