基于本體的概念設(shè)計知識管理研究

基于本體的概念設(shè)計知識管理研究 　利用知識管理技術(shù)對已有知識進行有效利用已成為企業(yè)保持產(chǎn)品創(chuàng)新及競爭優(yōu)勢的源泉。在開發(fā)過程中,概念設(shè)計是產(chǎn)品開發(fā)過程中最具創(chuàng)造性的階段,需要花費的成本少,但對產(chǎn)品價值增值的幅度最大,雖然概念設(shè)計階段實際投入的費用只占產(chǎn)品開發(fā)總成本的5%,卻決定了產(chǎn)品總成本的70%,而且詳細設(shè)計階段很難甚至不能糾正概念設(shè)計階段的設(shè)計缺陷和錯誤,因此對概念設(shè)計知識進行有效的管理和重用對于推動產(chǎn)品創(chuàng)新和實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化非常重要。

　　目前,設(shè)計知識管理已成為國內(nèi)外許多研究機構(gòu)、大學(xué)、企業(yè)的研究熱點,如美國NIST的設(shè)計知識庫項目；歐洲WISE工程知識管理項目、MOKA項目；韓國LG公司資助的知識管理項目；國家863資助的知識管理平臺研究等,但還沒有一個實用的能支持概念設(shè)計知識重用的系統(tǒng),對它的研究也還停留在理論準(zhǔn)備階段。

　　本文在研究了基于本體的的概念設(shè)計知識模型的基礎(chǔ)上,提出了基于本體的概念設(shè)計知識管理框架,研究了用戶對本體的定義、對知識結(jié)構(gòu)內(nèi)容的自由擴充以及概念設(shè)計知識的檢索方法等關(guān)鍵技術(shù)。

　　1、基于本體的概念設(shè)計知識建模

　　1.1　概念設(shè)計知識分類與表達

　　概念設(shè)計是對設(shè)計問題加以描述,并以方案的形式提出眾多解的設(shè)計階段.概念設(shè)計從不同的角度有多種定義.一般認(rèn)為,概念設(shè)計是指以設(shè)計要求為輸入、以最佳方案為輸出的系統(tǒng)所包含的工作流程,是一個由功能向結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換過程。

　　圖1描述了一般概念設(shè)計的工作流程,它包含綜合與評價兩個基本過程。綜合是指根據(jù)設(shè)計要求,運用各種分析、設(shè)計方法推理而生成的多個方案,是個發(fā)散過程；評價則從方案集中擇出最優(yōu),是個收斂過程。概念設(shè)計是將所設(shè)計的產(chǎn)品看成一個系統(tǒng),運用系統(tǒng)工程的方法去分析和設(shè)計。具體說,概念設(shè)計就是將設(shè)計對象的總功能分解成相互有機聯(lián)系的若干功能單元,并以功能單元為子系統(tǒng)進行再次分解,生成更低一級的功能單元,經(jīng)過這樣逐層分解,直至對應(yīng)的各個最末端功能單元能夠找到一個可以實現(xiàn)的技術(shù)原理解。概念設(shè)計的主要任務(wù)是功能到結(jié)構(gòu)的映射,概念設(shè)計過程主要包括：功能創(chuàng)新、功能分析和功能結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理解的搜索和確定、功能載體方案構(gòu)思和決策。

　　根據(jù)概念設(shè)計的過程及人在設(shè)計時的認(rèn)知特點將概念設(shè)計知識分為元知識和實例知識（其分類如圖2所示）。元知識中主要包括功能知識、技術(shù)原理解知識、結(jié)構(gòu)知識等。實例知識中主要包括方案設(shè)計實例、技術(shù)原理解實例、產(chǎn)品實例等知識。

　�。�1）功能知識。主要描述產(chǎn)品完成的任務(wù),描述產(chǎn)品的功能及功能子項。描述產(chǎn)品要完成的功能,包括功能內(nèi)容、實現(xiàn)參數(shù)、性能指標(biāo)等；

　�。�2）技術(shù)原理解知識。描述產(chǎn)品功能及功能子項的原理解答。它的表達要復(fù)雜些,一方面可用文字、數(shù)字表達它的說明、解答參數(shù),另一方面,要有圖形支持產(chǎn)品原理解答；

　�。�3）結(jié)構(gòu)知識。描述產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計狀況,是對原理域知識的細化和擴充,是求解原理解的結(jié)構(gòu)載體,可描述產(chǎn)品關(guān)鍵部分的形狀、尺寸和參數(shù)。產(chǎn)品功能 結(jié)構(gòu)的映射（簡稱為功構(gòu)映射）就是對產(chǎn)品的功能模型進行結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的求解,是將產(chǎn)品功能性的描述轉(zhuǎn)化為能實現(xiàn)這些功能的具有具體形狀、尺寸及相互關(guān)系的零部件描述。在這里功能是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的抽象,是結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的目的；而結(jié)構(gòu)則為實現(xiàn)某功能而選用的一組構(gòu)件或元件。功能 結(jié)構(gòu)間的關(guān)系一般而言是多對多的映射關(guān)系。一個功能可能由一個或多個特征或元件實現(xiàn),而一個特征或元件也可能完成一個或多個功能；

