（机械工程专业论文）面向设计过程的分布式知识管理.pdf

面向设计过程的分布式知识管理 摘要：产品设计知识管理被认为是2 1 世纪产品竞争取得成功的关键技术。随着虚拟组织和动态联盟的运营模式 在制造业中实施和发展，产品设计面临分布动态，异构的设计环境和复杂的设计任务。目前知识管理普遍采用 集中式模式，忽视了知识固有的分布性特征和知识主体的自治性，难以适应协同设计过程中知识管理的需要。 本文从殴计主体的角度出发，研究设计过程的分布式知识管理技术。研究主要是以分布式协同技术为平台，以 设计过程知识获得手段的研究为基础，主体间知识流的发生规律的研究为突破点，进行分布式知识管理系统的 分析。建立了设计过程上下文的捕获和表达机制，研究了设计过程中的设计知识的捕获方法，给出了基于设计 过程上f 文来的知识相关性推理的具体算法。提山了多层次的设计知识捕获框架和相关知识挖掘算法，研究如 何从设计主体的设计行为事件的捕获入手，建立嵌入知识活动的轻量级设计历史，重点研究主体殴计过程的设 计事件建模，设计行为捕获、通过底层行为数据进行目标设计任务推测、设计规划识别等知识挖掘手段解决设 计过程知识获得。为了促进组织知识流运转效率和质量，进行了知识流分析的研究，探讨了主体间知识共享的 合作意愿度，以社会网络分析技术为基础，提出了工作流规划中对知识流进行优化的方法，该方法在满足资源 约束的前提f ，根据角色在知识合作网络中的特征，优化对任务角色的指派，以提高工作流邻接节点间的知识 流动效率。最后在这些研究的基础上提出了一个分布式知识管理系统架构。 关键词：设计知识，设计过程上下文，知识流，社会网络分析，分布式知识管理 d i s t r i b u t e dk n o w l e d g em a n a g e m e n tf o rp r o d u c td e s i g np r o c e s s a b s t r a c t ：k n o w l e d g em a n a g e m e n tf o rp r o d u c td e s i g np r o c e s si sk n o w na st h ek e yt e c h n o l o g yf o r t h es u c c e s so f p r o d u c to f2 1 “c e n t u r yi nc o m p e t i t i o n a l o n gw i t h t h ei m p l e m e n t a t i o na n dd e v e l o p m e n to f t h en e wb u s i n e s s s u p p o r t e db yv i r t u a lo r g a n i z a t i o n a n dd y n a m i cf e d e r a t i o n ，p r o d u c td e s i g nc o n f r o n t st h ec h a l l e n g eo fd y n a m i c ， d i s t r i b u t e da n dh e t e r o g e n e o u sc o m p u t i n ge n v i r o n m e n t s ，a n di n t r i c a t ed e s i g nt a s k s t h ec e n t r a l i z e dm o d ea d o p t e d w i d e l yi nc a r r e o tk n o w l e d g em a n a g e m e n tn e g l e c t st h ei n h e r e n td i s r i b u t e da n da u t o n o m o u sc h a r a c t e r so fk n o w l e d g e ， t h u sf a i l i n gt om e e tt h en e e do fk n w o l e d g em a n a g e m e n td u r i n gt h ep r o c e s so fc o m p l i c a t e dp r o d u c td e s i g np r o c e s s s f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fd e s i g na g e n t s ，t h i sp a p e rd e v o t e st ot h es t u d yo fp r o c e s s o r i e n t e dd i s t r i b u t e dk n o w l e d g e m a n a g e m e n t i tf o c u s e so nt h ec o n t e x to fd e s i g np r o c e s s ，k n o w l e d g ec a p t u r e ，r e p r e s e n t a t i o n ，s t o r a g e ，r e u s e ，i