基于本體概念設(shè)計(jì)知識(shí)管理

1、基于本體概念設(shè)計(jì)知識(shí)管理利用知識(shí)管理技術(shù)對(duì)已有知識(shí)進(jìn)行有效利用已成為企業(yè)保持產(chǎn)品創(chuàng)新及競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的源泉。在開發(fā)過程中,概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品開發(fā)過程中最具創(chuàng)造性的階段,需要花費(fèi)的成本少,但對(duì)產(chǎn)品價(jià)值增值的幅度最大,雖然概念設(shè)計(jì)階段實(shí)際投入的費(fèi)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(xì)設(shè)計(jì)階段很難甚至不能糾正概念設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)缺陷和錯(cuò)誤,因此對(duì)概念設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行有效的管理和重用對(duì)于推動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新和實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化非常重要。 目前,設(shè)計(jì)知識(shí)管理已成為國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)、企業(yè)的研究熱點(diǎn),如美國(guó)NIST的設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)項(xiàng)目2；歐洲WISE工程知識(shí)管理項(xiàng)目3、MOKA項(xiàng)目4；韓國(guó)LG公司資助的知

2、識(shí)管理項(xiàng)目5；國(guó)家863資助的知識(shí)管理平臺(tái)研究6等,但還沒有一個(gè)實(shí)用的能支持概念設(shè)計(jì)知識(shí)重用的系統(tǒng),對(duì)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(jì)知識(shí)模型的基礎(chǔ)上,提出了基于本體的概念設(shè)計(jì)知識(shí)管理框架,研究了用戶對(duì)本體的定義、對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)容的自由擴(kuò)充以及概念設(shè)計(jì)知識(shí)的檢索方法等關(guān)鍵技術(shù)。 1、基于本體的概念設(shè)計(jì)知識(shí)建模 1.1概念設(shè)計(jì)知識(shí)分類與表達(dá) 概念設(shè)計(jì)是對(duì)設(shè)計(jì)問題加以描述,并以方案的形式提出眾多解的設(shè)計(jì)階段7.概念設(shè)計(jì)從不同的角度有多種定義8.一般認(rèn)為,概念設(shè)計(jì)是指以設(shè)計(jì)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(gè)由功能向結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換過程。 圖1描述了一

3、般概念設(shè)計(jì)的工作流程,它包含綜合與評(píng)價(jià)兩個(gè)基本過程。綜合是指根據(jù)設(shè)計(jì)要求,運(yùn)用各種分析、設(shè)計(jì)方法推理而生成的多個(gè)方案,是個(gè)發(fā)散過程；評(píng)價(jià)則從方案集中擇出最優(yōu),是個(gè)收斂過程。概念設(shè)計(jì)是將所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品看成一個(gè)系統(tǒng),運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法去分析和設(shè)計(jì)。具體說,概念設(shè)計(jì)就是將設(shè)計(jì)對(duì)象的總功能分解成相互有機(jī)聯(lián)系的若干功能單元,并以功能單元為子系統(tǒng)進(jìn)行再次分解,生成更低一級(jí)的功能單元,經(jīng)過這樣逐層分解,直至對(duì)應(yīng)的各個(gè)最末端功能單元能夠找到一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)原理解。概念設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是功能到結(jié)構(gòu)的映射,概念設(shè)計(jì)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(jì)、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)

4、概念設(shè)計(jì)的過程及人在設(shè)計(jì)時(shí)的認(rèn)知特點(diǎn)將概念設(shè)計(jì)知識(shí)分為元知識(shí)和實(shí)例知識(shí)（其分類如圖2所示）。元知識(shí)中主要包括功能知識(shí)、技術(shù)原理解知識(shí)、結(jié)構(gòu)知識(shí)等。實(shí)例知識(shí)中主要包括方案設(shè)計(jì)實(shí)例、技術(shù)原理解實(shí)例、產(chǎn)品實(shí)例等知識(shí)。 （1）功能知識(shí)。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(xiàng)。描述產(chǎn)品要完成的功能,包括功能內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)參數(shù)、性能指標(biāo)等； （2）技術(shù)原理解知識(shí)。描述產(chǎn)品功能及功能子項(xiàng)的原理解答。它的表達(dá)要復(fù)雜些,一方面可用文字、數(shù)字表達(dá)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(shí)。描述產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀況,是對(duì)原理域知識(shí)的細(xì)化和擴(kuò)充,是求解原理解的結(jié)構(gòu)載體,可描述產(chǎn)品關(guān)鍵

