支持產(chǎn)品創(chuàng)新的機(jī)電領(lǐng)域知識庫構(gòu)建技術(shù)研究*

賀 歡，李文強(qiáng)，李 彥，胡連軍

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，創(chuàng)新越來越受到人們的重視。創(chuàng)新是以新思維、新發(fā)明和新描述為特征的一種概念化過程，而現(xiàn)代產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)是一個(gè)知識驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)造性過程，該過程離不開我們對知識合理、靈活的應(yīng)用。產(chǎn)品創(chuàng)新過程中需要大量知識作為支撐，領(lǐng)域知識作為某一特定領(lǐng)域的知識，為設(shè)計(jì)者提供解決問題的方法，輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。目前，針對領(lǐng)域知識的表現(xiàn)形式以及基于領(lǐng)域知識的知識發(fā)現(xiàn)機(jī)制與方法開展了一系列研究，朱靖波等提出了一種基于領(lǐng)域知識的文本分類方法［1］，朱衛(wèi)星等提出了基于領(lǐng)域知識復(fù)用的需求建模［2］，陳剛等提出了一種重用現(xiàn)有領(lǐng)域知識庫知識構(gòu)造新領(lǐng)域本體的方法［3］，毛郁欣等針對知識資源管理在動(dòng)態(tài)性和可擴(kuò)展性方面的需求，提出了一種基于子本體的領(lǐng)域知識資源管理方法［4］。每個(gè)領(lǐng)域的知識都有其特點(diǎn)，而現(xiàn)有領(lǐng)域知識的研究又鮮有與機(jī)電領(lǐng)域相關(guān)的，基于此，本文以機(jī)電領(lǐng)域知識為研究對象，分析其特點(diǎn)并構(gòu)建支持產(chǎn)品創(chuàng)新的機(jī)電領(lǐng)域知識庫。

1 支持產(chǎn)品創(chuàng)新的機(jī)電領(lǐng)域知識庫的構(gòu)建

1.1 領(lǐng)域知識支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是對產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)、外觀等方面進(jìn)行的綜合性設(shè)計(jì)，而概念設(shè)計(jì)又是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中最活躍也是最易獲得創(chuàng)新方案的階段。在概念設(shè)計(jì)過程中我們將實(shí)現(xiàn)從功能到結(jié)構(gòu)的映射，根據(jù)產(chǎn)品所需實(shí)現(xiàn)的功能，找到相應(yīng)的行為，再由行為映射出其實(shí)現(xiàn)載體即結(jié)構(gòu)［5］。

在概念設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員需要對知識進(jìn)行充分利用以便更好地實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為了更好地利用知識輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將輔助產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的知識分為以下幾類，①原理類知識:設(shè)計(jì)原理、發(fā)明原理等，這些原理知識為設(shè)計(jì)人員提供創(chuàng)新的規(guī)律與方法，②綜合類知識:專利知識、決策支持知識、多學(xué)科優(yōu)化知識，這些知識為產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)提供設(shè)計(jì)策略，③領(lǐng)域類知識:領(lǐng)域知識和專題知識，為設(shè)計(jì)策略的實(shí)現(xiàn)過程提供具體專業(yè)支持［6］。領(lǐng)域知識通常被用于行為到結(jié)構(gòu)這一映射階段，在進(jìn)行機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)機(jī)電領(lǐng)域知識中的典型機(jī)構(gòu)與方法，由實(shí)現(xiàn)功能的行為方式設(shè)計(jì)出具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 領(lǐng)域知識在概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

領(lǐng)域知識指某一領(lǐng)域的具體的知識，從知識工程的角度，有研究提出領(lǐng)域知識是一個(gè)概念化模型，這個(gè)模型包含了概念與概念之間的關(guān)系，包括概念與概念之間的聯(lián)系、約束以及如何利用現(xiàn)有概念推導(dǎo)出新概念的規(guī)則［7］。

1.2 領(lǐng)域知識的獲取與層次劃分

要有效利用領(lǐng)域知識，應(yīng)先設(shè)計(jì)有效的領(lǐng)域知識獲取方法。知識獲取［8］是指以人工或自動(dòng)獲取方式從知識資源處獲得相應(yīng)知識來完善知識庫的過程。知識獲取是知識共享與重用的基礎(chǔ)，是知識庫系統(tǒng)實(shí)用化過程中需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。機(jī)電領(lǐng)域知識來源主要包含專利、期刊、設(shè)計(jì)手冊、領(lǐng)域?qū)＜业龋?］，如圖2所示。

