專利名稱：一種基于知識組件的工程設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計算機輔助集成設(shè)計方法，特別涉及一種使用多種計算機輔助工
具進行集成設(shè)計的方法。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)設(shè)計過程中，設(shè)計人員根據(jù)經(jīng)驗形成產(chǎn)品的初步設(shè)計方案，然后據(jù)此建立 物理樣機，并對該物理樣機進行性能試驗或分析計算，以便獲得產(chǎn)品的性能數(shù)據(jù)。如果這些 數(shù)據(jù)不能滿足要求，則返回設(shè)計階段，由設(shè)計者修改設(shè)計方案，再做出試制產(chǎn)品，然后再作 測試或分析計算，如此反復，直至滿足產(chǎn)品性能要求。 一旦產(chǎn)品比較復雜，整個設(shè)計周期將 會非常漫長，而且設(shè)計質(zhì)量也難以保證。 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的設(shè)計方法和技術(shù)，如計算機圖形技術(shù)、計算
機建模技術(shù)、計算機分析仿真技術(shù)等，以及在此基礎(chǔ)上形成的一系列CAX工具。通過這些方
法、技術(shù)和工具，工程人員不必等到物理樣機出來就可以建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型并分析產(chǎn)
品的各項性能，檢驗和優(yōu)化設(shè)計方案，甚至分析其可制造性，從而大量減少物理樣機試驗，
降低設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期，也為及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺憾，減少設(shè)計反復提供了可能。 然而，現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計往往是一個多領(lǐng)域、多學科設(shè)計的過程，需要大量專業(yè)工具的
支持，雖然這些新方法、技術(shù)和工具提高了某些環(huán)節(jié)的工作效率，但是由于各工具來源不
同，擁有不同的概念、語言、技術(shù)、數(shù)據(jù)格式和使用風格，它們在設(shè)計過程中依然是分立使
用，相互孤立的情況，這使得銜接各個設(shè)計環(huán)節(jié)時仍需要大量人工操作，效率低下，而且各
環(huán)節(jié)模型和數(shù)據(jù)互相不關(guān)聯(lián)，設(shè)計方案更改困難，設(shè)計、分析、優(yōu)化的整體循環(huán)效率依然很低。 此外，由于需要解決的問題越來越復雜，各種專業(yè)工具所涵蓋的功能也越來越多， 設(shè)計人員理解和掌握它們時需要花費大量的時間和精力，而且，由于無法重用操作過程以 及使用經(jīng)驗，在開展新的設(shè)計任務(wù)時，即使相似的工作也需從頭開始，這使得操作工具的工 作量大、過程復雜、難度高，設(shè)計人員的精力無法很好地專注于產(chǎn)品設(shè)計本身，而且設(shè)計過 程中的知識、經(jīng)驗、方法也無法得到有效的沉淀、共享和重用。 各種工程軟件廣泛采用一種"硬"連接的方式實現(xiàn)工具集成。所謂"硬"連接是指 在需要傳遞數(shù)據(jù)的工具之間開發(fā)專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理模塊，通過眾多數(shù)據(jù)處理模塊連接各 個工具。這種方法的優(yōu)點是，對于特定的設(shè)計流程或設(shè)計思想，系統(tǒng)效率非常高，各專業(yè)數(shù) 據(jù)和模型的匹配性和協(xié)調(diào)性好，但缺點是系統(tǒng)靈活性和擴展性不好， 一旦設(shè)計流程或設(shè)計 思想發(fā)生變化，需要重新編寫許多中間數(shù)據(jù)處理程序，系統(tǒng)的升級和擴展也非常困難。
對于設(shè)計知識和設(shè)計過程重用的問題，普遍的做法是根據(jù)特定使用人員的需求在 工具軟件上進行二次開發(fā)，將專業(yè)知識、專家經(jīng)驗、設(shè)計方法或設(shè)計標準融入功能模塊，然 后通過使用這些功能模塊提高工具使用效率，實現(xiàn)知識和設(shè)計重用。但這種定制化的二次 開發(fā)方式專業(yè)性很強，對于工程人員來說門檻比較高，開發(fā)周期比較長，無法普遍適用，也 無法很方便地進行功能擴展和系統(tǒng)維護。
綜上所述，目前已有的計算機輔助集成設(shè)計方法仍然未能很好地、全面地解決以下問題 在設(shè)計過程中各種工具沒有進行集成，設(shè)計人員低水平的重復工作量大，而且因各環(huán)節(jié)相互分立，數(shù)據(jù)和模型之間關(guān)系松散，設(shè)計協(xié)調(diào)和更改的工作量十分巨大，難以實現(xiàn)快速的設(shè)計迭代和優(yōu)化。 各種設(shè)計、分析工具的使用仍然是一種手工作坊方式，操作過程復雜，難度高，過于依賴經(jīng)驗，工作效率低，而且由于工具的使用知識和經(jīng)驗掌握在個人手中，難以積累、重復利用和共享，造成企業(yè)很高的知識風險。 本發(fā)明就是針對計算機輔助工程設(shè)計中存在的以上問題，提出了一種基于知識組件的工程設(shè)計方法。這種方法能夠克服現(xiàn)有計算機輔助集成設(shè)計技術(shù)的諸多缺點，達到解放人力、降低門檻、提高效率、規(guī)范化設(shè)計的技術(shù)效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種基于知識組件的工程設(shè)計方法，包括知識組件構(gòu)建過程、基于知識組件的設(shè)計過程，其特征在于，所述知識組件用標準形式封裝通用模塊，使知識組件獨立于設(shè)計流程或設(shè)計思想的變化，具有跨項目、跨時間、跨平臺的通用性；所述設(shè)計過程通過一個統(tǒng)一環(huán)境集成多個軟件平臺，調(diào)用所述知識組件完成各工程設(shè)計環(huán)節(jié)的工作，包括設(shè)計、建模、分析、數(shù)據(jù)處理。 所述設(shè)計過程可通過無需編程的方式定義所述知識組件之間的數(shù)據(jù)關(guān)系和執(zhí)行
