基于功能本體的產(chǎn)品設(shè)計知識表達

吳 俊，唐敦兵，朱仁淼，康與云

(南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

基于功能本體的產(chǎn)品設(shè)計知識表達

吳 俊，唐敦兵，朱仁淼，康與云

(南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

針對以往的產(chǎn)品設(shè)計過程設(shè)計知識表達不充分、設(shè)計原理體現(xiàn)不明顯的問題，引入功能本體理論，提出了一種基于功能本體的產(chǎn)品設(shè)計知識表達方法，分析產(chǎn)品部件功能-行為映射得到產(chǎn)品部件的功能，然后對部件的功能進行宏功能匹配，最后按照一定的邏輯規(guī)則合并產(chǎn)品部件的功能，生成產(chǎn)品功能組織結(jié)構(gòu)，有效地表達設(shè)計知識。

設(shè)計知識；功能本體；功能組織結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品設(shè)計師的設(shè)計意圖主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的功能上，然而由于功能表述的語言混淆、模型的不明確化等原因，對其他設(shè)計師或者計算機而言，理解設(shè)計者的意圖是很困難的[1]。本體是共享概念模型明確的、形式化的規(guī)范描述，從而準確地表達產(chǎn)品設(shè)計過程中的知識[2]。

目前，采用本體來表達產(chǎn)品設(shè)計過程中的知識已成為國內(nèi)外的研究熱點。胡玉杰等提出一種產(chǎn)品知識表達SBF模型，結(jié)合本體描述語言構(gòu)建了流本體和功能本體，設(shè)計出基于本體的產(chǎn)品知識表達模型，并進一步給出了可行的應(yīng)用模型和集成框架，其設(shè)計思想屬于將功能映射到結(jié)構(gòu)的范疇，并不能很好地表示產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)[3]；張東民等提出了一種基于本體的設(shè)計知識管理系統(tǒng)框架，對產(chǎn)品設(shè)計過程的知識進行了分類，并采用XML文檔存儲，提供了兩種檢索方法，然而該框架只是對知識進行了分類儲存和檢索，并不能體現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計原理，無法表達設(shè)計過程中的知識[4]。

針對上述存在的問題，本文提出了一種基于功能本體的產(chǎn)品設(shè)計知識表達方法，通過對產(chǎn)品各部件行為的功能理解，得到產(chǎn)品的底層功能單元，然后采用一定的規(guī)則對這些功能單元進行分組和合并，最后得到產(chǎn)品的功能組織結(jié)構(gòu)，從而表達產(chǎn)品設(shè)計過程中的知識和部分設(shè)計原理，為后續(xù)同類型的產(chǎn)品設(shè)計知識重用提供參考和依據(jù)。

1 功能本體體系

功能本體被定義為一個包含功能術(shù)語及術(shù)語間規(guī)范關(guān)系說明的體系，是功能概念化和功能分類的規(guī)范說明系統(tǒng)，是對各種功能知識進行結(jié)構(gòu)化描述的表述方式。功能本體體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

功能本體體系包括4個功能本體概念模型，即功能體、功能實現(xiàn)方法、宏功能和功能類型。

圖1 功能本體體系結(jié)構(gòu)圖

功能體是對部件行為目的的解釋，功能體可以用主謂賓的語法結(jié)構(gòu)來定義，主語表示具有該功能的主體，賓語表示該主體的輸入或者輸出實體。功能體本體可以分為3類：能量功能體、實體功能體和信息功能體。

功能類型表示功能實現(xiàn)的目標類型。同樣的功能體實現(xiàn)的目標類型可能是不同的。表1給出了8種常見的功能類型和對應(yīng)的功能體[5]。

表1 功能類型和對應(yīng)的功能體

宏功能主要描述執(zhí)行功能和目標功能間的相互作用和因果關(guān)系，它為功能體間的邏輯推理提供依據(jù)。根據(jù)功能關(guān)系不同，具體可以分為7種，見表2[6]。

表2 宏功能明細

一個功能可以通過不同的子功能按一定的規(guī)則和順序組合實現(xiàn)，每一個子功能的組合就是一種功能實現(xiàn)方法。功能實現(xiàn)方法就是研究如何實現(xiàn)具體的功能，包括功能實現(xiàn)的層次結(jié)構(gòu)和規(guī)則。這4個部分分別從不同的角度對功能進行規(guī)范化定義，相互索引，形成完整的功能語義網(wǎng)絡(luò)，從而支持對設(shè)計知識的顯性化描述，生成產(chǎn)品的功能組織結(jié)構(gòu)。

