支持產品創新的機電領域知識庫構建技術研究*

賀 歡，李文強，李 彥，胡連軍

(四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065)

0 引言

隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，創新越來越受到人們的重視。創新是以新思維、新發明和新描述為特征的一種概念化過程，而現代產品創新設計是一個知識驅動的創造性過程，該過程離不開我們對知識合理、靈活的應用。產品創新過程中需要大量知識作為支撐，領域知識作為某一特定領域的知識，為設計者提供解決問題的方法，輔助設計人員進行創新設計。目前，針對領域知識的表現形式以及基于領域知識的知識發現機制與方法開展了一系列研究，朱靖波等提出了一種基于領域知識的文本分類方法［1］，朱衛星等提出了基于領域知識復用的需求建模［2］，陳剛等提出了一種重用現有領域知識庫知識構造新領域本體的方法［3］，毛郁欣等針對知識資源管理在動態性和可擴展性方面的需求，提出了一種基于子本體的領域知識資源管理方法［4］。每個領域的知識都有其特點，而現有領域知識的研究又鮮有與機電領域相關的，基于此，本文以機電領域知識為研究對象，分析其特點并構建支持產品創新的機電領域知識庫。

1 支持產品創新的機電領域知識庫的構建

1.1 領域知識支持產品創新設計

產品設計是對產品功能、結構、外觀等方面進行的綜合性設計，而概念設計又是產品設計過程中最活躍也是最易獲得創新方案的階段。在概念設計過程中我們將實現從功能到結構的映射，根據產品所需實現的功能，找到相應的行為，再由行為映射出其實現載體即結構［5］。

在概念設計階段，設計人員需要對知識進行充分利用以便更好地實現創新設計，為了更好地利用知識輔助創新設計，將輔助產品創新設計的知識分為以下幾類，①原理類知識:設計原理、發明原理等，這些原理知識為設計人員提供創新的規律與方法，②綜合類知識:專利知識、決策支持知識、多學科優化知識，這些知識為產品功能的實現提供設計策略，③領域類知識:領域知識和專題知識，為設計策略的實現過程提供具體專業支持［6］。領域知識通常被用于行為到結構這一映射階段，在進行機電產品設計時設計人員可根據機電領域知識中的典型機構與方法，由實現功能的行為方式設計出具體的產品結構，如圖1 所示。

圖1 領域知識在概念設計中的應用

領域知識指某一領域的具體的知識，從知識工程的角度，有研究提出領域知識是一個概念化模型，這個模型包含了概念與概念之間的關系，包括概念與概念之間的聯系、約束以及如何利用現有概念推導出新概念的規則［7］。

1.2 領域知識的獲取與層次劃分

要有效利用領域知識，應先設計有效的領域知識獲取方法。知識獲取［8］是指以人工或自動獲取方式從知識資源處獲得相應知識來完善知識庫的過程。知識獲取是知識共享與重用的基礎，是知識庫系統實用化過程中需要解決的一個關鍵問題。機電領域知識來源主要包含專利、期刊、設計手冊、領域專家等［9］，如圖2所示。

圖2 機電領域知識獲取示意圖

在獲取到領域知識后，我們需對其進行分類。經分析發現在機電領域眾多產品中，例如機床、起重及輸送裝置等，都是由控制與執行兩個部分組成的，針對這一特點首先將機電領域知識分為機械類和電子類，以機械類為例，又可將其分為典型機構、加工與處理、連接與緊固、潤滑與密封、支撐與傳動六大部分。由于機電領域知識具有層次化的特點，對機電領域知識進行劃分時，先將其分為大類，然后再根據其具體特點進行細化如圖3a 所示。對知識進行分類表示時，可以借助樹狀圖的方法。在利用樹狀圖進行分類時，我們應遵循一定的原則:

①在對每級進行劃分時只能有一個標準;

②子類的加和為父類;

