（计算机软件与理论专业论文）面向产品配置设计的知识表示及推理研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 面向产品配置设计的知识表示及推理研究 摘要 随着用户个性化需求的增长，基于知识的产品配置设计逐渐受到 人们的重视。本文通过对已有产品配置方法的研究，针对气动工具一 一钉枪的产t i 7 t 特点，给合适的产；i ：，1 ；f 己罱知识表示1 j f ：理求解方法。 本文主要研究内容及成果如下： 第一，结合钉枪产品，分析现有配置方法的优缺点，给出本文中 配置知识的表示方法，包括采用基于对象约束的知识表示描述结构模 型，采用基于实例的知识表示描述功能模型，并对两种知识表示的具 体实现方式进行说明。 第二，研究传统的约束满足问题，定义扩展约束满足，以提高用 户对配置求解的控制能力，给出扩展约束满足在交互配置中的应用。 第三，根据钉枪产品的特性，定义实例检索中的相似度评估方法， 以便于用户在实例的知识表示基础上进行功能需求的配置推理。 第四，结合基于约束和基于实例的配置方法，设计钌枪产品配置 设计的系统总框架，并对该系统予以实现。通过配置设计系统的实际 应用，验证了两种配置方法的可行性。 关键字：钉枪，产品配置，面向对象约束，实例模型，扩展约束满足， 相似度评估方法。 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nk n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o na n d r e a s o n i n gf o r t h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u si n c r e a s i n go ft h e s p e c i a ln e e d so fi n d i v i d u a l c u s t o m e r s ，k n o w i c d g c b a s e dp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd e s i g nh a sr e c e n t l y a t t r a c t e dal o to fi n d u s t r i a li n t e r e s t i nt h i s p a p e r , s e v e r a lm e t h o d so f k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n a n d k n o w l e d g er e a s o n i n gp e r t a i n i n g t o a i r - n a i l e rc o n f i g u r a t i o na r ep r o p o s e d a no v e r v i e wo fr e s e a r c hc o n t e n t s a n dr e s u l t si nt h ed i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , w i t ha n a l y z i n g t h e a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g e o f c o n f i g u r a t i o n m e t h o d si nt h ef i e l do fa i r n a i l e r , t w om e t h o d so f k n o w l e d g er e p r e s e n t a t a i o na r ep r o p o s e d ：o b je c t o r i e n t e dc o n s t r a i n tb a s e d m e t h o df o rs t r u c t u r em o d u l e ，a n dc a s eb a s e dm e t h o df o rf u n c t i o nm o d u l e s e c o n d l y , ak i n do fe x t e n d e dc o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o np r o b l e mi s d e v e l o p e da n dr e s e a r c h e d ，f o rt h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gt h ea b i l i t yo f c o n t r o li nt h ep r o c e s so fc o n f i g u r a t i o n r e a s o n i n g t h i r d l y , ak i n do fs i m i l a r i t ye v a l u a t i o nm e t h o di sd e v e l o p e