面向工程設(shè)計(jì)的知識(shí)處理關(guān)鍵技術(shù)

郭輝

【摘 要】工程設(shè)計(jì)隨設(shè)計(jì)的展開而逐步推進(jìn)，先對(duì)子對(duì)象進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，然后整合為一體。工程設(shè)計(jì)知識(shí)是設(shè)計(jì)過程中關(guān)系與過程的集合。文章詳細(xì)分析了工程設(shè)計(jì)的過程，并介紹了工程設(shè)計(jì)知識(shí)處理的關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】工程設(shè)計(jì)；知識(shí)處理；技術(shù)

工程設(shè)計(jì)并非一開始就進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，而是先拆分設(shè)計(jì)對(duì)象為子對(duì)象，對(duì)子對(duì)象的設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)；然后將子對(duì)象的設(shè)計(jì)整合，形成總的設(shè)計(jì)方案。所以，面向工程設(shè)計(jì)的知識(shí)處理系統(tǒng)具有一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)，子對(duì)象所擁有的知識(shí)和規(guī)則集合后分布在子結(jié)構(gòu)中。整合子對(duì)象，就是將所有知識(shí)整合。使用軟件工具實(shí)現(xiàn)知識(shí)的表示與運(yùn)用，可以增強(qiáng)設(shè)計(jì)的正確性。

一、分析知識(shí)處理工具使用現(xiàn)狀

通俗的說，知識(shí)處理工具是處理問題的智能化程序。它根據(jù)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，對(duì)人類設(shè)計(jì)思維進(jìn)行模擬，探究解決專業(yè)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(yè)知識(shí)；能夠進(jìn)行知識(shí)推理；具有人機(jī)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)知識(shí)的獲取；能夠?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行解釋。一個(gè)優(yōu)秀的知識(shí)工具能減輕工程設(shè)計(jì)師的工作壓力，減少重復(fù)性工作，提高設(shè)計(jì)效率，對(duì)設(shè)計(jì)的正確性也有著積極影響。但是，我國(guó)目前運(yùn)用的多數(shù)知識(shí)處理工具都存在缺陷：第一，知識(shí)的表示形式單一，沒有區(qū)分工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)，有組合爆炸的風(fēng)險(xiǎn)；第二，運(yùn)用字符竄表示知識(shí)，運(yùn)用字符竄匹配完成知識(shí)的匹配，使得知識(shí)表示能力弱，邏輯運(yùn)算被局限于運(yùn)算層面，不能進(jìn)行大小比較；第三，集成函數(shù)運(yùn)算語(yǔ)言未被應(yīng)用到知識(shí)處理工具中，使得知識(shí)與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不能有效溝通。為解決這些問題，必須加強(qiáng)對(duì)知識(shí)表示技術(shù)、函數(shù)運(yùn)算語(yǔ)言以及推理技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)開發(fā)面向工程設(shè)計(jì)的知識(shí)系統(tǒng)。

二、面向工程設(shè)計(jì)的知識(shí)處理技術(shù)的要求

面向工程設(shè)計(jì)的知識(shí)處理技術(shù)，必須要針對(duì)產(chǎn)品的具體功能，完成對(duì)對(duì)象的推理與表示，能夠降低知識(shí)的使用難度，并降低組合爆炸風(fēng)險(xiǎn)；面向工程就需要以產(chǎn)品的實(shí)際功能為建模依據(jù)，提高表達(dá)能力，減小知識(shí)冗余度，并加快知識(shí)的檢索速度；在設(shè)計(jì)規(guī)則推理時(shí)，在實(shí)現(xiàn)邏輯規(guī)則匹配的前提下，要對(duì)規(guī)則的推理能力與邏輯表示能力進(jìn)行擴(kuò)展。此外還要完善函數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)公式與規(guī)則、實(shí)踐理論的集合。

三、知識(shí)表示技術(shù)

面向工程設(shè)計(jì)的知識(shí)表示內(nèi)容包括三部分：第一，對(duì)象組，它是實(shí)現(xiàn)知識(shí)表示的基礎(chǔ)，具體內(nèi)容就是建立整個(gè)領(lǐng)域的層次結(jié)構(gòu)；第二，變量組，它是將對(duì)對(duì)象的所有變量進(jìn)行集成，并整理它們的求解方式；第三，規(guī)則組，將對(duì)象的所有工程知識(shí)進(jìn)行集合。

（一）分析對(duì)象的表示方式

對(duì)象與工程設(shè)計(jì)中的子領(lǐng)域相對(duì)應(yīng)，包含子領(lǐng)域的所有規(guī)則組和變量組，能夠快速實(shí)現(xiàn)子領(lǐng)域的知識(shí)建模與求解。面向工程設(shè)計(jì)的知識(shí)用層次結(jié)構(gòu)表示，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的面向子領(lǐng)域推理功能，將對(duì)象進(jìn)行合理集成之后，就形成了一份完整設(shè)計(jì)方案。

（二）分析規(guī)則表示技術(shù)

