（机械制造及其自动化专业论文）面向产品设计过程的知识服务关键技术研究.pdf

摘要 摘要 论文以制造企业产品的设计过程为具体的研究对象，针对设计过程中知识重 用研究现状及其存在的问题，探讨了为设计人员提供主动的知识服务的关键技 术。论文研究了知识在设计过程中存在的形式，分析了设计人员对知识的需求， 建立了知识服务体系架构，并讨论了如何处理知识需求并依据知识需求检索知识 的方法。论文的主要工作如下： 第一章阐述了论文的研究背景。以制造企业产品设计过程中的实际场景为例 说明了知识流动不畅的问题，分析总结了知识重用等相关理论的研究现状，提出 了现有研究的不足，在此基础上给出了论文的研究内容和整体架构。 第二章分析了产品设计过程中的知识需求，提出了知识服务的概念以及分类 方法；建立了涵盖目标层、方法层、技术层和资源层的知识服务层次模型；引入 工作流技术充当过程总线，建立了知识服务的运行模型；探讨了实现知识服务体 系架构的关键技术。 第三章分析了影响复杂设计过程的主要因素，提出了过程粒的概念，应用过 程粒对设计过程空间进行划分，形成了多个不同的过程粒划分模型；建立了设计 人员模型，研究了设计人员能力的评估方法；基于设计人员能力，探讨了过程粒 度的协调控制技术，遴选出适合设计人员的过程粒划分模型。 第四章分析了知识需求的特征，提出了知识需求网的概念，通过构建同源知 识需求网和异构知识需求网，消除知识需求的不确定性，发现隐性知识需求，以 获取完整的无歧义的知识需求网；研究了知识需求发生变更时知识需求网的进化 方法。 第五章分析了设计知识的存在形式，探讨了构建设计知识本体库的方法，在 此基础上建立了基于本体语义计算的设计知识检索模型；研究了实现该模型的关 键技术，提出基于情景的语义相关度计算和基于概念分布的语义相似度计算方 法。 第六章分析了知识服务系统的设计需求，在此基础上设计了系统的知识服务 流程和功能模块，并讨论了知识的存储和应用方法，分析了系统的集成接口。 第七章对论文进行了总结，并对后续研究进行展望。 浙江大学博士学位论文 关键词：知识服务；知识需求；过程粒度；设计人员能力；知识需求网；设 计知识本体库；本体语义计算 a b s t r a c t a i m i n ga tt h er e v i e wa n de x i s t e n tp r o b l e mo fk n o w l e d g er e u s ei np r o d u c td e s i g n p r o c e s so fm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so f a c t i v ek n o w l e d g e s e r v i c ef o rd e s i g n e r sw e r ed i s c u s s e d t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h ek n o w l e d g ef o r mi n d e s i g np r o c e s s ，a n a l y z e dt h ek n o w l e d g er e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g n e r s ，a n dt h e n e s t a b l i s h e dt h ek n o w l e d g es e r v i c ea r c h i t e c t u r e b a s e do nt h e s e ，h o wt od e a lw i t ht h e k n o w l e d g er e q u i r e m e n t sa n ds e a r c h f o rt h ek n o w l e d g et om a t c ht h e mw e r e r e s e a r c h e d t h em a j nw o r ko ft h ed i s s e r t a t i o nl n c l u d e s ： i n c h a p t e r1 ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do fd i s s e r t a t i o nw a sp r e s e n t e d t h e e x a m p l e d i s c u s s e da b o u tt h ea c t u a ls c e n eo f p r o d u c td e s i g np r o c e s s i n m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s ，s h o w e dt h ei m p e d e dp r o b l e mo ft h ek n o w l e d g ef l o w t h e nt h er e l a t e dt h e o r ya b o u tk n o w l e d g er e u s ew a sr e v i e w e da n da n a l