n t e g r a t i o n a n dc o o p e r a t i o n c o m b i n e dw i t ht h el a s t e s td e v e l o p m e n ti no n t o l o g y , s e m a n t i cw e ba n dd i s t r i b u t e dc o m p u t i n g t e c h n o l o g y , t h i sr e s e a r c he x p l o r e st h ef u n d a m e n t a lf u n c t i o n ，f r a m e w o r ka n ds y s t e mi m p l e m e n t a t i o no fd i s t r i b u t e d i i k n o w l e d g em a n a g e m e n t t h i sp a p e rp r o p o s e sad w c ( t h ed e g r e eo fw i l l i n g n e s s t oc o o p e r a t e ) m o d e lo nd y n a m i c e v o l u t i o no fk n o w l e d g es h a r i n ga c t i v i t y t h e nas o c i a ln e t w o r ka n a l y s i sb a s e dm e t h o di sr e s e a r c h e dt oo p t i m i z et h e k n o w l e d g ef l o w , w h i c hi m p r o v e sk n o w l e d g es h a r i n ge f f i c i e n c yi no r g a n i z a t i o n al i g h t w e i g h td e s i g nh i s t o r y m a n a g e m e n tf r a m e w o r ki sp r o p o s e d ，w h i c hb e g i n s w i t ht h ed e s i g ne v e n to n t o l o g ya n da na c t w i t y k n o w l e d g e a c q u i s i t i o nm e t h o dt h a t c a p t u r e st h ed e s i g n e r sb e h a v i o rw i t h o u td i s t r a c t i n gd e s i g n e r sf r o mt h e i rn o r m a ld e s i g n p r o c e s s e s i no r d e rt oa c q u i r et h ed e s i g ni n t e n tk n o w l e d g e ，an a i v eb a y e sa p p r o a c hi st a k e nt op r e d i c tt h eg o a lt a s ko f d e s i g ne v e n t sa n dp l a nr e c o g n i t i o nm e t h o dt od i s c o v e r yt h ew o r k f l o wl e v e ld e s i g np r o c e d u r a lk n o w l e d g e k e yw o r d s ：d e s i g nk n o w l e d g e ，d e s i g nc o n t e x t ，k n o w l e d g ef l o w , s o c i a ln e t w o r ka n a l y s i s ，d i s t r i b u t e dk n o w l e d g e m a n a g e m e n t i l l 1 前言 经济全球化和技术手段的提高，加速了虚拟企业和动态联盟的模式在制造企业运营中实施和发展，作为制 造企业的核心部分产品设计的环境发生着深刻变化吐复杂产品设计成为一种多学科交叉的知识密集化， 分工专业化的分布式协同问题求解过程。设计能否成功取决于知识资源的支持，因此产品协同设计的知识管理 被认为是2 1 世纪产品竞争取得成功的关键技术【2 j 。 1 1 设计知识管理研究现状 产品协同设计知识管理在信息管理、p d m 技术、设计资源管理、知识仓库的基础上，利用基于知识的工程 系统( k b e l s ) ，通过与产品开发过程的结合，对产品开发过程中的知识进行识别、获取、表达、组织、存 储、供应、发布，同时通过面向过程的设计原理管理机制，记录、捕获设计意图、设计决策过程等，促进知识 的转化过程加快。国内众多学者从各个角度进行了大量的研究，这些成果对于整个组织的知识资产的管理具有 显著的成果 3 - “ 目前的设计知识管理强调以产品为对象的知识集成，重点是研究显式的、电子文档形式的知识存储( 知识 库，专家系统) 和传递。