基于本体的概念设计产品信息模型研究*

龚志伟，陈 静，成 阳，刘 黎

(1.桂林理工大学信息科学与工程学院，广西 桂林 541004;2.桂林理工大学 机械与控制工程学院，广西桂林 541004)

基于本体的概念设计产品信息模型研究*

龚志伟1，陈 静2，成 阳1，刘 黎2

(1.桂林理工大学信息科学与工程学院，广西 桂林 541004;2.桂林理工大学 机械与控制工程学院，广西桂林 541004)

分析了基于本体的概念设计功能-行为-结构框架，对概念设计产品信息模型进行了研究，提出了在结构层引入装配特征描述机构间装配设计信息，为概念设计阶段的产品结构信息传递到后续的设计阶段提供有效支持;并以提高概念设计与后续设计阶段的产品信息共享与重用为目的，构建基于本体的概念设计产品信息模型。最后以机械手的概念设计为例，验证基于本体的概念设计产品信息模型的有效性。

本体;概念设计;信息模型;装配特征

0 引言

产品设计的过程大致可以分为计划阶段、概念设计阶段、详细设计阶段。广义的概念设计包含了从产品需求分析到进行详细设计之前的设计过程，包括功能设计、原理设计、装配设计和初步的结构设计［1］。

概念设计产品信息模型是按一定形式组织的可为计算机处理的产品信息的数据结构。文献［2］提出了一个基于本体的产品信息建模框架;文献［3］基于表达设计意图和支持产品设计全过程的思想，提出了支持产品方案设计和技术设计的产品模型;文献［4］提出了一种基于本体映射的产品概念设计方案生成新方法;文献［5］构建基于本体的产品功能信息表达模型。现有的产品模型从功能、结构、装配等各个角度进行了研究，大多适合于某一阶段的信息表达［3］，概念设计产品信息模型不仅是对概念设计阶段结果的描述和抽象，而且是组织产品设计信息的载体，为后续设计提供有效的支持是概念设计阶段亟需解决的问题［6］。

本体作为知识的一种良好载体，其主旨在于实现知识的共享与重用，并最终实现信息的自动处理和应用［7］。本文以提高概念设计与后续设计阶段的产品信息的共享与重用为目的，结合概念设计产品信息建模的研究成果，引入装配特征表达概念设计阶段的结构信息，研究基于本体的概念设计产品信息模型。

1 基于本体的概念设计功能-行为-结构框架

概念设计功能-行为-结构框架为三层结构，即功能层、行为层和结构层，层与层之间具有映射关系［8］，基于本体的概念设计产品信息模型包括功能设计层、原理设计层和结构设计层，其分别对应功能本体、原理本体和结构本体。基于本体的概念设计产品信息模型框架如图1所示。

图1 基于本体的概念设计产品信息模型框架

由于概念设计阶段的几何信息是模糊和不完全的，传统的结构建模只考虑与实现功能的机构抽象、几何属性和运动学连接的类型，不考虑机构间的配合，结构的具体实现和机构间的装配由详细设计阶段的装配建模完成。但是产品的功能设计是由机构设计和机构间装配设计共同来实现的，在概念设计阶段，如果不考虑机构间的装配信息，产品的功能设计信息是不完整的。本文在概念设计功能-行为-结构模型的基础上，结合文献［3］有关装配特征的研究，在结构设计层引入装配特征描述机构之间的装配信息，构建基于本体的概念设计产品信息模型，同时提高产品功能、行为、结构信息的语义描述。

2 基于本体概念设计产品信息模型

2.1 功能模型

2.1.1 功能的表示

采用功能黑箱表达功能［9］，功能黑箱的功能语义表示如图2所示。

图2 功能的黑箱功能语义表示

2.1.2 功能本体的构建

采用概念设计产品的功能本体模型对产品的功能语义进行描述［4］，构建功能本体模型如图3所示。

功能本体模型主要包括三个类:“功能”、“功能输入输出关系”和“功能间关系”。

(1)“功能”用来描述概念设计目标、功能间的关系以及功能与其它概念的关系，其属性包括功能名称、功能描述、功能类型、父功能、子功能、功能输入输出、功能关系、功能输入流、功能输出流、功能相关结构和功能相关原理等。其中，功能名称必须唯一;功能类型引用功能术语集中的标准功能术语;父功能和子功能表示功能分解结构中的层次关系;功能输入输出用于描述功能输入和输出之间的关系;功能关系用于描述两个功能之间的关系;功能输入流和功能输出流分别表示与功能相关的输入流和输出流，引用流术语集中的标准流术语;功能相关原理表示实现功能的物理原理和物理效应，通过该属性实现功能层到原理层的映射;功能相关结构表示实现功能的结构，通过该属性实现功能层到结构层的映射;

