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基于知识的产品开发集成系统研究与应用

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在国外，也有不少关于知识工程及其在产品设计中的应用等方面的研究，其中具有代表性的有：美国托莱多大学的Samuel H. Huang研究了设计与制造知识的自动获取技术，美国密歇根州立大学的Charu Chandra 研究了面向客户的产品设计知识管理，新加坡南洋科技大学的W. Y. Zhang研究了工程系统的自动功能设计，韩国sojeng大学的SoosupSong研究了知识系统中使用模糊产品规则的动态推理策略等。但这些研究主要是针对局部设计环境的优化，以及非集成环境下设计过程的智能化。在国外，还未见针对基于知识的产品开发集成系统的整体研究，以及实现“基于知识的产品开发集成系统”的相关研究。

在国内，开展基于知识的产品集成开发系统方面的相关研究的单位主要有贵州上业大学、浙江大学、中科院成都计算所、清华大学、哈尔滨上业大学等。这此单位分别得到了国家863计划、国家自然科学基金等的相关课题支持。哈尔滨上业大学林琳等应用知识处理工具实现了基于知识的产品概念设计;清华大学黄探等研究了上作流管理与知识管理的集成技术;浙江大学倪益华等研究了基于知识的CAx集成的系统框架等。以上的研究工作都停留在基于知识的产品设计单元技术或概念方面的研究，而没有针对实现应用系统的关键技术进行研究与系统开发。

本文在基于知识的产品开发集成系统方面开展研究，提出了基于知识的产品开发集成系统产品设计方法，开发了基于知识的产品开发集成系统原型系统，并在有关企业的典型产品的设计与生产过程中进行了应用。

1 系统描述

1.1 关键技术

1)知识库的建立及推理机制

知识库用来存储所获取的4C各系统领域的经验知识和知识工程师关于处理和应用知识的知识。知识库系统的核心是它的推理机构，它完成对知识的操纵。推理机根据用户提出的问题，按一定的推理策略搜索知识库，对知识库中的有关知识进行推理，以获得问题求解的结论。推理的策略将根据4C的数据信息采用不同的推理方法。

2)集成系统优化技术

集成系统优化技术的研究解决集成制造系统中的资源优化、功能优化、协同工作等复杂问题，实现了4C各系统之间的有机集成、相关资源与过程的优化，从而实现信息流和价值流达到最优配置和最优运行。具体内容主要涉及自学习和自动优化模型与算法，使系统能够对人类专家知识进行优化和利用;知识挖掘技术，能够在历史数据基础上挖掘适合系统优化的新知识;完成了各分系统之间的智能化接口开发;对一些智能算法(如遗传编程)进行应用等。

3)知识动态获取技术

利用深层知识来解决4C集成系统的复杂问题，提高问题求解的能力和灵敏度;采取知识动态获取技术和知识求精方法，找出初始知识库中存在的问题(局部的或全局的)，确定知识求精的方向;建立了支持动态建模的知识库和规则库，可通过典型的数据和相关知识，采用启发式方法得出一般性和特殊性的系统集成知识和元知识;建立了知识库内部的动态校验及测试方法，对获取的知识进行整理，采用相应算法进行一致性校验，使得所获取的知识具有完整性，正确性，合理性。

4)集成系统流程智能化技术

集成系统流程智能化技术对产品开发过程中的技术活动和管理活动进行智能化管理。本文研究智能化管理平台，通过对现有的产品开发过程进行分析与优化，对产品开发过程进行智能性管理，并为过程分析与重组提供方法学指导。通过该项技术的应用，系统将工程技术、方法、工具和人员集成，提供了产品开发过程的管理平台，对产品开发过程进行智能性管理，并为过程分析与重组提供方法指导。

5)集成系统知识重用与进化

针对典型产品在“开发过程重用”、“软件构件重用”、“用户业务知识重用”、市场知识重用”等4个方面的应用需求，重点解决知识的重用和进化问题。通过集成系统知识重用与进化技术的研究与应用，提高了产品开发、软构件重用、用户业务、市场知识等方面的知识重用性，并通过进化技术对相关知识库进行扩充和完善。该项研究及应用提高了相关技术过程和业务环境的运行水平。

1.2 体系结构

基于知识的产品开发集成系统以基础环境(软件、硬件、网络、设备)为支持，以知识库为中心，以不同产品系列为应用对象，以CAD、CAE、CAPP、CAM为基础，以“创新原理、创新技术”等知识工程技术为创新工具，综合应用信息技术、先进制造技术，实现产品的快速设计与创新设计。

