基于知识重用的叉车设计意图捕捉方法研究

黄敬猛 陈作超

摘要：叉车创新设计是指充分利用设计者的知识和经验，设计出具有新颖性和实用性的叉车型号的实践活动。由于设计意图的不确定性和复杂性，系统的设计意图捕捉方法成为创新设计的一个重要研究方向。本文提出了一种基于知识重用的叉车设计意图捕捉方法，就其关键技术进行了研究。该方法对提升叉车设计效率和质量，具有一定的理论意义和实用价值。

关键词：设计意图捕捉；知识重用；叉车创新设计

创新设计是指充分利用已有的知识和经验，发挥设计者的创造性思维的设计活动。系统的设计意图捕捉方法是创新设计的一个重要研究方向。通过对设计意图捕捉，可以快速的帮助设计者做出相应决策，调用已有的设计知识，提高设计的效率和质量。设计意图捕捉过程可分为引导设计者对设计问题产生意图，进而生成设计意图模型，然后以实体模型作为设计意图求解的结果[1]。设计意图捕捉主要包括三方面的工作[2][4]：

（1）对已有知识和经验进行提取、综合，充分利用已有的设计经验和知识。

（2）记录设计者的设计步骤，合理高效的利用已有知识辅助设计者进行创新设计。

（3）设计方案的生成，即对设计方案快速求解，生成实体模型。

叉车是对货物进行装卸、堆垛和短距离运输作业的工业搬运车辆，广泛应用于港口、车站、机场、货场、工厂车间、仓库、流通中心和配送中心等，在企业的物流系统中扮演着非常重要的角色[3]。叉车的技术参数是用来表明叉车的结构特征和工作性能的。叉车包括如下基本参数：额定起重量；载荷中心距；最大起升高度；自由提升高度；满载最大起升速度；门架前、后倾角；满载行驶速度；最大爬坡度；最小外侧转弯半径；最小离地间隙。以上基本参数体现了叉车的基本性能。额定起重量决定了叉车的载重性能；最大起升高度、自由提升高度和门架前、后倾角反映叉车的起升性能；最大起升速度、满载行驶速度和最大爬坡度反映叉车的动力性能；最大外侧转弯半径和最小离地间隙则反映叉车的机动性能。[3]

叉车的设计是根据实际需求为出发点，具体映射到叉车的基本参数上。根据叉车设计需求，设计者把设计意图映射到载重性能、起升性能、动力性能和机动性能四个子意图，再依据已有知识和经验对子意图进行分解，例如把载重性能可以映射到载荷质量和载荷体积。

根据已有的叉车设计知识和经验，设计意图的分解过程和载体域建立相应映射机制，以确定是否继续分解下一级子意图，如有匹配结构单元则停止分解，如无则继续[7]。设计意图分解级数达到设定的最低层级后，如依然匹配不到对应的结构，则表明此设计意图需要产品定制[5]。以叉车载重性能为例，利用设计知识和经验对此载重性能进行分解，寻找匹配的结构单元。其分解过程产生了三个意图单元，载荷质量、载荷长度和载荷体积。载重性能是叉车的主要性能参数，关系到叉车各系统的设计。载重性能映射到载体域，寻找其匹配的结构单元，整个过程形成对应的映射表。具体到载重性能，将其映射到起升系统、行驶系统、转向系统等，有相关性则在表1中关系都表示为“1”；载荷中心距和起升系统具有映射关系，进一步向下分解，则和货叉单元产生映射关系；按此方法，结合已有的知识和经验，顺着结构树寻找，意图单元载荷宽度和起身系统中叉架和叉架侧向滚轮具有映射关系。直到分解到系统中最基本的结构单元或者分解到设定的层级。利用匹配到的结果，调用其结构单元，对其进行适用性修改即形成设计方案[6][8]。

表1 叉车设计映射表

针对意图捕捉包含的方法内容，本文提出了一种设计意图捕捉方法实现框架，并应用到叉车创新设计中。设计者通过已有的知识和经验将设计需求转化成设计意图，进而对设计意图进行分解和映射。设计意图的实现是意图单元映射到對应的物理结构单元集合，即载体域。最后，设计者利用匹配到的结构单元形成设计方案。实例证明，该方法满足了设计意图捕捉的三方面要求，对提升叉车设计效率和质量，具有一定的理论意义和实用价值。

参考文献：

[1]孙兆洋， 刘继红. 设计思考过程模型中设计意图的表达[J]. 机械工程学报. 2009.45（8）：182-189

[2]姜少飞， 陈帅， 鲁聪达， 黄敬猛. 设计意图捕捉与参数化设计集成研究[J]. 计算机集成制造系统. 2011.17（4）：726-731.

[3]陆植. 叉车设计[M]. 北京：机械工业出版社， 2004.

[4]张伟， 李佳. 基于构造过程的参数化特征造型方法[J]. 计算机辅助工程， 2001 （2）： 31-33.

[5]罗国富， 丁立家， 刘小娟， 段瑞. 基于设计意图的产品参数化变型设计研究及应用[J]. 制造业自动化. 2012.34（12）：108-111.

[6]Lee W， Kara L B， Stahovich T F. An efficient graph based recognize for hand-drawn symbols[J]. Computer & Graphics， 2007， 31（4）：554-567.

[7]汪旭. 基于设计意图捕捉的概念建模技术研究[D]. 北京：清华大学， 2010.

[8]张范良，陈玉全， 瞿元盛等. 基于知识的模具智能装配[J] . 农机化研究，2009（4）：155-157.

作者简介：黄敬猛（1985年11月生），男，工学硕士，检验师，工程师， 主要研究领域：机械设计、特种设备安全检验