设计知识的可视化定制技术及应用

金博宇，李 凯，武正圆，周秋忠

(1.沈阳理工大学 汽车与交通学院，沈阳 110159；2.上汽依维柯红岩商用车有限公司技术中心，重庆 401122)

知识工程是一项以“知识”为基础的、面向工程应用的新兴技术，是人工智能技术在工程设计领域的发展与延伸，是人工智能与计算机技术、CAD技术不断发展和融合的结果[1-2]。基于知识工程的或知识驱动的产品智能开发技术是利用逻辑推理和造型设计技术，将知识工程技术融合于产品设计开发领域，以工程知识驱动产品设计过程，实现设计决策的智能化与设计过程自动化，从而通过知识重用大幅度地提高设计效率与设计质量，缩短产品开发周期，提升制造企业的产品开发能力[3]。

基于知识工程的产品开发技术已成为促进工程设计智能化的重要途径，其一经提出就受到了世界各国政府、研究机构、工业界的高度重视，投入大量资源对其展开研究，取得了众多成果。在当前工程实践中，主要的知识工程解决方案有四种：一是运用Excel软件中的相关功能来定义设计知识并完成数值计算[4]；二是在Matlab软件中编辑设计知识，通过编译得到计算结果[5]；三是依靠主流三维建模软件(如CATIA、UG等)中的知识工程模块将知识整合到结构模型中[6-7]；四是针对特定产品开发的专用系统[8]。这些方案在解决知识重用、提高设计效率方面起到了一定的作用与效果，但与具有广泛适用性、完整性、全面性、操作简易性、低成本的理想解决方案之间还存在一定的差距。

针对当前知识工程解决方案存在的不足，本文提出一种以可视化图框表达设计知识，由用户定制产品设计知识，形成设计知识流程，经过推理形成设计参数的流程定制设计技术。同时，通过集成三维建模软件，综合运用其参数化设计技术及知识工程相关功能，形成一套面向知识重用的产品智能化、自动化设计解决方案。

1 产品设计知识分类及可视化表达

知识是新产品竞争力的决定性因素。产品设计知识包含设计过程中涉及到的所有规则、信息和经验；根据知识的性质，产品设计知识可划分为描述性知识、判断性知识、结构性知识、过程性知识、方法性知识和手册性知识[9]，其分类及其表现形式如图1所示。

通过对这些不同表现形式的产品设计知识进行分析整理，可总结归纳出构成产品设计知识的最基本要素——设计知识元。设计知识元是组成产品设计知识的最基本单元，任何产品设计知识都是由不同设计知识元组成[10]。这些最基本的设计知识元包括变量赋值、公式计算、表格查询、图形查询、插值查询、条件判断、参数读取、模型加载、写值驱动等。不同设计知识元用不同形式的图框及其处理逻辑实现可视化表达与定义，各类知识元的图框表达形式及含义如表1所示。

表1 设计知识元的图框表达形式及含义

用图框表达产品设计知识，使其以可视化图形的方式直观地呈现出来，使得用户具有良好的视觉感受以及交互体验，可有效减轻使用人员的操作难度，同时提高知识维护管理的效率。

2 产品设计知识流程的组织结构

产品设计知识流程是将图框表达的产品设计知识元按照逻辑顺序关系，用单向线段两两连接起来形成一个整体，作为设计知识重用时知识推理的依据。根据流程的具体组织形式，产品设计知识流程可分为基本结构、嵌套结构和链接结构三种。

2.1 基本结构

产品设计知识流程的基本结构表达的是不同产品设计知识元之间的先后逻辑顺序关系，具体又包括顺序结构和循环结构两种形式。

顺序结构是指产品设计知识流程是一个开环，任何两个设计知识元之间不存在回路，是一种最简单的结构形式。按照各个知识元的入度与出度数量，又有一对一、一对多以及多对一这三种结构形式。一对一形式是指相互连接的两个知识元都只有一个入度和一个出度(如图2a所示)；一对多形式是指某个知识元有一个入度和多个出度的情况，表示该知识元执行完后可同时启动后续几个知识元(如图2b所示)；多对一形式则是指某个知识元有多个入度和一个出度的情景，表示该知识元需要在前继知识元都执行后才能启用(如图2c所示)。

图2 设计知识流程的顺序形式

循环结构形式是指产品设计知识流程中存在闭环，即某两个设计知识元之间存在回路。为了保证流程推理需要，构成循环结构的前提条件是回路中必须存在逻辑或图框与条件判断图框(设计知识元)，如图3所示。

图3 设计知识流程的循环形式

逻辑或图框不是设计知识元，是为保证回路循环进行的衔接装置，只要其任意一个前继设计知识元被执行，即可跳过该图框继续运行后续设计知识元。条件判断图框是构成回路的必要条件，其代表循环进入与退出的两个出度，是循环进入或退出的闸门。

