基于SOA 的產(chǎn)品創(chuàng)新設計服務認知組合模型

楊 琨，李文強，李 彥，熊 艷

（四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

0 引言

產(chǎn)品創(chuàng)新是企業(yè)得以生存和持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在動力［1］，而網(wǎng)絡平臺作為整合產(chǎn)品創(chuàng)新設計服務資源的工具，已經(jīng)成為計算機支持產(chǎn)品創(chuàng)新設計的重要手段。如何將網(wǎng)絡化設計環(huán)境下支持產(chǎn)品設計的海量服務資源，更有效、智能地進行組織并實現(xiàn)與設計任務的合理匹配，成為計算機輔助設計的研究熱點［2］。

網(wǎng)絡平臺作為一種集成廣泛意義上的各類設計資源的載體，可為設計者提供一個設計方法、知識等服務資源共享、管理和協(xié)商的操作平臺，以推動產(chǎn)品自主創(chuàng)新，提高產(chǎn)品設計的競爭力。國內(nèi)外學者在基于Web的產(chǎn)品輔助設計平臺方面已經(jīng)開展了大量的理論研 究，如Brunkhorst［3］、Ras［4］、周丹晨［5］等提出針對網(wǎng)絡的分布知識庫及企業(yè)知識信息、集成共享和查詢優(yōu)化方法，從設計知識信息管理的角度構(gòu)架網(wǎng)絡系統(tǒng)；鎮(zhèn)璐［6］、潘善亮［7］分別從網(wǎng)絡環(huán)境下面向發(fā)明問題解決理論（Theory of Invention Problem Solving，TRIZ）和產(chǎn)品設計子流程管理的角度進行研究，分析產(chǎn)品創(chuàng)新平臺中產(chǎn)品設計方法和流程對設計者的激勵；更多的研究者從產(chǎn)品協(xié)同設計的各類角度，如云服務［8］、業(yè)務鏈［9］、業(yè)務規(guī)則［10］等提出網(wǎng)絡化協(xié)作產(chǎn)品開發(fā)的資源集成服務機制，以覆蓋產(chǎn)品設計過程中的關鍵業(yè)務，對設計資源和過程進行協(xié)同管理。

在實際網(wǎng)站搭建方面也有許多案例，現(xiàn)在已有的設計類網(wǎng)站大體分3類：①知識共享類，如中國科技資源共享網(wǎng)（sipo.gov.cn）、專利搜索引擎（soopat.com）等，主要側(cè)重原理性或行業(yè)內(nèi)知識的共享，為用戶提供目錄索引和檢索功能；②網(wǎng)絡化設計，如美國加州大學伯克利分校建立了世界上第一個基于萬維網(wǎng)（World Wide Web，WWW）的產(chǎn)品設計系統(tǒng)［11］等，為用戶在線產(chǎn)品設計提供支持；③軟件推廣類，如CREAX、億維訊等，作為軟件公司的門戶網(wǎng)站，展示軟件案例和咨詢服務，同時提供簡化版在線軟件使用并整合一定數(shù)量的設計知識資源。

上述研究為輔助設計者進行概念設計、搭建網(wǎng)絡平臺提供了思路，但是因為不同學者從不同需求出發(fā)，平臺所提供的設計服務往往針對特定領域，沒有從產(chǎn)品創(chuàng)新設計完整流程所需資源的角度考慮，所以已有研究并不完全適用于支持產(chǎn)品概念設計的激勵，加上設計需求的動態(tài)多變經(jīng)常引起設計業(yè)務的邏輯重構(gòu)，需要設計服務具有更加敏捷的調(diào)整能力，以完成設計任務的實現(xiàn)，這些特點決定了支持產(chǎn)品創(chuàng)新設計的網(wǎng)絡服務平臺需要一個跨平臺的、擴展性好的、組織靈活的框架，在動態(tài)環(huán)境下實現(xiàn)產(chǎn)品設計服務按需集成的流程構(gòu)建方式，支持設計者進行設計服務的編排，以便為產(chǎn)品創(chuàng)新設計活動提供更多激勵。同時，已有設計類平臺普遍忽略了設計者——“人”是設計的主體這一事實，不利于很好地激發(fā)設計者的認知思維和創(chuàng)造力，也無法最大程度地發(fā)揮設計者的創(chuàng)新能力。因此本文基于設計者在創(chuàng)新設計過程中的內(nèi)在認知機理，提出一種基于面向服務架構(gòu)（Service of Architecture，SOA）的產(chǎn)品創(chuàng)新設計服務認知組合模型，根據(jù)設計過程中對策略服務的邏輯依賴和對知識服務的數(shù)據(jù)依賴關系，兩類服務交互規(guī)劃、合理組織并構(gòu)成完整的產(chǎn)品概念設計流程，最終實現(xiàn)對產(chǎn)品創(chuàng)新設計的輔助和激勵。最終利用語義化描述和同構(gòu)化等計算機手段，實現(xiàn)面向服務的產(chǎn)品創(chuàng)新設計服務平臺體系架構(gòu)。

