面向機械產品快速設計的知識庫構建及表達*

吳雨佳，曹 巖

(西安工業(yè)大學 機電工程學院，西安 710021)

面對激烈的市場競爭，對于制造型企業(yè)來說，能否適應市場需求的改變，快速的進行產品的設計創(chuàng)新，提高產品設計水平，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、結構復雜的各種產品設計知識、研究方法和已有案例，需要構建產品設計知識系統(tǒng)來存儲和管理設計知識，以便在生產設計過程中能快速準確的定位并獲取所需知識，從而優(yōu)化產品質量，滿足產品的個性化需求，提高效率，促進問題求解。

機械產品的設計過程是一個復雜的基于知識和經(jīng)驗的活動。產品的設計過程會涉及到多對象、多學科、多因素的問題，針對同一個設計問題，不同學歷、不同背景、不同經(jīng)驗的設計人員由于設計思路的不同，可能會設計出不同的方案。解決產品設計問題的工作流程大致可分為以下五步：設計問題的提出、概念設計分析、框架結構初步設計、具體問題的詳細設計和設計方案的評估、確定[1]。每一個設計階段所要完成的具體目標都有特定的要求，描述了產品設計開發(fā)過程中的每一個階段的設計對象。設計問題的提出是產品設計開發(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。概念設計則是從設計需求出發(fā)，對產品進行功能分析、原理分析，制定產品限制條件，將設計需求進行分解，制定出產品所要實現(xiàn)的具體功能，將設計問題表達為層次清晰的組織結構，以設計方案的形式進行知識描述[2]。產品的初步設計是根據(jù)已生成的設計問題組織結構，對產品進行整體結構性分析，通過應用設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，對產品進行結構設計、外觀設計，形成產品設計的總體框架[3]。詳細設計階段是在已有的初步設計的基礎上對產品設計框架進行精確描述，細化到每一個部件的設計，零件的設計，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域的知識，對設計對象進行信息添加，設計者需要維持設計系統(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計方案。文中提出產品設計知識建模的基本方法，對產品設計創(chuàng)新過程中的知識獲取、知識分類、知識表達、知識庫系統(tǒng)構建進行研究。

1 知識庫的構建

知識庫的構建過程，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、異構知識的轉化問題，是對知識進行整理并將其轉化為可以直接被利用的知識的過程，是建立知識庫的基礎[2]。知識獲取的主要方式包括從人類專家、書籍、生產實踐、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡、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，所獲取的知識質量和廣度直接影響系統(tǒng)性能。知識獲取是將系統(tǒng)內部或外部環(huán)境中的知識，轉化為系統(tǒng)內部的知識，并將這些知識進行整理，將它轉化為產品創(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)內部實踐過程中的知識積累；對專家、文本資料或網(wǎng)絡上的知識的理解、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。

知識表示是產品設計系統(tǒng)問題求解的基礎[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)結構[5]。只有適當?shù)谋硎痉椒?，才能使知識在計算機中被有效存儲、檢索、使用和修改。知識表達方式應當有充分的表達能力，能清晰的表達相關領域的知識，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、狀況和關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系適宜用產生式表示法，復雜數(shù)據(jù)結構適宜用框架表示法，異構系統(tǒng)之間的知識共享適宜用本體表示法，按照面向對象的程序設計原則的混合知識表示適宜用面向對象表示法，實驗過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系適宜用語義網(wǎng)表示法，概念及其語義之間的關系適宜用語義網(wǎng)表示法[6]。本體表示法具有層次清晰，關聯(lián)性明確，便于知識重用，易于知識推理等特點，能夠對復雜的、多源的、異構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 機械產品設計的知識表達

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

圖1 機械產品設計系統(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、調用方面分析知識體系的構建，基于本體表示法，建立機械產品設計系統(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；知識的本體層應用本體描述語言，實現(xiàn)對機械產品設計系統(tǒng)領域知識的記錄和描述；應用層對設計系統(tǒng)知識的應用過程進行描述并儲存。

產品設計系統(tǒng)的知識表達本體模型表示為

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

式中：T為機械產品設計系統(tǒng)知識本體；TClass為領域內知識對象的集合，包含機械產品設計系統(tǒng)中的知識分類體系；TPropert為領域內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為知識本體間關聯(lián)關系和潛在邏輯關系的集合；TOntology為知識本體實例的集合，包含產品對象、設計過程中所產生的知識等。

