郭乾統(tǒng)， 田 凌

（清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京 100084）

面向機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)研究

郭乾統(tǒng)， 田 凌

（清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京 100084）

針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)知識(shí)功能語(yǔ)義定義模糊和隱形知識(shí)重用率低的問(wèn)題，研究了基于領(lǐng)域本體表示的知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)方法，支持設(shè)計(jì)知識(shí)的自助發(fā)布管理和語(yǔ)義信息檢索等功能。提出設(shè)計(jì)知識(shí)表示的本體模式和建模方法，建立領(lǐng)域本體；從概念設(shè)計(jì)方案需求粒度、功能目標(biāo)及企業(yè)知識(shí)自管理等方面考慮，建立多維設(shè)計(jì)知識(shí)分類體系；設(shè)計(jì)JSON文件到OWL文件的映射規(guī)則，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)知識(shí)的發(fā)布、維護(hù)、存儲(chǔ)和檢索。最終實(shí)現(xiàn)面向機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的知識(shí)管理，為企業(yè)設(shè)計(jì)人員提供知識(shí)共享和重用，支持產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的方案創(chuàng)新。

概念設(shè)計(jì)；知識(shí)管理；功能語(yǔ)義；本體

概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的初始階段和重要環(huán)節(jié)，該階段設(shè)計(jì)模糊化、定性化的特點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)人員思維約束較少，具有很大的創(chuàng)新空間。傳統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)造成很大地制約：①跨領(lǐng)域知識(shí)難精通。新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、新需求的實(shí)現(xiàn)往往都橫跨多領(lǐng)域，要求設(shè)計(jì)人員除了精通機(jī)械領(lǐng)域的設(shè)計(jì)知識(shí)外，還必須對(duì)電子、控制甚至生物等產(chǎn)品領(lǐng)域都有較深地認(rèn)識(shí)；②隱性知識(shí)難利用。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行新方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要花大量時(shí)間研究其他設(shè)計(jì)方案的原理、經(jīng)驗(yàn)。這些原理和經(jīng)驗(yàn)往往作為隱性知識(shí)存儲(chǔ)在工程師腦海中，難以轉(zhuǎn)化為顯性知識(shí)供企業(yè)其他人員共享；③固有思維多局限。概念設(shè)計(jì)階段模糊性和定性化的特點(diǎn)使方案設(shè)計(jì)有很大創(chuàng)新空間，但由于設(shè)計(jì)人員思維受到已有方案和經(jīng)驗(yàn)的局限，創(chuàng)新空間被很大程度壓縮。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)被提出作為突破傳統(tǒng)制約、促進(jìn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的重要手段。計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)依托于知識(shí)庫(kù)，應(yīng)用檢索機(jī)制可對(duì)知識(shí)庫(kù)中知識(shí)跨領(lǐng)域查詢，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域知識(shí)檢索和瀏覽，同時(shí)通過(guò)知識(shí)表示方法將企業(yè)已有經(jīng)驗(yàn)、原理等隱性知識(shí)顯性化，存儲(chǔ)到系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)中，對(duì)知識(shí)進(jìn)行管理和維護(hù)，現(xiàn)階段如何建立運(yùn)行面向概念設(shè)計(jì)的知識(shí)庫(kù)成為研究熱點(diǎn)。

