基于超图的产品设计知识四维空间分类方法研究

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产品设计知识的有效重用是提高产品创新性和缩短设计周期的有效方法之-，设计知识重用可以大大降低多学科分布式设计人员在非创新性设计中的损耗，提高设计效率和设计质量，目前已成为设计知识管理领域中研究的核心问题↑年来在设计知识管理方面有影响的是由剑桥大学及知名企业共同参与的产品设计信息和知识管理项目n。设计知识的复杂性使得设计知识分类成为制约知识有效重用的重要问题，有效的分类可以提高知识存储的合理性，提高知识检索速度。

在设计知识分类相关研究文献中，Ropohl将设计知识分为：技术诀窍，功能性规则 ，结构性规则，技术法规和社会技术的理解性知识 。

Court认为产品设计过程中需要用到的知识可以分为：通用知识、领域知识和过程知识 。文献4]提出基于决策过程的产品设计知识分类方式。文献5]把产品相关的知识分为：零部件的知识，零部件间关系的知识，涉及零部件构造的材料属性约束知识，零部件和用户偏好关系知识。Hai Zhuge提出了-种知识网格模型，在三维知识空间里组织知识嘲。石鑫等人将产品设计知识分为四类：过程性知识、实体性知识、关系型知识和事实性知识 。

马雪芬等人以支持设计知识流动为 目标，提出了产品设计知识六维分类体系 。乔虎等人建立了变型设计知识的两层结构，并分别针对各层建立独立的知识库 。本文针对分类精确度及知识交叠性等问题，依据设计知识不同角度的存在状态，提出了四维知识分类方法。

1 四维设计知识分类体系本文从产品设计实际过程出发，针对不同设计阶段涉及的知识，从不同角度对其进行划分，最终确定产品设计流程，设计知识类型，知识存在形式，知识学科领域为四个分类方向，以四维空 间划分设计 知识 ，将设 计知识 以四维形式K( ， ，z，w)表示，其中 表示产品设计流程 ，J，表示设计知识类型， z表示知识存在形式，W表示设计知识领域。

将产品设计流程 分为四个阶段：概念设计、 方案设计 、详细设计 、仿真验证 。其中概念设计包括设计任务规划，需求分析，技术特性分析，系统原理设计等内容；方案设计需要提出几种初步方案，并经过分析、对比和评价，确定最佳总体方案；详细设计需要通过详细多学科计算分析，完成方案细节设计及性能优化，并完成图纸和技术文件等。仿真实验是对设计方案收稿日期：2013-03-29基金项目：863课题 (2012AA040910)；支撑计划课题 (2012BAF12B05、2012BAF12B02)作者简介：王振海 (1964-)，男，在职博士，研究方向为制造业信息化及知识管理等。

第35卷 第6期 2013-06(上) [1411 l 訇 似及样机模型等进行仿真验证的过程，通过验证发现问题并加以改进。

设计知识类型 可以分为产品相关知识 l、设计组织知识 2和设计外延知识 。产品相关知识是关于产品的基本信息，包括产品的外型、色彩、功能、材料、零部件、结构数据等方面；设计组织知识是设计管理相关知识，包括设计过程中对人力、物力、时间资源的组织，设计团队建设等；设计外延知识指设计相关部门所提供的关联知识，如从销售部门获取的客户需求知识，生产部门获取的生产信息等。

知识存在形式Z是指设计知识呈现的方式，可以分为：文档类Z，，数据类Z ，图形类Z ，模型类Z ，隐性类Z 知识。以文档形式保存的设计信息是典型的文档类知识；典型的数据类知识有产品的设计参数，实验数据等；设计图纸是典型的图形类知识；CAE模型属模型类知识，隐性类知识是存在于设计人员头脑中的知识，通过沟通实现知识获龋知识学科领域 w指设计知识所属的学科领域 ，如材料学、流体力学、电磁学、摩擦学等研究领域。

以设计流程 、知识类型 6、知识存在形式Y为坐标轴，建立三维知识空间，如图lli：示，各知识单元拥有三维坐标，并处于不同学科中，知识单元的空间坐标用K(Cc，p，Y，(1))表示。学科领域之间可能存在交叉，图中K 同属于材料学和电磁学两个学科。为了将学科领域这-维度嵌入三维空间中，本文使用超图及广义表来对知识分类体系进行表示和描述。

图1 设计知识四维分类体系2 基于超图的设计知识分类模型超图理论在计算机科学，人工智能等领域都[1421 第35卷 第6期 2013-06(上)得到了广泛的研究，在知识管理领域中的知识组织、知识检索等方面也取得了-定的新成果。

超图是图的推广，它的-条边可以连接任意数量的顶点。超图H是-个集合组H(X，E)，其 中X 。，X：，， )是-个有限集合 ，元素X1，X2，，X 被称为超 图的节点或顶点 ，集合EE，，E ，，E 是x的非空子集，称为超边u。

超图是研究有限集合中各元之间的多元关系的系统，通过对经典图的扩展，使图的应用更有效。例如，在经典图中，若以顶点代表歌曲，每条边代表两个顶点 (歌曲)享有同-作曲家，但丢失了 同-作曲家的多首歌曲”这-信息，而利用超图表示则可以完整的表达信息。

