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　　目前,设计知识管理已成为国内外许多研究机构、大学、企业的研究热点,如美国nist的设计知识库项目[2]；欧洲wise工程知识管理项目[3]、moka项目[4]；韩国lg公司资助的知识管理项目[5]；国家863资助的知识管理平台研究[6]等,但还没有一个实用的能支持概念设计知识重用的系统,对它的研究也还停留在理论准备阶段。

　　本文在研究了基于本体的的概念设计知识模型的基础上,提出了基于本体的概念设计知识管理框架,研究了用户对本体的定义、对知识结构内容的自由扩充以及概念设计知识的检索方法等关键技术。

　　概念设计是对设计问题加以描述,并以方案的形式提出众多解的设计阶段[7].概念设计从不同的角度有多种定义[8].一般认为,概念设计是指以设计要求为输入、以最佳方案为输出的系统所包含的工作流程,是一个由功能向结构的转换过程。

　　图1描述了一般概念设计的工作流程,它包含综合与评价两个基本过程。综合是指根据设计要求,运用各种分析、设计方法推理而生成的多个方案,是个发散过程；评价则从方案集中择出最优,是个收敛过程。概念设计是将所设计的产品看成一个系统,运用系统工程的方法去分析和设计。具体说,概念设计就是将设计对象的总功能分解成相互有机联系的若干功能单元,并以功能单元为子系统进行再次分解,生成更低一级的功能单元,经过这样逐层分解,直至对应的各个最末端功能单元能够找到一个可以实现的技术原理解。概念设计的主要任务是功能到结构的映射,概念设计过程主要包括：功能创新、功能分析和功能结构设计、工作原理解的搜索和确定、功能载体方案构思和决策。

　　根据概念设计的过程及人在设计时的认知特点将概念设计知识分为元知识和实例知识（其分类如图2所示）。元知识中主要包括功能知识、技术原理解知识、结构知识等。实例知识中主要包括方案设计实例、技术原理解实例、产品实例等知识。

　　（1）功能知识。主要描述产品完成的任务,描述产品的功能及功能子项。描述产品要完成的功能,包括功能内容、实现参数、性能指标等；

　　（2）技术原理解知识。描述产品功能及功能子项的原理解答。它的表达要复杂些,一方面可用文字、数字表达它的说明、解答参数,另一方面,要有图形支持产品原理解答；

　　（3）结构知识。描述产品的结构设计状况,是对原理域知识的细化和扩充,是求解原理解的结构载体,可描述产品关键部分的形状、尺寸和参数。产品功能结构的映射（简称为功构映射）就是对产品的功能模型进行结构实现的求解,是将产品功能性的描述转化为能实现这些功能的具有具体形状、尺寸及相互关系的零部件描述。在这里功能是产品结构的抽象,是结构实现的目的；而结构则为实现某功能而选用的一组构件或元件。功能结构间的关系一般而言是多对多的映射关系。一个功能可能由一个或多个特征或元件实现,而一个特征或元件也可能完成一个或多个功能；

　　（4）实例知识。已成功或失败的设计范例,包括方案设计实例,产品结构知识实例、技术原理解实例等。它包含了更多的实际因素,是类比设计和基于实例推理设计的基础。

　　以工程机械中某型滑模式水泥摊铺机为例,总功能为摊铺水泥路面,总功能可细分为滑模作业、控制作业等功能,滑模作业功能又可细分为提水泥浆、挤压成型等功能。其中某个功能的实现可能会由几个结构组合而成,例如滑模式水泥摊铺机滑模作业功能就是由螺旋分料器、刮平板等几个结构一起才能实现。图3为该水泥摊铺机的功能层次定义和功能分解结构举例。该产品所对应的结构分解则如图4所示。图5中给出了对于滑模作业功能的技术原理解简图、技术原理解的评价、参考产品,以及实现该功能的说明等相关的知识。

　　如何利用计算机技术对概念设计予以支持,对概念设计知识进行有效的管理,至今仍没有较好的解决方法。目前的知识建模主要是专家系统,最常用的知识模型包括框架、产生式规则、语义网络、谓词逻辑等。专家系统的知识建模主要侧重符号层的系统实现,很少考虑动态的,非结构化的知识,造成专家系统解决问题的局限性,使得专家系统不能解决大型复杂问题。

　　本体作为“对概念化显式的详细说明”[9,10],研究领域内的对象、概念和其他实体,以及它们之间的关系,可以很好地解决概念设计知识的表达、检索和重用等问题。采用本体描述概念设计知识可以支持细粒度的产品语义信息的描述,可以形式化地定义特定领域的知识,如概念、事实、规则等；支持语义层面的集成和共享,基于本体的知识定义可以对知识作普遍的、无歧义的语义解释,可以保证不同使用者之间进行语义层面的信息共享和互操作。

　　本体是某一领域的概念化描述,着意于在抽象层次提出描述客观世界的抽象模型,它包括两个基本的要素：概念和概念之间的关系。本体的构建必须满足以下的要求：对目标领域的清晰描述；概念或概念之间关系的明确定义；一般性和综合性原则。本体可以有多种表述方式,包括图形方式、语言形式和xml文档形式等。

　　（1）产品概念设计知识目标确定。产品概念设计知识定位,概念设计知识的定位决定本体构造的功能需求及最终用户。

　　（2）产品概念设计知识本体分析与建立。根据需求分析,确定该领域的相关概念及概念属性,并用xml语言进行形式化描述。这个阶段是建立概念设计知识本体的关键环节,直接影响到整个本体的生成质量,同时也是工作量最大的阶段。

