基于基因工程思想的產(chǎn)品族設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)研究

高 磊， 萬 靜， 陳東寧

（北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）

基于基因工程思想的產(chǎn)品族設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)研究

高 磊， 萬 靜， 陳東寧

（北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）

通過分析型材斷面的尺寸和形狀特征的繼承關(guān)系及型材模塊的結(jié)構(gòu)變異,將基因工程的思想用于產(chǎn)品族的開發(fā)設(shè)計中,并將“型材特征”看作是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息的“DNA”。借鑒生物學(xué)領(lǐng)域基因工程原理，揭示了“型材特征”這種信息流在產(chǎn)品樹中的傳播規(guī)律,在此基礎(chǔ)上提出了一種基于基因工程思想的產(chǎn)品基因編碼與重組方法。通過對產(chǎn)品族和產(chǎn)品基因DNA的概念以及產(chǎn)品族設(shè)計DNA的內(nèi)涵和研究內(nèi)容的探討，指出了支持產(chǎn)品基因工程的關(guān)鍵技術(shù)，并以門體型材為例，說明產(chǎn)品族基因工程思想的設(shè)計效果。

產(chǎn)品族設(shè)計；基因編碼；DNA；門型材；基因工程思想

在基于型材特征的產(chǎn)品族設(shè)計中，伴隨著自上而下的設(shè)計進(jìn)程，型材特征在產(chǎn)品樹中自上而下地傳播。型材斷面與斷面之間特征的遺傳、繼承及型材模塊的結(jié)構(gòu)變異就如同基因工程中“DNA”的遺傳、繼承和變異。基因工程的思想為產(chǎn)品基因編碼和重組提供了方法學(xué)基礎(chǔ)[1-2]。本文以產(chǎn)品族基因工程思想為指導(dǎo)，對門體型材做進(jìn)一步的開發(fā)設(shè)計與研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究基于基因工程思想的產(chǎn)品編碼及重組方法。

1 產(chǎn)品族以及產(chǎn)品基因DNA的概念

1.1 產(chǎn)品族的概念

產(chǎn)品族(Product Family)是指以產(chǎn)品平臺為基礎(chǔ)，針對一系列相關(guān)聯(lián)的市場，進(jìn)行產(chǎn)品平臺和基于產(chǎn)品平臺的相關(guān)系列產(chǎn)品的設(shè)計，以低成本和快速開發(fā)周期滿足客戶的個性化需求，它是一種利用有限的開發(fā)、制造和服務(wù)來經(jīng)濟(jì)地發(fā)展產(chǎn)品多樣性的方法。

對于產(chǎn)品基因庫的建立而言，產(chǎn)品族是一些具有大量相同或相似特征產(chǎn)品的統(tǒng)稱。產(chǎn)品族中的成員在變化，但是卻共享著許多共性的特征，使得同一企業(yè)的產(chǎn)品具有共同的識別因素，如圖1所示的部分型材所含的共性特征。

圖1 型材

1.2 產(chǎn)品基因的概念

生物學(xué)上，基因是DNA分子上具有一定遺傳效應(yīng)的一段核苷酸序列，具有重組、突變、轉(zhuǎn)錄和遺傳等功能；基因含有特定的遺傳信息，是遺傳物質(zhì)的最小功能和結(jié)構(gòu)單位。產(chǎn)品基因(Product Gene，PG)和生物體基因類似，機(jī)械產(chǎn)品可以被看作是在產(chǎn)品基因的基礎(chǔ)上，在適合的外界環(huán)境下“生長”和“發(fā)育”起來[3]。因此，產(chǎn)品基因是一個抽象的概念，它是產(chǎn)品的所有可遺傳信息的集合，因此決定著產(chǎn)品的特定結(jié)構(gòu)和功能，并且可以自動“生長”，在適當(dāng)?shù)臈l件下生成特定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并在一定的環(huán)境中實現(xiàn)其功能。

2 產(chǎn)品族基因工程思想內(nèi)涵及研究內(nèi)容

2.1 產(chǎn)品族基因工程思想框架

生物基因工程是將基因從生物體內(nèi)通過分解的方式提取出來，在體外進(jìn)行改造后，再將重組基因重新導(dǎo)入受體細(xì)胞中，使得我們可以從中選出優(yōu)良形狀的新生物。那么，對于機(jī)械產(chǎn)品來說，是否可以通過類似生物基因工程的方式，進(jìn)行產(chǎn)品基因的重新組合，來對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計，并支持產(chǎn)品的創(chuàng)新呢？基于這種思想，產(chǎn)品基因和產(chǎn)品基因工程也被越來越多的非生物學(xué)科所借鑒[4]。

