支持多学科设计优化的产品集成设计知识模型

浙 江 大 学 学 报(工学版)

Journal of Zhejiang U niver sity (Eng ineering Science)

Vol.43No.10Oct.2009

收稿日期:2008 08 23.浙江大学学报(工学版)网址:w w w.journals.z ju.edu.cn/eng

基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20060335134);国家 863 高技术研究发展计划资助项目(2007AA04Z117);浙

江省科技计划资助项目(2007C21052).

作者简介:刘海强(1980-),男,江西安福人,博士生,从事产品建模、制造业信息化等的研究.E mail:liuhaiqiang1980@126.com.

通信联系人:纪杨建,男,副教授.E mail:m ejyj@zju.edu.cn

DOI:10.3785/j.issn.1008 973X.2009.10.017

支持多学科设计优化的产品集成设计知识模型

刘海强,纪杨建,祁国宁,胡 浩

(浙江大学现代制造工程研究所,浙江省先进制造技术重点研究实验室,浙江杭州310027)

摘 要:为了在工程设计中提高产品多学科设计知识的集成能力,通过研究产品多学科设计优化(M DO)的设计过程,提出一种支持多学科设计优化的产品集成设计知识模型.利用对产品设计知识应用特征的分析,研究产品集成设计知识的融合方法,阐述了产品设计知识的表达以及具体设计规则的匹配机制,分析了多学科设计知识获取和目标满意度评价的过程及方法.应用产品集成设计知识模型作为指导框架,采用GeneX us 开发工具,搭建了一个支持多学科设计优化的原型系统平台,并以具体产品的设计过程为例,在平台中验证了该设计知识模型的可行性和有效性.

关键词:设计知识模型;多学科设计优化;设计过程;满意度

中图分类号:T H 122 文献标志码:A 文章编号:1008 973X(2009)10 1841 07

Product integrated design knowledge model supporting

multidisciplinary design optimization

LIU H ai qiang,JI Yang jian,QI Guo ning,H U H ao

(I nstitute of M anuf actur ing Engineer ing ,Zhej iang Pr ov ince K ey L abor ator y of A dvanced

M anuf actur ing T echnology ,Zhej iang Univer sity ,H angz hou 310027,China)

Abstract:T o enhance the capability of integrating the pr oduct multidisciplinary design know ledg e in eng i neer ing desig n,a product integrated design know ledg e model for supporting m ultidisciplinary desig n opti m ization(M DO)w as proposed throug h studying the desig n process o f M DO.T he fusion m ethod of product integrated design know ledge w as ex plor ed by analyzing the applicatio n characteristics of product design know ledg e.T he kno w ledge expressing o f product desig n and the m atching mechanism s o f design rule w ere introduced,and the pr ocess and metho d of multidisciplinar y design know ledg e acquisition and o bjective satisfactio n degree evaluation w ere also analyzed.After,utilizing the pro duct integr ated design kno w ledge model as guiding framew ork,a pro to ty pe system platfo rm for suppor ting MDO w as established w ith soft w are developm ent to ol GeneXus.An ex am ple o f pro duct design w as used to validate the feasibility and effectiveness of the desig n know ledg e mo del in this platfor m.

Key words:desig n kno w ledge m odel;multidisciplinary design optimization(M DO);design process;satis faction deg ree

随着产品市场竞争的日益激烈,产品开发设计的过程和模式都发生了很大的变化.现代工业企业

采用了许多先进方法及其支撑技术来使得其产品获得最短的开发周期、最小的成本耗费和最高的性能.

产品设计的发展有两个显著的特点[2]:一是知识密集性,从单纯的几何优化设计向基于知识的性能设计、变型设计转变;二是学科协同复杂性,对于复杂机械产品的设计,往往有多方面的功能和性能要求,单靠某一学科的专门知识及设计人员难于完成产品的设计任务,因而需要多个学科的设计人员协同工作来完成.

由于机械产品的设计是一个多学科协同复杂、理论支持力度不够的过程,很多设计知识和经验很难用规则表达,因而基于实例推理方法受到广泛重视和大量应用[3].本文对多学科设计优化的设计过程进行了分析,提出了一种支持多学科设计优化的产品集成设计知识模型,用设计实例和规则综合集成产品设计相关知识,为设计人员提供必需的设计知识,并通过以往产品设计中成功设计实例和设计失误帮助设计人员做出合理的决策.

