基于基因工程思想的产品族设计及其关键技术研究

高 磊， 万 静， 陈东宁

（北京科技大学机械工程学院，北京 100083）

基于基因工程思想的产品族设计及其关键技术研究

高 磊， 万 静， 陈东宁

（北京科技大学机械工程学院，北京 100083）

通过分析型材断面的尺寸和形状特征的继承关系及型材模块的结构变异,将基因工程的思想用于产品族的开发设计中,并将“型材特征”看作是产品结构信息的“DNA”。借鉴生物学领域基因工程原理，揭示了“型材特征”这种信息流在产品树中的传播规律,在此基础上提出了一种基于基因工程思想的产品基因编码与重组方法。通过对产品族和产品基因DNA的概念以及产品族设计DNA的内涵和研究内容的探讨，指出了支持产品基因工程的关键技术，并以门体型材为例，说明产品族基因工程思想的设计效果。

产品族设计；基因编码；DNA；门型材；基因工程思想

在基于型材特征的产品族设计中，伴随着自上而下的设计进程，型材特征在产品树中自上而下地传播。型材断面与断面之间特征的遗传、继承及型材模块的结构变异就如同基因工程中“DNA”的遗传、继承和变异。基因工程的思想为产品基因编码和重组提供了方法学基础[1-2]。本文以产品族基因工程思想为指导，对门体型材做进一步的开发设计与研究，在此基础上进一步研究基于基因工程思想的产品编码及重组方法。

1 产品族以及产品基因DNA的概念

1.1 产品族的概念

产品族(Product Family)是指以产品平台为基础，针对一系列相关联的市场，进行产品平台和基于产品平台的相关系列产品的设计，以低成本和快速开发周期满足客户的个性化需求，它是一种利用有限的开发、制造和服务来经济地发展产品多样性的方法。

对于产品基因库的建立而言，产品族是一些具有大量相同或相似特征产品的统称。产品族中的成员在变化，但是却共享着许多共性的特征，使得同一企业的产品具有共同的识别因素，如图1所示的部分型材所含的共性特征。

图1 型材

1.2 产品基因的概念

生物学上，基因是DNA分子上具有一定遗传效应的一段核苷酸序列，具有重组、突变、转录和遗传等功能；基因含有特定的遗传信息，是遗传物质的最小功能和结构单位。产品基因(Product Gene，PG)和生物体基因类似，机械产品可以被看作是在产品基因的基础上，在适合的外界环境下“生长”和“发育”起来[3]。因此，产品基因是一个抽象的概念，它是产品的所有可遗传信息的集合，因此决定着产品的特定结构和功能，并且可以自动“生长”，在适当的条件下生成特定的产品结构，并在一定的环境中实现其功能。

2 产品族基因工程思想内涵及研究内容

2.1 产品族基因工程思想框架

生物基因工程是将基因从生物体内通过分解的方式提取出来，在体外进行改造后，再将重组基因重新导入受体细胞中，使得我们可以从中选出优良形状的新生物。那么，对于机械产品来说，是否可以通过类似生物基因工程的方式，进行产品基因的重新组合，来对机械产品进行结构和功能的设计，并支持产品的创新呢？基于这种思想，产品基因和产品基因工程也被越来越多的非生物学科所借鉴[4]。

产品基因工程，是以创新为目的，进行新产品基因获取的一项关键技术。它根据要求在基因库中提取出需要的产品基因，再重组成新产品基因组，通过这一系列工作，创造出符合新产品设计要求的特定产品基因组。产品基因工程的功能之一就是为了支持快速的响应市场的需求。产品基因的设计过程，如图2所示，其中，虚线框中的内容属于产品基因工程范畴。基于产品基因工程的基因重组及创新设计系统，包括产品基因提取模块、基因重组模块和产品基因库模块这三部分。

图2 产品基因设计思想框架

产品的整个设计流程如下：每次产品设计完成后，提取它的基因，存入产品基因库中进行归纳和整理。当设计新产品时，根据产品的功能需求和适用条件，返回基因库中寻找大致符合设计要求的产品基因，然后按照型材基因对它重组，从而得到新产品的基因组，但整个设计并不是到此结束，还有更为重要的一步就是对新基因组的先进性和合理性进行综合的评价，如果认为该方案可行，则进入产品基因组的生长型设计，同时，再把新产品的基因提取出来放入产品基因库中，以备下次设计之用；反之，返回产品基因库中重新进行重组操作。

