利用知识管理技术对已有知识进行有效利用已成为企业保持产品创新及竞争优势的源泉。在开发过程中,概念设计是产品开发过程中最具创造性的阶段,需要花费的成本少,但对产品价值增值的幅度最大,虽然概念设计阶段实际投入的费用只占产品开发总成本的5%,却决定了产品总成本的70%[1],而且详细设计阶段很难甚至不能纠正概念设计阶段的设计缺陷和错误,因此对概念设计知识进行有效的管理和重用对于推动产品创新和实现设计优化非常重要。

　　目前,设计知识管理已成为国内外许多研究机构、大学、企业的研究热点,如美国NIST的设计知识库项目[2];欧洲WISE工程知识管理项目[3]、MOKA项目[4];韩国LG公司资助的知识管理项目[5];国家863资助的知识管理平台研究[6]等,但还没有一个实用的能支持概念设计知识重用的系统,对它的研究也还停留在理论准备阶段。

　　本文在研究了基于本体的的概念设计知识模型的基础上,提出了基于本体的概念设计知识管理框架,研究了用户对本体的定义、对知识结构内容的自由扩充以及概念设计知识的检索方法等关键技术。

1　基于本体的概念设计知识建模

1.1　概念设计知识分类与表达

　　概念设计是对设计问题加以描述,并以方案的形式提出众多解的设计阶段[7]。概念设计从不同的角度有多种定义[8]。一般认为,概念设计是指以设计要求为输入、以最佳方案为输出的系统所包含的工作流程,是一个由功能向结构的转换过程。

　　图1描述了一般概念设计的工作流程,它包含综合与评价两个基本过程。综合是指根据设计要求,运用各种分析、设计方法推理而生成的多个方案,是个发散过程;评价则从方案集中择出最优,是个收敛过程。概念设计是将所设计的产品看成一个系统,运用系统工程的方法去分析和设计。具体说,概念设计就是将设计对象的总功能分解成相互有机联系的若干功能单元,并以功能单元为子系统进行再次分解,生成更低一级的功能单元,经过这样逐层分解,直至对应的各个最末端功能单元能够找到一个可以实现的技术原理解。概念设计的主要任务是功能到结构的映射,概念设计过程主要包括:功能创新、功能分析和功能结构设计、工作原理解的搜索和确定、功能载体方案构思和决策。

　　根据概念设计的过程及人在设计时的认知特点将概念设计知识分为元知识和实例知识(其分类如图2所示)。元知识中主要包括功能知识、技术原理解知识、结构知识等。实例知识中主要包括方案设计实例、技术原理解实例、产品实例等知识。

　　(1)功能知识。主要描述产品完成的任务,描述产品的功能及功能子项。描述产品要完成的功能,包括功能内容、实现参数、性能指标等;

　　(2)技术原理解知识。描述产品功能及功能子项的原理解答。它的表达要复杂些,一方面可用文字、数字表达它的说明、解答参数,另一方面,要有图形支持产品原理解答;

　　(3)结构知识。描述产品的结构设计状况,是对原理域知识的细化和扩充,是求解原理解的结构载体,可描述产品关键部分的形状、尺寸和参数。产品功能 结构的映射(简称为功构映射)就是对产品的功能模型进行结构实现的求解,是将产品功能性的描述转化为能实现这些功能的具有具体形状、尺寸及相互关系的零部件描述。在这里功能是产品结构的抽象,是结构实现的目的;而结构则为实现某功能而选用的一组构件或元件。功能 结构间的关系一般而言是多对多的映射关系。一个功能可能由一个或多个特征或元件实现,而一个特征或元件也可能完成一个或多个功能;

　　(4)实例知识。已成功或失败的设计范例,包括方案设计实例,产品结构知识实例、技术原理解实例等。它包含了更多的实际因素,是类比设计和基于实例推理设计的基础。

　　以工程机械中某型滑模式水泥摊铺机为例,总功能为摊铺水泥路面,总功能可细分为滑模作业、控制作业等功能,滑模作业功能又可细分为提水泥浆、挤压成型等功能。其中某个功能的实现可能会由几个结构组合而成,例如滑模式水泥摊铺机滑模作业功能就是由螺旋分料器、刮平板等几个结构一起才能实现。图3为该水泥摊铺机的功能层次定义和功能分解结构举例。该产品所对应的结构分解则如图4所示。图5中给出了对于滑模作业功能的技术原理解简图、技术原理解的评价、参考产品,以及实现该功能的说明等相关的知识。

　　如何利用计算机技术对概念设计予以支持,对概念设计知识进行有效的管理,至今仍没有较好的解决方法。目前的知识建模主要是专家系统,最常用的知识模型包括框架、产生式规则、语义网络、谓词逻辑等。专家系统的知识建模主要侧重符号层的系统实现,很少考虑动态的,非结构化的知识,造成专家系统解决问题的局限性,使得专家系统不能解决大型复杂问题。

