產(chǎn)品性能關(guān)聯(lián)下綠色設(shè)計(jì)知識(shí)表達(dá)及獲取方法

柯慶鏑 孫伯驁 薛 冰 張 雷 陳鵬飛

1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥，230009 2.江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，徐州，221004

0 引言

隨著制造業(yè)發(fā)展和資源環(huán)境壓力的增加，產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)需求被頻繁提出，為滿(mǎn)足綠色設(shè)計(jì)需求，對(duì)復(fù)雜的、多學(xué)科交叉且離散的機(jī)電產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行搜集，并基于搜集的綠色設(shè)計(jì)知識(shí)開(kāi)展綠色設(shè)計(jì)知識(shí)表達(dá)以及獲取技術(shù)研究，是機(jī)電產(chǎn)品全生命周期綠色設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向。

設(shè)計(jì)知識(shí)表達(dá)是知識(shí)獲取、知識(shí)挖掘及知識(shí)存儲(chǔ)的前提，是開(kāi)展綠色設(shè)計(jì)知識(shí)有效支持的基礎(chǔ)，目前有許多學(xué)者對(duì)知識(shí)表達(dá)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究。SPOLADORE[1]所提出的語(yǔ)義框架能夠表示電器的能耗和智能家居的能源狀況。QI等[2]提出了基于本體的城市熱島緩解策略知識(shí)表示，可支持城市熱島緩解的績(jī)效評(píng)估和政府決策。吉祥[3]針對(duì)綠色設(shè)計(jì)知識(shí)建立了知識(shí)多維空間模型、內(nèi)容模型和綠色產(chǎn)品集成模型。袁明明[4]提出了隱性知識(shí)教學(xué)的知識(shí)表達(dá)模型，給出新型知識(shí)表達(dá)模型的數(shù)學(xué)描述和概念化描述。劉寧?kù)o等[5]通過(guò)分析學(xué)術(shù)名人資源特征和用戶(hù)使用需求，構(gòu)建學(xué)術(shù)名人描述框架模型和學(xué)術(shù)名人與其他實(shí)體關(guān)系模型。SEQUEDA等[6]提出一個(gè)以映射模式為中心的表達(dá)框架。時(shí)元?jiǎng)譡7]提出一種擴(kuò)展與或樹(shù)結(jié)構(gòu)模型來(lái)表達(dá)變型產(chǎn)品的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。高勁松等[8]面向文物圖像資源底層視覺(jué)特征與高層語(yǔ)義特征的精細(xì)化映射與細(xì)粒度知識(shí)表示進(jìn)行了相關(guān)研究。左毅等[9]運(yùn)用高階的知識(shí)表示等知識(shí)工程理論與方法梳理出軍事領(lǐng)域適用的知識(shí)表達(dá)方式。NASR等[10]分析能源安全計(jì)量領(lǐng)域的知識(shí)狀況，設(shè)計(jì)出能源安全領(lǐng)域的知識(shí)圖譜。郭鑫等[11]提出基于目標(biāo)的工藝設(shè)計(jì)知識(shí)構(gòu)成要素建立工藝設(shè)計(jì)知識(shí)組織模型。李慧清[12]在歸納現(xiàn)有機(jī)械類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)的基礎(chǔ)上提出基于本體的知識(shí)表達(dá)。劉琦等[13]分析了中醫(yī)藥領(lǐng)域的知識(shí)表示技術(shù)及推理方法。陳文杰[14]采用基于主題模型和變分自編器的關(guān)系向量構(gòu)建方法,根據(jù)關(guān)系上的主題分布信息將同一關(guān)系表示為不同的實(shí)值向量，從而實(shí)現(xiàn)向量不同維權(quán)重的自適應(yīng)賦值。胡韌奮等[15]提出一種基于深層語(yǔ)言模型(BERT)的古漢語(yǔ)知識(shí)表示方法，能充分利用上下文信息,實(shí)現(xiàn)語(yǔ)序、語(yǔ)法、語(yǔ)義、語(yǔ)境等信息的編碼。蔣勛等[16]構(gòu)建了突發(fā)事件演化知識(shí)表示模型。王毅等[17]在分析改模知識(shí)的基礎(chǔ)上提出一種基于本體的多層知識(shí)表達(dá)與推理模型。

