劉卓,余隋懷,初建杰,成方敏

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)與人機(jī)工效工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072;2. 天津理工大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，天津 300384)

近年來,3D打印制造技術(shù)迅速發(fā)展,成為了具有巨大應(yīng)用潛力的制造技術(shù)。由于3D打印具有制造周期短、適合單件個(gè)性化需求、適合復(fù)雜零件制造等優(yōu)勢(shì),在航空航天、醫(yī)療等高精尖領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間[1],同時(shí)也受到創(chuàng)客們的喜愛,這為3D打印的社會(huì)化制造提供了條件。同時(shí),3D打印技術(shù)降低了制造工藝難度,在分散的設(shè)備上可以獨(dú)立制造任意形狀復(fù)雜的零件[2],這一特性正適應(yīng)于云制造多主體協(xié)同工作和資源快速組織的要求。在此背景下,國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了越來越多的3D打印云服務(wù)平臺(tái)。

3D打印云服務(wù)平臺(tái)是一種云設(shè)計(jì)與云制造網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式。該模式以3D打印制造技術(shù)為核心,以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)為支撐,將大量分散的3D打印設(shè)計(jì)與制造資源虛擬化并封裝為云服務(wù),由平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理,使用戶可根據(jù)需求,隨時(shí)隨地、動(dòng)態(tài)、敏捷地獲取3D打印服務(wù),實(shí)現(xiàn)3D打印資源、能力、知識(shí)的全面共享與協(xié)同[3]。

圍繞3D打印的產(chǎn)品開發(fā)過程是一個(gè)知識(shí)密集型的過程,在包括概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)三維建模、模型切片處理、打印制造等步驟的產(chǎn)品全生命周期中,都離不開知識(shí)的應(yīng)用。隨著3D打印技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,相關(guān)知識(shí)資源不斷更新,增長(zhǎng)迅速。將種類繁多、數(shù)量巨大的知識(shí)資源進(jìn)行集成與管理,并向客戶、設(shè)計(jì)師、制造商等不同角色的云平臺(tái)用戶提供有效的、個(gè)性化的知識(shí)服務(wù),輔助3D打印創(chuàng)新任務(wù)的完成,對(duì)3D打印云平臺(tái)的構(gòu)建與運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要[4]。

目前,知識(shí)管理雖然受到了廣泛的重視,但對(duì)于云服務(wù)平臺(tái)的知識(shí)管理模式的研究還處于初級(jí)階段。李向前等[5]針對(duì)集團(tuán)企業(yè)云制造系統(tǒng),提出了靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種知識(shí)服務(wù)模式;趙楠等[6]針對(duì)云制造環(huán)境下的中小企業(yè),提出了知識(shí)資源服務(wù)能力評(píng)估模型和知識(shí)資源序列化組合模型;王亞輝等[7]針對(duì)產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)構(gòu)建了一種由案例驅(qū)動(dòng)的知識(shí)管理模型;陰艷超等[8]提出了一種多維多條件云映射不確定規(guī)則推理方法,構(gòu)建了云制造知識(shí)服務(wù)模型;李穎新等[9]針對(duì)云制造環(huán)境,提出了一種研發(fā)設(shè)計(jì)任務(wù)與知識(shí)資源雙邊匹配方法。

從上述研究可看出,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在云設(shè)計(jì)與云制造方面進(jìn)行了一些有益的探索,但目前的研究并不完善。大多數(shù)研究并未緊密結(jié)合云服務(wù)平臺(tái)特點(diǎn),忽略了云平臺(tái)設(shè)計(jì)制造任務(wù)的用戶多樣性與過程復(fù)雜性,難以為云平臺(tái)用戶提供針對(duì)性的個(gè)性化知識(shí)服務(wù)。同時(shí),由于3D打印技術(shù)的特殊性,3D打印云平臺(tái)與其他云設(shè)計(jì)制造平臺(tái)在商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式、任務(wù)管理、資源構(gòu)成等方面有著較大的差異,現(xiàn)有的云平臺(tái)知識(shí)管理模型不能適用。如何面向3D打印云平臺(tái),結(jié)合平臺(tái)任務(wù)特點(diǎn),對(duì)知識(shí)進(jìn)行集成管理并為各創(chuàng)新任務(wù)主體提供有效知識(shí)服務(wù),仍然有待進(jìn)一步研究。鑒于此,本文從3D打印云平臺(tái)典型任務(wù)過程出發(fā),構(gòu)建了3D打印云平臺(tái)知識(shí)管理模型,并通過基于任務(wù)屬性實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的知識(shí)服務(wù),從而為依托3D打印云服務(wù)平臺(tái)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造任務(wù)提供有效的知識(shí)支撐。

1 3D打印云平臺(tái)典型任務(wù)過程與信息映射模型

1.1 云平臺(tái)典型任務(wù)過程定義與分析

3D打印云平臺(tái)是集成眾多獨(dú)立、分散、異構(gòu)的3D打印相關(guān)資源,以眾創(chuàng)眾包模式滿足客戶產(chǎn)品開發(fā)需求的“公有云”云服務(wù)平臺(tái)[10]。該平臺(tái)典型任務(wù)為圍繞3D打印技術(shù),調(diào)用平臺(tái)資源,設(shè)計(jì)并制造產(chǎn)品以滿足客戶需求的產(chǎn)品研制開發(fā)任務(wù)。任務(wù)完成過程即為平臺(tái)調(diào)用平臺(tái)各類資源滿足客戶需求的過程。

