1、 本科毕业论文 （ 20 届） 辅助产品设计的原理 -结构知识库的实现 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文 I 摘 要 在综合分析了基于知识的创新设计和专利知识获取及应用的研究现状后 ,针对当前研究中存在的一些主要问题，提出产品专利知识和生 物知识的获取方法，主要研究进展体现在以下三个方面： 一产品专利的知识获取方法 为了获得产品专利中的发光原理与结构的相关知识，通过提取专利文献权利要求书中的特征部件，了解专利文献的结构组成和各类信息的分布，以及信息在专利文本中的呈现方式，了解此结构后，分析摘要、背景技术或实施方法中的原理
2、和结构信息来摘录自己所需要的信息，从而建立所收集专利中有关发光原理 -结构知识整理资料表，以获得照明产品专利中发光原理 -结构之间关系的知识。 二生物知识的获取方法 要获得生物发光原理与结构的知识，首先要通过网络查询到 会发光生物的种类，了解到各个发光生物名称之后再逐步查询每个生物的发光原理，最后对已掌握的各个生物按发光原理进行分类统计，从每种发光原理中选取一种代表生物进行生物发光原理与结构的阐述，以此获得生物库发光原理与结构的相关知识。 三辅助产品设计的知识库构建方法 通过专利库与生物库的发光原理 -结构知识来建立一个统一完整、条理清晰的知识库计算机辅助软件，帮助设计人员更为便捷的获取设计信
3、息；再通过 VB 语言进行程序编程，设计多个交互界面，使其操作简单，界面清爽；最后调用前两步所获得的信息组成一个知识库，编制一个 界面清晰、具有条理化和自动化的软件，从而形成一个简洁明了、易操作查询的知识库库系统。 关键词： 专利知识；知识获取；计算机辅助；知识库 本科生毕业论文 II Abstract After the systematic analysis of the state-of-the-art of research on acquiring patent knowledge and innovation design based on knowledge, methods o
4、f acquiring patent knowledge and biological knowledge are originally bring forward for product innovation, aiming at solving some crucial issues in this research area. The primary contributions are as follows. Firstly, a method to acquire the knowledge of product patents is provided. In order to obt
5、ain product patents in principle and structure of the luminous knowledge, features of the claims parts is extracted from patent documents , the structure and composition of patent documents, as well as the distribution of various types of information are understood, which part of the patent appears
6、that type of information. Then the abstract, background technology or implementation of methods is analyzed to extract principles and structure of the information. Thus the principle of access to patents related to light - structural knowledge sorting table is established to get the LED lighting pro
7、duct patents knowledge between the principle and the structure. Secondly, a method to acquire the biological knowledge is presented. To get the principle and structure of bio-luminescence of knowledge, the first query to be light through the network what kind of biological, bio-luminescence know the
