概念設(shè)計知識管理中的知識流研究

傅柱 曹猛 王曰芬

〔摘 要〕以設(shè)計過程為視角，探討概念設(shè)計知識管理中知識流的內(nèi)涵、特征和機(jī)理。結(jié)合知識流理論和SECI模型，依據(jù)概念設(shè)計過程分析概念設(shè)計中知識流的內(nèi)容和流動模式；在知識流建模相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，對概念設(shè)計中的知識流節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析和建模；基于角色模型分析角色與工作流、知識流之間的映射過程。根據(jù)概念設(shè)計過程，分析并揭示了概念設(shè)計中需求確認(rèn)、總體方案設(shè)計、總體方案求解、方案評價和決策4個主要步驟的知識流動機(jī)制；對概念設(shè)計的知識流節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，按照知識匯集模式將概念設(shè)計知識流分為連續(xù)知識流、合并知識流、拆分知識流、廣播知識流、循環(huán)知識流5類，按照知識傳遞模式將概念設(shè)計知識流可分為經(jīng)驗知識流、協(xié)作知識流、援助知識流3類；提出概念設(shè)計中基于角色模型的工作流和知識流整合模型，并以反后坐系統(tǒng)概念設(shè)計為例進(jìn)行模型驗證。通過本文分析和建模，能夠在一定程度上揭示概念設(shè)計中知識流的內(nèi)涵和機(jī)理。

〔關(guān)鍵詞〕概念設(shè)計；知識管理；知識流；設(shè)計過程；SECI模型；知識流節(jié)點(diǎn)；角色模型

DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2018.10.003

〔中圖分類號〕C931 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A 〔文章編號〕1008-0821（2018）10-0016-08

〔Abstract〕Connotation，characteristics and mechanism of knowledge flow（KF）in conceptual design knowledge management were explored from the view of design process.KF theory and SECI model was combined for analysis of main content and flow pattern of knowledge flow in conceptual design（KFiCD）.Analysis and modeling of knowledge node（KN）was conducted on the basis of KF modeling related research.Mapping process between role model and workflow was addressed，as well as role model and KF.KF in four main steps of requirements verification，whole scheme design，whole scheme solving，scheme evaluation and decision in conceptual design were analyzed and reveled in accordance with the conceptual design process.Then，a reference model of KN of conceptual design was proposed，KFiCD was classified into five classes of sequential KF，join KF，division KF，broadcast KF and recursion KF according to pooled mode of KF，and KFiCD also could be divided into three types of experience KF，cooperation KF，and assistant KF according to knowledge transfer mode of KF.Finally，an integrated model of workflow and KF was presented，and conceptual design of recoil system was taken as an example to validate this model.Through our work，the connotation and mechanism of conceptual design knowledge flow could be revealed to some extent.

〔Key words〕conceptual design；knowledge management；knowledge flow；design process；SECI model；knowledge node；role model

大數(shù)據(jù)背景下，隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，越來越多的知識在社會活動中快速流動。如何獲得有效知識，如何在知識流動過程中抓住有效知識，如何不斷吸取外部知識來提高自身的發(fā)展水平，成為各行各業(yè)倍加關(guān)注的問題。

隨著制造業(yè)競爭的日益加劇，世界各國逐漸重視提高產(chǎn)品的設(shè)計水平，以增強(qiáng)產(chǎn)品競爭力。產(chǎn)品設(shè)計的根本目的就是要創(chuàng)新產(chǎn)品，而設(shè)計知識的應(yīng)用是產(chǎn)品創(chuàng)新的基礎(chǔ)，重視產(chǎn)品設(shè)計知識的管理和應(yīng)用成為提升產(chǎn)品競爭力的根本途徑?，F(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計是以知識為基礎(chǔ)，以新知識獲取為中心，概念設(shè)計是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中最具創(chuàng)造力的環(huán)節(jié)，也是知識交互最為活躍的階段。因此，概念設(shè)計知識管理也逐漸受到人們的關(guān)注。

知識管理的核心在于加快知識的流動和使用，并創(chuàng)造價值。知識流動貫穿于知識管理過程的始終，了解知識的流動過程也就成為知識管理的前提。概念設(shè)計知識管理過程中包含了大量的知識流，如何對這些知識流進(jìn)行深入探索也是目前機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域亟待解決的問題之一。

基于此，本文將以概念設(shè)計過程為視角，探究概念設(shè)計知識管理中的知識流，進(jìn)而揭示概念設(shè)計知識管理中知識流的內(nèi)涵和機(jī)理。該研究將結(jié)合知識管理和現(xiàn)代設(shè)計的部分理論來共同探究概念設(shè)計知識管理中的知識流，不僅能夠為后續(xù)的知識管理相關(guān)研究提供參考，而且有助于機(jī)械設(shè)計行業(yè)對設(shè)計知識流的認(rèn)知，從而幫助設(shè)計主體快速、高效地實現(xiàn)設(shè)計意圖。

1 相關(guān)研究

本研究主要從設(shè)計過程角度研究概念設(shè)計知識管理中的知識流。因此，相關(guān)研究現(xiàn)狀主要包括概念設(shè)計及其知識管理研究、知識流及其建模相關(guān)研究、知識管理中的SECI模型概述3部分。

