基于类比的概念工程设计方法研究

本文是工程硕士论文，工程硕士论文题目应简明扼要地反映论文工作的主要内容，切忌笼统。由于别人要通过你论文题目中的关键词来检索你的论文，所以用语精确是十分重要的。（以上内容来自百度百科）今天硕博网为大家强烈推荐一篇工程硕士论文，供大家参考。第 1 章 绪 论1.1 课题背景和研究意义类比是一种推理方法。该方法根据两种事物在某些特征上的相似，得出它们在其他特征也可能相似的结论。类比设计就是要在已有产品设计的启发下产生新的设计。类比作为类比设计的核心思想是经常在人类思维活动中用到的一种方法，其机理比较容易被人们接受和进行运用。事实上，人类不仅运用类比的思想来产生新产品，也运用类比来完成对新事物的认知。机械产品的设计，通常可以分为新设计、适应性设计和变型设计三类[1]。通过类比设计可以解决大部分的变型设计问题和一部分的适应性设计问题。现代产品生命周期的缩短以及用户对于产品的各种各样的需求使得市面上产品更新换代的速度越来越快。对于生产企业而言，如果能在更短的时间内推出新的设计是有很重大的意义的。类比设计的目标是将人类脑内类比活动清晰化，并提供相应的专业的知识库。在新产品的设计中使用类比设计能够提高设计人员的工作效率，有效地缩短设计时间。一般产品设计进程分为需求设计、概念设计、技术设计和详细设计四个阶段[1]。其中概念设计作为产品设计的早期阶段，其主要目的就是为产品设计提供产品方案[2]。一般认为概念设计是指以设计要求为输入、以最佳方案为输出的设计过程。概念设计阶段主要的研究内容有：过程建模、信息表述、方案生成、方案选择和系统开发等方面。其中方案生成是概念设计中产生创新设计的关键阶段，有包括公理设计理论、通用设计理论和 TRIZ 理论等，这些理论的目标是将经验的设计转变为基于科学的设计，核心是结构化的表述设计过程的方法；也有采用智能技术实现方案综合，比如实例推理、神经网络、类比推理、规则推理、定性推理、Agent 推理和进化推理。其中实例推理和类比推理都是要通过借鉴已有的设计和知识来类比现在的设计和知识。可见类比本身就已经是概念设计的一部分。而且在人类的科技发展中存在有许多的基于类比的创新设计，根据不同的分类方式将类比驱动的创新进行分类，可以找到类比过程中的一些规律。...........1.2国内外研究现状类比作为人类的一种思维方式，对创新设计的效用在很多实际例子里都得以实现，比如仿生学运用的就是类比的思想。设计方法学将类比作为得到方案解的重要途径，相关研究人员也在试图找出类比过程的规律，比较系统的类比设计的研究起源于 20 世纪90 年代末。1.2.1 类比映射进行应用类比进行设计时，首先需要为设计需求找寻到联系紧密的或是相似度高的实例，其作用原理或是结构将会作为设计需求的初始解被进一步的研究。这一过程可以看做是将设计需求通过某种方式映射到实例空间的某一个实例上，为了描述出设计需求与实例的关系紧密度或是相似度高低，一般选用两种方法：1、利用 word- 这种将词语根据词语本身涵义的关系连接起来的知识表述方式，在进行类比映射时主要考察两个在 word- 中的语义距离;。2、利用统一的属性项目来描述设计需求和实例，在进行类比映射时主要考察两者属性值的匹配度。不管是利用语义网络还是属性描述来解决类比映射问题，如何有效率的对设计问题或是实例的规范化准确的描述都是很重要的研究内容。Verhaegen[3]等人研究 ProductAspects(PAs)，一种自动从相关数据库中提取出产品的特点的方法，并自动的为类比设计产生候选项。因为根据 Goel[4]的研究，类比设计涉及到的是知识的再现及转化。在知识的再现过程中，将其中的概念抽象出来是必要的一步。而 Grace[5]则提出对于类比对象的抽象过程是动态的，通过在设计过程中多次修改描述，给出新的描述。此外，还有部分学者对存储反馈类比对象的软件进行研究，Gül en[6]等人通过研究关于类比的大量文献，提出了在设计类比设计支持工具时，应当把焦点集中在尾端开放和可达性上。Goel[7]等人也开发出一款 DSL 数字图书馆，提供 83 个来自跨学科的仿生设计中的拓展协助设计。为解决类比映射，Linsey[8]等人通过研究上义词和下义词的语法分析得到了一种基于 word- 的知识表述方式 Wordtree，用以分析相近的功能词汇，帮助设计人员识别可以类比的设计以及可以类比的领域。Oriahi[9]等人在 Wordtree 的基础上开发出了一个工具 Wordtree Express(WTE)，使用时用户输入一个关键字函数(即一个动词)到文本框，这时 Word 将启动用来生成相似的词汇。接着用户选择最适宜来启动 Graphgviz 按钮来生成 WordTree 枝丫状显示的文件。这个工具可以帮助设计人员自动的生成 Wordtree，提高设计人员的效率。...........第 2 章 类比知识及其知识库的建立2.1 引言现有的基于词网的类比知识表述方式是基于自然语义关联，缺乏严谨的逻辑性很难统一并准确的定义；而支持专家系统或是实例推理的知识库主要是描述具体的产品数据，不能体现实例的原理属性。基于以上问题，本章提出了一种分成需求层、功能层、行为层、结构层和实例层的属性全面且多角度的表述知识的知识库组织形式，并通过丝杠传动和导轨传动作为例子进行了展示。.........2.2 类比过程分析类比是概念设计中产生创新设计方案中经常会用到的策略，其在使用的过程大致是：通过问题分析得到需要设计的功能描述，然后在现有的设计实例或是方法原理中找到有类似的功能知识，最后在获取知识的基础上进行一些变换使其适应设计目标，获得产品方案实现概念设计。