（材料加工工程专业论文）标准件库管理系统中的知识重用技术研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 知识重用是利用已有的设计知识和经验，进行新产品设计开发的过程。通过特 征重用、标准件重用、装配关系重用以及设计过程重用，构建标准件库管理系统的 知识重用过程，实现在 ugnx 平台上标准件装配设计过程的自动化，以及在 teamcenter 系统上的标准件协同设计。 根据基于知识重用标准件库管理系统的功能需求特点， 分析了该系统的关键技术 和实现方法。利用参数化技术完成了标准件模型的建立，通过用户自定义特征的方 法建立开孔特征，并实现了二者的关联。在对该系统知识进行分类和归纳总结的基 础上，采用图形、表格的直接表示，基于 xml 语言的表示以及面向对象的知识表示 方法，完整地描述了标准件库管理系统的知识结构。在此基础上，采用基于实例的 推理完成标准件的检索和查询，采用基于规则的推理完成标准件的装配设计。 根据上述理论和方法， 课题组研究开发了基于知识重用的标准件库管理系统。 该 系统可以在标准件装配过程中自动完成位置和尺寸匹配，然后，由用户在此基础上 进行修改完成，给出最终的设计结果，从而极大地缩短了标准件的装配设计时间， 有效提高了产品设计的效率和质量。 关键词关键词：知识重用 标准件库 推理 装配 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract knowledge-reuse is a process to design new product that makes use of the existing products embedded design knowledge and experience. based on feature reuse, standard part reuse, assembly relation reuse and design process reuse, the management system of standard part library system could be used to integrate and reuse the knowledge in different levels. also, it could be implemented to design assembly automatically on ug-nx and collaboratively on teamcenter. according to the function requirement characteristics of standard part library management system based on knowledge reuse, the methods and the key technologies are discussed. the models of each standard part could be created based on parametric method, and the pocket feature related to the standard part could be created with udf(user defined feature) method. based on the classification of the system knowledge, the representation, such as graphics, table, xml representation and object-oriented representation are adopted to describe the knowledge structure of the standard part library management system. by using these knowledge, the standard parts can quickly be queried out based on case-based reasoning, and the assembly can be automatically designed based on rule-based reasoning. based on the theories and methods mentioned above, the standard part library management system based on knowledge-reuse has been developed. the system could be used to match for orientation and dimension automatically during assembly design, then the users can