王 新，喬文文

（華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063200）

0 引言

隨著人類(lèi)生活不斷邁向高水平，人們?cè)絹?lái)越追求新穎，個(gè)性化定制產(chǎn)品終將代替大批量生產(chǎn)成為市場(chǎng)需求的主流。但是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式和手段卻在很大程度上限制了產(chǎn)品的創(chuàng)新，顯然已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)市場(chǎng)變化和用戶需求，知識(shí)工程（（Knowledge Based Engineering，KBE）應(yīng)運(yùn)而生。KBE能夠把與進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)有關(guān)的原理、準(zhǔn)則、規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)等知識(shí)結(jié)合到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，使得設(shè)計(jì)人員只需要輸入工程參數(shù)和應(yīng)用要求，系統(tǒng)就能依據(jù)相關(guān)的知識(shí)，自動(dòng)推理構(gòu)造出符合要求的數(shù)字化幾何模型。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，智能系統(tǒng)和專家設(shè)計(jì)知識(shí)已經(jīng)被視為支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)不可或缺的部分，這些工具已經(jīng)成為協(xié)助設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建新設(shè)計(jì)、修改舊設(shè)計(jì)或存儲(chǔ)專家設(shè)計(jì)知識(shí)的公共場(chǎng)所［1］。

1 基于KBE的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求及KBE的主要研究?jī)?nèi)容

1.1 基于KBE的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求

在國(guó)內(nèi)，企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題可總結(jié)為以下兩個(gè)方面［2］：

（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、使用周期短。由于使用者需求的不確定性，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期應(yīng)盡可能短，這就要求設(shè)計(jì)師能夠借助現(xiàn)階段已有的資源解決現(xiàn)有的設(shè)計(jì)問(wèn)題。但是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)手段僅停留在用計(jì)算機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的繪圖、計(jì)算及數(shù)據(jù)的輸入輸出，效率極低，需要的時(shí)間比較長(zhǎng)。

（2）產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)管理不當(dāng)，導(dǎo)致知識(shí)共享程度及重復(fù)利用率低。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)都是由技術(shù)人員整理手動(dòng)輸入電腦以文檔的形式進(jìn)行保存，然而并沒(méi)有對(duì)設(shè)計(jì)人員的思維創(chuàng)新過(guò)程進(jìn)行記錄，在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的大部分知識(shí)可以歸類(lèi)為隱性知識(shí)，這些知識(shí)來(lái)自于員工在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)項(xiàng)目期間的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和看法，由于一些個(gè)人原因可能導(dǎo)致有些知識(shí)并沒(méi)有外化，因此一些關(guān)鍵信息可能并沒(méi)有被及時(shí)記錄和保存下來(lái)，隨著人員的流動(dòng)，關(guān)鍵信息也隨之消失，這使得知識(shí)共享和重用變得更加困難。當(dāng)公司需要開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，一系列工作又要重新去做，既浪費(fèi)了時(shí)間又難以對(duì)新的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。

1.2 KBE的主要研究?jī)?nèi)容

基于KBE的產(chǎn)品設(shè)計(jì)就是將設(shè)計(jì)過(guò)程中所積累的經(jīng)驗(yàn)與技巧轉(zhuǎn)化為顯性知識(shí)并與設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成，創(chuàng)建高質(zhì)量、高性價(jià)比的設(shè)計(jì)。即將人類(lèi)頭腦中的知識(shí)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的形式以便于存儲(chǔ)、調(diào)用以及根據(jù)已有知識(shí)展開(kāi)推理來(lái)解決現(xiàn)有設(shè)計(jì)問(wèn)題。

KBE技術(shù)的本質(zhì)是一個(gè)在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)提高自動(dòng)化水平來(lái)幫助工程師提高工作效率的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)［3］。KBE的主要研究方向?yàn)橹R(shí)的獲取、表示、重用及推理。

