1 引言
人们己从实践中发现，产品信息中存在着大量的相似性。人们采用了标准化技术、成组技术、模块化设计技术、派生式CAD和CAPP技术等，充分利用这些相似性提高效率、降低成本。在产品信息基因理论中，这种具有相似性特点的信息可以用产品信息基因的概念表示。产品信息基因模型是产品信息基因理论的主要内容，其用于描述在产品生命周期的不同阶段的产品信息标准化的内容以及不同标准化水平的产品信息的内容，描述这些产品信息的关系。本文将对此进行研究，同时还将分析产品信息基因模型的继承性、封装性、转换性、多样性、相似性和自组织性等特点，这些特点深刻反映了产品信息标准化的意义和内涵。
2 产品信息基因模型的框架
图1为产品信息基因模型的框架。它将机械产品信息中具有类似于生物遗传基因特点的内容抽取出来，进行分类描述。对比生物基因模型，本文采用了三层产品信息基因模型进行描述。本文将产品设计分为两个阶段，概念设计阶段采用产品概念基因模型，结构设计阶段采用产品结构基因模型，同时还考虑了工艺设计基因模型。下层模型中的信息由上层模型中的信息组成。层次越低，模型中的信息量和信息标准化的难度越大。不同层次模型的信息，其标准化内容有很大差异，并与不同的设计方法相联系，其计算机实现方法也有很大不同。产品信息基因模型中的下面两层对先进制造系统具有特别重要的意义。这和生物基因模型的概念是一致的。基因是控制遗传的实体，它是DNA和蛋白质(组蛋白)结合而成的核蛋白，DNA主要负责传递遗传信息，组蛋白起调节作用。基因的本质是具有生理功能的DNA片段，DNA分子是由含有A，T，C，G四种碱基的核昔酸所组成的。产品信息基因模型紧紧抓住类似于基因和DNA片断这两层的产品信息进行建模。图2描述了产品生命过程中的基因模型的演变过程。
图1 产品信息基因模型的框架
图2 产品生命过程中的基因模型的演变过程
3 产品概念基因模型
产品概念基因模型用于产品的概念设计(总体设计)阶段，主要是从描述产品的作用原理和功能的角度进行建模。它包括三个层次：
(1)基本原理 产品的基本原理主要是物理、化学等的基本定理，如力学中的牛顿定理。这些基本原理的数量极为有限。由这些基本原理可以推得力学、电学、光学、声学等各种专业基础学科中的各种定理和公式，其数量也十分有限，一般不需要编码。但是根据这些定理和公式设计得到的产品却是无穷无尽。在进行新产品的设计中，经常要用这些基本原理进行分析和验证。这些基本原理的作用类似于生物基因中的四种碱基。
(2)标准化的功能模块 一个产品往往是由一些具有不同作用原理或不同子功能的模块组成。如土豆综合收获机，其子功能有垦掘、筛、茎叶分离、石子分离、土豆分选、收集等。每种子功能都有若干种可选方案。如筛有多种方案:栅筛、鼓筛、链筛、轮筛等。这些具有不同作用原理和子功能的模块类似于生物基因中的DNA片段。不同功能模块的组合就形成了不同形式的产品。这些功能模块是根据基本定理进行设计得到的，并一般已经过实际应用。在概念设计阶段充分利用这些功能模块，也就是充分利用以往的设计信息，可以帮助加快新产品的开发设计。例如，在计算机产品概念设计专家系统的知识库中可以存放这些功能模块，通过人机交互，进行计算机辅助设计。
功能模块的组合并不是随意的。有些功能模块可以组合成一个产品，有些则不能组合。在自然界，生物物种是由自然进行选择。在产品概念设计时则将根据实践经验并结合实际需求进行选择。
(3)标准化的典型产品模型许多产品往往在相同的基本功能和结构的基础上作一些适当的变型以满足各种用户的不同的需要，其基型就称为典型产品。例如某系列冲动式工业汽轮机有3种基型，有300多种变型。可以通过变型设计方法，进行相似产品的设计和生产，缩短生产周期。