y z e d o nt h e b a s i so ft h ep r o p o s e ds h o r t a g eo ft h ep r e s e n tr e s e a r c h ，t h ec o n t e n ta n da r c h i t e c t u r e o ft h ed i s s e r t a t i o nw a sg i v e n i n c h a p t e r2 ，t h ek n o w l e d g er e q u i r e m e n t si np r o d u c td e s i g np r o c e s sw e r e r e s e a r c h e d ，a n dt h ec o n c e p ta n dt h ec l a s s i f i c a t i o nm e t h o do fk n o w l e d g es e r v i c e w e r ep r o p o s e d ；t h eh i e r a r c h i c a lm o d e lo fk n o w l e d g es e r v i c ew a se s t a b l i s h e d ，w h i c h c o v e r e dat a r g e tl a y e 5am e t h o dl a y e 5at e c h n o l o g yl a y e ra n dar e s o u r c el a y e r ； t h r o u g hi n t r o d u c i n gw o r kf l o wa sap r o c e s sb u s ，t h er u n n i n gm o d e lo fk n o w l e d g e s e r v i c ew a sc o n s t r u c t e d ；f i n a l l y , t h ek e yt e c h n o l o g i e so fi m p l e m e n t i n gt h ek n o w l e d g e s e r v i c ea r c h i t e c t u r ew e r ea n a l y z e d i nc h a p t e r3 ，t h em a i ni m p a c tf a c t o r so fc o m p l i c a t e dd e s i g np r o c e s sw e r el i s t e d ； p r o c e s s g r a n u l ew a sp r o p o s e df o rd i v i d i n gt h ed e s i g np r o c e s ss p a c e t of 6 r m m u l t i - g r a n u l ed i v i d e dm o d e l s ；t h ed e s i g n e rm o d e lw a se s t a b l i s h e d ，a n d t h e a s s e s s m e n tm e t h o do ft h ed e s i g n e rc a p a c i t yw a sr e s e a r c h e d ；b a s e do nt h ed e s i g n e r c a p a c i t y , t h ec o o r d i n a t i o n a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo f p r o c e s sg r a n u l a r i t yw a s d i s c u s s e d ，i no r d e rt oc h o o s eap r o p e rp r o c e s sg r a n u l ed i v i d e dm o d e lf o rt h e d e s i g n e ra u t o m a t i c a l l y i l l 浙江大学博士学位论文 i nc h a p t e r4 ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fk n o w l e d g er e q u i r e m e n t sw a sa n a l y z e d ，a n d t h ec o n c e p to fak n o w l e d g er e q u i r e m e n tn e t w o r k ( k r n ) w a sp r o p o s e d ；t h e nt h e c o n s t r u c t e dm e t h o do fah o m o l o g o u sk r na n dah e t e r o g e n e o u sk r nw a sd i s c u s s e d t oe l i m i n a t et h eu n c e r t a i n t yo fk n o w l e d g er e q