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工业设计/产品设计 |
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产品配置设计中知识库的研究 |
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作者：王春英 郑雁翎 冯元 |
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摘要：本文通过配置设计知识规则的建立和表达，实现了配置设计知识的统一表达。有效地支持了配置问题的快速求解和柔性配置设计的快速实现。
1 引言
随着信息技术的快速发展、生产技术的不断变革和市场需求的个性化，制造业的生产模式不断向信息化、敏捷化和智能化方向发展。产品的个性化、多样化日益明显，单一规格的产品消费市场演变为满足不同需求的多样化市场。是否能够快速反应客户需求已经成为衡量企业在市场竞争力的标志之一，面向客户的配置设计是实现这一目标的有效手段。
有关知识的概念很早就提出了，在产品设计的过程中要不断地运用或参考以往的设计知识，但是对于以前的大量的设计知识，仅靠人的大脑记忆是不够的，这种方法不仅具有模糊性，而且容易混淆。随着计算机技术的飞速发展，为设计知识的应用提供了更强大的工具。因此借助于计算机对设计知识进行重用可以大大提高产品配置设计的速度和质量。
2 产品配置设计中的知识库
从产品配置设计的整个过程看，需要交换的不只是产品的几何数据，还包括更多的配置设计中的知识：设计知识、需求知识、约束条件等，而这些知识对于配置设计都非常重要。
2.1 设计知识
设计知识指广泛共享的物理定律对某一领域的公式化的规则以及设计者的设计经验等。设计人员需了解相关产品领域的背景知识和设计经验，才能快速地进行产品开发，因此对已经或正在产生的有关设计知识需要及时提炼、组织和管理，充分地利用经过生产实践考验的产品设计知识，不仅可以大大缩短生产周期，还可避免设计失误，提高产品的一次成功率，有效地降低成本，以增强企业的竞争力并赢得市场。
设计知识库集成了产品设计知识与产品配置设计的大量方法和案例，其知识来源包括产品的基本知识以及来自产品工程师、技术人员、市场营销人员和管理人员的领域知识。将产品配置设计划分为新产品设计和客户化产品设计2个层次。因此知识库中包括以下知识：
(1)新产品设计知识
新产品设计是由市场驱动的，针对某个客户群可能的需求，确定产品族，进行产品族的设计和开发，获得能够覆盖一类产品的产品模型，涉及到产品功能、原理、结构以及现有模块和新模块方面的信息。这部分知识包括产品框架、各种可用的模块、模块之间的不同交互方式（约束、规则、资源的产生和消耗等）、配置模型文档、各种算法和实验数据等。
(2)客户化产品设计知识
它是针对客户订单，在相应的产品族的支持下迅速地进行产品配置和变型，获得满足订单需求的具体产品。这部分知识包括产品功能模型、结构模型、原理模型、制造模型及其映射关系、配置规则、约束、分析、优化方法等，此外还包括配置和变型设计所遵循的设计原理、标准和设计实例。已完成的设计实例对于设计工程师而言，是一类较为完整并可以借鉴的知识。
2.2 客户需求知识
客户需求知识是用户对产品需求信息的表达。在配置设计中，客户需求知识可以表现为配置模型知识和配置结果知识的并集。即：
(1)需求不是无中生有的，正确的需求知识必须依赖于配置模型知识和配置结果实例知识；
(2)需求是预定义的配置模型知识和配置结果知识的组合。
3 产品配置设计中的知识获取
获取是知识管理的过程，知识获取对象包括各种各样的信息资源。有效地获取和理解客户需求，并在产品配置设计过程中准确地表达用户的产品需求信息，是企业在激烈竞争的市场环境中获得成功的必要前提，它不仅能缩短产品的上市时间，而且对以顾客满意为衡量标准的产品设计质量有着重大影响。知识获取是产品配置设计系统中最重要的环节。
3.1 知识特性