1 產(chǎn)品創(chuàng)新設計服務分析

1.1 產(chǎn)品創(chuàng)新設計服務組織需求

在復雜產(chǎn)品的創(chuàng)新設計過程中，影響創(chuàng)造力的因素包括知識、思維模式、設計方法和計算機支持工具等［12］，因此創(chuàng)新設計服務平臺所提供的網(wǎng)絡化設計環(huán)境應該綜合考慮產(chǎn)品設計階段以上所需的廣義設計資源，并在充分考慮設計者設計認知激勵內(nèi)在機理的情況下，形成一種規(guī)范化的服務引導機制，從而輔助設計人員高效調(diào)用各類設計資源形式化后的服務，形成適應設計需求的完整設計流程，最終有效處理跨領域的各類設計任務。因此，平臺開發(fā)的重點在于實現(xiàn)一種有效地發(fā)布與發(fā)現(xiàn)各類設計資源的機制，并利用結(jié)合認知激勵機理的服務組合模型對這些服務進行組織，從而為平臺具體開發(fā)設計產(chǎn)品設計方案提供服務支持。

通過以上對平臺服務組織的需求分析，并考慮滿足作為服務請求者的設計者，根據(jù)設計需求對設計服務進行篩選匹配，本文將采用業(yè)界認可的一種系統(tǒng)集成框架——SOA，利用其松耦合、高彈性、易擴展的特點，有學完成基于認知激勵機理的網(wǎng)絡平臺設計服務組織，實現(xiàn)服務的無縫集成，從而滿足業(yè)務邏輯要求，最終產(chǎn)生適合的設計流程，解決傳統(tǒng)的網(wǎng)絡化設計環(huán)境結(jié)構(gòu)復雜且靈活性差、無法適應動態(tài)多變的設計需求及設計過程中流程需適時變化等問題，完成對整個概念設計過程的支持。

1.2 創(chuàng)新設計服務類型

計算機輔助產(chǎn)品創(chuàng)新設計必須具有三個基本條件［13］：①有合適的創(chuàng)新設計方法論；②有一個足夠大的信息空間，以充分獲取適用的知識和激勵創(chuàng)新靈感；③有一個符合創(chuàng)新設計思維方法的輔助設計系統(tǒng)。因此，作為基于SOA 創(chuàng)新設計服務模型的最基本的組成元素——服務，應該能夠?qū)崿F(xiàn)以上創(chuàng)新設計知識維、創(chuàng)新設計策略維、計算機輔助工具維三個維度的構(gòu)建，得到兩類設計服務（知識服務和策略服務）及兩類服務間的映射關系（如圖1）。

（1）策略服務域 策略服務由創(chuàng)新設計策略維和計算機輔助工具維組合而成。根據(jù)認知心理學對產(chǎn)品創(chuàng)新設計的分析［14］，創(chuàng)新設計過程就是一個設定特定目標、找到實現(xiàn)該目標的解決策略的過程。而且設計問題的種類多種多樣，需要根據(jù)設計問題類型的不同對各類設計策略進行分組，以更有針對性地為各類設計問題提供設計策略求解方法（面向問題、面向產(chǎn)品、面向目的、面向載體）［13］，通過語義擴展、本體建模等計算機技術，實現(xiàn)將方法策略的語義、能力、執(zhí)行過程等封裝成策略服務，為設計過程中的服務調(diào)配做好準備。其中面向問題的策略用以解決設計過程中的沖突問題，面向產(chǎn)品的策略用以解決已有產(chǎn)品的改進設計，面向目的的策略用以解決全新產(chǎn)品或系統(tǒng)的設計問題，而面向載體的策略用以解決產(chǎn)品文化等非邏輯思維類的設計問題。創(chuàng)新設計服務平臺根據(jù)四類設計構(gòu)建策略服務，保證每類設計問題至少包含一種設計策略加以實現(xiàn)。同時松散的平臺架構(gòu)能夠保證后續(xù)可繼續(xù)添加合適的策略服務。

（2）知識服務域 知識服務由創(chuàng)新設計知識維和計算機輔助工具維組合而成。產(chǎn)品設計知識具有形式多樣、結(jié)構(gòu)復雜、跨領域等特點，且在產(chǎn)品設計的不同階段，所需的知識類型及抽象層次不同，為了從海量的設計資源中提取設計所需知識，需要對知識進行明確分類（原理性知識、綜合性知識、領域性知識）［15］，并利用 可擴展 標記語 言（eXtensible Markup Language，XML）、檢索技術、通信協(xié)議等計算機技術實現(xiàn)知識服務的封裝，實現(xiàn)設計過程中知識的同構(gòu)化表達、查詢檢索、服務間通信傳遞等功能。其中由原理性知識（設計原理知識、發(fā)明原理知識等）對產(chǎn)品設計的方法策略類知識（過程建模、需求分析、公理設計、TRIZ等）進行支持，綜合性知識（功能知識、效應知識、結(jié)構(gòu)知識等）通過不同抽象層次的知識對產(chǎn)品設計過程中的核心創(chuàng)新求解過程進行支持，領域性知識（領域知識、專題知識等）通過各專業(yè)領域較為具體的事實類知識對設計方案的參考、驗證工作進行支持。

