概念设计中基于知识流的语义化知识管理技术框架研究

1、概念设计中基于知识流的语义化知识管理技术框架研究tech-framework for semantic knowledge management in conceptual design作者：王曰芬/傅柱/吴鹏作者简介：王曰芬,通讯作者,0rcid:0000-0002-7143-7766,南京理 工大学经济管理学院，江苏省社会公共安全科技协同创新 中心,e-mail:yuefenl63163. com；傅柱，南京理工大学 经济管理学院。南京210094；河海大学企业管理学院。常 州213022；吴鹏，南京理工大学经济管理学院，江苏省社 会公共安全科技协同创新中心。南京210094原文出处：数据

2、分析与知识发现（京）2018年第20182期 第2-10 页内容提要：目的为提升概念设计的质量和效率，研究概念设计中基 于知识流的语义化知识管理技术框架。方法在现有设计 知识管理研究的基础上，针对概念设计环节引入知识流理 论；从知识管理过程和概念设计过程两个视角对概念设计 知识管理中的知识流进行简要分析和建模，结合知识管理 和现代设计两个领域中的知识流理论，对两个过程进行连 接和集成，形成基于知识流的语义化知识管理技术框架， 并进一步分析技术框架的需求、组成、功能等内容。结果 从知识管理过程视角出发，提出知识管理过程中的知识流 参考模型；从概念设计过程视角出发，提出基于角色模型 的工作流和知识

3、流整合模型；从技术框架中知识的流动角 度，提出基于知识流的语义化知识管理技术框架模型；从 技术框架的层次结构角度，提出基于层次结构的语义化知 识管理技术框架模型。局限从宏观角度对该技术框架进 行研究，但未能细化框架的各部分内容。结论技术框架能够系统地揭示现代设计知识管理技术的内涵和机理，为 后续概念设计知识管理技术及其应用研究提供参考和借鉴。期刊名称：图书馆学情报学复印期号：2018年06期关键词：概念设计/知识流/知识管理/语义化/技术框架标题注释：本文系装备技术基础项目“国防关键技术领域情报研究知 识库构建研究”(项目编号：yxnlg20171qb04)和江苏省社 会公共安全优势学科项目的

4、研究成果分类号:tp182 g351引言概念设计是产品设计过程的初始阶段和重要环节，是改善产品质量、降低成本 和提升企业整体竞争力的主要手段。概念设计过程中,组织机构内外散乱着大量的 设计知识,急需进行有效的组织、管理和重用。基于此,有研究者提岀了概念设计 知识管理(conceptual design knowledge management, cdkm)1的概念。目 前大部分的知识管理研究将知识作为迟缓或者静止的对象,其研究侧重于知识管理 网络平台的构建，对知识的获取、编码、重用、产生等知识流的整体应用，尤其是 针对机械设计领域的应用研究较少。现代设计是以知识为基础”以新知识获取为中 心，设

5、计过程可认为是知识在设计的各个节点及其相关资源之间的流动过程2。这 就迫切需要从整体性角度探索动态的概念设计知识管理,也就是需要从知识流的角度对概念设计知识管理进行深入分析和揭示。本文认为知识管理过程与概念设计过程共同作用形成了概念设计知识管理过程,知识流是连接两个过程的纽带,通过知识流的运转才能使概念设计知识管理得以实 现。因此，为探索支撑概念设计知识管理实现的关键技术，首先需要从知识管理过 程和概念设计过程两个视角岀发,分别探究概念设计知识管理中各个环节包含的知 识流;其次,在理清每个环节所包含知识流的基础上，借助知识流的连接功能,构 建基于知识流的概念设计知识管理技术体系和理论框架。2相