同時，由于實現(xiàn)功能的過程中往往伴隨著流的變化，所以有必要對流的知識進行分類和梳理。本文將流分為物料、信號和能量3類，構(gòu)建流本體知識庫，見表3[5]。

表3 流本體知識庫

功能本體知識庫和流本體知識庫都是獨立于特定的環(huán)境和應(yīng)用領(lǐng)域，可以為后面產(chǎn)品功能組織結(jié)構(gòu)建模提供準確而規(guī)范的表述。

2 產(chǎn)品功能組織結(jié)構(gòu)建模

產(chǎn)品的功能組織結(jié)構(gòu)建模是根據(jù)產(chǎn)品已有的結(jié)構(gòu)信息和行為模型來鑒別其功能結(jié)構(gòu)，這個過程通常包括3個步驟：功能-行為映射、宏功能匹配和生成產(chǎn)品功能組織結(jié)構(gòu)模型。如圖2所示。

圖2 功能組織結(jié)構(gòu)建模過程

2.1功能-行為映射

功能是從行為表現(xiàn)中歸納出來的對行為目的的解釋，結(jié)構(gòu)行為的解釋通常通過功能匹配的方式來實現(xiàn)，本文提出了如圖3所示的模型來描述產(chǎn)品部件的內(nèi)在行為[7]。

圖3 功能-行為映射模型

該模型包括輸入輸出連接端口(Pm,On)、輸入流(Im)、輸出流(On)。通過部件輸入流與輸出流的類型轉(zhuǎn)換或是部件狀態(tài)改變來判斷其功能屬性(Attr.p)(如改變溫度等)，然后根據(jù)輸入輸出端口的連接如(P1,P2,[I11,O21], )來解釋實現(xiàn)其功能的相應(yīng)行為動作，通過對部件行為分析，可以在功能本體知識查找到相應(yīng)的功能。

2.2宏功能匹配

在宏功能辨識過程中，要具體研究每種宏功能的特性，并根據(jù)執(zhí)行功能(FA)和目標功能(FT)之間的作用關(guān)系研究宏功能辨識算法。本文歸納出一套宏功能分析與辨識邏輯，根據(jù)FA與FT之間關(guān)系和宏功能特性相匹配來實現(xiàn)宏功能辨識。邏輯規(guī)則見表4。

表4 宏功能邏輯關(guān)系

對表4中相關(guān)概念名詞解釋如下。

對象/能量：表示FT的作用對象。如宏功能“驅(qū)動”就是FA對FT實體對象的作用效果。

強制性：FA與FT之間具有必要性邏輯，即FA是對FT產(chǎn)生作用的必要條件。

關(guān)系：FA與FT之間相互作用關(guān)系，主要是條件關(guān)系和修飾關(guān)系。

介質(zhì)：FA與FT之間相互作用是否需要實際介質(zhì)的參與。如宏功能“驅(qū)動”就需要FA對FT通過某種介質(zhì)來實現(xiàn)，介質(zhì)可以是物料、能量或是信息等。

損耗：FA與FT之間相互作用是否會造成物料、能量等方面的損耗。

表中符號“*”表示該項條件不符合或沒有意義。

分析產(chǎn)品底層功能單元，將功能單元按照FA與FT來進行劃分。將FA與FT之間的相互作用以表4形式加以表述。通過分析FA與FT之間的作用對象、強制性、作用關(guān)系、介質(zhì)、損耗等條件，與宏功能辨識表中的邏輯特性進行比較來獲取宏功能，從而實現(xiàn)宏功能分析與辨識過程。

2.3生成產(chǎn)品功能組織結(jié)構(gòu)模型

在完成功能-行為映射和宏功能匹配的基礎(chǔ)上，可以獲得產(chǎn)品所有的底層功能單元及其之間存在的相互作用關(guān)系，接下來可以按照自底向上的方式，根據(jù)相應(yīng)的邏輯推理，對功能進行組合，形成功能群；同時對功能組也可以進一步合并，形成完整的功能層次結(jié)構(gòu)與功能語義網(wǎng)絡(luò)，得到最頂層的功能，形成完整的產(chǎn)品功能組織結(jié)構(gòu)模型。本文引入功能組合啟發(fā)式邏輯推理規(guī)則。