③劃分出的同級知識不能為相容關系，父類與子類不能為并列關系［10］。

按照我們的劃分原則，仍然可以繼續劃分，以潤滑與密封為例，再向下級劃分，可得到如圖3b 所示，其他的依次類推，最終可得到機電領域知識樹狀圖。

圖3 機電領域知識層次劃分

1.3 基于本體構建領域知識庫

機電領域知識范圍較廣，基本概念繁多，且概念之間存在復雜的相互聯系和約束關系，組織管理起來頗有難度，本體能夠很好地解決這一問題。本體概念最初起源于哲學領域，哲學中把本體定義為“對世界上客觀存在物的系統地描述，即存在論”。Gruber 將本體定義為“共享概念化的明確的形式化規范”［11］。

圖4 本體構建流程

如何建立本體是本體論技術的關鍵，參考Uschold的本體建立方法［12］，初步確定機電領域知識庫本體構建的流程如圖4 所示［13］。

結合機電領域知識特點，支持產品創新的機電領域知識庫本體的具體構建如下［11，14］:

(1)確定支持產品創新的機電領域知識庫的范圍

針對不同的研究領域，本體所涉及的具體范圍以及其中的概念層次也是不同的，對于支持產品創新的機電領域知識庫來說，它的主要研究對象是機電領域的知識，而且這個知識庫是面向產品創新設計的。

(2)獲取領域類概念［15］

將機電領域知識本體定義為DO = {onC，onA，onR，onH}

其中:DO-Domain Ontology 表示領域本體;

onC 表示領域知識中概念實體的集合;

onA 表示領域概念實體中屬性的集合;

onR 表示領域知識中各種概念間關系的集合;

onH 表示領域知識中概念間層次關系的集合。

(3)類及類的層次的確定

在已獲取領域內概念的基礎上，分析概念間關系，并繪出機電領域知識類的層次圖如圖5 所示。

(4)對概念實體進行描述即屬性定義

屬性用來描述類及實例的特性，這里將機電領域概念屬性定義為＜固有屬性，功效屬性，相關屬性＞的三元組。固有屬性為該類固有的特點，用來描述領域知識本身的屬性，如其工作的原理等;功效屬性為該類實現的功能，比如運動形式的轉化，相關屬性為該類的成員與該類中其他成員或是與其他類成員之間的關系。以曲柄滑塊機構為例，其固有屬性可以包含曲柄滑塊的組成、工作原理，功效屬性為轉換運動形式即變轉動為滑動，而相關屬性可以是桿件之間的連接形式等知識。

(5)創建實例

圖5 類及類的層次

選擇類，生成類的單個實例，屬性補充完整即可得到知識條目的實例，根據對屬性的理解，確定機電領域知識條目可以包含以下幾個部分見表1。

表1 領域知識條目組成部分

2 領域知識的檢索與應用

2.1 領域知識檢索

對于知識庫的使用者來說，主要是通過檢索的方式篩選出知識庫中對自己有用的信息，篩選信息的效率對知識庫使用者來說很重要，這也是衡量知識庫的一個重要因素。

由于領域知識采用本體的組織方式，且根據知識條目的屬性即知識條目構成，領域知識庫中對于知識的檢索主要有以下三種方式:自然語義檢索、關鍵詞檢索以及功能檢索，當用戶需要某一明確的機構或方法的知識時便可用關鍵詞檢索，而若需要找到實現某種功能的機構或方法時可使用功能檢索或自然語義檢索。圖6 為領域知識的檢索方法示意，用戶輸入檢索內容，選擇檢索方式來獲取領域知識資源，系統輸出結果，若滿意，則檢索完成，若不滿意還需對檢索的問題進行重新表征再進行檢索。

圖6 領域知識庫檢索示意圖

2.2 應用示例

(1)背景描述與問題分析

機床在長時間的工作中會發熱，尤其是在環境溫度過高或是通風情況不好的情況下，長時間工作于高溫環境下，不僅影響機床設備的使用壽命，甚至會引發安全事故。溫度是使機床工作過熱的直接原因，而導致機床過熱的進一步因素是電路中保護措施不當，可在電路中增加能夠感知溫度的器件，使溫度達到危險值時自動斷開電路，減少不必要的損失［16］。