在知識(shí)獲取方面，基于知識(shí)表達(dá)的知識(shí)獲取可為構(gòu)建知識(shí)庫(kù)提供數(shù)據(jù)支撐。SHU等[18]提出一種增量知識(shí)獲取算法。JIANG等[19]提出一種新的注意力增強(qiáng)聯(lián)合學(xué)習(xí)框架，該框架可以針對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分散式知識(shí)獲取。BORIS[20]提出一種具有動(dòng)態(tài)用戶(hù)需求的用戶(hù)知識(shí)獲取方法，利用自然語(yǔ)言處理技術(shù)將文本表單解決方案轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)。WU等[21]提出一種用于構(gòu)建多級(jí)流模型的知識(shí)獲取和表示程序，提高了整體模型的質(zhì)量和一致性。JOHNSON[22]研究了以可持續(xù)性為導(dǎo)向的中小企業(yè)獲取和開(kāi)發(fā)環(huán)境管理體系和相關(guān)工具所需的明確知識(shí)。SASIDHARAN[23]根據(jù)用戶(hù)的領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)將知識(shí)網(wǎng)絡(luò)重新概念化為子網(wǎng)，并分析具有不同性能結(jié)果的工作組之間子網(wǎng)之間的知識(shí)獲取模式。REYES等[24]提出一種新的互動(dòng)方法，用于適應(yīng)知識(shí)的獲取和重用。王然[25]在粗糙集理論的基礎(chǔ)上提出一種面向用戶(hù)偏好的突發(fā)事件知識(shí)獲取方法。王仲等[26]提出一個(gè)知識(shí)獲取、表達(dá)與推理的系統(tǒng)性框架。石玉鑫等[27]提出一種領(lǐng)域基礎(chǔ)詞典的構(gòu)建方法。

綜上所述，目前設(shè)計(jì)知識(shí)主要聚焦于材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、制造等的某一個(gè)階段，但從全生命周期角度出發(fā)，分析并獲取機(jī)電產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)知識(shí)相關(guān)研究報(bào)道較少，無(wú)法有效支撐產(chǎn)品全生命周期下的綠色設(shè)計(jì)，進(jìn)而解決產(chǎn)品內(nèi)部設(shè)計(jì)參數(shù)與其多種綠色性能之間的關(guān)聯(lián)問(wèn)題。因此，通過(guò)分析全生命周期產(chǎn)品綠色性能，進(jìn)而構(gòu)建知識(shí)表達(dá)并獲取綠色設(shè)計(jì)知識(shí)，是當(dāng)前需要解決的技術(shù)問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出OPP結(jié)構(gòu)樹(shù)，基于全生命周期建立操作結(jié)構(gòu)樹(shù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)、性能結(jié)構(gòu)樹(shù)及其之間的多關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的綠色設(shè)計(jì)知識(shí)表達(dá)，并基于綠色設(shè)計(jì)知識(shí)表達(dá)來(lái)獲取綠色設(shè)計(jì)知識(shí)，最后以液壓閥為例，驗(yàn)證綠色設(shè)計(jì)知識(shí)表達(dá)和獲取方法的有效性。

1 面向生命周期綠色性能的知識(shí)表達(dá)

綠色設(shè)計(jì)知識(shí)是產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的，是對(duì)產(chǎn)品全生命周期設(shè)計(jì)及其關(guān)聯(lián)綠色性能的有效分析、概括和展示[28-29]。

面對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)隱性離散的特點(diǎn)以及綠色設(shè)計(jì)的需求，基于物元理論，本文提出了操作元素、產(chǎn)品元素(產(chǎn)品元素可細(xì)分為結(jié)構(gòu)元素和材料元素)和性能元素。其中，設(shè)計(jì)知識(shí)需要有操作動(dòng)作來(lái)表示設(shè)計(jì)過(guò)程，因此提出操作元素來(lái)表示改變對(duì)象的動(dòng)作；設(shè)計(jì)知識(shí)是以產(chǎn)品為中心并為研發(fā)人員設(shè)計(jì)產(chǎn)品服務(wù)，所以設(shè)計(jì)知識(shí)中應(yīng)該包含產(chǎn)品元素，且產(chǎn)品元素是主體對(duì)象、主要設(shè)計(jì)內(nèi)容；設(shè)計(jì)知識(shí)的綠色度和作用是通過(guò)操作所產(chǎn)生的性能來(lái)衡量的，因此提出性能元素來(lái)表征操作的目標(biāo)值。

