1 引言
人們己從實踐中發現，產品信息中存在著大量的相似性。人們采用了標準化技術、成組技術、模塊化設計技術、派生式CAD和CAPP技術等，充分利用這些相似性提高效率、降低成本。在產品信息基因理論中，這種具有相似性特點的信息可以用產品信息基因的概念表示。產品信息基因模型是產品信息基因理論的主要內容，其用于描述在產品生命周期的不同階段的產品信息標準化的內容以及不同標準化水平的產品信息的內容，描述這些產品信息的關系。本文將對此進行研究，同時還將分析產品信息基因模型的繼承性、封裝性、轉換性、多樣性、相似性和自組織性等特點，這些特點深刻反映了產品信息標準化的意義和內涵。
2 產品信息基因模型的框架
圖1為產品信息基因模型的框架。它將機械產品信息中具有類似于生物遺傳基因特點的內容抽取出來，進行分類描述。對比生物基因模型，本文采用了三層產品信息基因模型進行描述。本文將產品設計分為兩個階段，概念設計階段采用產品概念基因模型，結構設計階段采用產品結構基因模型，同時還考慮了工藝設計基因模型。下層模型中的信息由上層模型中的信息組成。層次越低，模型中的信息量和信息標準化的難度越大。不同層次模型的信息，其標準化內容有很大差異，并與不同的設計方法相聯系，其計算機實現方法也有很大不同。產品信息基因模型中的下面兩層對先進制造系統具有特別重要的意義。這和生物基因模型的概念是一致的。基因是控制遺傳的實體，它是DNA和蛋白質(組蛋白)結合而成的核蛋白，DNA主要負責傳遞遺傳信息，組蛋白起調節作用。基因的本質是具有生理功能的DNA片段，DNA分子是由含有A，T，C，G四種堿基的核昔酸所組成的。產品信息基因模型緊緊抓住類似于基因和DNA片斷這兩層的產品信息進行建模。圖2描述了產品生命過程中的基因模型的演變過程。
圖1 產品信息基因模型的框架
圖2 產品生命過程中的基因模型的演變過程
3 產品概念基因模型
產品概念基因模型用于產品的概念設計(總體設計)階段，主要是從描述產品的作用原理和功能的角度進行建模。它包括三個層次：
(1)基本原理 產品的基本原理主要是物理、化學等的基本定理，如力學中的牛頓定理。這些基本原理的數量極為有限。由這些基本原理可以推得力學、電學、光學、聲學等各種專業基礎學科中的各種定理和公式，其數量也十分有限，一般不需要編碼。但是根據這些定理和公式設計得到的產品卻是無窮無盡。在進行新產品的設計中，經常要用這些基本原理進行分析和驗證。這些基本原理的作用類似于生物基因中的四種堿基。
(2)標準化的功能模塊 一個產品往往是由一些具有不同作用原理或不同子功能的模塊組成。如土豆綜合收獲機，其子功能有墾掘、篩、莖葉分離、石子分離、土豆分選、收集等。每種子功能都有若干種可選方案。如篩有多種方案:柵篩、鼓篩、鏈篩、輪篩等。這些具有不同作用原理和子功能的模塊類似于生物基因中的DNA片段。不同功能模塊的組合就形成了不同形式的產品。這些功能模塊是根據基本定理進行設計得到的，并一般已經過實際應用。在概念設計階段充分利用這些功能模塊，也就是充分利用以往的設計信息，可以幫助加快新產品的開發設計。例如，在計算機產品概念設計專家系統的知識庫中可以存放這些功能模塊，通過人機交互，進行計算機輔助設計。
功能模塊的組合并不是隨意的。有些功能模塊可以組合成一個產品，有些則不能組合。在自然界，生物物種是由自然進行選擇。在產品概念設計時則將根據實踐經驗并結合實際需求進行選擇。
(3)標準化的典型產品模型許多產品往往在相同的基本功能和結構的基礎上作一些適當的變型以滿足各種用戶的不同的需要，其基型就稱為典型產品。例如某系列沖動式工業汽輪機有3種基型，有300多種變型。可以通過變型設計方法，進行相似產品的設計和生產，縮短生產周期。