典型任務(wù)的完成過程是相似的。在研究分析3D打印產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)的基礎(chǔ)上,平臺(tái)管理人員根據(jù)大量任務(wù)信息,提取典型任務(wù)共性,并抽象出典型任務(wù)中共同的執(zhí)行步驟,建立其中的邏輯關(guān)系,確定典型任務(wù)過程。

3D打印云服務(wù)平臺(tái)典型任務(wù)是由客戶、設(shè)計(jì)師、制造商和云平臺(tái)管理人員協(xié)同完成的,其中,云平臺(tái)管理人員包括一定數(shù)量的3D打印專家,負(fù)責(zé)為任務(wù)主體提供技術(shù)支持和維護(hù)平臺(tái)運(yùn)行。根據(jù)對(duì)3D打印產(chǎn)品開發(fā)過程的分析,可將3D打印云平臺(tái)典型任務(wù)過程分為4個(gè)階段:

1) 需求提出階段。客戶需求是云平臺(tái)上產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)的驅(qū)動(dòng)。客戶在云平臺(tái)發(fā)布3D打印設(shè)計(jì)與制造需求,除了客戶的顯性需求,云平臺(tái)管理團(tuán)隊(duì)還需深入挖掘客戶的隱形需求,通過語義推理形成完整的需求信息。

2) 設(shè)計(jì)建模階段。根據(jù)需求分析結(jié)果,匹配需求數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)師屬性數(shù)據(jù),優(yōu)選設(shè)計(jì)師成員組成虛擬設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì),在設(shè)計(jì)知識(shí)的支持下完成設(shè)計(jì)并向平臺(tái)提交三維數(shù)字化模型。設(shè)計(jì)結(jié)果作為設(shè)計(jì)決策階段的輸入數(shù)據(jù)。

3) 設(shè)計(jì)決策階段。設(shè)計(jì)決策階段分為兩個(gè)部分:(1) 設(shè)計(jì)結(jié)果(三維數(shù)字化模型、效果圖、設(shè)計(jì)報(bào)告等)反饋客戶,由客戶在眾多方案中選擇最優(yōu)方案并提出改進(jìn)意見,形成新的需求反饋給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)改進(jìn),如此迭代多次直到客戶滿意為止;(2) 云平臺(tái)管理人員與云平臺(tái)專家評(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)果制造可行性,并對(duì)模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、切片、增加支撐結(jié)構(gòu)等處理。經(jīng)過客戶與制造專家決策通過的設(shè)計(jì)方案作為生產(chǎn)輸入在平臺(tái)發(fā)布,包括處理后的三維模型、制造量、交付周期、生產(chǎn)任務(wù)書等。

4) 打印制造階段。建立生產(chǎn)需求與制造資源屬性的匹配關(guān)系,優(yōu)選制造資源組成虛擬制造團(tuán)隊(duì),智能化分配任務(wù)完成產(chǎn)品打印制造與后期處理。產(chǎn)品生產(chǎn)完成后通過物流公司交付客戶,整個(gè)任務(wù)過程結(jié)束。

3D打印云平臺(tái)典型任務(wù)過程如圖1所示。

云平臺(tái)上的每項(xiàng)任務(wù)均要包含所有或部分過程階段,任務(wù)需包含哪些階段由平臺(tái)專家建議并由客戶根據(jù)自身需求決定。各階段任務(wù)由優(yōu)選后的特定云平臺(tái)資源承擔(dān)。云平臺(tái)管理人員根據(jù)任務(wù)完成情況不定期調(diào)整任務(wù)階段設(shè)定。

1.2 云平臺(tái)典型任務(wù)信息映射模型

1.2.1 典型任務(wù)的信息映射模型

3D打印云平臺(tái)典型任務(wù)是一個(gè)包含產(chǎn)品全生命周期的產(chǎn)品研發(fā)過程,各階段參與任務(wù)的任務(wù)主體在云平臺(tái)知識(shí)服務(wù)的輔助下協(xié)同完成任務(wù)。由于產(chǎn)品開發(fā)過程的高耦合性,每個(gè)任務(wù)階段與其他任務(wù)階段都存在著復(fù)雜的信息交互關(guān)系[11]。在任務(wù)過程中,各個(gè)任務(wù)階段要接受相關(guān)任務(wù)階段的信息,任務(wù)結(jié)束后,要向相關(guān)任務(wù)階段發(fā)送信息。這樣,任務(wù)過程同時(shí)也是各領(lǐng)域信息往復(fù)映射的過程。因此,各個(gè)任務(wù)主體不僅要參考本任務(wù)領(lǐng)域的知識(shí),也要參考相關(guān)任務(wù)領(lǐng)域的知識(shí)內(nèi)容,以便更好地完成任務(wù)工作。任務(wù)過程的信息映射可看做是任務(wù)案例域TC、任務(wù)需求域TR、設(shè)計(jì)建模域DM、分析決策域AD、打印制造域PM構(gòu)成的多層往復(fù)映射。其中,任務(wù)案例域TC是云平臺(tái)歷史任務(wù)產(chǎn)生的面向全周期任務(wù)的綜合性信息;任務(wù)需求域TR、設(shè)計(jì)建模域DM、分析決策域AD、打印制造域PM分別對(duì)應(yīng)任務(wù)過程的4個(gè)階段,是客戶需求的求解過程。