u i r e m e n t s ，d i s c o v e ri m p l i c i tk n o w l e d g e r e q u i r e m e n t sa n df i n a l l ya c q u i r ea ne n t i r ea n dc l e a rk r n ；t h ee v o l u t i o nm e t h o do f t h ek r nw a sr e s e a r c h e dw h e nt h ek n o w l e d g er e q u i r e m e n t sw e r em o d i f i e d i nc h a p t e r5 ，t h ee x i s t e ds t y l eo fd e s i g nk n o w l e d g ea n dt h ec o n s t r u c t e dm e t h o d o fd e s i g nk n o w l e d g eo n t o l o g yl i b r a r yw e r ea n a l y z e d ；o nt h eb a s i so ft h ea b o v e r e s e a r c h e s ，as e a r c h i n gm o d e lo fd e s i g nk n o w l e d g eb a s e do no n t o l o g ys e m a n t i c c o m p u t a t i o nw a se s t a b l i s h e d ；t h e ns e v e r a lr e l a t e dk e yt e c h n o l o g i e sw e r er e s e a r c h e d ， i n c l u d i n gas e m a n t i cc o r r e l a t i o nc o m p u t a t i o nm e t h o db a s e do ns c e n e s a n da s e m a n t i cs i m i l a r i t yc o m p u t a t i o nm e t h o db a s e do nc o n c e p t sd i s t r i b u t i o n i nc h a p t e r6 ，o nt h eb a s i so fd e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ek n o w l e d g es e r v i c e s y s t e m ，t h ek n o w l e d g es e r v i c ep r o c e s sa n df u n c t i o nm o d u l e sw e r ed e s i g n e d ；t h e k n o w l e d g es t o r a g ea n da p p l i c a t i o nm e t h o dw e r ed i s c u s s e d ；t h ei n t e g r a t e di n t e r f a c e w a s a n a l y z e d i nc h a p t e r7 ，t h er e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o na n dap r o s p e c tf o rt h ef u t u r e r e s e a r c hw o r k w e r es u m m a r i z e d k e yw o r d s ：k n o w l e d g es e r v i c e ；k n o w l e d g er e q u i r e m e n t ；p r o c e s sg r a n u l a r i t y ； d e s i g n e rc a p a c i t y ；k n o w l e d g er e q u i r e m e n tn e t w o r k ；d e s i g nk n o w l e d g eo n t o l o g y l i b r a r y ；o n t o l o g ys e m a n t i cc o m p u t a t i o n i v 学号1 0 4 0 8 0 5 8 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，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机 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。 学位论文作者签名：签字日期： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸望盘堂有关保留、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。