edit it and get the final design. so that, the design cycle can be shorten dramatically, and the design efficiency and quality can be improved greatly. key words: knowledge reuse standard part library reasoning assembly 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 本课题的来源、目的和意义本课题的来源、目的和意义 本课题来源于与ugs公司的合作项目，为了减少重复设计，提高标准件装配设 计效率和质量，实现标准件在不同cad平台间的协同设计，本文研究并开发了基于 知识重用的标准件库管理系统。 标准件库是产品设计的重要组成部分。在产品设计，特别是模具设计过程中， 标准件将被大量地重复使用。据统计，标准件（包括自制零件、外购件等）的使用 率占到零件总数量的60%左右1。因此，标准件库系统的开发至关重要。如何方便地 建立标准件库，并进行有效的管理，如何利用已有的资源，花费较少的时间完成产 品设计一直是用户所关心的。 标准件库应用系统就是将各种标准件或零件的信息存放在一起，并配有管理系 统和相应cad标准接口的大型软件系统。用户可以对标准件库进行查询、检索、访 问、提取所需的零件（产品）信息，供设计、制造等工序使用1。在cad系统中开 发内嵌的标准件库2，既可以避免重复性劳动，提高产品设计的效率，又可以提高 设计质量，减少错误发生率，因此是否带有实用的标准件库已成为用户选择cad系 统的一个重要衡量指标3。 随着cad技术的发展，用户对标准件库也提出了更高的要求：标准件库不再是局 限于面向特定行业的专用组件库。建立统一的、可应用于不同cad平台的标准件库是 标准件库建库技术发展的一个方向。 它在产品设计过程中提高了智能化、 自动化程度， 并且提供良好的自定义标准件的扩展功能和用户管理功能。 目前，工程设计已经从传统的数据资源密集型转化为信息密集型和知识密集型， 因此知识工程与工程设计的结合越来越紧密4。产品设计的领域知识应用技术和设计 支持技术之间形成一个相互促进、相互渗透、共同发展的过程。产品设计支持技术中 已越来越多地溶进了领域知识应用技术， 从而形成了自动化和智能程度更高的支持技 术，在新产品的开发中发挥了巨大作用。 将知识重用技术应用到标准件库管理系统中可以拓宽标准件库适用的行业和范 围，提高设计的智能化、自动化程度。基于知识重用的设计是指借助于能够被重复 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 利用的设计信息、设计规则和设计方法解决新设计问题的过程。应用在标准件管理 系统中是指：积累原有标准件建库的成功案例，最充分地重用经过生产实践考验的 设计知识，建立完善的标准件库管理系统，使得设计人员尽可能地避免重复劳动， 集中精力到新产品的创新设计上，或者在原有标准件的基础上进行变形修改。它将 重复的计算、查表和检索等烦琐的工作自动化了，由系统来执行这些任务，确保不 会违反规则，简化用户载入标准件的操作，缩短产品的设计周期，提高其一次成熟 度。 标准件的管理和使用不仅是参考经验知识的辅助设计，更是在现有经验知识基 础上的进一步积累创新，即包含了对知识的继承、集成、创新和管理的过程。使用 时需要进行标准件的检索查询，需要一定量的尺寸计算，还需要考虑配合、约束等 关系。在企业中，有效地运用知识和获取知识是缩短产品开发、提高市场竞争力的 一个重要手段。将知识重用技术应用于标准件库管理系统，将极大地提高在产品设 计过程中标准件装配设计的自动化程度，以及提高产品设计的效率和质量，从而满 足客户对标准件库日新月异的更新换代要求。 1.2 标准件库的研究概况标准件库的研究概况 1.2.1 建立标准件库的意义建立标准件库的意义 随着数字化设计制造技术应用的普及和发展，对产品及其制造商、供应商、销 售商的信息和数据实施自动化管理已成为当今世界的潮流。同时，一个企业的设计 部门往往是若干人同时进行工作，若不进行标准化，规范化的管理，每个人都会尽 可能地发挥自己的创造才能去进行设计活动，所设计出的零件就会迅速膨胀到不可 容忍的地步，新零件的生产制造会造成产品生产成本的过度增长。据统计，一个设 计合理的新产品，其中有70左右的零件可以采用标准件、通用件或把已有的类似 零件进行变形设计，只有30的零件需要新的设计。有了标准化的cad标准件库， 设计人员在进行创新设计时，就可以先确认该标准件库中有没有同种标准件或类似 设计的标准件可用。如果有，设计人员就可采用原有标准件的设计结果或把类似的 标准件进行变形设计。这样就会大大减少企业开发新产品的时间和需要新设计开发 的标准件种类，不但减少了设计过程的重复劳动，缩短了设计周期，也大大降低了 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 工艺和制造过程的成本，经济效益非常显著3。