db a s e do n t h ec h a r a c t e ro fa i r - n a i l e r , w h i c hc o n v e n i e n t su s e rf o rc o n f i g u r a t i o n r e a s o n i n gi nf u n c t i o n 1 e v e l a tl a s t ，a na i r - n a i l e rp r o d u c tc o n f i g u r a t i o ns y s t e mf r a m ei sd e s i g n e d 浙江工业大学硕士学位论文 a n di m p l e m e n t e db yi n t e g r a t i n gb o t ht h ea d v a n t a g eo fc o n s t r a i n tb a s e d a n dc a s eb a s e dc o n f i g u r a t i o n i th a sg o o dr e s u l ti np r a c t i c e k e yw o r d s ：a i r - n a i l e r , p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ，o b j e c t o r i e n t e dc o n s t r a i n t s a t i s f a c t i o n ，c a s em o d u l e ，e x t e n d e dc o n s t r a i n t s a t is f a c t i o n ，s i m i l a r i t y e v a l u m i o n 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 垂婴。炙献；内个人和集体，均已在义中以明确力标 蜘。本人乐担本声明的 法律责任。 作者签名： 参彩l 日期：z 口，萨歹月哆日 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，同意 学校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。本人授权浙江工业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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用奉授权书。 ， 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 导师签名： 日期：i 一锣年 日期：文矽劳 f 月多日 g 月哆日 友 彳氯 彳留謦 z 套长 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 产品配置及其发展 第一章绪论 随看信息技术的发腱和全球一体化进程的深入，企业的运行环境与以前相比 有了很大的变化，以产品为竞争基础的传统模式正逐渐被以客户为中心的新兴模 式取代。面对产品结构功能复杂化和用户需求个性化的趋势，需要有一种新的概 念米适应，即产品配置。 产品配置是按照用户需求，对预先定义的可配置产品的组件按照组件间的规 则进行组合，最终得到一个用户满意的产品个体的过程。根据b r o w n 和 c h a n d r a s e k a r a n 对设计的分类，a g u n t e r 将产品配置归为常规设计( r o u t i n e d e s i g n ) ，即在对象的组成结构、规范和性质已知的情况下，根据一定的策略找出 满足规范的解的过程【l 】。而从人工智能的角度来看，产品配置相当于一个专家系 统：配置系统将专家对产品的配置知识存储于知识库中，并用一定的产品配置方 法，根据用户输入系统的要求对知识库中的知识进行推理，将得到相应的配置结 果反馈给用户。 产品配置不仅能在企业销售过程中根据用户的要求进行配置，以提供不同功 能的产品；还可以辅助企业开发新系列产品；对于任何具有可配置特性的实体也 能提供支持，例如软件配置，资源配置等等，因此具有广泛的应用前景。 产品配置的概念起源于上世纪8 0 年代的第一个商用产品配置系统 r 1 x c o n 1 1 ，r 1 x c o n 是美国d e c 公司和卡内基一梅隆大学合作开发的用于配 置v a x 计算机的产品配置系统，它根据用户的要求将不同组件按照一定的空间和 逻辑关系组合起来，从而生成满足用户需求的最终产品。r l x c o n 采用基于规 则的产品配置方法，用6 2 0 0 条规则表示配置知识，并在此基础上进行推理求解。 这种自动配置减少了手工配置成本和人力的投入，使人们看到了产品配置的商用 浙江工业大学硕士学位论文 潜力。在此后的一段时间里产生了众多的商用或研究用的产品配置器( 即产品配 置系统) 和产品配置理论模型。根据时间、采用的理论模型以及应用对象的不同， 可以将产品配置分为以下三个阶段： 1 ) 产品配置的起源阶段： 上世纪8 0 年代，由于r 1 x c o n 系统的成功应用，产生了很多与其相似的系 统，如s i m e n s 公司为s i c o m pm m c 2 6 1 微电脑系统开发的m m c k o n 配置系统等 3 1 。