1 多学科设计优化的设计过程

多学科设计优化(m ultidisciplinary design opti m ization,MDO)方法是实现缩短复杂产品设计开发周期、降低产品开发成本、提高产品开发质量目标的有效手段.多学科设计优化的主要思想包括增加概念设计在整个设计过程中的比重,在各个阶段力求各学科的平衡,充分考虑各学科之间的相互影响和耦合作用,应用有效的设计/优化策略和分布式计算机网络系统,来组织和管理整个系统的设计过程,通过充分利用各学科之间的相互作用所产生的协同效应,以获得系统的整体最优解[4].

多学科设计优化的设计过程包括多个学科的分析或科学计算,也常常涉及到学科之间的设计数据耦合.用产品集成设计知识模型分析产品设计过程,可以更抽象、更有条理地了解复杂产品多学科设计优化的过程实现.

现代复杂产品设计过程包含的多个学科工作方式是一种合作设计模式,多个学科相互协同,共同得出设计结论.各个设计子任务之间往往不是顺序或并行的关系,它们之间的数据交换是多方向,不同量级的.根据设计子任务的内部关联方式可以将设计过程分为图1中的3种模式[5]:自顶向下模式、非层

次模式和混合式模式.复杂产品的多学科设计过程

图1 设计过程模式

F ig.1 Patter n o f desig n pr ocess

分解后一般是混合式模式.本文通过采用产品集成设计知识模型对混合式的设计过程进行指导建模,能有效且有序地描述复杂产品的多学科设计优化过程.

图2 复杂产品的一般设计过程及其相关设计知识

F ig.2 R eg ular desig n process and r elated desig n know l

edge of com plex pro duct

图2为产品设计的一般过程及其相关设计知识.图2左侧为产品设计的一般流程,主要有概念设计、初步设计及详细设计等,并涉及在不同阶段的设计评估.图2右侧为产品设计所涉及的设计知识,主要有设计规范、设计任务分解综合、工艺、设计计算、设计实例、校核、设计失误及设计修改知识等.

产品设计需大量应用设计知识和设计经验,在设计过程中设计知识应用的典型特征主要有:常规机械产品设计任务的分解知识通常是固化不变的;产品设计从概念设计到详细设计均具有设计任务的典型特征,即产生设计建议解、建议解评估和设计修改,且具有很强的学科特征;设计知识与设计任务有关,复杂的设计任务可分解为一系列子任务,而子任

1842浙 江 大 学 学 报(工学版) 第43卷

务可迭代分解,任务求解需要大量的选择、计算、分析、推理、评估、决策、修改等知识;设计知识的表现形式和存储形态各异,且具有动态性,很难采用单一的知识表示方法;设计过程是设计知识应用和产生的过程;设计知识的重用,尤其是对过去设计实例(包括成功设计和失败设计)的重用,是实现快速设计的关键[6].

2 产品集成设计知识模型

产品设计涉及到多个学科,是知识密集的活动.设计人员常常采用分解综合的方法将复杂的产品设

计任务分解为一系列相对简单的子任务.产品设计尤其是变型设计可以重用企业多年设计实践积累的设计经验和设计知识,以适应快速变化的市场需求[7 8]

.因此,迫切需要研究有效的设计知识模型和知识管理系统,为设计人员提供需要的设计知识,并通过以往产品开发过程中的成功设计方案和设计失误帮助设计人员做出合理的决策.通过用设计实例和规则综合表达复杂产品设计中相关的设计知识、产品零部件数据关系以及在产品设计中集成的各学科设计和优化知识等.

