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应用力学与材料学 卷339（2013）页码378—383
copy;（2013年）跨技术刊物，瑞士
数字对象识别码:10.4028/www.scientific.net/AMM.339.3
面向产品创新的知识建模与求解策略设计
陈吉温1,2，a 张金生2,b 杨红娟3,c
（
- 山东建筑大学机械与电子工程学院，济南，山东，中国250101
- 山东大学机械工程学院，济南，山东，中国250062
- 山东建筑大学信息与电气工程学院，济南，山东，中国 250101
- chenjiwen@sdjzu.edu.cn, b.zhangjs@sdu.edu.cn, c.yanghongjuan@sdjzu.edu.cn )
关键词：创新设计；知识建模；前沿系统；本体映射；变异空间
摘要.
知识建模和求解策略是改进知识库的关键技术,具有设计知识体系的复杂产品创新设计能力。针对产品行为知识的形式化表达，从键合图中引入广义变量。 理论。运动行为的属性是用来实现和静动态行为的统一。利用六元组结构构造了产品设计功能、行为、结构知识的本体模型。采用广度优先搜索FBS实体映射策略，在产品设计知识库中根据相似性实现产品设计。产品设计新需求引入的新功能，提出了基于变异空间的概念学习方法，得到一般功能单元或特殊功能单元。然后通过FBS实体映射策略实现了创新设计。金刚石圆锯在石材开采、混凝土建筑修复、核电站拆除等多个领域有极大的用途，多绳金刚石圆锯具有切割效率高、切割精度高、锯片寿命长、板材平整度高、功耗小等特点。通过多绳金刚石圆锯片创新设计实例验证了该方法的有效性。
引言.
创新是指以现有的思维模式提出有别于常规或常人思路的见解为导向,利用现有的知识和物质，在特定的环境中,本着理想化需要或为满足社会需求，而改进或创造新的事物、方法、元素、路径、环境，并能获得一定有益效果的行为。
创新是以新思维、新发明和新描述为特征的一种概念化过程。其起源于拉丁语，有三层含义:第一，更新;第二，创造新的东西;第三，改变。创新是人类特有的认识能力和实践能力，是人类主观能动性的高级表现，是推动民族进步和社会发展的不竭动力。一个民族要想走在时代前列，就一刻也不能没有创新思维，一刻也不能停止各种创新。创新在经济、技术、社会学以及建筑学等领域的研究中举足轻重。创新是提高产品竞争力的根本途径，它直接决定了产品的80%以上的价值[ 1 ]。现有产品知识、设计原则和设计过程贯穿于产品创新设计的每一个环节。 基于知识的产品创新设计是现代产品设计领域的一个研究热点。功能解决是基于知识的产品创新设计中最具创新性的过程。运用面向对象方法和生产规则，涂建立了FBS知识模型，实现产品概念设计的启发式求解[ 2 ]。基于重用的复杂产品设计统一建模语言模型知识， 徐建立FBS知识[ 3 ]。利用实体知识表示建立产品设计知识库，研究本体映射算法，搜索实体知识库实现产品设计[ 4 ]。 目前，基于实体的知识建模存在两个主要问题，一个是缺乏有效的产品行为知识的形式化表达，另一个是基于相关属性的FBS映射对创新没有帮助，FBS建模和求解策略有待进一步改进。
本文从键合图理论出发，引入广义变量表达产品行为知识，实现动态行为与静态行为的统一。 构建了产品设计知识本体模型。产品创新设计是通过功能求解实现的，用FBS实体映射策略搜索产品设计知识库。
FBS设计知识模型
设计知识建模是为了保证设计知识的有效共享和重用，保留不同类型之间的关系，形成标准设计知识术语和领域知识。
设计知识表达
函数表示“做什么”。函数库适用于产品创新设计中功能的泛化描述[5]。能量流、物质流和信息流被用来描述函数的输入和输出。函数用函数项集描述，包括类型、基本、极限流和同义词。 类函数是基本函数的推广。基本功能是类函数的规范。能量流、物质流和信息流的描述流词集，包括类型、基本、子流程和流程的补充。 行为表达“怎么做”。它反映了能量、物质的动态传递过程。 和信息。广义变量描述了能源的现状，从键图理论的材料和信息 。利用运动行为属性实现动态行为与静态行为的统一。运动行为的属性，包括属性和约束属性 。类型属性包含运动模式、轴、方向、连续性和范围。 行为约束属性包括运动速度变化、轴变化。对于行为，还应该区分值属性。运动行为关系属性用于描述不同行为之间的关系。
结构表示“使用什么组件”。基于邹慧君驱动器目录[ 6 ]，知识结构与输入运动输出运动表示属性。
FBS设计知识本体模型
