基于知識粒度的科學效應庫系統構建*

李　迅，王　凱，于翔麟

(四川大學 制造科學與工程學院,成都　610065)

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基于知識粒度的科學效應庫系統構建*

李迅，王凱，于翔麟

(四川大學 制造科學與工程學院,成都610065)

如何發揮科學效應知識在產品設計中的作用，輔助設計人員進行創新設計是當前研究的熱點。文章基于人的多粒度認知模型，提出了科學效應知識的多粒度組織表達模型。通過對各粒層知識屬性的定義，實現了科學效應知識的擴展。提供功能、

、自然語義三種不同抽象粒度的檢索方式。建立了支持產品創新設計的科學效應庫，并結合小型沖壓機床的自動保護系統設計示例展示了科學效應庫對創新設計的支持。

科學效應；多粒度；創新設計；知識檢索

0　引言

創新設計是產品設計的核心，在產品設計過程中，如何靈活、有效的運用科學效應知識，成為獲得具有學科交叉性質創新解的關鍵。研究表明，工程師或普通設計人員自身掌握的科學效應是十分有限的，因此，建立科學效應庫為新產品開發提供更多原理，對激勵設計人員開展創新性設計活動具有重要意義。

目前，針對科學效應庫的構建已經有較多的研究，占向輝[1]、孫玉帥[2]等提出基于傳統數據管理方式構建科學效應庫，張帥[3]等提出基于設計目錄數據管理方式構建科學效應庫，馬濤[4]、張星[5]等提出的基于本體構建科學效應庫,高常青[6]等提出基于功能元映射模式構建科學效應庫。這些科學效應庫存在著對知識的描述角度不夠全面和知識庫的檢索效率不高等問題。為此，本文基于人的多粒度認知模型，分析了科學效應知識不同抽象粒度的組織和表達，建立了支持產品創新設計的多粒度多層次的科學效應庫，并對系統的檢索技術進行了分析。

1　多粒度認知模型

認知就是認識外界事物的過程，是對作用于人的感覺器官的外界事物進行信息加工的過程。人腦習慣于從很粗的粒度上來粗略地描述事物，在得到事物的粗粒度概念之后，再用較細的粒度來觀察和分析事物，進而達到對事物的全面認識。整個認知過程的多粒度模型如圖1所示，模型的頂層是事物的一些外在屬性(粗粒度)，底層是事物的詳細信息(細粒度)，認知的過程就是從一個粒度層次跳到另一個粒度層次，多粒度多角度地對事物完整把握的過程[7]。因此，科學效應知識應該以多粒度多層次的方式組織和表達，從而有利于設計者的認知和計算機的檢索與推送。

圖1　認知過程的多粒度模型

2　支持產品創新的科學效應庫構建

2.1基于知識粒度的科學效應知識表達

科學效應知識并非用于問題的自動求解，而是輔助人創造性地獲取設計方案，科學效應知識的組織和表達應以有利于創新設計活動中人的認知和理解為導向。基于人的多粒度認知模型，本文建立科學效應知識的功能—科學效應—領域知識—設計實例4層粒度結構。如圖2所示，功能是對設計要求的抽象和概括，也是對科學效應知識、領域知識、設計實例知識的抽象和概括，功能層知識的抽象程度是最高的。知識的抽象程度越高，可遷移能力越強，知識粒度越粗，但知識的完整性會有所下降。科學效應描述了產品功能實現的基本原理，每個功能都可以通過多種不同的科學效應或效應鏈來實現。當科學效應的抽象性降低，最終與幾何、物料相結合時，往往以領域知識的形式出現，并呈現出少量的功能。一種科學效應可以和不同的幾何、物料相結合，對應著多種不同的領域知識，在一種領域知識中同時又可以抽象出多種科學效應來。當領域知識的抽象程度降低，被用于產品結構設計時，產生了具體的設計實例知識。每種領域知識都對應著多個產品設計實例。功能、科學效應、領域知識和設計實例這4層知識的知識粒度逐漸縮小。知識越抽象，知識粒度越粗；知識越具體，知識粒度越細。各層知識之間存在著一對一，一對多，多對一，多對多的映射關系，構成了多粒度多層次的知識空間，符合人的認知思維過程，幫助設計者深刻理解科學效應知識，從而輔助設計者實現創新設計。