集成设计知识模型是以产品数据模型为组织核心,把产品设计的描述知识关联起来,建立设计实例和规则的综合表达、动态的匹配知识,来获得产品综合最优设计结果.产品集成设计知识模型如图3所示.第一层为任务层,即给出统一产品设计任务的分解结构;第二层为描述层,即对第一层选取的任务节点进行设计问题描述,包含设计问题定义、设计问题管理、决策方案组织和学科参数输入及方案评价4个步骤;第三层为求解知识层,是第二层具体设计任务的解决方法,求解知识按照任务模板的结构定义方式实现知识的规范化表示;第四层为数据库层,包括知识库、规则库、产品模型库、计算程序库以及接口模块,用于支持第三层.模型的各个层次之间可通过映射相互联系,任务层的子任务和基本任务映射到描述层进行分解,而描述层的方法又会映射到求解知识层中的知识,通过这种知识模型的层次划分,可有效实现设计知识的分层和分类表示,从而最大化地实现知识的重用.

设计问题定义的功能主要是辅助参与者能够方便地编辑出符合系统要求的规范的设计问题描述信息,设计问题管理的功能主要是对设计问题的信息进行总体管理,包括设计信息的查找、读取、

修改和

图3 产品集成设计知识模型

F ig.3 P ro duct integr ated design kno w ledg e model

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第10期

刘海强,等:支持多学科设计优化的产品集成设计知识模型

3 产品集成设计知识的融合

产品设计中几何描述是必不可少的,必然涉及到设计知识与几何模型的融合,而且机械设计知识规范性差,交叉性强,难以用单一的知识表达方式表达.本文用实例和规则综合表达机械产品设计知识,其关键技术包括:对产品设计知识的表达、设计规则的匹配机制、多学科设计知识获取以及目标满意度评价.

3.1 产品设计知识的表达

设计问题是以XM L格式来表达的,XML格式的信息具有良好的树状结构,形成了XM L格式的决策树后,各种选择项的层次关系就得以体现,通过解析器来遍历这棵树的设计问题,这棵树有几个叶节点就有几个决策组.把这些遍历的线路都记录下来得到这个设计问题的所有决策,最后把这些信息都保存在集成数据库中的决策表中.比如以转子转鼓级设计为例,其设计知识问题表示如下:

<设计问题>转鼓级组设计方案的确定

<待定决策组>

<转子叶片>

<动叶片>

<材料>X20CrM o13

<材料>X22CrM o V12 1

<末级强度弯应力>75 6

<静叶片>

<材料>X20CrM o13

<材料>X22CrM o V12 1

<末级强度弯应力>74 6

<叶根强度>

<材料>X20CrM o13

<材料>X22CrM o V12 1

<强度压力>393 5

<待定参数>

<参数>进口转子根径D0N

<参数>出口转子根径D2N

3.2 设计规则的匹配机制

设计人员在开始设计时,一般都采用类比推理的模式,将新的设计问题与以往的设计相比较,从中选出最接近的方案,以作为设计模板进行适当修改,得到满足设计要求的新方案.修改的过程通常是演绎推理的过程,这就涉及设计规则的匹配问题.

实例和规则采用统一的编码机制,特征集是指能概括实例的主要功能和结构,且能使实例相互区分的特征集合,特征属性集是某一特征可能取值的集合.特征集和特征属性集根据所在学科定制并可以动态地扩充,用以描述实例和规则的索引.特征项和特征属性有明确的工程语义,而特征属性代号是区分同一特征项不同特征属性的编码.实例索引码和规则条件子句分别是一个序列,序列的各元素用相应特征项的特征属性代号以代号或代号集的形式编码,问题索引码的表示方法同实例索引码表示类似.本文采用设计规则匹配算法,当前设计问题与设计规则的匹配度为

V=!

N

Q

i=1

(W i∀Sim)/!

N

Q

i=1

W i.(1)式中:N Q表示问题描述码的长度;W i为第i个特征的权重;Sim表示当前问题描述码和规则条件子句第i位的相似度.其中Sim的可以表达为

Sim=

S i(l,k),Q i#R i= 且1∃i∃N C;

2∀!

N A

n=1

!N A

m=n

S i(m,n)

N A∀(1+N A)

,Q i#R i= 且N C∃i∃N Q;

1,Q i#R i% .

(2)

式中:Q i和R i分别为问题描述码和条件子句第i位元素;l=min(V∀Q i,V∀R i),k=m ax(V∀Q i, V∀R i),V∀Q i和V∀R i分别表示问题描述码和条件子句第i位元素在相应特征属性集中的序号; S i是第i个特征项所有特征属性间相似度矩阵,是一个上三角阵;m=1,2,3,&,n=1,2,3&;N C表示该特征项包含的特征属性的个数;N Q和N A分别表示问题描述码和实例描述码的长度,N Q∋N A.

