陳尉剛，王 歡，趙燕偉，洪歡歡

(浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310014)

0 引 言

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展與經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)日益提高的今天，國(guó)際化的競(jìng)爭(zhēng)愈趨激烈，制造環(huán)境發(fā)生根本性變化，產(chǎn)品需求進(jìn)入多樣化的新階段，以滿足客戶的個(gè)性化需求為中心、需求驅(qū)動(dòng)企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)成為企業(yè)活動(dòng)的核心與出發(fā)點(diǎn)，也是現(xiàn)代企業(yè)生存與發(fā)展的基礎(chǔ)。

產(chǎn)品配置是根據(jù)客戶的需求，在建立各零部件集合與相互約束關(guān)系的配置模板基礎(chǔ)上，并通過(guò)合理地匹配與組合，生成產(chǎn)品設(shè)計(jì)物料清單(Bill of material，BOM)，實(shí)現(xiàn)滿足客戶需求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程［1］。產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)經(jīng)歷了3個(gè)階段的發(fā)展。目前配置方法主要有:基于規(guī)則的配置設(shè)計(jì)方法［2］、基于約束的配置設(shè)計(jì)方法［3-4］、基于可拓的配置設(shè)計(jì)方法［5-6］、基于本體的配置設(shè)計(jì)方法［7-8］、基于結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品配置方法［9-10］、基于實(shí)例的配置設(shè)計(jì)方法［11］等。

產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)系統(tǒng)則是在計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展和普及以及企業(yè)信息化條件下催生的產(chǎn)物。目前根據(jù)不同的原理開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)系統(tǒng)種類繁多，黃鈺［12］提出基于模糊度量的質(zhì)量功能配置系統(tǒng)，利用質(zhì)量功能配置把客戶對(duì)產(chǎn)品的需求進(jìn)行多層次的演繹分析，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求、零部件特性、工藝要求、生產(chǎn)要求，從而指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì);林相華［13］提出基于配置模板的快速配置設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它通過(guò)基于功能結(jié)構(gòu)單元的產(chǎn)品配置模塊，快速響應(yīng)客戶需求，獲得最接近客戶需求的配置結(jié)果。譚建榮［14］提出支持大批量定制的產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，引入配置設(shè)計(jì)知識(shí)的混合表達(dá)方法來(lái)適應(yīng)不同產(chǎn)品設(shè)計(jì)類型的要求。

然而對(duì)于復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品，配置知識(shí)不易獲取，為此，本研究引入一種性能傳導(dǎo)知識(shí)挖掘配置設(shè)計(jì)系統(tǒng)，利用可拓?cái)?shù)據(jù)挖掘［15］技術(shù)將配置設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)知識(shí)以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)變?yōu)橛杏玫呐渲靡?guī)則，幫助設(shè)計(jì)人員在配置設(shè)計(jì)過(guò)程中做出有利的決策，避免新矛盾的產(chǎn)生，從而大大提高產(chǎn)品配置的效率和準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)模塊及動(dòng)能

1.1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)是運(yùn)用Microsoft Visual C++6.0在Solidworks平臺(tái)上二次開(kāi)發(fā)的一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)建立產(chǎn)品實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)客戶的模糊性能需求建立物元模型，在實(shí)例庫(kù)中進(jìn)行相似實(shí)例檢索，若不滿足性能需求，通過(guò)可拓變換消除矛盾，同時(shí)通過(guò)可拓分類獲取傳導(dǎo)變換知識(shí)，最后生成配置設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)界面參照Windows XP界面風(fēng)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，有標(biāo)題欄和菜單欄，用戶通過(guò)菜單欄、鼠標(biāo)以及手動(dòng)輸入就可以完成對(duì)整個(gè)軟件的操作。

1.2 主要模塊及其功能

系統(tǒng)主要包括以下功能模塊:產(chǎn)品需求實(shí)例管理模塊、產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)過(guò)程管理模塊、產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)知識(shí)管理模塊、產(chǎn)品配置方案管理模塊。系統(tǒng)功能模塊劃分圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊劃分圖

1.2.1 產(chǎn)品需求實(shí)例管理模塊

由于客戶在購(gòu)買產(chǎn)品時(shí)對(duì)產(chǎn)品的需求描述中通常包含確定屬性和模糊屬性，計(jì)算機(jī)無(wú)法處理其中的模糊信息，需要將模糊信息用一個(gè)參數(shù)域來(lái)表示，該系統(tǒng)中采用三角模糊數(shù)來(lái)表示:

