知識的產品開發集成系統研究與應用-Part III

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2 應用實現
　　2.1 基於知識的產品開發流程
　　企業的產品開發過程可分為市場調研、概念設計、詳細設計、生產製造等幾個階段。這些階段又可進一步的細化，每一工序都可落實到具體的部門、科室、組去執行，實現企業內部價值流、物流、資訊流的流動過程。如從產品開發的源頭開始分析，產品的開發設計來自兩個方面：市場的預測與客戶訂單。產品開發設計任務分配至工程設計部門時，設計任務可分為兩大部分，新產品開發設計與衍生產品開發。因此在產品開發流程中，這兩種情況要分別對待。且根據對產品開發流程中部門流程的分析，一般銷售部接到的新產品開發專案中，衍生產品開發的類型較多。而市場部的職能是開拓、開發市場，因此在市場部確立的專案中應該會有較多的全新產品開發設計。
　　基於知識的產品開發集成系統中新產品開發和衍生產品開發都在集成平臺的支援下進行，同時也需要MRPII 的製造資料庫的支援，以便提高開發設計速度。衍生產品開發與產品設計的知識管理和設計重用關係密切，在產品開發集成系統中建立零部件基本資料、可變形產品模型、產品開發知識庫，有利於提高產品開發的效益與效率。基於知識的產品開發集成系統產品開發流程結構如圖2所示，其中PDM、MRPII、ERP等管理系統為基於知識的產品開發集成系統提供支撐環境，產品開發集成系統知識庫儲存一些產品設計的基本圖元，歷史圖紙、文檔、變形設計模型、標準件模型等，提高產品設計開發速度，為產品開發設計提供智慧設計輔助支援。
　　

　　圖2 基於知識的產品開發集成系統產品開發流程圖
　　2.2 系統功能架構設計
　　本文在關鍵技術、集成系統體系架構研究的基礎上，對基於知識的產品開發集成系統原型系統進行了研究與設計，使用SQL Server2000與.NET作為開發工具，開發基於知識的產品開發集成系統原型，原型系統功能構架如下圖3所示。
　　

　　圖3 基於知識的產品開發集成系統原型功能構架
　　在基於知識的產品開發集成系統中，系統模組對集成系統的用戶、組織結構、企業基礎資料、應用軟體系統進行管理;知識庫管理模組對規則、實例種子進行維護，可進行增加、刪除、修改、查詢、一致性維護等操作;集成應用功能模組以專案管理、上作流管理為主線，通過在產品開發的全過程基於知識的輔助工具的應用，實現對產品開發歷史實例的知識重用及實例重用，提高產品開發的智慧性及效率。開發過程中專案組針對典型行業(如：儀錶行業)的典型產品(如：記錄儀等)，實現在產品開發集成系統中產品開發過程中的相關過程、工程問題、協同商務、綜合效益的智慧決策支援，實現實例的重用與基於規則的推理。
　　2.3 推理策略
　　在產品開發集成系統中，採用基於“規則+實例”的推理機制。基於實例的推理首先建立實例庫，將工程師頭腦中的經驗保存到電腦中，通過知識庫管理和知識工具，將實例種子、規則種子存儲在系統知識庫中。根據用戶對產品要求的描述抽象出實例特徵並建立篩選條件，根據這一條件從實例庫中選擇與產品要求最接近的實例，對比兩者的區別，進行修改，生成最終的方案並更新實例庫。如果沒有合適的實例，則啟動基於規則的推理機制，利用決策支援系統、產品設計專家諮詢，給出明確的建議，形成新的實例保存到實例庫中。如圖4所示。
　　

