面向智能設(shè)計(jì)的知識表達(dá)方法

/北京宇航系統(tǒng)工程研究所

知識管理理論與實(shí)踐起源于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過數(shù)10年的發(fā)展，多數(shù)組織已經(jīng)建立了知識管理信息系統(tǒng)，積累了大量設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)知識。由于設(shè)計(jì)對象的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)已不能滿足需求，需要研究如何將知識和智能化設(shè)計(jì)工具結(jié)合，使計(jì)算機(jī)可以將積累的設(shè)計(jì)知識利用起來，輔助設(shè)計(jì)人員提升設(shè)計(jì)效率，達(dá)到智能化設(shè)計(jì)的目的。

一、智能化設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)工具

設(shè)計(jì)工具是智能化設(shè)計(jì)的具體載體。設(shè)計(jì)的智能化體現(xiàn)在：越來越多的設(shè)計(jì)知識，特別是傳統(tǒng)上只能由人的腦力勞動(dòng)應(yīng)用的知識，逐漸可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)化地應(yīng)用于設(shè)計(jì)過程。目前，計(jì)算機(jī)軟件工具已經(jīng)在計(jì)算、仿真、邏輯判斷等很多領(lǐng)域替代人腦實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)知識的應(yīng)用，隨著數(shù)據(jù)分析、人工智能等信息技術(shù)的發(fā)展，更廣泛、更復(fù)雜的設(shè)計(jì)知識將可能通過軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)應(yīng)用，是智能化設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

通過設(shè)計(jì)工具固化并自動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)知識具有高效、可靠的特點(diǎn)，是信息時(shí)代固化設(shè)計(jì)知識的良好手段。設(shè)計(jì)工具在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)活動(dòng)的邏輯判斷和自動(dòng)執(zhí)行的同時(shí)，基于同樣的業(yè)務(wù)邏輯可實(shí)現(xiàn)知識的推送和推理，是知識推送、推理的天然載體。

由于智能化設(shè)計(jì)的上述特點(diǎn)，有必要立足于設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)知識的關(guān)系，進(jìn)一步深入研究面向智能化設(shè)計(jì)的知識管理方法。

二、設(shè)計(jì)工具與知識的關(guān)系

設(shè)計(jì)知識一般分為經(jīng)驗(yàn)禁忌、故障案例、共用模型、最新發(fā)展、最佳實(shí)踐、學(xué)術(shù)論文、發(fā)明專利、科技成果、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等類型。設(shè)計(jì)工具自身屬于“共用模型”范疇。

隨著設(shè)計(jì)工具的自動(dòng)化、智能化程度越來越高，設(shè)計(jì)工具自身的流程與功能越來越復(fù)雜，與其它類型知識的關(guān)系越來越密切。從知識管理的角度，不能僅僅將設(shè)計(jì)工具看成一個(gè)封閉的“黑盒”模型，而必須將其作為一個(gè)“白盒”，剖析其結(jié)構(gòu)和內(nèi)容與各種設(shè)計(jì)知識的關(guān)系。從工具自身發(fā)展的角度，未來有生命力的設(shè)計(jì)工具必然是開放的軟件體系，面向?qū)I(yè)社區(qū)開放軟件架構(gòu)和核心源代碼，能夠持續(xù)擴(kuò)展和重構(gòu)，快速適應(yīng)新的設(shè)計(jì)需求，體現(xiàn)新的設(shè)計(jì)知識。這2個(gè)方面對工具開放性的要求是相輔相成的。

對于專業(yè)自主研發(fā)設(shè)計(jì)工具，其本身就是專業(yè)、崗位設(shè)計(jì)知識的固化和表達(dá)，有必要將軟件的研制過程與相關(guān)知識的識別、采集和表達(dá)過程有機(jī)地結(jié)合起來，持續(xù)而完整地識別、采集工具中固化的知識，規(guī)范地在工具中表達(dá)和應(yīng)用設(shè)計(jì)知識，形成知識和工具的良性循環(huán)、持續(xù)提升。