本人授权堑婆盘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后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月 日签字日期： 年 月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 值此论文完稿之际，我衷心的感谢导师唐任仲教授对我论文工作的精心指 导。唐老师严谨的治学态度、渊博的学识、敏捷的思维和敏锐的洞察力给我深刻 的印象，他高尚、踏实和求实的做人、做事和做学问的态度和精神使我受益匪浅， 是我可以享用一生的宝贵财富。 感谢制造工程研究所的祁国宁教授、潘晓弘教授、顾新建教授、何闻教授、 邬义杰教授、王正肖副教授、方水良副教授、陈芨熙副教授以及倪益华副教授等 各位老师的照顾、指导和帮助。 感谢实验室的汤洪涛博士、贾东浇博士、余志伟博士、黄喜博士、叶范波博 士、王志国博士生、王国栋博士生、何正为博士生、谢毅博士生、白翱博士生、 刘运通博士生、吕景祥博士生、徐治国硕士、廖文辉硕士、陈祥舒硕士、丁进硕 士、卢刘杰硕士、费腾硕士、杨玉静硕士、张俊硕士、王慧硕士、刘伟星硕士、 余式汪硕士、丁伟硕士、陈晓明硕士生、李俊峰硕士生、杨旭东硕士生、隋鹏飞 硕士生、刘莹硕士生、赵英硕士生以及实验室所有其它的师弟师妹们，感谢他们 在课题研究、工作和学习中给予的帮助和支持。 感谢所有关心支持我的老师和同学。 深深感谢生我养我的父母，他们用血汗浇灌我的成长，他们的善良、勤劳、 朴实的品质深深的影响了我的人生，他们的支持给我无穷的勇气和力量。 特别感谢我的妻子段徐莉女士，在漫漫求学之路上给我带来了无尽的幸福和 感动；还有我的岳父母，他们对我生活上的照顾无微不至，我的每一点成绩都与 他们的关爱是分不开的。 值此论文完成之际，我希望与他们共享这份来之不易的成功和喜悦。 最后，衷心感谢所有关心和支持过我的人。 盛文露 二0 0 九年四月于求是园 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 目前，全球经济正处于一个根本性的变革时期，人类社会正在由工业经济时 代逐渐步入以高新技术为特征的知识经济时代。制造业经历了手工业生产、大规 模生产、自动化生产以及小批量个性化生产等几个阶段的变化过程，在整个产业 变革中，信息和网络技术的发展起着巨大的推动作用 1 1 。 制造业面临着新的历史性发展机遇和更加严峻的挑战，具体表现在2 1 【3 1 ：( 1 ) 产品生命周期缩短；( 2 ) 客户需求多样化；( 3 ) 大市场和大竞争；( 4 ) 交货期成 为竞争的第一要素；( 5 ) 信息化和智能化；( 6 ) 人的知识、素质和需求的变化； ( 7 ) 环境保护意识的增强与可持续发展等。在新的格局中，传统制造业的竞争 优势产生了显著的变化。全球化的竞争，使得现代制造企业只有致力于核心竞争 力的挖掘和发展，才有可能立于不败之地。国内外专家学者把制造企业的核心竞 争力归纳为t q c s e f 六个要素，即交货期( t i m e ) 、质量( q u a l i t y ) 、成本( c o s t ) 、 服务( s e r v i c e ) 、环境( e n v i r o n m e n t ) 和灵活性( f l e x i b i l i t y o 制造企业必须能够及时快速的响应不断变化的市场环境，不断开发出满足客 户多样化需求的个性化产品来占领市场【3 】。而产品设计是产品开发过程中最重要 的环节之一，产品设计的好坏直接影响到产品开发过程后续的制造和销售环节。 据统计，只占总工时成本5 左右的产品设计过程，对产品总成本的影响却高达 7 0 以上，如图1 1 所示。在新经济社会中，企业间的同质化竞争使企业的利润 越来越低，因此，产品的创新设计能力已成为企业能否立足社会的首要因素【4 j 。 浙江大学博士学位论文 成本 1 0 0 7 0 5 设计阶段制造阶段销售阶段 时间 图1 1 产品全生命周期中各阶段对产品成本的影响曲线 产品的设计过程是一个知识密集型的过程吲，产品的创新设计能力在产品的 设计过程中表征为对知识的获取能力，产品设计成功与否直接取决于其所拥有知 识的优劣。 ( 1 ) 客户的需求喜好知识是产品设计的根本。 ( 2 ) 设计方法知识的好坏是产品设计效率和质量的保证。 ( 3 ) 组织、物料、设备等资源约束知识是产品设计的物质保障。 ( 4 ) 对市场趋势知识的把握是产品设计能否得到公众认可的先决条件。 随着知识经济的深化，知识已经成为企业不可或缺的重要生产要素之一。然 而，由于知识本身的复杂性，一直以来，如何在产品设计过程中有效的共享和使 用知识是国内外学者公认的难点。 本文的研究是在现代制造企业越来越重视知识管理的背景下展开的，以制造 企业产品的设计过程为具体的研究对象，通过对设计过程中所需知识的重用方法 进行研究，探讨为设计人员提供主动的知识服务的技术。 1 2 研究背景 某企业是一家经营仿真饰品的企业，下设的研发中心主要负责饰品的设计工 作。企业饰品的设计方案主要来源于两个方面：面向订单的设计和基于市场预测 的设计，不管是哪一种来源，都有专门的管理人员负责分析设计方案，以形成设 计任务，然后分派给研发中心的各个设计人员来完成饰品的设计。