面向复杂产品设计的本体构建方法.docx
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面向复杂产品设计的本体构建方法.docx
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面向复杂产品设计的本体构建方法
本发明公开了一种面向复杂产品设计的本体构建方法。
该方法首先对设计专家的设计所需知识的需求进行分析并确定本体面向的使用对象、应用背景、实现功能等;其次,根据专家需求结合功能-行为-结构对复杂产品设计知识进行分类;然后利用顶层本体SUMO中的关系结合复杂产品特点自定义的相关关系,构成产品设计本体构建的语义关系框架,在此基础上确定复杂产品设计中的语义关系;之后基于FBS模型对概念本体和设计本体分别进行UML建模;再基于建模结果实现复杂产品设计领域概念本体和设计本体的构建;最后,提出本体检验与评价的方法,对本体进行修改或完善。
利用上述七个步骤就可面向复杂产品设计实现产品设计领域本体的构建,从而为设计知识的共享与重用提供支持。
1、一种面向复杂产品设计的本体构建方法,其特征在于,步骤如下:
步骤1、确定本体面向的使用对象、构建分类、应用背景、实现功能这些要素及本体中需要表达的知识;。
。
。
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。
步骤2、结合功能-行为-结构对复杂产品设计知识进行分类,具体可分为。
。
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。
几类;
步骤3、利用顶层本体SUMO中的关系结合复杂产品特点自定义的相关关系,确定本体中的数据属性和对象属性;
步骤4、基于FBS模型进行概念本体和设计本体的建模;
步骤5、利用protégé工具实现概念本体的构建,实现结构知识、实例知识在本体中的表达;
步骤6、利用protégé工具实现设计本体的构建,实现设计流程、设计经验、设计实例等知识在本体中的表达;
步骤7、对复杂产品设计领域本体进行检验与评价,并根据结果对本体进行修正和完善。
2、根据权利要求1所述的面向复杂产品设计的本体构建方法,其特征在于,步骤1中确定本体面向的使用对象、应用背景、实现功能这些要素及本体中需要表达的知识,具体步骤如下:
步骤1-1、确定本体的需求用户、构建分类、应用背景、实现功能等前提要素:
首先确定本体的需求用户为具体复杂产品领域的设计人员;其次,将产品设计领域本体分为概念本体和设计本体并分别构建,并确定概念本体主要表达产品基本属性、特点等结构类知识,设计本体主要表达产品设计流程、设计规则、设计实例等设计知识;确定本体的应用背景:
最后,确定产品设计功能在本体中的体现为材料选择、子部件类型选择、设计文本指导、设计流程、设计参数取值选择。
步骤1-2、鼓励设计专家从概念知识和设计知识两大类以问句的形式对本体需表达的设计中所需的知识提出需求,如“XXX产品设计中选择XX类型的子部件的原因是什么?