典型產品往往是由企業內部或行業的標準化手冊，采用母圖的形式予以描述。通過一些參數的修改或確定，由母圖迅速得到新的產品。典型產品模型類似于生物種類的基因遺傳密碼。同一種類的生物由于環境等因素的不同，在個體大小、外貌特征等方面有顯著不同，但它們的基因遺傳密碼有很大的相似性。
這三個不同層次的產品概念基因模型對應不同的設計方法和計算機輔助設計方法。基于基本原理的創新設計是一個高度非結構化過程，主要依靠人的創造力，計算機只是作一些輔助計算和仿真等工作；基于標準化的功能模塊的組合法設計則可利用標準化的功能模塊，通過人機交互及專家系統進行計算機輔助設計；基于標準化的典型產品的變型設計則可利用計算機快速地設計出不同型號的產品。
對比生物系統，基因突變有可能產生適應環境的優良品種，但其成功的幾率是相當低的。這和創新設計的情況相似。化費很大的精力，經過無數次的試驗，才有可能得到一種全新意義上的有價值的產品，也有可能一事無成。而組合法設計則和生物間的“雜種優勢(heterosis，hybrid vigour)”情況相似。雜交有可能產生出優于先輩的品種。但對雜交對象的選擇范圍有嚴格的要求。而大部分生物則根據環境的“優勝劣汰”的自然選擇，更適應環境的新的變種得以生存和發展。這和典型產品的變型設計概念相似。
4 產品結構基因模型
產品結構基因模型用于零件的結構設計(詳細設計或技術設計)階段，主要是從零件的功能和制造的角度對其結構特征進行建模。它包括如下三個層次：
(1)基本特征 產品結構基因模型的基本組織成份是一些最基本的體素(如圓住體(cyhnder)、圓錐體(eone)、球體(sphere)、正方體(box)、楔體(wedge)、圓環體(torus)等)，以及與這些體素有關的特征(如光潔度、公差、材料、尺寸等)。這些基本特征數量很少，它們在空間的不同組合卻能產生出具有形形式式結構的，零件來。一些CAD系統的幾何模型往往采用這些基本特征作為基本圖素。
(2)標準化的功能特征 這是一些具有一定功能的典型結構特征，如鍵槽、導向槽、花鍵槽、錐齒面等，它們經常在不同的零件上用到，往往采用標準化的方法將其結構和技術要求固定下來，以滿足不同零件的共享。研究與探討這些具有一定功能的典型零件特征結構與一定的加工方法相聯系。其常用的棋型形式為零件特征模型。
零件特征模型對產品的描述是建立在所有特征信息的處理基礎上的，是零件基本特征信息的有機集合。一議中不僅有兒何信息和拓撲信息，還有更高層次的零件功能特征、工藝特征以及材料、公差、表面粗糙度及毛坯、熱處理等方面的信息，從而可得到一種面向整個生產過程的產品模型。特征模型是CAD/CAPP一體化中的關鍵技術，目前正處于發展之中。PDE別STEP產品模型信息標準就是這樣一種面向產品生命期的統一的特征模型。
功能特征模型還被用于控制設計的多樣化，用于控制相似零件族中粗糙度、公差及其它要求的不必要的變化。因為產品成本增加的速度一般是公差降低速度的5～6倍，發現和修正不必要的設計是有利可圖的。
標準化的功能特征的數目不是很多，但是它的組合類型卻是無窮無盡。因為在零件中，功能特征可以重復參與組合，并且可以在三維空間參與組合。
(3)標準化的典型零件 在不同的產品中存在許多相似的零件。相似件可以通過標準化、模塊化和系列化而采用典型零件的形式描述使用范圍較大、使用頻度較高的相似件可由ISO標準或國家標準或行業標準成為標準件，如螺母、螺栓、軸承、圓柱銷等。更大量的零件是如法蘭、齒輪、襯套、葉片等相似件，其特點是使用范圍相對較小一些、頻度較低些、變化更多些。這些相似件可通過企業標準化部門進行標準化。典型零件模型可以通過對相似件(包括標準件)的檢索并對其作些修改(或不作任何修改)滿足新的需要，從而減少零件數目，夾具、刀具和量具的設計也能從零件變型設計中獲得同樣的好處。典型零件模型對提高CAD系統的效率和控制零件的多樣化有很重要的作用。由于CAD系統的便捷性，人們往往會設計出許多不必要的新零件，這將大幅度提高產品成本。標準化的典型零件模型將有助于克服這種傾向。