因此，建立标准零件库作为开发机 械cad软件的一项重要的基础性工作，是实现计算机辅助设计与制造等数字化技术 的基础，对提高cad运用效率和质量，缩短产品开发周期都将起到重要的作用。 1.2.2 标准件库标准体系标准件库标准体系 由于一个制造商既可以是用户也可能是零件供应商，所以应给零件库制订一个 标准，并提供一种机制，这种机制使一个企业既可以作为零件供应商，又可以作为 用户使用自己的零件库系统进行设计，从而实现不同企业之间零件信息的交换。达 到这一目的的根本途径就是使标准件库具有开放性，其基本手段就是采用标准化的 方法4。 德国标准化协会 din 在 cad 标准件库的标准化方面已比较成熟， 基本上形 成了较为完整的体系，见图 1.15。 cad标准件库标准体系 事物特性表标准 (基本概念) cad标准件文件 编制总则 cad标准件库 接口规范 事物特性表系列 标准 cad标准件文件 系列标准 图 1.1 cad 标准件库标准体系图 cad标准件库接口规范是cad系统与cad标准件库（几何图形程序库）之间的 接口规范。 对于标准件库的用户来说， 函数的接口界面是统一的， 即是标准的。 cad 标准文件编制总则对cad标准件的图形特性和非图形特性进行描述。事物特性表是 将所描述事物对象的特性按一定格式排列起来的图表。该系列标准是对各行业通用 的标准零部件的特性进行标准格式的描述，规定了有关事物特性表的定义和原理、 事物特性的选择、事物特性表的结构、事物特性表在标准和其它文件中的编制及在 事物特性一览表中的应用5。 基于事物特性表的标准件库的特点是： 基于事物特性表的标准件库采用统一的描述格式， 不同系统开发的标准件库 可以进行信息交换，最大限度地减少了重复开发标准件库造成的资源浪费，并提高 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 了系统的可靠性。 基于事物特性表的标准件库为设计人员提供尽可能完整的标准件信息。 该信 息不仅包括尺寸、图形信息，还包括材料、功能信息等，设计人员选中某一标准件 后，它的所有信息可方便地纳入到相应的设计文件中。 基于事物特性表的标准件库体系是开放的，易于扩充。 对于典型零件的建库完全可以参照事物特性表的方法， 从而解决绝大部分零 件的设计，大大缩短产品的设计开发周期，提高产品设计开发质量1。 1.2.3 标准件库系统的研究现状标准件库系统的研究现状 标准件建库工作的开展由来已久，已取得了不少成果。如在cadds 56，cat ia7，cimatron8，mdt 9，autocad 10-11 等cad/cam 系统上都进行了二次开发， 建立了标准件库及其管理工具。不论是基于autocad平台的二维标准件库，还是基 于catia等平台的三维标准件库，或多或少都存在以下缺点12： 可移植性差：零部件库数据格式由cad开发商自行定义，零部件库系统只能 在特定的cad 平台下运行， 不便于与其他cad系统集成， 零部件库开发工作重复劳 动很多。 信息完备性差：库内容仅限于标准化机构颁布的标准件。标准件只有描述几 何特征的信息，缺少非几何信息的描述。缺乏对具有一定装配关系的部件的描述， 常用组合及典型结构只能通过零件装配而成，影响了设计效率的进一步提高。 开放性不足：零部件库无法实现参数值的动态添加。设计人员无法将自己专 用的常用件、常用组合件、典型结构放入库中，实现零部件库的实时更新，这种标 准件库具有很大的局限性。 为了解决这些问题，国内进行了大量的研究工作，取得了很大的进展。 东北大学庞士宗等提出利用特征语言解决跨平台开发cad标准件库问题的构 想，通过多向翻译系统将特征语言代码转换为不同cad平台使用的编程语言代码， 实现共享模型的目的13。但是，这些方法开发实现较为复杂，参数化和库扩展等存 在问题，其应用受到了限制。 清华大学操云甫等介绍了基于interne/intranet零件库资源共享公共语义模型，包 括组织模型、活动模型和信息模型。公共语义模型是对零件库信息建模和资源共享 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 的业务方案的描述，是从需求向技术实现转变的媒介。进一步的工作是在公共语义 模型的基础上，用形式化的方法和统一的数据格式表达零件库信息，建立零件库信 息模型，以实现零件库资源共享14。 浙江大学余军合等在对plib标准的体系结构及信息描述方法进行分析和表示的 基础上，给出了零件库信息表达的扩充方法；同时对产品族信息模型的一般结构进 行了描述。重点对产品几何视图表示类进行研究，实现产品几何视图的多级表达能 力，并为产品模型其他视图的建立提供了一种方法15。 华中理工大学叶新朝以及尹文生等人根据工程设计的习惯和零件的工程属性， 引入装配特征对标准件进行了分类，结合ole技术、参数化建模方法、产品数据管 理的思想，提出了面向微机多平台的集成标准件库的设计思想和体系结构，并建立 了inte3dlib系统16-17。 