基于本體的概念設計知識管理研究

基于本體的概念設計知識管理研究 　利用知識管理技術(shù)對已有知識進(jìn)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(kāi)發(fā)過(guò)程中,概念設計是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)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(jià)值增值的幅度最大,雖然概念設計階段實(shí)際投入的費用只占產(chǎn)品開(kāi)發(fā)總成本的5%,卻決定了產(chǎn)品總成本的70%,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(jìn)行有效的管理和重用對于推動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng )新和實(shí)現設計優(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(xué)、企業(yè)的研究熱點(diǎn),如美國NIST的設計知識庫項目；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(méi)有一個(gè)實(shí)用的能支持概念設計知識重用的系統,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(hù)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(guān)鍵技術(shù)。

　　1、基于本體的概念設計知識建模

　　1.1　概念設計知識分類(lèi)與表達

　　概念設計是對設計問(wèn)題加以描述,并以方案的形式提出眾多解的設計階段.概念設計從不同的角度有多種定義.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所包含的工作流程,是一個(gè)由功能向結構的轉換過(guò)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(jià)兩個(gè)基本過(guò)程。綜合是指根據設計要求,運用各種分析、設計方法推理而生成的多個(gè)方案,是個(gè)發(fā)散過(guò)程；評價(jià)則從方案集中擇出最優(yōu),是個(gè)收斂過(guò)程。概念設計是將所設計的產(chǎn)品看成一個(gè)系統,運用系統工程的方法去分析和設計。具體說(shuō),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進(jìn)行再次分解,生成更低一級的功能單元,經(jīng)過(guò)這樣逐層分解,直至對應的各個(gè)最末端功能單元能夠找到一個(gè)可以實(shí)現的技術(shù)原理解。概念設計的主要任務(wù)是功能到結構的映射,概念設計過(guò)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。

　　根據概念設計的過(guò)程及人在設計時(shí)的認知特點(diǎn)將概念設計知識分為元知識和實(shí)例知識（其分類(lèi)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、結構知識等。實(shí)例知識中主要包括方案設計實(shí)例、技術(shù)原理解實(shí)例、產(chǎn)品實(shí)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,包括功能內容、實(shí)現參數、性能指標等；

　�。�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。它的表達要復雜些,一方面可用文字、數字表達它的說(shuō)明、解答參數,另一方面,要有圖形支持產(chǎn)品原理解答；

　�。�3）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(guān)鍵部分的形狀、尺寸和參數。產(chǎn)品功能 結構的映射（簡(jiǎn)稱(chēng)為功構映射）就是對產(chǎn)品的功能模型進(jìn)行結構實(shí)現的求解,是將產(chǎn)品功能性的描述轉化為能實(shí)現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)品結構的抽象,是結構實(shí)現的目的；而結構則為實(shí)現某功能而選用的一組構件或元件。功能 結構間的關(guān)系一般而言是多對多的映射關(guān)系。一個(gè)功能可能由一個(gè)或多個(gè)特征或元件實(shí)現,而一個(gè)特征或元件也可能完成一個(gè)或多個(gè)功能；

　�。�4）實(shí)例知識。已成功或失敗的設計范例,包括方案設計實(shí)例,產(chǎn)品結構知識實(shí)例、技術(shù)原理解實(shí)例等。它包含了更多的實(shí)際因素,是類(lèi)比設計和基于實(shí)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(gè)功能的實(shí)現可能會(huì )由幾個(gè)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(gè)結構一起才能實(shí)現。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(shù)原理解簡(jiǎn)圖、技術(shù)原理解的評價(jià)、參考產(chǎn)品,以及實(shí)現該功能的說(shuō)明等相關(guān)的知識。

　　如何利用計算機技術(shù)對概念設計予以支持,對概念設計知識進(jìn)行有效的管理,至今仍沒(méi)有較好的解決方法。目前的知識建模主要是專(zhuān)家系統,最常用的知識模型包括框架、產(chǎn)生式規則、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò )、謂詞邏輯等。專(zhuān)家系統的知識建模主要側重符號層的系統實(shí)現,很少考慮動(dòng)態(tài)的,非結構化的知識,造成專(zhuān)家系統解決問(wèn)題的局限性,使得專(zhuān)家系統不能解決大型復雜問(wèn)題。

　　本體作為“對概念化顯式的詳細說(shuō)明”,研究領(lǐng)域內的對象、概念和其他實(shí)體,以及它們之間的關(guān)系,可以很好地解決概念設計知識的表達、檢索和重用等問(wèn)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(yǔ)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(shí)、規則等；支持語(yǔ)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(wú)歧義的語(yǔ)義解釋,可以保證不同使用者之間進(jìn)行語(yǔ)義層面的信息共享和互操作。

　　1.2　本體建模過(guò)程描述

　　本體是某一領(lǐng)域的概念化描述,著(zhù)意于在抽象層次提出描述客觀(guān)世界的抽象模型,它包括兩個(gè)基本的要素：概念和概念之間的關(guān)系。本體的構建必須滿(mǎn)足以下的要求：對目標領(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(yǔ)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(guò)程包括3個(gè)階段：

　�。�1）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(hù)。

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

　�。�3）產(chǎn)品概念設計知識本體評價(jià)。對所創(chuàng )建的本體進(jìn)行一致性及完備性評價(jià)。一致性是指術(shù)語(yǔ)之間的關(guān)系邏輯上應保持一致；完備性是指本體中概念及關(guān)系應是完善的。我們稱(chēng)該3階段的組合為產(chǎn)品概念設計知識本體建模的一個(gè)生命周期（見(jiàn)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(shí)際知識,從概念實(shí)體、概念屬性及概念間關(guān)系等方面來(lái)說(shuō)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(shí)例等概念設計知識的本體表示,通過(guò)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(gè)語(yǔ)義關(guān)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(yǔ)言描述。

　　表述的語(yǔ)義為一個(gè)滑模式水泥攤鋪機繼承了一個(gè)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(shí),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(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(lèi)似屬性的定義,如攤鋪厚度和攤鋪速度等）。

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