基于產品設計情境的知識推送方法研究

羅德鋒，戰洪飛

（寧波大學機械工程與力學學院，浙江寧波 315211）

一、引言

知識推送的本質就是系統主動將適當的知識推送給適當的人，以提高員工的知識應用與創新能力[1]。如MOON 等（2009）[2]提出了一種基于多Agent的設計知識推送方法，推送給設計人員感興趣的知識。徐榮振等（2016）[3]根據設計人員的知識使用行為，提出了一種基于序列模式挖掘的變型設計知識推送方法，通過知識序列的相似度實現知識的推送。

在產品設計的知識推送服務中，考慮情境信息對知識推送的影響非常有必要[4]。知識也具有情境依賴性，即知識的獲取、應用等過程只有在特定的條件背景下才能發揮最大的價值。本文所謂的情境不僅僅是指產品設計的任務特征和環境資源，還包括設計人員本身的個性化特點。

一些學者已經意識到情境在知識推送服務中的重要作用，將設計情境融入到知識推送服務中。王克勤等（2019）[5]通過構建情境交互模型，為設計人員提供知識推送服務；張發平和李麗（2017）[6]從業務過程知識重用的角度，提出了以任務和用戶為心的多維層次情境模型，為企業提供知識推送服務。

綜上所述，目前的知識推送方法主要考慮的是設計人員的興趣偏好以及知識使用行為，很少涉及到其它情境信息。本文主要利用設計過程中的情境信息來構建多維層次的產品設計情境模型，提出一種基于產品設計情境的知識推送方法，旨在借助情境對知識需求的過濾和約束作用，將企業案例中最恰當的知識推送給設計人員，以提高設計人員求解績效，最后以某型號榨汁機設計的知識推送為例，驗證方法的可行性。

二、產品設計情境分析及建模

（一）產品設計情境分析

本文的產品設計情境是指知識主體在使用知識產生設計活動的過程中，用來描述其當前狀態且對知識重用有價值的信息。

由情境來源可將情境分為感應情境、虛擬情境和推理情境[7]。感應情境主要是通過情境傳感設備識別獲取的情境，如GPS 識別獲取的定位信息等；虛擬情境是從應用軟件獲取的情境，如工作流管理系統識別獲取的任務信息等；推理情境是在感應情境和虛擬情境的基礎上，通過某種關系或自定義規則推理得到的，如通過辦公場所和設備狀態推理出員工的工作狀態等。本文是將案例產品設計情境所關聯的知識推送給現實產品設計情境下的設計人員，所以本文研究的產品設計情境主要包括兩部分：現實產品設計情境和案例產品設計情境。

現實產品設計情境是指在當前設計過程中，隨著業務活動的驅動而形成的設計需求和信息環境的集合，可從實時的產品設計數據中獲取，并按照本文的情境建模方法封裝成規范化的現實產品設計情境模型。

案例產品設計情境是指在企業案例庫中提煉設計過程得到的情境信息集合，主要是從產品設計案例數據庫中提取。按照設計人員的知識需求封裝成案例產品設計情境模型并儲存到案例情境知識庫中。

（二）多維層次的產品設計情境建模

本文以設計過程為線索，通過對現實產品設計情境的抽象化處理，構建多維層次的現實產品設計情境模型。本文的情境模型采取的是相同的建模方法。通過對產品設計求解過程中的情境信息進行抽取和描述，構建多維層次的產品設計情境模型，可表達為：PDC={CiEj|i=1，2，3，…，m，j=1，2，3，…，n}，其中，PDC 表征產品設計情境模型，CiEj表征第i 個產品設計情境模型第j 個情境要素。王程強等（2019）[8]在企業調研和問卷分析的基礎上，對業務求解過程中的情境要素進行描述，歸納總結了人員、時間、地點等維度的情境模型來研究不同的情境配置對業務求解績效的影響，本文也參與了部分研究工作。因而，綜合他們的研究，并進一步對獲取的一些設計案例材料進行對照，為適合知識推送需要，本文設定了七個情境維度對產品設計情境模型中的情境要素進行概括性描述，可以提煉為任務、資源、產品、領域、人員、時間、地點七個情境維度。在對各個情境維度進行細化時，有些需要細化，而有些則不需要，情境細化到可量化度量或可采集為止，根據不同的情境要素組成樹狀層次結構，如圖1 所示。

圖1 多維層次的產品設計情境模型示意圖

（三）情境要素的權重確定

在情境模型中，不同層次情境要素的核心作用是不同的，因而有不同的權重值。信息熵就是對信息不確定性的一種度量[9]，本文利用熵值可以判斷某一情境要素在相似性評估總體上的重要程度。設現實產品設計情境模型與案例產品設計情境模型中的情境要素相似度矩陣為A=（aij）m×n，其中aij表示第i 個案例產品設計情境模型中第j 個情境要素與現實產品設計情境模型中第j 個情境要素的相似度，則采用信息熵計算情境要素的權重步驟如下：

