網(wǎng)絡(luò)協(xié)同環(huán)境下產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識的表達(dá)體系研究

劉 勇，郭銀章

(太原科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，太原 030024)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)同環(huán)境下產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識的表達(dá)體系研究

劉 勇，郭銀章

(太原科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，太原 030024)

在分析了網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同環(huán)境下產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識管理特性的基礎(chǔ)上，提出了一種適合于實(shí)現(xiàn)協(xié)同環(huán)境下產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識共享的知識分類體系和知識表達(dá)模型。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同環(huán)境下知識共享的特點(diǎn)，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識進(jìn)行了分類。按照設(shè)計(jì)知識的表達(dá)體系將共享知識分為數(shù)據(jù)表類、語言數(shù)據(jù)類、圖形類、圖紙類、模板類五種表達(dá)方式，并采用分層的XML描述語言，給出各類知識的表達(dá)模板。

協(xié)同設(shè)計(jì);產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識;知識分類;知識表達(dá);模板技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)是一種相當(dāng)復(fù)雜的且具有創(chuàng)新性產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，協(xié)同設(shè)計(jì)的主體是各個不一樣的經(jīng)驗(yàn)知識和領(lǐng)域知識，由于協(xié)同設(shè)計(jì)具有跨時空的特性，設(shè)計(jì)過程中需要一個平臺進(jìn)行知識交換和設(shè)計(jì)共享[1-3]。目前，對于協(xié)同設(shè)計(jì)知識的表達(dá)與共享方法很多，如面向?qū)ο蠓椒?、語義網(wǎng)絡(luò)、語義本體、產(chǎn)生式規(guī)則、設(shè)計(jì)模板等[4-5]。應(yīng)用模板思想進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下協(xié)同設(shè)計(jì)知識表達(dá)，是一個主要的趨勢。模板和協(xié)同設(shè)計(jì)合作機(jī)制，不僅改變了傳統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)領(lǐng)域的概念，也將通用性、模板的結(jié)構(gòu)變異性和重用性方便地引入?yún)f(xié)同設(shè)計(jì)的研究[6-7]。有效的便捷的協(xié)同設(shè)計(jì)知識表達(dá)模型，有助于提高協(xié)同設(shè)計(jì)知識的管理與共享，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時間，降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)的總成本，從而提高企業(yè)的效率和利潤。

1 產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)知識的分類與表達(dá)模型

1.1 協(xié)同設(shè)計(jì)過程設(shè)計(jì)知識的分類

由于設(shè)計(jì)者所擁有的知識不同，對于設(shè)計(jì)知識的表達(dá)和理解也不相同。如何對繁雜的設(shè)計(jì)知識進(jìn)行有效的分類和管理，是實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)知識共享的關(guān)鍵問題。下面，給出一種協(xié)同設(shè)計(jì)知識的分類模型:

定義1:協(xié)同設(shè)計(jì)過程產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識分類可描述為:

(1)產(chǎn)品特征參數(shù)知識(KPF):產(chǎn)品零部件參數(shù)、工藝參數(shù)、屬性參數(shù)、等開發(fā)過程中不同過程用來描述產(chǎn)品的零件、產(chǎn)品信息參數(shù)。

(2)產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)知識(KPS):結(jié)構(gòu)性知識是指在設(shè)計(jì)過程中所產(chǎn)生的各類圖紙、模型等，機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中的一些技術(shù)性文件，有許多是圖紙和結(jié)構(gòu)化文檔。

(3)產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理性知識(KPP):這是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域長期發(fā)展過程中形成的領(lǐng)域設(shè)計(jì)知識，其內(nèi)容形式多種多樣，確定了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)方法等。

(4)產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范性知識(KPDS):產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中包含零部件的國際標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)或者企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及專家經(jīng)驗(yàn)操作準(zhǔn)則等手冊、圖表。

(5)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例性知識(KPDE):指達(dá)到特定標(biāo)準(zhǔn)的并在現(xiàn)實(shí)中得到驗(yàn)證的優(yōu)秀設(shè)計(jì)成果，含有設(shè)計(jì)專家們對待專有難題的推理過程、判定過程和決定過程的典型產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例。

(6)產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)性知識(KPDEx):專家經(jīng)驗(yàn)類知識是經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用中被多次證明的有參考和實(shí)用價值的經(jīng)驗(yàn)知識，包括經(jīng)驗(yàn)公式、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、敘述性經(jīng)驗(yàn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的簡潔方法等。

協(xié)同設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識的分類及表現(xiàn)形式如表1所示。

