知識網格環境下客戶協同產品創新知識共享研究

邢青松 楊 育 劉愛軍 姚 豪

1.重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶，400030

2.重慶交通大學，重慶，400074

3.馬斯特里赫特大學，馬斯特里赫特，荷蘭，6211LK

0 引言

產品創新能力已日漸成為決定企業核心競爭力的重要因素［1］。為了更好地實現以顧客需求為導向的創新，企業需要充分整合與自身相關的多種資源來指導未來的產品創新。而客戶協同產品創新通過與客戶、制造商、供應商、銷售商及科研院所間的聯合，可實現對組織優勢資源的重新整合和有效利用，從而不僅可以滿足企業產品創新對技術、人才和信息等的需求，還可以獲取更多的產品創新知識，提高企業創新能力，獲取競爭優勢，最終達到為企業價值網絡增值的目的［2-3］。對此，國內外學者從多個方面開展了深入研究：楊育等［3］提出了客戶協同產品創新工作模型；Fox等［4］建立了包括客戶在內的網絡化虛擬團隊工作過程模型；郭清等［5］對客戶知識管理（customer relationship management，CRM）中的客戶創新知識概念、形態、價值進行了定義和綜合分析；Cheng等［6］提出了包括客戶在內的基于實例推理和TRIZ創新原理相結合的協同產品創新方法，并構建了實例推理框下的產品創新知識推送系統；Gloor等［7］建立了客戶協同創新組織的網絡模型COINs，并對該網絡的動態性能進行了評估；楊潔等［8］基于粗糙集方法提出了面向約束滿足的客戶協同產品創新知識推送方法，并基于該方法構建了一套知識推送系統；張磊等［9］構建了創新平臺工作網絡拓撲結構框架，并提出了創新平臺的歸并請求模式及基于Java多線程同步和加鎖機制的“歸并請求”求解算法。

分析現有的研究成果可以發現，客戶協同產品創新模式是隨著互聯網及其他相關信息技術不斷發展進步而形成的，但隨著知識量的不斷積累，各類知識分散、多樣和異構的特征也日趨明顯，再加上各主體專業背景、知識水平和興趣偏好等方面存在差異，以及創新對象不同屬性間各種復雜、相互影響、相互依賴的關系［10］，使得各主體的創意知識缺乏統一的描述方法，從而影響了創新主體間知識的獲取和共享。對此，林敏等［11］借助復雜網絡的理論與方法，提出了知識轉移與共享的網絡模型，研究了網絡結構對組織中知識共享的作用；Adela等［12］通過構建網絡化的學習網格，使遠程學習者可以在同步條件下，根據自己的偏好和實際需求進行知識學習和共享。然而客戶協同產品創新的知識共享是以創新對象為導航的動態柔性過程，具有分布式、多樣性和可重構性等特點［13］，這就需要建立統一、高效的知識集成機制和靈活可控的知識共享機制，以適應分布、異構的協同創新環境［14-16］。基于知識本體論和認識論的知識網格，可以對異構、廣域和分布環境下的各種資源進行管理，通過分布的協作處理、抽取和挖掘技術，從數據源中獲取有用信息，并把這些有用信息通過互聯網進行連通，實現知識資源的全面共享，為知識管理提供統一的平臺［17-18］。文獻［19］針對網絡環境下企業內部的知識生產、企業間的知識供應進行建模，并提出基于知識網格的知識供應系統層次圖以及各個層次的服務模型；文獻［20］構建了一類知識網格服務不同主體的協同決策模型；文獻［21］將網格技術、代理和可擴展標記語言技術相融合，建立了基于知識網格的復雜產品概念設計系統。上述研究結合本體、語義Web等技術為知識網格的應用提供了支持，使得知識網格成為具有廣闊應用前景的虛擬組織知識共享平臺。

為滿足客戶協同產品創新組織知識共享的需求，本文首先分析并總結了該類創新模式知識共享的總體特征，并在此基礎上提出了知識網格環境下的客戶協同產品創新知識共享模型。通過面向客戶協同創新知識共享原型系統的設計，驗證了所提出模型及相關技術的可行性和有效性。

