基于知識的機械產品開發集成技術研究

摘要：在分析CAx集成信息的基礎上，提出了一種在關系數據庫上建立的集成產品模型的數據結構，得出了以產品數據管理系統為基本集成框架、融合知識管理理念的基于知識的機械產品開發集成體系框架。

關鍵詞：知識； CAx； 機械產品開發； 集成技術

中圖法分類號：TP391文獻標識碼：A

文章編號：1001－3695(2007)01－0124－03

隨著產品的結構越來越復雜，功能越來越趨向集成化和復合化，新產品開發所需要的知識越來越多，尤其是面對市場國際化的激烈競爭，產品設計開發活動越來越要求以最快的時間將所需要的新知識融入產品之中。設計是否成功取決于所需要的知識，尤其是新知識含量[1]。基于知識的集成信息系統，以支持知識管理和技術創新為中心，是信息集成系統發展的趨勢[2~4]。

目前，機械制造企業大多已經實施了CAD，CAPP，CAE等CAx系統，并實現了基于PDM、并行工程的集成產品集成開發[5~9]。但是，這些產品開發集成系統缺乏知識集成，沒有知識管理系統的支持。

1CAx集成信息分析

CAx分系統在機械產品開發過程中，產生了組成產品的零部件的主物料信息，該信息標明了零部件的物理特性，如零部件的標志號、名稱、重量、單位、圖號等，同時產生了產品的設計物料清單（BOM）內容以及零件的工藝路線、工序、工步等信息。對于任何一個具體機械零件、部件、整件，它們都具有相應CAD/CAPP/CAE模型的一些共同屬性，可以抽象出一種新的CAD/CAPP/CAE模型實體，具體零件、部件、整件繼承了它的全部屬性。因此可以集成已有CAD/CAPP/CAE各個分系統的數據模式形成整體模式，如圖1所示。

1．1CAx集成信息描述

CAx集成系統作為集成平臺和集成框架，管理企業中所有與產品相關的信息（包括電子文檔、圖形文件、CAx文件、產品結構等）和所有與產品相關的過程（包括一般的工作流程、工程更改過程），如何有效地將這些信息組織起來以便檢索和查看是產品開發集成技術研究的主要內容。

總體上，機械產品設計開發過程的數據管理信息可以分為三類：

(1)產品信息。描述產品結構、設計信息及相關文檔，主要包括零件分類信息，如自制件、通用件、外購件、借用件、裝配件、機加件、標準件等；管理信息包括基本信息（如圖檔名稱、編號、路徑、版本、狀態、類型等）、BOM信息（如裝配關系、裝配數量、結構清單等）以及更改單、審批結果。

(2)過程控制信息。主要包括需求定義、技術要求、應用系統的輸出信息、工藝信息和制造信息等。

(3)組織結構信息。描述參與產品整個開發過程中的工作組、角色（Role）及人員的組織結構和權限。

1．2CAx集成信息組織

采用面向對象的管理機制建立產品結構信息樹是有效組織信息的重要手段。機械產品開發過程數據模型采用產品層層分解的方式組織，類似于產品結構樹，每一節點附加屬性關聯信息。層與層之間形成類屬關系、聚合關系，最終建立以產品結構樹為基體的產品結構信息樹。這種結構提供了單一的產品數據源，為全局數據的一致性和共享奠定了基礎。圖2描述了機械產品結構信息樹。

整個產品結構信息樹的層次關系，除根節點以外，都是對相應的獨立存在于數據庫中的零部件的引用，數據庫中只有零部件的一個存儲實例，對此實例或其引用的修改會聯動修改產品結構樹中所有對此零部件具有引用關系的結構，這種聯動修改極大地維護了產品結構樹的實時更新，保證了產品結構信息樹相關數據的完整性和統一性。建立產品信息結構樹的原則是引用。如果在需要建立某零部件的引用關系時，其尚不存在，應先創建該零部件，再通過引用關系使用該零部件。為此需要組織相應的子裝配體、零件，以方便查詢，可以采取建立子裝配文件夾、零件文件夾的方法。

以零件為單位的數據組織形式如圖3所示。對于每個機械零部件，可能有幾個不同的版本同時并存，它們構成這類對象的多個實例。

在實際情況中，為了減少重復的畫圖工作，提高零件的可重用性，同一編碼的零部件又可安裝于另外多個部件之上，因此零部件之間的裝配關系是一個多對多的網狀結構。已有研究表明，完全可以在保證不浪費存儲空間的情況下，將網狀結構轉換為樹型結構。

2集成產品模型的數據結構

不管是機械產品的設計還是制造過程，都是以項目為中心，按照產品結構的組織方式配置任務，因此如何在關系數據庫上建立集成產品模型尤為重要。本文采用在關系型數據庫的基礎之上加上面向對象的層的方法，先建立面向對象數據結構，然后再將對象映射到關系數據庫中的表格。使得CAx系統之間的信息傳遞可以通過集成平臺來進行，而不必直接進行相互間的信息傳遞。

