一种复杂产品设计系统

1.本发明涉及复杂产品设计技术领域，特别是涉及一种复杂产品设计系统。


背景技术：

2.复杂产品是集多种学科知识于一体的综合体，特征为：多系统，即产品设计时会分解出很多的子系统；多尺度，即复杂产品的大小，大到航母，小到一个发动机等等；多领域，即设计复杂产品所涉及到的产品知识是多领域的。工程背景下的涉及多领域、多学科的产品即复杂产品，例如热交换器，在设计时需要考虑热动力设计和机械设计两个部分，总体设计时还需要考虑成本和施工设计。
3.在复杂产品设计过程中，设计人员往往通过修改已有的设计方案使复杂产品满足新的设计需求，以缩短设计时间并保证设计质量。在大部分复杂产品的创新设计中，对以往的设计参考较多，而且设计中会需要遵循大量的设计规则，并依靠设计人员的经验进行决策，导致其设计过程需要耗费大量的时间，设计效率较低，同时对领域知识也缺乏科学有效地继承。因此，对于复杂产品的传统设计模式和方法已经不能满足现代产品研制的需要，特别需要一种自动化、智能化的复杂产品设计方法来代替。
4.当前针对复杂产品的设计模型以及设计过程建模，一部分关注于某些特定问题的分析与综合，一部分则关注于设计中业务流程设计活动的规划。但目前的研究中很少有考虑过决策过程的设计，即主要包含设计问题的划分和决策活动的规划，描述设计人员在决策工作流中的过程行为。因此，需要针对复杂产品设计中决策工作流的“元设计”需求和特点，构建一种可以描述设计人员在设计决策过程中的过程行为的复杂产品设计系统。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种复杂产品设计系统，以描述设计人员在设计决策过程中的过程行为。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种复杂产品设计系统，所述系统包括设计问题输入模块、决策过程模板检索模块、判断模块、决策过程模板修改模块、决策过程实例创建模块、决策过程模板模块和知识工具模块；
8.所述设计问题输入模块用于获取用户输入的设计问题；所述设计问题包括设计对象、多个设计指标、各所述设计指标的权重以及各所述设计指标的阈值；
9.所述决策过程模板检索模块用于根据所述设计问题检索决策模板；所述决策模板包括设计过程模板、阶段过程模板、事件过程模板、决策过程模板和任务过程模板；
10.所述判断模块用于判断检索出的决策模板是否可以重用；
11.所述决策过程模板修改模块用于当所述判断模块的输出结果为是时，根据所述设计指标对检索出的所述决策模板进行修改，使检索出的所述决策模板匹配并应用于所述设计问题，得到修改后的决策模板；
12.所述决策过程实例创建模块用于当所述判断模块的输出结果为否时，在所述决策过程模板模块中重新创建与所述设计问题匹配的决策模板，并从所述决策过程模板模块中获取与所述设计问题匹配的所述决策模板后，存储与所述设计问题匹配的所述决策模板；
13.所述决策过程模板修改模块还用于对与所述设计问题匹配的所述决策模板或修改后的所述决策模板进行一致性检查，得到符合一致性的决策模板；
14.所述决策过程实例创建模块还用于从所述决策过程模板修改模块中获取符合一致性的所述决策模板，并利用所述知识工具模块对符合一致性的所述决策模板进行求解，生成所述设计对象的设计方案。
15.可选地，所述决策过程模板检索模块具体包括语义检索单元、本体库和特征检索单元；
16.所述本体库用于存取决策模板；
17.所述语义检索单元用于根据所述设计问题，基于语义相似度从所述本体库中检索所述决策模板；
18.所述特征检索单元用于根据所述设计问题，基于所述设计对象的特征从所述本体库中检索所述决策模板。
19.可选地，所述决策过程模板修改模块具体包括决策过程模板修改单元、决策过程模板一致性检查单元和规则库；
20.所述决策过程模板修改单元用于当所述判断模块的输出结果为是时，根据所述设计指标对检索出的决策模板进行修改，使检索出的所述决策模板匹配并应用于所述设计问题，得到修改后的决策模板；
21.所述决策过程模板一致性检查单元用于对与所述设计问题匹配的决策模板或修改后的所述决策模板进行一致性检查，得到符合一致性的决策模板；
22.所述规则库用于存取决策模板修改规则；所述决策过程模板一致性检查单元根据所述决策模板修改规则检查所述决策模板与所述设计问题是否匹配。
23.可选地，所述决策过程实例创建模块具体包括过程建模面板单元、过程建模工具单元、过程建模要素单元、可执行知识组件单元、决策求解单元、可视化单元、决策过程管理单元和决策过程实例库；
24.所述过程建模面板单元用于创建决策模板的面板；
25.所述过程建模工具单元用于当所述判断模块的输出结果为否时，在所述决策过程模板模块中重新创建与所述设计问题匹配的决策模板；
26.所述过程建模要素单元用于提供创建决策模板所需要素；
27.所述可执行知识组件单元用于从决策过程知识模块获取决策模板的知识，并存储所述决策模板的知识；