1.設(shè)計(jì)流程的再梳理

為了深入研究設(shè)計(jì)知識如何充分地在軟件工具中實(shí)際表達(dá)和利用，我們認(rèn)識到專業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)人與計(jì)算機(jī)程序緊密結(jié)合的過程，在當(dāng)今的信息時(shí)代，幾乎所有的設(shè)計(jì)工作都無法脫離計(jì)算機(jī)程序完成。為適應(yīng)研究設(shè)計(jì)知識和設(shè)計(jì)工具關(guān)系的需求，筆者對專業(yè)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了再梳理，目標(biāo)是全面、充分地明確整個(gè)過程中人和計(jì)算機(jī)的各種交互關(guān)系，在這些交互中涉及到哪些設(shè)計(jì)知識，以及這些知識參與人機(jī)交互的方式。

從人機(jī)交互的角度梳理一般專業(yè)設(shè)計(jì)流程，簡化表達(dá)如圖1所示。

由于不同任務(wù)的專業(yè)設(shè)計(jì)需求時(shí)常發(fā)生變化，專業(yè)設(shè)計(jì)軟件需要持續(xù)改進(jìn)。因此，專業(yè)設(shè)計(jì)流程包括設(shè)計(jì)工具軟件開發(fā)或改進(jìn)與設(shè)計(jì)工具軟件應(yīng)用2個(gè)核心活動(dòng)。

在設(shè)計(jì)工具軟件開發(fā)或改進(jìn)活動(dòng)中，設(shè)計(jì)師同時(shí)也是軟件工程師，以軟件開發(fā)的方式與計(jì)算機(jī)互動(dòng)，互動(dòng)的主要對象是設(shè)計(jì)工具軟件的源代碼。

在設(shè)計(jì)工具軟件應(yīng)用活動(dòng)中，設(shè)計(jì)師的身份是軟件用戶，使用設(shè)計(jì)工具提供的用戶界面（圖形化或非圖形化）與計(jì)算機(jī)互動(dòng)，完成具體設(shè)計(jì)工作。

同時(shí)設(shè)計(jì)過程本身也是一個(gè)設(shè)計(jì)軟件不斷迭代和完善的過程。除了上述設(shè)計(jì)流程中包含的人機(jī)交互方式之外，還存在一種重要的人機(jī)交互方式——利用設(shè)計(jì)工具開展學(xué)習(xí)活動(dòng)。一般是以“白盒”形式，參考軟件的源代碼實(shí)現(xiàn)，利用軟件功能進(jìn)行試算和專業(yè)研究。

圖1 專業(yè)設(shè)計(jì)流程圖

2.設(shè)計(jì)知識的分類

基于上述設(shè)計(jì)流程再梳理的思路，從人機(jī)交互方式的角度對專業(yè)設(shè)計(jì)知識進(jìn)行分類。

流程型。流程型知識表達(dá)的核心是計(jì)算或操作步驟的順序，這些步驟必須能夠逐級細(xì)化到可執(zhí)行、可操作的程度，可能體現(xiàn)為人工操作的流程，也可能體現(xiàn)為計(jì)算機(jī)程序中的自動(dòng)流程。二者沒有本質(zhì)區(qū)別，在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化，與設(shè)計(jì)工具的智能化和自動(dòng)化程度相關(guān)。

流程可以按易變程度分為2類：一類是固化流程，在一定范圍內(nèi)，不隨具體型號、任務(wù)變化的流程；另一類是易變流程，隨具體型號、任務(wù)需求變化的流程。一個(gè)完整的設(shè)計(jì)流程，往往在粗粒度上是固化流程，某些具體活動(dòng)細(xì)化展開后是易變流程。