美國(guó)密蘇里大學(xué)羅拉分校的Bohm等[1]開發(fā)的Concept Generator系統(tǒng)基于“功能-結(jié)構(gòu)”映射進(jìn)行知識(shí)表示和建模；印度科學(xué)院的Chakrabarti等[2]開發(fā)的 IDEA-INSPIRE系統(tǒng)基于“State-Action-Part-Phenomenon-Input-oRgan-Effect”(SAPPhIRE)模 型表示方案原理知識(shí)；上海交通大學(xué)的Chen等[3]開發(fā)的 ICCDP系統(tǒng)基于定量化的輸入輸出轉(zhuǎn)換表達(dá)產(chǎn)品功能；浙江大學(xué)的王朝霞[4]開發(fā) CAISDPK系統(tǒng)依據(jù)“功能-效應(yīng)-原理-結(jié)構(gòu)”表示專利復(fù)合功能原理方案。這些系統(tǒng)運(yùn)用多種知識(shí)表示方法，組織產(chǎn)品方案原理、專利知識(shí)、科學(xué)效應(yīng)等資源構(gòu)建知識(shí)庫(kù)，推進(jìn)了計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的發(fā)展，具有很好地啟發(fā)性，但上述系統(tǒng)均側(cè)重于對(duì)知識(shí)“信息”的表示與管理，采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)表示模式（如結(jié)構(gòu)化關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)交換STEP標(biāo)準(zhǔn)及具有簡(jiǎn)單語(yǔ)義信息描述功能的XML半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模式），對(duì)概念設(shè)計(jì)知識(shí)的“語(yǔ)義”定義模糊、描述不足，知識(shí)庫(kù)查詢方式只能局限于基于內(nèi)容本身的關(guān)鍵詞檢索，很難保證對(duì)用戶實(shí)際意圖的把握。為了更好地描述知識(shí)語(yǔ)義，很多學(xué)者將哲學(xué)領(lǐng)域的本體論引入到知識(shí)工程領(lǐng)域，形式化表示概念模型[5]。Matsokis和Kiritsis[6]將產(chǎn)品生命周期管理的對(duì)象用OWL-DL本體語(yǔ)言描述，完成語(yǔ)義集成；應(yīng)杭等[7]使用OWL本體語(yǔ)言描述產(chǎn)品功能行為，進(jìn)行知識(shí)共享和推理；Pirró等[8]提出利用分層級(jí)的本體完成知識(shí)表示；Wang和Takahashi[9]將公理化設(shè)計(jì)知識(shí)用 RDF資源表示框架定義；魏軼彬等[10]提出了基于本體的產(chǎn)品特征定義。本體對(duì)知識(shí)的定義加強(qiáng)了知識(shí)的重構(gòu)、推理、集成與共享，與本文工作比較接近的是日本大阪大學(xué)的 Kitamura等[11]開發(fā)的RRS(redesign supporting system)系統(tǒng)與四川大學(xué)的馬濤等[12]及清華大學(xué)的馬嵩華和田凌[13]基于本體技術(shù)分別構(gòu)建的科學(xué)效應(yīng)知識(shí)庫(kù)和自助式零件庫(kù)，前者基于本體表示產(chǎn)品的行為與功能，運(yùn)用3種結(jié)構(gòu)樹分別表示功能分解集成、功能實(shí)現(xiàn)方式及功能對(duì)象映射關(guān)系，但系統(tǒng)忽略了知識(shí)的形式化描述，本體建立過(guò)于復(fù)雜，制約了知識(shí)庫(kù)檢索的高效性和系統(tǒng)的易操作性；后兩者完成了對(duì)科學(xué)效應(yīng)和零件知識(shí)語(yǔ)義的推理查詢，但均對(duì)概念設(shè)計(jì)階段知識(shí)應(yīng)用關(guān)注較少。

結(jié)合上述系統(tǒng)的研究成果，本文建立了一套面向機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)知識(shí)的自助發(fā)布管理和語(yǔ)義信息檢索等功能。首先，提出兼顧語(yǔ)義表達(dá)和形式化描述的概念設(shè)計(jì)知識(shí)表示方法，建立知識(shí)庫(kù)領(lǐng)域本體，用以組織和描述概念設(shè)計(jì)關(guān)注的功能與結(jié)構(gòu)；分析建立多維概念設(shè)計(jì)知識(shí)分類體系；設(shè)計(jì)JSON文件到OWL文件的映射規(guī)則，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)知識(shí)的發(fā)布、維護(hù)、存儲(chǔ)和檢索。最后建立了知識(shí)庫(kù)原型系統(tǒng)，查詢、維護(hù)和管理概念設(shè)計(jì)知識(shí)。

1 基于領(lǐng)域本體的知識(shí)表示方法

1.1 知識(shí)表示基礎(chǔ)

概念設(shè)計(jì)任務(wù)是根據(jù)需求功能要求給出原理方案解，故需求功能、原理方案的表示框架與映射方法是知識(shí)表達(dá)的基礎(chǔ)。目前流行有“動(dòng)詞-名詞”框架和“輸入輸出轉(zhuǎn)換”框架，前者將動(dòng)詞定義為分支、引導(dǎo)、聯(lián)接、調(diào)控、轉(zhuǎn)換、提供、信號(hào)處理、維護(hù)等8類基本功能庫(kù)，后者描述功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中能量流、物料流和信息流的轉(zhuǎn)換。映射方法則有“功能-結(jié)構(gòu)”模型[14]和“功能-行為-結(jié)構(gòu)”(F-B-S)模型[15]等，與前者相比，F(xiàn)-B-S模型將行為作為映射的中間層次，有利于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行創(chuàng)新，被廣泛認(rèn)可。