8、 name of each phase after the light of biological principles for each query, the last of the available light by the various biological statistics of principle, making principle to take a representative of each LED to be the biological principle and structure of bio-luminescence elaboration, in order
9、 to obtain a database of biological principles and structure of luminous knowledge. Thirdly, the knowledge base of ancillary products design is constructed. Through the patent library and the luminous principle of biological databases - knowledge of the structure to create a unified knowledge base c
10、omplete clarity of computer-aided software to help designers access to design information more convenient. And through the VB programming language, design a few interfaces, making it simple and easy for operation. After the obtaining information in second step to createa knowledge base, a clear inte
11、rface, principled, automated software is made, to form a concise and easy-to query the knowledge base database system. Keywords: Patent knowledge; Knowledge acquiring; Computer-aided; Knowledge base 本科生毕业论文 III 目录 摘 要 . I Abstract . II 第一章 绪论 . 1 1.1 产品创新设计方法的研究现状 . 1 1.1.1 创新设计知识获取的研究现状 . 1 1.1.2 专
12、利知识的研究现状 . 2 1.1.3 生物灵感知识的研究现状 . 3 1.2 知识库辅助产品设计的研究现状 . 3 1.3 选题的依据和意义 . 3 第二章 照明产品的专利知识获取方法 . 5 2.1 引言 . 5 2.2 专利中的知识结构、表达及分析 . 5 2.3 照明产品专利知识的获取方法 . 7 2.3.1 原理知识的获取方法 . 7 2.3.2 结构知识的获取方法 . 7 第三章 发光 生物的灵感知识获取方法 . 9 3.1 引言 . 9 3.2 激发设计灵感的生物知识种类 . 9 3.3 发光生物激发设计灵感的知识获取方法 . 10 3.3.1 原理知识的获取方法 . 10 3.3
13、.2 结构知识的获取方法 . 11 第四章 辅助产品设计的原理 -结构知识库的实现 . 12 4.1 设计环境 . 12 4.2 系统功能要求设计 . 12 4.3 系统模块设计 . 12 4.4 知识库的结构及内容 . 13 4.5 照明产品知识库辅助创新设计的系统功能实现 . 14 本科生毕业论文 IV 4.5.1 系统主界面 . 14 4.5.2 专利知识 库管理模块 . 15 4.5.3 生物知识库管理模块 . 16 4.5.4 辅助照明产品设计的系统实现过程 . 17 总结与展望 . 25 总结 . 25 展望 . 25 参考文献 . 26 附录 . 28 本科生毕业论文 1 第一章
14、 绪论 1.1 产品创新设计方法的研究现状 目前，在基于知识的产品创新设计研究中，所涉及到的问题主要是知识的获取。 1.1.1创新设计知识获取的研究现状 随着工业设计的不断发展 ,曾经以技术为主题的设计转向以用户为中心、以技术为客体的设计。有效地获取和理解用户需求 ,并在设计描述中准确地定义产品需求信息 ,是在当今激烈竞争的全球化市场环境中产品设计成功的必要前提 1。然而 21 世纪的信息产业的发展尤为迅捷，工程师的纸面设计也转向了以计算机辅助软件辅助 完成以前相当复杂繁琐的设计。这样的转变使得设计创新过程变得不再复杂和令人烦躁，同时也为设计工程师腾出了更多的时间来进行设计的创新思考，为产品设
