面向产品低碳设计的可拓知识演化方法研究

发布时间：2020-03-23 17:18

【摘要】：产品低碳设计是以低碳需求为驱动,从设计源头统筹协调产品生命周期各阶段碳足迹、成本、性能的可持续设计方法,是一个复杂的回溯设计过程,涉及大量有待挖掘的设计隐性知识。可拓知识是求解复杂设计过程中矛盾问题的知识,研究低碳设计可拓知识演化方法旨在运用可拓学理论探索低碳设计过程中可拓知识的建模方法、重用模型及演化算法,为低碳设计可拓知识的重用、派生提供推理、进化工具。论文主要研究内容如下:(1)针对产品低碳设计过程知识建模问题,提出面向生命周期的低碳设计可拓知识建模方法。构建基于PAS2050框架的产品生命周期碳足迹、成本量化递归模型;提出基于作业活动的方法将碳足迹、成本分配到零部件层,补齐实例库低碳数据信息。拓展产品层次划分粒度,采用基元模型表达产品实例知识,构建层次化的低碳实例库。建立低碳设计可拓知识模型,包括可拓推理、变换知识、及可拓集知识,构建基于基元封装的Know_What,Know_How,Know_Why知识元可拓知识表达模型,实现可拓知识的形似化表达与共享。(2)针对实例库检索效用问题和相似实例修改难度问题,提出基于改进最高离散化相似度索引方法和修改信息的实例检索方法。采用索引方法求解实例库检索效用问题,改进最高离散化相似度索引方法存在的不足,提出等概率网格划分方法,使各维属性区间实例分布基本均匀;构建实例匹配度准则,解决需求实例不在区间中点时造成相似实例被遗漏的问题。研究不同数据类型属性的局部相似度计算方法,提出基于模糊公理化方法的实例修改信息模型,形成实例检索相似度和修改难度的双重衡量指标。(3)针对低碳设计可拓知识获取与重用问题,建立可拓知识重用模型。提出基于需求-功能-行为-结构的映射过程可拓推理知识重用模型,研究功能分析过程推理知识、行为属性建模及评估推理知识、结构综合分析推理知识;提出面向结构重构的可拓变换算法模型,分析模块元特征属性量值、模块元特征属性、模块元变换下可拓变换及传导变换规则的演变规律,获取修改规则知识,构建可拓变换修改实例库。(4)提出TRIZ理论与可拓学的集成研究方法求解低碳创新问题,实现可拓知识派生。运用可拓学问题表述模型形式化构建设计矛盾问题,并论述相应求解策略;建立集成TRIZ理论与可拓学方法的设计矛盾问题求解思路框架;以基元模型和关联函数定性、定量表述设计矛盾问题,运用TRIZ理论问题分析工具和知识库提取发明原理解,应用可拓变换操作将原理解转化为具体技术方案解;构建面向技术矛盾和对立问题、物理矛盾和不相容问题的可拓知识派生策略。(5)提出基于多维关联函数的演化算法模型,求解低碳设计进化过程可拓变换造成的设计方案组合爆炸问题。建立针对低碳设计的演化算法求解策略,分析变换零部件的关联性,约简零部件碳足迹和成本量化模型,构建基于性能的约束模型,建立碳足迹和成本的适应度函数。将可拓学一维关联函数拓展为多维,构建多维关联函数数学模型,并推导出降维计算准则。设计低碳问题的演化算法模型,创新地建立基于多维关联函数的进化迭代过程遗传操作二次选择机制,生成优化设计方案解。在上述理论研究的基础上,开发低碳设计可拓知识演化系统,并以真空泵的低碳设计为例验证了基于可拓知识模型的低碳实例库构建技术、相似实例检索技术、设计过程可拓推理知识、变换知识重用技术、修改实例重用技术、集成TRIZ创新设计方法的可拓知识派生技术、基于多维关联函数的设计方案演化算法技术等理论方法的可行性。
【图文】：

架构图,架构,方法,用户属性

图 1-1 Pahl 和 Beitz 系统工程设计方法架构[31]论一般的产品设计现象、设计经验中总结、归纳出以形成了公理化设计方法(Axiomatic design, AD)，A软件设计领域[33, 34]。为 2 个公理：功能独立公理，信息最小化公理；4、工艺过程域，以及各域中的组成元素：用户属性unctional requirements, FRs)、设计结构参数(Desigcess variables, PVs)；zig-zag 各域之间的映射操作。各元素进行分解分层，设定各自的设计目标，AD求解的映射过程，通过域间 zig-zag 的映射完成各标，通过反复的求解映射过程实现产品整体设计目D 设计理论应用于产品研发设计的各个环节，建立产品需求分析过程模型，质量功能配置集成系统模

产品分解,聚类,模块,综合法

图 1-2 基于 DSM 的产品分解、模块聚类[30, 136](3) 突现综合法(Emergent synthesis)突现综合法[137, 138]用于求解复杂人工系统中动态应急问题的推理决策，基于各单元体(Agent)局部的交互特性至底向上构建整个系统的功能行为模型；通过至上而下传递系统需求特性快速实现各单元体的局部调整。在突现综合法中广泛地采用了软计算技术，结合至底向上的系统构建技术和至上而下的命令传输反馈，，为整个系统提供了高效、稳健、适应性的求解策略。根据系统外部环境信息和技术要求信息的完整性将突现问题分为三类，如图 1-3 所示，并提供了各类问题的可行突现综合方法。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB472

【参考文献】