这种从知识资产化的角度出发、强调集中控制的知识管理模式大多采用集中式知识库， 通用的知识表达机制，通过显化处理方法，把员工技术能力的知识，业务过程的知识，领域的知识，以及工程 人员交流信息等等存储在里面，作为知识资源以满足设计的需求【1 4 】。尽管也有研究者考虑到了设计主体的自治 性因素，从知识库模块划分和建立个性化知识访问门户上进行分布式改进，但其对知识管理的策略依然是知识 客体化，强调对知识资源的控制和从上到下的管理实施【“。 对于处于分布、动态、异构的计算环境下的进行的复杂产品设计业务来说，知识有其本质上的分布性席土会 性和主观性，集中体现在从事知识活动的自治设计主体和设计问题求解的社会化的协同环境1 1 7 1 。从上而下的 集中控制的管理模式与知识的自身特性存在不可调和的矛盾，这个矛盾是知识管理系统在产品设计活动中难以 发挥效力的主要原因i “1 7 1 。具体而言，集中式、从上而下产品知识管理难以解决以下几个重要的问题： 虚拟组织的知识管理问题。虚拟企业和动态联盟的模式在制造企业运营中实施和发展，设计活动的组织模式发 生了深刻的变化，即：( 1 ) 从金字塔式的多层次管理结构向扁平的网络结构转变；( 2 ) 从传统的顺序向并行工作 方式转变；( 3 ) 从按功能划分的瑚定组织形式向动态的、自主管理的小组工作组织形式转变。传统的知识管理 ( 集中式知识库) 无法适应动态异构的产品设计环境。 设计知识的上下文问题。知识的传递和理解是在具体的协作过程中进行的，必须有上f 文的参与才能 6 保证知识的止确使用【1 9 】。但是现有的知识系统往往忽视了这一点，更由丁知识管理土体和设计主体的 各司其职，以及知识显化的要求，传统的知识库对知识通用性和客观性表述的追求使殴计知识的上卜 文缺失f “导致了使用者理解和使州上的困难。 知识流的柔性和可控传递性问题。目前的产品知识管理一般是通过p d m 的文档管理系统，对文档丁 设计任务和设计主体进行关联，并由系统内嵌的工作流引擎将文档进行分发和提交 2 1 , 2 2 。但这些系统 是从项目管理的角度，按照固有的过程模型把文档作为工作的内容进行传递。工作流技术主要适合固 定业务过程的管理，而对产品设计中普遍存在的动态复杂的设计过程并不合适。张晓刚提出了一种基 于工作流的知识建模与控制机制【“，从整个组织的角度研究知识传递和人员间的协作与交流。设计人 员技术知识的差异性和设计任务的差异性导致固定的知识推送机制无法起到有效的作用。m a t t e o b o n i f a c i o 的研究提到为了提高知识的可用性，需要研究知识流逻辑，但就目前来看并没有提出一个完 整的方案吲。 知识管理与具体产品设计在业务上的相对隔阂问题。无论是对整个组织还是对个人来讲，知识管理的 流程并不是直接服务于产品设计的具体活动。与处理领域内具体设计任务相比，往知识库中添加知识 这样的知识流程中的任务对于一个设计人员来讲往往是第二位的i 。因此设计人员往往为了完成即时 的，具体的设计任务，而忽视服从长期目标，服务整体的知识管理任务。这种矛盾往往造成了知识库 更新滞后。 过分强调系统集成，存在实施成本高的缺点。现有的知识管理工具的实施往往需要在原有的信息系统 的基础上进行集成和再开发，企业在软硬件方面需要进行较大的投资。资金和技术的屏障阻碍了供应 链中中小型企业实施知识管理的难度。 另一方面，传统的产品知识管理系统往往只注重产品对象知识的收集、分类、存储、查询和再利用。这种 方式忽视了知识管理项目本质的驱动因素：知识管理必须与企业的核心业务流程相融合。知识管理的目的在于 在正确的时间、正确的地点向正确的人提供正确的知识，只有把业务过程的运作与知识紧密地结合起来将 工作流管理与知识管理集成起来，从而把过程与知识紧密地结合起来，才能使知识更有效地支持企业过程的执 行，才能提高整个组织的应变和创新能力，提高企业的竞争能力。目前产品知识管理在过程性知识管理方面的 不足主要表现为下述问题： 过程知识表达缺乏支持多层抽象的柔性建模手段。产品设计过程本身是一个w i c k e dp r o b l e ms o l v i n g 的过程， 模型应满足如下要求 2 6 1 ：( 1 ) 能全面描述协同设计过程以及设计过程的相关信息全面性；( 2 ) 支持任 务的逐步分解层次性；( 3 ) 反映协同设计过程特性协同性、阶段性、并行性、反复性。设计过程 的复杂性决定了目前存在建模：l ：具的多样性，同时还没有一种过程建模方法能很好地应用于所有的过程建 模阶段和各个层次过程模型的要求。 7 过程知识捕获问题。过程模型语义表达能力的不足和缺乏过程捕获手段直接导致组织中隐性知识外化环节 脱节。设计过程使用的隐性知识，如策略性知识，是设计主体在设计过程中作为经验积累和获得的，其结 果往往以某一种模式隐含在设计过程的具体操作中。获取这些隐式知识是目前知识管理一个公认的难点 唧。 过程知识重用问题。产品设计过程的重用有两个目的：一是通过参考相似产品的设计历史，获得k n o w - h o w 的设计原理知识，并应用于当前设计任务；二是通过设计过程模型的自动执行，提高设计的效率，实现协 同设计过程的自动化。