大连理工大学苏铁明等论述了三维网络图形数据库的开发及建立标准件库的思 想和方法， 提出了基于step标准的跨平台异种cad系统的通用标准件库的开发思想 18。湖南长沙大学刘白等分析了网络环境下符合国际标准的企业零件库的原理、结 构及其应用，提出了敏捷制造环境下企业零件库建库方法19。 华中科技大学刘腾等针对国内大多数三维标准件库存在的cad/cam平台依附 性强的缺陷，以com技术为基础，采用windows dna结构，将不同平台标准件库中 的重复部分提取出来以核心组件群的方式表示，并在这个组件群的基础上提出一个 面向多个三维造型平台的标准件库系统的解决方案20。 大连铁道学院徐克圣等人给出iso13584零件库标准体系的具体内容，提出了 browse/server零件库开发模式，研究了零件库的总体结构及各部分功能，对服务器 端零件库组成结构进行了深入研究；对客户端的基于用户cad系统的几何编程接口 给出两种可行的实现方法21。 katherine提出了一种基于web的标准件库系统22。由于xml语言具有良好的数 据存储格式、可扩展性、高度结构化、便于网络传输等四大特点23-24，华中科技大 学吴义忠等人提出了基于xml的三维参数化标准件库系统，可提高对各种异构cad 平台的适应性，为协同设计开辟了一个新思路25。大连理工大学苏铁明等人论述了 三维网络图形数据库的开发及建立标准件库的思想和方法，提出了基于step标准的 跨平台异种cad系统的通用标准件库的开发思想26。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 尽管对于标准件库建库的研究取得了一定进展，但仍存在如下问题： 协同设计能力差：对于异地异种cad系统的标准件设计不具有协同设计能 力，或者相互之间的转换方法复杂，转化效果不好。 设计智能化程度差：对标准件的装配设计仍是以设计人员的经验为准，缺乏 对标准件装配设计流程的规则化、智能化处理。 针对上述问题，本文对标准件库管理系统提出以下几点要求： 快速查询及有效检索的能力： 用户能快速高效地找到并调出三维标准件或非 标件，可以按照用户确定的搜索条件在所有的库中自动查找匹配的模型。例如：直 接输入所需模型的标准号，自动找出该标准号所代表的模型。 与具体cad系统集成的能力：可与主流cad系统无缝集成。 装配标准件零件的能力： 用户可以随时从库中调出所选择的三维标准件模型 用于部件装配。 维护标准件库的能力：能管理符合各类标准的标准件库，如国家标准、行业 标准、企业标准等。 易于扩充功能模块的开放的内部结构： 可以根据自己的专业需要将行业或企 业的标准件或非标常用件扩充入库。 1.3 知识重用的发展知识重用的发展 1.3.1 kri 与与 krr 产品设计是一个复杂的过程，在这个过程中蕴涵着同样复杂的大量知识，这些 知识在产品开发的不同阶段发挥着不同的作用。新产品开发大多根据已有的设计知 识或设计成果，大约40%50%是重用过去的部件设计，约30%40%是对已有的零 部件稍作修改，而只有约10%20%是全新的设计27。新产品开发人员需要了解相 关的设计知识和历史经验，才能快速地进行产品适应性设计或变型设计；同时，成 熟的历史设计知识也是产品进行创新设计的依据和参考。由此，产品设计知识重用 策略应运而生。产品设计知识重用是指对产品设计过程以及该过程中形成的设计信 息、设计规则和设计方法与经验等，经过一系列的知识获取、表达、存储等处理， 最终重复应用到当前的设计活动中，用于解决新的设计问题28。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 有关设计知识重用的研究已经引起了国内外学者的关注。grant把知识重用研究 分为两大类：一类是通过知识获取（或复制） ，即knowledge reuse as replication， 简称krr；另一类是进行根本性创新的知识重用，即knowledge reuse as integration， 简称kri29。 关于krr的研究包括：项目、产品产生和制造组织之间知识溢出效应的研究以 及最佳操作转移（argote1999），其主要研究“接受组织”如何获得和应用“来源 组织”的知识，实际上是复制来源组织的核心部分等30。szulanski提出一个用于复 制的知识重用（krr）的研究例子也证实了argote的发现31。知识重用被认为随来 源方和重用者之间初始的共享经验而增加32。即：你对来源越熟悉，你就越可能重 用来源知识。 然而grant认为，当目标是根本性创新时，知识获取（或者复制）效率不高，并 不是有利于以创新为目的知识重用。其他一些研究，如新产品开发、创新时人们如 何重用知识的研究，发现共有经验的分歧和缺失对发展新观念至关重要。allen的研 究指出创新者从不同的来源（甚至包括不了解的来源知识）得到创造性的观念33。 通过完全不同的特定知识来源，知识不但可以获取（或者复制） ，而且可以集成。因 此，用于根本性创新的知识重用不可能像krr一样完全依赖于来源方与重用者之间 的共同经验，还需要通过知识集成的方法得到新的观念和想法。 