面向產品設計人員的知識推送服務研究

蔣翠清， 高家飛， 李斌生

（1.合肥工業(yè)大學 管理學院 安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學 過程優(yōu)化與智能決策教育部重點實驗室 安徽 合肥 230009）

面向產品設計人員的知識推送服務研究

蔣翠清1，2， 高家飛1， 李斌生1

（1.合肥工業(yè)大學 管理學院 安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學 過程優(yōu)化與智能決策教育部重點實驗室 安徽 合肥 230009）

面向產品設計人員的知識推送服務為設計人員提高其對知識的重用提供了有效的解決途徑。文章首先討論了知識服務的概念及分類，然后描述了產品設計人員的知識需求，包括設計人員知識需求的生成方法與更新原則以及基于概念語義擴展的設計知識檢索方法；在此基礎上，給出了面向產品設計人員的知識服務層次模型和需求驅動的產品設計知識服務運行模式，并通過實例對該模式進行了系統(tǒng)實現與驗證，應用表明該系統(tǒng)可有效提高設計人員知識獲取的效率。

設計人員；知識服務；知識需求；概念語義擴展

從現代產品設計的特點來看，基于網絡的各種先進制造技術迅速發(fā)展，設計過程的復雜性越來越高，設計活動越來越突出地體現知識密集型和協作密集性的特點，如何有效協同這一復雜活動中的資源、行為和過程，受到了越來越廣泛的關注。知識服務為企業(yè)實現知識資源的利用提供了新的途徑，面向設計人員的知識服務就是在適當的時間和地點將適當的知識推送給設計人員，以幫助其提高設計水平和設計效率。

目前，產品設計知識服務方面的研究已有很多。文獻［1］提出基于粗糙集的產品協同設計知識推送方法和知識推送體系，分析了推送流程；文獻［2］根據知識推送系統(tǒng)的架構分析了員工、領域、知識、流程、子流程的概念及其數據結構，探討了推送知識的匹配方法，并實現了基于流程驅動的領域知識主動推送系統(tǒng)；文獻［3］提出了基于本體的某機械產品設計過程的知識表示和推送技術；文獻［4］提出了一種基于知識管理的，以工作流驅動的產品設計知識主動推送體系結構，分析了其主要層次結構及知識的組織和管理，提出了以工作流驅動的知識主動推送方式；文獻［5］提出嵌入式知識服務的運作理念，將企業(yè)外的各級資源單元無縫地集成到設計過程中，并保證設計實體和各級資源單元的獨立性。

然而，在這些研究中，缺乏對產品設計過程中知識需求的研究。同時，在對設計人員進行知識服務時，沒有充分考慮到設計人員知識背景、知識水平的差異，導致他們很難獲取所需知識。針對這些不足，本文研究了產品設計過程中的知識需求，包括設計人員知識需求的生成與更新。同時，提出一種面向產品設計人員的知識服務層次模型，并在此模型的基礎上提出了需求驅動的產品設計知識服務運行模式，基于該模式的產品設計知識推送方式可使推送的知識更加符合設計人員的需求。

1 知識服務相關概念及其分類

1.1 知識服務相關概念

近幾年，國內外有關知識服務的研究較熱，然而知識服務的概念并沒有一個統(tǒng)一的定義。國內最早提出知識服務概念的是四川大學的張曉林教授，他認為：知識服務即以信息知識的搜尋、組織、分析、重組的知識和能力為基礎，根據用戶的問題和環(huán)境，融入用戶解決問題的過程之中，提供能夠有效支持知識應用和知識創(chuàng)新的服務［6］。之后很多學者［7－10］也紛紛提出了各自對知識服務概念的理解，本文將不予贅述。

本文所研究的知識服務是面向設計人員的知識服務，綜合眾多學者對知識服務的定義以及本文所研究的對象，給出本文對知識服務的定義：面向產品設計人員的知識服務是主動為設計人員提供知識的服務，通過系統(tǒng)與設計人員的交互，明確設計人員的知識需求，進而將設計人員所需的知識轉化為知識產品，并在適當的時間和地點將該知識產品推送給設計人員，以幫助其提高設計水平和設計效率。

1.2 知識服務的分類

根據知識服務所涉及的領域，一般將知識服務分成元知識服務、領域知識服務和通用知識服務；根據知識服務提供的方式來分，知識服務可分為被動式知識服務、半主動式知識服務和主動式知識服務；根據知識服務的服務對象來分，可將知識服務分為面向設計人員的知識服務和面向知識管理人員的知識服務。如圖1所示，一方面是面向設計人員的知識服務；設計人員的知識需求被傳遞給知識資源，知識資源解析相應知識需求，將領域知識反饋給設計人員；另一方面，設計人員的設計經驗和設計文檔資料被保存為知識資源的過程則是面向管理人員的知識服務。

