面向用户的非几何设计知识组织方法

郝 佳，阎 艳，王国新，林建军

（1．北京理工大学 机械与车辆学院工业工程研究所，北京 100081；2．中国北方车辆研究所，北京 100072）

0 引言

大量学者认为，重用企业中积累的设计知识对保持竞争优势至关重要，特别是在产品设计领域［1－2］。重用设计知识能减少设计过程中的重复性设计工作，也能使设计人员更专注于产品创新与设计问题的解决。知识工程（Knowledge Based Engineering，KBE）技术是实现产品设计知识管理和重用的重要手段，它通过在几何模型参数之间嵌入规则，使模型具有动态变化的能力以实现模型的重用，主要解决几何相关知识的管理与重用问题。很多KBE工具（如CATIA、UG）提供了以上功能以实现与几何数据的动态交互。在学术领域也有很多学者提出了关于几何知识表示与操作的方法。Mawhinney［3］提出将飞机的几何数据划分为骨架图、表面图和实体图三种子模型，该方法只适用于概念设计阶段。Rodriguez等［4］提出一种快速几何引擎（Rapid Geometry Engine，RAGE）的方法来生成飞机的几何模型。Rocca等［5］建立了高层几何基元，通过这些高层基元进行运算来生成几何模型。Berard［6］也提出了相似的方法，但是该方法与商业软件结合的更为紧密，而不仅是采用代码的方式来操作几何对象。Bohnke［7］提出一种飞机领域设计语言，这是一种特定领域的设计语言，能够更好地操作领域对象，同时该方法也能够与现有的商业软件集成。Kristian等［8］提出的方法则不仅可以实现几何数据的形态学操作，而且能够实现几何数据的拓扑学操作，并能够将企业中的规则嵌入模型中，构成几何模型模板，该模板能够通过规则生成新的几何模型。文献［9］提出一种知识组件的方法，将企业规则嵌入几何模型中来实现模型的动态生成，该方法不仅可以支持几何数据的封装，还能够实现算法、程序等可编码知识的封装。

虽然KBE技术能够有效重用几何设计知识，但是更多的非几何知识却不能通过KBE技术实现重用［10］，包括问题解决方案、设计意图和专家经验等知识。学者们也提出了不同的方法以实现非几何知识的管理与重用，包括基于流程的知识重用、基于功能的知识重用和基于本体的知识重用等。

文献［10］提出的基于流程的知识重用方法包括流程模型、产品模型和流程逻辑引擎三个部分。流程模型用于设计知识的索引与检索，产品模型用于实现产品相关数据与本体的集成，流程逻辑引擎则作为知识重用的触发器。当流程逻辑引擎发现任务被激活时，能够从流程模型中检索对应的设计知识，同时这些设计知识与产品模型集成。孟祥慧等［11］提出一种可以无缝嵌入产品设计流程中的知识服务方法，该方法能够将各级资源单元围绕设计任务无缝地集成在一起，保证分工协作的顺畅性。Feng［12］提出一种基于流程模板的设计知识集成管理方法，其中的设计组件用于集成不同的设计资源并实现跨项目的重用方式。

基于功能的方法是实现知识重用的常用方法。文献［13］中的方法采用功能特征分解实现设计知识的功能分解，同时利用面向对象的方法实现设计知识的表示。文献［14］中的方法利用功能—行为结构（Function－Behavior－Structure，FBS）实现设计知识分类，并通过该方法识别虚拟合作环境下的通用设计知识。文献［15］中给出的方法通过给设计知识标记元功能来实现基于功能的知识检索，这里元功能被表示为一个动词加一个补充词语的形式；为实现标准化的功能标记，该文献构建了产品设计知识功能的动词和补充词词库。

本体表示某一领域中的概念以及这些概念之间的关系，很多学者研究了通过本体实现领域知识管理的方法。针对变型设计过程，文献［16］给出一种基于本体的知识建模方法，将变型设计活动分为参数化变型设计活动和结构变型设计活动，执行不同活动时会提供相应的知识。但是该文献并未给出方法的详细步骤以及构建本体的方法。文献［17］构建了产品结构和参数本体模型，并将该模型作为知识组织模型，同时构建了一个更高层的元本体模型用于表达本体中的约束。但是该文献并未给出如何建立设计知识与本体模型之间关联的方法。文献［18］给出了一种本体建模方法，并建立了坦克装甲车辆领域的本体，通过该本体中的词汇采用SVPO（主语、动词、参数、宾语）的方法对设计知识进行标注，以实现基于本体的知识表示与检索。

