基于共生进化原理的功能结构设计.pdf

第41卷第6期 机械工程学报 v“4lNo．6 2005年6月 Jun． 2005 CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERING 基于共生进化原理的功能结构设计术 陈 泳 冯培恩 潘双夏 何斌 张 帅 (浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室杭州3l0027) 摘要：从生物的共生进化模式得到启发，从设计认知的高度，系统地总结了基于共生进化原理的共生功能之间的 关系，包括“提供作用条件”关系，“消除有害副作用”关系和“消除有害环境影响”关系三类。这些关系为系 统地解决创新设计中基于可行原理解的功能结构设计问题奠定了基础。在此基础上提出了集成原理方案设计和功 能结构设计的计算机辅助概念设计的进程模型。该进程模型能根据实际创新设计环境以及候选原理解的作用条 件、副作用和环境影响，在求解过程中动态地生成待求产品的功能结构，符合设计师的思维习惯。最后给出了模 型应用实例。 关键词：功能结构设计创新设计概念设计 设计认知 共生进化原理进化设计 中图分类号：THl22 复杂产品的功能结构是通过多个功能模块逐步 O前言 组合而成。进化论研究表明，当今的复杂生物也是 3|。 由简单的原核生物通过组合式的共生进化而来【l 产品概念设计主要包括两大任务：功能结构设 两者之间具有相似性。因此可借助生物共生进化模 计(即生成待求产品的功能结构)和原理方案设计(即 式来探索创新设计中功能结构的生成规律，这种研 4。。 为功能结构中的子功能寻求合适的原理解)…。目前 究思路初步得到了国际工程设计学界的认可【l 对于计算机辅助原理方案设计的研究已取得不少进 展，主要可分为两类：一类是通过检索的方法直接 1 共生原理与功能结构进化 为目的功能从知识库中找出匹配的原理解【2刊；另一 类方法是当不能为目的功能找到匹配的原理解时， 共生是生物种间关系的一种，是指两种生物 通过多个已知原理解的分步组合来实现目的功 为了更好地适应生存环境而彼此互利地生活在一 起【”】。内共生是指一种生物共生在另～种生物的体 能[5~71。相对而言，功能结构设计的研究则比较 滞后。 内。进化论中的内共生假说认为：在大约十几亿年 J和 前，原始海洋中一些大型的有吞噬能力的原核细胞 现有的功能结构设计研究(如功能分解法【l (可能由团聚体或微聚体进化而来)，先后吞并了几 zigzag法【8】)大多仍局限于对功能结构设计过程的描 述。个别研究虽然试图开发支持计算机辅助功能结 种原核细胞；后者由于偶然因素并没有被吞噬细胞 构设计的原型软件[9J，但由于缺乏对功能结构设计 所分解消化，反而从寄生过渡到共生，并进化成宿 在认知学层次上的深入探索，开发的软件常常缺乏 主细胞的细胞器【131。这样，生物的功能结构就逐步 柔性，不能合理地支持产品的创新设计。 地通过共生得到了不断完善和发展。 复杂技术产品常常