操作元素、產(chǎn)品元素和性能元素三者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖1所示，可表示為

圖1 元素關(guān)聯(lián)關(guān)系

I={O,P,F}

(1)

式中，O為操作元素,P為產(chǎn)品元素，F(xiàn)為性能元素。

該關(guān)聯(lián)關(guān)系的含義為：產(chǎn)品元素(P)在操作元素(O)的實(shí)施后到達(dá)了性能元素(F)，其中，O-P關(guān)聯(lián)關(guān)系描述操作某個(gè)對(duì)象的過(guò)程，以及該操作過(guò)程的可行性程度；P-F關(guān)聯(lián)關(guān)系描述產(chǎn)品對(duì)象產(chǎn)生性能變化的過(guò)程，以及該性能變化的程度，這種關(guān)聯(lián)關(guān)系可能是多維的，即產(chǎn)品元素在操作元素實(shí)施之后可到達(dá)多種性能元素。

綜上所述，本文所提出的設(shè)計(jì)知識(shí)主要是基于OPP的設(shè)計(jì)信息(操作元素、產(chǎn)品元素和性能元素)的映射關(guān)系，是用于幫助設(shè)計(jì)人員在不同設(shè)計(jì)場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)綠色設(shè)計(jì)目的的信息。

為提高知識(shí)應(yīng)用的準(zhǔn)確度，在構(gòu)建知識(shí)表達(dá)時(shí)，將元素分類(lèi)并構(gòu)建結(jié)構(gòu)樹(shù)。操作結(jié)構(gòu)樹(shù)反映設(shè)計(jì)的動(dòng)作，是對(duì)操作元素的細(xì)分；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)包含的是產(chǎn)品元素，反映了各部件之間關(guān)系；性能結(jié)構(gòu)樹(shù)反映了設(shè)計(jì)操作對(duì)環(huán)境輸出作用的效果，是對(duì)性能元素的細(xì)分。

結(jié)構(gòu)樹(shù)間的互相關(guān)聯(lián)可將一條知識(shí)完整地表達(dá)出來(lái)(圖2)，同時(shí)引入多粒度分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)多情境任務(wù)需求下準(zhǔn)確檢索解決方案的功能。

圖2 綠色設(shè)計(jì)知識(shí)表達(dá)

(1)操作結(jié)構(gòu)樹(shù)。針對(duì)不同的領(lǐng)域、不同設(shè)計(jì)階段專(zhuān)利文檔的多樣性和復(fù)雜性，建立結(jié)構(gòu)樹(shù)的節(jié)點(diǎn)元素，以精確定位操作元素和產(chǎn)品元素的關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此，基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程考慮，將操作劃分為材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)三個(gè)維度，如圖3所示，可表述為

圖3 操作結(jié)構(gòu)樹(shù)

O={O1,O2,O3}

(2)

式中，O、Oi(i=1,2,3)分別為操作結(jié)構(gòu)樹(shù)的第一層、第二層元素。

為規(guī)范表達(dá)，通過(guò)搜集機(jī)電產(chǎn)品領(lǐng)域相關(guān)專(zhuān)利，不斷完善和總結(jié)，建立了面向機(jī)電產(chǎn)品的操作標(biāo)準(zhǔn)集，見(jiàn)表1。

表1 操作標(biāo)準(zhǔn)集

通過(guò)構(gòu)建操作結(jié)構(gòu)樹(shù)可規(guī)范表達(dá)文本中的操作相關(guān)元素，便于存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，且根據(jù)生命周期階段對(duì)操作進(jìn)行分類(lèi)，可滿(mǎn)足不同設(shè)計(jì)階段的需求。

(2)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)。產(chǎn)品信息具有動(dòng)態(tài)性、模糊性和多樣性，將產(chǎn)品元素逐層分級(jí)，形成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)如圖4所示，子層次是零件級(jí)，零件的形成需要經(jīng)過(guò)材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這兩個(gè)階段，可表示為