以上方法能够实现非几何知识的管理与重用，基于流程的方法通过将设计知识嵌入或者推送到流程节点来实现重用，基于功能的方法通过功能分解和功能标记的方法实现设计知识的有效检索，基于本体的方法通过构建领域模型来实现设计知识的语义标记或复杂关系表达。但是这些方法关注的核心是如何将知识管理起来，并没有考虑设计人员如何重用这些设计知识，也未能提供一种适应用户的知识组织方法。在KBE构建过程中，主要目的是实现设计过程的自动化，考虑用户的重用方式并不是必须的。但非几何知识管理的目的并不是自动化，而是将设计知识提供给参与设计任务的用户，因此在设计知识组织方法中考虑用户的重用方式是必要的。本文提出一种面向用户的设计知识组织方法，该方法能够按照用户的使用方式组织设计知识。

1 产品设计知识

目前，学术领域还未形成统一的产品设计知识概念。很多文献的题目中包含“设计知识”，但其主题并不是要严格区分与定义设计知识，而是直接提供管理设计知识的方法和工具［10］。这些文献在论述设计知识管理技术时，往往针对的是设计知识的载体。有学者从数据、信息与知识区别的角度对知识进行定义［19］，但这种定义方式过于抽象，很难应用于设计知识表示与建模。本文从设计知识载体的角度对设计知识进行梳理，设计知识载体可以分为图像、符号、文本、模型和算法五类［19］。其中：图像是指用于说明问题的或者组织数据的图形或者图表；符号是指存在逻辑关系的一组数据的表达，如决策表、设计规则等；文本是指描述设计问题、解决方案、设计意图和设计经验等的文字性资料；模型是指已有设计方案所形成的程序、多媒体和仿真模型等；算法是指设计过程中所积累的经验公式或计算过程等。在文献［19］的基础上，文献［20］对设计知识进行了进一步的梳理。

表1中列举了以上五种类别可能的设计知识。由此可知产品设计知识多种多样，且表示方法和存储方法异构。为了实现设计知识的统一管理，本文构建了如图1所示的产品设计知识统一表示模型。该模型抽取不同类型设计知识的元数据，以统一的方式表示设计知识。该模型包括知识体、知识头、生命周期、行为记录和关联关系五部分。

表1 产品设计知识示例

知识体是设计知识最主要的部分，它表示的是知识的具体内容。该模型只用于描述设计知识的元数据，知识的查看、运行等操作在既有的软件工具中执行（例如CAD模型对应CATIA，算法对应MATLAB程序等）。因此，此处不仅记录了知识的具体内容，还记录了相应操作所需要的软件工具。知识头表示知识的基本元信息，采用作者、标题、简述、状态、类型和标记六个元语描述设计知识。通过这六个元语可以实现高效的检索，知识使用者也可以通过这些元语判断是否需要该知识。知识生命周期记录了设计知识从进入知识库到从知识库中删除的状态变化历程以及状态变化的原因。该部分信息对于保证知识库中知识的正确性和适应性十分重要。行为记录中包含了知识使用者对当前知识的所有操作，即收藏、分享、评论、关注、贡献和订阅。这些操作中的每一种都在一定程度上反映了用户的兴趣。随着收集用户行为的增多，用户和设计知识之间的关系越来越明显。关联关系中记录了当前设计知识与其他设计知识的关系，包括相似关系、组成关系和依赖关系三种关联类型。相似关系表示知识的内容存在一定的相似性；组成关系是指多条设计知识可以组合形成更复杂的设计知识（例如多个CAD模型组合）；依赖关系是指对某一设计知识的理解需要依赖其他设计知识（例如对某一问题的论述依赖对相关概念的理解）。

2 设计知识重用模式

基于KBE的知识重用方法是通过自动化的方式减少重复的建模工作，对非几何知识的重用是将设计知识提供给执行设计任务的设计人员。因此在重用非几何设计知识时，考虑用户如何重用设计知识是必要的。模式是指不断重复出现的事件或者对象，知识重用模式是指产品设计人员在使用产品设计过程中所遵循的方式，而这些方式在产品设计过程中重复出现。本文总结了产品设计过程中设计人员引用设计知识的三种模式，即导航模式、参考模式和自动模式。

2．1 导航模式

产品设计是一个复杂的过程，设计人员（特别是经验不够丰富的设计人员）可能遇到各种设计问题。在这种情况下只提供与问题相关的内容并不足以帮助设计人员解决面临的问题，还需要问题解决流程并将问题相关的知识按流程重组。基于这种知识提供方式，设计人员可以按照流程的指引来逐步了解解决设计问题所需的知识。导航模式是指设计知识按照问题解决流程重组，以流程和设计知识集成的方式提供知识服务，使设计人员更容易重用设计知识。导航模式一般支持产品设计过程的功能设计阶段和概念设计阶段的知识需求。为了支持导航模式，首先需要梳理问题解决流程，同时设置设计知识与问题解决流程中多个步骤的映射关系。