A：組合式啟發(fā)(必要)。A1：宏觀功能啟發(fā)式。從重組上考慮，一個功能群總會存在一個上層的父級功能。A2：因果聯(lián)系啟發(fā)式。細化部分之間的因果聯(lián)系可以使得組合而成更大的整體結(jié)構(gòu)。

B：選擇式啟發(fā)(必要)。B1：順序啟發(fā)式。在有一定次序的功能群，系統(tǒng)可以鏈狀方式組合而成頂級功能。B2：因果聯(lián)系啟發(fā)式。微觀功能單元依照彼此之間的因果聯(lián)系組合而成頂級功能。B3：宏功能選擇啟發(fā)式。如“驅(qū)動”比“提供”對目標功能具有更多的約束關(guān)系，而“使能”和“預(yù)防”則比“驅(qū)動”具有更多的約束關(guān)系，因此應(yīng)用范圍就更加具體化。

H：層次結(jié)構(gòu)式啟發(fā)(可選)。H1：功能實現(xiàn)方法啟發(fā)式。依照預(yù)定義的功能實現(xiàn)方法知識組合生成功能層次結(jié)構(gòu)。H2：宏功能啟發(fā)式。功能層次結(jié)構(gòu)通過分析功能單元之間宏功能組合而成。針對主要功能的宏功能來得到頂級功能模型。

X：選擇式啟發(fā)(可選，按實際應(yīng)用決定優(yōu)先級)。X1：同類優(yōu)先啟發(fā)式。相同類別的功能群優(yōu)先合并。X2：因果聯(lián)系優(yōu)先啟發(fā)式。彼此具有因果聯(lián)系的功能群優(yōu)先合并。X3：范圍優(yōu)先啟發(fā)式。具有較多功能單元的功能群優(yōu)先合并。

Y：分離式啟發(fā)(可選，按放寬條件決定優(yōu)先級)。Y1：結(jié)構(gòu)邊界啟發(fā)式。與功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)或子系統(tǒng)邊界條件。Y2：能量邊界啟發(fā)式。與能量類型轉(zhuǎn)換相關(guān)邊界條件。Y3：實體邊界啟發(fā)式。與實體類型轉(zhuǎn)換相關(guān)邊界條件。Y4：屬性邊界啟發(fā)式。與屬性類型轉(zhuǎn)換相關(guān)邊界條件。

Z：組合式啟發(fā)(可選)。Z1：宏功能組合啟發(fā)式。通過宏功能實現(xiàn)組合。

Y和Z用于底層功能的劃分和分組，H用于選擇合并后功能的方法來源，X用于選擇功能群的合并順序，A和B用于選擇功能組合并后的父功能[9]。

生成產(chǎn)品功能組織結(jié)構(gòu)模型后應(yīng)當添加必要的流信息，以便更好地體現(xiàn)設(shè)計者的設(shè)計意圖。

3 實例

三坐標送料機的功能是為壓力機輸送板料，其主要部件包括X，Y，Z3個方向的交流電機，齒輪減速箱和齒輪齒條傳動單元，板料夾持機構(gòu)，控制信號的PLC裝置等。

在正常工作情況下，系統(tǒng)的流信息如圖4所示，輸入流為電能、信號和物料，輸出流為物料。同時對各個部件的輸入輸出流進行了標識。

圖4 三坐標送料機工作過程中流信息

下面可按照本文介紹的方法分析產(chǎn)品設(shè)計知識，形成產(chǎn)品功能組織結(jié)構(gòu)圖。

3.1分析產(chǎn)品各部件的功能-行為映射

根據(jù)各部件的輸入流與輸出流的類型轉(zhuǎn)換以及部件的狀態(tài)判斷其功能屬性，然后根據(jù)輸入輸出端口的連接來解釋其實現(xiàn)的功能，最后在功能本體知識庫中查找到對應(yīng)的功能。三坐標送料機各部件功能見表5。

