一种产品设计系统及方法与流程

本发明涉及产品设计领域，特别是涉及一种产品设计系统及方法。

背景技术：

多变的市场环境要求企业能够以尽可能小的成本快速设计出满足需求的高质量产品，以在竞争中取得优势地位。产品设计是一个由多种可能解到最终解的消减过程，决策是推动该消解过程的关键因素。因此，加速设计决策过程对缩短产品设计周期、增强企业核心竞争力具有重要作用。

开发计算机辅助决策系统是加速产品设计决策过程的有效途径。目前，应用于产品设计领域的计算机辅助决策系统主要分为以下两类：

(1)基于知识管理的产品设计系统。该类系统通知识库过对产品设计过程涉及的文档、计算公式、产品模型等各类知识进行组织和管理，在设计人员从事设计任务时提供其所需的知识，辅助其进行决策。这类系统的缺陷体现在：知识碎片化，用于辅助设计人员进行决策的知识通常呈现碎片化，不能提供全面的决策支持；知识的静态性，系统中的知识大多为描述性的静态知识，仅作为参考，并不能快速执行生成设计结果。

(2)产品设计专家系统。该类系统针对特定产品的设计过程进行知识建模，给定输入后能够自动推理出设计结果，为设计人员提供决策参考。该类系统虽然通过固化动态的设计推理过程进行实现了快速决策，但其适应能力差，推理过程知识模型依赖于特定产品，当产品类型发生变化时往往不能提供决策支持。

综上所述，现有的计算机辅助设计决策系统缺乏全面、快速的决策支持手段，而且缺乏面向更广范围产品设计问题的决策支持能力。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种产品设计系统及方法，用以帮助企业获得更全面的决策知识输入，提高设计效率，并且满足企业对不同产品的需求。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种产品设计系统，包括决策问题输入单元、数据库、决策模板封装单元、决策模板库、一致性检查单元、决策模板执行单元、设计方案分析单元、设计方案输出单元；

所述决策问题输入单元，用于获取用户输入的问题信息；

所述数据库，用于存储数据，所述数据包括选择决策数据和妥协决策数据；

决策模板封装单元，用于选择所述数据库中的数据，并将选择好的数据封装为决策模板；

决策模板库，用于存储和管理决策模板，所述决策模板包括所述选择决策模板和所述妥协决策模板；

一致性检查单元，根据数据的一致性规则，对所述决策模板中封装的数据进行一致性检查；

决策模板执行单元，根据所述问题信息，对符合一致性的决策模板进行求解，生成设计方案；

设计方案分析单元，用于对所述设计方案进行分析，得到所述设计方案相对于参数变化的敏感性，并根据所述敏感性获取最优设计方案；

设计方案输出单元，用于输出所述最优设计方案。

可选的，所述数据库包括选择决策模块和妥协决策模块；所述选择决策模块包括选择问题信息模块，用于存储和管理选择问题信息数据；备选方案模块，用于存储和管理选择决策的备选方案数据；属性模块，用于存储和管理选择决策中的方案属性数据；属性权重模块，用于存储和管理选择决策中各属性的相对权重；多属性评估模块，用于存储和管理多个属性影响选择决策相对权重的评估数据；所述妥协模块包括妥协问题信息模块，用于存储和管理妥协问题信息数据；变量和参数模块，用于存储和管理妥协决策中的变量和参数；约束和目标模块，用于存储和管理妥协决策中的约束和目标；目标偏好模块，用于存储和管理妥协决策中对各设计目标的偏好数据。