2.2 嵌套结构

产品设计知识流程的嵌套结构形式是将流程中的一部分设计知识元整合到一个嵌套子框中形成设计子流程，并根据子框内外设计知识元之间的逻辑顺序关系，将子框融合到主流程中。使用嵌套子框组织设计知识流程的形式如图4所示。

图4 设计知识流程的嵌套形式

嵌套子框不是设计知识元，其作用是当设计知识流程过于复杂时，通过合理分割将其分解成多个子流程，实现模块化、层次化的流程组织形式。

2.3 链接结构

产品设计知识流程的链接结构形式是用链接子框将外部已有独立设计知识流程整合到当前流程中，形成更高层级流程的一种实现方式。使用链接子框组织设计知识流程的形式如图5所示。

图5 设计知识流程的链接形式

链接子框不是设计知识元，其作用是将现有的设计知识流程嵌套在当前流程中，实现对已有知识的重用，并有效保证产品设计知识源的唯一性。

3 基于知识的流程定制设计系统

知识表达与知识推理是知识工程的两大核心问题，任何知识工程解决方案都需建立在一种知识表达方法及以此为基础的知识推理机制之上。本系统采用可视化图框来组织和呈现产品设计知识元，由用户定制形成产品设计知识流程；根据推理决策机制，自主规划流程的运行过程；通过与主流三维CAD软件系统的集成，将数量庞大的三维参数化设计模型知识统一到产品设计知识流程中，实现集中管理。该系统具有设计知识流程定制、设计知识流程推理、设计知识流程管理、三维结构设计系统集成、基础数据管理等功能，其总体原理如图6所示。

图6 基于知识的流程定制设计系统原理

基于知识的流程定制设计系统用可视化流程框图替代脚本语言定义设计知识元和设计知识流程，更简单易用。其不仅可定义变量赋值、公式计算、图表查询、规则判断等常规设计知识元，还可定义嵌套子流程和外部链接流程功能，实现对产品设计流程的有效组织管理，并定制形成复杂的产品设计知识流程图，满足产品设计过程中反复、迭代的实际应用需求，具有广泛的通用性。同时，可通过定义加载三维参数化结构模型、参数读取、参数写入功能，实现与三维CAD软件系统之间的交互，既可直接由推理决策形成的设计数据来驱动三维参数化结构模型，也可从三维结构模型中提取相关属性数据参与设计计算，从而达到产品及零部件结构模型的快速参数化设计，提高产品设计效率和产品设计质量。

4 离合器设计应用

离合器是通过接合与分离实现动力传递的装置，而膜片弹簧离合器因其诸多优点在各类车型中得到了广泛应用，并正朝着标准化、系列化的方向发展。因此，在新款膜片弹簧离合器的设计过程中，融合利用知识工程与参数化技术实现离合器设计知识的重用，从而达到快速设计十分必要。

膜片弹簧离合器的主要结构包括从动盘总成与盖总成。从动盘总成由摩擦片、从动片、从动盘毂、减振弹簧、阻尼片、减振器盘等主要零件组成；盖总成由膜片弹簧、压盘、支承环、盖等主要零件构成。膜片弹簧离合器设计时，需要根据设计技术要求计算、校核，确定摩擦片、减振弹簧、从动盘毂、阻尼片、膜片弹簧、铆钉等主要零件的尺寸数据，其它零件尺寸可以此为依据按结构关系确定。

通过查阅汽车工程设计手册、机械设计手册等资料，整理出膜片弹簧离合器设计知识及流程，并根据参数化设计与关联设计技术的有关方法，在CATIA软件中建立整个离合器参数化模型。采用各类设计知识元及其图框，综合运用嵌套子框和链接图框，将膜片弹簧离合器的设计知识及流程定制到本系统中，并通过加载模型、写入参数图框将膜片弹簧参数化模型集成到流程中，形成了多层次可视化的完整设计知识流程(如图7a)；以此定制流程为依据进行推理，按运行顺序将用户技术要求(见表2)以交互方式赋予相关变量，得到膜片弹簧离合器的主要尺寸计算数据(见表2)；最终通过加载模型、写入参数图框，将计算数据写入参数化模型，驱动后生成新的摩擦片设计实例(如图7b)，完成快速设计。

表2 设计中的相关数据

图7 设计实例

5 结束语

采用可视化图框直观表达和呈现产品设计知识元，由用户定制形成产品设计知识流程，从而在可视化状态下实现了产品设计知识的重用及维护，降低了使用难度；运用推理决策机制，自主规划设计知识流程的运行过程，在与用户交互过程中完成产品数据的设计计算过程；通过集成三维结构设计系统，将计算数据直接写入三维参数化结构模型中，从而驱动生成新的设计实例。根据此思想开发的基于知识的流程定制设计系统为解决知识重用、提高设计效率、实现产品设计的自动化与智能化提供了一种完整的解决方案。