28.所述决策求解单元用于从所述决策过程模板修改模块中获取符合一致性的所述决策模板，并利用所述知识工具模块对符合一致性的决策模板进行求解，生成所述设计对象的设计方案；
29.所述可视化单元用于利用所述知识工具模块对所述设计方案进行可视化表达，得到可视化结果；
30.所述决策过程管理单元用于增加、删除、编辑和查询决策模板；
31.所述决策过程实例库用于从所述决策过程模板模块中获取与所述设计问题匹配的所述决策模板后，存储与所述设计问题匹配的所述决策模板。
32.可选地，所述系统还包括决策过程要素模块；
33.所述决策过程要素模块用于存储创建决策模板所需要素，并为所述过程建模要素单元提供创建决策模板所需要素。
34.可选地，所述系统还包括设计方案判断模块、设计方案输出模块和返回模块；
35.所述设计方案判断模块用于根据所述可视化结果，判断所述设计方案是否达到满意的结果；
36.所述设计方案输出模块用于当所述设计方案判断模块的输出结果为是时，输出所述设计方案；
37.所述返回模块用于当所述设计方案判断模块的输出结果为否时，返回所述决策过程模板修改模块重新修改决策模板。
38.可选地，所述决策过程模板模块具体包括设计过程模板库、阶段过程模板库、事件过程模板库、决策过程模板库和任务过程模板库；
39.所述设计过程模板库用于存储设计过程模板；所述阶段过程模板库用于存储阶段过程模板；所述事件过程模板库用于存储事件过程模板；所述决策过程模板库用于存储决策过程模板；所述任务过程模板库用于存储任务过程模板。
40.可选地，所述知识工具模块具体包括决策模型求解器、专业软件工具库和可视化工具库；
41.所述决策模型求解器用于对符合一致性的决策模板进行求解，生成所述设计对象的设计方案；
42.所述专业软件工具库和所述可视化工具库用于对所述设计方案进行可视化表达，得到可视化结果。
43.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
44.本发明公开的复杂产品设计系统，设置决策过程模板检索模块根据设计问题检索决策模块(包括设计过程模板、阶段过程模板、事件过程模板、决策过程模板和任务过程模板)，当检索出的决策模板可以重用时适当修改检索出的决策模板以使其匹配并应用于设计问题，当检索出的决策模板不可重用时，重新创建与设计问题匹配的决策模板，基于决策模板进行求解，生成设计对象的设计方案，通过与设计问题匹配的设计过程模板、阶段过程模板、事件过程模板、决策过程模板和任务过程模板，从而描述设计人员在设计决策过程中的过程行为，实现对决策工作流设计中的可重用信息和知识的获取、表示和存储，增加决策工作流设计的效率和效能。
附图说明
45.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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
46.图1为本发明复杂产品设计系统实施例的结构图；
47.图2为本发明复杂产品设计决策过程建模系统基本架构示意图；
48.图3为本发明复杂产品设计决策过程建模方法工作流程示意图；
49.图4为本发明过程模型与产品模型之间信息交互示意图；
50.图5为本发明系统设计的全周期过程建模示意图；
51.图6为本发明五个模板的关系示意图；
52.图7为本发明事件和任务/决策的关系示意图；
53.图8为本发明壳管式热交换器示意图。
具体实施方式
54.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。
55.本发明的目的是提供一种复杂产品设计系统，以描述设计人员在设计决策过程中的过程行为。
56.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。
57.图1为本发明复杂产品设计系统实施例的结构图。参见图1，该复杂产品设计系统包括设计问题输入模块101、决策过程模板检索模块110、判断模块102、决策过程模板修改模块120、决策过程实例创建模块130、决策过程模板模块210和知识工具模块320。
58.设计问题输入模块101用于获取用户输入的设计问题；设计问题包括设计对象、多个设计指标、各设计指标的权重以及各设计指标的阈值。
59.决策过程模板检索模块110用于根据设计问题检索决策模板；决策模板包括设计过程模板、阶段过程模板、事件过程模板、决策过程模板和任务过程模板。
60.判断模块102用于判断检索出的决策模板是否可以重用。
61.决策过程模板修改模块120用于当判断模块102的输出结果为是时，根据设计指标对检索出的决策模板进行修改，使检索出的决策模板匹配并应用于设计问题，得到修改后的决策模板。
62.决策过程实例创建模块130用于当判断模块102的输出结果为否时，在决策过程模板模块210中重新创建与设计问题匹配的决策模板，并从决策过程模板模块210中获取与设计问题匹配的决策模板后，存储与设计问题匹配的决策模板。
