基于本體的概念設(shè)計(jì)知識(shí)管理研究

基于本體的概念設(shè)計(jì)知識(shí)管理研究 　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(kāi)發(fā)過(guò)程中,概念設(shè)計(jì)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(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(kāi)發(fā)總成本的5%,卻決定了產(chǎn)品總成本的70%,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；歐洲WISE工程知識(shí)管理項(xiàng)目、MOKA項(xiàng)目；韓國(guó)LG公司資助的知識(shí)管理項(xiàng)目；國(guó)家863資助的知識(shí)管理平臺(tái)研究等,但還沒(méi)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(wèn)題加以描述,并以方案的形式提出眾多解的設(shè)計(jì)階段.概念設(shè)計(jì)從不同的角度有多種定義.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(guò)程。

　　圖1描述了一般概念設(shè)計(jì)的工作流程,它包含綜合與評(píng)價(jià)兩個(gè)基本過(guò)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(guò)程；評(píng)價(jià)則從方案集中擇出最優(yōu),是個(gè)收斂過(guò)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(shuō),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(guò)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(guò)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)概念設(shè)計(jì)的過(guò)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(shuō)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,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(shuō)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(méi)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(yǔ)義網(wǎng)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(wèn)題的局限性,使得專家系統(tǒng)不能解決大型復(fù)雜問(wèn)題。

　　本體作為“對(duì)概念化顯式的詳細(xì)說(shuō)明”,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(wèn)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(yǔ)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(yǔ)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(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(yǔ)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(guò)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(yǔ)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(yǔ)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(jiàn)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(lái)說(shuō)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(guò)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(yǔ)義關(guān)系清晰的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)知識(shí)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(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）。

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