關(guān)系，建立這些知識組件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而形成設(shè)計過程模型。 所述通用模塊可包括工程設(shè)計、工程分析過程中的操作、方法、規(guī)則或流程。 所述通用模塊可以包括工程設(shè)計分析過程中的文件解析、表達式運算、命令執(zhí)行、
腳本運行、CAD操作、CAE操作、數(shù)據(jù)庫操作、報表生成等基礎(chǔ)操作。 所述知識組件可具有輸入/輸出數(shù)據(jù)端口 ，也可具有人機交互界面。 所述知識組件構(gòu)建過程還可包括，通過無需編程的方式，將若干子知識組件以及
它們之間的數(shù)據(jù)關(guān)系和執(zhí)行關(guān)系封裝為母知識組件。 所述設(shè)計過程中，調(diào)用所述母知識組件時，其內(nèi)部封裝的子知識組件可被替換。
所述工程設(shè)計方法還可包括如下過程，建立一個包含使用說明、設(shè)計規(guī)范、設(shè)計經(jīng)驗等知識的數(shù)據(jù)庫，然后建立所述知識組件與該數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)關(guān)系，當使用所述知識組件時可以自動顯示相關(guān)聯(lián)的知識。 所述設(shè)計過程中定義所述知識組件之間的數(shù)據(jù)關(guān)系時，可直接定義知識組件端口之間的數(shù)據(jù)映射關(guān)系。為優(yōu)化本發(fā)明的技術(shù)方案，在調(diào)用所述知識組件時，知識組件間的數(shù)據(jù)關(guān)系也可根據(jù)預(yù)先定義的規(guī)則自動建立。 所述知識組件之間的執(zhí)行關(guān)系可定義知識組件執(zhí)行時的邏輯關(guān)系、數(shù)據(jù)驅(qū)動關(guān)系、時間特性、消息觸發(fā)機制或它們的一種組合關(guān)系。調(diào)用所述知識組件時，所述知識組件的執(zhí)行關(guān)系可根據(jù)預(yù)先定義的規(guī)則自動生成。 所述設(shè)計過程中，設(shè)計過程模型可作為通用模塊被封裝為知識組件。 所述設(shè)計過程中，可通過執(zhí)行一個知識組件，按預(yù)定的步驟引導設(shè)計人員完成設(shè)
計分析工作。
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所述設(shè)計過程中需要進行設(shè)計更改時，可以增加、刪除或替換所述設(shè)計過程模型
中的知識組件，可以更改所述設(shè)計過程模型的數(shù)據(jù)關(guān)系和執(zhí)行關(guān)系，也可以改變所述設(shè)計
過程模型中知識組件的控制數(shù)據(jù)，然后部分或全部執(zhí)行所述設(shè)計過程模型。 所述設(shè)計過程模型的控制數(shù)據(jù)可以根據(jù)預(yù)定義的規(guī)則自動改變，然后自動執(zhí)行部
分或全部所述設(shè)計過程模型，如此不斷重復直至得到所需的設(shè)計結(jié)果。 具體而言，本發(fā)明所述的方法包括建立知識組件以及基于知識組件進行設(shè)計兩個步驟 通過對工程設(shè)計、分析中的操作、方法、規(guī)則或流程進行分析和總結(jié)，將它們歸納為各種標準過程，并定義這些標準過程的實現(xiàn)方法、數(shù)據(jù)接口以及人機界面，然后以一種統(tǒng)一的形式將這些標準過程封裝為知識組件。知識組件用于完成某種特定工作，可以具有輸入/輸出數(shù)據(jù)端口，也可具有人機交互界面。知識組件由于封裝了設(shè)計分析工具的操作過程、使用方法、設(shè)計規(guī)則以及設(shè)計流程，因此設(shè)計人員可以通過人機界面輸入控制數(shù)據(jù)，由
知識組件完成具體而繁瑣的操作和處理過程，這樣一方面減輕了設(shè)計人員的工作量，提高了工作效率，另一方面由于無需掌握具體的使用過程，工具使用難度大大降低，使設(shè)計人員
可專注于設(shè)計本身，更重要的是，知識組件實現(xiàn)了設(shè)計和分析知識的形式化，從而使設(shè)計分析知識得以積累、共享和重用。 在設(shè)計過程中，通過一個統(tǒng)一的環(huán)境使用知識組件以完成各個環(huán)節(jié)的設(shè)計、建模、分析、數(shù)據(jù)處理等工作，同時，可通過無需編程的方式定義這些知識組件之間的數(shù)據(jù)關(guān)系和執(zhí)行關(guān)系，建立這些知識組件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而同步形成設(shè)計過程模型。之所以無需編程，是因為各個組件均具有標準形式。無須編程定義數(shù)據(jù)關(guān)系的工作方式，大大減輕了傳統(tǒng)上需要手工銜接數(shù)據(jù)流的工作量，而且便于進行各種不同方式的連接，實現(xiàn)高度靈活的模塊化設(shè)計，而知識組件的執(zhí)行關(guān)系則記錄了設(shè)計歷程和邏輯，通過這一關(guān)系將可以重演設(shè)計分析過程，或者實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)更改。這一步驟的重要特征是，設(shè)計過程模型可根據(jù)產(chǎn)品的不同構(gòu)成，選擇不同知識組件，并在設(shè)計過程中動態(tài)定義關(guān)聯(lián)關(guān)系后同步形成，而非預(yù)先固定，這樣不僅允許設(shè)計過程的極大靈活性，而且還實現(xiàn)了設(shè)計過程的可追溯性和可重復性。 該方法的一個實例中，設(shè)計分析過程中的文件解析、表達式運算、命令執(zhí)行、腳本運行、CAD操作、CAE操作、數(shù)據(jù)庫操作、報表生成等基礎(chǔ)性的、普遍性的操作過程被分別封裝為知識組件，這些組件構(gòu)成了可完成各種設(shè)計分析過程的粒度最小的、功能完備的組件
