基于知识关联的产品知识聚类集成模型研究

陈华为，高　琦，王超宇

（四川大学 制造科学与工程学院，成都 610065）

基于知识关联的产品知识聚类集成模型研究

陈华为，高琦，王超宇

（四川大学 制造科学与工程学院，成都 610065）

针对当前通用设计与专业设计、设计能力与设计经验、设计与生产之间存在的壁垒，提出了基于功能设计和基于案例设计的知识推送方案并搭建了基于语义知识共现技术与反馈网络的产品模糊知识聚类集成模型。借助知识共现技术与知识功能语义检索技术，构建了产品代码及标准匹配知识模块和产品功能语义关联模块，利用粗糙集理论，提出产品类别关联方法和网络。构建了产品聚类及权重调整模块，以调整关联度的方式利用用户反馈对知识关联模型进行优化。通过实例对该模型的检索流程和效果进行了分析与验证。

知识关联；产品知识；知识聚类集成模型

0　引言

随着制造业的生产结构逐渐哑铃化，企业面临的制造能力过剩，产品设计能力不足等问题越发凸显出来。与此同时，产品复杂性不断提高，并朝个性化方向快速发展，也使设计难度迅速增加［1］。因此，对于如何提高产品的设计能力，尤其是对复杂产品的设计能力及创新设计能力，并有效的降低产品设计成本，已经成为行业领域重点攻关的问题之一。

针对上述这些问题，国内外不同领域的学者在各个角度进行了大量的研究工作。在产品设计理论方面，相继出现了TRIZ理论［2］、质量功能配置（Quality Function Deployment， QFD）［3］、TQCS（E）［4］、公理化设计等设计理论［5］；在产品设计方法方面，谢友柏等特别注重产品功能与产品质量，将两者归为产品性能，并提出以性能驱动的产品设计方法［6，7］；闻邦椿等将产品剖析为两大功能（主要功能与辅助功能）和三大性能（结构性能、工作性能和工艺性能），并在此基础上提出产品全功能及全性能设计方法［8，9］。此外，FBS［10］，不同维度与不同视角的并行设计方法的提出［1］，也在很大程度上丰富和完善了产品设计体系，促进了产品设计研究的发展。但是，这些研究或多或少地存在如下不足：1）忽视了设计与生产的相关性，往往重设计而轻生产，使得设计游离与生产之外，削弱了对行业的指导意义；2）缺乏设计能力向产品转换的途径的研究，使得大量优秀的设计能力与设计资源无法向产品转化；3）没有考虑到通用设计与专业设计、设计人员与制造企业之间的知识壁垒与经验壁垒，易造成总体设计资源匮乏而局部设计能力过剩的问题。

1　产品模糊知识聚类集成模型构建

产品模糊知识聚类集成模型由产品代码及标准匹配知识模块、产品功能语义关联模块和产品聚类及权重调整模块组成（如图1所示）。

图1　基于语义知识共现技术与反馈网络的产品模糊知识聚类集成模型

产品代码及标准匹配知识模块：以专利知识库、HS产品编码库、产品标准库为数据基础，利用语义知识共现技术［12］，将产品编码、通用标准与专利代码进行匹配，为知识功能语义检索与产品聚类提供数据支撑。

产品功能语义关联模块：借助知识功能语义检索模型［11］对功能本体进行深度挖掘，采用“功能+流”的方式对知识进行语义识别并将其规范化，以“共指关系索引-检索本体-设计知识”的方式对知识进行关联与表达，是实现产品功能关联聚类的核心计算模块。

产品聚类及权重调整模块：利用粗糙集理论，在产品代码及标准匹配的基础上，对产品类别进行聚类，并与知识功能语义关联模块进行整合，从在产品功能关联、产品类别关联两个平面分别对产品进行聚类，构建产品关联体，并基于用户反馈不断调整关联权重［13］，最终形成稳定的产品关联体系，从而完成对现有相关产品及参数、行业标准、相关专利等的知识推送。

2　产品知识关联体系构建

2.1产品代码及标准匹配知识库的建立

1）专利知识库再整理：在已有专利知识库的基础上，加入本体元素和流元素，将功能流本体与产品类关键词作为关联属性。

2）产品编码库再整理：在已有产品编码库的基础上，加入本体元素、流元素和重要相关参数，将功能流本体、产品类关键词作为主要关联属性，相关参数作为辅助关联属性。

3）产品标准库构建：对各类产品的参数标准进行收集整理并赋索引值，产品标准库以产品关键词作为匹配属性。

看吧，事情并没有想象中那么糟糕。平心静气处理的结果，也许还会出人意料。所以，“日理万机”的老师们，与其臣服于消极情绪，被情绪奴役，不如做自己情绪的主人，换一个角度看问题，也许会有意外收获。