krr和kri是知识重用的两个主要方面，对其作一个简要的对比。 在重用知识的评价标准上，kri与krr不同。任何知识在被重用时，都可能被 重新创造。而在kri中，对知识的改编则可能比在最佳操作转移中要多和详细。知识 的改编需求影响重用过程中知识的评价， 评价kri过程中的知识不仅是因为它的重用 潜力，而且是因为它的改编潜力。 kri在知识转移的容量方面也有别于krr。szulanski（2000） 、zander和kogut （1995）发现具有逻辑的、系统化的和相互影响的操作（或知识）更容易被转移34。 由于根本性创新涉及到较宽的隐性知识（tacit knowledge）转移和集成，被转移的知 识有可能是模棱两可的， 不完全系统化的和复杂的。 这就要求kri过程中的重用者找 到理解被转移隐性知识的方法。另外，clark（1996）理论上认为共享的人工制品的 运用对隐性知识的转移有帮助35。这些人工制品传递着共享知识的上下联系，帮助 使模棱两可的知识的意义更加清晰。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 1.3.2 设计知识重用设计知识重用 有关知识重用的概念很早就提出了，在计算机软件工程领域，软件重用已成为 研究的热点36-37。在产品设计中，20 世纪 60 年代产生了促进设计重用的零部件分 类系统，但是其功能过于简单。随着计算机技术和通信技术的飞速发展，它们为设 计知识重用提供了更强大的工具。 设计知识重用研究是一项系统工程，涉及面广，不同的领域有不同的研究方法。 目前主要在设计知识重用系统，有关重用的认知研究，支持重用的工具和方法，设 计知识重用的表达模型以及基于本体论的知识重用等方面展开研究。 关于设计知识重用系统方面， 英国 strathclyde 大学 cad 中心对设计概念重用进 行了研究， 提出了一个设计概念重用的系统模型38， shahi 提出了一个基于功能设计 模型的设计重用系统39。inns 和 neville 建立了一个基于公司层次的设计过程模型， 以此来支持设计重用40。 duffy 等人提出了一种设计重用模型。 该模型描述了设计重 用过程，它包括：领域模型、重用仓库、设计要求、进化设计模型和已经完成的设 计模型等41。 在有关设计重用的认知研究方面，设计重用的研究受计算机科学和软件开发领 域的启发，知识获取和重用成为设计重用的关键技术。其中计算机表达和处理模型 备受关注，如基于实例的推理、基于模型的推理、规划重用等。 在设计重用的工具和方法研究方面，clausing 等总结了用于设计重用策略的工 具，这些工具包括：商业集成模型、可重用的策略矩阵、质量主模型、市场份额表、 产品可重用性矩阵、 概念选择、 市场份额/时间产品映射、 变型/复杂性矩阵、 功能树、 产品收入模型、 成本/可重用质量矩阵技术选择模型42。 su 则研究了将专家系统和人 工神经网络的方法用于存贮和检索设计知识43。 andrews p.t.j.等人研究了工程设计重用的两种方法：创成式设计和变型设计。 创成式设计采用交互式特征识别和参数化 csg 树产生设计模型， 其优点在于仅存贮 参数化 csg 树，因而计算机存贮量小，效率高；建立优化或有限元分析模型的过程 可以通过产生 ascii 文本文件自动执行。这种方法特别适用于那些在很多地方需要 进行修改的设计，但其缺点在于初次生成模型的时间长。当修改 csg 树时需进行编 程，每一次修改都从草图重新生成模型。变型设计则着重于克服创成式设计的不足， 生成模型的时间较短，模型相对简单，适用于产品族的相似设计。变型设计主要用 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 于对原设计进行的修改和重用，它可以有效地在数据库中存贮设计模型族或设计历 史44。 创成式设计方法的主要步骤如下： 对设计的产品进行分类，使之成为相似部 件类型； 对产品零部件进行分解，形成特征； 对所有的参数进行标示； 对 每个几何特征进行数学表达； 为产品的名义设计建立产品实体模型； 提取每 个特征的 csg 树或为每个特征提取宏； 对每个特征的参数进行定义； 建立产 品模型。 变型设计的主要步骤： 根据需求进行功能模型匹配； 搜索符合需求的产 品族模型； 针对具体模型进行修改； 驱动建立变型设计产品模型。 在表达模型研究方面， costa 和 young 提出了产品范围模型， 该模型存贮功能与 设计方案之间的关系以及满足设计方案的设计准则的信息45。iso103103step 标 准定义了产品数据表达，它可用于产品数据的交换和共享。 在基于本体论的知识重用方面，许多研究机构对此展开了研究46。本体论是一 个概念化的详细描述，它不仅描述概念，而且深刻地刻画了概念间的关系。因此对 于知识的共享和重用起非常重要的作用。 如美国国防部的高性能知识库 hpkb （high performance knowledge base）利用了本体论进行知识重用。 在标准零部件的应用方面，由于产品的一大部分零部件属于标准零部件，通常 由专业化的制造供应商提供。 