（计算机应用技术专业论文）面向专利和零部件的设计知识检索方法.pdf

大连理t 大学博十学位论文 摘要 近几十年以来，在产品设计领域，创新设计和重用设计具有重要地位，在产品创新 设计和重用设计中，一个关键问题是如何从海量信息中获取符合设计需求的内容，如所 需的专利和零部件知识等，即知识检索问题，知识检索是基于知识的创新设计和重用设 计的基础。 本文研究专利和零部件等设计知识的检索方法及其在产品创新设计和重用设计中 的应用，从理论上研究了工程语义及工程语义网模型；从算法上给出了面向专利和零部 件设计知识检索的相关算法；从软件实现上介绍了专利检索和零部件检索原型系统。上 述研究综合在一起形成了面向专利和零部件设计知识的检索方法及应用。本文主要包括 以下几方面的工作： ( 1 ) 分析了产品设计中的知识检索问题，给出针对产品创新设计和重用设计的知识 检索求解框架。 ( 2 ) 给出基于知网的工程语义及工程语义网模型。该工程语义及工程语义网借鉴自 然语言知网语义模型，用于构造一个以产品设计信息为描述对象的知识系统。使用工程 语义及工程语义网进行产品设计信息分析的基本思想是将产品设计信息中的各种隐含 特征、属性及关系提取出来，形成关系表，并以此为中心，建立设计信息的特征与特征、 特征与属性以及属性与属性的内在联系，从而为知识检索提供语义支持。 ( 3 ) 给出面向创新设计专利检索的语义关键词检索方法和语义相似度比较等方法： 给出面向重用设计零部件检索的特征检索方法。 ( 4 ) 给出一种基于人机结合实例推理的零部件设计实例重用方法。在重用过程中， 人的智慧与实例推理相结合，发挥各自特长，互为补充，可使最终的设计更具实用化。 上述工作有助于推动面向创新设计和重用设计的知识检索理论和方法研究进展，有 助于在中小企业构建产品设计知识检索系统。 关键词：专利：零部件：知识检索：工程语义：工程语义网 面向专利和零部件的设计知识检索方法 a d e s i g nk n o w l e d g e r e t r i e v a la p p r o a c h f o rp a t e n ta n dm e c h a n i c a lp a r t s a b s t r a c t i nr e c e n td e c a d e s ，i nt h ef i e l do fp r o d u c td e s i g n ，i n n o v a t i o n a ld e s i g na n dr e u s ed e s i g n t a k ei m p o r t a n tp l a c e s o n eo ft h ec o r ep r o b l e m so fi n n o v a t i o n a ld e s i g na n dr e u s ed e s i g ni s h o wt og e tt l l en e e d e di n f o r m a t i o nf o r mm a s s i v ei n f o r m a t i o n ，t h a ti s ，t h ep r o b l e mo f k n o w l e d g ea c q u i r e m e n t k n o w l e d g ea c q u i r e m e n ti st h eb a s i si n n o v a t i o n a ld e s i g na n dr e u s e d e s i g n t h i ss t u d yf o c u s e do nk n o w l e d g ea c q u i r e m e n ta n da p p l i c a t i o nf o ri n n o v a t i o n a ld e s i g n a n dr e u s ed e s i g n i nt h e o r y ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h em o d e lo fe n g i n e e r i n gs e m a n t i ca n d e n g i n e e r i n gs e m a n t i c sw e b ；i na l g o r i t h m ，t h i sp a p e rr a i s e d a na l g o r i t h mo fk n o w l e d g e r e t r i e v a l ；i ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，t h i sp a p e rd e s i g nt h ep a t e n tr e t r i e v a lp r o t o t y p es y s t e ma n d p a r t sr e u s es y s t e m t h e r ea r es e v e r a la s p e c t so f t h ew o r k ： ( 1 ) t h i sp a p e ra n a l y s e