吳雨佳，曹 巖

(西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710021)

面對激烈的市場競爭，對于制造型企業(yè)來說，能否適應(yīng)市場需求的改變，快速的進行產(chǎn)品的設(shè)計創(chuàng)新，提高產(chǎn)品設(shè)計水平，是判斷企業(yè)能否長久穩(wěn)定發(fā)展的重要指標。為了有效的管理多源、大規(guī)模、多類型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的各種產(chǎn)品設(shè)計知識、研究方法和已有案例，需要構(gòu)建產(chǎn)品設(shè)計知識系統(tǒng)來存儲和管理設(shè)計知識，以便在生產(chǎn)設(shè)計過程中能快速準確的定位并獲取所需知識，從而優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，滿足產(chǎn)品的個性化需求，提高效率，促進問題求解。

機械產(chǎn)品的設(shè)計過程是一個復(fù)雜的基于知識和經(jīng)驗的活動。產(chǎn)品的設(shè)計過程會涉及到多對象、多學(xué)科、多因素的問題，針對同一個設(shè)計問題，不同學(xué)歷、不同背景、不同經(jīng)驗的設(shè)計人員由于設(shè)計思路的不同，可能會設(shè)計出不同的方案。解決產(chǎn)品設(shè)計問題的工作流程大致可分為以下五步：設(shè)計問題的提出、概念設(shè)計分析、框架結(jié)構(gòu)初步設(shè)計、具體問題的詳細設(shè)計和設(shè)計方案的評估、確定[1]。每一個設(shè)計階段所要完成的具體目標都有特定的要求，描述了產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中的每一個階段的設(shè)計對象。設(shè)計問題的提出是產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程的開端，從分析市場需求出發(fā)，進行項目可行性分析，并制定開發(fā)計劃。概念設(shè)計則是從設(shè)計需求出發(fā)，對產(chǎn)品進行功能分析、原理分析，制定產(chǎn)品限制條件，將設(shè)計需求進行分解，制定出產(chǎn)品所要實現(xiàn)的具體功能，將設(shè)計問題表達為層次清晰的組織結(jié)構(gòu)，以設(shè)計方案的形式進行知識描述[2]。產(chǎn)品的初步設(shè)計是根據(jù)已生成的設(shè)計問題組織結(jié)構(gòu)，對產(chǎn)品進行整體結(jié)構(gòu)性分析，通過應(yīng)用設(shè)計人員自身的知識儲備和借鑒已有的經(jīng)驗和方案，對其進行修改創(chuàng)新，對產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、外觀設(shè)計，形成產(chǎn)品設(shè)計的總體框架[3]。詳細設(shè)計階段是在已有的初步設(shè)計的基礎(chǔ)上對產(chǎn)品設(shè)計框架進行精確描述，細化到每一個部件的設(shè)計，零件的設(shè)計，包括尺寸、公差、約束等[4]。在這個階段，需要參考所涉及到的各個領(lǐng)域的知識，對設(shè)計對象進行信息添加，設(shè)計者需要維持設(shè)計系統(tǒng)的合理性，剔除冗余信息和矛盾信息，最終輸出一套完整的設(shè)計方案。文中提出產(chǎn)品設(shè)計知識建模的基本方法，對產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新過程中的知識獲取、知識分類、知識表達、知識庫系統(tǒng)構(gòu)建進行研究。

