箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識管理平臺研究

郭永輝，田建東，季寶鋒，張雪峰，萬 能

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076;2.西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

0 引言

近30 年，企業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域越來越重視知識管理，對知識管理的研究越來越多，范圍越來越廣［1-18］。中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)過50 年的發(fā)展，已經(jīng)積累了豐富的知識資源，建立了較為完善的設(shè)計(jì)師隊(duì)伍與研發(fā)流程。但是，箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在知識管理方面還存在一些不足:設(shè)計(jì)知識缺乏科學(xué)管理，設(shè)計(jì)師之間不能共享知識;新設(shè)計(jì)師成長速度慢，對經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師依賴較大;相同設(shè)計(jì)知識的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)格式多樣，相互之間難以轉(zhuǎn)化;箭體設(shè)計(jì)流程分為多個(gè)設(shè)計(jì)階段，但每個(gè)設(shè)計(jì)階段對設(shè)計(jì)知識需求的側(cè)重點(diǎn)不同，造成知識推送困難。

本文針對箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，研究箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識管理平臺，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)知識的分類、共享、重用和推送，以提高設(shè)計(jì)效率，為提升設(shè)計(jì)能力，推動創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在:針對箭體設(shè)計(jì)知識的特點(diǎn)詳細(xì)介紹了顯性知識挖掘技術(shù)、隱性知識挖掘技術(shù)和設(shè)計(jì)知識檢索技術(shù)。

1 箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識管理平臺關(guān)鍵技術(shù)

1.1 顯性知識挖掘技術(shù)

按照箭體設(shè)計(jì)知識的特點(diǎn)可以分為顯性知識與隱性知識，這2 類知識都蘊(yùn)含價(jià)值，能指導(dǎo)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)箭體。顯性知識是指能以標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)律、公式等形式存在的知識。顯性知識是設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專家對設(shè)計(jì)知識的總結(jié)，設(shè)計(jì)者通過顯性知識可以得到直觀的設(shè)計(jì)方法，并能得到相對一致的設(shè)計(jì)結(jié)果。

設(shè)計(jì)流程知識封裝是指將箭體設(shè)計(jì)過程中涉及的各類知識以其合適的方式進(jìn)行存儲和管理，提供相應(yīng)的訪問方式，使孤立的設(shè)計(jì)知識描述成為可被利用的箭體設(shè)計(jì)知識。

知識的存儲方式可以分為結(jié)構(gòu)化存儲與半結(jié)構(gòu)化存儲。結(jié)構(gòu)化存儲能充分發(fā)揮知識的內(nèi)在，有效管理設(shè)計(jì)知識，提供方便的調(diào)用方式。半結(jié)構(gòu)化存儲管理蘊(yùn)含設(shè)計(jì)知識的實(shí)例，提供有效的檢索方式供設(shè)計(jì)者查詢，設(shè)計(jì)知識由設(shè)計(jì)者抽取。本文所闡述的結(jié)構(gòu)化存儲的形式主要包括:利用數(shù)據(jù)庫表關(guān)系存儲、利用本體語言在文本中存儲。半結(jié)構(gòu)化存儲的形式主要包括:數(shù)據(jù)庫中存儲的二進(jìn)制文件、磁盤實(shí)體文件、各種軟件工具。不同形式的知識封裝方式，對應(yīng)有其合適的調(diào)用方法。通過對箭體設(shè)計(jì)知識的封裝，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)知識的可用性、積累性、共享性和交流性。

例如文本文檔類設(shè)計(jì)知識主要按照設(shè)計(jì)階段、學(xué)科類型、適用范圍、適用角色4 個(gè)角度進(jìn)行劃分，并形成4 個(gè)方面的“知識標(biāo)簽”。由各個(gè)科室、小組的專家將多年積累的設(shè)計(jì)手冊、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)文檔、典型設(shè)計(jì)方法文檔貼上知識標(biāo)簽放入數(shù)據(jù)庫集中管理，形成可被關(guān)鍵字檢索的知識元素。對該類設(shè)計(jì)知識元建立其使用頻率指標(biāo)項(xiàng)、使用評分項(xiàng)。從平時(shí)使用的頻率和反饋效果中挖掘知識。這類應(yīng)用廣泛見于科技論文的知識挖掘，通過被引用頻次來顯示論文的價(jià)值。文本文檔類設(shè)計(jì)知識挖掘如圖1 所示。

圖1 文本文檔類設(shè)計(jì)知識挖掘

1.2 隱性知識挖掘技術(shù)

隱性知識主要是指難以表達(dá)的、隱含在設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)方案中的設(shè)計(jì)知識。隱性知識蘊(yùn)含在以往設(shè)計(jì)案例或者專家的頭腦中，其中設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)知識無法抽取。設(shè)計(jì)者通過隱性知識只能得到類似成功案例的設(shè)計(jì)結(jié)果，結(jié)合設(shè)計(jì)者對隱性知識的判斷才能得到設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)結(jié)果也難以一致。