（3）映射關系域 設計者在產(chǎn)品創(chuàng)新設計過程中，具體的設計行為表現(xiàn)為對策略服務的邏輯調(diào)用和對知識服務的條目操作，兩類服務內(nèi)在具有多對多的映射特性，當用戶根據(jù)設計需求選擇適當設計類型的策略服務時，根據(jù)設計策略與知識條目間一對多的映射關系確定適當?shù)闹R服務，激發(fā)設計者產(chǎn)生較多設計方案；而知識條目與設計策略多對多映射特性可以支撐策略服務的實現(xiàn)，同時也可驗證策略服務是否選擇得當。

2 具有認知機理的創(chuàng)新設計服務組合模型

產(chǎn)品創(chuàng)新設計的一般過程分為設計需求分析、問題表征、概念設計、設計方案優(yōu)化及評價、方案生成等部分，針對各階段認知特點的研究對激發(fā)設計者的認知思維和創(chuàng)造力有至關重要的影響。Gero［16］、Wallas［17］等針對設計問題的求解過程及不同時期的認知特點進行分析并得到廣泛認可，本文在此基礎上對創(chuàng)新設計過程進行劃分，提出符合設計者創(chuàng)新設計創(chuàng)意方案生成的認知習慣的產(chǎn)品創(chuàng)新設計服務認知組合模型，如圖2所示。模型將產(chǎn)品創(chuàng)新設計過程規(guī)劃為三個階段：準備和醞釀期（preparation &incubation）的擴充認知通道、頓悟期（illumination）的認知激勵通道以及確認期（verification）的評價和輸出通道，各通道的銜接以設計方案生成過程作為主線，而設計過程中每一步的實現(xiàn)都需要適當?shù)脑O計策略提供方法引導，相應的知識數(shù)據(jù)提供材料支撐，這種設計步驟與策略間的邏輯關系、與知識間的數(shù)據(jù)關系，為之后產(chǎn)品創(chuàng)新設計過程各階段服務的組織規(guī)則（邏輯依賴和數(shù)據(jù)依賴）提供依據(jù)，模型內(nèi)部各部分的關系建立有助于多個設計服務協(xié)調(diào)配合、共同完成設計方案的生成。

圖2中重點示意了概念設計過程中產(chǎn)生創(chuàng)意解的認知激勵階段，以及各策略服務和知識服務對設計過程的支撐關系，然而實際設計過程中，設計過程的各認知階段都需要相關策略服務和知識服務建立映射關系，以提供相應的支撐，如多需求分析策略服務、質(zhì)量功能配置（Quality Function Deployment，QFD）知識服務等對擴充認知通道的支撐。

2.1 擴充認知階段服務組合

創(chuàng)新設計問題定義困難、表達模糊，缺乏明確的問題空間，沒有確定的解決路徑。通過認知擴充通道的認知準備工作，能夠?qū)⒃O計問題通過適合的問題表征，使其轉(zhuǎn)化為良好的設計需求和問題結(jié)構(gòu)，對創(chuàng)新設計的設計需求特征進行明確，為下一步設計認知激勵做好準備。具體過程如下：①依據(jù)發(fā)散性的創(chuàng)造性思維特點，盡可能全面地收集設計需求及問題并進行描述和分析，得到問題的初始狀態(tài)；②根據(jù)設計問題類型選擇適當?shù)姆治霾呗苑?，如QFD策略服務、系統(tǒng)建模策略服務等，對設計問題進行表征；③利用需求分析策略服務關聯(lián)的知識服務，為設計者提供相關的設計知識，擴大認知通道中的有效信息，最終確定設計任務，實現(xiàn)認知通道的擴充。本階段依據(jù)不同設計問題的認知特點，主要利用已有設計理論構(gòu)成的策略服務對設計問題進行分析，知識服務起輔助設計任務確定的作用。