1 知識庫的構(gòu)建

知識庫的構(gòu)建過程，主要是知識獲取和知識表達的過程。知識獲取可以看作是多源、異構(gòu)知識的轉(zhuǎn)化問題，是對知識進行整理并將其轉(zhuǎn)化為可以直接被利用的知識的過程，是建立知識庫的基礎(chǔ)[2]。知識獲取的主要方式包括從人類專家、書籍、生產(chǎn)實踐、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)、知識購買、組織合作等多種途徑，是對知識進行推理求解、挖掘、創(chuàng)新的前提條件，所獲取的知識質(zhì)量和廣度直接影響系統(tǒng)性能。知識獲取是將系統(tǒng)內(nèi)部或外部環(huán)境中的知識，轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)部的知識，并將這些知識進行整理，將它轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品創(chuàng)新所需的知識的過程，知識獲取是創(chuàng)造新知識的前提。依據(jù)知識源中的知識是否可以表達將知識分為顯性知識和隱性知識[3]。顯性知識包含書面文字、圖標、公式等，具有易識別管理的特點。隱性知識是指不能明確表達的個人知識，包括經(jīng)驗、觀點、技巧、價值體系等，需要知識工程師以多種方式進行知識的抽取。知識獲取的主要方式包括，系統(tǒng)內(nèi)部實踐過程中的知識積累；對專家、文本資料或網(wǎng)絡(luò)上的知識的理解、匯集、分類和重組；知識購買或引進，如專利轉(zhuǎn)讓，人才引進等；通過與其他組織的合作獲取新的資源。同時，知識獲取的過程中要檢查或保持已獲取知識集合的整體性，保證知識點之間無矛盾，同時要保持知識系統(tǒng)的精簡，即知識無冗余。

知識表示是產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)問題求解的基礎(chǔ)[4]，其根本就是對知識的描述，用特定的方式把知識編碼成一組能被計算機接受并便于被系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[5]。只有適當?shù)谋硎痉椒ǎ拍苁怪R在計算機中被有效存儲、檢索、使用和修改。知識表達方式應(yīng)當有充分的表達能力，能清晰的表達相關(guān)領(lǐng)域的知識，便于知識共享、知識獲取以及知識推理創(chuàng)新，知識表示方式有很多種，每一種表示方法都各具優(yōu)點，但也都存在一定的局限性，面對不同的知識類型，針對其特點選取不同的知識表達方式。敘述性知識描述對象、性質(zhì)、狀況和關(guān)系適宜用邏輯表示法，描述知識和陳述各種過程知識之間的關(guān)系適宜用產(chǎn)生式表示法，復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適宜用框架表示法，異構(gòu)系統(tǒng)之間的知識共享適宜用本體表示法，按照面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計原則的混合知識表示適宜用面向?qū)ο蟊硎痉ǎ瑢嶒炦^程知識適宜用過程表示法，描述事件、概念、狀況、動作及客體之間的關(guān)系適宜用語義網(wǎng)表示法，概念及其語義之間的關(guān)系適宜用語義網(wǎng)表示法[6]。本體表示法具有層次清晰，關(guān)聯(lián)性明確，便于知識重用，易于知識推理等特點，能夠?qū)?fù)雜的、多源的、異構(gòu)的知識及其所包含的深層語義知識進行有效處理，采用語義明確、定義統(tǒng)一的術(shù)語和概念，便于對知識進行更深層的利用、開發(fā)和創(chuàng)新[7]。

2 機械產(chǎn)品設(shè)計的知識表達

機械設(shè)計領(lǐng)域知識數(shù)量大、種類多，本文依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的知識特征，構(gòu)建知識分類體系，根據(jù)其知識特點選取本體表示法作為構(gòu)建產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的知識建模方法。對于機械產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)知識的管理，首先要明確設(shè)計問題，根據(jù)具體問題進行相關(guān)領(lǐng)域知識獲取，建立產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的知識分類模型，知識分類是構(gòu)建知識表達模型的基礎(chǔ)。一個合理的知識分類模型，可以更好的優(yōu)化已有知識的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建更加完善的設(shè)計系統(tǒng)。針對機械產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的實際問題，依據(jù)多領(lǐng)域知識進行分類，從設(shè)計流程入手，進行系統(tǒng)化的分類歸納，建立如圖1所示的機械產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)知識分類模型。

