基于知识推送的设计辅助系统

姜 浩，高秀会，吴瑞兰，杨柳莹，郭 琳

（中国空间技术研究院 通信卫星事业部，北京 100094）

0 引言

伴随着知识经济和人工智能时代的到来，知识日益成为一个企业创新发展的核心竞争力。知识作为重要的生产要素，其使用的效率对于企业运行的影响正日益显现。在企业中，由于设计、制造、试验等活动会产生大量的知识，如设计报告、试验数据、三维模型、标准规范、论文专利等。当前大部分企业都已建立自己的知识库，但随着知识库的日益丰富，设计师获取知识的成本日益增长，甚至在海量的知识资源中迷航难以找到有效的设计知识。另一方面，设计知识堆积在知识库中，没有与设计业务建立有效关联，使得知识的产生，检索，重用与设计活动相互割裂，难以有效支持设计活动。为提高知识的使用效率，知识推送技术正日益成为一个热点研究领域，即在适当的时间、适当的情景将适当的知识推送给知识需求者[1]。

为提高知识重用和工程设计的效率，国内外的学者开展了丰富的研究和实践。顾新建等正对设计设计活动中知识数量大、知识分散、推送有效性低的问题基于本体和粗糙集结合设计者知识需求推送设计知识[2]。王占松等对设计意图进行建模，通过建立设计知识与设计意图的映射关系，实现设计知识的精确推送[3]。冯毅雄等针对设计流程驱动的知识推送中，设计者知识需求差异问题，提出基于语义特征分析的知识推送方法[4]。乐承毅等从知识属性、流程、领域三个方面描述企业知识，构建基于业务流程的设计知识推送架构，并探讨了知识推送的匹配算法[5]。张发平等对设计业务情境进行分析，构建多维层次情境模型，通过设计知识与设计情境间多对多的映射关系实现知识匹配和推送[6]。徐荣振等利用频繁模式挖掘技术分析知识使用情况，发现设计任务所对应的频繁应用知识，通过相似度计算针对设计任务推送设计知识给使用者[7]。莫容等认为在工艺制造过程中加工特征的变化才是工艺知识的载体，提出几何特征演变驱动的机加工艺知识表达和推送方法[8]。

以上研究针对知识推送中的各种问题提出了各具特色的匹配方法，提高了知识推送的准确率。但大多是在设计工作之外构建一个独立的知识推送系统，需要设计者在设计过程中不断地在设计工具和知识推送系统之间切换，一方面其打断了设计者的设计工作，另一方面需引起设计者在知识推送系统中输入一定的信息用于定位当前知识需求，增加了设计者的工作量。本文提出一种基于知识推送的设计辅助系统，将知识推送系统与设计工具集成起来，使得设计知识可以直接推送到设计工具中，进一步提高设计知识的使用效率。本文构建的基于知识推送的设计辅助系统，首先对设计业务进行建模，构建设计业务工作流模型，然后梳理设计活动所需要的设计知识，建立设计知识与设计活动的多对多映射，最后依据设计者当前所进行的设计活动解析出其知识需求，将设计知识推送到CATIA中。

1 系统总体架构

1.1 功能架构

基于知识推送的设计辅助系统主要包括知识管理、知识推送、研发管理、协同工作台、个人空间、系统管理、CATIA七个部分组成，如图1所示。

图1 基于知识推送的设计辅助系统功能架构

1）知识管理

知识管理模块具有知识模板管理、知识分类管理、领域术语管理、知识检索应用、知识审批管理、知识模板管理、知识关联应用七个方面的功能，实现知识的积累与创新、设计工作的高效与规范，以及知识与设计工作的有机融合。知识管理模块为企业的研发知识资源提供组织和管理环境，为全体设计参与人员提供研发知识创建、积累、沉淀、共享、学习和应用的支撑环境，收集CATIA中产生的设计知识，同时依据设计流程将设计者所需要的设计知识推送到CATIA中供设计者使用。