2.2 認知激勵階段服務組合

針對認知激勵通道中產(chǎn)品創(chuàng)新設計最重要的階段——概念設計過程，利用課題組提出的三種認知激勵方式（延展激勵、類比激勵、突變激勵）［18］對策略服務和知識服務進行組織，利用服務間邏輯依賴和數(shù)據(jù)依賴兩類關系，具體實現(xiàn)眾多服務的選擇和銜接，生成一組服務有向序列SSa（KS1）?SSb（KS2?KS3?KS4）?…?SSm（KSn），使創(chuàng)新激勵設計流程由一組按規(guī)則連接的服務構(gòu)成，其中：SS為策略服務，KS為知識服務。邏輯依賴是指設計過程中對設計者完成某一類激勵時，根據(jù)各策略所能提供的業(yè)務邏輯能力來選擇適當?shù)牟呗苑眨粩?shù)據(jù)依賴是指在執(zhí)行各策略具體操作的過程中選擇所需的知識服務，并將同構(gòu)化的知識條目數(shù)據(jù)在各服務間傳遞。具體操作時根據(jù)所需的創(chuàng)新層級確定認知激勵方式后，利用邏輯依賴關系選擇策略服務，以滿足設計邏輯要求，當存在多個策略服務滿足設計要求時，利用相關度計算進行篩選；然后根據(jù)各策略服務對相關知識的依賴確定所需的知識服務，以滿足設計過程中方案的激勵和驗證，同時上一個服務的輸出為下一個服務的輸入，各服務按照業(yè)務邏輯和順序依次執(zhí)行，完成對設計者在產(chǎn)品創(chuàng)新設計過程中的激勵作用。

（1）延展激勵服務選擇

延展激勵方式主要適用于已有產(chǎn)品的再設計。選定系統(tǒng)建模中的一個組件，經(jīng)過策略服務中設計方法的引導，調(diào)用關聯(lián)知識服務中已有的方案資源，發(fā)現(xiàn)與該組件具有相似性的新實例，改變與其相連的一個或多個組件，從而將原有方案進行延展，產(chǎn)生新的創(chuàng)意方案解。此時產(chǎn)生的方案與原有方案共用或相似的組件較多，相互差異不大，因此創(chuàng)新層次較低。適合延展激勵的策略服務主要推薦創(chuàng)造性模板法策略服務、基于設計的推理（Case-Based Design，CBD）策略服務等，根據(jù)映射關系調(diào)用結(jié)構(gòu)知識服務、領域知識服務等。

（2）類比激勵服務選擇

類比激勵方式主要適用于設計問題的解決和產(chǎn)品的全新設計。利用策略服務中封裝的方法作為設計操作步驟，利用類比思維的方法將相關知識服務中的設計知識作為組件類比原型，把能解決類似問題的解決方案作為操作原型，類比到關注的任務設計過程中進行認知激勵，以求解得到新方案。這種認知激勵產(chǎn)生的創(chuàng)意解中的組件多為初次使用或全新組合，因此得到的設計方案與已有方案具有明顯差異，創(chuàng)新性較高。適合類比激勵的策略服務主要推薦功能—行為—狀態(tài)（Function-Behavior-Structure，F(xiàn)BS）策略服務、TRIZ 策略服務等，根據(jù)映射關系調(diào)用發(fā)明原理知識服務、效應知識服務等。

（3）突變激勵服務選擇

突變激勵方式主要適用于非邏輯思維的產(chǎn)品創(chuàng)新設計。突變激勵的刺激主要來自知識服務中使用頻率較高的知識信息的刺激，在策略服務方法的引導下，這些信息以外部變量的形式直接與設計單元中的相關組件發(fā)生強制聯(lián)想，新變量的導入使設計任務單元突變，產(chǎn)生新的組塊。因為突變激勵過程中多利用相關性低的激勵信息誘發(fā)設計方案突變，所以創(chuàng)新設計效果難以估計，但其產(chǎn)生的創(chuàng)意方案解往往是前所未有的，創(chuàng)新性非常高。為設計者推薦的突變激勵策略服務主要有頭腦風暴策略服務、檢核表法策略服務等，根據(jù)映射關系調(diào)用功能知識服務、領域知識服務等。

2.3 方案輸出階段服務組合

整個創(chuàng)新設計方法中，每種激勵方式下組織的設計服務都可能產(chǎn)生不同的創(chuàng)意方案，但并不是所有創(chuàng)意方案都可作為設計輸出，需要對創(chuàng)意解進行優(yōu)化和篩選：①利用多學科設計優(yōu)化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）策略服務得到各學科綜合考慮下的最優(yōu)解；②利用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）策略服務等對這些創(chuàng)意方案的功能滿足度、實現(xiàn)可能性、企業(yè)承受度、市場效應等指標進行綜合評判；③將符合要求的創(chuàng)意方案作為設計方案輸出，如果創(chuàng)意方案不能滿足設計要求則回到起始狀態(tài)，進入新一輪的需求分析、問題表征、設計認知激勵的過程。

3 面向服務的產(chǎn)品創(chuàng)新設計平臺體系架構(gòu)

基于SOA 的產(chǎn)品創(chuàng)新設計服務組合架構(gòu)如圖3所示，創(chuàng)新設計過程中所需的各類資源以服務的形式提供給設計者，一切服務組織活動圍繞產(chǎn)品創(chuàng)新設計流程展開，并通過服務提供的策略語義標注和知識同構(gòu)化來實現(xiàn)，主要分為知識資源層、策略服務層、服務組合層、設計流程層和平臺模塊層。

