（机械电子工程专业论文）面向知识管理的模具设计知识表达与处理方法研究.pdf

摘要 摘要 进入二十一世纪，世界制造业面临激烈的全球化竞争，对制造业企业来说，产 品开发与制造能力是企业最重要的核心竞争力，而产品的设计开发能力更是企业核 心的知识资产。基于把知识视为企业资产的思想，知识管理成为了新的企业管理理 念和技术。模具制造是典型的面向客户定制的制造模式，如何实现高质量、低成本、 短周期的产品开发是赢得竞争的关键，其中模具设计的效率和质量是重要的影响因 素。模具的设计过程是一个建立在设计专家丰富的经验与知识基础上的创造性思维 过程。因此，对已经或正在产生的有关设计知识要及时提炼、管理，充分利用经过生 产实践考验的模具设计知识，可提高设计效率，避免设计失误，提高试模成功率，从 而大大缩短生产周期，有效地降低成本，最终增强企业的竞争力并赢得市场。 基于这种思路和需求，结合模具设计知识的特点和当前人工智能领域的新技术， 本文提出了一种基于本体知识表达的模具设计知识管理实现技术。首先以注塑模具 设计为例，分析了模具设计的基本流程及其知识的分布，用层次化的思想阐述了模 具设计知识的特点和体系结构。以此为基础，分析了知识管理对知识表达模型的需 求，简要介绍了本体的理论基础，进而引入了本体论作为设计知识表达的建模工具； 详细描述了基于本体的模具领域知识分析和建模，提出了顶层、企业层、应用层三 层本体结构，并由此得到个模具设计知识语义逻辑空间，作为智能处理的基础。 利用关系数据库技术，阐述了基于本体知识特征的模具设计知识库的组织模式和实 现过程。在这个知识库的基础上，本文提出了建立企业环境下设计知识语义网的理 念，提出了基于本体的知识特征的概念相似度和相关度算法，利用这些算法实现了 初步的设计知识语义网的知识处理过程，包括知识智能捡索、知识自动聚类和知识 匹配。从而实现了语义层次上的设计知识存储和处理，为模其企业的知识管理提供 了一个有效的智能工具。 本文最后分析和设计了一个基于客户沟通和设计评审的模具企业设计知识管理 系统，针对实际企业需求，采用本体表达模式实现了模具设计知识的形式化表达， 建立了模具设计知识库，并在此基础上分析和设计了些智能处理功能。 关键词：知识管理，知识表达，模具设计，本体，语义网，知识处理 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h em a n u f 犯t i l r i n ge n t e i p r i s e sa l lo v e rm ew o d d a r ef k i l l gt h ei n c r e a s m 9 1 y c o m p e t i t i v ca i l dg l o b a lm a r k e t ，趾dm e 曲i l i t i e so fd e s i 驴趾dp m d u c t i o n 盯et h em o s t i i n p o r t a n ti i l 乒e d i e m f o rm e i rc o r e c o m p e t i t i v ea b i l i t i e s a b o v ea 王l ，t h ec a p a c i 哆o f p r o d u c t s r e s e a r c ha i l d d e v e l 叩m e m i sm ee s s e m i a l h o w l e d g ea s s e t e w i l l g t 1 1 e l 1 1 0 w i e d g ea s 也ee n t e f p r i s ea s s e t ，m ek n o w l e d g em m l a g e m e n t h a sb e c nt h e p o p l l l a rm o d e a i l dt r e n di nt l l e e n t e r p r i s em a i l a g e m e n td o m a i n m o u l da l l dd i em a n u f 犯t u r i n gi st h e t y p i c a lc u s t o m e r _ d r i v e np r o d u c t i o n ，a i l dq u a l i 壤c o s ta 1 1 dm a k i n gs p a na r et h ek c yf 如t o r s f o rr n o u l da i l dd i em 锄u f 缸t u r e r st op r e v a i la tt 1 1 ec o m p e 血i o n t h ee 伍c i e n c ya n d q u a l i t y o fm o l l l da i l dd i ed e s i 弘c a l ls i 弘i f i c a n t l ya 虢c tm e s et h l 优蠡址e t s m o u l da n dd i ed e s i g n i sa 1 1i n n o v a t i v e p r o c e s sw h j c hi sm a i m yd e