　�。�4）實例知識。已成功或失敗的設(shè)計范例,包括方案設(shè)計實例,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識實例、技術(shù)原理解實例等。它包含了更多的實際因素,是類比設(shè)計和基于實例推理設(shè)計的基礎(chǔ)。

　　以工程機械中某型滑模式水泥攤鋪機為例,總功能為攤鋪水泥路面,總功能可細分為滑模作業(yè)、控制作業(yè)等功能,滑模作業(yè)功能又可細分為提水泥漿、擠壓成型等功能。其中某個功能的實現(xiàn)可能會由幾個結(jié)構(gòu)組合而成,例如滑模式水泥攤鋪機滑模作業(yè)功能就是由螺旋分料器、刮平板等幾個結(jié)構(gòu)一起才能實現(xiàn)。圖3為該水泥攤鋪機的功能層次定義和功能分解結(jié)構(gòu)舉例。該產(chǎn)品所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)分解則如圖4所示。圖5中給出了對于滑模作業(yè)功能的技術(shù)原理解簡圖、技術(shù)原理解的評價、參考產(chǎn)品,以及實現(xiàn)該功能的說明等相關(guān)的知識。

　　如何利用計算機技術(shù)對概念設(shè)計予以支持,對概念設(shè)計知識進行有效的管理,至今仍沒有較好的解決方法。目前的知識建模主要是專家系統(tǒng),最常用的知識模型包括框架、產(chǎn)生式規(guī)則、語義網(wǎng)絡(luò)、謂詞邏輯等。專家系統(tǒng)的知識建模主要側(cè)重符號層的系統(tǒng)實現(xiàn),很少考慮動態(tài)的,非結(jié)構(gòu)化的知識,造成專家系統(tǒng)解決問題的局限性,使得專家系統(tǒng)不能解決大型復(fù)雜問題。

　　本體作為“對概念化顯式的詳細說明”,研究領(lǐng)域內(nèi)的對象、概念和其他實體,以及它們之間的關(guān)系,可以很好地解決概念設(shè)計知識的表達、檢索和重用等問題。采用本體描述概念設(shè)計知識可以支持細粒度的產(chǎn)品語義信息的描述,可以形式化地定義特定領(lǐng)域的知識,如概念、事實、規(guī)則等；支持語義層面的集成和共享,基于本體的知識定義可以對知識作普遍的、無歧義的語義解釋,可以保證不同使用者之間進行語義層面的信息共享和互操作。

　　1.2　本體建模過程描述

　　本體是某一領(lǐng)域的概念化描述,著意于在抽象層次提出描述客觀世界的抽象模型,它包括兩個基本的要素：概念和概念之間的關(guān)系。本體的構(gòu)建必須滿足以下的要求：對目標(biāo)領(lǐng)域的清晰描述；概念或概念之間關(guān)系的明確定義；一般性和綜合性原則。本體可以有多種表述方式,包括圖形方式、語言形式和XML文檔形式等。

　　基于本體的產(chǎn)品概念設(shè)計知識建模過程包括3個階段：

　�。�1）產(chǎn)品概念設(shè)計知識目標(biāo)確定。產(chǎn)品概念設(shè)計知識定位,概念設(shè)計知識的定位決定本體構(gòu)造的功能需求及最終用戶。

　　（2）產(chǎn)品概念設(shè)計知識本體分析與建立。根據(jù)需求分析,確定該領(lǐng)域的相關(guān)概念及概念屬性,并用XML語言進行形式化描述。這個階段是建立概念設(shè)計知識本體的關(guān)鍵環(huán)節(jié),直接影響到整個本體的生成質(zhì)量,同時也是工作量最大的階段。

　�。�3）產(chǎn)品概念設(shè)計知識本體評價。對所創(chuàng)建的本體進行一致性及完備性評價。一致性是指術(shù)語之間的關(guān)系邏輯上應(yīng)保持一致；完備性是指本體中概念及關(guān)系應(yīng)是完善的。我們稱該3階段的組合為產(chǎn)品概念設(shè)計知識本體建模的一個生命周期（見圖6）。

　　1.3　概念設(shè)計知識的本體表示

　　在此我們以工程機械中滑模式水泥攤鋪機為例,結(jié)合圖3～圖5中的實際知識,從概念實體、概念屬性及概念間關(guān)系等方面來說明產(chǎn)品知識、功能知識、技術(shù)原理解知識、技術(shù)原理解實例等概念設(shè)計知識的本體表示,通過概念蘊涵、屬性關(guān)聯(lián)、相互約束和公理定義等方法揭示了概念間的本質(zhì)聯(lián)系,形成一個語義關(guān)系清晰的產(chǎn)品概念設(shè)計知識模型。建模采用目前最新的OWL語言描述。

　　表述的語義為一個滑模式水泥攤鋪機繼承了一個產(chǎn)品的所有屬性,此外還具備了關(guān)系屬性：攤鋪能力,同時,又對屬性攤鋪能力作了限制：只能應(yīng)用于滑模式水泥攤鋪機領(lǐng)域,且取值變化只能在攤鋪寬度中（省略了關(guān)于滑模式水泥攤鋪機類似屬性的定義,如攤鋪厚度和攤鋪速度等）。

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