（1）知識資源層

知識資源層是由各類產(chǎn)品創(chuàng)新設計過程中所需的發(fā)明原理知識、功能知識、效應知識、結(jié)構(gòu)知識和多學科優(yōu)化知識等構(gòu)成的一個知識信息空間，該層為上層知識服務提供信息源。知識資源層主要為各類異構(gòu)設計知識資源的發(fā)布提供存儲空間，并根據(jù)對設計知識的分類對多源知識進行管理，將響應用戶的設計需求推送至相應的知識服務，輔助設計人員完成設計任務。知識資源層中的設計知識以原始狀態(tài)保存，盡可能保留知識資源的最完整信息；根據(jù)知識資源的實際設計業(yè)務支持情況，封裝與相應策略的映射關系，實現(xiàn)設計策略和設計知識的交互關系，最終為整個設計流程中的知識資源推送做準備。

（2）策略服務層

策略服務層是為實現(xiàn)設計策略方法的可操作性而設計的。該層根據(jù)對設計過程中創(chuàng)新設計策略的業(yè)務處理方式和映射銜接關系進行分析，通過語義標注和邏輯關系綁定的方式把策略封裝成不同粒度的策略服務組件，建立可被計算機理解的銜接關系，從而為下一步自動邏輯篩選策略服務并構(gòu)成設計流程做準備。服務提供者后續(xù)可以通過本層操作將策略方法封裝成自描述、平臺無關的策略服務，以方便設計服務平臺策略服務的發(fā)布與更新。

（3）服務組合層

各類設計服務的最終目的是為了被匹配和調(diào)用，以為服務使用者的設計人員提供業(yè)務支持。在服務組合層，按照具體的設計業(yè)務和產(chǎn)品激勵類型對策略服務和知識服務兩類服務進行編排，小粒度服務根據(jù)邏輯依賴和數(shù)據(jù)依賴兩類關系進行相應的組合操作，加上兩種服務之間存在的交互映射關系，使雙方的服務組合選擇相互影響。策略服務根據(jù)策略服務層中各服務的語義標注和語義擴充等屬性進行匹配，完成各策略服務對相應的認知激勵類型和設計任務的支持；根據(jù)知識服務中各類知識資源與相應設計策略存在的映射關系，達到按規(guī)則組織知識服務的目的，通過知識服務中的異構(gòu)知識映射規(guī)則，將各類原始知識資源轉(zhuǎn)化為XML 類型，并根據(jù)各類知識間的彼此映射關系形成關系型的知識數(shù)據(jù)模式。

（4）設計流程層

設計流程層完成產(chǎn)品創(chuàng)新設計流程的實現(xiàn)，該流程作為基于SOA 的產(chǎn)品創(chuàng)新設計服務認知組合模型中的關鍵元素，是推動平臺各類服務組合的根本依據(jù)。根據(jù)設計流程將設計平臺中散亂的設計服務有邏輯地組織起來，部署的各類服務通過不同的組合方式實現(xiàn)新的設計功能，結(jié)合用戶的實際設計需求靈活快速地調(diào)整各服務的組合方式，完成平臺對產(chǎn)品創(chuàng)新設計的激勵功能。策略服務和知識服務最終組織配合進行邏輯聯(lián)結(jié)，完成對產(chǎn)品創(chuàng)新設計過程的支持，根據(jù)產(chǎn)品設計流程中具體設計類型的要求，將產(chǎn)品創(chuàng)新平臺中各個獨立的服務進行串、并聯(lián)，有針對性地提供給相應的用戶，更加合理、高效地支持創(chuàng)新設計活動。

（5）平臺模塊層

平臺模塊層是產(chǎn)品創(chuàng)新設計服務平臺功能的具體表現(xiàn)，直接與用戶操作相接觸，通過不同的視圖將產(chǎn)品設計過程和業(yè)務執(zhí)行情況展現(xiàn)給不同的用戶，激勵和支持設計者的產(chǎn)品創(chuàng)新設計活動，并實時反映產(chǎn)品創(chuàng)新的設計進度。本層最終由各粒度的服務構(gòu)成并進行相關的邏輯分組，以用戶的交互為驅(qū)動，動態(tài)調(diào)整服務組合，以完成各模塊的功能實現(xiàn)。該層中的幾大功能模塊作為課題組已有產(chǎn)品創(chuàng)新設計服務平臺（Creap.cn）的子模塊進行系統(tǒng)實現(xiàn)，采用瀏覽器／服務器（Browser／Server，B／S）結(jié)構(gòu)與用戶進行交互，同時使服務提供者和服務使用者能夠進行服務的發(fā)布、修改或者查詢等，以方便平臺服務的不斷升級。

