管清貴 殷國富 胡曉兵 尹湘云

四川大學(xué)，成都，610065

基于模式語言的知識模板五要素描述方法研究

管清貴 殷國富 胡曉兵 尹湘云

四川大學(xué)，成都，610065

針對產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中大量的設(shè)計(jì)知識隱含在產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例中，無法被快速有效地描述與重用這一問題，提出了一種基于模式語言的模式名稱、問題、解決方案、效果和多屬性綜合評價(jià)的設(shè)計(jì)知識五要素的描述方法。將設(shè)計(jì)參與人員在設(shè)計(jì)過程中長期積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)靈感、設(shè)計(jì)思路、解決問題的依據(jù)、最終產(chǎn)品的使用評價(jià)等設(shè)計(jì)過程知識進(jìn)行了描述和積累，并闡述了設(shè)計(jì)知識描述模板的結(jié)構(gòu)、序列和分級。利用該描述方法對沖壓模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的設(shè)計(jì)知識進(jìn)行了描述，開發(fā)了沖壓模具設(shè)計(jì)資源數(shù)據(jù)和知識庫系統(tǒng)原型軟件系統(tǒng)，并用沖壓模具設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

設(shè)計(jì)過程；模式語言；知識描述；知識模板

0 引言

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)正在從設(shè)計(jì)公式、經(jīng)驗(yàn)型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和靜態(tài)解析為主的理論設(shè)計(jì)向動(dòng)態(tài)型、人員廣泛全程參與方向發(fā)展，結(jié)合計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)呈現(xiàn)出信息化、協(xié)同化、面向產(chǎn)品全壽命周期、創(chuàng)新性和智能化的特點(diǎn)［1－2］。目前，傳統(tǒng)的知識表示方式如狀態(tài)圖表示、一階謂詞邏輯表示、產(chǎn)生式規(guī)則表示、語義網(wǎng)絡(luò)表示和框架結(jié)構(gòu)表示等，更多地是關(guān)注最終知識的表示和最終設(shè)計(jì)結(jié)果的應(yīng)用，而對于知識的產(chǎn)生過程、解決問題的思路和專家的思維軌跡研究得較少。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因在于設(shè)計(jì)過程是一個(gè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行大量決策、判斷和思維的過程，設(shè)計(jì)知識涉及學(xué)科廣、領(lǐng)域多、知識分散、隱形和不確定性知識多，難于描述，不利于查詢，從而使設(shè)計(jì)知識的描述和重用難度加大。

針對這一問題，本文從分析設(shè)計(jì)過程中依據(jù)的不同知識源和設(shè)計(jì)過程中不同的參與對象入手，在深入研究分析模式語言描述方法的基礎(chǔ)上，研究符合設(shè)計(jì)過程和利于設(shè)計(jì)知識重用的設(shè)計(jì)知識描述方法，提出了基于模式語言的知識模板五要素的設(shè)計(jì)知識模板結(jié)構(gòu)，通過建立設(shè)計(jì)過程中人機(jī)交互平臺，使設(shè)計(jì)師、一般開發(fā)人員、用戶以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的相關(guān)人員都可進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程設(shè)計(jì)知識描寫，參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)或評價(jià)，為重用設(shè)計(jì)知識、設(shè)計(jì)知識管理、積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了一個(gè)很好的模式和平臺。

1 模式語言的描述方法

1.1 模式語言介紹

模式語言（或稱模板語言）使用規(guī)范的模板與格式記錄設(shè)計(jì)文檔，使設(shè)計(jì)模式化。模式語言概念下的模式描述了某種環(huán)境中反復(fù)出現(xiàn)的問題以及該問題的求解方案，它可以被反復(fù)地使用而不必從頭做起。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模式包括3個(gè)主要成分：①問題的特定場景；②問題本身；③問題的解決方案。也有學(xué)者認(rèn)為一個(gè)模式有4個(gè)基本要素：①模式名稱；②問題；③解決方案；④效果。模式語言系統(tǒng)中任何一個(gè)模式均不是孤立存在的，它依賴于其所包含的更小模式，并且?guī)椭纬奢^大的模式，還可與相關(guān)的模式交互作用，基本模式的有機(jī)組合形成了能夠?qū)φ麄€(gè)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)描述的模式語言［3］。