”;
步骤1-3、对步骤1-2中的专家需求问题进行分析,并确定本体中需表达的知识;
3、根据权利要求1所述的面向复杂产品设计的本体构建方法,其特征在于,步骤2中根据产品设计知识特点选取合适的分类标准,对产品设计知识进行分类,具体步骤如下:
步骤2-1、分析复杂产品设计中的具体活动及涉及知识的特点:
存在大量设计反复,需要多学科设计人员协作参与,设计活动需合理规划;涉及产品的材料选择、功用确定、设计标准选择、设计步骤确定、质量管理、具体应用背景定义等各类活动。
步骤2-2、分析选取FBS模型为知识分类的依据:
FBS模型从功能、行为、结构三方面描述产品设计知识,并通过映像充分反映设计知识的内在联系,即结构支撑行为,行为决定功能,符合产品设计的主旨。
步骤2-3、将设计知识从结构、功能、行为三个方面出发,对复杂产品设计知识进行分类,并明确其每类知识的具体功能及描述的对象。
将其分为描述性知识、实例性知识、设计指导知识、判断性知识、过程性知识、计算性知识和手册性知识七类。
具体如表1所示。
表1设计知识的分类
知识分类
功能描述
举例
FBS
模型
描述性知识
表示产品等设计对象静态结构特征、
属性及属性之间关系。
原理、结构、几何
等属性特征
结构
模型
实例性知识
以前的设计活动的设计结果及其相关的
设计需求、设计过程等信息的知识。
具体部件或以往设计活动的实例
设计指导知识
指产品设计主要需要完成的工作和达到的目标,及相关指导类知识
设计的任务、原则、方法等指导性知识
功能
模型
判断性知识
表示事实之间的关系,用于目标推理求解
因果关系、条件关系等
行为
模型
过程性知识
表示一个设计过程的操作或操作系列,
它是问题求解的重要部分
任务、操作及其系列
计算性知识
表示设计过程中,用数值计算方法处理的参数等
公式、函数或工具
手册性知识
表示设计过程中包含零部件参数的
可选数值或区间
国际/国家/行业/企业标准或手册
4、根据权利要求1所述的面向复杂产品设计的本体构建方法,其特征在于,步骤3中选取顶层本体规范产品设计领域的语义关系框架,并确定产品设计中所涉及的各类知识之间的语义关系,具体步骤如下:
步骤3-1、选取具有语义关系丰富、逻辑框架清晰等特点的顶层本体SUMO来规范产品设计中的语义关系,并分析SUMO中概念及关系的表述。
步骤3-2、根据SUMO中的概念及其关系的定义,结合复杂产品设计的要求,对产品设计本体构建中属性的定义和命名加以规范统一,确定复杂产品设计本体的语义关系框架。
步骤3-3、根据步骤3-2中的命名规范及语义关系框架,最终确定复杂产品设计中的对象属性(包括等级关系和非等级关系)。
确定等级关系中的种属关系subClassOf,整体部件关系hasPart和isPartOf,contains和properPart;确定非等级关系,主要有同义关系、因果关系、顺承关系、分类关系、设计指导类关系等,具体如表2所示。
表2部分对象属性
属性类型
关系名
属性说明
属性类型
关系名
属性说明
物理位置或物理
连接
top
位于……的顶部
材料
属性
useMaterial
使用材料
connectedBy
连接方式
设计
指导
hasDesignTask
设计任务
分类关系
classifiedBy
分类方式
hasDesignRequirement
设计要求
和原则
byStructure
如按结构分
hasDesignMethod
设计方法
byFunction
如按功能分
hasDesignProcess
设计流程
过程关系
cause
引起
hasDesignTip
注意事项
justEarlier
Than
紧前于。
描述设计流程的先后关系
hasDesignResult
设计结果
justLater
Than
紧后于。
描述设计流程的先后关系
……
……
步骤3-4、确定产品设计中的数据属性,包括结构说明、文本说明、图片说明、公式说明、材料属性、取值限制等说明,具体如表3所示。
表3部分数据属性
属性名
属性说明
属性名
属性说明
engTerm
英文术语
principlePicID
原理图图片ID