63.决策过程模板修改模块120还用于对与设计问题匹配的决策模板或修改后的决策模板进行一致性检查，得到符合一致性的决策模板。
64.决策过程实例创建模块130还用于从决策过程模板修改模块120中获取符合一致性的决策模板，并利用知识工具模块320对符合一致性的决策模板进行求解，生成设计对象的设计方案。
65.图2为本发明复杂产品设计决策过程建模系统基本架构示意图，是从架构层次解释系统的组成和功能。图2示出了本发明复杂产品设计决策过程建模系统(复杂产品设计系统)人机交互界面。参见图2，决策过程模板检索模块110具体包括语义检索单元111、本体库
112和特征检索单元113。
66.本体库112用于存取决策模板。
67.语义检索单元111用于根据设计问题，基于语义相似度从本体库中检索决策模板。
68.特征检索单元113用于根据设计问题，基于设计对象的特征从本体库中检索决策模板。
69.决策过程模板修改模块120具体包括决策过程模板修改单元121、决策过程模板一致性检查单元122和规则库123。
70.决策过程模板修改单元121用于当判断模块102的输出结果为是时，根据设计指标对检索出的决策模板进行修改，使检索出的决策模板匹配并应用于设计问题，得到修改后的决策模板。
71.决策过程模板一致性检查单元122用于对与设计问题匹配的决策模板或修改后的决策模板进行一致性检查，得到符合一致性的决策模板。
72.规则库123用于存取决策模板修改规则；决策过程模板一致性检查单元122根据决策模板修改规则检查决策模板与设计问题是否匹配，以实现一致性检查，得到符合一致性的决策模板。
73.决策过程实例创建模块130具体包括过程建模面板单元131、过程建模工具单元132、过程建模要素单元133、可执行知识组件单元136、决策求解单元137、可视化单元138、决策过程管理单元135和决策过程实例库134。
74.过程建模面板单元131用于创建决策模板的面板。
75.过程建模工具单元132用于当判断模块102的输出结果为否时，在决策过程模板模块210中重新创建与设计问题匹配的决策模板。
76.过程建模要素单元133用于提供创建决策模板所需要素。
77.可执行知识组件单元136用于从决策过程知识模块310获取决策模板的知识，并存储决策模板的知识。
78.决策求解单元137用于从决策过程模板修改模块120中获取符合一致性的所述决策模板，并利用知识工具模块320对符合一致性的决策模板进行求解，生成设计对象的设计方案。
79.可视化单元138用于利用知识工具模块320对设计方案进行可视化表达，得到可视化结果；
80.决策过程管理单元135用于增加、删除、编辑和查询决策模板。
81.决策过程实例库134用于从决策过程模板模块210中获取与设计问题匹配的决策模板后，存储与设计问题匹配的决策模板。
82.该复杂产品设计系统还包括决策过程要素模块220。决策过程要素模块220用于存储创建决策模板所需要素，并为过程建模要素单元133提供创建决策模板所需要素。
83.该复杂产品设计系统还包括设计方案判断模块、设计方案输出模块和返回模块。
84.设计方案判断模块用于根据可视化结果，判断设计方案是否达到满意的结果。
85.设计方案输出模块用于当设计方案判断模块的输出结果为是时，输出设计方案。
86.返回模块用于当设计方案判断模块的输出结果为否时，返回决策过程模板修改模块120重新修改决策模板。
87.决策过程模板模块210具体包括设计过程模板库212、阶段过程模板库213、事件过程模板库214、决策过程模板库215和任务过程模板库216。
88.设计过程模板库212用于存储设计过程模板；阶段过程模板库213用于存储阶段过程模板；事件过程模板库214用于存储事件过程模板；决策过程模板库215用于存储决策过程模板；任务过程模板库216用于存储任务过程模板。
89.知识工具模块320具体包括决策模型求解器322、专业软件工具库323和可视化工具库324。
90.决策模型求解器322用于对符合一致性的决策模板进行求解，生成设计对象的设计方案。
91.专业软件工具库323和可视化工具库324用于对设计方案进行可视化表达，得到可视化结果。
92.由图2可知，本发明提供了一种复杂产品设计决策过程建模系统(复杂产品设计系统)，该系统包括决策过程建模管理子系统100、决策过程知识管理子系统(决策知识管理子系统)200和通用知识管理子系统300。
93.决策过程建模管理子系统100用于实现满足第一决策过程模板的检索、第一决策过程模板的修改和决策过程(第一决策过程模板)实例的创建三个功能。根据这三个功能的实现，决策过程建模管理子系统100包括用于检索(通过相似度计算实现)可用决策模块的决策过程模块检索模块(决策过程模板检索模块)110、用于修改已有决策模块的决策过程模块修改模块(决策过程模板修改模块)120、用于创建新的决策模块的决策过程实例创建模块130。其中，决策模块即决策模板，决策模板即第一决策过程模板(决策过程模块)。