利用六元组结构构造了产品设计功能、行为、结构知识的本体模型。
KO=lt;C,AC,R,AR,H,Xgt; (1)
其中，KO是知识本体；C是某个领域的概念；交流是属性集C；R组C的关系；AR是R的属性；H是概念水平C；X是概念之间关系的概念或属性值约束的约束。
根据函数的知识表达，用六元组结构构造函数本体模型，如图1所示。 其中，属性“function_name”是用来表达功能名称；属性“function_description”是用来描述功能；属性“function_type”是用来参考函数项标准术语表达功能型 类；属性”function_input”和“function_output”是用来描述输入参考流术语类标准术语的功能输出。通过添加类实例，建立产品设计的功能实体知识库。
建立了行为和结构实体知识库，如图2所示，如图3所示。
表1 功能实体
表2 行为实体
表3结构实体
基于FBS本体映射的创新设计
从产品的总体功能来看，基于FBS映射的产品创新设计包含三个过程：功能求解、功能映射到行为、从行为映射到结构，如图4所示。
函数求解是从产品总体功能到基本功能单元的过程，实现产品功能的解决方案。它可以用函数分解原理来实现[ 7 ]。
从功能到行为的映射就是获得能够实现功能单元的行为。主要有三种类型：映射功能行为1型（FB1）、2型（FB2）功能的行为，功能-行为- 3型（FB）。
FBS本体映射策略
搜索设计知识库实现产品设计。FBS映射是从功能到结构的关键技术。 设计知识库中函数、行为与结构的关系更为映射。它符合数据结构图[ 8 ]。 广度优先搜索是选定的FBS本体映射策略，如图5所示。
图4面向产品创新设计的FBS映射
图5 FBS本体映射策略
基于FBS实体映射的创新设计
FBS实体映射是创新设计的关键。它包括两个产品知识库和基于变异空间的概念学习。
搜索设计知识库
设计知识库类与名称相似度相匹配。普拉烈系统也配以同样的方式。让 xi,yi成为知识库的一类。
S(xi,yi)=Sn(xi,yi) (2)
其中，S(xi,yi)类似于xi,yi
在产品本体设计中，根据产品名称相似性，在设计知识库中进行搜索，实现产品设计，从功能到行为的映射算法。它包括：
- 对于函数单元，搜索函数知识库获取匹配的函数实例，实现输入、输出属性和输入输出之间的约束属性。过滤属性以获得能量域中的属性。
- 搜索行为知识库获取行为实例的输入特性、输出特性和输入和输出之间的约束性能同1，FB1映射实现。
- 搜索行为知识库以获取其输入属性与1相同的行为实例，导出输出属性。
- 搜索行为知识库得到的输入特性3输出性能的情况下，实现FB2映射。
- 加入功能单元的下一个功能单元，搜索行为知识库得到的输入性能的功能单元相同的行为的情况下，输出特性是下一个功能单元相同，实现FB2映射
从行为映射到结构类似于从函数映射到行为。这篇论文不详细讨论。
基于变异空间的概念学习
设计一些新功能是设计创新的本质，以满足新的需求。在本文中，功能、行为、结构模型的建立与知识实体。概念之间的关系是从一般到具体的。 概念的变体空间由概念的伟大的一般和特殊的特殊成员来表达（9）。变异空间反映了概念之间的泛化和形态。从这一事实出发，基于变异空间是为了获得一般概念或特殊概念而提出的。
对于新需求所涉及的新功能单元，如果在行为知识库中没有匹配行为，则利用基于变异空间的概念学习得到变异函数单元。 然后基于变量函数单元，利用FB映射实现新的功能单元设计。
基于变异空间的函数概念学习原理和基于变异空间的行为概念学习是相似的。本文提出了一种基于变异空间的函数概念学习方法选择的过程介绍。 函数知识表达式中的函数项包括第一函数、第二函数、第三函数和通信函数。不同级别的函数项之间的一般关系和特殊关系如图6所示。
图6 从不同的水平表达之间的功能关系
基于实体的属性匹配用于知识库中不同类的匹配。对于某一功能单元的“功能”，决定物业”function_type”的“功能”，确定“function_type”属于“类”，将“类”的所有对象的属性，对象属性的搜索特定的功能单元的“功能”。
以“切实”功能为例，不同功能单元可以通过搜索知识库实现SPARQL [ 10 ]。程序如下：
PREFIX cjw:lt;http://www.owl-ontologies.com/ Ontology1334058842.owl# gt;
select *
where
{ cjw:cutting_solid cjw:function_type ?s.