1 知識網格環境下的客戶協同產品創新知識共享模型

1.1 知識網格環境下客戶協同產品創新知識共享的特點

與單個單位或組織中的知識共享相比，客戶協同產品創新中不同主體間的創意知識表述和應用背景存在差異，這種差異影響了知識的獲取與共享。知識網格作為廣域范圍的知識共享平臺是一個智能的互聯環境，它把分布的知識資源整合為共享的知識庫，使用戶或角色有效地獲取、發布、共享和管理知識資源，并為用戶提供所需要的知識服務。而且，在共享本體的指導下實現統一語義的知識共享環境，使得來自不同領域、地方、知識背景和單位的創新主體能夠實現知識語義上的傳遞和相互理解。為此，從提高協同創新水平的角度出發，需要建立知識網格環境下聯盟范圍內的知識共享模型來整合和管理知識資源。結合客戶協同創新的相關特性［2，5，9-10，22-26］，客戶協同產品創新知識共享具有以下主要特點：

（1）在宏觀上，客戶協同產品創新組織為多單位、多主體參與的虛擬組織；在微觀上表現為面向創新對象的矩陣式組織結構。為此，其知識的共享客觀上要求以創新對象為中心進行管理，把知識集成到創新過程的各個環節中，從而實現知識的及時供應。

（2）具體到每個創新主體而言，可將其視為客戶協同組織的基本共享單位。因此，為提高產品創新水平，要求各成員具備更好的開放性（即對數據、信息和知識的統一、一致的理解和共享），最終反映在知識共享上就是需要參與客戶協同創新組織的各主體共同確立一種以創新對象為主導、組織范圍內易于實現創意知識轉化、具有統一語義描述的知識表述方法。

（3）在技術手段上，客戶協同產品創新知識共享系統的構建涉及知識存儲方式、本體建模程序選擇、訪問端口、知識庫融入網格程序接口等方面，為消除上述障礙，協同組織需要采用建立系統的框架模型支持系統的設計與應用。

由此可見，知識網格環境下客戶協同產品創新共享是根據創新對象的需要動態地構建跨組織邊界的知識共享虛擬組織，并支持大范圍的動態知識共享環境，以滿足不同地域、領域和知識背景的創新主體對產品創新知識的需求，并最終達到有效提高產品創新水平的目的。

1.2 客戶協同產品創新知識共享模型

利用知識網格在整合重塑知識資源方面的優勢，并結合上述客戶協同產品創新知識共享的特征，對客戶協同產品創新知識資源進行管理，將地理上廣布且歸屬不同組織的創新主體、具有異構特性的軟硬件資源通過網絡連接，以產品創新對象為驅動引擎，實現知識資源間多向度靈活組合、分配、調度和聚合以及知識交換、交流和共享等功能。

圖1所示為客戶協同產品創新知識共享模型。在該模型中，客戶、供應商、制造商及相關科研院所等單位或組織通過登錄開放知識網格服務系統（即網格環境）中的用戶層和連接控制層，并經過訪問身份驗證、用戶權限識別和網格系統安全認證后，針對創新對象，在協同決策、商討的基礎上，確定各創新主體在協同創新組織中的角色及所承擔的創新任務，進而結合創新主體本人專業知識背景和興趣偏好，激發非結構化的產品創意知識，包括外觀創意、功能創意、色彩創意和結構等。這些多樣和非結合化的創意通過領域本體來進行統一語義描述，形成結構化的產品創新知識，并與知識網格服務系統中的知識服務器節點相匹配。開放知識網格服務系統通過知識服務器及共享平臺為產品創新所需知識提供統一的表示和操作視圖，主要包括與外形創意知識、功能創意知識、工藝創意知識和結構創意知識相匹配的概念型知識、規則型知識和實例型知識等。當協同組織中成員或創新對象發生變化時，只需改變相應的映射關系就能滿足新的客戶協同產品創新組織的知識共享需求。

圖1 知識網格環境下的客戶協同產品創新知識共享模型

2 客戶協同產品創新知識共享過程的關鍵點研究

2.1 客戶非結構化產品創新知識轉化

由于對產品功能和性能等方面的認識和了解程度不同，客戶創意知識常采用符合自己語言習慣的描述性語義方式對創意進行描述，反映在對產品創新知識的具體描述中，則更多的是一種非結構化的數據。對此，有關學者往往采用質量功能展開（QFD）的需求分析方法，把主體產品創意類化為客戶需求，然后在綜合考慮各種設計約束的條件下，將上述類化后的需求轉化為產品特性，并通過需求求解產品技術指標以達到產品創新的目的。但隨著市場需求的快速變換、企業產品創新模式的變革，尤其是客戶專業技能技巧及感性認知的提高，使得客戶創意表述日趨多樣化和復雜化。顯然，基于QFD方法的知識轉換方式已經不能滿足市場對產品創新的要求［27］。