表1 協(xié)同設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識的分類及表現(xiàn)形式Tab.1 Classification and performance design knowledge

1.2 協(xié)同設(shè)計(jì)過程設(shè)計(jì)知識的表達(dá)模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)特征，我們把知識的表達(dá)分成不同的層次或階段，如分為產(chǎn)品、部件、零件、零部件等層次。以機(jī)械產(chǎn)品為例，產(chǎn)品級，如挖掘機(jī)相關(guān)知識;部件級，如挖掘機(jī)輪子相關(guān)設(shè)計(jì)知識;零部件，如挖掘機(jī)履帶設(shè)計(jì)相關(guān)知識。網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)同設(shè)計(jì)知識的層次表達(dá)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)同設(shè)計(jì)知識的層次表達(dá)模型Fig.1 Level design knowledge representation model

為建立一個統(tǒng)一的知識表達(dá)模型，便于用戶選擇存儲格式，在此首先提出一個面向協(xié)同設(shè)計(jì)的知識表達(dá)模型——元模型。元模型∷ =(ID，C，M，R)。其中:標(biāo)識符ID(IDentifier)又稱為共有屬性，如名字、編號等唯一標(biāo)示某一特定知識類或事物。特征C(Characteristics)知識對象自身具有的特征，如功能特征、性質(zhì)特征、實(shí)義特征、行為特征等。特征量值M(Measurement)關(guān)于某一特征或行為的數(shù)量、程度或具體操作等。約束關(guān)系R(Restrain)知識元之間的約束關(guān)系和索引。

1.3 基于XML知識描述語言

由于網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)是基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)同環(huán)境下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式，所以采用XML描述語言作為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識的描述和表達(dá)手法，從而可以達(dá)到設(shè)計(jì)知識及其在Web上的架構(gòu)、基于Web非靜態(tài)知識表達(dá)和共享結(jié)構(gòu)的建立。XML即可擴(kuò)展標(biāo)記語言(extensible markup language)，是W3C的推薦標(biāo)準(zhǔn)，是一種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)記語言，是當(dāng)前處理結(jié)構(gòu)化文檔信息的有力工具。傳輸數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)是它的設(shè)計(jì)宗旨，使用一系列自定義的標(biāo)簽來描述數(shù)據(jù)。XML不僅可以適用于多個面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫相互之間的文檔信息交流，同時也可以作用在傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間進(jìn)行交換信息。

2 基于XML的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)知識表達(dá)模板設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)中的知識表現(xiàn)形式包括數(shù)據(jù)表格類、語言類、圖紙類、圖形類、設(shè)計(jì)規(guī)則類。

2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表格類知識表達(dá)模型

表格式表達(dá)方式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)清晰，方便查閱。表格式表達(dá)方式適合簡單的多個基本屬性的產(chǎn)品信息表達(dá)，如產(chǎn)品零件的基本信息、采購信息等大量雷同知識。產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表知識表達(dá)模型如表2所示。表格應(yīng)用示例如表3所示。識用的較多的知識表示方法主要有:一階謂詞邏輯表示法，產(chǎn)生式表示法，框架表示法，語義網(wǎng)絡(luò)表示法，腳本表示法，過程表示法，Petri網(wǎng)表示法，面向?qū)ο蟊硎痉?。由于不一樣類型的知識具有不一樣的特性，而每一種表達(dá)方法同樣也有其本身的特點(diǎn)。因此，有些知識會采用其中一種方法表示，也有的知識需要多種方法結(jié)合起來共同表示。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識的特點(diǎn)，一般需要用語言類表達(dá)知識一下幾類:概念性知識、原理性知識、規(guī)范條約性知識等幾大類。產(chǎn)品設(shè)計(jì)語言類知識表達(dá)模型可定義為:

表2 數(shù)據(jù)表表達(dá)模型Tab.2 Data table expression model

表3 軸承參數(shù)Tab.3 Bearing parameter

定義2:產(chǎn)品設(shè)計(jì)語言類知識表達(dá)模型

其中Id:編號用來唯一標(biāo)識知識對象;Name:名稱用來識別知識;Basic attribute:基本屬性;Extended attribute:自身特有的擴(kuò)展屬性。

根據(jù)不同知識類別，我們對語言類知識表達(dá)模型進(jìn)行擴(kuò)展。

定義3:產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念性知識表達(dá)模型

其中Picture:簡圖;Function:功能簡介;History:簡史和背景;Category:分類;Composition:組成或構(gòu)成;Instance:對應(yīng)的實(shí)例連接;Oneself:自定義屬性。

