摘　要　本文主要研究機械方案創(chuàng)新設計過程。在簡要介紹和分析機械方案設計一般過程和基于結(jié)構(gòu)類型變異機構(gòu)綜合方法的基礎上，提出集成功能推理和結(jié)構(gòu)推理為一體的機械方案創(chuàng)新設計過程模型，并在此基礎上開發(fā)了機械方案創(chuàng)新設計智能支持系統(tǒng)（MCIDISS）。
　　關(guān)鍵詞　方案創(chuàng)新設計　功能推理　結(jié)構(gòu)推理
　　0　引　言
　　機械方案設計是一個創(chuàng)造性很強的活動，其思維過程是形象思維和抽象思維綜合作用的結(jié)果。目前計算機輔助設計（CAD）主要解決了在計算和繪圖等設計后續(xù)階段對設計者的支持。而對于極富創(chuàng)造性的早期方案設計階段的計算機支持至今沒有取得實質(zhì)性的進展。即使是智能CAD系統(tǒng)，所采用的方法的理論基礎仍是基于傳統(tǒng)的人工智能的知識表示與推理方法，即邏輯思維為基礎，其中多以知識工程和專家系統(tǒng)的方法實現(xiàn)。這種CAD與AI的簡單組合，沒有也不可能從真正意義上實現(xiàn)方案設計自動化。創(chuàng)造性如何在方案設計過程中體現(xiàn)一直是困擾設計理論研究工作者的棘手問題，也一直沒有很好地解決，本文將就這一問題作一探討。
　　1　機械方案設計的一般過程
　　一般認為，方案設計階段主要有兩個任務：首先是建立技術(shù)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。然后通過選擇相應于功能結(jié)構(gòu)中的每個功能的功能載體，并組合這些被選擇的功能載體形成整個技術(shù)系統(tǒng)的設計方案。
　　通用設計理論認為，方案設計過程可表述為兩個映射過程（圖1）：即用戶需求域到功能域的映射以及功能域到結(jié)構(gòu)域的映射。由需求域到功能域的映射過程最能體現(xiàn)設計者的創(chuàng)造能力，這一過程涉及到對設計思維規(guī)律以及創(chuàng)造性機理認識水平，涉及到自然語言到專業(yè)技術(shù)語言的轉(zhuǎn)化。盡管有些學者提出通過對設計要求進行層次分解來建立功能結(jié)構(gòu)圖的討論，但一般還要通過人工干預進行。從功能到結(jié)構(gòu)的映射，實際上是功能結(jié)構(gòu)圖中的每一個分功能與能實現(xiàn)該分功能的結(jié)構(gòu)進行匹配，一般情況下，總體功能往往包含著許多分功能。而每一功能可以由不同的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，因此存在組合、協(xié)調(diào)和評價篩選的問題。具體的機械方案設計過程如圖2所示。{img}
　　圖2所示的機械方案設計過程還可通過數(shù)學形式進行描述。設總體功能為U，它可分解為一些子功能，分解過程可形式化為：

U＝（U1，U2，…Um）

（1）

　即總體功能是有m個子功能Ui（i＝1，2，…m）組成的。
　　任何一個子功能Ui（i＝1，2，…，m）對應著能夠完成該分功能的子結(jié)構(gòu)的集合Ti，即

Ti＝（ti11，ti22，…，tin）（i＝1，2，…，m） （2）

　式中tij（j＝1，2，…，n）對應于能完成子功能Ui的所有子結(jié)構(gòu)，n為完成該子功能的子結(jié)構(gòu)總數(shù)。如果用Ui定義行，tij為元素構(gòu)成矩陣，即得到功能與結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的“功能―結(jié)構(gòu)技術(shù)矩陣”：
　　當然能夠?qū)崿F(xiàn)各子功能的子結(jié)構(gòu)數(shù)并不相等，可以將能夠?qū)崿F(xiàn)某一子功能的最多子結(jié)構(gòu)數(shù)定為n，少于這個數(shù)的子功能元素項用零表示。圖2所描述的機械方設計的一般過程，看起來很簡單，但計算機實現(xiàn)有許多問題需要解決。如總功能如何分解為子功能、功能如何表達（因為從不同的角度提出的功能表達詞匯是不相同的）以及如何有效根據(jù)功能索引子結(jié)構(gòu)等問題有待進一步探討和研究。
　　2　基于機構(gòu)結(jié)構(gòu)類型變異綜合方法
　　自60年代圖論理論首次被應用于機構(gòu)設計以來，它在機構(gòu)分析與綜合方面的應用得到深入的研究。在圖論中，封閉的圖代表機構(gòu)，頂點代表連桿，邊代表運動副。圖可以用矩陣（如鄰接矩陣和關(guān)聯(lián)矩陣）表示、分析和計算。1979年，F(xiàn)reudenstein和Maki提出“功能與結(jié)構(gòu)分離”的方法用于機構(gòu)綜合，隨后許多學者對這一方法進行研究和深化。該方法包括如下幾個環(huán)節(jié)：
　　2．1　根據(jù)用戶的需求，提出機構(gòu)創(chuàng)新設計任務與技術(shù)要求：
　?。?）　拓撲結(jié)構(gòu)要求
　　如運動性質(zhì)（平面運動或空間運動）、基本回路數(shù)（或獨立環(huán)數(shù)目）、運動副類型及數(shù)目、構(gòu)件類型及數(shù)目、主動副類型及其位置以及機架的構(gòu)件類型及其位置；
　?。?）　功能性要求
　　如輸出構(gòu)件數(shù)目及其位置、每一輸出構(gòu)件的任務（如軌跡生成、函數(shù)生成、導引以及其它要求、滿足對預定的速度及加速度要求、滿足對機構(gòu)整體的動力學性能要求；
　?。?）　約束條件
　　如運動精度、結(jié)構(gòu)緊湊性、剛度、機械效益、軸銷作用反力以及制造、裝配、成本等方面的約束。
　　2．2　結(jié)構(gòu)類型綜合
　　通過結(jié)構(gòu)類型綜合列出滿足設計任務要求的全部結(jié)構(gòu)類型并以適當形式表示。
　　2．3　優(yōu)選結(jié)構(gòu)類型
　　根據(jù)功能要求和約束條件，篩選出好的結(jié)構(gòu)類型。
　　該方法目前研究局限在平面連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型綜合，且一般集中在運動鏈同構(gòu)識別、自由度識別方法以及平面運動鏈自動生成等理論方法研究階段。盡管有一些應用的研究報道，但都是針對簡單機構(gòu)（如變沖程發(fā)動機活塞機構(gòu)、車門開啟機構(gòu)等）通過人工方式實現(xiàn)。計算機實現(xiàn)還有一些關(guān)鍵技術(shù)沒有很有效的方法，如運動鏈同構(gòu)識別問題，主動副位置確定、機架位置的確定、桿組的自動劃分以及對運動鏈進行評價篩選等問題。
　　3　集成