面向智能设计的模型技术优化方案

1.背景和需求

现在，数据库、信息系统都可以买到；泛在网络广泛应用，互联互通很方便。在这一背景下，模型对于企业开展智能设计日益重要。国外在智能设计推进中深刻认识到：设计软件系统只是外壳，其核心是模型。因此，国外提出了基于模型的企业（Model-Based Enterprise， MBE）的概念（NGMTI Communities，2005；Frechette，2008；Hentges，2009）。

中国企业在智能设计软件系统方面同国外的差距也主要在模型。一方面，对于开发设计相关软件中的模型的内容和意义认识不足，没有很好地发挥开发设计软件的作用；另一方面，在建立适合自己企业和产品的独特开发设计模型方面缺乏能力和重视，不仅缺少开发设计模型所需要的知识，即使有了知识也难以将其固化为模型。国外的智能设计软件中融入了其长期积累的先进的智能设计知识模型，因此，很受企业欢迎。

图3.21描述了智能设计对模型的需求。

图3.21　智能设计对模型的需求

图3.22为智能设计软件对模型的需求。

图3.22　智能设计软件对模型的需求

2.面向智能设计的模型的基本概念

（1）模型的定义。对于不同学科、不同应用场景，模型有不同的定义，如：模型是一种具体事物的抽象；模型是一种标准、规范；模型是一种信息模板；模型是一种数据、信息、知识的集成模式等。

理想模型的主要特性是：

1）目的性。提供某一问题的解决方案。

2）完整性。模型包括了解决某一问题所需要的数据、信息和知识。

3）集成性。模型与其他模型和软件容易集成。

4）封装性。通过封装，模型具有使用方便的特点。在使用时，可以不必知道其内部的结构和运行情况，并且模型与环境的集成也比较方便。

5）开放性。模型中的知识容易添加、修改、关联。

6）规范性。模型描述、建立和使用都有一套标准规范。

7）透明性。模型中的数据、信息和知识的关系与变化对用户而言是清晰透明的。

8）自主性。在一定条件下，自主启动，自主运行进化，自主结束。

9）自适应性。模型随着外部环境的变化逐渐完善，与环境更加融合。

（2）智能设计模型。知识分为产品和过程知识，企业中的智能设计模型分为产品模型和过程模型两大类。这两类模型中的显性文本知识模型具有共同点。因此，也可分为3类：产品模型、过程模型和知识模型。

图3.23描述了智能设计模型的分类和作用。

图3.24为产品生命周期中的模型和系统。

图3.23　智能设计模型的分类和作用

图3.24　产品生命周期中的模型和系统

（3）面向智能设计的产品模型。产品是制造企业的主要输出，产品需要不同部门和企业的协作，需要经过需求、概念、功能、结构、工艺等设计阶段，经过原材料采购、加工、测量、装配等制造阶段，现在越来越多的制造企业还需要负责产品的安装、使用、保养、维修、回收等服务阶段。数字化技术已经覆盖了整个过程，但需要有面向产品生命周期的统一模型。

面向智能设计的产品模型的形式有：

1）产品实物模型。与产品在形状等方面类似，如用快速原型机制造得到的模型。

2）产品工程图模型。产品信息的文本描述。这是机械产品的工程师语言，可以据此相互交流产品信息。

3）产品数学模型。对产品运行机理的理论描述。

4）产品虚拟模型。在计算机中模仿产品实物的模型。

5）产品几何模型。描述产品的几何信息。

6）产品模块模型。描述一类相似零部件的结构特性，包括模块主模型、事物特性表、主结构、主文档等。

7）产品知识模型。描述产品所需要的知识。

（4）面向智能设计的过程模型。将产品从概念变为实物再到使用，需要许多过程的支持。

过程模型可以按照过程的阶段性划分，如设计过程、某零件的加工工艺过程、产品的维修过程等。(www.xing528.com)

