機械零件設計的知識服務方法及系統實現

李　錄　毛漢穎　吳振勇　毛漢領

1(廣西大學機械工程學院　廣西 南寧 530004)2(廣西科技大學汽車與交通學院　廣西 柳州 542506)

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機械零件設計的知識服務方法及系統實現

李錄1毛漢穎2*吳振勇1毛漢領1

1(廣西大學機械工程學院廣西 南寧 530004)2(廣西科技大學汽車與交通學院廣西 柳州 542506)

摘要為了解決機械零件類知識資源難以被發現，獲取效率低的問題，提出一種基于零件實例庫的關聯知識服務方法。根據知識間的從屬關系，設計三種關聯知識檢索方法；基于相似度匹配算法，設計關聯知識推送方法，并通過以上兩種知識獲取方法實施知識服務。設計并實現了機械非標零件設計知識服務平臺，為非標零件設計過程中知識的共享和管理提供一個綜合的網絡服務平臺。最后通過應用實例對該平臺知識服務的應用效果進行了驗證。

關鍵詞零件關聯知識服務關聯知識檢索關聯知識推送知識服務平臺

0引言

機械零部件產品的設計制造是一個重用和創新已有的設計成果和設計知識的過程。然而在設計過程中所需要的知識通常存在于其它種類的知識中，由于知識量太大導致研發人員很難快速獲取到所需要的知識，傳統的信息服務已經不能滿足用戶的知識需求。用戶所關注的已不是簡單地獲取知識，而是如何在復雜的信息環境中獲取解決問題所需的知識信息[1,2]。這已成為當前迫切需要解決的問題，知識服務為知識和信息資源的有效獲取提供了一個很好的解決方法。

知識服務是以信息知識的搜尋、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新的服務[3]。近年來，知識服務廣泛應用于各領域學科，為知識的共享、獲取、重用及創新提供了一種有效的服務手段。例如熊大紅[4]提出了交互式知識服務模型，構建了基于網絡的農業知識服務平臺，通過參考咨詢服務、個性化知識信息推送服務和自助式知識服務等實施知識服務。李向前[5]等人提出集團企業云制造的知識服務應用模式，通過靜態和動態兩種知識服務方式為用戶提供知識服務。Cuzzocrea[6]等人提出了應用領域分析的基于Web信息系統知識管理的設計方法，可以半自動地檢索、分類和發布特定領域的Web資源。Fu[7]等人提出了法律知識共享和交換服務的法律知識服務框架，研究了知識文檔的聚類方法，實現了知識提供者與接收者之間的知識的共享以及自動化的知識分析服務。

在機械工程領域，知識服務的主要熱點集中在知識管理、服務模式及知識獲取方法等方面。如文獻[8]開發了Web零件庫服務系統；文獻[9]開發了復雜機械產品設計知識推理系統，提出了快速檢索流程；文獻[10]根據三維CAD模型特征，開發了基于CATIA平臺的CAD模型檢索原型系統，提出了CAD模型相似性的檢索方法；文獻[11]設計出一種灰度體素模型上的基于三維SIFT算法的局部形狀特征提取方法，實現三維模型“部分-整體”的匹配和檢索。以上研究方便了零部件的管理，提高了設計效率，減少了設計的工作量。然而知識服務的模式單一，大多數是對知識內容和特征進行分析，沒有獲取相應的工藝文件，可能會對零件的加工和重用產生額外的工作負擔。因此，為了解決這一問題，本文提出基于零件實例庫的關聯知識服務方法，設計了基于零件實例庫的關聯知識檢索方法和關聯知識推送方法，實現了對零件產品的相關知識的獲取和管理。知識管理是為了滿足知識服務的需要[12]，能夠促進知識的組織、共享、獲取、重用及創新[13]，這對于機械零件的設計研發具有重要意義。