这一时期的产品配置系统基本上采用基于规则的配置方法，并且都是针对某 个专门领域而建立的，不具有通用性，该阶段也缺乏相应的理论研究。 2 ) 产品配置的发展阶段： 上世纪9 0 年代初到9 0 年代术，经过一段时i 创的实m 、使用，基于规则的配置 系统逐渐显示出自身的不足。一方面产品的更新需要知识库同步支持，而基于规 则的产品配置系统，对配置知识的规则库的维护和更新是复杂和烦琐的，例如 r 1 x c o n 中的6 0 0 0 条规则中大约有一半需要每年更新；另一方面，产品配置需 求市场不再满足于现有的针对特定领域的产品配置系统，从而产生了一定程度上 面向通用的产品配置系统：如基于产品概念层次结构的p l a k o n 和 k o n w e r k l 9 11 配置系统【4 1 ，基于资源的s a l e s b u i l d e r 配置系统【5 1 ，以及基于 约束的i l o g 和s e l e c t i a 配置系统，除了这些单独使用的产品配置系统外，随着 m r p m r p i i 及e r p 和p d m 开始在国外企业的普遍应用，这些企业信息集成系统 的制造商也将产品配置系统作为一个子系统集成进来，如s a p 的产品配置系统 【6 1 。随着对产品配置理论研究的深入、不同理论模型和实际应用系统的产生，一 些针对产品配置的研究组织也开始形成建立了，如i j c a i ( i n t e m a t i o n a lj o i n t c o n f e r e n c eo na r i t i f i c a li n t e l l i g e n c e ) w o r k s h o po nc o n f i g u r a t i o n 和e c a l ( e u r o p e a n c o n f e r e n c eo na r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e lc o n f i g u r a t i o nw o r k s h o p 等。相对第一阶段面 向专刚领域的配置系统，这一时期的产品配置系统通用性更强，可以配置一定类 型范围内的产品。另外，产品配置理论模型及应用研究也取得了一定的进展，对 配置模型、配置产品的知识表示、配置求解等方面展开了较为深入的研究。 3 ) 产品配置的繁荣发展阶段： 从本世纪初开始，产品配置的市场进一步扩大，出现了很多小的产品配置系 统或自动产品贩售机，表明产品配置已越来越受到产品经营者和消费者的关注， 浙江工业大学硕士学位论文 产品配置进入了繁荣的发展时期。 这一时期的研究重点丰要集中在以下几个方面： 一快速正确地求解并提供给用户正确的配置结果和详细解释。 一 方便地与用户进行交- q 7 】【8 】。 一简单地维护产品配置知识的演化。 - 辅助企业的产品开发。 - 与企业的其他信息系统( 如p d m ) 无缝连接集成。 一产品配置的网络化。 一对不具有固定结构的概念产品的配置【9 】【0 1 。 本义则主要针刘钉枪产品给出合适的产品配置力法，以提供详细的配置解 释，帮助用户进行交互式的钉枪产品配置。 1 1 2 研究课题的来源 本文研究的课题来源于浙江省科技厅的重大招标项目面向产品创新的数字 化工业平台及其在气动电动工具产品开发中的应用。根据对浙江大江实业有限 公司进行的需求分析，本论文以产品模型的配置知识表示与推理为主要研究方 向，利用相关的研究成果建立钉枪产品配置设计系统，帮助设计人员灵活地建立 钉枪产品模型，进行个性化的产品配置。 以下先分析国内外对配置知识表示和推理的研究现状，在此基础上，针对钉 枪产品的特点给出本文中实现的产品配置方法。 1 2 国内外研究现状 同内外对产品配嚣从理论上和应用一卜都做了大量的研究。 1 2 1 理论方法研究 在产品配置设计的理论方法研究上，一般侧重于产品配置知识的表示和产品 配置问题的求解两方面。 c u n i s 等a 4 1 提出了基于结构( s t r u c t u r e b a s e d ) 的产品配置知识表示，即对产品 的组件建立组合关系的概念，并以这种组合结构关系作为配置的引导，在此理论 浙江工业大学硕士学位论文 上建立了配置系统! p l a k o n _ ! 和k o n w e r k 。 壬董e 减曲和j 蝣s t 【1 2 3 则关注于配置过程中能量及资源的平德，提出以产品中资 源的产生和使用作为配谶指导的基_ r _ j 二资源的配置办法。 p f i 纽一1 3 3 提出了基予实例的配置方法，该方法易于描述特征明显的模型知 识，而较难描述结构等配置知识，当案例库充足时，该方法能有较高的效率。 t i m os o i n i n e n t l 棚提照用产品配置的本体论来表示和统一所有产品配置中的 概念，因此是一种通用的产品配置表示方法，包含了大部分以前提出的产品配置 理论模型中的概念。 m c g u i n e s s 1 5 】提出采用描述逻辑( d e s c r i p t i o nl o g i c ) 来表示和推理产品的配置 知识。