本發(fā)明涉及知識工程領(lǐng)域，具體涉及支持協(xié)同設(shè)計知識共享的產(chǎn)品設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能制造技術(shù)的快速發(fā)展，知識已經(jīng)成為企業(yè)不可或缺的關(guān)鍵性資源，是企業(yè)競爭中的重要因素，其正在逐漸取代土地、勞動、資本和機器設(shè)備，成為最重要的生產(chǎn)要素。與此同時，產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜性和專業(yè)化程度不斷提高，作為知識密集型的過程，產(chǎn)品設(shè)計無法由單個設(shè)計人員獨立完成，多個或多組設(shè)計人員進行協(xié)同設(shè)計成為了產(chǎn)品設(shè)計的主要形式。

產(chǎn)品設(shè)計階段是決定制造業(yè)生產(chǎn)處高質(zhì)量、低價格產(chǎn)品的關(guān)鍵，直接影響了產(chǎn)品的整個生命周期。作為敏捷制造、并行工程、網(wǎng)絡(luò)化制造的基本支撐技術(shù)，產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計已經(jīng)成為目前的研究熱點和前沿技術(shù)，顯示出良好的發(fā)展前景。在激烈的市場競爭環(huán)境下，企業(yè)不僅需要以最短的時間、最好的質(zhì)量、最低的成本將產(chǎn)品投入市場，還必須滿足不同用戶的個性化需求，更重要的是提高產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計能力，以最快的速度開發(fā)出具有獨占性技術(shù)的產(chǎn)品。因此現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計越來越強調(diào)基于分布式知識資源的協(xié)同設(shè)計方法。因此，建立一個支持知識共享、人員和技術(shù)及工具集成的設(shè)計環(huán)境，支持多學(xué)科設(shè)計人員實現(xiàn)異地協(xié)同設(shè)計成為現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)研究的熱點。

產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計是一個分階段的設(shè)計知識共享和綜合決策過程，一般由各設(shè)計小組分別承擔不同的設(shè)計子任務(wù)，形成一系列設(shè)計模塊，協(xié)作進行產(chǎn)品設(shè)計。這些設(shè)計模塊的在時間上表現(xiàn)為并行獨立、串行依賴或交叉耦合的過程，相應(yīng)地表現(xiàn)為模塊之間設(shè)計知識的獨立、單向依賴和相互依賴關(guān)系。協(xié)同設(shè)計中的交互關(guān)系復(fù)雜，主要表現(xiàn)在：各設(shè)計模塊之間存在參數(shù)約束關(guān)系；模塊之間的關(guān)聯(lián)具有多樣性，如串行關(guān)系和交互耦合關(guān)系等；一個設(shè)計模塊的修改會導(dǎo)致其他設(shè)計模塊的修改。因此提高設(shè)計知識共享水平，成為降低協(xié)同交互關(guān)系復(fù)雜性，提升設(shè)計效率的重要途徑。

協(xié)同設(shè)計過程中設(shè)計模塊需要從其他模塊獲取設(shè)計知識，開展本模塊的詳細設(shè)計。目前協(xié)同設(shè)計知識共享方法有很多不足和問題，主要體現(xiàn)在：(1)各設(shè)計模塊有獨立的知識表示方式和存儲結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)的知識難以用統(tǒng)一的模型表達并進行重用。(2)設(shè)計人員的設(shè)計對象和學(xué)科領(lǐng)域不同，對同一概念的表述不同，為知識共享帶來不便，在對設(shè)計概念進行共同理解的基礎(chǔ)上進行知識交互非常重要。(3)此外，模塊之間一致性規(guī)則的存在導(dǎo)致了可能發(fā)生的沖突，對模塊知識共享產(chǎn)生影響，需要在知識共享過程中同步地進行一致性檢查并消除沖突，得到各協(xié)同模塊都接受的設(shè)計結(jié)果。(4)知識共享內(nèi)容不完善，沒有在知識明確分類的基礎(chǔ)上對所有設(shè)計知識進行體系化的共享，并且對一致性規(guī)則的表達不完整，只能實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)的簡單數(shù)學(xué)關(guān)系規(guī)則。

綜上所述，現(xiàn)有的方法不足以支持協(xié)同設(shè)計知識共享和一致性檢查的工作，降低了協(xié)同設(shè)計效率。需要一種新的知識共享方法來完成這項工作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種支持協(xié)同設(shè)計知識共享的產(chǎn)品設(shè)計方法，能夠有效促進協(xié)同設(shè)計中不同設(shè)計模塊之間的知識共享，使設(shè)計人員實時獲取其他設(shè)計模塊的設(shè)計知識，實現(xiàn)協(xié)同知識共享，提高協(xié)同設(shè)計效率。