1) 任務(wù)案例域TC。云平臺(tái)歷史任務(wù)案例是任務(wù)信息的載體,包括了大量隱性的任務(wù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。對(duì)于新的任務(wù),相似的歷史任務(wù)信息可以作為重要的參考信息。有效地對(duì)相似任務(wù)案例知識(shí)重用與推理,是提升產(chǎn)品質(zhì)量與縮短任務(wù)周期的關(guān)鍵[12]。并且,任務(wù)案例知識(shí)包括了從需求提出到任務(wù)完成整個(gè)任務(wù)過程完整的信息鏈,信息之間的流轉(zhuǎn)過程知識(shí)也可以為新任務(wù)提供重要的經(jīng)驗(yàn)支持[13]。任務(wù)案例域知識(shí)主要包括任務(wù)需求TC1、設(shè)計(jì)任務(wù)TC2、決策任務(wù)TC3、制造任務(wù)TC4等。

2) 任務(wù)需求域TR。在云平臺(tái)任務(wù)中,客戶的需求常常是模糊的、非結(jié)構(gòu)化的,致使客戶需求表達(dá)不充分,影響任務(wù)的開展。任務(wù)需求域知識(shí)可輔助客戶與設(shè)計(jì)師細(xì)化需求描述、發(fā)掘隱形需求,從而提升客戶滿意度。任務(wù)需求域主要包括商業(yè)需求TR1、功能需求TR2、審美需求TR3、性能需求TR4等。

3) 設(shè)計(jì)建模域DM。設(shè)計(jì)建模是面向任務(wù)需求使用設(shè)計(jì)語言進(jìn)行問題求解、并最終生成設(shè)計(jì)方案三維數(shù)字化模型的過程。設(shè)計(jì)建模域知識(shí)包括市場(chǎng)調(diào)研DM1、造型設(shè)計(jì)DM2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)DM3等。

4) 分析決策域AD。分析決策是整個(gè)任務(wù)過程中承前啟后的重要階段,連接著設(shè)計(jì)域和制造域,通過平臺(tái)專家和客戶的協(xié)同工作打通設(shè)計(jì)與制造間的壁壘,保證產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。分析決策域知識(shí)主要包括可制造性分析AD1、力學(xué)分析AD2、價(jià)格分析AD3、模型處理AD4等。

5) 打印制造域PM。打印制造是依據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行零件打印、表明處理、總體裝配等制造流程的方案最終實(shí)現(xiàn)過程。打印制造域知識(shí)主要包括工藝流程PM1、打印設(shè)備PM2、表明處理PM3等。

TR、DM、AD、PM可統(tǒng)稱為任務(wù)過程域,與任務(wù)階段一一對(duì)應(yīng)。

3D打印云服務(wù)平臺(tái)典型任務(wù)的信息映射即是通過以上5個(gè)域信息的完整映射構(gòu)成的,如圖2所示。

1.2.2 云平臺(tái)信息映射類型

云平臺(tái)典型任務(wù)的信息映射主要有以下5種:

1) 從案例域到過程域。在任務(wù)過程中,根據(jù)任務(wù)屬性選取與新任務(wù)相似的歷史任務(wù),得到相似任務(wù)集。一個(gè)任務(wù)案例包含若干個(gè)任務(wù)過程的知識(shí)信息。案例域向過程域的映射,不僅可為新任務(wù)過程的某個(gè)任務(wù)階段提供歷史案例中相應(yīng)階段的經(jīng)驗(yàn)知識(shí),更可以基于知識(shí)鏈提供相關(guān)階段的知識(shí)信息和知識(shí)關(guān)系以供參考,從而提供更為全面精確的知識(shí)服務(wù)。

2) 從過程域到案例域。在新任務(wù)完成過程中,產(chǎn)生新的任務(wù)知識(shí),各階段新的知識(shí)與知識(shí)間的關(guān)系形成新的任務(wù)案例知識(shí)返回到案例域中。

3) 過程域正向映射。指任務(wù)信息從前期的任務(wù)過程域映射到后期的任務(wù)過程域,包括逐階段映射與跨階段映射。正向映射是前階段的任務(wù)信息對(duì)后階段的任務(wù)提供支持與約束,代表了信息隨任務(wù)過程的順序流向。