步驟1：計算第i 個產品設計情境模型中第j 個情境要素的比重：

步驟2：計算第i 個產品設計情境模型中第j 個情境要素的熵值ej：

其中

步驟3：計算第i 個產品設計情境模型中第j 個情境要素的權重值wj：

三、需求驅動的案例情境知識庫

案例情境知識庫的構建是本文的關鍵。設計人員在不同的情境中執行設計活動時會產生不同的知識需求，因此可通過識別不同的情境來區分知識需求，從而向設計人員推送知識。知識需求驅動的案例情境知識庫是集知識分類、儲存、匹配、推送、管理于一體的知識庫，如圖2 所示。

1.案例產品設計情境模型。由案例產品設計情境經過規范化處理后封裝在案例情境知識庫中的模型。

2.案例知識單元。由企業案例中的設計知識進行統一封裝后的形式化表達單元。產品設計求解所需要的案例知識單元不僅是由知識載體和知識內容兩部分構成，還需要考慮知識使用的程度。所以本文定義的案例知識單元由知識載體、知識內容、知識使用程度三個層面來描述。

3.關聯關系。主要用于案例產品設計情境模型和案例知識單元關系的表達。二者的關聯關系是比較復雜的，并不是單純的一對一的關系，通常是多對多的關系。

本文引入關聯度R（CPDC，CKU）來表示案例產品設計情境模型與案例知識單元的關聯關系，其中R 取值范圍為[0，1]，CPDC 表示案例產品設計情境模型，CKU 表示案例知識單元。當R 趨向于0 時，表示CPDC 與CKU 的關聯性越來越低；當R 趨向于1時，表示CPDC 與CKU 的關聯性越來越高。關聯度R 主要由設計人員瀏覽案例知識單元的次數n 確定，當設計人員在某一設計情境下瀏覽案例知識單元的次數n 越多，說明該設計情境與案例知識單元的關聯性越高；當設計人員在某一設計情境中剛開始瀏覽案例知識單元時，二者的關聯性增長相對緩慢，之后隨著瀏覽次數n 的增加，關聯性增長開始加快，但當瀏覽次數n 增加到某一程度后，關聯性逐漸停止增長，趨于平穩[10]。以上分析說明R 是關于n 的非線性函數，關聯度不但受到瀏覽次數的影響而且還存在上限，瀏覽次數可以有無限次，但是關聯度卻不會無限地增長，此外，本文發現在數學領域中研究人口增長規律的Logistic 函數模型與R的增長過程非常相似，因此引用Logistic 增長模型來定義關聯度R，見公式（4），并根據設計人員的評分進行動態修正，因為關聯度R 不僅與案例知識單元的瀏覽次數有關，還與設計人員對案例知識單元的評分有關，評分越高，說明R 增長得越快，關聯性就越高。

其中，n 為在某一設計情境下設計人員瀏覽案例知識單元的次數，N 為自然數，n0為所有案例知識單元被瀏覽次數的中位數，n=0 時，說明在某一設計情境下設計人員沒有瀏覽案例知識單元，即R為0；γ 為案例知識單元的評分修正系數，可設滿分為5 分，則γ=c/5 且c∈{1，2，3，4，5}。

根據設計人員的反饋信息對案例產品設計情境模型、案例知識單元、關聯關系進行動態的調整和更新，以保證案例情境知識庫能適應多變的企業環境。

四、知識匹配及推送

（一）現實產品設計情境——案例知識單元映射

構建現實產品設計情境模型與案例知識單元的映射關系就是找出現實產品設計情境下最適合設計人員求解的案例知識單元，在設計求解過程中，系統推送給設計人員什么樣的知識是由“現實產品設計情境模型-案例知識單元”的映射關系F-SR決定的，而F-SR 又是由“現實產品設計情境模型-案例產品設計情境模型”的映射關系F-S 和“案例產品設計情境模型-案例知識單元”的映射關系F-R共同決定的，因此，可將“現實產品設計情境模型-案例產品設計情境模型-案例知識單元”看作一條路徑，現實產品設計情境模型相當于路徑的起點，案例知識單元相當于路徑的終點，并把現實產品設計情境模型與案例產品設計情境模型的相似度看作是“現實產品設計情境模型-案例產品設計情境模型”的映射關系強度，把案例產品設計情境模型與案例知識單元的關聯度看作是“案例產品設計情境模型-案例知識單元”的映射關系強度，故F-S、F-R 取值均屬于[0，1]。假設現實產品設計情境模型Q 到案例知識單元P 的路徑有k 條，則在該現實產品設計情境下，案例知識單元P 的映射值計算公式為F-SR=（F-Si）×（F-Ri），其中i=1，2，…，k。然后系統按照映射值的大小降序排列，以知識列表的形式推送給設計人員，輔助其完成設計求解。