一種支持協(xié)同設(shè)計知識共享的產(chǎn)品設(shè)計方法，該產(chǎn)品設(shè)計方法的具體步驟如下：

步驟一，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的一般流程概念構(gòu)建元本體，不涉及具體的設(shè)計對象；所述元本體即協(xié)同本體的總體框架，是產(chǎn)品設(shè)計的一般流程，表達產(chǎn)品設(shè)計的通用概念，包括設(shè)計屬性類及設(shè)計任務(wù)類，所述設(shè)計屬性是接口最基本的設(shè)計要素，用于表達產(chǎn)品設(shè)計的各種數(shù)值或非數(shù)值參數(shù)；所述設(shè)計任務(wù)用于對設(shè)計模塊、目標、流程、設(shè)計模塊之間的關(guān)聯(lián)及功能進行描述；

步驟二，在元本體的基礎(chǔ)上針對設(shè)計對象構(gòu)建領(lǐng)域本體，元本體和領(lǐng)域本體共同形成完整的協(xié)同本體；所述領(lǐng)域本體是在元本體中類的基礎(chǔ)上具體化形成面向設(shè)計對象的類，實現(xiàn)本體由總體框架到詳細的協(xié)同本體的細化；

步驟三，在協(xié)同本體中將接口要素關(guān)聯(lián)在接口中；所述接口要素包括從領(lǐng)域本體中提取的設(shè)計屬性和設(shè)計任務(wù)，以及指定的設(shè)計規(guī)則及約束；

步驟四，將針對設(shè)計對象具體的設(shè)計數(shù)據(jù)添加到協(xié)同本體中，并將一系列設(shè)計結(jié)果以實例的形式存儲在設(shè)計屬性中，領(lǐng)域本體的一系列設(shè)計模塊之間通過接口提取接口要素中的知識進行共享及設(shè)計。

進一步地，所述產(chǎn)品設(shè)計方法進一步包括通過接口讀取接口要素中的設(shè)計規(guī)則及約束，基于pal語言對實例進行一致性檢查，將違反設(shè)計規(guī)則及約束的實例以表單的形式返回并進行修改，形成最終設(shè)計結(jié)果。

進一步地，所述設(shè)計規(guī)則分為兩類：參數(shù)規(guī)則和經(jīng)驗規(guī)則，分別定義設(shè)計參數(shù)中數(shù)值型約束和難以用數(shù)學(xué)關(guān)系表達的復(fù)雜設(shè)計屬性的規(guī)則。

有益效果：

1、本發(fā)明方法基于本體建模方法，將不同結(jié)構(gòu)的知識用統(tǒng)一的模型表達且可以重用，同時使概念規(guī)范化，消除了語義異構(gòu)性帶來的不便；其次，能夠通過接口提取接口要素中的知識實時獲取其他設(shè)計模塊的設(shè)計知識，實現(xiàn)協(xié)同知識共享，提高協(xié)同設(shè)計效率。

2、本發(fā)明方法基于pal語言能夠?qū)嵗驮O(shè)計規(guī)則及約束進行一致性檢查，確保了設(shè)計結(jié)果符合設(shè)計約束，減少了設(shè)計錯誤和設(shè)計沖突問題的發(fā)生，提高了協(xié)同設(shè)計的效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為本發(fā)明的元本體結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明設(shè)計方法的接口形式和內(nèi)容；

圖4是本發(fā)明采用pal語言建立規(guī)則示意圖；

圖5是發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)圖；

圖6是曲軸結(jié)構(gòu)圖；

圖7是汽車發(fā)動機缸體的領(lǐng)域本體圖；

圖8是接口界面圖；

圖9是一致性檢查圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。

首先對產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計模式進行說明。當形成產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)后，進行人員和資源配置，將設(shè)計任務(wù)分解為一系列子任務(wù)并將其分配給各設(shè)計小組，形成不同的設(shè)計模塊。各設(shè)計模塊之間互相協(xié)作，共同完成產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)。本發(fā)明方法主要解決串行依賴和交叉耦合設(shè)計模塊的知識共享問題。串行依賴中一個設(shè)計模塊的完成是另一個設(shè)計模塊的前提條件，單方面進行知識共享；交叉耦合是指各模塊互為前提條件，即模塊之間進行設(shè)計知識的雙向共享。

本發(fā)明提供的支持協(xié)同設(shè)計知識共享的產(chǎn)品設(shè)計方法，基于本體建模方法構(gòu)建元本體及領(lǐng)域本體，元本體和領(lǐng)域本體共同形成完整的協(xié)同本體。