隹A朱n o 該方法的一個實例中，在建立知識組件時，是通過無需編程的方式，將若干子知識組件以及它們之間的數(shù)據(jù)關(guān)系和執(zhí)行關(guān)系封裝為母知識組件，從而可以完成復雜的設(shè)計分析功能。由于無需編程，普通設(shè)計人員也可以建立這樣的知識組件。而母知識組件在使用時，其內(nèi)部封裝的子知識組件可選擇被相同類別的子知識組件替換，并可通過某種規(guī)則或手工方式重建內(nèi)部的數(shù)據(jù)關(guān)系和執(zhí)行關(guān)系。 該方法的一個實例中，建立一個包含使用說明、設(shè)計規(guī)范、設(shè)計經(jīng)驗等知識的數(shù)據(jù)庫，然后建立知識組件與該數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的關(guān)聯(lián)關(guān)系，當選用知識組件、操作人機界面、定義數(shù)據(jù)關(guān)系執(zhí)行關(guān)系時，可以自動顯示相關(guān)聯(lián)的知識。 該方法的一個實例中，在定義知識組件之間的數(shù)據(jù)關(guān)系時直接定義知識組件數(shù)據(jù)端口之間的數(shù)據(jù)映射關(guān)系。 該方法的一個實例中，在使用知識組件時，知識組件間的數(shù)據(jù)關(guān)系是根據(jù)預(yù)先定 義的規(guī)則自動建立的。例如根據(jù)名稱和類型一致時形成一個數(shù)據(jù)流的規(guī)則自動建立知識組 件之間的數(shù)據(jù)關(guān)系。 該方法的一個實例中，知識組件之間的執(zhí)行關(guān)系定義了知識組件執(zhí)行時的邏輯關(guān) 系、數(shù)據(jù)驅(qū)動關(guān)系、時間特性、消息觸發(fā)機制或他們的一種組合關(guān)系。邏輯關(guān)系包含串行、并 行、分支等關(guān)系，規(guī)定了知識組件在執(zhí)行時的邏輯上的條件。當知識組件之間存在數(shù)據(jù)關(guān)系 時，可以通過數(shù)據(jù)驅(qū)動關(guān)系定義知識組件執(zhí)行時的數(shù)據(jù)條件，例如只有當上游數(shù)據(jù)發(fā)生變 化時才執(zhí)行知識組件。時間特性規(guī)定了知識組件在執(zhí)行時的時間條件。消息觸發(fā)機制則規(guī) 定了知識組件在執(zhí)行時的隨機事件條件，當某隨機事件發(fā)生時，知識組件收到該事件的消 息，從而滿足啟動執(zhí)行的必要條件。可以任意組合這四種關(guān)系定義知識組件啟動執(zhí)行的條 件，并定義這些條件之間的邏輯關(guān)系。 該方法的一個實例中，使用知識組件時，知識組件的執(zhí)行關(guān)系是根據(jù)預(yù)先定義的 規(guī)則自動生成的。例如，預(yù)先定義各類型知識組件之間的執(zhí)行邏輯關(guān)系，在使用知識組件時 根據(jù)其類型自動建立與其他知識組件之間的執(zhí)行關(guān)系。 該方法的一個實例中，通過知識組件建立了設(shè)計過程模型后，可以將該模型發(fā)布 為一個知識組件，并可以定制該知識組件的輸入/輸出數(shù)據(jù)端口和人機界面。這樣，即可積 累、管理和重用成功的設(shè)計過程。 該方法的一個實例中，一旦成功完成設(shè)計過程并建立了設(shè)計過程模型，當再次進 行相似的設(shè)計時，即可選用并執(zhí)行該設(shè)計過程模型，按照預(yù)定的步驟引導設(shè)計人員逐步設(shè) 置各環(huán)節(jié)的控制參數(shù)，直至完成設(shè)計分析工作。通過該種方式，不僅可大大提高相似設(shè)計的 工作效率，而且通過重用成功的設(shè)計過程，可以大大降低新手學習和開展設(shè)計工作的難度， 并規(guī)范化設(shè)計過程。 該方法的一個實例中，由于設(shè)計過程模型在設(shè)計過程中同步生成，當設(shè)計方案需 要進行更改時，可以增加、刪除或替換設(shè)計過程模型中的知識組件，可以更改設(shè)計過程模型 的數(shù)據(jù)關(guān)系和執(zhí)行關(guān)系，也可以改變設(shè)計過程模型中知識組件的控制數(shù)據(jù)，然后部分或全 部執(zhí)行設(shè)計過程模型，即可完成設(shè)計更改。這種方式避免了設(shè)計更改過程中大量的人工重 復勞動，可以大大提高設(shè)計更改的效率，加速設(shè)計迭代過程。 該方法的一個實例中，可以根據(jù)預(yù)定義的規(guī)則，例如根據(jù)設(shè)計過程模型中的某些 輸出數(shù)據(jù)，利用某種優(yōu)化算法自動改變設(shè)計過程模型中知識組件的控制數(shù)據(jù)，然后自動執(zhí) 行部分或全部設(shè)計過程模型，如此不斷重復直至得到所需的設(shè)計結(jié)果。這種方法使得在完 成一個設(shè)計過程后，可以馬上利用所形成的設(shè)計過程模型進行設(shè)計優(yōu)化。