（二）知識推送過程

知識推送主要是找到最適合設計人員在現實產品設計情境下求解所需的案例知識單元（見圖3），知識推送過程可分為四步：

第一步：構建現實產品設計情境模型。設計人員在執行設計過程時會產生各種設計活動和知識需求，通過傳感器或信息系統等進行情境識別獲取，可獲取現實產品設計情境信息，如GPS 識別獲取的位置信息、從企業信息系統中獲取的人員信息以及設計的任務信息等，通過對現實產品設計情境的抽象化處理，提取出七個情境維度，構建多維層次的現實產品設計情境模型。

第二步：情境匹配計算。首先提取現實產品設計情境模型與案例產品設計情境模型的情境要素屬性值，然后根據屬性值的分類進行相似度計算，從而得到相似的案例產品設計情境模型。

第三步：案例知識單元-現實產品設計情境模型映射計算。在完成情境匹配計算的基礎上，通過企業訪談設定合適的相似度閾值，把與現實產品設計情境模型相似度高的案例產品設計情境模型篩選出來，再利用案例產品設計情境模型與案例知識單元的關聯關系進行映射計算，從而得到案例知識單元-現實產品設計情境模型的映射值。

第四步：知識推送。案例知識單元按照映射值進行降序排列，將恰當的案例知識單元以列表的形式推送給設計人員，方便設計人員點擊、應用和收藏。此外，設計人員在設計求解過程中不僅有反饋評價，還可能產生新的知識，新知識融合到相應的現實產品設計情境，經整理分類后一并存儲到案例情境知識庫中。

圖3 知識推送過程示意圖

（三）產品設計情境模型的相似度評估算法

如上文所述，產品設計情境模型都具有多維層次樹狀結構，計算情境要素的相似度就是計算其對應屬性的相似度，產品設計情境模型的相似度是根據各層次情境要素的相似度自下而上進行計算的，即首先查找兩情境模型的對應情境要素，先計算下層各情境要素的相似度，再依次加權求出上層情境要素的相似度，最終得到產品設計情境模型的相似度。計算方法如下：

假設兩個產品設計情境模型的一組對應情境要素分別為V 和V'，n 為與之對應的情境要素數量，則V 和V'的相似度為：

式（5）中，wj為第j 個情境要素的權重值，且表示V 和V' 在第j 個情境要素的屬性相似度，其計算根據屬性值類型可以分為：

（1）向量類屬性。當情境要素用向量形式表示其屬性時，采用余弦相似度的方式進行計算，相似度計算公式如式（6）所示：

式（6）中，（p1，…，pn）和（q1，…，qn）分別為情境要素V、V' 的屬性值為pi的平均值為qi的平均值。

（2）數值類屬性。當情境要素用數值表示其屬性時，相似度計算公式如式（7）所示：

式（7）中，np1和np2分別為情境要素V、V'的屬性值。

（3）字符類屬性。當情境要素用字符形式表示其屬性時，主要是計算語義相似度，本文參照了將屬性相似度與基于Word Net 本體結構的結構相似度相結合的一種綜合相似度計算方式[11]，公式如式（8）所示：

（4）區間類屬性。當情境要素用區間值形式表示其屬性時，相似度計算公式如式（9）所示：

式（9）中，（a1，a2）和（b1，b2）分別為情境要素V、V'的區間類屬性值。

（5）模糊類屬性。當情境要素用0～1 區間的模糊值將屬性進行量化時，相似度計算公式如式（10）所示：

式（10）中，f1和f2分別為情境要素V、V'模糊化后的屬性取值。

得到情境要素的相似度之后，計算情境維度的相似度就是對其情境要素的相似度進行加權求和，最終得到現實產品設計情境模型與案例產品設計情境模型的相似度，為提升相似性計算效率，本文令現實產品設計情境模型與案例產品設計情境模型具有相同的結構形式。

五、實例分析及驗證

本節以某型號榨汁機設計的知識推送為例，首先計算榨汁機設計過程中現實產品設計情境模型與案例產品設計情境模型的相似度，然后計算案例產品設計情境模型與案例知識單元的關聯度，最后通過兩者確定“現實產品設計情境模型——案例知識單元”的映射值，得到知識推送列表，最終實現知識推送服務。