知识是人类通过实践认识到的客观世界的规律的东西，是信息经过加工整理、解释、改造而形成的。专家系统强调人类智能活动以知识为中心。知识工程的3个重要组成部分就是知识获取、知识表达和知识利用，其中最重要的也最为困难的就是知识获取。
产品设计的专门知识来源于人类专家的头脑，知识获取的任务是把这些知识提取出来，转化为计算机内部表示知识的符号和数据结构，经检测后装入知识库。知识获取系统也可修改和扩充知识库中原有的知识。
知识获取功能应为系统知识库的建立、扩充提供方便。迄今为止，己有功能不同的知识获取人-机接口来帮助获取知识，进行编辑等等，但是知识获取问题远不是单纯的知识库增删问题，在实际设计系统中，每增加或修改一条知识，不仅要考虑知识库中是否已有这样的知识，还要考虑新增添或修改后的规则是否和系统可能得出的结论发生矛盾，即要考虑所谓的“一致性”问题，甚至希望系统中的知识获取部分可以代替知识工程师，使领域专家可以和知识获取系统或专家系统工具直接进行对话。
3.2 知识获取的途径
(1)产品配置设计的知识获取以产品设计领域专家和知识工程师之间的相互交流为主要方式。知识工程师通过利用SmarTeam软伴和SQL Server2000软件工具，把知识（其来源包括产品的基本知识，以及来自产品工程师、技术人员、市场营销人员和管理人员的领域知识。）以二维表格的形式存入知识库。知识库中的知识可以由设计人员和管理员事先存储起来，也可以在配置的过程中给出。利用SmarTeam和SQL Server强大的管理能力，通过适当的输入界面，将设计领域专家的知识分解为一些恰当的规则加入到知识库相应的表中，并利用关系数据库RDBMS(Relation Database Management System)的功能可以同时完成知识冗余性检查、多义性检查、包含性检查等，这些可以运用SQL语句来实现。还可以十分方便地完成知识的增加、修改、删除和查询等操作，如图1所示。与传统程序不同，在系统中，领域的专门知识与程序的其它部分分离形成知识库。其主要优点是具有透明性和柔性，昨天的知识库根据今天的变化可很容易地被补充和修改。
(2)利用Delphi软件编辑程序对话，把专家经验编入计算机程序，设计适当的输入界面（例如定义变量及取值、定义变量条件、定义配置规则界面等），把经验知识输入知识库，有关配置设计的知识包含了用户和设计人员的配置要求。这种对话是按一定格式进行的，有一个默认的约定，系统按照约定获取知识。如图2所示。
利用知识编辑工具获取知识，将外部取得的信息先变换成可以为系统利用的形式，然后再装入知识库。采用这种方式获取知识，可以提供知识检索、修改，删除、编辑等功能，如果知识库编辑系统更完善，还可提供相容性检查、完整性检查等。这都有利于推理效率的提高，使专家系统更趋于实用型。
通常情况下，客户需求知识往往是从销售人员或用户角度直接来描述的，在这种情况下，需求知识表现为一系列功能要求的定义。在产品配置设计过程中，从产品设计的角度分析客户的需求，这时的需求知识表现为产品结构、产品和零部件间的约束形式等。客户需求知识可以通过客户需求交互技术获取。客户需求交互平台结构如图3所示。
4 配置设计中知识的表达
客户定制的产品是满足客户个性化需求的产品，不同层次的客户对产品的定制需求不同，同一用户对产品的不同层次定制要求也不同，因此知识表达体现了不同层次的用户需求。
4.1 产品配置设计知识的表达
产品配置设计知识是由基于知识表达的配置规则驱动的，如何进行知识表达是产品配置设计的关键问题。由于机械产品结构的复杂性，且每种知识间的联系较为密切，在工程实际中许多知识和经验不可能用统一的知识表示方法表示，因此传统的使用单一知识表示的智能工程设计系统在工程实际中存在一定的应用缺陷。针对不同机械产品功能结构，配置知识采用复合表达方式。在本文的产品配置信息模型中，知识的表达主要采用了复合知识表达方式（规则+框架），是适宜机械设计领域的知识表达方法，这种方法有推理速度较快的特点。它可以表示客观事物所具有的属性或所处的状态以及它与其它事物之间的关系等，它的表示既是层次的，又是模块化的，是一种较好的知识表达方法。