?s rdf:type ?s2.
?s3 rdfs:domain ?s2.
?s ?s3 ?s4. }
图8是结果。其中，“cutting_solid”功能单元；功能型是“删除”，属于“teritary_function”类；“teritary_function”类有两个对象性质 “is_tertiary_function_of”和“has_tertiary_function”。属性“is_tertiary_function_of”表示 特殊到一般过程。属性”has_tertiary_function”表示一般到特殊的过程。因此，“单独”是伟大的总变异函数功能单位“cutting_solid”。“切”，“钻”、“车床”是大的特殊变体功能。
伟大的一般和特殊变异函数可以代替原有的功能单元实现创新设计。替代过程可以是可持续性的，逐步获得大的、一般的、特殊的特殊变异函数。基于变异空间的概念学习可以拓展函数的搜索范围。从大的通用性和大的特殊变体功能出发，通过FBS映射可以实现新需求所涉及的功能单元设计。
图7变异函数的功能单位”cutting_solid”
例子
多绳金刚石锯的创新设计能力是石材开采、混凝土建筑修复、核电站拆除领域的关键。 OWL是用来建立多绳金刚石锯Protege3.4.4知识库，根据FBS本体知识模型。根据一些公司的多线金刚石锯片产品添加实例。
设计要求的多绳金刚石串珠锯包括原石的最大长度为350厘米，最大绳数为34根，最大高度为210厘米，最大的绳线速度为40米/秒，石材的进给速度0-3.2毫米/秒，厚度规格有20毫米、30毫米的两个基本的最小厚度。新功能要求是最大绳数和最大绳线速度增加。
功能translate_tool”是影响最大的绳线速度的主要运动最大的绳号。以“translate_tool”来形容创新设计为例，基于FBS本体映射的过程。楼市“function_type“translate_tool”“翻译”。搜索功能的情况下，其财产”function_type”是“翻译”。出口输入函数实例的SPARQL查询输出特性。过滤属性范围。在能量场中获得输入、输出特性。搜索FB1、FB2，FB行为的行为知识库。搜索BS1，BS2，结构知识库BS3的结构如图8。
图8 结构的功translate_tool
考虑到系统效率，选择带传动转为转译。主动带轮主动旋转，皮带转译。主要有四种结构，包括两轮、三轮、四轮、主动轮下的定向轮。组合锯片基体的加工采用组成技术，成组加工，以实现同组产品的外径，内径、厚度、硬度、平面度、端挑、应力分布等多项指标的一致性。
两轮和三轮传动结构要求直径的主动轮和切片器大于2.1m的技术要求较高，制造成本增加，安装和维护成本。四轮皮带传动减少382机电与控制工程主动轮直径为0.8m有效降低成本和制造难度。由于四轮皮带传动的包角，最大传动功率受到限制。 当绳数达到40根时，电机功率应大于180千瓦。主动轮下定位轮可增加传动角，降低传递功率。同样的FBS本体映射的方法来实现其他功能单元的设计，最后形成六轮结构设计方案的多绳金刚石锯片。
结论
产品设计，一个创造性
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资料编号：[15813]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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