利用知識管理技術(shù)對已有知識進(jìn)行有效利用已成為企業(yè)保持產(chǎn)品創(chuàng )新及競爭優(yōu)勢的源泉。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中,概念設計是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中最具創(chuàng )造性的階段,需要花費的成本少,但對產(chǎn)品價(jià)值增值的幅度最大,雖然概念設計階段實(shí)際投入的費用只占產(chǎn)品開(kāi)發(fā)總成本的5%,卻決定了產(chǎn)品總成本的70%[1],而且詳細設計階段很難甚至不能糾正概念設計階段的設計缺陷和錯誤,因此對概念設計知識進(jìn)行有效的管理和重用對于推動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng )新和實(shí)現設計優(yōu)化非常重要。

　　目前,設計知識管理已成為國內外許多研究機構、大學(xué)、企業(yè)的研究熱點(diǎn),如美國NIST的設計知識庫項目[2]；歐洲WISE工程知識管理項目[3]、MOKA項目[4]；韓國LG公司資助的知識管理項目[5]；國家863資助的知識管理平臺研究[6]等,但還沒(méi)有一個(gè)實(shí)用的能支持概念設計知識重用的系統,對它的研究也還停留在理論準備階段。

　　本文在研究了基于本體的的概念設計知識模型的基礎上,提出了基于本體的概念設計知識管理框架,研究了用戶(hù)對本體的定義、對知識結構內容的自由擴充以及概念設計知識的檢索方法等關(guān)鍵技術(shù)。

　　1、基于本體的概念設計知識建模

　　1.1　概念設計知識分類(lèi)與表達

　　概念設計是對設計問(wèn)題加以描述,并以方案的形式提出眾多解的設計階段[7].概念設計從不同的角度有多種定義[8].一般認為,概念設計是指以設計要求為輸入、以最佳方案為輸出的系統所包含的工作流程,是一個(gè)由功能向結構的轉換過(guò)程。

　　圖1描述了一般概念設計的工作流程,它包含綜合與評價(jià)兩個(gè)基本過(guò)程。綜合是指根據設計要求,運用各種分析、設計方法推理而生成的多個(gè)方案,是個(gè)發(fā)散過(guò)程；評價(jià)則從方案集中擇出最優(yōu),是個(gè)收斂過(guò)程。概念設計是將所設計的產(chǎn)品看成一個(gè)系統,運用系統工程的方法去分析和設計。具體說(shuō),概念設計就是將設計對象的總功能分解成相互有機聯(lián)系的若干功能單元,并以功能單元為子系統進(jìn)行再次分解,生成更低一級的功能單元,經(jīng)過(guò)這樣逐層分解,直至對應的各個(gè)最末端功能單元能夠找到一個(gè)可以實(shí)現的技術(shù)原理解。概念設計的主要任務(wù)是功能到結構的映射,概念設計過(guò)程主要包括：功能創(chuàng )新、功能分析和功能結構設計、工作原理解的搜索和確定、功能載體方案構思和決策。

　　根據概念設計的過(guò)程及人在設計時(shí)的認知特點(diǎn)將概念設計知識分為元知識和實(shí)例知識（其分類(lèi)如圖2所示）。元知識中主要包括功能知識、技術(shù)原理解知識、結構知識等。實(shí)例知識中主要包括方案設計實(shí)例、技術(shù)原理解實(shí)例、產(chǎn)品實(shí)例等知識。

　�。�1）功能知識。主要描述產(chǎn)品完成的任務(wù),描述產(chǎn)品的功能及功能子項。描述產(chǎn)品要完成的功能,包括功能內容、實(shí)現參數、性能指標等；

　�。�2）技術(shù)原理解知識。描述產(chǎn)品功能及功能子項的原理解答。它的表達要復雜些,一方面可用文字、數字表達它的說(shuō)明、解答參數,另一方面,要有圖形支持產(chǎn)品原理解答；

　�。�3）結構知識。描述產(chǎn)品的結構設計狀況,是對原理域知識的細化和擴充,是求解原理解的結構載體,可描述產(chǎn)品關(guān)鍵部分的形狀、尺寸和參數。產(chǎn)品功能 結構的映射（簡(jiǎn)稱(chēng)為功構映射）就是對產(chǎn)品的功能模型進(jìn)行結構實(shí)現的求解,是將產(chǎn)品功能性的描述轉化為能實(shí)現這些功能的具有具體形狀、尺寸及相互關(guān)系的零部件描述。在這里功能是產(chǎn)品結構的抽象,是結構實(shí)現的目的；而結構則為實(shí)現某功能而選用的一組構件或元件。功能 結構間的關(guān)系一般而言是多對多的映射關(guān)系。一個(gè)功能可能由一個(gè)或多個(gè)特征或元件實(shí)現,而一個(gè)特征或元件也可能完成一個(gè)或多個(gè)功能；

