基于功能的概念设计求解过程研究

论文摘要

概念设计是产品设计过程中的早期阶段，对产品全生命周期有着极为重要的影响。在概念设计研究中，核心问题在于概念设计的求解过程和为实现这一过程的知识运用。产品设计的目标是以实现产品功能为目的的。功能定义的规范化使得利用知识实现概念设计的求解成为必然。本文在分析了现存的概念设计过程理论研究和应用基础上，提出了基于功能的概念设计过程，引用本体论，研究了本体知识在该设计过程中的运用。本文的主要研究内容如下：1．在研究了国内外概念设计过程理论和实现方法的基础上，着重论述了功能在概念设计求解过程中的作用。通过分析现存功能定义存在的问题，提出了采用功能语义进行功能表达；提出采用本体理论，确立概念设计求解过程的领域知识。基于上述的研究，本文建立了概念设计求解过程模型FSFM，讨论了模型的特点和实现方法。2．为实现计算机辅助概念设计，给出了FSFM中元模型FPS的信息概念表达，建立了通用的FPS的信息元素和数据模型，并采用XML的扩展标记语言CPML的Schema，对信息进行了封装，从而为过程求解的知识共享、重用和协同设计奠定基础。3．分析了本体论的基本理论和思想，提出功能本体、原理本体和结构本体作为概念设计求解中的知识表示。基于功能语义自然语言，重点探讨了通过语义相似度实现功能本体库的自动构建。利用概念从属理论，建立功能本体语义树，实现功能语义的关联。采用本体论的建模原语，描述了功能本体、原理本体和结构本体的知识形式。4．探讨了概念设计知识重用和共享的关键技术。建立了一个面向对象的知识库系统。采用实例推理，描述概念设计的知识重用，研究了基于实例推理的概念设计过程。分析了基于WEB的FSFM模型的协同设计形式，为协同过程的数据和语义提供了统一的语法操作性。5．建立了概念设计求解过程，为计算机辅助实现概念设计提供基础。以机械手的设计过程为例，说明了概念设计部分实现方式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 制造业的信息化
• 1.1.2 技术创新
• 1.1.3 产品设计信息技术与知识管理
• 1.2 本体的基本思想和方法
• 1.2.1 本体的基本思想
• 1.2.2 本体的特点
• 1.3 产品的设计方法学研究综述
• 1.3.1 产品和产品的工程设计
• 1.3.2 设计方法的一般理论
• 1.4 产品概念设计的研究
• 1.4.1 概念设计的内涵
• 1.4.2 概念设计的研究动态
• 1.4.3 与功能相关的其它研究
• 1.5 概念设计的知识表达
• 1.5.1 产品设计的知识表达
• 1.5.2 本体知识模型
• 1.5.3 产品设计的机器学习
• 1.6 概念设计现存的问题
• 1.7 论文主要研究内容及组织结构
• 第2章 基于功能的概念设计求解及功能表达
• 2.1 基于功能的产品设计过程
• 2.1.1 产品设计过程模型
• 2.1.2 设计过程的抽象描述
• 2.1.3 概念设计功能到原理的求解
• 2.2 功能定义方法
• 2.2.1 功能定义
• 2.2.2 功能的表示
• 2.2.3 功能形式化表达模型
• 2.2.4 基于功能表达概念设计求解现存的问题
• 2.3 基于功能的概念设计求解模型
• 2.3.1 概念设计求解模型
• 2.3.2 基于功能概念设计求解模型的知识结构
• 2.3.3 功能--原理--结构元模型
• 2.3.4 知识本体库
• 2.3.5 功能约束求解
• 2.4 概念设计智能化功能求解流程
• 2.5 小结
• 第3章 概念设计求解元模型信息表达
• 3.1 产品设计数据、信息和知识的定义
• 3.2 元模型的概念化表达
• 3.2.1 对象和概念对象
• 3.2.2 FPS模型中的基本信息元素
• 3.3 功能对象的数据模型
• 3.3.1 功能的定义
• 3.3.2 功能流的定义
• 3.3.3 功能流关系
• 3.3.4 功能输入输出
• 3.3.5 功能识别
• 3.3.6 功能约束
• 3.4 概念设计求解过程相关数据模型
• 3.4.1 需求数据模型
• 3.4.2 原理数据模型
• 3.4.3 结构数据模型
• 3.4.4 组件数据模型
• 3.5 FPS模型对象间的关系
• 3.6 概念设计功能求解过程标记语言
• 3.6.1 概念设计求解过程标记语言
• 3.6.2 概念设计求解过程标记语言的语法
• 3.6.3 概念设计求解过程标记语言的Schema
• 3.6.4 概念设计元模型通过概念产品标记语言描述的特点
• 3.7 小结
• 第4章 概念设计求解的知识本体
• 4.1 CAD和STEP设计知识分析
• 4.1.1 CAD系统设计知识表达
• 4.1.2 STEP知识表达
• 4.2 设计知识、表达和语言
• 4.3 本体的引入
• 4.3.1 本体在概念设计求解中的作用
• 4.3.2 本体
• 4.3.3 基于本体的知识表示
• 4.4 自然语义的功能本体表达方式
• 4.4.1 词典和本体
• 4.4.2 功能本体语义树
• 4.4.3 功能本体库表示方法
• 4.4.4 功能本体库自动构建框架
• 4.5 知识本体存储和交换
• 4.5.1 本体语言资源描述框架RDF与RDFS
• 4.5.2 知识本体的描述和知识的序列化封装过程
• 4.5.3 概念设计求解过程的建模原语
• 4.5.4 概念设计求解过程的本体表达实例
• 4.6 语义相似度
• 4.6.1 语义相似度的概念
• 4.6.2 功能求解中的语义相似度计算
• 4.7 小结
• 第5章 概念设计知识重用和共享
• 5.1 概念设计求解知识库系统框架
• 5.2 基于实例推理
• 5.2.1 基于实例的推理和自学习
• 5.2.2 实例相似性的检索
• 5.2.3 基于实例系统的形式化描述
• 5.2.4 基于实例推理的概念设计过程
• 5.3 本体知识的协同概念设计
• 5.3.1 基于Web的协同设计特点
• 5.3.2 基于Web的FSFM模型协作形式
• 5.3.3 语义Web和XML
• 5.3.4 协同设计中的CPML和RDF（S）
• 5.4 小结
• 第6章 求解过程实现和实例分析
• 6.1 计算机辅助实现概念设计求解过程
• 6.2 实例分析
• 6.2.1 机械手简介
• 6.2.2 机械手的概念设计层次模型
• 6.2.3 机械手的数据模型
• 6.2.4 机械手功能分解和功能求解
• 6.2.5 机械手原理本体描述
• 6.3 小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 后续研究与工作展望
• 附录 概念产品标记语言CPML的Schema定义
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历