2 國(guó)內(nèi)外基于知識(shí)工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用

知識(shí)工程是人類(lèi)智能時(shí)代的領(lǐng)先科學(xué)，國(guó)外在這方面的研究起步比較早，尤其是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面更是有不少研究成果。為了滿足市場(chǎng)變化和用戶需求，國(guó)內(nèi)許多高校和高科技企業(yè)也進(jìn)入了知識(shí)工程領(lǐng)域，并且研發(fā)出了各式各樣的基于知識(shí)工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)。

2.1 國(guó)內(nèi)基于知識(shí)工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用

歐美的一些國(guó)家高度重視KBE技術(shù)的開(kāi)發(fā)，該技術(shù)已在汽車(chē)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，但是我國(guó)相關(guān)方面的研究工作和產(chǎn)品較少，大部分設(shè)計(jì)師還是根據(jù)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式與手段進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨著大批量的訂單越來(lái)越少，單件小批量生產(chǎn)越來(lái)越多，KBE技術(shù)的研發(fā)已成為必然趨勢(shì)?；谒喿x的文獻(xiàn)，以下從知識(shí)工程的主要研究對(duì)象入手分析了較成功和典型的研究成果及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

王亞輝等［4］針對(duì)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，提出一種案例驅(qū)動(dòng)的協(xié)同設(shè)計(jì)知識(shí)管理模型，該模型通過(guò)引入已有領(lǐng)域案例設(shè)計(jì)知識(shí)，不僅為設(shè)計(jì)師提供了思路還節(jié)省了時(shí)間，但是，案例樣本數(shù)量較少，領(lǐng)域設(shè)計(jì)知識(shí)還不夠全面。李杏等［5］針對(duì)采煤機(jī)設(shè)計(jì)，提出了多層次多粒度采煤機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)知識(shí)表達(dá)方法，設(shè)計(jì)者可獲取與采煤機(jī)相關(guān)的本領(lǐng)域、近領(lǐng)域、遠(yuǎn)領(lǐng)域?qū)嵗R(shí)，促進(jìn)設(shè)計(jì)者進(jìn)行聯(lián)想類(lèi)比，從而進(jìn)一步進(jìn)行采煤機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)活動(dòng)，但其缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)師頭腦中的類(lèi)比聯(lián)想難以用基本的方法進(jìn)行表達(dá)。李秀玲等［6］針對(duì)已有異構(gòu)CAM模型的知識(shí)共享，提出了一種基于工藝知識(shí)圖譜的異構(gòu)CAM模型的結(jié)構(gòu)化建模方法，該方法能夠支持和促進(jìn)協(xié)同設(shè)計(jì)異構(gòu)CAM模型的知識(shí)共享，但是并未與工藝知識(shí)庫(kù)進(jìn)行有效集成。

劉金峰等［7］針對(duì)工藝知識(shí)的重用，提出了加工特征的描述方法，可以對(duì)加工特征進(jìn)行準(zhǔn)確描述，但適用范圍小，只針對(duì)機(jī)加工零件工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中工藝信息的重用進(jìn)行了研究。常智勇等［8］則提出了一種基于加工意圖的機(jī)加工藝知識(shí)重用方法，解決了工藝知識(shí)粒度大的問(wèn)題，不僅可發(fā)揮工藝員的自主性，還滿足了工藝員對(duì)于知識(shí)的個(gè)性化和多元化需求，但是工藝知識(shí)重用過(guò)程中需要大量復(fù)雜的多學(xué)科知識(shí)。范玉斌等［9］針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品智能制造，提出知識(shí)單元覆蓋度來(lái)測(cè)度知識(shí)，有利于組織了解知識(shí)庫(kù)中的當(dāng)前知識(shí)狀態(tài)，可以較好地實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)中知識(shí)的定量化分析，但考慮指標(biāo)單一，典型知識(shí)覆蓋度的計(jì)算尚有不足之處。萬(wàn)姍等［10］針對(duì)數(shù)控機(jī)床維護(hù)服務(wù)，提出采用計(jì)算適用度來(lái)選擇歷史案例并基于因果理論和依賴關(guān)系相結(jié)合的適用算法來(lái)得到適應(yīng)后的當(dāng)前待解決的案例結(jié)論，基于歷史案例知識(shí)的維修知識(shí)重用方法可作為數(shù)控機(jī)床故障診斷的方法，但沒(méi)有考慮到它的應(yīng)用環(huán)境，只有故障診斷的維修服務(wù)系統(tǒng)，沒(méi)有為數(shù)控機(jī)床制定全面預(yù)防維護(hù)計(jì)劃。