94.决策过程模板检索模块110的检索方式分为语义检索和特征检索。在进行实例匹配检索之前，设计人员首先需要设定获取的相似实例个数和相似度阈值。在获得技术指标以及各个指标对应的权重后索引实例库，计算并获取各个实例的相似度，并最终取相似度大于阈值的既定阈值的实例，构成相似实际集合。在实例检索过程中需要与设计实例库进行交互，设计实例库在为现有设计问题提供参考的同时也会吸收成熟的设计方案，不断积累新的设计知识。
95.决策过程模板检索模块110包括用于封装语义检索相似度的语义检索单元111、用于存取第一决策过程模板的本体库112以及用于封装实例相似度计算引擎的特征检索单元113；决策过程模板检索模块110的检索机制有两类：基于语义相似度从本体库中检索和基于复杂产品的特征进行检索。
96.决策过程模板修改模块120的修改方式如下：
97.辅助修改分为3个层次：(1)浅层辅助，即在参数修改过程中，基于上述对设计知识的语义建模，借助语义检索技术自动获取设计方案中相关的业务领域知识并主动提供给设计人员，实现设计人员的及时查看参考。(2)中层辅助，即在最优方案选择中，基于先验知识对评价指标与实例方案进行关联，实现多目标决策。(3)深层辅助，即在参数修改过程中，通过原理公式、规则经验等知识对设计参数的约束，实现参数的自动修改和意见推荐。
98.决策过程模板修改模块120包括用于修改已有决策过程模块的决策过程模块修改单元(决策过程模板修改单元)121、用于检查决策过程模块的修改是否满足规则的决策过程模块一致性检查单元(决策过程模板一致性检查单元)122、用于存取决策过程模块修改
规则(决策模板修改规则)的规则库123。
99.决策过程实例创建模块130包括用于创建决策过程面板(决策模板的面板)的过程建模面板单元131、用于进行决策过程建模的过程建模工具单元132、用于提供建模所需要素的过程建模要素单元133、用于存储该决策过程相关知识(决策模板的知识)的可执行知识组件单元136、用于对决策问题(决策模板)进行求解生成设计方案的决策求解单元137、用于决策结果(设计方案)可视化表达的可视化单元138、用于存储创建好的决策过程的决策过程实例库134以及用于增加、删除、编辑和查询决策过程的决策过程管理单元135。其中，建模即创建决策模板。
100.决策过程知识管理子系统200用于实现决策过程模块管理和决策过程要素管理两个功能，根据这两个功能的实现，决策过程知识管理子系统200包括存储决策过程模块的决策过程模板模块210、用于存放决策过程要素的决策过程要素模块220；决策过程知识管理子系统200的知识库为可配置知识库，即根据知识类型的不同配置相应的知识库信息属性。
101.决策过程模板模块210用于基于本体的元设计建模，包括设计过程模板库212、阶段过程模板库213、事件过程模板库214、决策过程模板库215和任务过程模板库216；系统决策过程模板模块210是一种图形化设计决策过程建模表示形式，包括设计过程模板、阶段过程模板、事件过程模板、决策过程模板(第二决策过程模板)和任务过程模板，用于实现初始设计要求到最终设计规范中所涉及的各自涉及决策活动执行顺序的确定；决策过程要素模块220用于存储决策过程中的各要素，包括过程实体库222、信息知识实体库223和系统实体库224。
102.决策过程模板模块210存储设计过程、阶段过程、事件过程、决策过程(第二决策过程模板)和任务过程五个标准模板，“过程模板”是实现产品信息在计算机环境下从一个状态转换到另一个状态的设计活动的一般化表示。每个过程模板中都包含了一个或多个转换网络，通过求解与决策相关的设计问题实现对产品系统信息的完善。
103.使用时，用户创建相应的模板，填充其对应的属性槽，添加必要的设计知识和实例，并创建下一个模板。具体分别如下：
104.设计过程模板：
105.(1)创建该类型过程模板实例，并填充其属性槽；(2)添加一个产品对象实例；(3)添加必要的设计知识实例及与设计阶段相关的信息实例；(4)基于已有的知识和信息实例填充特定系统实例的属性槽；(5)创建阶段支持问题实体并使用接口实例将其关联。
106.阶段过程模板：
107.(1)创建该类型过程模板实例，并填充其属性槽；(2)创建特定设计阶段下的事件支持问题实体；(3)添加必要的设计知识实例及与设计阶段相关的信息实例；(4)基于设计阶段结果丰富上一层设计过程模板实例；(5)创建阶段支持问题实体并使用接口实例将其关联。
108.事件过程模板：
109.(1)创建该类型过程模板实例，并填充其属性槽；(2)创建特定设计事件下的决策支持问题实体和相关的任务支持问题实体；(3)添加必要的设计知识实例及与设计事件相关的信息实例；(4)基于设计事件结果丰富上一层设计阶段模板实例；(5)创建事件支持问题实体并使用接口实例将其关联。
110.决策过程模板：
111.(1)创建该类型过程模板实例，并填充其属性槽；(2)创建特定设计决策下的决策求解模板，并基于已有信息实例对决策求解模板进行实例填充；(3)创建特定设计决策下的任务支持问题实体；(4)添加必要的设计知识实例及与设计决策相关的信息实例；(5)基于设计决策结果丰富上一层设计事件模板实例；(6)创建决策支持问题实体并使用接口实例将其关联。