2．2 参考模式

在产品设计过程中，设计人员往往会参考大量的设计知识，例如已有方案、约束、手册和标准等，才能做出最后的设计决策。这种情况下产品设计人员的目的并不是解决某一具体问题，而是需要全面参考以往的设计知识来形成决策。这些设计知识包括设计中可能存在的问题、可行的设计方案和设计专家的经验等。所谓参考模式是指设计人员在设计过程中检索和浏览与设计任务相关的设计知识。在参考模式中，用户需要快速找到与当前问题相关的设计知识，并能够在设计知识中进行扩展，以找到更多相关设计知识。这种知识重用模式一般支持产品设计过程中的需求分析、功能设计和概念设计阶段的知识需求。为了支持参考模式，首先需要通过算法来计算与当前任务相关的设计知识，其次需要提供设计知识浏览的导航工具。

2．3 自动模式

算法和规则等可编码知识都是设计过程中重要的知识。产品设计中有很大一部分是变型设计，它能够通过重用以往的设计规则和算法实现新产品的设计。因此，通过这些知识的管理和重用能够较大幅度地减少设计过程中的重复工作。自动模式是指设计人员使用被封装的程序、算法和规则等来完成当前的设计任务。该模式的知识重用有利于产品设计人员从重复性工作中释放出来，使设计人员更关注产品的创新或者可制造性等方面。自动模式主要支持产品设计过程的概念设计阶段和详细设计阶段的知识需求，这是由于概念设计阶段和详细设计阶段有很多设计模型和算法应用。为了支持这种模式，需要采用一种标准的方式对程序、算法和规则等进行封装，并通过 Web－service技术将封装的组件发布，使得这些知识具有从网络被访问的能力。

3 设计知识组织方法

为了实现非几何知识的有效重用，对应于第2章提出的三种设计知识使用模式，本文提出一种考虑用户知识重用模式的知识组织方法。该方法采用导航知识、知识地图和知识组件三种形式组织设计知识。导航知识用于支撑导航模式，知识地图用于支撑参考模式，知识组件用于支撑自动模式。这三种方式可以支持不同的知识重用模式，在实际应用中三种组织方式往往交织在一起，为用户提供设计知识。

图2中包括导航知识、知识地图、知识组件以及知识条目四个对象。知识条目是指第1章中提出的设计知识统一模型，是设计知识组织的最小单位。图中的连线表示不同类型知识之间的引用关系，例如在导航知识中可以包含知识组件。下面详细说明三种知识组织方法。

3．1 导航知识

导航知识是一种按照问题解决步骤组织设计知识的方法。首先将具体的设计问题分解为多个互相依赖的步骤，这些步骤被组织为树形结构。其次每个步骤中都关联了设计知识，这些设计知识是与该步骤要解决的问题相关的，可以关联到节点上的知识包括知识条目、知识组件和知识地图。其结构如表2所示。

表2 导航知识示例

用户在使用导航知识的过程中，能够按照问题解决步骤获取每个步骤相关的设计知识。这种方式能够有针对性地应用设计知识，避免从大量设计知识中查询所消耗的时间。导航知识并不限定用户只查看封装在其中的知识，用户也可以通过检索或浏览知识地图的方式查看其他设计知识，这些行为也会被记录下来，并作为动态更新导航知识的依据。这样就使导航知识具有根据用户行为进行变更的能力，不断地优化封装在各个步骤中的知识。

3．2 知识地图

第1章提出的设计知识统一模型包含相似关系、上下位关系和依赖关系三种关系。通过这三种关系将设计知识组织成相互关联的知识地图。知识地图利用这三种关系为用户提供导航服务，以获取所需要参考的知识。用户在执行设计任务的过程中，系统首先根据当前任务的上下文信息推送相关的设计知识，基于这些推送的设计知识，用户可以沿着相似关系、上下位关系和依赖关系进行扩展，寻找相关的设计知识。这种方法能够提供具有语义含义的设计知识查找路径，使用户快速找到所需要的设计知识，减少大量知识带来的信息过载问题。同时，知识地图并不是静态的，用户在应用知识地图的过程中可以为知识地图建立新的关联，在不断使用和优化的过程中完善设计知识之间的关联关系。

3．3 知识组件

知识组件是指将程序、算法、多媒体等类型的设计知识以结构化的方式封装，实现这些设计知识的自动化重用［9］。知识组件可以通过注册 Web service的方式公开其封装的功能，用户可以通过网络访问这些功能。用户在使用过程中不需要了解封装于知识组件中的具体算法，只要按照规范提供知识组件所需要的参数，就能实现知识组件的调用，知识组件能够自动返回根据参数生成的结果。知识组件的定义、实现技术和应用方式请参考文献［9］。