　　（3）产品概念设计知识本体评价。对所创建的本体进行一致性及完备性评价。一致性是指术语之间的关系逻辑上应保持一致；完备性是指本体中概念及关系应是完善的。我们称该3阶段的组合为产品概念设计知识本体建模的一个生命周期（见图6）。

　　在此我们以工程机械中滑模式水泥摊铺机为例,结合图3～图5中的实际知识,从概念实体、概念属性及概念间关系等方面来说明产品知识、功能知识、技术原理解知识、技术原理解实例等概念设计知识的本体表示,通过概念蕴涵、属性关联、相互约束和公理定义等方法揭示了概念间的本质联系,形成一个语义关系清晰的产品概念设计知识模型。建模采用目前最新的owl语言描述。

　　表述的语义为一个滑模式水泥摊铺机继承了一个产品的所有属性,此外还具备了关系属性：摊铺能力,同时,又对属性摊铺能力作了限制：只能应用于滑模式水泥摊铺机领域,且取值变化只能在摊铺宽度中（省略了关于滑模式水泥摊铺机类似属性的定义,如摊铺厚度和摊铺速度等）。

　　表述的语义为一个功能知识只有一个功能名称,且最少具有一个相关产品（省略了功能知识类似属性的定义,如功能编号、功能说明、创建人、创建时间、存储位置等）。

　　表述的语义为一个功能技术原理解具有对应的功能名称,相关的技术原理解简图（省略了技术原理解类似属性的定义,如评价、参考产品、创建人半岛bd体育、创建时间、存储位置等）。

　　上述描述中,使用类公理（subclassof）描述了两个类（概念）之间的继承关系,如滑模式水泥摊铺机类是产品类的子类。在描述类属性时,使用关系属性（objectproperty）描述了类的某个属性同时也表示了两个类之间的某种关系,如摊铺能力既是滑模式水泥摊铺机类的一个属性,同时也表达了和摊铺宽度类之间的对应关系。另外,使用属性公理domain和range表示属性的应用领域和属性的取值范围,如属性摊铺能力只能用于滑模式水泥摊铺机类,且它的取值只能是摊铺宽度数据集。

　　基于本体的概念设计知识管理可以让设计人员更好地重用已有的概念设计知识,基于本体的概念设计知识管理具有以下的一些特点或优势：

　　（1）支持用户定制知识类别。产品概念设计过程中,需要运用多种类型的知识,如：功能类、功能技术原理方案解类等。这些知识的描述和使用有着不同的特点,不能用相同的描述框架来处理。基于本体的设计知识建模允许用户对设计中知识类别加以定制,针对每一类别定义其描述属性,从而较好的解决了概念设计中多来源多类型知识的表示问题。

　　（2）支持概念共享的知识库构建。概念设计知识本体的构造澄清了概念设计领域知识的结构,为概念设计知识的表示打好了基础,而本体中统一的术语和概念也使概念设计知识更好地共享成为可能。基于本体的概念设计知识表示在区分不同知识类别的同时,建立起概念间的共享联系。通过概念间的共享机制,避免了设计知识库的数据冗余和数据不一致问题,方便了知识的建模录入、检索及统计处理。

　　（3）多视图和基于本体概念的知识检索。在目前的应用系统中一般采用基于关键字的数据库查询方法,由于其数据库组织不是建立在能够表示概念之间的关系、事实和实例的领域模型的基础上,因此无法实现智能查询和信息推理,也就无法解决语义异构性问题。由于不同的组织和人员可能使用不同的词语表示同一个含义,因此查询系统得不到意义相同但用词（语法）不同的内容。当需要对多个数据源进行查询的时候问题更为明显,多意词和同义词会使查询得到许多不相关的信息,而忽略另外一些重要信息。

　　在基于本体的概念设计知识管理中由于具有统一的术语和概念,知识库建立在本体的基础上,使得基于知识的设计意图匹配成为可能。采用基于知识、语义上的检索匹配,对用户的检索请求,通过查询转换器按照本体把各种检索请求转换成对应的概念,在本体的帮助下从知识库中匹配出符合条件的数据集合,解决了语义异构的问题。

　　从人在设计时的认知特点出发,可以采用基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,还可以利用本体中已定义的概念定义其它知识检索视图,比如需求功能知识检索视图、软件工具使用知识检索视图等,实现基于知识检索的设计意图的匹配。

　　结合工程机械行业的实际,本文提出了图7所示的基于本体的产品概念设计知识管理系统结构,系统按照知识产生、获取和利用的流程来构建,系统结构主要包括概念设计知识管理工具、数据接口程序以及基于本体的概念设计知识库,具体由4个部分构成。

　　（1）概念设计知识获取。概念设计知识的获取包括从概念设计知识本体定义、本体之间关系定义、本体知识库生成到概念设计知识获取整个过程。

　　（2）概念设计知识维护。主要包括从概念设计知识本体维护、本体关系维护、知识库重新生成到概念设计知识维护的过程,实现对本体的属性修改,各类知识之间的关系维护,以及知识库的更新等。

　　（3）概念设计知识检索重用。系统中提供基于多视图的知识检索方式,如基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,及用户定义的其它知识检索视图。此外系统提供基于本体概念的知识检索方式,通过本体映射库,可以实现同义词的检索,保证可能会采用不同的概念和术语表示相同的设计信息的人可以得到相同的知识帮助。

　　（4）概念设计知识库的构建。要实现基于本体的,支持客户自定义的概念设计知识管理,系统必须由足够的柔性,支持各类知识的存储,作为系统基石的知识库的构建就不能采用完全预先定义的方式,在系统中我们采用基础数据库加上在此基础上经过本体定义工具动态生成的各类知识库的方法保证基于本体的知识管理的实现。

