基于知识工程的产品创新设计方法集成研究

    随着知识经济时代科学技术的快速发展，产品的技术含量不断提高、种类更加丰富、更新换代也日益加速，消费者对产品设计的个性化要求也越来越高。于是如何尽快地推出新产品来不断满足消费者个性化需求成为企业吸引消费者，进而占有更大市场份额的关键要素。从系统的观点看，现代制造业的竞争在某种意义上是产品设计的竞争。由于先进制造技术和管理工具的普及，产品制造质量和制造费用的区别并不明显，设计的质量、个性化和创新性则变得尤为重要。这就要求采用新的设计方法和手段来实现产品的创新设计。二维/三维CAD软件在产品的分析、计算、绘图以及制造等方面发挥了很大的作用，但不能支持概念设计阶段的创新活动，更不可能支持创新设计，因此研究创新方法在CAD软件中的集成问题势在必行，创新方法和手段有头脑风暴法和联想法等。20世纪09年代后，基于发明问题解决理论(TRIZ)的计算机辅助创新设计(CAI)软件的推广和普及更是为创新构思提供了强有力的工具和手段。同时期，在美国国家科学基金会NFS支持下，麻省理工学院MTI的SUHNP教授领导下的研究小组提出"公理设计原理"理论与方法，把设计建立在科学公理、定理与推论的基础上。最近，基于进化计算的非逻辑创新设计方法川的研究及应用也开始成为一个新的研究热点。除此之外还有许多重要的设计方法，如质量功能配置(QFD)、基于实例推理(CBR)等。
   
    上述创新设计方法中有直觉思维，也有逻辑思维和非逻辑思维。这些方法在不同类别产品创新设计的不同步骤有各自的优势，但从产品创新设计全过程来看又都存在一定的局限性。而且创新设计过程离不开知识的应用，因此，研究基于知识工程的集成产品创新设计方法具有重要的现实意义。
   
    1 知识工程的概念
   
    知识工程(knwoledgeengineeirng，KE)的概念和技术由美国斯坦福大学计算机科学系费根鲍姆(EFIEGNBAuMEA)教授于1977年第五届国际人工智能联合大会上第一次提出。它是以知识本身为处理对象，研究如何使用人工智能的原理和方法来设计、构造和维护知识型系统的一门学科，包括基础理论研究实用技术的开发和知识型系统工具的研究。另一个相似的概念是基于知识的工程(knowledgebasedengineering，KBE)，目前尚无统一的定义，但可以理解为KB体现知识工程在各个领域中的应用，它能够自动地诱导产品设计人员进行产品的设计活动，如规划、造型和评价等。笔者将知识工程(KE)和基于知识的工程(KBE)统称为知识工程。
   
    2 知识工程与CAX的结合
   
    由于CAD系统无法将领域的设计原理规则、成功的设计案例和专家经验知识融人到最终的产品模型中，且均无法实现知识资源的重用，设计师仍然要在可能犯重复错误的前提下做大量重复的工作，在设计方案标准系列选择中，人工参与的工作量依然较大。因此，注重知识应用的CAX系统是现代制造业的关键需求。将三维CAD实体建模技术与知识库集成成为整个系统中不可或缺的一环，是实现快速设计和技术创新的前提。基于知识工程的CAX系统起源于20世纪90年代初的美国，最初CAITA和CIAD软件结合应用于波音公司飞机冲压件设计中。
   
    法国达索系统公司在为数字化企业服务过程中，探索将知识工程技术融人CAX。2006年3月发布最新版本 CATIA V5R16软件，知识工程主要包括知识工程顾问、知识工程专家、产品知识模板、产品工程优化、产品功能定义和产品功能优化等。CATIAVS通过提供方便易用的知识工程环境来创建、访问以及应用企业知识库，在保存企业知识的同时，充分利用现有的开发经验帮助企业把规范的设计信息、最优的设计方法和流程等隐含的知识容易地转换为正规的显式知识，给企业提供在产品全生命周期都可以捕捉与重用企业知识的能力。
   