p e 舭u p o na b l l i l d 醐te x p e r i e n c e a l l d k 1 1 0 w l e d g ef 面me x p e n t os u p p o r t t h ed e s i g n p r o c e s s ，协eg e n e r a t e d o rg e n e r a t i n gd e s i g n k n o w i e 起ei n t h ee n t e r p r i s em u s tb ec a u g h t 趾do r g a n i z e ds y s t e m a t i c a l l y w i mm e g u i d 孤c eo fd e s i g nk n o w l e d g ew h j c hh 嬲b e e ne x p e r i c n c e dm r o u g hn l em a n u j 沁嘶n g p r o c e s s e s ，m ed e s i g n e r s c a n c o m p l e t e t h e d e s i g n m i s s i o n e f f i c i e n t l y 、v i t h o u t m c u n n e c e s s a r y e 仃i ) r s a sl e a dt om e i m p r o v e n l e mo f m es u c c e s s m l p e r c e n t a g eo ft e s t s ，t h e s h o n e n j n g o f 也e m a j ( i n gs p 粕如d 也ep r o m l c t i o nc o s t sc u 砸n gd o w n c o n s e q u e n t l y ，m i s c a i le i 山a n c e 也ec o r n p e t e n c yo f 也em a n u f a c t u r e r si i lt l l ei n d u s 缸ya n d 血e ns u c c e e di i l 廿l e m a r k e tf i 叫l y ht h i sp a p e r ，t h eo n t o l o 鲥- b a s e dk n o w l c d g er e p r e s 删o na n dp m c e s s 叩p r o a c h t o w a r d s t h c k n o w l e d g em a i l a g 尊m e n t o fm o u l d 趾dd i e d e s i g n a r e p r e s e n t e d f i r s t l y ，也e i m o w l e d g ec o m e n t 趾df o n n a ti nt h em o l l l dd e s i g np r o c e s sh 器b e e na n a l y z e db yt h e e x a m p l eo fi n j e c t i o nm o u l dd e s i g n ，a n dt h e nt l l ec h a r a c t e r i s t i c 趾m a r c 王l i t e c t u r eo fm o l l l d a i l dd i ed e s i g nk n o w l e d g ea r ee s t a b l i s h e d b a s e do nt h er e q u i 彻n c mo fk n o w l e d g e r 印r e s e n t a t i o nb ym ek r i o w l e d g em a n a g e m e n t ，协i sp a p e r i l l 乜d d u c e so m o l o g ya st l l e m o u l da n dd i ed e s i 弘妇o w l e d g er e p r c s e m i n gm e c h a l l i s m ，a n d 血e na n a l y z e st 1 1 ed e s i 弘 k n o w l e 起ed o m a i na r c 娥e c t u r eb yd i v i d i gi ti n t om r e e1 a y e r s ：t o p - i e v c l ，e n t e r p r i s e l e v e l a n da p p l i c a t i o n l e v e l t h e n ，ad e s i 9 1 lk l l o w l e d g es 唧锄t i cs p a c ei se s t a b l i s h e d ，w h i c hc a i l i 摘要 b eu s e da sm e k n o w l e d g ec o m p u t a t i o n a lb a s i s t h i sp a p e ra l s od e s