協(xié)同本體分為元本體及領(lǐng)域本體。元本體即協(xié)同本體的總體框架，是產(chǎn)品設(shè)計的一般流程，表達產(chǎn)品設(shè)計的通用概念，包括設(shè)計屬性類及設(shè)計任務(wù)類，如圖2所示。元本體不僅有一系列通用概念和術(shù)語，并且嚴格定義了這些概念之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。設(shè)計屬性是接口最基本的設(shè)計要素，用于表達產(chǎn)品設(shè)計的各種數(shù)值或非數(shù)值參數(shù)，常見的設(shè)計屬性如設(shè)計參數(shù)、表面形貌、材料等。設(shè)計任務(wù)用于對設(shè)計模塊、目標、流程、設(shè)計模塊之間的關(guān)聯(lián)及功能進行描述，模塊設(shè)計過程相當于一系列設(shè)計屬性的確定過程。

領(lǐng)域本體是在元本體中類的基礎(chǔ)上具體化形成面向設(shè)計對象的類，實現(xiàn)本體由總體框架到詳細的協(xié)同本體的細化；

接口與接口要素相關(guān)聯(lián)。接口要素包括從領(lǐng)域本體中提取的設(shè)計屬性和設(shè)計任務(wù)以及指定的設(shè)計規(guī)則及約束；設(shè)計規(guī)則及約束利用pal語言定義，設(shè)計規(guī)則分為兩類：參數(shù)規(guī)則和經(jīng)驗規(guī)則，分別定義設(shè)計參數(shù)中數(shù)值型約束和難以用數(shù)學(xué)關(guān)系表達的復(fù)雜設(shè)計屬性的規(guī)則，如圖3所示。

將針對設(shè)計對象具體的設(shè)計數(shù)據(jù)添加到協(xié)同本體中，并將一系列設(shè)計結(jié)果以實例的形式存儲在設(shè)計屬性中，領(lǐng)域本體的一系列設(shè)計模塊之間通過接口提取接口要素中的知識進行共享及設(shè)計。產(chǎn)品設(shè)計過程實質(zhì)上是一系列設(shè)計屬性的確定過程，在設(shè)計過程中，每當設(shè)計人員確定一個設(shè)計屬性，就在相應(yīng)的設(shè)計屬性類中建立一個屬性實例。如果該屬性需要被其他設(shè)計模塊共享，則在接口要素中添加該屬性實例，并在接口用戶界面顯示。當所有設(shè)計屬性都以實例的形式確定后，產(chǎn)品設(shè)計結(jié)果隨之產(chǎn)生。

產(chǎn)品設(shè)計的的具體步驟和過程如圖1所示：

步驟一，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的一般流程概念構(gòu)建元本體，不涉及具體的設(shè)計對象；根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的一般流程，梳理相關(guān)領(lǐng)域的核心概念和術(shù)語，并整理概念之間的關(guān)系，建立元本體。元本體不涉及具體領(lǐng)域和對象，即有“設(shè)計任務(wù)”、“設(shè)計屬性”等類，但是沒有深入到具體設(shè)計中有哪些設(shè)計屬性、哪些設(shè)計任務(wù)。元本體的存在固定了協(xié)同本體的基本架構(gòu)，在使用時只需要在元本體的基礎(chǔ)上結(jié)合具體產(chǎn)品構(gòu)建領(lǐng)域本體即可，提高了元本體的重用性。在實際設(shè)計中，只有進行交互的設(shè)計屬性才會在接口中表示，如果某個設(shè)計屬性與其他設(shè)計模塊沒有交互，接口中將不包含這一屬性，降低接口的冗余程度。

步驟二，在元本體的基礎(chǔ)上針對設(shè)計對象構(gòu)建領(lǐng)域本體，元本體和領(lǐng)域本體共同形成完整的協(xié)同本體；領(lǐng)域本體則是在元本體中類的基礎(chǔ)上具體化形成面向設(shè)計對象的類；如對于汽車發(fā)動機曲軸和缸體的協(xié)同設(shè)計，在“設(shè)計任務(wù)”類下屬的“設(shè)計模塊”類中添加曲軸模塊和缸體模塊，將設(shè)計過程涉及到的所有設(shè)計屬性添加在“設(shè)計屬性”類中，如將曲軸直徑添加到設(shè)計屬性中，這樣就實現(xiàn)了本體由總體框架到詳細的領(lǐng)域本體的細化。

步驟三，在協(xié)同本體中將接口要素關(guān)聯(lián)在接口中；

步驟四，將針對設(shè)計對象具體的設(shè)計數(shù)據(jù)添加到協(xié)同本體中，并將一系列設(shè)計結(jié)果以實例的形式存儲在設(shè)計屬性中，領(lǐng)域本體的一系列設(shè)計模塊之間通過接口提取接口要素中的知識進行共享及設(shè)計。

產(chǎn)品設(shè)計方法進一步包括通過接口讀取接口要素中的設(shè)計規(guī)則及約束，基于pal語言對實例進行一致性檢查，將違反設(shè)計規(guī)則及約束的實例以表單的形式返回并進行修改，形成最終設(shè)計結(jié)果。采用pal語言建立規(guī)則，如圖4所示。