本發(fā)明的技術(shù)效果 針對傳統(tǒng)設(shè)計不重視方法整理和重用的缺點，通過建立知識組件，有效實現(xiàn)了設(shè) 計知識的固化、共享和重用。針對手工作坊式的傳統(tǒng)設(shè)計過程，通過使用知識組件進行設(shè) 計，大大解放了人力，提高了效率，降低了門檻。 針對傳統(tǒng)設(shè)計需要大量人工銜接設(shè)計環(huán)節(jié)的缺點，通過將數(shù)據(jù)端口標準化，以及 無需編程地定義知識組件之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，大大減輕了數(shù)據(jù)流處理的工作量，并實現(xiàn)了高 度靈活的模塊化設(shè)計。針對傳統(tǒng)設(shè)計更改困難、設(shè)計迭代效率低下的問題，通過在設(shè)計過程
7同步建立設(shè)計過程模型，以及更改和執(zhí)行設(shè)計過程模型，實現(xiàn)了快速的設(shè)計更改和設(shè)計迭代。 針對傳統(tǒng)設(shè)計過程缺乏引導、規(guī)范性差的缺點，通過重用設(shè)計過程模型，以及關(guān)聯(lián)
知識庫，實現(xiàn)了知識向?qū)У脑O(shè)計，提高了工作效率，降低了門檻，規(guī)范了設(shè)計過程。 針對目前設(shè)計過程中工具零散、不成體系、難以管理的問題，通過統(tǒng)一的環(huán)境進行
集成化的設(shè)計、分析和數(shù)據(jù)處理等工作，大大方便了工具的使用。 針對目前各種工具進行功能擴展時需要專業(yè)性開發(fā)的問題，本方法通過無需編程的方式即可定制和增加新的知識組件，從而使設(shè)計人員自行即可進行功能擴展。針對當前的集成技術(shù)不適合變化多樣的設(shè)計過程的缺點，本發(fā)明通過在設(shè)計過程中選擇不同的知識組件，以及無需編程地動態(tài)定義數(shù)據(jù)關(guān)系和執(zhí)行關(guān)系，從而可進行不同類型的產(chǎn)品設(shè)計，實現(xiàn)了設(shè)計過程的極大靈活性。


圖1是集成化工程設(shè)計系統(tǒng)。圖2是實現(xiàn)圖1系統(tǒng)中知識組件的一種標準形式。圖3是各種設(shè)計分析過程的粒度最小的、功能完備的組件集合。圖4是建立知識組件之間數(shù)據(jù)關(guān)系的一種具體方式。圖5是判斷兩個參數(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)實體是否一致，如果一致則自動建立數(shù)據(jù)映射。圖6是無需編程建立知識組件之間執(zhí)行關(guān)系的一種方式。圖7是設(shè)計過程模型中的執(zhí)行關(guān)系。圖8是執(zhí)行引擎的結(jié)構(gòu)圖。圖9是飛機機翼翼盒結(jié)構(gòu)設(shè)計分析所涉及到的知識組件和方法。圖10-a是2維蒙皮類知識組件人機交互界面。圖10-b是2維翼梁類知識組件人機交互界面。圖10-c是2維翼肋類知識組件人機交互界面。圖10-d是2維長桁類知識組件人機交互界面。圖11是使用2維布置知識組件建立的結(jié)構(gòu)布置模型。圖12-a是3維蒙皮類知識組件人機交互界面。圖12-b是3維翼梁類知識組件人機交互界面。圖12-c是3維翼肋類知識組件人機交互界面。圖12-d是3維長桁類知識組件人機交互界面。圖13是使用3維結(jié)構(gòu)知識組件建立的結(jié)構(gòu)三維模型。圖14是一個比較固定強度分析的過程。圖15是重用已有的強度分析過程模型進行機翼翼盒強度分析所獲得的強度分布云圖。
具體實施例方式
實施例1 設(shè)計一個實現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)內(nèi)容的集成化工程設(shè)計系統(tǒng)。如圖1錯誤！未找到引用源。所示，該系統(tǒng)包括人機界面定制模塊、數(shù)據(jù)定義模塊、知識封裝模塊、流程定義模塊、數(shù)
據(jù)映射定義模塊、第三方工具集成、執(zhí)行與監(jiān)控、知識組件庫和知識信息數(shù)據(jù)庫。 人機界面定制模塊定義知識組件的人機交互界面，使得用戶可以通過交互界面控
制知識組件的內(nèi)部過程； 數(shù)據(jù)定義模塊用于定義知識組件的輸入/輸出數(shù)據(jù)接口，以及所涉及到的所有其 他數(shù)據(jù)集合； 知識封裝模塊實現(xiàn)設(shè)計方法、設(shè)計經(jīng)驗等知識的封裝； 流程定義模塊用于定義知識組件內(nèi)部的知識組件、操作、方法之間的控制邏輯關(guān) 系，形成設(shè)計流程模型； 數(shù)據(jù)映射定義模塊用于定義知識組件內(nèi)部的知識組件、操作、方法之間的數(shù)據(jù)映 射關(guān)系； 第三方工具集成采用兩種集成方式。 一種是外部調(diào)用方式，系統(tǒng)可以通過命令行 或訪問接口調(diào)用第三方工具；另外一種是內(nèi)部嵌入方式，即將第三方工具的界面嵌入到系 統(tǒng)內(nèi)部，實現(xiàn)緊密的人機交互操作； 執(zhí)行與監(jiān)控模塊負責執(zhí)行知識組件，并監(jiān)控知識組件的運行數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)；