典型产品往往是由企业内部或行业的标准化手册，采用母图的形式予以描述。通过一些参数的修改或确定，由母图迅速得到新的产品。典型产品模型类似于生物种类的基因遗传密码。同一种类的生物由于环境等因素的不同，在个体大小、外貌特征等方面有显著不同，但它们的基因遗传密码有很大的相似性。
这三个不同层次的产品概念基因模型对应不同的设计方法和计算机辅助设计方法。基于基本原理的创新设计是一个高度非结构化过程，主要依靠人的创造力，计算机只是作一些辅助计算和仿真等工作；基于标准化的功能模块的组合法设计则可利用标准化的功能模块，通过人机交互及专家系统进行计算机辅助设计；基于标准化的典型产品的变型设计则可利用计算机快速地设计出不同型号的产品。
对比生物系统，基因突变有可能产生适应环境的优良品种，但其成功的几率是相当低的。这和创新设计的情况相似。化费很大的精力，经过无数次的试验，才有可能得到一种全新意义上的有价值的产品，也有可能一事无成。而组合法设计则和生物间的“杂种优势(heterosis，hybrid vigour)”情况相似。杂交有可能产生出优于先辈的品种。但对杂交对象的选择范围有严格的要求。而大部分生物则根据环境的“优胜劣汰”的自然选择，更适应环境的新的变种得以生存和发展。这和典型产品的变型设计概念相似。
4 产品结构基因模型
产品结构基因模型用于零件的结构设计(详细设计或技术设计)阶段，主要是从零件的功能和制造的角度对其结构特征进行建模。它包括如下三个层次：
(1)基本特征 产品结构基因模型的基本组织成份是一些最基本的体素(如圆住体(cyhnder)、圆锥体(eone)、球体(sphere)、正方体(box)、楔体(wedge)、圆环体(torus)等)，以及与这些体素有关的特征(如光洁度、公差、材料、尺寸等)。这些基本特征数量很少，它们在空间的不同组合却能产生出具有形形式式结构的，零件来。一些CAD系统的几何模型往往采用这些基本特征作为基本图素。
(2)标准化的功能特征 这是一些具有一定功能的典型结构特征，如键槽、导向槽、花键槽、锥齿面等，它们经常在不同的零件上用到，往往采用标准化的方法将其结构和技术要求固定下来，以满足不同零件的共享。研究与探讨这些具有一定功能的典型零件特征结构与一定的加工方法相联系。其常用的棋型形式为零件特征模型。
零件特征模型对产品的描述是建立在所有特征信息的处理基础上的，是零件基本特征信息的有机集合。一议中不仅有儿何信息和拓扑信息，还有更高层次的零件功能特征、工艺特征以及材料、公差、表面粗糙度及毛坯、热处理等方面的信息，从而可得到一种面向整个生产过程的产品模型。特征模型是CAD/CAPP一体化中的关键技术，目前正处于发展之中。PDE别STEP产品模型信息标准就是这样一种面向产品生命期的统一的特征模型。
功能特征模型还被用于控制设计的多样化，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变化。因为产品成本增加的速度一般是公差降低速度的5～6倍，发现和修正不必要的设计是有利可图的。
标准化的功能特征的数目不是很多，但是它的组合类型却是无穷无尽。因为在零件中，功能特征可以重复参与组合，并且可以在三维空间参与组合。
(3)标准化的典型零件 在不同的产品中存在许多相似的零件。相似件可以通过标准化、模块化和系列化而采用典型零件的形式描述使用范围较大、使用频度较高的相似件可由ISO标准或国家标准或行业标准成为标准件，如螺母、螺栓、轴承、圆柱销等。更大量的零件是如法兰、齿轮、衬套、叶片等相似件，其特点是使用范围相对较小一些、频度较低些、变化更多些。这些相似件可通过企业标准化部门进行标准化。典型零件模型可以通过对相似件(包括标准件)的检索并对其作些修改(或不作任何修改)满足新的需要，从而减少零件数目，夹具、刀具和量具的设计也能从零件变型设计中获得同样的好处。典型零件模型对提高CAD系统的效率和控制零件的多样化有很重要的作用。由于CAD系统的便捷性，人们往往会设计出许多不必要的新零件，这将大幅度提高产品成本。标准化的典型零件模型将有助于克服这种倾向。