由于隱性設(shè)計(jì)知識難于總結(jié)抽取，所以只能以設(shè)計(jì)實(shí)例的形式存儲，讓設(shè)計(jì)者從成功實(shí)例中借鑒設(shè)計(jì)知識。設(shè)計(jì)實(shí)例的表現(xiàn)形式主要是各種磁盤文件，主要是各個(gè)設(shè)計(jì)學(xué)科中的設(shè)計(jì)流程、模型文件、視頻、音頻等多媒體文件等。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是二維和三維的CAD 模型。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足性能要求，需要建立多個(gè)學(xué)科仿真分析的CAE 模型。另外，為了直觀表達(dá)設(shè)計(jì)結(jié)果，與這些多學(xué)科設(shè)計(jì)模型相關(guān)的有視頻、動畫和音頻文件等作為輔助。

對于設(shè)計(jì)活動中使用的CAD 設(shè)計(jì)模型，通過幾何特征識別算法獲取該設(shè)計(jì)對象的結(jié)構(gòu)特征，以其中有代表性的典型結(jié)構(gòu)特征作為“對象標(biāo)簽”;以CAD模型的幾何參數(shù)列表為“參數(shù)標(biāo)簽”;模型中其它物理屬性作為“物理標(biāo)簽”;將產(chǎn)品裝配體中各零組件之間的裝配約束關(guān)系作為“關(guān)系標(biāo)簽”。挖掘?qū)?yīng)不同型號的各零組件的參數(shù)組合規(guī)律。

對于設(shè)計(jì)活動中使用的CAE 分析模型，將前置處理參數(shù)、邊界施加條件作為模型的“參數(shù)標(biāo)簽”;以分析結(jié)果差異作為“關(guān)注標(biāo)簽”;以該模型的優(yōu)化目標(biāo)作為“對象標(biāo)簽”。對比相同“對象標(biāo)簽”條件下，不同“參數(shù)標(biāo)簽”設(shè)置下“關(guān)注標(biāo)簽”的變化，挖掘出CAE 分析模型關(guān)聯(lián)的分析結(jié)果規(guī)律。其中前置處理中需要用到顯性知識(例如材料參數(shù))的地方建立隱性知識與顯性知識之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以通過隱性知識檢索到顯性知識，形成多級知識挖掘機(jī)制。CAE模型知識挖掘如圖2 所示。

圖2 CAE 模型知識挖掘

1.3 設(shè)計(jì)知識檢索技術(shù)

設(shè)計(jì)知識檢索包括基于編碼的知識檢索和基于知識引導(dǎo)的多視圖設(shè)計(jì)知識檢索。

基于編碼的知識檢索:本平臺為每個(gè)知識進(jìn)行編碼，由于箭體的設(shè)計(jì)過程相對固定，將知識按照型號、流程、活動進(jìn)行編碼。編碼結(jié)構(gòu)包括型號、流程、活動、流水碼，其編碼結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。型號給予6 位編碼。因設(shè)計(jì)流程只包括方案階段設(shè)計(jì)流程、初樣階段設(shè)計(jì)流程、試樣階段設(shè)計(jì)流程和定型階段設(shè)計(jì)流程，流程位給予1 位編碼。每個(gè)設(shè)計(jì)流程又包括若干活動，這些活動包括順序進(jìn)行的活動和并行的活動，活動位給予4 位編碼，順序進(jìn)行的活動給2 位編碼，并行活動給2 位編碼。如圖4 所示，活動1 和2為并行活動，其活動位高位編碼相同;活動3 和活動4 為順序進(jìn)行的活動，其高位編碼不同。按上述編碼規(guī)則，活動1 編碼為“0101”，活動2 編碼為“0102”，活動3 編碼為“0201”。流水碼給予4 位編碼。

圖3 知識編碼結(jié)構(gòu)

圖4 流程活動

基于知識引導(dǎo)的多視圖設(shè)計(jì)知識檢索［19-20］:根據(jù)設(shè)計(jì)要求，從功能、結(jié)構(gòu)、用途、特征等檢索參數(shù)中提取關(guān)鍵參數(shù)作為索引項(xiàng)，利用功能視圖檢索、基于情景的設(shè)計(jì)知識檢索等多種設(shè)計(jì)知識檢索策略，將檢索詞和設(shè)計(jì)知識匹配，依據(jù)相應(yīng)的排序算法，按照相關(guān)度高低找出最佳相似或前n 個(gè)相似的知識條目。

用戶在檢索設(shè)計(jì)知識時(shí)，若熟悉編碼規(guī)則以及設(shè)計(jì)任務(wù)的型號，設(shè)計(jì)流程和活動，可采用基于編碼的知識檢索方法;若想通過關(guān)鍵詞檢索到設(shè)計(jì)知識可通過基于知識引導(dǎo)的多視圖設(shè)計(jì)知識檢索方法。