112.任务过程模板：
113.(1)创建该类型过程模板实例，并填充其属性槽；(2)添加必要的设计知识实例及与设计任务相关的信息实例；(3)添加必要的设计知识实例及与设计任务相关的信息实例；(4)基于设计任务结果丰富上一层设计决策/事件模板实例；(5)创建任务支持问题实体并使用接口实例将其关联。
114.决策过程要素模块(过程要素模板)220将过程要素分为三类：过程实体、信息知识实体和系统实体。
115.过程实体表示求解设计问题的主要设计活动要素，包括“阶段”、“事件”、“任务”、“决策”。
116.系统实体表示设计活动执行的主要输入要素，包括“系统变量”、“辅助参数”、“解析关系”、“条件关系”和“限制关系”。
117.信息知识实体表示两个设计活动之间联系关系，其提供设计活动实体的输入和输出。
118.通用知识管理子系统300用于管理决策过程中所用到的通用知识，包括用于决策建模的决策过程知识模块310以及用于决策模型的求解和可视化的知识工具模块320。
119.决策过程知识模块310包括用于存储决策基本信息的参数/模型库312、用于存储决策涉及相关概念的概念方案库313、用于存放相关学科知识的领域知识库314、用于辅助决策建模的决策模型库315以及用于查询解决所建决策模型问题的可执行算例程序(可执行计算例程库)316。
120.知识工具模块320包括用于对所建决策模型(符合一致性的决策模板)进行求解的决策模型求解器322、用于辅助决策优化的专业软件工具库323以及用于实现决策结果可视化的可视化工具库324。
121.图3是复杂产品设计建模时的具体步骤的流程示意图，即复杂产品设计决策过程建模方法工作流程示意图，是从用户角度说明使用复杂产品设计系统的步骤。参见图3，本发明提供了一种复杂产品设计决策过程建模方法，包括如下步骤：
122.步骤s100：根据设计问题要求，定义设计问题，包括设计问题的输入、输出，各项指标的相应权重和阈值，用于步骤s110检索第一决策过程模板进行实例检索。
123.步骤s110：检索决策过程模板(决策过程模板检索模块)110根据输入的设计指标中的信息的类型和特征进行实例知识的检索匹配，检索匹配过程包括语义检索单元和特征检索单元。
124.其中，步骤s110通过语义检索和特征检索进行匹配。
125.语义检索单元111通过对设计指标中的概念和段落的分词处理，与本体库112中存储的并经过语义标注单元标注的知识条目中的关键词，进行语义相似度匹配计算。
126.具体的，分词处理介绍如下：
127.利用tf-idf对连续的文本进行分词处理，分词指的是将一个文字序列切分成一个一个单独的词，保留与设计相关的关键词，形成结构化需求，tf词频指的是某一个给定的词语在该文件中出现的次数，idf反映了一个词在所有文本中出现的频率，tf-idf方法的原理是如果某个词在一段文字序列中出现的频率tf高，并且在其他文字序列中很少出现，则认为此词或者短语具有很好的类别区分能力，适合用来分词。
128.计算一个词x的idf公式为：
[0129][0130]
式中，n代表语料库中文本的总数，而n(x)代表语料库中包含词x的文本总数。
[0131]
通过tf-idf公式统计各个词的词频，依据词频为每个词赋予权重，最后根据权重的高低选择部分候选词，形成知识资源的表达向量。
[0132]
语义相似度匹配计算介绍如下：
[0133]
将设计指标分为字符型指标、数值型指标、区间型指标、模糊型指标和包含型指标，分别给出各种相似度的计算方法。
[0134]
(1)字符型指标；字符型指标表征了产品设计某方面的性能预期，通常为文字描述形式，如产品材料性能、使用舒适度要求等。
[0135]
字符型指标x＝(a0，a1...an)和y＝(b0，b1...bn)的相似度sim
t
(a，b)的计算方法如下：
[0136][0137]
式中：a为资源实例特征概念向量，b为目标方案特征概念向量，其值通过向量空间模型获得。
[0138]
(2)数值型指标；通常是指对某一设计指标的定量化描述，如可靠性要求、使用寿命要求等。对如x＝a，y＝b的数值指标，其相似度simn(a，b)的计算方法如下：
[0139][0140]
式中：a为资源实例特征x的属性值，b为目标方案特征y的属性值，α、β分别为分区间的下界和上界。
[0141]
(3)区间型指标；通常是对某一指标的大小范围进行描述，会给定上下限，如产品的重量要求、尺寸要求。对如x∈[a，a
′
]，y＝[b，b
′
]，其相似度simi([a，a
′
]，[b，b
′
])的计算方式如下：
[0142][0143]
式中：a、a
′
为资源实例特征x的区间属性值，b、b
′
为目标方案特征y的区间属性值。
[0144]
(4)模糊型指标；通常是只对某一指标的下限或者上限进行要求，如产品的成本，通常是给定上限值。对如a≥min(f)或a≤max(f)，其相似度simf(x)的计算方式如下：