根据以上算法,从规则库中搜索出与当前设计

1844浙 江 大 学 学 报(工学版) 第43卷问题最匹配的前N条规则,如果规则结论是规范的信息,可实现实例的自动调整.

3.3 产品多学科设计知识获取

根据产品设计知识模型的结构化设计知识表达形式,将设计知识与具体设计任务相关联,并将设计任务所应用的知识进行规范说明,可便于和相关学科设计人员的交流.表1为本文给出的集成产品设计知识获取工作表,通过此表可获取设计任务所应用知识的规范说明、可能的瓶颈和待改进的领域.

表1 产品集成设计知识获取表

T ab.1 A cquisition table o f product integr ated design know ledg e

设计任务设计知识

设计问题基本特征

任务目标

规范与准则

参数输入

输出

约束条件

知识

描述

基本

特征

知识类别

知识表达

所属学科

表现形式

典型实例

综合学科

优化方法

方案评价

修改方法

3.4 目标满意度评价

在产品多学科设计优化过程中,由于不同学科追求的目标存在差异,不同学科的设计人员用自身的专业知识、设计准则和经验来设计开发产品,最大限度地满足本学科的目标,虽然他们设计的是同一个产品,但他们所关注的是产品的不同侧面,不可能完全.同时不同学科的设计目标量纲及数量级可能差异很大,难于相互比较.多学科设计优化是一个多目标决策问题,它的解是Pareto非劣解集,各学科无法同时获得各自目标的最优值,只能获得在一定程度上所满意的解.

学科的满意度函数对让步的一阶导数为负,因为当某学科做出让步时其满意度总是降低的;学科的满意度函数对让步的二阶导数应小于或等于零,因为各学科总是企图使自身的目标尽量最优,而让步导致的满意度损失却使迭代增大,也即某学科让步次数越多,其满意度的损失就越多;将参与某个设计问题协同的学科根据它们的观点分成两类,这两类学科所持的观点是相反的,它们的让步量是互补的,一方进,另一方则退.对于持同类观点的学科采用等量让步的策略,属于该类的所有学科的让步量均设为C,则持相反观点的学科类的让步应为1-C.

对学科的让步量C及目标满意度S均进行规范化处理,即0∃C∃1和0∃S∃1;当C=0时,表示一点都不肯让步,则将得到100%的目标满意度,即S=1;若当C=1时,将得到0%的目标满意度,即S=0.这些构成了多学科在满意度域中协商的边界条件.根据上面的假设和边界条件,可以推出两类学科对设计问题j的满意度函数:

S(j(C j)=1-C x j,(3) S)j(C j)=S(j(1-C j)=1-(1-C j)x.(4)式中:x是幂指数且x∋1,它在一定程度上反映了学科的设计意图及策略,由于x值的差异,不同的学科虽然做出同等的让步量,但获得的满意度却并不一定相同.x越大,满意度函数曲线变化越平缓,做出较大的让步时仍可获得相当的满意度.所以学科设计者可以通过选定x值来表达自己的立场与策略,确定自己的满意度函数.学科设计者对设计问题所赋予的权重,也体现了其偏好.对设计问题j的综合满意度可表示为

S j(C j)=!

n

1

i

1

=1

W i1d W i1j S(j(C j)+!

n

2

i

2

=1

W i2d W i2j S)j(C j).

(5)式中:n1、n2分别表示两类学科中包含的学科数目; W d、W j分别表示对设计问题d、j的特征权重.由式(5)可确定综合满意度S j和最大的让步量C*j,再通过映射关系就可确定与C*j对应的关于设计问题j 在物理域中的解.

4 应用实例

基于以上介绍的支持复杂产品多学科设计优化的集成产品设计知识模型,以及产品多学科设计知识的融合方法,笔者利用GeneXus工具开发了一个支持多学科设计优化的原型系统,数据库系统是SQL Server2000,系统代码采用Java编译器编译.以某工业汽轮机转子通流部分的设计作为系统应用实例,其中涉及到了结构设计、热力分析、强度设计等多个学科.