3．4 设计知识表示

本体可以表达复杂的语义关系并可以在这些语义关系的基础上实现推理。本文将本体作为设计知识的表示方法。为了用本体来表示本文提出的三种设计知识类型，首先建立如图3所示的设计知识表示本体元模型。

图3展示了元模型中主要的类和对象属性。模型中主要包括流程对象、设计知识和领域对象等类。其中：流程对象表示导航知识中的问题解决步骤；设计知识表示第2章提出的三种知识类型；领域对象表示产品或者零件的结构、参数信息。为了构建类之间的语义关系，元模型中提供了多种对象属性，具体信息如表3所示。

表3 本体元模型对象属性详情

4 应用实例

本章将综合利用知识组件、导航知识、知识地图来组织设计知识，利用基于本体的方法进行知识表示。首先，通过构建一个减震器的知识组件实现算法和规则等知识的重用。表4所示的模板采用LISP（list processor）语言编写，其中嵌入了减震器相关的算法与规则，因此输入相应参数之后知识组件能够自动生成新的模型。

表4 减震器设计知识形式化表示

组件：｛＃component＿121＿4，减震器模型生成，辅助生成减震器的

三维模型，＃template＿48，＃input＿34，＃output＿74｝

模板：｛＃template＿48，｛file－storage｝/shock－absorber．lisp｝

输入：｛＃input＿34，活塞半径，integer，大于15小于53｝

｛＃input＿34，活塞纵向位置，integer｝

｛＃input＿34，活塞长度，integer｝

｛＃input＿34，杆长度，integer｝

｛＃input＿34，高压管长度，integer，120｝

｛＃input＿34，高压管半径，integer，活塞半径＋1｝

｛…｝

输出：｛＃output74，模型位置，｛file－storage｝/shock－absorber．stp｝

通过文献［9］中的方法，上述设计知识被封装为知识组件，并利用Web service技术公开知识组件的调用界面。图4所示是知识组件在本体中的表示方法及其在不同参数情况下的运行结果。

本文通过收集整理空气滤清器的设计知识来构建设计知识地图，采用本体来描述设计知识之间的关联关系，并实现设计知识之间关系的推理。

表5所示是部分空气滤清器设计知识以及这些设计知识之间的关联关系。这里的关系是在梳理领域知识的基础上，通过领域专家的分析构建的。依

表5 空气滤清器设计知识形式化表示

据第4章提出的本体模型表示设计知识形成知识地图，并通过该知识地图进行推理。

图5表示表5中整理的空气滤清器的设计知识的本体表达形式。本文构建了所有的知识实例，同时利用对象属性构建了设计知识之间的关系。图5中显示的是“提高空气滤清器滤清效率”设计知识与其他设计知识之间的关系，图中第一部分是按照表5中的内容直接声明的断言，第二部分是由其他设计知识中的断言推理得到的，第三部分是由第一部分和第二部分断言推理得到的。经过推理的这些关系可以对用户进行导航，使用户更容易找到所需要的设计知识。

本文通过收集整理单筒式油气弹簧的设计知识构建了导航知识。与上文相同，在收集与整理设计知识的过程中采用形式化的描述方法，最终通过本体来描述导航知识。表6所示的设计知识是有关如何减少单筒式油气弹簧的最大承受力。

表6 减少单筒式油气弹簧最大承受力设计知识

将表6所示的单筒式油气弹簧设计知识构建为本体，最终结果如图6所示。每一个导航知识个体都关联到一个导航过程个体，而导航过程个体又包括多个导航节点个体，导航节点个体包含具体的知识个体。用户在使用导航知识的过程中，按照既定的问题解决步骤查看相关的设计知识，能够逐步了解所需要的设计知识。

本章收集减震器、空气滤清器和油气弹簧的设计知识，分别构建了知识组件、知识地图和导航知识。在实际应用过程中三种知识类型相互交织在一起，并不严格分开。例如在导航知识过程中选择到某一个设计知识个体，而该知识个体又存在于某一个知识地图个体中，知识使用者可以直接进入知识地图中获取设计知识。

5 结束语

本文提出一种面向用户的非几何设计知识组织方法。首先讨论了产品设计知识并建立了产品设计知识统一模型，然后分析并总结了三种产品设计知识重用模式，即导航模式、参考模式和自动模式。三种设计知识类型用于支持本文所总结的三种设计知识重用模式。最后，应用实例说明了如何将该方法应用于设计知识管理中。本文所提方法能够按照用户的知识重用方式提供设计知识服务，减少了查找设计知识所消耗的时间，也减少了大量设计知识带来的信息过载现象。今后需要继续在以下几方面进行深入研究：①如何通过语义分析技术自动构建设计知识之间的关系，以减少知识地图构建所需的工作量，同时避免由于主观性带来的误差；②用户的检索与浏览行为如何影响导航知识中所关联的设计知识。

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