曹立志，馬新宇，劉桂鏜，胡明艷

（1.天津大學(xué)a.管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部；b.裝備設(shè)計與制造技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗室；c.機(jī)構(gòu)理論與裝備設(shè)計教育部重點(diǎn)實(shí)驗室；d.機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2.北京機(jī)電工程研究所，北京 100074）

云環(huán)境下產(chǎn)品設(shè)計知識推送機(jī)制研究*

曹立志1a，馬新宇1b，1c，劉桂鏜2，胡明艷1d

（1.天津大學(xué)a.管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部；b.裝備設(shè)計與制造技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗室；c.機(jī)構(gòu)理論與裝備設(shè)計教育部重點(diǎn)實(shí)驗室；d.機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2.北京機(jī)電工程研究所，北京 100074）

為了解決產(chǎn)品設(shè)計復(fù)雜性、設(shè)計難度和設(shè)計成本加劇的問題，云設(shè)計模式應(yīng)運(yùn)而生。云設(shè)計環(huán)境具有設(shè)計知識依賴性更強(qiáng)、設(shè)計者水平難以界定且參差不齊的特點(diǎn)，設(shè)計知識已經(jīng)成為重要的服務(wù)資源，并逐漸成為云設(shè)計模式存在和發(fā)展的關(guān)鍵性因素。為此，文章提出了面向任務(wù)需求的知識推送方法，構(gòu)建了復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計人員能力評價體系，并從五個維度來對知識進(jìn)行分類，有效地縮短了推送和檢索的工作量。實(shí)現(xiàn)了云環(huán)境下知識與設(shè)計者的快速交互。最后，以汽車模具關(guān)鍵設(shè)計為例驗證了文中方法的有效性。

設(shè)計能力評價；知識分類；知識推送；云設(shè)計

0 引言

云設(shè)計制造服務(wù)模式擬通過互聯(lián)網(wǎng)將產(chǎn)品全生命周期中的需求提出、設(shè)計、制造、配送等環(huán)節(jié)進(jìn)行有效動態(tài)連接，建立新型設(shè)計制造商業(yè)新模式［1-2］。在云設(shè)計環(huán)境下，設(shè)計者的動態(tài)聚集造成了設(shè)計者水平難以界定，而且動態(tài)的任務(wù)聚集也造成了知識推送工作量大、設(shè)計知識難以分類組織的問題。現(xiàn)有的知識推送模式基本上分為基于興趣的知識推送、基于內(nèi)容的推送模式、基于關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則的推送模式［3-5］。

本文將構(gòu)建云環(huán)境下設(shè)計人員的能力評價體系，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)計人員的準(zhǔn)確評估；從五個維度對知識進(jìn)行分類和描述，通過分層匹配的機(jī)制縮小了知識推送的范圍；提出了一種基于工作流引擎的推送方法，任務(wù)庫在向設(shè)計者發(fā)送任務(wù)的同時，向工作流引擎發(fā)出信息，工作流引擎可以將任務(wù)需求信息傳遞給知識引擎，在完成知識的索引之后，將知識推送給產(chǎn)品設(shè)計者。

1 五維度設(shè)計知識分類體系構(gòu)建

產(chǎn)品設(shè)計知識具有繁雜性、動態(tài)性和相互交叉性，構(gòu)建一維的分類體系很難將設(shè)計知識進(jìn)行有效的分類歸檔［6］，所以本文從五元組的角度出發(fā)，將設(shè)計知識表示為K=（α，β，χ，δ，ω）的五維表示形式，其中α表示設(shè)計過程，β表示知識使能、χ表示設(shè)計知識類型，δ表示知識領(lǐng)域，ω表示知識等級。其中知識使能是指設(shè)計知識以什么樣的方式進(jìn)行使用；設(shè)計知識類型可根據(jù)不同設(shè)計任務(wù)進(jìn)行定義，常見的類型包括定義、操作規(guī)范、技術(shù)要求、經(jīng)驗等；知識領(lǐng)域指產(chǎn)品設(shè)計知識所屬的具體學(xué)科領(lǐng)域；知識等級是針對知識元在設(shè)計流程中的重要度給予的評價，在知識錄入到知識庫時由設(shè)計人員給出評分，在知識庫使用過程中，根據(jù)不同知識元的被檢索頻次，其重要度評分也會得到相應(yīng)的修正，其計算公式如式（1）所示，其中es為知識重要度評分；s為設(shè)計人員在知識元錄入知識庫時憑借個人經(jīng)驗給出的評分，為百分制；Nk為該知識元被檢索的次數(shù)，Nt為知識庫檢索總次數(shù)；μ為專家設(shè)定好的知識等級評價閾值。結(jié)合es的得分情況，可以將知識元劃分到不同的四個等級中來，等級越高表示知識越為重要，其被推送的價值也就越高。

