面向機械產品概念設計的知識庫設計研究

郭乾統， 田 凌

（清華大學機械工程系，北京 100084）

面向機械產品概念設計的知識庫設計研究

郭乾統， 田 凌

（清華大學機械工程系，北京 100084）

針對機械產品概念設計中設計知識功能語義定義模糊和隱形知識重用率低的問題，研究了基于領域本體表示的知識庫設計方法，支持設計知識的自助發布管理和語義信息檢索等功能。提出設計知識表示的本體模式和建模方法，建立領域本體；從概念設計方案需求粒度、功能目標及企業知識自管理等方面考慮，建立多維設計知識分類體系；設計JSON文件到OWL文件的映射規則，實現設計知識的發布、維護、存儲和檢索。最終實現面向機械產品概念設計的知識管理，為企業設計人員提供知識共享和重用，支持產品概念設計的方案創新。

概念設計；知識管理；功能語義；本體

概念設計是產品設計過程的初始階段和重要環節，該階段設計模糊化、定性化的特點對設計人員思維約束較少，具有很大的創新空間。傳統的概念設計過程對設計人員進行創新設計造成很大地制約：①跨領域知識難精通。新產品的設計、新需求的實現往往都橫跨多領域，要求設計人員除了精通機械領域的設計知識外，還必須對電子、控制甚至生物等產品領域都有較深地認識；②隱性知識難利用。設計人員在進行新方案設計時，需要花大量時間研究其他設計方案的原理、經驗。這些原理和經驗往往作為隱性知識存儲在工程師腦海中，難以轉化為顯性知識供企業其他人員共享；③固有思維多局限。概念設計階段模糊性和定性化的特點使方案設計有很大創新空間，但由于設計人員思維受到已有方案和經驗的局限，創新空間被很大程度壓縮。隨著信息技術的發展，計算機輔助概念設計被提出作為突破傳統制約、促進設計創新的重要手段。計算機輔助概念設計依托于知識庫，應用檢索機制可對知識庫中知識跨領域查詢，實現多領域知識檢索和瀏覽，同時通過知識表示方法將企業已有經驗、原理等隱性知識顯性化，存儲到系統知識庫中，對知識進行管理和維護，現階段如何建立運行面向概念設計的知識庫成為研究熱點。

美國密蘇里大學羅拉分校的Bohm等[1]開發的Concept Generator系統基于“功能-結構”映射進行知識表示和建模；印度科學院的Chakrabarti等[2]開發的 IDEA-INSPIRE系統基于“State-Action-Part-Phenomenon-Input-oRgan-Effect”(SAPPhIRE)模 型表示方案原理知識；上海交通大學的Chen等[3]開發的 ICCDP系統基于定量化的輸入輸出轉換表達產品功能；浙江大學的王朝霞[4]開發 CAISDPK系統依據“功能-效應-原理-結構”表示專利復合功能原理方案。這些系統運用多種知識表示方法，組織產品方案原理、專利知識、科學效應等資源構建知識庫，推進了計算機輔助概念設計的發展，具有很好地啟發性，但上述系統均側重于對知識“信息”的表示與管理，采用傳統的數據表示模式（如結構化關系數據庫、靜態數據交換STEP標準及具有簡單語義信息描述功能的XML半結構化數據模式），對概念設計知識的“語義”定義模糊、描述不足，知識庫查詢方式只能局限于基于內容本身的關鍵詞檢索，很難保證對用戶實際意圖的把握。為了更好地描述知識語義，很多學者將哲學領域的本體論引入到知識工程領域，形式化表示概念模型[5]。Matsokis和Kiritsis[6]將產品生命周期管理的對象用OWL-DL本體語言描述，完成語義集成；應杭等[7]使用OWL本體語言描述產品功能行為，進行知識共享和推理；Pirró等[8]提出利用分層級的本體完成知識表示；Wang和Takahashi[9]將公理化設計知識用 RDF資源表示框架定義；魏軼彬等[10]提出了基于本體的產品特征定義。本體對知識的定義加強了知識的重構、推理、集成與共享，與本文工作比較接近的是日本大阪大學的 Kitamura等[11]開發的RRS(redesign supporting system)系統與四川大學的馬濤等[12]及清華大學的馬嵩華和田凌[13]基于本體技術分別構建的科學效應知識庫和自助式零件庫，前者基于本體表示產品的行為與功能，運用3種結構樹分別表示功能分解集成、功能實現方式及功能對象映射關系，但系統忽略了知識的形式化描述，本體建立過于復雜，制約了知識庫檢索的高效性和系統的易操作性；后兩者完成了對科學效應和零件知識語義的推理查詢，但均對概念設計階段知識應用關注較少。