本文對(duì)知識(shí)庫(kù)領(lǐng)域本體的架構(gòu)建立在F-B-S模型基礎(chǔ)上，融合了“動(dòng)詞-名詞”框架和“輸入輸出轉(zhuǎn)換”框架，并通過(guò)本體構(gòu)建對(duì)概念設(shè)計(jì)中關(guān)注的功能（功能原理）、行為（輸入輸出流轉(zhuǎn)換）、結(jié)構(gòu)（功能實(shí)現(xiàn)客體）在語(yǔ)義層面進(jìn)行形式化描述，實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)知識(shí)的集成和共享。

1.2 領(lǐng)域本體構(gòu)建

領(lǐng)域本體圍繞概念設(shè)計(jì)階段關(guān)注的兩個(gè)核心概念“功能”與“結(jié)構(gòu)”構(gòu)建，定義了“供應(yīng)商”、“特征族”、“約束”和“評(píng)價(jià)”等基本概念，其本體模式如圖 1所示。通過(guò)領(lǐng)域本體構(gòu)建完成對(duì)概念設(shè)計(jì)知識(shí)的表示，實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)的信息組織。

圖1 知識(shí)庫(kù)領(lǐng)域本體模式

本文基于上述本體模式對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行建模，定義概念設(shè)計(jì)知識(shí)是語(yǔ)義的集合。知識(shí)庫(kù)的領(lǐng)域本體模型由一個(gè)廣義三元組進(jìn)行描述，即其中：Inf表示本體基本信息的集合，F(xiàn)un表示實(shí)體的功能屬性集，R表示實(shí)體概念間的關(guān)系集。

Inf是概念設(shè)計(jì)知識(shí)在信息層面的表達(dá)，包括了設(shè)計(jì)知識(shí)的通用名稱標(biāo)示符、供應(yīng)商信息和特征信息?！肮?yīng)商”是對(duì)知識(shí)資源來(lái)源的描述，包括地址和通訊錄等信息?！疤卣髯濉倍x了知識(shí)及所屬領(lǐng)域的基本信息，包括領(lǐng)域、類別及拆分屬性、參數(shù)等描述信息。領(lǐng)域是指知識(shí)所屬領(lǐng)域，如機(jī)械、電子、電磁等領(lǐng)域；類別是指在所屬領(lǐng)域中的進(jìn)一步分類，例如電動(dòng)機(jī)類、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)類、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類；描述信息是指其他相關(guān)描述信息。Inf是對(duì)知識(shí)信息的組織，支持知識(shí)庫(kù)基于關(guān)鍵詞的檢索。

Fun是概念設(shè)計(jì)知識(shí)在語(yǔ)義層面的表達(dá)，完成對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)功能語(yǔ)義的形式化描述，是基于本體表示設(shè)計(jì)知識(shí)的核心，包括對(duì)結(jié)構(gòu)功能、約束及評(píng)價(jià)的表示?！肮δ堋庇蓜?dòng)詞-對(duì)象格式表示，其子概念“流”描述了功能實(shí)現(xiàn)時(shí)流的變化，子概念“規(guī)整功能”是原始功能詞匯在經(jīng)過(guò)功能語(yǔ)言庫(kù)[16]規(guī)整方法統(tǒng)一后的標(biāo)準(zhǔn)用詞，解決了設(shè)計(jì)人員由于設(shè)計(jì)習(xí)慣、專業(yè)背景不同引起的功能描述主觀差異，增強(qiáng)了相似功能描述的規(guī)范性和統(tǒng)一性，同時(shí)支持了知識(shí)庫(kù)功能維度的擴(kuò)展檢索。例如在功能語(yǔ)言庫(kù)功能類“分支”中，規(guī)整功能“精煉”描述的功能是消減某物料或能量而保留被需要部分，未規(guī)整功能“濾去”描述功能與“精煉”相似，經(jīng)過(guò)規(guī)整后可由“精煉”代替。“約束”描述結(jié)構(gòu)在功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的約束關(guān)系，是功能實(shí)現(xiàn)的必要條件，包括整體約束和輸入輸出約束?！霸u(píng)價(jià)”定義了評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，從系統(tǒng)功能、運(yùn)動(dòng)性能、動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性及結(jié)構(gòu)緊湊性對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估，為概念設(shè)計(jì)產(chǎn)生的方案實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化分析提供支持。Fun是對(duì)知識(shí)功能語(yǔ)義的組織，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)庫(kù)基于語(yǔ)義的檢索。