图3 功能本体模型

(2)“功能输入输出关系”用于表示系统中输入和输出之间的唯一确定而且能再现的相互关系。其属性包括输入输出关系名称、动词描述、数学描述、表格描述和输入输出关系相关功能。动词描述表示用动词描述输入和输出之间的关系;数学描述表示用数学等式或逻辑形式描述输入输出之间的关系;表格描述表示用曲线或表格形式描述输入和输出之间的关系;

(3)“功能间关系”用于描述功能之间的关系。其属性包括功能关系名、有关系的功能和功能关系类型。功能关系类型描述了功能间关系的类型，功能间关系的类型包括时序关系(先后关系)、因果关系和逻辑关系(逻辑或、逻辑与、逻辑非)等。

2.2 原理模型

2.2.1 原理的表示

物理原理的表示在传统的元模型中通常采用原理目录的方式，可以把原理目录以关系数据的形式存储到数据库中，但对计算机智能设计，应该以知识的形式进行存储。将传统原理目录方式与本体建模技术结合构建了一个基于本体的原理目录模型，它不仅能够很好的以目录形式表达出物理原理而且能够支持智能设计。

2.2.2 原理本体的构建

采用概念设计产品的原理本体模型对产品的原理语义进行描述［9］，构建原理本体模型如图4所示。

图4 原理本体模型

原理本体模型主要包括两个类:“原理”和“物理原理”。

(1)“原理”用来描述实现某一功能的物理原理或物理效应。其属性包括原理名称、原理类型、所用物理原理、原理相关结构和原理相关功能。其中，原理名称必须唯一;原理类型引用功能术语集中的标准功能术语;所用物理原理用于表示实现某一功能的物理原理或物理效应;原理相关结构表示实现原理的结构，通过该属性实现原理层到结构层的映射;原理相关功能表示原理所实现的功能，它与功能类的属性功能相关原理互为逆属性，通过该属性实现原理层到结构层的映射。物理原理类用于形式化的表示物理学中的物理定律;

(2)“物理原理”包括六个属性，分别是物理原理名称、物理原理描述、物理原理公式、原理输入单位、原理输出单位和物理应用实例。其中，物理原理名称必须唯一;物理原理描述是对物理原理的描述信息;物理原理公式表示物理原理所使用的公式或定律;原理输入单位和原理输出单位表示物理原理的输入和输出物理量;物理应用实例描述了物理原理的特殊应用，它可以为原理的选择提供参考。

2.3 结构模型

2.3.1 结构的表示

结构是实现预定功能的载体，结构信息包括两个部分:一是结构自身的几何信息，另一部分是结构的相互关系信息，主要是产品的组成关系和装配关系等。其中装配关系与装配特征间具有比较明确的对应关系，能够在工程应用中根据实际建立具体的装配关系与装配特征间的稳定映射，并且装配特征的计算机表示具有可实现性。同时，装配特征在产品详细设计中被分配给每一个实体部件和零件，最后成为零件关键特征［3］。因此增加装配特征描述机构间装配结构设计信息，能够为后续的产品结构详细设计提供较完整的信息支持。

2.3.2 结构本体的构建

采用概念设计产品的结构本体模型

对产品的结构语义进行描述，构建的结构本体模型如图5所示。

图5 结构本体模型

结构本体模型主要包括三个类:“结构”、“机构”和“装配特征”。

(1)“结构”用于形式化的描述实现某一功能的物理结构。其属性包括结构名称、结构描述、结构输入、结构输出、结构类型、所用的机构、结构相关原理和结构相关功能。其中，结构名称必须唯一;结构输入和结构输出用设计领域中抽象的测量实体表示，例如，质量、长度、力、速度等;结构类型，引用功能术语集中的标准功能术语;所用的机构表示实现某一功能的机构;结构相关原理表示结构所对应的原理，它与原理类的属性“原理相关结构”互为逆属性，通过该属性实现结构层到原理层的映射;结构相关功能表示结构所对应的功能，它与功能类的属性“功能相关结构”互为逆属性，通过该属性实现结构层到功能层的映射;

(2)“机构”用于形式化的表示实现功能的机构。机构类包括三个属性，分别是机构名称、机构间装配特征和对应的机构。机构名称取值参考机构目录类中的属性“执行机构”的取值;机构间装配特征描述机构之间的装配关系，装配特征使用装配特征名、装配特征描述和装配特征简图来描述;对应的机构表示具体所使用的机构，引用“机构目录”中的机构，本文使用邹慧君［10］编制的机构目录。

(3)“装配特征”在产品设计中被分配给每一个实体部件和零件，最后成为零件关键特征。在产品概念设计阶段，包含装配特征的结构模型，使装配特征能够被传递到后续详细设计阶段的零件结构信息中，从而提高概念设计与后续设计阶段的产品信息共享与重用。

