专利名称：面向工业产品概念设计的产品功能自动分解方法
技术领域：
本发明涉及工业产品概念设计领域，具体涉及一种用于工业产品概念设计领域基于功能效应和工作原理的产品功能自动化分解方法。
背景技术：
在工业产品系统设计领域，产品生命周期中的概念设计阶段起到非常关键的作用。所谓产品概念设计，就是从最初的产品需求出发，提取出产品的功能，并通过功能分解建立产品的功能模型，搜索并组合恰当的工作原理来得到产品的功能解，为以后的详细设计阶段提供解决方案。产品概念设计虽然只占到设计活动的20%，却决定了产品总成本的 80%。随着市场竞争的越来越激烈，新的产品和创意需要被更好更快地设计出来，因此工业产品概念设计正得到越来越多的关注和重视。目前虽然已有一些关于概念设计的研究，但是这些研究仅仅处于理论阶段，目前还没有实用的支持概念设计的系统。对于如何从产品需求到产品功能、再由产品功能到产品结构，仍没有取得广泛共识的方法。概念设计的核心是对工业产品进行功能分解。就像一个技术系统可以分解成子系统和子模块一样，功能分解的目的是把工业产品的复杂的总功能逐步分解为一组可实现的、低复杂度的子功能，使得子功能可以映射到结构或组件上，并由此得到产品的功能结构模型。在功能分解过程中得到的原理解，决定着产品的功能从原理上是如何实行的，为后续的产品详细设计提供解决方案。功能分解的目标是尽可能地自动化和系统化，已有的一些分解技术都无法满足此需求，例如基本功能库方法，将总功能看作一个黑盒，通过分析输入输出流来找到子功能；功能-行为-状态方法，根据行为和物理特征进行功能分解，并分为任务分解和因果分解两个阶段；功能实现方式方法，根据不同的实现方式对功能进行分解。已有的功能分解方法都不能做到完全自动化，对于功能如何分解成子功能，都需要在系统或功能知识库中进行一些预定义，缺乏灵活性和智能性；并且针对的对象主要是纯机械的产品，而现代产品越来越趋向于涉及多域的机电一体化复杂系统。因此，迫切地需要一种能够针对多领域的复杂工业产品进行自动化功能分解的技术和系统。
发明内容
本发明的要解决的技术问题是提供一种无需预定义、智能度高、灵活性好、适用范围广泛的面向工业产品概念设计的产品功能自动分解方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种面向工业产品概念设计的产品功能自动分解方法，其实施步骤如下1)根据工业产品的总功能定义获取工业产品的输入流和输出流，根据输入流和输出流的变化关系使用定性过程推理生成功能效应；2)判断推理生成的功能效应是否包含多个功能，如果存在多个功能，则根据功能效应将功能进行效应分解；3)遍历各功能效应，在功能知识库中查找当前功能效应所对应的工作原理，如果找到对应的工作原理，则根据工作原理将功能效应分解为功能知识库中的支持功能；如果没有找到当前功能效应所对应的工作原理，则根据当前功能效应的输入流和输出流在功能知识库中查找匹配的支持功能。作为本发明技术方案的进一步改进所述步骤1)中推理生成的功能效应包括流类型、流属性、变化模式、变化类型、变化趋势和功能类型。所述步骤1)中使用定性过程推理生成功能效应的详细步骤包括A)确定工业产品功能效应的主输入流到主输出流的类型是否发生改变，如果发生改变则判断该改变的模式为类型变化还是值变化；B)如果改变的模式为类型变化，则将功能效应的变化类型设置为流类型对；C)如果改变的模式为值变化，将功能效应的变化趋势设置为流属性-值对。所述步骤3)中的工作原理基于物理效应进行表示，所述工作原理包括适用流类型、提供变化模式、提供变化类型和提供变化趋势，所述步骤幻查找实现当前功能效应所对应的工作原理时，查找适用流类型与流类型匹配、提供变化模式与变化模式匹配、提供变化类型与变化类型匹配、提供变化趋势与变化趋势配合的工作原理作为与当前功能效应的匹配的工作原理。所述步骤3)中在没有找到当前功能效应所对应的工作原理情况下查找匹配的支持功能时，首先将当前功能效应对应的输出流作为搜索条件在功能知识库中搜索输出流符合该输出流的支持功能，然后将当前功能效应对应的输入流作为搜索条件在当前搜索结果中再次搜索获得匹配的支持功能。本发明具有下述优点1、本发明基于功能效应和工作原理将工业产品的功能进行分解，通过应用功能效应和工作原理的信息，无需预定义，可以自动地将工业产品的功能分解为功能知识库中的支持功能，具有智能度高、灵活性好、标准规范、操作快捷的优点。2、本发明基于功能效应和工作原理将工业产品的功能进行分解，通过对功能效应和工作原理的抽象和扩展，本发明既可以适用于纯机械的产品，又可以适用于多域机电一体化复杂系统，具有适用范围广泛的优点。3、本发明基于功能效应和工作原理将工业产品的功能进行分解，通过将功能效应的工作原理应用到功能分解中，可以在产品分解过程中根据不同的工作原理组合生成大量的原理解，使产品设计人员能够从中发现具有创新潜力的设计方案，具有支持产品创新设计的优点。