c r i b e s 山ec o n 曲m c t i o n o fl 【n o w l e d g eb a s et o d st h e d e s i g nk n o w l e d g em a n a g e m e n t ， a n dp r o p o s e st h e h o w l e d g eb a s e si n l p l e m e n t a lt e c h n o l o g y b a s e do nc o n v c n t i o i l a lr e l a t i o nd a t a b a s e t e c l l i l o l o g y a f c e rm a t ，t h ei d e ao fe n t e i p r i s es e m a l l t i ci n t r a n e “sp r e s e n t e dt o s o l v e 廿1 e i m e l l i g e n ts h 撕n g o f l a l o w l e 姑e r c s o l l r c e i nt l l e e n t e 掣i s e b a s e do nt h e m a c h i n e u n d e r s t a n d a 【b l eo n t 0 1 0 百c a lm o d e lo fm e k i l o w l e d g er 印f e s e 叫o n ，m i ss e m 枷c 协咖e te x p l o i t st l l em e a s u r e so ft l l e c o n c 印ts i m i l 撕哆a n dr e l a t e d n e s sb e n e e n t 1 l c o n t o l o g i c a ls e g m e n t s ，w 1 1 i c h c a nb et h ei n s 讯l i n e n tf - o rt 1 1 ek n o w l e d g ei n t e l l i g e mp r o c e s s ， s u c ha sk 1 1 0 w i e d g er e t r i e v a l ，i m o w l e d g ec l u s t e r n l ga n dk n o w l e d g em a t c 王l i n g ，w h i c ha 【s o h a v eb e e np r o p o s e di nt l l i sp a p e r t h e n ，t h ew h o l el m o w i e d g em a i l a g e m e n tt e c h n o l o g y 叩p r o a c h t o w a r d sm o u l da n dd i ed e s i g nk n o w l e d g e m 锄a g e i i l e n t i sc o m p l e t e d a sa ne x a m p l e ，i i lm el a s tc l l a p t e ro fm i sp a p e r ，e x p l o i t i n gn l eo n t 0 1 0 9 i c a lm o d e la n d k n o w l e d g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h n la b o v e ，am o u l d a n dd i ed c s i 印h l o w l e d g em a r l a g e m e n t s y s t e mb 嬲e d o nc u s t o m e rc o m m u n i c 撕o na l l dd e s i g ne v a l u a t i o nr e c o r d sh a sb e e n a n a l y z e d ，d e v e l o p e d a n dd e 瑚i o n s l 工a = 七e d 巳yw o i m ：k n o w l e 电em 锄a g e m e n t ，k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ，m o l l l da n d d i ed e s i 印， o n t o l o g ) r ，s e m a n t i cw e b ，h o w l e 姑ep r o c e s s 第一章绪论 1 1 制造业的知识管理 1 1 1 知识与知识的管理 美国著名的管理学家p e t e rf d r u c k e r 在他的p o s t c a p i t a l i s ts o c i e 母( 1 9 9 3 年) 一书中指出：当前社会正在向知识社会转变，“形式化的知识被看作是关键的个人资 源和企业资源。知识是当今唯一有意义的资源，在这种新的内涵下，知识是作 为效用的知识，知识是作为获得社会和经济效果的手段”川。