　　圖4“實例+規則”混合推理邏輯執行過程
　　在原型系統整體設計、功能設計(機械部分和電子部分)、兩大部分介面設計的基礎上，初步實現基於“實例+規則”推理的原型系統功能，其中重點突出基於“實例+規則”混合推理機制的實現方法，主要處理兩個方面的介面：(1)系統表示層與實現知識推理、知識管理、流程控制等核心功能的業務層元件間的介面;(2)系統業務層元件與知識庫、資料庫間的介面。在產品設計過程中調用“實例推理”(CBR)演算法進行方案推薦，確定最佳方案。其中使用的加權頻率屬性約簡演算法及實例推理演算法描述如下：
　　1)加權頻率屬性約簡演算法，該方法的功能是進行屬性約簡，其輸入為原始資料集合(規則庫或實例種子庫)，輸出為被約簡的屬性，演算法描述如下：
　　Stepl：讀入資料，並對其進行初始化
　　Step2：輸入加權頻率約簡閥值
　　Step3：對於所有實例，分別計算各個分量(屬性)的加權頻率：
　　Fi= (∑(當前滿意度/平均滿意度)x權重(i)/實例總數
　　對於所有規則，分別計算各個分量(屬性)的加權頻率：
　　Fi= (∑(當前置信度(i)/平均置信度))/實例總數
　　Step4：Fi<加權頻率約簡閥值的屬性將被約束。
　　2)實例推理演算法，該方法的功能是進行實例推理，其輸入為設計指標需求，輸出為相似性最大的實例編號，演算法描述如下：
　　Step1：實例分類，讀入指標需求，指標資料進行初始化
　　Step2：資料分類(定量型(單數值型，範圍型，外表型)和定性型)
　　Step3：先檢索相關日誌，如果在日誌中能找出各個分量需求都符合的且滿意度最大的實例，則記錄實例編號和對應的滿意度Mp，否則，直接Step4;
　　Step4：對於各個實例，如果該類實例存在被約簡的指標屬性，則計算單個實例相似性時，遮罩這此指標。計算各個實例的整體相似度S=(∑(HEOM(指標(i))X指標權重(i))/有效屬性維數，找出滿意度最大的實例，記錄其相似度Mf和實例編號，取Max(Mp，Mf)的實例編號。
　　Step5：記錄相關日誌(各個指標需求(包括權重)、相似度和客戶滿意度)。
　　2.4 應用支撐模組開發
　　原型系統應用支撐模組採用了Windows DNA多層體系結構，基於COM/COM+元件技術實現，從提高可重用性、可擴展性、健壯性和可維護性角度出發，系統的中間層元件被分別劃歸到應用服務層和資料訪問層，其中，應用服務層元件主要負責完成系統業務邏輯的處理，資料訪問層元件則專門處理各種資料存取操作。基本結構如圖5所示。
　　

　　圖5 系統應用支撐模組實現架構
　　1) 應用服務層元件
　　(1) CProjContentMaker—流程配置管理元件，用於實現對工作流實例各種定義資訊的管理，包括任務的時間計畫管理、人員配置管理等。(2)CProjController—流程控制元件，用於實現對輸入輸出項、任務和}_作流實例的狀態管理。(3)CLoadAnalyser一負載分析元件，用於對任務參與者的工作負載進行分析和計算。(4) CProjTempManager—範本管理元件，用於實現對專案範本、組合型任務範本、原子型任務範本以及任務範本輸入輸出項的管理。(5)CMsgManager—消息處理元件，用於實現在用戶之間以及應用系統與用戶之間的消息傳遞。(6)COrgManager—組織與用戶管理元件，用於實現對企業組織結構的管理和系統用戶的管理。
　　2) 資料訪問層元件
　　(1) CTempDataMgr—範本資料管理元件，實現對專案範本庫的各種資料存取操作。(2) CProjDataMgr一流程資料管理元件，實現對流程實例庫的各種資料存取操作。(3)COrgDataMgr—組織資料管理元件，實現對人員組織庫的各種資料存取操作。
　　從功能上分，應用支撐模組產要包括三個子模組：專案與工作流管理模組、範本管理模組以及組織和用戶管理模組。
　　2.5 知識範本應用開發
　　通常，企業的產品種類是相對固定的，對某類產品來說，即使具有不同型號或者屬於不同系列，其設計開發過程也存在著很人的相似性。另一方面，定義產品的設計開發流程是一項耗時、煩瑣的工作，流程越複雜越是如此。為此，系統的範本管理模組向用戶提供創建可重用專案範本和任務範本的功能，並通過基於範本創建流程和分解任務，達到減少重複勞動、提高工作效率的目的。
　　創建可重用專案任務或任務範本的關鍵在於統一任務節點的內部結構，建立“輸入→處理→輸出(IPO)”映射機制。這種I→O映射機制包括資訊物件的映射(資料、文檔等)與物理物件的映射(物料、產品等)。在IPO結構下，任務節點間的連接是通過輸入與輸出實現的。從宏觀上看，可重用的專案範本就是一個“輸入→處理→輸出”結構;而在逐步分解細化過程中得到的各個任務範本同樣也是IPO式的。
　　範本管理模組主要處理以下三類對象：
　　1)輸入輸出項。輸入輸出項是對在任務間進行傳遞的資訊物件的一種抽象描述。根據目標應用企業的生產實際，輸入輸出項被劃分為機械設計類、電子設計類和綜合類三種類型。當在流程實例中重用時，通過以專案名稱為首碼而成為實際工作流程中相關任務的輸入項或者輸出項。
　　2)任務範本。任務範本是對各種流程實例中典型任務的一種抽象描述，分為原子型任務範本和組合型任務範本兩種。其中，前者是實例化時不可細分的任務，而後者則可以在實例化時進行細化。一個組合型任務範本可以由多個邏輯相關的原子型任務和(或)組合任務範本構成。根據目標應用企業的生產實際，任務範本也被劃分為機械設計類、電子設計類和綜合類三種。
　　3)專案範本。專案範本是對某類產品開發設計流程的抽象描述，它由相關的一組原子型任務範本和組合型任務範本構成。
　　應用服務層元件CProjTempManager為範本管理模組的功能實現提供了以下一些主要的介面方法，描述如下：
　　(1) GetSpecTypeItem()、AddNewItem()和DelItem()實現對指定類型輸入輸出項的查詢、增加和刪除操作;
　　(2) GetAtomTempInfo()、AddAtomTemp()、DelAtomTemp()和UpdateAtomTempInfo()實現對原子型任務範本的查詢、增加、刪除和資訊更新操作;
　　(3) GetDecompTempInfo()、AddDecompTemp()、DelDecompTemp()和UpdateDecompTempInfo()實現對組合型任務範本的查詢、增加、刪除和資訊更新操作;
　　(4) GetProjTempInfo()、AddProjTemp()、DelProjTemp()和UpdateProjInfo()實現對專案範本的查詢、增加、刪除和更新操作。
　　2.6 基於知識的設計輔助實現
　　在基於知識的產品開發集成系統中，基於知識的機械設計輔助子系統是架構在知識庫和整個推理機制上的應用子系統，從產品開發工程師完成一個產品的全過程出發，利用知識對產品設計全過程的各個階段進行輔助，並且集成了各個階段需要用到的caX工具，使利用該系統的產品開發工程師快速、高效地完成一個產品設計和定型，極大的提高了產品設計的效率，子系統功能流程圖如下圖6所示。
　　