可选的，所述设计方案包括选择决策设计方案和妥协决策设计方案。

可选的，所述设计方案分析单元用于对所述选择决策设计方案进行方案排序敏感性分析；对所述妥协决策设计方案进行多目标权衡以及设计空间可视化分析。

一种产品设计方法，包括：

获取用户输入的问题信息；

获取能够解决所述问题的决策模板；所述决策模板由数据库中的数据封装形成；

对获取的所述决策模板中封装的数据进行一致性检查；

根据所述问题，对符合一致性的所述决策模板进行求解，生成设计方案；

对所述设计方案进行分析，得到所述设计方案相对于参数变化的敏感性；

根据所述敏感性对所述设计方案进行评估，获取最优设计方案；

输出所述最优设计方案。

可选的，所述获取能够解决所述问题的决策模板，具体包括：根据所述问题，从所述设计决策模板库中检索能够解决所述问题的决策模板；若存在能够解决所述问题的所述决策模板，则判断是否需要修改所述决策模板中封装的数据；若需要修改，则对所述封装的数据进行修改，获得修改后的决策模板，对所述修改后的决策模板中封装的数据进行一致性检查；若不需要修改，则执行所述对获取的所述决策模板中封装的数据进行一致性检查；若不存在能够解决所述问题的决策模板，则更新所述数据库中的数据，对更新后的所述决数据库中存储的数据进行封装，得到新的决策模板，对所述新的决策模板中封装的数据进行一致性检查。

可选的，所述对获取的所述决策模板中封装的数据进行一致性检查，具体包括：根据数据的一致性规则，对所述决策模板中封装的数据进行一致性检查，若所述决策模板符合一致性规则，则执行所述对符合一致性规则的所述决策模板进行求解，生成设计方案；

若所述决策模板不符合一致性规则，对所述决策模板中不符合一致性规则的数据进行修改，使修改后的数据符合一致性规则。

本发明的有益效果是：本系统或方法通过将存储于数据库中离散的知识点综合到一个模板中，形成了全面的、系统化的决策支持，能够帮助企业获得更全面的决策知识输入，产生高质量的设计方案；决策模板包括选择决策模板和妥协决策模板，这两种决策类型不依赖于具体的产品或特定的设计问题，应用范围广、拓展能力强，能够满足企业对不同产品的需求；通过自动进行决策计算求解，快速生成设计方案，缩短了设计周期，降低了设计决策问题求解的复杂性，能够极大提高设计效率；通过对所述设计方案进行分析，得到所述设计方案相对于参数变化的敏感性，并根据所述敏感性获取最优设计方案，大大提高了设计方案的置信度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明产品设计系统的结构图；

图2为本发明决策模板的封装结构图；

图3为本发明某个选择决策模板封装示意图；

图4为本发明某个妥协决策模板封装示意图；

图5为本发明某个选择决策模板执行求解以及后处理分析示意图；

图6为本发明某个妥协决策模板实例执行求解以及后处理分析示意图；

图7为本发明产品设计方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种产品设计系统及方法，用以帮助企业获得更全面的决策知识输入，提高设计效率，并且满足企业对不同产品的需求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明产品设计系统的结构图；图2为本发明决策模板的封装结构图。

具体实施例，如图1所示，产品设计系统包括决策问题输入单元1、数据库2、决策模板封装单元3、决策模板库4、一致性检查单元5、决策模板执行单元6、设计方案分析单元7、设计方案输出单元8。

所述决策问题输入单元1，用于获取用户输入的问题信息，问题信息包括设计对象、设计目标、功能描述等。

所述数据库2，用于存储数据，所述数据包括选择决策数据和妥协决策数据。如图2所示，所述数据库2包括选择决策模块21和妥协决策模块22；所述选择决策模块21用于存储所述选择决策数据；所述妥协决策模块用于存储妥协决策数据22。

所述选择决策模块21包括选择问题信息模块211、备选方案模块212、属性模块213、属性权重模块214、多属性评估模块215。

选择问题信息模块211，用于存储和管理选择问题信息数据。

备选方案模块212，用于存储和管理选择决策的备选方案数据；备选方案模块212按照表1所示的形式进行组织，包括名称、描述、图像、方案属性值。方案属性值可有多个，每个属性值包括上界、下界以及概率分布。特别地，上界指估计的最大值，下界指估计的最小值，概率分布代表实际值在上下界间的分布情况，用于描述属性的不确定性。

表1

属性模块213，用于存储和管理选择决策中的方案属性数据。属性模块213按表2所示的形式进行组织，包括名称、描述、单位、上界、下界、偏好方向、理想值、被考虑的理由、效用函数。特别的，偏好方向指决策过程中对属性取值的期望，分为极大、极小和接近特定数值三种情况；被考虑的理由指的是某属性在决策过程中被考虑的缘由，往往对决策影响较大的属性才会被考虑；效用函数用于测量备选方案在某一属性上的价值，方案的效用函数值越大，其价值越大，效用函数可用函数模型及其参数来表达。