st h ek n o w l e d g er e t r i e v a lp r o b l e mo fp r o d u c td e s i g n ，a n dp r o p o s e s ak n o w l e d g er e t r i e v a lf r a m e w o r kf o rp a o d u c ti n n o v a t i o n a ld e s i g na n dr e u s ed e s i g n ( 2 ) t h i sp a p e rp r o p o s e s t h ec o n c e p to fe n g i n e e r i n gs e m a n t i ca n dt h em o d e lo f e n g i n e e r i n gs e m a n t i cw e b e n g i n e e r i n gs e m a n t i ca n de n g i n e e r i n gs e m a n t i cw e b i st h ec o n c e p t t h a tc o m e sf r o ml i n g u i s t i c ，t h e ya r eh e l p f u lt oc o n s t r u c tak n o w l e d g es y s t e mt h a ti t so b j e c ti s t h ec o n c e p to fv a r i o u sp a r t sw h e nt h e ya r eu s e di nt h ef i e l do fp r o d u c td e s i g n t h eb a s i c d e s i g nt h i n k i n go fa n a l y s i so ft h ep r o d u c td e s i g ni n f o r m a t i o nb ye n g i n e e r i n gs e m a n t i ca n d e n g i n e e r i n gs e m a n t i cw e bi se x t r a c t i n g a l lk i n d so fi m p l i e df e a t u r e s ，a t t r i b u t e sa n d r e l a t i o n s h i p sf r o mp r o d u c td e s i g ni n f o r m a t i o n ，a n dt h e nf o r m sar e l a t i o n s h i pt a b l e t h i st a b l e a st h ec e n t e ro ft h ee s t a b l i s h m e n to ft h ei n t e m a lr e l a t i o n so fc h a r a c t e r i s t i e so ft h ed e s i g n i n f o r m a t i o na n df e a t u r e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n da t t r i b u t e s ，a sw e l la st h ep r o p e r t i e sa n dp r o p e r t i e s ， a n dt h e nf o r mam e s hi n _ f o r m a t i o ns t r u c t u r e t of a c i l i t a t ef o rak n o w l e d g en e t w o r k b a s e d c o n f i g u r a t i o nd e s i g ni n f o r m a t i o nr e t r i e v a la n dk n o w l e d g er e a s o m n g ( 3 ) t h i sp a p e rg i v e ss e v e r a li n f o r m a t i o nr e t r i e v a la p p r o a c h sf o ri n n o v a t i o n a ld e s i g na n d r e u s ed e s i g n ，s u c ha sas e m a n t i ck e y - p h r a s er e t r i e v a la p p r o a c hf o rp a t e n t ，as e m a n t i c s i m i l a r i t yc o m p a r ea p p r o a c hf o rp a t e m ，a n dac h a r a c t e r i s t i cr e t r i e v a la p p r o a c hf o r m e c h a n i c a l p a r t s ( 4 ) t h