結合上述系統的研究成果，本文建立了一套面向機械產品概念設計的知識庫設計方法，實現設計知識的自助發布管理和語義信息檢索等功能。首先，提出兼顧語義表達和形式化描述的概念設計知識表示方法，建立知識庫領域本體，用以組織和描述概念設計關注的功能與結構；分析建立多維概念設計知識分類體系；設計JSON文件到OWL文件的映射規則，實現設計知識的發布、維護、存儲和檢索。最后建立了知識庫原型系統，查詢、維護和管理概念設計知識。

1 基于領域本體的知識表示方法

1.1 知識表示基礎

概念設計任務是根據需求功能要求給出原理方案解，故需求功能、原理方案的表示框架與映射方法是知識表達的基礎。目前流行有“動詞-名詞”框架和“輸入輸出轉換”框架，前者將動詞定義為分支、引導、聯接、調控、轉換、提供、信號處理、維護等8類基本功能庫，后者描述功能實現過程中能量流、物料流和信息流的轉換。映射方法則有“功能-結構”模型[14]和“功能-行為-結構”(F-B-S)模型[15]等，與前者相比，F-B-S模型將行為作為映射的中間層次，有利于設計人員進行創新，被廣泛認可。

本文對知識庫領域本體的架構建立在F-B-S模型基礎上，融合了“動詞-名詞”框架和“輸入輸出轉換”框架，并通過本體構建對概念設計中關注的功能（功能原理）、行為（輸入輸出流轉換）、結構（功能實現客體）在語義層面進行形式化描述，實現概念設計知識的集成和共享。

1.2 領域本體構建

領域本體圍繞概念設計階段關注的兩個核心概念“功能”與“結構”構建，定義了“供應商”、“特征族”、“約束”和“評價”等基本概念，其本體模式如圖 1所示。通過領域本體構建完成對概念設計知識的表示，實現知識庫的信息組織。

圖1 知識庫領域本體模式

本文基于上述本體模式對設計知識進行建模，定義概念設計知識是語義的集合。知識庫的領域本體模型由一個廣義三元組進行描述，即其中：Inf表示本體基本信息的集合，Fun表示實體的功能屬性集，R表示實體概念間的關系集。

Inf是概念設計知識在信息層面的表達，包括了設計知識的通用名稱標示符、供應商信息和特征信息。“供應商”是對知識資源來源的描述，包括地址和通訊錄等信息。“特征族”定義了知識及所屬領域的基本信息，包括領域、類別及拆分屬性、參數等描述信息。領域是指知識所屬領域，如機械、電子、電磁等領域；類別是指在所屬領域中的進一步分類，例如電動機類、運動機構類、傳動機構類；描述信息是指其他相關描述信息。Inf是對知識信息的組織，支持知識庫基于關鍵詞的檢索。

Fun是概念設計知識在語義層面的表達，完成對設計知識功能語義的形式化描述，是基于本體表示設計知識的核心，包括對結構功能、約束及評價的表示。“功能”由動詞-對象格式表示，其子概念“流”描述了功能實現時流的變化，子概念“規整功能”是原始功能詞匯在經過功能語言庫[16]規整方法統一后的標準用詞，解決了設計人員由于設計習慣、專業背景不同引起的功能描述主觀差異，增強了相似功能描述的規范性和統一性，同時支持了知識庫功能維度的擴展檢索。例如在功能語言庫功能類“分支”中，規整功能“精煉”描述的功能是消減某物料或能量而保留被需要部分，未規整功能“濾去”描述功能與“精煉”相似，經過規整后可由“精煉”代替。“約束”描述結構在功能實現過程中的約束關系，是功能實現的必要條件，包括整體約束和輸入輸出約束。“評價”定義了評價方法和評價指標，從系統功能、運動性能、動力性能、經濟性及結構緊湊性對設計方案進行評估，為概念設計產生的方案實現最優化分析提供支持。Fun是對知識功能語義的組織，實現了知識庫基于語義的檢索。

R表示了本體中概念與概念之間關系的集合，知識本體通過內部概念間關系的連接，形成完整的語義架構，同時與知識庫中其他領域本體建立相互關系，建立交錯的知識網絡。領域本體間關系定義見表1。