產(chǎn)品基因工程，是以創(chuàng)新為目的，進(jìn)行新產(chǎn)品基因獲取的一項關(guān)鍵技術(shù)。它根據(jù)要求在基因庫中提取出需要的產(chǎn)品基因，再重組成新產(chǎn)品基因組，通過這一系列工作，創(chuàng)造出符合新產(chǎn)品設(shè)計要求的特定產(chǎn)品基因組。產(chǎn)品基因工程的功能之一就是為了支持快速的響應(yīng)市場的需求。產(chǎn)品基因的設(shè)計過程，如圖2所示，其中，虛線框中的內(nèi)容屬于產(chǎn)品基因工程范疇。基于產(chǎn)品基因工程的基因重組及創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)，包括產(chǎn)品基因提取模塊、基因重組模塊和產(chǎn)品基因庫模塊這三部分。

圖2 產(chǎn)品基因設(shè)計思想框架

產(chǎn)品的整個設(shè)計流程如下：每次產(chǎn)品設(shè)計完成后，提取它的基因，存入產(chǎn)品基因庫中進(jìn)行歸納和整理。當(dāng)設(shè)計新產(chǎn)品時，根據(jù)產(chǎn)品的功能需求和適用條件，返回基因庫中尋找大致符合設(shè)計要求的產(chǎn)品基因，然后按照型材基因?qū)λ亟M，從而得到新產(chǎn)品的基因組，但整個設(shè)計并不是到此結(jié)束，還有更為重要的一步就是對新基因組的先進(jìn)性和合理性進(jìn)行綜合的評價，如果認(rèn)為該方案可行，則進(jìn)入產(chǎn)品基因組的生長型設(shè)計，同時，再把新產(chǎn)品的基因提取出來放入產(chǎn)品基因庫中，以備下次設(shè)計之用；反之，返回產(chǎn)品基因庫中重新進(jìn)行重組操作。

2.2 產(chǎn)品族基因工程思想研究主要涉及的內(nèi)容

1） 產(chǎn)品族設(shè)計DNA的提取

產(chǎn)品族設(shè)計DNA的提取是研究產(chǎn)品族設(shè)計DNA的關(guān)鍵，對于產(chǎn)品設(shè)計、企業(yè)產(chǎn)品品牌規(guī)劃具有重要意義。產(chǎn)品族設(shè)計DNA的提取可以從宏觀和微觀兩個方面出發(fā)：宏觀方面，從市場研究、企業(yè)文化、品牌、產(chǎn)品開發(fā)、心理學(xué)等方面出發(fā)，提取出符合企業(yè)發(fā)展的設(shè)計DNA的顯性和隱性特征，用以指導(dǎo)產(chǎn)品族的開發(fā)設(shè)計；微觀方面，從產(chǎn)品語義學(xué)角度出發(fā)找出構(gòu)成產(chǎn)品族設(shè)計DNA 遺傳和變異的設(shè)計元素，并應(yīng)用于產(chǎn)品族開發(fā)設(shè)計中。

2） 產(chǎn)品族設(shè)計DNA的編碼

產(chǎn)品族設(shè)計DNA的編碼是產(chǎn)品設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。通過編碼將研究對象表示為產(chǎn)品基因，這樣便于設(shè)計知識的檢索、重用和傳遞，從而有利于提高設(shè)計效率，實現(xiàn)產(chǎn)品方案創(chuàng)新。在對研究對象進(jìn)行基因編碼時，其中碼段數(shù)、碼段定義域和編碼體系結(jié)構(gòu)是編碼系統(tǒng)的三要素。納入編碼系統(tǒng)中的不同屬性稱為碼段，編碼系統(tǒng)中的碼段總數(shù)稱為碼段數(shù)；一個編碼系統(tǒng)在對一個零件進(jìn)行編碼時所采用的碼段編碼位數(shù)稱為碼位數(shù);碼段定義域指編碼過程中各碼段可能的取值范圍或集合。編碼體系結(jié)構(gòu)主要有3種形式：樹式結(jié)構(gòu)、鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 三種編碼體系結(jié)構(gòu)

3種編碼體系結(jié)構(gòu)的主要特點如表1所示。

表1 3種編碼體系結(jié)構(gòu)的特點

產(chǎn)品DNA編碼的有效性和可靠性，直接決定了產(chǎn)品基因工程的效率，是產(chǎn)品基因工程能否成功運行的關(guān)鍵。為了確保編碼的可靠與有效，產(chǎn)品基因編碼應(yīng)遵循唯一性、簡單性、合理性、可擴(kuò)充性、適用性、規(guī)范性等基本原則。