1.1 概念設(shè)計及其知識管理相關(guān)研究

1.1.1 概念設(shè)計的內(nèi)涵

國內(nèi)外關(guān)于產(chǎn)品設(shè)計過程的論述已有很多，其中主流觀點(diǎn)認(rèn)為設(shè)計過程主要包括概念設(shè)計（Conceptual Design）和構(gòu)型設(shè)計（Configuration Design）2個步驟[1]。前者是制定出方案，后者是設(shè)計出具體構(gòu)型。

鄒慧君等[1]認(rèn)為概念設(shè)計是根據(jù)產(chǎn)品生命周期各個階段的要求，進(jìn)行產(chǎn)品功能創(chuàng)造、功能分解和功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計，進(jìn)行滿足功能和結(jié)構(gòu)要求的工作原理求解，進(jìn)而實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的工作原理載體方案的構(gòu)思系統(tǒng)化設(shè)計。概念設(shè)計是一個發(fā)散思維和創(chuàng)新設(shè)計的過程，是一個求解實現(xiàn)功能，滿足各種技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可能存在的各種方案并最終確定綜合最優(yōu)方案的過程。

1.1.2 概念設(shè)計知識管理相關(guān)研究

目前，相比知識管理與概念設(shè)計的研究工作，國內(nèi)外針對概念設(shè)計知識管理的研究相對較少。通過文獻(xiàn)檢索與調(diào)查發(fā)現(xiàn)，國外相關(guān)研究有：Bohm等[2]開發(fā)的Concept Generator系統(tǒng)基于“功能—結(jié)構(gòu)”映射進(jìn)行知識表示和建模；Chakrabarti等[3]提出了SAPPhIRE方案原理知識表示模型，并將該模型應(yīng)用于IDEA-INSPIRE系統(tǒng)開發(fā)中；Chen等[4]開發(fā)的ICCDP系統(tǒng)基于定量化的輸入輸出轉(zhuǎn)換表達(dá)產(chǎn)品功能；Matsokis等[5]將產(chǎn)品生命周期管理的對象用OWL-DL本體語言描述，完成語義集成；Wang等[6]將公理化設(shè)計知識用RDF資源表示框架定義。國內(nèi)相關(guān)研究有：王朝霞[7]開發(fā)CAISDPK系統(tǒng)依據(jù)“功能—效應(yīng)—原理—結(jié)構(gòu)”表示專利復(fù)合功能原理方案；應(yīng)杭等[8]使用OWL本體語言描述產(chǎn)品功能行為，進(jìn)行知識共享和推理；胡建等[9]建立了概念設(shè)計知識的分類及表達(dá)體系，提出了基于本體的PCDKM系統(tǒng)框架，深入研究其中的基于本體的知識建模、基于相似度的知識檢索等關(guān)鍵技術(shù)；魏軼彬等[10]提出了基于本體的產(chǎn)品特征定義。

綜上可知，現(xiàn)有相關(guān)研究大多是運(yùn)用不同的知識表示和知識組織方法對概念設(shè)計中的方案原理、設(shè)計實例、設(shè)計資源等知識對象進(jìn)行表示和組織，進(jìn)而構(gòu)建概念設(shè)計知識管理的系統(tǒng)或框架。然而，現(xiàn)有研究中的知識對象大部分是靜態(tài)、獨(dú)立的知識片段，對于概念設(shè)計知識管理中動態(tài)連續(xù)的知識對象研究甚少。區(qū)別與其他類型的知識，設(shè)計知識更為強(qiáng)調(diào)其動態(tài)性?；诖?，本文將以概念設(shè)計過程為視角，通過對概念設(shè)計知識管理中知識流的描述和刻畫來揭示其內(nèi)涵和運(yùn)行機(jī)制，以期能夠豐富概念設(shè)計知識管理中動態(tài)知識對象的相關(guān)研究。

1.2 知識流及其建模相關(guān)研究

1.2.1 知識流的內(nèi)涵

知識流（Knowledge Flow）是不可見的，但其早已存在于人類的實際生產(chǎn)和生活實踐中，知識的產(chǎn)生和流動依賴于主體活動而存在，由于其缺乏獨(dú)立性，所以在以往的研究中未被有效關(guān)注。目前，知識流相關(guān)研究主要集中在企業(yè)知識管理領(lǐng)域。綜合現(xiàn)有的研究表述可將知識流描述分為3類[11]：①知識流是在人與人之間、人與知識處理機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行知識傳遞的過程，將知識流定義在知識傳遞層面上；②知識流是在知識傳遞的基礎(chǔ)上加上知識處理過程；③知識流是在知識傳遞的基礎(chǔ)上再加上知識應(yīng)用過程。經(jīng)過深入分析，以上3類知識流描述的實質(zhì)仍然是已有靜態(tài)知識的流動過程。

本文的研究對象是概念設(shè)計知識管理中的知識流，也就是設(shè)計知識流。關(guān)于設(shè)計知識流，謝友柏[12]認(rèn)為現(xiàn)代設(shè)計是以知識為基礎(chǔ)，以新知識獲取為中心。設(shè)計過程可以理解為知識在設(shè)計的各個節(jié)點(diǎn)及其相關(guān)資源之間的流動過程。

綜合以上分析，本文從設(shè)計過程角度對概念設(shè)計知識管理中的知識流進(jìn)行定義：組織機(jī)構(gòu)概念設(shè)計中持續(xù)、動態(tài)的知識流動過程或知識處理及應(yīng)用機(jī)制。知識流動是一個復(fù)雜的過程，知識需求或知識落差決定知識流動的方向和影響要素。知識流的動態(tài)性包括流動過程的動態(tài)性和知識本身的動態(tài)性兩個方面：知識流動過程的動態(tài)性包含知識的運(yùn)動機(jī)制、知識獲取、流動控制等內(nèi)容，知識本身的動態(tài)性包括知識的分類、動態(tài)特征、知識的轉(zhuǎn)化等內(nèi)容[11]。