1.2 模式語言的管理

建筑學(xué)領(lǐng)域的模式語言從模式結(jié)構(gòu)、模式序列和模式分級3個(gè)方面進(jìn)行管理。

（1）模式結(jié)構(gòu)。每一種模式語言下都有意象圖示、引言、設(shè)問、解問、總結(jié)5個(gè)部分。

（2）模式序列。由大到小，從區(qū)域和城鎮(zhèn)到鄰里、組團(tuán)、住宅、房屋和凹室，最后是構(gòu)造細(xì)部，模式有大有小。

（3）模式分級。模式分為三級，一級表示該模式的解決方案概括了解決問題的一切可能途徑的共同特性；二級表示該模式的解決方案幾乎概括解決問題的一切可能途徑的共同特性，但還能從該模式的解決方案中尋求其他解決方案；三級表示該模式對認(rèn)識不變的特性方面仍未取得成功，解決方案僅僅是其中的一種。

2 基于模式語言的設(shè)計(jì)知識的描述

2.1 設(shè)計(jì)知識描述結(jié)構(gòu)

基于模式語言的上述優(yōu)越性，在深入分析和研究模式語言的基礎(chǔ)上，提出了應(yīng)用于設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)知識的五要素描述方法，如圖1所示，具體描述方法見表1。將設(shè)計(jì)過程中子任務(wù)用的設(shè)計(jì)知識通過過程性知識存儲表進(jìn)行描述和表達(dá)，建立設(shè)計(jì)知識描述模板結(jié)構(gòu)。將任務(wù)從提出到解決整個(gè)過程涉及的非規(guī)范性知識，按照知識分類的方式，通過知識管理員參與把網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)過程中實(shí)際遇到的問題任務(wù)進(jìn)行描述，提煉出問題或任務(wù)、解決思路和方法、顯性知識、隱性知識、效果評價(jià)、其他輔助信息，存入到表中的一條記錄，通過實(shí)例不斷完善數(shù)據(jù)表各數(shù)據(jù)項(xiàng)。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，對設(shè)計(jì)人員遇到的問題任務(wù)，按照評價(jià)值進(jìn)行排序，在設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)過程中，從數(shù)據(jù)庫中提取供設(shè)計(jì)人員查詢，進(jìn)行知識共享，同時(shí)將調(diào)用、評價(jià)等有關(guān)信息補(bǔ)充到數(shù)據(jù)庫中。采用數(shù)據(jù)表的形式進(jìn)行存儲，利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，方便提取、查詢、更新和管理。

圖1 模式語言的描述設(shè)計(jì)知識五要素圖

表1 設(shè)計(jì)知識五要素描述方法

2.2 設(shè)計(jì)知識模板序列

模板序列依據(jù)設(shè)計(jì)知識分類描述的思想，將模板分為3個(gè)層面。如圖2所示，模板名稱用Pxiyjzk來表示。第一層面針對設(shè)計(jì)過程全局性知識，如設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)基本要求、設(shè)計(jì)基本原則等，用xi表示，i＝0，1，2，…，∞；第二層面針對設(shè)計(jì)過程中階段環(huán)節(jié)知識，如工藝方案確定、方案選取等，用yj表示，j＝0，1，2，…，∞；第三層面針對設(shè)計(jì)過程階段中具體知識，如設(shè)計(jì)過程具體參數(shù)的確定、尺寸的確定、具體工藝的選取等，用zk表示，k＝0，1，2，…，∞。

圖2 模板序列示意圖

2.3 設(shè)計(jì)知識模板分級

設(shè)計(jì)知識描述模板是由專家、設(shè)計(jì)者、用戶等眾多參與者不斷完善積累的，因此，設(shè)計(jì)模板就面臨著大量設(shè)計(jì)實(shí)例的調(diào)用和調(diào)用排序問題，本文采用多屬性綜合評價(jià)，通過參與者的量化打分，不斷完善知識描述模板。

可將設(shè)計(jì)知識的模板分為三級：一級表示該模板包含的設(shè)計(jì)知識是涉及解決方案設(shè)計(jì)過程中全局性的問題、經(jīng)驗(yàn)，是設(shè)計(jì)過程中必須遵守的思路、規(guī)則等；二級表示該模板包含在實(shí)際中已成功應(yīng)用的實(shí)例所積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)思路、解決問題的決策依據(jù)、最終產(chǎn)品的使用評價(jià)等，是比較成熟的模板；三級表示該模板包含的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)思路、解決問題的決策依據(jù)、最終產(chǎn)品的使用評價(jià)在實(shí)例中具有某一方面的優(yōu)勢，但還需在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中不斷加以完善和補(bǔ)充。

