基于知識庫的飛行器設計場景知識推送

◎中國運載火箭技術研究院研究發(fā)展中心 褚厚斌等

NASA在其知識管理戰(zhàn)略中指出，隨著項目研究隊伍的年輕化，新員工在未了解歷史經(jīng)驗與教訓的情況下就被卷入了工程研制的漩渦。可以預計，如果不能有效管理和利用以往積累的研制經(jīng)驗與教訓，研制進程中的重復性技術工作就無從避免，并將給項目的研發(fā)水平、效率和質量的提升帶來負面影響。

在飛行器設計過程中如何獲取以往的設計經(jīng)驗知識已成為設計成功的關鍵因素之一。迄今為止，已有不少研究者提出了采用知識推送的方式解決知識獲取的準確性和及時性問題，從而提高設計效率。例如，面向產品設計的知識主動推送研究，基于粗糙集的產品協(xié)同設計知識推送方法研究以及基于本體的機械產品設計過程知識表示和推送技術研究等。但這些研究缺乏對產品設計過程中設計場景信息的獲取和分析，可能導致由于對設計信息獲取不準確而影響推送效果的問題。為此，筆者通過分析飛行器設計過程的特點，提出了基于知識庫的飛行器設計場景知識推送體系結構，并研究了知識捕獲及推送的實現(xiàn)機制。

一、推送系統(tǒng)的體系結構

飛行器設計是一項系統(tǒng)工程，涵蓋總體、結構、彈道、氣動、制導與控制、動力、電氣、載荷、熱等多個學科專業(yè)，需要經(jīng)過方案、初樣、試樣、定型4個階段，并需要多人協(xié)同完成。飛行器設計在各階段一般采用WBS的任務分解管理模式，各學科專業(yè)之間通過任務流、數(shù)據(jù)流的傳輸方式進行反復迭代計算。

設計人員的設計場景一般為從上游專業(yè)獲取輸入?yún)?shù)，按照任務指標要求完成任務后將設計結果傳遞給下游專業(yè)。設計場景的業(yè)務過程涉及任務、上下游關系，數(shù)據(jù)涉及模型、文檔、參數(shù)等信息，使用工具涉及工程軟件和業(yè)務管理系統(tǒng)。基于此，筆者提出的基于知識庫的飛行器設計場景知識推送系統(tǒng)體系結構如圖1所示。

設計場景層主要完成推送系統(tǒng)與設計場景的集成，為后續(xù)實現(xiàn)設計場景的捕獲打下基礎。設計場景主要包括設計人員、任務、數(shù)據(jù)、工具四大內容。設計場景集成則是為了獲取設計人員的需求信息而進行的對相關工具和業(yè)務系統(tǒng)的集成工作。

圖1 飛行器設計場景知識推送系統(tǒng)體系結構

知識捕獲及推送層主要通過任務捕獲、模型捕獲、文檔捕獲、參數(shù)捕獲，在技術上實現(xiàn)對設計場景信息的捕獲，然后通過知識搜索技術從知識庫中獲取相關知識，最后通過推送技術將知識推送至設計場景。

知識管理層主要包括知識采集、知識組織、知識利用和知識清理，完成對知識的全生命周期管理。

知識資源層主要完成對設計規(guī)范、最佳實踐、經(jīng)驗技巧及故障案例等資源的存儲管理。

二、知識庫的構建

飛行器研制單位積累的知識資源類型眾多、分布廣泛，涉及不同的專業(yè)學科領域，分散在不同的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及個人大腦中，缺乏統(tǒng)一的組織管理和提煉。因此，建立統(tǒng)一組織利用的飛行器知識庫已成為首要任務。

1.知識類型

知識庫中涵蓋的知識資源類型包括基本內容、經(jīng)驗禁忌、故障案例、共用模型、最新發(fā)展、最佳實踐、學術論文、發(fā)明專利、科技成果、標準規(guī)范。

基本內容是指從事本專業(yè)所需要掌握的基本理論方法，包括基本問題的物理原理、數(shù)學模型、計算方法、基礎參數(shù)數(shù)據(jù)、試驗資源等，側重于與工程研制密切相關的理論、方法、模型、試驗資源等。