固化流程本身是對專業(yè)設(shè)計(jì)知識的高度凝練，體現(xiàn)了專業(yè)的核心原理，將設(shè)計(jì)流程合理固化是對設(shè)計(jì)知識的一種升華。依據(jù)固化流程實(shí)現(xiàn)軟件工具，體現(xiàn)了知識對設(shè)計(jì)軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)。隨著技術(shù)成熟度的提升，一些易變流程可能會(huì)逐漸演變?yōu)楣袒鞒獭?/p>

易變流程可進(jìn)一步劃分為2種模式：一種是靜態(tài)流程，是根據(jù)具體需求直接固定定義的流程；另一種是動(dòng)態(tài)流程，是將具體設(shè)計(jì)需求和輸入轉(zhuǎn)化為形式化的模型和數(shù)據(jù)，由模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)生成的流程。

專業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)雖各有不同，但具有一定的內(nèi)在相似性，國內(nèi)外先進(jìn)設(shè)計(jì)工具的實(shí)踐結(jié)果已經(jīng)表明：我們能夠總結(jié)出通用的、計(jì)算機(jī)能夠解讀的模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表達(dá)絕大部分設(shè)計(jì)任務(wù)；我們能夠利用這種相對簡單的模型和數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成易變的、復(fù)雜的設(shè)計(jì)流程，相對于每次重新定義靜態(tài)流程降低了工作量。該種模型驅(qū)動(dòng)的方法，是對知識進(jìn)行提煉和固化的一種更高級的形式，借助更為智能化的軟件技術(shù)手段，將知識提煉為模型定義和基于模型的設(shè)計(jì)方法，是先進(jìn)設(shè)計(jì)工具的發(fā)展方向。

總之，固化流程體現(xiàn)了顯見的共性知識和核心原理；靜態(tài)的易變流程體現(xiàn)了針對具體型號和任務(wù)的特性知識，動(dòng)態(tài)易變流程自動(dòng)生成方法體現(xiàn)了對隱性共性知識的發(fā)掘和智能化應(yīng)用。盡量采用固化流程和動(dòng)態(tài)生成易變流程，是提升知識復(fù)用度和軟件通用范圍的核心思路。

流程型知識與其它類型知識的關(guān)系是：流程定義了設(shè)計(jì)活動(dòng)，在一次設(shè)計(jì)任務(wù)中起到提綱的作用，其它類型知識均與具體的設(shè)計(jì)活動(dòng)關(guān)聯(lián)。

算法型。算法型知識是在流程中一般不繼續(xù)細(xì)分的計(jì)算活動(dòng)。專業(yè)計(jì)算活動(dòng)一般均由計(jì)算機(jī)程序完成，是公式、算法、數(shù)據(jù)等設(shè)計(jì)知識在軟件中的直接固化。在軟件工具中，算法型知識除體現(xiàn)為軟件源代碼外，一般均應(yīng)同時(shí)提注釋、文檔等說明信息，幫助閱讀和學(xué)習(xí)。

約束型。約束型知識是對流程活動(dòng)中相關(guān)數(shù)據(jù)的定量約束。一般對應(yīng)某種設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或禁忌。在軟件工具中，一般應(yīng)體現(xiàn)為程序的自動(dòng)判斷，判斷的具體判據(jù)可以通過用戶界面（或輸入數(shù)據(jù)文件）修改，與具體的輸入?yún)?shù)相關(guān)。

參考型。暫時(shí)不形成具體計(jì)算、不構(gòu)成定量約束的知識，如歷史上的質(zhì)量問題案例等。在軟件工具中，一般體現(xiàn)為上下文相關(guān)的幫助信息。

3.設(shè)計(jì)知識與設(shè)計(jì)工具開發(fā)

利用上述設(shè)計(jì)流程梳理和知識分類，可以幫助我們分類確定設(shè)計(jì)知識與軟件工具開發(fā)的具體關(guān)系，包括設(shè)計(jì)知識在軟件中的固化方式、表達(dá)方式、引用方式等，具體詳述如下。