burgess 等描述了标准零部件和必要特征的设计数据库 开发系统，该系统阐述了待实现的功能和实现该功能的途径47。在重用数据库中有 三种信息是必须的： 零部件的信息； 用什么零部件； 在哪里适用这些零部 件及为什么适用它们。其中，零部件信息涉及到供应商的信息，包括供应商的等级 领域以及它们之间的比较；用什么零部件，涉及的零部件信息如尺寸、成本、性能、 规范等；在哪里使用这些零部件及为什么使用它们，涉及有关应用和历史信息，如 零部件所在的项目和应用的场合，可能替代方案及其评价等。 在人工智能领域，已有很多单位展开了对知识重用的研究。如 sranford 大学人 工智能实验室和美国国家标准技术研究所的设计仓库项目，就将设计知识重用作为 其中研究的关键技术48-49。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 1.4 本课题的主要研究内容本课题的主要研究内容 标准件库管理系统包括标准件库的建立、标准件的查询检索、标准件的变型设 计、标准件的装配定位以及标准件的开孔。将知识重用思想应用到该系统中，研究 的主要内容包括： 标准件模型知识的获取； 标准件模型以及设计知识的表达； 标准件检索以及装配等操作的推理机制； 基于知识重用的标准件库管理系统。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 2 知识重用技术的理论与方法知识重用技术的理论与方法 2.1 引言引言 知识重用，简单地说，就是将已有的经验知识和过去的设计实例应用到当前的 设计活动中。机械产品设计的本质特征及市场竞争决定了机械产品设计重用的意义。 研究表明 75的设计活动包含基于事例的设计，有经验的设计人员总是善于利用过 去成功的设计经验，吸取失败的教训。在新产品开发中，约40是重用过去的部件 设计，约40对已有的部件设计稍作修改， 而只有约20是完全新的设计。由此可 见设计知识重用在产品开发中的重要作用。另外，随着市场竞争的加剧要求产品 的设计周期越来越短，设计重用可充分利用企业的设计资源，有效缩短设计周期， 提高设计质量50。 因此，本章将探讨知识的有关概念，以及知识重用技术的理论及 方法。 2.2 知识的基本概念知识的基本概念 2.2.1 知识的定义知识的定义 知识是人类在改造现实世界的实践中所获得的认识和经验的总和，它反映了人 们对客观事物的认知及适应环境的能力。它不同于数据和信息：数据是关于实体的 属性和数量等的描述；信息指数据的含义；知识则是指信息间的联系。人们认识的 过程是由表及里、由浅入深的，即遵循数据、信息到知识的过程。 设计知识指广泛共享的物理定律对某一领域的公式化的规则以及设计者的经 验。设计知识的内涵包括有关设计信息和经验的总和，设计信息包括正式和非正式 的设计信息。正式设计信息，例如工程文档、公式和 cad 数据等；非正式的设计信 息，例如设计中的尺寸、公差和方案选择等工程信息。 2.2.2 知识的分类知识的分类 关于知识的分类，从不同的角度有不同的分法。经济发展与合作组织（oecd） 对知识的分类成为目前最具权威性的一种。该组织按知识的性质将知识归纳为四种 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 类型51： 知道是什么（know-what） ：有关事实的知识； 知道为什么（ know-why） ：规律性的知识，有关自然、社会、人的心理运 动的规则和趋势，通常认为是自然原理和科学知识； 知道怎么做（know-how） ：把知识转化为具体的行动指南，并在具体实践中 应用，包括从事实际工作的技能、经验、各种行动准则等； 知道谁有知识（know-who） ：知识载体的信息，具体知识和个人的结合，就 转变为个人技能。 按知识的形式可将知识划分为如下两大类： 显性知识：以专利、科学发明和特殊技术等形式存在的知识，它易于利用数 据和信息技术进行整理和存储，可通过技术手段来管理； 隐性知识：个人创造的、通用和标准化难度大的知识，难以被他人了解，只 有通过彼此交流来实现共享。 在知识工程（kbe）系统中所处理的知识，按其作用可大致分为三类： 描述性知识（descriptive knowledge） ：表示对象及概念的特征及其相互关系 的知识，以及问题求解状况的知识，也称为事实性知识； 判断性知识（judgmental knowledge） ：表示与领域有关的问题求解知识如推 理规则等，也称为启发性知识； 过程性知识（procedural knowledge） ：表示问题求解的控制策略，即如何应 用判断性知识进行推理的知识。 按照作用的层次，知识还可以分成以下两类： 对象级知识（object-level knowledge） ：直接描述有关领域对象的知识，或称 为领域相关的知识； 元级知识（meta-1evel knowledge） ：描述对象级知识的知识，如关于领域知 识的内容、特征、应用范围、可信程度的知识以及如何运用这些知识的知识，也称 为关于知识的知识。 