（管理科学与工程专业论文）面向协同的机械产品设计知识本体建模研究.pdf

面向协同的机械产品设计知识本体建模研究 摘要 伴随着知识经济大潮，机械产品设计活动越来越依赖于有效的知识支持， 这就要求实用有效的设计知识建模的支持。而机械产品设计过程是一个多任务、 多主体参与的复杂过程，其中涉及到大量的类型各异、结构复杂的设计知识， 而且这些知识往往还与一定的设计过程以及设计人员之间存在着密切的关联关 系，这就增加了设计知识建模的难度。 针对以上问题，本文采用本体论和知识协同的思想，研究机械产品设计知 识的建模机制，本文的研究工作主要围绕以下三个方面展开： ( 1 ) 分析机械产品设计知识特征。为了构建实用有效的设计知识模型，必须 要对设计知识进行分析。为此，首先结合设计过程与设计知识的关联，研究了 设计知识的基本概念、生命周期及其在设计过程中的重要作用，在此基础上对 其基本特征进行了总结和归纳，然后依据设计知识的不同的表达方法对其进行 了分类研究。 ( 2 ) 提出设计知识本体建模框架。首先，结合设计过程中的多目标、多主体 之间的知识协同，分析了设计知识领域的重要概念以及概念之间的关系。在此 基础上，提出了设计知识的本体建模框架并构建了相应的概念实体模型，该框 架中主要包含产品实例、设计过程、组织结构、知识对象以及图文档五类主要 的概念实体。 ( 3 ) 对各类设计知识进行表示。基于设计知识本体框架，针对设计知识分类 体系中的各类知识的特点，研究其表示方法，完成对设计知识的建模和表示。 在文章的最后，基于开源的本体编辑工具p r o t 6 9 6 构建了设计知识本体实 例，验证了建模框架的可行性。 关键词：设计知识；知识建模；知识协同；本体论： c o u a b o r a t i o n o r i e n t e dr e s e a r c ho no n t o l o g y m o d e l i n go fm e c h a n i c a lp r o d u c td e s i g nk n o w l e d g e a b s t r a c t w i t ht h et i d eo fk n o w l e d g ee c o n o m y ，m e c h a n i c a lp r o d u c td e s i g nh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l yd e p e n d e n to nt h e e f f e c t i v es u p p o r to fd e s i g nk n o w l e d g e ，w h i c h r e q u i r e se f f e c t u a ld e s i g nk n o w l e d g em o d e l i n g t h em e c h a n i c a lp r o d u c td e s i g n p r o c e s si sv e r yc o m p l e xc o n t a i n i n gm u l t i p l et a s k sa n dr e q u i r i n gs e v e r a ld e s i g n e r s t op a r t i c i p a t ei ni t i ti n v o l v e ss om a n yk i n d so fc o m p l e xk n o w l e d g ew h i c ha l w a y s h a sc l o s ea s s o c i a t i o nw i t hd e s i g np r o c e s sa n dd e s i g n e r t h i si n c r e a s e st h ed i f f i c u l t y o fm o d e l i n gd e s i g nk n o w l e d g e r e f e r r i n g t oa b o v ep r o b l e m s ，t h e t h e o r y o fo n t o l o g ya n dk n o w l e d g e c o l l a b o r a t i o ni sa d o p t e d t h i sr e s e a r c hw o r km a i n l yo nt h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： ( 1 ) t h ea n a l y s i s o ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e c h a n i c a lp r o d u c td e s i g n k n o w l e d g e d e s i g nk n o w l e d g em u s tb ea n a l y z e di no r d e rt ob u i l