5 产品工艺基因模型
产品工艺基因模型用于产品工艺过程设计阶段，主要是对零件的工艺特征进行建模。它包括以下三个层确、次：
(1)基本知识 产品工艺基因模型的基本组织成份是一些基本工艺知识。这些基本工艺知识大多收集在工艺手册及教科书中。在创成式的CAPP(计算机辅助工艺设计)中，由这些知识通过推理得到零件的工艺文件。
(2)标准化的零件工序 它往往建立在标准化的零件功能特征的基础上，可以减少工装的多样化问题。在半创成式CAPP中，在工艺顺序确定之后，以标准化的零件工序为基础，组成新零件的工艺文件。
(3)标准化的典型工艺 通过对标准化的典型工艺的少量内容的增减及修改，即可得到新零件的工艺文件。这种典型工艺又称为成组工艺(group technology)，对零件的成组加工有很重要的作用，是单元制造系统、独立制造岛等先进制造系统的重要基础。
从广义上讲，零件的工艺内容还包括工时定额、工装(夹具、刀具和量具)以及数控程序。在标准化的零件功能特征以及标准化的零件工序的基础上，容易得到它们的标准模块，即基因模块。从而使这些资源(包括信息)得到比较充分的利用，缩短产品制造周期。
6 机械产品信息基因模型的特点
机械产品信息基因模型所包含的内容并不是新的东西，而是将各种具有类似于生物基因模型的产品信息模型用一个统一的模型加以描述，从而进一步阐明了产品信息标准化的意义，系统地描述了产品信息标准化的内容和内在关系。机械产品信息基因模型的主要特点可以归纳为：
(1)继承性(Inheritanee)生物基因是生物遗传信息的模型描述，基因的继承性是生物得以世代相传的本质所在。同样，产品基因模型也是人类科技成果—产品信息得以保存的本质所在。继承性的概念与可重用性的概念是一致的。
现代制造企业中定单生产方式的企业的比重越来越大。产品基因模型对于提高这类企业的竞争力有重要意义。这类企业的设计部门经常处于超负荷状态，这就使设计人员没有足够的时间和精力考虑产品的系列化、标准化和长远发展。普遍的现象是，新的零部件不断的被设计出来，源源不断的进人生产流程，造成零件和文档数量爆炸、制造过程混乱、生产成本提高、交货周期延长等弊病。
由于优胜劣汰的自然规律使适应自然界的物种得以保存、繁衍和发展，而不适应自然界的更多的物种被淘汰。产品基因模型就是描述那些经过实践考验的、有遗传价值的不同层次的产品遗传基因信息。无论是在新产品设计或变型设计中，充分地利用这些产品遗传基因信息，所得到的新产品的高质量和低成本就有很好的保证。
(2)封装性(Eneapsulation)如同生物基因具有封装性的特点，在产品信息基因模型中，产品的标准化的功能模块、零件功能特征、典型产品和典型零件也具有封装性的特点。这对于产品信息的继承十分重要。产品信息基因模型的封装性的特点是：①模型具有清楚的边界；②模型具有统一的外部接口(参数模式)描述该模型与其它模型间的相互作用；③使用者可以不必考虑模型的内部实现细节。
(3)转换性(Transformation)生物的基因控制着生物的整个的生长过程，从胚胎、幼体到成熟的个体，直到衰老和死亡。产品的基因也控制着产品的生命过程。产品基因模型的标准化的功能模块和典型产品都已包含着可制造性，因为它们都已经过生产和使用的考验。零件的标准化功能特征直接将零件的标准化结构与标准化的制造方法联系起来。