i sp a p e rg i v e sam o d e lo fm a n m a c h i n ei n t e g r a t i o n c a s e b a s e dr e a s o m n gf o r m e c h a n i c a lp a r t sr e u s et oc o m b i n ea n dr e u s et h ep r o d u c td e s i g nk n o w l e d g eo fm a n m a c h i n e u n i o n i nt h ek n o w l e d g ec o m b i n a t i o np r o c e s s ，t h eh u m a n sw i s d o ma n dt h ee v o l u t i o n i i a l g o r i t h md i s p l a yt h er e s p e c t i v es p e c i a ls k i l l sa n ds u p p l ym u t u a l l y ，a n dt h eu n i o nm a k e s t h e r e s u l tm o r ep r a c t i c a l t h i sa r t i c l ew o r k si sh e l p f u lf o re n h a n c i n gt h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c el e v e lo f t h ep r o d u c t i n n o v a t i o nd e s i g n t h es y s t e mp r o t o t y p ef o rd i g g i n ga n dr e u s i n gt h ei n f o r m a t i o no fp r o d u c t i n n o v a t i o nd e s i g ng i v e ni nt h ep a p e rw i l l p r o d u c ti n n o v a t i o nd e s i g n p r o v i d eap l a t f o r ms u p p o r t i n gi n t e g r a t e dd e s i g n f o r k e yw o r d s ：p a t e n t ；m e c h a n i c a lp a r t s ；k n o w l e d g er e t r i e v a l ；e n g i n e e r i n g s e m a n t i c ； e n g i n e e r i n gs e m a n t i cw e b i i i 面向专利和零部件的设计知识检索方法 缩略词表 一i v 大连理t 大学博十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定。在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目：面向专利和零部件的设计知识检索方法 作者签名： 7 z 彳掣 日期：勿夕年月z 厂日 导师签名：f 乙拟日期：力h 显年墨月玎日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：面向专利和零部件的设计知识检索方法 作者签名：么釜! 軎 大连理丁大学博士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景和问题的提出 本文以产品创新设计和重用设计为应用背景，在国家自然科学基金项目和国家8 6 3 计划项目的资助下，针对目n u 仓, j 新设计和重用设计中普遍存在的设计知识不足的问题， 研究设计知识的检索方法，具体来说，研究创新设计中面向t r i z 的专利检索和重用设 计中的零部件检索，本文研究的知识检索是基于语义的检索，借鉴自然语言知网模型， 研究了工程语义和工程语义网，知识检索得到的结果最终通过零部件设计实例重用方法 应用到创新设计和重用设计中。本文的主要研究内容包括：工程语义、工程语义网、设 计知识( 包括专利和零部件) 检索和零部件设计实例重用等，研究目的是为了提高创新 设计和重用设计中设计知识使用的质量和效率。 在当前国际竞争日益激烈的环境下，创新是企业生存与发展的关键，产品核心技术 及市场竞争力的提高是通过不断创新实现的。图1 1 所示为产品创新过程模型【i 】。该模 型表明产品创新分为模糊前端( f f e ，f u z z yf r o n te n d ) 、新产品丌发( n p d ，n e wp r o d u c t d e v e l o p m e n t ) 及商业化( c o m m e r c i a l i z a t i o n ) 三个阶段。f f e 阶段输出新产品设想；n p d 阶段通过设计与制造将设想变成产品；c o m m e r c i a l i z a t i o n 阶段将产品通过市场变成效益。 