面向機械產品創新與快速設計的知識建模方法研究*

劉巍巍，邵文達，劉曉冰

(1. 沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870；2. 大連理工大學 管理與經濟學部，遼寧 大連 116024)

面向機械產品創新與快速設計的知識建模方法研究*

劉巍巍1,2，邵文達1，劉曉冰2

(1. 沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870；2. 大連理工大學 管理與經濟學部，遼寧 大連 116024)

為了有效獲取機械產品設計中的用戶需求信息，快速提取設計人員的經驗知識并加以重用，指導產品創新與快速設計。通過分析CAD/CAM系統資源重用和協同支持在快速響應中的應用特性，提出了典型機械產品快速響應設計的技術框架以及設計流程，構建了基于領域本體的產品全生命周期產品信息模型以及基于該模型的快速設計框架。通過對機械產品的非結構化數據的研究，采用層次/模塊化方法對產品設計知識進行劃分，結合基于領域本體的信息抽取技術實例化本體。在此基礎上，將粗糙集理論應用到歷史數據挖掘中，從而發現產品全生命周期數據間隱含的設計知識，建立了產品方案設計模型。

機械產品；知識建模；創新設計；快速設計；領域本體；粗糙集

0 引言

為滿足瞬息萬變的市場及客戶需求，快速響應工程包括快速捕捉市場動態需求信息、產品快速設計、新產品快速試制定型和快速響應制造系統等四個環節[1]。目前，以支持快速響應為目標的理論主要有并行工程、模塊化設計技術、知識工程、敏捷制造、虛擬制造等技術。上述理論的核心一是資源重用，二是多學科、多部門協同。然而，目前的CAD/CAM系統對快速響應四個環節中資源重用和協同的支持還存在一些不足：一是現有系統更多的側重于產品結構數據以及后續的制造裝配信息等易于結構化存儲的數據，而對于客戶需求、用戶體驗、設計人員經驗知識等模糊性描述信息缺乏必要的管理手段；二是對多部門、多學科的協同支持，僅限于人員和數據的共享，缺少深層次的知識耦合[2]。另外，隨著電子商務時代的到來，多數廠商通過網絡匯集了大量用戶的需求和反饋信息，如何讓設計人員及時有效的獲取這些非結構化信息，并通過持續更新的概念、技術、專利等知識滿足客戶需求，進行產品的創新設計，是CAD/CAM系統迫切需要解決的問題[3]。

因此，本文根據快速設計的特點構建了產品全生命周期數據模型，并在此基礎上提出大型機械產品快速響應設計的技術框架及設計流程，通過信息抽取和數據挖掘提高企業現有信息資源的利用率，從而實現產品在設計上的創新需求，達到快速交貨的目的。

1 基于知識的機械產品設計流程

機械產品設計制造信息傳遞模式如圖1所示，在理想情況下設計部門根據客戶需求完成產品的方案設計，包括產品的整體框架及各模塊的組成，然后完成零部件的詳細設計，最后以三維或二維的產品圖紙來表示。生產部根據設計部門的圖紙進行工藝規劃，生產出具體的產品。售后服務根據產品使用說明、零部件的一些信息(包括供應商、型號等)、標準件的信息提供維修服務。然而實際的設計過程中，每一階段的成果都會存在各種缺陷，如部件之間的運動干涉、無法大批量制造、質量隱患等問題，而不得不返回設計階段更改設計方案。滿足快速設計的要求必須要減少這些迭代過程，在設計階段就充分考慮材料、成本等外在條件的約束。

圖1 機械產品的設計制造信息傳遞模式

目前，機械產品的快速設計借助CAD/CAM系統，“并行設計”、“協同設計”等設計理念已經取得了明顯成效：利用BOM等產品數據模型，可以實現產品信息的重用，減少設計工作量；通過打破各部門間的“信息孤島”，實現多部門內部數據共享，提高設計效率。機械產品快速設計工作流程如圖2所示。

圖2 機械產品快速設計工作流程

雖然現有CAD系統在產品結構數據以及后續的制造裝配信息發揮出色，通過產品BOM結構數據整合工藝、組裝、零配件、成本、制造資源等信息，可以實現數據的關聯映射和雙向查詢[4]。但是，從產品全生命周期來看，現有系統還存在一些不足：

(1)對產品的需求信息、功能信息、工作原理信息沒有充分管理和有效利用。沒有有效的數據模型能夠表示和存儲由需求到功能，由功能到結構的設計過程，以及在這些過程中設計人員應用的知識。以便在后續產品設計時重用這些經驗和知識。

