基于參數(shù)的通用知識表示與應(yīng)用

摘要：將知識表示運用于產(chǎn)品通用配置平臺開發(fā)，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速開發(fā)，并通過知識編譯器對配置知識進行詞法分析、語法分析和代碼執(zhí)行，自動檢測新產(chǎn)品實例是否符合產(chǎn)品配置規(guī)則，為實現(xiàn)產(chǎn)品配置的智能化提供了一種可行的途徑。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品配置；大規(guī)模定制；知識表示；配置規(guī)則

中圖分類號：TP182文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)16-21260-03

Parameters Based Universal Knowledeg Representation and Application

XI Zhen-hong

(College of Information Eng.， Shanghai Maritime Univ.， Shanghai 200135，China)

Abstarct: Applying knowledge representation in the process of product configuration，universal

platform of product configuration achieves the quick development of product ， and judge weather the new instance of a product according with configuration rules or not automatically by analyzing knowledge accidence，analyzing knowledge grammar and executing codes through the knowledge compiler.Providing a feasible method of product configuration intelligentize.

Key words: product configuration;mass customization;knowledge representation

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)的迅速發(fā)展和技術(shù)更新?lián)Q代的頻率提高，現(xiàn)代產(chǎn)品的市場壽命不斷縮短，市場要求企業(yè)具有從捕捉市場信息到產(chǎn)品投放的全面快速反應(yīng)能力，其中產(chǎn)品設(shè)計是產(chǎn)品生命周期中最重要的環(huán)節(jié)，如何將產(chǎn)品的設(shè)計知識融合于產(chǎn)品是決定產(chǎn)品開發(fā)是否成功的關(guān)鍵。

面對設(shè)計知識表示方式的多樣性，產(chǎn)品開發(fā)人員對產(chǎn)品設(shè)計知識采用何種表示方式，不僅影響知識的有效存儲，也直接影響產(chǎn)品開發(fā)中的知識獲取能力和知識運用效率。

2 知識表示概述

隨著知識表示研究的深入，已經(jīng)出現(xiàn)了多種知識表示方法，其中常用的有狀態(tài)空間法、問題規(guī)約法、謂詞邏輯法、語義網(wǎng)絡(luò)法、框架、過程和面向?qū)ο蟊硎痉ǖ取?/p>

然而上述知識表示方法應(yīng)用于產(chǎn)品配置系統(tǒng)中往往缺乏靈活性， 不能夠直觀、高效地表達(dá)產(chǎn)品約束語義；缺乏通用的產(chǎn)品配置建模方法， 配置系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)往往要由產(chǎn)品專家、系統(tǒng)開發(fā)專家及軟件開發(fā)人員共同協(xié)作， 這種定制方式往往跟不上產(chǎn)品知識更新演化， 以致實用化困難、通用化程度低；由于缺乏統(tǒng)一的產(chǎn)品知識表述方法和配置問題求解機制， 配置知識庫難于共享、擴充。

為此，本文根據(jù)機械產(chǎn)品開發(fā)中設(shè)計知識特點，以岸邊集裝箱起重機大車行走機構(gòu)為設(shè)計對象，提出基于參數(shù)的通用知識表示方法。

3 系統(tǒng)概述

為了保證通用性，本系統(tǒng)允許用戶自定義組成產(chǎn)品的零部件及其參數(shù)，產(chǎn)品的配置規(guī)則也由用戶輸入。對于新型號的產(chǎn)品配置問題，系統(tǒng)可以根據(jù)其零部件參數(shù)，代入到配置規(guī)則中進行自動判斷，得出產(chǎn)品能否通過檢測的結(jié)論。因此，系統(tǒng)不再局限于某個特定產(chǎn)品的配置，對于其它產(chǎn)品同樣適用，達(dá)到通用的目的。

由于產(chǎn)品的配置規(guī)則是由用戶自行輸入，而不是由軟件開發(fā)人員通過編寫代碼固化在程序中，計算機對配置規(guī)則的正確理解和執(zhí)行是本系統(tǒng)的難點。