流程型。流程是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)?；趯I(yè)的特點(diǎn)，導(dǎo)航式設(shè)計(jì)需要同時(shí)深入設(shè)計(jì)工具軟件的開發(fā)和應(yīng)用2個(gè)階段。

在設(shè)計(jì)工具軟件開發(fā)或改進(jìn)活動(dòng)中，流程型知識與軟件需求和架構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。首先要基于流程梳理結(jié)果，明確自動(dòng)流程和手動(dòng)流程的分界面，合理劃分，盡可能提升工具的自動(dòng)化、智能化水平，減少設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)。

在設(shè)計(jì)工具的開發(fā)過程中，對于易變流程，應(yīng)盡量避免在軟件中采用“硬編碼”的形式實(shí)現(xiàn)，降低軟件的維護(hù)難度。可以參考先進(jìn)設(shè)計(jì)工具，為仿真、迭代和優(yōu)化設(shè)計(jì)流程模型，用于定義易變的設(shè)計(jì)流程，也能用來存儲固化的設(shè)計(jì)流程。

通過設(shè)計(jì)流程的定義，為其它類型的設(shè)計(jì)知識與設(shè)計(jì)流程的關(guān)聯(lián)創(chuàng)造了條件，為形成導(dǎo)航式的設(shè)計(jì)工具奠定了基礎(chǔ)。

算法型。設(shè)計(jì)工具軟件開發(fā)或改進(jìn)活動(dòng)的主要內(nèi)容之一是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)流程活動(dòng)中的算法。算法型知識與設(shè)計(jì)工具的關(guān)系，主要是文本形式的原始知識和源代碼形式的軟件實(shí)現(xiàn)之間的對應(yīng)關(guān)系。雖然軟件開發(fā)基于第三方提供的通用開發(fā)平臺和工具進(jìn)行，難以將導(dǎo)航式的思路強(qiáng)制貫徹到開發(fā)過程中，但是導(dǎo)航式設(shè)計(jì)仍與設(shè)計(jì)工具開發(fā)有密切的關(guān)系。雖然算法在實(shí)現(xiàn)后一般以“黑盒”的方式調(diào)用，但并不意味著在開發(fā)完成后就不再關(guān)心軟件實(shí)現(xiàn)與知識關(guān)聯(lián)的問題，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)工具同時(shí)也是承擔(dān)學(xué)習(xí)功能的載體。如果在流程定義的基礎(chǔ)上能夠通過導(dǎo)航式的方式，閱讀和學(xué)習(xí)算法型知識的“白盒”軟件實(shí)現(xiàn)并能夠關(guān)聯(lián)的知識的來源，如相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等，對提高代碼質(zhì)量和提高學(xué)習(xí)效率都有幫助。

因此，不需要只關(guān)注狹義的開發(fā)過程、追求在開發(fā)過程中直接干預(yù)編碼，建議轉(zhuǎn)而控制開發(fā)結(jié)果，關(guān)注代碼的復(fù)用和學(xué)習(xí)參考價(jià)值，使開發(fā)成果充分體現(xiàn)導(dǎo)航式特點(diǎn)，這對計(jì)算模塊的開發(fā)提出了更高的要求。在開發(fā)過程中，不能僅僅滿足于實(shí)現(xiàn)功能，同時(shí)還需要以結(jié)構(gòu)化注釋或結(jié)構(gòu)化導(dǎo)讀文檔的形式提供導(dǎo)航信息，明確代碼實(shí)現(xiàn)與知識的關(guān)聯(lián)。在代碼走查工作中，利用導(dǎo)航信息輔助提升代碼走查的效率和效果，保證開發(fā)質(zhì)量。在后續(xù)復(fù)用和參考學(xué)習(xí)過程中，導(dǎo)航信息能大大提升代碼的可讀性，揭示軟件實(shí)現(xiàn)與知識的關(guān)聯(lián)。

