网络协同环境下产品设计知识的表达体系研究

刘 勇，郭银章

(太原科技大学计算机科学与技术学院，太原 030024)

网络协同环境下产品设计知识的表达体系研究

刘 勇，郭银章

(太原科技大学计算机科学与技术学院，太原 030024)

在分析了网络化协同环境下产品设计知识管理特性的基础上，提出了一种适合于实现协同环境下产品设计知识共享的知识分类体系和知识表达模型。根据网络化协同环境下知识共享的特点，将产品设计知识进行了分类。按照设计知识的表达体系将共享知识分为数据表类、语言数据类、图形类、图纸类、模板类五种表达方式，并采用分层的XML描述语言，给出各类知识的表达模板。

协同设计;产品设计知识;知识分类;知识表达;模板技术

网络环境下的产品协同设计是一种相当复杂的且具有创新性产品设计过程，协同设计的主体是各个不一样的经验知识和领域知识，由于协同设计具有跨时空的特性，设计过程中需要一个平台进行知识交换和设计共享[1-3]。目前，对于协同设计知识的表达与共享方法很多，如面向对象方法、语义网络、语义本体、产生式规则、设计模板等[4-5]。应用模板思想进行网络环境下协同设计知识表达，是一个主要的趋势。模板和协同设计合作机制，不仅改变了传统的协同设计领域的概念，也将通用性、模板的结构变异性和重用性方便地引入协同设计的研究[6-7]。有效的便捷的协同设计知识表达模型，有助于提高协同设计知识的管理与共享，减少产品设计的时间，降低产品设计的总成本，从而提高企业的效率和利润。

1 产品协同设计知识的分类与表达模型

1.1 协同设计过程设计知识的分类

由于设计者所拥有的知识不同，对于设计知识的表达和理解也不相同。如何对繁杂的设计知识进行有效的分类和管理，是实现协同设计知识共享的关键问题。下面，给出一种协同设计知识的分类模型:

定义1:协同设计过程产品设计知识分类可描述为:

(1)产品特征参数知识(KPF):产品零部件参数、工艺参数、属性参数、等开发过程中不同过程用来描述产品的零件、产品信息参数。

(2)产品组织结构知识(KPS):结构性知识是指在设计过程中所产生的各类图纸、模型等，机械设备设计和开发过程中的一些技术性文件，有许多是图纸和结构化文档。

(3)产品设计原理性知识(KPP):这是在产品设计领域长期发展过程中形成的领域设计知识，其内容形式多种多样，确定了产品结构的设计原理及设计方法等。

(4)产品设计规范性知识(KPDS):产品设计过程中包含零部件的国际标准和国际标准或者企业标准及专家经验操作准则等手册、图表。

(5)产品设计实例性知识(KPDE):指达到特定标准的并在现实中得到验证的优秀设计成果，含有设计专家们对待专有难题的推理过程、判定过程和决定过程的典型产品设计实例。

(6)产品设计经验性知识(KPDEx):专家经验类知识是经过实际应用中被多次证明的有参考和实用价值的经验知识，包括经验公式、经验数据、叙述性经验、产品设计过程的简洁方法等。

协同设计产品设计知识的分类及表现形式如表1所示。

表1 协同设计产品设计知识的分类及表现形式Tab.1 Classification and performance design knowledge

1.2 协同设计过程设计知识的表达模型

根据结构特征，我们把知识的表达分成不同的层次或阶段，如分为产品、部件、零件、零部件等层次。以机械产品为例，产品级，如挖掘机相关知识;部件级，如挖掘机轮子相关设计知识;零部件，如挖掘机履带设计相关知识。网络化产品设计协同设计知识的层次表达如图1所示。

图1 网络化产品设计协同设计知识的层次表达模型Fig.1 Level design knowledge representation model

为建立一个统一的知识表达模型，便于用户选择存储格式，在此首先提出一个面向协同设计的知识表达模型——元模型。元模型∷ =(ID，C，M，R)。其中:标识符ID(IDentifier)又称为共有属性，如名字、编号等唯一标示某一特定知识类或事物。特征C(Characteristics)知识对象自身具有的特征，如功能特征、性质特征、实义特征、行为特征等。特征量值M(Measurement)关于某一特征或行为的数量、程度或具体操作等。约束关系R(Restrain)知识元之间的约束关系和索引。