该系统以PDM系统为CAx集成平台，融合知识库管理系统，是人工智能等技术与PDM系统的有机结合。PDM是产品开发集成系统知识管理的基础，而知识管理系统为PDM的成功应用提供了有利的保证。基于知识的产品开发集成系统体系结构如图1所示。

在基于知识的产品开发集成系统体系结构中，共有5个层次。1)基础层包括分布式网络及通信结构及硬件环境;2)知识库、数据库层主要包括设计、工艺、分析、制造的实例库和规则库，企业其它的知识库、数据库等;3)推理机、数据库管理、知识库管理层;4)基于知识的产品开发集成应用环境层，含CAD/CAE/CAPP/CAM及其它的多种基于知识的辅助工具;5)面向产品开发各应用环境的辅助应用层。基于知识的推理是技术体系结构的核心模块，包含了知识库，知识的获取、传递与创新，及推理机、智能辅助工具等。

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图1 基于知识的产品开发集成系统体系结构

知识库管理模块中含有知识获取子模块，该模块对信息进行筛选和处理，采用数据挖掘等算法对其中的大量信息进行分析，得出知识规则，将总结出来的知识存入知识库中。知识的表示可以采用框架结构、语义网络或类框架的形式。对应的知识存储方式随知识的表示不同而有差别，但最终都以一个知识库的形式物理存在。推理机是采取的推理策略的具体实现。在知识推理中重要的搜索策略的选择、推理模型的建立都在推理机内。

2 应用实现

2.1 基于知识的产品开发流程

企业的产品开发过程可分为市场调研、概念设计、详细设计、生产制造等几个阶段。这些阶段又可进一步的细化，每一工序都可落实到具体的部门、科室、组去执行，实现企业内部价值流、物流、信息流的流动过程。如从产品开发的源头开始分析，产品的开发设计来自两个方面：市场的预测与客户订单。产品开发设计任务分配至工程设计部门时，设计任务可分为两大部分，新产品开发设计与衍生产品开发。因此在产品开发流程中，这两种情况要分别对待。且根据对产品开发流程中部门流程的分析，一般销售部接到的新产品开发项目中，衍生产品开发的类型较多。而市场部的职能是开拓、开发市场，因此在市场部确立的项目中应该会有较多的全新产品开发设计。

基于知识的产品开发集成系统中新产品开发和衍生产品开发都在集成平台的支持下进行，同时也需要MRPII 的制造数据库的支持，以便提高开发设计速度。衍生产品开发与产品设计的知识管理和设计重用关系密切，在产品开发集成系统中建立零部件基本数据、可变形产品模型、产品开发知识库，有利于提高产品开发的效益与效率。基于知识的产品开发集成系统产品开发流程结构如图2所示，其中PDM、MRPII、ERP等管理系统为基于知识的产品开发集成系统提供支撑环境，产品开发集成系统知识库储存一些产品设计的基本图元，历史图纸、文档、变形设计模型、标准件模型等，提高产品设计开发速度，为产品开发设计提供智能设计辅助支持。

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图2 基于知识的产品开发集成系统产品开发流程图

2.2 系统功能架构设计

本文在关键技术、集成系统体系架构研究的基础上，对基于知识的产品开发集成系统原型系统进行了研究与设计，使用SQL Server2000与.NET作为开发工具，开发基于知识的产品开发集成系统原型。

在基于知识的产品开发集成系统中，系统模块对集成系统的用户、组织结构、企业基础数据、应用软件系统进行管理;知识库管理模块对规则、实例种子进行维护，可进行增加、删除、修改、查询、一致性维护等操作;集成应用功能模块以项目管理、上作流管理为主线，通过在产品开发的全过程基于知识的辅助工具的应用，实现对产品开发历史实例的知识重用及实例重用，提高产品开发的智能性及效率。开发过程中项目组针对典型行业(如：仪表行业)的典型产品(如：记录仪等)，实现在产品开发集成系统中产品开发过程中的相关过程、工程问题、协同商务、综合效益的智能决策支持，实现实例的重用与基于规则的推理。

2.3 推理策略

在产品开发集成系统中，采用基于“规则+实例”的推理机制。基于实例的推理首先建立实例库，将工程师头脑中的经验保存到计算机中，通过知识库管理和知识工具，将实例种子、规则种子存储在系统知识库中。根据用户对产品要求的描述抽象出实例特征并建立筛选条件，根据这一条件从实例库中选择与产品要求最接近的实例，对比两者的区别，进行修改，生成最终的方案并更新实例库。如果没有合适的实例，则启动基于规则的推理机制，利用决策支持系统、产品设计专家咨询，给出明确的建议，形成新的实例保存到实例库中。如图3所示。