15、计的稳步发展奠定基石。 创新是一个国家和民族进步的灵魂，而技术创新则是对经济发展和进步的首要的推动力。技术创新在国家进步、社会发展方面起着越来越显著的作用 , 著名的论断“科学技术是第一生产力”对此作出了强有力的证明 2。产品设计的目的是要创新产品，满足市场需求。目前对产品创新的研究主要集中在两个方面：一是创造性思维方法和创造性技法的研究 3;二是计算机支持的产品创 新方法的研究 4。创新可以分为过程创新 (Process Innovation) 和产品创新 ( Product Innovation)，过程创新又称作工艺创新 ,它 是指生产成本的降低或生产率的提高 ;产品创新是指增加新的产品
16、,即改变产品本身的创新。 文献 5中提出基于本体和 TRIZ 的查询方法来获得创新知识。其创新知识包括本体知识、实例知识、规则知识和知识地图。因此这种方法主要适用于支持知识网格环境下的产品创新设计。文献 6通过扩展 HowNet，建立产品设计语义库改进原有的搜索技术来获得创新设计领域知识。这 种方法采用语义库网络扩展关键词的含义，以获得符合用户检索意图的结果。文献 1提出从不同的空间或地域获取新设计知识用于分布式产品创新，这些知识主要为领域知识，即市场知识、企业知识和实验室知识，但这种方法拘泥于已有的知识和经验。 文献 7采用数据挖掘技术自动获取产品知识和规则知识，用于概念创新。文献 8提出基
17、于功能 -行为 -结构框架抽取对象知识和过程知识。文献 9提出利用数据挖掘工具获得设计师的创造性思维、设计经验以及领域知识以辅助功能创新设计。文献 10提出通过获取产品的功能和属性知识作为 DNA 来进 行概念创新，但此文献并没有说明获取的方法。文献 11通过改进的神经网络算法获取联想记忆知识，以支持造型创新。文献 12提出通过图形图像技术与视觉技术、意象尺度和口语分析等方法获得顾客特征人机知识用于产品造型创新。文献13利用自然语言处理技术中的词法、句法和语义等分析方法提取专利文献中的产品特征信息，从而获得面向概念设计的专利知识。其中，专利知识主要为需求知识和功能知识，但文献并没有说明获取的方
18、法。 根据创新设计目的的不同，需获取的知识也是不同的，按照知识是否能使人受到启发，而将知识分为启发式知识和非 启发式知识。启发式知识包括联想记忆知识、功能知识和效应知识，非启发式知识包括结构知识、需求知识、规则知识、人机知识、产品知识和实例知识等。获取的知识不同，获取知识的方法也是不同的。数据挖掘方法更多地应用于启发式知识本科生毕业论文 2 的获取。知识获取的来源主要是人（用户、设计师）、产品库（网络、企业）、规则库、知识库（ TRIZ），而从专利中获取知识的研究比较少，并且知识的获取正从人工走向计算机辅助。 1.1.2 专利知识的研究现状 随着知识产权保护意识的加强，专利文献数量日渐增多，作
19、为创新设计的知识来源之一，其具有篇幅长、结构 繁、术语多、词汇偏的特点，即结构化与非结构化内容并存、法律与技术术语并存以及同义词与多义词并存，并且专利中的词汇生僻，各技术特征的关联性和衍生性复杂。因此，专利的知识获取及应用具有极大的难度。根据所采用方法的数量将获取专利知识方法分为单一方法和组合方法两类。 随着企业知识管理和基于知识的工程应用不断深入 ,工程设计类知识管理越来越受到重视 14。按照 Gartner Group 的定义 15 ,知识管理是对企业信息资产进行标识、获取、评价、调用和共享的提升方法和集成方法。工程设计知识管理技术主要研究各类工程 设计知识的共享、维护、使用和创新。 知识
20、就是概念之间的连结。它是概念的内容的一个方面。概念的内容的另一个方面，就是与直观之间的连结 16。我们构造概念的目的归根结底是为了把握直观。因此，概念与概念之间必需彼此连结形成知识。有了知识才有力量，才能去把握直观。知识是个体通过与环境相互作用后获得的信息以及组织。 根据知识的获取途径 , 可以将知识分为“外显性知识” ( explicit knowledge) 和“内隐性知识” ( implicit knowledge)。外显性知识是可以诉诸文字、图像、声音等并可以传授给他人的技能和客观事实 ;内隐性知识是人类所拥有却无法轻易描述的技能、判断和直觉 ,如洞察力、灵感、视觉感受、经验等 ,这类