3 实例分析

以机械手的概念设计为例，说明如何使用基于本体的概念设计产品信息模型，实现对机械产品概念设计的支持。

机械手搬运工件功能分解和映射关系如图6所示。根据机械手搬运工件设计任务要求，首先分析产生总功能“搬运工件”，然后将总功能进行功能分解成子功能“抓住工件”、“夹持工件”、“定位工件”、“释放工件”和“回位”。其中子功能“抓住工件”，将其继续进行功能分解，直到不能再进行分解的功能元:“力的转换”、“力的连接”、“力的传导”、“力的放大”。其中“力的放大”，在功能术语集中可以找到功能动词“改变”，物理原理本体库中有与特殊功能对应的杠杆效应、斜面效应、楔效应、滑轮效应、曲杆效应等许多物理效应可供映射选择。物理效应映射之后，就进入到机构目录中找到与物理效应对应的机构。

图6 机械手搬运工件功能分解和映射关系

用功能黑箱的功能语义表示功能模型，主要考虑能量流的输入与输出以及功能语义动词的选取。首先存储的能量“压力P”经过“转变”成为了另一种形式的能量“力F1”。然后，能量“力F1”被“传导”、“联结”和“放大”。机械手概念设计功能-原理-结构模型如图7所示。总功能的各个子功能之间通过输入与输出流进行相互连接与协调，最终实现功能抓住工件。其中压力P转变为力F1的过程为:首先通过功能模型层的功能动词“转变”在原理模型层中找到与之对应的物理原理“气缸效应”;然后再通过原理模型层中的物理原理找到实现该物理原理的机构“气缸”;并使用装配特征来表达机构之间的装配信息。

图7 机械手概念设计功能-原理-结构模型

在产品概念设计阶段，包含装配特征的结构模型，使装配特征能够被传递到后续详细设计阶段的零件结构信息中。装配特征在设计的各个阶段自上而下传递，其生成过程是逐步细化的过程，并在最后成为零件的实体特征。装配特征从概念设计到详细设计阶段的传递，以及零件特征信息的生成过程已在文献［3］中阐述。

4 结束语

引入装配特征表达概念设计阶段的产品结构信息，构建基于本体的概念设计产品信息模型，同时装配特征被传递到后续详细设计阶段的零件结构信息中，提高了概念设计阶段与后续设计阶段的产品结构信息的共享与重用。

［1］谢清.定制产品功能-结构映射原理、方法及关键技术研究［D］.杭州:浙江大学，2007.

［2］刘仁龙.本体论在概念设计产品信息建模中的应用研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2007.

［3］陈静，刘黎，成阳，等.支持方案设计和技术设计的产品结构模型研究［J］.机械设计，2011，28(10):1－6.

［4］毕鲁雁，焦宗夏，范圣韬.基于本体映射的产品概念设计方案生成新方法［J］.北京航空航天大学学 报，2009，35(7):895 －898.

［5］杨彬，刘康.基于本体的概念设计功能建模研究［J］.机械工程与自动化，2009(6):43－47.

［6］邹光明.机械产品概念设计建模及求解策略的研究［D］.武汉:华中科技大学，2005.

［7］应杭，李善平，等.本体在产品知识S-B-F表达模型中的应用研究［J］.计算机集成制造系统，2004(10):30－38.

［8］J.S Gero.Design Prototypes:A Knowledge Representation Schema for Design［J］.AIMagazine，1990，11(4):26 －36.

［9］史冬岩.基于功能的概念设计求解过程研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2006.

［10］邹慧君.机械系统概念设计［M］.北京:机械工业出版社，2003.

(编辑 赵蓉)

Research on the Product Information Model of Conceptual Design Based on Ontology

GONG Zhi-wei1，CHEN Jing2，CHENG Yang1，LIU Li2
(1.GuiLin University of Technology School of Information Science and Engineering，Guilin Guangxi 541004，China;2.GuiLin University of Technology School of Mechanical Control Engineering，Guilin Guangxi541004，China)

The function－behavior－structure frame of conceptual design is analyzed.The product information modeling of conceptual design is researched，and proposed that adopting assembly features in structure layer to describe design information of assembly betweenmechanismsfor，which provided effective support for the transmission of information of product structure from the step of conceptual design to the follow design steps;A product informationmodel of conceptual design based on ontology is constructed for the purpose of improving the sharing and reuse of product information between the conceptual design and the subsequent design phase;Finally，it takes the conceptual design ofmechanical hand for instance to verify the validity of product information model of conceptual design base on ontology.Key words:ontology;conceptual design;information modeling;assembly features

TP273

A

1001－2265(2012)08－0028－04

2011－12－02;

2012－02－01

广西高等学校科研项目(200103YB056);广西研究生教育创新计划项目(2011105960811M27)

龚志伟(1985—)，男，江西人，桂林理工大学信息科学与工程学院硕士生，研究方向为制造业信息化，(E－mail)iwillfly2005@126.com;通讯作者:陈静(1963—)，女，桂林理工大学机械与控制工程学院副教授，主要研究方向机械设计及理论，产品建模，(E－mail)jingc812@163.com。