5、部分的形狀、尺寸和參數(shù)。產(chǎn)品功能 結(jié)構(gòu)的映射（簡(jiǎn)稱為功構(gòu)映射）就是對(duì)產(chǎn)品的功能模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的求解,是將產(chǎn)品功能性的描述轉(zhuǎn)化為能實(shí)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(shí)現(xiàn)的目的；而結(jié)構(gòu)則為實(shí)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(duì)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(xiàn),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(shí)。已成功或失敗的設(shè)計(jì)范例,包括方案設(shè)計(jì)實(shí)例,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)知識(shí)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,是類比設(shè)計(jì)和基于實(shí)例推理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 以工程機(jī)械中某型滑模式水泥攤鋪機(jī)為例,

6、總功能為攤鋪水泥路面,總功能可細(xì)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(xì)分為提水泥漿、擠壓成型等功能。其中某個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)可能會(huì)由幾個(gè)結(jié)構(gòu)組合而成,例如滑模式水泥攤鋪機(jī)滑模作業(yè)功能就是由螺旋分料器、刮平板等幾個(gè)結(jié)構(gòu)一起才能實(shí)現(xiàn)。圖3為該水泥攤鋪機(jī)的功能層次定義和功能分解結(jié)構(gòu)舉例。該產(chǎn)品所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)分解則如圖4所示。圖5中給出了對(duì)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(píng)價(jià)、參考產(chǎn)品,以及實(shí)現(xiàn)該功能的說明等相關(guān)的知識(shí)。 如何利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)概念設(shè)計(jì)予以支持,對(duì)概念設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行有效的管理,至今仍沒有較好的解決方法。目前的知識(shí)建模主要是專家系統(tǒng),最常用的知識(shí)模型包括框架、產(chǎn)生式規(guī)則、語義網(wǎng)

7、絡(luò)、謂詞邏輯等。專家系統(tǒng)的知識(shí)建模主要側(cè)重符號(hào)層的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),很少考慮動(dòng)態(tài)的,非結(jié)構(gòu)化的知識(shí),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(duì)概念化顯式的詳細(xì)說明”9,10,研究領(lǐng)域內(nèi)的對(duì)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(shè)計(jì)知識(shí)的表達(dá)、檢索和重用等問題。采用本體描述概念設(shè)計(jì)知識(shí)可以支持細(xì)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(shí),如概念、事實(shí)、規(guī)則等；支持語義層面的集成和共享,基于本體的知識(shí)定義可以對(duì)知識(shí)作普遍的、無歧義的語義解釋,可以保證不同使用者之間進(jìn)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

8、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(gè)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(duì)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(jì)知識(shí)建模過程包括3個(gè)階段： （1）產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)知識(shí)目標(biāo)確定。產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)知識(shí)定位,概念設(shè)計(jì)知識(shí)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(jì)知識(shí)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(jìn)行形式化描述。這個(gè)階段是建立概念設(shè)計(jì)知識(shí)本體的關(guān)鍵環(huán)節(jié),直接影響到整個(gè)本

9、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(shè)計(jì)知識(shí)本體評(píng)價(jià)。對(duì)所創(chuàng)建的本體進(jìn)行一致性及完備性評(píng)價(jià)。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(jì)知識(shí)本體建模的一個(gè)生命周期（見圖6）。1.3概念設(shè)計(jì)知識(shí)的本體表示 在此我們以工程機(jī)械中滑模式水泥攤鋪機(jī)為例,結(jié)合圖3圖5中的實(shí)際知識(shí),從概念實(shí)體、概念屬性及概念間關(guān)系等方面來說明產(chǎn)品知識(shí)、功能知識(shí)、技術(shù)原理解知識(shí)、技術(shù)原理解實(shí)例等概念設(shè)計(jì)知識(shí)的本體表示,通過概念蘊(yùn)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)語義關(guān)系清晰的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)知識(shí)模型。建

