基于模式语言的知识模板五要素描述方法研究

管清贵 殷国富 胡晓兵 尹湘云

四川大学，成都，610065

基于模式语言的知识模板五要素描述方法研究

管清贵 殷国富 胡晓兵 尹湘云

四川大学，成都，610065

针对产品设计过程中大量的设计知识隐含在产品设计实例中，无法被快速有效地描述与重用这一问题，提出了一种基于模式语言的模式名称、问题、解决方案、效果和多属性综合评价的设计知识五要素的描述方法。将设计参与人员在设计过程中长期积累的设计经验、设计灵感、设计思路、解决问题的依据、最终产品的使用评价等设计过程知识进行了描述和积累，并阐述了设计知识描述模板的结构、序列和分级。利用该描述方法对冲压模具产品设计过程的设计知识进行了描述，开发了冲压模具设计资源数据和知识库系统原型软件系统，并用冲压模具设计实例验证了该方法的可行性和有效性。

设计过程；模式语言；知识描述；知识模板

0 引言

现代机械设计正在从设计公式、经验型实验设计和静态解析为主的理论设计向动态型、人员广泛全程参与方向发展，结合计算机和互联网技术呈现出信息化、协同化、面向产品全寿命周期、创新性和智能化的特点［1－2］。目前，传统的知识表示方式如状态图表示、一阶谓词逻辑表示、产生式规则表示、语义网络表示和框架结构表示等，更多地是关注最终知识的表示和最终设计结果的应用，而对于知识的产生过程、解决问题的思路和专家的思维轨迹研究得较少。导致上述现象的原因在于设计过程是一个设计人员进行大量决策、判断和思维的过程，设计知识涉及学科广、领域多、知识分散、隐形和不确定性知识多，难于描述，不利于查询，从而使设计知识的描述和重用难度加大。

针对这一问题，本文从分析设计过程中依据的不同知识源和设计过程中不同的参与对象入手，在深入研究分析模式语言描述方法的基础上，研究符合设计过程和利于设计知识重用的设计知识描述方法，提出了基于模式语言的知识模板五要素的设计知识模板结构，通过建立设计过程中人机交互平台，使设计师、一般开发人员、用户以及产品设计过程的相关人员都可进行产品设计过程中的产品设计过程设计知识描写，参与产品设计或评价，为重用设计知识、设计知识管理、积累设计经验和产品创新设计提供了一个很好的模式和平台。

1 模式语言的描述方法

1.1 模式语言介绍

模式语言（或称模板语言）使用规范的模板与格式记录设计文档，使设计模式化。模式语言概念下的模式描述了某种环境中反复出现的问题以及该问题的求解方案，它可以被反复地使用而不必从头做起。一个标准的模式包括3个主要成分：①问题的特定场景；②问题本身；③问题的解决方案。也有学者认为一个模式有4个基本要素：①模式名称；②问题；③解决方案；④效果。模式语言系统中任何一个模式均不是孤立存在的，它依赖于其所包含的更小模式，并且帮助形成较大的模式，还可与相关的模式交互作用，基本模式的有机组合形成了能够对整个应用系统进行体系结构描述的模式语言［3］。

1.2 模式语言的管理

建筑学领域的模式语言从模式结构、模式序列和模式分级3个方面进行管理。

（1）模式结构。每一种模式语言下都有意象图示、引言、设问、解问、总结5个部分。

（2）模式序列。由大到小，从区域和城镇到邻里、组团、住宅、房屋和凹室，最后是构造细部，模式有大有小。

（3）模式分级。模式分为三级，一级表示该模式的解决方案概括了解决问题的一切可能途径的共同特性；二级表示该模式的解决方案几乎概括解决问题的一切可能途径的共同特性，但还能从该模式的解决方案中寻求其他解决方案；三级表示该模式对认识不变的特性方面仍未取得成功，解决方案仅仅是其中的一种。

2 基于模式语言的设计知识的描述

2.1 设计知识描述结构

基于模式语言的上述优越性，在深入分析和研究模式语言的基础上，提出了应用于设计过程中设计知识的五要素描述方法，如图1所示，具体描述方法见表1。将设计过程中子任务用的设计知识通过过程性知识存储表进行描述和表达，建立设计知识描述模板结构。将任务从提出到解决整个过程涉及的非规范性知识，按照知识分类的方式，通过知识管理员参与把网络协同设计过程中实际遇到的问题任务进行描述，提炼出问题或任务、解决思路和方法、显性知识、隐性知识、效果评价、其他辅助信息，存入到表中的一条记录，通过实例不断完善数据表各数据项。在网络协同设计过程中，对设计人员遇到的问题任务，按照评价值进行排序，在设计动态过程中，从数据库中提取供设计人员查询，进行知识共享，同时将调用、评价等有关信息补充到数据库中。采用数据表的形式进行存储，利用数据库进行管理，方便提取、查询、更新和管理。

