一种应用特征的基因编码描述产品功能模型的系统及方法

专利名称：一种应用特征的基因编码描述产品功能模型的系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种应用特征的基因编码描述产品功能模型的系统及方法，用于研究产品的特征表达和功能建模。

背景技术：
近年来，随着生物技术的不断发展与完善，人工智能、基因编码等技术被引入到设计领域，使得现代产品设计正朝着智能化的方向发展。传统的产品设计方法已成为制约现代制造技术发展的瓶颈。要实现产品设计的智能化，就必须为产品设计智能的编码，应用特征的基因编码来描述产品功能模型，对产品的智能化设计起着至关重要的作用。


发明内容
本发明所要解决的技术问题是在产品特征表达模型和产品功能模型的基础上，将产品功能分解并映射成产品特征，最后通过对特征的基因编码，描述产品功能。为产品的智能化设计奠定了基础。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种应用特征的基因编码描述产品功能模型的系统，该系统包括产品的特征表达模型、产品的功能描述模型、产品的功能与特征映射模块及产品的特征基因编码模块，其中， 所述产品的特征表达模型包括特征基因范式表达模块、特征融合模块、特征融合坐标变换算法模块； 所述产品的功能描述模型包括产品功能定义模块、产品功能表达模块及产品功能建立模块； 所述产品的功能与特征映射模块包括建立特征备选集模块、特征功能适应度求解模块。作为本发明的优选方案之一，所述产品功能建立模块包括确定总功能模块及分解总功能模块。
本发明还包括一种应用特征的基因编码描述产品功能模型的方法，该方法包括以下步骤 步骤一，通过对产品的特征基因范式表达、特征融合和特征融合坐标变换算法，得到产品的特征表达模型； 步骤二，通过对产品功能定义、产品功能表达和产品功能模型建立，得到产品的功能描述模型； 步骤三，在产品特征表达模型和功能描述模型的基础上，进一步将产品功能分解并映射成特征； 步骤四，通过对产品特征的基因编码来描述产品功能。
作为本发明的优选方案之一，所述产品功能模型的建立包括确定总功能及分解总功能，其中分解总功能采用功能原理求解判断和功能特征映射判断双重判断来进行功能分解。
本发明在产品特征表达模型和产品功能模型的基础上，将产品功能分解并映射成产品特征，最后通过对特征的基因编码，描述产品功能。为产品的智能化设计奠定了基础。



图1是本发明中子特征坐标系参考图； 图2是本发明中特征间坐标参照图； 图3是本发明中功能分解流程图； 图4是本发明中功能分解树示意图； 图5是本发明中功能分解与特征映射树示意图； 图6是本发明中特征融合示意图。

具体实施例方式 下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述 1.产品的特征表达模型 1.1特征基因范式表达模型 特征是具有一定功能和几何形状，可与其他特征相互融合形成零件，从而构成产品，与产品设计、制造活动有关的基本几何实体或信息的集合。
根据特征的定义，特征应具有以下基因信息功能信息、几何信息和融合信息。
特征的功能信息一般可划分为基本功能(如支撑、冲压、成型)、支持功能(如传导)和附加功能(如定位)。
特征的几何信息主要有特征实体及其定形尺寸信息等。其中特征实体用于表达特征的几何形体以及相关低级几何信息，包括几何形体和平面草图形等信息。定形尺寸是控制单个特征实体大小的特定尺寸的高级抽象。其值对应于存储在特征模型中的一组特定的参数。
特征的融合信息，包含两个方面，一是特征融合的几何信息，一是特征融合的功能信息。其中特征融合的几何信息主要包括定位信息和融合信息。特征融合的功能信息则是融合特征各自具有一定的功能，在经过融合后，产生了新的功能信息。
