基于知識關聯的產品知識聚類集成模型研究

陳華為，高　琦，王超宇

（四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065）

基于知識關聯的產品知識聚類集成模型研究

陳華為，高琦，王超宇

（四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065）

針對當前通用設計與專業設計、設計能力與設計經驗、設計與生產之間存在的壁壘，提出了基于功能設計和基于案例設計的知識推送方案并搭建了基于語義知識共現技術與反饋網絡的產品模糊知識聚類集成模型。借助知識共現技術與知識功能語義檢索技術，構建了產品代碼及標準匹配知識模塊和產品功能語義關聯模塊，利用粗糙集理論，提出產品類別關聯方法和網絡。構建了產品聚類及權重調整模塊，以調整關聯度的方式利用用戶反饋對知識關聯模型進行優化。通過實例對該模型的檢索流程和效果進行了分析與驗證。

知識關聯；產品知識；知識聚類集成模型

0　引言

隨著制造業的生產結構逐漸啞鈴化，企業面臨的制造能力過剩，產品設計能力不足等問題越發凸顯出來。與此同時，產品復雜性不斷提高，并朝個性化方向快速發展，也使設計難度迅速增加［1］。因此，對于如何提高產品的設計能力，尤其是對復雜產品的設計能力及創新設計能力，并有效的降低產品設計成本，已經成為行業領域重點攻關的問題之一。

針對上述這些問題，國內外不同領域的學者在各個角度進行了大量的研究工作。在產品設計理論方面，相繼出現了TRIZ理論［2］、質量功能配置（Quality Function Deployment， QFD）［3］、TQCS（E）［4］、公理化設計等設計理論［5］；在產品設計方法方面，謝友柏等特別注重產品功能與產品質量，將兩者歸為產品性能，并提出以性能驅動的產品設計方法［6，7］；聞邦椿等將產品剖析為兩大功能（主要功能與輔助功能）和三大性能（結構性能、工作性能和工藝性能），并在此基礎上提出產品全功能及全性能設計方法［8，9］。此外，FBS［10］，不同維度與不同視角的并行設計方法的提出［1］，也在很大程度上豐富和完善了產品設計體系，促進了產品設計研究的發展。但是，這些研究或多或少地存在如下不足：1）忽視了設計與生產的相關性，往往重設計而輕生產，使得設計游離與生產之外，削弱了對行業的指導意義；2）缺乏設計能力向產品轉換的途徑的研究，使得大量優秀的設計能力與設計資源無法向產品轉化；3）沒有考慮到通用設計與專業設計、設計人員與制造企業之間的知識壁壘與經驗壁壘，易造成總體設計資源匱乏而局部設計能力過剩的問題。

1　產品模糊知識聚類集成模型構建

產品模糊知識聚類集成模型由產品代碼及標準匹配知識模塊、產品功能語義關聯模塊和產品聚類及權重調整模塊組成（如圖1所示）。

圖1　基于語義知識共現技術與反饋網絡的產品模糊知識聚類集成模型

產品代碼及標準匹配知識模塊：以專利知識庫、HS產品編碼庫、產品標準庫為數據基礎，利用語義知識共現技術［12］，將產品編碼、通用標準與專利代碼進行匹配，為知識功能語義檢索與產品聚類提供數據支撐。

產品功能語義關聯模塊：借助知識功能語義檢索模型［11］對功能本體進行深度挖掘，采用“功能+流”的方式對知識進行語義識別并將其規范化，以“共指關系索引-檢索本體-設計知識”的方式對知識進行關聯與表達，是實現產品功能關聯聚類的核心計算模塊。

產品聚類及權重調整模塊：利用粗糙集理論，在產品代碼及標準匹配的基礎上，對產品類別進行聚類，并與知識功能語義關聯模塊進行整合，從在產品功能關聯、產品類別關聯兩個平面分別對產品進行聚類，構建產品關聯體，并基于用戶反饋不斷調整關聯權重［13］，最終形成穩定的產品關聯體系，從而完成對現有相關產品及參數、行業標準、相關專利等的知識推送。