　　数据是记录客观事物的可以鉴别的符号，信息指关于客观事实的可通信的知识。所谓知识，就其反映的内容而言，是客观事物的属性与联系的反映，是客观世界在人脑中的主观映象。数据在使用中提升为信息，转化为知识，继而积累为企业智力资产，指导产品设计，就是基于知识的设计［1］。目前产品设计知识重用的两个瓶颈问题:设计知识的建模问题和构造高效的检索方法。其中，产品设计知识建模主要归结为:基于功能原理模型的产品知识建模、基于全生命周期的产品知识建模、基于知识的产品知识建模、基于分析模板的产品建模、基于语义网的产品知识建模和基于本体的产品知识建模［2］。基于本体的知识建模描述深度大，具有清晰的层次性和关联性，便于共享重用;基于本体的检索也是基于知识、语义的匹配，查准率和查全率较高。设计知识重用可分为产品重用设计的知识重用和产品创新设计知识重用［3］，前者主要针对智能CAD技术，主要用实体的结构信息和几何信息的重用，但对以语义为主的产品创新设计缺乏有效地支持;后者主要研究了产品需求知识、产品性能—(行为)结构—(映射)知识、专利知识等的重用。这些研究对生成产品创新设计方案有积极的作用，但没有更深入研究如何将产品内外部分散、多类型、动态的多个创新源知识集成到产品创新方法和过程中去。为此，文中针对企业大规模定制的多品种、系列化、大批量生产的单体液压支柱产品，根据客户对产品的个性化性能需求，对现有的单体液压支柱产品进行信息处理，采用物元理论［4］与可拓学［5］方法，建立面向产品性能的可拓集论域配置模型，并进行可拓分类知识挖掘，同时，对产品布局结构的变换阈值知识进行相互匹配与矛盾问题消解，实现产品设计的快速配置。

　　1．1基于知识的设计系统开发在煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工作人员的安全和各项作业的正常进行，必须对顶板进行支护，我国主要使用单体液压支柱来完成支护任务。对于煤炭生产企业，其工作面支护密度则根据顶板岩性及冒落带层的厚度，直接顶与老顶的跨落步距等矿压观测资料来计算确定所需要的液压支柱型号、规格，同时可以根据井下作业支护的具体条件，如支护高度、地质条件、温度、湿度等提出液压支柱的性能需求。而对液压支柱生产企业来说，一个成熟的液压支柱产品设计系统能根据客户对产品的性能需求，结合该产品原有的知识与经验，快速配置出所需液压支柱产品型号并大规模定制出相关的系列产品尤为重要。基于知识的设计系统开发是一个综合的过程。开发者将收集产品设计、分析和制造方面的一切信息，包括设计规则、标准及装配和制造对设计的要求，和专家的知识与经验，并将其集成到设计系统中，使得设计人员能在设计的不同阶段得到系统不同程度的在线设计支持。它是CAD/CAM/CAE、知识库、推理机、数据库等的集成，不仅体现了并行工程思想，而且更强调专家知识和经验的继承、传递与共享［6］。

　　1．2基于知识的设计系统开发过程基于知识的设计系统开发包括知识获取、知识表达、知识推理、输出等内容。首先，基于知识的工程将所获得的知识形成规则库和数据库，而不是在每次设计时分别获得各位专家的指导;其次，所获得的知识要表达成计算机能够识别的符号，并具有某种机制，以便进行修改、删除、添加等管理活动;然后，建立起与知识库分离的推理机，依据所表达的知识进行逻辑推理，以解决设计中出现的各种问题;最后，给出一个带有知识库、数据库和推理功能的设计支持软件系统半岛bd体育。基于知识的设计系统体系机构如图1所示。

　　2．1可拓集定义1:设U为论域，u为U中的任一元素，k是U到实域R的一个映射，T=(TU，Tk，Tu)是给定的变换，称槇E(T)={(u，y，y)u∈TUU，y=k(u)∈R，y=Tkk(Tuu)∈R}为论域U上的一个可拓集，y=k(u)为槇E(T)的关联函数，y=Tkk(Tuu)为槇E(T)的可拓函数。可拓分类是在变换下的分类，它把论域U分为5个域:正质变域E+(T)，负质变域E－(T)，正量变域E+(T)，负量变域E－(T)，拓界E0(T)。企业在产品的设计中，产品的性能不能满足客户需求这是一个矛盾问题，在可拓学中解决矛盾问题的关键是变换［7－9］，通过对产品结构的可拓变换，将产品的性能由不满足客户需求变为满足客户需求。当不实施可拓变换时，可把论域U划分为正域、负域和零界3部分，分别代表产品性能符合客户需求的域、产品性能不符合客户需求的域和介于两者之间的临界。当实施某个可拓变换时，论域被划分为符合客户性能需求的产品性能量变域、不符合客户性能需求的产品性能量变域、产品性能由不符合客户需求向符合需求变化的正质变域、产品性能由符合客户需求向不符合需求变化的负质变域、变换临界部分。如图2所示。