通過(guò)定義區(qū)間置信度系數(shù)α，三角模糊數(shù)可表示為:

依據(jù)可拓學(xué)的物元概念描述，建立對(duì)象Om、性能特征cm以及量值的客戶需求物元模型為:

其中:

本研究根據(jù)計(jì)算得到的相似度選出與客戶性能需求最接近的產(chǎn)品實(shí)例，即相似度最大的產(chǎn)品實(shí)例。

1.2.2 產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)過(guò)程管理模塊

若檢索到的最相似的實(shí)例滿足客戶需求，則配置結(jié)束;若不滿足，表示性能需求目標(biāo)實(shí)例G與性能條件實(shí)例L存在沖突，則需進(jìn)行產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)。根據(jù)可拓學(xué)原理，本研究首先構(gòu)建矛盾沖突問(wèn)題模型P=G·L。然后構(gòu)建關(guān)聯(lián)函數(shù)K(P)，根據(jù)關(guān)聯(lián)函數(shù)值判斷性能是否滿足客戶要求，對(duì)于不滿足的性能通過(guò)發(fā)散樹(shù)分析方法和蘊(yùn)含系分析方法進(jìn)行事元拓展分析，發(fā)散樹(shù)分析模型和蘊(yùn)含系分析模型如圖2所示。

圖2 發(fā)散樹(shù)分析和蘊(yùn)含分析

本研究通過(guò)事元拓展分析獲得可以通過(guò)可拓變換最底層的配置基元，來(lái)滿足性能特征的需求。變換主要包括變換配置基元對(duì)象、基本變換算子生成、變換方向控制。

OT是實(shí)施可拓變換的名稱，則:

OT∈{擴(kuò)大，縮小，增加，刪減，置換，復(fù)制，分解，組合…}

可拓變換可表示為:

本研究通過(guò)可拓變換消解需求與實(shí)例之間的矛盾，從而生成產(chǎn)品配置方案集。產(chǎn)品性能需求與相似實(shí)例矛盾消減流程如圖3所示。

1.2.3 產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)知識(shí)管理模塊

目前對(duì)于配置性能需求的不滿足，研究者都是憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的改型，然后再進(jìn)行測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)某一或者某幾個(gè)性能的滿足，這將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期變長(zhǎng)，無(wú)法滿足客戶的快速需求。且沒(méi)有注意對(duì)于變換后數(shù)據(jù)的運(yùn)用和挖掘，包括實(shí)例的其他性能的變化情況，更沒(méi)有注意數(shù)據(jù)之間的相互影響。傳導(dǎo)知識(shí)挖掘是帶有矛盾前提的數(shù)據(jù)挖掘方法，該方法通過(guò)挖掘變換前、后性能結(jié)構(gòu)的影響關(guān)系，幫助設(shè)計(jì)人員在需求驅(qū)動(dòng)的配置設(shè)計(jì)過(guò)程中做出有利的決策，避免新的矛盾問(wèn)題的產(chǎn)生。

圖3 產(chǎn)品性能需求與相似實(shí)例矛盾消減流程

由于機(jī)械產(chǎn)品，無(wú)論是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)之間、產(chǎn)品性能之間、性能結(jié)構(gòu)之間總存在一定相關(guān)性，對(duì)產(chǎn)品實(shí)例結(jié)構(gòu)的變換，往往會(huì)引起產(chǎn)品實(shí)例其他結(jié)構(gòu)或者性能的傳導(dǎo)變換。為判斷哪些對(duì)象、特征發(fā)生了傳導(dǎo)變換，需要進(jìn)行定量描述。針對(duì)具體產(chǎn)品實(shí)例對(duì)象和特征數(shù)據(jù)，往往會(huì)出現(xiàn)變換前后對(duì)應(yīng)量值的變化，有些對(duì)象特征量值變換前后的差值很小。為了更準(zhǔn)確地描述什么是傳導(dǎo)對(duì)象和傳導(dǎo)特征，通常給定閾值δ＞0，當(dāng)發(fā)生變換的對(duì)象或者特征的量值差(傳導(dǎo)效應(yīng))Δvli=v'li－vli的絕對(duì)值滿足|Δvli|=|v'li－vli|＞δ的時(shí)候，則認(rèn)為相應(yīng)的對(duì)象或特征為傳導(dǎo)對(duì)象或傳導(dǎo)特征。