2.4 設(shè)計(jì)知識的模板積累與管理

不同的設(shè)計(jì)師有效利用設(shè)計(jì)知識的能力是不同的，在設(shè)計(jì)過程中，針對設(shè)計(jì)問題中的發(fā)現(xiàn)問題能力、分析問題能力、解決問題能力和呈現(xiàn)問題能力的不同，充分發(fā)揮每個(gè)設(shè)計(jì)師的專長，在設(shè)計(jì)過程和重復(fù)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)計(jì)人員的需要，給出數(shù)據(jù)庫中以往設(shè)計(jì)實(shí)例的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和決策依據(jù)，通過這一方式可以有效地借鑒和采納其他設(shè)計(jì)師的意見。因而，在設(shè)計(jì)知識交互平臺上增加模板語言積累模塊，包括模板寫作格式和結(jié)構(gòu)、模板語言參與人員、模板使用情況。模板語言形成模塊包括核心模板、模板叢和實(shí)例。模板語言管理模塊包括整體性模板、階段性模板和細(xì)節(jié)性模板。

3 基于模式語言的設(shè)計(jì)知識描述系統(tǒng)

3.1 基于模式語言的設(shè)計(jì)知識描述的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述理念，借助Delphi編程工具和Delphi本身所附帶的數(shù)據(jù)庫工具Database Desktop，開發(fā)了支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的設(shè)計(jì)知識描述重用平臺，用于沖壓模具的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的開發(fā)思路是：把設(shè)計(jì)實(shí)例按照設(shè)計(jì)過程進(jìn)行設(shè)計(jì)知識分類，然后按模式語言數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)存儲在數(shù)據(jù)庫中，在開始新的設(shè)計(jì)時(shí)，利用參考因素的權(quán)重進(jìn)行多屬性綜合評價(jià)，從而在數(shù)據(jù)庫中搜索與當(dāng)前設(shè)計(jì)符合度最高的設(shè)計(jì)實(shí)例、經(jīng)驗(yàn)知識、約束條件、決策參考、使用評價(jià)等，提高設(shè)計(jì)效率，使新設(shè)計(jì)在概念設(shè)計(jì)階段就能充分考慮產(chǎn)品全壽命周期的各個(gè)因素，同時(shí)也可針對設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行數(shù)據(jù)庫搜索，找到解決的方案以及解決問題的思路和依據(jù)［4－6］。

3.2 沖壓模具設(shè)計(jì)知識描述

沖壓模具的設(shè)計(jì)過程依據(jù)沖壓件的產(chǎn)品圖樣進(jìn)行沖壓工藝過程設(shè)計(jì)，確定沖壓工藝方案，然后在收集、整理有關(guān)設(shè)計(jì)參考資料和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行沖壓模具的設(shè)計(jì)。模具的設(shè)計(jì)制造過程是一個(gè)多屬性和模糊性的過程，既要保證制件的質(zhì)量、提高生產(chǎn)率和降低成本等，又要采用行之有效的工藝手段進(jìn)行正確的模具設(shè)計(jì)及選用合理的模具結(jié)構(gòu)，還必須以先進(jìn)的模具制造技術(shù)作為保證［7］。模具結(jié)構(gòu)形式直接影響沖壓件的質(zhì)量、成本和沖壓生產(chǎn)的水平。在設(shè)計(jì)模具時(shí)，以合理的沖壓工藝過程為基礎(chǔ)，對沖壓件的形狀、尺寸、精度要求、材料性能、生產(chǎn)批量、沖壓設(shè)備、模具加工條件等多方面的因素進(jìn)行多屬性綜合分析，通過研究和比較其綜合的經(jīng)濟(jì)效果，以期在滿足沖壓件質(zhì)量要求的前提下，最大限度地降低沖壓生產(chǎn)成本。應(yīng)用設(shè)計(jì)知識模式語言模板結(jié)構(gòu)對沖壓模具設(shè)計(jì)過程中的知識進(jìn)行描述。

3個(gè)層面的知識模塊實(shí)例如表2～表4所示。

表2 第一層面知識模板實(shí)例

表3 第二層面知識模板實(shí)例

表4 第三層面知識模板實(shí)例

3.3 沖裁模具設(shè)計(jì)知識描述應(yīng)用實(shí)例

下面以沖裁模具設(shè)計(jì)為例實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)知識重用。根據(jù)取得的資料，分析零件的沖壓工藝性，確定工藝方案，是一個(gè)要考慮多方面因素和大量經(jīng)驗(yàn)知識積累的過程，應(yīng)用本文的基于模式語言的實(shí)例知識描述、實(shí)例知識庫和綜合評價(jià)推理決策技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了面向設(shè)計(jì)過程的設(shè)計(jì)知識的重用［8］。圖3為模糊評價(jià)實(shí)例截圖。