在面向工程設(shè)計(jì)的知識(shí)表示方式中，使用變量與規(guī)則模型描述規(guī)則。變量服務(wù)于對(duì)象領(lǐng)域中的參數(shù)建模，建立模型之后對(duì)規(guī)則中的變量進(jìn)行計(jì)算。在傳統(tǒng)的知識(shí)處理工具中，使用字符串匹配實(shí)現(xiàn)規(guī)則匹配，也就是說當(dāng)事實(shí)字符串和規(guī)則前件中的字符串相同時(shí)，才證明規(guī)則匹配。這種方式具有明顯的局限性。例如，在計(jì)算變量數(shù)值時(shí)，字符串匹配方式不能判別變量的大小。

（三）分析函數(shù)計(jì)算語(yǔ)言

工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)有許多成熟的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建立函數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言廣義表，能夠?qū)崿F(xiàn)知識(shí)建模階段的理論公式與經(jīng)驗(yàn)公式集成。計(jì)算函數(shù)主要分為三類：第一類是基本計(jì)算函數(shù)，主要包括Add、Mul、Div、Exp、Log、Mod等；第二類是雙曲函數(shù)與三角函數(shù)，主要包括Sin、Cos、Tan、Acos、Asin、Atan等；第三類是多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，主要包括nnrea-son、nninput等。

四、知識(shí)推理技術(shù)

對(duì)象與工程設(shè)計(jì)中的某個(gè)子領(lǐng)域向?qū)?yīng)，對(duì)象中包含變量組與規(guī)則組。工程設(shè)計(jì)的所有知識(shí)通過整合對(duì)象知識(shí)得到，這樣系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮闹R(shí)推理。最后，通過有效組合子對(duì)象，就形成了面向工程設(shè)計(jì)問題的總體。

知識(shí)推理技術(shù)的特點(diǎn)是：規(guī)則系統(tǒng)的前向反向推理能夠得到分利用。對(duì)需要求解的子對(duì)象進(jìn)行搜索，運(yùn)用推理規(guī)則將搜索范圍縮小，在完成子對(duì)象的推理后，整合形成總體工程設(shè)計(jì)。

圖1 知識(shí)推理技術(shù)

圖1所示的知識(shí)推理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了查找求解對(duì)象、查找與應(yīng)用知識(shí)、合并推理中間與結(jié)論事實(shí)功能。該技術(shù)的根節(jié)點(diǎn)包含了面向工程設(shè)計(jì)知識(shí)的子對(duì)象名與求解方法。子對(duì)象包含了該領(lǐng)域的變量與設(shè)計(jì)知識(shí)。知識(shí)推理技術(shù)，運(yùn)用前線推理手段實(shí)現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)分目標(biāo)與整體目標(biāo)的定位，能夠?qū)⑼评眍I(lǐng)域集中在部分子對(duì)象中，減少了在知識(shí)求解與運(yùn)用過程中出現(xiàn)的組合爆炸。這種推理技術(shù)在層次結(jié)構(gòu)應(yīng)用中發(fā)揮者重要作用。

五、規(guī)則推理技術(shù)

圖2 規(guī)則推理技術(shù)

規(guī)則的表示方法采用邏輯式，所以規(guī)則推理技術(shù)也與邏輯有關(guān)。圖2中描述了規(guī)則推理中的邏輯應(yīng)用。通過使用邏輯推理、計(jì)算以及詢問等方式，對(duì)變量進(jìn)行計(jì)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(shù)語(yǔ)言進(jìn)行計(jì)算，綜合考慮變量間的實(shí)際關(guān)系以及理論與經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，在廣義表形式的基礎(chǔ)上設(shè)定計(jì)算方式；使用知識(shí)推理技術(shù)與規(guī)則推理技術(shù)計(jì)算其他的變量。

在運(yùn)用規(guī)則推理技術(shù)時(shí)，需要計(jì)算規(guī)則前件的每個(gè)節(jié)點(diǎn)；若在計(jì)算中存在變量未被求解，使用前述方式對(duì)變量進(jìn)行求解；若所有節(jié)點(diǎn)變量都被求解了，就以操作符的邏輯為依據(jù)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的真實(shí)性；如果節(jié)點(diǎn)的真實(shí)性都經(jīng)過了驗(yàn)證，并且它們的不確定值超過閾值，規(guī)則匹配得到驗(yàn)證，就對(duì)規(guī)則后件的節(jié)點(diǎn)不確定度進(jìn)行計(jì)算。最后將真實(shí)性驗(yàn)證結(jié)果錄入到人事實(shí)庫(kù)里，為別的規(guī)章推理提供參考。

六、結(jié)語(yǔ)

本文首先分析了面向工程設(shè)計(jì)的知識(shí)處理技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并指出了它的應(yīng)用缺陷。例如，知識(shí)表示形式太單一，沒有體現(xiàn)工程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)；知識(shí)匹配缺乏有效方式；缺乏函數(shù)運(yùn)算語(yǔ)言等。并針對(duì)這些問題，都給出了相應(yīng)的解決方案。知識(shí)處理技術(shù)對(duì)知識(shí)的整合與有效運(yùn)用起到很大幫助。因此，應(yīng)加大對(duì)知識(shí)處理技術(shù)的創(chuàng)新性研究，以提高工程設(shè)計(jì)水平。endprint