4) 過程域逆向映射。指任務(wù)信息從后期的任務(wù)過程域映射到前期的任務(wù)過程域,同樣包括逐階段映射與跨階段映射。逆向映射是后階段任務(wù)過程信息向前階段的反饋,使前階段任務(wù)過程參考后階段任務(wù)信息進(jìn)行調(diào)整與改進(jìn),促進(jìn)任務(wù)的順利完成。逆向映射代表了信息隨任務(wù)過程回溯的逆序流向。正向映射與逆向映射共同反映了任務(wù)過程反復(fù)迭代的特性。

5) 過程域子域平行映射。指一個(gè)過程域中的子域間,存在著不涉及過程順序的映射關(guān)系。子域間的平行映射反映了任務(wù)的復(fù)雜性。

通過上述5個(gè)域的5種信息映射方式,實(shí)現(xiàn)了3D打印云服務(wù)平臺(tái)信息的交互流通和任務(wù)的完成。

2 知識(shí)管理模式與知識(shí)服務(wù)實(shí)現(xiàn)方法

2.1 3D打印云平臺(tái)知識(shí)來源與內(nèi)容

3D打印云平臺(tái)典型任務(wù)知識(shí)依據(jù)來源可分為顯性知識(shí)與隱形知識(shí)[14]。顯性知識(shí)主要來源于現(xiàn)有相關(guān)知識(shí)系統(tǒng)中存在的知識(shí),包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、文獻(xiàn)、專利等。隱性知識(shí)主要來源于領(lǐng)域?qū)＜遗c用戶的個(gè)性化知識(shí),包括技術(shù)方法、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、問題解決方案等知識(shí)。

3D打印云平臺(tái)任務(wù)知識(shí)依據(jù)內(nèi)容可分為如下4類:

1) 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。指任務(wù)過程中所需遵循的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備操作規(guī)范、法律法規(guī)等標(biāo)準(zhǔn)與手冊(cè),標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范保證了任務(wù)實(shí)施的規(guī)范化;

2) 原理方法與支撐數(shù)據(jù)。指任務(wù)完成過程中,輔助任務(wù)主體完成任務(wù)的基礎(chǔ)性結(jié)構(gòu)化知識(shí)文件與數(shù)據(jù),如造型形式美法則、人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)原則、工藝流程等文檔資料和模型庫(kù)、材料庫(kù)、參數(shù)庫(kù)等支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù);

3) 文獻(xiàn)與專利。指與任務(wù)相關(guān)的新聞、報(bào)告、科技論文等文獻(xiàn)和相關(guān)專利;

4) 任務(wù)經(jīng)驗(yàn)。指在任務(wù)完成過程中,產(chǎn)生的任務(wù)流程知識(shí)、設(shè)計(jì)與制造經(jīng)驗(yàn)、失誤與教訓(xùn)、問題解決方案等隱形知識(shí)。

2.2 3D打印云平臺(tái)知識(shí)管理模式

3D打印云平臺(tái)是一個(gè)面向社會(huì)3D打印相關(guān)資源的“公有云”服務(wù)平臺(tái)。針對(duì)客戶在云平臺(tái)中的3D打印設(shè)計(jì)制造需求,云平臺(tái)組成虛擬團(tuán)隊(duì),提供全產(chǎn)品生命周期服務(wù)[15]。在整個(gè)任務(wù)流程中,涉及各類跨領(lǐng)域多學(xué)科的專業(yè)知識(shí),各領(lǐng)域知識(shí)輔助任務(wù)的完成。在任務(wù)不同階段,平臺(tái)基于任務(wù)屬性提供知識(shí)服務(wù),任務(wù)主體根據(jù)任務(wù)需求與執(zhí)行情況按需獲取平臺(tái)知識(shí)服務(wù)以促進(jìn)任務(wù)進(jìn)程。在每一個(gè)任務(wù)階段完成過程中,知識(shí)會(huì)得到演變與進(jìn)化,同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生新的知識(shí)。任務(wù)執(zhí)行完畢后,整個(gè)任務(wù)流程產(chǎn)生的新知識(shí)存儲(chǔ)在相應(yīng)任務(wù)領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)中,以供新任務(wù)檢索與重用。3D打印云服務(wù)平臺(tái)知識(shí)管理模式可分為4個(gè)部分:

1) 任務(wù)知識(shí)獲取。任務(wù)知識(shí)有3個(gè)主要的獲取途徑：(1) 從現(xiàn)有的相關(guān)知識(shí)庫(kù)中直接導(dǎo)入數(shù)據(jù),如標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與文獻(xiàn)專利等知識(shí),可通過領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)、專利庫(kù)等數(shù)據(jù)庫(kù)中的知識(shí)篩選獲取;(2) 領(lǐng)域?qū)＜姨峁┲R(shí),如原理方法與支撐數(shù)據(jù)類知識(shí),主要通過搜集整理各領(lǐng)域?qū)＜业姆椒ㄅc經(jīng)驗(yàn)知識(shí)而獲得;(3) 任務(wù)主體完成任務(wù)過程中產(chǎn)生的任務(wù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí),此類知識(shí)本質(zhì)是任務(wù)主體通過分析綜合已有任務(wù)案例知識(shí)完成任務(wù)后產(chǎn)生的新的知識(shí)。