根據(jù)五維表示方法對知識的分類后，可以構(gòu)建不同的子知識庫，然后將相應(yīng)的知識結(jié)點(diǎn)包含在知識庫中，這樣建立穩(wěn)定的知識樹，在知識點(diǎn)和知識庫之間建立永久的邏輯關(guān)系。知識樹可以根據(jù)超圖理論的方法來進(jìn)行表述，在該理論中，由子知識庫所代表的集合可以看作是超圖的邊，知識節(jié)點(diǎn)為超圖的節(jié)點(diǎn)［7］。然后利用相關(guān)矩陣對超圖的內(nèi)容進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，其具體操作方法如圖1所示。

2 面向知識推送的設(shè)計能力評價體系

為了保證知識引擎準(zhǔn)確及時地完成知識推送，需要對設(shè)計人員進(jìn)行評價，評價過程不僅需要考察設(shè)計者的基礎(chǔ)設(shè)計知識，還要考慮任務(wù)完成情況和對知識庫貢獻(xiàn)度的評價［8］。評價的指標(biāo)包括基礎(chǔ)能力、知識交互度、返工率、任務(wù)評價值、任務(wù)完成量等內(nèi)容。

設(shè)計人員基礎(chǔ)能力（Basic Ability，BA）包括操作能力（Operation Ability，OA）、相關(guān)軟件知識（Software Knowledge，SK）、產(chǎn)品知識（Product Knowledge，PK）、加工制造知識（Manufacture Knowledge，MK）。根據(jù)相關(guān)測試獲取設(shè)計人員的子指標(biāo)分?jǐn)?shù)。最終基礎(chǔ)能力BA的計算方法見公式（2）。

設(shè)計人員每完成一次設(shè)計任務(wù)，平臺會基于任務(wù)完成情況給出相應(yīng)得分?？?cè)蝿?wù)評價值是對設(shè)計人員多次設(shè)計過程結(jié)果的綜合評定?？?cè)蝿?wù)評價值TA的計算方法見公式（3）。其中AN表示平臺第N次設(shè)計結(jié)束后的單次任務(wù)得分，TAN表示完成N次任務(wù)后的總?cè)蝿?wù)評價值。由于設(shè)計人員的設(shè)計能力水平是隨著設(shè)計任務(wù)量呈增長趨勢的，所以最新完成的任務(wù)更能反映設(shè)計人員當(dāng)前的能力水平，因此會賦予較大權(quán)重。

知識交互度是反映設(shè)計者與知識庫交互程度的量，計算方法參照公式（4）。其中，KCN為N次設(shè)計完成后，設(shè)計人員的總知識交互度；KN表示第N次任務(wù)執(zhí)行過程中設(shè)計者與知識庫的交互得分，其計算方法如公式（5）所示，其中kN表示設(shè)計者在第N次設(shè)計過程中進(jìn)行知識檢索和接受推送的總次數(shù)，λ1為知識交互次數(shù)上閾值，λ2為知識交互次數(shù)下閾值。知識交互次數(shù)上、下閾值均由設(shè)計專家給出。

最終，得到設(shè)計人員能力值A(chǔ)b的計算方法如公式（6），其中R為任務(wù)返工率，α1、α2、α3為基礎(chǔ)能力、總?cè)蝿?wù)評價值、總知識交互度的權(quán)重系數(shù)，三者之和為一。

3 設(shè)計知識需求與知識節(jié)點(diǎn)建模

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計過程中設(shè)計知識的主動推送，需要對知識需求和知識節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新定義，從而實(shí)現(xiàn)知識需求和知識節(jié)點(diǎn)的有效匹配。

知識需求是指設(shè)計人員在完成某特定任務(wù)時對相關(guān)知識的需要。傳統(tǒng)的設(shè)計過程，需要設(shè)計人員主動的表述自己的需求。然而，實(shí)際上當(dāng)設(shè)計人員需要解決某個特定的問題時，其知識需求就客觀存在了，不管設(shè)計人員是否清楚自身的需求［9-10］。

