中国机械工程第

知识支撑分级约束方法及其在产品布置设计中的应用王彦超暋张树有暋裘乐淼浙江大学,杭州,310027摘要:针对产品布置设计人机交互多、效率低等问题,提出一种知识支撑分级约束方法。该方法依据工程知识表达划分产品单元,同时定义单元约束关系并划分层级。建立产品分级约束模型,通过客户需求等约束的转换、传递和计算,有效实现了产品设计方案的自动生成。该方法在电梯布置设计中得到应用验证,不仅减少了人机交互,而且避免了设计方案潜在错误,降低了产品制造中的错误率和开发成本。关键词:知识支撑;分级约束;产品设计;布置设计中图分类号:TP391暋暋暋文章编号:1004—132X(2010)08—0920—06KnowledgeSupportedClassifiedConstrainMethodandItsApplicationinProductLayoutDesignWangYanchao暋ZhangShuyou暋QiuLemiaoZhejiangUniversity,Hangzhou,310027Abstract:Tobedirectedagainsttheproblemsofproductsdesign,aknowledgesupportedclassifiedconstrainmethodwasputforward.Thismethodclassifieddifferentunitsofproductsbasedonengineeringknowledge.Differentlevelsofconstrainsalsohadbeenjudged.Knowledgesupportedclassifiedconstraintmodulewasconstructed.Thecustomerneedswereeffectivelyconverted,transferedandcalculated,andtheproductdesignblueprintwasgainedautomatically.Usingthismethod,anelevatorwellroadlayoutdesignsystemwasbuilt.Thesystemhadbeenauthenticatedwhenusedintheelevatorwellroadlayoutdesign.Ithassolvederrorssuchashuman-computerinteractionerrors,reducingthemanufacturingerrorratioanddevelopmentcostaswell.Keywords:knowledgesupported;classifiedconstrain;productdesign;layoutdesign收稿日期:2009—07—07基金项目:国家科技重大专项资助项目(2009ZX04014-31);教育部博士点基金资助项目(200803350031)0暋引言围绕产品布置设计等问题,国内外学者进行了许多研究。Csabai等[1]分析了计算机辅助设计在3D布置设计方面的弱点,提出了基于精简概念设计元素的从上至下顺序的3D布置设计系统,在概念性的布置设计与具体几何详细设计之间建立了桥梁。Li等[2]在考虑功能要求和可制造性要求的前提下,搭建了布置设计模糊评价框架,评价产生的设计替换部分,研究了注塑模具冷却系统布置设计方法。Liu等[3]研究提出了基于人-算法-知识的布置设计方法来解决被证明为非常困难且计算复杂、工程设计复杂的空间站模型布置设计问题。Matsuzaki等[4]研究了计算电梯内部空间设备布置设计解决方案以及考虑电梯承载能力等条件的启发式算法。Belmokhtar等[5]用研究的线性整数规划模型方法来对制造生产线进行布置设计,在满足技术约束要求的同时使投入费用最小化。Lee等[6]采用研究开发的机械布置设计专家系统处理设计知识,实现了基于知识的机械布置设计系统,并应用于轮船发动机舱布置设计中。Sing等[7]利用决策表开发了知识支撑工艺布置设计系统,通过系统计算输出最可行的成形工艺参数。Cambron等[8]在考虑多重易冲突目标和输入的参数质量与数量的不确定性前提下,利用包括Saaty暞s层次分析算法等多种算法对复杂布置设计问题进行研究。文献[9飊10]通过对客户需求信息的模糊表达与映射,实现了模糊框架推理与基于规则的推理方法,有效地提高了模糊需求的表达与处理能力。文献[11]介绍了布置设计问题的概念和目前存在的多种建模方法及求解方法,并指出其求解布置设计问题的发展方向。文献[12飊14]针对客户需求的多样化,开展了短交货期与低成本产品设计开发和生产的研究。上述研究对提高产品布置设计效率起到较好的作用。由于产品各部分在功能和空间上是相互关联和制约的,人工根据产品功能要求进行空间布置设计,不仅复杂而且难以获得优化结果。因此,如何根据不同的需求快速实现高质量的产品布置设计,还有待进一步研究。本文提出了知识支撑分级约束方法(knowl灢edgesupportedclassifiedconstrainmethod,·029·中国机械工程第21卷第8期2010年4月下半月KSCCM),以工程知识作为支撑,对产品进行设计粒度下的单元划分,找出产品单元内外之间多种约束关系并划分约束层级,使用产品单元分级约束模型进行参数传递、转换和约束计算,拟定的产品布置设计方案以充分满足客户需求为前提,并在电梯布置设计中验证了所提出方法的正确性。1暋知识支撑分级约束方法1.1暋工程知识的分类与表达工业产品设计所用工程知识来源广泛,有以往产品的工程设计经验、行业设计手册中的公式与设计标准、产品市场趋势与需求行情和产品上下游供应商信息等,如图1所示。图1中的工程知识组成往往以描述性语句形式存在,个体之间表述不尽相同,但可在其中找到相同含义的关键词,即特征属性(feature),定义特征属性为F(ST(m,n……),F_ID,Value(a,b……)),特征属性F包含ST描述语义集合,ST包含F特征属性的所有同义描述,F_ID为统一定义的特征属性代号,Value为该特征属性类型和数值。