表2

属性权重模块214，用于存储和管理选择决策中各属性的相对权重；属性权重模块214按照表3所述的形式进行组织，是一个n行的数值列表。

表3

多属性评估模块215，用于存储和管理评估多个属性影响选择决策的相对权重。多属性评估模块214用表4所示的形式进行组织，是一个n×(2n-2)的矩阵。其中n代表决策时考虑的属性数量，矩阵共有n行2n-2列。如表3所示，矩阵中紧邻的两列代表一对等价方案，列中的元素为方案的各属性值，矩阵共有n-1对等价方案。等价方案是决策前手动构建的，目的是确定各属性的相对权重。具有n个属性的决策问题需要构建n个线性等式才能求解出各属性的相对权重。n个线性等式中，一个固定为代表权重之和为1，ki指第i个属性的权重。其余的n-1个线性方程由n-1对等价方案进行确定，确定方式为其中和分别为第p对等价方案在第i个属性上的属性值，p为等价方案的索引p＝n-1。

表4

所述妥协模块22包括妥协问题信息模块221、变量和参数模块222、约束和目标模块223、目标偏好模块224。

妥协问题信息模块221，用于存储和管理妥协问题信息数据。

变量和参数模块222，用于存储和管理妥协决策中的变量和参数；变量和参数模块222按照表5所述的形式进行组织，包括名称、描述、类型、符号、单位、上界、下界、初始值。特别的，类型用于标识某个量在妥协决策中属于参数还是变量，如果该量在妥协决策中保持恒定则为参数，否则为变量。符号用于表达变量或参数在公式中使用时的标识，用英文字母(或字母组合)表示。

表5

约束和目标模块223，用于存储和管理妥协决策中的约束和目标；约束和目标模块223按照表6所述的形式进行组织，包括名称、描述、类型、表达式、线性/非线性、取值方向/极性、边界/目标值。特别的，类型用于标识某个函数式在妥协决策中是用于表达约束还是目标，如果该函数式的取值范围有限制则用于表达约束，否则用于表达目标；表达式用于表示某约束或目标的符号表示形式，需要引用变量/参数模块中的符号；线性/非线性用于表达某约束或目标表达式是线性的还是非线性的；取值方向/极性用于表达某约束的取值方向：包括“≥”、“≤”和“＝”，或表达某目标的极性：“最大化”和“最小化”；边界/目标值用于表达某约束的边界值，或表达某目标的目标值。

表6

目标偏好模块224，用于存储和管理妥协决策中对各设计目标的偏好数据。目标偏好模块224按照表7所述的形式进行组织，包括目标、层次和权重。特别的，层次用于表达某目标在妥协决策过程中被考虑的优先级层次，同一层次上可有多个目标，层次越高代表其优先级越高，将会被有限满足；权重代表在某一层次上的多个目标之间的相对权重，其累加之和为1。

表7

如图2所示，所述决策模板封装单元3，用于选择所述数据库2中的数据，并将选择好的数据封装为决策模板。

所述决策模板库4，用于存储和管理决策模板，所述决策模板包括所述选择决策模板41和所述妥协决策模板42。

所述一致性检查单元5，根据数据的一致性规则，对所述决策模板中封装的数据进行一致性检查。这里，一致性指的是模板中各模块及其相互之间的关系需要满足一定的规则，与模板的结构定义保持一致。例如，属性权重模块214中各属性权重之和必须为1，即其中ki代表第i个属性；参数和变量模块222中各参数的上下界值必须满足：xu＝xl，其中xu为上界，xl为下界。所述的一致性检查单元5采用基于规则的推理引擎jess(javaexpertsystemshell)实现一致性检查功能，实现方法为：首先根据模板的结构定义确定一致性规则，然后jess推理引擎将选择决策模板41以及妥协决策模板43中的模板逐一与一致性规则进行匹配，最后jess推理引擎将不满足一致性规则的实例反馈给用户并告知其不一致性存在的地方以及修改的方法。特别的，一致性规则使用如下产生式规则形式进行定义：

(defrulemain::rule_6(object(is-acdsptemplate)(object？y))

＝>

(foreach？x(slot-get？yhasparameter)(if(neq(slot-get？xlowerbound)(slot-get？xupperbound))then(printouttwarning_6crlf))))