定義4:產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范性知識表達(dá)模型

其中Develop:標(biāo)準(zhǔn)的制訂單位和人員;Scope:標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍;Time:標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施時間;Definition:

2.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)語言類知識表達(dá)模型

任何知識的表達(dá)都離不開語言知識，語言無處不在，像產(chǎn)品構(gòu)件介紹，設(shè)計(jì)手冊中的規(guī)范條例、注意事項(xiàng)等等方面都離不開語言表達(dá)。目前語言類知標(biāo)準(zhǔn)的定義主體。

語言類知識同樣以軸承概念知識進(jìn)行示例:

編號:＊＊＊＊

名稱:軸承

簡圖:

歷史發(fā)展:早期的直線運(yùn)動軸承形式，就是在一排撬板下放置一排木桿。

功能:它的主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其運(yùn)動過程中的摩擦系數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度。

分類:可分為滑動軸承和滾動軸承兩類。

2.3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖形類知識表達(dá)模型

產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識中包含許多圖形知識，如產(chǎn)品簡圖、設(shè)計(jì)流程圖、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖等等不同類型不同樣式的圖形。采用四元基礎(chǔ)模型表達(dá)圖形知識，各具特點(diǎn)的圖形在四元基礎(chǔ)模型上分別再擴(kuò)充和表達(dá)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖形類知識表達(dá)模型可定義為:

定義5:產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖形知識表達(dá)模型可定義為:

其中Id:圖形編號用來唯一標(biāo)識圖形對象; Name:圖形名稱用來識別圖形;Parameter:圖形屬性參數(shù);Instance:圖形關(guān)聯(lián)用來記錄從屬于本設(shè)計(jì)哪一類別知識或?qū)嵗?/p>

2.4 產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙類知識表達(dá)模型

圖紙知識的模型首先要包含圖形知識模型，并滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的圖形處理的各種要求。這需要包括，圖紙層次處理、顏色處理、線性處理、以及圖塊處理等。由于圖紙需要不斷的修改等原因，需要表達(dá)模型支持圖紙信息設(shè)計(jì)參數(shù)與圖紙并存和同一數(shù)據(jù)庫中多幅圖紙的共同存在。產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙類知識的表達(dá)模型可定義為:

定義6:產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙類知識的表達(dá)模型

其中Id:圖紙編號用來唯一標(biāo)識圖紙對象; Name:圖紙名稱用來識別圖形;Parameter:圖紙屬性參數(shù);Gradation:圖紙的圖層信息;Line font:圖紙的性形信息;Segment:圖紙的圖塊信息;Substance:圖紙實(shí)體或?qū)嶓w鏈接;Instance:圖形關(guān)聯(lián)用來記錄從屬于本設(shè)計(jì)哪一類別知識或?qū)嵗?/p>

2.5 產(chǎn)品設(shè)計(jì)模板類知識表達(dá)模型

表達(dá)模板是從類似實(shí)例中提取的一種具有框架型模型，通過對事物之間的相類似的泛化及抽象而得出，與它相對應(yīng)的實(shí)例具可以看作是表達(dá)模板在實(shí)際應(yīng)用中的體現(xiàn)。其中:元模板是指規(guī)模較小，功能獨(dú)立，是處于最底層不可再分的模板。高級模板是指多個元模板復(fù)合而成。元模板經(jīng)過合并、拆分、繼承等操作得到的復(fù)雜模板。產(chǎn)品設(shè)計(jì)模板類知識表達(dá)模型可定義為:

定義7:產(chǎn)品設(shè)計(jì)模板類知識表達(dá)模型

其中:Template:是指模板Id:模板編號用來唯一標(biāo)識模板對象;Name:模板名稱用來識別模板; Oneself graphics:模板主體圖形即合成模板的整體效果圖;Parameter:模板屬性參數(shù);Contains:模板所包含的子模板;Operation:對模板的操作修改記錄; Constraint:對模板的規(guī)則約束;Instance:模板關(guān)聯(lián)用來記錄從屬于哪一類別實(shí)例。

模板具有運(yùn)算性，基本運(yùn)算有提取、組合、消減等使用操作，根據(jù)操作的特點(diǎn)把操作手法總結(jié)為運(yùn)算模式，可以分為并運(yùn)算、交運(yùn)算、差運(yùn)算、替運(yùn)算等。

(1)并運(yùn)算指模板的疊加或組合運(yùn)算，如圖2(a).

運(yùn)算公式:T1+T2=T3(T1和T2是其他元模板或組合模板)。

性質(zhì)1:交換性:T2+T1=T1+T2.