虽然逻辑沿言共铂。圾强的知i 表达能力，但水具备超好的求解效率。 a l e x a n d e rf e l f e m i g 和g e r h a r df f i e d r i c h 1 6 l 研究了基于知识库的配置环境系 统，建立了产品配置的檄念模型和知识库的自动构建摸型。采用基于模型的诊断 技术对知识库的有效性进行确定。讨论了一种标准的设计语言对配置知识库进行 建模和管理。 m a t tr b o h m 和r o b e r tb s t o n e 17 】提出了一种虚拟的产品知识表示方法，以此 保证知识库的一致性。 刘晓冰【1 8 】【1 9 1 针对产品配置中快速变形设计的要求，研究了产品族模型的配置 和表汞方法，提出了基于功能、原理和结构模型的产品族建模方法。在问题求解 上，提出采用模糊优选法解决配置过程中相似实例的提取问题，并给出了基本算 法。 孙伟鳓分析了企业应如何根据所处的市场环境采用适宜的生产模式，以及有 效实施大规模生产的策略。在现有产品及零部件合理化的基础上，系统性地提必 了产品规划及产品配置设计方法。 谭建荣等人f 2 1 【2 2 删【2 4 】提出了基于产品功能结构单元的产品配置模板来完成 客户配置需求的快速响应，给出了产品配置模板的信息模型和配置求解策略，并 且通过引入配鬣设计知识的混合表示方法，以适应复杂机械产品的设计需求。另 外，他们还针对可配置产品和产品族的特点，提出一个基于g b o m 的产品配置模 型g p c m ，并详细分析了模型中配置单元的构成、划分以及规则的表示等问题。 杨建红【2 5 j 提出基于组件搜索的产品配置模型，认为配置的过程需要通过对部 4 浙江工业大学硕士学位论文 件和零件的两次搜索来完成，第一次搜索确定零部件族，第二次搜索确定具体的 有效零件版本。这种方法更加偏向于配置问题的求解。 艾新好等2 6 讨论_ 产品配置过程中的信息类别，提出了基于成长树模型的产 品规则配置模型，一定程度上满足了产品配置的要求，但不适用于复杂结构的配 置。 张劲松【2 7 】【2 8 提出了基于本体的配置建模方法，建立了产品配置元模型；并应 用配置本体的基本概念( 构件、功能、资源、关系、端口、约束等) 对产品进行 配置建模，给出了建模的一般过程。 1 2 2 应用研究 关于产品配置设计的应用研究方面，目前已经有了一系列的商业化产品配置 系统，包括：i m a nc o n f i g u r a t o r , o r a c l ec o n f i g u r a t o r , t r i t o n 等【2 9 】。 美国的戴尔( d e l l ) 公司开发的在线产品配置系统【3 0 1 可以让用户配置个人计算 机和服务器，用户可以从网站上选定自己需要的计算机硬件及必要的设备来配置 个人电脑。 日本的马自达公司开发了桥车在线定制系统，用户可以在其支持下对顶棚、 车轮、转向盘、座椅、车身等选项进行配置，以定制个性化的桥车设计方案【3 1 1 。 顾新建等【3 2 】介绍了在线产品配置系统的设计目标，分析了在线产品配置系统 的建立和应用两个循环过程，并且对在线产品配置系统的各种案例进行了分析。 在此基础上开发了通用在线产品配置器。 中科院研究所、浙江大学和大连理工大学共同承担的国家8 6 3 重大攻关项目 的研究成果，也已经初步应用于定制型企业的产品设计。 上述的研究工作在产品配置的知识表示和推理求觯办面提出了各种模型和 方法，为本文的研究提供了很大的帮助。但是单一的产品配置方法不能完全满足 本文的研究对象气动工具钉枪的配置需求。因为钉枪是一种层次性的结构产 品，但零部件之间除了结构关系以外，还存在性能上的约束关系，同时钉枪的外 部功能属性与内部结构之间的也存在映射关系。而基于结构的表示方法和基于约 束的表示方法只能分别描述结构和约束的配置知识；基于实例的表示方法能描述 浙江工业大学硕士学位论文 钉枪产品的功能知识，但难以表示内部结构之间的约束知识；基于本体的表示方 法虽然可以通过概念描述来表示通用的产品知识，但采用这种知识表示方法对设 计人员建模的要求较高，并且求解效率较低。另外，在传统的约束及其他方法的 推理求解中，用户较难参与及控制配置求解的过程。 1 3 研究的目的和内容 1 3 1 研究目的 本文针对研究对象气动工具钉枪，给出合适的配置知识表示方法，并实 现钉枪配置的交互式求解过程，以满足结构配置以及功能配置的需求，在此基础 上，开发钉枪产品配置设计系统，验证方法的应用价值和实用性。 1 3 2 研究内容 本文以浙江大江实业有限公司的气动工具钉枪产品为研究和实验对象， 主要进行以下研究工作： 1 开展产品配置方法理论的研究，综合分析已有的产品配置设计方法的优 缺点及适用的领域，确定适合气动工具钉枪产品的配置方法，包括 配置的知识表示与求解。 2 开展气动工具钉枪产品配置的知识表示的研究，包括： 1 ) 采用基于面向对象约束o o c s p ( o b j e c t o r i e n t e dc o n s t r a i n t s a t i s f a c t i o np r o b l e m ) 的知识表示描述结构模型。定义知识表示中的配 置单元、抽象约束以及抽象产品模型的x m l 存储方式，并给出实例 化模型时具体约束的生成方法。 