对于知识，财富记 者t o ms t e w a r t 有一段生动的描述： 如果说钢铁是工业时代的精髓产品，那么信息时代的标志产品就是微型芯片。 今天，生产出来的所有芯片的总价值已经超过了生产出来的钢铁的总价值。是什么 使芯片具有这样高的价值呢? 当然不是人的体力劳动。芯片主要是由硅制造的，硅 是从廉价的沙子中提取的。因此芯片的价值主要取决于芯片的设计以及制造芯片的 复杂机器的设计，其中的主要成分是知识【1 l 。 知识作为一种关键性的资产，其重要性逐渐被人们所认识。然而，何谓“知识” 呢? 哲学家们从两千多年前就开始研究这个问题了，至今仍然没有一个公认的答案。 但是，从较为形式化的角度，g r e y 提出了从数据( d a t a ) 、信息( i n f o r m a t i o n ) 、 到知识( k n o w l e d g e ) 和智慧( w i s d o m ) 的金字塔模型( p y r a i i dm o d e l ) 【2 】 如图 卜l 所示。这个模型说明了信息是对数据的整理和组织，而知识是信息的进一步分 析和抽象，知识中最精华的部分是人类的智慧，从而清晰地阐释了知识的概念和位 置。 而根据经济合作与发展组织( o e c d ) 对知识经济中知识的描述，知识包括四方 广东工业大学工学硕士学位论文 坌 图卜l 金字塔模型 f i g 1 1t h e p y r a m i dm o d e l 曲o u t 血t a m f b n i i a t i o l l ，k n o w l e d g e 锄dw i s d o 肌 面的涵义【3 】： 1 k n o w w h a t ：知道是什么指关于事实方面的知识： 2 k n o w w h y ：知道为什么指原理性规律性的知识； 3 k n o w h o w ：知道怎样做指实际操作技能； 4 k n 0 w w h o ；知道谁有知识指请教什么专家来解决问题的知识。 因此，所谓的“知识”实际上就是指企业与组织信息中包含有这四个方面性质的信 息。 隐 性 知 识 来 自显 性 知 识 到 隐性知识显性知识 社会化外化 。 泰 f 内羚 纱 组合 图1 2 显性知识和隐性知识的转化过程 f 培1 - 2 1 1 1 ec o n v e 嘲o nm 缸呶o f 诅c i ta n d e x p l i c nk n o w l e d g e 1 9 9 5 年，n o n a k a 教授及其合作者在他们闻名于世的专著“t h e k n o w l e d g e c r e a t i n gc o m p a n y ：h o wj a p a n e s ec o m p a n i e sc r e a t et h ed y n a m i c so f i n n o v a t i o n 中，形式化地定义了显性知识( 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 ) ，建立了这两类知识之间的转换矩阵模型：社会化一外化一组 合一内化州，如图卜2 所示。其关键意义在于，把知识资产的管理过程进行动态的 分析，理想的知识管理过程不仅是简单的静态信息管理，而在于知识资产的内容和 2 第一章绪论 价值在社会化外化一组合一内化的过程中不断螺旋式的上升，在这个过程中知识 不断得到表示、存储、共享和更新。n o n a k a 的理论为知识管理的实践奠定了理论基 础。 o d e l l 和g r a y s o n m 认为，知识管理是一个涉及广阔的、综合了多学科的新的 研究领域，包括从管理架构、组织行为、到社会网络( s o c i a ln e t ) 等方面的研究， 信息技术及知识管理系统更是一个重要的组成部分，它是知识管理的使能器 ( e n a b l e r ) 和引擎( e n g i n e ) ，包括了知识的捕获( c a p t u r e ) 、存储( s t o r e ) 、共 享( s h a r e ) 、转移( t r a n s f o r m ) 、配置( d e p l o y ) 、熔合( f u s i o n ) 、创造( c r e a t e ) 、 创新( i n n o v a t i o n ) 等多种基于人工智能的技术组合【5 l 。m a r w i c k 在显性知识和隐性 知识转换模式的基础上，分析了各种可行的知识管理技术及其分类f ”。g u u s s c h r e i b e r 认为知识管理是“用于提高组织的知识基础设施水平的框架和工具包，其 目的是帮助员工在适当的时间用合适的方法得到正确的知识。”n 1 通过以上引述，可以从两个角度归纳和总结知识管理： 1 知识管理是一种企业与组织长期的管理策略，与企业的管理、组织和文化密切相 关，它通过运用集体的智慧提高企业的知识运用能力和知识创新能力，实现知识 的共享，从而提高企业的决策能力、效率和竞争能力。 2 知识管理实际上也是一个可操作的系统架构，在此架构中，利用信息处理和人工 智能技术，企业和组织中的知识可以得到共享、创新、整合、存储等，从而为实 现知识管理策略提供物质条件。 事实上，在知识管理的研究领域，当前的研究已使得知识管理的思想借助信息 和网络技术逐步得到贯彻和实施。