受限于过程模型的表达和执行能力，这两个目的难以实现。缺乏过程描述使知识相 似性的匹配精度很差1 2 8 l 。尽管目前知识检索在传统的集于特征向量的检索机制在向基于动态的语义检索方 向发展，但这些知识检索的研究也往往是关注于一般的粗粒度的检索机制，即以文档为检索对象，而不是 设计主体所关心的问题求解或设计参数的求解的相关知识为检索对象 2 9 ，3 0 】。另一方面，目前的知识检索往 往只注重了知识的内容，而忽视了知识的使用过程，忽视了知识是如何在一个设计过程中被使用的，缺乏 基于上下文的设计过程知识匹配的机制。实例推理是目前产品设计领域最为常用的知识推理方法。实例知 识的组织方式主要是面向产品本身，而不是设计过程，匹配精度很大程度上取决于用户能否对当前问题( 知 识需求) 的形式化描述是否得当。匹配精度一直是实例库得到更有效利用的瓶颈1 3 l l 。 过程知识集成问题。基于传统工作流引擎驱动的过程规划常常是从管理者和协调者的角度出发，在宏观层 次进行建模，实现整个团队中不同设计任务间的同步和协调的自动化问题。为了提高设计的效率和采用各 种基于迭代过程的优化手段，知识主体需要支持细粒度的，柔性的，自主过程知识集成的驱动引擎。 1 2 本文的研究内容 与集中式的知识管理实施原则不同，分布式知识管理是以知识主体为中心，采用从下往上的白演化的知识 管理模式和分布计算技术框架 2 3 , t a j 。分布式知识管理认为知识的社会化和主体化不应该是知识管理的阻碍，相 反是决定一个组织知识创新能力的基本因素。因此分布式知识管理强调知识管理活动中的知识主体的自主性和 主动性，通过实施分布式知识管理，加强组织网络的知识的流动和管理，发展组织数字神经，从而加速整个知 识转化的过程。目前国际上对分布式知识管理的研究才刚刚开始，大部分文献还是从粗略的框架上进行探讨 1 2 3 - 2 9 ，国内在网格平台的宏观体系结构的层次上进行研究 3 0 1 和从个人知识管理的角度进行研究p 1 1 外，还很少进 行这种完全意义上的分布式知识管理的研究和实现。同时我们也注意到日前国内外学术界和工业界都比较关注 通过集成上_ 卜文而实现知识共享的研究 3 2 , 3 3 1 ，他们的研究主要集中在上下文建模方面，在体系结构上往往采_ i j 集中式，并且在上“卜文获取与工作业务流程的融合问题并没有深入研究。笔者认为上下文获取同样属于知识获 取的研究范畴，是知识管理的瓶颈所在。要实现有效的知识管理，必须研究业务流程和知识管理活动的融合问 8 题。当然，这些方面的研究都从不同侧重点体现了知识管理的研究趋势。 针对目前设计知识管理研究中存在的不足，本文认为有必要采用分布式的思路，结合本体，语义w e b 和分 布式计算技术的最新进展( 对等网络p 2 p 体系结构) ，设计过程上下文管理，知识管理与设计活动浸入式融合二 个方面的研究，兼顾设计主体和组织利益，来解决上述集中式知识管理出现的问题，实现设计主体的自主知识 管理，以适应设计环境的动态变化。首先在第二节中本文将介绍相关方面的研究，然后提出基于本体技术的设 计对象知识表达机制，并对基于上下文的主体设计过程知识建模进行研究。第三节在此基础上研究设计过程上 下文和设计过程知识表达、存储、重用、集成与互操作等捕获问题。第四节将研究如何通过设计过程上下文来 进行设计知识相关性推理，实现设计知识重用。为了提高知识在整个组织中的交流和转化效率，在第五节提出 了知识社会网络分析的方法，提高过程性隐式知识在整个组织中的交流和转化效率，促进设计过程和知识管理 过程的融合，组织知识管理与主体知识管理的融合，提高整个开发团队的开发效率和质量。f 2 p 的非集中结构、 良好的自治性及容错性等特征，使其成为i n t e r n e l 上有效的知识共享工具。目前，p 2 p 技术已经被广泛用于i n t e r n e ! 环境下的文件共享。现有的p 2 p 文件共享系统提供的信息检索能力还比较有限，往往局限于关键词或全局标示 匹配的层次上，面对语义的多样性的知识资源管理还不够。为了增加对等网络的语义支持能力，大量的国内外 研究者在这方面进行了研究。如e d u t e l l a 项目和s w a p 项目提供一种对基于r d f 体系结构来支持元数据的交互 m 3 月，通过本体来支持语义查询能力。 3 6 1 介绍的s e m r e x 系统针对无结构p 2 p 系统存在的问题也提出基于了 语义相似度的语义拓扑和查询路由策略。但这些研究都是仅支持基于共享资源的领域本体语义信息的理解和查 询能力。本文最后在这些研究的基础上提出了一个分布式知识管理系统的体系结构，并进行原型系统开发。 2 设计过程的知识建模 2 1 过程知识与过程建模工具 过程在本质上是主体作用于客体的方式、方法的序列，是主体与客体之间的一种关系一种改造与被改造的 关系，它把“认识关系”、“审美关系”和“评价关系”统一为一体。因此，过程知识本质上是一种方法性知识 方法性知识是人们在实践中经验地得到的，是通过实践的过程得到，这不同于纯粹认知活动中的“认知”。 而这些经验是主体的自我知识，具有个体性、差异性、片面性、片断性、不稳定性、或然性、隐秘性，俗话说： “各有各的做法，各有各的高招。”