2.2.3 知识的属性知识的属性 知识主要有以下属性：52-53 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 真理性：知识是客观事物及客观世界的反映，所以它必然有真伪可言，即所 谓“真理性” 。而且它们都应可通过实践检验真伪，或利用逻辑推理证明真假。 相对性：一般而言，知识的真理性是有条件和环境要求的。知识不可能无条 件的真，即绝对正确，也不可能无条件的假，即绝对谬误，而都是具有“相对性” 的。在一种条件下和某特定时刻为真的知识，当时间、条件和环境改变时可能变为 假。例如，1+12 在十进制的前提下是正确的；如果是二进制，它就不正确了。 不确定性：知识是有关信息关联在一起形成的信息结构， “信息”与“关联” 是构成知识的两个要素。由于现实世界的复杂性，信息可能是精确的，也可能是不 精确的、模糊的；关联可能是确定的，也可能是不确定的。这就使得知识并不总是 只有“真”与“假”这两种状态，而是在“真”与“假”之间还存在许多中间状态， 即存在为“真”的程度问题，知识的这一属性成为不确定性。 造成知识具有不确定性的原因是多方面的，大致有以下几种情况： 由随机性引起的不确定性。 由模糊性引起的不确定性。 由不完全性引起的不确定性。 由经验性引起的不确定性。 可表示性：知识作为人的经验存在于人的大脑之中，知识本身虽然不是一种 物质的东西，然而它是可以用各种方式表示出来的，如语言、文字、图形、神经元 网络等。正是由于它具有可表示性，所以它才能被存储并得以传播。 可利用性：知识的可利用性是不言而喻的，我们每个人天天都在利用自己掌 握的知识解决所面临的各种各样的问题，假如知识没有可利用性，那么也就没有讨 论它的意义了。 2.3 知识表达及处理方法知识表达及处理方法 2.3.1 知识的表示方法知识的表示方法 知识表示是指对知识的一种描述，或者说是一组约定，是一种计算机可以接受 的、用于描述知识的数据结构。对知识进行表示就是把知识表示成便于计算机存储 和利用的某种数据结构。知识的表示方式对知识的存贮、检索和使用有着巨大的影 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 响，因此选择合适的知识表示方法十分必要。一般而言，对知识表示有如下要求： 充分表达领域知识； 有利于运用知识进行推理； 便于知识的维护和管理； 便于理解和实现。 根据知识表示方法的原理可以将它们分成三类： 局部表示类：逻辑、产生式、语义网络、框架、脚本、过程等； 分布表示类：基因、联接机制； 直接表示类：各种图形、图像、声音及人造环境等。 随着知识表示研究的深入，已经提出了多种知识表示方式，常用的知识表示方 式为产生式表示法、语义网络表示法、框架表示法、谓词表示法、面向对象表示法、 基于范例表示法、基于rough set表示法、基于语言场表示法、基于知识体表示法等。 下面介绍几种知识表示方法产生式表示法、框架表示法、基于xml/schema表示 法和面向对象表示法。 产生式表示法 产生式表示法又称为post演算， 它是依据人类大脑记忆模式中的各种知识块之间 的大量存在的因果关系，并以“ifthen”的形式，即产生式规则的形式表示出来 的。这种形式的规则捕获了人类求解问题的行为特征，并通过认识行动的循环 过程求解问题。在语义上，它表示“如果p则q”的因果或推理关系。其一般形式为： p q 或者 if p then q 其中，p一般表示一组前提或状态，q表示若干个结论或动作。其含义是“如果 前提p被满足则可推出结论q（或应该执行动作q） ” 。例如： rule 1： if 装配到平面上 then 标准件的端面与装配体平面自动生成贴合装配约束关系 rule 2： if 装配到孔面上 then 标准件的柱面与装配体孔面自动生成同轴装配约束关系 针对特定领域，将所获得的知识整理成规则形式，并根据所完成任务的不同， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 将这些规则分为一组或多组规则集，即可形成专家系统的规则库。 用产生式规则表达知识与人类思维习惯比较接近，容易为人们接受和理解，较 为方便地将获得的知识转化为规则形式。但这种方法不便于处理结构化知识和全面 描述事务的名称特征，例如对于工程中常用到零件形状和他们之间的拓扑关系就难 以用规则表达清楚。 框架表示法 框架是一种组织和表示知识的数据结构。它由框架名和一组用于描述框架各方 面具体属性的槽组成。每个槽又设有一个槽名，槽名下面有对应的取值，称为槽值 或填充值。在较为复杂的框架中，槽的下面还可以进一步区分为多个侧面，每个侧 面又可以有各自的取值，作为对槽的进一步说明。一个框架的结构描述可以如图2.1 所示。 frame 槽名1：侧面名11：侧面值11 侧面名12：侧面值12 侧面名1m：侧面值1m 槽名n：侧面名n1：侧面值n1 侧面名n2：侧面值n2 侧面名np：侧面值np 图2.1 框架结构 对用于c ad的kbe系统来说，设计知识是构成kbe系统的核心，因此需要把设 计知识提取出来，作为一个知识槽来描述，并在知识槽和属性槽之间建立一定的拓 扑关系。