6、关研究2.1产品设计知识管理研究现状产品设计是根据市场需求，对产品的功能、原理方案、技术参数等进行规划和 决策的过程。在产品研发过程中,设计知识对产品开发起着举足轻重的作用,设计 知识管理成为影响产品开发的关键因素之一。通过文献调研发现，现有的产品设计 知识管理主要从基础理论和技术方法两方面开展硏究。产品设计知识管理理论研究现状。大多学者将知识管理理论融入产品设计体 系中形成新的产品设计知识管理理论体系和框架。如，cormican等3将知识管理 融入产品创新中，通过分析案例证明知识管理可加快企业产品创新速度； madhusudan4为满足分布设计过程管理要求，提出基于代理的过程协调框架，能 够

7、获取和管理大规模流程和产品；张东民等5构建了产品设计知识管理框架，研究 了基于本体的设计知识建模方法,包括设计知识本体的定义、基于本体的设计知识 库构建、多维视图设计知识检索等；sorli等6研究在并行企业环境中产品知识和流程知识的管理；林慧苹等刀用元模型对知识进行表示,并设计项目管理和产品信息 集成系统；张新卫等8分析了设计各阶段对工艺质量知识的需求以及工程知识管理 技术下工艺质量知识管理的特点。(2)产品设计知识管理技术与方法硏究现状。主要涉及设计知识的分类、建模、 表示、获取、检索、推理等关键技术。如,cutkosky等9探索基于知识的并行工 程系统设计研究，借助本体逬行设计知识共享和分

8、布式推理；toye等10在产品设 计过程通过电子文档和图像笔记获取各种正式的设计信息；dong等口认为在企 业范围内管理和共享设计信息的关键在于数据结构和查询机制的友好和透明,在传 递设计信息时具有柔性；江力等12综合运用规则推理和约束满足方法以及cbr算 法，研究面向产品变形设计过程的知识处理方法；gorti等13设计了一套通用的产 品建模语言,对设计知识进行快速的收集、存储、利用；ha等14提出一个产品设 计知识管理框架系统，通过知识获取模板捕获设计知识；肖乾等15介绍了产品设 计知识的范围和分类,并运用面向对象的方法对产品设计知识进行全面表达；沈斌 等16根据产品设计过程将产品设计知识划

9、分为不同的知识单元,建立产品设计的 知识库，并依此提出产品设计知识重用概念模型；郭宁等1刀基于神舟软件公司的 pdm产品avidm系统开发知识管理系统，从设计数据以及设计师个人中抽取和组 织知识,从而实现知识的有效积累和共享；惠为东等18从知识获取、案例推理技 术以及知识检索等方面展望了本体在机械产品设计知识管理中的应用前景。综上所述,在理论研究中,大部分学者直接将知识管理融入产品设计形成产品 设计知识管理理论框架,未考虑知识管理理论与产品设计体系的衔接问题。部分学 者也尝试将知识管理与设计流程进行结合，但仍然缺乏有效的动态设计知识的管理与应用理论框架；在技术方法硏究中，大部分学者针对局部设计

10、知识(如设计领域知识、设计过程知识、设计结果知识)进行孤立的知识管理技术(知识的建模、表示、共 享、检索等)研究,缺乏从整体角度对产品设计知识管理过程的设计知识进行全面和 统一研究。并且，产品设计知识管理相关技术研究过程中，仅仅考虑产品设计知识 管理本身,基本上未考虑知识管理以后的应用需求,导致大部分硏究岀现管而不 用"的状态。2.2知识流理论研究现状目前，关于知识流(knowledge flow)的描述，不同的学者有其各自的看法。综 合这些表述，本文认为现有的知识流观点大致可分为三类：(1) 知识流是在人与人之间、知识处理机构之间进行知识传递的过程，将知识流 定义在知识传递层面上,