过程知识的获取就是要消除和减少这些特性使其变为群体性、同一性、全面 性、完整性、稳定性、必然性、明示性即把隐性的意会性知识转化为显性的言传性知识。过程知识是一种组 合性知识，是以业务过程中活动以及活动问的笑系为核心，包含各种相关知识构成的体系。主要分为三个部分： 过程模型知识，过程实例知识，过程相关知识。其中过程模型也称为过程模版，表达的是完成一项业务的一般 9 步骤。过程实例知识描述了在按照某一个过程模型进行实践过程的具体情节，包括了执行角色，资源的具体分 配以及实践的经验教训，这里的过程模型可能是一个已经显化的模型，也可能是来自主体的经验。如何通过过 程实例获得主体的过程性经验知识并通过显化建立过程模型就是我们要研究的重点。过程相关的知识主要是设 计对象本身的知识和进行设计决策的设计原理性知识，比如一个产品的结构行为功能关系的知识。 t a c i tk r m 坩l e d o o t oe x p l l d tk n o w l e d g e f r o m e x p h mk o o # i e 嘲雄 图2 1 ：过程知识管理 从系统集成的角度来看，过程知识模型是连接知识管理和过程管理的桥梁。无论是学术界还是工业界目前 都对这个方面进行了研究和开发。 过程知识的提出，可以对管理t ：作中的业务过程从其本质即知识的角度来处理。这样，一方面可以利用知 识管理的方法来管理业务流程，用知识管理的方法来管理业务过程，另一方面在知识管理中明确了过程知识这 种类型。使管理更有针对性。另外，过程知识又是过程性知识的一种，可以通过过程知识更深入的探讨过程性 知识。在过程管理与知识管理逐渐成为重要的管理思想的背景下，迫切需要建立一个能够满足既满足过程管理 又适应知识管理的设计过程模型及其表达机制。 现有的业务流程表示方法很多，归纳起来大约有二、三十种。这里的“表示( r e p r e s e n t a t i o n ) ”含义丰富，包 括语言( 1 a n g u a g e ) 、方法论( m e t h o d o l o g y ) 、工具( t 0 0 1 ) 、标准( s t a n d a r d ) 等。流程表示是指一种描述流程模型的方 法步骤，可以包括语义定义、执行方法，还可以包括语法规则。可以是文本的，也可以是图形的，或者两者兼 而有之。美国国家标准与技术研究所早在1 9 9 8 年对现有的流程表示方法进行了归纳。就发现了2 6 种即：a c t 语言、工艺描述语言、a p 2 1 3 、行为图、e p f ke - r 模型、f f b d 图、g a n t t 图、g a n 图、层次任务网、i d e f o 1 d e f 3 ，i - n - o v a 模型、c p r 方法、k i f 语言、o - p l a n ，o z o n e ，p a c t ，p a r 2 ，p a r t 4 9 ，p e r t 网、p e t r i 网、p f r 语 言、p i fc o r e ，q u i r k 模型、v p m l 。近几年来，由于工作流技术的发展，出现了很多面向业务过程管理的建模 语言，协议开放和知识共享的要求使目前的过程建模的工具向着采用标准x m l 语法的方向前进。下面简要介 磐 儿种具有代表性的交换格式。 1 0 ( 1 ) x m l 过程定义语言 x m l 过程定义语言( x m lp r o c e s sd e f i n i t i o nl a n g u a g e ，x p d l ) 是由i ：作流管理联盟发布的一种基丁可扩展 标记语言fe x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，x m l ) 的r 作流过样定义的标准交换格式，其作h j 是实现不同：l + 作流产品 之间的过程定义交换以及l 作流模型的创建工其与执行 ：具的分离。x p d l 是基于一个标准的1 ：作流过程定义 元模型而建立的，该元模型定义了表达： 作流过程所需要的一个最小的实体集，其中包括工作流的过程活动、 参与者、应用和相关数据等实体。x p d l 为用户提供了对各种实体定义扩展属性的支持，不仅可以基于元模型 交换过程定义，还能保留用户特有的模型信息。由于x m l 本身具有很好的扩展性和规范性，其已经成为工业界 进行数据交换的标准。因此基于x m l 的过程建模工具是本文主要关注的内容。 ( 2 ) e p c 标记语言 e p c 标记语言( e p cm a r k u pl a n g u a g e ，e p m l ) 的研究目的是为了设计一种事件驱动的过程链( e v e n t d r i v e n p r o c e s sc h a i n s ，e l o 建模工具的输入，输出及存储格式，以及作为一种独立于建模工具和平台的基于x m l 的 e p c 模型中间交换格式。e p m l 能够很好地描述e p c 模型的层次分解关系，并通过扩展用于描述图形化建模工 具的有关界面设定信息的标记。方便了e p c 模型的存储和转换。 ( 3 ) 过程规范语言 过程规范语言( p r o c e s ss p e c i f i c a t i o nl a n g u a g e ，p s l ) 是由美国国家标准与技术局提出的一种用于描述制造过 程的中性建模语言，其目标是要设计一种类似产品数据领域中产品模型数据交换标准( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g e o f p r o d u c t m o d e l d a t a ，s t e p ) 的过程数据交换的标准格式。p s l 以形式化的语义定义( 即p s l 本体) 为基础，提 供了语义层面上严格的过程信息交换所需要的过程基本概念的精确定义，使得过程信息交换能够不依赖于隐含 假定和主观映射而完成。然而由于p s l 本体所采用的语法( 知识交换格式) 不易理解和掌握，使其应用受到一 定的限制。 限于篇幅，我们不一一介绍。图1 - 2 是基于x m l 的过程建模工具的知识表达能力的比较，由图可见，不 同工具在表达能力上各有千秋。在实际应用中可以根据过程模型的复杂程度，选择合适的建模语言。当然这些 面向工作流自动执行的过程建模工具一般来讲适用结构良好的业务过程，而在动态性和自适用方面仍然需要进 一步的研究和扩展。 建立设计过程模型是将产品设计过程分解为按照某种逻辑顺序相连的子任务和活动。在一个组织中，不同 组织层次上的设计者对过程表达要求不同。从设计主体的角度而言也可以根据其负责的设计任务，按照设计任 务的复杂性对设计过程进行多层次的组织和表达。另一方面，要实现知识管理过程和设计过程的无隙融合，设 计过程的表达机制必须相应的灵活扩展机制。因此本文的研究中，我们采f b p m l 语言和o w l - s 语言作为设计 过程模型的主要形式化表达：i ：具。f b p m l 是一种基丁图表的过程建模语言，它集成了i d e f 3 ，p s l 的优点和表 达能力，它具有精确的操作语义，可以进行严格的逻辑验证，容易实现过程的自动执行，因此得到了广泛的支 1 1 持。为了兼容性，并利用传统工作流引擎实现部分过程固定的设计任务的自动执行，是选择f b p m l 的主要原 因。o w ls 作为s e m a n t i cw e bs e r v i c e 的语义描述语言有很强的过程定义能力，同时具有良好的可扩展性。并 且，f b p m l 与o w l - s 可以进行转换因此我们认为可以结合两者作为基本建模工具，即能够兼容遗留系统，又 能够很好的实现业务过程和知识管理过程的无缝集成。 o 一 一 o一 一 一oo盘 ook - 带 薹 一 蔫 o 一 翕 - 二 l蠡- 厶 z ：蓐 - 一 乳 z尊 z 鎏 一 警露 嚣 o 二一 氛 霸 t a s k f o + t a s ka 硅l f c s s + q u a h 砖- a t t r t b u t e ! s + + p r o t o c o l + c o n 蹿o lf l o w + d a t ah a n d l u m + i n s t a n c ei d e n t t r ￥- + r o l e s +4 - e v e n t s + + e x c e o t i o n s + t r a n s a c t i o t t s + t t i a o h i cp o s i t i o n + s t a t i s t i c 越d a t a + 图2 - 2 ：x m l 工作流建模语言比较 o w l - s 作为一种过程知识表达的手段，其扩展性不但表现在底层的x m l 语法本身具有的扩展性，更重要 的是它是建立在整个语义w e b 的本体语言栈基础上的，天然地具有描述领域知识的能力，可以过程相关领域的 对象知识无隙集成。这一点是传统工作流建模工具所不具有的，所以尽管它本身的表达能力还不够强大，但是 它的扩展机制能够保证它不断的发展。同时，它也符合了容易理解，最小编码，形式化的知识表达语言的要求。 2 2 基于本体的知识表达机制 本体作为一种能在语义和知识层面上的概念模型建模工具，在知识工程，数字图书馆，信息检索和w e b 上 异构信息的处理，s e m a n t i c w e b ，g r i d 等许多领域得到了广泛的研究和应用p 7 i 。由于本体使主体间的交流建立领 域共识的基础上，因此适合进行知识的表示和集成。在这一方面，笔者在以往的参与的研究工作中曾进行了过 大量的研究i “3 9 。在参考相关的本体应_ i j 的实例系统基础上，本研究采用以下知识表达机制的基本应_ i j 框架， 如豳2 - 3 所示。 图2 - 3 ：基于本体的知识表达机制 通过使用s e m a n t i c w e b 本体建模语言r d f ( s ) 、o w l ( s ) 中的元词汇构建产品知识的本体以定义特定领 域的共享和通用的知识。包括设计过程本体，如各种设计任务本体，产品本体如流本体、行为功能本体等。利 用本体提供的词汇，通过本体标注，我们可以语义一致地描述不同的产品实例，并以r d f 数据的格式存放在支 持m e t a d a t a 的知识库里。进一步的，本体中包含的语义信息可以被不同推理引擎转换为某种形式化要求更高 的逻辑程序，从而进行合理的推理和验证功能，实现知识的应用，集成和管理。 