如下图2.2所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 框架名：xxx 知识槽： 属性槽： 槽1： 槽2： 槽n： 槽1： 槽2： 槽n： 侧面1： 侧面2： 侧面n： 侧面1： 侧面2： 侧面n： 值1： 值2： 值n： 值1： 值2： 值n： 图2.2 基于知识工程的框架结构 框架表示方法是一种结构化的知识表示方法，这种表示方法使知识的表示既层 次化又模块化，在框架中不仅能描述事物的静态知识，而且能表示动态的过程知识。 但是这种知识表示方法对于工程中的几何图形的变化难以表达清楚。 基于xml表示法 可扩展标识语言（extensible markup language, xml）是标准通用的标记语言 （standard generalized markup language, sgml）的一个简化子集。xml文档内部采 用树形结构的形式描述数据，它广泛适用于各种结构化与半结构化的数据形式54。 schema规范则主要用于描述xml文档中的标记、元素和属性是什么，或者它们的含 义是什么以及必须遵循什么样的约束等，即用schema模式语言描写的模式文档（一 个模式文档即定义了特定领域的一种具体标记语言，又可称为词汇表或xml应用） 定义了可用在xml文档中的元素、属性、实体和标记的表示方法，以及这些内容之 间可能的相互关系，它描述的是一种语义结构。同时，书写模式文档本身的元语法 结构遵循的是xml规范，即模式文档本身也是一个xml文档，只是该xml文档所用 的标记是由schema模式规范定义的而已55。 如前所述，xml是采用树形结构来描述数据的，所以首先要分析所描述数据类 的结构，将其转换为树的形式。例如，标准件数据文档包括标准件模型文件、标准 件示意图、尺寸表格和主导参数，将它们按照schema规则定义节点和属性，可表示 为图2.3所示的结构树，按照xml文档可如图2.4所示进行描述。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 标准件数据 主导参数名2 尺寸表格名 主导参数名1 示意图文件名示意图文件 模型文件名 主导参数 模型尺寸 模型文件 图2.3 标准件数据的结构树 图2.4 标准件数据的xml描述 面向对象的知识表示56 面向对象的知识表示方法能够把产生式、过程表示法组织到框架中去。实际上 它是把传统的产生式、框架、过程等表示方法结合在一起的一种混合表示方法。 “面向对象”是一抽象的概念，它完整地反映实体的动态、静态属性，把实体 和它的行为（操作）作为一个整体来考虑。用一组数据（属性）描述实体特征，并 支持一组对它施加的操作（事件或方法）。面向对象程序设计思想是定义对象及建 立对象之间的通信状态，关心的是“做什么”，程序设计的范式为“对象+消息”。 面向对象的知识表示中，具体对象由类及类的实例构成，对象类的概念模式为： class： properties methods restraint end 其中类的属性表示事实性知识，方法表示过程性知识、控制性知识。知识类中 的方法包括各种启发性知识、元知识及公式图表等等用于推理的知识。类中的知识 具有封装性，不允许该对象以外的操作处理其内部数据。还可以利用类的继承性， 将复杂知识分解，减少知识的冗余，便于知识推理。这样，对象的静态、动态特征 作为一个整体存在于对象中，对象成为具有知识处理能力的实体，可灵活处于知识 库中。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 2.3.2 知识的处理方法知识的处理方法 让计算机来完成逻辑推理、知识推理等这些以前只有人才能胜任的智慧型工作， 这是人们始终不懈的追求。自动推理的分类可根据分类的方式不同而不同，本文按 照推理方法分三类，分别介绍基于规则的推理、基于模型的推理和基于范例的推理。 基于规则的推理（rule-based reasoning，rbr） 基于规则的推理（rule-based reasoning）又称搜索型推理，是指以产生式规则 表示知识的推理。规则是一种比较接近于人们习惯的问题描述方式，具有简单、灵 活和易于理解的特点，广泛用于表达启发性知识。这种推理通常没有能预先确定的 推理步骤，实际的推理步骤由初始情况和搜索过程给出，大多数情况下它是一种尝 试性的推理过程。在尝试性的推理过程中，有时需加入启发性规则，所以在某种程 度上又称启发式推理。 以规则表示知识的推理，其核心是演绎推理，从一组前提必然推导出某个结论即 三段论法。作为基本的推理方法，rbr目前在知识工程中应用最为广泛，在标准件 与柱面的尺寸匹配规则中： rule1： if 选择柱面为内柱面，即孔表面 then 尺寸匹配规则采用“=” rbr具有如下特点： 具有很强的推理能力和较高的推理效率； 知识表示形式简单（通常为if-then结构），易于系统实现； 适用于理论知识比较规范、 严谨的强知识领域， 而对于强