通過結構化建模，領域本體將設計知識表示為一個開放的信息系統，可根據實際需求對設計知識進行補充和擴展，提高了知識的可用性。圖 2是通過本體建模工具本體Protégé建立的組織結構樹，包括了信息層、語義層及關系層。圖 3所示是通過Web本體描述語言(Web ontology language, OWL)建立的領域本體示例，其中圖3(a)是領域本體的通用示例，圖 3(b)和(c)分別以實現“轉動轉化為移動”的曲柄滑塊和摩擦輪為例，給出具體示例。

表1 領域本體概念間關系定義

圖2 通過Protégé表示的本體組織結構樹

圖3 領域本體示例

2 知識分類體系構建

2.1 知識分類原則

知識分類對知識庫中知識的存放和查詢非常重要，合適準確的分類能加快設計過程中知識的流動，進而提高設計效率。很多學者提出了設計知識分類體系，馬雪芬和戴旭東[17]對知識產生學科背景與產品設計背景提出了學科、產品、資源單元、應用流程、表達形式及設計域等六維分類體系；李軍寧等[18]也提出了將設計知識與知識服務分別分類，其中設計知識分為學科維、產品維、資源單元維及載體維。目前，對設計知識分類的研究均以全周期產品設計為主，而概念設計階段對知識的關注點有別于全周期產品設計，其應建立更有針對性的分類體系。

建立概念設計知識分類體系有如下原則：

(1) 圍繞概念設計關注重點。其任務是根據用戶功能需求，尋求適當的作用原理及組合，給出實現方案。該設計關注的重點是功能和結構，對概念設計知識分類需關注的是功能原理與實現結構間映射關系的劃分。

(2) 滿足設計知識應用需要。概念設計可能是設計主體對已有方案進行局部優化，也可能是對新方案整體設計，不同需求使設計知識的應用背景不同、應用范圍也不同，設計知識的分類要滿足不同情況下的應用要求。

(3) 適應知識資源管理要求。概念設計知識構成復雜，被眾多知識資源擁有方管理和使用。設計主體既要對自身擁有的方案、經驗等知識進行管理，也存在與其他知識資源擁有方分享和共用設計知識的需求，設計知識分類要考慮設計主體和知識擁有方對知識資源的管理需要。

2.2 知識分類體系

從知識關注重點、知識應用需要及資源管理要求等方面考慮，從功能原理、粒度單元、資源管理3個維度描述知識分類，構建一個多層次、開放式的概念設計知識分類體系。

(1) 功能原理維分類。是概念設計中的關注點，對功能進行分類符合設計主體的應用習慣和需求。規整功能是概念設計中功能語義經過功能語言庫規整后得到的功能語義，規整功能類的父類為基本功能類，包括了分支、引導、聯接、調控、轉換、提供、信號處理、維護等8類。規整功能類統一了設計人員設計習慣和專業背景不同引起的功能描述差異，提高了分類的辨識性和有效性。

(2) 粒度單元維分類。是根據概念設計中結構的粒度劃分，分為產品級、部件級和零件級。粒度分類可幫助設計主體根據需求快速查詢匹配粒度的設計知識，體現了設計過程中由需求牽引知識的思想。在同級粒度中，則按照領域通用分類對設計知識進行分類，形成逐步細分地分類體系。

(3) 資源管理維分類。是通過對設計知識的資源擁有方管理的分類。資源擁有方可通過此分類方法對已有知識進行自管理，同時有矢量性的為其他設計主體提供知識的共享和重用。資源管理維分類法也為概念設計過程中知識的流動提供了可靠的信任保障機制。

圖4為概念設計知識三維分類體系的局部圖。知識分類體系的建立與領域本體的構建一起完成了概念設計知識的結構化，是計算機輔助概念設計的基礎。

圖4 概念設計知識三維分類體系示意圖

3 知識庫設計的關鍵技術

3.1 知識發布與存儲

設計人員對知識庫的需求是通過知識庫快速查詢獲得準確的目標知識；對資源擁有方概念設計知識進行發布、存儲等自管理。知識庫使用基于OWL語言構建的領域本體對設計知識進行存儲，利用SparQL查詢語言實現對知識的語義檢索，領域本體構建靈活，對不同類別知識的異構包容性強，降低了數據庫構建難度。知識庫前臺知識發布采用JavaScript易處理的JSON格式，保證知識發布的自助性和易操作性。知識發布與存儲不同語言格式間通過解釋引擎變換，如圖5所示。可擴展標記語言將語義隱含到其標記與結構中，利用 XML語言這一特征將其作為單一文本格式的JSON語言和復雜形式化語義的OWL語言中間媒介，完成格式變換。知識的讀取是知識發布的逆過程。