2.2 产品族基因工程思想研究主要涉及的内容

1） 产品族设计DNA的提取

产品族设计DNA的提取是研究产品族设计DNA的关键，对于产品设计、企业产品品牌规划具有重要意义。产品族设计DNA的提取可以从宏观和微观两个方面出发：宏观方面，从市场研究、企业文化、品牌、产品开发、心理学等方面出发，提取出符合企业发展的设计DNA的显性和隐性特征，用以指导产品族的开发设计；微观方面，从产品语义学角度出发找出构成产品族设计DNA 遗传和变异的设计元素，并应用于产品族开发设计中。

2） 产品族设计DNA的编码

产品族设计DNA的编码是产品设计的重要环节。通过编码将研究对象表示为产品基因，这样便于设计知识的检索、重用和传递，从而有利于提高设计效率，实现产品方案创新。在对研究对象进行基因编码时，其中码段数、码段定义域和编码体系结构是编码系统的三要素。纳入编码系统中的不同属性称为码段，编码系统中的码段总数称为码段数；一个编码系统在对一个零件进行编码时所采用的码段编码位数称为码位数;码段定义域指编码过程中各码段可能的取值范围或集合。编码体系结构主要有3种形式：树式结构、链式结构、混合结构，如图3所示。

图3 三种编码体系结构

3种编码体系结构的主要特点如表1所示。

表1 3种编码体系结构的特点

产品DNA编码的有效性和可靠性，直接决定了产品基因工程的效率，是产品基因工程能否成功运行的关键。为了确保编码的可靠与有效，产品基因编码应遵循唯一性、简单性、合理性、可扩充性、适用性、规范性等基本原则。

3） 产品族设计DNA元素的风格认知

产品的风格是人们对产品共性特点的认知，

不同的产品会形成不同的风格认知。产品族设计DNA元素的风格认知主要研究人们对某一类产品造型的风格认知特点，探讨产品造型语义与认知意象之间的关系，建立产品族设计DNA元素与用户认知意象之间的映射关系，为产品建模奠定基础。

3 产品基因工程的关键技术

产品基因是产品信息的集合，产品基因工程是对产品基因的操作，它包括：对现有产品提取其产品基因，按照某种组织形式来构建产品基因库，从而获取目的基因，这样的过程称为产品基因的获取过程；对目的基因进行相关信息的扩展过程称为产品基因的扩增过程；按照基因信息遗传规律进行分离或连接产品基因，对产品基因进行修改，并依照产品基因的重组规则，对产品基因组进行重新组合，这样的过程称为产品基因的重组过程；将重组后的产品基因组进行验证和修改，并转移至适合的环境中，通过基因的控制机制和基因表达（基因转录和基因翻译），创造出更有价值的产品或更新的产品类型的过程称为产品基因的表达过程。因此，产品基因工程的关键技术具体可包括：产品基因的获取技术、产品基因的扩增技术、产品基因的重组技术以及产品基因的表达技术，如图4所示。

图4 产品基因工程的关键技术

1） 产品基因的获取技术获取产品基因，是在零件信息模型的基础上，建立产品基因模型，提取产品的功能基因、结构基因以及控制基因，并构建了基因库，以用于产品基因重组及表达。

2） 产品基因的扩增技术对产品基因的扩增，不是指产品基因数量的扩增，而是指产品基因相关信息的扩展、增广的过程，是产品信息的扩增。其中，主要包括几何信息的扩增、受力信息的扩增等，通过对这些基因信息的扩增以便于在产品基因重组中满足基因重组的匹配规则。

3） 产品基因的重组技术产品基因的重组包括产品基因的分离连接技术、产品基因的重组规则以及产品基因的转移。重组技术还包括，识别原有产品中不良产品基因，替换优良产品基因等过程。

4） 产品基因的表达技术产品基因的表达就是以产品基因为基础，如何将产品的遗传信息体现在产品结构设计的过程中，也就是基于产品基因的生长、发育的过程。

4 型材特征基因编码系统的应用举例

以上内容是对产品族基因工程思想及关键技术研究的一些介绍。为了更清楚地说明产品族基因工程思想的内涵及如何进行型材特征基因编码，这里以门体型材为例，阐述进行其基因编码方法与步骤，使已形成的特征编码能遗传几何结构、功能特征等信息。