具體的思路是：在開發(fā)源代碼的同時(shí)，要求開發(fā)人員以結(jié)構(gòu)化注釋或標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)文檔的方式，同時(shí)編寫出規(guī)范格式的導(dǎo)航式代碼導(dǎo)讀信息，將代碼實(shí)現(xiàn)與相應(yīng)知識相關(guān)聯(lián)?？梢蚤_發(fā)輔助工具，以圖形化的方式展現(xiàn)知識關(guān)聯(lián)信息，進(jìn)一步提升軟件代碼和導(dǎo)航信息的可讀性。導(dǎo)航信息的具體格式可不依賴于具體的開發(fā)平臺和編程語言，該方案具有高度的適應(yīng)性和可操作性。

約束型。部分約束型知識可以直接固化在相關(guān)的自動(dòng)流程的計(jì)算活動(dòng)中。該種約束型知識和設(shè)計(jì)工具的關(guān)系與算法型知識類似。在導(dǎo)航式的“白盒”代碼參考學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)重點(diǎn)呈現(xiàn)此類知識與軟件實(shí)現(xiàn)的關(guān)聯(lián)。

參考型。如果在軟件開發(fā)和參考學(xué)習(xí)過程中，需要關(guān)聯(lián)參考型知識，可以將其以鏈接的形式加入代碼導(dǎo)航信息中，以供查閱。

4.設(shè)計(jì)知識與設(shè)計(jì)工具應(yīng)用

流程型。對于先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具，能夠在不修改源代碼的前提下靈活地定義、調(diào)整和執(zhí)行設(shè)計(jì)流程。如果設(shè)計(jì)工具具備此種能力，那么在設(shè)計(jì)工具應(yīng)用活動(dòng)中，就不僅僅是遵循軟件工具開發(fā)固化設(shè)計(jì)流程，還可以不斷地將新的流程型知識引入軟件工具。目前，設(shè)計(jì)工具大多暫時(shí)不具備類似能力，因此可以開發(fā)相對獨(dú)立的流程導(dǎo)航工具，輔助定義設(shè)計(jì)流程，供使用工具時(shí)參考。

算法型。在設(shè)計(jì)工具應(yīng)用中，算法一般作為“黑盒”模塊調(diào)用即可。如果關(guān)心算法的具體實(shí)現(xiàn)，可參考關(guān)于算法型知識用于學(xué)習(xí)目的的描述。

約束型。多數(shù)約束型知識需要在設(shè)計(jì)工具的用戶接口上預(yù)留可調(diào)參數(shù)，因此在調(diào)整這些參數(shù)的過程中有必要提供約束型知識的原始來源和參數(shù)設(shè)置注意事項(xiàng)供設(shè)計(jì)師參考?；趯?dǎo)航式設(shè)計(jì)的思路，應(yīng)在人工操作流程的基礎(chǔ)上采用上下文相關(guān)的幫助方式，自動(dòng)關(guān)聯(lián)并提供當(dāng)前活動(dòng)相關(guān)的約束型知識。

參考型。大多數(shù)參考型知識適宜以設(shè)計(jì)工具幫助文檔的方式提供。與約束型知識類似，應(yīng)基于導(dǎo)航式設(shè)計(jì)的思路，采用上下文相關(guān)的方式按需提供。即使設(shè)計(jì)工具沒有圖形化的界面，也應(yīng)該在輸入數(shù)據(jù)文件中描述約束性、參考型知識的原始來源。

筆者闡述了設(shè)計(jì)工具與知識的關(guān)系，并從二者的關(guān)系角度，提出了流程型、算法型、約束型、參考型的設(shè)計(jì)知識分類方法，分析了4類知識在設(shè)計(jì)軟件開發(fā)和應(yīng)用過程中固化和共享的模式，可供與知識管理結(jié)合的智能化設(shè)計(jì)工具建設(shè)參考?！?/p>