1.3 基于XML知识描述语言

由于网络化产品协同设计是基于网络协同环境下的产品设计模式，所以采用XML描述语言作为网络环境下产品设计知识的描述和表达手法，从而可以达到设计知识及其在Web上的架构、基于Web非静态知识表达和共享结构的建立。XML即可扩展标记语言(extensible markup language)，是W3C的推荐标准，是一种网络标记语言，是当前处理结构化文档信息的有力工具。传输数据和存储数据是它的设计宗旨，使用一系列自定义的标签来描述数据。XML不仅可以适用于多个面向对象的数据库相互之间的文档信息交流，同时也可以作用在传统关系数据库之间进行交换信息。

2 基于XML的产品协同设计知识表达模板设计

网络化产品协同设计中的知识表现形式包括数据表格类、语言类、图纸类、图形类、设计规则类。

2.1 产品设计数据表格类知识表达模型

表格式表达方式的特点是结构清晰，方便查阅。表格式表达方式适合简单的多个基本属性的产品信息表达，如产品零件的基本信息、采购信息等大量雷同知识。产品设计数据表知识表达模型如表2所示。表格应用示例如表3所示。识用的较多的知识表示方法主要有:一阶谓词逻辑表示法，产生式表示法，框架表示法，语义网络表示法，脚本表示法，过程表示法，Petri网表示法，面向对象表示法。由于不一样类型的知识具有不一样的特性，而每一种表达方法同样也有其本身的特点。因此，有些知识会采用其中一种方法表示，也有的知识需要多种方法结合起来共同表示。根据产品设计知识的特点，一般需要用语言类表达知识一下几类:概念性知识、原理性知识、规范条约性知识等几大类。产品设计语言类知识表达模型可定义为:

表2 数据表表达模型Tab.2 Data table expression model

表3 轴承参数Tab.3 Bearing parameter

定义2:产品设计语言类知识表达模型

其中Id:编号用来唯一标识知识对象;Name:名称用来识别知识;Basic attribute:基本属性;Extended attribute:自身特有的扩展属性。

根据不同知识类别，我们对语言类知识表达模型进行扩展。

定义3:产品设计概念性知识表达模型

其中Picture:简图;Function:功能简介;History:简史和背景;Category:分类;Composition:组成或构成;Instance:对应的实例连接;Oneself:自定义属性。

定义4:产品设计规范性知识表达模型

其中Develop:标准的制订单位和人员;Scope:标准的适用范围;Time:标准的实施时间;Definition:

2.2 产品设计语言类知识表达模型

任何知识的表达都离不开语言知识，语言无处不在，像产品构件介绍，设计手册中的规范条例、注意事项等等方面都离不开语言表达。目前语言类知标准的定义主体。

语言类知识同样以轴承概念知识进行示例:

编号:＊＊＊＊

名称:轴承

简图:

历史发展:早期的直线运动轴承形式，就是在一排撬板下放置一排木杆。

功能:它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。

分类:可分为滑动轴承和滚动轴承两类。

2.3 产品设计图形类知识表达模型

产品设计知识中包含许多图形知识，如产品简图、设计流程图、产品结构图等等不同类型不同样式的图形。采用四元基础模型表达图形知识，各具特点的图形在四元基础模型上分别再扩充和表达。产品设计图形类知识表达模型可定义为:

定义5:产品设计图形知识表达模型可定义为:

其中Id:图形编号用来唯一标识图形对象; Name:图形名称用来识别图形;Parameter:图形属性参数;Instance:图形关联用来记录从属于本设计哪一类别知识或实例。

2.4 产品设计图纸类知识表达模型

图纸知识的模型首先要包含图形知识模型，并满足产品设计结构的图形处理的各种要求。这需要包括，图纸层次处理、颜色处理、线性处理、以及图块处理等。由于图纸需要不断的修改等原因，需要表达模型支持图纸信息设计参数与图纸并存和同一数据库中多幅图纸的共同存在。产品设计图纸类知识的表达模型可定义为:

定义6:产品设计图纸类知识的表达模型

其中Id:图纸编号用来唯一标识图纸对象; Name:图纸名称用来识别图形;Parameter:图纸属性参数;Gradation:图纸的图层信息;Line font:图纸的性形信息;Segment:图纸的图块信息;Substance:图纸实体或实体链接;Instance:图形关联用来记录从属于本设计哪一类别知识或实例。

2.5 产品设计模板类知识表达模型

表达模板是从类似实例中提取的一种具有框架型模型，通过对事物之间的相类似的泛化及抽象而得出，与它相对应的实例具可以看作是表达模板在实际应用中的体现。其中:元模板是指规模较小，功能独立，是处于最底层不可再分的模板。高级模板是指多个元模板复合而成。元模板经过合并、拆分、继承等操作得到的复杂模板。产品设计模板类知识表达模型可定义为:

定义7:产品设计模板类知识表达模型

其中:Template:是指模板Id:模板编号用来唯一标识模板对象;Name:模板名称用来识别模板; Oneself graphics:模板主体图形即合成模板的整体效果图;Parameter:模板属性参数;Contains:模板所包含的子模板;Operation:对模板的操作修改记录; Constraint:对模板的规则约束;Instance:模板关联用来记录从属于哪一类别实例。

模板具有运算性，基本运算有提取、组合、消减等使用操作，根据操作的特点把操作手法总结为运算模式，可以分为并运算、交运算、差运算、替运算等。

(1)并运算指模板的叠加或组合运算，如图2(a).

运算公式:T1+T2=T3(T1和T2是其他元模板或组合模板)。

性质1:交换性:T2+T1=T1+T2.

性质2:结合性:T1+(T2+T3)=(T1+T2)+T3.

(2)交运算指两个模板的交叉运算，从不同模板提取元模板组成新的模板操作，如图2(b).

运算公式:T3=T1×T2.

性质1:交换性T1×T2=T2×T1.

性质2:结合性T1×(T2×T3)=(T1×T2)×T2.

(3)差运算指从模板中减去其中的一部分模板，如图2(c)。

运算公式:T3=T1-T2(T1包含T2)

(4)替运算是指用两个模板相互替换，替换和被替换的模板必须是同级模板，如图2(d).

运算公式:T2=Change(T1，T11，T12);(T11属于T1，T11与T12是同等级别)。

即T2=T1-T11+T12.

图2 模板的基本运算Fig.2 The basic operations of template

3 基于XML的模板运用实例

采取汽车设计知识表达作为一个例子，对于大型的设计系统常常可以进行分级分解，把一个复杂的设计系统分解成多级结构，从而降低了我们的产品设计难度。以车辆的设计为例，一级系统可以分为车身、动力系统、刹车制动系统、悬架系统等;对于动力系统进行再分解可以得到二级子系统如发动机、变速箱等。

以下示例车辆车身的基本模板结构:

采用XML描述的车辆车身基本模板的实例片段如下所示，鉴于文章篇幅所限，仅列出部分文件内容。车身模板实例的XML描述如下:

4 结论

知识的分类体系根据的产品设计知识的特点总结分类，对现有的产品设计具有通用性和指导性。XML在网络协同环境中取得了较好的应用效果，它增强了模板文件的可读性，使文件结构更清晰;同时它提高了设计中文件在网络中的传输效率，减少了传输量，为文件的扩展性提供了可行性。根据网络化特点和协同设计的传输性，模板技术大大减少传输信息量，提高实时共享效率，给网络协同环境下产品设计的发展提供了新的视角。模板技术的引入大大提高了实例性知识的可重复性使用，和再异构性设计。同时，有关知识表达模型和协同模板理论和技术仍不成熟，在知识提取及灵活运用等多方面面临更多的挑战和考验。

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[5]孙林夫.工程设计问题的智能模型[J].西南交通大学学报，1993(6).

[6]刘晓平，石慧.模板技术在CAD领域内应用框架探讨[J].科技导报，2008，26(10):87-92.

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Expression and Product Design Knowledge Sharing System in Web-Based Collaborative Design

LIU Yong，GUO Ying-zhang
(School of Computer Science and Technology，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

This paper proposes a collaborative environment that is suitable for the implementation of product design knowledge sharing knowledge classification system and the knowledge representation model on the basis of the analysis of product design knowledge management features in the networked collaborative environment.According to the characteristics of networked collaborative environment knowledge sharing，product design knowledge could be divided into six types，such as knowledge of characteristic parameters，the knowledge structure of products，principle knowledge，exemplary knowledge，design normative knowledge，experiential knowledge.Based on the design of knowledge expression system，shared knowledge can be divided into data table，the language data，graphics，drawings，template class five kinds of expression，and USES the hierarchical XML description language，all kinds of knowledge and the expression of the template.

collaborative design，product design knowledge，pnowledge classification，knowledge representation，template technology

TP391.72

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.04.006

1673-2057(2015)04-0268-05

2014-12-03

山西省自然科学基金资助(2012011015-5)

刘勇(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向为网络协同环境下产品设计知识的表达与共享体系。