11、如：nonaka等19认为知识流是组织内部隐性知识和显 性知识在不同本体之间的流动过程；谢富纪等20认为知识流是知识在不同部门之 间及其中间环节所进行的流动；李久平21认为知识流动指知识在参与创新活动的 不同主体之间的扩散和转移；华连连22认为知识流动指在特定环境中,知识在有 一定需求的主体之间(包括个人、组织和区域)”从知识存量高者流向知识存量低者的 复杂动态过程，知识落差决走知识流动的方向、知识流动的影响要素。(2) 知识流是在知识传递的基础上加上知识处理,如,zhuge23u为知识流是 知识在人们之间流动的过程或是知识处理的机制，知识流动包含三个重要的影响因 素：主体、内容和方向；fan

12、g等24将知识流定义为由组织独立创造,并且与其他 组织交流和交换的知识及经验，目的是扩散、积累和共享知识。知识流是知识传递的基础上加上知识应用，如，boisot25认为知识流包含知识扩散、知识吸收、知识扫描和问题解决4个阶段；davenport等26认为知识 流实际上包括知识转移和应用。经分析，上述的知识流实质上研究的仍然是已有的、 静态的知识流动过程。nissen27认为知识流中的知识应是动态的，知识流不仅仅代表知识的运动， 也应解释知识如何在组织中移动。张执南28认为目前关于知识流的定义都未涉及 新知识获取,实际上逬行新知识获取是设计知识流的首要目的。研究设计知识流就 是研究动态的设计知识

13、,包括设计知识的分类、动态特征、运动机制、知识获取和 流动控制。设计知识流的研究目标是清晰描述以知识获取为中心的设计活动,为研 究实现方法和工具研发提供理论基础。综合以上分析,本文认为概念设计中的知识流可描述为：概念设计过程中持续、 动态的知识流动过程或知识处理及应用机制。知识流动是一个复杂的过程,知识需 求或知识落差决定知识流动的方向和影响要素。知识流的动态性包括流动过程的动 态性和知识本身的动态性两个方面：知识流动过程的动态性包含知识的运动机制、 知识获取、流动控制等；知识本身的动态性包括知识的分类、动态特征、知识的转 化等。2.3 seci模型理论在知识管理基本理论研究中,nonaka等

14、19提出知识转化和创造的seci模型, 即社会化(socialization)、夕卜化(externalization)、组合化(combination)和内化 (internalization)4个呈螺旋前进的不同阶段。这4个阶段是组织机构知识创造过程 必不可少的组成部分,是组织机构中知识管理和创新的有机整体。事实上,组织机 构的知识转化?创造都是在知识流动过程中实现的，知识流动的最终目标是知识创造，知识转化是实现这一目标的必要手段。知识在流动过程中，通过知识的共享、 利用和转化产生新知识。因此，知识转化创造模型的4个阶段也同样是组织机构 知识流的主要内容,可认为组织机构中的知识流是知识通过

15、社会化、外化、组合化、 内化4个阶段在不同层次知识主体的流动过程。社会化阶段的知识流是个体间隐性 知识的流动过程；外化阶段的知识流是个体间隐性知识流动并转化为团队显性知识 过程；组合化阶段的知识流是将组织机构中零散的团队显性知识组织化和体系化的 过程；内化阶段的知识流是将显性知识流动并转变为组织机构各层次知识主体的新 隐性知识的过程。3概念设计知识管理中的知识流分析本硏究从宏观角度岀发,对知识管理过程中的知识流进行分析和建模；从微观 角度岀发,对概念设计过程中的知识流进行分析和建模。3.1知识管理过程中的知识流分析和建模从概念设计知识管理的全局性和完整性角度出发,本文认为完整的设计知识管 理过

16、程应包含知识的管理和重用两方面的内容，进而提出知识管理过程中的知识流 参考模型，如图1所示。知识管理过程中知识流活动主要包括知识评价和获取、知 识建模、知识表示、知识组织、知识存储、知识重用、外部知识服务等内容。图1知识管理过程中的知识流参考模型从知识流动的路径来看，组织内部和外部知识源既是知识流的起点也是其终点,知识库是知识流的中间过渡节点，整个知识管理过程中的知识流可分为三类:知识获取到知识存储的知识流动过程。在组织机构知识战略的驱动下，知识源中的知识通过评价和获取在组织机构内部开始流动，知识途经知识建模、知识表 示、知识组织和知识存储4个阶段后形成结构化的知识存储在知识库中。(2) 知识