　　本体作为“对概念化显式的详细说明”[9,10],研究领域内的对象、概念和其他实体,以及它们之间的关系,可以很好地解决概念设计知识的表达、检索和重用等问题。采用本体描述概念设计知识可以支持细粒度的产品语义信息的描述,可以形式化地定义特定领域的知识,如概念、事实、规则等;支持语义层面的集成和共享,基于本体的知识定义可以对知识作普遍的、无歧义的语义解释,可以保证不同使用者之间进行语义层面的信息共享和互操作。

1.2　本体建模过程描述

　　本体是某一领域的概念化描述,着意于在抽象层次提出描述客观世界的抽象模型,它包括两个基本的要素:概念和概念之间的关系。本体的构建必须满足以下的要求:对目标领域的清晰描述;概念或概念之间关系的明确定义;一般性和综合性原则。本体可以有多种表述方式,包括图形方式、语言形式和XML文档形式等。

　　基于本体的产品概念设计知识建模过程包括3个阶段:

　　(1)产品概念设计知识目标确定。产品概念设计知识定位,概念设计知识的定位决定本体构造的功能需求及最终用户。

　　(2)产品概念设计知识本体分析与建立。根据需求分析,确定该领域的相关概念及概念属性,并用XML语言进行形式化描述。这个阶段是建立概念设计知识本体的关键环节,直接影响到整个本体的生成质量,同时也是工作量最大的阶段。

　　(3)产品概念设计知识本体评价。对所创建的本体进行一致性及完备性评价。一致性是指术语之间的关系逻辑上应保持一致;完备性是指本体中概念及关系应是完善的。我们称该3阶段的组合为产品概念设计知识本体建模的一个生命周期(见图6)。

1.3　概念设计知识的本体表示

　　在此我们以工程机械中滑模式水泥摊铺机为例,结合图3～图5中的实际知识,从概念实体、概念属性及概念间关系等方面来说明产品知识、功能知识、技术原理解知识、技术原理解实例等概念设计知识的本体表示,通过概念蕴涵、属性关联、相互约束和公理定义等方法揭示了概念间的本质联系,形成一个语义关系清晰的产品概念设计知识模型。建模采用目前最新的OWL语言描述。因采用OWL语言描述的本体比较庞大,所以截取该本体的片段描述如下:

　(1)产品类

<owl:Classrdf:ID=“产品”>

<owl:Restriction>

<owl:onPropertyrdf:resource=“#型号”/>

<owl:cardinality>1</owl:cardinality>

</owl:Restricton>

<owl:Restriction>

<owl:onPropertyrdf:resource=“#名称”/>

<owl:mincardinality>1</owl:mincardinality>

</owl:Restricton>

</owl:Class>

　　表述的语义为一个产品只有一个型号,且最少具有一个名称。

　　(2)滑模式水泥摊铺机类

<owl:Classrdf:ID=“滑模式水泥摊铺机”>

<rdfs:subClassOfrdf:resource=“#产品”/>

</owl:Class>

<owl:ObjectPropertyrdf:ID=“摊铺能力”>

<rdfs:domainrdf:resource=“#滑模式水泥摊铺机”/>

<rdfs:rangerdf:resource=“#摊铺宽度”/>

</owl:ObjectProperty>

　　表述的语义为一个滑模式水泥摊铺机继承了一个产品的所有属性,此外还具备了关系属性:摊铺能力,同时,又对属性摊铺能力作了限制:只能应用于滑模式水泥摊铺机领域,且取值变化只能在摊铺宽度中(省略了关于滑模式水泥摊铺机类似属性的定义,如摊铺厚度和摊铺速度等)。

　　(3)功能知识类

<owl:Classrdf:ID=“功能知识”>

<owl:Restriction><owl:onPropertyrdf:resource=“#功能名称”/>

<owl:cardinality>1</owl:cardinality>

</owl:Restricton>

<owl:Restriction><owl:onPropertyrdf:resource=“#产品”/>

<owl:mincardinality>1</owl:mincardinality>

</owl:Restricton>

</owl:Class>

　　表述的语义为一个功能知识只有一个功能名称,且最少具有一个相关产品(省略了功能知识类似属性的定义,如功能编号、功能说明、创建人、创建时间、存储位置等)。

　　(4)功能技术原理解类

<owl:Classrdf:ID=“功能技术原理解”>

<owl:Restriction>

<owl:onPropertyrdf:resource=“#功能知识”/></owl:Restricton>

<owl:Restriction>

<owl:onPropertyrdf:resource=“#技术原理解简图”/></owl:Restricton>

</owl:Class>

　　表述的语义为一个功能技术原理解具有对应的功能名称,相关的技术原理解简图(省略了技术原理解类似属性的定义,如评价、参考产品、创建人、创建时间、存储位置等)。

　　上述描述中,使用类公理(subclassof)描述了两个类(概念)之间的继承关系,如滑模式水泥摊铺机类是产品类的子类。在描述类属性时,使用关系属性(objectproperty)描述了类的某个属性同时也表示了两个类之间的某种关系,如摊铺能力既是滑模式水泥摊铺机类的一个属性,同时也表达了和摊铺宽度类之间的对应关系。另外,使用属性公理domain和range表示属性的应用领域和属性的取值范围,如属性摊铺能力只能用于滑模式水泥摊铺机类,且它的取值只能是摊铺宽度数据集。

