CN101980218B - 一种基于模板的集成设计平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模板的集成设计平台及其构造方法，属于集成设计环境技术领域。本发明的集成设计平台包括：数据库生成模块、异步数据转换模块、规范集成模块、知识集成模块、流程解析模块、应用集成模块、算法集成模块、模板生成模块和组合模板生成模块。其中数据库生成模块生成的数据库包括产品数据库、规范库、知识库和流程库。当用户使用此平台的时候，直接面对的是组合模板的使用环境，他们仅需对组合模板的输入输出进行操作，无需关心其中间模块的各种集成和运算行为。本发明解决了工程和产品设计过程中设计环境不统一、数据交换障碍明显、流程和规范不规范、知识重用效率低下等问题，为工程和产品的数字化设计提供了一个统一的集成设计环境。

Description

一种基于模板的集成设计平台

技术领域

本发明涉及一种基于模板的集成设计平台，属于集成设计环境技术领域。

背景技术

自上世纪90年代以来，随着CAD/CAE等软件的普及，集成设计环境就成了一个重要的研究领域，它力图将设计过程多个阶段、多个学科、多个主体等有机的结合起来，从而改变传统的并行设计模式，提高设计效率，降低设计成本。因此，开展集成设计环境研究具有重要的经济和军事意义。

国外从1998年开始就从事集成设计环境的研究，国内外有许多学者和研究人员提出了多种集成方法，如欧共体在ESPRIT计划中完成的CIM-OSA，法国GRAI集成方法体系GRAI-GIM，美国Florida州立大学NASA AMES研究中心在1998年对针对飞行器设计开发了基于多代理框架的集成设计平台，NASA Langley研究中心在2002年开发了星际飞行器设计环境FACE，其后的各个结构和学者都从不同的角度，利用不同的技术来设计集成平台以达到提高设计效率的目的。

在这些平台中，集成方法多种多样，基于的立场和角度各有千秋，但是大部分的集成方式是基于设计人员对于专业技能非常熟悉，理论知识十分充足，软件的操作非常娴熟，流程规范十分标准的前提。然而在国内当前环境下，设计人员基础薄弱，对软件应用效率低下，理论知识薄弱，但是工程经验丰富，对产品的设计思路熟悉，但是其设计流程没有固化，如果将国外的这些集成方法直接应用必然会给设计人员带来很大的不便，不但不会对设计过程产生利益，反而会阻碍设计人员的步伐，为此，必须有一种低门槛、高实用性、适用范围大、高集成度的集成方法及平台来和国内的实际环境相结合从而产生效益。

发明内容

本发明的目的是为改善当前集成设计环境中的设计高分散、低耦合的特点，克服现有平台使用门槛高、实用性差、集成度低的缺点，提供一种使用简单的基于模板的集成设计平台，以实现工程或产品的快速设计。

本发明的构造方法以模板为核心，将各种设计规则、设计经验、设计算法等封装在模板中生成单个模板，然后通过流程解析器将单独的模板组合成组合模板，从而实现知识重用和快速设计，为工程和产品设计过程中的知识集成、流程集成、数据集成、算法集成、规范集成、应用集成等提供一个简单的途径，以达到降低设计成本、缩短研发周期的目的。

本发明的一种基于模板的集成设计平台的构造方法，包括如下步骤：

步骤1，根据工程或产品的设计需要，收集相关的资源和数据，包括相关的设计方案、设计图纸、设计流程、设计规范、设计参数、标准协议、设计程序及软件、理论及工程算法等。

步骤2，将步骤1收集的数据进行归纳整理并分类，按照统一的数据建模规则对这些数据进行数据库模型构建，将这些数据按照规则录入数据库管理系统生成相应的产品数据库、规范库、知识库、流程库等数据库。

步骤3，根据步骤2生成的各个数据库构建异构数据模型转换器、规范集成器、知识集成器、应用集成器、算法集成器和流程解析器，其各功能器的主要功能为：

异构数据模型转换器提供不同设计阶段和不同设计主体之间的异构数据模型的转换。

规范集成器对定量描述和定性描述设计规则进行集成。

知识集成器对知识进行集成，包括成熟的设计经验和长久以来设计人员形成的设计经验。

应用集成器对工具软件进行集成，其作用为提供设计过程中用到的各种软件的封装技术，以方便模板随时进行工具软件的封装和调用。

算法集成器对理论算法和工程算法进行集成。

流程解析器将流程库中的流程解析为逻辑流和数据流，逻辑流确定模板的组合方式，数据流确定模板间的数据流转。

步骤4，构建模板生成器，模板生成器的作用是生成功能独立的单个模板。然后根据使用人员的设计需求确定具体的设计目标，并从流程库中查看该设计目标的相关设计流程，确定需要设计的各个模板。然后使用模板生成器调用步骤3所述的各功能器，生成功能独立，接口良好的模板。