一些典型的知识管理工具也开始实现商业化，如 s a p 的知识管理工具，i b m 的l o t u sn o t e s ，微软的基于s h a r e p o i n ts e r v e r 的知识 管理平台等等。 1 1 2 制造业中的知识管理 制造业是国民经济和社会发展的基础，制造业的发展水平从一个侧面反映了一 个社会的经济与技术发展的水平。整个人类发展的进程就是制造科学与技术的发展 过程，制造业创造了人类一切赖以生存的物质基础。科学与技术的进步使得人类制 造能力的不断提高，加上自由的市场竞争环境，使得制造企业的经营管理策略不断 广东工业大学工学硕士学位论文 调整，由产品为中心，到以顾客为中心，再到以服务为中心。在当前的信息时代， 生产的全球化、目趋激烈的市场竞争，使得传统的制造业更是面临巨大挑战。企业 必须借助新的信息技术手段提升其核心竞争力，在这种情况下，各种新的制造理念、 模式和方法应运而生：柔性制造、集成制造、并行工程、敏捷制造、虚拟制造、智 能制造等等。这些制造模式的基本思路都是基于信息技术手段，对企业内外的各种 制造资源进行优化和整合，以提高企业的效率、应变能力和竞争能力。在这其中， 知识是制造业企业重要的制造资源，对这部分资源的管理必然促进了知识管理在制 造业中的应用，使得制造业的经营策略向以知识为中心的方向发展。 图1 3 制造业企业运行模式p 1 f i g 1 - 3t h e 叩e r a 廿o np a 仕e mo f m er r m u 趾t 嘣n ge n l e i p r i s e 一般的制造业企业运行模式可以用图1 3 来表示，即制造企业的运行过程是在一 定的外部环境下，将人力和资金等输入转换为更具价值的产品、服务，并创造新的 客户，其基本的内部转换功能包括了战略决策、市场开拓、研究开发、技术准备、 物料供应、生产制造、产品分销和售后服务，这些过程无不包含和体现了企业的核 心能力。产品结构、功能和加工手段越来越复杂，生产过程全球化、网络化，管理 难度大，市场的需求客户化和个性化，这些夕 部的变化因素不断考验着制造业的转 换功能。当前业界已经公认在信息时代的大背景下，制造业必须采用相关的信息技 术对传统的制造业进行信息化。但是，如果以提升企业核心竞争力为目标，那么企 业信息化还只是为企业搭建进一步发展的平台，g r e y 的金字塔模型表明，企业的知 识化是企业信息化后的下一个步骤。在新的环境下提升企业核心竞争力，必须在企 业的运行过程中挖掘企业知识，维护企业知识资产，促进企业知识转换，使运作过 4 第一章绪论 程的各个环节的知识含量不断提升，使员工的知识、企业的文化和日常运作融为一 体，实现企业知识化。 当前，作为企业信息化的提升阶段，知识管理的应用才刚刚起步，不同的行业 其模式和切入点都是不同的。然而，制造业企业的功能是转换，转换的关键在于价 值的提升，价值提升核心在于研究设计。因此，设计知识的管理应该是制造企业知 识管理的关键切入点，因为： 1 企业的设计能力、设计效率体现了企业产品的在市场的竞争能力； 2 设计知识是企业知识的基础和核心，准备、生产、销售和服务都是围绕设计出来 的产品展开的； 3 设计知识本身科学性和规律性较强，设计知识资产是制造企业知识资产中的核心 部分； 4 设计过程是一个知识密集的协同运作过程，明显体现了知识的转换。 因此，在进行制造业知识管理时，首先应该对企业的设计知识进行研究，结合 现有的知识管理方法对设计知识资产进行规范化、科学化的管理和维护，促进设计 知识在企业中的共享，提升企业的设计能力。 1 2 模具企业的知识管理 1 2 。1 模具制造企业的特点 在制造业中，模具是重要的工业装备。使用模具生产零部件具有生产效率高、质 量好、节约能源、成本低等一系列优点。因此，模具成型技术已成为当代制造业生 产的重要手段和工艺发展方向。据国际生产协会预计，到下个世纪初，工业用品零 件粗加工类的7 5 ，精加工类的5 0 ，都将采用模具成型，也就是说大多数的工业 品将通过模具生产，这样制造业水平的高低很大程度上取决于模具工业的水平【3 1 。 模具制造是机械制造业中的一个门类，但其本身又具有明显的特点： 1 模具行业是一个典型的小批量生产行业，其产品重复概率较低，一般是单件生产。 2 模具是典型的开发型行业，模具设计周期相对较长，如图1 4 所示，每开发一套 模具都是一个新的设计探索过程。不同于大规模生产的一次设计，可以应付大批 量的生产，每一套模具的成型产品、技术要求均不同，使得设计结构和制造工艺 广东工业大学工学硕士学位论文 不同，而且没有试制过程，通常只生产一件。 图1 4 模具制造周期 f i g 1 4t h em a k i n gs p a i lo f m o u l d 柚d d i e 3 模具设计水平及设计能力的形成不仅仅是一个理论学习的过程，更重要的是一个 经验积累的过程。虽然模具设计仍然属于机械设计范畴，但不可能简单依靠书本 理论快速完成设计。 4 模具加工精度和技术要求较高，对于精密的模具( 如工业注塑模具等) 更是如此， 因而需要配备高精度的数控加工装备，成本起点较高。 5 模具是一种工业装备，模具的客户也是制造企业，客户的市场压力问时也部分地 转嫁到模具制造企业。