　　2．2可拓分类知识挖掘(1)产品可拓配置集。设论域U={u1，u2，…，um}为某一产品现有实例库中的属性集合，其中元素ui(i=1，2，…，m)表征该类产品论域U中的某个属性。sim(i)(i=1，2，…，m)则为该属性关于现有实例与性能需求之间的相似程度，可取前面所述的区间与区间、点与区间、点与点的相似度计算式，并根据经验由客户及设计师共同确定的某一阈值si来定量判断性能需求的准确程度，Tui为给定的关于元素ui的变换，具体表现为结构改变等引起该产品某一属性值的改变，则E(i)(Tui)={uiui∈U，y=sim(i)(ui)∈R，y=sim(i)(Tuiui)∈R}记为论域U上关于元素ui的产品可拓配置集［10－11］。通过对产品的相似性分析可以实现快速产生定制的产品，降低设计成本。从现有的方案库中找出和客户需求相近的配置方案组成需求相似配置方案集，它是产品配置方案修改的对象。相似性原理中的关键是相似度计算，目前常用的相似度计算方法有:最近邻法;TC(Tversky’sContrastMatching)相似法;归纳索引法(Induction);知识导引法(Knowledge-GuidedInIn-duction);模板检索(TemplateRetrieval)。设区间A=(a1，a2)，B=(b1，b2)，且AB，文献［12］在距的基础上提出了改进距相似度模型，将区此关联函数的值域是(－∞，+∞)，可用此公式计算点和区间套的关联程度。用上述公式表示可拓集中的关联函数，就把“具有性质P”的事物从定性描述拓展到“具有性质P的程度”的定量描述。实际问题中所评价的特征往往有多个的情况，常用综合关联函数来表示，即若某问题中关于对象O的各评价特征。

　　3．1相关定义定义2:可拓数据挖掘(ExtensionDataMinin，EDM)是可拓学在数据挖掘中的应用，它在数据挖掘获得的静态知识的基础上，通过可拓变换，获取变化知识，即含可拓变换规则的知识。针对客户对产品性能需求，在已有配置方案中的基础上进行变换，使其得到符合客户性能需求的新产品的配置方案，在此过程中有两个问题:(1)找出和客户性能需求相关的产品结构，将这些结构作为变换的对象;(2)如何对这些结构进行变换。将这两问题解决，新的配置方案就出来了。然而，不同的配置方案由于自身的特点，其对应的结构集合变换方案也是不同的，即要变换的结构集和变换方案随配置方案的变换而动态变换。

　　3．2客户性能需求获取设产品配置方案中有n条配置方案记录，取这n条记录为样本空间x，Fab(x)或Fcd(x)为样本概率分布，表示产品的性能在区间内样本空间占总样本空间的比例。客户对产品的性能需求分为3种情况:(1)客户对现有产品性能比较满意，可将产品的性能分为好、中等、一般3类供客户选择，设:Fab(x)=β，Fcd(x)=α(13)其中0＜β+α＜1，β和α为现有产品配置库方案中按照性能划分比例，将产品性能值按照从小到大排列，a为产品配置方案库性能最小值，b为第β*n个产品的性能值，c为第α*n个产品的性能值，d为产品配置方案库性能最大值。产品性能划分:一般=［a，b］，中等=［b，c］，好=［c，d］。(2)对现有产品性能不满意，则将定量化性能需求分为要求较高和要求很高两类，其中要求较高的范围为(b，b+γb)，要求很高的范围为(b+γb，b+φb)，γ和φ为性能改善程度。(3)客户对现有某个产品的某些性能提出改进要求，则输入具体的修改参数。客户性能需求输入模型如图3所示。

　　3．3基于EDM产品传导变换知识的挖掘通过传导变换知识分析产品性能和产品结构之间及产品结构与结构之间的关系，最终将产品性能的描述转化为能实现这些性能的具有具体形状、尺寸及相互关系的零部件描述。基于EDM技术的产品性能配置设计方法为产品设计人员提供一种新的设计方法学，能够有效地进行数据管理及过程管理，使得企业可以充分利用已有的零部件资源，最大限度地提高产品设计开发的工作效率、提高产品质量和降低产品成本等。(1)基于EMD产品传导变换知识的挖掘过程。利用EDM的原理从现有的配置方案库中挖掘出方法事元的传导变换知识，最终得到产品的配置方案，其过程如图4所示。(2)传导变换知识挖掘。产品是一个统一的整体，产品的内部存在装配规则、空间位置等各种联系，配置方案中某个结构的变换除了本身发生改变以外，由于传导作用，导致和其相关的结构发生变换。从已知的产品配置库中挖掘这些传导变换知识，有助于利用传导变换的正面作用，尽量减小负面作用的影响，传导变换知识挖掘流程如图5所示。

　　以某煤矿机械企业大规模生产的单体液压支柱设计为例，说明文中方法的应用。根据客户对液压支柱产品性能的需求，要求最大支撑高度达到1500mm，质量在32kg左右，工作行程在700mm，工作液压在40MPa之间，油缸直径90mm之间。但在液压支柱配置方案库中，没有完全符合上述条件的液压支柱，故需从配置方案库中检索出和客户需求最相似的配置方案对其进行修改。

　　4．1原始数据单体液压支柱按供油工作介质方式不同可分外注式和内供油式支柱;按工作行程的不同可分为单伸缩、单行程和双伸缩、双行程支柱;按制作主机材料的不同有普通钢质支柱、高钛合金支柱、铝合金支柱、不锈钢支柱等;根据结构形式可分为活塞式支柱和柱塞悬浮式支柱两大类，其中活塞式支柱按工作行程又有单伸缩和双伸缩支柱。文中通过Access数据库软件，对原有实例数据库进行储存和分类，其部分数据库处理结果如图6所示。

　　4．2客户需求相似分析对产品配置实例库参数进行无量纲处理，计算客户需求和配置实例库中的相似度后得到相似度矩阵:通过分析比较，可从实例数据库中检索出DZ16－25/80液压支柱为最相似实例，但不是客户所需的型号，需在该型产品的基础上进行可拓结构变换。