本发明中的模板结构和生成方式如下所述：

模板结构分为三层：数据输入层、中间层和数据输出层。其中，数据输入层为数据输入提供接口，数据输出层为数据输出提供接口，中间层完成所需功能的运算和集成，集成的内容包括规范、知识、算法、应用、产品数据等。

模板的生成方式具体为：

1)平台设计者根据设计需要确定数据输入层所需输入的数据；该输入数据可以是参数、CAD文件、CAE文件、曲线、图表等；

2)平台设计者根据设计需要确定所需生成模板要完成的运算和处理，在中间层将这些运算和处理设计为对应的模板中间层功能模块，这些功能模块主要是以规则为约束，以知识为参考，集成应用程序，使用某种算法从而得到结果，结果可以是设计参数，也可以是CAD/CAE文件，还可以是曲线图表、WORD文档等；

3)输出文件通过数据输出层输出到下一个模板当中。

步骤5，根据设计目的选择合适的组合方式，将步骤4生成的各个模板组合生成一个最终供用户使用的模板。

模板组合过程为：流程解析器将流程表示为逻辑流和控制流，然后通过调用逻辑流生成组合模板的逻辑结构，通过调用数据流确定组合模板之间的数据流转，从而将多个单一功能的模板组合成一个符合设计目标的功能完善的组合模板。

根据设计目的不同，可以通过调用顺序、选择、分支和循环四种基本的模板路由方式，构建出任意复杂流程的组合模板。

本发明的一种基于模板的集成设计平台，包括：数据库生成模块、异步数据转换模块、规范集成模块、知识集成模块、流程解析模块、应用集成模块、算法集成模块、模板生成模块和组合模板生成模块。其中数据库生成模块生成的数据库包括产品数据库、规范库、知识库和流程库。

本发明的集成设计平台中各模块间的连接关系为：数据库生成模块中的产品数据库、规范库、知识库、流程库，分别与异步数据转换模块、规范集成模块、知识集成模块、流程解析模块连接；并且，异步数据转换模块、规范集成模块和知识集成模块的输出端，以及应用集成模块和算法集成模块的输出端分别与模块生成模块的输入端连接；流程解析模块接收模板生成模块的输出，然后与组合模板生成模块连接。

所述的数据库生成模块的功能为将某个行业内产品设计所需的数据归纳整理并分类，形成标准格式的数据库文件，这些数据库主要包括产品数据库、规范库、知识库和流程库。其中产品数据库包含该产品在其设计周期内所涉及到的产品数据，主要包括产品设计方案、设计图纸、数据存储格式、存储方法、文件名规则等信息；规范库包含产品设计过程中所要使用的标准、规则和协议，包括零部件设计标准、文件交换协议、文件传输格式标准等；知识库包含产品设计过程中所要使用的标准、规则和协议，包括零部件设计标准、文件交换协议、文件传输格式标准；流程库包含产品设计过程中所涉及的流程，主要包括零部件设计流程、文件审批流程、方案更改流程等。

所述的异步数据转换模块的功能为将产品数据库中异构的产品数据转换为统一的数据格式供模板生成模块调用。

所述的规范集成模块的功能为将规范库中的规范提取出来供模板生成模块调用并集成。

所述的知识集成模块的功能为将知识库中的知识提取出来供模板生成模块调用并集成。

所述的应用集成模块的功能是将设计所用的行业软件及应用程序集成到模板生成模块中，以保证模板生成模块可以直接调用行业软件及应用程序进行设计。

所述的算法集成模块的功能是将设计所用的理论及工程算法集成到模板生成模块中，以保证模板生成模块可以直接调用这些算法进行设计及计算。

所述的模板生成模块的功能一方面是提供生成用户界面的必要工具，以方便平台设计者设计符合用户需求的使用界面，另外一方面提供和下层功能器的接口，主要是通过异构数据模型转换模块调用产品数据库、通过规范集成模块调用规范库、通过知识集成模块调用知识库、通过应用集成模块调用应用软件和程序、通过算法集成模块调用算法；根据设计需要调用相关功能模块及数据，异步生成多个功能独立的模板。