1.2.2 知識流建模相關(guān)研究

目前，關(guān)于知識流建模相關(guān)研究主要有基于Petri網(wǎng)的知識流建模[13]、現(xiàn)代設(shè)計知識流建模[12，14]和基于工作流的知識流建模[15-16]。本文重點(diǎn)介紹現(xiàn)代設(shè)計知識流建模和基于工作流的知識流建模。

1）現(xiàn)代設(shè)計知識流建模。從設(shè)計過程中知識流動要完成的任務(wù)及其特征看，知識流可以分成4類[12]：第1類是在主設(shè)計過程和子過程中，知識從設(shè)計任務(wù)流動到解決方案，并在流動過程中途徑設(shè)計的主要決策節(jié)點(diǎn)；第2類是設(shè)計的決策節(jié)點(diǎn)所需知識來源于分布式智力資源單元，知識及其獲取都是資源依賴的。這類知識流從智力資源單元中獲取知識，并匯集到設(shè)計決策節(jié)點(diǎn)的過程，其中還包括知識服務(wù)請求和響應(yīng)的相關(guān)信息。第3類是智力資源單元內(nèi)部為響應(yīng)外部的知識請求，獲取并加工所需知識用以支撐設(shè)計的一系列活動，這類知識流主要是請求驅(qū)動的非意愿知識流動過程；第4類是不同的智力資源單元根據(jù)需要從外部環(huán)境中采集信息或知識的過程。

2）基于工作流的知識流建模。Zhuge[15]認(rèn)為知識流節(jié)點(diǎn)（Knowledge Node，KN）是知識流的站點(diǎn)（發(fā)送站點(diǎn)或接收站點(diǎn)）。它對應(yīng)著團(tuán)隊成員（或角色），反映團(tuán)隊成員任務(wù)實現(xiàn)過程的知識產(chǎn)生和知識需求。知識節(jié)點(diǎn)的輸出依賴于團(tuán)隊成員的認(rèn)知能力和知識輸入流。對知識流過程進(jìn)行建模，可將知識流按照連接類型分為順序連接知識流、合并連接知識流、分解連接知識流、廣播連接知識流4類。

張曉剛等[16]認(rèn)為在明確知識需求的前提下，可建立知識源、知識、知識接收者三者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成由知識源到知識接受者的知識流。并將知識流定義為一個5元組KF={S，R，K，D，A}，其中S是知識源，R是知識需求，K表示傳遞的知識，D表示知識的接受者，A是知識源與知識、知識與知識接受者的方向集合。為更詳細(xì)地描述知識流組成元素之間的邏輯關(guān)系，作者抽象出知識流單元作為知識流的基本組成模塊，并將知識流單元劃分為經(jīng)驗知識流單元、預(yù)訂式知識流單元、基于協(xié)作的知識流單元、基于援助的知識流單元、空知識流單元5類。

1.3 知識管理中的SECI模型概述

在知識管理的基礎(chǔ)理論研究中，Nonaka等[17]提出了知識轉(zhuǎn)化和創(chuàng)造的SECI模型，將知識創(chuàng)造過程分為社會化（Socialization）、外化（Externalization）、組合化（Combination）和內(nèi)化（Internalization）4個呈螺旋前進(jìn)的不同階段。

從知識的層次來看，知識可分為個體知識、團(tuán)隊知識、組織知識。組織機(jī)構(gòu)的知識轉(zhuǎn)化和創(chuàng)造都是在知識流動中來實現(xiàn)，知識流動的最終目標(biāo)是知識創(chuàng)造，知識轉(zhuǎn)化是實現(xiàn)這一目標(biāo)的必要手段。知識在流動過程中，通過知識的共享、利用和轉(zhuǎn)化產(chǎn)生新知識。因此，SECI模型的4個知識轉(zhuǎn)化階段也同樣是組織機(jī)構(gòu)知識流的主要內(nèi)容，可認(rèn)為組織機(jī)構(gòu)中的知識流是通過社會化、外化、組合化、內(nèi)化4個階段在不同層次知識主體上的知識流動過程[11，18]。

2 概念設(shè)計過程中的知識流研究

2.1 知識流分析

概念設(shè)計過程一般包括以下6個步驟[19]：需求確認(rèn)、總體方案設(shè)計、總體任務(wù)分解、子任務(wù)求解、方案合成、方案評價和決策，如圖1所示。經(jīng)分析可以得出，概念設(shè)計階段中的各個步驟都存在來自組織內(nèi)外的知識流動。在實際的概念設(shè)計開展過程中，總體任務(wù)分解、子任務(wù)求解、方案合成這3個步驟相互交叉糅合、難以分割，因此本文將這3個步驟進(jìn)行整合并統(tǒng)稱為總體方案求解。那么概念設(shè)計過程又可分為需求確認(rèn)、總體方案設(shè)計、總體方案求解、方案評價和決策4大步驟，具體分析如下：

2.1.1 需求確認(rèn)