对于模具客户来说，为了使自己的产品早日上市以占领市 场，必然要求模具的生产周期尽可能的短，并且保证质量要求；对于制造商来说， 一方面要满足客户要求，另一方面必须压低生产成本，以求得利润。 6 模具设计制造过程是一个离散化、多环节、多反复的复杂过程，对开发者自身素 质的依赖占有相当的比重，在这个过程中员工的技术和知识的欠缺常常导致模具 的返工和报废，影响了制造周期，增加了材料、加工费用等成本因素。 由此，模具的企业核心竞争力可以总结为以下三方面： 1 模具设计水平，包括模具设计能力和效率； 2 模具制造装备的加工精度和加工能力； 3 模具设计、制造过程的管理能力。 当前模具开发过程普遍遇到的问题是受设计、生产能力和效率制约，使得一次试 模成功率不高，模具的修改对生产过程的组织和运行调度影响很大。对于这方面的 问题，国内外的专家、学者、企业家都在探讨相关的解决方法，提出了并行工程吲闻、 网络化制造等方法和模式。鉴于设计在模具制造流程中的重要地位，模具企业有必 要从知识管理的角度，对企业的设计知识资产进行有效的、规范化的管理，从中寻 求核心竞争能力的提高。当前对于模具设计过程的管理和控制，比较集中在数据、 工具和流程的管理，例如应用p d m 对模具设计数据和流程进行管理【9 1 ，而文献 1 0 卜 1 5 阐述了工程设计的k b e 技术及其在模具设计中的应用。这些研究的出发点 是采用人工智能技术处理设计知识，强调与各种c a d c a m 软件的集成，以期达到快 6 第一章绪论 速设计和智能设计的目的，提高模具设计过程的效率和水平。然而，由于员工的素 质对设计有实质性的影响，设计过程中的知识必须与人相结合，要“让正确的知识 在正确的时间到达正确的人”，实现知识在员工中的升华。因此，企业不但要有 k b e 技术，更要从知识管理的高度，对其过程中的信息与知识进行收集、维护与重 用。 1 2 2 模具制造企业的知识资产 展开模具设计的知识管理之前，必然首先分析模具企业的设计知识的位置、作 用和可管理性等，从而对设计知识资产的状况有一个清晰的了解，以便迸一步对知 识管理的方法和技术进行研究。 就一个模具设计师的工作过程而言，模具设计包括以下几种知识： 1 通用的模具设计方法。即一个普通模具设计师所拥有的模具设计背景知识。 2 客户提出的对模具设计的要求。作为模具的使用者，客户有对于模具设计结果的 特定需求，如在下达订单时会规定模具的精度、大体的结构、采用的标准件型号 等等。对于稳定的、具备相当规模的客户，对于模具的制造有一套详细的设计标 准。对于设计师来说，其设计首先应该满足客户需求。 3 本企业的设计规范。每一个企业的设计、加工工具和方法可能都会有一定的区别， 人员和组织管理模式都有不同。为了企业内部沟通和管理的方便，也为了建立企 业本身的标准体系，提高效率，很多企业都会规定一些基本的设计步骤和方法， 对设计的选择空间施加一定的约束。这些设计规范符合企业的软硬件环境和风格 习惯，长期的积累就成为了企业的模具设计标准。 4 本企业的设计经验。模具设计知识必须有一定的经验积累，同样的对于整个企业 而言，其设计过的案例就是其经验的来源。通过对过往设计数据的维护，可以从 中挑选出一些有代表性的设计案例，作为经验性知识，在企业的员工中进行共享 和学习。 5 企业中有丰富经验的设计、生产专家。这些专家对上述四种知识都有相当的理解， 而且在面对新的设计问题时能进行创造性的运用，合理解决问题。 6 设计沟通过程中产生的知识。一套模具的设计制造过程往往是一个项目团队协同 工作过程，这个过程需要相关的沟通，以保证模具设计质量能符合整个生命周期 广东工业大学工学硕士学位论文 的要求【3 】。这些沟通过程实际上设计生产各个环节中各种类型的专家意见体现和 碰撞，并向相对低层的设计师传达。这个过程体现了知识的外化( 隐性到显性) ， 显性地反映了企业中专家的个人知识和经验。 上述企业的知识资产中，设计专家知识是设计知识的精华和核心，是隐性的：而 各种设计规范和方法是设计知识的基础，是可表达的显性知识。沟通中产生的知识 是隐性知识到显性知识的转换过程。 1 2 3 模具企业的知识管理需求 从上面对模具企业的特点和模具设计知识的分析来看，模具企业的设计在整个 产品生命周期中占相当的比重，其中设计效率和质量是影响模具企业竞争能力的重 要因素。其次，模具设计知识是以各种标准、规范为基础，能有效协助设计人员解 决实际问题的信息，这些信息一般是对于模具结构和细节设计的详细描述。基于知 识使用效率和人与知识能更好地结合方面考虑，模具设计的知识管理必须突破传统 的基于文档和信息的管理模式，结合信息处理和人工智能技术，深入地进行关于知 识内容的管理，对于企业的知识内容进行知识采集、存储和智能处理a 针对模具行业工期压力大和质量要求高的特点，可以认为模具企业的知识管理 目标是提高效率和质量，因而模具企业设计知识管理大致有以下需求： 1 对各种设计方法、设计标准能进行规范化管理。包括对本企业的设计标准和客户 设计标准进行基于内容知识项的管理和维护，便于快速检索查询。 2 对于各种设计案例的管理。包括对设计案例的图形文件和设计描述信息进行维 护，能根据当前的设计需要进行智能查询。 3 对设计过程的沟通信息能进行管理，并抽取相关的知识，维护到企业的知识库中。 