17、库中的知识流动过程。由于知识的不断积累，知识库中的知识经常发生 自我流动和更新,形成循环知识流。知识重用到新知识产生的知识流动过程。在设计知识需求的推动下，设计人 员从知识库中提取知识并在设计过程中重用。若知识需求无法得到满足,则请求外 部知识服务。知识重用后产生新的设计过程知识和设计结果知识，这两类知识最终 汇集到内部知识源或逸散消失。本文主要关注第一类和第三类知识流。其中,第一类知识流主要包括知识获取 流和知识编码流，第三类知识流可称为知识重用流。3.2概念设计过程中的知识流分析和建模在制造业组织结构中，概念设计参与人员的角色主要包括设计总师、主设计人、 设计人三类，不同类型的角色及其之间

18、的关系形成角色模型。其中，设计总师主要 负责对开发项目中的设计方案的论证和决策,对整个设计环节进行有效控制；主设 计人负责完成产品分系统(模块)的设计方案；设计人负责具体设计任务。现代设计中 的角色模型既是层级结构的，也是扁平化的。从职责角度上分析角色模型是层级结 构的，但在实际项目开展过程中设计人员可以根据不同层级上的角色进行活动参与 和知识共享。借鉴已有研究22提出的工作流和知识流映射模型,本文提出概念设计中基于角色模型的工作流知识流整合模型,如图2所示。团队成员是知识流和工作流的实际操作者和决定因素，因此知识流和工作流可以通过参与的人员或角色进行集成。通过角色模型，团队成员可以参与工作流

19、中的一个或多个设计活动，也可以在知识流中的一个或多个知识节点中贡献知识。图2基于角色模型的工作流和知识流整合模型知识流和工作流的集成参考模型包括三层结构：知识流层、组织结构层、工作 流层。工作流和知识流整合模型反映了团队的组织架构，可通过三个映射建立知识 流层、组织结构层（团队成员、角色模型）、工作流层之间的关系。映射1 :将角色分 配给工作流层中的活动节点；映射2 :将角色分配给知识流层中的知识节点；映射3 : 将角色分配给团队成员,以便成员发挥其职能。其中，映射3的工作较为简单，就是为团队成员安排角色，分配相应的任务和 职责的过程。映射3实际上是任何团队活动的必要步骤，可认为映射1和映射2

20、在 实际过程中都默认包含映射3。映射1是角色模型和工作流之间的映射过程，可预 先设走。在设计任务的分解、指派、求解、合并等工作流中，角色与团队成员、设 计任务（活动节点）一一对应。映射2是角色模型与知识流的映射过程,无法预先设 定。从团队角度看,每个设计参与人员或设计资源是一个单独的知识节点,因设计 活动或设计任务的关系而相互联系起来。4基于知识流的语义化知识管理技术框架设计在对概念设计知识管理中知识流进行分析和建模的基础上,本文利用seci模型 理论和设计知识流理论相融合的现代设计知识管理新知识流理论，将知识管理过程 和概念设计过程进行有效连接与集成,结合本体、语义标注等方法和技术,提出基

21、于知识流的语义化知识管理关键技术框架，并进一步对技术框架中的研究内容进行 深入分析和探讨。4.1需求分析从广义上来说,概念设计知识管理是对产品概念设计中组织内外及设计过程所 涉及知识的全面管理过程。从狭义上来说,概念设计知识管理是对产品概念设计自 身所涉及知识的管理过程。本文遵循广义概念设计知识管理的界定和说明。通过调查研究发现,目前的概念设计知识管理研究具有一定的局限性,其研究 主要聚焦于组织内外知识资源的管理，或者概念设计自身知识的管理，未能将两者 进行有效集成，并且在研究过程中未能考虑知识管理实施后的知识重用需求。此外, 概念设计是动态的设计过程,其设计知识的管理也是动态的,与传统人类经