2) 任務(wù)知識(shí)的分類與表達(dá)。任務(wù)知識(shí)的合理分類與表達(dá)是知識(shí)與任務(wù)準(zhǔn)確匹配的基礎(chǔ)。依據(jù)任務(wù)過程,領(lǐng)域?qū)＜彝ㄟ^多輪研討建立知識(shí)分類框架,實(shí)現(xiàn)知識(shí)的有效組織[16]。平臺(tái)管理人員將獲取的知識(shí)整理到各類知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中,根據(jù)知識(shí)分類框架構(gòu)建任務(wù)知識(shí)資源多領(lǐng)域本體,對(duì)知識(shí)進(jìn)行基于本體的語義表達(dá)。

3) 個(gè)性化知識(shí)服務(wù)。依據(jù)任務(wù)屬性,提供個(gè)性化的任務(wù)知識(shí)服務(wù),是3D打印云平臺(tái)知識(shí)管理的關(guān)鍵?；诒倔w對(duì)任務(wù)建模,建立知識(shí)與任務(wù)之間的映射模型,表達(dá)知識(shí)與任務(wù)之間的關(guān)系。通過任務(wù)主體檢索和平臺(tái)主動(dòng)推送的方式進(jìn)行精確化、個(gè)性化的知識(shí)服務(wù)。

4) 知識(shí)庫(kù)的維護(hù)與進(jìn)化。在任務(wù)進(jìn)行中,會(huì)產(chǎn)生新的知識(shí)。新的知識(shí)經(jīng)平臺(tái)專家篩選與分類后,存儲(chǔ)進(jìn)入知識(shí)庫(kù)中,作為任務(wù)知識(shí)供新的任務(wù)參考使用。這一過程貫穿整個(gè)任務(wù)流程。云平臺(tái)知識(shí)管理人員需對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行知識(shí)導(dǎo)入、知識(shí)修改、刪除知識(shí)等操作,對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)。任務(wù)案例知識(shí)庫(kù)隨著平臺(tái)任務(wù)的增加而不斷擴(kuò)充與進(jìn)化。

知識(shí)管理模式如圖3所示。

圖3 知識(shí)管理模式

2.3 知識(shí)服務(wù)方法

在3D打印云服務(wù)平臺(tái)任務(wù)中,任務(wù)主體通過主動(dòng)檢索或平臺(tái)自動(dòng)推送的方式獲取知識(shí),從而獲得知識(shí)服務(wù)。知識(shí)服務(wù)內(nèi)容需密切關(guān)聯(lián)任務(wù)特點(diǎn),以便使任務(wù)主體更高效地完成任務(wù)。本體是對(duì)特定領(lǐng)域中某套概念及其相互之間關(guān)系的形式化表達(dá),具有領(lǐng)域性、規(guī)范化和形式化的特點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的知識(shí)服務(wù)方式,基于本體的知識(shí)服務(wù)可以呈現(xiàn)更多的關(guān)聯(lián)知識(shí)[17]。本文通過基于本體對(duì)知識(shí)與任務(wù)進(jìn)行建模與表示,建立本領(lǐng)域概念之間的語義關(guān)系,為知識(shí)與任務(wù)過程的匹配奠定基礎(chǔ)。

2.3.1 基于本體的知識(shí)與任務(wù)建模

3D打印云服務(wù)平臺(tái)的知識(shí)可形式化描述為一個(gè)四元組，即

KOP=(NK,AK,DK,BK)

(1)

式中：KOP為知識(shí)模型;NK為知識(shí)名稱;AK為知識(shí)對(duì)象屬性,指知識(shí)涉及產(chǎn)品的屬性,包括產(chǎn)品名稱、所屬行業(yè)、產(chǎn)品功能、產(chǎn)品造型特征、主要結(jié)構(gòu)、材料信息等屬性,知識(shí)對(duì)象屬性通過本體中的概念表示;DK為知識(shí)所屬域,DK={TC,TR,DM,AD,PM},一條知識(shí)可同時(shí)屬于多個(gè)域;BK為知識(shí)的基本信息,如知識(shí)ID、知識(shí)來源、存儲(chǔ)與修改時(shí)間等。為了知識(shí)管理的便捷和與任務(wù)匹配規(guī)則的統(tǒng)一,不同表達(dá)形式的知識(shí)均由此模型進(jìn)行表達(dá)。不同類型知識(shí)采用不同方式獲取知識(shí)對(duì)象屬性。專利、文獻(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)等文本類知識(shí),通過獲取其關(guān)鍵詞定義其對(duì)象屬性。模型、圖片等非文本類知識(shí),則由專家根據(jù)其具體內(nèi)容定義知識(shí)對(duì)象屬性。

3D打印云平臺(tái)任務(wù)的屬性包含了輸入、輸出、任務(wù)對(duì)象、任務(wù)過程等多種屬性。其中,任務(wù)過程屬性定義了任務(wù)所處階段。不同任務(wù)階段需要與該階段具有映射關(guān)系的領(lǐng)域知識(shí)支持,因此任務(wù)過程屬性與知識(shí)模型中的知識(shí)所屬域DK相關(guān)。任務(wù)對(duì)象指任務(wù)中涉及的產(chǎn)品對(duì)象,與知識(shí)模型中知識(shí)對(duì)象屬性AK相關(guān)。根據(jù)上述分析,任務(wù)可由一個(gè)六元組來表示