转子通流部分的设计任务可分解为调节级、转鼓级、低压级、动叶、静叶等子任务,而这些子任务又可进一步细分.设计问题定义与管理通过设计人员填写集成产品设计知识获取表,将该任务的相关设计知识从集成数据库中提取和管理.学科参数输入及方案评价是根据各学科提供的参数值、权重值和满意度函数的幂指数值等信息利用集成产品设计知识模型对决策方案进行处理,得出决策方案后向各学科公布.

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第10期刘海强,等:支持多学科设计优化的产品集成设计知识模型

以下描述的是基于产品集成设计知识模型多学科优化实施过程:

步骤1 设计用户要向系统管理服务器进行注册和登录,通过后,可进行设计信息的录入、查询和修改.

步骤2 创建工作项目,确定设计项目的设计任务,整个系统以设计任务为基本单位,每个任务都

是一个的学科分析或优化过程.

步骤3 填写集成产品设计知识获取表,根据产品设计知识模型的结构化设计知识表达形式,将设计知识与具体设计任务相关联,对任务节点进行设计问题描述,包含设计问题定义、设计问题管理、决策方案组织和学科参数输入及方案评价,图4为描述系统的各学科设计参数输入及方案评价

.

图4 学科参数输入及方案评价

F ig.4 Input pa rameters of disciplinar y and ev aluatio n o f scheme

步骤4 通过集成模块可以通过调用产品集成设计知识模型求解知识层的相关设计知识、约束满足条件定义和设计计算程序,以及对设计目标满意度进行分析评价.其中图5描述了设计任务的执行及集成模块.

4个步骤在实施过程中不断循环,系统可以根据设计需求不断丰富设计知识和经验,对知识模型进行改进和优化,对学科模型数据进行修改,将变化信息传给系统数据库,系统更新学科模型参数并返回评测结果,若满足设计要求则确认更新,将获取的学科相关数据在系统数据库中存储.

各学科根据自己的意图来确定其满意度函数型式,对应式(3)和(4),结构设计学科取x =3.0,热力设计学科x =2.0及强度设计学科取x =2.5,

则各学科的满意度函数如下.

图5 设计任务的执行及集成模块

F ig.5 Ex ecut ion of design task and integ rated mo dules

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几何结构设计学科:S 11(C)=1-(1-C)3

;热力设计学科:S 21(C)=1-C 2

;强度设计学科:

S 31

(C)=1-C

2.5.

系统赋予3个学科的权重分别为

w 1=0.4,w 2=0.3,w 3=0.3,

通过式(5),获取综合满意度为

S 4

1(C)=0.4∀(1-(1-C)3

)+0.3∀(1-C 2

)+0.3∀(1-C 2.5

).

同时在目标评价窗口中输出目标满意度函数曲线图如图6所示.图中的曲线表达了几何、热力、强度学科的目标满意度及综合满意度情况

.

图6 目标满意度曲线图

F ig.6 Satisfaction deg ree cur ve of o bject

该系统可通过与CAD 系统、PDM 系统的集成交互,实现对客户的需求信息、设计信息、管理信息和制造信息的统一描述,同时对各学科设计过程、设计人员和生产过程中使用的资源信息也可进行集成管理.

5 结 语

本文对多学科设计优化的设计过程进行了分析,提出了一种支持多学科设计优化的产品集成设计知识模型,通过对产品设计知识的表达、设计规则的匹配机制、多学科设计知识获取以及综合目标满意度评价来实现集成产品设计知识的融合,为设计人员进行多学科设计优化提供必需的设计知识并且帮助设计人员做出合理的决策.

多学科设计优化的设计过程是一个很复杂的过程,需要综合考虑各学科的主观和客观因素.产品集成设计知识模型能为复杂产品多学科设计优化的设计过程提供理想框架,产品集成设计知识模型可实

现设计知识的分层与分类表示,清晰地表示设计知识能有效地实现知识的重用.在未来工作中,将进一步完善设计知识模型描述方法和原型系统,深入研究多学科设计优化的产品开发平台来支持复杂产品的开发设计过程.

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