1基于實例庫的關聯知識服務模型

不同的行業對知識和知識服務的需求各不相同。本文根據機械制造類企業的零件知識特點，其零件圖紙與工藝文件是一對一的映射關系，在實施知識服務的過程中，主要考慮以下兩點：(1)知識共享。知識共享是提供知識服務的關鍵環節，能夠促進知識的流動和增值。將個人知識、專家知識、領域知識等不同形式的知識和散布在不同角落的組織知識整合到平臺系統內，形成有條理的、系統性的企業知識體系，有利于實現知識的高效獲取和創新。(2)知識獲取。高效的知識獲取能夠促進知識的重用，知識重用是知識增值的重要體現。知識獲取的主要方式是知識檢索和知識推送，通過利用檢索技術和推送技術相結合的方法，可以實現知識的高效獲取，并且根據用戶對知識的使用情況及時對系統知識進行更新?；谝陨峡紤]，本文提出了基于零件實例庫的關聯知識服務模型。這里的“關聯”是指零件圖紙與加工該零件的工藝文件一對一的映射關系，如圖1所示。這種模式的知識服務能夠與機械加工任務相結合，為機械零件設計制造提供參考，使知識服務更加實例化、具體化。

圖1　基于實例庫的關聯知識服務模型

2關聯知識檢索方法

知識檢索能夠解決在檢索過程中產生的信息量大但有用知識很少、檢索效率低等問題。它在對蘊含在信息中的知識和知識關聯進行分析的基礎上，在知識處理技術和知識組織技術的支持下，實現深層信息查詢的語義理解的智能化處理過程[14]。由于企業知識的類型多、規模大，而且各類知識并非孤立的存在，在某種程度上可能存在從屬關系，如果能夠充分利用這種從屬關系，使各類知識之間建立一定的關聯關系，那么將會大大提高知識的獲取效率。知識的獲取效率直接影響著知識的使用效率，從而影響產品的設計效率，高效率的知識獲取可以提高知識的重用率，從而達到縮短生產周期，降低生產成本的目的。

在機械零件設計制造的過程中，設計人員需要根據設計的需求查找相應的知識，本文結合設計者的知識需求，提出了三種類型的關聯知識檢索方法，組成了一個龐大的關聯知識檢索體系，如圖2所示。所謂關聯知識檢索是指檢索存在從屬關系的知識，即在檢索某一零件的同時也將與之相對應的工藝文件一并檢索出來，并將二者生成關聯，然后將關聯結果返回給用戶。這種檢索模式打破了單一知識檢索的孤立性，保證了零件圖紙與工藝文件的關聯性和統一性，減輕了用戶對知識的檢索負擔。易于準確地檢索到所需要的知識信息，增強了系統的易用性和靈活性，促進了知識共享和知識組織的有效性，極大地提高了知識的獲取效率。

圖2　關聯知識檢索體系

2.1基于零件名稱檢索技術

圖3　零件名稱檢索流程圖

零件名稱檢索是一種關聯知識檢索的檢索方法，主要是針對零件及其工藝知識進行檢索，能夠幫助用戶在知識庫中找到符合需求的零件模型和工藝知識。零件名稱檢索的基本思想是：首先對輸入關鍵詞(零件名稱)進行分析并在實例知識庫中進行檢索和匹配。匹配到相關零件知識后，系統會繼續自動檢索工藝庫，將工藝庫中的工藝知識檢索出來。然后將零件圖紙與加工工藝生成一對一的映射關聯列表。最后將關聯結果(關聯知識)返回給用戶，檢索流程如圖3所示。

關聯知識檢索步驟如下：

Step1輸入關鍵詞，系統會根據輸入的關鍵詞對零件知識庫進行檢索。

Step2若零件庫內存在包含該關鍵字段的零件實例，則系統會將相應的零件圖紙檢索出來。

Step3若Step2已執行，系統會繼續檢索工藝知識庫，并將與每個零件圖紙相對應的加工工藝檢索出來。

Step4將零件圖紙與相應的加工工藝嚴格按照一對一映射的關系生成關聯列表，實現零件圖紙與加工工藝的關聯。

Step5將關聯結果返回給用戶。

若Step2未執行，說明零件庫內沒有與輸入關鍵詞相關的零件信息，即無檢索結果；否則，系統會按照上述步驟檢索知識庫，并將檢索結果以列表的形式返回給用戶,以供用戶參考和使用。