圖1 機械產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)知識分類模型

文中從知識系統(tǒng)知識源、知識獲取、知識分類以及知識儲存、調(diào)用方面分析知識體系的構(gòu)建，基于本體表示法，建立機械產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的知識表達模型，如圖2所示。知識的獲取層代表知識源，主要包括基礎(chǔ)性知識、通用性知識；知識的分類層接收由知識獲取層提供的數(shù)據(jù)、方法等知識，按照分類模型進行整理；知識的存儲層根據(jù)知識的類型劃分存儲方式；知識的本體層應(yīng)用本體描述語言，實現(xiàn)對機械產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)領(lǐng)域知識的記錄和描述；應(yīng)用層對設(shè)計系統(tǒng)知識的應(yīng)用過程進行描述并儲存。

產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的知識表達本體模型表示為

T={TClass,TPropert,TRelation,TOntology}。

式中：T為機械產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)知識本體；TClass為領(lǐng)域內(nèi)知識對象的集合，包含機械產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)中的知識分類體系；TPropert為領(lǐng)域內(nèi)知識本體屬性的集合，用來描述類中的概念，具有限制類中概念和實例的功能；TRelation為知識本體間關(guān)聯(lián)關(guān)系和潛在邏輯關(guān)系的集合；TOntology為知識本體實例的集合，包含產(chǎn)品對象、設(shè)計過程中所產(chǎn)生的知識等。

基于Protégé軟件的機械產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)知識本體構(gòu)建流程如下：① 根據(jù)所要建模的實際問題，分析問題背景，明確實際意義，掌握對象的各種相關(guān)信息。② 根據(jù)分析實際對象的特征和建模目的，對實際問題進行必要的簡化。③ 分析已有知識框架體系中是否有可重用的知識本體。如果有可重用本體，則對本體進行分析，判斷是否滿足當前需求，如完全符合要求，則直接對該本體加以利用；如果不完全符合可對已有本體進行適當修改后加以利用。如果沒有與當前問題相關(guān)的可重用本體，則進入④。④ 列出本體中的重要術(shù)語。⑤ 定義分類概念和概念分類體系，定義類的屬性，定義屬性。⑥ 創(chuàng)建實例，分析當前本體是否滿足要求，如果滿足要求則創(chuàng)建知識本體，否則返回⑤進行修改。

針對機械產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的知識分類模型確定本體構(gòu)建框架，依據(jù)知識分類模型，將設(shè)計系統(tǒng)中的知識依據(jù)所屬層級，建立知識元概念結(jié)構(gòu)。根據(jù)知識元之間的相互關(guān)聯(lián)特征，定義屬性及分析特征。將知識以概念的形式進行提取，利用Protégé軟件創(chuàng)建本體。

圖2 機械產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的知識表達模型

3 實例驗證

以轉(zhuǎn)軸的設(shè)計系統(tǒng)為例，描述了機械產(chǎn)品設(shè)計知識庫構(gòu)建的基本流程。進行領(lǐng)域內(nèi)知識獲取及知識建模，開放系統(tǒng)權(quán)限，設(shè)計人員可以根據(jù)實際的設(shè)計問題對系統(tǒng)知識進行查詢、添加、修改、擴展和刪除，提高了知識庫的更新速率及知識的可重用性。采用自頂向下的等級構(gòu)建方法，結(jié)合轉(zhuǎn)軸設(shè)計領(lǐng)域的知識結(jié)構(gòu)，將“轉(zhuǎn)軸設(shè)計”定義為超類“Thing”的子類，參考軸設(shè)計的相關(guān)技術(shù)資料進一步確定了“軸設(shè)計的工程數(shù)據(jù)庫”、“軸設(shè)計公式”兩個大類。其中，“軸設(shè)計的工程數(shù)據(jù)庫”類包含“軸的常用材料”、“軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計”、“軸的強度”、“軸的剛度”、“軸的臨界轉(zhuǎn)速”、“鋼絲軟軸”和“低速曲軸”七個子類；“軸設(shè)計公式”類包含“最小直徑計算公式”、“彎曲應(yīng)力計算公式”、“安全系數(shù)計算”、“扭轉(zhuǎn)剛度計算”、“彎曲剛度計算”和“臨界轉(zhuǎn)速計算”六個子類。圖3是通過protégé軟件建立的軸設(shè)計的本體組織結(jié)構(gòu)樹。