过程模型包括过程功能模型、过程活动模型、过程数据模型、组织资源模型、过程知识模型等。

过程模型不仅可以描述各种智能设计过程，而且可以进行过程仿真，还可以自动生成软件。这将使得一般的管理人员也能自己开发和维护软件，直接将自己的知识转变成模型，进而转变成软件。

（5）案例。用户需要一件特别的产品，如汽车；企业提供需求模型（又称模板），让用户方便准确描述需求；需求模型自动转变为产品的虚拟结构模型，这是模块化的产品，因此，可以分解为一系列的模块，其中绝大部分模块是标准模块；产品虚拟结构模型在各种CAX系统中仿真分析，得到产品的性能、价格、交货期等信息，企业与用户多次反复协商，最终确定产品结构；标准模块按照固化在供应链管理系统中的生产管理模型，由不同专业企业制造，成本低，交货期短；极少的专用模块的结构模型转变为加工程序，由加工中心或增量加工机床加工得到；结构模型转变为测试程序模型，由三坐标测量仪进行测试；所有模块几乎同时集中到用户附近的4S店组装，用户很快得到想要的产品。在使用中，用户希望产品升级，企业通过更换模块，马上满足用户要求。这里所有的数据、信息和知识都在模型中。启动模型，一切搞定。

3.基于模型的智能设计进化

基于模型的智能设计可以看作基于软件的智能设计的另外一种表述方法。基于模型的智能设计是逐步进化的。进化的主线是知识的数量和质量，以及知识的组织形式。企业知识分为不同维度：显性知识和隐性知识、组织知识和个人知识、外部知识和内部知识、通用知识和专用知识、分散的知识和集成的知识、产品和过程知识。基于模型的智能设计的进化方向是隐性知识显性化，个人知识组织化，外部知识内部化，专用知识通用化，分散知识集成化。这些进化的载体是模型。图3.25为关于基于模型的智能设计进化的观点。

图3.25　基于模型的智能设计的进化的观点

表3.8　基于模型的智能设计的分类

表3.8是基于模型的智能设计的分类。智能设计不仅是一种技术系统，也涉及社会系统。因为智能设计中的大量知识需要人共享、评价和整理。

续表

4.基于模型的智能设计的实施方法

不同类型的基于模型的智能设计系统，其实施方法也各不同。

（1）基于通用模型的智能设计。购买现成的通用模型和系统即可。一般情况是：系统中嵌入了通用模型，买来即用，实施容易。

（2）基于产品和过程集成优化模型的智能设计。需要一套优化方法，需要对未来的变化有比较准确的预测，需要对企业产品和过程有比较全面的了解，可以请外部咨询公司帮助建立产品和过程集成优化模型，但成功概率不高。

（3）基于知识模型的智能设计。需要员工主动、负责地进行隐性知识显性化、个人知识组织化，信息系统可以帮助员工发布、使用知识，进一步可以帮助对员工的行为进行跟踪、统计、分析和评价。通过制度设计，可以建立一些文本知识模型，但知识共享文化的实现需要企业长期的努力。

（4）基于独特知识嵌入模型的智能设计。这里的关键是要求企业本身是行业的佼佼者，有长期的行业领先的经验知识；能够发挥员工的积极性和创造性，员工将长期积累的经验做成模型嵌入信息系统中。

（5）基于智慧模型的智能设计。这是未来企业的发展方向，使计算机的优势和人的优势得到很好的发挥和集成。

5.基于模型的智能设计的关键技术

（1）面向制造业的基于模型的智能设计的关键技术。这是制造业企业在实施基于模型的智能设计中可能遇到的一些关键技术，需要咨询公司等帮助一起解决。

1）复杂模型的建立技术。模型有难易，复杂模型需要深厚的专业知识背景，需要进行跨学科的协同。

2）模型中的知识获取技术。商业软件容易买到，但用得好需要很多知识，这往往是我国制造企业所缺乏的。更缺乏的是模型里面所隐藏的知识，会使用，却不知其所以然。

每个产品都有自己的特点，有自己的领域知识。通用的基于模型的智能设计商业软件一般只能在产品设计的后期发挥作用，不能真正解决产品创新问题。所以国外大企业都有自己的基于模型的智能设计的专用软件和模型，这是他们长期研究的成果，是他们的核心竞争能力。这种软件一般是买不到的。即使买到，也很难使用，因为需要有很好的专业背景的人才能建立适用的模型，并正确使用系统。