按照这个表达机制，采用本体技术的知识模型一般可以分为两个层次，一个层次是本体层；另外一个层次 是实例层，即对某个具体的对象，根据本体层作为描述的模板赋予不同属性值。本体层和实例层本身还可以根 据领域的复杂度进一步划分为更多的层次下圈是一个简单的螺栓螺母匹配的本体模型。 图2 4 ：螺栓螺母本体模型 从整个产品的设计过程上讲，即使对于同一设计对象的不同设计阶段，设计者的工作对象也是不同的，比 如概念设计中的对象结构框架，详细设计的c a d 文档，有限元分析的实体模型等等，这些工作对象涉及的知 识项的内容不同，必须引入不同的本体来描述这些不同领域的知识。设计知识的范畴，如图所示，主要包括了 一下几个方面：产品设计的需求分析，定义，设计对象知识，设计原理，设计约束，以及以上各个方面的关系 等。其中的设计对象知识可以进一步分为p a r t - o f 关系结构，功能，形式结构，行为等方面。这几个方面中，作 为设计目标，设计对象的知识相关研究非常多，包括其需求描述和产品定义以及约束等，它们随着设计的过程 产生并归档，其表达手段和本体模型已经比较成熟了。相比而言，设计原理作为过程的背景知识，往往不伴随 着设计过程被产生并记录卜来，更多的是作为设计主体私有的决策知识影响着设计过程的进行，并直接决定了 设计对象的演化。 1 4 现有的设计t 具往往不具备表达这些方面知识的能力，特别是殴计原理知识。目前i 业界止住向着这个方 向努力，比如说u g s 的k f 和d e s i g n j o u m a li 具等。然而殴计知识的描述手段或者 说编码只是其中的一个问题，如何捕获并实现设计知识的重用是另外一个更为复杂 的问题。知识的捕获和重用都离不开设计平台。为了解决这两个问题，必须在传统 设计平台和知识库间建立一个桥梁，通过设计平台获知设计主体的行为，捕获设计 意图和设计知识，自动的存入知识库；另方面，根据设计行为和设计意图的推测， 从知识库中获取相关知识主动提供给设计主体；实现二者的集成，这是本文的基本 研究目标。本文认为解决这两个问题的一个关键技术就是设计过程上下文技术。通 过上下文，我们可以在多个抽象层次上对设计过程进行描述，以过程为线索，将设 计对象知识，设计原理知识等多个视角和方面的知识有效的组织起来。因此我们引 入了一个设计过程上下文本体，这个本体的主要目的就是描述设计工具操作设计目 标和知识项时其上下文的语义。 图2 - 4 ：产品知识 2 t 知识活动的上下文 上下文目前还没有统一定义，笼统的讲是一种活动的场景，或背景。目前在人工智能，自然语言理解，普 式计算等方面都是重要的研究内容。【3 4 的研究上下文建模研究提出了一个以面向三层设计过程模型建模以及 模板和覆盖相结合的设计用户建模方法，并提出以上下文为中心进行设计知识管理。【3 5 】提出了集成情景的知 识管理模型。该模型由知识情境、知识过程、知识( 项) 和知识主体四个主要知识管理要素构成。他们的都是重 点从组织知识向设计工程人员推送的方面进行，上下文的获得问题及其与业务过程的结合方面没有进行深入的 研究。 本文在这些研究的基础上认为：知识管理中的上下文是知识活动发生时，主体所执行的业务活动，承担的 任务，所处的执行阶段等过程性信息，即设计过程本身。业务过程和知识管理活动的浸入式融合要求上下文获 得的自动化程度高，模型语义信息丰富，涵盖任务，角色，组织生会网络，资源多个方面的内容。为了表达清 晰起见，首先定义如下概念： 定义2 - 1 ，知识项：是由知识内容和知识载体组成的二元组，表示为k i = ，其中c o n t a i n e r ( 知识载体) 是知识存在所依赖的实际载体，包括各种文档，数据库，程序代码，产品模型和专家等等。c o n t e n t ( 知识内容) 是知识所表达和包含的具体内容和含义。 定义2 - 2 ，设计主体；是在特定的上下文下完成设计活动过程的个体，团队或应用系统，在分布式知识管 理体系中，设计主体同时也是知识活动主体，在以后的内容中我们简称为主体。 定义2 - 3 ，知识活动：是指主体对知识项执行某种操作的逻辑单元。我们用k o p 表示知识的逻辑操作。知 识活动导致参加活动的主体与知识项间的关系发生变化，包括知识项本身的变化( 知识演化) 。设计主体进行设 计活动的同时进行知识活动，使用创造知识( 项) ，知识活动和设计业务活动具有共时性。 定义2 _ 4 ，知识活动上下文：是指知识创造，获取，应用，共享，传递等知识活动的共时的业务过程的相关 信息描述。 知识活动的上下文表达的核心就是设计过程的建模。建立设计过程模型是将产品设计过程分解为按照某种 逻辑顺序相连的子任务和活动在一个组织中，不同组织层次上的设计者对过程表达要求不同。因此，设计过 程一般分为三个不同的层次：协调意图行为。按照设计任务的复杂性，也可以对设计任务进行嵌套，对设计 过程进行多层次的组织和表达。要实现知识管理过程和设计过程的无隙融合，设计过程的表达机制必须相应的 灵活扩展机制。 设计任务是设计过程的核心概念，从功能、行为和组织结构三个方面来表述。本文研究中的上下文主要就 是对当前设计任务的表述。任务及其所属的设计过程模型就是我们这里的上下文模型，这个上下文模型和工作 流中的过程管理模型不一样，是针对设计过程知识活动的上下文，它涵盖工作流模型部分。