針對此，筆者通過構建“創意-問題-功能”模型（IPFM）實現客戶非結構化的創意向結構化創意轉化，以便于在知識網格環境下建立一個對外開放、方便快捷、安全可靠且能滿足不同創新主體進行創意表達和語義交換的集成創新平臺。

圖2 客戶非結構化產品創新知識轉化模型

多樣的客戶創意決定了不同類型的創新問題域。本文中問題域的概念沿襲并擴展了SBF2模型［28］，即在功能、行為、流和結構等知識概念層面的基礎上，構建了“創意-問題-功能”轉換模型（IPFM）及方法，如圖2所示。在該轉換模型中，分別包括一個創意類、問題類和功能類，其中，創意類有五個屬性：名稱、描述、類型、屬性、創意相關功能，分別對應問題類的6個屬性。其中，類型提供對創意／問題／功能本體中詞匯的引用，而創意／問題／功能本體類型分為6類，即質量、能量、形狀、信息、時間和綜合6類基本問題／功能集；創意類型、屬性和描述將分別與問題／功能類型、屬性、關系、名稱、層次、目標等關聯起來；創意相關功能將問題與對應功能關聯起來。功能類型和功能層次提供對問題／功能本體中詞匯的引用，功能類型利用文獻［22］提出的標準功能（便于問題／功能本體的形式表達及分類）。元功能、子功能和模塊功能描述功能間的層次關系以及與產品部件的聯系；功能目標表示功能的預定目標；功能相關部件和功能相關輸入輸出流分別將功能與對應部件和流關聯。其具體轉換過程描述如下：

（1）主體創意的描述。包括創意名稱、創意表述、創意類型、創意屬性和創意相關功能。

（2）創意／問題的對應變換。包括名稱對應、描述對應、類型對應、屬性對應、關系對應、層次和目標對應。

（3）問題的重要程度排序?；谀：畔㈧乩碚摵投Z義方法對問題相關功能子模塊進行重要性排序，以獲得能夠真實反映主體創意的產品知識，保證重要程度高的問題能映射到最終的新產品功能上。

（4）問題的功能形式表達?；谇拔奶峒暗墓δ芊诸悾瑢τ谥匾潭雀叩膯栴}，用功能形式加以表達，并將不同的問題按照重要程度的高低歸一到不同的功能形式上，形成基本的問題／功能集。

（5）問題向功能的轉換。針對不同主體創意，采用不同的“創意-問題-功能”轉換方法。對需求類創意／問題，基于質量功能展開方法進行轉換；對感性創意／問題，采用模糊認知圖、感性工學和模糊k均值算法進行轉換；對于基于主體基本知識背景提煉出的創意／問題，采用聚類、關聯規則和多元回歸分析等數據挖掘方法進行轉換。

通過“創意-問題-功能”轉換模型，將多樣、不規范、非結構化的客戶創意描述轉換成統一的產品創新知識表達形式，并創建其知識概念本體，從而實現知識網格環境下協同創新組織各主體、各單位間產品創意和知識的無障礙共享及交流。

2.2 產品創新知識共享概念本體創建

產品創新知識概念本體是協同聯盟內創建的與知識共享相關的本體術語集，類似概念的語義詞典，主要用于轉化后的結構化產品創新知識概念的定義、本體創建及概念間的上下位關系，從而為基于Web本體語義描述的知識表示語法結構奠定基礎。本文通過定義七元組ITO＝（ITOC，ITODs，ITORs，ITOM，ITOR，ITOA，I）來描述協同產品創新知識的概念。其中，ITOC表示主體對產品創新對象（innovation target ontology，ITO）的創意所屬知識領域的概念；ITODs為概念ITOC上的一組屬性的結構化的描述；ITORs為概念與其他概念間的關系集合，包括概念本體之間整體和局部的關系（“part＿of”）、某個概念是另外某個概念的屬性關系（“attribute＿of”）、概念之間 的 實 例 關 系 （“instance＿of”）、繼 承 關 系（“kind＿of”）、等價關系（“same＿of”）等；ITOM 為主體創意作用于產品創新對象時所涉及的創新方法，包括可拓學方法、發明問題創新原理、關聯矩陣和工程更改等方法；ITOR為執行主體創意時應予以配置協同創新組織的資源；ITOA描述創新任務相關的活動及其關系；I為產品創新成功案例集。同時，定義如下產品創新知識概念在OWL中的上下位關系：