圖4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)

P={P1,P2,…,Pi,…,Pn}

(3)

(4)

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)集見(jiàn)表2。

表2 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)集

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)將產(chǎn)品分層進(jìn)行表達(dá)，多層次細(xì)粒度的劃分可增加關(guān)聯(lián)關(guān)系，提高綠色設(shè)計(jì)知識(shí)的準(zhǔn)確度和細(xì)粒度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)人員在全生命周期不同階段的各種設(shè)計(jì)需求，提高知識(shí)重用度和產(chǎn)品再設(shè)計(jì)的效率。

(3)性能結(jié)構(gòu)樹(shù)?；诋a(chǎn)品全生命周期將性能劃分為原材料獲取階段、制造與裝配階段、運(yùn)輸階段、使用階段和回收處理階段，性能結(jié)構(gòu)樹(shù)如圖5所示，可表示為

圖5 性能結(jié)構(gòu)樹(shù)

F={F1,F2,…,F5}

(5)

式中，F(xiàn)、Fi(i=1,2,3,4，5)分別為操作結(jié)構(gòu)樹(shù)的第一層、第二層元素。

為規(guī)范操作，通過(guò)搜集機(jī)電產(chǎn)品領(lǐng)域相關(guān)專(zhuān)利，不斷完善和總結(jié)，基于GB/T32161—2015《生態(tài)設(shè)計(jì)產(chǎn)品評(píng)價(jià)通則》[30]提出了相關(guān)的生命周期性能標(biāo)準(zhǔn)集，見(jiàn)表3。

表3 性能標(biāo)準(zhǔn)集

性能結(jié)構(gòu)樹(shù)中的綠色性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)人員直接的綠色設(shè)計(jì)知識(shí)需求，污染性能幫助提高設(shè)計(jì)效率。

構(gòu)建的三個(gè)結(jié)構(gòu)樹(shù)單獨(dú)作用是沒(méi)有意義的，結(jié)構(gòu)樹(shù)間的互相關(guān)聯(lián)才能將一條知識(shí)完整地表達(dá)

出來(lái)，本文采用五元組的方法將結(jié)構(gòu)樹(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系表達(dá)出來(lái)，形成完整的知識(shí)表達(dá)。操作對(duì)象通常是材料和結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生綠色性能和污染性能，綠色設(shè)計(jì)知識(shí)可以表示為

(6)

2 基于OPP領(lǐng)域詞典的綠色設(shè)計(jì)知識(shí)獲取方法

2.1 OPP領(lǐng)域詞典的構(gòu)建

本文從專(zhuān)利及文獻(xiàn)中抽取出名詞、動(dòng)詞、動(dòng)詞短語(yǔ)，采用專(zhuān)家標(biāo)注，構(gòu)建OPP(操作、產(chǎn)品、性能)領(lǐng)域詞典，如圖6所示。傳統(tǒng)標(biāo)注面對(duì)大文本量時(shí)，由于關(guān)鍵字多，直接應(yīng)用效果不佳，故本文結(jié)合OPP結(jié)構(gòu)樹(shù)對(duì)每個(gè)詞典進(jìn)行細(xì)粒度劃分。進(jìn)行標(biāo)注時(shí)，利用前文制定的標(biāo)準(zhǔn)集指導(dǎo)標(biāo)注，標(biāo)注示例見(jiàn)表4。

表4 標(biāo)注示例

圖6 OPP詞典構(gòu)建流程

在文本中，操作元素、產(chǎn)品元素多是單個(gè)詞匯，可直接錄入詞典。性能元素較復(fù)雜，可以是詞匯和動(dòng)詞短語(yǔ)，為減少詞典的數(shù)據(jù)量，將性能短語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)化，即建立性能短語(yǔ)與性能標(biāo)準(zhǔn)集映射關(guān)系，如“提高加工精度”和“減少閥體的質(zhì)量”可以標(biāo)準(zhǔn)化為“高加工性”和“輕量化”，表示為

WFi→fi

(7)

式中，WFi為結(jié)構(gòu)樹(shù)對(duì)象fi所對(duì)應(yīng)的詞組、短語(yǔ)集合，i=1,2,…。

為提高標(biāo)準(zhǔn)化的效率，采用同義詞林輔助標(biāo)準(zhǔn)化，如圖7所示，并將標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中的映射關(guān)系存入性能詞典中。