考虑到产品族设计阶段特征基因检索的快速性与准确性，特征基因编码采用四段式链式编码结构[5]，如图5所示，第1段为门型识别码；第2段为型材和宽度系列码，其中包括型材系列编码部分和宽度系列编码部分；第3段为功能特征基因编码；第4段为辅助编码部分等。在型材特征基因编码过程中采用变长度编码，其中编码之间用“#”分隔。

为帮助理解图5所示的产品信息基因编码系统的结构，下面将对本文研究的部分门体型材进行编码如下：

1） 门型识别码 Re ——表示旋转门（如：Re2——两翼旋转门；Re3——三翼旋转门；Re4——四翼旋转门等）；Ar ——表示弧形门；Sm——表示平滑门；Hs——表示平推门；Sp——表示地弹门等。

2） 型材和宽度系列码 Z——表示直边门型材；X——表示斜边门型材等，宽度有30、40、50等型材。如：Z30 ——直边30型材； Z50 ——直边 50型材；X40——斜边 40型材；X50——斜边50型材等。

3） 特征基因功能编码 LG —— 表示连接功能基因（如：LGX01—— 型材连接功能基因等）；MG ——密封功能基因（如：MGJ01——胶条密封功能基因；MGM01——毛刷密封功能基因）；GG ——固定功能基因等。

第4段的辅助编码部分则根据需要设置，主要包括型材的材质、管理和其他需添加信息等。

本文通过对大量门体型材的分析与研究，获取门体型材功能基因如表2所示（仅列出部分）。

表2 型材特征基因举例

例如：图 6所示为特征基因在“平滑门直边 50型材”中的应用，其基因编码组合为：“Sm00#Z50#LGX01#LGX04#MGJ01”

图6 基因编码在平滑门型材中应用组合

5 结 束 语

综上所述，在对采用基因工程思想的产品族设计及其关键技术研究过程中，无论是从理论上,还是从应用层面，对于产品族基因的研究还处在探索阶段。理论上，对于产品族及产品基因的概念、框架、原则等还未有统一的认识，决定了以此为基础的其它研究，如产品基因的操作研究、产品族基因工程设计也存在着不足；然而，对于产品基因工程思想应用的多样性，又说明产品基因具有很高的研究价值和实践意义。所以，对于产品基因工程思想及关键技术研究仍然是今后研究的重点。

[1]周生祥. 基于基因工程思想的产品建模方法[J]. 机械科学与技术, 2000, 19(5)：815-820.

[2] Rajan G. Design and engineering process integration through a multiple view intermediate modeller in a distri-bution O-O system environment [J]. Computer Aided Design, 1998, 30(6)：473-486

[3]罗仕鉴, 朱上上, 冯 骋. 面向工业设计的产品族设计DNA[J]. 机械工程报, 2008, (7)：123-128.

[4]陈洪武, 黄克正. 基于基因工程的机械产品设计理论与技术研究[D]. 济南：山东大学, 2005.

[5]顾新建, 祁国宁, 夏振华. 产品信息基因编码系统[J].中国标准化, 1996, (8)：16-21.

[6]杨金勇, 黄克正, 尚 勇, 等. 产品基因研究综述[J].机械设计, 2007, (4)：4-7.

Research on the design and key technology of product family based on genetic engineering ideas

Gao Lei, Wan Jing, Chen Dongning
( School of Mechanical Engineering, Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China )

By analyzing the inheritance relationships of the size and the shape feature of the profiles, and the structure variation of profile model, the idea of genetic engineering is used in the development and design of product family, and the profile feature is taken as the DNA of the product structure information. The propagation of the profile feature, as information streams, in product tree is revealed referenced to the principle of genetic engineering of biology. On this basis, a method of gene coding and gene recombination for product based on the idea of genetic engineering is provided. By discussing the concept of product family and product gene DNA and the connotation and the research contents of the designing of product family DNA, the key support technologies of genetic engineering are pointed out. To take the door profile’s structural for an example, the result shows the designing effect on the idea of genetic engineering of the product family.

product family design; gene encoding; DNA; door profile; genetic engineering idea

TH 122

A

1003-0158(2012)01-0038-06

2010-03-15

高 磊（1985-），男，安徽灵璧人，硕士，主要研究方向为计算机图形学。