基于活动本体的产品设计过程重用方法

王兆华 李春芝

摘 要： 针对产品设计过程知识重用存在知识描述复杂、冗余量大以及不易检索的难点，提出了按照设计活动来组织设计过程知识，以设计活动为单元进行产品设计过程重用的方法。首先，建立基于知识的设计活动模型，采用本体方法构建设计活动本体，建立已有产品设计活动本体库;其次，通过对本体概念名称和概念结构相似度计算来进行语义检索，以解决关键词检索的不准确问题;进而提出基于设计活动本体的产品设计过程重用模型;最后，以多功能一体机的产品设计过程重用为例进行验证，结果证明了该方法的有效性。

关键词： 设计活动;本体;产品设计过程;重用;语义检索

中图分类号： TP182

文献标志码： A

文章编号：1007-757X（2019）06-0004-05

Abstract： It is very difficult to describe and search design knowledge in the reuse of product design process. Design process knowledge is organized by design activity， thus a reuse method of product design process based on the unit of design activity is proposed.  First of all， the design activity model based on knowledge is built， and the design activity ontology is constructed by ontology approaches， and the ontology base of design activity is built. And then， the semantic retrieval based on similarity computation of the concept name and structure is proposed to solve the inaccuracy of keyword search. Then the reuse model of product design process is proposed based on design activity ontology. At last， an example of the reuse of all-in-one machine design process is proposed and the result attests the effectiveness of this method.

Key words： Design activity; Ontology; Product design process; Reuse; Semantic retrieval

0 引言

快速变化的市场环境和顾客个性化需求，要求企业提高设计效率，缩短产品开发周期。同类型的产品在其功能、结构及其设计过程等方面存在诸多相似性，对其设计结果和过程进行重用将在很大程度上提高设计效率，改善设计质量，降低设计成本和优化设计过程。

目前对设计重用的研究，一个重要的领域就是对产品零部件设计知识和设计过程知识进行重用。在产品零部件设计知识重用方面，Hicks对设计数据、信息、知识的获取、存储和重用需求进行了研究[1];Hunter研究了设计知识表示、重用方法[2];孙璞等提出一种三维工艺知识多粒度表示与重用方法[3];顏端武等提出基于知识组件的产品设计知识重用方法[4];耿静、杨志兵[5]等学者也都提出基于知识重用的零部件和产品设计。在产品设计过程知识重用方面，万立等将产品设计过程知识分为项目管理知识、领域知识和设计对象知识三类，提出了设计过程知识重用模型[6];冯全华等进行了摊铺机产品全生命周期过程知识重用系统开发研究[7];石鑫等构建面向重用的设计过程知识领域本体[8， 9];徐显龙等提出了基于设计过程知识的设计过程重用方法，设计了基于设计过程知识的设计过程重用流程[10]。

以上基于知识的设计重用，可以实现知识的面向对象建模与集成，具有较强的可扩展性，但也存在不足之处，如知识描述复杂、冗余量大，对于复杂产品来说不易于知识的检索和重用[11]。产品设计过程是指设计组织为完成产品设计工作而进行的活动序列。设计活动是组成产品设计过程的基本单元。产品设计过程的重构可以看作组成过程的设计活动数量、种类、顺序和关系进行重新组合。针对以上知识重用的难点，本文以设计活动作为过程重用的单元，按照设计活动来组织设计过程知识，建立基于本体的设计活动模型，通过对设计活动的重用来构建新的产品设计过程，提高设计效率。

1 产品设计活动

1.1 产品设计活动的定义及要素分析

定义 设计活动（design activity）是指为了实现一定的设计目标，在一定资源和约束条件下，设计团队使用设计工具和方法对设计对象执行某种设计行为的过程。产品设计过程可以分为不同的设计阶段，每个设计阶段由不同的设计活动组成。为了对这些设计活动进行重用，需要对设计活动进行分类，分辨出设计活动之间的区别与联系，识别出设计活动与已有的设计活动实例的相同点与异同点。现代设计过程具有并行性、分布性以及网络化等特征，难以用一个静态的框架或标准将设计活动分类，只有通过提取设计活动内部要素，并分析要素间的关系对设计活动加以研究。

根据设计活动的定义，对其中涉及到的设计要素进行归纳提取，将设计目标、设计人员、设计方法、设计行为和设计对象作为设计要素。各要素之间的关系如图1所示。

设计目标是设计行为的直接驱动力，规定设计行为产生的条件，提出符合目标要求的行为标准;设计目标通过指导设计人员，对设计人员的行为产生影响。设计人员是设计行为的执行者，是设计活动的主体，设计人员将设计目标的要求，转变为设计思想，进而产生具体的设计行为，改造设计对象，实现设计人员对设计对象的操作。设计方法是设计行为特征的抽象，指导设计行为如何去表达，改变设计对象的状态，一般根据设计目标选择设计方法。设计对象是设计行为的承受者，一般是指具体的物质或抽象的系统。