本系統(tǒng)將接近 C 語言的邏輯表達(dá)式和產(chǎn)生式相結(jié)合來表示產(chǎn)品配置知識。

4 產(chǎn)品配置知識的表示

4.1 產(chǎn)生式表示法

產(chǎn)生式通常用于表示具有因果關(guān)系的知識，其一般形式為：

P → Q 或 IF P THEN Q

其中 P 稱為前件，是產(chǎn)生式的前提，用于確定該產(chǎn)生式是否可用；Q 稱為后件，是一組結(jié)論或行為，用于指出當(dāng)前件P的條件滿足時，應(yīng)該得到的結(jié)論或應(yīng)該執(zhí)行的操作。

產(chǎn)品的配置規(guī)則和裝配約束是產(chǎn)品設(shè)計的主要知識，用產(chǎn)生式來表示是非常合適的。為了系統(tǒng)實現(xiàn)方便，在本系統(tǒng)中前件和后件都限定為邏輯表達(dá)式。系統(tǒng)只要能正確識別邏輯表達(dá)式，即可實現(xiàn)產(chǎn)生式的自動處理。

4.2 產(chǎn)生式在系統(tǒng)中的表示

工業(yè)產(chǎn)品的配置知識一般都基于參數(shù)，而基于參數(shù)的產(chǎn)品設(shè)計知識涉及到常量、變量和運算符的表示。

本系統(tǒng)中的常量限定為數(shù)值型常量和邏輯型常量，其中的數(shù)值型常量直接用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，邏輯真和邏輯假分別用.T.和.F.表示。

本系統(tǒng)中的變量都定義為浮點數(shù)，用“零部件名稱.參數(shù)名稱”表示，如下平衡梁的定位尺寸這一參數(shù)表示為“下平衡梁.定位尺寸”。

產(chǎn)品設(shè)計中的運算包括算術(shù)運算、比較運算和邏輯運算，使用“+”、“-”、“*”、“/”表示算術(shù)運算符，“==”、“>”、“≥”、“<”、“≤”、“!=”表示比較運算符，“”、“||”、“!”表示邏輯運算符，。

根據(jù)上述設(shè)定，岸橋大車行走機構(gòu)的設(shè)計規(guī)則之一：如果大車配八個輪胎，那么下平衡梁的定位尺寸必須大于車輪輪徑的四倍并且上平衡梁的定位尺寸必須大于車輪輪徑的八倍。在本系統(tǒng)中表示為：

“大車.輪數(shù)”==8→“下平衡梁.定位尺寸”>“車輪.輪徑”*4 “上平衡梁.定位尺寸”>“車輪.輪徑”*8 （式1）

式1中的前件P為“大車.輪數(shù)”==8。后件Q為“下平衡梁.定位尺寸”>“車輪.輪徑”*4 “上平衡梁.定位尺寸”>“車輪.輪徑”*8。

由于知識采用字符串表示，并且每條知識僅有前件和后件兩部分，非常的結(jié)構(gòu)化，可以使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫保存知識。