R表示了本體中概念與概念之間關(guān)系的集合，知識(shí)本體通過(guò)內(nèi)部概念間關(guān)系的連接，形成完整的語(yǔ)義架構(gòu)，同時(shí)與知識(shí)庫(kù)中其他領(lǐng)域本體建立相互關(guān)系，建立交錯(cuò)的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。領(lǐng)域本體間關(guān)系定義見表1。

通過(guò)結(jié)構(gòu)化建模，領(lǐng)域本體將設(shè)計(jì)知識(shí)表示為一個(gè)開放的信息系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行補(bǔ)充和擴(kuò)展，提高了知識(shí)的可用性。圖 2是通過(guò)本體建模工具本體Protégé建立的組織結(jié)構(gòu)樹，包括了信息層、語(yǔ)義層及關(guān)系層。圖 3所示是通過(guò)Web本體描述語(yǔ)言(Web ontology language, OWL)建立的領(lǐng)域本體示例，其中圖3(a)是領(lǐng)域本體的通用示例，圖 3(b)和(c)分別以實(shí)現(xiàn)“轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為移動(dòng)”的曲柄滑塊和摩擦輪為例，給出具體示例。

表1 領(lǐng)域本體概念間關(guān)系定義

圖2 通過(guò)Protégé表示的本體組織結(jié)構(gòu)樹

圖3 領(lǐng)域本體示例

2 知識(shí)分類體系構(gòu)建

2.1 知識(shí)分類原則

知識(shí)分類對(duì)知識(shí)庫(kù)中知識(shí)的存放和查詢非常重要，合適準(zhǔn)確的分類能加快設(shè)計(jì)過(guò)程中知識(shí)的流動(dòng)，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)效率。很多學(xué)者提出了設(shè)計(jì)知識(shí)分類體系，馬雪芬和戴旭東[17]對(duì)知識(shí)產(chǎn)生學(xué)科背景與產(chǎn)品設(shè)計(jì)背景提出了學(xué)科、產(chǎn)品、資源單元、應(yīng)用流程、表達(dá)形式及設(shè)計(jì)域等六維分類體系；李軍寧等[18]也提出了將設(shè)計(jì)知識(shí)與知識(shí)服務(wù)分別分類，其中設(shè)計(jì)知識(shí)分為學(xué)科維、產(chǎn)品維、資源單元維及載體維。目前，對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)分類的研究均以全周期產(chǎn)品設(shè)計(jì)為主，而概念設(shè)計(jì)階段對(duì)知識(shí)的關(guān)注點(diǎn)有別于全周期產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其應(yīng)建立更有針對(duì)性的分類體系。

建立概念設(shè)計(jì)知識(shí)分類體系有如下原則：

(1) 圍繞概念設(shè)計(jì)關(guān)注重點(diǎn)。其任務(wù)是根據(jù)用戶功能需求，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷砑敖M合，給出實(shí)現(xiàn)方案。該設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)是功能和結(jié)構(gòu)，對(duì)概念設(shè)計(jì)知識(shí)分類需關(guān)注的是功能原理與實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)間映射關(guān)系的劃分。

(2) 滿足設(shè)計(jì)知識(shí)應(yīng)用需要。概念設(shè)計(jì)可能是設(shè)計(jì)主體對(duì)已有方案進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，也可能是對(duì)新方案整體設(shè)計(jì)，不同需求使設(shè)計(jì)知識(shí)的應(yīng)用背景不同、應(yīng)用范圍也不同，設(shè)計(jì)知識(shí)的分類要滿足不同情況下的應(yīng)用要求。