圖7 同義詞林輔助標(biāo)準(zhǔn)化示例

標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程是通過(guò)從標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中匹配語(yǔ)義相近的元素來(lái)代替短語(yǔ)，通過(guò)專(zhuān)家標(biāo)注兩者之間的聯(lián)系，計(jì)算機(jī)可以識(shí)別文本中的短語(yǔ)，并給其貼上元素標(biāo)簽。為減少標(biāo)注工作量，基于同義詞林進(jìn)行相似度分析，從中匹配短語(yǔ)各部分同義詞，相互組合使得多個(gè)語(yǔ)義相近的短語(yǔ)用同一個(gè)元素標(biāo)簽代替。圖7中，在標(biāo)注“減小質(zhì)量”為輕量化過(guò)程中，系統(tǒng)可以自動(dòng)將“降低重量”“減輕重量”等標(biāo)注為“輕量化”?；谏鲜鐾x詞間的相互組合進(jìn)行的標(biāo)注示例優(yōu)化見(jiàn)表5。

表5 標(biāo)注優(yōu)化

2.2 綠色設(shè)計(jì)知識(shí)獲取

通過(guò)領(lǐng)域詞典提取的詞匯是相互獨(dú)立的，不存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，不能完整地表達(dá)綠色設(shè)計(jì)知識(shí)，例如，通過(guò)操作詞典識(shí)別出“電泳漆”、通過(guò)產(chǎn)品詞典識(shí)別出“硬鉻”、通過(guò)性能詞典識(shí)別出“輕量化”，被提取的三個(gè)詞匯沒(méi)有建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，無(wú)法挖掘出“電泳漆-硬鉻-輕量化”的知識(shí)。因此，提出基于OPP領(lǐng)域詞典的綠色設(shè)計(jì)知識(shí)獲取方法，通過(guò)領(lǐng)域詞典識(shí)別并獲取文本中的關(guān)鍵字，形成操作集、產(chǎn)品集和性能集，并從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度建立不同集合中元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成綠色設(shè)計(jì)知識(shí)，具體過(guò)程如圖8所示。

圖8 綠色設(shè)計(jì)知識(shí)獲取流程

對(duì)挖掘的關(guān)鍵字進(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算點(diǎn)互信息(pointwise mutual information，PMI)[31]來(lái)衡量三個(gè)詞典提取的詞匯之間的關(guān)聯(lián)程度，從而抽取出關(guān)聯(lián)程度較高的詞匯組合。PMI從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來(lái)衡量詞語(yǔ)之間的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)程度，針對(duì)某文本集合Ti中的詞匯O、P、F，若這三個(gè)詞匯出現(xiàn)在同一個(gè)文本當(dāng)中，則稱(chēng)詞匯O、P和F共現(xiàn)，共現(xiàn)的概率可表示為

(8)

式中，f(O,P,F)為O、P和F共現(xiàn)的數(shù)量；|Ti|為參與計(jì)算的文獻(xiàn)文本數(shù)量。

O、P、F單獨(dú)出現(xiàn)的概率為

(9)

式中，f(O)、f(P)、f(P)分別為O、P和F出現(xiàn)的頻率；C1、C2、C3分別為操作集、產(chǎn)品集、性能集總的元素個(gè)數(shù)。

O、P和F關(guān)聯(lián)程度計(jì)算公式為

(10)

PMIg(O,P,F)表示操作元素、結(jié)構(gòu)元素、綠色性能元素間的點(diǎn)互信息，當(dāng)其大于閾值時(shí)，認(rèn)為集合Ti中O、P和F具有搭配關(guān)系，并且{O，P，F(xiàn)}代表提取的綠色設(shè)計(jì)知識(shí)。則操作元素、結(jié)構(gòu)元素、污染性能元素間的點(diǎn)互信息為

(11)