　　4．3基于方法事元的可拓变换在性能需求相似度求解过程中，一个改善性能的行为可由多种方法来实现，这样就会形成多种求解问题的方案，这种方法通过事元模型描述形成方法事元模型。液压支柱产品配置设计过程中，客户提出性能需求可形式化描述为。通过方法事元模型，计算产品配置方案集中每个方案主动变换结构的左右传导度的值，确定各个方案对应的需求结构传导矛盾环，从而实现产品性能到结构的映射，并最终根据需求结构的映射关系修改产品结构可得到产品配置方案的解空间，限于篇幅，文中不再赘述。

　　4．4基于知识的液压支柱产品可拓配置系统实现原型系统算法实现采用VC6．0++、软件开发平台采用SolidWorks2007，利用SolidWorks提供的基于COM的API对象，在Access后台数据库支持下，实现产品级建模技术和方案修改，构建产品配置的自动化，系统主界面如图8所示。

　　4．4．2相似度计算根据式(3)计算得到各个性能指标的关联度，为了计算评价指标的优劣，对关联函数进行规范化处理。产品配置结果得到配置方案的各个性能必须达到客户提出的需求，评价指标值可通过式(7)综合关联度来确定。系统给出关联函数计算相关的初始数据，如果客户对这些数据不满意可对它们进行重置并进行相似度计算。如图11所示。

　　4．4．3性能结构映射通过方法事元模型，得到单体液压支柱配置方法的性能结构映射关系及单体液压支柱再配置方法，如图12所示。

　　4．4．4配置解空间根据单体液压支柱性能相似性分析及性能结构映射关系，通过不同方法事元对单体液压支柱方案库中的实例进行修改变换得到配置方案解空间，如图13所示。所得到的配置解空间中有DZ14－25/80A，DZ16－25/80A，DZ16－25/80B，DZ18－25/80B等4种型号的单体液压支柱，即为客户可选的产品配置方案解。

　　4．4．5配置结果产品零部件尺寸参数和约束关系中，可先通过SolidWorks实现单个零部件内各个尺寸的约束关系，后采用Access数据库实现零部件之间的尺寸参数约束关系，最后基于SolidWorks的二次开发API技术，将设计意图转化到零部件三维图中。根据液压支柱性能结构映射关系进入SolidWorks三维图界面后，可以对产品配置结果进行干涉分析，并在此基础上进行适当的修改。图14所示即为经可拓变换后客户满意的DZ16－25/80B新型数字化预装配的单体液压支柱产品三维模型，其相关的技术参数将同时添加到实例数据库中。

　　产品设计核心的功能是将关于设计的要求转换为相关的数据和文件，由于制造模式的不同，产品的具体设计开发过程也不尽相同。产品的设计是一个大量知识的应用过程，从知识的角度来看，产品设计是对产品设计知识进行检索、组合及创造新的知识处理的过程，最终产品是设计知识重用的物化形式。在产品设计过程中产生的文档、图形、数据以及不同部门的协同记录等都是表示知识的载体。

　　产品设计是一个知识密集型的创新过程，当前对产品设计过程中所需知识的获取、组织、传递及运用能力仍停留在较低的水平，这种现状很大程度上制约着产品的创新。

　　要缩短产品开发周期，必须要实现对知识的快速获取和再利用，这就要求我们能提供切实行之有效的表示、获取和利用产品设计知识的方法，真正将设计知识作为一种设计资源来支撑产品设计过程的执行，并被具体关联到相关的设计节点求解过程中。为能达到这一目标，对产品设计知识资源的知识管理问题就凸现出了重要性。

　　产品设计过程主要涉及两类知识：一类是方法论，即管理技能方面的知识；另一类是有关目标市场的知识和产品涉及的技术知识，后者具有专业性，随着公司、市场、产品的不同有着显著的差别，而且随公司战略取向的不同而不同[1-3]。本文中将产品设计过程所涉及的所有知识统称为设计知识。

　　分布性及异构性是产品设计过程中知识的首要表现形式。产品设计所需的知识不仅仅存在于设计环节，也存在于内、外部的沟通协同过程和生产过程等。

　　产品设计知识具有模糊性、层次性、耦合性的特点，使得产品设计知识的表现形式异常复杂，缺乏量化的描述特征。产品设计知识在不同的环节的表现形式和载体也不尽相同，包括可以有文字记录的，如图形文件、文档文件、会议记录、协同记录等以及存在于职工头脑中的没有形成文字描述的经验知识等。

　　本文对产品设计中的知识进行总结、归纳，采用如图1所示的体系结构进行表达。

　　（一）协同知识 协同知识主要表达在产品设计过程中进行协同操作时所涉及的知识，包括在线信息和协同历史；

　　（二）行为知识 行为知识用来表示产品设计过程中动作行为所涉及的知识，包括产品设计行为知识和任务分配知识；

　　（三）资源知识 资源知识用来表达在产品设计过程中所涉及的人员、使用的工具、涉及到的设备以及企业、文档、设计历史等方面的参考知识；

　　（四）产品描述信息 产品描述信息是指在产品设计过程中所产生的产品模型、描述文档等用来描述产品本身内容的资料信息；

　　（五）约束知识 包含了产品设计所涉及的法律、法规、政策、方法及标准等方面的约束信息。

　　目前的知识管理存在着搜索不充分、难以发现相关的知识、难以保持更新、缺乏专家引导、拒绝共享、难以保证质量、积累垃圾信息、使用障碍等问题[4-5]。针对以上问题，在产品设计知识管理中引入知识管理工具――博客（Blog）。博客技术能够克服传统知识管理的缺陷，满足复杂知识环境下的需要，该技术具有灵活性和线]。