框架是一种层次化的数据结构，适合于配置产品结构层次化的知识表达，且框架能从另一个框架中去继承信息，因而框架具有关系数据库的功能。对于产品结构单元的实例配置设计求解问题，其中有关分析、判断和决策的简单推理问题等方面的知识都可用规则表示，并且将规则中所涉及到的物体或概念用框架联系起来，对于规则库中的物体或概念，可以通过框架系统去查询。由此可见，利用框架描述一些用规则不便描述的信息，增加了系统的透明性。
配置设计过程是根据配置设计规则进行过程推理和知识演化。建立合适的配置设计规则是提高配置设计知识的可重用性、知识库的可维护性、搜索效率的前提。本文将采用复合知识规则的符号规则和事例推理规则。符号规则本身不涉及到具体的知识所提供的产品信息，求解过程对于产品知识是透明的，具有严格的逻辑性，保证了问题求解方法的独立性和通用性。事例推理规则是以配置知识集合为推理对象，通过对一系列的事例匹配和事件推理得到配置设计结果。事例必须与实际的产品知识相结合才能明确其特定的物理意义，事例推理规则是非结构化，需要结合实际的设计经验，其推理过程需要复杂的逻辑匹配。两种规则的结合可以保证求解过程的逻辑性，同时提高推理过程的智能程度，有利于复杂机械产品配置设计知识和规则的表达和实现。
例如：判叛BX5DL-11-1/17型号的摆线减速机。
框架：BX5DL-11-1/17型号的减速机规则；
知识库：摆线减速机；
成员槽：BX系列减速机的分类规则；
（该槽表示2个具有相同或相近属性的物体规则的成员关系，即BX5DL-11-1/17型号的减速机规则与BX系列减速机的分类规则是成员关系）；
自身槽：结论From BX5DL-11-1/17型号的减速机；
（该槽用来描述框架表示的规则或表示自己所处的规则等级）；
活动值：BX系列，5号机型，立式带电机，11，17；作为结论返回；是BX5DI-11-1/17型号的减速机；
求值面：表；规则前提表；
值：判断与BX系列的关系；
机座型号；
结构形式；
功率；
减速比。
4.2 用户需求知识的表达
用对应关系来表达用户需求知识的层次结构，其中产品树的每个节点对应了该用户需求项的详细属性信息。
例如：摆线减速机的产品结构树如图4。
图4 摆线减速机产品结构树
所以在结构树上的每个节点对应一个产品或其中的某个零部件，每个节点以其图档编号和名称为代表，节点的属性包括产品或零部件的属性，其对应文档则以附属文档的形式存放。通过结构树的方式，将与产品或零部件有关的用户需求项的详细数据有机地链接在一起，从而使得数据的组织和管理变得十分容易，用户需求知识更加清晰。
在机械产品中有些设计是复杂的，理论性还不太清楚，影响因素很多，很难对它们进行精确的描述。对于模糊概念的配置设计问题，用模糊知识集的表达方法较为合适。定义常见用户需求的模糊语言术语集和对应的模糊分布，用户在确定某一个需求的性能指标时，既可以直接选择已定义的统一语言术语，也可采用用户自定义的模糊表达，以反映用户需求项的具体要求。例如产品设计工程师定义载荷的模糊集：稳定载荷、中等冲击载荷、重冲击载荷。在这个集合中元素所表示的概念是模糊的，并没有一个精确的度量值来区分它们。
5 结束语
提出了采用产品配置设计系统建立设计知识的表达模型，并映射到关系数据库中，实现知识库的组织。这种方法把配置模型的语义尽可能地放入到关系数据库表中，因此，有益于关系数据库的内在查询、更新和完整性机制。但这种方法也存在一些局限性，如概括映射到表时，会产生较多的关系表，则会产生大量的数据信息，扩大问题的求解空间。因此有待于研究一种产品配置设计需求转换算法，减少数据库中存储的大量事实信息，即在数据库中仅仅存储产品信息和少量的产品之间的关系，提高求解效率，使用户需求直接融入产品配置中，有效地缩小配置问题求解空间，通过知识库、产品配置规则作用从而在产品模型的基础上实现产品配置设计。(end)
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(6/27/2012) |
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