2.2基于委托人檢索技術

委托人檢索是一種關聯知識檢索的檢索方法，主要是針對委托人進行檢索，幫助用戶檢索到某一委托人下的一批零件或所有零件及其工藝知識。委托人檢索是采用TreeView控件作為導航器實現并通過樹狀結構來存儲和顯示零件知識，零件類型作為導航節點，通過與數據庫的連接，可以實現不同類型的零件按層級結構分類顯示。TreeView最常用的是顯示文件、目錄或其它需要分級顯示的信息。TreeView內容加載一般有三種方式：(1)界面設計時在TreeView設計器或者代碼中直接填充TreeView控件；(2)從XML文件中讀取數據建立樹型結構；(3)從數據庫中讀取數據,建立樹型結構[15]。本文采用第三種加載方式，從數據庫讀取信息，以委托人作為父節點，零件類型作為子節點，零件圖紙與加工工藝作為知識信息以列表的形式呈現給用戶。此種檢索方式的優點在于能夠清晰地呈現不同類型的知識和知識信息，快速定位知識類型，點擊具體分類，即可查看該類型下的知識信息，避免復雜信息的干擾。

委托人檢索與零件名稱檢索的主要區別是在于委托人檢索是實現委托人、零件類型、零件圖紙和加工工藝四者的關聯。并且是以樹狀導航的形式實現的，其基本思想是：首先對輸入的關鍵詞(委托人)進行分析并檢索；檢索匹配成功以后從數據庫讀取該委托人下的所有零件類型；與此同時，對零件庫和工藝庫中的零件和加工工藝進行檢索和匹配，再將匹配成功后的零件與工藝生成關聯關系；然后將這一關聯關系與委托人和零件類型再次進行關聯；最后將四者的關聯以樹狀結構的形式進行分類顯示，實現知識按照層級結構進行排列。

2.3基于加工信息檢索技術

加工信息檢索是一種關聯知識檢索的檢索方法。通過分析零件加工過程涉及的表面加工方法、設計特征、工藝過程、熱處理以及零件的配合性質等加工信息，實現零件與加工工藝的關聯檢索。其中，表面加工方法包括外圓表面加工、孔加工和平面加工；設計特征包括長方體、圓柱體、圓錐、球、孔、凸臺、腔體、鍵槽、槽、加強筋、螺紋和其他；工藝過程包括鑄造、鍛造、沖壓、焊接、機械加工、熱處理、裝配和其他；熱處理包括正火、退火、時效、淬火、回火、調質、滲碳、滲氮和其他；配合性質包括間隙配合、過盈配合和過渡配合。加工信息檢索的實現方式是首先通過對零件的加工工藝過程進行分析，在加工過程涉及到哪些加工信息。然后將分析結果作為關鍵詞并與數據庫內加工信息進行匹配，得到匹配結果(零件知識)后系統會自動訪問工藝庫，獲取到與每個零件相對應的工藝知識，生成零件知識與工藝知識的關聯關系。最后將關聯結果返回給用戶。

加工信息檢索在實現零件與工藝知識的關聯基礎上，還提供了三種表面加工的加工方案：外圓表面加工方案、孔加工方案和平面加工方案。對于一個零件來說，可能有不同的工藝加工方案來實現零件的加工，有些方案生產效率高，但成本較大，而有些方案雖然生產效率相對較低，但節約成本。這時需要考慮哪種方案更合理、經濟性更好，因此不僅要考慮原材料的可加工性和加工精度對零件的影響，同時也要考慮經濟性的影響。一般來說，加工方案的選擇應該既能夠滿足零件的加工質量要求和使用條件下的精度要求，同時又要具有較低的生產成本，即盡量提高零件加工經濟性。本文所設計的加工信息檢索能夠根據不同的材料，綜合考慮經濟加工精度等級和表面質量要求，而選取相應的表面加工方案，為零件加工工藝規程的制定提供參考。