1.2 基于知识支持的产品设计活动模型

产品设计过程本质上是实现以知识为核心的信息转换，是设计过程知识获取、处理、创造、革新和运用的过程。在产品设计过程的每一个设计活动中都有设计过程知识的支持，因此可以在分析设计活动内部要素的基础上，构建基于知识支持的设计活动模型，如图2所示。

在设计活动执行过程中，需要各类设计过程知识支持，例如设计方法的选取，既需要考虑已有设计方法知识，还需要设计对象知识。因此，如果直接从知识库中提取单方面的知识，会导致工作程序繁琐，冗余量增大，也容易形成知识孤岛。按照设计活动执行过程来组织知识，将各类知识集成为一个整体对设计活动进行支持，然后以设计活动作为过程重用的单元，能有效解决过程知识直接重用引起的问题。

2 设计活动本体

斯坦福大学Gruber提出的“本体是共享概念模型明确的形式化规范说明”。由概念可见，本体具有概念化、标准化、形式化、重用性等特性，为了实现设计活动的重用，本文采用本体来对设计活动进行描述。

2.1 设计活动本体的定义

设计活动本体是对设计活动中的设计要素及其关系，以及活动执行过程所依赖的资源、规则、标准和方法等知识的抽象描述。设计活动本体（design activity ontology）可以定义为一个5元组式中，如式（1）。

ODA表示设计活动本体;E表示设计活动中设计要素概念的集合;AE表示设计要素的属性集合;R表示设计要素间的关系集合;AR表示设计要素间关系的属性集合;D表示设计活动约束集合，包括对资源、规则、标准和方法等的约束要求。

2.2 设计活动本体构建过程

本体构建的方法有多种，如评估法、Bernaras法、SENUS法和骨架法等[12， 13]。产品设计过程领域有其专业化的特点，为了更好地表示设计活动各要素之间的关系，实现设计过程的重用，提出设计活动本体构建的一般过程。

步骤1 產品设计过程领域分析

按照产品设计过程中的任务类别、任务资源需求、任务知识结构等将产品设计过程进行任务分解，最终将产品设计过程分解为各类产品设计活动单元。对设计活动进行本体构建，不但可以降低设计过程本体建模的难度，而且能够确保设计活动本体与其支持知识的对应关系。

步骤2 列举重要术语

术语是在特定学科领域用来表示概念称谓的集合。列出产品设计过程相关领域的重要术语，参考领域内标准，准确定义术语，确保所定义的术语的专业性、科学性、单义性和系统性。

步骤3 定义类、类层次关系和属性

类是本体库的核心，用来描述领域的概念。在上一步骤列出重要术语的基础上，定义类、类层次关系。在定义类和类层次关系后，需要描述概念的内部结构，即类的属性，并且定义属性的约束。

步骤4 生成实例

通过对已有产品设计过程的分解，提取设计活动实例，按照上述设计活动本体的定义，创建类的单个实例。首先选择一个类，然后生成这个类的单个实例，最后为该实例填充类的属性值。

步骤5形式化描述

为了方便本体的开发和应用，可以采用形式化语言OWL对领域概念、概念间关系、概念的不同属性等进行描述。OWL语言集中了XML和RDF的优点，具有强大的语义描述能力，输出OWL格式文档。

3 设计活动本体语义检索

对已有的产品设计过程进行设计活动本体构建，形成设计活动本体实例库。对这些设计活动重用的关键在于，能否根据新的产品设计过程需求，高效、准确地从本体库中检索出相似设计活动。根据本体概念的特点，可以通过其概念名称和概念结构相似度计算来进行语义检索[14-16]。

3.1 概念名称相似度计算

设A和B分别是新产品设计活动需求本体概念和已有产品设计活动本体概念，则概念名称相似度计算就是求A和B相类似的程度。在计算概念名称相似度时，除了要考虑概念词字符串的相似度，还可以利用语义词典WordNet计算概念词的语义相似度，取两者最大值作为概念名称相似度[17-19]。

概念词字符串相似度计算，如式（2）。

式（2）中，length（A）表示概念词A的字符串长度，length（B）表示概念词B的字符串长度，ComSubStrings（A，B）表示A和B共有的字串长度。

概念词语义相似度计算，如式（3）。

式（3）中，synonym（A）为概念词A在WordNet中具有的同义词的个数，synonym（B）为概念词B在WordNet中具有的同义词的个数。

最后，两个本体概念名称相似度可表示为式（4）。

上述计算的优势是该表述不仅适用于概念名称完全或部分相同的情况，也适用于概念名称同义不同词的情况，既考虑了名称的形式相似，又考虑了名称的语义相似。

3.2 概念结构相似度计算

本体概念的层次结构间蕴含着丰富的语义关系信息，因此许多学者都提出以计算概念结构相似度作为评价本体概念相似度的一个方面。其计算方法是先分别计算两个概念的父概念、子概念、兄弟概念的相似度，再经过领域专家赋予不同的权重来计算，如式（5）。

式（5）中，simCS-P（A，B）、simCS-B（A，B）、simCS-S（A，B）分别为父概念、兄弟概念和子概念的相似度值，ω1、ω2、ω3是它们各自的权重，在概念层次结构中，父子关系、兄弟关系对相似度影响程度不同，一般而言，父概念相似度权重最大，兄弟概念相似度次之，最后是子概念相似度。