圖1 知識服務過程

本文研究的知識服務為面向產品設計人員的主動式的領域知識服務。

2 產品設計人員的知識需求

在產品設計中，設計人員對知識的需求取決于2個因素：設計人員所從事的具體的設計活動和設計人員本身［11］。設計活動代表了設計人員從事設計任務的環(huán)境，將設計活動與知識相結合，可以達到充分利用知識的效果。由于不同的設計人員具有不同的知識背景和興趣偏好，而且對于某一設計人員而言，隨著時間的變化、從事設計活動的增加，其知識背景和個人偏好也會不斷變化。因此，設計人員的知識需求還需考慮設計人員本身的因素。

2.1 設計人員知識需求的生成

由于設計人員對其興趣偏好的不確定性，所以確立準確的設計人員模型是比較困難的。大多數的研究［12－14］通常運用概念術語及其權重來描述設計人員模型。在實際應用中，運用設計人員知識熟悉度和知識術語間的關聯度來描述設計人員的個性化知識需求。而設計任務知識需求也同樣用概念術語來描述［15］。

設計人員的知識需求（Designer Knowledge Demand，簡稱 DKD）可描述為DKD＝ ｛KDT，KDM｝，其中，KDT描述了設計任務（Design Task）知識需求，KDT＝ ｛t1，t2，t3，…，tn｝表示設計任務的概念術語集合；KDM描述了根據設計人員模型（Designer Model）所確立的知識需求，設計人員模型采用圖描述為KDM＝ （V，E）。其中，V＝｛（t1，f1），（t2，f2），（t3，f3），…，（tn，fn）｝為圖的頂點，用來描述術語集合及其熟練度；E＝｛（vi，vj，nvij）｜vi，vj∈V｝為圖的邊，是用來描述術語間關聯度的集合。設計任務（Design Task）可描述為DT＝T／（A，R），其中，T＝ ｛T1，T2，T3，…，Tn｝為設計任務中的任務集合；A＝ ｛A1，A2，A3，…，An｝為設計任務中設計活動的集合；R＝｛R1，R2，R3，…，Rn｝為設計任務中角色的集合。

為了描述活動或者角色的變化，令F＝A×A×C或F＝R×R×C，F描述了當條件C的結果為真時，活動或角色發(fā)生變化，C中的元素c均為布爾類型的表達式。

設計人員知識需求生成的基本思路是：知識需求由產品設計任務中活動或角色的變化觸發(fā)產生，通過對設計任務的描述來確定設計任務知識需求，然后將設計任務知識需求與設計人員模型進行融合，形成設計人員的知識需求。

2.2 設計人員知識需求的更新

設計人員通過查閱推送的知識，完成相應的設計任務，其知識水平會隨之變化。因此，需要對設計人員的模型進行更新。其更新的原則如下：

（1）設計人員對主動推送的知識，有閱讀和不閱讀2種處理方式。由于為設計人員提供的知識是完成設計活動所必備的知識。若設計人員閱讀了知識，則任務完成后相應知識的熟悉度就會增加；若不閱讀，則表示設計人員對該知識源已足夠熟悉，則將相應的知識術語熟悉度設為最低值。

（2）設計人員在完成某一設計活動后，其所完成活動的知識術語和所閱讀的知識源的知識術語，將被加到設計人員模型中，對新增的知識術語，其熟悉度被設置為熟悉度初始值。

（3）設計人員完成設計任務后，在業(yè)務活動知識需求和其所閱知識源中同時出現的知識術語間的關聯度將增加。

3 基于概念語義擴展的設計知識檢索

3.1 概念語義擴展

作為領域知識概念化的系統(tǒng)描述，領域本體定義了概念術語，描述了概念間的關聯，并提供了語義推理所需的邏輯規(guī)則［16］。語義推理包括同義擴展、語義蘊含、外延擴展及語義相關聯想等類型。在推理的過程中，由于缺乏統(tǒng)一的量化標準，因此難以根據相關度進行有序排列，造成擴展概念術語集散落聚集。根據這種無序擴展概念術語集檢索出來的設計知識，系統(tǒng)也無法衡量它們與設計人員知識需求的關聯程度。因此，在對設計人員的知識需求進行基于概念術語的描述時，引入一個量化標準來度量擴展后的概念術語與原概念術語之間的關聯程度，這種量化標準就是語義擴展度。