1.4　基于本体的概念设计知识管理的特点和优势

　　基于本体的概念设计知识管理可以让设计人员更好地重用已有的概念设计知识,基于本体的概念设计知识管理具有以下的一些特点或优势:

　　(1)支持用户定制知识类别。产品概念设计过程中,需要运用多种类型的知识,如:功能类、功能技术原理方案解类等。这些知识的描述和使用有着不同的特点,不能用相同的描述框架来处理。基于本体的设计知识建模允许用户对设计中知识类别加以定制,针对每一类别定义其描述属性,从而较好的解决了概念设计中多来源多类型知识的表示问题。

　　(2)支持概念共享的知识库构建。概念设计知识本体的构造澄清了概念设计领域知识的结构,为概念设计知识的表示打好了基础,而本体中统一的术语和概念也使概念设计知识更好地共享成为可能。基于本体的概念设计知识表示在区分不同知识类别的同时,建立起概念间的共享联系。通过概念间的共享机制,避免了设计知识库的数据冗余和数据不一致问题,方便了知识的建模录入、检索及统计处理。

　　(3)多视图和基于本体概念的知识检索。在目前的应用系统中一般采用基于关键字的数据库查询方法,由于其数据库组织不是建立在能够表示概念之间的关系、事实和实例的领域模型的基础上,因此无法实现智能查询和信息推理,也就无法解决语义异构性问题。由于不同的组织和人员可能使用不同的词语表示同一个含义,因此查询系统得不到意义相同但用词(语法)不同的内容。当需要对多个数据源进行查询的时候问题更为明显,多意词和同义词会使查询得到许多不相关的信息,而忽略另外一些重要信息。

　　在基于本体的概念设计知识管理中由于具有统一的术语和概念,知识库建立在本体的基础上,使得基于知识的设计意图匹配成为可能。采用基于知识、语义上的检索匹配,对用户的检索请求,通过查询转换器按照本体把各种检索请求转换成对应的概念,在本体的帮助下从知识库中匹配出符合条件的数据集合,解决了语义异构的问题。

　　从人在设计时的认知特点出发,可以采用基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,还可以利用本体中已定义的概念定义其它知识检索视图,比如需求功能知识检索视图、软件工具使用知识检索视图等,实现基于知识检索的设计意图的匹配。

2　基于本体的概念设计知识管理

2.1　概念设计知识管理系统结构

　　结合工程机械行业的实际,本文提出了图7所示的基于本体的产品概念设计知识管理系统结构,系统按照知识产生、获取和利用的流程来构建,系统结构主要包括概念设计知识管理工具、数据接口程序以及基于本体的概念设计知识库,具体由4个部分构成。

　　(1)概念设计知识获取。概念设计知识的获取包括从概念设计知识本体定义、本体之间关系定义、本体知识库生成到概念设计知识获取整个过程。

　　(2)概念设计知识维护。主要包括从概念设计知识本体维护、本体关系维护、知识库重新生成到概念设计知识维护的过程,实现对本体的属性修改,各类知识之间的关系维护,以及知识库的更新等。

　　(3)概念设计知识检索重用。系统中提供基于多视图的知识检索方式,如基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,及用户定义的其它知识检索视图。此外系统提供基于本体概念的知识检索方式,通过本体映射库,可以实现同义词的检索,保证可能会采用不同的概念和术语表示相同的设计信息的人可以得到相同的知识帮助。

　　(4)概念设计知识库的构建。要实现基于本体的,支持客户自定义的概念设计知识管理,系统必须由足够的柔性,支持各类知识的存储,作为系统基石的知识库的构建就不能采用完全预先定义的方式,在系统中我们采用基础数据库加上在此基础上经过本体定义工具动态生成的各类知识库的方法保证基于本体的知识管理的实现。

#8.8

2.2　概念设计知识管理关键技术及实现

　　(1)基于本体的知识定义。工程机械产品概念设计过程中需要运用多种类型的知识,这些知识的描述和使用有着不同的特点,不能用相同的描述框架来处理。基于本体的概念设计知识管理允许用户对定制知识类别,对知识进行基于本体的定义,针对每一类知识定义其描述属性,较好地解决了多来源多类型知识的表示问题。