圖2 機(jī)電領(lǐng)域知識獲取示意圖

在獲取到領(lǐng)域知識后，我們需對其進(jìn)行分類。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)在機(jī)電領(lǐng)域眾多產(chǎn)品中，例如機(jī)床、起重及輸送裝置等，都是由控制與執(zhí)行兩個(gè)部分組成的，針對這一特點(diǎn)首先將機(jī)電領(lǐng)域知識分為機(jī)械類和電子類，以機(jī)械類為例，又可將其分為典型機(jī)構(gòu)、加工與處理、連接與緊固、潤滑與密封、支撐與傳動(dòng)六大部分。由于機(jī)電領(lǐng)域知識具有層次化的特點(diǎn)，對機(jī)電領(lǐng)域知識進(jìn)行劃分時(shí)，先將其分為大類，然后再根據(jù)其具體特點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化如圖3a 所示。對知識進(jìn)行分類表示時(shí)，可以借助樹狀圖的方法。在利用樹狀圖進(jìn)行分類時(shí)，我們應(yīng)遵循一定的原則:

①在對每級進(jìn)行劃分時(shí)只能有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn);

②子類的加和為父類;

③劃分出的同級知識不能為相容關(guān)系，父類與子類不能為并列關(guān)系［10］。

按照我們的劃分原則，仍然可以繼續(xù)劃分，以潤滑與密封為例，再向下級劃分，可得到如圖3b 所示，其他的依次類推，最終可得到機(jī)電領(lǐng)域知識樹狀圖。

圖3 機(jī)電領(lǐng)域知識層次劃分

1.3 基于本體構(gòu)建領(lǐng)域知識庫

機(jī)電領(lǐng)域知識范圍較廣，基本概念繁多，且概念之間存在復(fù)雜的相互聯(lián)系和約束關(guān)系，組織管理起來頗有難度，本體能夠很好地解決這一問題。本體概念最初起源于哲學(xué)領(lǐng)域，哲學(xué)中把本體定義為“對世界上客觀存在物的系統(tǒng)地描述，即存在論”。Gruber 將本體定義為“共享概念化的明確的形式化規(guī)范”［11］。

圖4 本體構(gòu)建流程

如何建立本體是本體論技術(shù)的關(guān)鍵，參考Uschold的本體建立方法［12］，初步確定機(jī)電領(lǐng)域知識庫本體構(gòu)建的流程如圖4 所示［13］。

結(jié)合機(jī)電領(lǐng)域知識特點(diǎn)，支持產(chǎn)品創(chuàng)新的機(jī)電領(lǐng)域知識庫本體的具體構(gòu)建如下［11，14］:

(1)確定支持產(chǎn)品創(chuàng)新的機(jī)電領(lǐng)域知識庫的范圍

針對不同的研究領(lǐng)域，本體所涉及的具體范圍以及其中的概念層次也是不同的，對于支持產(chǎn)品創(chuàng)新的機(jī)電領(lǐng)域知識庫來說，它的主要研究對象是機(jī)電領(lǐng)域的知識，而且這個(gè)知識庫是面向產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的。

(2)獲取領(lǐng)域類概念［15］

將機(jī)電領(lǐng)域知識本體定義為DO = {onC，onA，onR，onH}

其中:DO-Domain Ontology 表示領(lǐng)域本體;

onC 表示領(lǐng)域知識中概念實(shí)體的集合;

onA 表示領(lǐng)域概念實(shí)體中屬性的集合;

onR 表示領(lǐng)域知識中各種概念間關(guān)系的集合;

onH 表示領(lǐng)域知識中概念間層次關(guān)系的集合。

(3)類及類的層次的確定

在已獲取領(lǐng)域內(nèi)概念的基礎(chǔ)上，分析概念間關(guān)系，并繪出機(jī)電領(lǐng)域知識類的層次圖如圖5 所示。

(4)對概念實(shí)體進(jìn)行描述即屬性定義

屬性用來描述類及實(shí)例的特性，這里將機(jī)電領(lǐng)域概念屬性定義為＜固有屬性，功效屬性，相關(guān)屬性＞的三元組。固有屬性為該類固有的特點(diǎn)，用來描述領(lǐng)域知識本身的屬性，如其工作的原理等;功效屬性為該類實(shí)現(xiàn)的功能，比如運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)化，相關(guān)屬性為該類的成員與該類中其他成員或是與其他類成員之間的關(guān)系。以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例，其固有屬性可以包含曲柄滑塊的組成、工作原理，功效屬性為轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)形式即變轉(zhuǎn)動(dòng)為滑動(dòng)，而相關(guān)屬性可以是桿件之間的連接形式等知識。