模型是知识的集成和重构，没有知识，模型也就是空架子。知识高度分散，并大多隐藏在员工的头脑中，并非那么容易挖掘。

3）解决未知问题的模型技术。企业环境变化越来越快，产品更新速度也在加快，模型也需要不断更新发展。这一方面需要建模时有很强的预测能力，考虑问题全面，以应对环境的变化；另一方面希望模型具有一定的自优化能力，能够较好地适应环境的变化。这种应对未知问题的模型技术，需要一定深度和广度的知识累积和能力。

4）多学科协同建模技术。复杂模型涉及多学科知识。不同学科甚至不同员工都有自己的知识体系，采用不同的知识模型。多学科协同建模需要对彼此的学科有较好的了解，需要有统一的术语和描述标准，需要有考虑全面的接口。这需要标准化部门和行业协会的支持。

5）产品模块化技术。产品模块化需要对不同产品中的相似零部件进行识别、分析和建模，使产品模块具有较宽的适用面；需要对产品的未来发展趋势进行比较准确的预测，使产品模块具有较长的生命周期。这需要产品模块化人员对各种相似产品有透彻的了解，对技术、市场和产品趋势有全面深入的分析，并愿意为企业和行业的全局和长远利益开展细琐、繁杂、艰辛、默默无名的工作。

6）面向基于模型的智能设计的管理技术。基于模型的智能设计的级别越高，越需要依靠企业员工及员工的协同，这就要求企业有好的管理模式。企业有较好的创新文化和能力，就会源源不断地创造、积累和分享知识，进而成为基于模型的智能设计。因此，企业需要更加注重引进先进的管理理念和技术来对企业进行变革，而不是把目光仅盯着产品、技术、软件。

（2）面向软件业及咨询服务业的基于模型的智能设计的关键技术。

这是软件业及咨询服务业在实施基于模型的智能设计中可能遇到的一些关键技术。

1）模型集成标准建立技术。不同的软件公司所开发的系统中嵌入的模型的描述方法、形式等往往不同，这将导致所开发的系统难以集成。这需要软件公司、制造企业和咨询服务企业三方的通力合作。不同的制造企业对模型提出不同的需求。软件公司、制造企业和咨询服务企业三方协同对需求进行整合和标准化，并将需求模型转变为产品和过程的定义模型。

2）产品生命周期统一模型技术。产品研发阶段有产品概念模型，产品设计阶段有产品实体模型，产品加工阶段有产品加工模型，产品测试阶段有产品测试模型，产品仿真阶段有产品仿真模型，这些模型之间转换难，需要一种产品生命周期统一模型。当然这种模型是随着产品生命周期的进展而不断完善的。

3）基于模型的SOA（Service-Oriented Architecture，面向服务的体系结构）技术。基于模型的智能设计的子系统实施相对容易，但模型和系统的集成难，模型在不同系统中的转换有很大难度。不仅不同的软件公司所开发的系统无缝集成难，就是同一软件公司所开发的不同的系统无缝集成也难，因为这往往是两个项目团队在不同的时期开发的，不同的软件系统的发展过程不同，所采用的技术不同。因此，要满足用户使用方便的要求，需采用SOA技术进行集成。

（3）人机友好的智能设计技术。智能设计软件将具有很好的人机友好界面，真正实现人机一体化，让用户有很好的体验，充分发挥他们的创新能力。

（4）软件协同开发技术。大家都可以方便地将自己的知识模型化、模型软件化，形成越来越丰富完善的专业智能设计软件。