　�。�4）實(shí)例知識。已成功或失敗的設計范例,包括方案設計實(shí)例,產(chǎn)品結構知識實(shí)例、技術(shù)原理解實(shí)例等。它包含了更多的實(shí)際因素,是類(lèi)比設計和基于實(shí)例推理設計的基礎。

　　以工程機械中某型滑模式水泥攤鋪機為例,總功能為攤鋪水泥路面,總功能可細分為滑模作業(yè)、控制作業(yè)等功能,滑模作業(yè)功能又可細分為提水泥漿、擠壓成型等功能。其中某個(gè)功能的實(shí)現可能會(huì )由幾個(gè)結構組合而成,例如滑模式水泥攤鋪機滑模作業(yè)功能就是由螺旋分料器、刮平板等幾個(gè)結構一起才能實(shí)現。圖3為該水泥攤鋪機的功能層次定義和功能分解結構舉例。該產(chǎn)品所對應的結構分解則如圖4所示。圖5中給出了對于滑模作業(yè)功能的技術(shù)原理解簡(jiǎn)圖、技術(shù)原理解的評價(jià)、參考產(chǎn)品,以及實(shí)現該功能的說(shuō)明等相關(guān)的知識。

　　如何利用計算機技術(shù)對概念設計予以支持,對概念設計知識進(jìn)行有效的管理,至今仍沒(méi)有較好的解決方法。目前的知識建模主要是專(zhuān)家系統,最常用的知識模型包括框架、產(chǎn)生式規則、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò )、謂詞邏輯等。專(zhuān)家系統的知識建模主要側重符號層的系統實(shí)現,很少考慮動(dòng)態(tài)的,非結構化的知識,造成專(zhuān)家系統解決問(wèn)題的局限性,使得專(zhuān)家系統不能解決大型復雜問(wèn)題。

　　本體作為“對概念化顯式的詳細說(shuō)明”[9,10],研究領(lǐng)域內的對象、概念和其他實(shí)體,以及它們之間的關(guān)系,可以很好地解決概念設計知識的表達、檢索和重用等問(wèn)題。采用本體描述概念設計知識可以支持細粒度的產(chǎn)品語(yǔ)義信息的描述,可以形式化地定義特定領(lǐng)域的知識,如概念、事實(shí)、規則等；支持語(yǔ)義層面的集成和共享,基于本體的知識定義可以對知識作普遍的、無(wú)歧義的語(yǔ)義解釋,可以保證不同使用者之間進(jìn)行語(yǔ)義層面的信息共享和互操作。

　　1.2　本體建模過(guò)程描述

　　本體是某一領(lǐng)域的概念化描述,著(zhù)意于在抽象層次提出描述客觀(guān)世界的抽象模型,它包括兩個(gè)基本的要素：概念和概念之間的關(guān)系。本體的構建必須滿(mǎn)足以下的要求：對目標領(lǐng)域的清晰描述；概念或概念之間關(guān)系的明確定義；一般性和綜合性原則。本體可以有多種表述方式,包括圖形方式、語(yǔ)言形式和XML文檔形式等。

　　基于本體的產(chǎn)品概念設計知識建模過(guò)程包括3個(gè)階段：

　�。�1）產(chǎn)品概念設計知識目標確定。產(chǎn)品概念設計知識定位,概念設計知識的定位決定本體構造的功能需求及最終用戶(hù)。

　�。�2）產(chǎn)品概念設計知識本體分析與建立。根據需求分析,確定該領(lǐng)域的相關(guān)概念及概念屬性,并用XML語(yǔ)言進(jìn)行形式化描述。這個(gè)階段是建立概念設計知識本體的關(guān)鍵環(huán)節,直接影響到整個(gè)本體的生成質(zhì)量,同時(shí)也是工作量最大的階段。

　�。�3）產(chǎn)品概念設計知識本體評價(jià)。對所創(chuàng )建的本體進(jìn)行一致性及完備性評價(jià)。一致性是指術(shù)語(yǔ)之間的關(guān)系邏輯上應保持一致；完備性是指本體中概念及關(guān)系應是完善的。我們稱(chēng)該3階段的組合為產(chǎn)品概念設計知識本體建模的一個(gè)生命周期（見(jiàn)圖6）。

