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基于WEB的計算機輔助機械創新設計系統研究*

注意:本論文已在《現代制造工程(原《機械工藝師》)》雜志(2001,12:11-13)發表
使用者請注明論文出處

孫延明** 賴朝安 鄭時雄

(華南理工大學 機電工程系 廣州 510640


摘要
:本文總結了創新設計思維的兩項原則:最短路徑原則與相似性聯想原則。分析了基于實例推理技術當前研究的不足并提出用遺傳算法進行組合優化來解決。介紹了基于WEB的創新設計知識庫,提出了功能要求、作用原理及物理結構的相似性的量化方法,用相似度作為計算機輔助聯想及遺傳算法初始群體篩選的依據,形成一種改進的遺傳算法。基于上述理論開發了基于WEB的機械產品計算機輔助創新設計系統。

關鍵詞:機械設計;創新設計;創新思維;相似性

中圖分類號:TH122            文獻標識碼A


0 引言

機械創新設計是一個極其重要而又困難的實踐性較強的研究課題。目前創新設計方法研究雖然已取得一些成果,但創新學還處于發展初期,各種不同理論及工具不斷涌現,遠沒有形成普遍可以接受的統一的理論體系。

本文認為,要進行機械創新設計要有兩個必要條件:一是充分獲取適用的知識;二是要使用符合創新設計思維并能激發創新思維的設計系統。設計過程充滿了矛盾,所獲取的知識應有助于矛盾的迅速解決,這就要求知識獲取工具緊密集成到設計過程中,因此要統一研究知識獲取工具與設計系統。另外,人類的創新設計思維模式是在長期的成功設計經驗中總結形成的,因此設計系統必需符合創新設計思維規律。創新設計思維規律應作為算機輔助創新設計系統的理論基礎。

基于上述考慮,本文從創新設計思維的研究出發,融合知識獲取方法,研究創新設計理論,進而開發機械產品創新設計系統。

1 機械創新設計思維規律

我們常把思維的過程稱為思路,是因為可用路徑問題來說明人類思維過程。本文提出兩個機械創新設計思維原則:

一是最短路徑原則。設計者得到產品的功能要求后,往往首先檢索出最佳設計實例,這樣可以最迅速接近目標,然后運用價值工程方法,找出價值較低的極少數組件作為研究對象,再分析所得對象存在的矛盾,嘗試作最小變動以解決矛盾,如矛盾沒有解決則擬作更大變動或擴大研究對象范圍,最后得出最優結果。通過這樣途徑所消耗的能量最少,體現了最短路徑原則。

二是相似性聯想。湯川秀樹的定同理論認為,聯想能力就是找出事物彼此相似性的創造力,相似性是指事物間的內在聯系。

要用計算機系統來輔助設計師從自然界中發現形態各異的事物的相似性是很困難的,因此本文只研究從機械產品實例中挖掘相似性,以促進機械創新設計。

機械設計過程是從功能要求到作用原理,再到物理結構的映射過程[1]。在CBR系統中,功能要求、作用原理與物理結構可作為實例索引,因此可統稱它們為索引項目。同一索引的不同類索引項目之間的聯想可稱為縱向聯想,而不同索引的同類索引的聯想可稱為橫向聯想。

判斷聯想是否合理的依據是相似性,相似性由已有產品實例確定。比如,“超聲波研磨機產品實例”使“超聲波振動”作用原理與“研磨”功能要求縱向地產生了內在聯系;又如,多種產品實例可滿足同一功能要求,那么它們用于實現該功能的作用原理及物理結構具有相似性。

功能要求是聯想的起點,經驗豐富的設計師通常記憶有大量的設計實例,因而掌握縱向及橫向相似性,所以能迅速地進行橫向及縱向的聯想,能觸類旁通,得出具有相似作用原理及物理結構的實例(簡稱相似實例)并進行組合優化,最后得到最優解。