最后，综合以上概念名称相似度和概念结构相似度两方面，可得到新产品设计活动需求本体和已有产品设计活动本体的概念相似度，如式（6）。

通过本体概念相似度的计算，从多方面计算概念的相似度，不再拘泥于用户输入请求语句的字面本身，能够准确地搜索到最符合要求的结果，从而实现设计活动本体的语义检索。

3.3 产品设计过程重用

在构建设计活动本体，建立已有产品设计活动本体库和设计活动本体语义检索的基础上，给出产品设计过程重用的过程模型，如图3所示。

首先，分析新产品设计过程需求，将新产品设计过程分解为一系列相互联系的设计活动需求，并且构建新产品设计活动需求本体;其次，在已有产品设计活动本体库中检索与新产品设计活动需求相似的设计活动，若检索不到，需要新建新产品设计活动;然后，分析新产品设计活动需求本体间的关系是否合理，若不合理，需要调整，形成在时间、空间和逻辑上合理的新产品设计活动关系序列，按照此序列将检索到的相似设计活动和新建活动进行排序组合;最后，添加新產品设计的约束条件，形成完整的新产品设计过程，执行这个过程就可以完成新产品设计。

4 应用实例

为了进一步验证本文提出的产品设计过程重用方法，下面以新产品“打印复印扫描传真多功能一体机”的设计过程为例来加以说明。

首先，对打印复印扫描传真一体机的设计过程进行分解，可以分为打印模块设计活动、扫描模块设计活动、复印模块设计活动和传真模块设计活动，如图4所示。

其中，打印模块是基础，需要先进行设计;扫描与打印在功能上没有交集，可以并行进行，但在结构设计上有相关，如数据接口、电源接口采用共用的方式，所以把扫描模块设计活动排在打印模块设计活动之后，可以部分并行;复印模块使用扫描模块进行纸张信息的录入，使用打印模块完成纸张信息的输出，所以复印模块设计活动排在打印和扫描模块之后;发传真时需要用到扫描模块，接受传真时需要用到打印模块，所以传真模块设计活动可以排在扫描模块设计活动之后与复印模块设计活动并行。

其次，构建以上四种设计活动的需求本体，因构建方法和构建过程相似，故以打印功能需求本体的构建为例，如图5所示。

然后，在已有产品设计活动本体库中检索出与打印模块设计活动需求本体概念相似的设计活动本体概念集，如表1所示。

已有产品设计活动本体库中并没有新产品多功能一体机的设计活动，但是分别有传统的打印机、扫描仪、传真机的相似设计活动，对应于打印模块设计活动需求本体，从本体库中检索出五个型号的打印机相似设计活动，再经过专家人工筛选，最终选择类似度最高的惠普M202dw打印机设计活动。用同样的方法，可以找到扫描模块和传真模块相似的设计活动，最终选择佳能LiDE120 扫描仪设计活动和松下FP7006传真机设计活动。复印模块设计活动不需要进行结构设计，只要在扫描模块和打印模块结构设计基础上进行功能设计即可。

最后，根据上述新产品设计活动间的逻辑先后关系，将检索到设计活动进行组合，因上述设计活动是从功能、性能、结构等设计要素考虑的，需要根据新产品设计需求，添加设计活动其他设计要素（如设计人员、涉及行为等）和其他约束条件，得到多功能一体机的完整设计过程。

5 总结

本文针对产品设计过程知识重用的不足，以设计活动作为过程重用的单元，通过建立基于知识支持的产品设计活动模型，把单方面的过程知识集成起来，采用本体技术构建设计活动本体，建立已有产品设计活动本体库。提出通过对本体概念名称和概念结构相似度计算来进行语义检索，检索本体库中与设计活动需求本体相似的设计活动。最后提出了基于活动本体的产品设计过程重用模型，并以新产品多功能一体机为例进行了验证，初步证明了该模型的有效性。然而，在应用中发现语义检索出来的相似设计活动较多，还需要专家人工选择，在后续工作中需要对信息内容的语义检索作进一步深入研究。

参考文献

[1] HICKS B J， CULLEY S J， ALLEN RD， et al. A framework for the requirements of capturing and reusing information and knowledge in engineering design[J]. International Journal of Information Management， 2002， 22（4）：263-280.

[2] HUNTER R， VIZN A，PREZ J. Knowledge model as an integral way to reuse the knowledge for fixture design process[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2005，164/165： 1510-1518.

[3] 孙璞，侯俊杰，石倩，等. 一种三维工艺知识多粒度表示与重用方法研究[J]. 制造业自动化， 2016（3）： 97-101.

[4] 颜端武，魏雪艳，赵飞. 基于知识组件的产品设计知识重用方法研究[J]. 现代图书情报技术， 2016（5）： 72-79.

[5] 耿静，高澎. 基于知识重用的飞机典型零件设计资源管理与应用[J]. 航空科学技术，2016（9）： 75-78.