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知识地图在机械产品设计中的研究与应用 |
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作者：张善辉 杨超英 刘震宇 |
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产品设计知识是产品创新的基础，可有效的支持产品快速设计，避免重复性设计错误。相反，不注意知识积累和重用而导致知识资源流失，已成为闲扰企业发展的瓶颈问题。因此，产品设计需要知识管理的全面支持。目前，在设计知识管理中，普遍存在的问题是：设计过程缺乏记录和积累，与设计知识之间缺乏融合；设计者经常花费大量的时间来查找解决问题所需要的设计知识；设计者经常忘记自己曾经访问过的知识放在哪里；设计新手通常不知道有哪些知识可供利用；设计者经常不知道哪些知识有助于解决现有问题，等等。
因此，为了解决上述问题，必须提供合理的知识组织、存储和检索的方法，尽量采用图形化的描述方法，表达各类知识的组成是怎样的；哪些知识对于哪项任务是必要的；它们由谁掌握、由谁使用；某个知识是何处产生的；在企业或组织内是如何传递的。由此，设计人员可以选取恰当的知识和确定解决问题的途径，实现知识的获取。这种图形化的描述方式，我们称之为知识地图。它的设计在整个设计知识管理中具有举足轻重的作用，是表现知识体系和知识关联的重要手段。
Gartner Group认为知识地图是知识管理的基本工具，将知识地图定义为一种知识概念或知识相关的呈现方式，可分为概念性知识地图、流程知识地图以及能力知识地图。在当前的研究中，大多数学者局限于概念性知识地图，较多的应用于保险、银行、经济管理等行业；部分学者借助本体或元知识的功能构建和实现了流程知识地图，但缺乏与当前信息系统的融合，在实用性和可扩展方面存在不足。因此，在顾新建、祁国宁、韩永生对知识地图进行初步研究的基础上，本文结合设计过程对知识的上述需求，对知识地图的组成、内涵及功能进行了深化和改进。
1 知识地图的组成
根据机械产品设计中对知识的需求，沿袭顾新建、祁国宁、韩永生老师的研究，将设计知识管理中的知识地图分为知识分类图、知识分布图、知识利用图和知识传递图四个组成部分。它们分别描述知识的分类、分布、利用和传递情况，方便企业设计知识的检索、重用和更新。
1．1 知识分类图
对知识进行管理，首先需要使管理者和企业用户明确本企业拥有哪些知识、其结构是怎样的。同时，为了便于对知识进行检索和维护、避免知识的重复开发，需要对这些知识进行分类，使各类知识之间的结构明确、界限清晰。
知识分类图针对上述目的而设计，主要通过一个网状层次结构对企业的知识进行分层和分类。首先，网状层次结构中的上下位关系，即树型层次结构，所包含的知识从大到小、从粗到细、从通用化到专业化层层分解而彤成，越上层的知识类型越抽象，越下层的知识类型越专业化，这类似于PDM系统中的零部件分类管理。在此基础上，为了确保各分类之间的联系，需要借助对象属性的作用，在树型层次结构之间定义横向的关联关系，结合数据属性，确保对实例的完整描述。一个典型的企业设计知识分类图片段如图1所示。知识分类图可以使管理人员和设计人员明确企业的设计知识的组成和关系，便于检索和维护。
图1 企业设计知识分类图片段
由于企业的所有设计知识与产品、零部件的设计密不可分，因此知识分类图的核心视图为产品及其零部件视图。以核心视图的结构和节点为中心，借助对象属性，可以建立与具体产品或零部件相关的各类手册视图、方法视图、规范试图等，便于设计人员了解和查询企业的已有知识，有助于设计人员掌握产品及其零部件所需知识的结构。
1．2 知识分布图
知识分布图的主要目的是把业务过程中的各类知识与掌握相应知识的知识载体一一对应起来。知识载体主要是指某个企业、组织部门、设计团队或设计人员。通过知识分布图，可以在以下方面为业务过程的管理者或设计者提供帮助：①了解知识载体掌握知识的种类和数量；②发现知识独占现象，即当某知识仅与个别知识载体相对应时，说明该项知识仅为少数知识载体所掌握；③根据员工掌握知识的情况确定业务过程中各个任务的执行者；④寻求某类知识的领域专家，获取帮助。
在此，需要说明的是，要想建立知识分布图，必须在设计知识管理系统中预先定义设计对象(零部件)与知识对象之间的关联关系，如has—manual—knowledge，has—structure—knowledge等，而且还需要定义设计过程与知识对象之间的关联关系，如use—knowledge等。因此，借助此种定义方法，通过对设计对象及其设计过程中所拥有或使用的知识进行统计，就可以逐步追溯设计人员的知识分布以及知识在设计人员中的分布情况。而且这种方法的优点是：即使设计人员在设计某一零部件时没有使用某项设计知识，但是通过设计对象与知识对象之间的关联关系，就可以推断设计人员已经掌握了此类知识，从而保证了知识分布图的精确性。
通过了解企业对知识分布情况的需求，提出两类知识分布图：一类是某一知识载体的知识分布图；一类是某一知识的知识载体分布图。这里的知识载体可以是一个人，可以是一个角色，也可以是一个组织，它取决于企业组织结构的单元和粒度。
(1)知识载体的知识分布图
知识载体的知识分布图主要描述了知识载体M对知识分类图中的某一分类层次H中的各类知识的掌握数量。它体现了知识载体的知识结构。
(2)知识的知识载体分布图
知识的知识载体分布图主要描述了知识分类图中的某一类知识K在知识载体中的分布情况。它体现了知识在组织结构中的分布。在知识分类图中选中某类或某项知识，就能获得所有具有该知识的知识载体。如果某个知识对象只与少数知识载体具有联系，则反映该知识存在独占现象。