dp r a c t i c a la n d e f f e c t i v ek n o w l e d g em o d e l f i r s t l y , c o m b i n i n gt h ea s s o c i a t i o nb e t w e e nd e s i g n k n o w l e d g ea n dd e s i g np r o c e s s ，t h eb a s i cc o n c e p t so ft h ed e s i g nk n o w l e d g ea n di t s l i f e - c y c l ea n di m p o r t a n tr o l ei nt h ed e s i g np r o c e s sa r es t u d i e d s e c o n d l y , t h em a i n f e a t u r e so ft h ed e s i g nk n o w l e d g ea r es u m m a r i z e d l a s t l y , t h ed i f f e r e n te x p r e s s i o n s o ft h ek n o w l e d g ea r ea d o p t e dt oc l a s s i f yt h ed e s i g nk n o w l e d g e ( 2 ) t h ed e s i g nk n o w l e d g eo n t o l o g ym o d e l i n gf r a m e w o r k i sp r o p o s e d f i r s t l y , t a k i n ga c c o u n to ft h ek n o w l e d g ec o l l a b o r a t i o na m o n gm u l t i p l eo b j e c ta n dm u l t i p l e d e s i g n e r s ，t h em a i nc o n c e p t sa n dt h er e l a t i o na m o n gt h e mh a v eb e e nr e s e a r c h e d t h e n ，t h ef r a m e w o r ko ft h ed e s i g nk n o w l e d g eo n t o l o g yi sp r o p o s e da n dt h e r e l e v a n tc o n c e p t u a le n t i t ym o d e l sh a v e b e e nd e v e l o p e d i nt h ef r a m e w o r k ，t h e r ea r e f i v eb a s i cc o n c e p t u a le n t i t i e s ，s u c ha sp r o d u c ti n s t a n c e s ，d e s i g np r o c e s s e s ，d e s i g n o r g a n i z a t i o n s ，d o c u m e n t s ，k n o w l e d g eo b je c t s ，a n ds oo n ( 3 ) t h ee x p r e s s i o no fk i n d so fd e s i g nk n o w l e d g e b a s e do nt h ec o n c e p t u a l e n t i t ym o d e lf o u n d e da b o v e ，k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nh a s b e e ns t u d i e da c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co f e a c hk i n d i ti st h el a s ts t e po ft h em o d e l i n ga n de x p r e s s i o n o ft h ed e s i g nk n o w l e d g e i nt h el a s ts e c t i o no ft h i sp a p e r , a no n t o l o g yi n s t a n c ei se s t a b l i s h e db a s e do n p r o t 6 9 6 ，w h i c hi sa no p e n s o u r c ee d i t i n gt o o lf o ro n t o l o g yt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t y o ft h em o d e l i n