对于产品设计，主要研究前两阶段。新产品设想在f f e 阶段产生，该阶段是产品创新的 发动机及是能否成功的关键【2 】，属产品创新中的创新设计阶段，在这一阶段，一个重要 问题是如何从海量信息中提取出符合新产品功能及实际需求的内容，即知识获取问题。 产品的具体设计在n p d 阶段实现，该阶段是完成产品设计过程的关键环节，属产品创 新中的重用设计阶段，在这一阶段，一个重要问题是如何重用已有的设计资源并应用到 新的设计问题之中，即知识重用问题。无论是知识获取还是知识重用，都是对产品创新 中的知识进行分析处理，挖掘出其中有价值的部分并应用于产品设计过程。具体来讲， 本文研究的知识获取是指在产品创新设计中获取专利信息，而知识重用是指在产品重用 设计中重用已有的可重用零部件。在这两个问题中，专利和零部件设计知识是通过知识 检索得到的，本文的研究重点就在于此，即面向创新设计的专利检索和面向重用设计的 零部件检索。 知识是人工智能领域的一项重要研究内容，但人们往往将知识与数据、信息等概念 相混淆p 】。数据是一系列外部环境的事实，是未经组织的数字、词语、声音和图像等。 数据是从自然现象和社会现象中搜集的原始材料，根据使用数据者的目的按一定的形式 加以处理，找出其中的联系，就形成了信息。信息是有一定含义的、经过加工处理的、 面向专利利零部件的设计知识检索方法 对决策有价值的数据。通过人们的参与对信息进行归纳、演绎、比较等手段进行挖掘， 使其有价值的部分沉淀下来，并与已存在的人类知识体系相结合，这部分有价值的信息 就转变成知识。知识是在定量到定性的过程中得以实现的，抽象的、逻辑的东西，需要 对信息通过使用归纳、演绎等方法得到。由此可见，知识是经过人的分析处理后得到的 有价值的信息，其与数据和一般的信息有着明显的区别。对知识进行获取和应用将有助 于计算机实现某些人类的智能。 图1 1 产品创新过程模型【1 】 f i g 1 1 p r o d u c ti n n o v a t i o np r o c e s sm o d e l 1 】 商业化 近年来，数据的激增和广泛使用，以及将数据转换成有用信息的迫切需求，促使知 识检索技术得以快速发展，然而，其发展速度远远跟不上数据的增长和日益复杂的速度， 丰富的数据与贫乏的知识之间的矛盾日渐突出。在制造企业中，也面临着数据丰富而知 识匮乏的问题，制造领域对知识的需求引起了世界各国学者对设计知识检索方法展开探 讨。 本课题组近年来围绕设计知识的检索与应用，在国家自然科学基金项目和国家8 6 3 计划项目资助下，与相关企业合作，研究了产品设计中设计知识的分析管理方法，内容 涉及设计重用【4 5 】、企业信息管理、产品设计管理【4 】等方面。 1 2 国内外研究现状 产品设计是全面确定整个产品的结构、规格，从而确定整个生产系统的过程，因而， 产品设计的意义重大。好的产品设计，不仅表现在功能上的优越性，而且便于制造，生 产成本低，从而使产品的综合竞争力得以增强。概念设计是产品设计过程中最能体现人 的智能并决定产品性能和成本的重要阶段，在概念设计阶段，设计人员受到的约束相对 较少，具有较大的创新空间，创新是概念设计的灵魂。然而创新是建立在大量知识和信 息的基础上的，需要对信息和知识进行整理、提取、检索和挖掘等。但在目前，由于产 大连理工大学博士学位论文 品设计中设计知识匮乏的情况普遍存在，造成产品设计缺乏系统化观点，因此，有必要 将概念设计的创新研究与技术紧密结合，通过信息检索等手段，为设计人员建立一个能 激发创作灵感的环境，支持创新设计。本课题以产品创新设计和重用设计为应用背景， 主要研究设计知识的获取和应用，相关研究包括面向t r i z 理论的知识检索、面向产品 设计重用的知识检索、工程语义及语义网等。 1 2 1 面向t r i z 理论的设计知识检索 发明问题解决理论( t r i z ，t e o r i y ar e s h e n i y ai z o b r e a t a t e l s k i k hz a d a t c h ) ，是基于 知识，面向人的发明问题解决系统化方法学，是运用知识进行产品设计的理论体系。该 理论是a h s h u l l e r 提出的【5 ，6 】，他从1 9 4 6 年开始领导由数十家研究机构、大学、企业组 成的t r i z 研究团体，通过对世界高水平发明专利( 累计2 5 0 万件) 的几十年分析研究， 基于辩证唯物主义和系统论思想，提出了有关发明问题的基本理论。t r i z 是一个包括 由解决技术问题，实现创新开发的各种方法到算法组成的综合理论体系。 19 8 21 9 8 51 9 9 21 9 9 72 0 0 2 图1 2t r i z 理论发展历程【7 】 f i g 1 2d e v e l o p m e n tc o u r s eo ft r i z 7 1 如图1 2 所示为t r i z 理论的发展历程，大致可以分为以下几个阶段【7 】： ( 1 ) 古典时期( 1 9 4 6 - - 1 9 8 0 ) ，在这个时期，a h s h u l l e r 创建了t r i z 的理论基础， 并建立了t r i z 的一些基本概念和分析工具。