图1为本发明实施例的方法流程示意图。图2为本发明实施例对“生成热空气流”功能效应的功能知识表示示意图。图3为本发明实施例的流属性分类示意图。图4为本发明实施例对“增加气体温度”的基于工作原理的实现分解结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例的面向工业产品概念设计的产品功能自动分解方法的实施步骤如下1)根据工业产品的总功能定义获取工业产品的输入流和输出流，根据输入流和输出流的变化关系使用定性过程推理生成功能效应；2)判断推理生成的功能效应是否包含多个功能，如果存在多个功能，则根据功能知识库中的支持功能将功能进行效应分解；3)遍历各功能效应，在功能知识库中查找当前功能效应所对应的工作原理，如果找到对应的工作原理，则根据工作原理将功能效应分解为功能知识库中的支持功能；如果没有找到当前功能效应所对应的工作原理，则根据当前功能效应的输入流和输出流在功能知识库中查找匹配的支持功能。为了支持自动化的功能分解，首先需要功能知识的表示方法，以及功能推理的规则。功能知识的表示包括对功能的表示和对工作原理的表示，表示必须包含计算机能够理解的语义信息，从而支持自动的推理。本实施例中为支持功能和工作原理建立功能知识库， 根据功能知识和推理规则，再使用功能推理对功能进行推理和功能分解。功能知识库建立有一系列的工作原理与支持功能的映射关系集合，一个工作原理映射一组支持功能。功能总体上被表示为输入流和输出流的关系，功能的作用是对输入流施加一些影响和操作，然后产生需要的输出流，在这一过程中，流的类型或者属性发生了改变。通过挖掘功能的本质和内涵，功能效应这一概念被提出，用来表示功能对流产生的效应。一个功能可以具有若干的功能效应。步骤1)中推理生成的功能效应包括流类型、流属性、变化模式、变化类型、变化趋势和功能类型，如下表所示。
待判定内容含义流类型流的类型，包括材料、信号、能量三大类，并且可以继续细分。流属性流的属性，包括领域无关属性(空间、时间)和领域相关属性(机械、 热、电磁、控制等)两大类，并且可以继续细分(见图3)。变化模式表示流的类型变化或者属性变化。变化类型表示流由一种类型变化成为另一种类型。变化趋势表示流的某一属性产生变化的趋势。功能类型功能效应的类型，包括八大类，并且可以继续细分。
权利要求
1.一种面向工业产品概念设计的产品功能自动分解方法，其特征在于其实施步骤如下1)根据工业产品的总功能定义获取工业产品的输入流和输出流，根据输入流和输出流的变化关系使用定性过程推理生成功能效应；2)判断推理生成的功能效应是否包含多个功能，如果存在多个功能，则根据功能效应将功能进行效应分解；3)遍历各功能效应，在功能知识库中查找当前功能效应所对应的工作原理，如果找到对应的工作原理，则根据工作原理将功能效应分解为功能知识库中的支持功能；如果没有找到当前功能效应所对应的工作原理，则根据当前功能效应的输入流和输出流在功能知识库中查找匹配的支持功能。
2.根据权利要求1所述的面向工业产品概念设计的产品功能自动分解方法，其特征在于所述步骤1)中推理生成的功能效应包括流类型、流属性、变化模式、变化类型、变化趋势和功能类型。
3.根据权利要求2所述的面向工业产品概念设计的产品功能自动分解方法，其特征在于所述步骤1)中使用定性过程推理生成功能效应的详细步骤包括A)确定工业产品功能效应的主输入流到主输出流的类型是否发生改变，如果发生改变则判断该改变的模式为类型变化还是值变化；B)如果改变的模式为类型变化，则将功能效应的变化类型设置为流类型对；C)如果改变的模式为值变化，将功能效应的变化趋势设置为流属性-值对。
4.根据权利要求3所述的面向工业产品概念设计的产品功能自动分解方法，其特征在于所述步骤3)中的工作原理基于物理效应进行表示，所述工作原理包括适用流类型、提供变化模式、提供变化类型和提供变化趋势，所述步骤幻查找实现当前功能效应所对应的工作原理时，查找适用流类型与流类型匹配、提供变化模式与变化模式匹配、提供变化类型与变化类型匹配、提供变化趋势与变化趋势配合的工作原理作为与当前功能效应的匹配的工作原理。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的面向工业产品概念设计的产品功能自动分解方法，其特征在于所述步骤3)中在没有找到当前功能效应所对应的工作原理情况下查找匹配的支持功能时，首先将当前功能效应对应的输出流作为搜索条件在功能知识库中搜索输出流符合该输出流的支持功能，然后将当前功能效应对应的输入流作为搜索条件在当前搜索结果中再次搜索获得匹配的支持功能。
全文摘要
本发明公开了一种面向工业产品概念设计的产品功能自动分解方法，其实施步骤如下1)根据工业产品的总功能定义获取工业产品的输入流和输出流，根据输入流和输出流的变化关系使用定性过程推理生成功能效应；2)判断推理生成的功能效应是否包含多个功能，如果存在多个功能，则对功能进行效应分解；3)遍历各功能效应，在功能知识库中查找当前功能效应所对应的工作原理，如果找到对应的工作原理，则根据工作原理将功能效应分解为功能知识库中的支持功能；如果没有找到当前功能效应所对应的工作原理，则根据当前功能效应的输入流和输出流在功能知识库中查找匹配的支持功能。本发明具有无需预定义、智能度高、灵活性好、适用范围广泛的优点。
文档编号G06F17/50GK102207989SQ20111016484
公开日2011年10月5日 申请日期2011年6月17日 优先权日2011年6月17日
发明者刘玉生, 孙忠飞 申请人:浙江大学