在运用类比进行创新设计时，如图 2-1 所示主要分两步走。首先，先进行类比映射，即通过设计目标的描述找到存在可能解的设计实例。这个过程涉及到相关知识的表述、设计目标与设计实例相似度计算等问题，也是现阶段相关设计人员研究的重点。这部分研究旨在通过相关程序和规则设定使得这一步骤更加自动化且结果更加准确。然后，再进行类比转换，在类比源的基础上进行变换得到可行的方案。目前对于这部分内容的研究比较少，方法也比较不成熟稳重，大部分文献是将类比源作为可以刺激创新产生的存在，或是利用启发规则库中的设计原理来对类比源进行操作。经过步骤分解，类比转化主要会涉及到有效类比原理提取、基于类比项目属性特征的一次类比转化和以解决类比源与环境冲突的二次类比转化。........第 3 章 基于动作的类比设计....253.1 引言....... 253.2 基于动作的设计需求分析...........253.3 类比匹配过程........283.4 基于 TRIZ 矛盾分析的二次类比转换..... 363.4.1 矛盾提取.....373.4.2 矛盾分析.....383.5.2 基于 TRIZ 的二次类比转换........413.5 本章小结.......... 45第 4 章 原型系统与工程实例....474.1 引言....... 474.2 设计系统研究现状...........474.3 原型系统的实现.....474.3.1 原型系统模块介绍...........484.3.2 系统开发平台及编程语言...........494.4 数据库设计....... 494.5 原型系统软件介绍...........514.6 工程实例-爬楼机...... 584.7 本章小结.......... 63第 5 章 结论与展望............655.1 结论....... 655.2 展望....... 65第 4 章 原型系统与工程实例4.1 引言本章基于前述中基于类比的概念设计方法流程，开发了基于知识库的类比映射和类比创新转化求解系统，并应用爬楼机的产品实例来验证辅助设计系统的有效性。基于特定设计思路开发出来的产品辅助设计求解系统能够帮助更多人理解设计思路并且也在某种程度上实现设计自动化。设计系统中提供的满足设计思路流程的各项数据或是内容分析求解模块和数据库等部分能够有效的提高设计者的效率，并且也方便检验回溯设计过程，从而不仅缩短了设计周期，也保证了设计质量。目前产品辅助设计求解系统研究集中在四个方面：一是产品零件可供性展示相关[60~61]和基于可供性的设计系统[62]；二是产品形态设计系统[63~64]；三是基于功能的产品概念设计[65~66]；四是基于专家系统[67~69]。但是基于类比的设计因为缺少研究，目前涉及该方向的设计系统也缺失。本文提出了基于类比的概念设计方法，并基于此开发了辅助产品类比设计的原型系统。求解系统是在充分研究事物相似性匹配的基础上开发出来的面向产品概念设计过程进行类比设计求解的原型系统软件。该系统通过分析实现功能的动作分解分析及分层属性表述来对设计要求进行支持类比的规范化表述，通过匹配设计需求信息与实例知识库中的实例得到可类比原型解集，再利用粗糙集理论获得使实例成为类比原型的核心属性变量，并以此分析得到有效类比原理。在理解有效类比原理之后通过参数更改和初始方案与设计性能和功能需求之间的矛盾的解决得到最终的设计方案，其主界面如图 4-1 所示。

........结论作为一种常见的思维方式，类比在方案设计中对于求解和帮助设计者了解设计需求特点都是十分有效的。然而类比求解的过程具有较强的发散性，如果没有合理的类比映射方法的指导，会导致类比求解的不确定性，从而影响到类比设计的成功率。现有的基于 word- 的类比映射是基于自然语言的知识表述，不能够得到准确唯一的定义，因而很难推进设计自动化。另外，目前对于类比设计的研究也比较缺乏对于应用类比源进行最后的方案输出过程的研究。根据以上现状，本文提出了在 FBS 模型的基础上进一步扩充成为：需求、功能、行为、结构和实例这五层信息来表述知识。设计目标通过对功能的动作分解，使其能部分或完整表述需求、功能和行为层信息的内容。在进行类比映射即对知识库信息与设计需求信息匹配时，综合了必需条件匹配、可变条件匹配和模糊条件匹配这三种匹配方式。然后利用匹配阈值对匹配结果数量进行控制，再利用粗糙集约简得到核心属性从而进一步分析得到对于设计需求能起到效用的原理。最后再对选中的类比原型进行参数更改和解决类比原型与设计需求之间的矛盾，输出最后的设计方案。主要工作和创新点如下：1、类比映射的知识表述方式的研究与有效知识原理提取的研究。为了提升类比映射的效果，采用需求、功能、行为、结构和实例五层信息进行多方面多层级的知识描述。对于设计需求的表述也通过基于动作分析来实现其需求、功能和行为层的表述，以此来提高设计需求与知识库的匹配准确率；并且利用阈值和粗糙集约简剔除映射结果中的冗余信息。2、类比原型的修正方法的研究。利用基于参数的一次类比转化和基于 TRIZ 矛盾分析的二次类比转化具体的再现了将类比原型应用到目标场景时的过程。这两次类比转化分别展示并转化了类比原型对于目标环境的可适应性的结构或作用特点和存在类比原型和目标环境间的关键冲突。3、类比分析求解原型系统。基于前述的类比设计流程开发了类比分析求解系统，并利用爬楼机案例验证了有效性，并通过比对展示了基于类比得到的爬楼机方案要更加适应于台阶这个工作场景。..........参考文献（略）