基于流程管控的箭体结构设计知识管理研究

◎北京宇航系统工程研究所 郭永辉等

基于流程管控的箭体结构设计知识管理研究

◎北京宇航系统工程研究所 郭永辉等*

随着知识经济时代的到来，知识的急剧增长产生了知识爆炸现象，国内外学术界也掀起了对知识管理的研究，但企业目前在获取有用知识的工具和能力方面严重滞后，影响到知识资源在知识产生、占有、配置和消费过程中的有效利用。近年来，中国运载火箭技术研究院面临的多型号并举和高密度发射的局势，以及未来市场化转型的形势，对箭体结构研制能力和效率提出了更高要求。如何充分利用知识与经验推动能力建设，加速开展技术创新，提高研制效率，缩短研制周期，成为箭体结构专业急需解决的问题。

一、箭体结构设计知识管理现状分析

目前，箭体结构设计专业经历了50多年的发展，已经积累了丰富的知识资源，建立了较为完善的设计师队伍与研究流程。但箭体结构设计在知识管理方面还存在着一些问题：由于缺乏有效积累和管理知识的方法，设计师无法有效复用已有的经验知识，导致低层次问题多发；因缺乏知识运用的流程管理和控制方法，没有形成统一的知识应用约束机制；新设计人员成长速度慢，对老员工依赖大，知识传承需求迫切；知识共享范围小，不同产品系列之间和不同领域之间的设计人员缺乏交流，经常犯同类错误；产品数据管理仅存储相关的设计结果，对中间过程没有记录，而恰恰在中间过程中蕴含了大量的技术细节和工程设计思路。

解决上述问题需要构建箭体结构设计知识管理平台，然而却面临着以下难题：

一是箭体设计流程可以明确地分为多个阶段，但每个阶段对设计知识需求的学科侧重点不同，同时还需考虑学科交叉的约束，造成知识复用和推送困难；

二是设计数据格式多样且相互难以转化，知识有效性评价模型不易建立，导致知识挖掘困难；

三是设计工具多样，商品设计软件与专用设计软件混合，不易共享和复用知识。

此外，同所有产品研发部门一样，箭体结构设计专业最突出的一个特点便是创造了大量优秀的工程经验，并且大都存在于老专家的头脑中。如何将这些隐性知识显性化，以及如何将这些优秀经验充分挖掘并纳入到产品研发流程中，成为知识管理亟待解决的重要命题。

二、关键技术

1.多维度设计知识挖掘技术

研制流程中的设计知识可以分为显性和隐性2种形式，它们均能指导设计师对箭体结构进行设计。显性知识主要包含手册、标准、规范等在形式上已被总结并固化下来的知识。一般情况下，设计师通过显性知识可以较容易地获得直观且标准的设计结果。隐性知识主要指存在于设计案例或专家头脑中未被固化下来的知识。设计师无法通过隐性知识获得直接的设计方法，必须结合对隐性知识的个人理解才能得到设计方法，往往会导致设计结果参差不齐。

笔者在此主要研究箭体结构设计流程中的知识挖掘，将设计流程中的显性和隐性知识封装成结构化与半结构化的数据，按时按需对封装的知识进行挖掘。

比如，标准和手册类知识可以采用以下2种方式进行挖掘：一是按照设计阶段、学科类型、适用范围、适用角色4个角度进行划分并形成相应的“知识标签”。由科室及小组的专家将积累的设计标准进行电子化，贴上“知识标签”后放入数据库集中管理。

二是将手册中的常用知识通过专家提取出来，在知识库中建立相应的知识词条并通过关键字进行检索。这种应用方式广泛见于百度百科类的知识系统，可以通过建立管理平台中的审批制度控制知识的有效性。

由于隐性知识难以量化总结，往往以设计案例的形式进行固化和存储。设计案例的表现形式主要是设计流程中的设计模型文件、多媒体记录等。从成功案例中获取设计知识主要是将设计模型中的关键特征和信息提取为对象标签、参数标签、物理标签和关系标签等表现形式并存储到数据库中，与材料库和标准库等建立联系，实现隐性知识的半结构化存储。通过挖掘不同型号设计模型的对应参数，实现对隐性知识的多级知识挖掘机制。

2.多维度设计知识复用技术

设计知识主要包括通用知识和基于流程任务的私有知识。

(1)通用知识的复用技术

通用知识是长期存储在独立于设计流程及对象之外的知识，其活动范围受约束活动和流程范围的共同影响。箭体结构显性通用知识的主要知识复用方法为：

◆识别到当前设计任务所处的状态(设计对象、设计阶段、设计任务类型、所属型号、密级、用户权限)，将设计状态组织成知识活动范围向量。

◆以知识活动范围向量屏蔽不在活动范围内的知识元。

◆以设计师输入的关键字进行文字模糊搜索，得到所需的知识文件列表并返回到设计师工作环境。

◆允许设计师对所关心的设计知识进行检索，对检索到的设计知识进行查阅和引用；允许设计师在具体的设计任务流程中查阅和引用这类设计知识文档，将其传递到后续设计环节共享；允许设计师在专用设计工具中查阅和引用检索到的设计知识文档。