經(jīng)驗禁忌包括從事本專業(yè)需要掌握的設計準則、設計禁忌、設計經(jīng)驗等知識。

故障案例包括本專業(yè)領域的質量技術故障、設備故障、國內外相關故障案例等知識。

共用模型包括本專業(yè)領域可以共享、共用的數(shù)字模型、仿真模型、設計模板等。

最新發(fā)展是指本專業(yè)領域前沿動態(tài)、情報信息，包括專業(yè)領域情報綜述、國內外技術情報研究報告、精選國外專利情報分析報告、精選情報文獻資料、精選情報視頻資料等知識。

最佳實踐包括專業(yè)領域優(yōu)秀的設計方案、設計報告、試驗報告、測試報告、產品報告、航天科技報告、國防科技報告、預研創(chuàng)新報告等。

學術論文包括員工撰寫的專業(yè)優(yōu)秀論文。

發(fā)明專利包括本專業(yè)申報的發(fā)明專利、國防專利。

科技成果包括獲國家級、省部級、院級和廠所級相關獎勵的科技成果的報告材料。

標準規(guī)范包括專業(yè)層面的國際、國家（國家軍用）、行業(yè)（地方）、企業(yè)（院、廠所）的所有標準規(guī)范。

2.生命周期管理

為實現(xiàn)對知識庫中知識資源的統(tǒng)一化組織管理，需要建立知識生命周期管理機制，主要包括知識采集、知識組織、知識利用、知識清理等內容。

知識采集主要實現(xiàn)對分布在業(yè)務系統(tǒng)的顯性知識資源及個人大腦中隱性知識資源的梳理及提煉，采集過程需要制定各知識類型的采集模板和機制，以便于系統(tǒng)自動抽取知識入庫。由于采集過程涉及各個專業(yè)學科、產品系列、組織部門，所以知識采集是一項長期任務，研制單位需要建立相應的長效機制。

知識組織主要實現(xiàn)對采集知識資源的統(tǒng)一化組織管理，使企業(yè)知識資源能夠更易于積累和重用，主要包括知識審批、知識域、知識維度、知識體系管理。知識審批主要完成對已經(jīng)采集知識資源的入庫審批；知識域管理主要完成對知識資源的存儲及導航管理；知識維度管理主要完成對知識資源的多視角、多視圖管理；知識體系管理主要完成對知識的譜系化、網(wǎng)狀化管理，以使知識之間具有聯(lián)系性，可以相互追溯補充。

知識利用主要實現(xiàn)對知識資源的重用，以支撐設計人員的設計工作，主要包括知識門戶、知識搜索、知識借閱。知識門戶主要完成熱點知識資源、專家等的展示及知識資源導航，使設計人員可以通過導航定位知識；知識搜索主要通過多種搜索方式實現(xiàn)對知識庫中資源的獲取；知識借閱主要完成對不易公開的知識資源的共享管理。

知識清理主要完成對已經(jīng)重新定義或經(jīng)鑒定不準確的知識資源的清理，以保證知識庫的前沿性和準確性。

3.統(tǒng)一的知識表示方法

構建飛行器設計知識庫應以面向對象的知識表示方法為基礎，將對象結構映射到關系數(shù)據(jù)庫中，并按照關系數(shù)據(jù)庫的管理技術實現(xiàn)對知識庫的組織。

到目前為止，由于機械產品并沒有形成統(tǒng)一的知識表示方法，所以往往需要在分析具體領域問題的基礎上，通過選擇、綜合或修改現(xiàn)有的知識表示方法來實現(xiàn)。但是飛行器產品的數(shù)據(jù)結構具有一定的通用性，可通過產品標識、產品結構—功能—材料屬性、組成產品的部件屬性、部件關系屬性等來描述。

三、設計場景的知識捕獲

在飛行器設計場景的主要內容中，設計人員是從事飛行器設計的主體，是知識需求的發(fā)起對象，也是知識推送的服務對象。因此，如何捕獲設計人員的需求是實現(xiàn)知識推送的關鍵。