[0145][0146]
式中：a为模糊属性特征的目标值，x为模糊属性特征的真实值，f为特征属性，min(f)和max(f)分别为模糊属性值的最低和最高域值。
[0147]
(5)包含型指标；用于约束产品对特定对象或功能的兼容性。对如x＝{a0，a1...an}和y＝{b0，b1...bn}的对象，其相似度simc(x，y)的计算方式如下：
[0148][0149][0150]
式中：ai为资源实例特征x的属性值，bj为目标方案特征y的属性值，count(x
→
y)表示x中元素在y中出现的次数的总和。
[0151]
在获得单个技术指标相似度计算基础上，采用专家评价的方式对各设计指标进行评估并赋予权重值，从而得到综合相似度值，其计算公式：
[0152]
sim(c1，c2)＝ω
t
sim
t
ωnsimn ωisimi ωfsimf ωcsimc[0153]
式中：ω
t
、ωn、ωi、ωf、ωc分别表示字符型、数值型、区间型、模糊型、包含型指标的相似度权重，且其和为1。
[0154]
本体库112储存并时刻更新相关的领域知识。领域知识是指产品设计中与业务领域相关的标准规范、专利文献、设计手册等知识。作用：语义检索技术自动获取设计方案中相关的业务领域知识并主动提供给设计人员，实现设计人员的及时查看。
[0155]
特征检索单元113根据输入的指标信息及相应的权重和阈值，与相关技术指标库中存储的实例特征信息进行相似度匹配。
[0156]
相似度匹配方法介绍如下：
[0157]
相似度计算结果存在阈值，该值由设计人员设定。超过该临界值的指定数量的实例将构成相似实例集合，作为当前设计问题的初始方案集。
[0158]
例如，设置综合相似度阈值δ＝0.6，候选方案数量为n＝3，即计算所得的综合相似度大于等于0.6的前3个实例会构成相似实例集，从而进行匹配。
[0159]
步骤s115：判断决策过程模板库(决策过程实例库)中的模板是否可以重用(判断标准就是设定的相似度阈值)，当已有模板满足可重用要求时，执行步骤s120；否则执行步骤s130。
[0160]
判断重用介绍如下：
[0161]
本系统根据设定的阈值和相似度的大小进行判断，如果超过设定阈值，则判断为可重用；否则为不可重用。
[0162]
步骤s120：根据设计问题实际情况，将第一决策过程模板进行修改，使得该模板能够匹配并应用于设计问题。
[0163]
修改标准和过程介绍如下：
[0164]
得到最优相似实例后，为了检查其是否符合设计要求，系统会对目标方案进行校验，即通过设计要求指标和设计参数之间的映射关系，对比其是否满足设计要求。对于不符合设计需求的参数，需要对其进一步修改以使最终方案满足实际设计需求。通过上一步骤的检验过程，可以获取到目标方案中不符合设计要求的参数，即需要修改的参数集；借助设计参数之间存在的关联规则知识，确定需要修改参数的修改顺序，并依据顺序对其修改，同时以此获得各参数的修改意见，最后获取到最终设计方案。
[0165]
第一决策过程模板作用介绍如下：
[0166]
第一决策过程模板，包括设计、阶段、事件、决策、任务五块，也是本发明的核心创新点，通过定义的不同类型过程模板可以实现对决策工作流设计中的可重用信息和知识的获取、表示和存储，增加决策工作流设计的效率和效能。过程模板的设计涉及产品信息的丰富，即确定满足客户需求和设计要求的产品设计规范。
[0167]
第一决策过程模板与设计问题的逻辑联系介绍如下：
[0168]
如图4所示，产品设计是实现过程模型与产品模型之间信息交互的过程。产品模型由可以分解成产品整体、部件、零件，其对应的信息分别为阶段、事件、信息。过程模型和产品模型可以分别抽象为由规则、决策、活动、约束、关系、实体等不同对象概念组成的元模型并共同构成产品设计知识；从知识层面，设计属于一种对特定问题的认知行为，认知可以被描述或解释为问题目标、动作、知识和理性行为。因此，设计是设计过程、产品系统、设计问题这三类知识通过正确、有序的活动对给定目标进行的理性行为。
[0169]
设计过程是通过各种设计活动实现产品设计需求到设计规范的信息转换。通过建立第一决策过程模板，实现产品模型与设计过程的映射关系。
[0170]
步骤s130：创建第一决策过程模板实例，在决策过程模板模块210中重新创建新的决策模板，该模板与设计问题相匹配，创建内容包括以下方面：
[0171]
步骤s212：创建设计过程模板，该模板是产品设计过程活动的集合，其关注和捕获某一产品或系统的所有相关设计规范信息，如产品系统的组成形式、行为、几何、功能等。
[0172]
步骤s213：创建阶段过程模板，该模板属于系统级设计活动，其对应于事件活动的分解和规划等组织信息的捕获。
[0173]
步骤s214：创建事件过程模板，该模板关注和捕获某一确定事件下的决策和任务活动分解和规划等组织信息。
[0174]