知識組件庫用于將所有知識組件相關(guān)數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫中，包括知識組件輸入/ 輸出數(shù)據(jù)、人機界面數(shù)據(jù)、流程數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)映射關(guān)系數(shù)據(jù)等； 知識信息數(shù)據(jù)庫記錄了知識組件的使用說明、設(shè)計規(guī)范、設(shè)計經(jīng)驗等信息，并關(guān)聯(lián) 至相應(yīng)的知識組件。 錯誤！未找到引用源。是實現(xiàn)圖l系統(tǒng)中知識組件的一種標準形式，主要包括數(shù) 據(jù)接口 、控制接口 、人機交互接口 、消息接口和第三方工具接口 。其中數(shù)據(jù)接口用于知識組 件與外部環(huán)境的數(shù)據(jù)交互，通過數(shù)據(jù)接口知識組件可以獲得外部數(shù)據(jù)，并且將知識組件內(nèi) 部數(shù)據(jù)傳遞到外部環(huán)境中去；控制接口用于定義知識組件與其上下游知識組件之間的控制 邏輯關(guān)系，分為前驅(qū)控制接口和后繼控制接口 ，前驅(qū)控制接口用于接收上游知識組件的控 制信息，后繼控制接口用于向下游知識組件發(fā)送控制信息；人機交互接口提供使用人員與 知識組件的交互接口 ；消息接口用于接收外部的消息信息；第三方工具接口提供訪問第三 方工具的接口。 可按錯誤！未找到引用源。所示的形式，將工程設(shè)計、分析過程中的一些基礎(chǔ)性、 普遍性的操作，封裝為可在圖l所示系統(tǒng)中使用的知識組件。這些組件構(gòu)成了可完成各種 設(shè)計分析過程的粒度最小的、功能完備的組件集合的圖3。 知識組件具有標準化的形式，因此可在圖1所示系統(tǒng)中方便地組合起來實現(xiàn)復雜 功能，這種組合需要建立知識組件的數(shù)據(jù)關(guān)系和執(zhí)行關(guān)系，并且無需編程。
錯誤！未找到引用源。顯示了建立上述知識組件之間數(shù)據(jù)關(guān)系的一種具體方式。 由于具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口形式，因此數(shù)據(jù)關(guān)系的建立表現(xiàn)為知識組件數(shù)據(jù)接口之間的數(shù)據(jù) 映射關(guān)系，而這種數(shù)據(jù)接口之間的映射關(guān)系無需編程，采用圖形化的形式就可以建立。如圖 中，通過無需編程的方式所建立的知識組件A的參數(shù)y2、 y3與知識組件B的參數(shù)x2、 x3之 間的數(shù)據(jù)映射，以及知識組建A的參數(shù)y2與知識組件C的參數(shù)x4之間的數(shù)據(jù)映射，最終形 成了知識組件A與知識組件B、知識組件C之間的數(shù)據(jù)流向關(guān)系。由于無需編程，這種方式 不僅大大減輕了手工銜接數(shù)據(jù)流的工作量，而且便于進行知識組件的各種連接，實現(xiàn)高度
9靈活的模塊化設(shè)計。 除此之外，知識組件之間的數(shù)據(jù)關(guān)系也可以根據(jù)規(guī)則自動建立 1、例如，根據(jù)知識組件輸入?yún)?shù)的名稱和類型，搜索其他知識組件輸出參數(shù)中是
否存在名稱與類型完全一致的參數(shù)，如果存在則自動建立兩個參數(shù)之間的數(shù)據(jù)映射，從而
實現(xiàn)知識組件之間數(shù)據(jù)關(guān)系的自動建立。 2、再例如，判斷兩個參數(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)實體是否一致，如果一致則自動建立數(shù)據(jù)映 射。在圖5錯誤！未找到引用源。中，知識組件A建立了一個CAD模型，其參數(shù)yl指向 CAD模型中的一條線"Line. 1 "。知識組件B的y4參數(shù)通過拾取操作選擇了 CAD模型中的 "Line, l"元素。由于這兩個參數(shù)共同指向同一個數(shù)據(jù)實體，即CAD線元素"Line. l"，因此 yl與y4自動建立數(shù)據(jù)映射關(guān)系，從而實現(xiàn)知識組件A與知識組件B之間數(shù)據(jù)關(guān)系的自動建 圖6顯示了無需編程建立知識組件之間執(zhí)行關(guān)系的一種方式，知識組件的控制流 是通過知識組件的控制接口之間的遷移線建立的，而并行、分支、循環(huán)等控制邏輯是通過并 行、分支、循環(huán)等控制節(jié)點建立的。 除此之外，知識組件之間的控制邏輯關(guān)系也可以根據(jù)規(guī)則自動建立 1、例如，預(yù)先定義各類型知識組件之間的控制邏輯關(guān)系，在使用知識組件時根據(jù)
其類型自動建立與其他知識組件之間的控制邏輯關(guān)系。 2、再例如，根據(jù)用戶使用知識組件完成工程設(shè)計、分析任務(wù)時的先后順序，自動建 立知識組件之間的控制邏輯關(guān)系。 通過以上方式，可在圖1所示系統(tǒng)中選擇若干子知識組件并定義它們之間的數(shù)據(jù) 關(guān)系和執(zhí)行關(guān)系，然后通過無須編程的方式將它們封裝為一個新的知識組件(母知識組 件)，該母知識組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示，其中 人機交互界面包含各種類型的人機交互控件。其中，數(shù)據(jù)控件用于將母知識組件 中的數(shù)據(jù)暴露給使用者，通過數(shù)據(jù)控件，使用者可以修改和查看母知識組件中的數(shù)據(jù)。消息 控件可以綁定消息注冊中心的某一消息，通過消息控件，使用者可以觸發(fā)一個消息事件；
消息注冊中心可以建立和管理與母知識組件相關(guān)的各種消息，并將消息發(fā)送到需 要響應(yīng)該消息的內(nèi)部子知識組件上，以觸發(fā)相應(yīng)的動作； 知識信息索引記錄了母知識組件各種活動與知識信息庫中的使用規(guī)范、設(shè)計說 明、經(jīng)驗知識等信息之間的索引關(guān)系，并在母知識組件進行某項活動時自動從知識信息庫 中提取相關(guān)信息； 計時器可以根據(jù)母知識組件設(shè)定的時間點向消息注冊中心發(fā)送時間消息； 工具注冊中心記錄了接入母知識組件的第三方工具的相關(guān)信息，包括第三方工具