22、验、文 献资料等静态知识的管理具有明显区别。结合2.1节的调研分析结果，本研究的总体需求可以概括为：(1) 如何从概念设计知识管理的全局性和动态性角度出发，结合宏观和微观两个 视角，引入知识流相关理论，借助语义化方法和技术，设计概念设计中基于知识流 的语义化知识管理技术框架；(2) 研究概念设计中不同维度知识的建模和获取等关键技术；g)探索关键技术在实际概念设计知识管理实践中的应用，使得知识管理理论和 技术能够适用于概念设计中动态设计知识的管理。4.2结构和组成本文认为概念设计知识管理应从知识管理和知识重用两个维度进行综合研究。在理论方面，以知识管理的seci模型理论为基础，以设计知识流理论为

23、扩展，将两 者进行有效融合和连接形成现代设计知识管理的知识流理论。在第3节的基础上” 集成知识管理和知识重用双重需求,通过概念设计知识管理中的知识流将知识管理 过程和概念设计过程进行整合和连接，进而提出基于知识流的语义化知识管理技术 框架,以实现对概念设计知识的全生命周期管理。从知识流动角度对技术框架进行 建模,其结构如图3所示。图3基于知识流的语义化知识管理技术框架（1）从宏观角度看，该技术框架依托组织内外知识管理过程，集成知识管理和知 识重用两方面的需求和内容对组织内外知识管理的主要阶段进行对接和统一，全面、 清晰地揭示了概念设计知识管理中的知识流内涵和机理。设计知识流依托知识管理 过程进

24、行流动，根据知识流经的节点将知识流为4类：知识获取流（知识获取到知识 建模）、知识编码流（知识建模到知识组织）、知识更新流（知识库中知识流）、知识重用 流（知识重用到新知识产生）。本文重点研究其中的知识获取流、知识编码流和知识重 用流，并对这三类知识流进行深入探索和揭示。（2）从微观角度看，该技术框架依托概念设计过程，集成设计过程中的设计人员、 设计流、知识流三要素对概念设计中的知识流进行探索,深入、细致地揭示了概念 设计过程中知识流的内涵和运行机制。在概念设计过程中，设计知识依附于设计活 动进行流动,设计流与知识流紧密结合不可分隔。为此,本文从知识管理的应用角 度岀发，根据概念设计的主要设计

25、步骤，对概念设计过程中的知识流节点进行建模,并提出基于角色模型的工作流知识流整合模型。基于以上分析，本文提出技术框架的研究内容，包括概念设计知识管理中的三个关键技术及其应用共4部分研究内容：多维设计知识统一建模技术研究在概念设计中,设计知识种类繁多、来源广泛,根据不同分类维度可将概念设 计知识划分为不同的知识类型。为实现概念设计知识的全方面、多维度集成建模和 管理,应基于知识流，借助语义化方法和技术,从全局性角度研究概念设计中基于 知识流的多维设计知识统一建模技术,包括多维设计知识的分类与定义、统一建模 体系构建、技术实现以及语义化知识表示技术实现等。设计过程知识语义建模技术研究在概念设计中,

26、设计过程知识一直处于流动和变化当中,为实现动态设计过程 知识的有效建模和重用，应基于知识流，借助语义化方法和技术，从动态性角度硏 究概念设计中设计过程知识的语义建模技术,包括设计过程知识的语义建模技术体 系构建、语义建模技术实现以及语义化知识表示技术实现等。(3) 组织内外设计知识获取技术研究知识获取为知识管理和重用提供知识来源,为实现组织内外知识流动、转化 获取,应基于知识流,结合知识管理和知识重用需求,从组织内部和组织外部两个 维度，探索组织内部隐性设计过程知识的获取和组织外部显性设计领域知识的获取, 包括这两类知识的获取需求分析、获取实验方案设计以及对应的获取技术实现等。(4) 语义化知

