摘要：为满足用户对多样化产品的需求，解决工业设计中设计方案的大量生成问题。提出了基于本体的产品族设计DNA研究方法。阐述了工业设计本体论和产品族设计DNA概念．探讨了工业设计产品族本体知识、产品族没计DNA的遗传与变异规律、流程和关键技术。提出了工业设计产品族本体知识表示模型和产品族设计DNA遗传与变异模型。以眼镜设计为例．构建了基于本体的眼镜产品族设计DNA层次模型和计算机辅助眼镜三维造型设计系统软件。基于该系统可以实现眼镜产品设计的快速生成，并可与用户的感性意象设计评估相对应，提高眼镜开发设汁的效率，验证了基于本体的产品族设计DNA理论体系。
关键词：产品设计；本体；产品族；知识；工业设计
1 引言
为满足市场不同消费群体的需求，快速研发系列化新产品投入市场并占领市场份额，产品族是一种较好的解决方案Ⅲ。国内外学者从多个角度对产品族设计的研究进行了分析，如理论体系、研究方法(基于功能分析的产品平台设计方法、基于模型参数的产品族设计方法和实例推理方法等)、产品族建模、知识表示，整合与重用评价系统等。
本体是对客观存在的概念及其关系的一种规范说明，被广泛用于知识的表达、共享和重用，包括研究领域内存在的对象、对象的概念、对象属性和其他实体，以及它们之间相互关系的逻辑描述，提供了领域内知识表示和交流的集合，以及集合中各个对象的关系。在产品设计方面，本体论目前主要集中在产品建模和知识建模Ⅲ3等方面。
在本体论和产品族研究方面，以本体为表示工具，开发了一种产品信息模型框架和三个扩展版本：开放式装配模型、设计分析集成模型和产品族进化模型。将产品与其设计原理结合起来，定义了产品的主模型，以及一系列抽象模型之间的变换，支持产品生命周期管理各个方面的信息需求。
在分析大批量定制模式下配置设计知识的基础上，规划面向产品族的配置设计本体、知识域及其属性，提出面向对象思想的产品配置设计模块，并以电梯设计为例给出了应用实例。为管理快速更新的设计知识，提出了设计DNA的方法来进行知识表达和管理，重新整理设计知识和加速知识结构的适应性，以乘用车自动传输杆的组装为例，开发了一个智能产品设计系统，通过修改已有产品获得新的设计。以诺基亚手机和沃尔沃汽车设计为例，通过改变产品族造型的设计来管理品牌的识别性，进而研究品牌没计DNA的语义结构。
2基于本体的产品族设计DNA研究流程这一设计过程分为产品族设计DNA本体层、产品平台、知识库层和应用层四个层次，其中推理机和外部情境知识起到了重要的作用。
(1)产品族设计DNA本体层这是产品族设计DNA的核心层，决定产品的本质。首先收集用户需求，从中提取共性需求和个性需求，通过功能分类和映射，将用户需求转化为产品族的设计要求，并建立相应的产品分类；通过模块分解和功能一原理一结构关系树，构建产品族；研究产品族的遗传与变异规则，提取产品族DNA特征；通过产品族DNA的推理求解技术，在动态产品模型基础上提取可变型参数，确定产品族的定制参数，分析族内产品实例参数的变化范围，为确定产品族的定制范围提供参考。
(2)知识库层产品族设计知识可以分为显性知识和隐性知识两类。显性知识是可以用文字、图像、声音等描述并可以传授给他人的技能和客观事实，知识管理的功能足对他们进行分类、归纳和整理，提供知识搜索、访问和推理的入口，以便用户快捷、准确地访问所需知识。另一类是隐性知识，是人类专家所拥有的却无法轻易描述的技能、判断和直觉。用户对待一个产品往往并不关心它的具体结构和组成零部件，而是关心这个产品究竟能够实现哪些功能，在多大程度上满足用户的使用体验和情感价值。因此知识库层要建立隐性知识与显性知识的多对多映射，构建产品的构成要素与用户情感之间的关系。
(3)产品平台以产品族设计DNA本体层和知识库层为基础，是产品族设计的核心。通过产品平台，可以构建产品设计规则，衍生新的产品，提供给管理人员、设计人员和用户选择；对产品进行实施色彩计划、赋予材质和人机工程评价；建立产品设计约束，体现产品性能、热力性能、加工、装配和安装等要求。