在進行產(chǎn)品設(shè)計中，通過基于協(xié)同本體的接口實現(xiàn)設(shè)計知識即設(shè)計屬性、約束規(guī)則等的共享，并在設(shè)計過程中將設(shè)計結(jié)果以實例的形式保存在本體中，進行規(guī)則一致性檢查并在將來的變型設(shè)計中進行重用。

如針對發(fā)動機的設(shè)計，發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，氣缸提供燃燒的空間并對曲軸提供支撐，曲軸進行旋轉(zhuǎn)，把燃燒產(chǎn)生的能量變?yōu)檩S的轉(zhuǎn)動。氣缸模塊的設(shè)計屬性有：缸體長l，缸體寬b，氣缸數(shù)n，氣缸直徑d，飛輪孔直徑d3，壁厚t以及支承方式(全支承和半支承)。

曲軸結(jié)構(gòu)如圖6所示，曲軸包括前端、油孔、主軸頸、曲柄銷、曲柄臂、平衡塊和輸出端7大部分。曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊主要指主軸頸、曲柄銷和曲柄臂的設(shè)計。主軸頸設(shè)計屬性有：主軸頸數(shù)n，直徑d1，長度l1，內(nèi)徑d1。曲柄銷設(shè)計屬性有：直徑d2，長度l2，內(nèi)徑d2。曲柄臂設(shè)計屬性有：厚度h，寬度b。

發(fā)動機缸體和曲軸在功能結(jié)構(gòu)上有密切的關(guān)系，兩者的設(shè)計不能孤立地進行，必須在下同環(huán)境下開展并行設(shè)計。二者在協(xié)同過程中設(shè)計屬性交互的一致性規(guī)則是：

(1)曲軸尺寸參數(shù)大多取決于氣缸直徑：

主軸頸：d1為0.7～0.8dl1為0.35～0.5d

曲柄銷：d2為0.6～0.7dl2為0.35～0.45d

曲柄臂：h為0.2~0.3db為0.9～1.3d

(2)曲軸主軸頸數(shù)n取決于汽缸數(shù)n和支承方式。當采用全支承結(jié)構(gòu)時，主軸頸數(shù)比汽缸數(shù)大1，當采用非全支承結(jié)構(gòu)時，主軸頸數(shù)等于汽缸數(shù)。

(3)飛輪孔直徑d3大于主軸頸直徑d1但其差值小于20mm。

(4)氣缸體長l應(yīng)該比曲軸長與氣缸體壁厚的和多100mm以上。

此外，設(shè)計模塊內(nèi)部也存在一些約束如：

(5)主軸頸和曲柄銷的內(nèi)徑取決于各自的直徑：

主軸頸：d1＝0.4-0.7d1

曲柄銷：d2＝0.4-0.6d2

氣缸和曲軸設(shè)計互相需要對方的設(shè)計屬性才能開展協(xié)同設(shè)計，設(shè)計模塊之間有強耦合關(guān)系，利用本發(fā)明提出的協(xié)同設(shè)計知識共享模型實現(xiàn)協(xié)同共享。建立如圖7所示的汽車發(fā)動機缸體的領(lǐng)域本體圖。首先將設(shè)計知識從發(fā)動機總體設(shè)計人員傳遞到各模塊詳細設(shè)計人員，其次通過協(xié)同本體實現(xiàn)氣缸體設(shè)計模塊和曲軸設(shè)計模塊的知識共享和一致性檢查，模塊設(shè)計人員從接口中得到所需另一個模塊的知識，使設(shè)計知識能夠同步地在兩個設(shè)計模塊之間進行共享。

進一步的，在協(xié)同本體中建立接口實例，設(shè)計人員通過接口獲取所需設(shè)計知識。接口界面如圖8所示。

針對初步設(shè)計結(jié)果，利用本體推理引擎基于pal語言進行規(guī)則的一致性檢查，如圖9所示：

發(fā)現(xiàn)有三處設(shè)計結(jié)果違反了設(shè)計規(guī)則，分別是(1)曲柄銷外徑和氣缸直徑的約束，(2)主軸頸外徑和飛輪孔直徑的約束。(3)支承方式、汽缸數(shù)和主軸頸數(shù)的約束。設(shè)計人員根據(jù)反饋對相關(guān)設(shè)計結(jié)果進行修改，形成符合設(shè)計要求的最終設(shè)計結(jié)果。該實例證明所提出的知識共享方法能夠有效地促進協(xié)同設(shè)計中不同模塊之間的設(shè)計知識的共享，并對設(shè)計結(jié)果和設(shè)計規(guī)則進行一致性檢查，減少設(shè)計錯誤的發(fā)生，提高設(shè)計效率。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。