公式类通用知识的复用方法主要为：允许设计师输入计算功能需求，输入、输出参数集合；以统一的术语含义参数名列表校核输入、输出参数语义；以计算功能、输入和输出参数的关键字检索计算工具；将从设计任务中提取的输入数据传递给计算工具；在人机交互的设计计算结束后，将计算结果作为该道设计活动的结果存入设计任务的附件中。

(2)私有知识的复用技术

私有知识分为任务内私有和型号内私有。基于流程任务的私有知识是在设计过程中产生和消亡的，如前一道设计任务的结果就是后续某道设计环节的有效知识。

任务内私有知识复用方法为：

◆设计任务由工作流引擎驱动在各个岗位之间流转，前置岗位设计师接到上游岗位传递过来的设计文档和模型。

◆前置岗位设计师完成设计工作后产生众多设计结果文件，形成结果列表并从中选择文件形成该岗位产生的私有知识。

◆后置岗位设计师得到的设计任务中包含了上游和前置岗位产生的私有知识。

◆后置岗位设计师可在箭体结构设计知识管理平台中查看私有知识，也可以由私有知识数字化文件格式调用对应的数字化设计工具。

型号内私有知识复用方法如图1所示。设计任务由工作流引擎驱动在各个岗位之间流转，当流转到某一岗位时获取该设计任务所属的设计阶段；从当前设计任务中提取型号的关键字，以型号为检索条件搜索型号内的所有知识文件；检索该型号内与当前设计阶段匹配的知识，形成知识文档列表；将列表形成链接放入设计任务中，该阶段所有岗位都能看到该链接列表；设计师根据需求选择查看知识文档中的链接列表。

图1 型号内私有知识复用方法

3.多维度设计知识推送技术

箭体结构的设计流程是有规律的，在设计过程中往往利用工作流对设计步骤进行定义和规范。工作流系统实施人员根据厂所的现状归纳总结出各种设计流程的参与角色、流程在角色之间流转的条件与顺序、各角色对设计流程作出的反应等业务信息，利用形式化描述语言定义面向设计流程的工作流模板。设计流程的发起者在新建流程时为该流程指定工作流模板，由工作流引擎根据工作流模板的定义驱动流程。这种工作流引擎驱动流程流转的原理是基于流程的预定义，而预定义是基于各箭体结构设计科室的设计流程规范和岗位责任的前提。在出现需要判断流转方向的情况时，依赖人的经验判断和手工干预。

知识推送正是依赖工作流引擎的工作原理，结合知识推送规则实现知识推送。使得设计师能够在不发出检索命令的情况下，由知识管理平台主动推送其需要的知识。

箭体结构设计过程的知识描述为可定义、编辑、推理、推送的动态过程知识。基于工作流的箭体结构设计知识推送过程如图2所示。箭体结构设计一般过程经由专家总结后整理为不同的设计流程类型，这些是设计过程知识的一部分。新用户选择某种类型的设计流程后，按照向导可快速开展具体的设计工作，设计过程的关键环节、关键处理过程都在设计流程中有明确的表述及相关设计知识的推理、推送支持。

三、平台方案

箭体产品由多个复杂结构组成，设计知识涉及多个学科，因此形成了多维度知识。设计过程中，多个领域的设计人员按照设计要求各自进行领域内的设计工作。各个学科设计之间存在联系与制约，对知识的需求和理解各不相同，所以，各个学科设计人员需要兼顾整体设计最优的知识获取方法。

箭体结构知识管理平台(见图3)面向箭体结构的所有设计阶段，旨在解决知识的数据管理、挖掘、推送及共享。具体的建设内容包括：

◆典型知识库数据管理，对每个箭体结构设计子流程中涉及到的知识和资源分类整理，建立基于知识模板的知识扩充机制，一旦用户在设计过程中产生新的知识，立即填入知识模板并存入知识库。

◆建立阶段设计流程管理机制，用户可以选择当前活动所处的阶段及该阶段中所处的设计流程，实现知识按阶段、流程分类。

◆建立面向用户的知识实时推送机制，包括知识的主动推送和被动推送。

◆建立知识库管理机制，包括机构、用户、角色管理等功能。

◆建立知识管理系统与PDM系统的集成，用户可以从PDM系统里下载知识。

基于流程管控的箭体结构多维度知识挖掘、复用和推送方法是解决箭体结构设计过程中知识管理与应用的核心问题，在此基础上对箭体结构设计流程知识管理方案进行设计、规划，实现基于流程管控的箭体结构设计知识管理并应用到型号研制过程中，将会切实打造知识型专业设计队伍，形成知识库与人性化的知识共享平台，提高设计效率和能力。

图2 面向过程的设计知识推送方法

图3 知识管理平台方案

*其他作者：田建东、张希、王婧超、孟德浩、万能（西北工业大学）、李妍