综合以上特征的基因信息，利用巴科斯-诺尔范式(BNF)可将特征表示为 <特征>::＝<功能信息><几何信息><融合信息> <功能信息>::＝<基本功能信息|支持功能信息|附加功能信息> <几何信息>::＝<特征实体><定形尺寸> <特征实体>::＝<几何形体><平面草图形状> <定形尺寸>::＝<几何形体参数><平面草图形状参数>(1) <融合信息>::＝<融合功能信息><融合几何信息> <融合功能信息>::＝<功能信息> <融合几何信息>::＝<定位信息><融合信息> 1.2特征融合要求 定义1父特征零件上已经存在，将要被融合的特征称为父特征。
定义2子特征与父特征融合形成零件的特征称为子特征。
为了使研究简化，并更具普遍意义，以下对特征融合作出几条要求 ①特征融合中，第一个加入到零件设计中的特征的局部坐标系与标准坐标系重合。之后子特征是基于父特征上的某个平面与父特征融合的，这个平面即子特征的基准平面。为简化研究，并使研究更有意义，在此，我们只考虑父特征上平面法矢量平行于父特征坐标系下x、y或z轴的平面作为子特征的基准平面。
②子特征坐标系参考父特征坐标系得到，根据子特征基准平面的选择，子特征的特征坐标系有如图1的六种情况。图中，oxyz为父特征坐标系，o’x’y’z’为子特征相对于父特征的特征坐标系参考情况。
③子特征沿父特征坐标系下x、y或z轴方向与父特征融合，子特征坐标系下的z’轴方向为其矢量方向。特征融合过程中，父特征的相对位置不变，子特征与父特征融合后，子特征的相对位置也将保持不变。
由以上要求得到，在标准空间中，子特征依赖并基于父特征上的某个平面作为基准平面，确定其特征坐标系，沿父特征坐标系下x、y或z轴方向与父特征发生某种融合方式的操作，称为特征融合。
1.3特征融合坐标变换算法 对于子特征坐标系，根据特征融合要求，它是参考父特征的特征坐标系而得到的。假设一个零件包含有4个特征，分别为特征1、特征2、特征3、特征4，其参照关系如图2所示。
特征1是零件上的第一个特征，其局部坐标系与标准空间坐标系重合，相对变换矩阵为I(I表示单位矩阵)。特征2相对于O1xyz的特征坐标系为O2xyz。以下以特征2为例，求出其相对变换矩阵。设O2为O1xyz下的(x2，y2，z2)点，O2xyz下三坐标轴x、y、z轴的单位矢量分别为i’、j’、k’，它们在O1xyz中的方向余玄分别用u1i、u2i、u3i(i＝1、2、3)表示。则有 i’＝u11i+u12j+u13k(2) j’＝u21i+u22j+u23k(3) k’＝u31i+u32j+u33k(4) 其中，i、j、k为父特征坐标系下三坐标轴x、y、z的单位矢量。设点P是空间中的任意一点，它在O1xyz坐标系下的坐标值为(x，y，z)，在O2xyz坐标系下的坐标值为(x’，y’，z’)，则有 O1P＝O1O2+O2P，O1P＝xi+yj+zk，O1O2＝x2i+y2j+z2k O2P＝x’i’+y’j’+z’k’＝x’(u11i+u12j+u13k)+y’(u21i+u22j+u23k)+z’(u31i+u32j+u33k) ＝(x’u11+y’u21+z’u31)i+(x’u12+y’u22+z’u32)j+(x’u13+y’u23+z’u33)k得到 即[x，y，z，1]＝[x’，y’，z’，1]·T2 z＝z2+x’u13+y’u23+z’u33 得到特征2的相对变换矩阵T2为 同理，可以得到特征3相对于特征1的相对变换矩阵为T3，特征4相对于特征3的相对变换矩阵为T4。零件中任一特征的变换矩阵都是相对于其父特征的，所以任一个特征的相对变换矩阵都不会影响其它特征的变换矩阵，这样既方便零件设计的操作，又符合人们的思维习惯。
2产品的功能描述模型 2.1功能定义 功能的描述与功能的定义密切相关，不同的定义导致不同的描述。而由于功能是一个比较主观的概念，至今还没有一个完全统一的定义。研究中，我们发现，功能的定义可归纳为以下三种观点 (1)功能用途观点。这种观点主要表达了设计者对产品的用途、需求、意图等要求，功能是设计者对产品预期用途的定义，是对使用者需求的满足，并必须根据给定要求表示设计者的意图。这种功能主要是价值工程研究的功能，它将功能定义为“对象能够满足某种需求的一种属性”。