由于目前企業還沒有按照本文的方法構建案例情境知識庫，故本文通過企業調研，收集了五個案例和一個現實產品設計業務，其中案例1、案例4都與現實產品設計業務相近，但案例1 的產品設計求解績效要好于案例4，通過采用本文的研究方法，來觀察是否能給設計人員推送出績效好的案例所包含的案例知識單元，進而驗證本文方法的有效性。

為節省篇幅，本文對產品設計情境模型進行簡化處理，簡化為13 個情境要素，表1 是從現實產品設計業務中提取的現實產品設計情境模型。

表1 榨汁機設計的現實產品設計情境模型

表2 是從企業收集并導入到案例情境知識庫中的5 個案例產品設計情境模型，其中，技能水平、興趣偏好用向量類屬性表示，壽命、設計天數、月份用數值類屬性表示，杯體材料、轉速用字符類屬性表示，噪音用區間類屬性表示，經驗水平用模糊類屬性表示，依照相應的屬性相似度計算方式，分別計算現實產品設計情境模型與案例產品設計情境模型相對應的情境要素的相似度，計算結果如表3所示。

利用表3 的計算結果構建情境要素相似度矩陣，記為A=（aij）m×n，其中，m=5，n=13。利用公式（1）、公式（2）、公式（3）計算現實產品設計情境模型中各個情境要素的權重，計算結果如表4 所示。

表2 榨汁機設計的案例產品設計情境模型

表3 現實產品設計情境模型各情境要素與案例產品設計情境模型的相似度

表4 現實產品設計情境模型各情境要素的權重

例子中的產品設計情境模型具有相同的結構，可設7 個情境維度的權重均為1/7，后續會隨著設計人員的反饋評價進行動態調整，以案例產品設計情境模型1 為例，按照公式（5），分別計算各個情境維度的相似度。得出任務維度的相似度為0.64，人員維度的相似度為0.88，時間維度的相似度為0.80，地點維度的相似度為1.00，產品維度的相似度為1.00，領域維度的相似度為1.00，資源維度的相似度為1.00。所以，最終得到現實產品設計情境模型與案例產品設計情境模型1 的相似度為0.90。

同理可以得到現實產品設計情境模型與案例產品設計情境模型2、模型3、模型4、模型5 的相似度，計算結果分別為0.87、0.95、0.90、0.51。

通過企業訪談，相似度閾值設為0.85，則滿足設計人員知識需求的案例產品設計情境模型共有4個，計算映射值是在情境匹配計算完成的前提下考慮案例產品設計情境模型與案例知識單元的關聯關系，依據本文的關聯度定義方法，可以推測出案例知識單元與案例產品設計情境模型的關聯度越高，案例知識單元在該案例產品設計情境下的利用率就越高，相應的設計求解績效也就越高，已知案例產品設計情境模型與案例知識單元的關聯度如表5 所示。

表5 案例產品設計情境模型與案例知識單元的關聯度

由表5 可知，構成現實產品設計情境模型到案例知識單元的路徑共有20 條，例如計算現實產品設計情境模型到案例產品設計情境模型1 再到案例知識單元1 的映射值，F-SR=（F-S1）×（F-R1）=0.90×0.9=0.81。同理可得出現實產品設計情境模型與其它案例知識單元的映射值，按照降序排列得到知識推送列表，如表6 所示。

表6 知識推送列表

結合前文分析，由表6 的知識推送結果可知，映射值越大，意味著其對應的案例知識單元就越適合當前的產品設計求解，表6 中現實產品設計情境模型到案例產品設計情境模型4 再到案例知識單元4 的映射值為0.72，由前文可知案例產品設計情境模型1、案例產品設計情境模型4 都與現實產品設計情境模型有著相同的相似度，說明二者分別對應的案例1 及案例4 中的產品設計業務都與現實的產品設計業務相近，而設計人員使用案例知識單元1 求解現實產品設計業務的績效比使用案例知識單元4 求解所得的績效會更高，故設計人員依據本文知識推送列表可以找出最適合求解現實產品設計業務的案例知識單元，即案例1 所包含的知識單元1 最適合求解現實產品設計業務，能夠提升設計求解績效，從而驗證了本文方法的可行性。

六、結束語

針對企業知識管理中出現的知識泛濫、知識迷航等現象，本文將產品設計情境應用于知識推送中，從設計過程求解的視角，融合知識應用或產生的條件背景，提出了一種基于產品設計情境的知識推送方法，通過企業案例資源庫構建了知識需求驅動的案例情境知識庫，其中強調了關聯度的定義方法，給出了情境匹配算法及現實產品設計情境與案例知識單元的映射關系算法。最后，以某型號榨汁機設計的知識推送為例驗證了算法的可行性，能滿足設計人員的知識重用需求，有助于提升產品設計求解績效。