基於遺傳學的產品開發與基因研究論文
基於遺傳學的產品開發與基因研究論文
0引言
基因的遺傳和變異使生物的子代具有與親代相似但不完全相同的遺傳特徵。透過基因工程的研究，人類可按照自己的意願把不同生物的基因重新加工組合，定向改變生物遺傳特性，創造出新的生物型別。產品開發過程中對於原有產品開發資訊的繼承和重組很重要，具有類似生物基因遺傳和變異的特性。從產品開發過程中提取產品開發基因，利用基因工程方法修改和重組產品開發基因，形成新的產品開發過程，既繼承了原過程的特性，又根據新的產品開發要求和約束條件進行改善，可以實現產品開發過程的最佳化和重用。
為了更有效地解決產品族設計的繼承與創新問題，近年來已有一些學者研究將基因工程的相關原理應用於工程設計中。香港大學的陳克彰教授等認為產品擁有遺傳資訊，提出了製造產品虛擬基因的概念、特徵和組成結構。喬治.梅森大學Krasnow研究院的Jone.S.Gero[3?5]教授及其團隊將生物遺傳原理引入工程設計領域，提出了設計基因的概念及其在產品設計中的作用和意義。德國馬德格堡大學的Vajna[6,7]提出了自生設計理論（AutogeneticDesignTheory)，將產品在設計過程中的產生類比於有機體的進化過程，研究了自生設計理論的特點。這些研究的共同點是透過對產品基因特徵與型別的研究，提取出同類產品的遺傳基因，透過對產品基因的繼承和重構，設計出高質量的產品。
本文將產品開發過程本身看作一種特殊的產品，將指導產品開發過程進行的資訊作為產品開發基因，借鑑生物基因遺傳變異的特性，研究產品開發基因的模型和表示，為實現產品開發過程的最佳化和重用提供支援。
1產品開發基因的概念
生物基因是DNA分子上具有遺傳效應的一段核苷酸序列，基因含有特定的遺傳資訊，是遺傳物質的最小功能單位[8]。類比生物基因，並結合產品開發過程的特性，提出產品開發基因的定義。產品開發基因（ProductDevelopmentGene，PDG)是指導產品開發過程進行的有遺傳價值資訊的集合。產品開發基因可以看作某類產品開發過程的“藍圖”或“食譜”，規定了產品開發過程的基本特徵及自動生成機制，在新產品開發的外界約束條件下，自動生成新的產品開發過程。其具有以下幾個方面的特性：
1)產品開發基因是控制產品開發活動性狀的基本功能單位，其功能是透過指導產品開發活動的進行實現產品開發基因的表達，從而控制產品開發活動性狀和功能。
2)產品開發基因本質上是一種與產品開發過程有關的特殊指令，是一種資訊。產品開發過程的進行需要產品開發目標、設計策略、人員組織方式和資源調配模式等與產品開發過程相關的資訊來指導。
3)產品開發基因具有遺傳和變異的特性，新產品開發經常重用已有相似產品的開發過程，即原有的產品開發過程資訊傳遞給新的產品開發過程，類似於生物基因的遺傳特性，同時新產品開發又要按照新的要求對產品開發過程進行修改和創新，類似於生物基因的變異特性。
4)類似於生物基因以A,T,C,G四個鹼基符號來表示一樣，產品開發基因也可以透過一定形式或符號來表示。透過形式化表示，為產品開發基因的儲存、檢索和重用創造條件。
2產品開發基因的獲取
生物學的發展，經歷了從生物體、器官、細胞、蛋白質、DNA，最後獲得基因，這樣一個從宏觀到微觀，不斷分解、深入細化的過程。類似地，產品開發基因的獲取，可以透過對已有產品開發過程進行分析，將產品開發過程逐步分解為產品開發活動單元（類似於生物細胞），提取驅動產品開發活動單元進行的遺傳資訊，集合成產品開發基因。如圖1所示，首先將產品開發過程分解為產品規劃、概念設計、結構設計、詳細設計、工藝設計、試製、測試和改進以及產品推出等階段；其次以概念設計為例，將其分解為營銷部門、設計部門、製造部門和法律部門等各部門的任務；接著以營銷部門收集客戶需求的任務為例，將其分解為收集原始資料、恰當表述需求、組織需求等級和建立需求重要度等活動單元；最後以收集顧客原始資料這一活動單元為例，提取出驅動其進行的約束條件、施行物件、受動物件、動作和結果等遺傳資訊，這些資訊集合在一起組成指導收集顧客原始資料這一活動單元進行的產品開發基因。