(2)系统观点。这种观点认为功能是在某种状态下，满足从输入到输出的一种要求。功能被描述成输入、输出及系统状态变量之间的关系。当系统将输入转换为输出时，对象显示出特定的功能。系统观点的功能一般用物质、能量、信息输入/输出关系流图来表示功能结构。
(3)行为观点。这种观点认为功能是一定行为、活动或反应的结果，功能被描述成对象行为、活动或反应的抽象。当产品在一定的工作条件下执行特定的行为，并产生相同的结果时，这些相同的结果就是产品的功能。行为观点用行为建模来表达产品功能的客观性。
2.2功能表达 为了模型整体上的一致性，也为了模型建立的方便，我们需按照一定的原则，对纷繁复杂的功能进行一种比较统一表达，为了便于功能与特征的映射，我们采用影响功能发挥的功能影响因素来表达一个功能。
定义1功能影响因素域E是可能影响功能发挥的影响因素的集合。对影响某个功能发挥的影响因素集合C是定义在E上的一个模糊子集，表示为C＝{[ei，μc(ei)]，ei∈E，i＝1，...，m}，其中，μc(ei)为功能影响因素ei对于集合C的隶属度。
定义2功能域F是产品所具有的功能的集合。某个产品开发所具有的功能的集合D是定义在F上的一个模糊子集，表示为D＝{[fp，μd(fp)]，fp∈F，p＝1，...，q}，其中，μd(fp)为功能fp对于集合D的隶属度。
本文以谓词公式为功能的基本表达形式，其形式如下 fp(e1，e2，...，em) 上式是一个具有m个项的m元谓词，其中fp表示产品的一个子功能或功能元，(e1，e2，...，em)是功能fp的影响因素集，m的大小多少以影响功能的因素集的大小决定。
2.3产品功能模型的建立 (1)确定总功能 根据系统观点的功能定义，对用户提出的功能要求，抓住总设计任务的核心，得出产品的设计需求。通过对设计需求的分析与总结，建立产品的需求模型。从需求模型出发，利用“黑箱法”抽象出此产品的总功能。
(2)分解总功能 一般情况下，要实现总功能需要比较复杂的技术系统，因而难以直接求得满足总功能的原理解，所以我们需要将总功能分解为若干简单的、较小的子功能，从而将复杂的问题分解为可求解的简单的问题，并通过对简单子功能问题的求解和对这些解的有机组合来求出总功能的解。
功能分解的方法很多，在面向已有产品创新设计或反求工程概念设计的问题中，有功能分析系统技术(Functional Analysis System Technique，简称FAST)，后经许多学者的研究和发展，逐渐形成了比较成熟的功能分解方法；以及公理设计中的功能分解方法。在面向全新产品设计的功能分解中，有功能方法树和F-B-S功能分解方法等。无论功能方法树，还是F-B-S功能分解方法，都可用于建立功能模型。但他们都存在一个功能分解粒度的题，即何时停止分解，得到功能元，没有一个明确的标准。
功能和特征间为多对多的映射关系，而功能分解粒度越小，功能特征关系就越复杂。所以本文在此提出，使用功能原理求解判断和功能特征映射判断双重判断来进行功能分解，不仅可以及时终止功能的过细分解，还可以从功能分解中直接得到从功能到特征的映射。具体做法如图3。
原理库是存储实现功能的物理原理库，用以在功能到功能原理求解的过程中开阔设计者的思路，求得功能原理解。原理库求解判断是分析当前的功能，根据原理库中的物理原理，判断功能是否存在原理解，若有，则进行功能特征映射判断；若没有，则需要进一步分解此功能。功能特征映射判断是在功能存在原理解的基础上进行功能到特征的映射，具体的映射方法参考3节。当功能特征映射不成功时，需要继续分解此功能；否则得到功能的映射特征，结束功能分解，此时得到的子功能就是产品的功能元了。在系统的不断使用中，可以不断地添加、充实原理库和特征库，不断扩大基础知识的内容。通过以上的分解方法最终会得到如图4的功能分解树。