21、知识带有主观性、随意性和模糊性 ,将其概念化地表示出来是知识建模的难点和关键 17。 用户具有自己特有的内隐知识。用户在认知产品之前 ,通常在大脑中会形成对产品的一种“印象” ,如“它应该有哪些功能”、“它看起来像什么”等诸如 4W1H (what 、 when、 who 、where 、 how) 问题。这些“印象”通常是建立在用户过去使用同类产品或产品广告之上的 ,并存储在记忆中。当受到刺激时 ,就 会将这些“印象”提取出来与看到的产品或设计方案进行认知比较。用户对产品的认知过程 ,实质上是一个选择、比较、过滤、提取的信息加工过程。 在实际设计过程中 ,由于各种因素的制约 ,使得设计师在了
22、解设计任务之后 ,往往停留在用户显性知识的分析层面 ,而很少去研究用户的内隐知识 ,或者研究与设计脱节 ,致使设计方案要经过多次与用户讨论后才能通过 ,延误了产品设计的时间。因此 ,有必要在设计开始之前 ,对用户的内隐知识进行研究 ,规范设计知识并使之与用户知识相匹配 ,使得设计方案获得“一次成功”。 文献 18利用文本挖掘技术进行专利 的聚类，每个专利通过一系列词表示，每个词表示一个维度，以获得趋势知识，用于技术发展分析。但没有说明如何选择表示专利的词汇。文献 19利用文本挖掘方法，根据关键词进行聚类，绘制专利地图，以进行趋势分析，但没有说明关键词的提取方法。文献 20基于网络分析和文本挖掘
23、的方法获取专利知识。首先进行数据收集和预处理，利用文本挖掘技术提取具有高频率词根的关键词，将原始数据转换成结构化数据，产生专利网络，所获得数量信息用于新产品开发潜在途径的研发管理和技术经济本科生毕业论文 3 分析。故文献 18-20采用文本挖掘方法获得趋势知识或者功 能、原理和结构知识。 1.1.3 生物灵感知识的研究现状 生物技术日益重要，与生物技术相关的发明的专利授权数量不断增加 21。遗传资源及其相关传统知识作为原材料对某些生物技术发明具有潜在的价值；然而，有大量技术可用遗传资源作为投入，并可对传统知识加以利用，因此专利保护不应该仅仅限于生物技术本身，而是对于相关的传统知识也要适当的保护
24、。 对于传统知识的保护，首先需要明确保护的对象。而生物技术与传统知识的关系也将直接影响传统知识保护的范围与力度，为此，需要对传统知识的定义及其重要性和传统知识和生物技术发明的联系 作必要的分析。 正如上文所述，结合现代科技知识，传统知识有时可以帮助对现实问题找到有用的解决方法。即结合传统知识，给科学家或者技术工作者以灵感，这比在众多的资源中去找寻有用信息要有效得多，而且基于此的发明或者其他科研成果获得成功的几率也大。因此传统知识对于生物技术的发明有着十分重要的作用。 由此可见，传统知识对于生物技术发明影响的程度和阶段是不同，这种分析是十分有必要的，因为在发明过程中所起的作用不同，也将会导致对相
25、关传统知识的保护力度不同，所制定的保护措施也要有区别，这样的法律法规的确立才是切实有效的。 1.2 知识库辅助产品设计的研究现状 知识库 (Knowledge Base)是知识工程中结构化、易操作、易利用、有组织的知识集群 ,是针对某一 (或某些 )问题求解的需要 ,采用某种 (或若干 )知识表示方式在计算机存储器中存储、组织、管理和使用的互相联系的知识片集合 22。通过构建产品设计知识库 ,归纳整合产品设计过程中的知识 ,为设计人员提供丰富、广泛的知识 ,激发设计的创造思维 ,提高设计质量。 知识管理 (Knowledge Management，简称 KM)经过十多年的发展，已经在发达国家中
26、普及起来，世界 500 强中的大 部分都已经开始把知识管理理念和方法应用于企业的经营管理。许多著名的跨国公司，像 IBM、微软等公司，都已在这方面做出了显著的成效。所谓知识管理，简单概括来说，就是运用集体的智慧来提高整体的应变和创新能力，利用组织智力或知识资产创造价值的过程。 目前 ,研究人员对产品设计知识库做了大量的研究 ,并取得了一定的成果。但这些研究对产品创新设计帮助有限 ,这是因为 : (1)知识库的内容单一 ,仅能用于某类产品的设计或设计的某个阶段 ; (2)产品创新需要多领域、多学科的知识 ; (3)各种设计知识之间是存在相互联系的 ,知识之间进 行组合、叠加、综合等操作之后才发挥
27、新作用 23。 1.3 选题的依据和意义 随着信息技术的迅猛发展和各种先进制造理念的产生 , 制造业正在迅捷地向并行化、分本科生毕业论文 4 布式、数字化和智能化制造方式转化。传统的小而全的企业正向分散的企业联盟发展 , 因此设计、制造知识不再存在于原有的一家企业 , 而是由多个联盟企业分享。一方面 , 企业内产生的设计开发资料随着产品的不断增加而日益膨胀 ; 另一方面企业又必须不断地从外界获取各种信息 ,由此产生的各种设计知识堆积而且成指数增长。因此如何有效地管理已有的设计知识和准确地分析并提取外界的 有用信息 , 成为提高产品开发速度的关键。 现在大型企业都采用了计算机辅助设计软件进行产品