该阶段积累了大量的工程知识，但没有集 成起来。 _col_touc亿弓eoo弓oc_o篆 面向专利利零部件的设计知识检索方法 ( 2 ) k i s h i n e v 时期( 1 9 8 1 1 9 9 1 ) ，这个时期起源于b o r i s z l o t i n 和a l l a z u s m a n 在k i s h i n e v 创办的一所t r i z 技术学校，这所学校的目标是集成t r i z 的方法、工具和积累知识， 并用计算机化的方法表示t r i z 。从此t k i z 得到了公众的注意，研究队伍也不断扩大。 ( 3 ) i d e a t i o n 时期( 1 9 9 2 至今) ，该阶段起源于i d e a t i o n 公司要调整和开发t r i z 使 之应用于美国工程研究。前苏联解体和冷战结束使许多t r i z 专家移居欧美等西方国家， t k i z 由此获得了新的生命力，受到各方面专家的高度重视，也使t r i z 得到了高速发展， 特别是进入2 1 世纪以来，随着研究t r i z 的学术组织和商业公司的不断增多，学术会议 也频频召开，目前t r i z 正处于发展的黄金时期。 t r i z 理论有利于提高发明的成功率、缩短发明的周期，也使发明问题具有可预见 性。其特点包括以下四个方面【8 】：t r i z 是基于知识的方法：t r i z 中所用的知识是从 全世界范围内2 5 0 万件专利中抽象出来的，包含大量采用自然科学及工程中的效应知识， 同时还利用了出现问题领域的知识，这些知识包括技术本身、相似或相反的技术，或过 程、环境、发展及进化等；t r i z 是面向人的方法：t r i z 中的启发式方法是面向设 计者的，发明问题具有主观性和随机性的特点，所以利用t r i z 理论解决发明问题时， 计算机仅仅起支持作用，根本不能完全代替设计者：t r i z 是系统化的方法：运用 t r i z 解决问题的过程就是一个系统化的、应用己有知识的过程；t r i z 是发明问题 解决理论：t r i z 研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法 则，并将这些原理和法则用于解决设计中遇见的问题。 t r i z 是一种面向产品创新的应用性理论和技术，但若想在实际应用中真正发挥作 用还有两个关键问题有待深入研究：如何发现解；如何处理冲突。对于第一个问 题目前国内外已有广泛的研究，并提出一些方法；对于第二个问题，一般采用冲突矩阵 推出发明原理，但由于t r t z 提供的发明原理都是一些概括性相对较高的术语，不易理 解，而且缺少具体实例，因此需要通过知识获取来帮助设计者理解发明原理的不同实现 方法。 在t r i z 理论建立之初，从全世界范围内的2 5 0 万件专利中抽象出来的4 0 条发明原 理( i n v e n t i v ep r i n c i p l e s ) 是t r i z 理论的基础，但随着技术的不断发展，近年来，每年 新增的专利数就有数百万件，这些专利信息中是否包含着新的发明原理，以及新增专利 信息与原有发明原理的关系等问题成为当前研究的热点问题。解决思路是对海量的专利 信息进行知识获取，对专利信息的知识获取还有助于设计者更有效地使用t r i z 工具完 成发明问题。 基于t r i z 的产品创新是面向专利知识检索的，并以大量相关专利信息为基础，在 产品创新设计过程中，设计者通过挖掘专利信息来重新定义问题或获得问题的参考解， 一4 一 大连理t 大学博十学位论文 专利信息的内容质量和组织结构是影响产品创新的关键。目前针对t r i z 进行专利的研 究主要包括分类及检索等，其中专利分类的研究开始得较早，主要成果包括： c o n g 和t o n g t 9 ，1 0 】开发了基于t r i z 的专利信息自动分类专家系统，该系统根据现有 的发明原理将专利进行分类及分组操作，主要是为了解决原有基于应用领域的专利分类 方法不足以辅助t r i z 用户进行冲突解决所需要的专利分类和聚类的问题，作者分析了 t r i z 所有的4 0 条发明原理，根据描述发明原理的文本信息，将发明原理分为清晰和晦 涩两类，然后分析了清晰发明原理的相似度，并根据这种相似度及其他关系，将4 0 条 发明原理分为2 2 类，最终根据这2 2 类发明原理进行专利自动分类和评价。l a r k e y 【l l j 根据美国专利编码规则开发了美国专利自动分类系统。f a l l t l 2 】等人针对国际专利分类标 准进行了专利的自动分类试验。此外还有c r e a x 、g o l d f i r e 及m a t r i xe x p l o r e r 等系 统【1 3 】可提供专利的分类浏览，但它们都是基于已分类的专利数据库基础上的，无法实现 产品创新与进化所要求的跨领域知识浏览。 上述专利信息分类处理方面的研究为t r i z 提供了新的知识，丰富了t r i z 的内容。 对于专利而言，目前关键的问题是海量的专利信息已经无法靠人工进行分析处理，有效 地对专利进行检索越来越困难。