(4)应用层根据产品平台所构建的配置模型，给出某种特定产品所涉及的本体以及这些产品构成的产品族本体。如水泵产品制造所涉及的液缸体、柱塞、填料组件、吸入法兰、排出法兰等，构成了产品的本体；而由于这些产品本体的不同配置，则可以形成产品族的系列产品。
推理机包括特定平台模型(Platform SpecificModel，PSM)、基于实例的推理(Case—Based Rea—soning，CBR)和基于路径的推理(Path—Based Rea—soning，PBR)等，以产品平台为核心，以知识库为基础，辅助新产品的生成。外部情境知识包括技术发展水平和社会文明程度等要素，对产品族设计DNA起到了一定的激励和干扰作用，促使遗传和变异的生成。
3 关键技术基于本体的产品族设计DNA研究涉及以下主要关键技术。
3．1产品族设计DNA的提取产品族设计DNA的提取是设计的第一步。产品族设计DNA较为复杂。不同种类的产品有不同的分法。对于工业设计而言，从产品组成上可以分为功能、原理、结构、外形、人机、材料和色彩等要素，而每一个要素又可以分为若干个子要素；从产品结构层次上可以分为部件、零件和元件等。产品设计必须从语法层、语义层等多个方面提取产品族设计DNA的显性和隐性特征，找出构成产品族风格DNA遗传和变异的设计元素，这是研究产品族设计DNA的关键。
3．2基于本体的产品族建模技术一般来说，本体建模就是根据用户的要求，确定应用领域，从中提取共性需求和个性需求并转化为产品族的设计要求，建立产品族的配置关系。基于本体的产品族建模，应该完成产品设计领域知识的概念化、显示化和形式化，实际上就是对产品族设计领域的知识进行合理的分类，以及合理表示多类型的知识组件，包含几何和非几何信息，以及描述本体如何驱动、产品如何设计、设计意图、分析和制造的工程准则，并集成多种知识表达动态性、层次性、上下文相关的领域深层知识。基于本体的产品族建模技术包括本体的表达方法，以及与CAD模型的融合机制，一方面应使本体知识得到有效、一致性的表达；另一方面应充分利用CAD系统便捷、直观的人机界面，能够提供对设计要求、产品工程参数的输入、零件参数及实体模型的交互式修改，设计知识对模型的驱动，以及系统操作过程的提示等。
3．3产品族设计DNA的推理求解技术产品设计过程的大多数是一个基于知识和经验的复杂活动。本质上，设计问题无法用完整的数学模型表示，同一设计问题所采用的设计方法和逻辑推理方法也多种多样。由于知识形式的多样性和复杂性，导致知识对设计数据的约束强度、约束层次和约束性质的多样性。产品族设计DNA的推理求解技术要能够对产品族设计风格问题进行规划，形成对设计风格的提取、推理和过程控制，使新生成的子代产品族风格与亲代产品族风格保持一定的延续性。
目前，有许多推理求解技术应用于CAD系统中，如神经网络、遗传算法、基于规则的推理、基于实例的推理、基于知识的推理和感性工学推理等。其中基于实例的推理是一种相似推理模式，通过访问知识库中过去同类问题的解决方法而获得当前新问题的解决方法，适用于没有很强理论的模型和领域知识不完全、难以定义或定义不一致而经验丰富的决策环境中，是解决设计推理问题的一种有效的方法。
3．4基于本体的产品族知识库技术基于本体的产品族知识库足产品设计阶段的知识和数据的集合，支持知识获取、知识表示、知识共享和重用等过程，能够使没计人员在设计过程中方便地得到领域专家知识、专业技术文献、成熟没计实例、工程数据标准、人机工程标准等。
在本体知识库中，实例库存放设计实例及推理机所产生的新实例；规则库存储进行知识推理的规则，如实例的搜索和相似算法等；约束库存放设计的各类约束，如几何约束、产品性能参数，以及其他与产品相关的法规及各种标准等；数据库存放所有与产品族设计相关的信息，并能通过相应的软件来添加、修改和维护。知识库中的知识数据能够被推理机所采纳，并通过系统的知识获取和学习功能，进行添加、修改，运用于设计规划和设计评价。