的訪問接口、數(shù)據(jù)接口、啟動機制等； 內(nèi)部的若干子知識組件通過數(shù)據(jù)流和控制流的方式關(guān)聯(lián)起來，形成設(shè)計過程模 型。 圖7中的設(shè)計過程模型中的執(zhí)行關(guān)系可包括邏輯驅(qū)動、數(shù)據(jù)驅(qū)動、時間驅(qū)動、消息 驅(qū)動四種。其中， 邏輯驅(qū)動定義了知識組件在執(zhí)行時的邏輯上的條件，通過知識組件控制接口之間 的遷移線和控制邏輯節(jié)點建立。邏輯條件滿足，即意味著知識組件的前驅(qū)控制接口連接的所有知識組件已經(jīng)運行完成。 數(shù)據(jù)驅(qū)動定義知識組件執(zhí)行時的數(shù)據(jù)條件，例如只有當上游數(shù)據(jù)發(fā)生變化時才執(zhí)
行該知識組件。數(shù)據(jù)驅(qū)動關(guān)系是通過知識組件數(shù)據(jù)接口之間的映射線建立。 時間驅(qū)動定義了知識組件在執(zhí)行時的時間條件。通過計時器確定當前時間，并與
知識組件所設(shè)置的啟動時間進行比較。如果到達啟動時間，則時間驅(qū)動條件滿足。 消息驅(qū)動規(guī)定了知識組件在執(zhí)行時的隨機事件條件，當某隨機事件發(fā)生時，知識
組件通過消息接口收到該事件的消息，從而滿足消息觸發(fā)條件。 可以任意組合這四種驅(qū)動條件，定義知識組件啟動執(zhí)行的條件，并且可以設(shè)置這 些條件之間的邏輯關(guān)系(如與、或等邏輯關(guān)系)。 圖7所示的母知識組件在被使用時，其內(nèi)部的子知識組件可以看作是"黑盒"。因 此可以被相同類別的子知識組件替換，替換后執(zhí)行關(guān)系不發(fā)生變化，數(shù)據(jù)接口 一致的，保持 原來的數(shù)據(jù)關(guān)系；不一致的則可以進行調(diào)整。 圖7知識組件中的一條知識信息索引可以關(guān)聯(lián)到知識庫中的一條知識信息。該知 識信息包括名稱、檢索關(guān)鍵詞、專業(yè)、問題描述、設(shè)計規(guī)范、參考經(jīng)驗、參數(shù)經(jīng)驗取值、工作原 理等內(nèi)容。當選用知識組件時，通過該知識信息索引，可從知識庫中提取相關(guān)知識信息，并 自動呈現(xiàn)給使用者，從而輔助用戶更好地使用知識組件。 以上內(nèi)容闡述了在實施本發(fā)明的系統(tǒng)中，創(chuàng)建知識組件的過程和方法。下面著重 闡述使用知識組件的過程和方法。 在圖1所示系統(tǒng)中進行設(shè)計、分析時，可從知識組件庫中選擇知識組件并創(chuàng)建實 例，實例化后的知識組件可以通過執(zhí)行引擎加載并執(zhí)行。執(zhí)行引擎的結(jié)構(gòu)如錯誤！未找到 引用源。所示，包括調(diào)度器、規(guī)則引擎和執(zhí)行器。其中調(diào)度器負責為規(guī)則引擎提供知識組件 (調(diào)度器首先根據(jù)數(shù)據(jù)流、控制流定義，將執(zhí)行器中正在運行的知識組件的后繼組件調(diào)度到 引擎中，并分別將滿足時間條件和消息觸發(fā)條件的知識組件調(diào)度到引擎中，然后經(jīng)過整理 后發(fā)送到規(guī)則引擎)；規(guī)則引擎判斷知識組件是否可以執(zhí)行(規(guī)則引擎首先獲得決定知識 組件啟動條件的數(shù)據(jù)、控制、時間和消息的組合邏輯表達式，然后計算該邏輯表達式是否為 真，如果為真表示知識組件可以運行，否則繼續(xù)等待)；執(zhí)行器接受來自規(guī)則引擎?zhèn)鱽淼闹?識組件，并根據(jù)知識組件的類型調(diào)用相應(yīng)的執(zhí)行方法。 通過以上方式，可在圖l所示系統(tǒng)中不斷調(diào)用知識組件完成各環(huán)節(jié)的工作，同時， 以無需編程的方式動態(tài)地建立知識組件之間的數(shù)據(jù)關(guān)系和執(zhí)行關(guān)系，從而逐步建立設(shè)計過 程模型。根據(jù)需要，該模型可被封裝為一個新的知識組件，并定義其數(shù)據(jù)接口和人機交互界 面，從而實現(xiàn)設(shè)計過程的固化、共享和重用。 在本發(fā)明中，設(shè)計過程模型可隨設(shè)計的進行而動態(tài)、同步形成，不同于傳統(tǒng)的先定 義流程然后執(zhí)行流程完成設(shè)計的模式，因此可以適合于靈活多變的設(shè)計過程。而一旦完成 設(shè)計過程，這一成功的設(shè)計過程模型又可保存下來，當再次遇到同樣的設(shè)計問題時，通過重 新執(zhí)行該設(shè)計過程模型，就可引導設(shè)計人員按預(yù)定步驟完成設(shè)計分析過程，不僅大大提高 了效率，降低了設(shè)計難度，而且也規(guī)范了設(shè)計過程。 由于設(shè)計過程模型是在使用知識組件進行設(shè)計的過程中同步產(chǎn)生，這種模型忠實 代表了設(shè)計過程，因此，當需要進行設(shè)計變更時，可以通過增加、刪除或替換設(shè)計過程模型 中的知識組件，或更改設(shè)計過程模型的數(shù)據(jù)關(guān)系和執(zhí)行關(guān)系，或改變設(shè)計過程模型中知識
11組件的控制數(shù)據(jù)，然后部分或全部執(zhí)行設(shè)計過程模型，即可完成過程重演，實現(xiàn)方案變更。
在使用知識組件進行設(shè)計的過程中，設(shè)計過程模型還可以用來進行設(shè)計優(yōu)化。設(shè) 計過程模型中記錄了知識組件之間的控制流關(guān)系和數(shù)據(jù)流關(guān)系，執(zhí)行引擎根據(jù)這兩種關(guān)系 可以自動化地驅(qū)動知識組件按照合理的順序自動化地執(zhí)行，從而構(gòu)成進行優(yōu)化的前提條 件。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化的具體步驟如下 第一步選擇設(shè)計過程模型的輸入數(shù)據(jù)作為優(yōu)化的設(shè)計變量；