10、模采用目前最新的OWL語言描述。 表述的語義為一個(gè)滑模式水泥攤鋪機(jī)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(duì)屬性攤鋪能力作了限制：只能應(yīng)用于滑模式水泥攤鋪機(jī)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(jī)類似屬性的定義,如攤鋪厚度和攤鋪速度等）。（3）功能知識(shí)類 1 1 表述的語義為一個(gè)功能知識(shí)只有一個(gè)功能名稱,且最少具有一個(gè)相關(guān)產(chǎn)品（省略了功能知識(shí)類似屬性的定義,如功能編號(hào)、功能說明、創(chuàng)建人、創(chuàng)建時(shí)間、存儲(chǔ)位置等）。 （4）功能技術(shù)原理解類 表述的語義為一個(gè)功能技術(shù)原理解具有對(duì)應(yīng)的功能名稱,相關(guān)的技術(shù)原理解簡(jiǎn)圖（省略了技術(shù)原理解類似屬性的定義,如評(píng)價(jià)、參

11、考產(chǎn)品、創(chuàng)建人、創(chuàng)建時(shí)間、存儲(chǔ)位置等）。 上述描述中,使用類公理（subclassof）描述了兩個(gè)類（概念）之間的繼承關(guān)系,如滑模式水泥攤鋪機(jī)類是產(chǎn)品類的子類。在描述類屬性時(shí),使用關(guān)系屬性（objectproperty）描述了類的某個(gè)屬性同時(shí)也表示了兩個(gè)類之間的某種關(guān)系,如攤鋪能力既是滑模式水泥攤鋪機(jī)類的一個(gè)屬性,同時(shí)也表達(dá)了和攤鋪寬度類之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。另外,使用屬性公理domain和range表示屬性的應(yīng)用領(lǐng)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(jī)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(shè)計(jì)知識(shí)管理的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 基于本體的概念設(shè)計(jì)知識(shí)管理可以讓設(shè)計(jì)人員更好

12、地重用已有的概念設(shè)計(jì)知識(shí),基于本體的概念設(shè)計(jì)知識(shí)管理具有以下的一些特點(diǎn)或優(yōu)勢(shì)： （1）支持用戶定制知識(shí)類別。產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過程中,需要運(yùn)用多種類型的知識(shí),如：功能類、功能技術(shù)原理方案解類等。這些知識(shí)的描述和使用有著不同的特點(diǎn),不能用相同的描述框架來處理?；诒倔w的設(shè)計(jì)知識(shí)建模允許用戶對(duì)設(shè)計(jì)中知識(shí)類別加以定制,針對(duì)每一類別定義其描述屬性,從而較好的解決了概念設(shè)計(jì)中多來源多類型知識(shí)的表示問題。 （2）支持概念共享的知識(shí)庫(kù)構(gòu)建。概念設(shè)計(jì)知識(shí)本體的構(gòu)造澄清了概念設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)的結(jié)構(gòu),為概念設(shè)計(jì)知識(shí)的表示打好了基礎(chǔ),而本體中統(tǒng)一的術(shù)語和概念也使概念設(shè)計(jì)知識(shí)更好地共享成為可能?；诒倔w的概念設(shè)計(jì)知識(shí)表示在區(qū)分

13、不同知識(shí)類別的同時(shí),建立起概念間的共享聯(lián)系。通過概念間的共享機(jī)制,避免了設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的數(shù)據(jù)冗余和數(shù)據(jù)不一致問題,方便了知識(shí)的建模錄入、檢索及統(tǒng)計(jì)處理。 （3）多視圖和基于本體概念的知識(shí)檢索。在目前的應(yīng)用系統(tǒng)中一般采用基于關(guān)鍵字的數(shù)據(jù)庫(kù)查詢方法,由于其數(shù)據(jù)庫(kù)組織不是建立在能夠表示概念之間的關(guān)系、事實(shí)和實(shí)例的領(lǐng)域模型的基礎(chǔ)上,因此無法實(shí)現(xiàn)智能查詢和信息推理,也就無法解決語義異構(gòu)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(gè)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(nèi)容。當(dāng)需要對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)源進(jìn)行查詢的時(shí)候問題更為明顯,多意詞和同義詞會(huì)使查詢得到許多不相關(guān)的信息,而忽略另外一些重要信息