定義1 概念匹配關系（concept matching relation，CMR）反映本體中的兩個概念在本體圖中的上下位關系。將兩個概念ITOC1和ITOC2的概念匹配關系CMR＝（ITOC1，ITOC2）的值域定義為集合Set＝｛Equipollence，Containing，Becontaining，Irrelevant｝。其中，Equipollence表示等價匹配，即兩個概念等同或具有等價關系；Containing表示ITOC1?ITOC2，即ITOC2是ITOC1的子概念；Becontaining表示ITOC1?ITOC2，即ITOC1是ITOC2的子概念，反映在知識概念本體關系中是以“part＿of”、“attribute＿of”、“same＿of”等具有上下位關系關聯的概念類；Irrelevant表示兩個概念不相關，匹配失敗。

2.3 基于OWL的產品創新知識共享本體表示

在上述創建的產品創新知識概念本體的基礎上，根據文獻［14］和文獻［20］的知識概念類別定義，從知識層次角度即概念層、規則層和實例層，來實現知識網格環境下基于OWL的產品創新知識概念的統一本體語義表示，究其原因是OWL作為W3C推薦的用來描述Web服務屬性及其功能的標記語言，能夠使Web服務成為計算機可理解的實體［8，28］。

概念型知識的描述通過OWL中的陳述來表示，即主體、謂詞及客體三部分構成一條陳述。其中，主體是產品創新知識刻畫的創新對象，謂詞部分則刻畫主客體之間的關系，客體是與主體有關聯的屬性或者屬性值。于是，概念型知識的表示可由BNF范式定義如下：

實例型產品創新知識一般是由不同專業背景和興趣偏好的創新主體對與創新對象相似或類似的實例，通過功能、結構類比并加上其本人的理解提出的。本文通過定義實例類Case，并將實例分成三部分進行結構化處理：即問題描述部分（Problem）、方案解決部分（Solution）和效果評價部分（Evaluation），分別用于描述實例發生的背景、原因，用于解決問題的理論、方法、技術和手段，對解決效果的反映及對類似問題的啟示。然后把結構化后的實例屬性按照問題描述相關屬性（超類為HasProblem）、方案解決相關屬性（超類為HasSolution）和效果描述評價相關屬性（超類為Has Results）分為三種類型。于是，某實例具體結構化時所抽取的屬性必定是其中一類的子屬性，其知識表示的BNF范式定義如下：

2.4 客戶協同產品創新知識共享訪問機制

（1）客戶協同聯盟中各創新主體通過知識網格節點端口TCP＝（wsa，P）提交非結構化的產品創意知識請求；

（2）創新主體非結構化的產品創意知識請求，經過“創意-問題-功能（IPFM）”模型實現客戶非結構化的創意向結構化創意轉化；

（3）構建結構化產品創意知識共享概念本體，并采用OWL對產品創新知識按照概念型、規則型和實例型，進行本體語義描述；

（4）將基于OWL描述的產品創新知識，按照不同的Pj接口屬性推送到協同聯盟的知識網格下與DB中產品創新知識按照概念匹配關系CMR＝（ITOC1，ITOC2）進行匹配，有關知識匹配表示的BNF范式定義為

同時考慮到產品創新的相關約束規則時，可表示為

通過知識共享訪問機制，對協同聯盟成員的創意知識請求，按照“創意-問題-功能（IPFM）”模型實現知識網格注冊表引導下的創意知識轉換，然后基于OWL本體語義描述，把各創新主體知識請求變成對應的具有統一術語的概念本體，并在本體的幫助下從分布式知識網格服務節點的客戶協同創新聯盟知識庫中匹配出符合條件的產品創新知識，使得創意知識共享成為可能。

3 原型系統的實現與應用

3.1 客戶協同產品創新知識共享原型系統設計

圖3 知識網格環境下的客戶協同產品創新知識共享原型系統框架

為實現協同產品創新中的不同創新主體知識共享，構建了知識網格環境下的客戶協同產品創新知識共享系統，其基本框架組成如圖3所示。協同創新聯盟各單位及創新主體把需要共享的知識封裝為知識網格節點，并注冊到開放網格服務體系的知識共享中心，包括產品知識、產品專利、產品實例、產品模型、創新工具、產品設計、知識地圖、創新方法等各類知識服務器，并且每個知識服務器都是知識網格中一個節點。各主體通過登錄基于Web服務層應用程序的客戶端界面來進行創意知識發布與獲取服務知識發布接口對知識進行語義描述，然后通過Jena應用程序接口實現OWL文件的解析和語義匹配實現對產品創新知識資源的注冊、請求處理、匹配及共享。