4）利用关键词匹配和知识共现技术将产品编码库与专利知识库通过产品类关键词进行多对多关联，利用关键词匹配将产品标准库中元素与产品编码库中元素进行初步匹配（如图2所示）。

图2　产品代码及标准匹配知识库初步匹配结构

2.2产品功能语义关联

产品功能语义关联模块借助李彦［11］提出并建立的功能语义检索模型与检索系统，用“本体+流”的手段，建立共指关系，对产品代码及标准匹配知识库进行语义关联和聚类。产品代码及标准匹配知识库对当前已有专利知识库和HS产品编码库进行了再整理，加入了本体元素和流元素，以便于产品功能语义关联模块迅速识别和聚类。同时，产品功能语义关联模块对产品代码及标准匹配知识库进行了二次分析与处理，从而建立较为稳定的产品功能关联网络和匹配网络。

2.3产品类别关联

产品类别关联模型是在粗糙集理论的基础上，从产品分类的角度对产品进行聚类，并对产品代码及标准匹配知识库进行了二次分析与处理，从而建立较为稳定的产品类别关联网络和匹配网络。其具体步骤为：

1）产品字典与专利字典的建立：设d∈D为产品类别，t∈T为专利类别［11，12］，则可创建数据字典A=｛mx:dx|x∈M｝，B=｛ny:ty|y∈N｝。其中，m，n分别为d，t的索引，索引值分别是其HS编码和专利代码。

2）求出似然解：根据粗糙集理论，分别建立dx（x∈M）、ty（y∈N）的对象集合Udx、Uty和属性集合Qdx、Qty。对决策表进行约简，取不同的属性组合可得一定的粒度。限制其粗糙度与粗糙隶属度分别为α和μ，遍历整个属性组合，通过不断调整粒度，可得到一定数量的似然解。

3）通过似然解分别对D和T进行聚类。

4）针对某一个类进行产品、标准关联，从而生成“产品元（Product unit）”。产品元包含使用领域与实物对象两个维度构成。因专利在某些情况下无法顺利转化的原因，故以产品元为核，与大量相关专利在使用领域、实物对象两个维度进行关联，生成产品类别关联网络（如图3所示）。

图3　产品类别关联网络

2.4产品关联体与权重调整

引入关联度（关联权重），将产品在产品功能、使用领域、实物对象三个维度进行关联，可得“产品关联体（Product related body）”（如图4所示）。用户可通过限制三个维度的检索关联度值的大小来查询相关产品及专利，并可通过技术参数与相关链接全方位获取产品相关知识，快速认知该产品并获取同类设计经验。同时，系统可通过用户反馈，调整对应的关联权重，使平台在不断地学习当中，逐渐确立稳定的关联体系［13］。

图4　产品关联体

3　实例分析

以航空发动机为例，利用产品类别检索，通过数据字典，搜索“航空发动机”，设置产品关联度为1，即搜索产品本体，可找到产品类有涡轮轴航空发动机（8411810001）一项，专利类有航空器用发动机（201280015823.0）、空气压缩航空发动机（200510034447.1）、航空螺旋桨矢量发动机（201010257973.5）等7项，功能流为“产生力”，相关技术参数为：最大加力推力、中间推力、加力耗油率、中间耗油率、推重比、空气流量、涵道比、总增压比、涡轮进口温度、最大直径、长度、质量；利用产品功能检索，通过数据字典，搜索“产生力”，可得到发动机（8407320000）、电动机（8501109990）、气缸（8409919990）等相关类目132项，限制使用领域为航空，可得到航空剪（8203300000）、涡轮轴航空发动机（8411810001）、航空钳（8203200000）、航空磁电机（8511201000）等8项，选择涡轮轴航空发动机，可给出相关技术参数、功能流等属性，并给出相关产品知识。系统可通过检测用户收藏或删除的类目对产品关联体中的关联度进行调整。产品检索流程如图5所示。

图5　产品检索流程

4　结论

为打破当前通用设计与专业设计、设计能力与设计经验、设计与生产之间存在的壁垒，从产品案例知识推送和产品功能知识推送两个角度，借助功能语义检索模型、知识共现基础和粗糙集理论，对产品知识进行和整合与关联，构建“产品元”和“产品体”。在已有创新设计服务平台的基础上，搭建了基于语义知识共现技术与反馈网络的产品模糊知识聚类集成模型，辅助设计人员快速获得产品设计知识与经验，帮助解决通用设计能力向专业设计能力、设计能力向生产能力的转化缺失的问题。最后，通过航空发动机的实际案例验证了对其可行性予以验证。

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Research on clustering ensemble model of product knowledge based on knowledge association

CHEN Hua-wei，GAO Qi，WANG Chao-yu

TH391

A

1009-0134（2016）09-0122-04

2016-07-04

四川省科技支撑计划项目（2014GZ0121）；四川省科技支撑计划项目（2013GZ0141）

陈华为（1991 -），男，辽宁人，硕士研究生，研究方向为创新设计。