圖2　科學效應知識的多粒度組織模型

2.2科學效應知識各粒層的屬性

各粒層知識的屬性反應了知識粒的內部結構和與其他知識粒層的聯系。對各粒層知識屬性的定義，使該粒層知識的粒度減小，有利于設計者的理解，并且建立了該粒層知識和其他粒層知識的聯系，有利于知識在整體粒度空間中的擴展，提高設計者對該類知識的檢索效率。

功能層：功能知識的屬性有功能動詞、流名詞、相關功能3種屬性，功能動詞和流名詞采用功能基里的標準詞匯來表示，功能動詞分為穩定、分離、調控、結合等十個大類，流名詞分為物質、能量和信號。部分功能動詞和流名詞如圖3所示。相關功能由與該功能同類的功能動詞和流名詞組成，由于這樣的功能組合較多，所以文中只選取和該功能聯系最緊密的3個功能作為相關功能屬性。對相關功能屬性的定義，現實了科學效應知識在粗粒度層面上的擴展。

圖3　部分功能動詞和流名詞分類

科學效應層：科學效應知識的屬性有輸入流、輸出流、控制流、結合物料和相關科學效應。其中輸入流、輸出流和控制流體現了效應實現過程中物質、能量和信號的轉化。結合物料表明科學效應層向領域知識層映射的方向。在應用科學效應實現某個功能時可以由一個效應來完成，也可以將一系列依次發生的效應結合起來實現用戶最終的功能，還可以用過其他效應的輸出流控制另一個效應的技術參數，以改變該效應的實現形式。通過對科學效應層知識的屬性定義，有利于設計者對科學效應作用原理的理解。

領域知識層：領域知識的屬性有概念描述、工作原理、優勢分析、相關領域。其中概念描述是對該領域知識的設計方法或者產品機構的概念進行大致的描述，工作原理是對設計原理或產品機構工作原理的展示，優勢分析是對該設計方法或者機構的優點進行分析，相關領域屬性展示了與該領域相近的知識，拓寬了設計者的知識范圍。

設計實例層：設計實例知識屬性有問題描述、工作參數、發明原理、相關實例。其中問題描述對該實例所解決的問題進行了簡單的描述，工作參數包括功率、溫度等，發明原理將實例采用的解決問題的方法抽取出來，并使用TRIZ發明原理的形式進行表達，相關實例屬性是與實例知識相關的其它實例知識，便于設計者全面的掌握該類知識。

2.3科學效應庫構建流程

科學效應庫的構建流程如圖4所示，科學效應庫的構建采取自底向上的方法。首先，從產品設計領域中選取實例知識，實例知識包括專利知識和具體產品知識等，然后將實例知識由細粒度向粗粒度轉化，逐步抽取出實例知識對應的領域知識層、科學效應層、功能層的知識，從而得到了不同抽象粒度的知識層次結構，最后定義各粒層知識的屬性，生成知識條目，將知識條目加入科學效應庫中，并在初步建立知識庫以后，在使用過程中對該知識庫進行完善，最終建立一個能夠輔助創新設計的多粒度多層次的科學效應庫。

圖4　科學效應庫構建流程

3　知識庫的檢索與應用

3.1科學效應知識檢索

由于科學效應庫采用了多粒度多層次的知識組織結構，并且根據知識條目中各屬性的構成，科學效應庫采用三種不同抽象粒度的檢索方式：功能檢索、關鍵詞檢索和自然語義檢索。其中功能檢索是粒度最粗的檢索方式，用戶采用這種方式可以檢索到能夠實現用戶功能的各種效應知識，關鍵詞檢索的粒度比功能檢索細，能夠檢索到某一領域的實例知識，自然語義檢索的粒度最細，用戶能夠較快速的檢索到具體的實例知識，但這種檢索方式得到的知識粒度較細，不利于設計者在粗粒度層面上實現原理創新。圖5為科學效應知識庫的檢索流程圖，用戶使用知識庫時，根據設計過程中面臨的不同情況選擇不同的檢索方式，然后輸入檢索內容，系統根據用戶輸入的內容進行分析匹配并輸出結果。若不滿意，可以對問題進行重新表征，直到檢索出所需的設計知識。