　　1.3　概念設計知識的本體表示

　　在此我們以工程機械中滑模式水泥攤鋪機為例,結合圖3～圖5中的實(shí)際知識,從概念實(shí)體、概念屬性及概念間關(guān)系等方面來(lái)說(shuō)明產(chǎn)品知識、功能知識、技術(shù)原理解知識、技術(shù)原理解實(shí)例等概念設計知識的本體表示,通過(guò)概念蘊涵、屬性關(guān)聯(lián)、相互約束和公理定義等方法揭示了概念間的本質(zhì)聯(lián)系,形成一個(gè)語(yǔ)義關(guān)系清晰的產(chǎn)品概念設計知識模型。建模采用目前最新的OWL語(yǔ)言描述。

　　表述的語(yǔ)義為一個(gè)滑模式水泥攤鋪機繼承了一個(gè)產(chǎn)品的所有屬性,此外還具備了關(guān)系屬性：攤鋪能力,同時(shí),又對屬性攤鋪能力作了限制：只能應用于滑模式水泥攤鋪機領(lǐng)域,且取值變化只能在攤鋪寬度中（省略了關(guān)于滑模式水泥攤鋪機類(lèi)似屬性的定義,如攤鋪厚度和攤鋪速度等）。

　�。�3）功能知識類(lèi)

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　　表述的語(yǔ)義為一個(gè)功能知識只有一個(gè)功能名稱(chēng),且最少具有一個(gè)相關(guān)產(chǎn)品（省略了功能知識類(lèi)似屬性的定義,如功能編號、功能說(shuō)明、創(chuàng )建人、創(chuàng )建時(shí)間、存儲位置等）。

　�。�4）功能技術(shù)原理解類(lèi)

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　　<owl：onPropertyrdf：resource=“#技術(shù)原理解簡(jiǎn)圖”/></owl：Restricton>

　　</owl：Class>

　　表述的語(yǔ)義為一個(gè)功能技術(shù)原理解具有對應的功能名稱(chēng),相關(guān)的技術(shù)原理解簡(jiǎn)圖（省略了技術(shù)原理解類(lèi)似屬性的定義,如評價(jià)、參考產(chǎn)品、創(chuàng )建人、創(chuàng )建時(shí)間、存儲位置等）。

　　上述描述中,使用類(lèi)公理（subclassof）描述了兩個(gè)類(lèi)（概念）之間的繼承關(guān)系,如滑模式水泥攤鋪機類(lèi)是產(chǎn)品類(lèi)的子類(lèi)。在描述類(lèi)屬性時(shí),使用關(guān)系屬性（objectproperty）描述了類(lèi)的某個(gè)屬性同時(shí)也表示了兩個(gè)類(lèi)之間的某種關(guān)系,如攤鋪能力既是滑模式水泥攤鋪機類(lèi)的一個(gè)屬性,同時(shí)也表達了和攤鋪寬度類(lèi)之間的對應關(guān)系。另外,使用屬性公理domain和range表示屬性的應用領(lǐng)域和屬性的取值范圍,如屬性攤鋪能力只能用于滑模式水泥攤鋪機類(lèi),且它的取值只能是攤鋪寬度數據集。

　　1.4　基于本體的概念設計知識管理的特點(diǎn)和優(yōu)勢

　　基于本體的概念設計知識管理可以讓設計人員更好地重用已有的概念設計知識,基于本體的概念設計知識管理具有以下的一些特點(diǎn)或優(yōu)勢：

　�。�1）支持用戶(hù)定制知識類(lèi)別。產(chǎn)品概念設計過(guò)程中,需要運用多種類(lèi)型的知識,如：功能類(lèi)、功能技術(shù)原理方案解類(lèi)等。這些知識的描述和使用有著(zhù)不同的特點(diǎn),不能用相同的描述框架來(lái)處理�；�于本體的設計知識建模允許用戶(hù)對設計中知識類(lèi)別加以定制,針對每一類(lèi)別定義其描述屬性,從而較好的解決了概念設計中多來(lái)源多類(lèi)型知識的表示問(wèn)題。

　�。�2）支持概念共享的知識庫構建。概念設計知識本體的構造澄清了概念設計領(lǐng)域知識的結構,為概念設計知識的表示打好了基礎,而本體中統一的術(shù)語(yǔ)和概念也使概念設計知識更好地共享成為可能�；�于本體的概念設計知識表示在區分不同知識類(lèi)別的同時(shí),建立起概念間的共享聯(lián)系。通過(guò)概念間的共享機制,避免了設計知識庫的數據冗余和數據不一致問(wèn)題,方便了知識的建模錄入、檢索及統計處理。