所述的流程解析模块的功能为将流程库的内容解析为数据流和逻辑流，以方便组合模板生成模块调用。

所述的组合模板生成模块的功能为调用流程解析模块生成的逻辑流，将模板生成模块所生成的多个模板组合成一个组合模板，并调用数据流确定该组合模板中各个功能模板之间的数据传递关系。

本发明的集成设计平台的工作过程为：将收集到的工程或产品设计所需的数据信息及资源归纳整理并分类输入数据库生成模块，生成产品数据库、规范库、知识库、流程库；接下来由设计者根据用户需要确定设计目标及模板数量和类型，然后通过模板生成模块调用产品数据库、规范库、知识库、应用软件和程序、算法集生成多个功能独立的模板；当生成设计所需的全部模板后，组合模板生成器调用流程解析模块生成的逻辑流和数据流将多个功能模板组合成一个组合模板，供用户调用。当用户使用此平台的时候，直接面对的是组合模板的使用环境，他们仅需对组合模板的输入输出进行操作，无需关心其中间模块的各种集成和运算行为。

有益效果

采用本发明的构造方法形成的集成设计平台在用户使用过程中，面对的是一个集成了设计所需的所有数据及算法的组合模板使用环境。用户可以更多的将设计重点放在输入输出参数的设计上，而无需将注意力集中到软件的复杂操作、异构数据的复杂转换、复杂的规则、复杂的算法设计上，同时还能以现有的知识为参考，以达到快速设计的目的。

本发明的平台解决了工程和产品设计过程中设计环境不统一、数据交换障碍明显、流程和规范不规范、知识重用效率低下等问题，为工程和产品的数字化设计提供了一个统一的集成设计环境，为数据、流程、算法、知识的集成提供一个框架和支撑，从而减少不同设计阶段和主体之间的交流障碍，减少用户对软件的复杂操作，实现快速设计，以达到降低设计成本、缩短研发周期的目的。

本发明可广泛应用于各类军用弹箭产品的数字化集成设计，也可应用于其他民用工业产品的数字化集成设计领域；可有效的改善设计效率，降低设计成本，减少设计人员的工作量，缩短设计周期，具有广阔的市场前景和应用价值。

附图说明

图1为本发明基于模板的集成设计平台的构造方法的流程图；

图2为本发明的模板结构图；

图3为具体实施方式的四种基本模板路由方式示意图；

图4为本发明的基于模块的集成设计平台的结构示意图；

图5为具体实施方式中基于模版的集成设计平台的软件结构图；

图6为具体实施方式中固体火箭发动机药柱设计原始流程图；

图7为具体实施方式中固体火箭发动机药柱设计的组合模板结构图；

图8为具体实施方式中固体火箭发动机药柱设计的组合模板中模板1的结构图；

图9为具体实施方式中固体火箭发动机药柱设计的组合模板中模板2的结构图；

图10为具体实施方式中固体火箭发动机药柱设计的组合模板中模板3的结构图；

图11为具体实施方式中固体火箭发动机药柱设计的组合模板中模板4的结构图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明基于模板的集成设计平台的构造方法的流程如图1所示。

步骤1，在网络环境和操作系统的支持下，收集整理设计所需的数据和资源。

步骤2，将步骤1收集的资料归类存储在数据库管理系统中，形成多个功能库。

步骤3，根据各个功能库相对应的构造多个功能器，完成将数据库中的数据向模板中集成的功能。主要生成的功能器有：

异构数据模型转换器提供异构数据模型的转换。一方面进行不同设计阶段的数据模型转换，例如从结构分析到热力学分析的数据模型转换；另一方面进行不同设计主体之间的数据模型转换，例如从总体设计部门到分系统设计部门的数据模型转换；

规范集成器对设计规则进行集成。一种是可以定量描述的规则，例如当某某设计角大于多少度的时候，应该使用何种算法；另外一种是可以定性描述的规则，例如AB两种材料都适合于某种结构，但是A材料更适合于某种情况，B材料更适合于另外某种情况。