gf r a m e w o r k k e y w o r d s ：d e s i g nk n o w l e d g e ；k n o w l e d g em o d e l i n g ；k n o w l e d g ec o l l a b o r a t i o n ； o n t o l o g y ； 插图清单 图2 1 数据、信息和知识层次关系8 图2 2 知识转化过程：s e c i 模型9 图2 3 设计知识建模的一般流程1 0 图3 1 机械产品设计知识生命周期1 6 图3 2 机械产品设计一般过程及其所使用的知识1 7 图3 3 设计知识的层次性1 8 图4 1 面向协同的设计知识本体建模框架2 4 图4 2 产品实例本体主模型2 5 图4 3 产品实例树状层次化结构。2 6 图4 4 设计过程本体主模型。2 7 图4 5 设计组织本体主模型2 8 图4 6 图文档本体主模型。2 9 图4 7 实例性知识表示方法3 0 图4 8 流程性知识表示方法。3 0 图4 9 图文档知识表示方法。3 1 图4 1 0 经验性知识表示方法3 l 图4 1 1 手册性知识的属性关联示例3 3 图5 1 设计知识本体概念体系结构( 部分) 3 5 图5 2 设计知识本体属性结构( 部分) 3 6 图5 3 设计知识本体中的约束、公理设计( 部分) 3 7 图5 4 设计知识本体中的实例设计( 部分) 3 7 表格清单 表1 1 设计知识建模研究现状3 表1 2 知识协同研究现状4 表1 3 机械产品设计领域的本体研究现状。5 表2 1 知识表示方法一览。1 1 表2 2 知识协同概念的不同阐述。1 2 表4 1 本体中的约束分类3 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金妲工业太堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 魏礞 葡伟签字日期：9 o t 辨妒渺 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日巴三e 些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金蟹王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密厉适用本授权书) 学位论文作者签名： 兹询件 签字日期：砂口! 年驴2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： i i i 导：汤历t 易 签字日期：，口年丫月二龃 电话： 邮编： 致谢 转眼间，两年多的研究生生涯即将告一段落，在此论文即将完成之际，向 所有关心、帮助和指导过我的师长和同学表达我最诚挚的谢意! 首先，要特别感谢我的导师蒋翠清教授。在两年多的学习期间，蒋老师无 论在学习上还是在生活上都对我们关怀备至，特别是从论文的选题、撰写到修 改蒋老师都给予我精心指导，引导我在学业上不断进步。蒋老师渊博的学识、 高洁的品行、严谨的治学态度、开阔的思维方式以及平易近人的作风，都令我 终生难忘，更是促进我今后努力学习和工作的榜样。再次向蒋老师致以最崇高 的敬意和衷心的感谢! 此外，合肥工业大学工程所的梁昌勇教授、余家文老师、 丁勇老师、陆文星老师、靳鹏老师和汪曙老师等也都在我的日常学习中、论文 写作中给予很大的关心和帮助，在此也向他们表示诚挚的谢意。 感谢杜伟、胡俊妍、易成成、张怡远、吴彬、周伟、王浩远、王保敏等师 兄妹以及已经毕业的许阳、王国才、翟宜群、李瑞等师兄师姐，正是与他们的 交流和学习促成了我在学习上、生活上的不断进步和成长，他们都是我不可多 得的良师益友。 感谢我的父母和哥哥，是他们站在我身后，给予我勇气和动力，他们对我 的关心、爱护、支持和鼓励也将永远伴随着我，在此，我要深深地祝福他们! 感谢母校合肥工业大学对我的培养，在母校渡过的本科以及研究生的七年 学习生涯是我人生中最美好的时光! 值此机会，也衷心感谢各位评审老师在百忙之中抽出宝贵时间对我的论文 进行仔细的评审! 您的意见将会使我受益匪浅。 作者：龚前伟 2 0 1 0 年4 月于合肥 第一章绪论 1 1 研究背景 随着经济全球化和高新技术的快速发展，激烈的市场竞争已经从2 0 世纪 7 0 年代之前的企业规模和产品成本的竞争发展到以快交货( t ) 、低成本( c ) 、高 质量( q ) 和重环保( e ) 为目标的市场竞争。而机械产品设计作为机械制造业的核 心竞争力之一，是企业快速响应市场需求并抢占竞争优势的主要手段。它以仅 占产品总成本6 的消耗决定了最终产品的7 0 的质量和成本他3 。为了提供更高 质量的产品和服务，快速地响应市场需求，当前的机械产品设计呈现出了快速 化和知识化的趋势。 ( 1 ) 机械产品设计的快速化 产品是企业的生命线，是企业在市场竞争中取胜的关键。