企业非常重视 1 绪论 自身的信息化建设，已经初步形成了基础的信息化架构，拥有自己的设计系统和 知识管理系统，其中知识管理系统由专员维护，包含了支持产品设计的各类知识。 如图1 2 所示的产品设计过程场景中，设计人员在接到设计任务后，通过对 知识管理系统的查询，检索到企业分布式知识源中与设计相关的知识信息或参考 模型，并在设计系统中完成对产品数字化模型的设计，然后将产品模型提交给上 级或客户进行审核，若审核通过，与设计任务一起交付制造部门进行生产，否则 返回设计系统修改或重新设计。 分 设 人 图1 2 严品设计过程场景 企业在良好的组织结构支撑下，得到了快速的成长，年开发产品种数上万， 因业务需要，研发中心迅速扩招。然而，问题也随之而来，具体表现在以下几个 方面： 一 ( 1 ) 新进的设计人员由于对行业规则和企业业务的生疏，在接到设计任务 后，其实通常并不知道自己有什么样的需求，也就无法通过知识管理 系统来帮助自己完成设计；资深的设计人员在经历了较长一段时间的 设计工作后，面临着才思枯竭的危机，需要迅速补充新鲜的知识，面 对知识管理系统，却同样不清楚该通过什么样的方式以什么角度切入 来提升自身的设计水平。 ( 2 ) 企业知识库通常由多人来共同维护，不同人员的知识结构存在着一定 的差别，往往同一知识维护到知识库中的表达方式有所区别。面对日 益庞大的知识库，设计人员虽然明白自己的需求，但却不知道以什么 样的词汇来表达，才能从知识管理系统中检索到充分的知识信息。 浙江大学博士学位论文 ( 3 )面对多变的市场，设计人员由于日常业务工作的压力，不可能实时的 去关注市场的变化，而知识管理系统也没有主动的提醒设计人员，因 此设计人员对市场趋势的跟踪通常相对滞后，不利于设计工作的开 展。 综上所述，问题主要出现在设计人员与知识管理系统交互的环节上，传统以 查询为主的”向信息系统要知识”的方式已经不能很好的满足设计人员的需求，有 必要探讨一种新的知识重用的方式，以通过提高知识管理系统的利用率来提高产 品的设计效率。 1 3 论文相关理论研究现状 1 3 1知识重用技术研究现状 产品设计可分为创新设计( o r i g i n a ld e s i g n ) 、适应性设计( a d a p t i v ed e s i g n ) 和变型设计( v a r i a n td e s i g n ) 【6 1 。在设计过程中，产品设计往往根据功能结构分 解为对零部件的设计。据统计，大约有4 0 5 0 是对已有零部件设计的重用， 约3 0 一4 0 是在原有零部件的基础上稍作修改，而只有约1 0 一2 0 的零部 件设计是全新的设计7 1 。变型设计是典型的重用设计，即便是产品的创新设计过 程，也有相当一部分是在原有基础上的创新、局部的创新，大都渗透着重用的思 想。 知识重用的研究较早出现于软件领域【踟，在构造新的软件系统过程中复用已 有的软件产品或源代码。 1 9 9 8 年在英国的b r u n e l 大学召开了以设计重用为主题的国际会议，首次将 设计重用的研究提到了前所未有的高度9 1 。在会上，英国s t r a t h c l y d e 大学1 0 1 针对 工业界对设计复用的态度做了调查，认为复用是非常有意义的活动。 产品设计的重用实质上是对已有知识的重用。这里提到的知识是广义的知 识，不仅包括产品设计过程中所涉及到的各类方法和规则以及设计过程本身，还 涵盖了已有产品的设计模型和相关数据等。近年来，随着对知识重用的深入研究， 国内外学者提出了一些与知识重用相似的概念，比如知识集成、知识导航以及知 识服务等。 1 绪论 知识重用 知识重用是指某一组织或团队利用已有的知识来完成某一知识型任务的过 程1 1 1 】。 曾晓松1 2 1 将产品设计重用区分为广义设计重用与狭义设计重用。狭义设计重 用是指对设计过程所形成的设计本身的重用；而广义设计重用是指对产品设计本 身和对产品设计过程中所形成的设计知识、方法与经验等的重用。目前的研究大 多关注于广义设计重用1 1 3 1 。 知识集成 知识集成最早是在1 9 9 1 年由d e m s e t z 提出的，而将其作为一个概念正式提 出来并加以研究的是g r a n t 。 g r a n t 1 4 1 把知识重用研究分为以下两种：一种是专注于知识复制，一种是知 识集成。知识集成是面向知识层的知识重用，目的同样是为了促进知识的共享。 倪益华掣1 5 1 定义知识集成为通过信息技术和业务过程的组合，以多种形式进 行知识的表示、组织、获取、存储、使用和创新的过程。知识集成强调对已有知 识的融合。 知识导航 知识导航1 6 堤提供信息获取和基于知识的信息引导和浏览服务，它通过搜索 与浏览两种方式来实现。 书目的编排是最早的知识导航形式，由于它的高效，至今依然在沿用。雅虎 的搜索与分类导航系统则是互联网分类目录知识导航技术的杰出代表。 知识服务 知识服务是指基于知识的服务1 7 1 ，近年来在旅游、咨询、金融、图书馆等领 域越来越多的受到人们的关注1 8 1 。 李静等n 9 1 认为知识服务是以信息知识的搜寻、注视、分析、重组的知识和能 力为基础，根据用户的问题和环境，融入用户解决问题的过程之中，提供能够有 效支持知识应用和知识创新的服务。 