T=(IT,OT,AT,PT,ST,BT)

(2)

式中：T為任務(wù)模型;IT為任務(wù)輸入;OT為任務(wù)輸出;AT為任務(wù)對(duì)象屬性,指任務(wù)所涉及產(chǎn)品的屬性,與知識(shí)對(duì)象屬性表示方法一致;PT為任務(wù)過程屬性,即所處的任務(wù)階段;ST為任務(wù)主體信息,包括任務(wù)主體角色、團(tuán)隊(duì)成員構(gòu)成、協(xié)同信息等;BT為任務(wù)基本信息,包括任務(wù)發(fā)起者、任務(wù)周期、任務(wù)費(fèi)用等。

2.3.2 個(gè)性化知識(shí)服務(wù)實(shí)現(xiàn)方式

在某個(gè)任務(wù)階段中,任務(wù)的對(duì)應(yīng)信息域和與對(duì)應(yīng)信息域具有映射關(guān)系的信息域,可為任務(wù)提供關(guān)聯(lián)知識(shí)信息,而無映射關(guān)系的知識(shí)域,則無法給任務(wù)主體提供所需的知識(shí)。因此在知識(shí)服務(wù)中,首先應(yīng)對(duì)知識(shí)進(jìn)行任務(wù)過程屬性過濾,提高服務(wù)效率與準(zhǔn)確性。此外,傳統(tǒng)的知識(shí)服務(wù)不能處理知識(shí)的語義信息,導(dǎo)致檢索或推送的知識(shí)資源不完善[18]?；诒倔w的任務(wù)建模可實(shí)現(xiàn)任務(wù)的語義表示,通過語義擴(kuò)展挖掘任務(wù)潛在知識(shí)需求,可獲得更大范圍的與任務(wù)關(guān)聯(lián)的知識(shí)集。

基于上述分析,本文構(gòu)建了任務(wù)過程屬性過濾與任務(wù)對(duì)象屬性語義過濾的知識(shí)雙重過濾模型,實(shí)現(xiàn)了知識(shí)與任務(wù)的匹配,得到了面向當(dāng)前任務(wù)的完整的個(gè)性化知識(shí)服務(wù)。其實(shí)施步驟如下:

輸入: 任務(wù)信息;

輸出: 知識(shí)資源。

步驟1 任務(wù)主體根據(jù)任務(wù)輸入對(duì)當(dāng)前任務(wù)信息進(jìn)行描述,形成任務(wù)模型;

步驟2 針對(duì)任務(wù)模型的任務(wù)對(duì)象屬性,基于本體對(duì)詞集進(jìn)行語義擴(kuò)展,得到擴(kuò)展詞集;

步驟3 在知識(shí)資源中進(jìn)行任務(wù)過程屬性過濾,選擇對(duì)應(yīng)知識(shí)域與具有映射關(guān)系的知識(shí)域中的知識(shí),得到候選知識(shí)資源;

步驟4 基于擴(kuò)展詞集進(jìn)行檢索,在候選知識(shí)資源中進(jìn)行任務(wù)對(duì)象屬性語義過濾,逐一計(jì)算任務(wù)與候選知識(shí)的語義相似度;

步驟5 判斷語義相似度是否大于設(shè)定閾值,并對(duì)大于閾值的知識(shí)進(jìn)行排序;

步驟6 對(duì)應(yīng)知識(shí)域中輸出前N個(gè)知識(shí)資源,相關(guān)知識(shí)域中輸出前M個(gè)知識(shí)資源,結(jié)束。

雙重過濾模型算法流程如圖4所示。步驟2、步驟4的具體實(shí)現(xiàn)方法在后續(xù)小節(jié)中介紹。

圖4 雙重過濾模型算法流程

2.3.3 基于本體的語義擴(kuò)展技術(shù)

傳統(tǒng)的知識(shí)匹配模型大多基于關(guān)鍵詞匹配,由于任務(wù)主體的潛在需求難以由關(guān)鍵詞進(jìn)行表達(dá),因此這種匹配方式無法提供給任務(wù)主體準(zhǔn)確的知識(shí)服務(wù)?；诒倔w的語義擴(kuò)展可使任務(wù)信息得到充分表達(dá),以獲得針對(duì)任務(wù)的完整知識(shí)服務(wù)。語義擴(kuò)展以任務(wù)對(duì)象屬性的概念為中心,基于本體獲取所有相關(guān)的概念,直到和中心詞的語義距離大于終止值時(shí)停止,得到擴(kuò)展詞集。由于較為細(xì)分的概念會(huì)有較大的相似度,因此本體概念的語義距離不僅要考慮概念間的最小路徑距離,還應(yīng)考慮概念在相應(yīng)的本體類中的相對(duì)深度[19]。語義距離為

dis(a,b)=[l(a,b)-1]α×[Dc-depth(LCS(a,b))]β

(3)