(3) 適應(yīng)知識(shí)資源管理要求。概念設(shè)計(jì)知識(shí)構(gòu)成復(fù)雜，被眾多知識(shí)資源擁有方管理和使用。設(shè)計(jì)主體既要對(duì)自身?yè)碛械姆桨?、?jīng)驗(yàn)等知識(shí)進(jìn)行管理，也存在與其他知識(shí)資源擁有方分享和共用設(shè)計(jì)知識(shí)的需求，設(shè)計(jì)知識(shí)分類要考慮設(shè)計(jì)主體和知識(shí)擁有方對(duì)知識(shí)資源的管理需要。

2.2 知識(shí)分類體系

從知識(shí)關(guān)注重點(diǎn)、知識(shí)應(yīng)用需要及資源管理要求等方面考慮，從功能原理、粒度單元、資源管理3個(gè)維度描述知識(shí)分類，構(gòu)建一個(gè)多層次、開放式的概念設(shè)計(jì)知識(shí)分類體系。

(1) 功能原理維分類。是概念設(shè)計(jì)中的關(guān)注點(diǎn)，對(duì)功能進(jìn)行分類符合設(shè)計(jì)主體的應(yīng)用習(xí)慣和需求。規(guī)整功能是概念設(shè)計(jì)中功能語(yǔ)義經(jīng)過(guò)功能語(yǔ)言庫(kù)規(guī)整后得到的功能語(yǔ)義，規(guī)整功能類的父類為基本功能類，包括了分支、引導(dǎo)、聯(lián)接、調(diào)控、轉(zhuǎn)換、提供、信號(hào)處理、維護(hù)等8類。規(guī)整功能類統(tǒng)一了設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)習(xí)慣和專業(yè)背景不同引起的功能描述差異，提高了分類的辨識(shí)性和有效性。

(2) 粒度單元維分類。是根據(jù)概念設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)的粒度劃分，分為產(chǎn)品級(jí)、部件級(jí)和零件級(jí)。粒度分類可幫助設(shè)計(jì)主體根據(jù)需求快速查詢匹配粒度的設(shè)計(jì)知識(shí)，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)過(guò)程中由需求牽引知識(shí)的思想。在同級(jí)粒度中，則按照領(lǐng)域通用分類對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行分類，形成逐步細(xì)分地分類體系。

(3) 資源管理維分類。是通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)的資源擁有方管理的分類。資源擁有方可通過(guò)此分類方法對(duì)已有知識(shí)進(jìn)行自管理，同時(shí)有矢量性的為其他設(shè)計(jì)主體提供知識(shí)的共享和重用。資源管理維分類法也為概念設(shè)計(jì)過(guò)程中知識(shí)的流動(dòng)提供了可靠的信任保障機(jī)制。

圖4為概念設(shè)計(jì)知識(shí)三維分類體系的局部圖。知識(shí)分類體系的建立與領(lǐng)域本體的構(gòu)建一起完成了概念設(shè)計(jì)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化，是計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

圖4 概念設(shè)計(jì)知識(shí)三維分類體系示意圖

3 知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 知識(shí)發(fā)布與存儲(chǔ)

設(shè)計(jì)人員對(duì)知識(shí)庫(kù)的需求是通過(guò)知識(shí)庫(kù)快速查詢獲得準(zhǔn)確的目標(biāo)知識(shí)；對(duì)資源擁有方概念設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行發(fā)布、存儲(chǔ)等自管理。知識(shí)庫(kù)使用基于OWL語(yǔ)言構(gòu)建的領(lǐng)域本體對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)，利用SparQL查詢語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的語(yǔ)義檢索，領(lǐng)域本體構(gòu)建靈活，對(duì)不同類別知識(shí)的異構(gòu)包容性強(qiáng)，降低了數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建難度。知識(shí)庫(kù)前臺(tái)知識(shí)發(fā)布采用JavaScript易處理的JSON格式，保證知識(shí)發(fā)布的自助性和易操作性。知識(shí)發(fā)布與存儲(chǔ)不同語(yǔ)言格式間通過(guò)解釋引擎變換，如圖5所示?？蓴U(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言將語(yǔ)義隱含到其標(biāo)記與結(jié)構(gòu)中，利用 XML語(yǔ)言這一特征將其作為單一文本格式的JSON語(yǔ)言和復(fù)雜形式化語(yǔ)義的OWL語(yǔ)言中間媒介，完成格式變換。知識(shí)的讀取是知識(shí)發(fā)布的逆過(guò)程。