當(dāng)PMIng(O,P,-F)大于閾值時(shí)，{O，P，-F}表示提取的污染設(shè)計(jì)知識(shí)。

考慮到同一個(gè)O-P可能會(huì)導(dǎo)致綠色性能和污染性能，污染性能較綠色性能多的P-F關(guān)聯(lián)關(guān)系參考價(jià)值低，需要對(duì)建立的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行篩選，確保知識(shí)的可用性，通過(guò)引入綠色關(guān)聯(lián)度來(lái)衡量知識(shí)的可用性。

計(jì)算綠色關(guān)聯(lián)度的公式為

(12)

式中，L為知識(shí)中各元素的綠色關(guān)聯(lián)度；Fi為該操作下的綠色性能；(-F)i為該操作下的污染性能。

通過(guò)式(12)可得到三種結(jié)構(gòu)樹(shù)元素的綠色關(guān)聯(lián)度L，若達(dá)到閾值G0，例如，3D打印液壓閥-支撐，產(chǎn)生兩個(gè)綠色性能：節(jié)能、輕量化；一個(gè)污染性能：成本高，計(jì)算的綠色度大于閾值，那么3D打印液壓閥-支撐-性能的關(guān)聯(lián)規(guī)則是可用的。

在綠色設(shè)計(jì)知識(shí)表達(dá)的基礎(chǔ)上，考慮機(jī)電產(chǎn)品全生命周期設(shè)計(jì)信息，設(shè)計(jì)綠色設(shè)計(jì)知識(shí)在數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)方式：操作層-產(chǎn)品層-性能層，如圖9所示。

圖9 綠色設(shè)計(jì)知識(shí)存儲(chǔ)方式

將數(shù)據(jù)庫(kù)中表格分為三層：操作、產(chǎn)品、性能。每個(gè)層次都包含不同類(lèi)型的表格，通過(guò)層間關(guān)聯(lián)和交互實(shí)現(xiàn)綠色設(shè)計(jì)知識(shí)集的存儲(chǔ)，來(lái)支持產(chǎn)品全生命周期綠色設(shè)計(jì)。

該存儲(chǔ)方式可重復(fù)利用各層次的元素，即元素間的不同關(guān)聯(lián)關(guān)系形成一條綠色設(shè)計(jì)知識(shí)，可實(shí)現(xiàn)少量元素表達(dá)大量綠色設(shè)計(jì)知識(shí)的目的，提高了知識(shí)的存儲(chǔ)效率。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集

本文選取液壓閥作為分析對(duì)象，首先從400篇液壓閥相關(guān)專(zhuān)利和論文中針對(duì)性地搜集操作動(dòng)詞、產(chǎn)品名詞和性能詞匯(詞組)，構(gòu)建操作詞典、產(chǎn)品詞典和性能詞典,然后用另外1000篇摘要進(jìn)行操作-產(chǎn)品-性能關(guān)聯(lián)關(guān)系挖掘?qū)嶒?yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，基于操作詞典匹配識(shí)別出C1=1127個(gè)操作關(guān)鍵字，產(chǎn)品詞典匹配識(shí)別出C2=2178個(gè)產(chǎn)品關(guān)鍵字，性能詞典匹配識(shí)別出C2=854個(gè)性能短語(yǔ)、詞組，并標(biāo)準(zhǔn)化。

3.2 關(guān)聯(lián)關(guān)系的確定

設(shè)置PMI的閾值為3.3，得到部分關(guān)聯(lián)關(guān)系見(jiàn)表6，對(duì)應(yīng)的操作、產(chǎn)品和性能關(guān)鍵字?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表7～表9。

表6 部分關(guān)鍵字關(guān)聯(lián)關(guān)系統(tǒng)計(jì)

表7 操作關(guān)鍵字(O)

表8 產(chǎn)品關(guān)鍵字(P)

表9 性能關(guān)鍵詞(±Fg)

表6中，Na指的是空值。將PMIg和PMIng代入式(12),可以得到關(guān)聯(lián)關(guān)系的綠色度：L1=9.3913，L2=8.2980，L3=0.1333，L4=-6.4958，L5=16.0920，L6=5.6978，L7=7.3696，L8=4.0260，L9=6.0699，L10=-4.5237，L11=3.9545。設(shè)置綠色度的閾值G0為0，則L4和L10因小于閾值而被刪除，其余知識(shí)因綠色關(guān)聯(lián)度大于0，因此可用性較高。將篩選后的元素及其之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系基于圖2構(gòu)建的知識(shí)表達(dá)進(jìn)行存儲(chǔ)(圖10)，其中，因液壓閥屬于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，所以本案例中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)從零件級(jí)開(kāi)始分類(lèi)，由圖10的知識(shí)表達(dá)能夠得到綠色設(shè)計(jì)知識(shí)集的數(shù)學(xué)描述K：