可以對知識需求KR做出定義：

其中T為任務(wù)屬性，是對任務(wù)基本信息的描述；P為任務(wù)執(zhí)行階段；I為任務(wù)節(jié)點(diǎn)信息，描述在工作流中當(dāng)前任務(wù)的所在節(jié)點(diǎn)位置；Ab是設(shè)計人員的能力水平。

對于知識節(jié)點(diǎn)的描述如公式（8）所示。其中KG為知識元，即是不可再分割的具有完備知識表達(dá)的知識單位，其中包含了知識的基本內(nèi)容；K為按照五維度知識體系對知識進(jìn)行描述的結(jié)果；En為知識的使用條件，與知識需求中的I相匹配。

4 設(shè)計知識雙驅(qū)動推送機(jī)制

采用基于工作流引擎和知識引擎雙驅(qū)動的知識主動推送方式的基本思想是首先基于工作流管理系統(tǒng)提供的工作流引擎，獲取設(shè)計者的基礎(chǔ)信息，并對任務(wù)執(zhí)行進(jìn)度進(jìn)行跟蹤，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行的到相關(guān)步驟時，向知識引擎發(fā)送信息實(shí)現(xiàn)知識推送，如圖2所示，其具體操作步驟包括：

（1）根據(jù)五維度知識分類體系構(gòu)建整個知識庫的分層知識樹架構(gòu)，完善知識信息，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)中知識元的基本信息構(gòu)建關(guān)鍵字列表；

（2）對任務(wù)設(shè)計人員進(jìn)行能力評價；

（3）根據(jù)工作流引擎確定任務(wù)執(zhí)行進(jìn)度，反饋節(jié)點(diǎn)信息，并根據(jù)知識需求的定義構(gòu)建相關(guān)需求；

（4）根據(jù)知識需求中的任務(wù)類別、執(zhí)行階段、人員能力水平與知識元中的相關(guān)元素進(jìn)行匹配，縮減知識節(jié)點(diǎn)范圍；

（5）將知識需求中的節(jié)點(diǎn)信息與知識節(jié)點(diǎn)中的使用條件進(jìn)行匹配，保留匹配度高的知識元并進(jìn)行推送；

（6）將知識推送和檢索的次數(shù)計入知識交互度指標(biāo)中，同時任務(wù)完成后由用戶和專家對任務(wù)進(jìn)行評價并計入設(shè)計人員總?cè)蝿?wù)評價值指標(biāo)中。

圖2 知識主動推送的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

5 面向汽車模具的設(shè)計知識推送服務(wù)

本文以天津市某汽車模具公司的云設(shè)計服務(wù)實(shí)踐為例驗證本文所提出的設(shè)計知識推送機(jī)制。該公司任務(wù)量的快速增長亟需依靠云設(shè)計模式整合外部設(shè)計資源，提高設(shè)計效率，突破復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計的知識壁壘和能力壁壘，促進(jìn)企業(yè)的快速發(fā)展。

5.1 汽車模具設(shè)計人員能力評測

現(xiàn)有設(shè)計人員參與設(shè)計任務(wù)50次，返工率為10%。其評測各項參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計人員評測參數(shù)

結(jié)合模具設(shè)計過程的基本要求，設(shè)定基礎(chǔ)能力、總?cè)蝿?wù)評價值和總知識交互度的權(quán)重系數(shù)α1、α2、α3分別為0.2、0.6、0.2。根據(jù)公式（2）、（3）、（4）、（5）、（6）可得最終能力值為74.64。

5.2 五維度知識分類體系下的汽車模具知識庫

根據(jù)五維度知識分類體系和汽車模具設(shè)計的特點(diǎn)，設(shè)計過程分為工藝分析、材料選擇、熱處理方法選擇、應(yīng)力分析等基礎(chǔ)設(shè)計分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、校核、導(dǎo)出圖紙、加工制造八個階段；知識使能分為圖文類、數(shù)據(jù)類和模型類；知識類型分為定義類、操作規(guī)范、技術(shù)要求、經(jīng)驗、產(chǎn)品原理；知識領(lǐng)域分為材料學(xué)科、力學(xué)科和機(jī)械學(xué)科；將模具設(shè)計知識根據(jù)公式（1）進(jìn)行評價歸類，劃分為四個等級，等級越高代表該知識使用價值更高，對模具設(shè)計過程更重要。因此，汽車模具知識庫將形成1440個子庫，其操作界面如圖3所示。

圖3 汽車模具知識平臺

5.3 汽車模具設(shè)計過程中的知識推送實(shí)現(xiàn)