圖5 概念設計知識發布存儲流程圖

3.2 語義相似度計算

概念設計中進行知識的語義層面檢索需要進行知識語義相似度的計算。通過推送與查詢意圖語義相似度高的設計知識，提高設計人員的查詢效率，擴展設計思路，促進概念設計的創新。

相似度的計算方法很多，對于概念a和b，其語義相似度可以表示為[19]：

其中，D (a,b)為a和b的語義距離，α為調整參數，通過語義距離計算兩個概念的相似度對于一般問題解決較好。

在領域本體組織的知識庫中，知識對象通過結構化的語義進行描述，其語義是一系列屬性與值的集合，如表1所示。概念設計聚焦于知識對象的功能表達，功能屬性是知識檢索最重要的目標域，考慮其本體構建的特殊性和語義的可擴展檢索性，將知識的屬性分為功能屬性和其他普通屬性進行研究，即對知識對象o有語義f(o)=F+A，F表示功能屬性集合，A表示普通屬性集合。

領域本體對功能的表達為功能動詞-流名詞格式，對功能屬性集合有如下表達：

式(2)表示對象o有多個功能屬性f，每個功能包含了功能動詞屬性 fv和流名詞屬性 fn。

對普通屬性集合則有：

式(3)表示對象o有多個普通屬性a，每個屬性包括其屬性關系r和屬性值v。

q和p分別具有多個功能屬性，其相似度應有各個功能屬性的相似度最大值決定，即：

任一對功能屬性的相似度由其功能動詞屬性和流名詞屬性共同決定，其相似度的乘積為對應功能屬性的語義相似度，即：

圖6 功能語言庫功能動詞路徑結構樹(局部)

圖7 功能語言庫流名詞路徑結構樹(局部)

對知識對象q和p普通屬性語義相似度的計算可由各普通屬性的相似度聚合得到，不同屬性關系的值不具有可比性，可將其相似度設置為 0。對 q和p某對普通屬性的相似度計算公式為：

由于不同的屬性在相似度計算中重要性不同，可以通過引入普通屬性的權重因子ω對各屬性在相似度計算中貢獻值進行調整，式(7)給出了計算方法，表2給出了概念關系的權重分配（包含功能屬性和普通屬性）。

表2 概念關系權重因子值

同樣的，對于功能屬性語義相似度和普通屬性語義相似度也進行加權計算，得到知識對象q和p的完整語義相似度計算如下：

曲柄滑塊和摩擦輪的本體表示圖3中已給出，根據式(8)和表2計算得出，其語義相似度為0.634，分析可知二者均有“轉動轉化為移動”的功能，但其各自約束條件等其他屬性不同，該相似度值可以準確反映二者語義相似性。

4 知識庫設計與實現

4.1 系統框架

為實現概念設計知識管理，本文設計并開發了知識庫，面向企業設計人員提供知識共享和重用，促進企業概念設計創新。如圖8所示，領域本體組織的知識庫系統分為數據層、應用服務層及展示層3層。

數據層是知識庫的基礎和核心，包括了本體庫、關系數據庫、供應商和用戶信息庫及文檔庫，負責數據存儲，同時也是知識庫系統運行的數據來源。

應用服務層是知識庫的數據處理和響應中樞，分為分析支撐層和服務組件層。分析支撐層包括文件格式轉換工具、知識上傳下載工具和語義相似度計算工具等，支持知識庫對應服務組件發揮功能；服務組件層同時面對用戶和管理員，用戶可以利用服務組件模塊進行概念設計知識發布、檢索及方案瀏覽，管理員則可以進行系統配置管理和用戶權限管理等操作。

展示層是基于 Web實現用戶與知識庫系統交互環境，包括用戶登錄、知識查詢、方案查詢和知識維護等界面。

圖8 知識庫系統框架

4.2 系統實現

本文系統實現基于JavaEE平臺，以J2EE為框架，采用Java編寫后臺業務邏輯算法，使用MySQL作為數據庫，Protégé作為本體建模工具，通過jena接口存放本體至數據庫，知識庫用戶視圖界面使用Web前端 CSS框架 Bootstrap編寫實現。圖 9和圖 10分別是系統主頁和知識查詢模塊，知識庫系統的應用促進了企業產品概念設計創新。

圖9 知識庫系統主頁

圖10 知識庫設計知識查詢模塊

用戶可利用設計知識查詢模塊，根據需求選擇適當的分類體系基于語義進行知識檢索，增強查詢的智能型和有效性；可進入已有方案查詢模塊并對已有方案進行整體查詢，瀏覽庫中已有方案組織樹及其詳細設計知識，提高對其他方式方法的認知效率；可利用設計知識維護模塊發布、存儲、歸檔本企業已有但未統一形式化的設計經驗、方法，將隱性知識顯性化，為企業其他設計人員提供知識的共享和重用。