步骤s215：创建决策过程模板(第二决策过程模板)，该模板需要关注和捕获某一确定决策支持数学模型的相关设计信息，如具体的备选方案、系统变量、偏差变量、目标、约束、边界和目标函数等。
[0175]
步骤s216：创建任务过程模板，该模板关注和捕获基本设计信息的输入和输出以及两者之间的执行关系，如计算某函数关系值。
[0176]
5种过程模板类型中，设计过程模板属于最顶层设计，是通过各种设计活动实现产品设计需求到设计规范的信息转换，阶段和事件过程模板的设计重点是设计支持问题的划分和规划，任务和决策过程模板的设计侧重于某个特定设计问题的制定和解决。
[0177]
这里，设计过程可划分为多个阶段，需确定设计问题的总体输入和输出；“阶段”由一组“事件”例组成，“事件”则由一系列相关的“决策”和“任务”子类的实例来确定。设计人员通过将这些子类实例化实现对特定系统设计的全周期过程建模，如图5所示。
[0178]
通过步骤s212-s216，定义并生成了该匹配设计问题的以决策为中心元设计模板，得到新的第一决策过程模板(具体构建五个模板的过程如前所述)，重新执行步骤s110。
[0179]
如图6所示，以热交换器例，解释五个模板的关系。
[0180]
对复杂产品的设计建模，首先从客户需求出发，构建设计过程模板。将设计分为三个大的阶段(p)：设计概念、设计制造和设计维护。三个阶段共同完成了从系统级输入信息(客户需求)到系统级输出信息(全生命周期设计规范知识)的转换。这里i代表信息，描述设计活动实体的输入和输出。设计概念展开，则分为多个设计事件(e)，各事件传递相应的信息。图7代表事件和任务/决策的关系；每个事件分解为多个任务以及相应的决策。
[0181]
步骤s134：将更新的第一决策过程模板存储至决策过程实例库134中。
[0182]
步骤s122：进行第一决策过程模板一致性检查，根据规则库123中的规则知识，检查已有决策模板与输入的设计问题是否匹配(通过相似度计算得到)。
[0183]
步骤s136：根据决策过程知识模块310的相关知识以及第一决策过程模板的信息，构建决策的数学模型(决策模型，即决策模板)。
[0184]
其中，构建数学模型方法如下：通过构建的阶段、事件、任务模板，将设计过程的决策工作流进行表征。其中，会规定多个任务，包括从设计要求中提取出目标和约束，确定影响因素，整理参数信息等。在决策过程模板中将设计问题进行数学化表征：提取出决策目标、变量、约束信息，进而采用求解器求解。
[0185]
逻辑联系：通过阶段、事件、任务、决策的逐一分解，将设计问题转化为对应的数学模型。
[0186]
步骤s317：利用知识工具模块320中的决策模型求解器322，对构建的决策模型进行求解。
[0187]
步骤s318：根据步骤s317的决策求解结果，通过知识工具模块320中的专业软件工具库323和可视化工具库324对结果进行可视化。
[0188]
步骤s140：根据可视化结果，判断解的方案是否达到满意，如果满意，则执行步骤s150；如果不满意，则返回步骤s120，重新修改第一决策过程模板。
[0189]
步骤s150：输出满意的设计结果。
[0190]
下面以壳管式热交换器为实例对本发明的复杂产品设计决策过程建模方法及系统的工作流程进一步描述。
[0191]
热交换器(或换热器)是一种传热装置，被用于不同温度下的两种或两种以上液体之间的内部热能传递。常见的热交换器为壳管式，如图8所示为单程直管类型。壳管式由于其便于加工制造被广泛用于工业过程领域(如发电、化工、加工等)热交换，如油冷却器、冷凝器、给水加热器等。壳管式热交换器主要由是管体、挡板、壳体和管板等组成。
[0192]
壳管式热交换器设计过程主要考虑以下设计因素：1、热动力设计——确保热交换器性能要求以及满足每条管束流体的压力降要求；2、机械设计——提供设计规范和操作要求等机械条件的完整性；3、成本和制造施工设计等因素。上述因素大部分是相关依存的，因此设计时需要同时考虑以实现热交换器的最满意化。
[0193]
步骤s100：设计问题定义。本案例设计对象为壳管式热交换器设计，由管体、挡板、壳体和管板等组成；设计时考虑三个指标：压力降要求、机械结构和成本。
[0194]
步骤s110：检索第一决策过程模板。以壳管式热交换器为核心，在决策过程实例库中进行检索。
[0195]
步骤s115：判断决策过程实例库中的模板是否可以重用，当已有模板满足可重用要求时，执行步骤s120；否则执行步骤s130。
[0196]
步骤s120：根据设计问题实际指标要求以及新的技术要求，将第一决策过程模板进行修改，使得该模板能够匹配并应用于此次壳式热交换器设计。
[0197]
步骤s130：创建第一决策过程模板实例，在决策过程模板模块中创建新的决策模板，该模板与设计问题相匹配。
[0198]
步骤s212：创建设计过程模板，该模板是产品设计过程活动的集合，其关注和捕获某一产品或系统的所有相关设计规范信息。设计过程模板的目的是存储客户需求的信息，并记录产品对象在设计时间线上特定规格知识的描述。本例中，客户需求是设计一款用于小型动力装置热系统的热交换器，以实现最小传热面积、最小压降、最大传热效率、最小尺寸和最小成本的设计目标。