3功能特征映射 功能-特征映射是在产品的总功能分解成若干子功能，每个子功能又可以分解为更小的功能单元，直到子功能存在一定原理解的基础上，将这个子功能通过功能与特征的模糊匹配[9]后，再进行功能与备选特征的最优化匹配算法实现功能大特征的最优化映射，得到对应与此子功能的产品特征。不同的结构由不同的特征来描述，每个特征都满足一定的功能，这种功能-特征的对应关系要比功能到零件的对应关系简单，容易实现。
3.1建立特征备选集 产品的功能是由不同的特征来实现的，而功能与特征的映射是一个较复杂的问题，它们之间是多对多的映射关系，一种功能可能对应多种特征，而一种特征又可能满足多种功能。为了得到功能的特征映射，我们需要为功能建立一个备选特征集合。
定义3特征域T是产品所具有的特征的集合。针对具体产品某个子功能或功能元的备选特征集合S是符合功能求解原理，被定义在T上的一个模糊子集，表示为 S＝{[tj，μs(tj)]，tj∈T，j＝1，...，n}，其中，μs(tj)为特征tj对于集合S的隶属度。
功能在经过逐级分解后，子功能得到了其相应的功能原理解，通过对功能原理解的分析和功能影响因素的分析，得到一个符合功能求解原理的特征集合S。这样从功能到特征的影射是一个一对多的模糊匹配。但在实际的产品制造中，我们只可以选择一种特征来完成功能，需要我们将功能特征的这种模糊匹配进一步优化求解，得到功能到特征的最优映射。
3.2特征功能适应度求解 在求解特征功能适应度前，有必要给出以下几个基本概念 定义4权重域W是所有评价功能影响因素对功能的权重的集合。针对具体产品某个子功能或功能元的影响因素权重集V是定义在W上的一个模糊子集，表示为 V＝{[wi，μv(wi)]，wi∈W，i＝1，...，m}，其中，μv(wi)为特征wi对于集合V的隶属度。
定义5适应度哉A是T内所有特征对E内所有功能影响因素的适应度集合。针对功能备选集S中某个特征tj对功能fp某个影响因素ei的适应度集合B是定义在A上的一个模糊子集，表示为B＝{[ai，μb(ai)]，ai∈A，0≤ai≤1，i＝1，...，d}，其中，μb(ai)为特征ai对于集合V的隶属度。d一般取5，表示适应度分为5个等级。
定义6综合适应度达标值λ，它是作为最后判断功能到特征映射的一个标准阀值，当功能特征的映射综合适应度超出λ时，则功能特征映射成功。
定义7功能特征影响矩阵R，其形式如下 其中，rij∈B，表示特征tj对功能影响因素ei的适应度，若适应度集B分为五个等级，并且适应度取值为{0，0.25，0.5，0.75，1}，则0表示完全不适应，1表示完全适应。而R中第j列也就表示了特征tj对功能fp的整体适应情况。
由功能特征影响矩阵R，要得到功能到特征的最优映射，我们需要建立功能到备选特征集模糊映射的一个最优化算法。对于每个备选特征tj对功能fp的整体适应度，我们采用了如下的最优映射函数来计算得到 其中gj就是特征tj对功能fp的整体适应度，wi是功能影响因素ei的权重系数，且w1+w2+...+wm＝1，所有影响因素wi的权重系数可由专家设定。
将矩阵(6)带入公式(7)，得到 其中，求解得到所有特征的整体功能适应度矢量对于求得的

我们可以得到其中值最大的λj，并将其与综合适应度达标值λ比较，若λj＞λ，则特征tj满足功能的需求，也即得到功能的最优映射特征，若λj＜λ，虽然特征tj是最符合功能要求的特征，但它仍然不符合功能的标准要求，即功能仍较复杂，需要进一步分解，来降低功能要求，得到更好的映射特征。
4特征基因编码 根据1.1中的公式1的特征基因信息范式表示，得到以下特征基因编码形式 <feature-function；geometry-body；sketch-shape；geometry-body para；sketch-shape para；datum-plane position-vector； datum-plane center-point；datum-plane shape；shapepara；T；combine-mode> 其中feature-funtion是特征功能，主要有支撑、冲压、成型、传导、限位。编码对应表1。