表5 三坐標送料機各部件功能

3.2宏功能匹配

在分析產(chǎn)品各部件的功能-行為映射得到各部件功能的基礎(chǔ)上，需要分析各功能單元之間內(nèi)在的聯(lián)系及其相互關(guān)系，完成宏功能的匹配。根據(jù)表提出的宏功能分析與辨識邏輯可以得到表6中的宏功能關(guān)系。

3.3生成產(chǎn)品功能組織結(jié)構(gòu)圖

按照功能組合啟發(fā)式邏輯推理規(guī)則Y1將底層功能按照結(jié)構(gòu)邊界條件進行分組，依據(jù)宏功能形成功能層次結(jié)構(gòu)，通過步驟2中辨別出的功能單元間宏功能類型，按照宏功能啟發(fā)式邏輯推理規(guī)則H2，合并具有宏功能關(guān)系的功能單元并識別合并后的功能，然后將合并后的功能與其他功能進行宏功能匹配，以目標功能作為頂層功能，得到產(chǎn)品功能樹結(jié)構(gòu)。如圖5所示。

表6 三坐標送料機部件功能間宏功能

圖5 三坐標送料機功能樹結(jié)構(gòu)

在生成產(chǎn)品功能樹結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，補充必要的結(jié)構(gòu)信息和流信息，完成其功能組織結(jié)構(gòu)圖，如圖6所示。

4 結(jié)束語

為了表達產(chǎn)品設(shè)計過程中的知識，本文提出了一種基于功能本體的產(chǎn)品設(shè)計知識分析方法，通過部件的功能-行為映射得到其底層功能單元，對底層功能間存在的宏功能進行了推理和匹配，按照功能組合啟發(fā)式邏輯推理規(guī)則，合并底層功能單元，生成產(chǎn)品功能樹結(jié)構(gòu)，再補充必要的結(jié)構(gòu)和流信息，得到產(chǎn)品功能組織結(jié)構(gòu)圖。實踐表明，該方法能夠有效地表達產(chǎn)品設(shè)計過程中的功能知識，體現(xiàn)設(shè)計者的設(shè)計意圖，為后期同類型的產(chǎn)品設(shè)計提供了有效的依據(jù)和參考。

圖6 三坐標送料機功能組織結(jié)構(gòu)圖

[1] 譚建榮. 機電產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計：理論、方法與技術(shù)[M]. 北京:高等教育出版社,2009.

[2] 馮志勇, 李文杰, 李曉紅. 本體論工程及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[3] 胡玉杰,李善平,郭鳴. 基于本體的產(chǎn)品知識表達[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報,2003,15:1531-1537.

[4] 張東民,廖文和,胡建，等. 基于本體的設(shè)計知識建模[J].華南理工大學(xué)學(xué)報,2005,33(5):26-31.

[5] Stone R，Wood K．Development of a functional basis for design[J]. Journal of Mechanical Design，2000，122(4)：359～370．

[6] Yoshinobu Kitamura,Riichiro Mizoguchi. Functional Ontology for Functional Understanding[C]//Twelfth International Workshop on Qualitative Reasoning (QR-98)．Cape Cod，USA：AAAI Press，1998：77-87．

[7] Stone R，Wood K．Development of a Functional Basis for Design[C]//Proceedings of DETC99．DETC99/DTM-8765，Las Vegas，Nev.ASME，NewYork，1999．

[8] Kitamura Y，Sano T，Namba K，et al．A functional concept ontology and its application to automatic identification of functional structures[J]．Advanced Engineering Informatics，2002，16：145-163．

TheKnowledgeRepresentationofProductDesignBasedontheFunctionOntology

WU Jun, TANG Dunbing, ZHU Renmiao, KANG Yuyun

(Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Jiangsu Nanjing, 210016, China)

In order to reveal the knowledge and the design rationales during the product design process, it introduces a knowledge representation method. It analyzes the function-behavior mapping for understanding the function of the components, matches the meta-function between the functions, and consolidates the functions according the grouping heuristics for generating the functional hierarchy.

Design Knowledge; Function Ontology; Functional Hierarchy

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.07.004

2012-12-27

國家自然科學(xué)基金資助項目(51175262)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻項目(SBY201220116)；江蘇省杰出青年基金資助項目(SBK201210111)

吳俊(1988—)，男，江蘇泰州人，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為計算機集成制造。

TH122；TP391

A

2095-509X(2014)07-0015-05