　　产品设计是一项专业性很强的技术工作，一个好的设计任务的完成需要各方面知识的积累，现在设计企业中存在以下问题，成为设计知识积累和共享的壁垒。

　　1.设计人员不愿意奉献自己拥有的知识 市场竞争的加剧，设计人员工作的压力增大，使得他们认为自己独享知识可以为自己赢得竞争优势，而贡献出自己拥有的知识可能使自己处于不利之中。

　　2.设计企业及设计人员知识更新速度过慢 信息量迅速增长，信息爆炸已经成为知识经济时代的一个显著特征。作为设计企业知识利用的载体――设计人员也必须要对自己的知识体系及内容不断更新。这样，如何在浩瀚的知识海洋中快速获得需要的知识就显得格外重要。

　　3.缺乏相关背景资料，设计知识实用性较差 设计知识往往是在一定的背景条件下进行使用的，缺乏对设计问题解决方案的前因后果的描述，是设计人员难以理解并采用该知识解决问题的重要原因。

　　如何把设计知识系统化，把知识链的顶末端完全呈现在设计人员面前是设计知识利用的一个重点内容。

　　（一）员工作为知识的贡献者，仍然持有对所贡献设计知识的所有权和维护权，并因此而获得社会的认可和人们的尊敬，会因贡献自己的设计知识而感到自豪。拥有和贡献知识的多少成为衡量其荣誉和地位的重要标志。

　　（二）在Blog中，产品设计知识是实时更新的。设计人员作为知识的载体，可以利用Blog记录自己在设计中的行为和心得，而记录自己行为和思考具有实时性，设计企业员工的知识为企业建立起核心资源奠定了基础。员工可以通过Blog进行不断的学习更新的知识，从而提高自己的技术能力和竞争力。

　　（三）Blog可以记录丰富的背景材料，因此设计人员可以比较容易理解该知识的运用环境，而这些丰富的背景材料本身就是知识，为以后的产品设计提供详实的资料。

　　Blog的组织形态是和产品设计链密切相关的。基于Blog的设计知识管理系统最基本的构成单元是处于不同地域的设计链不同设计节点上具有不同职责的员工Blog。Blog作为员工个人知识管理系统的基本载体，员工可以发表个人的思想和知识，储存对自己有价值的知识，对这些知识进行分类；可以通过访问其他人员的Blog了解他的知识存储，Blog间可以通过评论、引用、来访追踪等机制进行交互；基于同一设计任务或同一设计子任务的员工可以在互相访问中形成动态聚集，形成不同的知识Blog群。基于Blog的设计知识管理系统体系如图2所示。

　　处于产品设计链节点上的员工，包括产品设计任务人员、管理员等在Blog服务器上注册并个人Blog，在Blog中，通过评论、引用、来访追踪等机制分享产品设计知识的交互活动，并根据交互活动产生如项目管理Blog群、结构设计Blog群、工业设计Blog群和模具设计Blog群等的动态聚集，并通过Blog服务器与数据库服务器进行交互，对设计知识信息进行存储和处理。这样，由个人Blog、Blog群、Blog管理系统构成了个人、组织、企业等不同层次的产品设计知识管理应用，从而支持整个产品设计链的运行。

　　（一）知识库不是静态的，而是动态增长的，用户可以在自己的Blog上按照自己的职能和兴趣选取合适的知识库存取界面；

　　（二）设计知识不是被动的检索，可以通过订阅等功能在用户的个人Blog中展现，用户可以主动地获取相关设计知识；

　　（四）Blog不仅记载了用户们自己奉献出的知识，还记录了用户的学习和资料的收集过程，整个设计知识管理系统构成了一个巨大的认知系统，促进学习型组织的形成。

　　根据上述原理和系统体系架构，本文通过利用基于Struts + Hibernate的Java开源Roller，并将语义Web技术，特别是Web本体技术和Blog核心技术RSS相结合，通过在RSS中增加机器可理解的原数据扩展了Blog的功能，在此基础上，对产品设计知识管理进行了实现。系统可支持评论功能、所见即所得HTML编辑、TrackBack、提供页面模板、RSS syndication、blogroll管理和提供一个XML-RPC 接口等功能。基于Blog设计知识管理系统流程如图3所示。

　　（三）进行Blog管理，包括撰写新的日志、对设计知识主题进行分类、Blog归档、邀请其他用户并对其权限进行设置；

　　（四）通过邀请等操作，动态凝聚形成Blog群；对Blog群的成员及其权限进行管理。

　　产品设计是知识综合利用的过程，本文针对机械产品设计的特点，对产品设计知识中蕴含的知识进行了表达，描述了产品设计知识的体系结构。根据产品设计知识的分布性、异构性、模糊性、层次性、耦合性等特点及知识管理中存在的问题，提出了基于Blog的产品设计知识管理构架，由个人Blog、Blog群、Blog管理系统构成了个人、组织、企业等不同层次的产品设计知识应用，并对其管理系统进行了实施，为产品设计知识管理提供了可行性方案。

　　[1]陈静.产品开发过程中的知识管理技术研究[D].合肥:合肥工业大学,2006

　　[2]齐元胜.基于设计知识重用的集成产品快速开发技术的理论与实践[D].武汉:武汉理工大学,2002

　　[3]姜娉娉.基于知识的机械产品快速创新设计研究[D].济南.山东大学,2005

　　电动工具工业设计知识库是面向市场的企业产品设计知识仓库，主要负责产品开发整个过程中的知识的收集管理和重用的任务，包括的知识的采集，整理，组织，表达，共享和重用等。它将重复的工程和任务自动化，并将产品的材料，装配，形状，颜色，属性，约束，结构等知识通过浏览器和搜索引擎等检索工具及时准确地提供给设计人员。就电动工具的设计流程和需求，本文将电动工具的工业设计知识库构建框架结构。