　　圖6 基於知識的機械設計輔助子系統功能流程圖
　　本部分主要功能包括結構初步方案設計、結構詳細方案設計等功能。1)結構初步方案設計，首先選擇知識模組，包括結構部分、零部件部分、工藝部分及製造部分，然後根據總工程師歸納的用戶需求說明進行實例/規則推理，最後根據推理出的參考實例設計結構初步方案並提交給總工程師審核。2)結構洋細方案設計，根據總工程師審核過的結構初步方案進行結構洋細方案設計，並根據實際情況況增刪標準件、借用件、零部件、零部件工藝、NC代碼，並把任務提交給相關CAD工程師或CAPP工程師、CAM工程師)完成。原型系統實現的部分介面如圖7、圖8所示，圖7為基於知識的產品開發集成原型系統介面，圖8為基於知識的機械設計輔助子系統結構設計輔助。
　　

　　圖7 基於知識的產品開發集成原型系統介面
　　

　　圖8 基於知識的機械設計輔助原性系統結構設計輔助
　　3 結論
　　本文研究了基於知識的產品開發集成系統的相關理論、應用架構、技術開發與應用實現等方面的內容，提出了基於知識的產品開發集成系統體系結構，原型系統功能構架體系結構，產品開發流程描述，在研究分析設計知識定義及基於“規則+實例”的包括加權頻率屬性約簡等演算法的推理機制的基礎上，構建知識庫系統，進行基於知識的產品開發集成系統集成平臺的開發與應用實現，實現的原型系統具有機械設計和電子設計集成智慧輔助功能。
　　應用本課題的研究成果，提高了基於PDM的CAD/CAE/CAPP/CAM集成產品開發系統的智慧性，顯著提高企業產品設計過程的正確性、智慧性及效率，具有潛在的良好社會效益。貴陽某廠通過應用本課題的研究成果“基於知識的產品開發集成系統”，在該廠記錄儀、功率控制系統等新產品開發中，發揮了積極的作用，企業新產品貢獻率達到50%以上，產品開發週期和產品生產週期平均縮短50%，經濟效益明顯。
　　但是，面向設計的知識工程應用是一個較為複雜和困難的問題，本文所做的工作還較為有限，許多問題還有待進一步的研究。