互联网行业的研究热点，如w e bs e r v i c e 、s o a ( s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ) 、 s a a s ( s o f t w a r ea sas e r v i c e ) 等实际上就是基于知识服务的技术。知识服务更加 强调面向用户层的应用。 浙江大学博士学位论文 本文认为，这些不同的词汇本质上是一致的，目的都是为了更好的促进已有 知识在用户之间共享与互相传递，而它们的出现只是为了适应不同的应用环境， 从不同的角度来研究知识的共享。如图1 3 所示，从知识层、方法层和应用层等 不同层次来看，知识重用、知识集成、知识导航和知识服务研究的覆盖范围有所 不同。 知识层方法层应用层 图1 3 知识重用研究的相关概念 知识重用领域的研究涵盖的关键技术较为广泛，综合考察产品设计过程中涉 及到的相关技术，主要包括知识建模技术的研究、知识获取技术的研究、知识检 索技术的研究以及知识评价技术的研究等，如图1 4 所示。 知识建摸技术 j乙 知 知 识识 评卜以获 价 。沪 知识重用 - 7 取 授技 术 彳 术 知识检索技术 图1 4 知识重用的关键技术 1 3 1 1 知识建模技术的研究 知识可分为显性知识( e x p l i c i tk n o w l e d g e ) 和隐性知识( t a c i tk n o w l e d g e ) 。 显性知识是指可以通过语言和文字方式进行传播，可以编码输入计算机的知识； 隐性知识是指用语言文字或图像等形式很难表达清楚的主观性知识，它以个人或 6 1 绪论 组织的经验、诀窍、灵感等形式存在。对知识进行建模的目的是为了帮助用户或 计算机较容易的识别出不同的知识，促进隐性知识向显性知识的转化。 知识表示是知识建模的基础。良好的知识表示方法应该具有以下一些性质 【2 0 】 表达充分性：能够有效确切的表达领域相关的各类知识； 推理有效性：知识区别数据和信息的重要特征，高效的推理能力可以充 分利用已有的知识或产生新的知识； 操作维护性：源源不断的知识形成的知识海洋，使知识的组织管理工作 越来越复杂。合理的知识建模方法必须能够促进知识的更新，有利于知 识的冲突检测与消解，便于知识库的维护； 理解透明性：知识的表示结构应当具有透明性，不同的系统和用户在不 同的时间或地点对同一知识的理解能够避免歧义。 目前常用的知识表示方法主要有5 种：谓词逻辑、产生式规则、框架表示法、 语义网络和面向对象的表示方法，如表1 1 所示。 表1 1 知识表示方法【2 1 l 知识表示方法简介优缺点 谓词逻辑能够精确表达人类思维活动的一种简单灵活，可以表示较复杂的问 语言，适用于表示事物的状态、属题；但难以表达不确定性知识和启 性，概念等事实性知识或事物间确发性知识，推理时易出现组合爆炸 定的因果关系。且推理过程冗长。 产生式规则由规则表示知识构成规则库，其基可以描述不确定、不完备的知识； 本形式为i f ( 前提) t h e n ( 结论) ，但无法表达结构性的知识。 即前提被满足时可推出结论。 框架表示法框架是由若干节点和关系( 统称为 善于表示结构性知识，具有良好的 槽) 构成的网络，不同的框架之间继承性；但难以表示过程性的知 通过属性之间的关系建立联系。 识。 语义网络对知识的有向图表示方法，由节点善于表示结构化的知识；但存在对 和有向弧组成。节点表示概念、属知识表示的非严格性，容易产生歧 性、状态等，有向弧表示节点间的义，以及由此所带来的知识处理的 浙江大学博十学位论文 语义联系。复杂性。 面向对象的表示将对象的属性和动态行为特征等相集中了各种单一知识表示方法的 关知识和数据处理方法封装在同一优点，易实现知识库的一致性和完 结构中，由消息接口与外界发生联备性；但建立良构的面向对象知识 系。 库较为困难。 由于人类自然语言结构的随意性，不同知识的结构特征区别也较大，难以应 用同一种方法将所有知识都恰当准确的表达出来，多角度建模的思想2 2 】【2 3 1 综合 多种方法和技术，分别对知识的各个方面进行建模，有效的组织复杂异构的知识。 c o m m o n k a d s ( k n o w l e d g ea n a l y s i sa n dd e s i g ns y s t e m ) f 2 4 1 是欧洲e s p r i t 项目 的研究内容之一，目前已经成功应用于部分公司和大学的知识建模项目，它的核 心是六个模型所构成的集合，其中包括组织模型、任务模型、主体模型、知识模 型、通讯模型和设计模型，从各个角度为用户提供了一个全面的视图。 潘旭伟等【2 5 1 将知识建模分为对知识载体、知识内容信息和知识情境的建模， 讨论了该知识建模技术如何支持知识与知识、知识与人以及知识与过程的集成。 产品建模是知识建模的核心内容之一，随着c a d 技术的发展，产品模型从二 维模型逐渐过渡到三维模型，为了清楚的表达产品的结构特征，人们提出了多种 产品的建模方法，其中包括产品信息的几何建模、结构特征建模、集成建模、智 能建模等【2 引。 虽然不同领域的知识难以统一表示，但同一领域内的知识却存在一些共同特 征，领域专家分别针对各自的领域进行知识建模。邱林金等【2 7 1 对传动知识进行了 研究和建模，提出了有利于功能求解的传动知识组织策略。