2 ) 采用基于实例的知识表示描述功能模型。定义知识表示中的用户需 求模型和钉枪产品的实例模型。 3 开展交互式推理求解的研究，包括： 1 ) 定义扩展约束满足，并给出扩展约束满足在钉枪产品配置中的应用。 2 ) 定义基于实例配置求解中的相似度评估方法。 4 结合约束和实例方法实现钉枪产品配置系统。 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 论文的组织结构 论文章节安排如下： 第一章介绍了论文的研究背景，国内外的研究现状，以及研究的目的和内容； 第二章介绍了产品配置方法相关理论基础，针对钉枪产品给出相应的的产品 配置方法； 第三章具体描述了气动工具钉枪产品中的知识表示，包括面向结构模型 的o o c s p 的知识表示，以及面向功能模型的实例知识表示； 第四章给出对应知识表示的配置求解方法，通过定义扩展的约束满足和基于 实例的相似发汀仙力法，帮助j t y ，史好的参与整个产品配置过程； 第五章给出了采用上述方法的钉枪配置系统的具体实现； 第六章是对全文的总结和进一步工作的展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章产品配置方法 本章首先介绍各种产品配置方法；在此基础上，针对气动工具钉枪产品， 给出本文所实现的知识表示方法和改进后的求解方法。 2 1 产品配置方法 2 1 1 可配置产品 可配置产品【3 3 1 是指产品的组件及组件组成产品的方式是预先定义的，通过可 能的方式对组件进行组合或配置，可以得到所有可能的产品。 可配置产品具有以下基本特性： 1 ) 可配置产品可以向不同用户提供预先定义的一定范围内的功能，如果用 户需求的功能在可配置产品允许提供的功能范围之内，则用户可以通过 可配置产品得到满足自己所需求的产品。 2 ) 最终获得的产品是通过将预先设定好的组件按照一定的方式进行组合而 完成的。 3 ) 在整个配置过程中，不需要设计新的组件、结构和关系，因此，产品的 获得是以一种常规的设计【1 方式进行的。 2 1 2 产品配置方法 产品配置方、法从理论上给出了配置的知识表示与推理求解，其中配置知识表 示用于描述可配置产品的模型和用户的要求，而推理求解则按照用户的要求对产 品模型进行配置，以得到满足用户需求的产品。 产品配置系统是对应产品配置方法的实际执行系统，一些文章中也称为产品 配置器, ( p r o d u c tc o n f i g u r a t o r0 1 p r o d u c tc o n f i g u r e r ) ，它主要完成对产品配置模型的 管理以及对配置进行求解【3 3 】。产品配置方法与系统如图2 1 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 配置知识表示概述 图2 1 产品酝量方法与系统 在配置中需要对研究对象进行知识表示，按照s t l l m p t l l e r 【3 4 】的观点，配置的知 识表示主要分为两类，一类称为面向表示的配置知识表示，另类为面向任务的 配置知识表示。 面向表示的观点认为配置中的笑键问题是能岔表达问题领域的结构与属性， 面向表示的配置知识表示包括基于规则、框架、结构、约束、资源以及本体的知 识表示方法。 面向任务的观点认为配置的关键问题是正确识别要解决的子问题，问题的不 同侧面实际上反映了不同的推理任务。面向任务的配置知识表示方法主要指基于 实例的知识表示疗法。 2 2 1基于规则的知识表示 早期的产品配置系统大多采用基于规则的知识表示，即用规则来表示产品的 配置知识，并按照一定的推理策略对配置知识进行推理或求解，从而得出配置结 果。 基于规则的知识表示，又称为产牛式的知识表示办法。其推理机制接近人类 浙江工业大学硕士学位论文 的思维方式，因此取得了广泛的应用。基于规则的一般形式3 5 1 是： i f t h e n l 规则主要包括两个部分：前提和结论。前提是条件，当条件为真时，规则被 激活；规则的结论是规则激活的结果，当规则被激活时，结论为真。规则的激活 通过增加或修改事实来影响知识库。 以钉枪设计规则为例： 规则r 1 ( 动力系统选则) i f 枪体型号= t 6 4a n d 控制系统为全连发 t h e n 动力系统使用气罐 e l s e 动力系统使用气泉 基于规则的知识表示的优点是： 1 ) 自然性。基于规则的知识表示方法采用“i f t h e n ”的形式表示知识， 是人们常用的一种表示因果关系的知识表现形式，直观自然，也方便推 理。 2 ) 有效性。基于规则的知识表示方法既可以表示确定性知识，又可以表示 不确定性知识，还能表示启发性知识和过程性知识。所以通常状态下的 知识都可以有效的采用基于规则的知识来表示。 但是基于规则的知识表示存在以下缺点： 1 ) 难以保证知识的完整性。为了支持具体设计问题的定义和推理求解，需 要将求解网络中的所有设计规则都完整的表达出来，但知识抽取的过程 复杂并且很难保证知识的完整性。 2 ) 推理求解效率低。在推理过程中必须逐步匹配，降低了求解的效率。 3 ) 知识的演化和维护困难。当因配置知识变化而需要修改知识库时，进行 的修改不是局部的，这是因为规则之间存在高度的相关性。 当规则被作为唯一的知识表示形式时，上述的缺点更加突出。