2.2 國(guó)外基于知識(shí)工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用

與我國(guó)相比，KBE技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展要成熟得多。根據(jù)所閱讀的文獻(xiàn)，總結(jié)出以下比較成功和典型的研究團(tuán)隊(duì)及其研究成果并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

Nguyen C等［11］針對(duì)知識(shí)表示，提出了一種基于三角形網(wǎng)格表示和邊界表示相結(jié)合的三維CAD輕量級(jí)表示方法，在保持?jǐn)?shù)據(jù)處理效率合理水平的同時(shí)，降低了三維CAD文件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，但工作范圍小，沒(méi)有擴(kuò)大到其他應(yīng)用中。Lundin M等［12］則探討了如何利用CAX和CAD來(lái)提高設(shè)計(jì)模塊捕獲和表示的效率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品族的重用，能夠有效地捕獲并表示逐步設(shè)計(jì)模塊指令的重要部分，以及通過(guò)一組設(shè)計(jì)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計(jì)模塊，但重用還沒(méi)有得到定量的度量。Cheong H等［13］針對(duì)知識(shí)獲取，提出了一種從自然語(yǔ)言文本中自動(dòng)提取函數(shù)知識(shí)的方法，對(duì)于基于知識(shí)的CAD系統(tǒng)，可以進(jìn)行創(chuàng)造性的綜合，專注于非常小的領(lǐng)域，并且在維護(hù)和更新他們的知識(shí)庫(kù)方面比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有提及如何提取系統(tǒng)級(jí)的知識(shí)。Anagnostakis D等［14］則介紹了一種數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，獲取反映設(shè)計(jì)需求變化與設(shè)計(jì)結(jié)果之間關(guān)系的自適應(yīng)規(guī)則，為實(shí)現(xiàn)變型設(shè)計(jì)案例適應(yīng)的自動(dòng)化，提出了一種新的案例適應(yīng)方法，但是當(dāng)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)結(jié)果不同具有數(shù)值屬性和分類(lèi)屬性時(shí)，該方法的性能不優(yōu)于其他方法。

3 結(jié)語(yǔ)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)在多學(xué)科知識(shí)融合的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的創(chuàng)造性過(guò)程。然而，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師通常花費(fèi)60%左右的時(shí)間在高度多樣化和非結(jié)構(gòu)化的知識(shí)資源中尋找正確的信息。因此，有效地存儲(chǔ)、管理和檢索設(shè)計(jì)知識(shí)是企業(yè)和行業(yè)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間的主要途徑之一。隨著大數(shù)據(jù)的日漸普及，互聯(lián)網(wǎng)上以電子和數(shù)字形式存儲(chǔ)的大量信息成為工程設(shè)計(jì)知識(shí)發(fā)現(xiàn)的寶貴資源。傳統(tǒng)的基于文檔索引的文檔檢索方法側(cè)重于檢索與查詢相關(guān)的單個(gè)文檔，而難以挖掘出單個(gè)知識(shí)概念之間的各種關(guān)聯(lián)性，KBE技術(shù)的開(kāi)發(fā)可以加快設(shè)計(jì)過(guò)程并促進(jìn)創(chuàng)建高質(zhì)量、高性價(jià)比的設(shè)計(jì)。從KBE在我國(guó)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，知識(shí)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品協(xié)同開(kāi)發(fā)必將會(huì)成為未來(lái)的發(fā)展方向。