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图3“实例+规则”混合推理逻辑执行过程

在原型系统整体设计、功能设计(机械部分和电子部分)、两大部分接口设计的基础上，初步实现基于“实例+规则”推理的原型系统功能，其中重点突出基于“实例+规则”混合推理机制的实现方法，主要处理两个方面的接口：(1)系统表示层与实现知识推理、知识管理、流程控制等核心功能的业务层组件间的接口;(2)系统业务层组件与知识库、数据库间的接口。在产品设计过程中调用“实例推理”(CBR)算法进行方案推荐，确定最佳方案。其中使用的加权频率属性约简算法及实例推理算法描述如下：

1)加权频率属性约简算法，该方法的功能是进行属性约简，其输入为原始数据集合(规则库或实例种子库)，输出为被约简的属性，算法描述如下：

Stepl：读入数据，并对其进行初始化

Step2：输入加权频率约简阀值

Step3：对于所有实例，分别计算各个分量(属性)的加权频率：

Fi= (∑(当前满意度/平均满意度)x权重(i)/实例总数

对于所有规则，分别计算各个分量(属性)的加权频率：

Fi= (∑(当前置信度(i)/平均置信度))/实例总数

Step4：Fi<加权频率约简阀值的属性将被约束。

2)实例推理算法，该方法的功能是进行实例推理，其输入为设计指标需求，输出为相似性最大的实例编号，算法描述如下：

Step1：实例分类，读入指标需求，指标数据进行初始化

Step2：数据分类(定量型(单数值型，范围型，外表型)和定性型)

Step3：先检索相关日志，如果在日志中能找出各个分量需求都符合的且满意度最大的实例，则记录实例编号和对应的满意度Mp，否则，直接Step4;

Step4：对于各个实例，如果该类实例存在被约简的指标属性，则计算单个实例相似性时，屏蔽这此指标。计算各个实例的整体相似度S=(∑(HEOM(指标(i))X指标权重(i))/有效属性维数，找出满意度最大的实例，记录其相似度Mf和实例编号，取Max(Mp，Mf)的实例编号。

Step5：记录相关日志(各个指标需求(包括权重)、相似度和客户满意度)。

2.4 应用支撑模块开发

原型系统应用支撑模块采用了Windows DNA多层体系结构，基于COM/COM+组件技术实现，从提高可重用性、可扩展性、健壮性和可维护性角度出发，系统的中间层组件被分别划归到应用服务层和数据访问层，其中，应用服务层组件主要负责完成系统业务逻辑的处理，数据访问层组件则专门处理各种数据存取操作。

1) 应用服务层组件

(1) CProjContentMaker—流程配置管理组件，用于实现对工作流实例各种定义信息的管理，包括任务的时间计划管理、人员配置管理等。(2)CProjController—流程控制组件，用于实现对输入输出项、任务和}_作流实例的状态管理。(3)CLoadAnalyser一负载分析组件，用于对任务参与者的工作负载进行分析和计算。(4) CProjTempManager—模板管理组件，用于实现对项目模板、组合型任务模板、原子型任务模板以及任务模板输入输出项的管理。(5)CMsgManager—消息处理组件，用于实现在用户之间以及应用系统与用户之间的消息传递。(6)COrgManager—组织与用户管理组件，用于实现对企业组织结构的管理和系统用户的管理。

2) 数据访问层组件

(1) CTempDataMgr—模板数据管理组件，实现对项目模板库的各种数据存取操作。(2) CProjDataMgr一流程数据管理组件，实现对流程实例库的各种数据存取操作。(3)COrgDataMgr—组织数据管理组件，实现对人员组织库的各种数据存取操作。

从功能上分，应用支撑模块产要包括三个子模块：项目与工作流管理模块、模板管理模块以及组织和用户管理模块。

2.5 知识模板应用开发

通常，企业的产品种类是相对固定的，对某类产品来说，即使具有不同型号或者属于不同系列，其设计开发过程也存在着很人的相似性。另一方面，定义产品的设计开发流程是一项耗时、烦琐的工作，流程越复杂越是如此。为此，系统的模板管理模块向用户提供创建可重用项目模板和任务模板的功能，并通过基于模板创建流程和分解任务，达到减少重复劳动、提高工作效率的目的。

