基于本體的概念設(shè)計知識管理研究

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　　利用知識管理技術(shù)對已有知識進行有效利用已成為企業(yè)保持產(chǎn)品創(chuàng)新及競爭優(yōu)勢的源泉。在開發(fā)過程中,概念設(shè)計是產(chǎn)品開發(fā)過程中最具創(chuàng)造性的階段,需要花費的成本少,但對產(chǎn)品價值增值的幅度最大,雖然概念設(shè)計階段實際投入的費用只占產(chǎn)品開發(fā)總成本的5%,卻決定了產(chǎn)品總成本的70%[1],而且詳細設(shè)計階段很難甚至不能糾正概念設(shè)計階段的設(shè)計缺陷和錯誤,因此對概念設(shè)計知識進行有效的管理和重用對于推動產(chǎn)品創(chuàng)新和實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化非常重要。

　　目前,設(shè)計知識管理已成為國內(nèi)外許多研究機構(gòu)、大學(xué)、企業(yè)的研究熱點,如美國NIST的設(shè)計知識庫項目[2]；歐洲WISE工程知識管理項目[3]、MOKA項目[4]；韓國LG公司資助的知識管理項目[5]；國家863資助的知識管理平臺研究[6]等,但還沒有一個實用的能支持概念設(shè)計知識重用的系統(tǒng),對它的研究也還停留在理論準備階段。

　　本文在研究了基于本體的的概念設(shè)計知識模型的基礎(chǔ)上,提出了基于本體的概念設(shè)計知識管理框架,研究了用戶對本體的定義、對知識結(jié)構(gòu)內(nèi)容的自由擴充以及概念設(shè)計知識的檢索方法等關(guān)鍵技術(shù)。

　　1、基于本體的概念設(shè)計知識建模

　　1.1　概念設(shè)計知識分類與表達

　　概念設(shè)計是對設(shè)計問題加以描述,并以方案的形式提出眾多解的設(shè)計階段[7].概念設(shè)計從不同的角度有多種定義[8].一般認為,概念設(shè)計是指以設(shè)計要求為輸入、以最佳方案為輸出的系統(tǒng)所包含的工作流程,是一個由功能向結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換過程。

　　圖1描述了一般概念設(shè)計的工作流程,它包含綜合與評價兩個基本過程。綜合是指根據(jù)設(shè)計要求,運用各種分析、設(shè)計方法推理而生成的多個方案,是個發(fā)散過程；評價則從方案集中擇出最優(yōu),是個收斂過程。概念設(shè)計是將所設(shè)計的產(chǎn)品看成一個系統(tǒng),運用系統(tǒng)工程的方法去分析和設(shè)計。具體說,概念設(shè)計就是將設(shè)計對象的總功能分解成相互有機聯(lián)系的若干功能單元,并以功能單元為子系統(tǒng)進行再次分解,生成更低一級的功能單元,經(jīng)過這樣逐層分解,直至對應(yīng)的各個最末端功能單元能夠找到一個可以實現(xiàn)的技術(shù)原理解。概念設(shè)計的主要任務(wù)是功能到結(jié)構(gòu)的映射,概念設(shè)計過程主要包括：功能創(chuàng)新、功能分析和功能結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理解的搜索和確定、功能載體方案構(gòu)思和決策。

　　根據(jù)概念設(shè)計的過程及人在設(shè)計時的認知特點將概念設(shè)計知識分為元知識和實例知識（其分類如圖2所示）。元知識中主要包括功能知識、技術(shù)原理解知識、結(jié)構(gòu)知識等。實例知識中主要包括方案設(shè)計實例、技術(shù)原理解實例、產(chǎn)品實例等知識。

　?。?）功能知識。主要描述產(chǎn)品完成的任務(wù),描述產(chǎn)品的功能及功能子項。描述產(chǎn)品要完成的功能,包括功能內(nèi)容、實現(xiàn)參數(shù)、性能指標等；

　?。?）技術(shù)原理解知識。描述產(chǎn)品功能及功能子項的原理解答。它的表達要復(fù)雜些,一方面可用文字、數(shù)字表達它的說明、解答參數(shù),另一方面,要有圖形支持產(chǎn)品原理解答；