3產品開發基因的模型
產品開發活動單元可以描述為“在一定的約束條件下，施動物件對受動物件實施一系列的動作，獲得一定的結果。”對應地，其中包含的遺傳資訊有：約束條件資訊、施動物件資訊、動作資訊、受動物件資訊、結果資訊，這些資訊構成產品開發基因。本文以動作資訊為核心，構建產品開發基因模型，如圖2所示。產品開發基因可以用一個六元組來概括：PDG={C,A,M,R,S}。其中，約束條件資訊C(Constraint)描述動作發生的條件；施動物件資訊A(Actor)描述動作的發出者；動作資訊M(Motion)描述產品開發活動單元進行的方式；受動物件資訊R(Recipient)描述動作的承受者；結果資訊S(Solution)描述動作發生的結果。
4產品開發基因的表示
在建立產品開發基因模型基礎上，對產品開發基因進行表示，為建立產品開發基因庫，實現產品開發過程的重用奠定基礎。產品開發基因表示是產品開發基因形式化和符號化的過程，主要是選擇適當的`形式來表示產品開發基因。產品開發基因所包含的資訊形式較多，既有結構性資訊，又有過程性資訊。框架表示法適合表示結構性資訊，而產生式表示法適合表示過程性資訊'因此本文將框架表示法和產生式表示法結合起來進行產品開發基因表示。如圖3所示，在進行產品開發基因表示時以框架表示為主體，把產生式規則嵌入到框架表示中，在約束條件槽、受動物件槽和結果槽的過程側面，採用產生式表示法表示過程性資訊。
5產品開發過程重用中的PDG操作流程
參照生物遺傳學的規律，產品開發過程實際上是產品開發基因複製、變異、表達的過程。在課題組前期工作?的基礎上，構建如圖4所示的PDG操作流程框架。首先從產品開發過程基因庫中檢索出相似產品A，B和C的開發過程基因組，新產品的開發過程選擇性繼承這些相似產品的產品開發基因Aa，Bb和C。，並根據新產品的開發要求增加基因庫中沒有的新基因。、，重組形成新的產品開發過程基因組；其次按照新產品開發目標和約束條件進行變異進化，基因從狀態1進化到狀態n，得到最終的產品開發過程基因組；最後將產品開發基因表達為一系列產品開發活動，組成完整的產品開發過程，實現產品開發過程的重用。
為了闡明如何從活動單元中提取出遺傳資訊，進而集合成產品開發基因，本文以開發一款無繩螺絲刀為例(案例來源於文獻[11])，對其“收集客戶原始資料”這一活動單元進行分析。該活動單元包含選擇客戶、選擇收集資料的方式和整理收集的原始資料三個過程，提取其中包含的遺傳資訊如表1所示。
將這些遺傳資訊以動作資訊為核心，構建客戶選擇基因、收集方式選擇基因和資料整理基因，如圖5所示。
最後按照上文提出的產品開發基因表示方法，對其中的客戶選擇基因例項進行表示，如圖6所示。在客戶
選擇基因中，首先為了揭示大部分客戶的需求，需要確定應該與多少個客戶訪談，判斷的標準是：當增加的訪談物件不能揭示出新的需求時，則停止該流程。對於本例來說，訪談人數約30人，訪談總時長約25小時，地點可以透過產生式規則來選擇，最後透過客戶選擇矩陣和產生式規則，來定位領先客戶和一般客戶。
7結論
基於生物遺傳理論與方法，從產品開發過程中提取產品開發基因，利用基因工程原理修改和重組產品開發基因，形成新的產品開發過程，可以實現產品開發過程的重用和最佳化。文中提出的產品開發基因模型、表示方法和操作流程是實現產品開發基因遺傳變異和重用產品開發過程的基礎。文章的研究成果還處於初步階段，產品開發基因在重用過程中，如何實現進化變異和表達等問題，仍需進一步深入研究。