基于本體的概念設計知識管理研究

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　　利用知識管理技術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%[1],而且詳細設計階段很難甚至不能糾正概念設計階段的設計缺陷和錯誤,因此對概念設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)設計優(yōu)化非常重要。

　　目前,設計知識管理已成為國內外許多研究機構、大學、企業(yè)的研究熱點,如美國NIST的設計知識庫項目[2]；歐洲WISE工程知識管理項目[3]、MOKA項目[4]；韓國LG公司資助的知識管理項目[5]；國家863資助的知識管理平臺研究[6]等,但還沒有一個實用的能支持概念設計知識重用的系統(tǒng),對它的研究也還停留在理論準備階段。

　　本文在研究了基于本體的的概念設計知識模型的基礎上,提出了基于本體的概念設計知識管理框架,研究了用戶對本體的定義、對知識結構內容的自由擴充以及概念設計知識的檢索方法等關鍵技術。

　　1、基于本體的概念設計知識建模

　　1.1　概念設計知識分類與表達

　　概念設計是對設計問題加以描述,并以方案的形式提出眾多解的設計階段[7].概念設計從不同的角度有多種定義[8].一般認為,概念設計是指以設計要求為輸入、以最佳方案為輸出的系統(tǒng)所包含的工作流程,是一個由功能向結構的轉換過程。

　　圖1描述了一般概念設計的工作流程,它包含綜合與評價兩個基本過程。綜合是指根據(jù)設計要求,運用各種分析、設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。概念設計是將所設計的產(chǎn)品看成一個系統(tǒng),運用系統(tǒng)工程的方法去分析和設計。具體說,概念設計就是將設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,直至對應的各個最末端功能單元能夠找到一個可以實現(xiàn)的技術原理解。概念設計的主要任務是功能到結構的映射,概念設計過程主要包括：功能創(chuàng)新、功能分析和功能結構設計、工作原理解的搜索和確定、功能載體方案構思和決策。

　　根據(jù)概念設計的過程及人在設計時的認知特點將概念設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、技術原理解知識、結構知識等。實例知識中主要包括方案設計實例、技術原理解實例、產(chǎn)品實例等知識。

　?。?）功能知識。主要描述產(chǎn)品完成的任務,描述產(chǎn)品的功能及功能子項。描述產(chǎn)品要完成的功能,包括功能內容、實現(xiàn)參數(shù)、性能指標等；

　?。?）技術原理解知識。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；

　?。?）結構知識。描述產(chǎn)品的結構設計狀況,是對原理域知識的細化和擴充,是求解原理解的結構載體,可描述產(chǎn)品關鍵部分的形狀、尺寸和參數(shù)。產(chǎn)品功能 結構的映射（簡稱為功構映射）就是對產(chǎn)品的功能模型進行結構實現(xiàn)的求解,是將產(chǎn)品功能性的描述轉化為能實現(xiàn)這些功能的具有具體形狀、尺寸及相互關系的零部件描述。在這里功能是產(chǎn)品結構的抽象,是結構實現(xiàn)的目的；而結構則為實現(xiàn)某功能而選用的一組構件或元件。功能 結構間的關系一般而言是多對多的映射關系。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；

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

　　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)可能會由幾個結構組合而成,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、刮平板等幾個結構一起才能實現(xiàn)。圖3為該水泥攤鋪機的功能層次定義和功能分解結構舉例。該產(chǎn)品所對應的結構分解則如圖4所示。圖5中給出了對于滑模作業(yè)功能的技術原理解簡圖、技術原理解的評價、參考產(chǎn)品,以及實現(xiàn)該功能的說明等相關的知識。

　　如何利用計算機技術對概念設計予以支持,對概念設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、謂詞邏輯等。專家系統(tǒng)的知識建模主要側重符號層的系統(tǒng)實現(xiàn),很少考慮動態(tài)的,非結構化的知識,造成專家系統(tǒng)解決問題的局限性,使得專家系統(tǒng)不能解決大型復雜問題。

　　本體作為“對概念化顯式的詳細說明”[9,10],研究領域內的對象、概念和其他實體,以及它們之間的關系,可以很好地解決概念設計知識的表達、檢索和重用等問題。采用本體描述概念設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系。本體的構建必須滿足以下的要求：對目標領域的清晰描述；概念或概念之間關系的明確定義；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)品概念設計知識建模過程包括3個階段：