本文基于超图和广义表构建知识分类模型来表示四维设计知识分类体系，主要过程如下：1)以设计知识单元vi作为超图的顶点，顶点的三维坐标分别是产品设计流程，设计知识类型，知识存在形式，以超图的边E；来表示知识单元在四维知识空间中以学科领域划分。

2)分别用数值1到4表示设计流程的四个阶段，以1到3表示三种知识类型，l到5表示5种知识存在形式，构建设计分类体系矩阵 。

3)基于关联矩阵的超图表示方法能清晰的表示节点之间的关系，并且便于计算机处理～知识分类超图根据各知识单元所属学科不同，用矩阵K：( )来表示，其中K中的J列对应超图H中的j条边E ，E ，E3，，E，i行对应超图H中的i个顶点v，v 2， ，vi。当 Vf∈Ef时 ，k 1， 当V 萑E，时，k ，0，如图2所示。从而实现四维设计知识分类体系的表达。

E2 E30图2 设计知 识四维分 类体 系表不方法4)广义表-般记作 LS( %，日 )，n是它的长度，ai可以是单个元素 (原子)，也可以是广义表 (子表)¤助广义表LS矩阵K。和矩阵K进行整合，生成广义表LS( ，K)，进而通过十字链表等技术实现LS的计算机存储和处理。

以上为构建四维分类模型的基本步骤，在实务1 匐 ，flu际应用中，可以根据实际需要对相应的分类维度进行调整，实现不同设计知识的有效分类。

3 微力测量系统关键部件设计知识分类应用高精度多量程电子天平在贵重金属、药品等称量方面发挥举足轻重的作用，但该类产品主要为国外进口，国内企业自主研发能力薄弱，市场竞争能力严重不足，主要因素之-就是产品设计经验未进行规范化，缺乏足够的知识重用机制。

高精度多量程电子天平主要结构包括：陶瓷架，传力叉，柔性架、柔性铰链等机械结构以及与之关联的检测电路，是决定天平设计精度的重要部件，它们通过机械结构将被称重对象的质量转化为微小形变，并由LC检测电路识别。本文选取高精度多量程电子天平关键部件陶瓷架的设计为例，对以上提出的四维知识分类体系的具体应用进行说明。

根据天平陶瓷架实际设计过程情况，选取关键设计知识节点，并按照四维设计知识分类体系，划分各知识节点所属的产品设计流程，设计知识类型，知识存在形式与知识学科领域，建立知识节点与四维体系的对应关系，如表1所示。

将设计流程 的四个阶段概念设计 、方案设计、详细设计、仿真验证分别用数值1到4表示，知识类型和知识存在形式以同样方法表示，构建设计分类体系矩阵I(n，如图3所示。

图3 天平陶瓷架设计分类体系矩阵表示根据表1建立学科领域维度大规模稀疏布尔矩阵K，其中1表示知识节点k属于学科K，0表示不表1 陶瓷架设计知识分类体系表表2 天平陶瓷架设计超图矩阵El E， E E8 E9 Elo EI2 E13 E14 E15 多 目标 Ed E E， 检索 弹性 模拟 Ell 画法 数值 可视化 最优化设计方法 QFD 材料学 理论力学 材料力学 机械设计 摩擦学 规划 技术 力学 电路 几何 计算 技术 方法kl 1 1 0 0 0 O 0 0 0 O 0 0 O O 0k2 1 1 1 0 0 O O O 0 O 0 O 0 0 0k3 0 O 0 1 1 l 1 0 O 0 O O 0 0 0k4 0 0 0 0 0 O 0 1 0 0 . 0 0 O 0 Ok5 O 0 0 O 0 0 O 0 1 1 1 O 0 0 0k6 0 O 0 O 0 O 1 0 O O 0 1 O O Ok7 0 O 0 O O 0 O O 0 0 O 0 l 1 0k8 O O O 0 O 0 1 0 0 0 O O 0 0 0k9 0 0 0 0 0 0 1 O O O 0 0 O 0 1第35卷 第6期 2013-06(上) [1431Y 1 1 2 2 2 2 2 1 1 Z 1 1 2 2 3 3 4 4 4谴 l lI8 化属于K，如表2所示〃立广义表LS将矩阵K 和K进行整合，生成广义表LS( ，K)，借助其他数据结构方法实现四维知识分类体系的计算机存储和处理 。

4 设计知识分类管理原型系统开发根据本文提 出的设计知识 四维空间分类方法，以Windows为应用操作系统，采用C/S架构和SQL Server数据库，开发了复杂产品设计知识管理平台，实现了设计知识的合理分类、存储和有效重用，提高了知识检索效率，有效支持了复杂产品的设计过程，同时对本文提出了方法进行了验证和反溃以高精度多量程电子天平设计为例，如图4所示为天平部件陶瓷架相关信息及文件。

图4 系统 实现5 结束语本文通过对产品设计知识特性的综合分析，并结合设计知识使用特点，提出了四维知识分类体系，并基于超图及广义表对其进行了表达和描述。在此基础上以高精度多量程电子天平设计关键部件陶瓷架为例，对提出的知识分类方法进行了验证，并开发了复杂产品设计知识管理原型系统♂果表明，该方法能够提高产品设计知识的重用效率，提高产品设计效率，缩短产品设计周期。