产品自组织配置设计中设计需求知识的表达与编码*

何 彬 刘卫东

(1湖北理工学院机电工程学院，湖北黄石435003;2湖北城市职业学校，湖北黄石435004)

产品自组织配置设计［1－2］是通过配置单元［3］进行决策和组合，根据嵌入在其内部的动态知识体系和实现机制，并借助于先进的智能工具和计算方法，实现不同单元体的合成、分解、筛选、计算等环节，以形成满足客户个性化需求的产品的过程。产品自组织配置设计实质是客户需求驱动的设计过程。其中，设计需求知识的表达主要针对产品自组织配置设计中的设计需求知识，采取合适的方式进行组织，形成结构化和层次化的知识模型。编码则是建立在知识模型的基础上，通过转换成可被计算机处理和识别的代码，来实现产品自组织配置设计中的知识获取、推理、存储、使用和更新，从而有效地支持产品自组织配置设计的全过程［1］。

在产品自组织配置设计中，设计需求通过外部输入直接作为设计中的查找、匹配和计算的依据。因此，有效地对设计需求知识进行表达与编码，是顺利实施产品自组织配置设计过程的关键。

1 设计需求知识的类型

产品自组织配置设计中，设计任务书是展现设计需求的最主要方式之一，是设计人员根据科技发展水平、市场需求、企业的生产经营能力以及自身的实际经验，预先对拟开发或生产的产品，特别是新开发的产品项目提出具体的任务、内容、原则和指标等任务性资料［4］。

设计需求是对客户需求的直接或间接反映，设计任务书中的设计需求主要包括3 类:第1 类是常规需求，如某类产品中客户的一些具体要求，主要分属于同类产品实例的需求范畴;第2 类为专业需求，主要是和设计过程相联系的、由客户提供的关联数据、整车参数、结构信息或使用环境条件等，此类需求对形成最终的产品是必不可少的;第3 类是客户个性化需求转化后的设计要求，即超出了常规需求的一些特殊要求，此类需求须经过预先处理，如转化为符合输入条件的设计要求。其中，常规和专业需求主要由客户掌握和提供，由制造企业在设计中形成规范，第3 类需求由设计人员按照对应的要求或约束，并通过自身的经验知识予以转换。对于机械产品而言，典型设计需求的分类结构如图1所示。

图1 典型机械产品设计需求的分类

2 设计需求的知识模型

按照设计需求的划分以及产品自组织配置设计的过程特点，采用四元组的结构形式来描述设计需求，即XRe= {CRE，RRE，COR，GRE}。

1)CRE 为设计需求的概念集，从语义上讲，它表示全体概念对象的集合，对于机械产品而言，概念的表述必须规范，可参照相关设计手册、标准或行规，尽量避免歧义。

2)RRE 表示设计需求概念之间的关系，即设计需求概念之间的逻辑或层次关系。参照本体建模原语，从语义上讲，基本关系主要有4 种，如表1所示。

表1 设计需求概念之间的4 种基本关系

3)COR 表示设计需求概念自身的或概念之间的约束，根据典型机械类产品客户需求的特点，可以将此类约束划分为:

①单一变量取值约束，在设计需求中，变量取值类型主要有4 种，即数值型、逻辑型、顺序型和程度型。单一变量的取值均构成了这一类约束。

②不同变量间的相互约束，如不同尺寸之间的约束关系L =4d－A，多个性能指标之间的比较关系K1+K2+K3≥K4，皆构成此类约束。

包含上述2 种约束的变量通常与其上一层概念之间存在“Attribute－of”关系。

③共存约束，2 个以上约束或概念对象要么同时存在要么同时不存在。

可以描述为:∀c1，c2，…，cn(n ≥2)，IF ci∈V(n≥i ≥1)，THEN c1∧c2∧…∧cn∈V;ELSE IF ci∉V(n≥i≥1)，THEN c1∨c2∨…∨cn∉V。

④互斥约束，概念或约束与其他概念或约束不能同时存在。

可以描述为:∀ai∈A，∀bj∈B，IF ai∈V，THEN bj∉V。

4)GRE 表示概念或约束的粒度(Granularity)等级。设计需求中相关概念或约束的粒度是指知识的精细或粗糙程度，主要通过其所描述对象的范围予以度量［5］。通常，概念的这种范围可以采用内涵加外延来表示。

内涵体现了概念中确定的层次信息，外延则反映了其中不确定的层次信息。外延越大，概念范畴就大，不确定性越大;内涵越大，概念则越明晰。对于同一对象，外延越大，描述该对象的知识粒度越大，内涵越大，表明描述该对象的知识粒度越小。

3 知识编码方法

从上述表达模型可知，设计需求具有粒度特性和层次性，而树状编码结构则可直观反映这类特性，如图2所示。码段间连线表示表1中所描述的4 种基本关系，即除最高层码段“A”外，其余码段的含义都由其较高一层码段给出，如“Aa”表示该概念是“A”的下一级概念，“Aab”则为概念“Aa”的下一级，如此类推。