　?。?）產(chǎn)品概念設計知識目標確定。產(chǎn)品概念設計知識定位,概念設計知識的定位決定本體構造的功能需求及最終用戶。

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

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

　　1.3　概念設計知識的本體表示

　　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系等方面來說明產(chǎn)品知識、功能知識、技術原理解知識、技術原理解實例等概念設計知識的本體表示,通過概念蘊涵、屬性關聯(lián)、相互約束和公理定義等方法揭示了概念間的本質聯(lián)系,形成一個語義關系清晰的產(chǎn)品概念設計知識模型。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,此外還具備了關系屬性：攤鋪能力,同時,又對屬性攤鋪能力作了限制：只能應用于滑模式水泥攤鋪機領域,且取值變化只能在攤鋪寬度中（省略了關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）。

　?。?）功能知識類

　　<owl：Classrdf：ID=“功能知識”>

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　　<owl：cardinality>1</owl：cardinality>

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　　<owl：Restriction><owl：onPropertyrdf：resource=“#產(chǎn)品”/>

　　<owl：mincardinality>1</owl：mincardinality>

　　</owl：Restricton>

　　</owl：Class>

　　表述的語義為一個功能知識只有一個功能名稱,且最少具有一個相關產(chǎn)品（省略了功能知識類似屬性的定義,如功能編號、功能說明、創(chuàng)建人、創(chuàng)建時間、存儲位置等）。

　?。?）功能技術原理解類

　　<owl：Classrdf：ID=“功能技術原理解”>

　　<owl：Restriction>

　　<owl：onPropertyrdf：resource=“#功能知識”/></owl：Restricton>

　　<owl：Restriction>

　　<owl：onPropertyrdf：resource=“#技術原理解簡圖”/></owl：Restricton>

　　</owl：Class>

　　表述的語義為一個功能技術原理解具有對應的功能名稱,相關的技術原理解簡圖（省略了技術原理解類似屬性的定義,如評價、參考產(chǎn)品、創(chuàng)建人、創(chuàng)建時間、存儲位置等）。

　　上述描述中,使用類公理（subclassof）描述了兩個類（概念）之間的繼承關系,如滑模式水泥攤鋪機類是產(chǎn)品類的子類。在描述類屬性時,使用關系屬性（objectproperty）描述了類的某個屬性同時也表示了兩個類之間的某種關系,如攤鋪能力既是滑模式水泥攤鋪機類的一個屬性,同時也表達了和攤鋪寬度類之間的對應關系。另外,使用屬性公理domain和range表示屬性的應用領域和屬性的取值范圍,如屬性攤鋪能力只能用于滑模式水泥攤鋪機類,且它的取值只能是攤鋪寬度數(shù)據(jù)集。

　　1.4　基于本體的概念設計知識管理的特點和優(yōu)勢

　　基于本體的概念設計知識管理可以讓設計人員更好地重用已有的概念設計知識,基于本體的概念設計知識管理具有以下的一些特點或優(yōu)勢：

　?。?）支持用戶定制知識類別。產(chǎn)品概念設計過程中,需要運用多種類型的知識,如：功能類、功能技術原理方案解類等。這些知識的描述和使用有著不同的特點,不能用相同的描述框架來處理。基于本體的設計知識建模允許用戶對設計中知識類別加以定制,針對每一類別定義其描述屬性,從而較好的解決了概念設計中多來源多類型知識的表示問題。

　　（2）支持概念共享的知識庫構建。概念設計知識本體的構造澄清了概念設計領域知識的結構,為概念設計知識的表示打好了基礎,而本體中統(tǒng)一的術語和概念也使概念設計知識更好地共享成為可能?；诒倔w的概念設計知識表示在區(qū)分不同知識類別的同時,建立起概念間的共享聯(lián)系。通過概念間的共享機制,避免了設計知識庫的數(shù)據(jù)冗余和數(shù)據(jù)不一致問題,方便了知識的建模錄入、檢索及統(tǒng)計處理。