3） 產(chǎn)品族設(shè)計DNA元素的風(fēng)格認(rèn)知

產(chǎn)品的風(fēng)格是人們對產(chǎn)品共性特點的認(rèn)知，

不同的產(chǎn)品會形成不同的風(fēng)格認(rèn)知。產(chǎn)品族設(shè)計DNA元素的風(fēng)格認(rèn)知主要研究人們對某一類產(chǎn)品造型的風(fēng)格認(rèn)知特點，探討產(chǎn)品造型語義與認(rèn)知意象之間的關(guān)系，建立產(chǎn)品族設(shè)計DNA元素與用戶認(rèn)知意象之間的映射關(guān)系，為產(chǎn)品建模奠定基礎(chǔ)。

3 產(chǎn)品基因工程的關(guān)鍵技術(shù)

產(chǎn)品基因是產(chǎn)品信息的集合，產(chǎn)品基因工程是對產(chǎn)品基因的操作，它包括：對現(xiàn)有產(chǎn)品提取其產(chǎn)品基因，按照某種組織形式來構(gòu)建產(chǎn)品基因庫，從而獲取目的基因，這樣的過程稱為產(chǎn)品基因的獲取過程；對目的基因進(jìn)行相關(guān)信息的擴(kuò)展過程稱為產(chǎn)品基因的擴(kuò)增過程；按照基因信息遺傳規(guī)律進(jìn)行分離或連接產(chǎn)品基因，對產(chǎn)品基因進(jìn)行修改，并依照產(chǎn)品基因的重組規(guī)則，對產(chǎn)品基因組進(jìn)行重新組合，這樣的過程稱為產(chǎn)品基因的重組過程；將重組后的產(chǎn)品基因組進(jìn)行驗證和修改，并轉(zhuǎn)移至適合的環(huán)境中，通過基因的控制機(jī)制和基因表達(dá)（基因轉(zhuǎn)錄和基因翻譯），創(chuàng)造出更有價值的產(chǎn)品或更新的產(chǎn)品類型的過程稱為產(chǎn)品基因的表達(dá)過程。因此，產(chǎn)品基因工程的關(guān)鍵技術(shù)具體可包括：產(chǎn)品基因的獲取技術(shù)、產(chǎn)品基因的擴(kuò)增技術(shù)、產(chǎn)品基因的重組技術(shù)以及產(chǎn)品基因的表達(dá)技術(shù)，如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品基因工程的關(guān)鍵技術(shù)

1） 產(chǎn)品基因的獲取技術(shù)獲取產(chǎn)品基因，是在零件信息模型的基礎(chǔ)上，建立產(chǎn)品基因模型，提取產(chǎn)品的功能基因、結(jié)構(gòu)基因以及控制基因，并構(gòu)建了基因庫，以用于產(chǎn)品基因重組及表達(dá)。

2） 產(chǎn)品基因的擴(kuò)增技術(shù)對產(chǎn)品基因的擴(kuò)增，不是指產(chǎn)品基因數(shù)量的擴(kuò)增，而是指產(chǎn)品基因相關(guān)信息的擴(kuò)展、增廣的過程，是產(chǎn)品信息的擴(kuò)增。其中，主要包括幾何信息的擴(kuò)增、受力信息的擴(kuò)增等，通過對這些基因信息的擴(kuò)增以便于在產(chǎn)品基因重組中滿足基因重組的匹配規(guī)則。

3） 產(chǎn)品基因的重組技術(shù)產(chǎn)品基因的重組包括產(chǎn)品基因的分離連接技術(shù)、產(chǎn)品基因的重組規(guī)則以及產(chǎn)品基因的轉(zhuǎn)移。重組技術(shù)還包括，識別原有產(chǎn)品中不良產(chǎn)品基因，替換優(yōu)良產(chǎn)品基因等過程。

4） 產(chǎn)品基因的表達(dá)技術(shù)產(chǎn)品基因的表達(dá)就是以產(chǎn)品基因為基礎(chǔ)，如何將產(chǎn)品的遺傳信息體現(xiàn)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，也就是基于產(chǎn)品基因的生長、發(fā)育的過程。

4 型材特征基因編碼系統(tǒng)的應(yīng)用舉例

以上內(nèi)容是對產(chǎn)品族基因工程思想及關(guān)鍵技術(shù)研究的一些介紹。為了更清楚地說明產(chǎn)品族基因工程思想的內(nèi)涵及如何進(jìn)行型材特征基因編碼，這里以門體型材為例，闡述進(jìn)行其基因編碼方法與步驟，使已形成的特征編碼能遺傳幾何結(jié)構(gòu)、功能特征等信息。