知识分布图的重要作用体现在两个方面：在设计任务分配时，可以通过知识分布图中设计任务相关知识的分布情况，选择有经验的设计人员执行设计任务，保证任务的顺利完成；在解决设计过程中的疑难问题时，如果在知识分类图中不能检索到相应的知识以解决问题，则可以根据知识分布图的情况，获得相关专家并进行直接交流，借助专家知识的经验，高效、优质地完成任务，解决疑难问题。
1．3 知识利用图
设计知识在设计过程中不断的被设计人员所检索和应用，人、过程和知识之间存在着密切的联系。但是，哪些知识的应用频繁，哪些知识是企业的核心知识，哪些是基础知识，以及哪些利用率较低是需要淘汰的知识等，成为企业知识管理的盲点。知识利用图的提出，则恰恰反应了具体知识的利用情况，满足企业的设计知识更新速度较快的要求。
(1)记录执行功能时必需的知识。执行任何一个设计任务时，都需要一定知识的支持。通过不断的积累，知识利用图就反映了任务执行中各类知识的应用情况。对于利用率比较高的知识则成为执行此类任务时的核心知识。
(2)淘汰落后知识。随着企业知识的积累，新的设计知识将不断的产生，并代替原有的知识，导致数据库、知识库的规模不断扩大。知识利用图提供了一定时期内的知识利用的频率统计，分析了各类知识点的利用情况，可以辅助将落后的、利用率低的知识归档，缩减数据库和知识库的规模。
1．4知识传递图
一个新知识的产生离不开已有知识的循序利用，需要在过程或组织内实现知识的传递，达到组织内知识交流的目的。虽然前面的知识分类图给出了每一类知识的详细描述，但是它对知识的传递过程和产生进程的跟踪和记载却无能为力。因此，针对上述要求，知识传递图，作为一种体现知识传递思想的树状模型，就应运而生。归纳知识传递图的类型，主要包括组织内的知识传递图、过程内的知识传递图、引用知识传递图、使用知识传递图四种，其中后两种已经在当前的PDM／PLM系统中得到了研究和应用。因此，本文重点说明组织内的知识传递图和过程内的知识传递图。
(1)组织内的知识传递：在知识传递图中，知识对象是整个传递图的传递对象，而组织对象则是传递图的传递目标。因此，一个组织内的知识传递图都是以知识对象和组织对象为交替嵌套节点的树型结构，如图2所示。图中，人员A将知识点口(根节点)传递给人员A1、A2、A3等(叶节点)，且A2产生新的知识点b1、b2；知识点b1(根节点)传递给人员B1、B2、B3等(叶节点)，且B3产生新的知识点，以此类推。这种知识传递方式可以为评价设计人员对企业的贡献提供重要依据。
(2)过程内的知识传递：在某一设计对象的设计过程中，各类设计知识的应用产生了新的设计知识，如3D模型、2D图纸、设计规则等。过程内的知识传递则记录了这一知识应用和产生的过程，是一个以设计对象实例为节点的自底而上的追溯过程。以设计人员设计某齿轮B的任务举例：如果齿轮B是一个全新的设计，其知识传递过程如图3a所示，追溯过程发散，表示是新产品设计；如果齿轮B在已有设计实例齿轮A的基础上，应用各类知识而产生，其知识传递过程如图3b所示，其追溯过程收敛于齿轮A(同一类型知识)，表示是在已有实例的基础上的变型设计。过程内的知识传递记载了具体的设计任务中知识点的应用次序，随着传递过程的完善，最终可以为细化任务中知识的定义和指导新员工的设计过程提供帮助。
2 知识地图在产品设计中的作用
知识地图是对企业已有知识资源进行有效管理的重要工具，它在产品设计中的作用如图4所示。在设计的执行过程中，知识地图可以为执行任务的设计人员提供共享知识，推荐相关专家；通过任务中知识的重用，可以评价知识的利用率；根据知识的不断更新，可以追溯知识的来源，提高员工知识奉献的积极性。
3 知识地图的实现
根据上述知识地图中各功能的描述和设计，在国产PDM系统TnforCenter的基础上，开发了知识地图的原型。其中，知识分类图，不仅描述了各类知识的分类层次结构．对实例进行了归类，还建立了各个分类之间的横向关联，如网5a所示；知识分布图，提供了知识在知识载体中的分布情况和知识载体中知识的分布情况，可以辅助了解企业的知识结构是否合理，如图5b描述了圆柱外齿轮在知识载体中的分布情况；知识利用图对知识的利用情况进行了统计，可以作为知识更新和淘汰的依据，如图5c描述了某一圆柱外齿轮实例在某一时间段内的利用情况；知识传递图，描述了组织内和过程内的知识传递，是知识过程演化的辅助工具，如图5d所示。 
图5 知识地图
在知识地图中，知识分布图、知识利用图和知识传递图可以借助系统的后台记录和信息传递而构建。而对于知识地图的核心——知识分类图，它的形式和结构必须符合企业今后的发展趋势，由专业人士进行维护。因此，为了保证知识分类的合理性和通用性，系统提供了知识分类管理的功能，它需要系统管理员的权限，是维护和管理知识分类图的重要工具。
4 结束语
根据机械产品设计中设计实例、手册、标注、规则等知识管理混乱、查询不便，新的设计人员难以快速了解企业已有知识、知识追溯困难、知识冗余等问题，本文研究了面向机械产品设计的知识地图，将一个抽象的概念实用化，并在国产PDM系统的基础上开发了原型系统，验证了方法的可行性，使得设计人员能够快速找到所需要的知识、专家，并为企业的知识更新、人员贡献的评价提供帮助，达到了知识获取、管理、传递以及利用的目的。
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(2/17/2012) |
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