（1）實(shí)例。凸凹模設(shè)計(jì)中沖壓工藝方案確定。

圖3 模糊評價(jià)實(shí)例

（2）輸入初始條件。工件名稱為手柄；材料為Q235－A鋼；材料厚度為1.2mm；沖壓工序只有落料、沖孔。

（3）結(jié)構(gòu)。相對簡單，有一個(gè)φ8mm的孔和5個(gè)φ5mm的孔；孔與孔、孔與邊緣之間的距離也滿足要求，最小壁厚為3.5mm（大端4個(gè)φ5mm孔與φ8mm孔、φ5mm孔與R16mm外圓之間的壁厚）。

（4）精度。全部為自由公差，可看作IT14級，尺寸精度較低，普通沖裁完全能滿足要求。

（5）工藝方案選取。系統(tǒng)給出二級模式的3個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，如表5所示。

因工作零件的形狀相對較簡單，故適宜采用線切割機(jī)床分別加工落料凸模、凹模、凸模固定板以及卸料板，這種加工方法可以保證這些零件各個(gè)孔的同軸度，使裝配工作簡化。

輸入多屬性綜合評價(jià)考慮因素權(quán)重：模具制造成本0.4；模具制造難易0.3；工作效率0.2；沖壓件質(zhì)量0.1。經(jīng)比較分析得出，選用沖孔－落料級進(jìn)沖壓工藝較好。

表5 沖裁模具設(shè)計(jì)工藝方案選取實(shí)例

4 結(jié)束語

本文充分汲取現(xiàn)有知識描述表示方法，從利于設(shè)計(jì)知識重用的角度，提出一種方便積累和管理的設(shè)計(jì)知識描述方法，并結(jié)合模式語言描述方法提出在重新設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中，利用人機(jī)交互的方式，使設(shè)計(jì)師、一般開發(fā)人員、用戶以及產(chǎn)品全壽命周期的相關(guān)人員參與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)或評價(jià)產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，這種方式利用設(shè)計(jì)過程中經(jīng)驗(yàn)性知識和隱性知識的積累，使設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自成長，通過管理模塊，可以將設(shè)計(jì)過程中的成功經(jīng)驗(yàn)不斷在系統(tǒng)中積累，成為集體智慧的承載?？梢灶A(yù)見，機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展過程是一個(gè)逐步完善的過程，在當(dāng)前計(jì)算機(jī)智能無法很好地模擬人類智能進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的情況下，建立開放性的設(shè)計(jì)平臺，使設(shè)計(jì)過程透明化，遇到的問題明確化，利用人機(jī)交互，充分發(fā)揮不同知識專家、設(shè)計(jì)人員和用戶的不同領(lǐng)域知識的作用，可以很好地解決這一問題，這一方法對于設(shè)計(jì)知識的積累以及產(chǎn)品的重復(fù)設(shè)計(jì)、變型設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)有著重要意義。

［1］ 雷源忠.綜合交叉，開創(chuàng)我國制造科學(xué)研究的新局面［J］.數(shù)字制造科學(xué)，2004，2（1／2）：20－48.

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［3］ 亞歷山大C，伊?？ㄍ轘，西爾佛斯坦 M，等.建筑模式語言［M］.北京：知識產(chǎn)權(quán)出版社，2002.

［4］ 趙震，呂士軍，彭穎紅，等.沖裁模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識表示與處理技術(shù)研究［J］.中國機(jī)械工程，2003，14（4）：299－301.

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Research on Knowledge Description Method of Knowledge Template Five Factors Based on Pattern Language

Guan Qinggui Yin Guofu Hu Xiaobing Yin Xiangyun
Sichuan University，Chengdu，610065

Faced on mass design knowledge which hides in a product design example，how to describe effectively all kinds of design process knowledge under the web－based product design，establishing a support knowledge base for intelligence design，discovering and accumulating all sorts of knowledge in design process，providing the method for knowledge reuse，were the important technology problems for constructing and realizing in intelligence design.A method of applying pattern language to describe these knowledge was put forwarded.A die design resource data and knowledge base system was developed successfully for verification of the architecture，key technologies and implement methods.

design process；pattern language；knowledge description；knowledge template

TH122

1004—132X（2011）10—1185—04

2010—07—23

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50575153）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2006AA04Z108）

（編輯 袁興玲）

管清貴，男，1974年生。四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)镃AD／CAM。殷國富，男，1956年生。四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。胡曉兵，男，1970年生。四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院教授。嚴(yán)湘云，男，1970年生。四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生。