如下图2 - 5 所示， 功能模型对任务本身和任务的目标进行描述，包括任务类型，任务的输入输出，约束规则等；行为模型描述任 务及其子任务执行的序列，任务触发和结束的条件，以及任务在执行过程中相关的知识流描述。因此，行为模 型决定了知识资源和数据对象是如何结合在一起来完成一个任务的。组织模型描述了是谁，在那个团队，使用 了那些资源来执行这个任务? 这三个部分相互关联，形成了有机的整体。通过结构行为功能，我们可以任务 模型和设计任务执行的实例来组织设计过程的知识，除了可以表达那些规范的过程外，也可以通过过程纪录的 形式保存设计者的隐式知识，这样就可以进一步实现设计原理获得和实例基推理的能力 1 6 一。1 。1 。1 。1 ”1 ”1 。1 0 r g a n i z a t i o n a lp e r s p e c t i v e ” 图2 - 5 ：基于上下文的设计过程知识模型 这个上下文的过程模型还可以根据产晶设计的领域进一步细化。根据设计任务的不同分为方案设计、功能 组件设计和结构设计三种类型。对于方案设计，一般可采用基于实例的推理和启发式推理方法完成。对于功能 组件设计，需要结合启发式推理和数值计算等方法才能有效完成。对于结构设计任务。则需要结合基于图形特 征的启发式推理、图形显示、人机交互等方法才能较好地完成。从产品设计任务的问题求解范围来看，可以将 设计任务分为如下几种类型，然后根据不同的设计任务创建不同的知识元模型 实例推理类任务，其目的是运用基于实例的推理来获得满足设计要求的概念对象实例、功能对象实例或元 件对象实例，为当前设计提供有价值的参考。 参数计算类任务，其目的是根据给定的公式和已知条件，计算设计对象的属性值。这类任务来自两个方面， 一是来自启发式推理过程，主要是在进行规则匹配时，对规则所涉及的未知数值型对象属性进行求值而引发的 任务；另方面是直接来自于设计任务序列，这类任务适用于公式较简单的计算，其解决方案主要通过系统提 供的公式求解器实现。 性能分析类任务，此类任务主要实现对设计对象某一方面的性能进行分析和计算，以验证设计结果的合理 性，为进一步的决策提供依据，如齿轮的弯曲强度校核。此类任务一般需要专用分析软件才能完成，如有限元 分析软件。因此，完成此类任务一般采用外部过程引用的方式。 1 7 启发式推理类任务主要解决各类需要知识和经验解决的设计和决策问题，般通过各种基于知识的推理器 和与设计主体的交互来完成。 3 设计历史的知识获得 设计历史是通过明确地记录各种设计问题、解决方案和具体某个方案的评价和依据来了解“设计决策所隐 含的原因”。由于计算机、信息技术的迅速发展，c a d 技术取代了手工设计，各种电子文档和数据库逐步取代 了纸介的设计手册和图表，因而计算机成为了设计主体的主要设计工具，设计过程中可获得大量的设计相关数 据。如何利用这些数据进行设计回溯和设计重用。成为亟待解决的问题。研究设计历史正是要解决设计过程中 k n o w - w h y 和k n o w h o w 的捕获、组织、提取和使用问题。在知识经济受到全球重视的环境下，设计历史管 理作为制造企业知识管理的重要组成部分，既具有战略意义，又具有现实意义p 7 l 。 3 1 设计历史管理技术 设计过程中以上下文为主线的产品数据、设计决策过程及其设计理性记录，称之为设计历史。设计历史管 理的研究是在c a d 建模技术的基础上，对产品开发过程中的知识进行有效的识别、获取、表达、组织、存储、 供应、发布，同时通过面向过程的设计原理管理机制，记录、捕获设计意图、设计决策过程等，能够促进知识 重用，加快知识转化过程。国内外学者从各个角度进行了深入的研究。 设计历史作为设计过程信息的记录，其包含的内容确实是很丰富的：主要包括四个方面：( 1 ) 产品数据；( 2 ) 设计步骤：设计过程序列、设计行为的主体与设计决策的时间等信息；( 3 ) 设计步骤和产品数据之间的关系：设 计步骤与被设计对象、所改变的对象及所生成对象之间的关系；( 4 ) 设计决策依据：设计选择的约束、理由、备 选方案及设计决策等知识但是信息量的丰富也导致了模型的复杂化，对设计人员的设计知识的管理水平提出 了很高的要求，同时也增加了很大的负担。文献【3 8 豫出了一个集设计意图、设计数据、设计原理和设计轨迹 四方面内容为一体的设计历史模型1 d r a t ，并设计了一个设计历史管理系统的框架。文献【3 9 】的研究将产品设 计历史分成过程历史和设计意图两个部分，提出设计历史的捕获需要半自动的机制，以减轻设计人员的负担。 1 4 0 r 研究了支持机械产品设计重用的基本理论以及面向设计过程的重用框架；提出设计重用表现为设计准备重 用和实施设计重用两个方面；指出设计重用的难点是准备重用。【4 l 】f 4 2 】的研究提出了从设计活动的细节入手 捕获设计过程知识，但是他们的方法是首先建立设计认知规则库，然后通过规则库进行简单的模式匹配来推测 设计行为的目标任务，同时这种方法还需要获得设计对象的设计状态序列。 4 3 1 的研究提出通过基于简单设计 操作的设计过程知识挖掘方案d k a k , ，该系统只是利用了商业c a d 工具的设计历史数据识别设计