5 產(chǎn)品配置知識的應(yīng)用

對于計算機而言，式1的前件和后件都只是字符串。計算機并不能自動地理解一個字符串的含義，必須要有一個編譯器幫助電腦理解知識字符串并用于自動檢測。

本系統(tǒng)的知識應(yīng)用借鑒計算機編譯原理中的概念和方法，大致分為四個部分：定義語法文件、進行詞法分析、進行語法分析和知識應(yīng)用。

5.1 語法文件

語法文件包括：一組終結(jié)符、一組非終結(jié)符和一組語法規(guī)則。

本系統(tǒng)的語法文件定義為：

A ::= A+B | B

B ::= B-C | C

C ::= C*D | D

D ::= D/E | E

E ::= (E) | float

F ::= A==A

G ::= A>A

H ::= A≥A

I ::= A

J ::= A≤A

K ::= A!=A

L ::= LM | M

M ::= M||N | N

N ::= !N | (L) | .T. | .F. | F | G | H | I | J | K

此語法文件中的“+”、“>”、“”等運算符號和定界符“(”、“)”是組成語言的不可再分的基本符號，都是終結(jié)符。

A、F、L等大寫字母都是非終結(jié)符，代表了算術(shù)表達(dá)式、比較表達(dá)式和邏輯表達(dá)式，屬于語法范疇。

式子“L ::= LM | M”表示“L定義為L和M的與運算，或者L定義為M”。類似于這樣的式子都是一個語法規(guī)則，是定義語法范疇的一種書寫規(guī)范，又稱為巴科斯范式。式中的“|”表示“或”的概念。

可見，在本系統(tǒng)的語法文件中，A、B、C、D、E定義了算術(shù)表達(dá)式，F(xiàn)、G、H、I、J、K定義了比較表達(dá)式，L、M、N定義了邏輯表達(dá)式。

5.2 詞法分析

詞法分析的任務(wù)是把表達(dá)式轉(zhuǎn)換成單詞符號串，是語法分析的基礎(chǔ)。

為了程序?qū)崿F(xiàn)方便，詞法分析先將關(guān)鍵字符號化。本系統(tǒng)中做如表1轉(zhuǎn)換：

表1 符號轉(zhuǎn)換關(guān)系

表1中的“#a”和“#b”用作指示一個語句的開始和結(jié)束，把它們也看成是終結(jié)符。“float”表示一個浮點數(shù)。

詞法分析從左至右逐個字符地掃描表達(dá)式，跳過空格、制表符和換行符，對其余關(guān)鍵字按照表1進行轉(zhuǎn)換，將符號存放到棧中，供語法分析時使用。

5.3 語法分析

語法分析將判定表達(dá)式是否符合語法文件定義的語法規(guī)則。本系統(tǒng)采用自下而上分析方法中的算符優(yōu)先分析算法。

算符優(yōu)先分析算法就是確定終結(jié)符之間的優(yōu)先關(guān)系，借助于這種優(yōu)先關(guān)系尋找可規(guī)約串并進行規(guī)約。

定義如下方法來表示任何兩個可能相繼出現(xiàn)的終結(jié)符a和b的優(yōu)先關(guān)系：

a

a=b，表示a的優(yōu)先級等于b

a>b，表示a的優(yōu)先級高于b

對于任何一對終結(jié)符a和b，其優(yōu)先關(guān)系可以用下面的方法得到：

a=b，當(dāng)且僅當(dāng)含有形如P::=…ab…或P::=…aQb…的語法規(guī)則

a

a>b，當(dāng)且僅當(dāng)含有P::=…Ra…，且R::=…b或R::=…bQ的語法規(guī)則

其中R::= ……可以是多次推導(dǎo)得出的結(jié)果。

根據(jù)以上原則，可以計算出所有終結(jié)符的優(yōu)先關(guān)系，存儲在一張表中，稱為優(yōu)先關(guān)系表。

結(jié)合語法優(yōu)先表，算符優(yōu)先算法使用一個符號棧，依次讀入詞法分析時生成的符號，根據(jù)符號優(yōu)先表中的關(guān)系，始終定位到優(yōu)先級最高的那個符號，然后在語法文件中查找合適的巴科斯范式，將符號棧中的對應(yīng)符號進行歸約。如果找不到匹配的巴科斯范式，則說明語句不符合語法，失敗退出。

最終的符號棧將只剩下一個元素。本系統(tǒng)用來判斷新產(chǎn)品是否符合裝配約束，所以符號棧中的最后一個元素必定代表一個比較運算或一個邏輯運算，否則該語句也不符合語法。

5.4 知識應(yīng)用

只要產(chǎn)品配置知識通過詞法分析和語法分析，就可以保存到數(shù)據(jù)庫中。

知識應(yīng)用時只要從數(shù)據(jù)庫中將知識逐條讀出，進行一遍詞法分析和語法分析；將實例的參數(shù)對應(yīng)地代入詞法分析生成的棧；按照運算的優(yōu)先級別，對該棧依次進行括號運算，乘除運算，加減運算，比較運算，非運算，與運算以及或運算；最后，產(chǎn)品配置知識對產(chǎn)品實例的檢測結(jié)果保留在棧的第一個也是唯一一個元素中，是一個邏輯值，指示該實例能否通過檢測。