4 应用实例以眼镜设计为例，建立了计算机辅助眼镜造型系统软件GlassShowl．0，对眼镜产品族设计DNA的研究进行了探讨。
4．1 眼镜产品族设计DNA的层次模型产品族本体的内部结构是组织和管理数据的基本框架，有效的数据组织既可以提高设计效率，又是支持知识配置的重要环节。由于不同款式的眼镜在功能上的差异性很小，眼镜设计知识库的结构建模以眼镜分类和模块化为基础，利用卡H似性原理和重用性原理，建立眼镜产品族设计DNA结构模型。
上述模型描述了一个可配置的、包括所有类别和部件的模块化产品系统的组成。根据不同的设计目的，眼镜的部件和零件分别构成不同的产品族设计DNA，支持产品族的系列化设计。
本实例中将眼镜产品族PF的设计DNA分成部件级和零件级。部件级设计DNA包括眼镜主体和镜架两大部分；零件级的设计DNA包括镜片、镜框、鼻梁、脚丝、脚套和包架等，其中镜片、镜框和鼻梁构成了眼镜主体，脚丝、脚套和包架构成了镜架。
眼镜产品族在进化过程中，要受到外界情境因素的影响。外界情境因素包括用户需求、市场需求、价格、成本、制造工艺与社会环境等，与眼镜产品族相关。零件级的设计DNA较易受到外界情境因素的影响而发生改变，进而影响到部件级的设计DNA，最终改变眼镜产品族的造型设计，影响到产品族PF的稳定性。
在工业设计中，眼镜产品族的稳定性主要取决于部件级的设计DNA的稳定性，同时与消费者的审美意象息息相关。当某一眼镜产品族的部件级没计DNA发生改变、影响到消费者的审美意象时，消费者将他们视为不同的产品族；反之则属于同一产品族。基于此原理，构建了计算机辅助眼镜造型系统软件。
4．2 计算机辅助眼镜三维造型设计系统计算机辅助眼镜三维造型系统主要是为眼镜工业设计师和工程师服务，满足企业的产品研发决策需求，既是一个组织和管理眼镜设计资源的知识库，又是一个支持在线配置设计和变型设计的拥有交互式界面的平台。它基于实例没计知识库，采用参数化建模设计技术，通过访问知识库中同类问题的解决方法而获得当前新问题的解决方法，突破了传统计算机辅助工业设计软件的束缚，能够实现眼镜产品的三维可视性，满足多个方案的实时生成、组合、展示和方案评价，大大释放了工业设计师和工程师的创新设计能力。
用户只要界面中选择不同的模块，不同眼镜的部件或者零件就会按照设定的规则自动装配，生成用户需要的造型。针对这些造型方案，用户可以进行着色、显示设定、移动、旋转、缩放等变化处理。一旦用户对于生成的造型方案满意后，系统提供了两种输出格式：①图片格式，存人系统的知识库，构成设计实例；②三维模型格式，输出到下一步的详细设计。
4．3眼镜产品族的造型设计用户评价系统系统生成的眼镜二维图片和三维模型是否属于同一产品族，还需要经过用户的认知意象评价，属于隐性知识层面。在意象尺度实验基础上，提取了消费者对于眼镜产品的造型意象和色彩意象，构建了眼镜产品族造型设计感性意象评价系统。
方案生成后，用户可以通过感性意象设计评估系统在形状和色彩上对方案进行评价，驱动产品的选型和优化。同时，用户还可以根据社会的变迁及消费者的偏好变化增加或删除系统中的意象词汇，满足设计的需要。
4．4计算机辅助眼镜设计知识库系统在知识库系统中，嵌入了基于眼镜产品族本体的人机工程知识、造型设计知识和色彩知识，为设计人员提供知识支持，驱动设计活动的开展。
人机工程知识包括人体尺度参数分析，以及眼镜设计的国际、国内和行业标准；造型没计知识包括眼镜造型设计本体知识、造型原则、脸型与眼镜搭配、眼镜文化、眼镜设计要素和眼镜设计实例等；色彩设计知识包括眼镜配色本体、中性色彩组合、RGB调色板和色系表等。
5 结束语
本文从工业设计出发，提出了基于本体的产品族设计DNA研究方法，探讨了产品族本体知识的表示结构、产品族设计DNA的遗传与变异、研究流程和关键技术。以眼镜造型设计为例，构建了计算机辅助眼镜造型系统，并进行了验证。这一理论的广度和深度还有待于进一步深入探讨。
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