基于知识融合技术的产品设计知识模型研究

减小字体 增大字体 作者:朱玉屏 刘丽兰 俞 涛  来源:www.zhonghualunwen.com  发布时间:2009-10-12 14:50:19

  0 引言
  
  面对快速变化的市场条件下产品不断推陈出新、升级换代的趋势,如何在产品设计过程中从知识管理的角度及时准确地实现对设计知识和经验的有效积累以及准确重用,已成为制造企业进一步提高设计效率和质量、缩短产品开发周期的一个重要问题。目前,产品设计正越来越受到企业的重视,企业可以通过先进的设计技术来改善产品质量、提高产品性能、降低产品成本。同时,产品设计从经验设计转变为基于知识驱动的设计,产品设计应用的知识也已不再是单一的学科知识,而是交叉的多学科综合知识。因此对于多源知识融合的研究显得十分重要。知识融合的研究源于知识工程的提出,早期大多数学者都将其作为知识工程的一部分内容与其他相关内容共同研究。而从1995年开始知识融合逐渐成为一个独立的研究领域,明确地以知识融合为主题的研究项目越来越多,同时在研究过程中采用和涉及到的相关计算机技术也随之增加。自2002年以来,知识融合的研究也受到国内学者的重视和政府的资助[1,2]。国外对知识融合尚未有公认的统一定义,研究的重点不同,但对知识融合的描述的含义基本一致。从知识科学本身研究和应用对象的角度出发基本上可以归纳为两类[1]:
  a)以KRAFT项目的相关文献为代表[3~5],该定义认为知识融合是指从众多分布式异构的网络资源中搜索和抽取相关知识,并转换为统一的知识模式,为某一领域问题求解构造有效的知识资源。
  b)强调集成过程的结果是新知识的产生,认为知识融合是一种服务,它通过对来自分布式信息源的多重心信息进行转换、集成和合并等处理,产生新的集成化知识对象,同时可以对相关的信息和知识进行管理[6,7]。如图1所示,这种定义对应的典型系统将知识融合系统分为四个主要功能模块,即问题分析、本体管理、知识融合和知识同步[7~10]。
  本文将基于第二类知识融合的定义,提出基于本体建模的产品设计知识模型,并针对其中的知识融合算法进行详细的阐述,从而把产品相关的各种知识资源集成起来,有利于企业内设计知识的挖掘、重用和共享,从而缩短产品开发周期,提高产品开发质量,开拓企业技术创新之路。
  
  1 基于本体的产品设计知识模型
  
  从产品设计过程中来看,可以把知识融合看做是对产品设计过程中所涉及到的信息进行转换、集成和合并等处理,产生新的集成化知识,从而更有力地帮助设计人员设计产品。同时,本体很好地表达了概念的结构、概念之间的关系等领域中实体的固有特征,因此比起其他知识表示方法,本体表述的语义更明确、一致和规范[11],也更有利于设计知识的表达、交流和共享,同时很好地解决产品设计知识的表达、检索和重用等问题。
  在本文所建立的产品设计知识模型中,产品被划分为几个关键部件的集合,因此知识模型可以用如下的知识数学模型表达,用一个包括基本属性、功能、关联的三元组表示:
  productInfo::={basicPropertySet,technologySet,relationSet}
  其中:basicPropertySet为基本属性集,表达产品部件的基本信息,包括名称、知识类别、版本、供应商信息等;technologySet为产品技术功能集,定义该知识的具体技术信息,包括主要参数、技术规则、推理规则、设计实例等;relationSet为产品部件关系集合,定义上下文知识之间的关联关系,构建复合知识资源。
  1.1 技术知识功能集定义
  技术知识涵盖该关键部件的关键设计信息,是实现知识共享和重用的主要部分,其技术知识覆盖面广、表述方式复杂、逻辑关系复杂,因此本文采用知识本体建模方法。
     知识本体表示本体的定义如今在计算机领域已比较统一,但在具体的应用环境中如何进行规范化描述至今还缺乏统一的标准。目前常用的本体表示方法有四元素表示法和六元组表示法两种[12]。借鉴本体六元组表示法的思想,本文采用如下的概念设计知识本体表示方法:
  Ckn={Ck,ACk,R,AR,H,X}(1)
  参考一些现有的模型和理论建立如下的约束模型[13,14]:
  Ck={Fck,Tek,Stk,Ck}(2)
  1)功能知识集合
  产品主要部件及其子部件相关功能知识的集合,包括功能内容、主要实现参数,主要性能指标等,可以描述为
  Fc={Fck1,Fck2,NA1AD,Fckn}kn={Fca1,Fca2,NA1AD,Fcai};n,i=1,2,NA1AD(3)
  其中:Fckn为功能空间中某一子功能知识元素,Fcai为该功能知识中的各种属性。这一知识集合为后续的知识推理提供证据知识。
  2)推理知识集合
  描述与该部件中相关的技术原理、技术规则等。这部分知识提供对后续的知识推理规则的知识支持,可以表示为
  Tek={Tek1,Tek2,NA1AD,Tekn}kn={Tea1,Tea2,NA1AD,Tean};n,i=1,2,NA1AD(4)
  其中:Tekn为推理空间中某一子推理知识范畴,Tean为该推理知识中的各个属性或解等。
  3)结构知识集合
  描述产品的结构设计状况,是对部件内部结构的知识细化和扩充,因此可以描述产品关键部分的形状、尺寸和参数。结构知识可以描述为
  Stk={Sp,Fck,Pk,Ak}Sp={x|x∈Sa∪Sps};k=1,2,NA1AD,n(5)
  其中:Sp为对应的具体零部件结构关系;Fck为该结构可实现的功能;Pk是内部结构主要参数集;Ak其他结构;Sa为本层装配体;Sps为子装配体的零件集合。
  4)部件实例知识
  该部件被引用的已经成功的或失败的设计范例,包括方案设计实例、产品结构知识实例、技术原理实例等,它包含了更多的实际因素,是类比设计和基于实例推理设计的基础。其中每个部件实例可以表示为

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