Has(dis)Advantage
优缺点
structurePicID
结构图图片ID
hasDefinition
定义
3DPicID
3D设计模型ID
hasPrinciple
原理
FormulaID/Note/Name
公式编号、说明、名称
hasEffect
作用
unitName/Sign
单位名称、符号
hasPurpose
用途
parameterSign
物理参数符号
hasExplaination
解释
largerThan/lessThan
大于小于等
material
材料
hasValue
有取值
materialProperty
材料属性
(如材料密度、泊松比、屈服极限等)
valueOption
若干取值选择
5、根据权利要求1所述的面向复杂产品设计的本体构建方法,其特征在于,步骤4中基于FBS模型对概念本体和设计本体分别进行建模,具体步骤如下:
步骤4-1、确定概念本体对应FBS模型中的结构模型,主要对应描述性知识和部分实例性知识;确定设计本体对应FBS模型中的行为模型和功能模型,主要对应描述性知识、设计实例知识、设计指导知识、判断性知识、过程性知识、计算性知识和手册性知识。
步骤4-2、对概念本体进行建模,包括复杂产品设计领域的分类,部件组成,具体实例以及具体描述知识(定义、优缺点、原理、作用、经验、用途、限制类)四块内容。
步骤4-3、对设计本体进行建模,具体为:
从设计的流程出发,首先一个产品设计总过程由设计任务为主旨,设计任务下细分为多个任务和子任务,由子任务驱动具体引导设计过程的设计指标、设计要求、设计注意事项等设计指导类经验知识,设计指导类知识具体指导设计过程,设计过程细分为若干流程,每个流程中涉及输入、输出、设计公式、设计图片、参与人员、使用工具等信息,最后总体输出设计结果。
6、根据权利要求1所述的面向复杂产品设计的本体构建方法,其特征在于,步骤5中概念本体构建的实现。
具体为:
步骤5-1、首先需要确定的是需要描述的部件,及其子部件。
具体的组成部件和其所属部件作为并列类进行组织。
而两者之间用“整体-部分”对象关系进行连接,使用“整体-部分”关系时,需注意AllValuesFrom和SomeValuesFrom的区别。
步骤5-2、部件的分类知识作为类与子类进行构建,而不同的分类标准则作为对象属性建立部件和具体类型部件之间的关系进行添加。
步骤5-3、定义、作用、原理、限制、优缺点、用途等描述性知识作为类或实例的数据属性进行构建,并添加其具体属性值。
步骤5-4、实例的完善与正确性检验:
在每个部件和子部件下添加具体的实例,通过实例检查本体构建的正确性和完整性。
7、根据权利要求1所述的面向复杂产品设计的本体构建方法,其特征在于,步骤6中设计本体构建的实现,具体步骤如下:
步骤6-1、总体设计任务类构建:
总体设计任务类知识是产品设计主要需要完成的工作和达到的目标,是整个设计流程的驱动。
因此构建设计本体的第一步先确定部件设计的总体设计任务和设计要求,从而引导后面的设计指导和设计流程。
构建设计任务的大类和具体子任务的子类,并和部件以“hasDesignTask”连接。
步骤6-2、文本性的设计指导经验类构建:
设计指导类知识是总体设计任务驱动下的具体指导,文本性的设计经验主要包括设计注意事项、设计原则、设计要求、设计调整等能以文本性的形式展现的设计知识。
新建具体设计原则、设计要求等的类,添加“hasExperience”数据属性并添加具体的属性内容,最后通过对象属性和对应的部件类进行连接。
步骤6-3、设计参数与公式类构建:
构建公式的大类,并添加公式的属性,而具体的公式和公式的输入、输出、限制等相关内容在实例中输入。
步骤6-4、设计图片类构建:
产品设计中的设计图片主要包括三维设计图、部件或整体的实例图、用于说明操作方式的原理图、位置关系的结构图、解释设计流程的流程图五类。
具体的图片存储在知识库中,在protégé中作为数据属性添加类或实例的各种类型的图片ID。
步骤6-5、设计流程和流程中涉及的参数限制类构建:
构建部件设计流程大类和部件以“hasDesignProcess”连接。