(5)創(chuàng)建實(shí)例

圖5 類及類的層次

選擇類，生成類的單個(gè)實(shí)例，屬性補(bǔ)充完整即可得到知識條目的實(shí)例，根據(jù)對屬性的理解，確定機(jī)電領(lǐng)域知識條目可以包含以下幾個(gè)部分見表1。

表1 領(lǐng)域知識條目組成部分

2 領(lǐng)域知識的檢索與應(yīng)用

2.1 領(lǐng)域知識檢索

對于知識庫的使用者來說，主要是通過檢索的方式篩選出知識庫中對自己有用的信息，篩選信息的效率對知識庫使用者來說很重要，這也是衡量知識庫的一個(gè)重要因素。

由于領(lǐng)域知識采用本體的組織方式，且根據(jù)知識條目的屬性即知識條目構(gòu)成，領(lǐng)域知識庫中對于知識的檢索主要有以下三種方式:自然語義檢索、關(guān)鍵詞檢索以及功能檢索，當(dāng)用戶需要某一明確的機(jī)構(gòu)或方法的知識時(shí)便可用關(guān)鍵詞檢索，而若需要找到實(shí)現(xiàn)某種功能的機(jī)構(gòu)或方法時(shí)可使用功能檢索或自然語義檢索。圖6 為領(lǐng)域知識的檢索方法示意，用戶輸入檢索內(nèi)容，選擇檢索方式來獲取領(lǐng)域知識資源，系統(tǒng)輸出結(jié)果，若滿意，則檢索完成，若不滿意還需對檢索的問題進(jìn)行重新表征再進(jìn)行檢索。

圖6 領(lǐng)域知識庫檢索示意圖

2.2 應(yīng)用示例

(1)背景描述與問題分析

機(jī)床在長時(shí)間的工作中會(huì)發(fā)熱，尤其是在環(huán)境溫度過高或是通風(fēng)情況不好的情況下，長時(shí)間工作于高溫環(huán)境下，不僅影響機(jī)床設(shè)備的使用壽命，甚至?xí)l(fā)安全事故。溫度是使機(jī)床工作過熱的直接原因，而導(dǎo)致機(jī)床過熱的進(jìn)一步因素是電路中保護(hù)措施不當(dāng)，可在電路中增加能夠感知溫度的器件，使溫度達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)自動(dòng)斷開電路，減少不必要的損失［16］。

(2)解決方案

我們的改進(jìn)目標(biāo)已比較明確，對于此類目標(biāo)較明確的問題可以選擇功能檢索與自然語義檢索，由于作者已對知識庫搜索系統(tǒng)較熟悉，這里選用功能檢索，將其功能抽象為“檢測溫度”，而對于功能檢索不熟悉的使用者，可以選擇語義檢索，例如這里的檢測溫度在語義檢索中可以是“如何感知溫度”或是“怎樣測量溫度”等其他表示形式。

根據(jù)概念設(shè)計(jì)原理，先在科學(xué)效應(yīng)庫中找到能實(shí)現(xiàn)該功能的行為，我們可以進(jìn)入知識庫搜索界面如圖7 所示，瀏覽能實(shí)現(xiàn)該功能的知識條目，根據(jù)具體的設(shè)計(jì)情景及設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)等選取合適的知識條目——“熱膨脹”。

在界面下方選擇查看領(lǐng)域庫中的相關(guān)機(jī)構(gòu)，在領(lǐng)域知識庫中查看到熱繼電器這一條目見圖8，結(jié)合機(jī)床電路的具體情況，可以給出初步的解決方案:在機(jī)床電路中加入熱繼電器，一旦達(dá)到預(yù)警溫度時(shí)，熱繼電器即刻切斷電路，這樣就起到了保護(hù)電路的作用，當(dāng)然熱繼電器具體型號的選取還要根據(jù)機(jī)床自身信息參考知識條目內(nèi)容來完成。

3 結(jié)束語

在支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程中，對知識的有效利用要求越來越高，針對產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)對領(lǐng)域知識的需求，本文構(gòu)建了基于產(chǎn)品創(chuàng)新的機(jī)電領(lǐng)域知識庫，對機(jī)電領(lǐng)域本體進(jìn)行構(gòu)建，指出數(shù)據(jù)屬性，相應(yīng)地，也產(chǎn)生了知識條目的具體展現(xiàn)形式，并分析了機(jī)電領(lǐng)域知識的具體劃分以及知識庫檢索方式。下一步的工作是完善機(jī)電領(lǐng)域知識的分類，知識內(nèi)部概念之間的關(guān)系，并研究機(jī)電領(lǐng)域知識的表達(dá)方式以及與系統(tǒng)中其他庫的配合使用。

圖7 檢索界面

圖8 熱繼電器知識條目

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