式中：dis(a,b)為概念a與b的語義距離；l(a,b)為概念a與b的最短路徑距離；Dc為本體類模型的最大深度；LCS(a,b)為概念a與b的最近公共父概念節(jié)點(diǎn)；depth(LCS(a,b))為L(zhǎng)CS(a,b)到本體根節(jié)點(diǎn)的最短路徑距離；α、β分別為最短路徑距離與相對(duì)深度這兩個(gè)因素的權(quán)重。

2.3.4 語義相似度計(jì)算方法

任務(wù)模型語義擴(kuò)展后,計(jì)算擴(kuò)展詞集與知識(shí)資源的語義相似度。語義相似度基于本體計(jì)算,逐一計(jì)算任務(wù)模型擴(kuò)展詞集與候選知識(shí)對(duì)象屬性的相似度?？捎酶拍铋g的語義距離來反映語義相似度。語義距離越小,相似度越大[20]。為了使相似度值域在0～1,a、b兩概念的語義相似度sim(a,b)計(jì)算公式為

(4)

于是,任務(wù)模型Tx與知識(shí)資源Ky總的語義相似度為

(5)

式中：n、m分別為任務(wù)對(duì)象屬性擴(kuò)展詞集概念數(shù)量和知識(shí)對(duì)象屬性的概念數(shù)量。

3 模型實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述提出的知識(shí)管理模型,開發(fā)3D打印云服務(wù)平臺(tái)知識(shí)管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)上知識(shí)的有效管理與應(yīng)用。該系統(tǒng)集成在3D打印云平臺(tái)之上,面向3D打印企業(yè)、設(shè)計(jì)師、3D打印愛好者等多類用戶提供知識(shí)服務(wù),輔助產(chǎn)品的開發(fā)。系統(tǒng)基于Windows平臺(tái),采用Eclipse作為開發(fā)環(huán)境,使用Java程序語言和Oracle數(shù)據(jù)庫(kù),搭建一個(gè)基于B/S架構(gòu)的3D打印云平臺(tái)知識(shí)管理系統(tǒng)。

3.1 3D打印知識(shí)管理系統(tǒng)架構(gòu)

知識(shí)管理系統(tǒng)面向3D打印云平臺(tái)典型任務(wù),實(shí)現(xiàn)本體管理、知識(shí)管理、任務(wù)管理和知識(shí)服務(wù)等功能。系統(tǒng)架構(gòu)共分為3個(gè)層次:

1) 數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是3D打印云服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)的基礎(chǔ),包括知識(shí)庫(kù)、用戶庫(kù)、過程庫(kù)、軟件庫(kù)、規(guī)則庫(kù)等,采用oracle數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。知識(shí)庫(kù)中包含多個(gè)子知識(shí)庫(kù),每個(gè)知識(shí)域都有對(duì)應(yīng)的知識(shí)庫(kù)。用戶庫(kù)存儲(chǔ)用戶的信息,每一種用戶角色對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶庫(kù)。過程庫(kù)存儲(chǔ)著與任務(wù)過程相關(guān)的信息,如任務(wù)過程的階段劃分,每階段任務(wù)的任務(wù)主體角色等。

2) 管理層。管理層是知識(shí)系統(tǒng)的核心,管理人員通過管理層完成知識(shí)系統(tǒng)的管理維護(hù)。主要包括過程管理模塊、知識(shí)管理模塊和系統(tǒng)管理模塊。

3) 界面層。界面層為用戶提供工作接口,用戶通過界面層進(jìn)行知識(shí)檢索并得到知識(shí)服務(wù)。

3D打印知識(shí)管理系統(tǒng)基本構(gòu)架如圖5所示。

圖5 3D打印知識(shí)管理系統(tǒng)基本構(gòu)架

3.2 知識(shí)管理系統(tǒng)的管理維護(hù)

知識(shí)管理系統(tǒng)的管理與維護(hù)由包括3D打印專家的平臺(tái)管理人員完成,主要工作是本體管理、知識(shí)錄入、知識(shí)語義建模和知識(shí)庫(kù)的更新維護(hù),包括3個(gè)功能模塊:

1) 本體管理模塊平臺(tái)管理人員借助此模塊完成本體的構(gòu)建,包括本體概念的導(dǎo)入、修改和刪除等。

2) 知識(shí)管理模塊包括知識(shí)域劃分與映射關(guān)系定義、知識(shí)錄入和知識(shí)語義化表示、知識(shí)庫(kù)的維護(hù)。

3) 評(píng)價(jià)管理模塊每一階段任務(wù)完成后,任務(wù)主體對(duì)知識(shí)服務(wù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。平臺(tái)管理人員和平臺(tái)專家對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析,依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)知識(shí)服務(wù)方案進(jìn)行改進(jìn)。

3.3 面向任務(wù)的知識(shí)服務(wù)

3D打印云服務(wù)平臺(tái)中,面向用戶的知識(shí)服務(wù)封裝為云平臺(tái)產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)模塊中的子功能模塊。在3D打印云平臺(tái)產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)中,參與任務(wù)的各任務(wù)主體依據(jù)規(guī)定的流程完成分配的任務(wù)。在任務(wù)主體執(zhí)行任務(wù)時(shí),根據(jù)任務(wù)執(zhí)行情況和自身需求在系統(tǒng)中輸入任務(wù)信息,通過對(duì)知識(shí)資源的雙重過濾,完成面向任務(wù)的個(gè)性化知識(shí)服務(wù)。