這兩項原則已被多種設計方法不自覺地采用了,基于實例推理不但能迅速接近最優解,體現最短路徑原則;物場分析法(簡稱TRIZ)分析了上百萬設計實例,確定功能要求與作用原理及物理載體的內在聯系,以及不同作用原理或物理載體的可替代關系,使設計師可根據功能要求找到適當的作用原理及物理載體,體現相似性聯想原則。

2 計算機輔助創新設計系統

兩項創新設計思維原則充分體現在計算機輔助創新設計系統的設計中,系統還利用了多種創新設計方法及人工智能技術。計算機輔助創新設計系統的流程如圖1所示,它包含如下關鍵技術:

     

 2.1 實例檢索

利用基于實例推理(CBR)技術時首先要深入研究它的優缺點。CBR是一種以實例為知識載體的知識供應方法。當前它仍有如下不足:首先,系統為了達到實用通常建立龐大的實例庫,這導致管理困難,系統運行效率低;其次,通過檢索得到的只是一個或很少實例,而其它不符合檢索要求但含有適用知識的實例沒有利用,支持創新的力度不夠;最后,實例調整嚴重依賴領域知識,難度大,所以很多CBR系統簡化為實例檢索系統[2]。導致這三項缺點的深層原因是實例是獨立的,不同實例所蘊含的知識難以組合利用。為了克服這個矛盾本文提出通過相似性聯想找出相似實例,并利用遺傳算法進行組合優化,實現實例知識的重用。

本系統的實例檢索功能用商品化PDM系統IMAN中的產品結構與配置管理功能及搜索功能來實現,實例的可視化表示與管理依靠IMAN的產品結構樹功能實現。

2.2可視化的實例模型表達及矛盾分析

概念設計技術的發展方向為研究一種統一的設計方案表達方法[3]文獻[4]對日本學者吉川弘之提出的FBS圖進行擴充,使用兩個框架分別描述一個設計方案的功能層次與結構層次,并存儲功能單元與結構單元的對應關系,使計算機理解產品的結構及其功能。這種方法的缺點是結構與功能的關系不夠直觀,因此本系統在功能層次圖與結構層次圖的基礎上增加功能關系圖,以語義網絡的方式描述結構及之間的作用關系,使結構與功能處于同一張圖中,設計者可直觀地理解產品原理,根據功能關系圖并運用價值工程方法分析實例存在的矛盾。

實現創新的關鍵是正確分析產品中所存在的矛盾[5]。產品設計中的基本矛盾是產品功能成本比不能滿足用戶要求,它有兩種表現形式,一是未能實現某些產品功能質量目標;二是某些功能質量得到改善而某些功能質量卻惡化。

矛盾分析結果用于指導新作用原理、新物理結構的聯想,進而找出相似實例。

2.3基于WEB的創新設計知識庫

本系統的創新設計知識庫包括作用原理庫、物理結構庫與實例庫。當系統根據相似性搜索到新作用原理或物理結構后,相應的實例自動調出。

作用原理庫與物理結構庫的開發借鑒了TRIZ的成果,再針對機械領域補充整理出二百四十余種作用原理(其中包括五十余種基本措施)。在每種作用原理下分別存儲多種物理結構,形成物理結構庫。實例庫主要針對幾種常見的家電產品進行開發。

創新設計知識庫是創新設計系統的核心部件,它是一種WEB文本知識庫,文本經過筆者開發的機械知識XML標記處理,使知識庫建立在國際標準XML文本之上,因此可實現知識資源的異地共享,并且在此知識庫之上可建立基于WEB的機械產品計算機輔助創新設計系統,滿足異地協同設計的需要。

2.4相似性的量化方法及改進的遺傳算法

每種產品的結構不同,需要不定相同的遺傳算法編碼。本系統為了提高運行效率,采用浮點數編碼方式。

在傳統的遺傳算法中,初始群體是通過用隨機的方法來產生的[6],這具有一定的盲目性。因此本文提出利用實例的作用原理或物理結構的相似性作為篩選實例產生初始群體的依據。