3關聯知識推送方法

3.1關聯知識推送實現機制

知識推送是指將知識庫中的知識通過一定的標準或協議，根據設計人員的興趣和設計任務的需求，將匹配的知識及時準確地傳遞給設計人員，為設計人員提供知識支持，減少復雜的搜索工作[16]。知識推送是一種重要的知識服務的手段，其目的是滿足用戶的知識需求，解決因知識泛濫而導致的知識迷航問題。對于機械零件知識來說，為了提高零件知識的獲取效率，本文提出了基于零件實例庫的關聯知識推送方法，其實現機制如圖4所示?；舅枷胧牵菏紫仍O計人員會根據當前的設計任務對所需要的零件知識進行分析。然后根據分析結果提取知識庫中的知識，再經過相似度算法分析和匹配，得到最相似的匹配知識，得到該部分知識以后再獲取工藝庫中的相關工藝知識，將零件知識與工藝知識生成關聯關系。最后將關聯結果(關聯知識)按照相似度大小降序排列推送給用戶。這種模式的關聯知識推送繼承了關聯知識檢索的特點，能夠根據用戶的知識需求以及當前知識的使用情況，從知識體系中選擇出合適的知識。實現將關聯知識及時、主動地推送給用戶，確保了知識獲取的主動性和準確性，同時也降低了知識獲取的盲目性，大幅度提高了知識獲取的效率。

圖4　關聯知識推送實現機制

3.2相似度匹配算法

本文采用向量空間模型表示文本(document),其坐標系為Salton提出的詞語加權，即tf×idf。tf為詞語term在document中出現頻率，idf為逆document的頻率，二者的乘積作為向量坐標，具體算法如下：

(1) 首先計算系統各document中知識出現的頻率：

(1)

其中，tf(i,j)為第j個知識的在第i個document中的頻率。

(2) 系統知識的逆document頻率為：

(2)

其中，N為document的總數，Nj為包含第j個知識的document的個數，idfj為系統知識體系內第j個知識逆document頻率。

(3) 系統知識體系各項知識的權重可以表示為：

(3)

其中，tw(i,j)為第j個知識的在第i個document中的權重。

(4) 當前知識的權重為：

(4)

其中，tfj為當前第j個知識的出現頻率。

(5) 系統各document與當前知識之間的相似度是document中包含當前知識的權重加權和，即：

(5)

至此，各相似度大小即可通過系統應用程序計算得出，系統會將各相似文檔按照相似度大小降序排列推送給用戶。這種算法確保了知識屬性的權重通過系統的計算而得出，從而克服了權重的配置依賴于設計人員主觀判斷和經驗，實現了非人工干涉的關聯知識推送。

4系統開發與應用實例

本文采用J2EE的MVC設計模式，MySQL5.1作為系統數據庫，MyEclipse軟件作為開發工具設計開發了機械非標零件設計知識服務平臺。通過有效的知識管理實現了零件知識和信息的共享、獲取、重用和創新，并按照前述的關聯知識檢索方法和關聯知識推送方法為用戶提供知識服務。

按前文所述，平臺系統主要從三個方面對關聯的零件實例知識進行檢索：(1)零件名稱檢索；(2)委托人檢索；(3)加工信息檢索。零件名稱檢索是實現知識獲取的重要方式之一，此種檢索方式實現了對“零件圖紙—加工工藝”的關聯，對于想確切地了解某一實例知識，可使用此種檢索方式。這種檢索方式只需用戶輸入查詢的關鍵字段，即可將包含該字段的所有零件和工藝知識全部檢索出來，使用簡單、方便，檢索結果如圖5所示。

圖5　零件名稱檢索結果

委托人檢索實現了對“委托人—零件類型—零件圖紙—加工工藝”的關聯，對于想確切了解為哪些委托人加工過哪些零件，可以使用此種檢索方式。這種檢索方式采用樹狀導航呈現實例知識分類結構，點擊具體分類，即可查看相關分類知識。例如在文本框輸入“博威化工設備有限公司”進行檢索，左側委托人一欄將會顯示檢索結果并以樹狀導航的形式顯示零件的分類信息，右側零件信息一欄將會顯示為該委托人加工過的所有零件及相應的工藝文件。當點擊委托人下某一零件類型，右側零件信息一欄將會顯示相應類型的所有零件圖紙和加工工藝，檢索結果如圖6所示。通過零件的分類導航，可以準確、快速地查找某一類型的零件，降低了用戶對實例查找的盲目性，便于用戶根據自身的需求選擇所需要的知識。