　　图8为工程机械概念设计中知识库类型及属性定义的实例。利用知识定义工具,可以自由定义知识的类型以及各类知识的属性,并且子级知识类型可以完全继承父类知识类型的属性,并可以拥有再定义子级知识所特有的属性。

　　图8中所示的为工程机械中滑模式水泥摊铺机设计时所涉及到的各类知识及其属性定义,定义了知识的领域属性名、知识概念的别名、属性的取值范围等。定义了滑模式水泥摊铺机设计所用到的功能技术原理解知识、规范标准知识、仿真试验用户反馈等领域知识,并且定义了其中某些知识的子类型知识,如定义了规范标准知识的子类国标知识、行标知识、企标知识等。

　　(2)支持本体的知识库构建及关系定义。概念设计涉及的知识多种多样,其知识结构亦各不相同,为了使系统具有足够的柔性,支持客户定制知识库,为此系统中将知识库的构建和基础数据分开,在系统开始运行时知识库的种类、数量和知识库间的关系并没有确定,而是在运行过程中根据设计人员的需要和设计过程中产生的新知识构建所需的知识库本体,通过后台知识库生成工具产生所需的知识库,即系统中的知识库并不是预先定义的,而是运行过程当中通过知识积累逐步形成的,可以随时根据设计人员的需要进行改变,适应产品设计中可能出现的多种情况。

　　以工程机械中滑模式水泥摊铺机所涉及的规范标准知识为例,在系统运行时,系统中并无此知识库,根据需要,可以定制该知识库的属性及其子类,并且可以定制与标准规范知识与其他知识类别的关系,如定义相关的产品功能结构等,在本体定义之后由知识库生成工具产生所需的知识库。

　　(3)树状视图知识检索。从人在设计时的认知特点出发,基于本体的概念设计知识检索给出了基于功能的设计知识检索视图、基于结构的设计知识检索视图以及基于本体概念的检索方法。

　　在功能视图检索中可以检索与功能相关的所有知识。例如功能技术原理方案解设计知识与具体的功能相关,通过定义功能技术原理解知识本体与产品功能知识本体之间的连接关系,即可通过产品功能分解树检索与某一功能相关的功能技术原理解知识。此外还可通过定义与功能知识本体相关的其他知识的关系,即可很方便地检索出与功能相关的所有设计知识而不必采用传统的基于关键字的方法逐个知识库检索。

　　类似地在结构视图检索中可以检索与结构相关的所有知识,如规范标准知识、程序知识、功能技术原理解知识、失败案例知识等等。

　　图9为滑模式水泥摊铺机中的部分功能视图以及与每个功能相关的知识检索显示,图中显示的是滑模式水泥摊铺机中滑模滩铺的功能技术原理解知识。基于树视图的产品设计知识的检索视图的明显好处是能较好的支持不同抽象层、多种来源、多种类型的产品设计知识的快速查询,是有效的设计知识检索地图。

#8.9

　　(4)基于本体概念的知识检索。产品概念设计中各类知识之间的关系错综复杂,很多时候如果根据关键字逐个检索知识库会费时费力,而且不一定能检索出所需的知识,基于本体的概念设计知识支持不同知识类型在概念级的共享关系,在知识检索时,可以直接检索与某一概念相关的所有知识元,而不必指定具体的知识类别。例如可以检索或统计某员工创建的所有知识,也可检索与某部件(或某功能、某软件工具)相关的所有知识元。通过本体映射转换还可实现基于同义词的检索,解决语义异构的问题。­

#8.10

　　例如在工程机械设计中可能某个人会和很多知识有关系,可以根据人员的概念检索所有与某个人相关的知识,例如可以检索出与“黄晔”相关的所有程序知识、失败案例知识等,同时检索出与“张航”相关的规范标准知识等。图10中根据人员概念同时检索出了与黄晔、张航相关的所有知识,图中显示的是相关外购件的三维实例模型。

3　应用实例

　　将上述的研究成果应用于国家重点科技攻关项目“产品链管理系统的研究开发(productchainmanagement,PCM)”中。PCM从产品全生命周期源头的产品设计开始,同时考虑产品生命周期的后继过程,目的是解决PDM功能不完善和PLM内容过于庞大等问题。PCM是产品全生命周期管理的首要环节,主要解决产品开发阶段的产品数据和过程管理问题。概念设计知识管理系统作为PCM项目中的一个组成部分,目前进展顺利,即将接受验收。

4　结束语

　　本文提出了基于本体的概念设计知识管理系统框架,在概念设计知识的基于本体的定义分类、知识获取和知识检索重用等方面进行了研究,并将其应用于实际项目开发中,为概念设计知识管理提供了一种可能的解决方案。

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