　　知识源主要包括产品标准、产品文档、产品实例、产品应用系统和论坛信息及客户信息。这些数据，如文档、图片、数据库等在进入知识库之前，要先进入临时存储器中，待知识管理员利用相关的分析工具和知识处理工具对已有的信息进行处理，净化，提取，并且转化为机器可以识别的语言后，进入知识库。在知识库的长期使用过程中，知识管理员还负责对知识库的知识进行更新和维护。

　　知识库包括产品知识集，设计资料集以及产品创新集。知识库的构建方法采用本体构建中自顶向下的构建方法，顶层为最抽象的宏观概念，逐层递减，子类继承了父类的抽象特征，代表比其父类更具体或者范围更小的实体概念，最底层为最具体的概念体系。

　　在电动工具的设计中，电动工具的种类很多，并且很多知识和概念过于细化和具体，在检索时容易混淆，造成知识繁杂，提取难度大的结果，因此，本文将电动工具的相关知识信息进行抽象和分析之后，提取了四大知识板块，分别为市场知识，电动工具类，约束知识，设计创新实例。采用自顶向下的分类体系如图2（知识库的分类体系）所示。

　　属性通常表示一个命题。它在类中是很重要的一个部分，它将一个概念与其它概念和对象联系起来，起到一定的知识互通的作用。

　　（2）电动工具类的属性包括：产品品牌、产品说明书、产品性能、产品图档、产品外观比较等。

　　在知识库的中，四大板块的主体知识相互约束和影响。细分类与类之间的所属关系在建立知识库和知识库的知识搜索使用时都有重要的地位，例如关键字的提取，逻辑语言的表达，搜索引擎的识别能力等。各类之间的关系属性可以表示为：约束知识制约电动工具的种类与形态，电动工具投放市场产生市场知识，设计创新实例依据这三者产生。他们之间的关系结构如图3（类的关系属性）。

　　知识库的人机交互界面主要是用户界面和管理界面。用户界面又可以分为内部用户和外部用户，内部用户可以通过身份验证使用搜索引擎和局域网对于知识库中的知识进行使用和共享，并且实时地对于相关数据和信息的写入和标注。外部用户可以通过互联网用浏览器对于知识库部分公开的信息和知识进行浏览和下载。管理界面则是前文中提到的知识管理员在知识库的使用过程中通过友好的界面对知识库中的知识进行更新和维护，确保知识库中的知识与时俱进。基于用户界面看电动工具的工业设计知识库可以总结得到：基于需求分析的概念设计需要获取设计创新实例和市场知识；基于概念设计的详细设计需要获取约束知识和电动工具类的相关知识。在知识库中，设计创新实例属于产品创新集，市场知识和约束知识属于设计资料，电动工具类的知识属于产品知识集。

　　低成本高性能是价值工程设计评价的最佳方案。降低成本措施存在于产品生命周期的每一个阶段，而设计阶段是降低产品成本的最佳时机。产品设计阶段在确定产品目标成本和成本估算后，应将估算结果与目标成本进行对比，对于超过目标成本的成本项目，需寻找降低成本的途径。降低成本求解是一个复杂的基于知识的推理过程，如何兼顾技术性与经济性是产品设计过程降低成本的关键。设计师在长期的产品设计实践中已积累了大量的降低成本的知识和经验，这些知识和经验可作为降低成本的设计准则知识表示，在设计过程中有效地约束和指导设计，合理地进行知识表示是建立知识库，进行知识推理的基础。建立一种合理可行的成本降低知识表示方法，既符合成本项目特点、又符合产品技术性能，是本文研究的重点核心期刊。

　　所谓知识表示[1]是利用计算机能够接受并且进行处理的符号和方式来表示人类在改造客观世界中所获得的知识。知识表示是智能研究的基础，其表示方法往往直接影响到专家系统的能力和问题求解的效率，不同领域的问题通常具有不同的特点和属性，因而其知识的表示方法也不尽相同。产品设计阶段降低成本的过程实质上是一个基于知识推理的过程，复杂的降低成本的知识体系构成了降低成本的求解网络，为获得合理的推理结果，必须先建立科学的知识表示。

　　产生式知识表示法是1972年，纽厄尔和西蒙在研究人类的认知模型中开提出的[2]。产生式的基本形式是PQ 或者IF P THEN Q。其中P是产生式的前提，也称为前件，它给出了该产生式可否使用的先决条件，由事实的逻辑组合来构成；Q是一组结论或操作知识表示，也称为产生式的后件，它指出当前题P满足时，应该推出的结论或应该执行的动作。

　　框架式知识表示法是70年代美国M. Minsky 提出的，框架是把某一特殊事件或对象的所有知识存贮在一起的一种复杂的数据结构[2]。一个框架就是描述一个实体类（ENTITY TYPE），它包含一组“槽”(SLOT)，每个槽可填以值或指向其他框架的指针。槽下可细为“侧面”(ASPECT)，每个侧面可有各自取值，作为对槽的进一步说明。

　　产生式表示法适于表示过程性知识，不善于表达结构性知识，而框架表示法适于表示结构性知识，不善于表示过程性的知识，因此，将框架表示法与产生式表示法结合起来使用，以取得互补的效果，并且易于推理。产生式-框架表示的方法是：进行知识表示时是以框架表示为主体知识表示，把产生式规则嵌入到框架中.然而在实现时，框架可以调用产生式规则，产生式规则也可以调用框架，因此产生式规则与框架是融合的。其主要特点如下：

　　l推理灵活多变，框架中没有固定的推理机制，它可以根据需要通过过程附件灵活地实现多种推理。

　　成本降低知识是在估算成本高于目标成本的情况下，寻找一种合理降低的途径的知识，是期望制导处理形式。而框架式结构利用“槽”与“侧面”能说明期望信息，并且一个“槽”可附加一个过程，说明在需要的情况下如何求“槽”的值，这种知识表示方式可满足人们在特定环境寻找期望值的要求，有利于“期望制导”处理。