28、的设计改进。这样的做法将会大大的提高企业的工作效率，使企业制造流程更为通畅。知识库又是这些产品设计创新的前提，一位设计工程师有了设计的目的，自然要有相关的资料，更要更多的去了解很多事物的原理 结构，然后从中才能有创新设计。知识库的创建是庞大的工程，要包含的东西非常的多，才能让设计师更多的了解，而不至于查询知识库后，还需上网查找该类的知识，那么这样的知识库的作用就显得无足轻重。 现在国外的企业已经广泛使用知识库，每一个企业 都会有自己所创建的知识库，为本企业的设计人员所用，而这些知识库的涉及方面则是本企业所要生产的产品有关的知识所构建的知识库，那么这样的知识库的制作就不会变的非常的庞大。这样的知
29、识库一旦创建好了，企业以后的培养人才，就会更加的不费力，为企业增添更多的人才。自然而然更多的人才会向这些有这种知识库的企业去靠拢，去发展自我，去展现自己的才能。 上述为国外的发展现状，现在的主题就是计算机辅助设计创新产品。国外的发展代表着国内将要发展的方向，所以国内企业必须开发拥有自主知识产权的设计辅助软件 ,这是今后发展的方向。 目前 , 我国的多数机械制造企业设计开发手段依然很弱 , 不能充分利用已有的设计信息 , 设计中缺乏有效的协作等等。其关键之一在于对设计知识管理和运用不善 , 没有充分利用相关的设计知识。具体存在如下问题 : (1) 由于设计人员的变动 , 在设计过程中形成的技术诀
30、窍不能正确完整传递 ; (2) 由于对已有的设计知识了解不透彻 , 因而导致设计错误的重复 ; (3) 设计信息版本不兼容 ; (4) 一个项目完成后 , 工艺过程知识未能正确继承 ; (5) 目前的工程图纸和商业 CAD 系统仅仅记录了设计的结果而不是设计的过程 , 因此丢失了 大量设计意图和设计过程信息 , 给产品设计信息的重用带来了困难 ; (6) 商业产品数据管理系统在设计参数和约束之间没有形成一定的联系 , 仅仅是简单的文件管理系统 ( 有的是文档管理系统 ) ; (7) 目前的工程数据库虽然对设计提供一定的信息支持 , 但多为信息的堆积 , 并没有进行知识管理 , 因此缺乏设计知识
31、进化功能 , 不能提供有效的决策支持信息。 因此，知识库的创建和利用非常有用，也很有必要，它是设计人员创新设计的源泉，也可使其他专业人员对公司系统分类，对企业规划管理有一个全新认识和了解。总之，对于生物或 产品的具体原理结构的了解，能够促进这一方面的人才更快掌握相关基础知识，可以更快的踏入这一行业。总之，机械设计行业的发展趋势是信息化、电子化，利过计算机实现设计的整个过程。 本科生毕业论文 5 第二章 照明产品的专利知识获取方法 2.1 引言 从信息转换的角度来看，产品设计在本质上是相关知识获取和使用的过程。专利是产品设计知识的重要来源，能及时反映新技术、新产品和新工艺方面涉及众多学科领域的最
32、新研究成果，具有较强的实用性。有目的地获取和重用蕴藏于产品专利中的设计知识，有助于缩短新产品的开发周期，减少新产品的开发风险。本文结 合专利设计知识的特点，鉴于产品功能通过特征零部件实现的实际，借助数据挖掘技术获取专利文献权利要求书中的零件、机构与功能之间的关联规则，识别专利产品功能改进的策略。 2.2 专利中的知识结构、表达及分析 专利文献作为具有法律效力的文本有固定的格式，例如中文发明专利和实用新型专利文献主要包括以下内容： (1) 标题：一般都是产品或结构的名称，但有些专利标题中包含手段功能。不同专利可能用不同的词语表达同一个功能 (2) 说明书摘要：对解决方案的结构组成作概括描述，而各
33、专利文献对目的功能、手段功能、方案优点及原理 效应的描述会有不同的取舍。 (3) 权利要求书：含有方案的原理效应和结构特征，但不一定明确指出手段功能。 (4) 说明书：说明书是对专利内容的详细描述，主要由下列五部分组成： 技术领域：描述产品类型，而不一定描述手段功能。 背景知识：叙述现有产品某些功能和性能的不足，但不一定包括其工作原理。 发明内容：描述方案的目的和手段功能、效应、原理、结构方案及其优点，是专利文献中内容最丰富的部分。 附图说明：一般标注各零部件名称。 具体实施方式：描述方案的工作原理及其实现结构，并不一定指出手段功能。 (5) 说明书 附图：方案的图形表示。 以上分析表明专利文献中所蕴藏的知识主要包括： 1) 目的功能知识：该专利需要解决的问题，涉及到产品性能，如成本、体积、寿命等，它有时隐藏在对现有产品或技术不足的叙述中； 2) 手段功能知识：主要指为改进产品在技术、经济或社会性方面的不足而进行的技术改进； 3) 效应原理知识：该专利解决问题所采用的物理效应和原理； 4) 功能结构知识：该专利解决问题的步骤和任务的分解，涉及到功能之间的关系，往往隐藏在实现方案中； 5) 结构知识：实现手段功能的零部件几何和材料特征以及零部件之间的运动关系等。 专利组成部分与产品设计 知识之间的对应关系如表 2.1 所示。