4 關鍵實現(xiàn)技術

4.1 策略服務語義化實現(xiàn)及映射關系的建立

產(chǎn)品創(chuàng)新設計過程中所使用的策略服務需要經(jīng)過發(fā)布、查詢、發(fā)現(xiàn)與組合的過程，各類創(chuàng)新策略轉(zhuǎn)化成可被查詢、調(diào)用的策略服務，此過程由服務提供者完成。傳統(tǒng)的服務匹配過程往往通過關鍵字對服務進行名稱匹配，得到的并不是最符合用戶需求的服務，為消除策略與用戶間的語義分歧，本文對設計策略進行了語義描述擴充，重點增加了策略服務能力的語義描述，并抽取其所具有的認知激勵能力信息對策略的概念理解達成共識，建立人機之間、機器與機器之間互相理解和操作的語義基礎。

具體操作由服務提供者利用Web服務描述語言（Web Service Description Language，WSDL）文件和相關語義標注工具，建立各服務間的映射關系，并將服務的可執(zhí)行文件部署到平臺相應的執(zhí)行環(huán)境中，完成設計策略向策略服務轉(zhuǎn)換的過程，最終達到不同粒度規(guī)模的策略服務進行語義化描述和管理的目的，建立可被計算機理解的銜接關系。本文將策略服務形式化地表示為

式中：

SO 通過WSDL定義策略服務中的具體操作合集及操作的具體實現(xiàn)方法，以實現(xiàn)設計策略提供的功能；

A 為策略服務設計能力語義Web服務本體語義描述（Web Ontology Language for Service，OWL-S），利用Protégé軟件對服務SS所能提供的設計支持進行語義標注和本體關系建立（如圖4），定義為三元組A=（serviceProfile，serviceModel，serviceGrounding），其中：serviceProfile表示策略服務“做了什么”、“能解決什么問題”等，serviceModel表示服務推薦的激勵類型，標注與延展激勵、類比激勵和突變激勵的相關匹配度，serviceGrounding 描述如何訪問和執(zhí)行服務；

Fs-k是該策略服務執(zhí)行過程中，根據(jù)數(shù)據(jù)依賴關系所確定與所需知識服務間映射關系的合集；

Rss是該策略服務有較好邏輯連接關系的其他策略服務之間的映射關系，本映射關系用于用戶選擇策略服務時的參考。

產(chǎn)品概念設計階段，通常設計者對設計問題只是一個模糊的認識，無法明確地選擇并組織所需的策略服務，因此需要一種有效的策略組織和優(yōu)選機制進行輔助。作為服務請求者的用戶，通過對產(chǎn)品創(chuàng)新層級進行確定，并對所需滿足的設計要求進行語義描述，利用邏輯依賴關系確定的映射關系選擇符合設計要求的策略服務，同時利用彼此間的邏輯關系進行服務銜接，完成策略服務的組織。本質(zhì)上，邏輯依賴關系就是設計目標描述與策略服務設計能力描述之間的相關（relativity）程度，當各設計階段有多個策略服務具有類似業(yè)務能力時，相關度越大此服務越能滿足用戶的設計需求。本文采用向量空間模型（Vector Space Model，VSM）的計算方法來度量設計目標描述向量Q與策略服務設計能力描述向量A之間的相關度Sim（Q，A），從而對策略進行優(yōu)選。設計目標描述和服務能力描述都是基于Web本體語言（Web Ontology Language，OWL）并按一定邏輯組合的概念集，因此向量的內(nèi)容為概念集中特征詞的權重，向量間的余弦值越趨近1，策略服務越滿足要求。如果得到的相關度Sim值低于用戶設定的閾值，則修改設計目標的語義描述，重新檢索策略服務；如果多次修改仍無法滿足要求，則可通過手工直接選擇自己希望使用的策略服務。

4.2 知識服務同構(gòu)化實現(xiàn)及映射關系的建立

在創(chuàng)新設計過程中，對設計方案起激勵作用并為各類策略服務提供數(shù)據(jù)支撐的是種類繁多的知識資源，但因為來源、側(cè)重點不同等因素，導致多源異構(gòu)的設計知識不利于各服務間數(shù)據(jù)的銜接和傳遞，所以將知識資源的表達形式進行同構(gòu)化，并建立各服務之間的邏輯關系，從知識服務功能上表現(xiàn)為數(shù)據(jù)接口和邏輯接口的集成。數(shù)據(jù)接口面向各種異構(gòu)的原始知識，其目的是將知識中的數(shù)據(jù)提取出來轉(zhuǎn)換成操作所需的形式；邏輯接口面向其他已發(fā)布的各類服務，其目的是實現(xiàn)設計流程中服務的組織和配合。

多源異構(gòu)知識資源基于XML 映射規(guī)則完成同構(gòu)化，將數(shù)據(jù)間的關系和屬性描述為上層服務可以理解的形式，供設計流程共享和重用，在同構(gòu)化的過程中同時定義各知識服務之間的映射關系，為服務的組織做好準備。因此知識服務有別于一般知識庫的特點：①知識服務都封裝了同構(gòu)的知識信息訪問；②知識服務封裝了與已同構(gòu)的知識服務和已部署策略服務間的訪問過程規(guī)則，實現(xiàn)兩類服務間的交互；③知識服務可以根據(jù)業(yè)務邏輯形成過程編碼規(guī)則。因此用一個四元組對知識服務進行定義：

