基于功能本体的产品设计知识表达

吴 俊，唐敦兵，朱仁淼，康与云

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

基于功能本体的产品设计知识表达

吴 俊，唐敦兵，朱仁淼，康与云

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

针对以往的产品设计过程设计知识表达不充分、设计原理体现不明显的问题，引入功能本体理论，提出了一种基于功能本体的产品设计知识表达方法，分析产品部件功能-行为映射得到产品部件的功能，然后对部件的功能进行宏功能匹配，最后按照一定的逻辑规则合并产品部件的功能，生成产品功能组织结构，有效地表达设计知识。

设计知识；功能本体；功能组织结构

产品设计师的设计意图主要体现在产品的功能上，然而由于功能表述的语言混淆、模型的不明确化等原因，对其他设计师或者计算机而言，理解设计者的意图是很困难的[1]。本体是共享概念模型明确的、形式化的规范描述，从而准确地表达产品设计过程中的知识[2]。

目前，采用本体来表达产品设计过程中的知识已成为国内外的研究热点。胡玉杰等提出一种产品知识表达SBF模型，结合本体描述语言构建了流本体和功能本体，设计出基于本体的产品知识表达模型，并进一步给出了可行的应用模型和集成框架，其设计思想属于将功能映射到结构的范畴，并不能很好地表示产品的功能结构[3]；张东民等提出了一种基于本体的设计知识管理系统框架，对产品设计过程的知识进行了分类，并采用XML文档存储，提供了两种检索方法，然而该框架只是对知识进行了分类储存和检索，并不能体现产品的设计原理，无法表达设计过程中的知识[4]。

针对上述存在的问题，本文提出了一种基于功能本体的产品设计知识表达方法，通过对产品各部件行为的功能理解，得到产品的底层功能单元，然后采用一定的规则对这些功能单元进行分组和合并，最后得到产品的功能组织结构，从而表达产品设计过程中的知识和部分设计原理，为后续同类型的产品设计知识重用提供参考和依据。

1 功能本体体系

功能本体被定义为一个包含功能术语及术语间规范关系说明的体系，是功能概念化和功能分类的规范说明系统，是对各种功能知识进行结构化描述的表述方式。功能本体体系结构图如图1所示。

功能本体体系包括4个功能本体概念模型，即功能体、功能实现方法、宏功能和功能类型。

图1 功能本体体系结构图

功能体是对部件行为目的的解释，功能体可以用主谓宾的语法结构来定义，主语表示具有该功能的主体，宾语表示该主体的输入或者输出实体。功能体本体可以分为3类：能量功能体、实体功能体和信息功能体。

功能类型表示功能实现的目标类型。同样的功能体实现的目标类型可能是不同的。表1给出了8种常见的功能类型和对应的功能体[5]。

表1 功能类型和对应的功能体

宏功能主要描述执行功能和目标功能间的相互作用和因果关系，它为功能体间的逻辑推理提供依据。根据功能关系不同，具体可以分为7种，见表2[6]。

表2 宏功能明细

一个功能可以通过不同的子功能按一定的规则和顺序组合实现，每一个子功能的组合就是一种功能实现方法。功能实现方法就是研究如何实现具体的功能，包括功能实现的层次结构和规则。这4个部分分别从不同的角度对功能进行规范化定义，相互索引，形成完整的功能语义网络，从而支持对设计知识的显性化描述，生成产品的功能组织结构。

同时，由于实现功能的过程中往往伴随着流的变化，所以有必要对流的知识进行分类和梳理。本文将流分为物料、信号和能量3类，构建流本体知识库，见表3[5]。

表3 流本体知识库

功能本体知识库和流本体知识库都是独立于特定的环境和应用领域，可以为后面产品功能组织结构建模提供准确而规范的表述。

2 产品功能组织结构建模

产品的功能组织结构建模是根据产品已有的结构信息和行为模型来鉴别其功能结构，这个过程通常包括3个步骤：功能-行为映射、宏功能匹配和生成产品功能组织结构模型。如图2所示。