目前国内外专利机构提供的专利检索方法还都是基于关 键词匹配的方法，然而近年来语义检索技术的发展使得通过语义理解和知识获取可弥补 目前专利检索的不足，这方面的研究将是t r i z 研究的新热点。随着计算语言学的发展， 许多学者将信息检索的相关技术用于t r i z 。s o o 等【1 4 】给出了一种协同多a g e n t 平台支 持的基于专利分析的创新设计过程，辅助工业知识管理者检索和分析现有专利并利用本 体和自然语言技术提取结构化信息，这样可以通过代表不同领域专家的软件a g e n t 的合 作和协调实现复杂工业产品创新过程，进而将专利文档分析和t r i z 相结合以提供基于 原理的发明方向，从而解决设计目标和工程参数之间的冲突。v e r b i t s k y l l 5 研究了基于语 义检索技术的t r i z ，并定义了支持语义t r i z 的语义检索框架，包括从提问中提取确切 语义实体的自然语言接口、语义实体搜索数据库以及语义匹配等，并在g o l d f i r ei n n o v a t o r 平台上实现，将语义检索数据库作为冲突矩阵。该方法使用句法分析及隐马模型等技术， 提供类似问答系统的检索工具，用于充当冲突矩阵，这与本文研究的通过工程语义模型 针对专利进行的语义检索不同。 此外，与t r i z 相关的专利分析研究还有：俞春阳【1 6 】针对产品创新设计的需求，通 过建立专利本体的方法，分析和表达专利文献中隐含的创新知识，并在t r i z 理论的支 持下，探索一种基于专利本体的产品创新设计技术。刘镇滔【1 7 】给出一种面向中小企业的 基于专利知识的产品创新设计方法，即从产品概念设计阶段开始创新，根据具体情况在 面向专利和零部件的设计知识检索方法 概念设计阶段引入t r i z 理论、q f d 、公理设计等方法进行分析，结合专利信息中提取 的有效知识和规律，增加概念设计的可预知性，缩短产品开发的周期。 产品创新是制造企业在市场竞争中取胜的关键。所谓创新是指新的可行解或概念， 该解或概念与己有的解或概念相比具有明显的竞争优势。创新是发明工程( i n v e n t i v e e n g i n e e r i n g ) 的核心，而发明工程又是设计工程( d e s i g ne n g i n e e r i n g ) 的前沿研究领域， 因此研究产品创新对产品设计将起到极为重要的作用。t r i z 是目前产品创新领域最重 要的理论之一，t r i z 理论的重要性显而易见。但由上所述，在目前的相关研究中设计 知识无法充分得到利用，重复利用率低，带来极大浪费。如何充分利用设计知识已经成 为当前产品设计领域的研究热点。本文研究的设计知识检索方法可以提高产品创新中的 设计知识重复利用率，进而提高产品创新设计的质量和效率。 1 2 2 面向产品设计重用的设计知识检索 基于知识的设计是应用c a d c 伽w c a e 一体化技术集成知识及其推理系统，实现 智能化的计算机辅助设计过程。本文研究的设计知识检索及应用是基于知识的设计方法 的基础和关键问题之一。 进入2 l 世纪，经济全球化和信息化使制造业的竞争环境、发展模式和活动空间等 发生了深刻变化，这些变化对我国制造业提出了严峻的挑战。制造业信息化是用信息技 术改造传统产业和实现信息化带动工业化的突破口。制造业信息化将信息技术、自动化 技术、现代管理技术与制造技术相结合，全面提升我国制造业的竞争力。 1 9 8 0 年托夫勒在第三次浪潮一书中指出【l8 j ：i t 技术是继工业革命后的第三次 技术革命，在i t 时代，穷国富国处于同一起跑线上。于是我国从“八五 、“九五 、 到“十五”计划，一直十分重视制造业信息化的研究，特别是在“十一五”计划中，明 确将制造业信息化确定为一项国策，即信息化带动工业化，发展高新技术产业，提升传 统制造业。 目前，我国制造业信息化技术的主要内容为五个数字化，即设计数字化、制造装备 数字化、生产过程数字化、管理数字化和企业数字化。近十多年来，我国部署了一系列 重点科技项目，有效地促进了我国制造业信息化技术的研究与应用推广【l9 1 。但从图1 3 所示的数字化设计技术的发展历程来看，国际上数字化设计的信息化发展是阶梯式的， 单纯的信息化已经难以满足当前制造业高速发展的需求，其发展方向是“知识化 ，即 在制造业信息化的基础上更深一步挖掘并应用设计中蕴含的知识1 2 0 1 。 一6 一 大连理_ t 大学博十学傅论文 f ! 地c e s s 1 9 7 01 9 8 51 9 9 5 2 0 0 02 0 0 52 0 1 0 图1 3 国际数字化设计技术发展历程 f k1 3d e v e l o p m e n t c o u r s eo f i n t e r n a t i o n a l d i g i m l d e s i g n t e c h n o l o g y 近年来，基于知识的设计和制造引起了世界范围的重视，知识对于设计的重要意义 得到普遍的认可，谢友柏院士口”认为“知识获取是现代设计的核心”。美国n a s a l a n g l e y r e s e a r c hc e n t e r 的空气动力学家w o o d 等 2 2 】认为设计是知识驱动的活动，强调了基于 知识求解在设计中的重要性。