t e s w a n i c h 等【2 8 1 给出 了一种电子政务知识的表示方法以及知识管理系统的框架。黎文航但9 i 针对焊接过 程知识的特点，引入了基于变精度粗糙集理论的知识建模方法。 1 3 1 2 知识获取技术的研究 知识获取是将用于问题求解的领域知识从某种知识源中抽取出来的过程。知 识获取的知识源大致可分为3 类：专家知识和经验、书本资料以及设计实例。谢 友柏则将产品设计知识的来源细分为以下几类：( 1 ) 已有知识；( 2 ) 市场信息； ( 3 ) 数字仿真或虚拟现实；( 4 ) 物理模型试验；( 5 ) 样机试验；( 6 ) 已有产品 1 绪论 运行中的表现( 用户反映) 。 对知识来源进行细分，是为了采用更为适合领域知识特点的获取手段得到较 为完整的知识体系。依据是否需要领域专家的参与，将知识获取方式分为非自动 型知识获取、全自动型知识获取和半自动型知识获取等三种。肖人彬等【3 1 1 给出了 五种具体的知识获取手段：( 1 ) 面谈，i ( 2 ) 协议分析；( 3 ) 阶梯法；( 4 ) 概念分 类；( 5 ) 仓库网络。 目前国内外学者针对知识获取方法的研究热点主要集中在基于人工智能技 术的自动型获取方法上，如遗传算法、神经网络、模糊逻辑以及粗糙集等，这些 算法的优点是在数据不精确、存在噪声干扰或不连续的情况下能够获得较好的结 果【3 2 l 。 张纪会等3 3 1 利用产生式规则对调度知识进行建模，提出一种应用于知识获取 的机器学习算法，该算法采用具有分散性选择机制的遗传算法，对具有多级值点 且函数值变化较大的目标函数寻优问题有较高的搜索效率，仿真结果表明所获得 的知识能较好的反映实际情况。h s i a o 等【3 4 1 应用模糊理论和b p 神经网络建立产 品形态参数与感性形容词之间的关系数据库，并在此基础上开发了计算机辅助产 品形态设计系统，通过建立学习样本、设计b p 网络、对b p 网络进行训练等步 骤自动获取知识。l i m 等1 提出了模糊设计知识提取技术，通过对设计知识的消 化和调节来消除冗余的知识，以保证知识获取的一致性。姜涛等【3 6 】使用分层诊断 中由断路器变位信息诊断出故障区域，在粗糙集理论的支持下选择决策表中的条 件属性，最大限度的剔除多余的条件属性，通过对决策表进行属性约简和值约简， 获取故障诊断需要的知识即诊断规则。 知识的表达千变万化，知识的获取亦是一个非常复杂的过程。无论是什么样 的方法均有其一定的局限性，在实际情况中要注意选择和组合使用。 1 3 1 3 知识检索技术的研究 知识检索的目的是在已有的知识库系统中，找到满足设计需要的知识。区别 于信息检索，知识检索主要面向资源的抽象层，包括过程层、方法层和知识层， 更强调其间的语义关系，如图1 5 所示。知识检索有两个明显的特征阳】：一是基 于某种具有语义模型的知识组织体系，二是对资源对象进行基于元数据的语义标 9 浙江大学博上学位论文 图1 5 资源层次分类”l 针对具有语义模型的知识组织体系，张玉峰等1 介绍了三种常用的知识模 型：分类检索模型、多维认知检索模型和分布式检索模型。分类检索模型主要采 用面向对象的方法来组织知识的层次结构，综合应用类结构的查找方法和对象归 类方法，实现对象或概念的检索；多维认知检索模型以人工神经网络为理论基础， 将资源组织为语义网络结构，由表示知识对象的概念节点和对象之间语义关系的 有向弧组成，该模型利用启发式知识和传递激活技术，形成一种认知式的语义推 理模式，实现知识库的联想搜索；分布式检索模型在建立元知识仓库的基础上， 应用分布式人工智能、神经网络、智能演算、并行推理、机器学习等技术，评估 各类资源与用户需求的相关性，并选择最好的知识源和数据库集合，分别执行并 行检索。 对语义标注的研究热点集中在对本体模型的研究上，重点考虑如何充分利用 本体在领域知识的抽象表示，发现领域内的概念、概念的继承层次、潜在的关系 和公理等，通过对w e b 页面或文档进行标注，来获得相关领域中的实例【4 0 1 。n a v i g l i 掣4 1 l 提出了基于本体注释的扩展检索模型，该模型使用w o r d n e t 中已有的概念 对原有的检索模型进行扩充注释，并对概念注释中单词或短语出现的频次进行统 计来计算概念之间的相似度。e r d m a n n 等m 1 探讨了基于w e b 页面标注的检索模 型，通过对w e b 页面使用r d f ( r e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k ) 或o w l ( w e b o n t o l o g yl a n g u a g e ) 的标签来描述具体的语义本体。 知识检索的理论基础是相似性与相关性的算法。基尔比契夫提出的“相似三 原理”形成了相似性理论的基本理论体系，第一定理为相似现象的性质定理( 或 称正定理) ，第二定理为n 定理，第三定理为判定定理( 或称逆定理) 【4 3 1 。 1 0 1 绪论 b l o u g h 4 4 1 认为相似性是人类对不同对象之间关系的一种感知，目前对其内在 的形成机理尚不清楚，往往采用数学方法统计其外在表现来描述相似性所具有的 性质。