    另一个典型的知识工程与CAX系统有机结合技术是UGS公司研发的KBW技术与UGNX系统高度集成的知识熔接技术(konwledeguf-isno)。借助知识熔接技术，基于知识工程的解决方案被嵌人MCAD系统中。软件系统能够记录和重复使用工程知识并用来驱动、建立、选择和装配相应的几何模型，允许系统利用工程知识库驱动工程规则完成强有力的应用，将包括知识库、知识规则以及逻辑推理在内的人工智能资源与CAD造型设计紧密结合起来。
   
    可以看出，知识工程技术可运用于整个产品创新设计全过程的各层次。通过知识工程可把产品开发过程中涉及到的多学科知识有机地集成在一起，从而带动企业相应各部门间的紧密联系以及产品信息共享与协同工作，极大地支持了产品创新设计问题求解。
   
    3 基于知识工程的产品创新设计方法集成
   
    集成在不同学术领域、不同学者间有不同理解，目前尚未形成统一定义。集成按照一般意义理解，就是指聚集、综合、融合、整合及一体化的意思。英国拉夫堡大学WETION教授从信息的角度对集成进行了定义:"集成是指将基于信息技术的资源及应用(计算机硬件/软件，接口及机器)集聚成一个协同工作的整体"。
   
    在整个产品创新设计过程中，实现创新设计的关键时期是概念设计(或称方案设计)阶段。概念设计阶段所定义的产品性能基本上就是最后用户所得到的产品性能。此时，能否有效利用各种创新设计方法进行设计创新，决定了概念设计的成败，同时也决定了最终产品的成败。
   
    结合产品创新设计方法，笔者认为基于知识工程的产品创新设计方法集成)是以快速产品创新、提高用户满意为目标，以系统思想为指导，以知识工程技术为纽带，创造性地将2个或2个以上的产品创新设计方法整合为一个有机整体的行为及过程的总称。
   
    基于知识工程的产品创新设计方法集成不等于基于知识工程的产品创新设计方法集合，它不仅把各个分离的产品创新设计方法物理地集合在一起，而且还包含以知识工程技术为纽带，将这些分离的产品创新设计方法在逻辑上互连起来，彼此协调，形成一个有机的整体。在这些集成的方法中，基于TRZI理论的计算机辅助创新(CAI)技术和常用的创新技法为实现功能原理创新提供了支持，进化创新设计方法和常用的创新技法综合运用又为产品造型、布局和结构创新设计提供了方便;而知识工程则贯穿整个产品创新设计全过程，它包括在创新设计过程中，从客户需求获取、产品创新构思到产品详细设计过程提供所需的领域知识、设计经验、设计约束、设计向导、方法指导和方案评价等。
   

    4 计算机辅助创新设计方案求解过程
   
    产品设计过程实际上是知识在设计中的应用过程，而产品创新设计方案求解过程则是逐步具体化产品知识模型的过程。在产品创新设计方案求解过程中，首先获取客户需求，然后综合利用辅助创新方法和知识库知识，进行需求分析、确定设计目标和设计要求、总体功能求解/分功能分解、创新构思、设计方案合成，以及设计方案评价，得到所需最佳创新设计方案。基于IOPIDM一BOKE的训算机辅助创新设计方案求解过程如图1所示。
   
    5 结 论
   
    笔者在研究典型的知识工程与CAX的结合技术的基础上，提出了基于知识工程的产品创新设计方法集成(IOPIDM一BOKE)概念，并给出了基于IOPIDM一BoKE的计算机辅助创新设计方案一般求解过程。该方法弥补了传统独立辅助创新构思方法和现有KBE系统的局限，实现了辅助创新构思、工程设计与CAX系统的无缝连接，有利于产品的快速创新设计。