以上规则中cdsptemplate表示妥协决策模板，hasparameter表示参数模块，lowerbound表示参数下界，upperbound表示参数上界，规则表达的逻辑为：当参数模块中有任何实例其上界与下界的值不相等时，推理引擎便把这种不一致性推送给用户并提醒其进行修改。

所述决策模板执行单元6，根据所述问题信息，对符合一致性的决策模板进行求解，生成设计方案，所述设计方案包括选择决策设计方案和妥协决策设计方案。

选择决策模板41依据下面所示的数学模型进行求解生成选择决策设计方案。

给定

备选方案集

xii＝1，...，n

确定

属性

aii＝1，...，m

属性不确定性

评估

单属性效用函数

ui(x)i＝1，...，m

联合属性效用函数

u(x)＝f(u1(x)，...，um(x))

计算

各方案的期望效用

e(u)ii＝1，...，n

选择

期望效用值最大的备选方案

选择决策问题数学模型中包含了“给定”、“确定”、“评估”、“计算”和“选择”五个部分。其中，“给定”和“确定”两部分内容是与具体问题相关的信息，在选择决策模板41中已经完成封装，其余三个部分将由计算机自动完成。完成方法如下：首先根据表4属性评估矩阵中的数据求解出各个属性的相对权重ki，然后根据表2中效用函数的数据计算出各方案的单属性期望效用e(u)i，在ki和e(u)i的基础上计算各方案的联合属性期望效用最后选择联合属性期望效用e(u)最高的方案。

妥协决策模板42依据下面所示的数学模型进行求解生成妥协决策设计方案。

给定

一个待优化的备选方案

一些参数、边界条件、约束及设计目标等

搜索

设计变量

xii＝1，...，n

偏差变量

满足

约束(线性,非线性)

gi(x)＝0；i＝1，...，p

gi(x)≥0；i＝p+l，...，p+q

目标(线性,非线性)

边界

最小化

偏差函数

妥协决策问题数学模型包含了“给定”、“搜索”、“满足”、“最小化”四个部分。这四个部分中与具体问题有关的参数、变量、约束、目标以及目标偏好由表5、表6、表7进行定义并在妥协决策模板42中已经完成封装，对封装好的模板实例进行求解需要“搜索”、“满足”、“最小化”三个部分同时进行，采用目标规划算法实现求解。

所述设计方案分析单元7，用于对所述设计方案进行分析，得到所述设计方案的相对于参数变化的敏感性，并根据所述敏感性获取最优设计方案。对所述选择决策设计方案进行方案排序敏感性分析，即通过分析设计方案的排序是否会随着参数的变化而产生较大波动，从而增强排名第一的设计方案的置信度。对所述妥协决策设计方案进行多目标权衡以及设计空间可视化分析，多目标权衡分析主要通过分析不同的权重组合对最终的目标偏差造成的影响，确定最不敏感的权重组合。设计空间可视化主要通过以可视化的方式展现某一权重组合对应的最佳设计方案取值在设计空间中的位置，帮助企业了解最佳设计方案的分布情况，以进行理性决策。

所述设计方案输出单元8，用于输出所述最优设计方案。

图3为本发明某个选择决策模板封装示意图；图4为本发明某个妥协决策模板封装示意图；图5为本发明某个选择决策模板执行求解以及后处理分析示意图；图6为本发明某个妥协决策模板实例执行求解以及后处理分析示意图。

如图3所示，图3展示的是将电灯开关盖板快速成型材料-工艺选择问题封装为选择决策模板的界面示意图。界面中共有6个面板，分别为基本信息、备选方案、属性、多属性等价评估和属性权重。其中基本信息面板用户需要填写实例名称和问题描述，用户可根据该快速成型材料-工艺选择问题的具体信息进行填写，这些信息的作用是方便设计人员对该模板实例的理解、检索和重用。备选方案面板需要用户设置该选择决策问题的备选方案，这些方案可以是数据库2中已有的备选方案，也可以是用户新创建的方案，双击面板中的条目可编辑备选方案的详细信息。属性面板需要用户设置该选择决策问题所考虑的方案属性，这些属性同样可以来自于数据库2中已有的属性，也可以是用户新创建的属性，双击面板中的条目可编辑属性的详细信息。多属性等价评估面板需要用户设置n-1对等价方案，其属性值作为求解属性权重的基础数据，本实施例共有6个属性，故设置了5对等价方案。属性权重面板中各属性的权重在多属性等价评估面板中数据填写完毕后自动生成。该电灯开关盖板快速成型材料-工艺选择问题封装好后将保存在选择决策模板41中。