相关性是一种与相似性最为类似的对象关系，r e s n i k 【4 5 ”5 1 指出对象间基于 蕴含关系的相关性等同于相似性，也就是说相似性的概念关系包含于相关性之 中。 在人工智能领域，我们通常采用语义距离来度量对象之间的相似性，对象之 间的语义距离越小，则语义相似性越大。如果对象之间只存在蕴含关系，语义相 关性则是对象之间所有路径的综合m 1 。邱明m 1 将人工智能领域的相似性度量模 型归纳为四类：基于词典的模型、基于语料库的模型、基于语义网的模型和基于 信息学的模型。 1 3 1 4 知识评价技术的研究 产品设计过程是一个对设计知识不断拓展和优化的过程，对其中所涉及到的 知识的可用性评价，不仅影响本次最终的设计结果，而且对知识库的构成和未来 的设计都至关重要。知识评价是复杂的技术与管理活动，评价指标体系主要由主 观评价和客观评价两个方面组成【4 剐。 y o r a m 4 9 1 将知识分为结构化的知识和功能性的知识，并分别针对这两类知识 归纳了定性和定量的知识评价方法，通过对实例的评价分析探讨不同方法之间的 关系和适用范围，认为对同一知识应用不同的方法进行综合评价是非常重要的。 马辉【5 0 1 提出了一种产品设计知识的优度评价方法，该方法在基于规范合格度概念 的基础上定义了设计知识优度的计算函数，不仅可以全面反应设计知识的优劣程 度，而且可以以发展的角度去衡量设计知识的利弊与运用情况。 綦艳霞等f 5 1 1 总结知识发现( k n o w l e d g ed i s c o v e r yi nd a t a b a s e s ，k d d ) 结果的 评价度量标准主要包括有效性、新颖性、潜在有用性和最终可理解性。其中，有 效性是指发现的模式对于新的数据仍保持有一定的可信度；新颖性指发现的模式 是新的；潜在有用性是指发现的知识将来有实际效用；最终可理解性要求发现的 模式能被用户理解，主要体现在简洁性上。杨炳儒等【5 2 】提出了一种针对k d d 中 因果关联规则的自动评价方法，该评价方法采用了语言场和语言值结构的知识表 示方法和因果关系定性推理机制，并通过对具体实例的运行检验，证明了评价方 浙江大学博上学位论文 法的有效性。 针对产品设计方案的评价，肖人彬等1 3 1 1 给出了一种产品设计的综合评价模 型，该模型包括评价目标、评价要求、决策变量集、映射模型集和机制等五个内 部模块，以及评价控制、企业环境、约束条件、输入信息和评价输出等五个外部 模块。 对知识评价的常用方法有等级划分评价法，模糊综合评判法，层次分析法等 【5 3 1 。等级划分评价法是将指标体系中的各个指标划分等级，并具体规定各个等级 应该达到的水平，然后由评价人员对知识的各个指标进行评价打分，最终得到对 知识评价的综合分数。模糊综合评判法是指在对某些知识指标无法采用定量分析 时，只能使用”很好”、“一般”、”较好”、“较差”等模糊概念或感性词汇【5 4 1 来进行 表示，并利用数学工具将这些模糊信息数值化，再进行定量评价的方法。层次分 析法是按照“分解一判断一综合”的基本思路建立起来的，将复杂的评价对象分解 为各个组成因素，在此基础上分别进行定性或定量分析，然后综合排出相对的重 要性5 5 1 。 1 3 2本体理论与应用研究现状 1 3 2 1 本体概念及其研究意义 本体( o n t o l o g y ) 的概念起源于哲学领域。1 9 9 1 年美国s t a n f o r d 大学的n e c h e s 等人最早将本体引入工程信息领域，将其定义为“构成相关领域词汇的基本术语 和关系，以及利用这些术语和关系构成的规定该词汇外延的规则，【5 6 1 。 1 9 9 3 年g r u b e r 采用概念化的形式定义( d ，r ) 结构，把本体解释成”共享概念 化的明确的形式化规范，f 5 7 1 ，其中d 指领域，j r 是d 中相关关系的集合。“共享 ( s h a r e d ) ”是指本体不是仅仅为某个个人服务，而是指一个组织可以共同接受 的知识；“概念化( c o n c e p t u a i i z a t i o n ) ”是指对客观世界中某些现象抽象而得到 的概念模型；“明确( e x p l i c i t ) ”指所有的概念以及概念之间的约束关系都是唯一 的，没有任何歧义；“形式化( f o r m a l ) ”要求计算机能够理解和处理本体。这个 定义得到了绝大多数研究者的认可，并广为沿用。 本体在工程领域的作用主要包括0 5 8 】【5 9 1 1 删： 1 绪论 提供公共词汇。 客观世界。 知识的体系化。 中的各种现象、 化。 本体最基本的作用就是提供公共认可的词汇，用以描述 本体建立了良好的概念体系，依据这些概念来描述领域 事实和理论知识，可以有效的促进形成领域知识的体系 知识的形式化。知识要为计算机可理解，本体提供了适当的数据结构， 并为非结构化知识向结构化知识的转化、隐性知识向显性知识的转化提 供技术支持。 语义互操作。通过本体对元数据进行解释和转换，确保不同系统之间的 语义互操作。 明确设计原理。本体有助于明确化解决问题时所需的假设和隐含的前提， 还有助于概念化反映这些假设的目标对象。 1 3 2 2 本体集成 知识的异构性为知识的共享带来了困难，对全体知识重新统一建模可以有效 的解决知识重用的问题，然而存在企业乃至互联网上的知识数量之庞大，结构之 复杂，使得要完成