通過領(lǐng)域本體的構(gòu)建有助于把大量無序的設(shè)計資源進行整合，將設(shè)計資源中離散的知識有序整合起來，將整個轉(zhuǎn)軸設(shè)計過程層次化，并將設(shè)計資源劃分為靜態(tài)資源(概念、公式、定理等)及動態(tài)資源(隨設(shè)計需求改變的數(shù)據(jù))，在為設(shè)計者提供相應(yīng)的設(shè)計知識的同時，有效的幫助設(shè)計者分析其中有價值的信息，以滿足用戶個性化的設(shè)計需求。系統(tǒng)可實現(xiàn)從參數(shù)化特征造型、可視化結(jié)構(gòu)分析計算與校核，到設(shè)計結(jié)果的文本、圖形、報表輸出的整個流程。它可以完成靜定(懸臂梁、雙支承軸)和超靜定(三支承軸)的設(shè)計，為方便設(shè)計人員的使用，系統(tǒng)儲存有一套設(shè)計示例，系統(tǒng)內(nèi)使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)知識來源于現(xiàn)行的最新國家標準。系統(tǒng)具有智能化的設(shè)計引導(dǎo)模塊、可視化的結(jié)構(gòu)分析、參數(shù)化的特征造型、合理方便的人機交互窗口、參數(shù)的即時校核、實時數(shù)據(jù)輸入提示、強度校核危險截面的智能識別等特點。用戶可利用系統(tǒng)的設(shè)計知識查詢模塊，根據(jù)需求選擇分類子模塊進行相關(guān)設(shè)計知識的查詢；可進入設(shè)計模塊，根據(jù)設(shè)計需求以及所進行的操作，進行轉(zhuǎn)軸的設(shè)計計算及校核。整個設(shè)計流程由多個部分組成，包括：設(shè)計信息、初始條件選擇(如圖4所示)、最小直徑計算、軸的結(jié)構(gòu)造型、繪制零件圖、進行力學(xué)計算、繪制內(nèi)力圖、彎曲應(yīng)力校核強度、安全系數(shù)校核、剛度校核、計算臨界速度、計算結(jié)果輸出，每一個子模塊代表設(shè)計流程中的一個步驟。

圖3 軸設(shè)計的本體組織結(jié)構(gòu)樹

圖4 軸設(shè)計初始條件設(shè)置

最終輸出的詳細報表中會顯示軸設(shè)計過程中每一步的詳細參數(shù)及計算采用的公式，以及轉(zhuǎn)軸設(shè)計的彎矩圖，包括轉(zhuǎn)軸的零件圖、水平面剪力圖、垂直面剪力圖(如圖5所示)、垂直面彎矩圖、水平面彎矩圖、合成彎矩圖、扭矩圖等內(nèi)容。依據(jù)軸設(shè)計知識系統(tǒng)的推送方案，設(shè)計人員在設(shè)計初期即可獲得完整的設(shè)計流程知識框架，提高了設(shè)計人員的工作效率，完善的體系知識也更有利于設(shè)計人員進行知識創(chuàng)新。Fv為垂直面剪力，x為軸向位置坐標。

圖5 彎矩分析圖中的垂直面剪力圖

4 結(jié) 論

機械產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的建立，解決了不同研究背景的設(shè)計人員跨領(lǐng)域、跨學(xué)科知識難以精通，隱性知識難以獲取以及個體固有經(jīng)驗難以更新的難題。針對機械產(chǎn)品快速設(shè)計需求，分析機械產(chǎn)品設(shè)計過程及特點，提出了基于領(lǐng)域本體的多源、異構(gòu)知識的獲取方法和知識表達方法。構(gòu)建的設(shè)計系統(tǒng)不僅可以為設(shè)計人員提供系統(tǒng)化的知識查詢、知識共享和知識重用，還可作為計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)的子系統(tǒng)，自動存儲、推送既往設(shè)計信息及相關(guān)問題的解決方案，為新產(chǎn)品的開發(fā)升級提供理論基礎(chǔ)。