在需求確認(rèn)步驟中，一般將用戶需求分為兩種：一種是功能需求明確型需求；另外一種是用戶目的明確但功能不明確型的需求。對于功能明確型需求，仍然需要設(shè)計人員和用戶共同明確用戶對功能的實現(xiàn)程度及其保持性期望等需求知識。對于功能不明確型需求，用戶往往對產(chǎn)品具體功能需求是模糊的，有時用戶提出的可能是針對約束條件方面的需求。在現(xiàn)代設(shè)計領(lǐng)域中，獲取明確的用戶需求知識是所設(shè)計產(chǎn)品能被用戶接受的前提，也是整個產(chǎn)品設(shè)計過程的基礎(chǔ)和根源所在。

由此可見，無論功能需求明確與否，都需要進(jìn)一步獲取用戶需求知識，明確用戶的活動意圖。需求確認(rèn)是用戶與設(shè)計人員之間往復(fù)交流和反饋的過程，期間用戶需求逐漸明確，在此過程中用戶的隱性需求知識流向設(shè)計人員，并由設(shè)計人員和用戶共同確認(rèn)并顯性化為設(shè)計任務(wù)書。從SECI模型角度進(jìn)行解釋，設(shè)計人員與用戶雙方的交流是隱性知識的流動和轉(zhuǎn)化過程，也就是社會化階段；而用戶需求明確后形成設(shè)計任務(wù)書的過程則是隱性知識的外化階段，所以說需求確認(rèn)是用戶知識的社會化和外化過程。需求確認(rèn)中的知識流動和轉(zhuǎn)化如圖2所示。

2.1.2 總體方案設(shè)計

總體方案設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計的總體規(guī)劃，其目的是確定設(shè)計任務(wù)、設(shè)計要求和條件，在此基礎(chǔ)上尋求解決問題的方法，實現(xiàn)方案的構(gòu)思，并對方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價，為決策提供詳盡的科學(xué)依據(jù)?？傮w方案設(shè)計是整個產(chǎn)品設(shè)計的依據(jù)，也是概念設(shè)計階段中的一項重要任務(wù)，具體包括可行性論證、產(chǎn)品使用范圍和工藝方法的確定、各部件的結(jié)構(gòu)初選、總體布局、可靠性論證等多個方面。本文將總體方案設(shè)計過程抽象為目標(biāo)分析、創(chuàng)新構(gòu)思、方案擬定、方案評價、方案決策5個步驟，其知識流動過程如圖3所示。

總體方案設(shè)計是設(shè)計參與人員根據(jù)設(shè)計目標(biāo)確定設(shè)計方案的一系列設(shè)計活動總和，其主要內(nèi)容是設(shè)計參與人員之間的信息、知識和智力的交流和融匯。依據(jù)SECI模型理論，本文認(rèn)為總體方案設(shè)計主要是知識的社會化和外化兩個階段反復(fù)迭代的過程。設(shè)計參與人員在設(shè)計過程中發(fā)生隱性知識的交互與融合（社會化），在大腦中形成意識形態(tài)的設(shè)計方案，并初步物化為總體設(shè)計方案實體（外化）；再經(jīng)過方案評價、方案反饋、方案決策的反復(fù)迭代，最終形成總體方案示意圖、總體方案設(shè)計計算說明書等階段性設(shè)計成果（社會化和外化）。

2.1.3 總體方案求解

總體方案求解是分散知識集成并物化為解決方案的過程，包含總體任務(wù)分解、子任務(wù)求解、方案合成這3個步驟。從SECI模型角度來看，這3個步驟主要涉及知識的社會化、內(nèi)化和組合化。

為了提高設(shè)計效率，組織機(jī)構(gòu)通常采用并行設(shè)計方法，項目負(fù)責(zé)人（設(shè)計總師）按照設(shè)計準(zhǔn)則對總體設(shè)計任務(wù)進(jìn)行分解，將總體任務(wù)分配給專業(yè)的設(shè)計人員或知識服務(wù)商，在分配過程中同時向子任務(wù)設(shè)計人員傳遞總體方案設(shè)計中的部分構(gòu)思、子任務(wù)的設(shè)計目標(biāo)和要求（社會化、內(nèi)化）；子任務(wù)設(shè)計人員接受任務(wù)后，對子任務(wù)進(jìn)行求解，在滿足設(shè)計要求的情況下，設(shè)計人員發(fā)揮自己的創(chuàng)造力完成設(shè)計任務(wù)。在任務(wù)求解過程中，設(shè)計人員可能需要查找相關(guān)設(shè)計資料（內(nèi)化），并與其他設(shè)計人員進(jìn)行溝通、交流（社會化），以便實時協(xié)調(diào)雙方的設(shè)計任務(wù)；方案合成是將所有子任務(wù)對應(yīng)的子方案進(jìn)行有效地集成和融合（組合化），便于開展總體方案的評價和決策。這3個步驟的總體流程如圖4所示。

2.1.4 方案評價和決策

方案評價和決策是產(chǎn)品概念設(shè)計質(zhì)量的保障。方案評價包括總體方案評價和子方案評價。子方案評價是對子任務(wù)設(shè)計結(jié)果的評價，主要考察子方案是否滿足子任務(wù)設(shè)計要求。總體方案評價是對子方案合成后的總體方案評價，主要包括總體方案的總體布局、機(jī)構(gòu)布置、各項指標(biāo)滿足程度、經(jīng)濟(jì)性等方面。除了指標(biāo)測算之外，方案評價通常有經(jīng)驗豐富的設(shè)計總師主導(dǎo)，相關(guān)設(shè)計人員參與共同開展。經(jīng)過方案評價，設(shè)計總師對產(chǎn)品概念設(shè)計方案進(jìn)行判斷和決策，若是總體方案不符合設(shè)計指標(biāo)或預(yù)期構(gòu)想，需要對子任務(wù)或總體任務(wù)再求解。經(jīng)過循環(huán)往復(fù)，最終得到當(dāng)前最優(yōu)的產(chǎn)品概念設(shè)計方案。從SECI模型角度來看，方案的評價和決策是設(shè)計主要負(fù)責(zé)人經(jīng)驗知識的交流和驗證，是知識的社會化過程。