各国学者纷纷展开了对设计知识管理与重用的研究。 设计知识管理与重用的研究重点是如何将产品设计理论和技术与产品设计过程相 结合，避免大量的重复开发工作，从而提高产品开发的效率、节约开发成本。有资料显 示田j ，在新产品开发中，大约4 0 是重用过去的部件设计，4 0 是对己有部件稍作修改， 而全新的设计仅占2 0 。由此可见，对己有设计知识进行重用是应对当前新产品设计的 研究方向。 如图1 4 所示为产品设计重用过程口”，该模型用3 个主要过程和6 种知识源的交互 作用描述了设计重用过程。从一个新设计中抽象出的知识用来构造和改善领域模型，通 过领域探索将知识加入到重用库。领域模型和重用库在“d e s i g nb yr e u s e ”这一过程中 得到应用从而又获得一个完整的新设计模型以及相关的知识，这些知识又会在将来的 设计中得到重用。 面向专利和零部件的设计知识检索方法 图1 4 设计重川过程【2 4 】 f i g 1 4 p r o c c 8 $ o fd e s i g nr e u s e 2 4 j 设计重用的难度主要在于产品设计知识的表达、索引、查询、理解及修改等幽删。 目前设计重用中存在的问题可以归结为两个关键问题：如何表达产品设计知识，即产 品设计知识建模问题；如何在产品设计知识重用模型的基础上构造高效的检索方法。 目前许多学者从不同方面研究了在工程设计中如何表达设计知识，主要有1 2 7 1 ：基于 功能原理模型的产品知识表达、基于全生命周期的产品知识表达、基于知识的产品知识 表达、基于分析模板的产品知识表达和基于本体的产品知识表达等。 l e e 等f 2 8 】提出的产品域模型使面向功能的设计和面向制造的设计的集成成为可能。 目前关于产品域模型研究主要集中在现有设计的产品信息模型，因为信息和知识的结构 对于设计重用相关的知识获取和共享是至关重要的，如i s o 制定了产品类的概念，旨在 提高产品域的描述。c o s t e r 等【2 9 】对产品域模型进行了拓展，认为支持集成信息的产品模 型是一个信息模型，而产品域模型则结合了信息与知识，提供了从产品模型分离出来的 信息库和知识库，通过对产品设计信息及知识的重用来支持变型和适应性设计，并利用 u m l 实现了设计重用系统的分析与设计。基于产品域模型的设计重用，其功能信息与 设计解相关，通过知识或知识与设计者的交互来支持设计概念的智能重用。在国内，张 建勋等【3 0 】建立了一个可重用集成设计单元的信息模型来表达、组织和管理可重用的信息 和知识。蔡波等【3 l 】基于f b s 框架建立能够记录概念设计历史的概念设计信息模型，给 出了多粒度层次的概念设计重用框架。王玉等【3 2 1 研究了机械产品设计重用的策略，给出 了机械产品设计重用层次与设计重用空间的概念，并提出了基于这些技术的机械产品设 计重用框架和策略。 一8 一 大连理t 大学蹲十学位论文 上述工作一般是从产品的功能出发，目的是为产品体系提供更好的了解，为现有设 计模型提供多样数据，但对于新产品开发的设计重用其作用却是很有限的，因为用于设 计重用的信息模型必须获取产品开发所需要的知识，包括功能之间的联系、需求和方式 等。尽管产品的功能是驱动设计过程的有效方式，可为高层次设计提供智能的信息检索 和重用，但应用功能这种方式检索时，会使得产品模型的结构( 信息模型) 很复杂。 m o o n 等p 3 j 利用本体描述产品和组件，以便重用设计知识来开发新产品，这种本体 是由功能、装配和技术说明组成的，具有更为丰富的语义，可以扩展用于产品平台或产 品族。p a t i l 等p 4 1 提出了基于本体的产品数据语义操作框架，开发了产品语义表达语言， 这种语言可用形式化描述语言进行编码，在不同产品开发系统之间进行无缝集成。浙江 大学人工智能研究所研究了基于本体论的产品配置【3 引，主要是通过建立基于本体的产品 知识共享和重用机制来实现产品知识的演化、共享和交换，实现用户需求模型和产品配 置模型之间的相互转换，实现大规模定制。郝永平等【3 6 】提出了一种基于本体的实现产品 全过程知识共享的方法，对产品知识进行层次化的表示。基于本体论的产品信息建模， 对现代企业大规模的不同系统之间的知识处理是很有帮助的，但涉及到本体建模工具和 本体语言构建、推理和通信等，具有一定的难度。 近年来，基于工程语义和基于语义网的知识建模引起了广泛关注。荷兰d e l f t 理工 大学b i d 绷【37 】教授领导的研究小组研究了语义特征建模方法，建立了产品的工程设计 模型，描述了产品的结构和功能信息。b r o n s v o o r t 3 8 】针对产品建模问题研究了基于语义 和多视图的语义模型。l e e 3 9 j 丌发了用于船舶设计的产品语义建模系统。孟祥旭1 4 0 j 和邓 家提【4 l j 分别研究了复杂产品的多层次语义模型，多层次语义模型从用户需求、产品设计、 零件建模、部件装配各个阶段入手，将其中蕴含的行业知识加以分类、提取、抽象，形 成设计语义、建模语义和装配语义等层次结构。文献 4 2 提出了基于本体论及语义w e b 的产品信息建模的观点，建立了对象封装、中间件、企业应用的产品信息模型层次化结 构。