本文以起吊翻轉(zhuǎn)設(shè)計環(huán)節(jié)為例，起吊翻轉(zhuǎn)是模具在車間進(jìn)行搬運(yùn)時與天車、起吊零件等的結(jié)合部分。當(dāng)設(shè)計人員進(jìn)行汽車修沖模的結(jié)構(gòu)設(shè)計，到達(dá)起吊翻轉(zhuǎn)設(shè)計節(jié)點(diǎn)時，任務(wù)流引擎將生成此節(jié)點(diǎn)的知識需求KR。其中P為結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，Ab為74.64?，F(xiàn)有知識節(jié)點(diǎn)數(shù)量和屬性見表2。

當(dāng)知識需求反饋到知識庫進(jìn)行檢索時，首先根據(jù)P為結(jié)構(gòu)設(shè)計階段來進(jìn)行匹配。去除不在相應(yīng)子知識庫的知識節(jié)點(diǎn)13。然后進(jìn)行設(shè)計能力Ab與知識等級的匹配，由于設(shè)計能力為三級水平，因此只向設(shè)計者推送三級以上的設(shè)計知識，篩除不在相應(yīng)子知識庫的1、2、3。最終得到了通過篩選的11個知識節(jié)點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計節(jié)點(diǎn)反饋信息與知識節(jié)點(diǎn)使用條件的匹配，保留匹配度高的知識節(jié)點(diǎn)，去除14、15知識節(jié)點(diǎn)。最終保留9個知識節(jié)點(diǎn)，將相應(yīng)的知識元推送給設(shè)計者。其推送過程的具體步驟如圖4所示。

表2 知識節(jié)點(diǎn)列表

圖4 起吊翻轉(zhuǎn)設(shè)計過程的知識推送實(shí)現(xiàn)

6 結(jié)束語

本文提出云環(huán)境下基于任務(wù)和需求的知識推送的實(shí)現(xiàn)方法，采用工作流引擎和知識流引擎協(xié)作完成推送過程。在設(shè)計過程中既可以準(zhǔn)確地獲取設(shè)計者的相關(guān)信息實(shí)現(xiàn)知識推送，又可以通過設(shè)計過程不斷完善企業(yè)知識庫，實(shí)現(xiàn)知識的高效利用，極大地縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期，也為構(gòu)建知識與設(shè)計人員的藕合模型提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。知識在產(chǎn)品設(shè)計中的重要作用已經(jīng)得到了充分認(rèn)可，有助于完善企業(yè)自身知識庫、實(shí)現(xiàn)知識與設(shè)計者的交互藕合，高效的知識推送服務(wù)成為了提高企業(yè)設(shè)計能力、加快設(shè)計步伐的關(guān)鍵。

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（編輯 李秀敏）

The Research on Know ledge Push M echanism of Product Design in the Cloud Environment

CAO Li-zhi1a，MA Xin-yu1b，1c，LIU Gui-tang2，HU Ming-yan1d
（1a.College of Management and Economics；b.Tianjin Provincial Key Lab of Equipment Design and Manufacturing Technology；c.Key Laboratory of Mechanism and Equipment Design of Ministry of Education；d. School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Beijing Institute of Mechanical&Electrical Engineering，Beijing 100074，China）

The pattern of cloud design is proposed to solve the problem caused by the grow th of the complexity，difficulty and cost during product designing process.Cloud design environment has the characteristics of stronger dependence on design know ledge and different levelsof designerswhich are difficult to determ ine.The know ledge of design is becom ing the important service resource and the key factors for the cloud design pattern’s existence and development.Therefore，amethod of know ledge pushing is proposed for task demands and the system of ability evaluation for the complicated product designing is completed.And this article classifies know ledge from five dimensions，which reduces the workload of know ledge search and push.The rapid interaction of know ledge and designers in the cloud environment is realized.At last，the case of the key design for automobile die is used to evaluate the effectiveness of themethod in this article.

design ability evaluation；know ledge classification；know ledge push；cloud design

TH122；TG506

A

1001-2265（2015）07-0157-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.07.044

2014-10-22；

2014-12-09

國家863計劃資助項目（2013AA040605）

曹立志（1961-），男，哈爾濱人，天津大學(xué)博士研究生，研究方向為制造服務(wù)，（E-mail）lzcao_tju@126.com；通訊作者：馬新宇（1991-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，天津大學(xué)碩士研究生，研究方向為制造信息化，（E-mail）ma_mason@126.com。