　?。?）多視圖和基于本體概念的知識檢索。在目前的應用系統(tǒng)中一般采用基于關鍵字的數(shù)據(jù)庫查詢方法,由于其數(shù)據(jù)庫組織不是建立在能夠表示概念之間的關系、事實和實例的領域模型的基礎上,因此無法實現(xiàn)智能查詢和信息推理,也就無法解決語義異構性問題。由于不同的組織和人員可能使用不同的詞語表示同一個含義,因此查詢系統(tǒng)得不到意義相同但用詞（語法）不同的內容。當需要對多個數(shù)據(jù)源進行查詢的時候問題更為明顯,多意詞和同義詞會使查詢得到許多不相關的信息,而忽略另外一些重要信息。

　　在基于本體的概念設計知識管理中由于具有統(tǒng)一的術語和概念,知識庫建立在本體的基礎上,使得基于知識的設計意圖匹配成為可能。采用基于知識、語義上的檢索匹配,對用戶的檢索請求,通過查詢轉換器按照本體把各種檢索請求轉換成對應的概念,在本體的幫助下從知識庫中匹配出符合條件的數(shù)據(jù)集合,解決了語義異構的問題。

　　從人在設計時的認知特點出發(fā),可以采用基于功能分解樹的功能設計知識檢索視圖、基于產(chǎn)品分解結構樹的結構設計知識檢索視圖,還可以利用本體中已定義的概念定義其它知識檢索視圖,比如需求功能知識檢索視圖、軟件工具使用知識檢索視圖等,實現(xiàn)基于知識檢索的設計意圖的匹配。

　　2、基于本體的概念設計知識管理

　　2.1　概念設計知識管理系統(tǒng)結構

　　結合工程機械行業(yè)的實際,本文提出了圖7所示的基于本體的產(chǎn)品概念設計知識管理系統(tǒng)結構,系統(tǒng)按照知識產(chǎn)生、獲取和利用的流程來構建,系統(tǒng)結構主要包括概念設計知識管理工具、數(shù)據(jù)接口程序以及基于本體的概念設計知識庫,具體由4個部分構成。

　　（1）概念設計知識獲取。概念設計知識的獲取包括從概念設計知識本體定義、本體之間關系定義、本體知識庫生成到概念設計知識獲取整個過程。

　?。?）概念設計知識維護。主要包括從概念設計知識本體維護、本體關系維護、知識庫重新生成到概念設計知識維護的過程,實現(xiàn)對本體的屬性修改,各類知識之間的關系維護,以及知識庫的更新等。

　?。?）概念設計知識檢索重用。系統(tǒng)中提供基于多視圖的知識檢索方式,如基于功能分解樹的功能設計知識檢索視圖、基于產(chǎn)品分解結構樹的結構設計知識檢索視圖,及用戶定義的其它知識檢索視圖。此外系統(tǒng)提供基于本體概念的知識檢索方式,通過本體映射庫,可以實現(xiàn)同義詞的檢索,保證可能會采用不同的概念和術語表示相同的設計信息的人可以得到相同的知識幫助。

　?。?）概念設計知識庫的構建。要實現(xiàn)基于本體的,支持客戶自定義的概念設計知識管理,系統(tǒng)必須由足夠的柔性,支持各類知識的存儲,作為系統(tǒng)基石的知識庫的構建就不能采用完全預先定義的方式,在系統(tǒng)中我們采用基礎數(shù)據(jù)庫加上在此基礎上經(jīng)過本體定義工具動態(tài)生成的各類知識庫的方法保證基于本體的知識管理的實現(xiàn)。

　　2.2　概念設計知識管理關鍵技術及實現(xiàn)

　?。?）基于本體的知識定義。工程機械產(chǎn)品概念設計過程中需要運用多種類型的知識,這些知識的描述和使用有著不同的特點,不能用相同的描述框架來處理。基于本體的概念設計知識管理允許用戶對定制知識類別,對知識進行基于本體的定義,針對每一類知識定義其描述屬性,較好地解決了多來源多類型知識的表示問題。

　?。?）支持本體的知識庫構建及關系定義。概念設計涉及的知識多種多樣,其知識結構亦各不相同,為了使系統(tǒng)具有足夠的柔性,支持客戶定制知識庫,為此系統(tǒng)中將知識庫的構建和基礎數(shù)據(jù)分開,在系統(tǒng)開始運行時知識庫的種類、數(shù)量和知識庫間的關系并沒有確定,而是在運行過程中根據(jù)設計人員的需要和設計過程中產(chǎn)生

來源：碧森尤信