2.2 知識流建模

2.2.1 知識流節(jié)點(diǎn)構(gòu)成要素及參考模型

部分學(xué)者[14]認(rèn)為任意設(shè)計任務(wù)、設(shè)計過程的實現(xiàn)都可以描述成根據(jù)上游設(shè)計節(jié)點(diǎn)給定的輸入知識，設(shè)計主體在設(shè)計目標(biāo)驅(qū)動下采取相應(yīng)的設(shè)計行為產(chǎn)生輸出知識的知識流動的過程。若經(jīng)過評估，輸出知識能夠滿足設(shè)計目標(biāo)則將輸出知識傳遞給下游節(jié)點(diǎn)，反之則需要進(jìn)行知識獲取來提高設(shè)計主體設(shè)計知識的完整度，直至輸出知識能夠滿足設(shè)計目標(biāo)為止。

概念設(shè)計過程中的知識流是諸多設(shè)計活動中知識流動過程的抽象。結(jié)合現(xiàn)有的知識流建模相關(guān)研究[12，14-16]，本文提出概念設(shè)計知識流節(jié)點(diǎn)的參考模型，如圖5所示?，F(xiàn)代設(shè)計是以知識為基礎(chǔ)，以新知識獲取為中心。因此，本文認(rèn)為概念設(shè)計知識流節(jié)點(diǎn)應(yīng)主要包括以下5個要素：知識源、知識（包括輸入知識、輸出知識）、知識接收者、知識需求、知識獲取。在知識流節(jié)點(diǎn)中，設(shè)計人員和設(shè)計活動既可以是知識源也可以是知識接收者，知識接收者在下一知識流節(jié)點(diǎn)中可以作為知識源提供輸入知識。

在概念設(shè)計過程中，知識流的運(yùn)行需依托概念設(shè)計活動，概念設(shè)計是設(shè)計人員根據(jù)輸入知識在設(shè)計目標(biāo)驅(qū)動下采取相應(yīng)的設(shè)計行為產(chǎn)生輸出知識的過程。從知識層面看，概念設(shè)計知識流節(jié)點(diǎn)的實質(zhì)是：

設(shè)計目標(biāo)觸發(fā)知識需求，設(shè)計知識在知識需求的驅(qū)動下，從知識源流向知識接收者，設(shè)計人員采取設(shè)計行為，對輸入知識和設(shè)計人員自身具有的經(jīng)驗知識進(jìn)行處理、加工和創(chuàng)造，產(chǎn)生輸出知識。若是輸入知識以及設(shè)計人員自身的知識存量之和無法滿足知識需求，則再次產(chǎn)生知識需求，在新知識需求的驅(qū)動下通過知識獲取來提高設(shè)計人員的設(shè)計知識完整度，直至輸出知識能夠滿足設(shè)計目標(biāo)為止。

2.2.2 基于知識流匯集的知識流建模

從知識流中知識的匯集模式來看，概念設(shè)計知識流模型包括連續(xù)知識流、合并知識流、拆分知識流、廣播知識流、循環(huán)知識流5類，如圖6所示。

1）連續(xù)知識流（Sequential KF）。連續(xù)知識流指的是兩個知識流之間是順序連接的，如圖6（a）中，輸入知識流經(jīng)過設(shè)計活動后直接轉(zhuǎn)化為輸出知識流，此時輸入知識流與輸出知識流之間是順序連接關(guān)系。

2）合并知識流（Join KF）。合并知識流指的是兩個或以上的知識流轉(zhuǎn)化為一個知識流。如圖6（b），兩個或以上輸入知識流通過設(shè)計行為加工處理，合并轉(zhuǎn)化形成一個輸出知識流。

3）拆分知識流（Division KF）。拆分知識流指的是一個知識流被拆分成兩個或以上的知識流。如圖6（c），輸入知識流經(jīng)過設(shè)計行為后產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，形成兩個輸出知識流，再應(yīng)用于其他的設(shè)計活動中。

4）廣播知識流（Broadcast KF）。廣播知識流指的是一個知識流被復(fù)制成多個知識流進(jìn)行廣播擴(kuò)散。如圖6（d），輸入知識流在特定情況下，如可靠性的多方面評價，首先需要將輸入知識流復(fù)制成多份分別評價，再對評價結(jié)果進(jìn)行綜合匯總。

5）循環(huán)知識流（Recursion KF）。循環(huán)知識流指的是知識在設(shè)計活動中被不斷地使用。如圖6（e），在設(shè)計活動中，當(dāng)輸入知識流無法滿足設(shè)計活動的完成，需要在設(shè)計過程中不斷獲取知識并應(yīng)用于設(shè)計活動，直到滿足設(shè)計目標(biāo)形成輸出知識流。