圖3 產品全生命周期信息模型

(2)隨著電子商務的發展，企業能夠在網絡上獲取海量的產品需求信息和產品使用反饋信息。雖然利用這些信息可以促進產品創新，但在使用過程中存在一些困難：一是客戶往往從使用產品的角度運用模糊性語言描述多樣化的需求；二是這些信息大多以非結構化的形式存在，不能直接使用。

為了解決上述問題，本文構建了基于本體的產品全生命周期信息模型(圖3)。模型使用語義化描述給出了產品需求、功能、結構等領域內的概念，以及這些概念之間的關系，以支持高效的人機交互和系統間的自動化信息處理。

構建產品全生命周期信息模型的目的在于當客戶提出性能需求時，能將性能需求映射到產品的結構上，并從產品配置庫中挖掘出結構變換對產品性能的影響及這些變換的傳導效應等配置知識，根據預先定義的零部件集合以及它們之間的相互約束關系，通過配置單元動態選配和進化演繹，快速形成滿足客戶個性化需求的定制產品。

2 機械產品快速設計知識建模

研究認為，設計階段往往決定了產品80%以上的制造成本，并能夠決定性的影響產品的性能和交貨期[5]。另外，由于大型機械產品的復雜性，高質、高效的快速設計需要集成設計時所需的大量專家知識和設計經驗。因此，構建能夠共享設計經驗知識的產品數據模型是快速設計框架的重要基礎。本文借助產品的本體數據模型，通過信息抽取，獲取非結構化數據(客戶需求、設計人員經驗知識)的信息來完善對應的產品本體數據模型。

2.1 機械產品領域本體構建

本體模型具有能夠實現不同領域、不同應用間的異構信息共享，并能滿足系統的互操作要求，同時可以對設計知識中的概念及概念間的關系給出可公共理解的定義等優點。由于設計知識具有顯著的領域性，所以使用領域本體可以更有效的進行知識表示。領域本體定義了某個專業學科領域中概念的詞表以及概念間的關系，或在該領域里占主導地位的理論。研究認為，領域的本體由屬性、對象、關系和子領域本體組成[6]。

快速設計的基礎是設計資源的重用。首先，在設計資源庫中查找滿足客戶需求的產品，或根據客戶需求中的功能和性能要求查找可替代的產品。如果上述查找過程沒有結果，那么將客戶的功能要求拆分成不同的功能組件，在設計資源庫中查找匹配對應的現有功能組件，以最大可能的重用現有資源，減少設計工作量。其次，對于需要重新設計的功能組件，依據產品性能要求盡量選擇現有零配件，并且在設計過程參考相似功能設計中的設計經驗和知識，提高設計質量和設計效率。

綜上，為了滿足這一設計過程，本文采用層次/模塊化方法對產品設計知識進行劃分，將需求領域、功能領域、結構領域和制造裝配領域中的知識按照產品級、組件級和零件級進行層次劃分，每一個層次根據需求特征、功能特征以及工藝特征等劃分為不同的模塊，然后針對不同層次、不同模塊分別進行本體語義建模，最終得到對應產品的領域本體模型[7]。

圖4 多軸機床本體框架

領域本體的構建過程如下：①劃分產品本體的層次模塊結構，確定不同模塊的領域和范圍。②依據層次關系，建立產品的本體框架，定義領域中的概念或術語。本文以典型機械產品數控多主軸車床為例，構建出機床信息的框架如圖4所示，其它部分的細化和其類似。③填充本體屬性。給出領域中概念的屬性，并建立概念之間的關系。④生產產品領域本體的形式化編碼。本系統采用Web 本體語言(web ontology language，OWL)來實現本體的形式化描述，以支持系統的自動化處理。⑤本體的實例化。根據具體產品的設計信息為本體中的屬性進行賦值。機械產品信息領域本體的層次圖如圖 5 所示。