图2 设计需求的树状编码结构

编码由英文字母和数字组成，主要便于计算机识别和处理，数据编码中推荐使用的字符为字母A 到Z，数字0 到9，以及连接符(－)［6］。

编码主要针对设计需求中第1 类需求，用户的个性化需求中一部分可以转化为第1 类需求来进行编码，其他不能转化的则转换成计算机易于识别的设计要求进行输入。表2 是典型机械产品常规需求的概念类型码示例，表中的概念是常规需求中处在最上一层、粒度相对最大的概念集，用大写字母表示。

表2 典型机械产品常规需求的概念类型码示例

最高层概念以下皆用小写字母表示，以汽车钢板弹簧为例，性能需求的下一层概念有使用寿命、质量、力学性能等，力学性能的下一层概念为设计应力、刚度、卷耳强度等，如表3所示。

表3 下层概念编码示例

概念的约束类型共有7 种，分别以数字1～7 来表示，0 表示没有约束，如表4所示。

表4 约束类型编码

约束的取值须根据其数据类型来进行编码，定义如下:

1)数值型编码直接采用具体取值，开、闭区间分别以“lz”和“Lz”定义，如“(32，52)”、“(32，52］”、“≥32”“＜52”的编码分别为“32lala52”、“32 laLa52”、“32 La”和“la52”。

2)逻辑型取值，即“存在”，编码以1 表示;“不存在”以0 表示。

3)顺序型如果是日期型，直接用日期的阿拉伯数字表示，如“20110202”，非日期型则用二进制编码表示，如“批量”有4 种取值:“单件”、“小”、“中”、“大”，分别用“11”、“10”、“01”和“00”表示。

4)程度型同样按照二进制编码表示，如5种程度:“很强”、“强”、“较强”、“一般”和“不强”，可分别用“000”、“001”、“010”、“011”和“100”来区分。

5)多个变量间的约束通常比较复杂，可以统一用“multi”表示，并从其他需求输入中提取和存储。

6)共存约束采用概念编码叠加的方式表述，如共存的2 个概念所对应的编码分别为“Xcb”和“Xab”，则其编码叠加起来，即“XcbXab”。

7)互斥约束的编码类似于共存约束的叠加编码方式。

不同概念的取值用符号“”分隔，如“50 La451”。

常规需求编码的码段包括概念类型码、约束类型码和取值码，且循环使用，为避免混淆，码段之间用分隔符“－”隔开，如图3所示。

图3 常规需求编码结构

总之，按照上述规则的编码能较好地体现出设计需求的概念层次性和粒度关系，而且编码结构和组成相对简单，便于产品自组织配置设计中的储存、检索和推理等计算机处理工作。

4 实例应用

以汽车钢板弹簧自组织配置设计为例，根据本文对设计需求的分类方式，常规需求主要包括价格、交货期、批量、性能、结构等方面，专业需求主要包括偏频、满载负荷、轴距、满载弧高、U 型螺栓中心距等设计中必须的、作为依据和参照的一些关联参数，个性化需求主要包括有些涉及到特殊工艺、工况和安装位置的一些客户需求，是除常规需求和专业化需求之外的一些特殊要求，转化为设计需求经常表现为中心孔应力、主片卷耳应力和强度、片间磨损、作用长度等方面的要求［7－8］。

按照本文所提出的面向产品自组织配置设计过程的知识编码方式，汽车钢板弹簧常用设计需求的描述和编码如表5所示。

表5 典型汽车钢板弹簧设计需求类型及编码

续 表

以某中型货车的后悬架钢板弹簧设计为例，客户要求如下:总成质量小于82 kg，疲劳寿命7.5 万次，中档价格，交货周期短。提供的主要关联参数有:偏频1.7～1.9 Hz，满载载荷1 711 kg，U 型螺栓中心距UL =80 mm，轴距BL = 3 480 mm，卷耳为两端上卷，一端包耳。输入的客户需求转换为如表6所示的设计需求代码。该代码完全能够满足汽车板簧自组织配置设计中计算机识别提出的要求，极大提高了设计过程的效率和准确性［1］。

表6 输入的设计需求编码

5 结束语

围绕产品自组织配置设计过程中设计需求的类型和特点，建立了设计需求知识表达的四元组模型，提出了编码方法，并以汽车钢板弹簧自组织配置设计为例，实现了设计需求的表达与编码，汽车钢板弹簧自组织配置设计的实施过程证明了编码简单、实用、易于识别和管理，从而验证了所提出方法的有效性。

［1］何彬.汽车钢板弹簧自组织配置设计方法的研究［D］.武汉:武汉理工大学，2009

［2］何彬.汽车钢板弹簧自组织配置设计的过程模型［J］.黄石理工学院学报，2011，27(2):1－4

［3］He Bin，Li Gangyan.Configuration Unit for Product Self－Organizing Configuration Design and Its Application［C］.ICNC 2009，Tianjin，China，2009:459－472

［4］王世伟.基于知识的产品配置建模、演化及其应用研究［D］.杭州:浙江大学，2004

［5］袁长峰.产品需求分析与配置设计研究［D］.大连:大连理工大学，2005

［6］林相华.产品快速配置设计技术研究及其在除尘器行业中的应用［D］.杭州:浙江大学，2006

［7］王望予.汽车设计［M］.北京:机械工业出版社，2002

［8］张宁.汽车钢板弹簧设计［D］.长春:吉林大学，2007