图1 模式语言的描述设计知识五要素图

表1 设计知识五要素描述方法

2.2 设计知识模板序列

模板序列依据设计知识分类描述的思想，将模板分为3个层面。如图2所示，模板名称用Pxiyjzk来表示。第一层面针对设计过程全局性知识，如设计思想、设计基本要求、设计基本原则等，用xi表示，i＝0，1，2，…，∞；第二层面针对设计过程中阶段环节知识，如工艺方案确定、方案选取等，用yj表示，j＝0，1，2，…，∞；第三层面针对设计过程阶段中具体知识，如设计过程具体参数的确定、尺寸的确定、具体工艺的选取等，用zk表示，k＝0，1，2，…，∞。

图2 模板序列示意图

2.3 设计知识模板分级

设计知识描述模板是由专家、设计者、用户等众多参与者不断完善积累的，因此，设计模板就面临着大量设计实例的调用和调用排序问题，本文采用多属性综合评价，通过参与者的量化打分，不断完善知识描述模板。

可将设计知识的模板分为三级：一级表示该模板包含的设计知识是涉及解决方案设计过程中全局性的问题、经验，是设计过程中必须遵守的思路、规则等；二级表示该模板包含在实际中已成功应用的实例所积累的设计经验、设计思路、解决问题的决策依据、最终产品的使用评价等，是比较成熟的模板；三级表示该模板包含的设计经验、设计思路、解决问题的决策依据、最终产品的使用评价在实例中具有某一方面的优势，但还需在实际设计过程中不断加以完善和补充。

2.4 设计知识的模板积累与管理

不同的设计师有效利用设计知识的能力是不同的，在设计过程中，针对设计问题中的发现问题能力、分析问题能力、解决问题能力和呈现问题能力的不同，充分发挥每个设计师的专长，在设计过程和重复设计中，系统能够根据设计人员的需要，给出数据库中以往设计实例的设计经验和决策依据，通过这一方式可以有效地借鉴和采纳其他设计师的意见。因而，在设计知识交互平台上增加模板语言积累模块，包括模板写作格式和结构、模板语言参与人员、模板使用情况。模板语言形成模块包括核心模板、模板丛和实例。模板语言管理模块包括整体性模板、阶段性模板和细节性模板。

3 基于模式语言的设计知识描述系统

3.1 基于模式语言的设计知识描述的实现

根据上述理念，借助Delphi编程工具和Delphi本身所附带的数据库工具Database Desktop，开发了支持产品设计过程的设计知识描述重用平台，用于冲压模具的设计。系统的开发思路是：把设计实例按照设计过程进行设计知识分类，然后按模式语言数据表结构存储在数据库中，在开始新的设计时，利用参考因素的权重进行多属性综合评价，从而在数据库中搜索与当前设计符合度最高的设计实例、经验知识、约束条件、决策参考、使用评价等，提高设计效率，使新设计在概念设计阶段就能充分考虑产品全寿命周期的各个因素，同时也可针对设计过程中出现的问题进行数据库搜索，找到解决的方案以及解决问题的思路和依据［4－6］。

3.2 冲压模具设计知识描述

冲压模具的设计过程依据冲压件的产品图样进行冲压工艺过程设计，确定冲压工艺方案，然后在收集、整理有关设计参考资料和技术标准的基础上进行冲压模具的设计。模具的设计制造过程是一个多属性和模糊性的过程，既要保证制件的质量、提高生产率和降低成本等，又要采用行之有效的工艺手段进行正确的模具设计及选用合理的模具结构，还必须以先进的模具制造技术作为保证［7］。模具结构形式直接影响冲压件的质量、成本和冲压生产的水平。在设计模具时，以合理的冲压工艺过程为基础，对冲压件的形状、尺寸、精度要求、材料性能、生产批量、冲压设备、模具加工条件等多方面的因素进行多属性综合分析，通过研究和比较其综合的经济效果，以期在满足冲压件质量要求的前提下，最大限度地降低冲压生产成本。应用设计知识模式语言模板结构对冲压模具设计过程中的知识进行描述。

3个层面的知识模块实例如表2～表4所示。

表2 第一层面知识模板实例

表3 第二层面知识模板实例

表4 第三层面知识模板实例

3.3 冲裁模具设计知识描述应用实例

下面以冲裁模具设计为例实现设计知识重用。根据取得的资料，分析零件的冲压工艺性，确定工艺方案，是一个要考虑多方面因素和大量经验知识积累的过程，应用本文的基于模式语言的实例知识描述、实例知识库和综合评价推理决策技术，实现了面向设计过程的设计知识的重用［8］。图3为模糊评价实例截图。

