基於本體的概念設計知識管理研究

　　利用知識管理技術對已有知識進行有效利用已成為企業保持產品創新及競爭優勢的源泉。在開發過程中,概念設計是產品開發過程中最具創造性的階段,需要花費的成本少,但對產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佔產品開發總成本的5%,卻決定了產品總成本的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於推動產品創新和實現設計優化非常重要。

　　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,對它的研究也還停留在理論準備階段。

　　本文在研究了基於本體的的概念設計知識模型的基礎上,提出了基於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、基於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,並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,是個發散過程；評價則從方案集中擇出最優,是個收斂過程。概念設計是將所設計的產品看成一個系統,運用系統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繫的若干功能單元,並以功能單元為子系統進行再次分解,生成更低一級的功能單元,經過這樣逐層分解,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、產品實例等知識。

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

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

　　（3）結構知識。描述產品的結構設計狀況,是對原理域知識的細化和擴充,是求解原理解的結構載體,可描述產品關鍵部分的形狀、尺寸和參數。產品功能 結構的映射（簡稱為功構映射）就是對產品的功能模型進行結構實現的求解,是將產品功能性的描述轉化為能實現這些功能的具有具體形狀、尺寸及相互關係的零部件描述。在這裡功能是產品結構的抽象,是結構實現的目的；而結構則為實現某功能而選用的一組構件或元件。功能 結構間的關係一般而言是多對多的映射關係。一個功能可能由一個或多個特徵或元件實現,而一個特徵或元件也可能完成一個或多個功能；

　　（4）實例知識。已成功或失敗的設計範例,包括方案設計實例,產品結構知識實例、技術原理解實例等。它包含了更多的實際因素,是類比設計和基於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、控制作業等功能,滑模作業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功能就是由螺旋分料器、刮平板等幾個結構一起才能實現。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。該產品所對應的結構分解則如圖4所示。圖5中給出了對於滑模作業功能的技術原理解簡圖、技術原理解的評價、參考產品,以及實現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,最常用的知識模型包括框架、產生式規則、語義網絡、謂詞邏輯等。專家系統的知識建模主要側重符號層的系統實現,很少考慮動態的,非結構化的知識,造成專家系統解決問題的局限性,使得專家系統不能解決大型複雜問題。

　　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,以及它們之間的關係,可以很好地解決概念設計知識的表達、檢索和重用等問題。採用本體描述概念設計知識可以支持細粒度的產品語義信息的描述,可以形式化地定義特定領域的知識,如概念、事實、規則等；支持語義層面的集成和共享,基於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,著意於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係。本體的構建必須滿足以下的要求：對目標領域的清晰描述；概念或概念之間關係的明確定義；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。

　　基於本體的產品概念設計知識建模過程包括3個階段：

　　（1）產品概念設計知識目標確定。產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。

　　（2）產品概念設計知識本體分析與建立。根據需求分析,確定該領域的相關概念及概念屬性,並用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節,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。

　　（3）產品概念設計知識本體評價。對所創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係邏輯上應保持一致；完備性是指本體中概念及關係應是完善的。我們稱該3階段的組合為產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係等方面來說明產品知識、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、相互約束和公理定義等方法揭示了概念間的本質聯繫,形成一個語義關係清晰的產品概念設計知識模型。建模採用目前最新的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品的所有屬性,此外還具備了關係屬性：攤鋪能力,同時,又對屬性攤鋪能力作了限制：只能應用於滑模式水泥攤鋪機領域,且取值變化只能在攤鋪寬度中（省略了關於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）。

　　（3）功能知識類

　　<owl：Classrdf：ID=「功能知識」>

　　<owl：Restriction><owl：onPropertyrdf：resource=「#功能名稱」/>

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

　　</owl：Restricton>

　　<owl：Restriction><owl：onPropertyrdf：resource=「#產品」/>

　　<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、創建人、創建時間、存儲位置等）。

　　（4）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、參考產品、創建人、創建時間、存儲位置等）。

　　上述描述中,使用類公理（subclassof）描述了兩個類（概念）之間的繼承關係,如滑模式水泥攤鋪機類是產品類的子類。在描述類屬性時,使用關係屬性（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係,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係。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範圍,如屬性攤鋪能力只能用於滑模式水泥攤鋪機類,且它的取值只能是攤鋪寬度數據集。

　　1.4　基於本體的概念設計知識管理的特點和優勢

　　基於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,基於本體的概念設計知識管理具有以下的一些特點或優勢：

　　（1）支持用戶定製知識類別。產品概念設計過程中,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。基於本體的設計知識建模允許用戶對設計中知識類別加以定製,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,而本體中統一的術語和概念也使概念設計知識更好地共享成為可能。基於本體的概念設計知識表示在區分不同知識類別的同時,建立起概念間的共享聯繫。通過概念間的共享機制,避免了設計知識庫的數據冗餘和數據不一致問題,方便了知識的建模錄入、檢索及統計處理。

　　（3）多視圖和基於本體概念的知識檢索。在目前的應用系統中一般採用基於關鍵字的資料庫查詢方法,由於其資料庫組織不是建立在能夠表示概念之間的關係、事實和實例的領域模型的基礎上,因此無法實現智能查詢和信息推理,也就無法解決語義異構性問題。由於不同的組織和人員可能使用不同的詞語表示同一個含義,因此查詢系統得不到意義相同但用詞（語法）不同的內容。當需要對多個數據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。

　　在基於本體的概念設計知識管理中由於具有統一的術語和概念,知識庫建立在本體的基礎上,使得基於知識的設計意圖匹配成為可能。採用基於知識、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據集合,解決了語義異構的問題。

　　從人在設計時的認知特點出發,可以採用基於功能分解樹的功能設計知識檢索視圖、基於產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、軟體工具使用知識檢索視圖等,實現基於知識檢索的設計意圖的匹配。

　　2、基於本體的概念設計知識管理

　　2.1　概念設計知識管理系統結構

　　結合工程機械行業的實際,本文提出了圖7所示的基於本體的產品概念設計知識管理系統結構,系統按照知識產生、獲取和利用的流程來構建,系統結構主要包括概念設計知識管理工具、數據接口程序以及基於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、本體之間關係定義、本體知識庫生成到概念設計知識獲取整個過程。

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

　　（3）概念設計知識檢索重用。系統中提供基於多視圖的知識檢索方式,如基於功能分解樹的功能設計知識檢索視圖、基於產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。此外系統提供基於本體概念的知識檢索方式,通過本體映射庫,可以實現同義詞的檢索,保證可能會採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。

　　（4）概念設計知識庫的構建。要實現基於本體的,支持客戶自定義的概念設計知識管理,系統必須由足夠的柔性,支持各類知識的存儲,作為系統基石的知識庫的構建就不能採用完全預先定義的方式,在系統中我們採用基礎資料庫加上在此基礎上經過本體定義工具動態生成的各類知識庫的方法保證基於本體的知識管理的實現。

　　2.2　概念設計知識管理關鍵技術及實現

　　（1）基於本體的知識定義。工程機械產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。基於本體的概念設計知識管理允許用戶對定製知識類別,對知識進行基於本體的定義,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。

　　（2）支持本體的知識庫構建及關係定義。概念設計涉及的知識多種多樣,其知識結構亦各不相同,為了使系統具有足夠的柔性,支持客戶定製知識庫,為此系統中將知識庫的構建和基礎數據分開,在系統開始運行時知識庫的種類、數量和知識庫間的關係並沒有確定,而是在運行過程中根據設計人員的需要和設計過程中產生

來源：碧森尤信