圖10 3D打印液壓閥綠色設(shè)計(jì)知識(shí)表達(dá)

K=

(13)

由式(13)可知：3D打印懸臂制造成本低、加工能耗低、閥體易變形；機(jī)加工支撐易拆卸、可制造性好、熱輻射低；去除工藝孔降低故障點(diǎn)；使用管網(wǎng)結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中節(jié)能、提高整體性能；結(jié)構(gòu)優(yōu)化交叉鉆孔系可以減少壓降；拓?fù)鋬?yōu)化流道可以輕量化液壓閥。針對(duì)不同的設(shè)計(jì)需求，綠色設(shè)計(jì)知識(shí)集中可找到與之對(duì)應(yīng)的綠色設(shè)計(jì)知識(shí)。例如，面對(duì)“減小液壓閥的重量”需求，可確定設(shè)計(jì)對(duì)象是液壓閥，綠色性能是輕量化，即可在綠色設(shè)計(jì)知識(shí)集中確定對(duì)應(yīng)的操作：拓?fù)鋬?yōu)化，最終匹配到對(duì)應(yīng)的綠色設(shè)計(jì)知識(shí)“拓?fù)鋬?yōu)化液壓閥流道可以輕量化液壓閥”，具體應(yīng)用見(jiàn)表10。

表10 綠色設(shè)計(jì)知識(shí)的應(yīng)用

4 結(jié)論

(1)本文統(tǒng)計(jì)分析機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源及基本信息，分析三類(lèi)主體元素(操作-產(chǎn)品-性能)的關(guān)聯(lián)過(guò)程，提出面向生命周期下綠色設(shè)計(jì)需求的綠色設(shè)計(jì)知識(shí)表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)對(duì)象、設(shè)計(jì)過(guò)程與其綠色性能的有效關(guān)聯(lián)。

(2)利用專(zhuān)家標(biāo)注結(jié)合同義詞林構(gòu)建操作詞典、產(chǎn)品詞典和性能詞典，利用詞典對(duì)摘要文本中的關(guān)鍵詞進(jìn)行識(shí)別匹配，得到操作集、產(chǎn)品集和性能集；通過(guò)計(jì)算集合中元素間的點(diǎn)互信息PMI，建立元素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，最后通過(guò)計(jì)算綠色關(guān)聯(lián)度篩選出綠色設(shè)計(jì)知識(shí)。

(3)以某款液壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，搜集并處理液壓閥相關(guān)專(zhuān)利，通過(guò)綠色性能分析得到知識(shí)元素如下：3D打印、選區(qū)激光熔化、機(jī)加工結(jié)構(gòu)優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、懸臂、液壓閥、支撐、工藝孔、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、流道、交叉鉆孔系、壽命低、可拆卸、壽命高、低熱輻射、可制造性好、質(zhì)量高、使用節(jié)能、高性能、壓降低等。形成綠色設(shè)計(jì)知識(shí)集合，可應(yīng)對(duì)“降低液壓閥的使用能耗”“減小液壓閥的壓降”“減小液壓閥的重量”等需求。綜上，這種知識(shí)結(jié)構(gòu)具有表達(dá)清晰、便于推送的優(yōu)點(diǎn)，可有效滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的各種綠色設(shè)計(jì)需求。

(4)本文方法可用于專(zhuān)利等文獻(xiàn)中綠色設(shè)計(jì)知識(shí)表達(dá)的構(gòu)建和綠色設(shè)計(jì)知識(shí)的獲取，在構(gòu)建OPP詞典時(shí)，由于本文方法需要大量的標(biāo)注，屬于有監(jiān)督學(xué)習(xí)，需要耗費(fèi)大量的人力物力，故今后需要在無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)構(gòu)建詞典方面開(kāi)展深入研究，進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)電產(chǎn)品全生命周期綠色設(shè)計(jì)。