6 產(chǎn)品配置舉例

以式1中的大車配置知識為例，下面給出計算機對新產(chǎn)品實例的檢測過程。

假設(shè)有大車新產(chǎn)品實例：大車配8個輪胎，車輪輪徑是500mm，下平衡梁的定位尺寸是2200mm，上平衡梁的定位尺寸是4400mm。

式1中的前件P為“大車.輪數(shù)”==8，而“大車.輪數(shù)”將用實例中的具體浮點參數(shù)代替，所以詞法分析將生成字符棧：rjr，分別表示浮點數(shù)、等號、浮點數(shù)。

棧“rjr”進入語法分析階段，直接規(guī)約為F，即代表一個等于比較表達(dá)式。前件P符合語法，正常返回。

將新產(chǎn)品實例的大車輪數(shù)8和前件中的常量8代入字符棧，形成新的棧8、j、8，進入代碼執(zhí)行階段：查找符號轉(zhuǎn)換關(guān)系表，棧中字符“j”表示等號，可知前件是關(guān)于等號的比較運算，且“j”前后的參數(shù)都是8，計算結(jié)果表明新產(chǎn)品實例滿足該知識前件。

同樣道理，知識中的后件Q為“下平衡梁.定位尺寸”>“車輪.輪徑”*4 “上平衡梁.定位尺寸”>“車輪.輪徑”*8，詞法分析將生成字符棧：rkrcrgrkrcr，分別表示浮點數(shù)、大于號、浮點數(shù)、乘號、浮點數(shù)、與運算符號、浮點數(shù)、大于號、浮點數(shù)、乘號、浮點數(shù)。

棧“rkrcrgrkrcr”進入語法分析階段，最終被規(guī)約為L，即代表一個邏輯與運算表達(dá)式。后件Q符合語法，正常返回。

將新產(chǎn)品實例的車輪輪徑500，下平衡梁定位尺寸2200，上平衡梁定位尺寸4400 以及后件中的常量4和8代入字符棧，形成新的棧2200、k、500、c、4、g、4400、k、500、c、8，進入代碼執(zhí)行階段：

1)先進行乘法運算，形成新的棧2200、k、2000、g、4400、k、4000；

2)再進行比較運算，形成新的棧p、g、p；

3)最后進行與運算，形成新的棧p。

計算結(jié)果p代表邏輯真，表明新產(chǎn)品實例滿足該知識后件。

知識的前件和后件都得到滿足，所以新實例通過了式(1)的檢測。

由上述例子可見，本系統(tǒng)中產(chǎn)品配置規(guī)則并沒有寫進程序，而是從知識庫中讀取，交由知識編譯模塊和執(zhí)行模塊處理。不同產(chǎn)品的配置規(guī)則采用同樣的存儲和處理方式，體現(xiàn)了系統(tǒng)的通用性。

7 結(jié)論

產(chǎn)品設(shè)計是企業(yè)的核心技術(shù)，由于產(chǎn)品配置中設(shè)計知識多為基于參數(shù)的約束，本文使用基于參數(shù)的產(chǎn)生式知識表示方法，把參數(shù)約束中所涉及的算術(shù)表達(dá)式、比較表達(dá)式和邏輯表達(dá)式在一個語法文件中進行定義，并針對此語法文件設(shè)計了編譯器，實現(xiàn)約束表達(dá)式的自動判別和產(chǎn)品實例的自動檢測，為實現(xiàn)產(chǎn)品配置的智能化提供了一種可行的途徑。當(dāng)然產(chǎn)品配置不僅是產(chǎn)品設(shè)計過程，產(chǎn)品的升級演化、知識推理等是以后進一步工作的方向。