　�。�3）多視圖和基于本體概念的知識檢索。在目前的應用系統中一般采用基于關(guān)鍵字的數據庫查詢(xún)方法,由于其數據庫組織不是建立在能夠表示概念之間的關(guān)系、事實(shí)和實(shí)例的領(lǐng)域模型的基礎上,因此無(wú)法實(shí)現智能查詢(xún)和信息推理,也就無(wú)法解決語(yǔ)義異構性問(wèn)題。由于不同的組織和人員可能使用不同的詞語(yǔ)表示同一個(gè)含義,因此查詢(xún)系統得不到意義相同但用詞（語(yǔ)法）不同的內容。當需要對多個(gè)數據源進(jìn)行查詢(xún)的時(shí)候問(wèn)題更為明顯,多意詞和同義詞會(huì )使查詢(xún)得到許多不相關(guān)的信息,而忽略另外一些重要信息。

　　在基于本體的概念設計知識管理中由于具有統一的術(shù)語(yǔ)和概念,知識庫建立在本體的基礎上,使得基于知識的設計意圖匹配成為可能。采用基于知識、語(yǔ)義上的檢索匹配,對用戶(hù)的檢索請求,通過(guò)查詢(xún)轉換器按照本體把各種檢索請求轉換成對應的概念,在本體的幫助下從知識庫中匹配出符合條件的數據集合,解決了語(yǔ)義異構的問(wèn)題。

　　從人在設計時(shí)的認知特點(diǎn)出發(fā),可以采用基于功能分解樹(shù)的功能設計知識檢索視圖、基于產(chǎn)品分解結構樹(shù)的結構設計知識檢索視圖,還可以利用本體中已定義的概念定義其它知識檢索視圖,比如需求功能知識檢索視圖、軟件工具使用知識檢索視圖等,實(shí)現基于知識檢索的設計意圖的匹配。

　　2、基于本體的概念設計知識管理

　　2.1　概念設計知識管理系統結構

　　結合工程機械行業(yè)的實(shí)際,本文提出了圖7所示的基于本體的產(chǎn)品概念設計知識管理系統結構,系統按照知識產(chǎn)生、獲取和利用的流程來(lái)構建,系統結構主要包括概念設計知識管理工具、數據接口程序以及基于本體的概念設計知識庫,具體由4個(gè)部分構成。

　�。�1）概念設計知識獲取。概念設計知識的獲取包括從概念設計知識本體定義、本體之間關(guān)系定義、本體知識庫生成到概念設計知識獲取整個(gè)過(guò)程。

　�。�2）概念設計知識維護。主要包括從概念設計知識本體維護、本體關(guān)系維護、知識庫重新生成到概念設計知識維護的過(guò)程,實(shí)現對本體的屬性修改,各類(lèi)知識之間的關(guān)系維護,以及知識庫的更新等。

　�。�3）概念設計知識檢索重用。系統中提供基于多視圖的知識檢索方式,如基于功能分解樹(shù)的功能設計知識檢索視圖、基于產(chǎn)品分解結構樹(shù)的結構設計知識檢索視圖,及用戶(hù)定義的其它知識檢索視圖。此外系統提供基于本體概念的知識檢索方式,通過(guò)本體映射庫,可以實(shí)現同義詞的檢索,保證可能會(huì )采用不同的概念和術(shù)語(yǔ)表示相同的設計信息的人可以得到相同的知識幫助。

　�。�4）概念設計知識庫的構建。要實(shí)現基于本體的,支持客戶(hù)自定義的概念設計知識管理,系統必須由足夠的柔性,支持各類(lèi)知識的存儲,作為系統基石的知識庫的構建就不能采用完全預先定義的方式,在系統中我們采用基礎數據庫加上在此基礎上經(jīng)過(guò)本體定義工具動(dòng)態(tài)生成的各類(lèi)知識庫的方法保證基于本體的知識管理的實(shí)現。

　　2.2　概念設計知識管理關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現

　�。�1）基于本體的知識定義。工程機械產(chǎn)品概念設計過(guò)程中需要運用多種類(lèi)型的知識,這些知識的描述和使用有著(zhù)不同的特點(diǎn),不能用相同的描述框架來(lái)處理�；�于本體的概念設計知識管理允許用戶(hù)對定制知識類(lèi)別,對知識進(jìn)行基于本體的定義,針對每一類(lèi)知識定義其描述屬性,較好地解決了多來(lái)源多類(lèi)型知識的表示問(wèn)題。

　�。�2）支持本體的知識庫構建及關(guān)系定義。概念設計涉及的知識多種多樣,其知識結構亦各不相同,為了使系統具有足夠的柔性,支持客戶(hù)定制知識庫,為此系統中將知識庫的構建和基礎數據分開(kāi),在系統開(kāi)始運行時(shí)知識庫的種類(lèi)、數量和知識庫間的關(guān)系并沒(méi)有確定,而是在運行過(guò)程中根據設計人員的需要和設計過(guò)程中產(chǎn)生

來(lái)源：碧森尤信