其中：D 為各類原始知識資源，以知識條目、圖紙、網(wǎng)頁信息等異構(gòu)信息的狀態(tài)存儲，是所有知識信息的總和；X 為異構(gòu)資源進行同構(gòu)化邏輯表達的映射規(guī)則，將知識信息的邏輯表達形式同構(gòu)化，為不同的服務提供統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)源D′，以效應知識服務為例，De′=X（De）｛Ce，De，Sef，Ses｝，Ce為效應標題，De為效應描述，大致描述為〈效應描述De〉｛效應內(nèi)容、效應附圖、應用條件、計算公式、參考信息、相關知識｝，Sef為該效應能實現(xiàn)的功能標識集合，Ses為實現(xiàn)該效應的結(jié)構(gòu)標識集合；Fk-s為該知識服務能夠較好地提供數(shù)據(jù)支持的策略服務的映射關系合集，逆向輔助策略服務的選擇；Rkk 是具有配合關系的知識服務間的映射關系，多個知識服務共同輔助一項策略服務的完成。

知識資源經(jīng)過標準XML的統(tǒng)一表達方式并封裝建立多源異構(gòu)知識間的映射規(guī)則后，發(fā)布為知識服務。經(jīng)過同構(gòu)和屬性描述的知識服務被統(tǒng)一部署成關系型數(shù)據(jù)模式，能夠被其他服務彼此理解，并使平臺中的業(yè)務過程可以共享和重用。設計過程中涉及的知識數(shù)據(jù)歸屬于不同的知識服務，其生成、修改、維護和更新都由同一個服務完成，從而可以同時保證知識服務中數(shù)據(jù)的唯一性，消除數(shù)據(jù)冗余。

5 示例

根據(jù)上述體系結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法，本文利用B／S模式，使用Microsoft Visual Studio.Net＋SQL Server 2008為具體實現(xiàn)技術，采用ADO.Net實現(xiàn)在.Net平臺下的數(shù)據(jù)庫訪問，在Windows平臺上，將產(chǎn)品創(chuàng)新設計服務認知組合模型作為課題組已有產(chǎn)品創(chuàng)新設計服務平臺（creap.cn）的一個子模塊進行系統(tǒng)實現(xiàn)。下面以意式咖啡機的改良設計案例為例，說明策略服務和知識服務是如何被部署并基于認知機理進行組合，以支持產(chǎn)品創(chuàng)新設計過程的實現(xiàn)，如圖5所示。

在擴充認知通道，首先對意式咖啡機進行需求分析和問題表征，因為此次設計是針對這類市場上較成熟的咖啡機進行改良式創(chuàng)新設計，所以人為選擇了需求分析策略服務SS分析和問題表征策略服務SS表征來完成設計前期認知的擴充，并根據(jù)數(shù)據(jù)依賴關系映射得到5W2H 知識服務KS5W2H和系統(tǒng)建模知識服務KS建模，以提供相關的知識和數(shù)據(jù)支持，形成服務序列SS分析（KS5W2H）?SS表征（KS建模）。通過SS分析服務組件對現(xiàn)有的意式咖啡機存在操控復雜、功能單一、價格昂貴等缺點進行分析，確定對咖啡機的已有功能和結(jié)構(gòu)進行激勵的改良設計目的（如圖5中①）；通過SS表征服務組件對咖啡機的工作原理進行分析，并利用系統(tǒng)建模方法對設計問題進行表征（如圖5中②）。意式咖啡機作為最能保留咖啡品質(zhì)的一類咖啡機，利用20Pa的壓力迫使90 ℃左右的熱水穿過幼細的咖啡粉，汲取咖啡粉中的咖啡脂等芳香物質(zhì)，并與熱水達到充分溶合后流入杯中，完成一杯意大利特濃咖啡，整個過程是一個物理化學變化的綜合過程，圖5中②表示了根據(jù)咖啡機的工作過程關鍵結(jié)構(gòu)零件，推理確定本次設計活動中需要改進的產(chǎn)品功能，并進行功能建模以方便后續(xù)設計操作的進行。

在認知激勵通道，根據(jù)上一步確定的改良性設計目標的創(chuàng)新層級，系統(tǒng)推薦類比激勵（如圖5 中③）作為創(chuàng)新認知激勵手段，但根據(jù)邏輯依賴關系映射得到支持類比激勵的策略服務有TRIZ 策略服務、FBS策略服務等多類服務組件，因此系統(tǒng)根據(jù)擴充認知通道中所需設計的目的語義描述，與各類滿足業(yè)務要求的策略服務部署時Protégé工具建立的OWL-S描述文檔（如圖5中④）進行VSM 相關度計算，優(yōu)選最能對功能、原理、結(jié)構(gòu)進行完整分析的FBS策略服務SSFBS作為激勵工具，輔助產(chǎn)品進行概念設計。根據(jù)FBS策略服務組件中封裝的知識服務調(diào)用數(shù)據(jù)依賴映射關系（如圖5中⑤）和策略操作步驟（如圖5 中⑥），完成對功能知識服務KS功能、效應知識服務KS效應和結(jié)構(gòu)知識服務KS結(jié)構(gòu)的調(diào)用，形成服務序列SSFBS（KS功能?KS效應?KS結(jié)構(gòu)）。將知識資源中的已有方案類比到FBS的映射過程中，實現(xiàn)創(chuàng)新解的產(chǎn)生。