可行的方法是 把规则表示与其他的知识表示方法相结合使用，同时使用启发式规则以充分发挥 其优点。 l o 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 2 基于框架的知识表示 基于框架的知识表示采用通用的数据结构存储实体。框架中包含槽、槽值、 侧面和侧面的值等概念，其中槽可以是子框架，这样通过框架之间的嵌套，可以 清楚表达对象及子对象的属性和实例。框架适合于层次化的知识表示，具有关系 数据库的功能 3 5 】。 框架表示的b n f 范式描述如下： ：= u n i t ： i n s u p e r c l a s s ： ， ) s u b c l a s s ： ， m e m b e r ： ， m e m b e ro f - ， e n di j n i t ：= s l o t ： f r o m v a l u e c l a s s ： i n h e r i t a n c e ： ： ) v a l u e ： e n ds 1 0 t ：= i n t e g e rr e a ls t r i n gir u l em e t h o d s ：= o v e r r i d eu n i o nm e t h o d s ：= ：= ：= j i ：= i ：= a z a z ：= 0 9 其中 表示可以出现0 次或多次。 浙江工业大学硕士学位论文 基于框架的知识表示能描述静态的配置模型，但难以表示配置的规则( 即过 程性知识) ，因此不利于配置的推理求解。 2 2 3 基于结构的知识表示 基于结构的知识表示用概念来表示配置领域中的对象，并对这些概念进行分 类组合，从而反映产品结构，在配置求解时依照概念结构进行配置，最终得到配 置结果。由于这种表示方法首先在工业产品配置中提出，因此对于“结构”可 以从以下两方面理解：一是指具体零部件之间的连接方式( 装配结构) ，二是指 装配零部件的属性集合( 个体组件结构) 。 基于结构的知识表示优点是结构清晰、直观明了，适用于注重关键组件及相 互间组合的产品；缺点同基于框架的表示方法类似，即难以描述属性之间的约束 关系。 2 2 4 基于约束的知识表示 基于约束的产品表示方法将产品中的可配置组件或对象看作可以有不同取 值的变量，变量的不同取值代表不同类型的组件或对象，不同组件或对象之间取 值的限制以约束的形式表示，满足所有约束的组件的取值组合就是产品的配置结 果。因此，基于约束的产品表示方法将产品的配置知识转换为各个组件或变量以 及这些变量之间的约束，在此基础上，将求解过程转化为对变量取值组合进行搜 索，直至满足所有的约束。 基于约束的知识表示的优点是： 1 ) 求解算法一般允许生成多个结果。 2 1 配置有效性。给定一个已经存在的配置，它的正确性能通过是否满足c s p 的一致性表示来验证，以检查该配置是部分的还是完全确定的。而在基 于规则的系统中，这些固定活动都被明确地写入程序，导致了知识库的 冗余。 3 ) 不同求解算法的性能得到了比较深入的研究，容易获得比较有效的求解 算法。 4 ) 在知识库系统中，控制知识与问题知识相互隔离。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 它的缺点是： 1 1 缺乏直观性。用术语和变量来描述产品知识，属于一种隐式的知识表示 方法，不能直观地体现出零部件之间的结构b o m ( b i l lo f m a t e r i a l ) ，并且 与其它企业管理系统的集成接口会出现缝隙，给熟悉p d m 系统的领域 专家的建模带来不便。 2 ) 约束知识管理困难。由于约束直接作用在零部件之间，使得约束管理难 以保证一致性。 2 2 5 基于资源的知识表示 基于资源的知识表示方法，产品的组件之间并不存在显示的直接关系，取而 代之的是组件之间的产牛和消耗关系。即在基于资源的产品配置中，仅存在两种 关系的组件：产牛资源的纽件和消耗资源的组件，每个个体组件都被看作系统中 其他地方的资源提供者【1 2 】。 基于资源的知识表示的优点是知识库具有积木式结构，组件间的关系不依赖 于端口而是根据它们的功能确定的，通过分离、拆分不同组件类型使得知识库的 维护更加容易，因此适用于专业知识较少的一般用户。 缺点是不能够表示结构、拓扑知识和启发知识，与基于结构的方法相比，在 求解中回溯过多，组件类型的拆分受到限制，一般适用于没有例外的产品设计中。 2 2 6 基于本体的知识表示 本体表示是目前研究比较多的一种知识表示方法，所谓本体论( o n t o l o g y ) ， 其哲学意义是指事物的本原。本体面向领域描述了实体、类、属性、谓词、功能 等词汇以及这些词汇之间的关烈3 6 1 。提出本体论的动机丰要有两个： _ 术语的标准化。在大规模定制的生产制造或工程项目中，来自不同组织 的小组之间需要一种规范化的共同语言用于交互信息。 一企业资源的可重用性。将公共信息收集到本体中，并提供有效的检索手 段，将节省大量的重复劳动，促进企业资源的有效共享。 t i m os o i n i n e 在重要的a i e d a m 学报上首次全面地阐述了产品配置本体的概 念。s o i n i n e n t l 4 】认为配置知识可以分为三类： 浙江工业大学硕士学位论文 1 ) 配置模型知识。