本發(fā)明涉及知識工程領(lǐng)域，具體涉及支持協(xié)同設計知識共享的產(chǎn)品設計方法。

背景技術(shù)：

隨著網(wǎng)絡技術(shù)和智能制造技術(shù)的快速發(fā)展，知識已經(jīng)成為企業(yè)不可或缺的關(guān)鍵性資源，是企業(yè)競爭中的重要因素，其正在逐漸取代土地、勞動、資本和機器設備，成為最重要的生產(chǎn)要素。與此同時，產(chǎn)品設計的復雜性和專業(yè)化程度不斷提高，作為知識密集型的過程，產(chǎn)品設計無法由單個設計人員獨立完成，多個或多組設計人員進行協(xié)同設計成為了產(chǎn)品設計的主要形式。

產(chǎn)品設計階段是決定制造業(yè)生產(chǎn)處高質(zhì)量、低價格產(chǎn)品的關(guān)鍵，直接影響了產(chǎn)品的整個生命周期。作為敏捷制造、并行工程、網(wǎng)絡化制造的基本支撐技術(shù)，產(chǎn)品協(xié)同設計已經(jīng)成為目前的研究熱點和前沿技術(shù)，顯示出良好的發(fā)展前景。在激烈的市場競爭環(huán)境下，企業(yè)不僅需要以最短的時間、最好的質(zhì)量、最低的成本將產(chǎn)品投入市場，還必須滿足不同用戶的個性化需求，更重要的是提高產(chǎn)品創(chuàng)新設計能力，以最快的速度開發(fā)出具有獨占性技術(shù)的產(chǎn)品。因此現(xiàn)代產(chǎn)品設計越來越強調(diào)基于分布式知識資源的協(xié)同設計方法。因此，建立一個支持知識共享、人員和技術(shù)及工具集成的設計環(huán)境，支持多學科設計人員實現(xiàn)異地協(xié)同設計成為現(xiàn)代設計技術(shù)研究的熱點。

產(chǎn)品協(xié)同設計是一個分階段的設計知識共享和綜合決策過程，一般由各設計小組分別承擔不同的設計子任務，形成一系列設計模塊，協(xié)作進行產(chǎn)品設計。這些設計模塊的在時間上表現(xiàn)為并行獨立、串行依賴或交叉耦合的過程，相應地表現(xiàn)為模塊之間設計知識的獨立、單向依賴和相互依賴關(guān)系。協(xié)同設計中的交互關(guān)系復雜，主要表現(xiàn)在：各設計模塊之間存在參數(shù)約束關(guān)系；模塊之間的關(guān)聯(lián)具有多樣性，如串行關(guān)系和交互耦合關(guān)系等；一個設計模塊的修改會導致其他設計模塊的修改。因此提高設計知識共享水平，成為降低協(xié)同交互關(guān)系復雜性，提升設計效率的重要途徑。

協(xié)同設計過程中設計模塊需要從其他模塊獲取設計知識，開展本模塊的詳細設計。目前協(xié)同設計知識共享方法有很多不足和問題，主要體現(xiàn)在：(1)各設計模塊有獨立的知識表示方式和存儲結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)的知識難以用統(tǒng)一的模型表達并進行重用。(2)設計人員的設計對象和學科領(lǐng)域不同，對同一概念的表述不同，為知識共享帶來不便，在對設計概念進行共同理解的基礎(chǔ)上進行知識交互非常重要。(3)此外，模塊之間一致性規(guī)則的存在導致了可能發(fā)生的沖突，對模塊知識共享產(chǎn)生影響，需要在知識共享過程中同步地進行一致性檢查并消除沖突，得到各協(xié)同模塊都接受的設計結(jié)果。(4)知識共享內(nèi)容不完善，沒有在知識明確分類的基礎(chǔ)上對所有設計知識進行體系化的共享，并且對一致性規(guī)則的表達不完整，只能實現(xiàn)設計參數(shù)的簡單數(shù)學關(guān)系規(guī)則。

綜上所述，現(xiàn)有的方法不足以支持協(xié)同設計知識共享和一致性檢查的工作，降低了協(xié)同設計效率。需要一種新的知識共享方法來完成這項工作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種支持協(xié)同設計知識共享的產(chǎn)品設計方法，能夠有效促進協(xié)同設計中不同設計模塊之間的知識共享，使設計人員實時獲取其他設計模塊的設計知識，實現(xiàn)協(xié)同知識共享，提高協(xié)同設計效率。