　?。?）結(jié)構(gòu)知識。描述產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計狀況,是對原理域知識的細化和擴充,是求解原理解的結(jié)構(gòu)載體,可描述產(chǎn)品關(guān)鍵部分的形狀、尺寸和參數(shù)。產(chǎn)品功能 結(jié)構(gòu)的映射（簡稱為功構(gòu)映射）就是對產(chǎn)品的功能模型進行結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的求解,是將產(chǎn)品功能性的描述轉(zhuǎn)化為能實現(xiàn)這些功能的具有具體形狀、尺寸及相互關(guān)系的零部件描述。在這里功能是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的抽象,是結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的目的；而結(jié)構(gòu)則為實現(xiàn)某功能而選用的一組構(gòu)件或元件。功能 結(jié)構(gòu)間的關(guān)系一般而言是多對多的映射關(guān)系。一個功能可能由一個或多個特征或元件實現(xiàn),而一個特征或元件也可能完成一個或多個功能；

　?。?）實例知識。已成功或失敗的設(shè)計范例,包括方案設(shè)計實例,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識實例、技術(shù)原理解實例等。它包含了更多的實際因素,是類比設(shè)計和基于實例推理設(shè)計的基礎(chǔ)。

　　以工程機械中某型滑模式水泥攤鋪機為例,總功能為攤鋪水泥路面,總功能可細分為滑模作業(yè)、控制作業(yè)等功能,滑模作業(yè)功能又可細分為提水泥漿、擠壓成型等功能。其中某個功能的實現(xiàn)可能會由幾個結(jié)構(gòu)組合而成,例如滑模式水泥攤鋪機滑模作業(yè)功能就是由螺旋分料器、刮平板等幾個結(jié)構(gòu)一起才能實現(xiàn)。圖3為該水泥攤鋪機的功能層次定義和功能分解結(jié)構(gòu)舉例。該產(chǎn)品所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)分解則如圖4所示。圖5中給出了對于滑模作業(yè)功能的技術(shù)原理解簡圖、技術(shù)原理解的評價、參考產(chǎn)品,以及實現(xiàn)該功能的說明等相關(guān)的知識。

　　如何利用計算機技術(shù)對概念設(shè)計予以支持,對概念設(shè)計知識進行有效的管理,至今仍沒有較好的解決方法。目前的知識建模主要是專家系統(tǒng),最常用的知識模型包括框架、產(chǎn)生式規(guī)則、語義網(wǎng)絡(luò)、謂詞邏輯等。專家系統(tǒng)的知識建模主要側(cè)重符號層的系統(tǒng)實現(xiàn),很少考慮動態(tài)的,非結(jié)構(gòu)化的知識,造成專家系統(tǒng)解決問題的局限性,使得專家系統(tǒng)不能解決大型復(fù)雜問題。

　　本體作為“對概念化顯式的詳細說明”[9,10],研究領(lǐng)域內(nèi)的對象、概念和其他實體,以及它們之間的關(guān)系,可以很好地解決概念設(shè)計知識的表達、檢索和重用等問題。采用本體描述概念設(shè)計知識可以支持細粒度的產(chǎn)品語義信息的描述,可以形式化地定義特定領(lǐng)域的知識,如概念、事實、規(guī)則等；支持語義層面的集成和共享,基于本體的知識定義可以對知識作普遍的、無歧義的語義解釋,可以保證不同使用者之間進行語義層面的信息共享和互操作。

　　1.2　本體建模過程描述

　　本體是某一領(lǐng)域的概念化描述,著意于在抽象層次提出描述客觀世界的抽象模型,它包括兩個基本的要素：概念和概念之間的關(guān)系。本體的構(gòu)建必須滿足以下的要求：對目標領(lǐng)域的清晰描述；概念或概念之間關(guān)系的明確定義；一般性和綜合性原則。本體可以有多種表述方式,包括圖形方式、語言形式和XML文檔形式等。

　　基于本體的產(chǎn)品概念設(shè)計知識建模過程包括3個階段：

　?。?）產(chǎn)品概念設(shè)計知識目標確定。產(chǎn)品概念設(shè)計知識定位,概念設(shè)計知識的定位決定本體構(gòu)造的功能需求及最終用戶。

　?。?）產(chǎn)品概念設(shè)計知識本體分析與建立。根據(jù)需求分析,確定該領(lǐng)域的相關(guān)概念及概念屬性,并用XML語言進行形式化描述。這個階段是建立概念設(shè)計知識本體的關(guān)鍵環(huán)節(jié),直接影響到整個本體的生成質(zhì)量,同時也是工作量最大的階段。

　?。?）產(chǎn)品概念設(shè)計知識本體評價。對所創(chuàng)建的本體進行一致性及完備性評價。一致性是指術(shù)語之間的關(guān)系邏輯上應(yīng)保持一致；完備性是指本體中概念及關(guān)系應(yīng)是完善的。我們稱該3階段的組合為產(chǎn)品概念設(shè)計知識本體建模的一個生命周期（見圖6）。