2 箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識管理平臺的體系結(jié)構(gòu)

箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖5 所示，從縱向看，分為知識管理模塊、知識推送模塊、流程管理模塊、系統(tǒng)管理模塊。知識管理模塊負(fù)責(zé)知識的新建更新等;知識推送模塊負(fù)責(zé)知識檢索和向用戶推送合宜的知識;流程管理模塊負(fù)責(zé)流程的新建、更新與發(fā)布等功能;系統(tǒng)管理模塊包括型號管理、用戶管理、機(jī)構(gòu)管理、角色管理等。

從橫向看，分為交互操作層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)存儲層。交互操作層是用戶與平臺交互信息的窗口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入、修改、刪除、查詢、統(tǒng)計(jì)等;業(yè)務(wù)邏輯層是平臺的核心，實(shí)現(xiàn)知識的業(yè)務(wù)邏輯處理，設(shè)計(jì)流程維護(hù)和系統(tǒng)管理;數(shù)據(jù)存儲層主要為平臺提供基礎(chǔ)支持，由知識索引數(shù)據(jù)庫、用戶數(shù)據(jù)庫、動態(tài)數(shù)據(jù)庫和文件數(shù)據(jù)庫等幾部分組成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、查詢和備份，維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性和安全性。

圖5 箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識管理平臺體系結(jié)構(gòu)

3 箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識管理平臺的功能模型

箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識管理平臺功能模型如圖6 所示，包括知識管理、知識推送、流程管理、任務(wù)管理和系統(tǒng)管理等。

知識管理模塊為本系統(tǒng)提供知識管理功能。知識新建:創(chuàng)建新知識，定義知識的相關(guān)屬性;知識更新:對需要更新的知識進(jìn)行更新;知識標(biāo)簽:以標(biāo)簽的形式顯示知識;熱門知識應(yīng)用:以列表的形式展現(xiàn)常用的知識。

知識推送模塊包括主動推送和被動推送，主動推送包括維護(hù)用戶使用列表，即對用戶在箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)活動中使用過的知識都記錄并保存。被動推送即用戶輸入需要檢索的知識的關(guān)鍵字，檢索出相似程度高、可供參考的知識。

流程管理模塊包括流程新建、流程查詢、流程查看。流程新建:按照流程階段(包括方案設(shè)計(jì)階段、初樣設(shè)計(jì)階段、試樣設(shè)計(jì)階段、定型設(shè)計(jì)階段)創(chuàng)建流程，定義流程的相關(guān)屬性;流程查詢:根據(jù)型號、流程階段、創(chuàng)建者、流程名稱、流程編號等查詢條件查詢流程，展現(xiàn)流程列表;流程查看:查看設(shè)計(jì)流程的基本信息和當(dāng)前的狀況;

任務(wù)管理模塊包括任務(wù)查看、任務(wù)接受和任務(wù)執(zhí)行。任務(wù)查看:查看待執(zhí)行的任務(wù)，按照型號和設(shè)計(jì)階段對任務(wù)進(jìn)行分類管理;任務(wù)接受:接受要執(zhí)行的任務(wù);任務(wù)執(zhí)行:執(zhí)行任務(wù)并反饋任務(wù)執(zhí)行的情況。

系統(tǒng)管理模塊提供該系統(tǒng)的維護(hù)等功能，包括型號管理、機(jī)構(gòu)管理、用戶管理和角色管理。

圖6 箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識管理平臺功能模型

4 箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識管理平臺的實(shí)現(xiàn)

開發(fā)的箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識管理平臺中“設(shè)計(jì)任務(wù)提交”頁面如圖7 所示。頁面左上方是關(guān)于啟動各項(xiàng)相關(guān)軟件的按鈕。右邊顯示的是用戶可以提交完成該項(xiàng)任務(wù)過程中所用到的知識以及任務(wù)的解決方案，在保存之后同時(shí)推送到下一階段的已提交知識列表中。確定信息無誤后，點(diǎn)擊“提交任務(wù)”按鈕，任務(wù)名稱將會展現(xiàn)在用戶已完成的任務(wù)列表中。

圖7 設(shè)計(jì)任務(wù)提交頁面

5 結(jié)束語

箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部門最大的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)知識種類繁多、內(nèi)容量大，不僅包括標(biāo)準(zhǔn)件、型材、材料、設(shè)計(jì)規(guī)范等顯性設(shè)計(jì)知識，還有設(shè)計(jì)者在長期探索實(shí)踐中所積累的隱性經(jīng)驗(yàn)知識。針對中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，研究并開發(fā)了箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識管理平臺，該平臺具有如下特點(diǎn):緊密結(jié)合箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研制流程，讓知識在流程中“活動”起來;支持多源知識的采集、快速檢索和準(zhǔn)確推送;良好的開放性，可以圍繞該平臺做各種擴(kuò)展。

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