一種支持協(xié)同設計知識共享的產(chǎn)品設計方法，該產(chǎn)品設計方法的具體步驟如下：

步驟一，根據(jù)產(chǎn)品設計的一般流程概念構(gòu)建元本體，不涉及具體的設計對象；所述元本體即協(xié)同本體的總體框架，是產(chǎn)品設計的一般流程，表達產(chǎn)品設計的通用概念，包括設計屬性類及設計任務類，所述設計屬性是接口最基本的設計要素，用于表達產(chǎn)品設計的各種數(shù)值或非數(shù)值參數(shù)；所述設計任務用于對設計模塊、目標、流程、設計模塊之間的關(guān)聯(lián)及功能進行描述；

步驟二，在元本體的基礎(chǔ)上針對設計對象構(gòu)建領(lǐng)域本體，元本體和領(lǐng)域本體共同形成完整的協(xié)同本體；所述領(lǐng)域本體是在元本體中類的基礎(chǔ)上具體化形成面向設計對象的類，實現(xiàn)本體由總體框架到詳細的協(xié)同本體的細化；

步驟三，在協(xié)同本體中將接口要素關(guān)聯(lián)在接口中；所述接口要素包括從領(lǐng)域本體中提取的設計屬性和設計任務，以及指定的設計規(guī)則及約束；

步驟四，將針對設計對象具體的設計數(shù)據(jù)添加到協(xié)同本體中，并將一系列設計結(jié)果以實例的形式存儲在設計屬性中，領(lǐng)域本體的一系列設計模塊之間通過接口提取接口要素中的知識進行共享及設計。

進一步地，所述產(chǎn)品設計方法進一步包括通過接口讀取接口要素中的設計規(guī)則及約束，基于pal語言對實例進行一致性檢查，將違反設計規(guī)則及約束的實例以表單的形式返回并進行修改，形成最終設計結(jié)果。

進一步地，所述設計規(guī)則分為兩類：參數(shù)規(guī)則和經(jīng)驗規(guī)則，分別定義設計參數(shù)中數(shù)值型約束和難以用數(shù)學關(guān)系表達的復雜設計屬性的規(guī)則。

有益效果：

1、本發(fā)明方法基于本體建模方法，將不同結(jié)構(gòu)的知識用統(tǒng)一的模型表達且可以重用，同時使概念規(guī)范化，消除了語義異構(gòu)性帶來的不便；其次，能夠通過接口提取接口要素中的知識實時獲取其他設計模塊的設計知識，實現(xiàn)協(xié)同知識共享，提高協(xié)同設計效率。

2、本發(fā)明方法基于pal語言能夠?qū)嵗驮O計規(guī)則及約束進行一致性檢查，確保了設計結(jié)果符合設計約束，減少了設計錯誤和設計沖突問題的發(fā)生，提高了協(xié)同設計的效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為本發(fā)明的元本體結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明設計方法的接口形式和內(nèi)容；

圖4是本發(fā)明采用pal語言建立規(guī)則示意圖；

圖5是發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)圖；

圖6是曲軸結(jié)構(gòu)圖；

圖7是汽車發(fā)動機缸體的領(lǐng)域本體圖；

圖8是接口界面圖；

圖9是一致性檢查圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。

首先對產(chǎn)品協(xié)同設計模式進行說明。當形成產(chǎn)品設計任務后，進行人員和資源配置，將設計任務分解為一系列子任務并將其分配給各設計小組，形成不同的設計模塊。各設計模塊之間互相協(xié)作，共同完成產(chǎn)品設計任務。本發(fā)明方法主要解決串行依賴和交叉耦合設計模塊的知識共享問題。串行依賴中一個設計模塊的完成是另一個設計模塊的前提條件，單方面進行知識共享；交叉耦合是指各模塊互為前提條件，即模塊之間進行設計知識的雙向共享。

本發(fā)明提供的支持協(xié)同設計知識共享的產(chǎn)品設計方法，基于本體建模方法構(gòu)建元本體及領(lǐng)域本體，元本體和領(lǐng)域本體共同形成完整的協(xié)同本體。