（1）实例。凸凹模设计中冲压工艺方案确定。

图3 模糊评价实例

（2）输入初始条件。工件名称为手柄；材料为Q235－A钢；材料厚度为1.2mm；冲压工序只有落料、冲孔。

（3）结构。相对简单，有一个φ8mm的孔和5个φ5mm的孔；孔与孔、孔与边缘之间的距离也满足要求，最小壁厚为3.5mm（大端4个φ5mm孔与φ8mm孔、φ5mm孔与R16mm外圆之间的壁厚）。

（4）精度。全部为自由公差，可看作IT14级，尺寸精度较低，普通冲裁完全能满足要求。

（5）工艺方案选取。系统给出二级模式的3个设计实例，如表5所示。

因工作零件的形状相对较简单，故适宜采用线切割机床分别加工落料凸模、凹模、凸模固定板以及卸料板，这种加工方法可以保证这些零件各个孔的同轴度，使装配工作简化。

输入多属性综合评价考虑因素权重：模具制造成本0.4；模具制造难易0.3；工作效率0.2；冲压件质量0.1。经比较分析得出，选用冲孔－落料级进冲压工艺较好。

表5 冲裁模具设计工艺方案选取实例

4 结束语

本文充分汲取现有知识描述表示方法，从利于设计知识重用的角度，提出一种方便积累和管理的设计知识描述方法，并结合模式语言描述方法提出在重新设计和创新设计过程中，利用人机交互的方式，使设计师、一般开发人员、用户以及产品全寿命周期的相关人员参与产品的设计或评价产品重新设计和创新设计，这种方式利用设计过程中经验性知识和隐性知识的积累，使设计系统能够自适应、自学习、自成长，通过管理模块，可以将设计过程中的成功经验不断在系统中积累，成为集体智慧的承载。可以预见，机械设计的发展过程是一个逐步完善的过程，在当前计算机智能无法很好地模拟人类智能进行创新设计的情况下，建立开放性的设计平台，使设计过程透明化，遇到的问题明确化，利用人机交互，充分发挥不同知识专家、设计人员和用户的不同领域知识的作用，可以很好地解决这一问题，这一方法对于设计知识的积累以及产品的重复设计、变型设计和创新设计有着重要意义。

［1］ 雷源忠.综合交叉，开创我国制造科学研究的新局面［J］.数字制造科学，2004，2（1／2）：20－48.

［2］ Roucoules L，Salomons O.Process Planning as an Integration of Knowledge in the Detailed Design Phase［J］.International Journal of Computer Integrated Manufacturing，2003，16（1）：25－37.

［3］ 亚历山大C，伊希卡娃S，西尔佛斯坦 M，等.建筑模式语言［M］.北京：知识产权出版社，2002.

［4］ 赵震，吕士军，彭颖红，等.冲裁模具结构设计知识表示与处理技术研究［J］.中国机械工程，2003，14（4）：299－301.

［5］ 管清贵，殷国富，胡晓兵，等.基于模式语言的设计知识描述与发现方法研究［J］.四川大学学报（工程科学版），2008，40（6）：177－185.

［6］ 方辉，殷国富，高伟，等.工艺方案评价的不确定语言多属性决策研究［J］.计算机集成制造系统，2006，12（11）：1894－1915.

［7］ 屠立，张树有，陆长明.基于知识模板的复杂产品设计重用方法研究［J］.计算机集成制造系统，2009，15（6）：1041－1048.

［8］ 郑家贤.冲压模具设计实用手册［M］.北京：机械工业出版社，2007.

Research on Knowledge Description Method of Knowledge Template Five Factors Based on Pattern Language

Guan Qinggui Yin Guofu Hu Xiaobing Yin Xiangyun
Sichuan University，Chengdu，610065

Faced on mass design knowledge which hides in a product design example，how to describe effectively all kinds of design process knowledge under the web－based product design，establishing a support knowledge base for intelligence design，discovering and accumulating all sorts of knowledge in design process，providing the method for knowledge reuse，were the important technology problems for constructing and realizing in intelligence design.A method of applying pattern language to describe these knowledge was put forwarded.A die design resource data and knowledge base system was developed successfully for verification of the architecture，key technologies and implement methods.

design process；pattern language；knowledge description；knowledge template

TH122

1004—132X（2011）10—1185—04

2010—07—23

国家自然科学基金资助项目（50575153）；国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2006AA04Z108）

（编辑 袁兴玲）

管清贵，男，1974年生。四川大学制造科学与工程学院博士研究生。主要研究方向为CAD／CAM。殷国富，男，1956年生。四川大学制造科学与工程学院教授、博士研究生导师。胡晓兵，男，1970年生。四川大学制造科学与工程学院教授。严湘云，男，1970年生。四川大学制造科学与工程学院博士研究生。