产品信息基因模型的转换性还包括不同层次间的模型的转换问题。如在CAD系统中，当采用特征建模法得到的新零件设计完成后，并当类似的零件变型不断出现时，应自动将零件功能特征模型转人到典型零件模型中去。现有的CAD软件还不能满足这一要求。如面向特征建模的PRO/E软件和面向变型设计的SigraPh-Disign软件所得到的产品模型间还无法相互进行转换。
(4)多样性(Variant)自然界生物的多样性令人叹为观止。正是这种多样性，使生物群落具有很高的自稳定性和可扩展性。在一个多变的，以交货期、质量、成本和服务为竞争主要目标的市场环境中，企业的产品品种越是多样化，企业的生存概率也就越大。为了低成本、快速地生产出具有竞争力的多品种产品，产品信息基因模型的“以不变应万变”的特点，在新产品设计和开发中得到越来越广泛的应用。人们利用功能模块快速组合出满足市场需要的新产品；利用典型产品模型进行变型设计，这不仅大大提高产品概念设计的速度和质量，而且可以更充分地利用已有的资源，如设计信息、工装和工人的经验；当然还需要进行全新产品的研制、满足未来市场变化的需要。
(5)相似性(Similarity)自然界的生物千变万化，机械产品也是千变万化。在生物的进化过程中，由于生物种类之间在遗传基因方面存在一定的继承性，因而生物间或多或少存在一定的相似性。产品信息基因模型认为在产品的发展过程中，由于人类知识的继承性，产品间也或多或少存在一定的相似性。产品信息基因模型就是从相似性出发，根据不同的相似性水平对各种方法进行分层和分类。并充分地利用这种相似性来简化产品信息。如：利用零件功能特征模型控制零件结构特征的数量，如环槽的宽度和深度，从而控制工装的多样化；利用典型零件模型控制不同零件的数量，并提高零件的质量，降低设计和制造成本。
(6)自组织性(Self-Organization)产品信息基因模型在其继承性、封装性、转换性、多样性和相似性的基础上，将具有自组织性。生物基因通过自然选择法则使生物表现出对环境变化的自组织性和自适应性。产品的自组织性对于敏捷制造具有特别的意义。在敏捷制造中采用的是柔性的、模块化的产品设计和制造方法，以往生产的产品进入市场后，其功能和性能都已固定不变了。而敏捷制造的产品的功能和性能可以根据用户的需要再进行改变，很容易得到新的功能和性能。另一方面，极大丰富的通信资源和软件资源，使用户可以很容易地自行设计产品，进行产品性能和制造过程的仿真，并可很快得到实际生产出来的产品。敏捷制造企业保证在整个产品生命周期内的用户满意，企业的这种质量跟踪将持续到产品报废为止，甚至包括产品的更新换代。
7 结束语
本文对各种产品信息模型采用类似于生物系统的基因模型进行统一描述，通过对产品信息基因棋型的矿，究可以得到如下结论：
(1)产品概念设计中的标准化的功能棋块和典型产品以及产品结构设计中标准化的功能特征和典型零件等产品基因信息对于提高先进制造系统的效率和柔性有非常重要的意义。
(2)产品信息基因模型可将各种不同的现代产品模型、先进设计方法以及工艺设计方法熔为一体。
(3)产品信息基因模型的主要特点是继承性、封装性、转换性、多样性、相似性和自组织性。
(4)产品信息基因模型对产品设计和制造标准化中的内容、关系作了系统化的表述。
(5)由产品信息基因模型可以清楚地看到先进制造，系统中产品信息模型的发展方向。
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本文标题：产品信息基因模型
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