2.2.3 基于知識傳遞的知識流建模

從知識流中知識的傳遞模式來看，概念設(shè)計知識流模型包括經(jīng)驗知識流、協(xié)作知識流、援助知識流3類，如圖7所示。

1）經(jīng)驗知識流（Experience KF）。經(jīng)驗知識流表示從知識源提供的知識能夠滿足（或部分滿足）完成設(shè)計活動所具備的知識需求，如圖7（a）所示。在概念設(shè)計過程中，設(shè)計人員開展設(shè)計任務(wù)時，無需獲取外部知識，僅憑個人或企業(yè)內(nèi)儲備的知識就可以實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。該類知識流對知識重用具有重要意義，能夠促進(jìn)有價值知識的及時傳遞和重用。

2）協(xié)作知識流（Cooperation KF）。協(xié)作知識流表示在設(shè)計任務(wù)開展過程中，設(shè)計參與者共同協(xié)作完成一項設(shè)計任務(wù)（或同類設(shè)計任務(wù)），他們具有相同或類似的知識需求，知識在相關(guān)人員的協(xié)作過程中產(chǎn)生并被吸收，如圖7（b）所示。在概念設(shè)計過程中，設(shè)計人員遇到某類設(shè)計問題無法解決時，發(fā)起討論組針對該問題開展合作，共同探討解決方案。該類知識流一方面能夠描述協(xié)同設(shè)計過程中不同設(shè)計參與者的知識儲備和組織學(xué)習(xí)情況；另一方面設(shè)計參與者協(xié)作產(chǎn)生和吸收的知識能夠在同類設(shè)計任務(wù)中得到重用，促進(jìn)知識的傳播和共享。

3）援助知識流（Assistant KF）。援助知識流表示完成設(shè)計任務(wù)所需的知識全部來源于具有相關(guān)經(jīng)驗或能力的援助者，如圖7（c）所示。在概念設(shè)計過程中，設(shè)計人員遇到無法解決的設(shè)計難題時，請求設(shè)計專家參與指導(dǎo)，此時專家就是援助者。區(qū)別于協(xié)作知識流，援助者不參與相同或類似設(shè)計任務(wù)，也就是沒有相應(yīng)的知識需求，在知識流動過程中僅充當(dāng)知識源的角色。協(xié)作知識流和援助知識流是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中知識產(chǎn)生的重要形式，描述了現(xiàn)代設(shè)計中隱性知識傳遞和轉(zhuǎn)化的途徑。

2.3 基于角色模型的工作流和知識流整合建模

根據(jù)不同的設(shè)計角色，概念設(shè)計人員主要可分為設(shè)計總師、主設(shè)計人、設(shè)計人3類。其中，設(shè)計總師統(tǒng)籌整個設(shè)計過程，負(fù)責(zé)論證、篩選并決定產(chǎn)品總體設(shè)計的最終方案；主設(shè)計人負(fù)責(zé)產(chǎn)品分系統(tǒng)或分模塊的設(shè)計方案；設(shè)計人負(fù)責(zé)具體的子系統(tǒng)或部件設(shè)計任務(wù)。在設(shè)計角色模型中，團(tuán)隊成員之間存在層級和平級兩類關(guān)系。從職責(zé)角度看，成員之間是責(zé)任和權(quán)利對等的層級關(guān)系；從知識流角度看，成員之間是具有知識節(jié)點(diǎn)功能的平等關(guān)系。在項目實施過程中，不同層級上的角色可實現(xiàn)活動參與和知識共享。

在概念設(shè)計中，設(shè)計活動工作流與知識流進(jìn)行緊密交互才能實現(xiàn)設(shè)計工作的有效運(yùn)轉(zhuǎn)。借鑒現(xiàn)有研究[15，20]中提出的工作流和知識流映射模型，本文構(gòu)建了概念設(shè)計過程中基于角色模型的工作流和知識流整合模型，如圖8所示。

團(tuán)隊成員是工作流與知識流的實際操作者和決定因素，因此，工作流與知識流可以通過參與的人員或角色進(jìn)行集成。通過角色，團(tuán)隊成員可以參加工作流中的一個或多個設(shè)計活動，也可以在知識流中的一個或多個知識節(jié)點(diǎn)中貢獻(xiàn)知識。

如圖8所示，工作流與知識流的整合模型考慮了3層結(jié)構(gòu)：知識流層、組織結(jié)構(gòu)層、工作流層。整合模型反映了團(tuán)隊的組織架構(gòu)，可通過3個映射建立知識流層、組織結(jié)構(gòu)層（團(tuán)隊成員、角色）、工作流層之間的關(guān)系：

映射1：將角色分配給工作流層中的活動節(jié)點(diǎn)；

映射2：將角色分配給知識流層中的知識節(jié)點(diǎn)；

映射3：將角色分配給組織結(jié)構(gòu)中的團(tuán)隊成員，以便成員發(fā)揮職能。

其中，映射3是為團(tuán)隊成員安排角色并分配相應(yīng)的職責(zé)和任務(wù)得到過程，其工作內(nèi)容較為簡單，但卻是任何團(tuán)隊活動必不可少的步驟之一。并且，映射1和映射2在實際開展過程中也均默認(rèn)包含映射3。在映射3的基礎(chǔ)上，本文將重點(diǎn)對映射1和映射2的內(nèi)容和機(jī)理進(jìn)行深入探討。