2　產品知識關聯體系構建

2.1產品代碼及標準匹配知識庫的建立

1）專利知識庫再整理：在已有專利知識庫的基礎上，加入本體元素和流元素，將功能流本體與產品類關鍵詞作為關聯屬性。

2）產品編碼庫再整理：在已有產品編碼庫的基礎上，加入本體元素、流元素和重要相關參數，將功能流本體、產品類關鍵詞作為主要關聯屬性，相關參數作為輔助關聯屬性。

3）產品標準庫構建：對各類產品的參數標準進行收集整理并賦索引值，產品標準庫以產品關鍵詞作為匹配屬性。

看吧，事情并沒有想象中那么糟糕。平心靜氣處理的結果，也許還會出人意料。所以，“日理萬機”的老師們，與其臣服于消極情緒，被情緒奴役，不如做自己情緒的主人，換一個角度看問題，也許會有意外收獲。

4）利用關鍵詞匹配和知識共現技術將產品編碼庫與專利知識庫通過產品類關鍵詞進行多對多關聯，利用關鍵詞匹配將產品標準庫中元素與產品編碼庫中元素進行初步匹配（如圖2所示）。

圖2　產品代碼及標準匹配知識庫初步匹配結構

2.2產品功能語義關聯

產品功能語義關聯模塊借助李彥［11］提出并建立的功能語義檢索模型與檢索系統，用“本體+流”的手段，建立共指關系，對產品代碼及標準匹配知識庫進行語義關聯和聚類。產品代碼及標準匹配知識庫對當前已有專利知識庫和HS產品編碼庫進行了再整理，加入了本體元素和流元素，以便于產品功能語義關聯模塊迅速識別和聚類。同時，產品功能語義關聯模塊對產品代碼及標準匹配知識庫進行了二次分析與處理，從而建立較為穩定的產品功能關聯網絡和匹配網絡。

2.3產品類別關聯

產品類別關聯模型是在粗糙集理論的基礎上，從產品分類的角度對產品進行聚類，并對產品代碼及標準匹配知識庫進行了二次分析與處理，從而建立較為穩定的產品類別關聯網絡和匹配網絡。其具體步驟為：

1）產品字典與專利字典的建立：設d∈D為產品類別，t∈T為專利類別［11，12］，則可創建數據字典A=｛mx:dx|x∈M｝，B=｛ny:ty|y∈N｝。其中，m，n分別為d，t的索引，索引值分別是其HS編碼和專利代碼。

2）求出似然解：根據粗糙集理論，分別建立dx（x∈M）、ty（y∈N）的對象集合Udx、Uty和屬性集合Qdx、Qty。對決策表進行約簡，取不同的屬性組合可得一定的粒度。限制其粗糙度與粗糙隸屬度分別為α和μ，遍歷整個屬性組合，通過不斷調整粒度，可得到一定數量的似然解。

3）通過似然解分別對D和T進行聚類。

4）針對某一個類進行產品、標準關聯，從而生成“產品元（Product unit）”。產品元包含使用領域與實物對象兩個維度構成。因專利在某些情況下無法順利轉化的原因，故以產品元為核，與大量相關專利在使用領域、實物對象兩個維度進行關聯，生成產品類別關聯網絡（如圖3所示）。

圖3　產品類別關聯網絡

2.4產品關聯體與權重調整

引入關聯度（關聯權重），將產品在產品功能、使用領域、實物對象三個維度進行關聯，可得“產品關聯體（Product related body）”（如圖4所示）。用戶可通過限制三個維度的檢索關聯度值的大小來查詢相關產品及專利，并可通過技術參數與相關鏈接全方位獲取產品相關知識，快速認知該產品并獲取同類設計經驗。同時，系統可通過用戶反饋，調整對應的關聯權重，使平臺在不斷地學習當中，逐漸確立穩定的關聯體系［13］。