量化擴展后的概念術語與原概念術語之間的符合程度，涉及語義相似度和語義相關度2個因素。語義相似度是指2個不同概念術語在特定領域內可以互換且不改變原先所表達的含義的程度。語義相關度是指特定領域內2個不同概念術語在本體語義上存在的直接或者間接聯系的相對強度。

通過對領域本體中概念術語間語義相似度和相關度計算的研究分析，下面給出概念術語的語義擴展度的計算公式。概念術語P相對于概念術語Q的語義擴展度計算公式為：

3.2 設計知識檢索

本文的設計知識檢索建立在概念語義擴展的基礎上，通過概念語義擴展提高設計知識檢索的查全率和查準率。同時，本文的檢索過程和傳統(tǒng)的檢索過程也是不一樣的，傳統(tǒng)的檢索過程是需要用戶去輸入檢索式，而本文的檢索是系統(tǒng)主動地根據設計人員的知識需求檢索相關知識，然后推送給設計人員。

本文的設計知識匹配采用基于向量空間模型的匹配方式。通過對設計知識源文檔的特征向量與設計人員的知識需求的特征向量之間進行相似度計算，來檢索得到相似度高的設計知識源文檔。

（1）設計知識源文檔的特征向量表示。設計知識源文檔中的概念詞可能出現在文檔中的不同描述區(qū)間中，如知識源題目、關鍵詞、摘要、內容等。在不同的描述區(qū)間中，概念詞相對于文檔的重要程度可能不一樣，因此，需要對每個描述區(qū)間的重要程度進行設定，以提高查準率。

設計知識源文檔中不同描述區(qū)間的重要因素集合為W＝ ｛Wx｜x∈ ｛SK，CK，AK，KW，…｝｝，其中，Wx表示描述區(qū)間x的重要程度。由于設計知識源中的概念可能存在于多個描述區(qū)間中，因此，當出現此情況時，設定概念的描述區(qū)間權重Wxi＝max｛Wx｝，其中，Wx為概念所出現的描述區(qū)間的權重集。

設計知識源文檔可最終轉換成向量Vks，即

其中，Wdi為文檔中概念ki的特征權重；Wxi為概念ki的描述區(qū)間權重。概念相對于設計知識源文檔的特征權重計算方法如下：

其中，W（t，d）為概念詞t在設計知識源文檔d中的特征權重；tf（t，d）為t在d中出現的頻率；nt，d表示t在d中出現的次數；idf（t，d）為反文檔頻率；N為設計知識源文檔集的個數；Nt，d為出現概念詞t的文檔個數。

由于構成設計知識源文檔的詞匯數量可能很大，導致表示知識源文檔的向量空間的維數也可能很大，因此，需要進行維數壓縮。通過設定閾值Ω，當文檔中某一概念的權重WdiWxi低于Ω時，從特征向量中去掉該概念及其權重，最后得到維數為m的表征設計知識源文檔的特征向量。

（2）設計人員知識需求的特征向量表示。設計人員知識需求的特征向量表示為：Vkd＝｛（k1，Wk1），（k2，Wk2），…，（ki，Wki），…（kn，Wkn）｝，其中，ki為擴展后概念術語集中的概念術語，即包括擴展概念術語集和原概念術語集中的概念術語。對于原概念術語集中的概念術語，Wki＝1；對于擴展概念術語集中的概念術語，Wki＝SED（ki）。

（3）相似度計算。計算設計知識源文檔的特征向量Vks和設計人員知識需求的特征向量Vkd的余弦值，得出設計知識源文檔和設計人員知識需求間的相似度sim（Vks，Vkd），若sim（Vks，Vkd）大于閾值δ，則匹配成功。在計算sim（Vks，Vkd）時，特征向量Vks和Vkd的維度很少會一致，因此需要對其維度進行合并，本文取其交集，從而使2個特征向量的維數保持一致。相似度計算公式如下：

4 面向產品設計人員知識服務層次模型

面向產品設計人員的知識服務要求設計人員與知識之間要形成一個統(tǒng)一協調的有機體，以使設計人員能充分有效地利用已有的設計知識分析客戶的需求，從而設計出具有市場競爭力的產品。為此，本文擬從目標層、方法層、技術層和資源層4個層面建立面向產品設計人員的知識服務層次模型，如圖2所示。

（1）目標層描述了研究面向產品設計人員的知識服務的目的，即實現知識服務支持系統(tǒng)能夠自動理解設計人員的知識需求，將知識推送給設計人員，以協助其提高設計效率。