　　1.3　概念設(shè)計知識的本體表示

　　在此我們以工程機械中滑模式水泥攤鋪機為例,結(jié)合圖3～圖5中的實際知識,從概念實體、概念屬性及概念間關(guān)系等方面來說明產(chǎn)品知識、功能知識、技術(shù)原理解知識、技術(shù)原理解實例等概念設(shè)計知識的本體表示,通過概念蘊涵、屬性關(guān)聯(lián)、相互約束和公理定義等方法揭示了概念間的本質(zhì)聯(lián)系,形成一個語義關(guān)系清晰的產(chǎn)品概念設(shè)計知識模型。建模采用目前最新的OWL語言描述。

　　表述的語義為一個滑模式水泥攤鋪機繼承了一個產(chǎn)品的所有屬性,此外還具備了關(guān)系屬性：攤鋪能力,同時,又對屬性攤鋪能力作了限制：只能應(yīng)用于滑模式水泥攤鋪機領(lǐng)域,且取值變化只能在攤鋪寬度中（省略了關(guān)于滑模式水泥攤鋪機類似屬性的定義,如攤鋪厚度和攤鋪速度等）。

　　（3）功能知識類

　　<owl：Classrdf：ID=“功能知識”>

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

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

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　　<owl：Restriction><owl：onPropertyrdf：resource=“#產(chǎn)品”/>

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　　</owl：Class>

　　表述的語義為一個功能知識只有一個功能名稱,且最少具有一個相關(guān)產(chǎn)品（省略了功能知識類似屬性的定義,如功能編號、功能說明、創(chuàng)建人、創(chuàng)建時間、存儲位置等）。

　?。?）功能技術(shù)原理解類

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

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　　<owl：onPropertyrdf：resource=“#技術(shù)原理解簡圖”/></owl：Restricton>

　　</owl：Class>

　　表述的語義為一個功能技術(shù)原理解具有對應(yīng)的功能名稱,相關(guān)的技術(shù)原理解簡圖（省略了技術(shù)原理解類似屬性的定義,如評價、參考產(chǎn)品、創(chuàng)建人、創(chuàng)建時間、存儲位置等）。

　　上述描述中,使用類公理（subclassof）描述了兩個類（概念）之間的繼承關(guān)系,如滑模式水泥攤鋪機類是產(chǎn)品類的子類。在描述類屬性時,使用關(guān)系屬性（objectproperty）描述了類的某個屬性同時也表示了兩個類之間的某種關(guān)系,如攤鋪能力既是滑模式水泥攤鋪機類的一個屬性,同時也表達了和攤鋪寬度類之間的對應(yīng)關(guān)系。另外,使用屬性公理domain和range表示屬性的應(yīng)用領(lǐng)域和屬性的取值范圍,如屬性攤鋪能力只能用于滑模式水泥攤鋪機類,且它的取值只能是攤鋪寬度數(shù)據(jù)集。

　　1.4　基于本體的概念設(shè)計知識管理的特點和優(yōu)勢

　　基于本體的概念設(shè)計知識管理可以讓設(shè)計人員更好地重用已有的概念設(shè)計知識,基于本體的概念設(shè)計知識管理具有以下的一些特點或優(yōu)勢：

　?。?）支持用戶定制知識類別。產(chǎn)品概念設(shè)計過程中,需要運用多種類型的知識,如：功能類、功能技術(shù)原理方案解類等。這些知識的描述和使用有著不同的特點,不能用相同的描述框架來處理。基于本體的設(shè)計知識建模允許用戶對設(shè)計中知識類別加以定制,針對每一類別定義其描述屬性,從而較好的解決了概念設(shè)計中多來源多類型知識的表示問題。

　?。?）支持概念共享的知識庫構(gòu)建。概念設(shè)計知識本體的構(gòu)造澄清了概念設(shè)計領(lǐng)域知識的結(jié)構(gòu),為概念設(shè)計知識的表示打好了基礎(chǔ),而本體中統(tǒng)一的術(shù)語和概念也使概念設(shè)計知識更好地共享成為可能?；诒倔w的概念設(shè)計知識表示在區(qū)分不同知識類別的同時,建立起概念間的共享聯(lián)系。通過概念間的共享機制,避免了設(shè)計知識庫的數(shù)據(jù)冗余和數(shù)據(jù)不一致問題,方便了知識的建模錄入、檢索及統(tǒng)計處理。