圖5　科學效應庫檢索流程圖

3.2應用示例

(1)背景描述與問題分析

小型沖壓機床的操作往往伴隨很多的事故。一臺沖壓小型機床安裝安全防護裝置的費用較高，一些私營小廠根本承擔不起。基于上述情況，我們可以制作一種簡單、價格低廉的光電保護系統，一旦工人的手或身體的其他部位進入危險區域，光電保護系統立即動作，發出報警信號，使沖壓機床的工作電路自動斷開，立即制動停車[8]。

(2)解決方案

根據問題分析，我們得到明確的改進目標，該目標要實現的主要功能是檢測進入危險區域的的手或身體的其他部位，在對知識庫系統熟悉之后，我們可以將功能抽象為檢測固體。在科學效應庫中采用功能檢索的方式進行檢索，進入多粒度多層次的知識界面，然后選取具體的知識層次進行瀏覽。圖6是課題組設計的知識庫檢索界面，知識庫正在進一步構建之中。在科學效應層中有實現該功能的反射效應、彈性變形等科學原理知識，在設計實例層中有槽式光電開關、對射式光電開關、鏡反射式光電開關、光纖式光電開關等實例知識。根據檢索到的設計知識，我們得到初步的解決方案：在保護電路中，加入槽式光電開關，實現系統的緊急停車和自動報警。然后根據設計約束和機床自身的特點進行詳細設計，得到一個小型的光電保護系統。

圖6　知識檢索界面

4　結束語

在產品創新設計過程中，科學效應知識發揮著非常重要的作用。文中分析了科學效應知識的組織表達技術的研究現狀，基于人的多粒度認知過程模型，提出了科學效應知識的多粒度多層次組織表達模型，并對知識庫的檢索技術進行了分析。通過小型沖壓機床保護系統設計示例說明了科學效應知識庫系統的有效性。下一步工作是搜集足量的實例知識，完成整個科學效應知識庫的構建，并對知識庫的應用策略進行完善。

[1] 占向輝, 李彥, 賈愛軍, 等.面向創新設計的科學效應庫研究[J].工程設計學報, 2005, 12(1):1-6.

[2] 孫玉帥, 李彥, 趙武.面向創新設計的Web科學效應庫系統研究[J].計算機集成制造系統, 2006 , 12(12):1946-1951.

[3] 張帥.復合功能產品概念設計建模理論及自動化求解方法研究[D].杭州:浙江大學, 2005.

[4] 馬濤，李彥，劉小瑩，等．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.

[5] 張星，馬建紅，肖國璽. 基于本體的科學效應知識表達和語義推理[J].計算機工程與設計,2015,36(7):1992-1996.

[6] 高常青, 楊波, 呂冰，等. 科學效應在產品概念設計中的應用[J].組合機床與自動化加工技術, 2014(5):46-49.

[7] 張清華，周玉蘭，滕海濤 . 基于粒計算的認知模型[J].重慶郵電大學學報(自然科學版),2009,21(4):494-501.

[8] 鐘友發. 淺談小型機床的自動保護系統的設計方案[J].才智,2009(24):256-257.

(編輯李秀敏)

Construction of Scientific Effect Knowledge Base System Based on Knowledge Granularity

LI Xun,WANG Kai,YU Xiang-lin

(School of Manufacturing Science and Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

How to play the role of scientific effect knowledge to help designers with innovative design is the focus of current research. Based on the multi-granularity cognitive model, this paper puts forward a multi-granularity organization and expression model of scientific effect knowledge.Through the definition of the knowledge attribute of each particle level, the expansion of scientific effect knowledge is realized.Provide three kinds of different granularity retrieval methods,which are function,key words and natural semantics.The scientific effect base of supporting product innovation design is established,and the design of the automatic protection system of the small punch machine tool is demonstrated to show knowledge base supporting creative design.

scientific effect;multi-granularity;creative design;knowledge retrieval

1001-2265(2016)07-0096-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.027

2016-01-13

高等學校博士學科點專項科研基金(20130181130011)

李迅(1991—)，男，重慶人，四川大學碩士研究生，研究方向為產品創新設計理論與方法，(E-mail)lixun2018@163.com;通訊作者：王凱(1982—)，男，成都人，四川大學講師，研究方向為創新方法與創新設計理論，(E-mail)cgwk@163.com。

TH122；TG659

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