5 產品工藝基因模型
產品工藝基因模型用于產品工藝過程設計階段，主要是對零件的工藝特征進行建模。它包括以下三個層確、次：
(1)基本知識 產品工藝基因模型的基本組織成份是一些基本工藝知識。這些基本工藝知識大多收集在工藝手冊及教科書中。在創成式的CAPP(計算機輔助工藝設計)中，由這些知識通過推理得到零件的工藝文件。
(2)標準化的零件工序 它往往建立在標準化的零件功能特征的基礎上，可以減少工裝的多樣化問題。在半創成式CAPP中，在工藝順序確定之后，以標準化的零件工序為基礎，組成新零件的工藝文件。
(3)標準化的典型工藝 通過對標準化的典型工藝的少量內容的增減及修改，即可得到新零件的工藝文件。這種典型工藝又稱為成組工藝(group technology)，對零件的成組加工有很重要的作用，是單元制造系統、獨立制造島等先進制造系統的重要基礎。
從廣義上講，零件的工藝內容還包括工時定額、工裝(夾具、刀具和量具)以及數控程序。在標準化的零件功能特征以及標準化的零件工序的基礎上，容易得到它們的標準模塊，即基因模塊。從而使這些資源(包括信息)得到比較充分的利用，縮短產品制造周期。
6 機械產品信息基因模型的特點
機械產品信息基因模型所包含的內容并不是新的東西，而是將各種具有類似于生物基因模型的產品信息模型用一個統一的模型加以描述，從而進一步闡明了產品信息標準化的意義，系統地描述了產品信息標準化的內容和內在關系。機械產品信息基因模型的主要特點可以歸納為：
(1)繼承性(Inheritanee)生物基因是生物遺傳信息的模型描述，基因的繼承性是生物得以世代相傳的本質所在。同樣，產品基因模型也是人類科技成果—產品信息得以保存的本質所在。繼承性的概念與可重用性的概念是一致的。
現代制造企業中定單生產方式的企業的比重越來越大。產品基因模型對于提高這類企業的競爭力有重要意義。這類企業的設計部門經常處于超負荷狀態，這就使設計人員沒有足夠的時間和精力考慮產品的系列化、標準化和長遠發展。普遍的現象是，新的零部件不斷的被設計出來，源源不斷的進人生產流程，造成零件和文檔數量爆炸、制造過程混亂、生產成本提高、交貨周期延長等弊病。
由于優勝劣汰的自然規律使適應自然界的物種得以保存、繁衍和發展，而不適應自然界的更多的物種被淘汰。產品基因模型就是描述那些經過實踐考驗的、有遺傳價值的不同層次的產品遺傳基因信息。無論是在新產品設計或變型設計中，充分地利用這些產品遺傳基因信息，所得到的新產品的高質量和低成本就有很好的保證。
(2)封裝性(Eneapsulation)如同生物基因具有封裝性的特點，在產品信息基因模型中，產品的標準化的功能模塊、零件功能特征、典型產品和典型零件也具有封裝性的特點。這對于產品信息的繼承十分重要。產品信息基因模型的封裝性的特點是：①模型具有清楚的邊界；②模型具有統一的外部接口(參數模式)描述該模型與其它模型間的相互作用；③使用者可以不必考慮模型的內部實現細節。
(3)轉換性(Transformation)生物的基因控制著生物的整個的生長過程，從胚胎、幼體到成熟的個體，直到衰老和死亡。產品的基因也控制著產品的生命過程。產品基因模型的標準化的功能模塊和典型產品都已包含著可制造性，因為它們都已經過生產和使用的考驗。零件的標準化功能特征直接將零件的標準化結構與標準化的制造方法聯系起來。