圖5 概念設(shè)計(jì)知識(shí)發(fā)布存儲(chǔ)流程圖

3.2 語(yǔ)義相似度計(jì)算

概念設(shè)計(jì)中進(jìn)行知識(shí)的語(yǔ)義層面檢索需要進(jìn)行知識(shí)語(yǔ)義相似度的計(jì)算。通過(guò)推送與查詢意圖語(yǔ)義相似度高的設(shè)計(jì)知識(shí)，提高設(shè)計(jì)人員的查詢效率，擴(kuò)展設(shè)計(jì)思路，促進(jìn)概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。

相似度的計(jì)算方法很多，對(duì)于概念a和b，其語(yǔ)義相似度可以表示為[19]：

其中，D (a,b)為a和b的語(yǔ)義距離，α為調(diào)整參數(shù)，通過(guò)語(yǔ)義距離計(jì)算兩個(gè)概念的相似度對(duì)于一般問(wèn)題解決較好。

在領(lǐng)域本體組織的知識(shí)庫(kù)中，知識(shí)對(duì)象通過(guò)結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)義進(jìn)行描述，其語(yǔ)義是一系列屬性與值的集合，如表1所示。概念設(shè)計(jì)聚焦于知識(shí)對(duì)象的功能表達(dá)，功能屬性是知識(shí)檢索最重要的目標(biāo)域，考慮其本體構(gòu)建的特殊性和語(yǔ)義的可擴(kuò)展檢索性，將知識(shí)的屬性分為功能屬性和其他普通屬性進(jìn)行研究，即對(duì)知識(shí)對(duì)象o有語(yǔ)義f(o)=F+A，F(xiàn)表示功能屬性集合，A表示普通屬性集合。

領(lǐng)域本體對(duì)功能的表達(dá)為功能動(dòng)詞-流名詞格式，對(duì)功能屬性集合有如下表達(dá)：

式(2)表示對(duì)象o有多個(gè)功能屬性f，每個(gè)功能包含了功能動(dòng)詞屬性 fv和流名詞屬性 fn。

對(duì)普通屬性集合則有：

式(3)表示對(duì)象o有多個(gè)普通屬性a，每個(gè)屬性包括其屬性關(guān)系r和屬性值v。

q和p分別具有多個(gè)功能屬性，其相似度應(yīng)有各個(gè)功能屬性的相似度最大值決定，即：

任一對(duì)功能屬性的相似度由其功能動(dòng)詞屬性和流名詞屬性共同決定，其相似度的乘積為對(duì)應(yīng)功能屬性的語(yǔ)義相似度，即：

圖6 功能語(yǔ)言庫(kù)功能動(dòng)詞路徑結(jié)構(gòu)樹(局部)

圖7 功能語(yǔ)言庫(kù)流名詞路徑結(jié)構(gòu)樹(局部)

對(duì)知識(shí)對(duì)象q和p普通屬性語(yǔ)義相似度的計(jì)算可由各普通屬性的相似度聚合得到，不同屬性關(guān)系的值不具有可比性，可將其相似度設(shè)置為 0。對(duì) q和p某對(duì)普通屬性的相似度計(jì)算公式為：

由于不同的屬性在相似度計(jì)算中重要性不同，可以通過(guò)引入普通屬性的權(quán)重因子ω對(duì)各屬性在相似度計(jì)算中貢獻(xiàn)值進(jìn)行調(diào)整，式(7)給出了計(jì)算方法，表2給出了概念關(guān)系的權(quán)重分配（包含功能屬性和普通屬性）。

表2 概念關(guān)系權(quán)重因子值

同樣的，對(duì)于功能屬性語(yǔ)義相似度和普通屬性語(yǔ)義相似度也進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到知識(shí)對(duì)象q和p的完整語(yǔ)義相似度計(jì)算如下：

曲柄滑塊和摩擦輪的本體表示圖3中已給出，根據(jù)式(8)和表2計(jì)算得出，其語(yǔ)義相似度為0.634，分析可知二者均有“轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為移動(dòng)”的功能，但其各自約束條件等其他屬性不同，該相似度值可以準(zhǔn)確反映二者語(yǔ)義相似性。