圖5 機械產品領域本體層次圖

2.2 基于領域本體的信息抽取

基于領域本體的信息抽取就是以所構建的領域本體為核心，利用本體中已定義的概念、分類層次、關系、函數、公理和實例及一些必需的外部資料對頁面進行信息提取，得到結構化的知識并保存的過程。另一方面，信息抽取還可以進一步精化信息檢索的結果，它的每一個模塊都可以作為輸出應用[8]。基于領域本體的信息抽取模型如圖6所示。領域本體知識模塊給信息抽取器提供相關的領域資源和知識，接收系統抽取結果。抽取結果經過評價，滿足條件的將會被添加到相應的本體知識模塊，這就使得模型具有自適應學習能力，同時也可以實現本體知識模塊在開放環境下的自適應演化。領域本體建立好以后可以用來指導文本信息的抽取，而信息的抽取過程本身也是領域本體實例化的一個過程。由此可以在數據抽取過程中發現未知屬性而采取吸收的策略。

圖6 基于領域本體的信息抽取模型

基于本體的信息抽取首先利用本體所包含的概念定義和概念關系指導抽取過程，然后應用抽取得到的信息實例化本體。領域本體中的術語和概念可以用作對源文檔分類的特征向量，而概念之間的關系在抽取過程中對異構信息進行標引，作為本體實例化過程中的標注規則。目前常用的文本特征分類方法有KNN，樸素貝葉斯或者支持向量機等。

Wi=λ×tfi(T)×Log(N/ni)

其中,Wi是指某個特證詞在網頁中的不同位置的權重，λ是指加權系數，tfi(T)是指ti在T中出現的頻率，ni為含有詞條ti的文檔數目，N為相關文檔總數。若某個概念的權重越大，說明該概念與目標文檔越相關，越能說明網頁內容的主旨。抽取用戶需求實例如表1所示。

表1 產品性能屬性表

3 基于粗糙集的產品方案設計模型

在大型機械產品設計過程中，產品數據類型繁多，不同領域之間數據關系復雜，設計規則難以在一個領域中表示[10]。如圖7所示，同一產品的功能域和結構域的數據存在著多對多的映射關系，并且這種映射關系很難以提取出共性設計規則。因此，本文采用基于粗糙集理論的屬性約簡和知識挖掘方法，解決企業歷史數據重用和設計經驗的提取問題。

圖7 功能結構映射關系圖 表2 運動機構數據表

運動機構輸入運動類型輸出運動類型輸出運動軸線輸出運動方向輸出運動連續性機構工作特性要求工作性能動力性能經濟性A轉動轉動X軸單向連續243B移動移動Y軸單向步進531C螺旋擺動Z軸單向單側停歇353………………………D轉動導引Y軸單向雙側停歇314E轉動移動Y軸單向中間停歇114F轉動移動X軸單向步進414

例如，根據表2中的運動機構數據，在運動機構選型時可以剔除冗余屬性項，并得到具有參考意義的數據項, 在給定支持度閾值的情況下，就能夠在決策表中得到對應的設計規則。

4 結論

機械產品的快速設計依賴于對現有設計過程中所涉及信息的高效獲取與利用。本文建立了全生命周期的產品數據模型，并給出了模型數據的有效獲取方法，從而能夠更好的處理大量用戶需求信息以及設計過程文檔。在此基礎上，將粗糙集理論應用于設計規則的提取中，獲取了設計中最關鍵的設計參數和相應的設計知識，并依據企業發展要求提取出具體的設計規則，較好地解決了機械產品創新與快速設計過程中的設計知識挖掘和規則提取問題。

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(編輯 李秀敏)

Research on the Knowledge Modeling Method of Innovative and Rapid Design in Mechanical Products

LIU Wei-wei1,2，SHAO Wen-da1，LIU Xiao-bing2

(1.Department of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China； 2.Department of Management and Economic，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China)

The product innovation and rapid design was guided by effective access to required information and rapid extraction of design experience. The rapid response design framework and design process of typical mechanical products was proposed by analyzing resource reuse and collaborative CAD/CAM system support in the application of quick response characteristics Simultaneously, the product whole life cycle of product information model and the rapid design framework of the model based on domain ontology was set up. Through the study of mechanical products of unstructured data, combined the level/modular approach of product design knowledge division with the technology of information extraction based on domain ontology to require the instantiation of ontology. The rough set theory was applied in product data mining to discovery implicit knowledge which guide the product innovative design.

mechanical products；knowledge modeling；innovative design；rapid design；domain ontology；rough set

1001-2265(2014)05-0027-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.007

2013-12-27

國家自然科學基金資助項目(71172137)；國家科技支撐計劃(2012BAF12B08)

劉巍巍(1973—)，女，遼寧桓仁縣人，沈陽工業大學副教授，碩士，主要從事知識管理，產品快速設計等領域研究，(E-mail)vivianliu0616@163.com。

TH122 ；TG65

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