無(wú)論是產(chǎn)品實(shí)例結(jié)構(gòu)對(duì)象變換，還是產(chǎn)品實(shí)例性能特征的變換，這些主動(dòng)變換的傳導(dǎo)作用對(duì)傳導(dǎo)對(duì)象或者傳導(dǎo)特征究竟有多大的影響，需要通過(guò)傳導(dǎo)度進(jìn)行定量描述。

傳導(dǎo)度γ即可表達(dá)為:

傳導(dǎo)度表達(dá)了主動(dòng)變換量(Δv1=v'i－vi)與傳導(dǎo)效應(yīng)(Δv2=μ'j－μj)的關(guān)系，并通過(guò)設(shè)定傳導(dǎo)度值，來(lái)提取傳導(dǎo)知識(shí)。傳導(dǎo)度的大小表示在主動(dòng)變換實(shí)施過(guò)程后引起的可傳導(dǎo)性的程度，可見(jiàn)傳導(dǎo)度越小對(duì)于變換實(shí)施的可操作性越強(qiáng)及受約束性越小。

本研究用基于傳導(dǎo)變換的可拓分類知識(shí)表達(dá)主動(dòng)變換引起的傳導(dǎo)變換性能特征量值變化的程度，即由于傳導(dǎo)變換性能特征發(fā)生了量變(正、負(fù)量變)或者質(zhì)變(正、負(fù)質(zhì)變)。對(duì)于產(chǎn)品需求性能集:

式中:k(mj)—需求性能與產(chǎn)品現(xiàn)有實(shí)例性能的關(guān)聯(lián)度，Tli—性能特征事元分析對(duì)應(yīng)的配置基元結(jié)構(gòu)、材料等屬性主動(dòng)變換，mjTli—Tli引起的性能屬性變化的傳導(dǎo)變換對(duì)于論域MO關(guān)于性能特征屬性變換Tli的可拓配置集。

通過(guò)主動(dòng)變換，對(duì)于發(fā)生傳導(dǎo)的性能屬性分類為:

1.2.4 產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)方案管理模塊

產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)方案管理模塊的主要作用是當(dāng)設(shè)計(jì)人員完成配置設(shè)計(jì)時(shí)，生成全部設(shè)計(jì)物料信息，將變換后的產(chǎn)品零部件以及產(chǎn)品原有的零部件結(jié)構(gòu)以物料清單形式展現(xiàn)給相關(guān)工作人員。同時(shí)還可以查看整個(gè)產(chǎn)品的三維模型。

2 應(yīng)用實(shí)例

該系統(tǒng)以大型螺桿空壓機(jī)為應(yīng)用對(duì)象，根據(jù)客戶對(duì)螺桿空壓機(jī)的性能需求，進(jìn)行螺桿空壓機(jī)產(chǎn)品相似實(shí)例求解;對(duì)于性能不滿足需求，建立可拓矛盾模型，并采用性能結(jié)構(gòu)事元映射方法，通過(guò)可拓變換進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征變換，實(shí)現(xiàn)性能需求矛盾消解;提取相似實(shí)例變換前后性能特征數(shù)據(jù)，獲取主動(dòng)變換對(duì)于傳導(dǎo)特征影響程度，同時(shí)通過(guò)可拓分類獲取傳導(dǎo)變換知識(shí);最后，生成配置設(shè)計(jì)方案。但由于篇幅所限，下面僅給出幾個(gè)典型系統(tǒng)界面。

客戶需求物元模型的構(gòu)建如圖4所示，客戶可以在文本框和下拉框中輸入各性能需求描述，而在圖中“穩(wěn)定性”一欄中是一個(gè)模糊描述“好”，可以通過(guò)設(shè)定置信度系數(shù)，根據(jù)公式(2)，用三角模糊數(shù)表示為［8.4，11.6］參數(shù)域。

相似實(shí)例檢索界面如圖5所示。研究者根據(jù)上一步建立的需求物元模型，點(diǎn)擊“實(shí)例檢索”按鈕在實(shí)例庫(kù)中檢索與其相似度最大的產(chǎn)品實(shí)例，由圖5可知最后檢索結(jié)果是型號(hào)為L(zhǎng)G-6.3/10的螺桿空壓機(jī)與需求實(shí)例相似度最大，但噪聲、重量、潤(rùn)滑油量的性能仍不能滿足客戶要求，需建立可拓矛盾消解模型P=G·L，進(jìn)行下一步的產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)。