配置模型知识指定了关于配置模型和需求的“正确配置” 集合，包括在配置中出现的实体、实体的属性以及实体和它们的属性如 何组合的规则。 2 ) 配置答案知识。给定的配置足够详细地描述了一个真实世界的配置。 3 ) 需求知识。表示要进行配置的需求，尽管需求知识在配置问题的求解中 所起的作用不同，但可以把它划归到配置模型知识或配置答案知识概念， 因此在配置本体中只有配置模型知识和配置答案知识。 本体试图通过定义一些概念来表示知识。图2 2 是s o i n i n c n 给出的配置本体 的一般结构。它综合并涵盖了用于描述不同类型配置知识的四种概念：分别是基 于结构、基于资源、基于连接和些于功能这四种产g l i - 1 配置力法中的结构、资源、 连接和功能等概念，统一了产品配置知识的概念化表示，使概念化的配置知识具 有可重用性、共享性和可扩展性，同时易于珲解，是一种产品配置知识的通用表 示 隽法。 图2 - 2 配置本体知识表示结构 2 2 7 基于实例的知识表示 与上述表示方法不同，基于实例的知识表示实际上属于面向任务方法，它将 以前求解过的配置问题作为实例存储在数据库中，这些配置问题具有公共的特征 变量以相互区分。当用户提出一个新的配置问题时，该方法计算新问题同数据库 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 中实例之间的相似度，并选取相似度最大的实例。对所选实例按照新问题进行某 些改动，就可以得到满足当前需要的配置结果。 优点是不需要对整个领域的通用知识进行形式化描述，因此有较高的效率。 缺点是： 1 ) 样本依赖性。虽然可以找出用户较为满意的配置结果，但这依赖于数据 库中有足够多的样本，并且需要选取合适的局部相似度的计算方法。 2 ) 保守性。基于实例的知识表示方法只能得出和以前类似的配置结果，因 此具有保守性，不能配置出新的产品。 2 3 配置问题的推理求解方法 配置知识的表示丰要用来描述领域问题，而配置求解辛要是寻求配置的策 略，侧重点有所不同。但实际上，问题的求解方法往往是和问题表示模型紧密联 系的，即不同的表示模型可能会采用不同的求解方法【3 7 1 。 产品配置问题的求解方法分类可以用图2 3 来表示【3 8 】，分类方式依据解决产 品配置问题是否需要某个特定的领域知识。若求解办法使用某些特定的专业知 识，以减少搜索遍历的空间，提高求解效率，则称为知识指导方法，例如基于实 例的方法c b ( c a s e b a s e d ) 、提议- 评价- 修改的力法p c m ( p r o p o s e c r i t i q u e m o d i f y ) 等；若求解方法使用某种固定的模式来求解，就称为一致性算法，例如约束满足 问题c s p ( c o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o np r o b l e m ) 、逻辑程序l pf l o g i cp r o g r a m m i n g ) 、基 于特定概念的方法等。 浙江工业大学硕士学位论文 配置问题求解p s m 一致性方法 约束满足ll 逻辑程序il 特定概念 ( c s p ) il ( l p )i 的方法 知识制导型方法 基于实例 ( c b ) 提议评价 修改( p c m 0 选择验证ll 匹配修正测试ii 启发式分 ( s y ) ll 聊m t ) l 】类( h c ) 资源平衡11 产品结构l1 端口连接 ( r b )i ( p s )li ( h c ) 提议回溯ll 提议修正 ( p b ) li ( p r ) 2 - 3 1约束满足求解方法 图2 3 产品配置推理求解分类 约束满足的求解一般需要结合2 2 4 节中基于约束的知识表示方法。传统的 c s p 由于自身的表达限制不能直接描述产品的某些动态配置知识，在配置中也不 能提供良好的交互性。 一 为了体现产品配置问题的动态特性，即一个配置模型的所有变量赋值并不都 出现在配置结果中，m i t t a l 1 1 】引入了动态约束满f f = d c s p ( d y n a m i cc o n s t r a i n t s a t i s f i c a t i o np r o b l e m ) ，通过活动变量( a c t i v ev a r a b l e ) 、活动约束( a c t i v ec o n s t r a t i n t ) 来解决动态问题。( 式2 1 ) 给出活动变量、活动约束关系的示例：其含义是如果 变量m 是活动的，取值为，则约束口，为活动约束，当口，成为活动约束以后又 激发c o o ，使其成为活动变量，并以此类推，d c s p 通过这种方式来得到最终的 配置结果。 a j = ( m = ，与d ) ( 式2 - 1 ) 一个d s c p 问题的解应该： 1 ) 符合所有的兼容( c o m p a t i b l e ) 约束以及活动约束； 2 ) 包含所有的初始赋值； 3 ) 是最小集合。 