映射1中角色模型和工作流的映射過程如圖9所示：

工作流是概念設(shè)計開展的基礎(chǔ)，概念設(shè)計中的各種流（數(shù)據(jù)流、控制流、知識流等）都依托于工作流進(jìn)行流動。概念設(shè)計中的工作流一般是層級結(jié)構(gòu)：總體設(shè)計任務(wù)按照自頂向下逐層分解形成子任務(wù)，子任務(wù)求解完成后通過自底向上逐層合并最終形成總體設(shè)計方案，不同層級中的設(shè)計活動按照線性方式并行求解或者協(xié)同求解。

在工作流中，同一層級設(shè)計活動節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系是數(shù)據(jù)依賴或者執(zhí)行控制依賴，不同層次之間節(jié)點(diǎn)關(guān)系是分解和合并關(guān)系，這些可以進(jìn)行預(yù)先設(shè)定。在設(shè)計任務(wù)的分解、指派、求解、合并等過程中，大部分的團(tuán)隊成員對應(yīng)一個角色，一個角色對應(yīng)一個設(shè)計任務(wù)（活動節(jié)點(diǎn)）。因此，在工作流與角色模型的映射中，主要以工作流為基準(zhǔn)，不同的角色對應(yīng)工作流中不同的活動節(jié)點(diǎn)，角色之間的關(guān)系按照活動節(jié)點(diǎn)之間的依賴關(guān)系進(jìn)行一一映射。

映射2中角色模型與知識流的映射過程如圖10所示：

在產(chǎn)品概念設(shè)計過程中，依托于實際的工作流，知識在設(shè)計部門的不同角色之間進(jìn)行流動和轉(zhuǎn)化。區(qū)別于工作流，概念設(shè)計知識流中知識的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化以及知識點(diǎn)之間的關(guān)系都較為復(fù)雜，而且無法預(yù)先設(shè)定。

在組織機(jī)構(gòu)中，知識分布于各項不同設(shè)計資源和設(shè)計參與人員的大腦中，知識流中的知識是由設(shè)計人員攜帶并處理。概念設(shè)計過程是一個知識密集型過程，知識從底層開始，歷經(jīng)個人、小組、組織等不同知識層次之間進(jìn)行相互流動。從團(tuán)隊角度看，每個設(shè)計參與人員或設(shè)計資源是一個單獨(dú)的知識點(diǎn)，因設(shè)計活動或設(shè)計任務(wù)的關(guān)系相互聯(lián)系起來。從組織角度看，每一個團(tuán)隊相對于組織而言又成為一個知識點(diǎn)，這個知識點(diǎn)由團(tuán)隊內(nèi)每個成員構(gòu)成，團(tuán)隊的知識流是團(tuán)隊中各個知識點(diǎn)中知識流的“合流”。這些“合流”最終流向設(shè)計項目的負(fù)責(zé)人——設(shè)計總師，設(shè)計總師經(jīng)過方案評價和決策后，知識流再次匯聚并外顯形成概念設(shè)計方案。

3 實例驗證

本文以自行火炮的反后坐系統(tǒng)概念設(shè)計為例，對基于角色模型的工作流和知識流整合模型進(jìn)行解釋和驗證。反后坐系統(tǒng)主要由復(fù)進(jìn)機(jī)和駐退機(jī)兩部件組成，因此反后坐方案設(shè)計中的主要角色分為反后坐系統(tǒng)設(shè)計師、復(fù)進(jìn)機(jī)設(shè)計師、駐退機(jī)設(shè)計師。

根據(jù)自行火炮總體設(shè)計任務(wù)要求，系統(tǒng)設(shè)計師負(fù)責(zé)制定系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)并開展反后坐系統(tǒng)的總體設(shè)計，其中初步選定復(fù)進(jìn)機(jī)類型為單筒液壓式復(fù)進(jìn)機(jī)，駐退機(jī)類型為節(jié)制桿式駐退機(jī)，并將兩部件的設(shè)計要求傳遞給部件設(shè)計師，部件設(shè)計師根據(jù)設(shè)計要求開展部件設(shè)計。反后坐系統(tǒng)概念設(shè)計的工作流與角色映射如圖11所示。

反后坐系統(tǒng)設(shè)計過程中，設(shè)計師將知識應(yīng)用于設(shè)計流程中，實現(xiàn)工作流與知識流的融合，如圖12所示。部件概念設(shè)計中存在大量的參數(shù)取值操作，如在設(shè)計活動“單筒液壓式復(fù)進(jìn)機(jī)設(shè)計”中需要使用“導(dǎo)軌摩擦系數(shù)μ”的經(jīng)驗取值（0.16≤μ≤0.2）才能計算出復(fù)進(jìn)初力。在部件設(shè)計過程中，可能產(chǎn)生多種設(shè)計方案，此部件設(shè)計師需要根據(jù)經(jīng)驗和知識對部件設(shè)計方案進(jìn)行評價和決策，系統(tǒng)設(shè)計師根據(jù)將不同結(jié)構(gòu)的部件設(shè)計方案進(jìn)行集成并評價，形成系統(tǒng)設(shè)計方案。