圖4 設(shè)計(jì)需求物元模型

圖5 相似實(shí)例檢索

設(shè)計(jì)過(guò)程矛盾消解界面如圖6所示。用戶點(diǎn)擊“關(guān)聯(lián)度”按鈕計(jì)算出各性能關(guān)聯(lián)函數(shù)值，噪聲、重量、潤(rùn)滑油三者的關(guān)聯(lián)函數(shù)值小于零，說(shuō)明這三者性能不滿足客戶需求，需要分別進(jìn)行事元分析，以噪聲為例，通過(guò)事元分析獲得可變換的配置基元為消聲器，對(duì)消聲器進(jìn)行可拓變換消解矛盾。

性能傳導(dǎo)特征提取界面如圖7所示。用戶在“變換后對(duì)應(yīng)性能信息元”一欄中可以通過(guò)“添加”按鈕輸入變換后的信息。點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，計(jì)算出變換前、后的信息元之差。

傳導(dǎo)分類知識(shí)提取界面如圖8所示，首先，通過(guò)設(shè)定閾值以及上一步計(jì)算得到的信息元之差判斷哪些是傳導(dǎo)特征或傳導(dǎo)對(duì)象;然后，計(jì)算出傳導(dǎo)度判斷主動(dòng)變換對(duì)傳導(dǎo)特征的影響程度;最后，提取傳導(dǎo)分類知識(shí)。

圖6 設(shè)計(jì)過(guò)程矛盾消解圖

圖7 性能傳導(dǎo)特征提取

圖8 傳導(dǎo)分類知識(shí)提取圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究運(yùn)用Microsoft Visual C++6.0在Solidworks平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的性能傳導(dǎo)知識(shí)配置設(shè)計(jì)系統(tǒng)，能夠有效地建立客戶模糊性能需求的物元模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)過(guò)程的形式化描述，通過(guò)實(shí)例庫(kù)的有效構(gòu)建能夠很好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)例信息的管理以及提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)傳導(dǎo)知識(shí)的挖掘和利用，能夠幫助設(shè)計(jì)人員迅速、準(zhǔn)確地獲得產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)方案，使配置設(shè)計(jì)更加智能化。本研究結(jié)合大型螺桿空壓機(jī)的實(shí)例，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和有效性。

［1］BROWN D C.Defining configuration［J］.Artificial Intelligent for Engineering Design，Analysis and Manufacturing，1998，12(4):301-306.

［2］ANDREAS G，CHRISTIAN K.Knowledge-Based Configuration-Survey and Future Directions［C］//Proceeding of 5th Biannual German Conference on Knowledge-Based Systems.Berlin:Springer，1999:47-66.

［3］GUT J A W，PINTO J M.Optimal configuration design for plate heat exchangers［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2004，47(22):4833-4848.

［4］楊煜俊，劉清華，萬(wàn) 立.基于條件約束滿足問(wèn)題的產(chǎn)品配置研究［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2004，10(11):1332-1337.

［5］樓健人，伊國(guó)棟，張樹(shù)有，等.基于知識(shí)的產(chǎn)品可拓配置與進(jìn)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2006，40(6):466-470.

［6］趙燕偉，蘇 楠，周 鵬，等.面向定制的產(chǎn)品可拓配置設(shè)計(jì)方法［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38(7):1153-1156.

［7］TSENG M.Case-based evolutionary design for mass customization［J］.Computers and Industrial Engineering，1997，33(2):319-322.

［8］何陳棋，譚建榮，張樹(shù)有，等.基于本體論和知識(shí)規(guī)則的大批量定制配置設(shè)計(jì)技術(shù)研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2004，15(9):783-791.

［9］ZHANG Y，GERSHENSON J K.Questioning the direct relationship between product modularity and retirement cost［J］.Sustainable Product Design，2002(2):53-68.

［10］譚建榮，張樹(shù)有，紀(jì)楊建，等.集成環(huán)境下大批量定制的產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)技術(shù)及其應(yīng)用［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2004，15(19):1706-1708.

［11］WANG Shi-wei，TAN Jian-rong，ZHANG Shu-you，et al.Case based product configuration and reuse in mass customization［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2004，17(2):233-236.

［12］黃 鈺，嚴(yán)洪森，崔志偉.基于模糊度量的質(zhì)量功能配置系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，29(Z1):155-159.

［13］林相華，譚建榮，裘樂(lè)淼.基于配置模板的快速配置設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究［J］.設(shè)計(jì)與研究，2006，33(3):4-5.

［14］譚建榮，李 濤，戴弱夷.支持大批量定制的產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2003，15(8):931-937.

［15］楊春燕，李小妹，陳文偉，等.可拓?cái)?shù)據(jù)挖掘方法及其計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)［M］.廣州:廣東高等教育出版社，2010.