面向工程设计的知识处理关键技术

郭辉

【摘 要】工程设计随设计的展开而逐步推进，先对子对象进行单独设计，然后整合为一体。工程设计知识是设计过程中关系与过程的集合。文章详细分析了工程设计的过程，并介绍了工程设计知识处理的关键技术。

【关键词】工程设计；知识处理；技术

工程设计并非一开始就进行整体设计，而是先拆分设计对象为子对象，对子对象的设计领域进行单独设计；然后将子对象的设计整合，形成总的设计方案。所以，面向工程设计的知识处理系统具有一个树状结构，子对象所拥有的知识和规则集合后分布在子结构中。整合子对象，就是将所有知识整合。使用软件工具实现知识的表示与运用，可以增强设计的正确性。

一、分析知识处理工具使用现状

通俗的说，知识处理工具是处理问题的智能化程序。它根据工程设计领域的设计经验与知识，对人类设计思维进行模拟，探究解决专业性要求较高的问题。只是处理工具必须具备四大要素：具有高水平的专业知识；能够进行知识推理；具有人机接口，能够实现知识的获取；能够对设计进行解释。一个优秀的知识工具能减轻工程设计师的工作压力，减少重复性工作，提高设计效率，对设计的正确性也有着积极影响。但是，我国目前运用的多数知识处理工具都存在缺陷：第一，知识的表示形式单一，没有区分工程设计特点，有组合爆炸的风险；第二，运用字符窜表示知识，运用字符窜匹配完成知识的匹配，使得知识表示能力弱，逻辑运算被局限于运算层面，不能进行大小比较；第三，集成函数运算语言未被应用到知识处理工具中，使得知识与设计经验不能有效沟通。为解决这些问题，必须加强对知识表示技术、函数运算语言以及推理技术的研究，设计开发面向工程设计的知识系统。

二、面向工程设计的知识处理技术的要求

面向工程设计的知识处理技术，必须要针对产品的具体功能，完成对对象的推理与表示，能够降低知识的使用难度，并降低组合爆炸风险；面向工程就需要以产品的实际功能为建模依据，提高表达能力，减小知识冗余度，并加快知识的检索速度；在设计规则推理时，在实现逻辑规则匹配的前提下，要对规则的推理能力与逻辑表示能力进行扩展。此外还要完善函数设计语言，实现经验公式与规则、实践理论的集合。

三、知识表示技术

面向工程设计的知识表示内容包括三部分：第一，对象组，它是实现知识表示的基础，具体内容就是建立整个领域的层次结构；第二，变量组，它是将对对象的所有变量进行集成，并整理它们的求解方式；第三，规则组，将对象的所有工程知识进行集合。

（一）分析对象的表示方式

对象与工程设计中的子领域相对应，包含子领域的所有规则组和变量组，能够快速实现子领域的知识建模与求解。面向工程设计的知识用层次结构表示，能够实现系统的面向子领域推理功能，将对象进行合理集成之后，就形成了一份完整设计方案。

（二）分析规则表示技术

在面向工程设计的知识表示方式中，使用变量与规则模型描述规则。变量服务于对象领域中的参数建模，建立模型之后对规则中的变量进行计算。在传统的知识处理工具中，使用字符串匹配实现规则匹配，也就是说当事实字符串和规则前件中的字符串相同时，才证明规则匹配。这种方式具有明显的局限性。例如，在计算变量数值时，字符串匹配方式不能判别变量的大小。

（三）分析函数计算语言

工程设计领域经过多年发展，已经有许多成熟的设计理论和设计经验，建立函数设计语言广义表，能够实现知识建模阶段的理论公式与经验公式集成。计算函数主要分为三类：第一类是基本计算函数，主要包括Add、Mul、Div、Exp、Log、Mod等；第二类是双曲函数与三角函数，主要包括Sin、Cos、Tan、Acos、Asin、Atan等；第三类是多层前馈神经网络函数，主要包括nnrea-son、nninput等。

四、知识推理技术

对象与工程设计中的某个子领域向对应，对象中包含变量组与规则组。工程设计的所有知识通过整合对象知识得到，这样系统就能实现面向对象的知识推理。最后，通过有效组合子对象，就形成了面向工程设计问题的总体。

知识推理技术的特点是：规则系统的前向反向推理能够得到分利用。对需要求解的子对象进行搜索，运用推理规则将搜索范围缩小，在完成子对象的推理后，整合形成总体工程设计。

图1 知识推理技术

图1所示的知识推理技术，实现了查找求解对象、查找与应用知识、合并推理中间与结论事实功能。该技术的根节点包含了面向工程设计知识的子对象名与求解方法。子对象包含了该领域的变量与设计知识。知识推理技术，运用前线推理手段实现了工程设计分目标与整体目标的定位，能够将推理领域集中在部分子对象中，减少了在知识求解与运用过程中出现的组合爆炸。这种推理技术在层次结构应用中发挥者重要作用。

五、规则推理技术

图2 规则推理技术

规则的表示方法采用逻辑式，所以规则推理技术也与逻辑有关。图2中描述了规则推理中的逻辑应用。通过使用逻辑推理、计算以及询问等方式，对变量进行计算。用户输入得到的变量值表示询问方式；通过使用基于广义表的函数语言进行计算，综合考虑变量间的实际关系以及理论与经验关系，在广义表形式的基础上设定计算方式；使用知识推理技术与规则推理技术计算其他的变量。

在运用规则推理技术时，需要计算规则前件的每个节点；若在计算中存在变量未被求解，使用前述方式对变量进行求解；若所有节点变量都被求解了，就以操作符的逻辑为依据，计算节点的真实性；如果节点的真实性都经过了验证，并且它们的不确定值超过阈值，规则匹配得到验证，就对规则后件的节点不确定度进行计算。最后将真实性验证结果录入到人事实库里，为别的规章推理提供参考。

六、结语

本文首先分析了面向工程设计的知识处理技术在我国的应用现状，并指出了它的应用缺陷。例如，知识表示形式太单一，没有体现工程设计的特点；知识匹配缺乏有效方式；缺乏函数运算语言等。并针对这些问题，都给出了相应的解决方案。知识处理技术对知识的整合与有效运用起到很大帮助。因此，应加大对知识处理技术的创新性研究，以提高工程设计水平。endprint