添加具体设计流程,作为设计流程类的子类添加,用时间关系和因果关系等对象属性连接表示设计流程的前后关系。
在设计流程子类上添加流程解释、经验、使用的工具、涉及的公式图片及得到的结果等数据属性。
其次,构建设计参数大类,具体参数作为子类添加。
通过“hasInputParameter”和“hasOutPutParameter”的对象属性和设计流程类进行连接。
最后,对具体参数作属性值、取值上限、取值下限、取值选择等数据属性的限制。
8、根据权利要求1所述的面向复杂产品设计的本体构建方法,其特征在于,步骤7中本体检验与评价方法,具体步骤如下:
步骤7-1、对本体进行完整性和一致性检验:
完整性检验主要检验的是实例的完整性。
如子部件下的具体实例不是任何父部件下实例的子部件,则说明父部件的实例添加未完整,或子部件的实例添加有误;一致性检验主要检验的是关系的一致性。
如组成关系“hasPart”和“isPartOf”的检验,由于“hasPart”定义的属性特征为传递性,且“hasPart”和“isPartOf”为互逆关系,利用protégé自带的racer推理机帮助完善本体的关系定义;在完善关系定义的基础上检验关系定义是否与现实有不一致性或出现逻辑混乱。
步骤7-2、在7-1检验的基础上对本体从结构层、功能层、应用层三个层面展开进行本体的评价。
结构层:
本体概念的完整性、正确性、层次清晰性;本体概念关系的适用性,关系定义的完整性与正确性;设计实例的完整性,功能性。
功能层:
本体是否能实现预先设计的功能,对预先分类的知识是否能够清晰地表达;应用层:
应用层主要是针对使用对象而言的可用性,如本体结构是否清晰易理解;是否有本体使用手册帮助设计人员使用;是否有基于本体的更直观的应用系统的推送,在每个设计流程中为设计者推送相关经验知识。
一种复杂产品设计的本体构建方法
技术领域
本发明涉及一种本体构建方法,特别是一种面向复杂产品设计的本体构建方法。
背景技术
复杂产品设计是一项多层次、多阶段、分步骤的需要经过反复迭代,涉及行业标准、设计公式、设计图片、设计经验取值、设计流程等多类型知识的复杂活动,包含大量设计任务,需要多主体协同完成。
复杂产品设计对设计人员的要求极高,同时对行业标准和以往设计经验依赖较大。
因此,对已有的产品设计、行业标准等通用类知识进行组织存储,发掘专家头脑中的设计经验知识并将其表示出来,以便后续设计的共享与重用,将会对设计者进行产品设计活动有很大的帮助。
“本体是概念化的明确的规范说明”其基本元素包括:
概念、属性、关系、函数、公理、实例。
由于本体具有术语概念统一、语义关系表达明确等特点,近年来在产品设计知识的表示、共享及重用中得到广泛应用,不仅能够形式化地定义产品设计领域知识,而且对产品设计过程中产品功能、行为的语义关系等关键设计知识能充分表达,从而实现设计知识的有效共享。
国内外已有的面向产品设计的本体构建方法可总结为:
基于FBS功能-行为-结构及其扩展或改进形式的表达、基于BDE模型的表达、基于产品设计生命周期的表达、以及基于产品自身特点的表达四大类。
其中,基于FBS模型的表达方法,由于其理论基础坚实,能很好揭示产品设计中的内部关系而被广泛使用,也有许多学者根据描述对象自身特点对FBS进行改进和扩充。
然而,在实际应用中仍然存在理论构想与实际实现脱节,描述的知识只侧重产品设计的基础领域知识等不足。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种面向复杂产品设计的本体构建方法。
实现本发明目的的技术解决方案为:
一种基于FBS模型的面向复杂产品设计的本体构建方法,步骤如下:
步骤1、获取与分析复杂产品设计专家的需求,并确定本体面向的使用对象、应用背景、实现功能等要素及本体中需要表达的知识;
步骤2、分析复杂产品设计活动包含的内容与涉及知识的特点,根据专家需求结合功能-行为-结构对复杂产品设计知识进行分类;
步骤3、利用顶层本体SUMO中的关系结合复杂产品特点自定义的相关关系,构成产品设计本体构建的语义关系框架,并确定本体中的数据属性和对象属性;