　　（3）多視圖和基于本體概念的知識檢索。在目前的應(yīng)用系統(tǒng)中一般采用基于關(guān)鍵字的數(shù)據(jù)庫查詢方法,由于其數(shù)據(jù)庫組織不是建立在能夠表示概念之間的關(guān)系、事實和實例的領(lǐng)域模型的基礎(chǔ)上,因此無法實現(xiàn)智能查詢和信息推理,也就無法解決語義異構(gòu)性問題。由于不同的組織和人員可能使用不同的詞語表示同一個含義,因此查詢系統(tǒng)得不到意義相同但用詞（語法）不同的內(nèi)容。當需要對多個數(shù)據(jù)源進行查詢的時候問題更為明顯,多意詞和同義詞會使查詢得到許多不相關(guān)的信息,而忽略另外一些重要信息。

　　在基于本體的概念設(shè)計知識管理中由于具有統(tǒng)一的術(shù)語和概念,知識庫建立在本體的基礎(chǔ)上,使得基于知識的設(shè)計意圖匹配成為可能。采用基于知識、語義上的檢索匹配,對用戶的檢索請求,通過查詢轉(zhuǎn)換器按照本體把各種檢索請求轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的概念,在本體的幫助下從知識庫中匹配出符合條件的數(shù)據(jù)集合,解決了語義異構(gòu)的問題。

　　從人在設(shè)計時的認知特點出發(fā),可以采用基于功能分解樹的功能設(shè)計知識檢索視圖、基于產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)樹的結(jié)構(gòu)設(shè)計知識檢索視圖,還可以利用本體中已定義的概念定義其它知識檢索視圖,比如需求功能知識檢索視圖、軟件工具使用知識檢索視圖等,實現(xiàn)基于知識檢索的設(shè)計意圖的匹配。

　　2、基于本體的概念設(shè)計知識管理

　　2.1　概念設(shè)計知識管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　結(jié)合工程機械行業(yè)的實際,本文提出了圖7所示的基于本體的產(chǎn)品概念設(shè)計知識管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)按照知識產(chǎn)生、獲取和利用的流程來構(gòu)建,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括概念設(shè)計知識管理工具、數(shù)據(jù)接口程序以及基于本體的概念設(shè)計知識庫,具體由4個部分構(gòu)成。

　　（1）概念設(shè)計知識獲取。概念設(shè)計知識的獲取包括從概念設(shè)計知識本體定義、本體之間關(guān)系定義、本體知識庫生成到概念設(shè)計知識獲取整個過程。

　?。?）概念設(shè)計知識維護。主要包括從概念設(shè)計知識本體維護、本體關(guān)系維護、知識庫重新生成到概念設(shè)計知識維護的過程,實現(xiàn)對本體的屬性修改,各類知識之間的關(guān)系維護,以及知識庫的更新等。

　　（3）概念設(shè)計知識檢索重用。系統(tǒng)中提供基于多視圖的知識檢索方式,如基于功能分解樹的功能設(shè)計知識檢索視圖、基于產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)樹的結(jié)構(gòu)設(shè)計知識檢索視圖,及用戶定義的其它知識檢索視圖。此外系統(tǒng)提供基于本體概念的知識檢索方式,通過本體映射庫,可以實現(xiàn)同義詞的檢索,保證可能會采用不同的概念和術(shù)語表示相同的設(shè)計信息的人可以得到相同的知識幫助。

　?。?）概念設(shè)計知識庫的構(gòu)建。要實現(xiàn)基于本體的,支持客戶自定義的概念設(shè)計知識管理,系統(tǒng)必須由足夠的柔性,支持各類知識的存儲,作為系統(tǒng)基石的知識庫的構(gòu)建就不能采用完全預(yù)先定義的方式,在系統(tǒng)中我們采用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫加上在此基礎(chǔ)上經(jīng)過本體定義工具動態(tài)生成的各類知識庫的方法保證基于本體的知識管理的實現(xiàn)。

　　2.2　概念設(shè)計知識管理關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

　?。?）基于本體的知識定義。工程機械產(chǎn)品概念設(shè)計過程中需要運用多種類型的知識,這些知識的描述和使用有著不同的特點,不能用相同的描述框架來處理?；诒倔w的概念設(shè)計知識管理允許用戶對定制知識類別,對知識進行基于本體的定義,針對每一類知識定義其描述屬性,較好地解決了多來源多類型知識的表示問題。

　?。?）支持本體的知識庫構(gòu)建及關(guān)系定義。概念設(shè)計涉及的知識多種多樣,其知識結(jié)構(gòu)亦各不相同,為了使系統(tǒng)具有足夠的柔性,支持客戶定制知識庫,為此系統(tǒng)中將知識庫的構(gòu)建和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分開,在系統(tǒng)開始運行時知識庫的種類、數(shù)量和知識庫間的關(guān)系并沒有確定,而是在運行過程中根據(jù)設(shè)計人員的需要和設(shè)計過程中產(chǎn)生

來源：碧森尤信