图1暋工程知识组成工程知识的表达方法将至少一个语义形式化的特征属性和实际设计工况、参数或状态等联系起来,建立起逻辑关系,组成逻辑表达式。表达式可以为计算式,其结果是具体的计算值,也可为判断式,其值对应某工程知识特征属性取值结果,如表达式为:特征属性F名称1需求参数大于()具体数值单位(参数1)并且逻辑连接(AND)特征属性名称2需求参数等于(=)计算式结果(公式1)。表达式若为真,则对知识元素名称3赋具体值。形式化表达为EK(E,F(m,n,…),O(m,n,…)),其中E为工程知识逻辑表达式,F()为前面逻辑表达式所包含的特征属性,O()为E为真时所输出的结果操作函数。1.2暋产品单元划分、单元约束定义与分级用工程知识的数据库作支撑,从使用功能角度,将产品划分成大的单元,这样的产品单元称为过渡单元(T_Units,temporaryunits)。细分过渡单元构成,分解出过渡单元的组成部分,称为结构单元(S_Units,structureunits),细分的详细程度遵从产品布置设计粒度。过渡单元是多个结构单元和子过渡单元组合,结构单元仅隶属于特定的过渡单元,在产品单元传递时用的结构关联关系Unit_Relationship(U_R)如图2所示。这种偏平化的产品单元划分是产品设计的需要,也是提高产品设计质量的条件,通过分解产品功能达到产品偏平化单元划分的要求。图2暋结构单元与过渡单元结构关联关系U_R工程知识表达式和相关的产品设计单元关联,形成产品单元约束。单元约束既是产品设计时各种单元选取的条件,也是选定产品单元后,单元特征属性值的决定条件。约束表达C(EK(m,n),U(m,n)),其中EK()是约束的工程知识,U()是所涉及的产品设计单元,可以为产品级单元、过渡单元或结构单元。产品单元Product_Unit整体表达式为PU(A,U_R,C(C1,C2,C3,…),F(F1,F2,F3,…)),A为产品单元的类型,U_R为单元关联关系,C为单元约束集,F为单元特征属性。将划分好单元并建立约束关系的产品,由低层的结构单元S_Units至上层产品级层,进行单元约束的分级。产生的不同约束层级(constrainlevel)为CL(C(C1,C2,C3,…),O(O1,O2,O3,…),U(U1,U2,U3,…)),C()是约束层级中的约束集合,O()为对应的一组操作,U()是约束层包含的产品单元。分级约束后产生结构单元内约束层(CL_SU)、过渡单元内约束层(CL_TU)、过渡单元T_Units之间S_Units单元间关系约束层(CL_TS)和针对产品整体的需求约束层(CL_Req)。产品单元划分,约束分级如图3所示。单元约束分为两种:(1)固定约束(immanenceconstrain,IC)是以产品设计所需的信息和需求为基础,约束的工程知识特征属性必须保证完整,以便进行产品设计。·129·知识支撑分级约束方法及其在产品布置设计中的应用———王彦超暋张树有暋裘乐淼图3暋产品单元划分及其约束分级(2)浮动约束(fluctuateconstrain,FC)则是产品单元设计的完善条件,客户需求往往包含重要需求,但并不包含全部设计所需的条件,此约束是找出客户需求不足的工程知识,考虑生产成本、批量、公司业务情况等方面,对这些工程知识加入技术设计条件,从而产生的约束。它保证客户需求的满足,同时也保证设计完整自动进行。产品结构单元S_Units约束因已到具体零件,仅包含固定约束,其余约束层级均包含固定约束和浮动约束。产品单元约束细分为PU(A,U_R,C(C_IC(C1,C2,C3,…),C_FC(C1,C2,C3,…)),F(F1,F2,F3,…)),对于结构单元C_FC为空,各个约束层中约束类型与单元包含关系如图4所示。图4暋约束层中约束类型与单元包含关系1.3暋知识支撑分级约束模型基于工程知识表达数据库,将产品划分为以产品级单元为根节点,过渡单元在中间,结构单元为尾节点的功能-结构映射树形结构。知识支撑分级约束方法的具体过程如下:(1)在产品设计的初始阶段,即由客户需求转化为工程知识参数输入产品级约束层的约束集合中,计算出约束结果,确定产品具有哪些过渡单元,实现客户功能需求与过渡单元间的映射。(2)根据过渡单元得单元间关系约束集CL_TS和过渡单元内部约束集CL_TU,调用过渡单元固定约束IC集CL_TU约束求出设计的结构单元;调用结构单元CL_TS内固定约束IC,求解出结构单元的特征属性参数,对设计的结构单元赋属性值。(3)由过渡单元集合的过渡单元内部约束集CL_TU,依据约束层浮动约束FC求解出过渡单元的其余特征属性参数;由单元间关系约束集CL_TS依据约束层浮动约束FC求解出结构单元的其余特征属性参数;回到产品级单元约束层,输出设计结果。其形式化表达如下:FUNCTIONGET_F_PARA:暋//获得工程知识中的特征属性值{暋FORF()inEK()//遍历EK中的所有特征属性F暋GETF()暋//得到EK所需要的每个特征属性F值暋NEXTF}BEGINKSCCM://开始知识支撑分级约束设计CONVERT‘客户需求暞toEK()andF()//将客户语义化需求转化为工程知识表达式;FOR{CinCL_约束层名.IC//各约束层中每个单元固定约束C暋{EK()inC()//处理每个固定约束中的工程知识表达式暋GET_F_PARA暋暋暋{Calculate(E)inEK()//求解约束表达式暋暋暋暋暋RUNO()暋CHOOSEPU()orSETF()}}}//运行O操作选择对应的单元或设置相应的特征属性NEXT//之前进行IC运算,若有EK计算不出,则提示问题,需要参数补足。//之后进行FC运算,若有EK运算不出,则选择默认值进行补充,计算出单元