在部件設(shè)計過程中，系統(tǒng)設(shè)計師需要與部件設(shè)計師定時溝通想法，使得部件設(shè)計結(jié)果不產(chǎn)生較大偏差?？紤]到復(fù)進(jìn)機(jī)和駐退機(jī)之間的動力學(xué)耦合效應(yīng)，部件設(shè)計師之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞和共享。通過結(jié)構(gòu)和空間上的布局匹配，將兩部件設(shè)計方案進(jìn)行合成，形成反后坐系統(tǒng)的設(shè)計方案。若系統(tǒng)設(shè)計方案無法滿足設(shè)計要求則需要再次設(shè)計，經(jīng)過多次迭代直至滿足設(shè)計要求為止。反后坐系統(tǒng)設(shè)計過程中，不僅有各級人員的隱性知識流動，還包括各層級設(shè)計活動或設(shè)計步驟之間的知識流動，這兩類知識流構(gòu)成了反后坐系統(tǒng)概念設(shè)計的整個知識流。設(shè)計目標(biāo)使得設(shè)計中的知識流動具有方向性，知識在流動中知識含量自底向上逐層累積，并最終匯集到系統(tǒng)設(shè)計方案中，其方案承載了設(shè)計過程中所有設(shè)計活動或設(shè)計步驟的知識。

本文在之前的項目中設(shè)計并實現(xiàn)了反后坐系統(tǒng)概念設(shè)計的知識流應(yīng)用，其示例界面如圖13所示。

4 總 結(jié)

針對概念設(shè)計知識管理，如何在知識流動過程中抓住有效知識，不斷吸取外部知識來提高自身的發(fā)展水平，探究現(xiàn)代概念設(shè)計中的知識流。首先，結(jié)合知識流理論和SECI模型，根據(jù)概念設(shè)計過程的主要步驟分析概念設(shè)計中知識流的內(nèi)容和流動模式。其次，結(jié)合已有知識流建模相關(guān)研究，提出概念設(shè)計知識流節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成要素及其參考模型。按照知識流節(jié)點(diǎn)的匯集模式，將概念設(shè)計知識流模型分為連續(xù)知識流、合并知識流、拆分知識流、廣播知識流、循環(huán)知識流5類；按照知識流中知識的傳遞模式，將概念設(shè)計知識流模型分為經(jīng)驗知識流、協(xié)作知識流、援助知識流3類。最后，提出概念設(shè)計中基于角色模型的工作流和知識流整合模型，在此基礎(chǔ)上分別分析了角色模型與工作流、角色模型與知識流的映射過程，并進(jìn)一步以反后坐系統(tǒng)概念設(shè)計為例對整合模型進(jìn)行案例分析。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒慧君，汪利，王石剛，等.機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計及其方法綜述[J].機(jī)械設(shè)計與研究，1998，（2）：6-9.

[2]Chakrabarti A，Sarkar P，Leelavathamma B，et al.A Functional Representation for Aiding Biomimetic and Artificial Inspiration of New Ideas[J].Artificial Intelligence for Engineering Design，Analysis，and Manufacturing，2005，19（2）：113-132.

[3]Bohm M R，Vucovich J P，Stone R B.Using a Design Repository to Drive Concept Generation[J].Journal of Omputing and Information Science in Engineering，2008，8（1）：14501-14502.

[4]Chen Y，Liu Z，Xie Y.A knowledge-based Framework for Creative Conceptual Design of Mulit-disciplinary Systems[J].Computer Aided Design，2012，44（2）：146-153.

[5]Matsokis A，Kiritsis D.An Ontology-based Approach for Product Lifecycle Management[J].Computers in Industry，2010，61（8）：787-797.

[6]Wang K，Takahashi A.Semantic Web Based Innovative Design Knowledge Modeling for Collaborative Design[J].Expert Systems with Applications，2012，39（5）：5616-5624.

[7]王朝霞.專利知識獲取及其支持概念創(chuàng)新設(shè)計的方法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2009.

[8]應(yīng)杭，李善平，郭鳴，等.本體在產(chǎn)品知識S-B-F表達(dá)模型中的應(yīng)用研究[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2004，（S1）：30-38.

[9]胡建，廖文和，張東民.基于本體的概念設(shè)計知識管理研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2006，25（2）：171-176.

[10]魏軼彬，田凌，武園浩.基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式[J].圖學(xué)學(xué)報，2012，33（5）：120-126.

[11]王曰芬，傅柱，吳鵬.概念設(shè)計中基于知識流的語義化知識管理技術(shù)框架研究[J].數(shù)據(jù)分析與知識發(fā)現(xiàn)，2018，2（2）：2-10.

[12]謝友柏.現(xiàn)代設(shè)計理論和方法的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報，2004，40（4）：1-9.

[13]周密，承文，韓立巖，等.知識流模型及其在航天企業(yè)中的應(yīng)用[J].中國管理科學(xué)，2005，13（5）：79-86.

[14]張執(zhí)南.產(chǎn)品設(shè)計中的知識流理論與方法研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

[15]Zhuge H.A Knowledge Flow Model for Peer-to-peer Team Knowledge Sharing and Management[J].Expert Systems with Applications，2002，23（1）：23-30.

[16]張曉剛，李明樹.基于工作流的知識流建模與控制[J].軟件學(xué)報，2005，16（2）：184-193.

[17]Nonaka I，Takeuchi H.The Knowledge-creating Company：How Japanese Companies Create the Dynamics of Innovation[M].Oxford University Press，1995.

[18]傅柱，王曰芬，關(guān)鵬.概念設(shè)計知識管理中的知識流研究：以管理過程為視角[J].情報理論與實踐，2017，（3）：99-106.

[19]鄧乾旺，于德介.基于知識的計算機(jī)輔助產(chǎn)品概念設(shè)計原型的研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2003，（5）：39-41.

[20]王曰芬，黃加虎，王海丹.競爭情報中的知識流及轉(zhuǎn)換機(jī)制研究[J].情報學(xué)報，2007，26（3）：415-421.

（責(zé)任編輯：郭沫含）