伴随着市场需求 的快速变化和激烈的市场竞争，许多支持产品设计的新理论和技术，诸如并行 设计、协同设计、虚拟设计、面向大批量定制设计等，相继产生并发展迅速1 ， 这些理论旨在提高企业的分布式协同开发能力，从而缩短产品的设计周期和上 市时间、提高产品的设计质量和设计效率，从而提高企业对市场的快速响应能 力，以适应快速多变的市场需求。 ( 2 ) 机械产品设计的知识化 当前，知识成为生产力要素中最活跃、最重要的部分，对机械制造业企业 而言，设计知识已经成为企业竞争优势的主导性来源，甚至是唯一来源n 1 。据 统计，约有7 5 的机械产品设计是基于现有产品的自适应设计或变型设计；而 在新产品开发过程中，约有4 0 的零件可以直接重用现有零件，另有4 0 零件 可以稍加修改后重用，即使是全新设计的零件，其在原理、功能等较高层次的 抽象和分析上，仍然重用了现有的设计知识哺1 。因此可以说，现代产品设计是 以设计知识为基础的，设计是否成功，取决于企业是否能有效地管理和重用现 有的设计知识。 在上述的快速化和知识化的趋势中，知识化直接影响了快速化，因此，在 设计过程中，对现有设计知识的管理和重用显得尤为重要。而现代机械产品的 设计过程往往是包括多个设计任务、需要不同职责与专业背景的设计人员参与 的复杂过程，因此，在设计过程中越来越强调知识资源的协同。与此同时，机 械产品的设计过程涉及到的知识，类型如此之多，结构如此之复杂，除了设计 人员和领域专家的设计经验之外，还包括各种以工程图库、手册、公式、基础 数据库、方法库等不同载体存在的知识，这就给不同过程、不同主体之间的知 识协同带来了巨大难度。解决这个问题的基本前提是对同一知识或概念的共同 理解，因此，必须要从语义层面上对设计知识的建模进行研究，实现设计知识 的结构化和模型化。 本课题来自于国家自然科学基金项目“面向协同的制造企业知识建模与集 成理论研究 以及安徽省教育厅自然科学重点项目“机械产品设计知识管理系 统研究 。主要是针对以上背景，结合本体论以及知识协同思想来研究机械产品 设计知识的建模框架，通过对设计过程中涉及的设计知识的相关概念进行语义 上的统一建模和描述，实现设计知识的建模和管理，从而为高效的设计知识的 协同和重用服务。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 设计知识应用中的存在问题 近年来，机械制造业企业的信息化水平发展迅速，大量信息化平台如c a d 、 p d m 等广泛应用于制造业企业。但是，当前在企业的设计知识应用过程中还存 在着很多问题，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 当前主流的信息平台往往都对设计经验、设计流程等隐性的知识资源关 注较少，这就导致在设计过程中相应的指导性知识的缺乏，因而相似的设计错 误往往重复出现；另方面，对设计手册、相关设计标准等图表性知识的管理 也有所不足，致使设计人员往往在知识资源的查找以及相关的计算上花费了较 多时间。这些都严重影响了设计知识的重用。 ( 2 ) 对c a d 文档、设计图纸等的管理是设计知识管理的重要内容，但是当 前的信息平台中，这些知识一般较多地是作为设计结果的相关记录的形式出现， 而对其与一定的设计过程以及设计人员之间的关联关注较少，这导致了设计过 程中大量的流程信息的丢失，影响设计过程的追溯和重用。 ( 3 ) 机械产品设计活动是一个多层次、分阶段、分步骤的需要经过多次迭代 的复杂过程，其中必然涉及到大量的不同任务、不同主体之间的知识协同与共 享。而在设计的不同阶段所涉及的知识对象一般都有所不同，由于其复杂性， 不同设计人员往往因为职责分工的差异、专业背景的差异以及处理问题的方法 的差异等而对领域内的设计知识存在一定的语义上的模糊和不同理解，这就给 设计过程中的知识重用带来不利影响。 通过对以上问题根源的分析，这些问题的主要原因都是缺乏针对设计过程 中设计知识的需求特点而有效支持设计知识重用的知识模型，因而必须要加强 设计知识建模的相关研究。因此，针对设计知识的应用问题，构建一个实用、 有效的设计知识模型，在考虑设计知识的应用特点的同时，有效地支持设计过 程中的知识需求，实现不同主体、不同任务之间的高效的知识协同和共享，这 是当前的设计知识管理领域的一个重要的研究问题，也是本文的研究重点。 2 1 2 2 设计知识建模研究现状 设计知识建模的目的在于构建一定的知识模型，以对设计过程中涉及的形 形色色的知识进行相应的组织和表达，并支持利用计算机进行处理，以实现企 业中设计知识的有效共享和高效重用。目前，关于设计知识建模，国内外的学 者和研究组织机型了大量相关研究，部分研究成果列举如表1 2 所示： 表1 1 设计知识建模研究现状 学者或组织研究成果 美国n i s t 的 提出一个支持工程产品建模以及基于知识设计的建模框架。该 框架中，以对象和关系的集合来对产品进行表达，并将产品表 知识仓库项目6 1 达模型分成形状、功能以及行为三个领域。 z h u g eh a i 7 】 提出针对全球知识资源共享的知识网格模型。 建立基于w e b 的工程设计知识协同管理平台，以支持设计知 欧洲w i s e 项目 识的进化，同时也便于设计人员获取相关知识。 