　　框架结构通过对“槽”与“侧面”的填值可增加知识知识表示，其动态衍生性符合成本降低知识的广泛性与扩展性特点；框架结构将实体相关的属性聚到一起，即能将一类成本降低知识组织起来体现相关性，并且利用“槽”与“侧面”体现层次性；框架结构可以提供缺省值与公共属性满足成本降低知识的通用性要求，也可利用表示过程与特殊说明性的知识解决冲突。

　　合理地进行知识表示是建立知识库，进行知识推理的基础。知识库大多以关系数据库形式建立。成本对象具有很强的层次性与相互制约性，采用产生-框架式知识表示，在建立知识库时，根据不同的成本项目层次分设实体类、槽、侧面数据表，每个子类都引用父类的主键作为外健以实现继承关系。不同层次的成本实体类、槽与侧面间及其约束关系间存在一对一、一对多或多对多关系，根据一定的映射规则将这些关系映射到数据表，可以实现不同成本对象间的连接。知识库中的知识类之间或知识类中的规则之间的调用及其关系者能自然形成推理树，推理树的根节点是总的降低目标，对应着相应的成本项目，是推理的入口半岛bd体育，叶节点就是要得到的结论或计算结果知识表示，对应着定性知识规则或具体措施，是推理的出口（终止节点）。符合成本控制知识的特点。

　　控制成本是与产品设计各阶段各过程紧密联系知识工程，在控制成本时还需考虑质量、成本项目之间的设计约束条件。因此，控制成本需通过专家系统进行知识管理，建立知识库进行有效推理得到合理结论。知识表示问题是知识工程的基础，成本知识库是成本控制知识模式的核心，因此本文在建立成本知识库的基础上构建成本控制的知识模式。体现知识库中知识存存储与表达核心期刊。

　　首先，采用产生-框架的知识表示方法，根据成本知识的分类将成本知识划分成不同的类层次结构，并分析成本知识对象之间的约束关系。

　　其次，由于目前数据库具有成熟的组织策略，把数据库管理技术引入知识库的组织已成为一种有效的途径。按照对象-关系的映射策略，将对象模型映射到关系数据库中，采用关系数据库的管理技术实现成本知识的组织。

　　最后，借助联机分析技术、数据挖掘技术和Agent技术知识表示，构建以成本知识库为核心的成本控制模式，实现成本知识在成本控制决策过程中的应用、成本知识间的约束关系和对成本知识的反馈。

　　根据成本知识的分类，采用面向对象的方法，将成本知识按一定的层次结构进行组织，如图1所示。图中三角形表示继承关系，小菱形表示聚合关系。

　　产品成本是最高层次的知识类，包括成本ID、名称、产品目标成本等属性，方法和规则主要包括成本估算、成本分析、成本降低等各种方法及其规则。设计成本、工艺成本、采购成本、生产成本和销售成本是四个子知识类，继承产品成本类的属性和方法以外，具有自身特有的属性、方法、约束和规则。由于面向对象方法允许存在嵌套结构，类的属性也可以是对象，如设计成本的设计成本元，可以是一个对象，包含自身特有的属性和方法。

　　知识表示的最终载体是知识库，按照目前成熟的关系数据库的管理技术实现对知识库的组织知识表示，必须将各种对象及关系映射到表。如图2所示。

　　对象类映射到表的实现：为每一个框架元素（实体、槽、侧面）建立一张数据表，每张表仅包含相应类的业务属性，同时指定非空主关键词。每个子项都引用父项的主键作为外键以实现继承关系，采用SQL 代码创建，建立对主关键词的索引，SQL 层把域映射到数据类型[3][4]核心期刊。

　　关系映射到表的实现：不同层次的成本对象间及其约束关系间存在一对一、一对多或多对多关系，根据一定的映射规则将这些关系映射到数据表，可以实现不同成本对象间的连接。如多对多关系则通过引入一张关联表，用以维系两个以上表之间的关联。关联表引入相关各表的主键作为自己的外键。

　　根据映射规则将对象类和关系一一映射成关系数据表，构成如图3所示的数据库结构。

　　产品成本表中包括了所有的成本要素，通过产品ID与产品表及其子类映射成的数据表关联；成本估算表、成本分析表、成本降低表中的各成本知识对象同样对应成本ID，与产品成本表相关联；成本对象间的约束关系反映在约束关系表中，约束关系表引入成本知识子类的ID作为外键，以此来实现相关知识对象间的链接。

　　降低成本是与产品设计各阶段各过程紧密联系的复杂任务，在考虑成本降低的同时知识表示，还要考虑设计约束必须被保证。成本降低途径应通过专家系统建立知识库进行有效推理得到合理结论，知识表示问题是建立知识库的基础，体现知识库中知识存存储与表达。采用上文描述的知识表示方法，知识库中的知识类之间或知识类中的规则之间的调用及其关系者能自然形成推理树，推理树的根节点是总的降低目标，对应着相应的成本项目，是推理的入口，叶节点就是要得到的结论或计算结果，对应着定性知识规则或具体措施，是推理的出口（终止节点）。符合成本降低知识的特点。

　　[3]刘晓冰，杨春立，孙伟.产品设计知识库建立方法研究.计算机集成制造系统-CIMS，2003（8）：621-625半岛bd体育半岛bd体育