4 知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)框架

為實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)知識(shí)管理，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了知識(shí)庫(kù)，面向企業(yè)設(shè)計(jì)人員提供知識(shí)共享和重用，促進(jìn)企業(yè)概念設(shè)計(jì)創(chuàng)新。如圖8所示，領(lǐng)域本體組織的知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、應(yīng)用服務(wù)層及展示層3層。

數(shù)據(jù)層是知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)和核心，包括了本體庫(kù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、供應(yīng)商和用戶信息庫(kù)及文檔庫(kù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)也是知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)來(lái)源。

應(yīng)用服務(wù)層是知識(shí)庫(kù)的數(shù)據(jù)處理和響應(yīng)中樞，分為分析支撐層和服務(wù)組件層。分析支撐層包括文件格式轉(zhuǎn)換工具、知識(shí)上傳下載工具和語(yǔ)義相似度計(jì)算工具等，支持知識(shí)庫(kù)對(duì)應(yīng)服務(wù)組件發(fā)揮功能；服務(wù)組件層同時(shí)面對(duì)用戶和管理員，用戶可以利用服務(wù)組件模塊進(jìn)行概念設(shè)計(jì)知識(shí)發(fā)布、檢索及方案瀏覽，管理員則可以進(jìn)行系統(tǒng)配置管理和用戶權(quán)限管理等操作。

展示層是基于 Web實(shí)現(xiàn)用戶與知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)交互環(huán)境，包括用戶登錄、知識(shí)查詢、方案查詢和知識(shí)維護(hù)等界面。

圖8 知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)框架

4.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于JavaEE平臺(tái)，以J2EE為框架，采用Java編寫后臺(tái)業(yè)務(wù)邏輯算法，使用MySQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)，Protégé作為本體建模工具，通過(guò)jena接口存放本體至數(shù)據(jù)庫(kù)，知識(shí)庫(kù)用戶視圖界面使用Web前端 CSS框架 Bootstrap編寫實(shí)現(xiàn)。圖 9和圖 10分別是系統(tǒng)主頁(yè)和知識(shí)查詢模塊，知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的應(yīng)用促進(jìn)了企業(yè)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

圖9 知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)主頁(yè)

圖10 知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)知識(shí)查詢模塊

用戶可利用設(shè)計(jì)知識(shí)查詢模塊，根據(jù)需求選擇適當(dāng)?shù)姆诸愺w系基于語(yǔ)義進(jìn)行知識(shí)檢索，增強(qiáng)查詢的智能型和有效性；可進(jìn)入已有方案查詢模塊并對(duì)已有方案進(jìn)行整體查詢，瀏覽庫(kù)中已有方案組織樹及其詳細(xì)設(shè)計(jì)知識(shí)，提高對(duì)其他方式方法的認(rèn)知效率；可利用設(shè)計(jì)知識(shí)維護(hù)模塊發(fā)布、存儲(chǔ)、歸檔本企業(yè)已有但未統(tǒng)一形式化的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、方法，將隱性知識(shí)顯性化，為企業(yè)其他設(shè)計(jì)人員提供知識(shí)的共享和重用。

4.3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

知識(shí)庫(kù)的建立為設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)知識(shí)查詢和共享，從而支持產(chǎn)品方案的概念設(shè)計(jì)。本節(jié)以某電池極片生產(chǎn)企業(yè)極片輥壓機(jī)的輥壓模塊概念設(shè)計(jì)為實(shí)例介紹知識(shí)庫(kù)的應(yīng)用。

輥壓模塊的工作過(guò)程為輸入電能后，由電能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)，連接輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)并傳入下一級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)，然后將轉(zhuǎn)動(dòng)分路，傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)到輥壓部位，將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為移動(dòng)，對(duì)電池極片完成輥壓。如圖11所示，對(duì)輥壓模塊進(jìn)行功能規(guī)整、系統(tǒng)建模后，得到功能鏈為（電能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)，連接轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)，分支轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為移動(dòng)）。