考慮到產(chǎn)品族設(shè)計階段特征基因檢索的快速性與準(zhǔn)確性，特征基因編碼采用四段式鏈?zhǔn)骄幋a結(jié)構(gòu)[5]，如圖5所示，第1段為門型識別碼；第2段為型材和寬度系列碼，其中包括型材系列編碼部分和寬度系列編碼部分；第3段為功能特征基因編碼；第4段為輔助編碼部分等。在型材特征基因編碼過程中采用變長度編碼，其中編碼之間用“#”分隔。

為幫助理解圖5所示的產(chǎn)品信息基因編碼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，下面將對本文研究的部分門體型材進(jìn)行編碼如下：

1） 門型識別碼 Re ——表示旋轉(zhuǎn)門（如：Re2——兩翼旋轉(zhuǎn)門；Re3——三翼旋轉(zhuǎn)門；Re4——四翼旋轉(zhuǎn)門等）；Ar ——表示弧形門；Sm——表示平滑門；Hs——表示平推門；Sp——表示地彈門等。

2） 型材和寬度系列碼 Z——表示直邊門型材；X——表示斜邊門型材等，寬度有30、40、50等型材。如：Z30 ——直邊30型材； Z50 ——直邊 50型材；X40——斜邊 40型材；X50——斜邊50型材等。

3） 特征基因功能編碼 LG —— 表示連接功能基因（如：LGX01—— 型材連接功能基因等）；MG ——密封功能基因（如：MGJ01——膠條密封功能基因；MGM01——毛刷密封功能基因）；GG ——固定功能基因等。

第4段的輔助編碼部分則根據(jù)需要設(shè)置，主要包括型材的材質(zhì)、管理和其他需添加信息等。

本文通過對大量門體型材的分析與研究，獲取門體型材功能基因如表2所示（僅列出部分）。

表2 型材特征基因舉例

例如：圖 6所示為特征基因在“平滑門直邊 50型材”中的應(yīng)用，其基因編碼組合為：“Sm00#Z50#LGX01#LGX04#MGJ01”

圖6 基因編碼在平滑門型材中應(yīng)用組合

5 結(jié) 束 語

綜上所述，在對采用基因工程思想的產(chǎn)品族設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)研究過程中，無論是從理論上,還是從應(yīng)用層面，對于產(chǎn)品族基因的研究還處在探索階段。理論上，對于產(chǎn)品族及產(chǎn)品基因的概念、框架、原則等還未有統(tǒng)一的認(rèn)識，決定了以此為基礎(chǔ)的其它研究，如產(chǎn)品基因的操作研究、產(chǎn)品族基因工程設(shè)計也存在著不足；然而，對于產(chǎn)品基因工程思想應(yīng)用的多樣性，又說明產(chǎn)品基因具有很高的研究價值和實踐意義。所以，對于產(chǎn)品基因工程思想及關(guān)鍵技術(shù)研究仍然是今后研究的重點。

[1]周生祥. 基于基因工程思想的產(chǎn)品建模方法[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2000, 19(5)：815-820.

[2] Rajan G. Design and engineering process integration through a multiple view intermediate modeller in a distri-bution O-O system environment [J]. Computer Aided Design, 1998, 30(6)：473-486

[3]羅仕鑒, 朱上上, 馮 騁. 面向工業(yè)設(shè)計的產(chǎn)品族設(shè)計DNA[J]. 機(jī)械工程報, 2008, (7)：123-128.

[4]陳洪武, 黃克正. 基于基因工程的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計理論與技術(shù)研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué), 2005.

[5]顧新建, 祁國寧, 夏振華. 產(chǎn)品信息基因編碼系統(tǒng)[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化, 1996, (8)：16-21.

[6]楊金勇, 黃克正, 尚 勇, 等. 產(chǎn)品基因研究綜述[J].機(jī)械設(shè)計, 2007, (4)：4-7.

Research on the design and key technology of product family based on genetic engineering ideas

Gao Lei, Wan Jing, Chen Dongning
( School of Mechanical Engineering, Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China )

By analyzing the inheritance relationships of the size and the shape feature of the profiles, and the structure variation of profile model, the idea of genetic engineering is used in the development and design of product family, and the profile feature is taken as the DNA of the product structure information. The propagation of the profile feature, as information streams, in product tree is revealed referenced to the principle of genetic engineering of biology. On this basis, a method of gene coding and gene recombination for product based on the idea of genetic engineering is provided. By discussing the concept of product family and product gene DNA and the connotation and the research contents of the designing of product family DNA, the key support technologies of genetic engineering are pointed out. To take the door profile’s structural for an example, the result shows the designing effect on the idea of genetic engineering of the product family.

product family design; gene encoding; DNA; door profile; genetic engineering idea

TH 122

A

1003-0158(2012)01-0038-06

2010-03-15

高 磊（1985-），男，安徽靈璧人，碩士，主要研究方向為計算機(jī)圖形學(xué)。