欧洲m o k a 项目研究两阶段知识建模，实现工程知识管理与k b e 应用的集成。 英国s t r a t h c l y d e 对设计概念重用进行了研究，并在此基础上提出了一个设计概 大学c a d 中心1念重用的系统模型。 提出了一种柔性的知识表达模型，在该模型中产品被定义为由 s r g o r t i f u n c t i o n 、f o r m 、b e h a v i o r 构成的统一体。并结合设计对象及 相关的设计过程来对设计过程和产品知识进行了分层表达。 为了实现显性知识和隐性知识的统一建模，研究了面向知识管 潘旭伟等1 2 1理的知识建模体系，并进一步提出了基于知识载体、知识内容 和知识情境三个方面的知识建模技术。 蔡波等n 3 1研究了基于“功能行为结构”框架的概念设计重用模型。 为了帮助下游的设计人员理解产品设计，研究了对设计公理和 邱晖等1 设计意图的捕获，并对如何重用设计知识作进一步的推理。 参考a r i s 系统并结合企业知识共享的实际情况，提出了一种 战培志等n 5 1多角度、多视图的企业知识共享模型，并对相关的知识资源、 知识拥有者及其应用情境等内容提供多层次、多关联的描述。 y o s h i n o b uk i t a m u r a 、 在产品设计中应用本体进行功能的表达与识别，建立功能概念 r i i c h i r om i z o g c h i 【1 6 】本体模型，实现概念设计过程中的功能分解。 y o s h i n o b uk i t a m u r a 、 定义功能原理映射的相关本体，通过对给定的原理模型的自 t o s h i n o b us a n o 【1 7 】 动识别获得相应的功能表示。 王英林，王卫东等1 8 1提出一个基于本体的知识表示模型，实现了知识的动态扩展。 分析以上研究成果，可以看出，当前的设计知识建模研究较多地侧重于机 械产品知识模型的构建、设计模型的表达与集成及其与已有的c a d 等系统的 关联等方面，而对设计过程及其与设计知识的关联等方面则关注较少。而设计 知识又往往与特定的设计过程是紧密相关的，设计知识的管理和建模如果脱离 了设计过程或设计人员而独立存在，也就很难有效地针对设计过程的知识需求 提供知识支持。 1 2 3 知识协同研究现状 对现代机械产品设计而言，设计知识成为企业的关键性资源，而这些资源 往往散布在不同的设计主体或流程单元之中，因此，必须对这些分散知识资源 进行整合和集成，以使其能够互补和共享，进而实现有效的知识重用。也就是 说，企业需要通过知识协同的方式消除知识孤岛、弥补知识缺口，促进多任务、 多主体、多目标之间涌现出“1 + 1 2 的知识协同效应。 鉴于知识协同的重大的理论价值和实际意义，知识协同受到学者们的广泛 关注，具有代表性的研究成果列举如表1 1 所示： 表1 2 知识协同研究现状 学者或组织研究成果 较早提出知识协同概念，并将不同组织、主体之间的知识 a n k l a m 【1 9 】 协同称为第三代知识管理，是知识管理新的发展阶段。 对协同设计过程中的协同知识进行了形式化的定义，并在 r o b i n 等1 此基础上，重点研究了协同过程中的知识交换和共享。 提出一个基于s e m a n t i cw e b 的m s e 本体模型，其目的在 l i n 【2 l 】 于实现企业和多学科设计团队之间更有效的知识共享。 指出知识协同是一种实现知识创新的较好方式，并对主从 s a m a d d a r 2 2 1 关系的知识协同进行了数量建模和分析。 n u m m e l a 、 s a a r e n k e t o 【2 3 1 提出了一个用于支持虚拟协同工作的知识环境模型。 介绍了一种跨项目团队的知识协同关系的可视化工具，并 o h i r a 等2 4 1 结合对相关案例的分析说明了这种工具的有效性。 q i a n g 、n a g u r n e y 对知识协同网络做出研究，并给出了一个相应的模型。 对从事软件项目开发的大规模在线社团的知识协同方法进 o h i r a 等2 6 1 行研究，提出可以采用社会网络分析方法来给予支持。 曹健、赵海燕、指出有效的多领域知识集成需要专家之间按一定的方式进 张友良1行协同，认为这是并行设计的一个最显著的特点。 在n u n a m a k e r 等人提出的一个将协作与知识管理相结合的 框架的基础上，根据钱学森的综合集成方法论，开发了一 刘怡君、唐锡晋心8 1 个将协作与知识创造相结合的“场”。这种“场”实际上是 一种支持知识的传递与创造的群研讨环境。 4 通过对物流知识协同的内涵和特征的分析研究了基于语义 刘勇军、聂规划1 网的物流知识协同的协同模式以及相应的构建方法。 分析了企业知识协同的分类组合以及运作机理，以实现 陈昆玉、陈昆琼1 “1 + 1 2 ”的协同效应，并指出这是知识协同的根本目的。 通过对以上分析，当前的知识协同理论研究主要包括四个方面的内容： ( 1 ) 知识协同概念的提出，对知识协同相关的基本概念和理论进行阐述，这 是知识协同进一步发展的基础。 ( 2 ) 知识协同技术的研究，主要是研究了基于现代信息技术和网络技术等的 协同工作技术，以为知识协同的实践和发展提供技术支撑。 ( 3 ) 知识协同模型的研究，主要研究成果包括部分应用领域的概念模型、过 程模型、算法模型等，实现了知识协同一定意义上的形式化、系统化的描述。 ( 4 ) 知识协同实例的研究，主要是对知识创新、虚拟企业等领域知识协同应 用实例的研究，相关研究体现了知识协同的应用价值。 当然，当前的知识协同研究还处于起步阶段，应用领域也更偏重于信息技 术领域，暂时也还没有形成一套完善的理论和方法体系，因此，暂时还无法完 善地指导企业的知识运作和实践，有待于大力发展和完善。 1 2 4 本体论研究综述 本体作为“共享的概念模型的形式化的规范说明 ，其概念来源于哲学领域， 在其被引入人工智能和工程信息领域之后，相关研究发展迅速，不同的应用本 体陆续出现并被广泛应用，其中比较著名的有c y c 、o n t o k n o w l e d g e 、 w o r d n e t ，o n t o l i n g u a ，t o v e ，k a c t u s ，e n t e r p r i s ep r o j e c t ，c o m m o n k a d ， o n t o w e b 等。而基于本体的知识表示方法，能对领域中的复杂的类型众多的 语义关系进行明确表述，也能很好地保证知识表示和传递过程中的唯一性，从 而使不同主体之间的知识交流建立在领域共识的基础之上，因此已经成为当前 最为常用的一种知识表示方法，被广泛应用于软件、通信、商业服务、教育等 众多领域。 对于制造业领域而言，本体的应用虽然相对于滞后于计算机等其他领域， 但是相关研究也早己展开，如爱丁堡大学开发的企业本体( e n t e r p r i s eo n t o l o g y ) 、 多伦多大学开发的虚拟企业本体( v i r t u a le n t e r p r i s e ) 等，这些本体已经成为当前 企业模拟的主要参考以及不同企业过程之间相互集成的桥梁b 引。在这个大背景 下，国内的学者和研究机构也对机械制造领域本体建模给予较多关注，具有代 表性的如表1 3 所示： 表1 3 机械产品设计领域的本体研究现状 研究机构研究成果 浙江大学c a d & c g董金祥等人研究了基于本体的产品配置知识表示方法 国家重点实验室3 1以及相关配置模型。 浙江大学人工 智能研究所3 4 3 李善平研究了基于本体的产品信息集成机制。 浙江大学现代制造杨志雄、祁国宁等人研究并构建了基于本体的零件描 工程研究所m 1述和w e b 零件库。 浙江大学流体传动与 控制国家重点实验室 叫 董红召、陈鹰等对网络协同制造本体进行了研究。 浙江大学机械与 能源学院3 7 1 宋荣、余忠华对轴承锈蚀领域知识的本体进行了研究。 为解决协同产品开发中的知识共享问题，孙刚、王继 清华大学m 1 龙等开发了t o n e 本体模型。 王听、熊光楞对基于本体的设计原理信息的提取方法 清华大学m 1 以及相关机制进行了研究。 王念滨、徐晓飞等研究并构建了加工工厂的企业本体 哈尔滨工业大学删 p l a n t - s t r u 及其集成知识处理系统k i s o 。 李文杰、冯志勇等提出了基于本体的多a g e n t 自动 天津大学1 c a p p 系统模型。 浙江工业大学h 引赵燕伟研究了基于o w l 本体建模的概念产品配置。 综合以上研究可以看出，机械制造领域的本体研究成果显著，但是，针对 设计阶段的知识本体则研究较少，而且较多地以面向零部件产品为主，而较少 考虑到设计知识与设计过程的关联性，从而导致设计知识与设计过程的脱离， 降低了设计过程中设计知识的重用效率。 1 3 论文主要内容及结构安排 1 3 1 论文主要内容 通过对现有的机械产品领域中本体的应用以及设计知识建模的研究现状的 分析，本文将基于本体的机械产品设计知识建模中存在的主要问题总结为： ( 1 ) 机械产品设计过程往往涉及到不同的设计任务以及不同的设计主体，彼 此之间对知识的需求往往各有不同，从而导致对知识概念的语义上的模糊和不 同理解，这就严重影响了设计知识的共享和重用，因此，知识建模必须要借助 本体进行语义上的统一建模，从而消除这种对同一知识的歧义性理解。 ( 2 ) 在机械产品设计的不同阶段，涉及到类型众多、结构复杂的设计知识。 这些知识通常零散地分布在不同的设计主体或设计流程之中，而且特点、存在 形式等都各有不同。因此，知识建模必须借助本体提供一种统一的框架，在针 对各个知识的特点分别进行表示的同时，还要能依据知识之间的关联对这些知 识进行集成以便于知识重用。 ( 3 ) 一般来说，设计知识总是在一定的设计过程之中产生和应用的。在具体 6 的设计过程中，设计知识一般经由一定的设计主体而作用于特定的设计对象之 上。因此，设计知识总是与特定的设计过程、设计人员之间存在着密切的关联 关系，其建模和管理都不能脱离了设计过程或设计人员而独立存在。 针对上述问题，本文结合本体论以及知识协同思想，主要研究了机械产品 设计知识的建模框架，其主要研究内容包括以下三个方面： ( 1 ) 对机械产品设计知识的分析。