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

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%,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(nèi)外許多研究機構(gòu)、大學、企業(yè)的研究熱點,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(chǔ)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(jié)構(gòu)內(nèi)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.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(tǒng)所包含的工作流程,是一個由功能向結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)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(shù)原理解。概念設計的主要任務是功能到結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設計、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(shù)原理解知識、結(jié)構(gòu)知識等。實例知識中主要包括方案設計實例、技術(shù)原理解實例、產(chǎn)品實例等知識。

　　（1）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(nèi)容、實現(xiàn)參數(shù)、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(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；

　　（3）結(jié)構(gòu)知識。描述產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)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(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（簡稱為功構(gòu)映射）就是對產(chǎn)品的功能模型進行結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的求解,是將產(chǎn)品功能性的描述轉(zhuǎn)化為能實現(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)實現(xiàn)的目的；而結(jié)構(gòu)則為實現(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)系一般而言是多對多的映射關(guān)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；

　　（4）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(jié)構(gòu)知識實例、技術(shù)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(chǔ)。

　　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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)舉例。該產(chǎn)品所對應的結(jié)構(gòu)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)原理解簡圖、技術(shù)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(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(cè)重符號層的系統(tǒng)實現(xiàn),很少考慮動態(tài)的,非結(jié)構(gòu)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”,研究領(lǐng)域內(nèi)的對象、概念和其他實體,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(lǐng)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(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：

　　（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(gòu)造的功能需求及最終用戶。

　　（2）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(lǐng)域的相關(guān)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(guān)鍵環(huán)節(jié),直接影響到整個本體的生成質(zhì)量,同時也是工作量最大的階段。

　　（3）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(shù)語之間的關(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(jié)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(guān)系等方面來說明產(chǎn)品知識、功能知識、技術(shù)原理解知識、技術(shù)原理解實例等概念設計知識的本體表示,通過概念蘊涵、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,形成一個語義關(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(guān)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(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似屬性的定義,如攤鋪厚度和攤鋪速度等）。

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