步骤4、在对产品设计专家需求分析和知识分类的基础上,基于FBS模型进行概念本体和设计本体的建模;
步骤5、在概念本体的建模的指导下,利用protégé工具实现概念本体的构建,实现结构知识、实例知识在本体中的表达;
步骤6、在设计本体建模的指导下,利用protégé工具实现设计本体的构建,实现设计流程、设计经验、设计实例等知识在本体中的表达;
步骤7、对复杂产品设计领域本体进行检验与评价,并根据结果对本体进行修正和完善。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:
(1)基于顶层本体SUMO实现语义框架确定及基于FBS模型进行本体构建,使设计知识的表示更具有规范性;
(2)充分分析复杂产品设计流程及专家需求并提供丰富语义关系,能保证设计知识的充分表达;(3)充分结合已有研究并在实际中探索并总结出方案,结果贴近实际。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明的基于FBS模型的面向复杂产品设计的本体构建方法流程图。
具体实施方式
步骤1、进行设计专家需求分析并确定本体应用背景、实现功能等重要因素,具体步骤如下:
步骤1-1、确定本体的需求用户、构建分类、应用背景、实现功能等前提要素:
首先确定本体的需求用户为具体复杂产品领域的设计人员;其次,由于复杂产品设计知识的复杂性和相关性,将产品设计领域本体分为概念本体和设计本体分别构建,并确定概念本体主要表达产品基本属性、特点等结构类知识,设计本体主要表达产品设计流程、设计规则、设计实例等设计知识;确定本体的应用背景:
支撑产品设计领域相关基本概念或结构知识的语义查询,支撑设计流程、以往设计经验等的应用系统推送或语义查询。
最后,确定产品设计功能在本体中的体现主要为材料选择、子部件类型选择、设计文本指导、设计流程、设计参数取值选择等。
步骤1-2、鼓励设计专家从概念知识和设计知识两大类以问句的形式对本体需表达的设计中所需的知识提出需求,如“XXX产品设计中选择XX类型的子部件的原因是什么?
”;
步骤1-3、对步骤1-2中的专家需求问题进行分析,并确定本体中需表达的知识;
步骤2、根据产品设计知识特点选取合适的分类标准,对产品设计知识进行分类,具体步骤如下:
步骤2-1、分析产品设计的具体活动及涉及知识的特点:
存在大量设计反复,需要多学科设计人员协作参与,设计活动需合理规划;涉及产品的材料选择、功用确定、设计标准选择、设计步骤确定、质量管理、具体应用背景定义等各类活动。
步骤2-2、选取FBS模型为知识分类的依据:
FBS模型从功能、行为、结构三方面描述产品设计知识,并通过映像充分反映设计知识的内在联系,即结构支撑行为,行为决定功能,符合产品设计的主旨。
步骤2-3、将设计知识从结构、功能、行为三个方面出发,对复杂产品设计知识进行分类,并明确其每类知识的具体功能及描述的对象。
将其分为描述性知识、实例性知识、设计指导知识、判断性知识、过程性知识、计算性知识和手册性知识七类。
如表1所示。
表1设计知识分类
知识分类
功能描述
举例
FBS
模型
描述性知识
表示产品等设计对象静态结构特征、
属性及属性之间关系。
原理、结构、几何
等属性特征
结构
模型
实例性知识
以前的设计活动的设计结果及其相关的
设计需求、设计过程等信息的知识。
具体部件或以往设计活动的实例
设计指导
知识
指产品设计主要需要完成的工作和达到的目标,及相关指导类知识
设计的任务、原则、方法等指导性知识
功能
模型
判断性知识
表示事实之间的关系,用于目标推理求解
因果关系、条件关系等
行为
模型
过程性知识
表示一个设计过程的操作或操作系列,
它是问题求解的重要部分
任务、操作及其系列
计算性知识
表示设计过程中,用数值计算方法处理的参数等
公式、函数或工具
手册性知识
表示设计过程中包含零部件参数的
可选数值或区间
国际/国家/行业/企业标准或手册
步骤3、选取顶层本体规范产品设计领域的语义关系框架,并确定产品设计中所涉及的各类知识之间的语义关系,具体步骤如下:
步骤3-1、选取顶层本体SUMO来规范产品设计中的语义关系,并分析SUMO中概念及关系的表述。
步骤3-2、根据SUMO中的概念及其关系的定义,结合复杂产品设计的要求,对产品设计本体构建中属性的定义和命名加以规范统一。
步骤3-3、根据SUMO中已有的语义关系及根据,最终确定复杂产品设计中的对象属性(包括等级关系和非等级关系)。
确定等级关系中的种属关系subClassOf,整体部件关系hasPart和isPartOf,contains和properPart;确定其他非等级关系,主要有同义关系、因果关系、分类关系、设计指导类关系等。
具体如表2所示。
表2部分对象属性
属性类型
关系名
属性说明
属性
类型
关系名
属性说明
物理位置或物理
连接
top
位于……的顶部
材料
属性
useMaterial
使用材料
connectedBy
连接方式
设计
指导
hasDesignTask
设计任务
分类关系
classifiedBy
分类方式
hasDesignRequirement
设计要求
和原则
byStructure
如按结构分
hasDesignMethod
设计方法
byFunction
如按功能分
hasDesignProcess
设计流程
过程关系
cause
引起
hasDesignTip
注意事项
justEarlier
Than
紧前于。
描述设计流程的先后关系
hasDesignResult
设计结果
justLater
Than
紧后于。
描述设计流程的先后关系
……
……
步骤3-4、确定产品设计中的数据属性,包括结构说明、文本说明、图片说明、公式说明、材料属性、取值限制等说明,具体如表3所示。
表3部分数据属性
属性名
属性说明
属性名
属性说明
engTerm
英文术语
principlePicID
原理图图片ID
Has(dis)Advantage
优缺点
structurePicID
结构图图片ID
hasDefinition
定义
3DPicID
3D设计模型ID
hasPrinciple
原理
FormulaID/Note/Name
公式编号、说明、名称
hasEffect
作用
unitName/Sign
单位名称、符号
hasPurpose
用途
parameterSign
物理参数符号
hasExplaination
解释
largerThan/lessThan
大于小于等
material
材料
hasValue
有取值
materialProperty
材料属性
(如材料密度、泊松比、屈服极限等)
valueOption
若干取值选择
步骤4、对概念本体和设计本体分别进行建模,具体步骤如下:
步骤4-1、分析复杂产品设计领域的结构、行为、流程之间的对应关系。
确定概念本体对应FBS模型中的结构模型,主要对应描述性知识和部分实例性知识;确定设计本体对应FBS模型中的行为模型和功能模型,主要对应描述性知识、设计实例知识、设计指导知识、判断性知识、过程性知识、计算性知识和手册性知识。
步骤4-2、对概念本体进行建模,包括产品设计领域的分类、部件组成、具体实例以及材料、定义、优缺点、原理、作用、经验、用途、限制等具体描述知识。
步骤4-3、对设计本体进行建模,具体为:
从设计的流程出发,首先一个产品设计总过程由设计任务为主旨,设计任务下细分为多个任务和子任务,由子任务驱动具体引导设计过程的设计指标、设计要求、设计注意事项等设计指导类经验知识,设计指导类知识具体指导设计过程,设计过程细分为若干流程,每个流程中涉及输入、输出、设计公式、设计图片、参与人员、使用工具等信息,最后总体输出设计结果。
步骤5、概念本体构建的实现:
构建产品设计领域本体,首先需要确定的是需要描述的部件,及其子部件,其次明确部件的分类关系,明确部件的原理、作用、定义、限制、用途、材料、位置、几何结构等描述类知识,最后添加具体部件的实例。
具体为:
步骤5-1、首先需要确定的是需要描述的部件,及其子部件。
具体的组成部件和其所属部件作为并列类进行
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