鉴于设计知识的复杂性，在开始设计知识 建模工作之前，必须要对设计知识的范畴以及特征进行分析，并在此基础上结 合实用性对设计知识的分类进行研究。 ( 2 ) 设计知识本体建模框架的研究。通过对机械产品设计领域的重要概念以 及概念之间的关系的分析，提取领域内的核心概念并进而提出设计知识本体建 模的主要框架，并进而研究框架中的主要概念的实体模型。 ( 3 ) 基于设计知识本体建模框架，研究知识分类体系中各类设计知识的知识 表示方法。 1 3 2 论文章节安排 本文各章节的组织方式安排如下： 第一章：绪论。简要阐述了论文的选题背景，以及相关的国内外研究现状， 然后总结了设计知识建模领域面临的主要难题，提出本文的主要研究思路及其 章节安排。 第二章：相关理论概述。简要介绍了相关理论技术的基本概念，主要是知 识协同以及本体论的相关概念，这是进一步研究的基础。 第三章：机械产品设计知识分析。结合设计过程与设计知识的关联以及设 计知识在其中所起的作用，研究了设计知识的基本概念、生命周期、内容范畴 等内容，并在此基础上对设计知识的特征进行归纳和总结，进而结合设计知识 分类的实用性针对设计知识进行分类研究。 第四章：设计知识本体建模框架研究。首先简要阐述设计知识本体的建模 方法及其基本建模步骤。然后对设计过程中的知识协同进行分析，并在此基础 上，研究面向协同的设计知识建模框架以及框架中的主要的概念实体模型。最 后，基于概念模型研究各类设计知识的不同表示方法。 第五章：设计知识本体建模实例构建。研究基于本体编辑工具p r o t e g e 的 设计知识本体实例的构建步骤，并构建相关的实例本体以验证本文的设计知识 本体建模框架的可行性。 第六章：总结与展望。对论文的主要工作进行总结，并针对论文的不足对 以后的进一步的研究工作做出展望。 7 第二章相关理论概述 2 1 知识基本概念 2 1 1 知识的定义 什么是知识? 这是知识工程以及管理领域常见的一个问题，但是由于知识 的内在复杂性、抽象性与开放性，不同的学者对其基本概念和定义存在不同的 见解，直到目前还没有一个统一的定论。如：f i s c h l e r 认为，“知识是成为模型 的存储信息，被人们用于解释和预测，并对外部事物做出反应 h 引；而d e v l i n 和k e i t h 认为，“知识是一种信息，一种人们在完成某项工作的时候可以立即使 用的信息 “引。 提到知识就不得不提另外两个与其密切相关甚至经常混淆的概念：数据与 信息。一般来说，知识可以看作是数据和信息集合的整体，人们在解决问题和 创造新信息的过程中都会使用到知识。数据、信息、知识三者之间的层次关系 如图2 1 所示，其中：数据只是单纯地对事物运行状态的反映，信息就是经过 总结归纳与分析而并变得有意义的数据，而对大量信息的内在联系进行总结之 后得出的系统化的结论就可以称之为知识。 图2 1 数据、信息和知识层次关系 2 1 2 知识的分类 知识分类的主要目的在于更深入地了解知识，从而更好知识继续拧组织、 管理、维护和应用。一般来说，知识的分类标准有很多，从不同的角度划分， 就会获得不同的分类结果。下面介绍几种主要的分类方法。 ( 1 ) o e c d 的知识分类 o e c d 对知识的分类方式是当前最具权威性的、最流行的一种知识分类方 法，它将知识划分为事实知识( k n o w w h a t ) 、原理知识( k n o w - w h y ) 、技能知识 ( k n o w h o w ) 和人力知识( k n o w w h o ) 四种类型引，每种知识的主要概念如下： 1 ) k n o w w h a t 类知识，关于事实方面的知识； 2 ) k n o w w h y 类知识，关于自然原理和运行规律方面的科学理论； 3 ) k n o w h o w 类知识，关于从事某项工作的技能的知识。这是企业核心能 力的重要组成部分，存在于企业特定范围内的专业技术或诀窍是其典型代表； 8 4 ) k n o w w h o 类，关于谁知道和谁知道怎么做等信息的知识。 ( 2 ) 显性知识与隐性知识 从认知论的角度可以讲知识划分为显性知识和隐性知识两类。所谓显性知 识，是指易于理解和是识别的有形知识，一般可以以文字、文档等各种形式出 现；而隐性知识则是指那些较难交流和传递的无形知识，如经验、诀窍等。一 般来说，隐性知识是知识管理中的重点，因为这部分知识往往比显性知识包含 着更多的创新性和实用性。显性知识和隐性知识是一个在一定程度上可以互相 转化的统一体，其相互之间的转化过程也正是知识产生和发展的过程。对于这 个转化过程，日本的知识管理专家n o n a k a 从知识存在形态的角度提出了包括 社会化、外在化、综合化和内在化四个步骤在内的s e c i 转化模型哺1 ，具体如图 2 2 所示： 隐 性 知 识 隐性知识 (so鼍cialization妒】 拦鲫， 内在化综合化 ( i n t e r n a l i z a t i o n ) ( c o m b i n a t i o n ) 显 性 知 识 显性知识 图2 2 知识转化过程：s e c i 模型 ( 3 ) 陈述性知识、过程性知识和控制性知识 从知识的作用和表示的角度，则可以将知识划分为陈述性知识、过程性知 识和控制性知识三种类型。 