知识集成器对知识进行集成，一种是成熟的设计经验的集成，例如进行某产品设计的时候，可以先查找到类似产品的成熟设计方案，然后在此基础上进行设计；另外一种知识是长久以来设计人员形成的设计经验，例如某设计变量大致在某范围内取值，又例如当某拐角大于多少度之后工艺难以加工等。

应用集成器对工具软件进行集成，例如封装CAD/CAE工具，通过模板中的参数改变CAD/CAE模型的参数，同时也将CAD/CAE模型的参数值赋给模板中的参数；又例如封装MATLAB，在模板中输入MATLAB命令然后调用MATLAB软件得到结果。

算法集成器对算法进行集成。一种是理论算法，一种是工程算法，例如封装多种航线优化算法，通过模板中参数的取值调用多种算法得到优化结果。

流程解析器将流程库中的流程解析为逻辑流和数据流。

步骤4，构建模板生成器，一方面是提供符合用户需求的使用界面，另外一方面提供和下层功能器的接口。平台设计者根据具体的设计目标查询设计流程，并确定需要设计的模板数量及具体内容，模板的基本结构如图2所示。然后，调用模板生成器按照所确定的模板数量和内容生成功能独立的模板。

步骤5，通过调用流程解析器解析的逻辑流和数据流将步骤4生成的多个单独的模板组合成组合模板，其中模块组合的基本路由方式示意图如图3所示，由此四种基本方式可以构建任意复杂的模板结构。

根据本发明的构造方法构造出的基于模块的集成设计平台的结构示意图如图4所示，具体包括：数据库生成模块、异步数据转换模块、规范集成模块、知识集成模块、流程解析模块、应用集成模块、算法集成模块、模板生成模块和组合模板生成模块。其中数据库生成模块生成的数据库包括产品数据库、规范库、知识库和流程库。收集整理的行业设计所需数据输入数据库生成模块，应用软件输入应用集成模块，算法集输入算法集成模块。平台设计者可以根据设计目的通过模板生成模块调用异步数据转换模块、规范集成模块、知识集成模块、应用集成模块和算法集成模块中的数据，生成功能模板。

图5是本发明在固体火箭发动机集成设计平台实施中的软件结构图。

下面结合一个典型的固体火箭发动机药柱设计流程来说明此平台的具体构造方法和结构：

本实施例的设计目标为设计一个固体火箭发动机药柱，图6是设计前收集到的典型固体火箭发动机药柱设计的原始流程，这个流程包括：1)指定海拔和假设一个理想的推力-时间曲线图；2)设定推进剂类型、燃烧室压强、燃烧面积和喷管几何尺寸；3)设定推进剂形状；4)计算推力和比冲。如果推力和比冲合适，就得到了一种潜在的可行设计方案，如果不合适，就需要返回第三步修改推进剂形状，如果仍然不合适，就返回第二步继续修改，如果仍然得不到想要的推力和比冲，就需要返回第一步修改推力-时间曲线。

步骤1，根据设计目标，收集此设计过程中需要用到的数据和资源。

步骤2，将步骤1收集到的资料归类整理储存入数据库，形成格式规范的各类数据库文件。

步骤3，通过步骤2中根据具体设计目标生成的数据库类型和文件，构造各个功能器。

步骤4，平台设计者通过研究此具体设计的原始流程，确定此流程可以用如图7的组合模板方式来实现。按照该组合方式，需要生成四个独立的模板。图8-图11展示了这4个独立模板的具体结构和功能：

图8展示了模板1的结构和功能。首先，ATT(海拔，推力，时间)通过输入层输入到模板中间层，中间层的知识集成模块会根据ATT从知识库中搜索相似的产品，有些情况下会从产品数据库中读取产品参数等信息，这些参数通过知识集成器集成到模板中，随后ATT和SPP(相似产品参数)会被输出到下一个模板中。

图9展示了模板2的结构和功能。首先，ATT和SPP通过输入层输入到模板中间层。随后，中间层的推进剂选择模块会根据输入从规范数据库中搜索推进剂选择规则，随后此规则通过规范集成器集成到模板中，以帮助用户选择合适的推进剂；然后中间层会通过SPP假定一组燃烧室压强、燃烧面积、喷管几何尺寸。当推进剂类型选定之后，会从产品数据库中读取此推进剂的特征参数，将其嵌入到模板内部，最后将ATT，SPP，CBN(燃烧室压强、燃烧面积、喷管几何尺寸)和PCP(推进剂特征参数)作为输出传递到下一个模板当中。