14、。 在基于本體的概念設(shè)計(jì)知識(shí)管理中由于具有統(tǒng)一的術(shù)語和概念,知識(shí)庫(kù)建立在本體的基礎(chǔ)上,使得基于知識(shí)的設(shè)計(jì)意圖匹配成為可能。采用基于知識(shí)、語義上的檢索匹配,對(duì)用戶的檢索請(qǐng)求,通過查詢轉(zhuǎn)換器按照本體把各種檢索請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的概念,在本體的幫助下從知識(shí)庫(kù)中匹配出符合條件的數(shù)據(jù)集合,解決了語義異構(gòu)的問題。 從人在設(shè)計(jì)時(shí)的認(rèn)知特點(diǎn)出發(fā),可以采用基于功能分解樹的功能設(shè)計(jì)知識(shí)檢索視圖、基于產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)樹的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)檢索視圖,還可以利用本體中已定義的概念定義其它知識(shí)檢索視圖,比如需求功能知識(shí)檢索視圖、軟件工具使用知識(shí)檢索視圖等,實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)檢索的設(shè)計(jì)意圖的匹配。 2、基于本體的概念設(shè)計(jì)知識(shí)管理 2.1概念設(shè)

15、計(jì)知識(shí)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 結(jié)合工程機(jī)械行業(yè)的實(shí)際,本文提出了圖7所示的基于本體的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)知識(shí)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)按照知識(shí)產(chǎn)生、獲取和利用的流程來構(gòu)建,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括概念設(shè)計(jì)知識(shí)管理工具、數(shù)據(jù)接口程序以及基于本體的概念設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù),具體由4個(gè)部分構(gòu)成。 （1）概念設(shè)計(jì)知識(shí)獲取。概念設(shè)計(jì)知識(shí)的獲取包括從概念設(shè)計(jì)知識(shí)本體定義、本體之間關(guān)系定義、本體知識(shí)庫(kù)生成到概念設(shè)計(jì)知識(shí)獲取整個(gè)過程。 （2）概念設(shè)計(jì)知識(shí)維護(hù)。主要包括從概念設(shè)計(jì)知識(shí)本體維護(hù)、本體關(guān)系維護(hù)、知識(shí)庫(kù)重新生成到概念設(shè)計(jì)知識(shí)維護(hù)的過程,實(shí)現(xiàn)對(duì)本體的屬性修改,各類知識(shí)之間的關(guān)系維護(hù),以及知識(shí)庫(kù)的更新等。 （3）概念設(shè)計(jì)知識(shí)檢索重用。系統(tǒng)中提供基于

16、多視圖的知識(shí)檢索方式,如基于功能分解樹的功能設(shè)計(jì)知識(shí)檢索視圖、基于產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)樹的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)檢索視圖,及用戶定義的其它知識(shí)檢索視圖。此外系統(tǒng)提供基于本體概念的知識(shí)檢索方式,通過本體映射庫(kù),可以實(shí)現(xiàn)同義詞的檢索,保證可能會(huì)采用不同的概念和術(shù)語表示相同的設(shè)計(jì)信息的人可以得到相同的知識(shí)幫助。 （4）概念設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建。要實(shí)現(xiàn)基于本體的,支持客戶自定義的概念設(shè)計(jì)知識(shí)管理,系統(tǒng)必須由足夠的柔性,支持各類知識(shí)的存儲(chǔ),作為系統(tǒng)基石的知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建就不能采用完全預(yù)先定義的方式,在系統(tǒng)中我們采用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)加上在此基礎(chǔ)上經(jīng)過本體定義工具動(dòng)態(tài)生成的各類知識(shí)庫(kù)的方法保證基于本體的知識(shí)管理的實(shí)現(xiàn)。 2.2概念設(shè)計(jì)知識(shí)管理關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn) （1）基于本體的知識(shí)定義。工程機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過程中需要運(yùn)用多種類型