图2 功能组织结构建模过程

2.1功能-行为映射

功能是从行为表现中归纳出来的对行为目的的解释，结构行为的解释通常通过功能匹配的方式来实现，本文提出了如图3所示的模型来描述产品部件的内在行为[7]。

图3 功能-行为映射模型

该模型包括输入输出连接端口(Pm,On)、输入流(Im)、输出流(On)。通过部件输入流与输出流的类型转换或是部件状态改变来判断其功能属性(Attr.p)(如改变温度等)，然后根据输入输出端口的连接如(P1,P2,[I11,O21], )来解释实现其功能的相应行为动作，通过对部件行为分析，可以在功能本体知识查找到相应的功能。

2.2宏功能匹配

在宏功能辨识过程中，要具体研究每种宏功能的特性，并根据执行功能(FA)和目标功能(FT)之间的作用关系研究宏功能辨识算法。本文归纳出一套宏功能分析与辨识逻辑，根据FA与FT之间关系和宏功能特性相匹配来实现宏功能辨识。逻辑规则见表4。

表4 宏功能逻辑关系

对表4中相关概念名词解释如下。

对象/能量：表示FT的作用对象。如宏功能“驱动”就是FA对FT实体对象的作用效果。

强制性：FA与FT之间具有必要性逻辑，即FA是对FT产生作用的必要条件。

关系：FA与FT之间相互作用关系，主要是条件关系和修饰关系。

介质：FA与FT之间相互作用是否需要实际介质的参与。如宏功能“驱动”就需要FA对FT通过某种介质来实现，介质可以是物料、能量或是信息等。

损耗：FA与FT之间相互作用是否会造成物料、能量等方面的损耗。

表中符号“*”表示该项条件不符合或没有意义。

分析产品底层功能单元，将功能单元按照FA与FT来进行划分。将FA与FT之间的相互作用以表4形式加以表述。通过分析FA与FT之间的作用对象、强制性、作用关系、介质、损耗等条件，与宏功能辨识表中的逻辑特性进行比较来获取宏功能，从而实现宏功能分析与辨识过程。

2.3生成产品功能组织结构模型

在完成功能-行为映射和宏功能匹配的基础上，可以获得产品所有的底层功能单元及其之间存在的相互作用关系，接下来可以按照自底向上的方式，根据相应的逻辑推理，对功能进行组合，形成功能群；同时对功能组也可以进一步合并，形成完整的功能层次结构与功能语义网络，得到最顶层的功能，形成完整的产品功能组织结构模型。本文引入功能组合启发式逻辑推理规则。

A：组合式启发(必要)。A1：宏观功能启发式。从重组上考虑，一个功能群总会存在一个上层的父级功能。A2：因果联系启发式。细化部分之间的因果联系可以使得组合而成更大的整体结构。

B：选择式启发(必要)。B1：顺序启发式。在有一定次序的功能群，系统可以链状方式组合而成顶级功能。B2：因果联系启发式。微观功能单元依照彼此之间的因果联系组合而成顶级功能。B3：宏功能选择启发式。如“驱动”比“提供”对目标功能具有更多的约束关系，而“使能”和“预防”则比“驱动”具有更多的约束关系，因此应用范围就更加具体化。

H：层次结构式启发(可选)。H1：功能实现方法启发式。依照预定义的功能实现方法知识组合生成功能层次结构。H2：宏功能启发式。功能层次结构通过分析功能单元之间宏功能组合而成。针对主要功能的宏功能来得到顶级功能模型。

X：选择式启发(可选，按实际应用决定优先级)。X1：同类优先启发式。相同类别的功能群优先合并。X2：因果联系优先启发式。彼此具有因果联系的功能群优先合并。X3：范围优先启发式。具有较多功能单元的功能群优先合并。

Y：分离式启发(可选，按放宽条件决定优先级)。Y1：结构边界启发式。与功能相关的结构或子系统边界条件。Y2：能量边界启发式。与能量类型转换相关边界条件。Y3：实体边界启发式。与实体类型转换相关边界条件。Y4：属性边界启发式。与属性类型转换相关边界条件。

Z：组合式启发(可选)。Z1：宏功能组合启发式。通过宏功能实现组合。

Y和Z用于底层功能的划分和分组，H用于选择合并后功能的方法来源，X用于选择功能群的合并顺序，A和B用于选择功能组合并后的父功能[9]。

生成产品功能组织结构模型后应当添加必要的流信息，以便更好地体现设计者的设计意图。

3 实例

三坐标送料机的功能是为压力机输送板料，其主要部件包括X，Y，Z3个方向的交流电机，齿轮减速箱和齿轮齿条传动单元，板料夹持机构，控制信号的PLC装置等。

在正常工作情况下，系统的流信息如图4所示，输入流为电能、信号和物料，输出流为物料。同时对各个部件的输入输出流进行了标识。

图4 三坐标送料机工作过程中流信息

下面可按照本文介绍的方法分析产品设计知识，形成产品功能组织结构图。

3.1分析产品各部件的功能-行为映射

根据各部件的输入流与输出流的类型转换以及部件的状态判断其功能属性，然后根据输入输出端口的连接来解释其实现的功能，最后在功能本体知识库中查找到对应的功能。三坐标送料机各部件功能见表5。