在示例中調(diào)用的知識服務是根據(jù)各原始知識資源（知識條目、專利和圖紙信息等）的結(jié)構(gòu)特點，通過映射規(guī)則Map將這些多源異構(gòu)的知識信息轉(zhuǎn)化成XML格式的知識數(shù)據(jù)（如圖5中⑦），完成各服務的調(diào)用和傳遞。通過類比知識服務所提供的已有案例，得到實現(xiàn)加熱功能的熱電效應和帕爾貼效應，并篩選得到基于熱電效應的隔離式鍋爐結(jié)構(gòu)和基于帕爾貼效應的冷熱兩用鍋爐結(jié)構(gòu)。

最后進入方案評價輸出通道，根據(jù)邏輯依賴關系映射得到方案優(yōu)化策略服務SS優(yōu)化和方案評價策略服務SS評價，完成創(chuàng)意解的優(yōu)化和評價，最終得到設計方案，同時根據(jù)數(shù)據(jù)依賴映射關系得到MDO知識服務KSMDO和AHP知識服務KSAHP，為策略提供相關知識和數(shù)據(jù)支撐，形成服務序列SS優(yōu)化（KSMDO）?SS評價（KSAHP）。MDO 策略服務組件對方案中的各學科耦合關系進行優(yōu)化，然后根據(jù)功能滿足度、實現(xiàn)可能性、企業(yè)承受度等指標，對方案進行AHP層次分析，隔離式鍋爐可防止溫度過高灼傷咖啡而影響口感，同時方便清潔和消毒，而基于帕爾貼效應的加熱方式已成功應用于半導體加熱與制冷，可用于咖啡煮制后的冰鎮(zhèn)，豐富產(chǎn)品功能。最后將這兩個創(chuàng)意解作為設計方案予以輸出。

意式咖啡機的整個創(chuàng)新設計過程依據(jù)邏輯依賴和數(shù)據(jù)依賴關系，篩選并組織得到了一組服務有向序列SS分析（KS5W2H）?SS表征（KS建模）?SSFBS（KS功能?KS效應?KS結(jié)構(gòu)）?SS優(yōu)化（KSMDO）?SS評價（KSAHP），對各設計過程不同的認知特點提供相應的業(yè)務操作和知識數(shù)據(jù)支撐，最終獲得基于帕爾貼效應和熱電效應的冷熱兩用鍋爐、隔離式鍋爐兩類結(jié)構(gòu)方案，較好地實現(xiàn)了咖啡冰鎮(zhèn)、咖啡機清洗和消毒功能。

6 結(jié)束語

本文提出一種SOA 的創(chuàng)新設計服務認知組合模型，立足于“人”這一設計主體，結(jié)合創(chuàng)新設計過程不同階段的創(chuàng)新認知激勵特點，提出符合設計者創(chuàng)新設計認知習慣的服務組合方式對設計服務和知識服務進行組織，以最大限度地激勵設計者產(chǎn)生創(chuàng)新設計方案，為創(chuàng)新設計過程中的策略使用、知識調(diào)用和系統(tǒng)集成探索了一種開放的、隨需應變的組織模式。最后圍繞產(chǎn)品創(chuàng)新設計服務組合架構(gòu)，建立了策略服務對設計策略的語義化描述方式和知識服務對知識資源的同構(gòu)化表達手段，為實現(xiàn)平臺服務的良好部署提供了解決方案，并利用創(chuàng)新設計服務平臺中添加的服務組合子模塊實現(xiàn)對咖啡機的創(chuàng)新激勵再設計，證明了本方法的可行性和有效性。

本模型的提出基于單個設計者的設計認知過程，暫未考慮實際設計中設計者之間的協(xié)同和交流，同時模型還需要向更復雜的實際創(chuàng)新認知模式的方向推進，以求更貼近設計者真實的創(chuàng)新設計過程。創(chuàng)新設計服務組合模型的有效實現(xiàn)，離不開設計策略間更合理的配合關系和海量多樣知識資源的合理表達，以及如何更有效地建立服務化后設計資源間的推理機制。下一步需要深入研究的重點是數(shù)學模型嚴密的表達形式和優(yōu)良的溝通品質(zhì)、對設計服務認知組合過程進行表示，以及對進一步組織模型的計算機轉(zhuǎn)化提供指導。

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