（2）方法層描述了面向產品設計人員的知識服務的實施思路。針對某一設計業(yè)務的某一設計角色而產生的業(yè)務知識需求，在與設計人員模型進行融合后，形成設計人員針對該角色、該任務的知識需求。系統(tǒng)對設計人員的知識需求與知識源進行匹配，檢索到相應的知識并推送給設計人員，完成知識服務過程。另外，根據設計人員對所推送的知識的使用情況，系統(tǒng)自動對設計人員模型進行更新，進一步提高知識需求獲取的準確率。

圖2 面向產品設計人員的知識服務層次模型

（3）技術層描述了實現面向產品設計人員的知識服務所依賴的關鍵技術。① 設計人員是產品設計的主體，建立合適的設計人員模型對理解設計人員的個性化需求，進而將準確的知識及時地推送給設計人員至關重要；② 知識需求來源于特定設計任務下特定角色的設計人員，建立合適的知識需求模型，是檢索到正確知識的前提；③ 知識可能分布在不同的知識源中，知識存在形式多種多樣，知識匹配是依據知識需求準確定位到正確知識的保證；④ 由于產品設計知識的存在形式有結構化的和非結構化的，這些知識在語義上存在異構現象，運用本體技術可以有效解決這種語義異構問題。

綜上所述，技術層實現的關鍵技術包括設計人員建模技術、設計知識需求獲取技術、知識需求更新技術、知識匹配技術和設計知識本體建模等技術。

（4）資源層描述了支持面向產品設計人員的知識服務的各種數據庫，包括設計知識庫、產品模型庫以及設計知識本體庫等。

5 需求驅動的產品設計知識服務運行模式

面向產品設計人員的知識服務的核心是設計人員。知識服務系統(tǒng)提供哪些知識，其依據是設計人員有哪些知識需求，面向設計人員的知識服務的運行是由知識需求驅動的，如圖3所示。

圖3 需求驅動的產品設計知識服務運行模式

設計人員的知識需求取決于其所要完成的設計任務和在此任務中擔當的角色。設計人員的知識需求通過設計活動的啟動來觸發(fā)。設計任務知識需求和設計人員模型共同構成設計人員的知識需求，然后經過概念語義擴展和知識檢索與知識匹配，生成設計知識源列表，并將其推送給設計人員。另外，還要根據設計人員對推送的知識的使用情況更新設計人員模型。

其運行模式為：針對某一設計人員，當某項設計活動啟動后，系統(tǒng)根據該設計任務特點和設計人員在該任務中的角色，通過術語描述的方式生成相應的任務知識需求，同時從設計人員模型中提取出同樣通過術語描述生成的該設計人員的個性化知識需求，將這2種需求進行融合形成設計人員的知識需求，然后對設計人員的知識需求術語集進行概念語義擴展，將擴展后的需求術語集與設計知識本體庫進行匹配，然后從設計知識庫中檢索出所需要的設計知識，最后將檢索出的知識推送給設計人員。另外，系統(tǒng)還會根據設計人員對所推送的知識的利用情況來更新設計人員模型。

6 應用示例

某汽車生產企業(yè)作為我國自主創(chuàng)新品牌的代表，在多年的設計實踐中積累了大量的設計知識，如何有效地利用已有的設計知識，提高設計人員的設計水平，已經成為該企業(yè)面臨的主要問題之一。本文將以該企業(yè)汽車內飾設計為例，將面向產品設計人員的知識推送服務應用于該企業(yè)的設計過程，以驗證其實用性和有效性。

假定設計人員甲需要完成某項設計任務T，其任務描述為：“XX型號汽車內飾總體設計”。該設計人員模型KDM可用表1展示。

表1 設計人員甲的模型

表1中第1行中數字表示相應術語熟悉度，表格內數字表示術語間關聯度。在KDM中，各概念術語依次為：儀表板、噴涂、車門內飾、車頂內飾、玻璃鋼、植絨布、剎車踏板、塑料ABS、注塑、PU發(fā)泡。抽取的設計任務知識需求集合TKD＝｛t3，t4｝，考慮設計人員模型，根據設計人員知識需求生成方法（限于篇幅，算法從略）計算得出設計人員甲的知識需求術語集合為DKD＝｛t1，t3，t4｝。根據各概念術語間的關系，得到擴展后的知識需求術語 集DKD′＝ ｛t1，t3，t4，t6｝。經 過 進 一 步 計算，最終確定設計人員甲的特征向量表示V′kd＝｛（t1，1），（t3，1），（t4，1），（t6，0.6）｝。