圖4　產品關聯體

3　實例分析

以航空發動機為例，利用產品類別檢索，通過數據字典，搜索“航空發動機”，設置產品關聯度為1，即搜索產品本體，可找到產品類有渦輪軸航空發動機（8411810001）一項，專利類有航空器用發動機（201280015823.0）、空氣壓縮航空發動機（200510034447.1）、航空螺旋槳矢量發動機（201010257973.5）等7項，功能流為“產生力”，相關技術參數為：最大加力推力、中間推力、加力耗油率、中間耗油率、推重比、空氣流量、涵道比、總增壓比、渦輪進口溫度、最大直徑、長度、質量；利用產品功能檢索，通過數據字典，搜索“產生力”，可得到發動機（8407320000）、電動機（8501109990）、氣缸（8409919990）等相關類目132項，限制使用領域為航空，可得到航空剪（8203300000）、渦輪軸航空發動機（8411810001）、航空鉗（8203200000）、航空磁電機（8511201000）等8項，選擇渦輪軸航空發動機，可給出相關技術參數、功能流等屬性，并給出相關產品知識。系統可通過檢測用戶收藏或刪除的類目對產品關聯體中的關聯度進行調整。產品檢索流程如圖5所示。

圖5　產品檢索流程

4　結論

為打破當前通用設計與專業設計、設計能力與設計經驗、設計與生產之間存在的壁壘，從產品案例知識推送和產品功能知識推送兩個角度，借助功能語義檢索模型、知識共現基礎和粗糙集理論，對產品知識進行和整合與關聯，構建“產品元”和“產品體”。在已有創新設計服務平臺的基礎上，搭建了基于語義知識共現技術與反饋網絡的產品模糊知識聚類集成模型，輔助設計人員快速獲得產品設計知識與經驗，幫助解決通用設計能力向專業設計能力、設計能力向生產能力的轉化缺失的問題。最后，通過航空發動機的實際案例驗證了對其可行性予以驗證。

［1］ 王洋，段桂江.基于廣義特性演進的復雜產品設計過程模型［J］.計算機集成制造系統，2011，17（12）:2563 -2572.

［2］ Imoh M.Ilevbare， DavidProbert， RobertPhaal.A review of TRIZ， and its benefits and challenges in practice［J］. Technovation，33（2013）:30-37.

［3］ Chan LK， Wu ML. Quality function deployment: A literature review［J］.European Journal of Operational Research，143（3），2002: 463-497.

［4］ Cao Y，Wang SL， Kang L， Gao Y. A TQCS-based service selection and scheduling strategy in cloud manufacturing［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2016，82（1-4）:235 -251.

［5］ Kulak O，Cebi S，Kahraman C.Applications of axiomatic design principles: A literature review［J］.Expert Systems With Applications，2010，37（9）:6705-6717.

［6］ 謝友柏.現代設計理論和方法的研究［J］.機械工程學報，2004，40（4）: 1-8.

［7］ 孟祥慧，謝友柏，戴旭東.面向復雜產品時變性能設計的理論與方法［J］.機械工程學報，16（1），2010:128-133.

［8］ 聞邦椿.產品全功能與全性能的綜合設計［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［9］ 聞邦椿.產品設計理論與方法的發展趨向及產品的現代設計［J］.機電設計，28（3），2011:255-264.

［10］ 陳繼文，楊紅娟，張進生，王志.基于變型空間FBS本體映射的產品創新設計方法［J］.計算機集成制造系統，2013，19（11）:2671-2679

［11］ 涂建偉，李彥，李文強，等.一種面向產品創新設計的知識檢索模型與實現［J］.計算機集成制造系統，2013，19（2）:300-308.

［12］ 郝佳，閻艷，王國新，等.基于潛在語義分析的領域知識地圖構建技術［J］.北京理工大學學報，2014（7）:691-694.

［13］ 藺源，羅四維，高瞻.用戶行為反饋的網格資源檢索方法研究［J］.兵工學報，2010，31（8）:1119-1124.

Research on clustering ensemble model of product knowledge based on knowledge association

CHEN Hua-wei，GAO Qi，WANG Chao-yu

TH391

A

1009-0134（2016）09-0122-04

2016-07-04

四川省科技支撐計劃項目（2014GZ0121）；四川省科技支撐計劃項目（2013GZ0141）

陳華為（1991 -），男，遼寧人，碩士研究生，研究方向為創新設計。