表1特征功能编码表 geometry-body是特征几何形体，主要有凸台、孔和球体，编码对应表2。
表2几何形体编码表 sketch-shape是特征的平面草图形状，基本的草图形状有点、线段、圆、矩形、椭圆等，其编码对应表3。
表3平面草图形状编码表 geometry-body para与sketch-shape para是对应几何形体和平面草图形状的定形参数，根据几何形体和平面草图形状的不同有不同的参数值。
datum-plane position-vector是基准平面法矢量，编码方式为(cosα，cosβ，cosγ)，分别表示法矢量与父特征坐标系中三坐标轴正向的夹角余玄。datum-plane center-point是基准点，编码方式为(x，y，z)，表示平面中心点在父特征坐标系下的坐标值。
datum-plane shape和shape para是基准平面的形状与定形尺寸，其编码方式与特征的平面草图形状及其定形尺寸编码一致。T是特征相对变换矩阵。
combine-mode表示特征的融合方式，主要有相合、相减和打孔。编码对应表4。
表4融合方式编码表 根据以上的编码方式，以下给出几种基本特征的基因编码片段 矩形凸台<(1)；1；4；(h)；(l，w)>；表示该矩形凸台具有支撑功能，其中h，l，w分别为矩形凸台的高、长、宽。
圆凸台<(2)；1；3；(h)；r)>；表示该圆凸台具有冲压功能，其中h，r分别为圆凸台的高和底圆半径。
部分球体<(2，3)；3；3；(d)；(r)＞；表示该球体具有冲压和成型功能，其中d，r分别为部分球体的高和底圆半径。
孔<(5)；2；3；(d)；(r)>；表示该孔具有限位功能，其中d，r分别为孔的深度和孔半径。
其实每个特征可能具有不止一种功能，以上特征编码中只列出了该特征在产品零件中所表现的一种特征。如将以上的圆凸台的功能编码位改为4，则这个形状为圆柱的特征便具有传导功能了。
5实例分析 冲压模具是一种常见的，并且应用广泛的机械产品。本文以它为例。说明基于特征基因编码的功能描述模型。
(1)确定总功能以冲压形成锅为例，冲压模具的总功能是通过冲压，形成锅。
(2)功能分解及特征映射根据2.3节中的功能分解流程图，对总功能进行功能分解，并在分解的过程中进行原理求解和功能特征映射。得到产品的功能分解与特征映射树如图5所示。以下以这个树上的一支冲压形成锅-上模冲压及其辅助功能-冲压功能-(半球体，圆凸台)为例。总功能冲压形成锅首先进行原理库求解，得到无解，继续分解功能，得到子功能上模冲压及其辅助功能和下模成型及其辅助功能，再对上模冲压及其辅助功能进行原理库求解，得到无解，继续分解功能，得到子功能冲压功能、固定功能和定位功能。再对冲压功能进行原理库求解，得到有解。对冲压功能进行功能特征映射。
①建立特征备选集 冲压功能特征备选集S＝{t1，t2，t3}。其中t1为(矩形凸台，半球体)，t2为(圆凸台，圆凸台)，t3为(圆凸台，半球体)。其实S中每个备选特征都是一个特征融合，是冲压装置的冲杆和冲头的融合。
②功能特征最优映射 冲压功能f可表示为f(e1，e2，e3)，其中e1为冲压成型相似度，e2为冲杆与冲头衔接度，e3为安全性系数。对于这三方面的影响因素的权重集v＝{0.5，0.2，0.3}。根据专家经验确定的功能特征影响矩阵根据公式(3)，得到 取综合适应度达标值λ＝0.8，则备选特征集中特征t3为冲压功能的最优映射特征。
对于其他的功能可以按此方法分别得到如图5的映射特征。