圖6　委托人檢索結果

加工信息檢索在實現了“零件圖紙—加工工藝”的關聯的同時，也為用戶提供了相應的表面加工方案。表面加工方案主要包括四個方面：加工方案、經濟加工精度等級、加工表面粗糙度和適用范圍。在使用加工信息檢索時，系統會根據檢索內容檢索數據庫，并將相應的零件圖紙與加工工藝檢索出來，生成圖紙與加工工藝的關聯。當加工信息包括外圓表面加工、孔加工或者平面加工時，平臺系統會檢索出外圓表面加工、孔加工或者平面加工的加工方案，與前面的零件關聯知識共同返回給用戶，供用戶參考和使用。其中，各類表面加工方案均可由Excel格式的文件導出，方便知識的傳遞和使用，檢索結果如圖7所示。

圖7　加工信息檢索結果

關聯知識推送是平臺系統為用戶提供知識服務的主要功能之一，是在零件設計制造過程中提高知識獲取效率的重要方式。通過分析零件的知識特點，實現基于實例庫的關聯知識推送，在實施知識推送時，系統會首先根據設計人員當前的知識需求從實例庫中檢索出與當前任務相關的零件實例知識。然后通過實例知識與當前知識進行相似度匹配算法分析，將相似的實例知識以列表的形式推送給用戶，推送結果如圖8所示。

圖8　關聯知識推送結果

5結語

知識服務是提高知識獲取能力的有效服務手段，本文結合零件知識特點，提出了基于零件實例庫的關聯知識服務模型。該模型是一種面向知識內容和解決實際生產問題的服務模型。研究了三種類型的關聯知識檢索方法，構建了關聯知識檢索體系，便于查找與任務相關的知識。通過文本相似度算法進行知識匹配，設計了關聯知識推送方法，實現了實例庫中的知識與當前知識的匹配并主動推送給用戶。最后，通過應用實例說明了關聯知識服務在機械非標零件設計知識服務平臺中應用的可行性和實用性。通過對機械零件知識的科學管理，整合企業中各種形式的分散的知識資源，促進了知識的獲取和重用，提高了設計人員的工作效率，降低了用戶對知識獲取的盲目性。充分利用已有的知識成果，避免或減少重復勞動，能夠為用戶提供高效率、個性化的知識服務。今后的工作重點是加強關聯知識檢索與關聯知識推送的技術創新，結合企業知識需求的變化，為企業知識服務和信息化做進一步研究。

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KNOWLEDGE SERVICE METHOD FOR MECHANICAL PARTS DESIGNANDSYSTEMIMPLEMENTATION

Li Lu1Mao Hanying2*Wu Zhenyong1Mao Hanling1

1(School of Mechanical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,Guangxi,China)2(School of Automobile and Transportation,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 542506,Guangxi,China)

AbstractTo solve the problem that the knowledge resource of mechanical parts category is hard to be discovered and is low in acquisition efficiency, we proposed a parts case library-based association knowledge service method. According to the subordination relation between the knowledge, we designed three types of association knowledge retrieval method, and based on similarity matching algorithm, we designed the association knowledge push method. By the above two knowledge acquisition methods we implemented the knowledge service. We also designed and implemented the knowledge service platform for non-standard mechanical parts and provided a comprehensive network service platform for knowledge sharing and management in the process of non-standard mechanical parts design. Finally, we verified the application effect of the knowledge service on the platform through application examples.

KeywordsPartsAssociation knowledge serviceAssociation knowledge retrievalAssociation knowledge pushKnowledge service platform

收稿日期：2014-12-14。國家自然科學基金項目(51365006，5144 5013)；南寧市科技計劃項目(20131067，20130950)。李錄，碩士生，主研領域：知識管理與知識服務，企業信息化，信息化系統應用。毛漢穎，副教授。吳振勇，講師。毛漢領，教授。

中圖分類號TP391

文獻標識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.06.017