2．1UML對象模型

產品的類型不同，產品定義模型的數據結構也會有所不同。為了有效管理集成化機械產品開發系統中的產品數據，采用面向對象的方法描述產品的信息。定義了產品類、部件類、零件類、視圖類、工作組類和人員類，借助類的層次性結構表達產品信息，并采用統一建模語言UML的類圖設計了相應的數據結構，各大類都具有各自的定義屬性和它們的屬性子類。具體結構如圖4所示。

圖4機械產品集成信息數據結構

通過產品類、部件類和零件類可以描述產品的大概信息，視圖對象類則描述了面向產品開發不同階段、不同人員的信息視圖，如設計視圖、制造視圖、裝配視圖以及其他所需的視圖等，用以支持協同產品開發的不同階段對產品模型的不同需求。

面向對象的產品數據模型，提供了一種層次性的數據結構。模型中產品類、部件類、零件類是相對的。如果單獨地考慮部件和零件，它們都可以看成是一個完整的、具體的產品，是不同層次上的產品。

2．2對象映射

關系數據庫并不直接支持面向對象的產品數據集成管理模型，而關系數據庫仍然是當前數據庫技術的主流，因此，需要實現面向對象的模型向關系數據模式的映射。

利用對照關系可以描述任意復雜機械產品的零部件對應關系。數據庫中的存儲可以用ER語義建模方法描述如下：

其中，E為描述零部件本身屬性的關系模式；R為產品信息結構樹中層與層之間的關系，R中沒有父項或父項就是其本身的部件就是產品。E和R的內容均可根據具體應用而適當擴展，實例如圖5所示。

圖5機械產品數據結構在數據庫中的定義

產品結構樹中的層次關系通過父零件號和子零件號在關系數據庫中兩兩關聯。與零件相關的文本、圖紙和NC程序等通過引用指針和零件相關聯。

新產品的設計是一個反復和回溯的過程，產品的設計過程是一個試探著前進的過程，過去的設計應能夠進行保留，以方便滿足因某種原因需返回過去廢棄的設計的要求。這種結構就是為支持產品設計數據回溯而設計的，使用的是引用原則，零件和部件之間、部件和產品之間、零件和自身的不同版本之間均采用引用指針相關聯。如要廢棄某一設計，只要切斷相應的引用關系即可，該設計的實例仍舊保存于數據庫中，如在某種情況下重新需要使用該設計時，只要重建引用關系即可。

3基于知識的機械產品開發集成體系框架

3．1體系描述

基于知識的機械產品開發集成體系以產品數據管理系統為基本集成框架，融合知識管理理念。結合機械產品設計實例推理與規則推理，以設計知識庫、產品數據庫為核心，以人人交互式設計為基礎，集成基于知識庫管理的智能應用工具。基于知識的機械產品開發集成體系包含設計知識管理系統和產品數據管理系統兩大部分，如圖6所示。

圖6基于知識的機械產品開發集成體系組成

設計知識管理系統（Knowledge Management System，KMS）包括數據庫、知識分析、設計知識庫管理、設計知識的共享工具與協同機制等內容；產品數據管理系統（PDM）包括工程數據管理、文檔管理、產品信息管理、技術數據管理、產品配置管理、工作流管理和項目管理等內容。兩者是有機結合、彼此融合的。基于知識的機械產品開發集成體系提供了以軟件平臺為基礎、以應用軟件系統為核心、以服務支持（管理、決策支持、知識共享）為保障的產品開發環境，提供實時信息與實時決策支持，實現快速、高效、準確的智能化管理。

基于知識的機械產品開發集成系統由CAD/CAE/CAPP/CAM系統提供其收集的大量有關產品生產的信息，再通過知識管理系統中的知識數據庫與其中的知識挖掘、聯機分析處理系統（OLAP）與智能推理系統等知識管理工具進行數據、知識處理，并由決策支持系統協助作出準確和及時的響應。集成系統智能化的重要基礎是數據倉庫技術，通過數據倉庫，系統可擷取并載入原始資料，為管理者提供分析與查詢信息。知識庫本身能管理大量數據，并能以高效能處理復雜查詢。數據分析與查詢可應用各種先進技術，如模糊查詢、多維度分析（Multidimensional Analysis）和假設性問題分析（WhatIf Analysis）等。除此之外，系統還必須建立安全機制，賦予不同職務者以不同的權限，獲得不同程度的信息。

3．2技術體系結構

基于知識的機械產品開發集成體系不只是在傳統PDM中簡單引入設計知識管理系統，它是PDM系統與KMS相互融合的統一體，是人工智能等技術與產品數據管理系統的有機結合體。就PDM與知識管理系統而言，PDM是產品開發集成知識管理的基礎，它為產品開發集成知識管理的實施創造了條件，而知識管理系統又為PDM的成功應用提供了有利保證。通過CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM使企業獲取大量的信息、應用知識的能力大大增強，企業可以借助網絡收集到企業所需的信息，并可通過網絡進行知識的傳播和交流，使員工的個人知識方便地轉變為可以在企業內部廣泛共享和恰當利用的企業知識。知識管理系統的應用也使PDM有了良好的后臺支持，企業相關的信息會在知識管理系統的處理下，實時、恰當、個性化地公布于不同的需求者，為企業的發展奠定基礎，為形成內部學習型的企業文化打下良好的基礎。