協(xié)同本體分為元本體及領(lǐng)域本體。元本體即協(xié)同本體的總體框架，是產(chǎn)品設計的一般流程，表達產(chǎn)品設計的通用概念，包括設計屬性類及設計任務類，如圖2所示。元本體不僅有一系列通用概念和術(shù)語，并且嚴格定義了這些概念之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。設計屬性是接口最基本的設計要素，用于表達產(chǎn)品設計的各種數(shù)值或非數(shù)值參數(shù)，常見的設計屬性如設計參數(shù)、表面形貌、材料等。設計任務用于對設計模塊、目標、流程、設計模塊之間的關(guān)聯(lián)及功能進行描述，模塊設計過程相當于一系列設計屬性的確定過程。

領(lǐng)域本體是在元本體中類的基礎(chǔ)上具體化形成面向設計對象的類，實現(xiàn)本體由總體框架到詳細的協(xié)同本體的細化；

接口與接口要素相關(guān)聯(lián)。接口要素包括從領(lǐng)域本體中提取的設計屬性和設計任務以及指定的設計規(guī)則及約束；設計規(guī)則及約束利用pal語言定義，設計規(guī)則分為兩類：參數(shù)規(guī)則和經(jīng)驗規(guī)則，分別定義設計參數(shù)中數(shù)值型約束和難以用數(shù)學關(guān)系表達的復雜設計屬性的規(guī)則，如圖3所示。

將針對設計對象具體的設計數(shù)據(jù)添加到協(xié)同本體中，并將一系列設計結(jié)果以實例的形式存儲在設計屬性中，領(lǐng)域本體的一系列設計模塊之間通過接口提取接口要素中的知識進行共享及設計。產(chǎn)品設計過程實質(zhì)上是一系列設計屬性的確定過程，在設計過程中，每當設計人員確定一個設計屬性，就在相應的設計屬性類中建立一個屬性實例。如果該屬性需要被其他設計模塊共享，則在接口要素中添加該屬性實例，并在接口用戶界面顯示。當所有設計屬性都以實例的形式確定后，產(chǎn)品設計結(jié)果隨之產(chǎn)生。

產(chǎn)品設計的的具體步驟和過程如圖1所示：

步驟一，根據(jù)產(chǎn)品設計的一般流程概念構(gòu)建元本體，不涉及具體的設計對象；根據(jù)產(chǎn)品設計的一般流程，梳理相關(guān)領(lǐng)域的核心概念和術(shù)語，并整理概念之間的關(guān)系，建立元本體。元本體不涉及具體領(lǐng)域和對象，即有“設計任務”、“設計屬性”等類，但是沒有深入到具體設計中有哪些設計屬性、哪些設計任務。元本體的存在固定了協(xié)同本體的基本架構(gòu)，在使用時只需要在元本體的基礎(chǔ)上結(jié)合具體產(chǎn)品構(gòu)建領(lǐng)域本體即可，提高了元本體的重用性。在實際設計中，只有進行交互的設計屬性才會在接口中表示，如果某個設計屬性與其他設計模塊沒有交互，接口中將不包含這一屬性，降低接口的冗余程度。

步驟二，在元本體的基礎(chǔ)上針對設計對象構(gòu)建領(lǐng)域本體，元本體和領(lǐng)域本體共同形成完整的協(xié)同本體；領(lǐng)域本體則是在元本體中類的基礎(chǔ)上具體化形成面向設計對象的類；如對于汽車發(fā)動機曲軸和缸體的協(xié)同設計，在“設計任務”類下屬的“設計模塊”類中添加曲軸模塊和缸體模塊，將設計過程涉及到的所有設計屬性添加在“設計屬性”類中，如將曲軸直徑添加到設計屬性中，這樣就實現(xiàn)了本體由總體框架到詳細的領(lǐng)域本體的細化。

步驟三，在協(xié)同本體中將接口要素關(guān)聯(lián)在接口中；

步驟四，將針對設計對象具體的設計數(shù)據(jù)添加到協(xié)同本體中，并將一系列設計結(jié)果以實例的形式存儲在設計屬性中，領(lǐng)域本體的一系列設計模塊之間通過接口提取接口要素中的知識進行共享及設計。

產(chǎn)品設計方法進一步包括通過接口讀取接口要素中的設計規(guī)則及約束，基于pal語言對實例進行一致性檢查，將違反設計規(guī)則及約束的實例以表單的形式返回并進行修改，形成最終設計結(jié)果。采用pal語言建立規(guī)則，如圖4所示。