任務是飛行器設計過程中的業(yè)務節(jié)點，是根據(jù)設計人員的崗位職能、專業(yè)特點經(jīng)過WBS下發(fā)給設計人員的。

數(shù)據(jù)是指設計人員在設計過程中涉及到的所有數(shù)據(jù)信息，包括任務輸入?yún)?shù)、任務交付物及過程數(shù)據(jù)，主要由模型、文檔、參數(shù)組成。

工具主要由業(yè)務管理系統(tǒng)和辦公軟件、工程軟件組成。業(yè)務管理系統(tǒng)主要負責管理業(yè)務流程任務及任務數(shù)據(jù)提交，工程軟件和辦公軟件主要負責完成飛行器模型的設計及相關文檔的撰寫。

根據(jù)以上設計場景內容，考慮到直接捕獲設計人員大腦中的知識需求目前無法實現(xiàn)，通過間接捕獲蘊含知識需求的數(shù)據(jù)載體是可行的，因此可通過工具軟件、業(yè)務管理系統(tǒng)集成技術，采用任務捕獲、模型捕獲、文檔捕獲、參數(shù)捕獲4種途徑實現(xiàn)對飛行器設計場景的捕獲。

任務捕獲。通常設計人員的任務是通過項目管理系統(tǒng)及產品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進行發(fā)放和審核的，主要實現(xiàn)機制為工作流系統(tǒng)，因此可以通過系統(tǒng)集成技術獲取設計人員正在執(zhí)行的任務信息，進而可以確定其當前專業(yè)范圍，這是準確獲取設計人員需求的重要參考指標。例如，通過捕獲某彈體模態(tài)分析任務信息可以知道該任務的結構信息及載荷特性專業(yè)信息。

模型捕獲。設計人員操作的模型一般被作為任務交付物進行管理。通過系統(tǒng)集成技術獲取任務的交付物信息，再對交付物進行格式判別，可以捕獲設計人員當前操作的模型信息，包括模型文件的名稱、模型打開工具，進而可以確定模型種類及計算狀態(tài)。

文檔捕獲。設計人員編寫的文檔一般被作為任務交付物進行管理。同樣通過系統(tǒng)集成技術獲取任務的交付物信息，再對交付物進行格式判別，可以捕獲設計人員當前操作的文檔信息，進而可以對該文檔進行全文搜索，抽取其標題、關鍵字等信息。

參數(shù)捕獲。參數(shù)包括任務指標參數(shù)和模型參數(shù)，一般通過任務指標參數(shù)管理及模型參數(shù)抽取進行管理，可以通過系統(tǒng)集成技術及工程軟件二次開發(fā)技術實現(xiàn)對參數(shù)的獲取，進而獲取設計人員的具體參數(shù)需求，可以從材料庫、氣象環(huán)境庫、電磁環(huán)境庫中推送相關數(shù)據(jù)。

四、設計場景的知識推送

完成對設計場景的捕獲后，可以綜合捕獲任務、模型、文檔和參數(shù)等信息，并將其作為搜索的輸入條件進行權重計算，以準確獲得設計人員的真實需求。權重分配以設計人員當前操作對象為最高，如當前設計人員正在進行模型操作，那么捕獲的模型信息權重最高，再加上任務信息、文檔信息及參數(shù)信息，交由知識搜索引擎進行知識資源獲取。

搜索后的結果需要按知識庫中的10種知識類型進行分類，并且對每種類型能夠列出的條目數(shù)量進行限制。分類后需要根據(jù)捕獲的設計人員需求對分類后的順序進行嚴格排序，且對相關性差的可不予展示，最終從多個維度將設計人員所需的知識資源推送至需求者桌面。

當設計人員點擊所需知識資源后，需要記錄知識資源的類型、所屬專業(yè)并進行統(tǒng)計分析，建立推送系統(tǒng)的自主學習機制，以此推理設計人員的專業(yè)背景及日常所需知識，增強知識推送的準確性。