面向概念设计的多领域知识元建模与聚类理论与方法

The purpose of this research is to solve three key problems of multi-domain knowledge driven conceptual design such as multi-domain knowledge cell modeling, knowledge cell clustering, and clustering solution space optimization, and propose the novel theories and methodologies of knowledge cell modeling and clustering in conceptual design activity. For knowledge cell modeling study, the decoupling method of knowledge model based on independence axiom and function-structure mapping mechanism is discussed, and the corresponding knowledge cell modeling method is put forward. For knowledge clustering study, our research proposes a knowledge clustering method in terms of multi-domain knowledge model, including pessimistic knowledge clustering algorithm and optimistic knowledge clustering algorithm. For clustering optimization study, this research intends to study the optimization approach for the clustering solution space, and makes the optimized clustering solution not only achieve the functional requirements of conceptual design, but also satisfy the needs of manufacturability,environmental adaptability, and maintainability from downstream process. The achievements and conclusions obtained from our research have important theoretical value and practical significance for forming a comprehensive theoretical system of multi-domain knowledge driven concept design, and further improving the new product development capabilities in aerospace and automotive industries.

本课题重点解决多领域知识驱动的概念设计中的三个关键问题- - 多领域知识元建模问题、知识聚类问题、聚类解空间优化问题，提出概念设计中的知识元建模与聚类理论与方法。研究基于独立公理的功能-结构映射的知识模型解耦与知识元建模理论与方法；提出基于多领域知识元模型的知识聚类理论与方法；给出封闭式知识聚类和开放式知识聚类算法；建立聚类解空间优化理论与方法；实现多领域知识驱动的概念设计与优化，一方面满足概念设计的功能要求，另一方面满足设计下游对制造性、环境性、维护性等的综合要求。本项目所取得的研究成果，对于形成完整的多领域知识驱动的概念设计理论体系，提高航天、汽车等制造企业的型号开发能力，具有重要的理论研究价值和实际意义。

多领域知识驱动的概念设计可提高产品设计创新性。本项目旨在解决多领域知识驱动的概念设计中三个关键问题：多领域知识元建模、知识聚类和聚类解空间优化，研究面向概念设计的多领域知识元建模与聚类理论与方法。.理论研究方面，一、研究了多领域设计实例知识元建模方法，包括：提出了基于功能-结构映射的设计实例功构知识元模型；提出了功能信息驱动下的设计实例知识元功能分解方法，以及结构信息驱动下的设计实例知识元结构关联方法，实现多领域设计实例知识的功能与结构的一体化建模。二、研究了概念设计实例知识元聚类方法，包括：提出了面向设计需求的设计实例相似性计算算法，建立相似设计实例知识元的初始聚类集；基于概念设计实例知识中功能与结构之间映射关系，提出了初始聚类集中知识元之间封闭式聚类和开放式聚类方法，以获得满足新概念设计需求的知识元聚类解。三、研究了面向设计下游的聚类解空间优化方法，提出了聚类解空间中聚类解的制造性、环境性和维护性分析方法，并进行聚类解模糊多目标评价，从而实现聚类解空间的优化。.在理论研究基础上，本项目开发了知识聚类驱动的概念计原型系统，包括“知识元建模”、“知识聚类”和“聚类解空间优化”模块，并把理论方法在汽车领域车载电源变压器、航天领域液氢火箭发动机试验台通断装置、生机电领域人工视觉假体体外装置概念设计中进行应用。.本项目相关研究成果包括发表国际期刊论文7篇，国际会议论文4篇，获得软件著作权2项，授权发明专利2项，培养博士生2名，硕士生2名，并参加了ICED 15、ASME IDETC/CIE 2015、IEEE UIC 2015等工程设计领域国际知名会议，进行了学术交流。本项目的研究初步实现了多领域知识驱动的概念设计与优化，使设计解即满足概念设计的功能要求，又符合设计下游对制造性、环境性、维护性等的综合要求，这对于形成完整的多领域知识驱动的概念设计理论体系，提高制造企业的新产品开发能力，具有重要的理论研究价值和实际意义。