图4展示的是压力容器设计的多目标妥协决策问题封装为妥协决策模板的界面示意图。界面中共有6个面板，分别为基本信息、变量、参数、约束、目标、偏好。与选择决策模板实例的封装界面相似，基本信息面板用户根据妥协决策问题的具体信息进行填写，其余各面板的信息可从数据库2中进行选取，也可由用户自行创建。该电压力容器设计的多目标妥协决策问题封装好后将保存在妥协决策模板42中。

图5上半部分的面板展示的是已经封装好并已经发布的选择决策模板，包括电灯开关盖板的材料-工艺选择模板、枪管截面选择模板、枪管材料选择模板。用户选择其中一个模板(本实施例选择了电灯开关盖板的材料-工艺选择模板)，然后点击“运行”按钮，系统弹出一个显示该实例相关参数的窗口，窗口分为“各方案属性值”和“属性权重”两部分，用户此时还可以对这些数值进行修改，修改后系统对该实例进行自动执行求解。结果在图5下半部分的“各方案期望效用值”面板以及“方案排名”柱状图中显示，排名第一的即为要选择的设计方案。

图6上半部分的面板展示的是已经封装好并已发布的妥协决策模板，压力容器设计模板、螺旋弹簧设计模板、线性铝合金材料设计模板、数据中心散热系统设计实例。用户选择其中一个模板(本实施例选择了压力容器设计模板)，然后点击“运行”按钮，系统弹出一个显示该实例相关参数的窗口，窗口分为“变量”、“参数”和“目标权重”三部分，用户此时还可以对这些数值进行修改，修改后系统对该实例进行自动求解。结果在图6下半部分的“变量值”面板和“目标值”面板中显示，这些“变量值”和“目标值”即为最终的设计方案。

图7为本发明的产品设计方法的流程图，如图7所示，利用上述实施例1所述的产品设计系统进行产品设计的方法包括以下步骤：

s701，获取用户输入的问题信息；

s702，获取能够解决所述问题的决策模板；

具体的，所述决策模板由决策模板封装单元3选择并封装数据库2中的数据形成；且所述决策模板保存在决策模板库4中；

s703，对获取的所述决策模板中封装的数据进行一致性检查；

具体的，一致性检查单元5根据数据的一致性规则，对所述决策模板中封装的数据进行一致性检查；

s704，根据所述问题，对符合一致性的所述决策模板进行求解，生成设计方案；

s705，对所述设计方案进行分析，得到所述设计方案相对于参数变化的敏感性；

s706，根据所述敏感性对所述设计方案进行评估，获取最优设计方案；

s707，输出所述最优设计方案。

步骤s702具体包括，根据所述问题，从所述决策模板库4中检索能够解决所述问题的决策模板；

若存在能够解决所述问题的所述决策模板，则判断是否需要修改所述决策模板中封装的数据；若需要修改，则对所述封装的数据进行修改，获得修改后的决策模板，对所述修改后的决策模板中封装的数据进行一致性检查；若不需要修改，则执行所述对获取的所述决策模板中封装的数据进行一致性检查；

若不存在能够解决所述问题的决策模板，则更新所述数据库2中的数据，对更新后的所述数据库2中存储的数据进行封装，得到新的决策模板，对所述新的决策模板中封装的数据进行一致性检查。

步骤s703具体包括根据数据的一致性规则，对所述决策模板中封装的数据进行一致性检查，若所述决策模板符合一致性规则，则执行所述对符合一致性规则的所述决策模板进行求解，生成设计方案；

若所述决策模板不符合一致性规则，对所述决策模板中不符合一致性规则的数据进行修改，使修改后的数据符合一致性规则。

本发明通过上述产品设计系统和设计方法能够帮助企业获得更全面的决策知识输入，提高设计效率，并且满足企业对不同产品的需求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。