浙江工业大学硕士学位论文 通用约束满足g c s p ( g e n e r a t i v ec s p ) 3 明扩展了d c s p 方法，引入了通用约束 ( g e n e r i cc o n s t r a i n t ) 和资源约束( r e s o u r c ec o n s t r a i n t ) ，通用约束描述组件的类型约 束关系，资源约束则描述组件属性间的约束关系，同时还使用d s c p 中的活动约 束来建立组件和属性值的约束关系。g c s p 问题求解在两个层次上进行，一个是 组件级别的推理，一个是属性级别的推理，从而有效地缩小搜索空间，提高求解 效率。 本文中针对传统c s p 在配置求解中不能提供良好交互的问题，定义了一种扩 展约束满足e c s p ，该部分将在第四章中详细讨论。 2 3 2 基于特定 l ；c 念的求簿方法 基于特定概念的求解方法主要包括资源平衡方法、产品结构方法以及端口连 接方法。与c s p 求解方法类似，这些方法在很大程度上依赖于重要的领域概念： 端i ( p o r t ) ，资源( r e s o u r c e ) ，组件关系( h a s - p a r t s 、i s 一幻。其求解的方法直接反映配 置知识的表示方式。 2 3 2 1 资源平衡方法 资源平衡r b ( r e s o u r c eb a l a n c i n g ) ： d 法在的知识表示基础上用平衡原则对产 品进行配置求解，即引入新组件时，需要检测部分配置的消耗资源量是否大于产 生资源量，通过这种检测最终得到有效的配置结果。 这种办法有较好的通用性，但求解依据单一，即只有总体量能的关系，因此 很少单独使用。 2 3 2 - 2 产品结构方法 在结构的知识表示基础上，产品结构p s ( p r o d u c ts 缸1 l c t i 玳) 方法【4 0 】主要通过以 下的步骤进行求解： - 通过层次关系h a s - p a r t s 对组件进行分解，引入新组件。 _ 通过泛化关系i s a 关系来具体化对象。 _ 通过组件间p a r t o f 关系确定聚合关系，h a s p a r t s 和p a r t o f 是一对互逆操 作，求解验证时要出去有歧义的包含关系。 浙江工业大学硕士学位论文 一对象的实例化。 ，2 3 2 3 端口连接方法 端口连接p c ( p o r t sc o n n e c t i o n ) 3 h 法( 1 1 1 基于端口p o n 这样一个核心概念，组件 对象之间的交互关系统一采r e p o r t 来表示，约束则依附于p o r t 之上。整个问题求 解是一个从关键组件( k e yc o m p o n e n t ) 开始，迭代地搜索相容p o r t 的组件，并最终 形成产品配置的过程。 2 3 3 基于实例的求解方法 基于实侈t j ( c a s e - b a s e d ) 的配置求解方法是c b r ( c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ) 在产品 配置中的虑用，主要可以分为以下几种： 1 1 选择一验证( s e l e c ta n dv e r i f y ) 办法 方法基于这样的假定，即配置结果可以在有限的实例中选择得到。过程是根 据一定的匹配规则，找出相似度最大的实例作并进行验证，直到成功退出或失败 终止。 2 ) 启发式分类( h e u r i s t i cc l a s s i f i c a t i o n ) 方法 上述的选择一验证方法需要穷举匹配知识库中的所有实例，因此计算时间复 杂度较大。为了弥补这种不足，启发式分类对实例按一定的需求条件进行组织， 提高了求解效率及实例的命中率。 3 ) 匹配一修改- j 试( m a t c h m o d i f y t e s t ) 方法 匹配一修改一测试是标准的c b r 方法，过程如图2 - 4 所示。与选择一验证方 法的不同之处在于这种方法需要对初次选取的结果进行修改并测试，才能得到配 黄结果，目前一般采用摹于知识规则的方法对实例进行修改，i i l f 实例的属性不 满足配置要求，t h e n 调整赋值直到重新满足。 浙江工业大学硕士学位论文 图2 0 基于实例的求解流程 2 3 4p c m 配置问题求解方法 除了上山提剑的主燮的广占c i 配置求解力沤外，还囱。其它些求解办法，例如 建议一评价一修j e p c m ( p r o p o s e ，c r i t i q u e ，m o d i f y ) t y 法t 4 1 1 。这种方法的求解步骤 是：提出一个初始配置方案，然后根据用户需求进行测试，如果存在冲突或不一 致，则对配置进行修改以消除冲突，直到成功退出或者失败终止。p c m 主要有 以下三种求解方式： 1 ) 提议一回溯p & b ( p r o p o s e a n d b a c k t r a c k ) 方法 这种方法采用一种反复迭代的过程，当做出决策后，p & b 进行约束一致性和 需求一致性检测，如果产生冲突，则选择另外一种方案，当所有的可选方案都失 败后，p & b 按顺序执行回溯，取消先前引起冲突的决策，这样反复迭代直到结 束。与深度优先算法不同的是在建议( p r o p o s e ) 这一阶段，因为领域知识能使p & b 首先寻找一个最合适的方案，其最大的缺点是效率比较低。 2 ) 提议一修正p &