1 ) 陈述性知识，关于“是什么 的知识。通常主要用于事实、概念以及属 性等的描述，一般包括事实知识和判断性知识等。 2 ) 过程性知识，关于“怎么做”的知识。过程性知识往往对如何完成某件 事情做出说明，其一般是一个由一系列关键任务组成的任务集合，其中的各个 关键任务可以结合陈述性知识来描述。 3 ) 控制性知识，关于“知识怎么用的知识。控制性知识是一种“关于知 识的知识 ，通常对知识如何应用于具体的问题解决过程做出说明和指导。 2 2 知识建模与表示 2 2 1 知识建模 知识建模就是对相关的知识使用一定的形式加以表达并支持利用计算机进 行处理。一般来说，知识建模是对知识模型的抽象过程，是解决语义冲突和进 行知识检索、重用的前提和关键，其目的在于分析并建立静态的( 关注知识源) 和动态的( 关注知识处理过程) 的知识模型，也就是针对知识对象提供其表示和 操作的形式，从而方便地进行知识的组织、表示、存储和管理。有效的知识建 9 模必须要具备的基本要求有：要能充分地对领域内的关键知识进行表述、要能 方便地对知识进行管理和维护、要便于知识的应用、知识模型要便于计算机理 解和实现。 机械产品设计领域涉及来自于多个不同的学科领域的不同来源的知识，这 些知识的结构一般都比较复杂，而且相互之间具有较大的差异性。针对设计知 识的复杂性，其知识建模的基本流程如图2 3 所示： 图2 3 设计知识建模的一般流程 从图中可以看出，机械产品设计知识建模主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 对不同知识源的识别。这是对设计过程涉及的不同知识源的搜集和整理 的过程，也就是知识获取过程。 ( 2 ) 设计知识的结构化。主要是采用本体等方法对各种类别设计知识进行结 构化的表示。鉴于知识的复杂性，首先必须要对设计知识的主要特征和基本的 内容范畴进行分析，进而依据一定的标准对其进行适当的分类，这样才能依据 各个类别知识的特点进行相应的结构化表示。 ( 3 ) 设计知识的存储。这是将结构化了的知识存储到知识库的过程，各类知 识般以一定的知识单元的形式进行存储。在进行设计知识存储的同时，一定 要考虑到设计知识载体的多样性及其应用特征。对于基于本体的设计知识建模 而言，知识的存储主要就是各种类型的知识在相应的本体库中的表示和存储。 ( 4 ) 设计知识的应用。设计知识建模的最终目的是为了服务于设计知识的 应用，也就是说对一定的设计过程中的知识需求做出响应并提供相应的知识支 持。在具体的应用过程中，可以借助一定的知识处理引擎进行设计知识的检索 和推送。 2 2 2 知识表示 知识表示是一个与知识建模密切相关的概念。所谓知识表示就是对知识的 一种描述或一组约定，主要是针对不同的应用主体的知识需求特点寻求适当的 方法对知识进行组织。知识表示方法是知识工程领域的一个研究重点，迄今为 l o 止，在知识工程领域广泛应用的具有代表性的方法如表2 1 所示： 表2 1 知识表示方法一览 方法名称方法描述 谓词逻辑法最早采用的一种叙述性的知识表示方法。 语义网格一种基于有向图对知识以及知识之间的关系进行表示的方法。 产生式规则应用最为广泛的一种知识表示方法，将知识表示成i f t h e n 的形式。 框架表示法 一种将概念的所有相关信息组织成层次性的模块化结构的方法。 面向对象一种基于面向对象的思想的知识表示方法，它将知识的属性、行 方法为、方法等相关信息封装成为一个整体。 基于本体的当前最主要的一种方法，通过对领域内共同认可的核心概念以及 知识表示这些概念相互之间的关系的明确定义实现语义上的统一建模。 此外，还有如直接表示法、过程表示法、概念从属表示法、p e t r i 网表示法 等很多方法。与此同时，还有一些知识工程里面不经常提到但事实上已经在使 用的知识表示方法，例如： ( 1 ) 数据库表示法：机械产品设计过程是一种知识处理过程，也是一种数据 处理的过程。随着目前数据库技术的发展，借助数据库能对一些知识进行更有 效的表达和处理。 ( 2 ) 文件表示法：在设计过程涉及到很多存在于各种类型文档载体之中的知 识，通过对相关文档载体的文件表示也可以实现对知识的表示和管理。其中， 可能会涉及到的文件类型包括：文本文件、图片文件、c a d 文档、设计图纸等。 ( 3 ) 复合知识表示方法：复杂的领域问题常常包含不同类型的知识，而且知 识之间联系密切，所以，仅仅使用某种单一的方法或只是将不同方法简单地叠 加往往达不到预期的表达效果h 引，因此，在实际中往往将多种方法综合运用， 从而发挥各自的优势，取得较好的表示效果。 针对不同应用领域、求解不同性质的问题时，上述知识表示方法各有优势。 对于机械产品设计知识而言，其中的不同类型的知识之间存在着复杂的语义关 系，因此可以采用基于本体的方法对其进行表示。而基于知识复杂性的考虑， 单一的基于本体的方法并不能完全满足表达需求，因此，本文在基于本体的方 法之中结合面向对象、数据库、文件表示等方法的主要思想以完成对设计知识 的表示。