2）个人空间

个人空间是个人任务的集中展示中心，设计人员能够通过首页了解到个人相关的推荐知识、审批任务、工作任务等。个人空间模块中知识空间的数据由知识管理模块提供，个人信息数据由系统管理模块提供，任务管理数据由协同工作平台提供，消息管理数据由知识管理、系统管理、协同工作台和研发管理共同提供。

3）研发管理

研发管理与具体设计任务相结合，充分调度人力物力资源，规范、有序完成研发工作，用于实现专业间的任务协同、数据协同。研发管理以WBS为基础，并在WBS的任务包基础上，完成工作活动的分解和策划。在与知识管理、协同工作平台模块的协同工作中，完成工作活动的创建、执行及监控。

4）协同工作平台

协同工作台是研发人员完成工作任务的统一工作环境，关注于设计任务的执行层面，为设计人员提供数据传输管理，控制设计活动间的文件、信息传递。协同流程管理支持设计者构建协同工作流程，并建立设计工具和设计知识与设计任务执行的关联，为设计任务在设计者之间流转和知识推送提供支持。

5）系统管理

系统管理是维持整个平台运行的基础管理中心，实现对组织机构、角色、用户、权限、系统日志等数据的管理和维护。

6）知识推送

知识管理模块对知识库中的设计知识进行组织和维护，协同工作平台建立设计知识与设计任务的多对多映射关系。在设计者进行某项设计活动时，通过知识推送将相关知识同送到设计者使用的CATIA软件中。

7）CATIA应用

CATIA应用是设计者使用和产生知识的场所，是知识应用的起点和终点。设计者使用CATIA进行三维建模完成设计任务。系统依据设计者当前进行的设计活动，将设计知识推送到CATIA中，设计者完成设计后的三维模型也将作为设计知识被知识管理模块统一管理。

1.2 系统技术架构

基于知识推送的设计辅助系统采用遵循Java EE平台标准的B/S结构，便于用户通过Web浏览器进行访问和使用。此外，系统提供了C/S风格的客户端设计工作环境，便于与设计师的CAD、CAE等设计工具进行无缝集成和交互。平台支持Oracle等关系型数据库，并能在Windows、LINUX等主流操作系统下运行。平台支持JBoss等主流Java EE中间件服务器，并满足系统集群及分布式部署。

平台应用采用经典的三层结构，实现表现层、业务层、数据层的分离。这种体系将业务规则、数据访问及合法性校验等工作放在业务层处理。客户端不直接与数据库交互，而是通过组件与中间层建立连接，再由中间层与数据库交互。

平台框架层，在各项基础服务上，还提供了组件对象服务接口集：基于微软COM/DCOM技术的统一对象接口集，通过这些接口集消除不同服务和不同编程语言之间的技术差异，高效的支持了上层应用服务的协调运作，实现了不同服务和应用之间的通信与整合。

在平台框架层和应用框架层之间，数据中心统一管理系统中的数据，为整个平台数据相关功能的模块单元提供支持。数据中心存储数据分为两部分，一部分是各个子系统的业务数据，另一部分是基础库的数据，包括模板库、组件库、文档库、工具库等等。

应用框架层提供系统的核心功能包括知识管理、研发管理、协同工作台、个人空间、系统管理。应用框架层的上方，提供了业务扩展，包括CATIA知识推送、CATIA知识沉淀，实现设计辅助系统与CATIA的集成，为系统的扩展性和开放性提供保证。如图2所示。

图2 基于知识推送的设计辅助系统技术架构

2 基于设计流程的知识关联与推送

为实现知识推送进而对设计提供支持，需要建立知识与设计流程之间的关联。本文中将这一过程分为四个部分：知识聚集、知识关联、知识应用和知识推送，如图3所示。

图3 基于设计流程的知识关联与推送

当前大多数企业已经拥有多种信息化系统，设计知识分散在不同的信息化系统中或者数据库中。为实现对设计过程知识的推送，首先需要将散落在各个信息化系统中的设计知识聚集起来并重新组织。知识聚集将模型库、文档库、标准库等数据库中的设计知识按照技术领域进行重新组织，如总体布局、热设计、结构设计等。