基于Protégé軟件的機械產品設計系統(tǒng)知識本體構建流程如下：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的可重用本體，則進入④。④ 列出本體中的重要術語。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。

針對機械產品設計系統(tǒng)的知識分類模型確定本體構建框架，依據(jù)知識分類模型，將設計系統(tǒng)中的知識依據(jù)所屬層級，建立知識元概念結構。根據(jù)知識元之間的相互關聯(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 機械產品設計系統(tǒng)的知識表達模型

3 實例驗證

以轉軸的設計系統(tǒng)為例，描述了機械產品設計知識庫構建的基本流程。進行領域內知識獲取及知識建模，開放系統(tǒng)權限，設計人員可以根據(jù)實際的設計問題對系統(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建方法，結合轉軸設計領域的知識結構，將“轉軸設計”定義為超類“Thing”的子類，參考軸設計的相關技術資料進一步確定了“軸設計的工程數(shù)據(jù)庫”、“軸設計公式”兩個大類。其中，“軸設計的工程數(shù)據(jù)庫”類包含“軸的常用材料”、“軸的結構設計”、“軸的強度”、“軸的剛度”、“軸的臨界轉速”、“鋼絲軟軸”和“低速曲軸”七個子類；“軸設計公式”類包含“最小直徑計算公式”、“彎曲應力計算公式”、“安全系數(shù)計算”、“扭轉剛度計算”、“彎曲剛度計算”和“臨界轉速計算”六個子類。圖3是通過protégé軟件建立的軸設計的本體組織結構樹。

通過領域本體的構建有助于把大量無序的設計資源進行整合，將設計資源中離散的知識有序整合起來，將整個轉軸設計過程層次化，并將設計資源劃分為靜態(tài)資源(概念、公式、定理等)及動態(tài)資源(隨設計需求改變的數(shù)據(jù))，在為設計者提供相應的設計知識的同時，有效的幫助設計者分析其中有價值的信息，以滿足用戶個性化的設計需求。系統(tǒng)可實現(xiàn)從參數(shù)化特征造型、可視化結構分析計算與校核，到設計結果的文本、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)的設計，為方便設計人員的使用，系統(tǒng)儲存有一套設計示例，系統(tǒng)內使用的基礎數(shù)據(jù)知識來源于現(xiàn)行的最新國家標準。系統(tǒng)具有智能化的設計引導模塊、可視化的結構分析、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)的設計知識查詢模塊，根據(jù)需求選擇分類子模塊進行相關設計知識的查詢；可進入設計模塊，根據(jù)設計需求以及所進行的操作，進行轉軸的設計計算及校核。整個設計流程由多個部分組成，包括：設計信息、初始條件選擇(如圖4所示)、最小直徑計算、軸的結構造型、繪制零件圖、進行力學計算、繪制內力圖、彎曲應力校核強度、安全系數(shù)校核、剛度校核、計算臨界速度、計算結果輸出，每一個子模塊代表設計流程中的一個步驟。

圖3 軸設計的本體組織結構樹

圖4 軸設計初始條件設置

最終輸出的詳細報表中會顯示軸設計過程中每一步的詳細參數(shù)及計算采用的公式，以及轉軸設計的彎矩圖，包括轉軸的零件圖、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、扭矩圖等內容。依據(jù)軸設計知識系統(tǒng)的推送方案，設計人員在設計初期即可獲得完整的設計流程知識框架，提高了設計人員的工作效率，完善的體系知識也更有利于設計人員進行知識創(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 論

機械產品設計系統(tǒng)的建立，解決了不同研究背景的設計人員跨領域、跨學科知識難以精通，隱性知識難以獲取以及個體固有經(jīng)驗難以更新的難題。針對機械產品快速設計需求，分析機械產品設計過程及特點，提出了基于領域本體的多源、異構知識的獲取方法和知識表達方法。構建的設計系統(tǒng)不僅可以為設計人員提供系統(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計系統(tǒng)的子系統(tǒng)，自動存儲、推送既往設計信息及相關問題的解決方案，為新產品的開發(fā)升級提供理論基礎。