實現該途徑的關鍵在于相似性的量化也即相似度的計算方法。相似度實質是實例的關聯知識,必須以一定的算法在實例集合中挖掘得到。縱向聯想的相似度實質是功能目標與實現手段的關系程度,橫向聯想的相似度實質是實現手段的可替代關系程度。相似度越高意味著得到已有產品實例的更多支持。根據相似度來篩選初始群體就等于利用以前的設計經歷,使初始群體的產生有合理的基礎,因此能加快遺傳算法的收斂。本文根據相似性聯想原理提出如下縱向及橫向聯想的相似度計算方法。

設產品實例集合為C,功能元素集合為F,作用原理或物理結構元素集合為G。分別記為:C={Ci|i=1,2,…,n}; F={Fj|j=1,2,…,m}; G={Gk|k=1,2,…,q}。實例集合中的實例Ci以不同的隸屬度uijuik分別隸屬于FjGk 設元素Gk到元素Fj的縱向聯想相似度為rkj,則:

rkj  =

又設G空間中有元素GkGm。實例Cji分別以隸屬度uikuim隸屬于元素GkGm,設從GkGm的橫向聯想相似度為rkm,則:

rkm =

隸屬度作為實例對象的一項屬性來存儲。系統根據以上算法從實例集合中挖掘相似度知識,輔助設計師從相似度較高的方向進行聯想,并用于指導遺傳算法初始群體的產生,從而促進設計創新。

3 結論

本文研究創新設計思維規律并用于指導機械產品創新設計系統的開發,系統的成功應用證明了關于創新設計思維規律論斷的正確性以及多種新技術的可行性。系統可通過矛盾分析與聯想,搜索到適用的作用原理、措施、物理結構及實例以解決矛盾,完成概念設計階段的功能優化與原理優化,是實現機械廣義優化設計方法的新成果。

參考文獻

1.      G•帕爾,W•拜茨. 馮培恩,等譯. 工程設計學[M]. 北京:機械工業出版社,1992

2.      張亮. 演化式事例改寫策略. 武漢大學學報(自然科學版). 1997,43(1):51-56

3.        Wynne Hsu, Irene M Y Woon, Current research in the conceptual design of mechanical products Computer-aided Design, 1998, 30(5): 377-389

4.        王漫,王志海,胡學鋼,張奠成. 智能概念設計的設計知識表示. 合肥工業大學學報,1997,20(2):34-38

5.      牛占文,徐燕申,林岳,陳永亮. 實現產品創新的關鍵技術—計算機輔助創新技術. 機械工程學報. 2000,36(1):11-14

6.      閻平凡,張長水. 人工神經網絡與模擬進化計算. 北京:清華大學出版社,2000


Research on application of Web-based computer-aided mechanical creative design system

SUN YanMingLAI ChaoAn ZHENG ShiXong
(mechatronic engineering Department, south china university of technology, Guangzhou 510640)

Abstract: Two item of principle of creative design thinking were summarized in this paper: shortest route principle and similarity association principle. It analyzed the disadvantage of the current study on CBR and proposed applying GA in combination and optimize to resolve them, and introduced a kind of web-based creative design repository. It advanced a kind of  measure method of similarity among function demandaction principium and substance structure using similarity degree as the bases on which computer-aided association can be realized and the original colony of GA can be selected reasonably, thus a kind of improved GA came into being. A web-based computer-aided creative design system has been developed based on above theory.

Keywords: Mechanical design; Creative design; Creative thinking; Similarity

 

*本文受廣東省科技創新百項工程項目(99B01901G)及廣東省自然科學基金項目(990545)資助。

**孫延明(1968-),男,黑龍江穆陵人,華南理工大學副教授,博士,主要研究領域為先進制造、智能CAD

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