基于设计流程的知识推送的核心是建立设计知识与设计流程之间的关联。由于在知识聚集中已经将知识按照设计领域重新组织，因此在建立知识关联时需要建立设计流程与领域知识之间的关联。一个设计流程可能对应一个或多个领域，设计师梳理设计活动所需要的知识，从设计领域中选择设计知识与设计流程建立关联。

系统为设计者提供多种知识应用，如知识检索、知识地图、知识评价、知识收藏、知识问答和知识评价。最后，将已与设计流程建立了关联的知识包推送到CATIA中，为设计者提供设计支持，设计者设计过程中产生的设计知识如模型、文档等通过知识沉淀保存到相应的数据库中。

3 原型系统与应用实例

本文以某零件的设计过程验证知识推送的可行性。为实现基于设计流程的知识推送，首先需要构建设计流程，并建立流程与设计知识的关联。如图4所示，本系统提供一个图形化的建模工具。设计者以零件设计为例构建设计流程，在建模时定义设计活动的名称、描述、输入、输出并从领域知识中关联相关知识。图5中是设计师构建完成的典型零件设计流程，包括7个设计活动，分别是需求/接口分析、重量优化、操作性设计、工艺性设计、干涉与操作检查、力学分析、设计报告。图5中流程下方是流程的关联知识，其中设计活动关联的设计知识将会推送到CATIA中，如图6所示。图6中，系统将工艺性设计的相关知识推送到CATIA中供设计师参考。

图4 图形化流程建模工具

图5 零件设计流程

图6 工艺知识推送

4 结束语

本文首先提出了基于知识推送的设计辅助系统的功能架构和技术架构，功能架构主要包括知识管理、知识推送、研发管理、协同工作台、个人空间、系统管理和CATIA七大功能，实现CATIA与设计辅助系统的集成，将设计知识推送至CATIA中支持设计师设计。本文通过知识聚集将多种异构数据库中的设计知识按照设计领域进行重组，然后建立设计流程和设计活动与设计知识的多对多映射关系，最后通过知识推送依据设计师当前的设计活动将设计知识推送到CATIA中。最后本文以某零件设计为例，构建设计流程，关联设计知识，将机加工工艺知识推送到CATIA中。在进一步研究中，将着重解决设计知识与设计活动、流程的自动关联技术以及针对设计者个体的设计知识定制推送技术。

参考文献：

[1]Xin Z Y,Zhao J Z, Chi C H, Sun J G. Information program generation for Webcasting[J].Data & Knowledge Engineering, 2004,49(1):1-21.

[2]吉祥,顾新建,代风,乐承毅,徐福缘.基于本体和粗糙集的产品设计知识推送技术[J].计算机集成制造系统,2013,19(1):7-20.

[3]王占松,田凌,段文睿.基于设计意图建模的知识推送技术[J].计算机集成制造系统,2015,21(3):606-617.

[4]冯毅雄,张舜禹,高一聪,程锦,谭建荣.基于特征语义分析的数控机床设计知识精确智能推送方法[J].计算机集成制造系统,2016,22(1):189-201.

[5]乐承毅,代风,吉祥,潘凯,顾新建,彭本红.基于流程驱动的领域知识主动推送研究[J].计算机集成制造系统,2010,16(12):2720-2727.

[6]张发平,李丽.基于多维层次情境模型的业务过程知识推送方法研究[J].计算机辅助设计与图形学学报,2017,29(4):751-758.

[7]徐荣振,高崎,王昊,徐廷.基于序列模式挖掘的变型设计知识推送[J].计算机集成制造系统,2016,22(5):1179-1186.

[8]李春磊,莫容,常智勇,杨海成,张栋梁,向颖.几何演变驱动的机加工艺知识表示与推送[J].计算机集成制造系统,2016,22(6):1434-1446.