创建可重用项目任务或任务模板的关键在于统一任务节点的内部结构，建立“输入→处理→输出(IPO)”映射机制。这种I→O映射机制包括信息对象的映射(数据、文档等)与物理对象的映射(物料、产品等)。在IPO结构下，任务节点间的连接是通过输入与输出实现的。从宏观上看，可重用的项目模板就是一个“输入→处理→输出”结构;而在逐步分解细化过程中得到的各个任务模板同样也是IPO式的。

模板管理模块主要处理以下三类对象：

1)输入输出项。输入输出项是对在任务间进行传递的信息对象的一种抽象描述。根据目标应用企业的生产实际，输入输出项被划分为机械设计类、电子设计类和综合类三种类型。当在流程实例中重用时，通过以项目名称为前缀而成为实际工作流程中相关任务的输入项或者输出项。

2)任务模板。任务模板是对各种流程实例中典型任务的一种抽象描述，分为原子型任务模板和组合型任务模板两种。其中，前者是实例化时不可细分的任务，而后者则可以在实例化时进行细化。一个组合型任务模板可以由多个逻辑相关的原子型任务和(或)组合任务模板构成。根据目标应用企业的生产实际，任务模板也被划分为机械设计类、电子设计类和综合类三种。

3)项目模板。项目模板是对某类产品开发设计流程的抽象描述，它由相关的一组原子型任务模板和组合型任务模板构成。

应用服务层组件CProjTempManager为模板管理模块的功能实现提供了以下一些主要的接口方法，描述如下：

(1) GetSpecTypeItem()、AddNewItem()和DelItem()实现对指定类型输入输出项的查询、增加和删除操作;

(2) GetAtomTempInfo()、AddAtomTemp()、DelAtomTemp()和UpdateAtomTempInfo()实现对原子型任务模板的查询、增加、删除和信息更新操作;

(3) GetDecompTempInfo()、AddDecompTemp()、DelDecompTemp()和UpdateDecompTempInfo()实现对组合型任务模板的查询、增加、删除和信息更新操作;

(4) GetProjTempInfo()、AddProjTemp()、DelProjTemp()和UpdateProjInfo()实现对项目模板的查询、增加、删除和更新操作。

2.6 基于知识的设计辅助实现

在基于知识的产品开发集成系统中，基于知识的机械设计辅助子系统是架构在知识库和整个推理机制上的应用子系统，从产品开发工程师完成一个产品的全过程出发，利用知识对产品设计全过程的各个阶段进行辅助，并且集成了各个阶段需要用到的caX工具，使利用该系统的产品开发工程师快速、高效地完成一个产品设计和定型，极大的提高了产品设计的效率。

本部分主要功能包括结构初步方案设计、结构详细方案设计等功能。1)结构初步方案设计，首先选择知识模块，包括结构部分、零部件部分、工艺部分及制造部分，然后根据总工程师归纳的用户需求说明进行实例/规则推理，最后根据推理出的参考实例设计结构初步方案并提交给总工程师审核。2)结构洋细方案设计，根据总工程师审核过的结构初步方案进行结构洋细方案设计，并根据实际情况况增删标准件、借用件、零部件、零部件工艺、NC代码，并把任务提交给相关CAD工程师或CAPP工程师、CAM工程师)完成。

3 结论

本文研究了基于知识的产品开发集成系统的相关理论、应用架构、技术开发与应用实现等方面的内容，提出了基于知识的产品开发集成系统体系结构，原型系统功能构架体系结构，产品开发流程描述，在研究分析设计知识定义及基于“规则+实例”的包括加权频率属性约简等算法的推理机制的基础上，构建知识库系统，进行基于知识的产品开发集成系统集成平台的开发与应用实现，实现的原型系统具有机械设计和电子设计集成智能辅助功能。

应用本课题的研究成果，提高了基于PDM的CAD/CAE/CAPP/CAM集成产品开发系统的智能性，显著提高企业产品设计过程的正确性、智能性及效率，具有潜在的良好社会效益。贵阳某厂通过应用本课题的研究成果“基于知识的产品开发集成系统”，在该厂记录仪、功率控制系统等新产品开发中，发挥了积极的作用，企业新产品贡献率达到50%以上，产品开发周期和产品生产周期平均缩短50%，经济效益明显。

但是，面向设计的知识工程应用是一个较为复杂和困难的问题，本文所做的工作还较为有限，许多问题还有待进一步的研究。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/12/2010)


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