面向工程設計的知識處理關鍵技術

郭輝

【摘 要】工程設計隨設計的展開而逐步推進，先對子對象進行單獨設計，然后整合為一體。工程設計知識是設計過程中關系與過程的集合。文章詳細分析了工程設計的過程，并介紹了工程設計知識處理的關鍵技術。

【關鍵詞】工程設計；知識處理；技術

工程設計并非一開始就進行整體設計，而是先拆分設計對象為子對象，對子對象的設計領域進行單獨設計；然后將子對象的設計整合，形成總的設計方案。所以，面向工程設計的知識處理系統具有一個樹狀結構，子對象所擁有的知識和規則集合后分布在子結構中。整合子對象，就是將所有知識整合。使用軟件工具實現知識的表示與運用，可以增強設計的正確性。

一、分析知識處理工具使用現狀

通俗的說，知識處理工具是處理問題的智能化程序。它根據工程設計領域的設計經驗與知識，對人類設計思維進行模擬，探究解決專業性要求較高的問題。只是處理工具必須具備四大要素：具有高水平的專業知識；能夠進行知識推理；具有人機接口，能夠實現知識的獲取；能夠對設計進行解釋。一個優秀的知識工具能減輕工程設計師的工作壓力，減少重復性工作，提高設計效率，對設計的正確性也有著積極影響。但是，我國目前運用的多數知識處理工具都存在缺陷：第一，知識的表示形式單一，沒有區分工程設計特點，有組合爆炸的風險；第二，運用字符竄表示知識，運用字符竄匹配完成知識的匹配，使得知識表示能力弱，邏輯運算被局限于運算層面，不能進行大小比較；第三，集成函數運算語言未被應用到知識處理工具中，使得知識與設計經驗不能有效溝通。為解決這些問題，必須加強對知識表示技術、函數運算語言以及推理技術的研究，設計開發面向工程設計的知識系統。

二、面向工程設計的知識處理技術的要求

面向工程設計的知識處理技術，必須要針對產品的具體功能，完成對對象的推理與表示，能夠降低知識的使用難度，并降低組合爆炸風險；面向工程就需要以產品的實際功能為建模依據，提高表達能力，減小知識冗余度，并加快知識的檢索速度；在設計規則推理時，在實現邏輯規則匹配的前提下，要對規則的推理能力與邏輯表示能力進行擴展。此外還要完善函數設計語言，實現經驗公式與規則、實踐理論的集合。

三、知識表示技術

面向工程設計的知識表示內容包括三部分：第一，對象組，它是實現知識表示的基礎，具體內容就是建立整個領域的層次結構；第二，變量組，它是將對對象的所有變量進行集成，并整理它們的求解方式；第三，規則組，將對象的所有工程知識進行集合。

（一）分析對象的表示方式

對象與工程設計中的子領域相對應，包含子領域的所有規則組和變量組，能夠快速實現子領域的知識建模與求解。面向工程設計的知識用層次結構表示，能夠實現系統的面向子領域推理功能，將對象進行合理集成之后，就形成了一份完整設計方案。

（二）分析規則表示技術

在面向工程設計的知識表示方式中，使用變量與規則模型描述規則。變量服務于對象領域中的參數建模，建立模型之后對規則中的變量進行計算。在傳統的知識處理工具中，使用字符串匹配實現規則匹配，也就是說當事實字符串和規則前件中的字符串相同時，才證明規則匹配。這種方式具有明顯的局限性。例如，在計算變量數值時，字符串匹配方式不能判別變量的大小。

（三）分析函數計算語言

工程設計領域經過多年發展，已經有許多成熟的設計理論和設計經驗，建立函數設計語言廣義表，能夠實現知識建模階段的理論公式與經驗公式集成。計算函數主要分為三類：第一類是基本計算函數，主要包括Add、Mul、Div、Exp、Log、Mod等；第二類是雙曲函數與三角函數，主要包括Sin、Cos、Tan、Acos、Asin、Atan等；第三類是多層前饋神經網絡函數，主要包括nnrea-son、nninput等。

四、知識推理技術

對象與工程設計中的某個子領域向對應，對象中包含變量組與規則組。工程設計的所有知識通過整合對象知識得到，這樣系統就能實現面向對象的知識推理。最后，通過有效組合子對象，就形成了面向工程設計問題的總體。

知識推理技術的特點是：規則系統的前向反向推理能夠得到分利用。對需要求解的子對象進行搜索，運用推理規則將搜索范圍縮小，在完成子對象的推理后，整合形成總體工程設計。

圖1 知識推理技術

圖1所示的知識推理技術，實現了查找求解對象、查找與應用知識、合并推理中間與結論事實功能。該技術的根節點包含了面向工程設計知識的子對象名與求解方法。子對象包含了該領域的變量與設計知識。知識推理技術，運用前線推理手段實現了工程設計分目標與整體目標的定位，能夠將推理領域集中在部分子對象中，減少了在知識求解與運用過程中出現的組合爆炸。這種推理技術在層次結構應用中發揮者重要作用。

五、規則推理技術

圖2 規則推理技術

規則的表示方法采用邏輯式，所以規則推理技術也與邏輯有關。圖2中描述了規則推理中的邏輯應用。通過使用邏輯推理、計算以及詢問等方式，對變量進行計算。用戶輸入得到的變量值表示詢問方式；通過使用基于廣義表的函數語言進行計算，綜合考慮變量間的實際關系以及理論與經驗關系，在廣義表形式的基礎上設定計算方式；使用知識推理技術與規則推理技術計算其他的變量。

在運用規則推理技術時，需要計算規則前件的每個節點；若在計算中存在變量未被求解，使用前述方式對變量進行求解；若所有節點變量都被求解了，就以操作符的邏輯為依據，計算節點的真實性；如果節點的真實性都經過了驗證，并且它們的不確定值超過閾值，規則匹配得到驗證，就對規則后件的節點不確定度進行計算。最后將真實性驗證結果錄入到人事實庫里，為別的規章推理提供參考。

六、結語

本文首先分析了面向工程設計的知識處理技術在我國的應用現狀，并指出了它的應用缺陷。例如，知識表示形式太單一，沒有體現工程設計的特點；知識匹配缺乏有效方式；缺乏函數運算語言等。并針對這些問題，都給出了相應的解決方案。知識處理技術對知識的整合與有效運用起到很大幫助。因此，應加大對知識處理技術的創新性研究，以提高工程設計水平。endprint