在進行產(chǎn)品設計中，通過基于協(xié)同本體的接口實現(xiàn)設計知識即設計屬性、約束規(guī)則等的共享，并在設計過程中將設計結(jié)果以實例的形式保存在本體中，進行規(guī)則一致性檢查并在將來的變型設計中進行重用。

如針對發(fā)動機的設計，發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，氣缸提供燃燒的空間并對曲軸提供支撐，曲軸進行旋轉(zhuǎn)，把燃燒產(chǎn)生的能量變?yōu)檩S的轉(zhuǎn)動。氣缸模塊的設計屬性有：缸體長l，缸體寬b，氣缸數(shù)n，氣缸直徑d，飛輪孔直徑d3，壁厚t以及支承方式(全支承和半支承)。

曲軸結(jié)構(gòu)如圖6所示，曲軸包括前端、油孔、主軸頸、曲柄銷、曲柄臂、平衡塊和輸出端7大部分。曲軸結(jié)構(gòu)設計模塊主要指主軸頸、曲柄銷和曲柄臂的設計。主軸頸設計屬性有：主軸頸數(shù)n，直徑d1，長度l1，內(nèi)徑d1。曲柄銷設計屬性有：直徑d2，長度l2，內(nèi)徑d2。曲柄臂設計屬性有：厚度h，寬度b。

發(fā)動機缸體和曲軸在功能結(jié)構(gòu)上有密切的關(guān)系，兩者的設計不能孤立地進行，必須在下同環(huán)境下開展并行設計。二者在協(xié)同過程中設計屬性交互的一致性規(guī)則是：

(1)曲軸尺寸參數(shù)大多取決于氣缸直徑：

主軸頸：d1為0.7～0.8dl1為0.35～0.5d

曲柄銷：d2為0.6～0.7dl2為0.35～0.45d

曲柄臂：h為0.2~0.3db為0.9～1.3d

(2)曲軸主軸頸數(shù)n取決于汽缸數(shù)n和支承方式。當采用全支承結(jié)構(gòu)時，主軸頸數(shù)比汽缸數(shù)大1，當采用非全支承結(jié)構(gòu)時，主軸頸數(shù)等于汽缸數(shù)。

(3)飛輪孔直徑d3大于主軸頸直徑d1但其差值小于20mm。

(4)氣缸體長l應該比曲軸長與氣缸體壁厚的和多100mm以上。

此外，設計模塊內(nèi)部也存在一些約束如：

(5)主軸頸和曲柄銷的內(nèi)徑取決于各自的直徑：

主軸頸：d1＝0.4-0.7d1

曲柄銷：d2＝0.4-0.6d2

氣缸和曲軸設計互相需要對方的設計屬性才能開展協(xié)同設計，設計模塊之間有強耦合關(guān)系，利用本發(fā)明提出的協(xié)同設計知識共享模型實現(xiàn)協(xié)同共享。建立如圖7所示的汽車發(fā)動機缸體的領(lǐng)域本體圖。首先將設計知識從發(fā)動機總體設計人員傳遞到各模塊詳細設計人員，其次通過協(xié)同本體實現(xiàn)氣缸體設計模塊和曲軸設計模塊的知識共享和一致性檢查，模塊設計人員從接口中得到所需另一個模塊的知識，使設計知識能夠同步地在兩個設計模塊之間進行共享。

進一步的，在協(xié)同本體中建立接口實例，設計人員通過接口獲取所需設計知識。接口界面如圖8所示。

針對初步設計結(jié)果，利用本體推理引擎基于pal語言進行規(guī)則的一致性檢查，如圖9所示：

發(fā)現(xiàn)有三處設計結(jié)果違反了設計規(guī)則，分別是(1)曲柄銷外徑和氣缸直徑的約束，(2)主軸頸外徑和飛輪孔直徑的約束。(3)支承方式、汽缸數(shù)和主軸頸數(shù)的約束。設計人員根據(jù)反饋對相關(guān)設計結(jié)果進行修改，形成符合設計要求的最終設計結(jié)果。該實例證明所提出的知識共享方法能夠有效地促進協(xié)同設計中不同模塊之間的設計知識的共享，并對設計結(jié)果和設計規(guī)則進行一致性檢查，減少設計錯誤的發(fā)生，提高設計效率。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。