第二步選擇設(shè)計過程模型的輸出數(shù)據(jù)作為優(yōu)化的設(shè)計目標； 第三步選擇設(shè)計過程模型的輸出數(shù)據(jù)作為優(yōu)化的約束條件，并設(shè)置約束取值范 圍； 第四步選擇具體的優(yōu)化算法； 第五步獲得優(yōu)化器設(shè)計變量的取值，賦給對應(yīng)的設(shè)計過程的輸入?yún)?shù)；
第六步執(zhí)行引擎驅(qū)動設(shè)計過程自動化地運行； 第七步獲得設(shè)計過程的輸出參數(shù)，賦給優(yōu)化器的設(shè)計目標和設(shè)計約束； 第八步判斷優(yōu)化是否收斂，如果不收斂，則自動改變設(shè)計變量的取值，并跳轉(zhuǎn)到
第五步； 第九步輸出最優(yōu)設(shè)計方案，結(jié)束。
實施例2 應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案開展飛機部件的具體工程設(shè)計實施例如下 飛機機翼翼盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計包含多個專業(yè)，需要使用多種設(shè)計、分析工具，設(shè)計過程
非常復雜， 一旦某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題必然延長設(shè)計周期，影響設(shè)計任務(wù)的完成。通過本發(fā)明提
供的方法，可以使用知識組件快速完成飛機機翼翼盒結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析。 圖9顯示的是飛機機翼翼盒結(jié)構(gòu)設(shè)計分析所涉及到的知識組件和方法。機翼翼 盒結(jié)構(gòu)設(shè)計分為翼肋設(shè)計、梁翼設(shè)計、長桁設(shè)計和蒙皮設(shè)計，分別需要CAD建模、CAD參數(shù)讀 寫、CAD特征元素替換、曲面造型、坐標變換等設(shè)計操作。機翼翼盒結(jié)構(gòu)分析需要進行結(jié)構(gòu) 有限元計算，需要經(jīng)歷網(wǎng)格劃分、載荷施加、材料選擇、求解計算等步驟。通過不同的封裝方 法，可以將這些操作和步驟封裝為知識組件，從而構(gòu)成飛機機翼翼盒結(jié)構(gòu)設(shè)計分析的專業(yè) 知識組件集合。 飛機機翼翼盒結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程包括兩部分，即結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)分析。 結(jié)構(gòu)設(shè)計部分包括10根翼肋、2根翼梁、10根長桁、4根短梁、2塊蒙皮的設(shè)計和建
模，需要使用4類2維布置知識組件、4類3維結(jié)構(gòu)知識組件搭建而成。結(jié)構(gòu)設(shè)計模型在使
用結(jié)構(gòu)設(shè)計知識組件進行設(shè)計的過程中動態(tài)地建立起來。 圖10是2維布置知識組件的人機交互界面，其中圖10-a是2維蒙皮類知識組件 人機交互界面；圖10-b是2維翼梁類知識組件人機交互界面；圖10-c是2維翼肋類知識組 件人機交互界面；圖10-d是2維長桁類知識組件人機交互界面。
圖11是使用2維布置知識組件建立的結(jié)構(gòu)布置模型。 圖12是3維結(jié)構(gòu)知識組件的人機交互界面，其中圖12-a是3維蒙皮類知識組件 人機交互界面；圖12-b是3維翼梁類知識組件人機交互界面；圖12-c是3維翼肋類知識組 件人機交互界面；圖12-d是3維長桁類知識組件人機交互界面。
圖13是使用3維結(jié)構(gòu)知識組件建立的結(jié)構(gòu)三維模型。
結(jié)構(gòu)分析是在結(jié)構(gòu)設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，通過調(diào)用有限元分析知識組件對機翼翼盒
的強度進行分析計算。強度分析是一個比較固定的過程(如圖14所示)，因此可以重用已
有的強度分析過程模型，通過向?qū)降姆绞揭龑Чこ倘藛T完成強度分析。 圖15是重用已有的強度分析過程模型進行機翼翼盒強度分析所獲得的強度分布云圖。
權(quán)利要求
一種基于知識組件的工程設(shè)計方法，包括知識組件構(gòu)建過程、基于知識組件的設(shè)計過程，其特征在于，所述知識組件用標準形式封裝通用模塊，使知識組件獨立于設(shè)計流程或設(shè)計思想的變化，具有跨項目、跨時間、跨平臺的通用性；所述設(shè)計過程通過一個統(tǒng)一環(huán)境集成多個軟件平臺，調(diào)用所述知識組件完成各工程設(shè)計環(huán)節(jié)的工作，包括設(shè)計、建模、分析、數(shù)據(jù)處理。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工程設(shè)計方法，其特征在于，所述設(shè)計過程通過無需編程的方式定義所述知識組件之間的數(shù)據(jù)關(guān)系和執(zhí)行關(guān)系，建立這些知識組件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而形成設(shè)計過程模型。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工程設(shè)計方法，其特征在于，所述通用模塊包括工程設(shè)計、工程分析過程中的操作、方法、規(guī)則或流程。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工程設(shè)計方法，其特征在于，所述通用模塊為工程設(shè)計分析過程中的文件解析、表達式運算、命令執(zhí)行、腳本運行、CAD操作、CAE操作、數(shù)據(jù)庫操作、報表生成等基礎(chǔ)操作。