(2)解決方案

我們的改進目標已比較明確，對于此類目標較明確的問題可以選擇功能檢索與自然語義檢索，由于作者已對知識庫搜索系統較熟悉，這里選用功能檢索，將其功能抽象為“檢測溫度”，而對于功能檢索不熟悉的使用者，可以選擇語義檢索，例如這里的檢測溫度在語義檢索中可以是“如何感知溫度”或是“怎樣測量溫度”等其他表示形式。

根據概念設計原理，先在科學效應庫中找到能實現該功能的行為，我們可以進入知識庫搜索界面如圖7 所示，瀏覽能實現該功能的知識條目，根據具體的設計情景及設計人員的經驗等選取合適的知識條目——“熱膨脹”。

在界面下方選擇查看領域庫中的相關機構，在領域知識庫中查看到熱繼電器這一條目見圖8，結合機床電路的具體情況，可以給出初步的解決方案:在機床電路中加入熱繼電器，一旦達到預警溫度時，熱繼電器即刻切斷電路，這樣就起到了保護電路的作用，當然熱繼電器具體型號的選取還要根據機床自身信息參考知識條目內容來完成。

3 結束語

在支持產品創新設計的過程中，對知識的有效利用要求越來越高，針對產品創新設計對領域知識的需求，本文構建了基于產品創新的機電領域知識庫，對機電領域本體進行構建，指出數據屬性，相應地，也產生了知識條目的具體展現形式，并分析了機電領域知識的具體劃分以及知識庫檢索方式。下一步的工作是完善機電領域知識的分類，知識內部概念之間的關系，并研究機電領域知識的表達方式以及與系統中其他庫的配合使用。

圖7 檢索界面

圖8 熱繼電器知識條目

［1］朱靖波，陳文亮. 基于領域知識的文本分類［J］. 東北大學學報(自然科學版)，2005，26(8):733 -735.

［2］朱衛星，王智學，李宗勇，等. 基于領域知識復用的需求建模［J］. 解放軍理工大學學報自然科學版，2009，10(1):30 -35 .

［3］陳剛，陸汝鈐，金芝. 基于領域知識重用的虛擬領域本體構造［J］. 軟件學報，2003，14(3):350 -355.

［4］毛郁欣，陳華鈞，姜曉紅. 基于子本體的領域知識資源管理［J］. 計算機集成制造系統，2008，14(7):1434-1440.

［5］Gero J S. Computational models of innovation and creative design process ［J］. Technological Forecasting and Social Change，2000，64:186 -196.

［6］李彥，李文強. 創新設計方法［M］. 北京:科學出版社，2013.

［7］陳文亮.面向文本分類的文本特征學習技術研究［D］.沈陽:東北大學，2005.

［8］張魯海. 面向產品創新設計的專題知識庫研究與開發［D］.成都:四川大學，2012.

［9］Jun Liang，Zuhua Jiang，Hai Su，Kuo-Ming Wang，The Research and Application of Process Knowledge Map Construction Method，Journal of Chinese Institute of Industrial Engineers，2007，24(1):30 -41.

［10］百度百科. 知識分類理論［EB/OL］http://baike. baidu.com/view/2109451.htm.

［11］馮志勇，李文杰，李曉紅.本體論工程及其應用［M］.北京:清華大學出版社，2007.

［12］陳鋼. 基于本體的特征知識庫［D］. 天津:天津大學，2004.

［13］馬濤，李彥. 基于ontology 技術構建科學效應知識庫［J］. 計算機應用研究，2009，26(9):3399 -3402.

［14］王媛，李皓，李小軍，等. 基于本體的艦船領域知識表征研究［J］. 艦船電子工程，2013，33(4):1 -3.

［15］劉翔.支持創新設計的專利知識庫構建技術研究［D］.成都:四川大學，2011.

［16］胡浩.機床電機的過熱保護［J］.機電工程技術，2005，34(3):102 -103.