4 对于已经维护的知识能进行智能快速定位，能根据设计人员的特定需要进行知识 的组织和检索，在最短的时间内把需要的知识提供给设计人员。 从对于某模具企业的实际调研情况来看，上述分析是符合模具企业实际需求的。 该企业每年生产超过三千套模具，技术要求、形式种类多，企业中有大量的客户对 于模具设计的标准和要求文档，拥有上万个模具设计案例。面对实际设计问题时， 让设计人员对这些文档进行查询和阅读是缺乏效率的，这对于模具企业来说是不可 行的。因此，必须对知识内容进行形式化的组织和智能处理，以实现快速检索定位， 第一章绪论 高效地满足设计人员的知识需求。 1 3 模具设计知识管理中面临的关键问题 1 3 1 设计知识的分布性与异构性 模具企业中的设计知识管理首先要解决设计知识的分布性及其载体的多样性问 题。设计知识在模具企业中是广泛存在的，模具的整个生命周期是由客户驱动的， 而设计是其核心。模具的单件制造模式使得设计对模具的报价、与客户的技术沟通、 工艺设计、制造过程管理和调度、质检都有一定的影响，有的环节甚至是决定性的。 因此模具设计知识不单只存在于设计环节，也存在于与客户的沟通过程、内部的设 计沟通过程、工艺设计和生产过程等。 进一步看，设计知识在各个环节中所表现出来的形式和载体的格式还都有一定 的差异。例如，与客户的沟通过程会有大量的电子邮件及相关附件，而且附件的格 式可能是c a d 图形文件，也可能是文档文件等；内部的设计沟通过程则会留下相关 的会议文字记录；而生产等其他环节的设计知识甚至只是存在于企业中经验丰富的 老员工脑中。 在这种情况下，有必要统一提出一种计算机可处理的形式化知识描述格式，尽 可能地对各种知识进行统一表达、标识，从而清楚地反映企业的设计知识分布，创 造出一个在整个企业( 包括员工、计算机乃至客户和供应商) 共同理解和认可的形 式化知识语义环境，在此环境下，所有的设计知识都能得到描述，并有效地加以共 享和使用。 1 3 2 企业环境下设计知识的智能检索与处理 如1 2 - 3 节中所述，模具企业知识管理的目标是提高设计效率和质量，这应该是 评价知识管理技术在模具企业中应用可行性和有效性的一个重要标准。因而，要有 效实现知识管理，必须实现人与知识的高效结合，这种结合应该分成三个层次： 1 k 且o w w h a t ：提供的知识使得员工快速地了解某些必要的标准、方法、要求， 从而快速地进入新的工作项目。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 k n o w w h y ：提供的知识使得员工快速地理解某些方法、要求的根本原理，从 而快速地提升自己的设计能力和效率。 3 k n o w h o w ：提供的知识使得员工快速地融会贯通某些设计知识，从而正确地 解决面临的设计问题。 这三个层次实际上是一个结合的知识程度不断提升的过程，而这个过程需要靠基于 信息处理技术的知识管理工具来完成。即基于这个工具，要实现人、机、知识三者 在不同的层次上有效地集成。这要求知识管理工具能够使得计算机在形式化知识描 述环境下，理解相关的设计知识背景，从知识语义的角度上理解用户真正的知识需 求，馈予有效而正确的知识，如图1 5 所示。 人计算机知识 图1 5 人、计算机和知识的集成 f 蟾1 - 5t h ei n t e l 弘t i o no f p e 叩l e ，c o m p u t e r 拍dh o w l e 电e 总之，知识管理工具能在一定的知识语境下完成： 1 知识的智能检索：对于用户的知识需求，能够进行语义理解，得到一个扩展语义 的有效、相关目标知识集合，使得用户的检索更符合实际需要。 2 知识的聚类：根据知识内涵的不同相关程度，自动对知识进行聚类，自动形成一 个知识的逻辑组织结构，以满足用户不同形式的查询要求。 3 知识的匹配：对不同知识项之间的上下位关系进行自动匹配，自动或半自动地完 善统一的知识语义环境。 这三个方面可以作为知识管理工具的基础功能，在此之上还可以展开更复杂和更智 能的知识功能。 1 3 3 面向特定项目的设计知识预测、配置与推送 从知识管理的内涵来说，其最终目的是实现“让正确的知识在正确的时间到达 正确的人”，也即是说，知识管理工具应该在人、机、知识三者集成中扮演主动角色， 1 0 第一章绪论 其高级目标应该是实现知识的智能配置和推送。针对模具行业而言，其客户定制的 项目性特征，为实现知识的智能配置和推送提供了重要的线索。我们可以根据模具 项目的初始化特征，在设计语义环境下，以基本的智能处理功能为基础，对模具设 计知识进行预测、配置，并在需要的时间，向需要的人进行推送。此过程类似于m r p i i 中的物料需求计划，可认为是一种知识需求计划。这应该是模具知识管理未来的发 展趋势。 1 4 本文的研究内容 本章的前三节分别讲述了企业中知识、知识资产的概念，说明了知识管理的一 些基本理论，阐述了制造业和模具业进行知识管理的必要性和可行性；分析了模具 企业的特点及其设计知识资产的内容，提出了在模具企业进行设计知识管理的需求， 及其相关的关键技术问题。这实际上展现了本文研究内容的背景和脉络。本文的第 二章将详细分析模具设计过程，总结其设计知识的特点，建立设计知识的体系结构。 