图10展示了模板3的结构和功能。当得到输入之后，中间层的药柱形状选择模块会根据输入从规范数据库中搜索药柱形状选择规则，此规则通过规范集成器集成到模板中以帮助用户选择药柱形状，如车轮形、星形和树枝形等形状；同时此形状的燃烧特性参数也会被集成到模板中，当选定一种药柱的时候，这个选择结果GS(药柱形状)会被输入到下个模板当中。

图11展示了模板4的结构和功能。当所有的设计参数(SPP，CBN，PCB，GS)都输入到这个模板之后，中间层的药柱燃烧计算模块将从相关的算法集中搜索算法，这些算法通过算法集成器集成到模板中，随后，药柱燃烧计算模块调用这些不同的算法计算比冲(I_sp)和推力(Thrust)，用户可以从中做比较获得可靠度较高的结果。如果推力和比冲满足要求，那么就得到了一种潜在可行的设计方案，如果不满足，就返回模板3或模板2或模板1重新开始设计。

步骤5，按照流程解析器所解析出来的逻辑流和数据流将步骤4生成的四个模板组合在一起，形成一个基于模板的固体火箭发动机药柱设计平台，其简图如图7所示。

平台使用者使用过程中，只用操作每个模板的输入和输出，而无需将注意力集中到软件的复杂操作、异构数据的复杂转换、复杂的规则、复杂的算法设计上，同时在设计过程中还能实时的调用现有的知识作为参考，以达到快速设计的目的。

在此案例中，用户使用此平台再现一个设计的时间仅为十几分钟，而不使用此平台而使用现有技术的其他方法再现此设计至少需要耗费数个小时。当面对新产品设计的时候，由于需要更多的设计参数变更及迭代，使用此平台能明显的减少用户操作的数量，至少能减少设计时间30％，而且将用户从繁重的软件操作中解脱出来所获得收益是无法估量的。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于模板的集成设计平台系统，其特征在于：包括数据库生成模块、异步数据转换模块、规范集成模块、知识集成模块、流程解析模块、应用集成模块、算法集成模块、模板生成模块和组合模板生成模块；其中，

数据库生成模块的功能为将某个行业内产品设计所需的数据归纳整理并分类，形成标准格式的数据库文件，这些数据库主要包括产品数据库、规范库、知识库和流程库；

异步数据转换模块的功能为将产品数据库中异构的产品数据转换为统一的数据格式供模板生成模块调用；

规范集成模块的功能为将规范库中的规范提取出来供模板生成模块调用并集成；

知识集成模块的功能为将知识库中的知识提取出来供模板生成模块调用并集成；

应用集成模块的功能是将设计所用的行业软件及应用程序集成到模板生成模块中，以保证模板生成模块可以直接调用行业软件及应用程序进行设计；

算法集成模块的功能是将设计所用的理论及工程算法集成到模板生成模块中，以保证模板生成模块可以直接调用这些算法进行设计及计算；

模板生成模块的功能一方面是提供生成用户界面的必要工具，以方便平台设计者设计符合用户需求的使用界面，另外一方面提供和下层功能模块的接口，主要是通过异步数据转换模块调用产品数据库、通过规范集成模块调用规范库、通过知识集成模块调用知识库、通过应用集成模块调用行业软件及应用程序、通过算法集成模块调用算法；根据设计需要调用相关下层功能模块及数据，异步生成多个功能独立的模板；

流程解析模块的功能为将流程库的内容解析为数据流和逻辑流，以方便组合模板生成模块调用；

组合模板生成模块的功能为调用流程解析模块生成的逻辑流，将模板生成模块所生成的多个模板组合成一个组合模板，并调用数据流确定该组合模板中各个功能模板之间的数据传递关系；

上述各模块间的连接关系为：数据库生成模块中的产品数据库、规范库、知识库、流程库，分别与异步数据转换模块、规范集成模块、知识集成模块、流程解析模块连接；并且，异步数据转换模块、规范集成模块和知识集成模块的输出端，以及应用集成模块和算法集成模块的输出端分别与模块生成模块的输入端连接；流程解析模块接收模板生成模块的输出，然后与组合模板生成模块连接。

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