PDM與KMS之間相互融合、緊密相連，共同對企業資源進行有效的管理，基于知識的機械產品開發集成體系的基本技術構架如圖7所示。

PDM是CAD/CAE/CAPP/CAM的集成平臺，KMS由數據庫和數據分析、數據挖掘、決策支持等模塊組成，將前臺PDM的信息進行篩選、分析和存儲，通過推理機將推理的結果反饋給系統，構成了基于知識的機械產品開發集成系統的后臺。

圖7基于知識的機械產品開發集成系統體系結構

基于知識的推理是技術體系結構中的核心模塊，包含知識獲取、知識庫和推理機。知識獲取模塊中含有對信息的篩選和處理，采用先進的數據挖掘算法對其中的大量信息進行分析，得出知識規則，將總結出來的知識存入知識庫中。知識的表示可以是產生式規則，也可以采用框架結構或者語義網絡。對應的知識存儲方式隨知識的表示不同而有差別，但最終都以一個知識庫的形式物理存在。在知識庫形成后，如何根據現有的知識和條件推出具有意義的結果，要借助于推理機的選擇。推理機是采取的推理策略的具體實現。在知識推理中重要的搜索策略的選擇、推理模型的建立都在推理機內。

基于知識的機械產品開發集成系統平臺以基礎環境（軟件、硬件、網絡、設備）為支持，以企業知識庫為中心，以不同產品系列為應用對象，以CAD，CAE，CAPP和CAM為基礎，以“創新原理、創新技術”等知識工程技術為創新工具，綜合應用信息技術、先進制造技術實現產品的快速設計與創新設計。

4結束語

在知識經濟社會中，知識開始成為企業關鍵的經濟資源并變成主宰甚至是唯一的競爭優勢的來源。知識管理作為知識經濟發展的依托和知識創新的手段，已成為企業和政府關注的焦點，也成為管理學、經濟學、信息管理學等學科研究的新課題。本文在分析CAx集成信息的基礎上，提出了一種在關系數據庫上建立的集成產品模型的數據結構，進而提出了以產品數據管理系統為基本集成框架、融合知識管理理念的基于知識的機械產品開發集成體系框架。在機械制造企業建立基于知識的產品開發集成環境，有利于提高產品創新設計能力、縮短產品開發周期、提升企業競爭力。

參考文獻：

［1］關宏令. 現代設計和設計知識獲取[J]. 鐵道技術監督， 2000(2)：2933.

［2］顧新建， 祁國寧. 知識集成初探[J]. 計算機集成制造系統——CIMS， 2000，6(1)：813.

［3］李少波， 謝慶生， 張海盛. 基于知識的集成產品設計與制造[J]. 貴州工業大學學報， 2002，4(8)：4852.

［4］馮立艷， 王志江. 基于實例和知識的CAD/CAPP集成系統[J]. 機械設計與研究， 2001，17(4)：2528.

［5］[德]約瑟夫·蕭塔納. 制造企業的產品數據管理[M]. 北京：機械工業出版社， 2000.112125.

［6］彭繼忠. 基于PDM框架的應用集成研究與實踐[J]. 計算機集成制造系統——CIMS， 2000，6(1)：8388.

［7］曹健， 張申生， 胡錦敏. 面向并行工程的集成化產品開發過程管理系統研究[J]. 中國機械工程， 2002，13(1)：8083.

［8］Harvey M， Ray G.The Reality of Concurrent New Product Development[J]. Integrated Manufacturing System，1998，(2)：6976.

［9］湯軍社， 秦現生， 彭炎午. 基于并行工程的新產品開發過程管理模式研究[J]. 工業工程， 1999，2(3)：2327.

作者簡介：

陳永當（1972），男，陜西潼關人，博士研究生，主要研究方向為企業信息化工程技術與知識管理技術；

楊海成（1959），男，陜西寶雞人，中國航天科技集團公司總工程師，國家“863/CIMS”主題專家組組長，國家制造業信息化重大項目專家組組長，教授，博導，主要從事國防科技、型號預研、國民經濟重大關鍵技術、國家高技術發展計劃（“863”計劃）、國家科技攻關計劃等國家重大項目的研究、管理、開發、產業化，著重開展技術創新與應用探索結合方面；

莫蓉，女，博導，主要研究方向為計算機支持的協同設計、網絡化制造、產品數字化定義、PDM、計算機圖形學等；王增強，男，教授，主要研究方向為航空復雜產品數字建模及數控加工技術；

杜兵勞，男，在職博士研究生，主要研究方向為航空發動機項目管理與知識管理應用。

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文