机械产品设计知识管理系统的研究

论文摘要

为了达到以最快的速度、最低的成本提供质量最优的产品来快速响应市场,企业的产品设计逐步表现出快速化、模块化和知识化的发展趋势。这就要求设计人员必须了解产品设计的详细过程和步骤,能在最短的时间内获取有用的产品设计知识。因此,本文结合设计知识多样性、动态性和相关性的特点,重点从设计知识的表示、设计过程的建模和设计过程的规划三个角度对设计知识管理进行了研究,进而达到将正确的知识在正确的时间传递给正确的人的目的,逐步积累企业设计知识,推动企业模块化、快速化设计模式的发展。从知识多源性、人员相关性、过程相关性和异构性角度出发,将设计知识分为描述性知识、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六类;通过分析设计本体的重点和难点,提出了设计本体的建立方法。在此基础上,以企业的设计过程、设计组织、设计对象和知识对象为核心,分析各部分主要概念的内涵及其属性关系,建立了相应的本体主模型,实现了设计过程、设计组织、设计对象与知识对象之间的关联及六类知识的表示,为后续的知识嵌入和重用奠定了基础。为了响应快速化、模块化、知识化的产品设计发展趋势,结合产品设计的参数化和重复性特征,选择以工作流方法作为设计过程建模的参考技术,提出了基于工作流扩展的设计向导元模型。为了实现设计知识在产品设计过程中的驱动作用,在基于本体的设计知识表示的基础上,构建了支持知识嵌入的知识流引擎,保证了设计过程中的知识嵌入。借鉴IBM FlowMark工作流模型,提出了设计向导的过程模型,并建立了模块任务、零件任务、抽象任务和行为任务四种任务模型,达到了跟踪设计人员的详细设计任务的目的,并为后续的设计过程规划提供了过程模型和信息依赖关系。提出了基于BOM的分层设计结构矩阵(Design Structure Matrix,DSM),并建立了布尔设计结构矩阵(Binary Design Structure Matrix,BDSM)和数值设计结构矩阵(Numerical Design Structure Matrix,NDSM)相结合的产品设计过程规划方法,既保证了规划的效率,又提高了规划精度。在规划过程中,采用了任务次序指标和信息次序指标相结合的耦合任务集的改进割裂方法,使得设计迭代和反复的次数最少。通过对全耦合、部分耦合和多个任务之间的闭环三种耦合形式的分析,针对合并、分解和两种方式相结合的三种解耦途径,借助分层DSM之间的信息交流与遍历,提出了基于耦合度与任务规模约束的解耦策略,并对耦合度及任务规模的度量进行了定义。此种方法可以助力于企业的产品结构、设计团队、设计过程的重组和模块化发展,达到加强设计知识管理的目的。根据上述关键技术的研究,建立了产品设计知识管理系统的总体框架,构建了以知识分类图、知识分布图、知识利用图和知识传递图为组成的知识地图,并进一步分解和明确了各部分的相应职能,为产品设计知识的各类检索和获取提供了可视化的工具。为了将产品生命周期的相关信息应用于设计过程之中并转化为企业的知识,形成各类设计人员所需要的知识视图,提出了以产品生命周期管理(Product Lifecycle Management,PLM)系统的信息为基础的集成框架和以设计知识管理系统的本体为主体的本体映射模型,并研究了以词汇相似度和概念相似度为主要组成的本体映射算法,实现了信息从PLM系统向设计知识管理系统的准确移植。最后,提出了设计知识管理系统(Design Knowledge Management System,DKMS)的设计思想和功能结构,开发了相应的原型系统,并对系统进行了应用验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 产品设计的快速化、模块化和知识化趋势
• 1.2 机械产品设计的现状与存在的问题
• 1.3 知识管理的研究现状
• 1.4 产品设计知识管理的相关技术研究现状
• 1.4.1 知识表示的研究
• 1.4.2 设计过程建模的研究
• 1.4.3 设计过程规划的研究
• 1.5 课题的研究目的和意义
• 1.6 课题的研究内容
• 第2章 基于本体的产品设计知识的表示
• 2.1 机械产品设计知识的分析
• 2.1.1 设计知识的特征
• 2.1.2 设计知识的分类
• 2.2 本体理论的研究
• 2.2.1 本体的定义
• 2.2.2 本体表示语言的比较
• 2.2.3 本体与分类学和面向对象的比较
• 2.3 设计本体的建立
• 2.3.1 设计本体建立的方法
• 2.3.2 设计本体的核心视图
• 2.3.3 设计对象本体
• 2.3.4 设计组织本体
• 2.3.5 设计过程本体
• 2.3.6 知识对象本体
• 2.4 基于OWL的本体表示实例
• 2.5 本章小结
• 第3章 支持知识嵌入的设计向导建模
• 3.1 产品设计过程的基本建模要求
• 3.2 设计向导元模型
• 3.2.1 工作流管理联盟的工作流模型
• 3.2.2 基于工作流扩展的设计向导元模型
• 3.3 支持知识嵌入的设计向导建模
• 3.3.1 设计向导的过程模型及其组成元素
• 3.3.2 基于BOM的设计任务分类与建模
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于设计结构矩阵的设计过程规划
• 4.1 设计过程规划及其需求
• 4.2 分层设计结构矩阵
• 4.2.1 设计结构矩阵
• 4.2.2 基于BOM的分层设计结构矩阵
• 4.3 基于布尔设计结构矩阵和数值设计结构矩阵的产品设计过程规划
• 4.3.1 BDSM与NDSM的建立
• 4.3.2 基于布尔设计结构矩阵的定耦操作
• 4.3.3 基于布尔设计结构矩阵的非耦合矩阵的初始化排序
• 4.3.4 基于任务和信息次序指标的耦合任务集的割裂
• 4.4 基于约束的分层DSM的解耦和任务重组
• 4.4.1 产品设计中耦合的类型与解耦途径
• 4.4.2 分层DSM间的信息交流与遍历
• 4.4.3 基于耦合度与任务规模约束的解耦策略
• 4.5 减速器设计实例
• 4.6 本章小结
• 第5章 产品设计知识管理系统的设计
• 5.1 产品设计知识管理系统的总体框架
• 5.1.1 系统的总体设计
• 5.1.2 知识地图的设计
• 5.1.3 组织结构的设计
• 5.1.4 系统权限的设计
• 5.2 面向产品生命周期的系统集成
• 5.2.1 面向产品生命周期的系统集成框架
• 5.2.2 面向集成的本体映射方法
• 5.3 本章小结
• 第6章 系统的实现与应用
• 6.1 系统的设计思想
• 6.2 系统的实现
• 6.3 设计本体的建立
• 6.3.1 本体建模工具——Protégé 3.4
• 6.3.2 设计本体的建立
• 6.4 DKMS的主要功能模块及其应用
• 6.4.1 系统登陆及主界面
• 6.4.2 组织管理与权限管理
• 6.4.3 设计对象管理
• 6.4.4 知识地图
• 6.4.5 设计向导管理
• 6.4.6 DKMS与PLM的集成
• 6.5 系统的优点
• 6.6 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 论文创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参与的科研与实践项目
• 致谢
• 附录 英文论文
• 学位论文评阅及答辩情况表