性質(zhì)2:結(jié)合性:T1+(T2+T3)=(T1+T2)+T3.

(2)交運(yùn)算指兩個模板的交叉運(yùn)算，從不同模板提取元模板組成新的模板操作，如圖2(b).

運(yùn)算公式:T3=T1×T2.

性質(zhì)1:交換性T1×T2=T2×T1.

性質(zhì)2:結(jié)合性T1×(T2×T3)=(T1×T2)×T2.

(3)差運(yùn)算指從模板中減去其中的一部分模板，如圖2(c)。

運(yùn)算公式:T3=T1-T2(T1包含T2)

(4)替運(yùn)算是指用兩個模板相互替換，替換和被替換的模板必須是同級模板，如圖2(d).

運(yùn)算公式:T2=Change(T1，T11，T12);(T11屬于T1，T11與T12是同等級別)。

即T2=T1-T11+T12.

圖2 模板的基本運(yùn)算Fig.2 The basic operations of template

3 基于XML的模板運(yùn)用實(shí)例

采取汽車設(shè)計(jì)知識表達(dá)作為一個例子，對于大型的設(shè)計(jì)系統(tǒng)常?？梢赃M(jìn)行分級分解，把一個復(fù)雜的設(shè)計(jì)系統(tǒng)分解成多級結(jié)構(gòu)，從而降低了我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)難度。以車輛的設(shè)計(jì)為例，一級系統(tǒng)可以分為車身、動力系統(tǒng)、剎車制動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)等;對于動力系統(tǒng)進(jìn)行再分解可以得到二級子系統(tǒng)如發(fā)動機(jī)、變速箱等。

以下示例車輛車身的基本模板結(jié)構(gòu):

采用XML描述的車輛車身基本模板的實(shí)例片段如下所示，鑒于文章篇幅所限，僅列出部分文件內(nèi)容。車身模板實(shí)例的XML描述如下:

4 結(jié)論

知識的分類體系根據(jù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識的特點(diǎn)總結(jié)分類，對現(xiàn)有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有通用性和指導(dǎo)性。XML在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同環(huán)境中取得了較好的應(yīng)用效果，它增強(qiáng)了模板文件的可讀性，使文件結(jié)構(gòu)更清晰;同時它提高了設(shè)計(jì)中文件在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸效率，減少了傳輸量，為文件的擴(kuò)展性提供了可行性。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)和協(xié)同設(shè)計(jì)的傳輸性，模板技術(shù)大大減少傳輸信息量，提高實(shí)時共享效率，給網(wǎng)絡(luò)協(xié)同環(huán)境下產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展提供了新的視角。模板技術(shù)的引入大大提高了實(shí)例性知識的可重復(fù)性使用，和再異構(gòu)性設(shè)計(jì)。同時，有關(guān)知識表達(dá)模型和協(xié)同模板理論和技術(shù)仍不成熟，在知識提取及靈活運(yùn)用等多方面面臨更多的挑戰(zhàn)和考驗(yàn)。

[1]陳寒梅.協(xié)同設(shè)計(jì)中知識沖突消解機(jī)制及其應(yīng)用研究[D].太原:太原科技大學(xué)，2010.

[2]陳寒梅，郭銀章.挖掘機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)中知識沖突管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32(1):358-361.

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[6]劉曉平，石慧.模板技術(shù)在CAD領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用框架探討[J].科技導(dǎo)報(bào)，2008，26(10):87-92.

[7]李曉娟，郭銀章.復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34(1):21-27.

Expression and Product Design Knowledge Sharing System in Web-Based Collaborative Design

LIU Yong，GUO Ying-zhang
(School of Computer Science and Technology，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

This paper proposes a collaborative environment that is suitable for the implementation of product design knowledge sharing knowledge classification system and the knowledge representation model on the basis of the analysis of product design knowledge management features in the networked collaborative environment.According to the characteristics of networked collaborative environment knowledge sharing，product design knowledge could be divided into six types，such as knowledge of characteristic parameters，the knowledge structure of products，principle knowledge，exemplary knowledge，design normative knowledge，experiential knowledge.Based on the design of knowledge expression system，shared knowledge can be divided into data table，the language data，graphics，drawings，template class five kinds of expression，and USES the hierarchical XML description language，all kinds of knowledge and the expression of the template.

collaborative design，product design knowledge，pnowledge classification，knowledge representation，template technology

TP391.72

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.04.006

1673-2057(2015)04-0268-05

2014-12-03

山西省自然科學(xué)基金資助(2012011015-5)

劉勇(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)協(xié)同環(huán)境下產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識的表達(dá)與共享體系。