27、识管理关键技术应用硏究以知识流为主线，研究概念设计知识的建模和获取两大关键技术，重点从知识管理和知识重用两个层面,设计并实现基于知识流的语义化知识管理关键技术应用 系统，包括系统总体设计以及关键技术支撑的4个子系统模块的设计与实现。进一步从层次结构角度对语义化知识管理技术框架进行分析和建模,其层次结 构如图4所示。图4语义化知识管理技术框架的层次结构该技术框架的层次结构包括理论层、语义层、逻辑层、业务层、数据层、应用 层6个层次。其中理论层是知识管理的seci模型理论和现代设计的设计知识流理论 进行集成和连接的现代设计知识管理理论,为整个框架提供理论层面上的支撑；语 义层是本体和语义标注相结合

28、的语义方法和技术，为整个框架的语义化提供方法层 面上的支撑；逻辑层是整个框架的逻辑描述，为业务层、数据层、应用层中的相关 活动和要素提供逻辑上的解释和说明；业务层是整个框架的核心部分，是概念设计 过程的具象化和模型化过程，为概念设计知识管理的实施提供业务上的解释和说明; 数据层是整个框架的数据获取中心,为概念设计知识管理提供数据和知识来源；应 用层是整个框架的技术实现部分,为概念设计知识管理中的知识建模和表示、知识 获取等关键技术的实证和应用提供平台。4.3功能和应用该技术框架所包含的4个研究内容及其之间的支撑关系如图5所示。知识管理和知识重用双重需求 图5技术框架包含的主要内容及其关系将知识

29、管理过程中的知识编码流与概念设计过程中的知识流进行融合与连接, 集成知识管理和知识重用双重需求，结合语义化方法，从全局角度对概念设计中的 多维设计知识统一建模技术进行硏究,形成研究内容le将知识管理过程中的知识编码流与概念设计过程中的知识流进行融合与连接, 集成知识管理和知识重用双重需求,结合语义化方法，从动态角度对概念设计中设 计过程知识语义建模技术进行硏究,形成硏究内容2。g)将知识管理过程中的知识获取流与概念设计过程中的知识流进行融合与连接, 基于新知识流理论，从组织内部和外部两个维度出发，对组织内部的隐性设计过程 知识和组织外部的显性设计领域知识的知识获取技术进行硏究,形成研究内容3e

30、(4)将知识管理过程中的知识重用流与概念设计过程中的知识流进行融合与连接, 结合知识检索、知识推送、可视化等方法,将前述关键技术硏究成果应用于概念设 计实践中，设计并实现基于知识流的概念设计知识管理关键技术应用系统，形成研 究内容4。5结语产品设计是一个知识积累和复用的螺旋上升过程,而概念设计是产品设计的关 键环节,提升概念设计的效率和质量对制造业的发展具有重要作用。本文在现有设计知识管理的基础上,引入知识流理论,从知识管理过程角度出 发，提出知识管理过程中的知识流参考模型；从概念设计过程角度出发，提出基于角色模型的工作流和知识流整合模型；结合语义化方法和技术，提出基于知识流的语义化知识管理关

31、键技术框架，并进一步对技术框架中需求、结构、功能等内容进行深入分析和探讨。原文参考文献： 1余海亮，赵勇基于公理设计与triz的概念设计知识管理研 究j机械，2008, 35(12)： 51-54. (yu ilailiang, zhao yong.research of product knowledge management oriented to product conception design based on axiomatic design and tr1zj. machinery, 2008, 35(12) :51-54.) 2谢友柏现代设计理论和方法的研究j 机械工程学报，

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