4.3 系統應用實例

知識庫的建立為設計人員提供設計知識查詢和共享，從而支持產品方案的概念設計。本節以某電池極片生產企業極片輥壓機的輥壓模塊概念設計為實例介紹知識庫的應用。

輥壓模塊的工作過程為輸入電能后，由電能轉換為轉動，連接輸出的轉動并傳入下一級轉動，然后將轉動分路，傳遞轉動到輥壓部位，將轉動轉化為移動，對電池極片完成輥壓。如圖11所示，對輥壓模塊進行功能規整、系統建模后，得到功能鏈為（電能轉化為轉動，連接轉動，傳遞轉動，分支轉動，傳遞轉動，轉動轉化為移動）。

圖11 輥壓模塊功能鏈

利用知識庫檢索方案設計所需知識，圖 12舉例說明了檢索得到功能鏈中的子功能“傳遞轉動”設計知識的過程，通過輸入功能“傳遞轉動”、輸入流“角速度”、輸出流“角速度”及約束條件，查詢得到實現功能的對象，包括軸、正齒輪對、連桿等組件。還可通過對功能“分支轉動”進行查詢，得到定軸輪系、摩擦輪、帶傳動、連桿等實現功能的組件；對功能“轉動轉化為移動”進行查詢，得到壓輥、齒輪齒條、曲柄滑塊、滾珠絲桿、凸輪等組件。

圖12 知識庫檢索過程

輥壓機的輥壓模塊需要利用輥壓力對電池極片完成加工，根據這一需求，利用知識庫檢索結果可以設計方案的組件鏈為{（電動機，聯軸器，軸，定軸輪系，軸，壓輥），（電動機，聯軸器，軸，摩擦輪，軸，壓輥），（電動機，聯軸器，軸，帶傳動，軸，壓輥），（電動機，聯軸器，軸，連桿，軸，壓輥），（電動機，鍵，齒輪，定軸輪系，軸，壓輥）}。設計人員可根據尺寸需求和承載能力，選取合適方案。利用第一條功能鏈實現的輥壓模塊設計方案如圖13所示。

圖13 輥壓模塊設計方案示意圖

依據知識庫推送的知識檢索結果，設計人員在概念設計階段可分析獲得多種設計方案，拓寬了設計人員的思路，更有利于創新設計。

5 結 束 語

作為計算機輔助概念設計的基礎，知識庫的建立解決了設計人員跨領域知識難精通、隱性知識難利用及固有思維多局限的難題，突破了制約創新的傳統因素，為產品概念設計創新注入了新動力。本文針對面向機械產品概念設計需求，提出基于領域本體的結構化知識表達方法和知識分類體系，研究了知識庫知識發布與存儲、知識檢索等關鍵技術，完成知識庫原型系統設計，實現了設計知識的多方位管理和應用。在今后的研究中，知識庫不僅可為設計人員提供知識共享和重用，還可作為計算機輔助概念創新設計系統的子系統，自動推送概念設計方案功能求解知識，完成概念創新設計的自動化。

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Mechanical Conceptual Design Oriented Knowledge Database Organized by Domain Ontology

Guo Qiantong, Tian Ling
(Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Since the current mechanical conceptual design oriented knowledge databases lacked of accurate definition of the function and efficient reusing of implicit knowledge, a conceptual design oriented knowledge database based on domain ontology was built, which could provide data operating functions such as self-service application and semantic retrieval. The logical structure and modeling of design knowledge were proposed to build the domain ontology. Multi-dimensional classification schemes of design knowledge were set up considering different granularities and functions of design projects and knowledge managements. The issuing, maintaining, storage and retrieval of design knowledge were realized by conversions of extensible markup languages. With the powerful knowledge management system, designers could reuse and share implicit knowledge efficiently in design activities, which facilitated the innovation of mechanical conceptual design.

conceptual design; knowledge management; functional semantic; ontology

TH 122；TP 391.7

A

2095-302X(2015)05-0712-12

2015-03-26；定稿日期：2015-04-24

國家自然科學基金資助項目(51175287)

郭乾統(1988-)，男，山西呂梁人，碩士研究生。主要研究方向為概念設計、創新設計等。E-mail：ggt06@mails.tsinghua.edu.cn

田 凌(1963-)，女，遼寧鐵嶺人，教授，博士，博士生導師。主要研究方向為機械制造及自動化/數字化制造。E-mail：tianling@mail.tsinghua.edu.cn