圖11 輥壓模塊功能鏈

利用知識(shí)庫(kù)檢索方案設(shè)計(jì)所需知識(shí)，圖 12舉例說(shuō)明了檢索得到功能鏈中的子功能“傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)”設(shè)計(jì)知識(shí)的過(guò)程，通過(guò)輸入功能“傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)”、輸入流“角速度”、輸出流“角速度”及約束條件，查詢得到實(shí)現(xiàn)功能的對(duì)象，包括軸、正齒輪對(duì)、連桿等組件。還可通過(guò)對(duì)功能“分支轉(zhuǎn)動(dòng)”進(jìn)行查詢，得到定軸輪系、摩擦輪、帶傳動(dòng)、連桿等實(shí)現(xiàn)功能的組件；對(duì)功能“轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為移動(dòng)”進(jìn)行查詢，得到壓輥、齒輪齒條、曲柄滑塊、滾珠絲桿、凸輪等組件。

圖12 知識(shí)庫(kù)檢索過(guò)程

輥壓機(jī)的輥壓模塊需要利用輥壓力對(duì)電池極片完成加工，根據(jù)這一需求，利用知識(shí)庫(kù)檢索結(jié)果可以設(shè)計(jì)方案的組件鏈為{（電動(dòng)機(jī)，聯(lián)軸器，軸，定軸輪系，軸，壓輥），（電動(dòng)機(jī)，聯(lián)軸器，軸，摩擦輪，軸，壓輥），（電動(dòng)機(jī)，聯(lián)軸器，軸，帶傳動(dòng)，軸，壓輥），（電動(dòng)機(jī)，聯(lián)軸器，軸，連桿，軸，壓輥），（電動(dòng)機(jī)，鍵，齒輪，定軸輪系，軸，壓輥）}。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)尺寸需求和承載能力，選取合適方案。利用第一條功能鏈實(shí)現(xiàn)的輥壓模塊設(shè)計(jì)方案如圖13所示。

圖13 輥壓模塊設(shè)計(jì)方案示意圖

依據(jù)知識(shí)庫(kù)推送的知識(shí)檢索結(jié)果，設(shè)計(jì)人員在概念設(shè)計(jì)階段可分析獲得多種設(shè)計(jì)方案，拓寬了設(shè)計(jì)人員的思路，更有利于創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 束 語(yǔ)

作為計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，知識(shí)庫(kù)的建立解決了設(shè)計(jì)人員跨領(lǐng)域知識(shí)難精通、隱性知識(shí)難利用及固有思維多局限的難題，突破了制約創(chuàng)新的傳統(tǒng)因素，為產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)創(chuàng)新注入了新動(dòng)力。本文針對(duì)面向機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)需求，提出基于領(lǐng)域本體的結(jié)構(gòu)化知識(shí)表達(dá)方法和知識(shí)分類體系，研究了知識(shí)庫(kù)知識(shí)發(fā)布與存儲(chǔ)、知識(shí)檢索等關(guān)鍵技術(shù)，完成知識(shí)庫(kù)原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)知識(shí)的多方位管理和應(yīng)用。在今后的研究中，知識(shí)庫(kù)不僅可為設(shè)計(jì)人員提供知識(shí)共享和重用，還可作為計(jì)算機(jī)輔助概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，自動(dòng)推送概念設(shè)計(jì)方案功能求解知識(shí)，完成概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。

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Mechanical Conceptual Design Oriented Knowledge Database Organized by Domain Ontology

Guo Qiantong, Tian Ling
(Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Since the current mechanical conceptual design oriented knowledge databases lacked of accurate definition of the function and efficient reusing of implicit knowledge, a conceptual design oriented knowledge database based on domain ontology was built, which could provide data operating functions such as self-service application and semantic retrieval. The logical structure and modeling of design knowledge were proposed to build the domain ontology. Multi-dimensional classification schemes of design knowledge were set up considering different granularities and functions of design projects and knowledge managements. The issuing, maintaining, storage and retrieval of design knowledge were realized by conversions of extensible markup languages. With the powerful knowledge management system, designers could reuse and share implicit knowledge efficiently in design activities, which facilitated the innovation of mechanical conceptual design.

conceptual design; knowledge management; functional semantic; ontology

TH 122；TP 391.7

A

2095-302X(2015)05-0712-12

2015-03-26；定稿日期：2015-04-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175287)

郭乾統(tǒng)(1988-)，男，山西呂梁人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)楦拍钤O(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等。E-mail：ggt06@mails.tsinghua.edu.cn

田 凌(1963-)，女，遼寧鐵嶺人，教授，博士，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化/數(shù)字化制造。E-mail：tianling@mail.tsinghua.edu.cn