基于本体论与可重构原理的小型农业机械概念设计研究

　　[摘要]文章引入了本体论的方法的一般思想，提出了基于本体论的产品功能结构建模方法，并以此作为了设计知识标准化的基础分析工具。接着研究了设计过程的标准化的实现了提出了小型农机设备的系统模块划分技术，设计约束转化技术，设计知识过程重用技术等相关研究内容，形成了基于本体论原理的小型农机产品设计知识，信息，过程的建模及应用方法体系。

　　[关键词]本体论；标准化；可重用；概念设计

　　中图分类号：TB472文献标识码：A文章编号：1009-914X（2018）13-0325-02

　　一.小型农机设计知识的管理研究

　　小型农机设计过程中的知识的管理工作主要可以分为两个部分：知识的标准化与知识的可重用。知识的标准化需要基于规则化的产品信息管理模型，如产品的全生命周期分析的方法。通过对产品全过程知识进行分析研究，依据一定的原则形成产品设计知识的重用体，使不同的产品设计，生产环节都可以直接共享产品全过程的知识。避免了知识的重复开发，对于提高产品的设计效率具有重要意义。

　　产品的全过程的知识描述是以产品的全生命周期分析为基础，将所有与之相关的产品设计知识进行有序的组织，形成标准的知识体系如图1所示。该知识体系提供了一种面向产品全生命过程的知识体系构建方法。

　　这种面向产品设计全过程的知识体系构建思想，提供了产品设计中的知识重用效率，让工程设计人员尽可能地应用该领域中已存在并广泛应用的技术和方法，缩短了产品的开发周期，降低了产品的设计成本，对于小型农机设备设计具有重要参考和实用价值。

　　二.基于本体论机械功能建模的原理研究

　　产品的功能设计是产品概念设计的关键任务之一，主要是针对用户提出的需求分析出产品设计需要满足的总的功能要求。然后对用户需求分析获得的产品总功能作为分析对象，进行功能分解，并将分解所得的所有功能元之间的关系进行有机整合，形成产品的功能结构。产品的功能结构既是用户需求分析的技术表达文件，也是产品概念设计中确定产品原理方案的重要参考。因此产品功能将用户需求引入到產品设计中，并将产品的设计概念变成技术实现途径的转化过程。

　　产品的功能描述即有概念层面的定义，这些是开放的也就是面向用户的定义过程，用户可以定义产品的功能，同时也具有技术层面的定义，产品功能的分解实际是以技术实现手段确定的过程驱动实现得，因此功能能够实现从用户域到功能域再到结构域转化知识，信息的转化的关键，产品功能建模就是将这些信息标准规范化。因此在产品功能设计中功能建模是一个重要研究内容。

　　1）产品功能建模的关键因素

　　产品功能建模就是把产品功能中的关键信息通过形象化的符号来进行表示。现有的建模方法主要体现两种思路，一种是从功能本体出发如EMS的产品功能模型，以流的转化作为功能的体现，因此功能模型中的元素也比较简单，只有被定义的功能用框图表示，以及三种类型的流用不同类别的线型来表示；另一种思路是从行为的角度来进行产品功能建模，用系统的元素，部件，实体的属性关系作为功能实现的载体来对产品的功能进行建模，为区别产品功能中不同类别的实体，通过会区分多种实体如构件，制品，超系统等符号来进行定义。两类方法各有利弊，第一种虽然只包含了两类要素，但是所建模表达的信息偏重于用户域，并不是从技术实现角度出发得，因此产品功能结构的技术求解难度较大；第二种方法包含了多种技术系统组件的元素，是从技术实现的角度来进行功能建模，更偏向技术结构域知识的应用，但是建模过程难度大专业性强，周期长。因此基于本体论的功能建模方法的提出需要兼顾两者的特性。

　　2）产品功能建模的重要问题

　　产品功能建模多采用符号化的建模方法，因此每一种建模手段都有配套使用的一组符号系统。这种表示方法具有显著的直观性，信息量较大。设计一个完备符号化建模方法需要解决几个关键的技术问题：对产品功能模型中的关键要素的标准化表达，标准的建模方法流程，模型的后处理手段及技术应用。

　　本文研究的基于本体论的机械产品功能建模的方法符合符号化建模方法的一般特征，因此需要研究解决的问题也包括了三个层面：

　　第一：产品功能建模的符号系统研究，提出一种全新的符号系统能够将产品功能中的信息元素与本体论的方法有机地组合起来。

　　第二：建模的主要策略，研究解决如何将产品功能结构转化成为基于本体描述的新的知识模型。

　　第三：标准化的建模步骤的研究，具体而言就是如何根据步骤一步步地将产品的用户需求分析的结果转化成为技术设计人员可用的标准化的设计知识表达体系模型。

　　三.基于本体论机械功能建模的重要策略及流程

　　基于本体论的机械产品功能建模具体操作过程中，需要将产品功能分析的结果通过本文新提出的符号系统来进行表达。在这个过程建模人员需要遵循几条重要的建模策略：

　　转化产品功能分析的各个功能元。

　　利用传统的方法对产品进行功能分析，当得到了产品的功能分解结果后，不再继续使用传统建立产品的功能结构，而是直接利用本文提出的建模来用新的符号系统对产品功能相关的信息进行形象化表达。首选需要解决的问题是将产品功能元转化成为符号系统中的实体类元素，可以利用SFA功能三元件模型的基本思想找到产品中各个功能元之间的关系，绝大部分是现有知识可达因而可以将原有功能的黑箱转化成为白箱模型。

　　2）分析各个功能元中功能作用的载体信息，如果这些信息是可知得，可以用明确的属性来表达关系，如果这些作用的因素是未知得则保留其描述特征，因此对产品功能相关的所有实体的可达属性进行分析，构成面向各个功能元实现的不同实体-属性的不同的分布子图。

　　3）分析各个功能元之间的相互关系，引导各个功能元之间的从属关系或相互关系，这一工作类似于传统的建立产品功能结构的过程。将各个功能元相关的实体对象，属性通过关系特征进行联系最终形成了完整的新型的产品功能结构图。

　　4）关于功能建模完整性的判断，利用新方法建立的产品功能模型的完整程度也需要验证其正确性才能保证后续对其应用而展开工作的合理有效性，模型的完整性验证包括：属性与实体对应的完整度验证，属性，实体关系对应的完整性验证等。

　　根据上述的建模策略具体的建模过程如图2所示。具体步骤包括7个步骤如下：

　　步骤1：用户的需求分析确定产品总功能。

　　步骤2：产品的功能分析对产品的总功能进行分解获得产品的各个功能元。

　　步骤3：将产品的功能元转化成为实体类。

　　步骤4：将分析出的实体类进行分类

　　步骤5：确定各实体类的各类属性。

　　步骤6：完成各实体与功能元之间的关系分析与确定

　　步骤7：验证模型的完整性完成建模工作。

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    作者：李彦伟等