該網格系統的開發平臺基于Intel、Windows XP軟硬件系統和Globus Toolkits3。首先在獲取創新主體產品創意知識的基礎上，利用Stanford大學的Protégé3本體建模語言對產品創新知識進行描述和整合；然后采用MySQL作為數據庫，Jena2.3作為本體解析器進行本體的解析、開發、程序推理及存取；利用XML的SOAP協議，建立基于Web Services體系結構的不同創新主體知識服務網格節點。該網格節點不僅負責維護系統中的基本本體和目錄本體，同時兼作UDDI私有注冊服務器，設計中采用集成工具包JWSDP（Java Web services developer pack）中包含的JWSDP Registry Server實現UDDI注冊表的設計。

系統在使用時，不同創新主體通過本地知識服務網格節點Protégé-owl Api實現對客戶產品創意知識本體的查詢操作，并以附件方式把本體文件下載到本地計算機，然后通過Protégé等本體建模工具進行瀏覽或本體擴展。

3.2 應用示例

M公司主要從事手持電鉆的研發和生產，通過市場調查發現，鉆空效率高、手柄處防滑性強且不同型號鉆頭容易更換的產品最受市場歡迎。于是M公司市場部和技術研發部選取部分有積極創新意圖的用戶會同供應商、銷售商及相關科研院所組成客戶協同產品創新聯盟，通過發揮各自的產品創新知識優勢，并借助于基于知識網格環境的產品創新知識共享系統及集成到其內部的TRIZ創新工具包實現產品的創新設計。首先協同聯盟各參與產品創新的主體成員通過各自的知識網格節點端口TCP＝（wsa，P）提交非結構化的產品創意知識請求，并利用知識網格節點中知識服務器完成產品創意知識請求，并通過上述“創意-問題-功能”模型、產品創新知識共享概念本體及語義表示方法將相關非結構化創意知識表達轉換成基于OWL的結構化產品創新知識表述，結果顯示：①增大功率，滿足高鉆孔效率需求；②增強摩擦性，滿足防滑性需求；③增強可操作性，滿足易更換性需求。然后運行TRIZ創新工具軟件Goldfire，進入知識網格節點服務系統中的創新知識匹配搜索，可得出與上述創意需求相匹配的3條創新原理：“18振動”、“40復合材料”和“12等勢性”；再通過該系統進行知識共享發布，更進一步對各參與單位知識網格節點服務端知識庫搜索匹配，得到該類型手持電鉆的具體創新方案：

（1）采用表面滾花條紋的高摩擦系數材料并附加指環來增加防滑性；

（2）設置專門的振動電機，該電機在使鉆頭小幅前后振動的同時，可緩和齒輪傳動引發的振動，使運行更平穩，從而提高鉆孔效率；

（3）鉆卡內部與鉆頭底接觸部分預置同極磁鐵，這樣在安裝鉆頭時就存在反向預置力，一方面在松掉鉆卡后鉆頭可以自動彈出，另一方面在緊固鉆卡時可產生預緊力，增加緊固作用，提高安全性，也未增加產品的復雜程度。

4 結束語

為了提高產品創新過程中各主體及單位知識交流與共享的水平，本文對知識網格環境下的客戶協同產品創新知識共享模型及其關鍵點進行了深入的研究。首先，提出了“創意-問題-功能”模型（IPFM），解決了產品創新設計活動中部分創新主體非結構化創意向結構化知識轉換的問題；其次，針對結構化后的產品創新知識，在建立其概念本體并定義其上下位關系的基礎上，提出了一種基于OWL的產品創新知識本體語義表示方法，將各種產品創新知識按照概念型、規則型和實例進行統一描述，從而保證了知識本體的穩定性和通用性，也有利于對知識的整合以及屬性、詞匯的擴展，并最終實現了知識網格環境下對協同聯盟范圍內各類知識進行無障礙交流、傳遞和共享目標。最后，通過某型號手持電鉆的創新設計過程驗證了本文所提出的知識共享模型和原型系統的有效性、可行性。

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