[0199]
步骤s213：创建阶段过程模板，将壳管式热交换器的设计划分为三个主要设计阶段，即“设计概念阶段”、“设计制造阶段”和“设计维护阶段”。在设计概念阶段主要完成设计目的是将客户需求转换为产品的工程设计要求，并实现可用于设计制造和设计维护的产品设计规范知识；在设计制造阶段，设计人员则需要寻求面向制造和施工阶段的工程设计解决方案，以确保产品的成本和可制造性；在设计维护阶段，设计人员考虑的是设备的磨损以及维护保养所需要的工作及成本。
[0200]
步骤s214：创建事件过程模板，将设计概念阶段打开，设置该阶段的具体设计事件，从设计要求开发事件e0为起点，将客户需求转化为产品设计要求，包括确定热转换效率和压降等系统设计目标值或设计区间等。所生成的设计需求规范文档将作为“概念设计事件e
1”的输入信息，即为“基本概念”的选择提供系统级的设计要求；同样“概念设计事件e
1”所生成的相关设计信息和知识将为后续“初步设计事件e
2”和“详细设计事件e
3”提供设计输入。
[0201]
步骤s215：创建决策过程模板(第二决策过程模板)，该模板需要关注壳式交换器具体的备选方案、系统变量、偏差变量、目标、约束、边界和目标函数等；在“概念设计事件e
1”中，设计人员可以借助“初步选择决策”这一活动确定一些合适的系统属性概念(如螺旋管、套管、壳体)；之后基于对设计要求中系统目标和约束的识别以及系统性能的设计变量的确定，设计人员可以执行“选择决策”活动，即通过执行相关的决策模板对“选择决策”进行求解以获取满足输入信息中所确定的设计要求下的最合适概念方案。
[0202]
步骤s216：创建任务过程模板，该模板关注和捕获基本设计信息的输入和输出以及两者之间的执行关系，如计算某函数关系值；如在壳管式热交换器系统设计的热分析过程中，设计人员需要计算传热系数以获得系统的设计目标传热面积。
[0203]
通过步骤s212-s216，定义并生成了壳式热交换器设计问题的以决策为中心元设计模板，得到新的第一决策过程模板，重新执行步骤s110。
[0204]
步骤s134：将更新的第一决策过程模板存储至决策过程实例库134中。
[0205]
步骤s122：进行第一决策过程模板一致性检查，根据规则库中的规则知识，检查已有决策模板与输入的设计问题是否匹配。
[0206]
步骤s136：根据决策过程知识模块的相关知识以及第一决策过程模板的信息，构建决策的数学模型。
[0207]
步骤s317：利用知识工具模块中的决策模型求解器322，对构建的决策模型进行求解。
[0208]
步骤s318，根据步骤s317的决策求解结果，通过知识工具模块中的专业软件工具库和可视化工具库对结果进行可视化。
[0209]
步骤s140：根据可视化结果，判断解的方案是否达到满意，如果满意，则执行步骤s150；如果不满意，则返回步骤s120，重新修改第一决策过程模板。
[0210]
步骤s150：输出满意的设计结果。
[0211]
通过分离壳管式热交换器系统设计中相关的设计活动、接口、以及与问题、产品和流程相关的信息，设计人员能够利用已有的知识，轻松地对设计过程进行组合和重新配置，还可以对决策工作流进行创建、更新和重用等操作活动。
[0212]
本发明为了解决目前复杂产品设计以人类专家为主导设计，对设计人员技术经验要求较高、设计效率低的不足，以及现有的设计方法缺少以决策过程为主进行设计的问题，提供一种克服上述缺陷的、决策模板可供重用和修改的、支持可配置知识库的复杂产品设计决策方法及系统。本发明针对复杂产品设计中决策工作流的“元设计”需求和特点，构建了一种可以描述设计人员在设计决策过程中的过程行为的建模和表示方法，具体涉及设计过程中的决策问题建模方法。
[0213]
本发明提出的复杂产品设计决策过程建模方法及系统，是一种以决策为中心的设计建模与表示方法，将复杂产品的设计过程以决策为中心进行表征，提出了一套通用的决策过程模板，该模板具有可重用性，适用于对以往设计参考较多的复杂产品，通过定义的不同类型过程模板可以实现对决策工作流设计中的可重用信息和知识的获取、表示和存储，增加决策工作流设计的效率和效能，降低研发周期。本发明复杂产品设计决策过程建模系统依据输入的设计问题定义，进行第一决策过程模板检索并判断能否重用，再修改或创建相应的第一决策过程模板实例，将该实例通过一致性检验后嵌入知识组件中，使该模板能在之后的类似的设计中可以重复调用。最后对构建的决策工作流进行求解和可视化。本发明还提出了一套通用的决策过程模板，将复杂产品的设计过程以决策为中心进行表征，该模板实现对决策工作流设计中的可重用信息和知识的获取、表示和存储。
[0214]
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。
[0215]
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。