以云平臺(tái)上某款智能醫(yī)療呼吸機(jī)樣機(jī)機(jī)殼的設(shè)計(jì)制造任務(wù)為例驗(yàn)證平臺(tái)的可用性。以設(shè)計(jì)階段中的造型設(shè)計(jì)階段為例,任務(wù)主體(造型設(shè)計(jì)師)得到的任務(wù)輸入為需求提出階段客戶所提需求,如表1所示。

表1 智能呼吸機(jī)客戶需求

收到任務(wù)后,外觀設(shè)計(jì)師在知識(shí)管理系統(tǒng)中,根據(jù)需求描述輸入任務(wù)信息。平臺(tái)基于2.3.2中定義的方法獲取相關(guān)知識(shí)。首先,對(duì)任務(wù)進(jìn)行建模。其中,任務(wù)對(duì)象屬性AT=(簡(jiǎn)潔,現(xiàn)代感,白色,藍(lán)色,人機(jī)交互,布局)。任務(wù)過程屬性PT=(DM2)。基于式(3)對(duì)AT進(jìn)行擴(kuò)展,令α=0.8,β=0.2,閾值設(shè)為1。以“科技感”為例,根據(jù)式(3)得到其與“現(xiàn)代感”的語義距離為0.64<1,因此將其作為擴(kuò)展詞。經(jīng)語義擴(kuò)展后的任務(wù)對(duì)象屬性為FAT=(簡(jiǎn)潔,明快,現(xiàn)代感,科技感,未來感,白色,藍(lán)色,人機(jī)交互,布局,構(gòu)造)。之后,基于任務(wù)過程屬性對(duì)知識(shí)進(jìn)行過濾。根據(jù)圖2可知,DM2與TC及TR2,TR3,PM3具有映射關(guān)系,因此選擇知識(shí)所屬域DK中存在相關(guān)域的知識(shí)進(jìn)行進(jìn)一步篩選。最后,基于式(4)與式(5)對(duì)候選知識(shí)進(jìn)行進(jìn)一步篩選，得到檢索結(jié)果,如圖6所示。從圖6可以看出,檢索出的知識(shí)內(nèi)容不僅針對(duì)當(dāng)前任務(wù)階段,而且也包含了關(guān)聯(lián)任務(wù)階段的知識(shí),形成了以本任務(wù)階段為中心、相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)體系,對(duì)任務(wù)主體提供全面的知識(shí)輔助。在設(shè)計(jì)過程中,通過云平臺(tái)上的聊天功能與客戶及相關(guān)設(shè)計(jì)師進(jìn)行溝通。外觀設(shè)計(jì)任務(wù)完成后,按任務(wù)要求輸出草圖、效果圖、三維模型、設(shè)計(jì)說明文檔等數(shù)據(jù),作為后一階段即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的任務(wù)輸入。

圖6 檢索結(jié)果界面

與此類似,其他任務(wù)階段的任務(wù)主體獲取任務(wù)相關(guān)知識(shí)以完成任務(wù),最終經(jīng)過所有過程階段完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造,并形成新的知識(shí),經(jīng)管理人員編輯篩選后錄入知識(shí)庫(kù)。任務(wù)完成后,任務(wù)主體對(duì)知識(shí)服務(wù)的準(zhǔn)確性與有效性進(jìn)行評(píng)價(jià),管理人員根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果改進(jìn)知識(shí)屬性標(biāo)簽。

4 結(jié)束語

本文面向3D打印云服務(wù)平臺(tái),提出了任務(wù)信息驅(qū)動(dòng)的知識(shí)管理模型。通過分析平臺(tái)典型任務(wù),將平臺(tái)任務(wù)過程分為需求提出、設(shè)計(jì)建模、設(shè)計(jì)決策、打印制造四個(gè)階段。根據(jù)任務(wù)過程將任務(wù)信息歸納為任務(wù)案例域、任務(wù)需求域、設(shè)計(jì)建模域、分析決策域和打印制造域。分別對(duì)任務(wù)與知識(shí)進(jìn)行建模,基于本體概念對(duì)任務(wù)與知識(shí)進(jìn)行語義化表示,采用任務(wù)過程屬性和任務(wù)對(duì)象屬性相似度雙重過濾的方式實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的個(gè)性化服務(wù)。在此知識(shí)管理模型基礎(chǔ)上開發(fā)了面向3D打印云服務(wù)平臺(tái)的知識(shí)管理系統(tǒng),為任務(wù)主體提供了關(guān)于本任務(wù)完整的知識(shí)集,提高了任務(wù)完成效率。

本文所提出的知識(shí)管理模型,仍有改進(jìn)的空間。如任務(wù)階段劃分的改進(jìn)、任務(wù)模型的優(yōu)化、語義相似度算法的優(yōu)化等,均有待未來進(jìn)行更深入的研究。