本文的第三章将详细阐述和分析模具设计知识的形式化表达方法，引入人工智能中 的本体方法，对模具设计领域知识进行分析和表达，进而构造模具设计知识语义空 间，并构建了面向知识管理的模具设计知识库，说明了其实现方法。第四章在知识 语义的形式化表达方法的基础上，建立了企业环境下的语义网架构，在这个架构下 提出了知识语义相似度和相关度及其量化算法，又基于这些算法，提出了语义网中 的知识智能检索、知识的聚类和知识的自动匹配算法，从而实现基础的知识智能处 理。而关于所谓的知识预测、配置和智能推送等知识高级处理方法，则是建立在上 述研究的基础之上展开的，这超出了本文的讨论范围，只作一般性的总结和展望。 本文的第五章应用上述提出的方法，开发了一个基于客户沟通和设计评审的模其设 计知识管理系统实例，分析了该系统的功能，说明了其设计过程。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章模具设计知识特点及体系结构 2 1 模具设计过程分析 从系统的观点来看，设计是制造系统中的一个子系统，其核心的转换功能是把 关于设计的要求转换为相关的数据和文件，作为加工子系统的输入，以实现产品的 制造。模具设计的一般过程可由图2 1 表示。模具制造是面向客户的单件制造模式， 每一套模具的设计都是起源于客户的需求。根据客户提供的需求，可以进行模具制 品的设计，即该套模具所要成型的产品的设计( 有时产品模型可能会由客户同时提 供) 。接着，针对制件的形状特点，由有经验的设计师对模具的总体结构进行规划， 确定模具的工作方式，成型方法和主要的功能结构方案。这部分是模具设计的最关 键步骤，对于设计的后续步骤和模具的生产过程有决定性影响，并确定了模具作为 工具使用时的工作方式。因此，许多企业在此步骤后面会进行一个审核过程，由模 具的设计、生产方面的专家有时还包括客户共同对此结构方案进行审核确 认，若有问题还可对方案进行修改。在此方案下可进行分型设计，确定模具的主要 成型部分和分模方式。接着对模具其他零件进行详细设计，最终输出设计数据和图 形文件等设计结果。 | + 一需求与概念设计k 一结构设计_ 一详细设计一 图2 1 模具设计的一般流程 f 嘻2 - 1t h eg e n e r a l w o r k 口o wo f 1 0 l l l d 柚dd i ed e s i g i l 模具设计的过程是一个大量知识的应用过程，设计一套模具首先要明确和理解 客户的需求；其次要能根据已有的背景知识和经验确定模具的总体结构，对可能出 现的问题进行预判，防止模具出现结构性缺陷，保证模具功能；第三要正确完成模 具的详细设计，保证模具的质量；最后设计过程对各种问题进行沟通，包括与客户 沟通，与设计团队内部沟通，此间包括了大量的模具设计知识。因此可认为模具设 第二章模具设计知识特点及体系结构 计是一个知识密集的过程。 一个更为详细的模具设计( 以某注塑模具企业设计过程为例) 过程如图2 2 所示。 图2 2 某注塑模具企业设计流程图 f 培2 2t h e f i o wc h a n0 f a n 蜘e c t i o nm o u l d 卸dd i ed e s i 盟p r o c e s s 广东工业大学工学硕士学位论文 这个流程图从更为详细的角度描述了模具设计过程，模具设计的背景知识及对 于知识的理解贯穿整个过程，期间使用并产生了大量的文档、图形文件和数据，以 及一些沟通过程的记录，这些都是有效表示知识的载体。因此，应该在这个流程中， 对相关的知识进行界定，从而明确模具设计知识的内容、形式，为分析模具设计知 识的体系结构奠定基础。 2 2 模具设计过程中需要的知识及其形式 2 2 1 模具设计过程中的知识 上述模具设计流程是基于模具企业整体角度来分析的，而对一个模具设计师来 说，模具的设计过程是一个在确定的知识背景和约束下，寻找可行的设计结果的思 维过程。如图2 3 所示，模具设计过程实际上是一个可行空间不断缩小而最终得到 设计结果的过程： 可行设计结果 知识背景 图2 3 模具设计可行解集 f 谵2 - 3t h e f e 晒i b l es o l u t i o ns e ti i lt t l em o u l d 柚dd i ed e s i g ns p a c e 1 模具设计者“加载”模具设计背景知识和基础知识，进入模具设计空间。 2 根据设计约束，缩小设计范围，这些约束包括： a ) 客户的设计需求； ”模具对应的制品特征和要求； 1 4 第二章模具设计知识特点及体系结构 c ) 本厂的设计规范。 3 利用设计者已掌握的设计经验，考虑可行的设计方案。包括“调用”以往的设计 案例、资料和数据等。 4 根据设计约束完成方案的详细设计，确保完成的方案在可行解集内，得到设计结 果。 因而，设计者要能高效、高质量地完成设计任务，必须： 1 知道一般模具设计的背景知识_ k n o w w h a t ； 2 知道客户提出的对模具设计的需求_ k 日o w _ w h a t ； 3 知道模具对应产品的信息及其对于模具设计的要求- k n o w w h a t ； 4 知道本企业的设计标准_ k n o w - w h a t ； 5 理解要求和标准，能将其