利用工程语义及语义网进行知识建模有助于改善当前特征建模方法的缺陷，使产品 设计模型具备更丰富的语义信息，关于工程语义及语义网的相关研究后文还将详细介 绍。 在产品设计中，设计者将5 0 的时间用于检索和组织工程设计过程中的信息和知 识，因此产品设计知识的检索是能否实现设计重用的关键，许多学者为此展开了研究， 如o u f f y 等【4 3 1 研究了信息的索引和检索，通过结构化的索引( 知识交叉引用) 提高信息 检索速度，检索方法采用了专家系统和人工神经网络。o n g 等【删对原型系统的检索产品 进行多索引和逐级分析，对产品族的关键特征( k e yc h a r a c t e r i t i c s ) 进行编码，采用遗 传算法和基于实例推理作为智能检索方法，用于设计知识重用。 面向专利和零部件的设计知识检索方法 目前，虽然专业化设计重用软件尚未出现，但已有越来越多的企业开始关注这一领 域，同时一些设计重用的原型系统也被开发出来，例如o n g 等【4 5 】开发了在线设计重用 系统原型，该系统体现了设计重用的演化过程，支持通过概念设计和具体设计阶段从原 始需求到最终详细设计的设计重用。 在传统的设计过程中，设计过程完全以设计者为中心，具体的设计任务完全需要设 计者完成，形成了设计过程的瓶颈。而基于知识工程( k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ， k b e ) 的工程设计是以知识模型为中心，各类数据库、知识库、设计实例库等均与产品 模型相关联，设计师的任务只是提供输入要求和做重要的设计决定，这样可以极大地提 高设计效率，改进设计质量。图1 5 所示为基于k b e 的设计过程。 图1 5 基于k b e 的设计过程 f i g 1 5d e s i g np r o c e s so fk b e k b e 是面向现代设计对知识的要求而产生、发展的新型智能设计方法和设计决策自 动化的重要工具，已成为促进工程设计智能化的重要途径【4 6 1 。英国w a r w i c k 制造组的 c h a p m a n 博士指出【4 7 j ：到2 0 1 0 年，k b e 对于企业的重要性，就如同c a d c a e c a m 在2 0 世纪9 0 年代给工业界带来的变革同样重要；美国f o r d 汽车公司也将k b e 作为2 l 世纪发展战略中信息领域的关键技术之一。由于k b e 是由多种技术相互交叉、渗透与 集成而建立的，其目前尚无统一的定义，但可以理解为：k b e 体现为知识在工程设计 中的应用，这些知识是用来策划、设计和完成一种产品、项目或工程。它将人工智能( 包 括知识库、知识规则、逻辑推理等) 与c a x 系统有机结合为一体，知识的获取、积累、 大连理t 大学博十学位论文 融合、交流、共享、应用和提高是其最基本的，也是最重要的研究内容，k b e 是创新设 计和产品开发的基础。 近年来，美国、日本和欧洲各国政府在k b e 技术的开发与应用方面给予了有力的 支持，许多跨国公司和著名大学纷纷开展研究，以提高产品开发的创新能力。如f o r d 汽车公司在英国的子公司美洲虎( j a g u a r ) 汽车公司采用k b e 技术设计发动机盖，设 计时间由2 个月减为2 小时。英国航空公司( b a e ) 在设计飞机的机翼时，如用常规的 c a d 软件和分析软件，进行一次设计需要一年，而采用k b e 技术后，十个小时即可 完成机翼的设计。此外，美国的g e 、t i m k e n 等公司，欧洲的l o t u s 、s a a b 等公司， 日本的m i t s u b u s h i 、h i t a c h i 、m a z d a 等公司普遍引入了k b e 技术，取得了很好的效果。 许多c a d 软件公司( 如u g s 、p t c 和d a s s a u l t 等) 也加入k b e 工具开发领域， 推出了如u g k n o w l e d g ef u s i o n 、c a t i a k n o wl e d g ee x p e r t 等产品。在这些产品中， k b e 工具的推理机制与c a d 平台的几何数据结构将直接通讯，实现k b e 和c a d 的 集成。 基于知识的设计方法的引入，使得设计更加富有创造性和可预见性，而且知识在整 个产品设计生命周期内的一致性保证了产品开发的成功率，大大节省了开发时间，提高 了设计质量，从而推动设计模式从经验设计向科学设计进行转变。目前，基于知识的设 计方法正在不断发展之中，对知识的分析与理解也越来越深入，是产品设计领域的一个 热点课题。本文研究的设计知识检索与应用是基于知识的设计方法的重要组成部分，本 文给出的工程语义及工程语义网将为设计知识的分析与理解提供语义支持工具。 本文研究了面向产品设计的语义知识检索及重用方法，具体来讲研究了专利检索、 零部件检索及零部件设计实例重用。与目前面向产品设计重用的知识应用研究相比，区 别在于：本文基于工程语义及工程语义网对产品设计知识进行知识建模，是基于语义 的知识建模，这与现有的基于概念、功能或特征的知识建模方法不同，本文研究的基于 自然语言知网的工程语义及工程语