表5 三坐标送料机各部件功能

3.2宏功能匹配

在分析产品各部件的功能-行为映射得到各部件功能的基础上，需要分析各功能单元之间内在的联系及其相互关系，完成宏功能的匹配。根据表提出的宏功能分析与辨识逻辑可以得到表6中的宏功能关系。

3.3生成产品功能组织结构图

按照功能组合启发式逻辑推理规则Y1将底层功能按照结构边界条件进行分组，依据宏功能形成功能层次结构，通过步骤2中辨别出的功能单元间宏功能类型，按照宏功能启发式逻辑推理规则H2，合并具有宏功能关系的功能单元并识别合并后的功能，然后将合并后的功能与其他功能进行宏功能匹配，以目标功能作为顶层功能，得到产品功能树结构。如图5所示。

表6 三坐标送料机部件功能间宏功能

图5 三坐标送料机功能树结构

在生成产品功能树结构的基础上，补充必要的结构信息和流信息，完成其功能组织结构图，如图6所示。

4 结束语

为了表达产品设计过程中的知识，本文提出了一种基于功能本体的产品设计知识分析方法，通过部件的功能-行为映射得到其底层功能单元，对底层功能间存在的宏功能进行了推理和匹配，按照功能组合启发式逻辑推理规则，合并底层功能单元，生成产品功能树结构，再补充必要的结构和流信息，得到产品功能组织结构图。实践表明，该方法能够有效地表达产品设计过程中的功能知识，体现设计者的设计意图，为后期同类型的产品设计提供了有效的依据和参考。

图6 三坐标送料机功能组织结构图

[1] 谭建荣. 机电产品现代设计：理论、方法与技术[M]. 北京:高等教育出版社,2009.

[2] 冯志勇, 李文杰, 李晓红. 本体论工程及其应用[M].北京:清华大学出版社,2007.

[3] 胡玉杰,李善平,郭鸣. 基于本体的产品知识表达[J].计算机辅助设计与图形学学报,2003,15:1531-1537.

[4] 张东民,廖文和,胡建，等. 基于本体的设计知识建模[J].华南理工大学学报,2005,33(5):26-31.

[5] Stone R，Wood K．Development of a functional basis for design[J]. Journal of Mechanical Design，2000，122(4)：359～370．

[6] Yoshinobu Kitamura,Riichiro Mizoguchi. Functional Ontology for Functional Understanding[C]//Twelfth International Workshop on Qualitative Reasoning (QR-98)．Cape Cod，USA：AAAI Press，1998：77-87．

[7] Stone R，Wood K．Development of a Functional Basis for Design[C]//Proceedings of DETC99．DETC99/DTM-8765，Las Vegas，Nev.ASME，NewYork，1999．

[8] Kitamura Y，Sano T，Namba K，et al．A functional concept ontology and its application to automatic identification of functional structures[J]．Advanced Engineering Informatics，2002，16：145-163．

TheKnowledgeRepresentationofProductDesignBasedontheFunctionOntology

WU Jun, TANG Dunbing, ZHU Renmiao, KANG Yuyun

(Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Jiangsu Nanjing, 210016, China)

In order to reveal the knowledge and the design rationales during the product design process, it introduces a knowledge representation method. It analyzes the function-behavior mapping for understanding the function of the components, matches the meta-function between the functions, and consolidates the functions according the grouping heuristics for generating the functional hierarchy.

Design Knowledge; Function Ontology; Functional Hierarchy

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.07.004

2012-12-27

国家自然科学基金资助项目(51175262)；江苏省产学研前瞻项目(SBY201220116)；江苏省杰出青年基金资助项目(SBK201210111)

吴俊(1988—)，男，江苏泰州人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为计算机集成制造。

TH122；TP391

A

2095-509X(2014)07-0015-05