本文從該企業(yè)已有的設計知識源文檔中篩選出30份具有代表性的文檔，并計算出每篇文檔的特征向量V′ks＝｛Vks（i）｜i∈N＋，1≤i≤30｝（限于篇幅，不再贅述），由（3）式分別計算V′kd與每個Vks（i）的相似度sim（V′kd，Vks（i）），設定閾值δ＝0.1，系統(tǒng)最終將滿足條件的設計知識源文檔推送給設計人員甲，如圖4所示。

圖4 設計知識推送示例

7 結束語

本文研究了面向產品設計人員的知識推送服務，提出了面向產品設計人員的知識服務層次模型和需求驅動的產品設計知識服務運行模式。但仍有許多問題研究得不夠深入，如在對設計人員的知識需求進行基于概念術語的描述中，使用的方法過于簡單，這在一定程度上影響了知識匹配的準確度。另外，在對設計知識本體的構建上也有許多待研究的問題。

［1］楊 潔，楊 育，王偉立，等.基于粗糙集的產品協同設計知識 推 送 方 法 研 究 ［J］.中 國 機 械 工 程，2009，20（20）：2452－2456.

［2］樂承毅，代 風，吉 祥，等.基于流程驅動的領域知識主動推 送 研 究 ［J］.計 算 機 集 成 制 造 系 統(tǒng)，2010，16（12）：2720－2727.

［3］徐 娟，胡 潔，周 飛，等.冷彎輥型設計過程知識表示與推送［J］.機械設計與研究，2008，24（2）：107－111.

［4］王生發(fā)，顧新建，郭劍鋒，等.面向產品設計的知識主動推送研究［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2007，13（2）：234－239.

［5］孟祥慧，謝友柏.支持產品設計過程的可嵌入式知識服務［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2009，15（6）：1049－1054.

［6］張曉林.走向知識服務：尋找新世紀圖書情報工作的生長點［J］.中國圖書館學報，2000（5）：32－37.

［7］楊 濤，王云莉，肖田元，等.個性化主動設計知識服務系統(tǒng)研究［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2002，8（12）：950－953.

［8］田紅梅.試論圖書館從信息服務走向知識服務［J］.情報理論與實踐，2003（4）：312－314.

［9］盛小平.國內知識管理研究綜述［J］.中國圖書館學報，2002（3）：60－63.

［10］靳 紅，程 宏.圖書館知識服務研究綜述［J］.情報雜志，2004（8）：8－10.

［11］張 磊，謝 強，王金棟，等.基于業(yè)務過程的知識需求［J］.吉林大學學報：信息科學版，2005，23（6）：679－684.

［12］Jung K Y，Rim K W，Lee Junghyun.Automatic preference mining through learning user profile with extracted information［C］／／Joint IAPR International Workshops on Structural and Syntactical Pattern Recognition and Statistical Pattern Recognition， Lisbon， Portugal，2004：815－823.

［13］Li Yuefeng，Yao Y Y.User profile model：a view from artificial intelligence［C］／／RSCTC 2002，Lecture Notes in Artificial Intelligence 2475. London： Springer，2002：493－496.

［14］Santos E，Nguyen H.Empirical evaluation of adaptive user modeling in a medical information retrieval application［C］／／UM 2003，LNAI 2702，Johnstown，PA，USA，2003：292－296.

［15］楊 沁，衛(wèi)道柱，潘秀琴.面向需求表達的個性化產品協作式工作流建模［J］.合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2010，33（10）：1462－1467.

［16］聶 卉，龍朝暉.結合語義相似度與相關度的概念擴展［J］.情報學報，2007：26（5）：23－29.

Research on knowledge push service for product designer

JIANG Cui－qing1，2， GAO Jia－fei1， LI Bin－sheng1
（1.School of Management，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Key Lab of Process Optimization and Intelligent Decision of Ministry of Education，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

The knowledge push service for product designers provides an effective solution to improve their ability of knowledge reuse.This paper firstly discusses the concept and classification of knowledge service.Then it describes the knowledge demand of product designers including its generation method and updating principle，and introduces the method of design knowledge search based on concept semantic extension.The level model of knowledge service for product designers and the running mode of demand－driven product design knowledge service are also given.Finally by the realization and test with an example，the system is proved to be effective in improving the efficiency of designers’knowledge acquirement.

designer；knowledge service；knowledge demand；concept semantic extension

TP182

A

1003－5060（2012）03－0392－06

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.03.024

2011－05－18；

2011－06－10

國家自然科學基金資助項目（70871034）；安徽省高校自然科學研究重點資助項目（KJ2010A259）和教育部人文社會科學基金資助項目（09YJC630055）

蔣翠清（1965－），男，安徽無為人，博士，合肥工業(yè)大學教授，博士生導師.

（責任編輯 張 镅）