產品信息基因模型的轉換性還包括不同層次間的模型的轉換問題。如在CAD系統中，當采用特征建模法得到的新零件設計完成后，并當類似的零件變型不斷出現時，應自動將零件功能特征模型轉人到典型零件模型中去。現有的CAD軟件還不能滿足這一要求。如面向特征建模的PRO/E軟件和面向變型設計的SigraPh-Disign軟件所得到的產品模型間還無法相互進行轉換。
(4)多樣性(Variant)自然界生物的多樣性令人嘆為觀止。正是這種多樣性，使生物群落具有很高的自穩定性和可擴展性。在一個多變的，以交貨期、質量、成本和服務為競爭主要目標的市場環境中，企業的產品品種越是多樣化，企業的生存概率也就越大。為了低成本、快速地生產出具有競爭力的多品種產品，產品信息基因模型的“以不變應萬變”的特點，在新產品設計和開發中得到越來越廣泛的應用。人們利用功能模塊快速組合出滿足市場需要的新產品；利用典型產品模型進行變型設計，這不僅大大提高產品概念設計的速度和質量，而且可以更充分地利用已有的資源，如設計信息、工裝和工人的經驗；當然還需要進行全新產品的研制、滿足未來市場變化的需要。
(5)相似性(Similarity)自然界的生物千變萬化，機械產品也是千變萬化。在生物的進化過程中，由于生物種類之間在遺傳基因方面存在一定的繼承性，因而生物間或多或少存在一定的相似性。產品信息基因模型認為在產品的發展過程中，由于人類知識的繼承性，產品間也或多或少存在一定的相似性。產品信息基因模型就是從相似性出發，根據不同的相似性水平對各種方法進行分層和分類。并充分地利用這種相似性來簡化產品信息。如：利用零件功能特征模型控制零件結構特征的數量，如環槽的寬度和深度，從而控制工裝的多樣化；利用典型零件模型控制不同零件的數量，并提高零件的質量，降低設計和制造成本。
(6)自組織性(Self-Organization)產品信息基因模型在其繼承性、封裝性、轉換性、多樣性和相似性的基礎上，將具有自組織性。生物基因通過自然選擇法則使生物表現出對環境變化的自組織性和自適應性。產品的自組織性對于敏捷制造具有特別的意義。在敏捷制造中采用的是柔性的、模塊化的產品設計和制造方法，以往生產的產品進入市場后，其功能和性能都已固定不變了。而敏捷制造的產品的功能和性能可以根據用戶的需要再進行改變，很容易得到新的功能和性能。另一方面，極大豐富的通信資源和軟件資源，使用戶可以很容易地自行設計產品，進行產品性能和制造過程的仿真，并可很快得到實際生產出來的產品。敏捷制造企業保證在整個產品生命周期內的用戶滿意，企業的這種質量跟蹤將持續到產品報廢為止，甚至包括產品的更新換代。
7 結束語
本文對各種產品信息模型采用類似于生物系統的基因模型進行統一描述，通過對產品信息基因棋型的礦，究可以得到如下結論：
(1)產品概念設計中的標準化的功能棋塊和典型產品以及產品結構設計中標準化的功能特征和典型零件等產品基因信息對于提高先進制造系統的效率和柔性有非常重要的意義。
(2)產品信息基因模型可將各種不同的現代產品模型、先進設計方法以及工藝設計方法熔為一體。
(3)產品信息基因模型的主要特點是繼承性、封裝性、轉換性、多樣性、相似性和自組織性。
(4)產品信息基因模型對產品設計和制造標準化中的內容、關系作了系統化的表述。
(5)由產品信息基因模型可以清楚地看到先進制造，系統中產品信息模型的發展方向。
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本文標題：產品信息基因模型
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