(3)特征编码根据4节的特征基因编码，得到该模具的所有组成特征的基因编码片段如下 半球体(冲压功能)<(2)；3；3；(d1)；(r1)>，其中d1＝r1。圆凸台(冲压功能)<(2)；1；3；(h2)；r2＞ 矩形凸台(固定功能)<(1)；1；4；(h3)；(l3，w3)>； 孔(定位功能)<(5)；2；3；(d4)；(r4＞；孔(定位功能)<(5)；2；3；(d5)；(r5)>； 圆凸台(助导功能)<(4)；1；3；(h6)；r6>； 圆凸台(助导功能)<(4)；1；3；(h7)；r7＞； 半球体(成型功能)<(3)；3；3；(d8)；(r8)>，其中d8＝r8。矩形凸台(成型功能)<(3)；1；4；(h9)；(l9，w9)>； 矩形凸台(固定功能)<(1)；1；4；(h10)；(l10，w10)>； (4)特征融合根据1节中的特征融合理论，以上模中的冲压功能对应的映射特征圆柱体和半球体的特征融合为例说明。
如图6，圆凸台为父特征，它的特征坐标系与标准坐标系重合，则其完整的基因编码如下现在子特征半球体要与父特征融合，根据功能的需要，子特征基于父特征的下底面，即oxy平面为子特征的基准平面，其法矢量为(0，0，-1)，基准点为o点，与父特征进行相合方式的融合，子特征坐标系o’x’y’z’相对与父特征坐标系oxyz的相对变换矩阵最后得到特征融合形成零件冲头的基因编码如下 同理，我们可以得到冲压模具中其他特征融合形成零件的基因编码。
上模双孔与矩形凸台特征融合基因编码 下模半球体凹槽特征融合基因编码为 下模矩形凸台与双圆凸台特征融合基因编码 以上所有特征融合形成零件，再将这些零件装配起来，便得到最终的冲压模型。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。其他变形形式的方案等特征均不脱离本发明精神和范围，均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
权利要求
1.一种应用特征的基因编码描述产品功能模型的系统，该系统包括产品的特征表达模型、产品的功能描述模型、产品的功能与特征映射模块及产品的特征基因编码模块，其特征在于
所述产品的特征表达模型包括特征基因范式表达模块、特征融合模块、特征融合坐标变换算法模块；
所述产品的功能描述模型包括产品功能定义模块、产品功能表达模块及产品功能建立模块；
所述产品的功能与特征映射模块包括建立特征备选集模块、特征功能适应度求解模块。
2.如权利要求1所述的一种应用特征的基因编码描述产品功能模型的系统，其特征在于所述产品功能建立模块包括确定总功能模块及分解总功能模块。
3.一种应用特征的基因编码描述产品功能模型的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤
步骤一，通过对产品的特征基因范式表达、特征融合和特征融合坐标变换算法，得到产品的特征表达模型；
步骤二，通过对产品功能定义、产品功能表达和产品功能模型建立，得到产品的功能描述模型；
步骤三，在产品特征表达模型和功能描述模型的基础上，进一步将产品功能分解并映射成特征；
步骤四，通过对产品特征的基因编码来描述产品功能。
4.如权利要求3所述的一种应用特征的基因编码描述产品功能模型的方法，其特征在于所述产品功能模型的建立包括确定总功能及分解总功能，其中分解总功能采用功能原理求解判断和功能特征映射判断双重判断来进行功能分解。
全文摘要
本发明涉及一种应用特征的基因编码描述产品功能模型的系统及方法，通过对产品的特征基因范式表达、特征融合要求和特征坐标变换算法的深入研究，得到产品的特征表达模型；通过对产品功能定义、功能表达和功能模型建立的研究与分析，得到产品的功能模型。在产品特征表达模型和功能模型的基础上，进一步将产品功能分解并映射成特征，最后通过对产品特征的基因编码来描述产品功能，为产品的智能化设计奠定基础。
文档编号G06F17/50GK101334800SQ20081004079
公开日2008年12月31日 申请日期2008年7月21日 优先权日2008年7月21日
发明者郝泳涛 申请人:同济大学