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工程設(shè)計方法，其特征在于，所述知識組件具有輸入/輸出數(shù)據(jù)端口 ，也可具有人機交互界面。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5的任一項所述的工程設(shè)計方法，其特征在于，所述知識組件構(gòu)建過程還包括，通過無需編程的方式，將若干子知識組件以及它們之間的數(shù)據(jù)關(guān)系和執(zhí)行關(guān)系封裝為母知識組件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的工程設(shè)計方法，其特征在于，所述設(shè)計過程中，調(diào)用所述母知識組件時，其內(nèi)部封裝的子知識組件可被替換。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工程設(shè)計方法，其特征在于，所述工程設(shè)計方法還包括如下過程，建立一個包含使用說明、設(shè)計規(guī)范、設(shè)計經(jīng)驗等知識的數(shù)據(jù)庫，然后建立所述知識組件與該數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)關(guān)系，當使用所述知識組件時可以自動顯示相關(guān)聯(lián)的知識。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的工程設(shè)計方法，其特征在于，定義所述知識組件之間的數(shù)據(jù)關(guān)系時直接定義知識組件端口之間的數(shù)據(jù)映射關(guān)系。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的工程設(shè)計方法，其特征在于，調(diào)用所述知識組件時，所述知識組件間的數(shù)據(jù)關(guān)系根據(jù)預(yù)先定義的規(guī)則自動建立。
11. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的工程設(shè)計方法，其特征在于，所述知識組件之間的執(zhí)行關(guān)系定義了知識組件執(zhí)行時的邏輯關(guān)系、數(shù)據(jù)驅(qū)動關(guān)系、時間特性、消息觸發(fā)機制或它們的一種組合關(guān)系。
12. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的工程設(shè)計方法，其特征在于，調(diào)用所述知識組件時，所述知識組件的執(zhí)行關(guān)系根據(jù)預(yù)先定義的規(guī)則自動生成。
13. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的工程設(shè)計方法，其特征在于，所述設(shè)計過程模型可作為通用模塊被封裝為知識組件。
14. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的工程設(shè)計方法，其特征在于，所述設(shè)計過程是通過執(zhí)行一個設(shè)計過程模型，按預(yù)定的步驟引導設(shè)計人員完成設(shè)計分析工作。
15. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的工程設(shè)計方法，其特征在于，所述設(shè)計過程中需要進行設(shè)計更改時，可以增加、刪除或替換所述設(shè)計過程模型中的知識組件，可以更改所述設(shè)計過程模型的數(shù)據(jù)關(guān)系和執(zhí)行關(guān)系，也可以改變所述設(shè)計過程模型中知識組件的控制數(shù)據(jù)，然后部分或全部執(zhí)行所述設(shè)計過程模型。
16.根據(jù)權(quán)利要求2的工程設(shè)計方法，其特征在于，所述設(shè)計過程模型的控制數(shù)據(jù)可以根據(jù)預(yù)定義的規(guī)則自動改變，然后自動執(zhí)行部分或全部所述設(shè)計過程模型，如此不斷重復 直至得到所需的設(shè)計結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種工程設(shè)計方法，包括知識組件構(gòu)建過程、基于知識組件的設(shè)計過程，其特征在于，所述知識組件用標準形式封裝通用模塊，使知識組件獨立于設(shè)計流程或設(shè)計思想的變化，具有跨項目、跨時間、跨平臺的通用性；所述設(shè)計過程通過一個統(tǒng)一環(huán)境集成多個軟件平臺，調(diào)用所述知識組件完成各工程設(shè)計環(huán)節(jié)的工作。所述通用模塊包括工程設(shè)計、工程分析過程中的操作、方法、規(guī)則或流程。所述設(shè)計過程可以通過無需編程的方式定義所述知識組件之間的數(shù)據(jù)關(guān)系和執(zhí)行關(guān)系，建立這些知識組件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。本發(fā)明能優(yōu)化工程設(shè)計過程，通過知識組件的集成化應(yīng)用，動態(tài)生成、變更、執(zhí)行和重用設(shè)計過程，從而提高工程設(shè)計的效率。
文檔編號G06F17/50GK101739484SQ20081022595
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月7日
發(fā)明者李義章, 王振華 申請人:北京索為高科系統(tǒng)技術(shù)有限公司