基于知識(shí)關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品知識(shí)聚類(lèi)集成模型研究

陳華為，高　琦，王超宇

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

基于知識(shí)關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品知識(shí)聚類(lèi)集成模型研究

陳華為，高琦，王超宇

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

針對(duì)當(dāng)前通用設(shè)計(jì)與專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)能力與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)之間存在的壁壘，提出了基于功能設(shè)計(jì)和基于案例設(shè)計(jì)的知識(shí)推送方案并搭建了基于語(yǔ)義知識(shí)共現(xiàn)技術(shù)與反饋網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品模糊知識(shí)聚類(lèi)集成模型。借助知識(shí)共現(xiàn)技術(shù)與知識(shí)功能語(yǔ)義檢索技術(shù)，構(gòu)建了產(chǎn)品代碼及標(biāo)準(zhǔn)匹配知識(shí)模塊和產(chǎn)品功能語(yǔ)義關(guān)聯(lián)模塊，利用粗糙集理論，提出產(chǎn)品類(lèi)別關(guān)聯(lián)方法和網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)建了產(chǎn)品聚類(lèi)及權(quán)重調(diào)整模塊，以調(diào)整關(guān)聯(lián)度的方式利用用戶(hù)反饋對(duì)知識(shí)關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)實(shí)例對(duì)該模型的檢索流程和效果進(jìn)行了分析與驗(yàn)證。

知識(shí)關(guān)聯(lián)；產(chǎn)品知識(shí)；知識(shí)聚類(lèi)集成模型

0　引言

隨著制造業(yè)的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)逐漸啞鈴化，企業(yè)面臨的制造能力過(guò)剩，產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力不足等問(wèn)題越發(fā)凸顯出來(lái)。與此同時(shí)，產(chǎn)品復(fù)雜性不斷提高，并朝個(gè)性化方向快速發(fā)展，也使設(shè)計(jì)難度迅速增加［1］。因此，對(duì)于如何提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力，尤其是對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力及創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，并有效的降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本，已經(jīng)成為行業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)攻關(guān)的問(wèn)題之一。

針對(duì)上述這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外不同領(lǐng)域的學(xué)者在各個(gè)角度進(jìn)行了大量的研究工作。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論方面，相繼出現(xiàn)了TRIZ理論［2］、質(zhì)量功能配置（Quality Function Deployment， QFD）［3］、TQCS（E）［4］、公理化設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)理論［5］；在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法方面，謝友柏等特別注重產(chǎn)品功能與產(chǎn)品質(zhì)量，將兩者歸為產(chǎn)品性能，并提出以性能驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法［6，7］；聞邦椿等將產(chǎn)品剖析為兩大功能（主要功能與輔助功能）和三大性能（結(jié)構(gòu)性能、工作性能和工藝性能），并在此基礎(chǔ)上提出產(chǎn)品全功能及全性能設(shè)計(jì)方法［8，9］。此外，F(xiàn)BS［10］，不同維度與不同視角的并行設(shè)計(jì)方法的提出［1］，也在很大程度上豐富和完善了產(chǎn)品設(shè)計(jì)體系，促進(jìn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究的發(fā)展。但是，這些研究或多或少地存在如下不足：1）忽視了設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的相關(guān)性，往往重設(shè)計(jì)而輕生產(chǎn)，使得設(shè)計(jì)游離與生產(chǎn)之外，削弱了對(duì)行業(yè)的指導(dǎo)意義；2）缺乏設(shè)計(jì)能力向產(chǎn)品轉(zhuǎn)換的途徑的研究，使得大量?jī)?yōu)秀的設(shè)計(jì)能力與設(shè)計(jì)資源無(wú)法向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化；3）沒(méi)有考慮到通用設(shè)計(jì)與專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)人員與制造企業(yè)之間的知識(shí)壁壘與經(jīng)驗(yàn)壁壘，易造成總體設(shè)計(jì)資源匱乏而局部設(shè)計(jì)能力過(guò)剩的問(wèn)題。

1　產(chǎn)品模糊知識(shí)聚類(lèi)集成模型構(gòu)建

產(chǎn)品模糊知識(shí)聚類(lèi)集成模型由產(chǎn)品代碼及標(biāo)準(zhǔn)匹配知識(shí)模塊、產(chǎn)品功能語(yǔ)義關(guān)聯(lián)模塊和產(chǎn)品聚類(lèi)及權(quán)重調(diào)整模塊組成（如圖1所示）。

圖1　基于語(yǔ)義知識(shí)共現(xiàn)技術(shù)與反饋網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品模糊知識(shí)聚類(lèi)集成模型

產(chǎn)品代碼及標(biāo)準(zhǔn)匹配知識(shí)模塊：以專(zhuān)利知識(shí)庫(kù)、HS產(chǎn)品編碼庫(kù)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，利用語(yǔ)義知識(shí)共現(xiàn)技術(shù)［12］，將產(chǎn)品編碼、通用標(biāo)準(zhǔn)與專(zhuān)利代碼進(jìn)行匹配，為知識(shí)功能語(yǔ)義檢索與產(chǎn)品聚類(lèi)提供數(shù)據(jù)支撐。

產(chǎn)品功能語(yǔ)義關(guān)聯(lián)模塊：借助知識(shí)功能語(yǔ)義檢索模型［11］對(duì)功能本體進(jìn)行深度挖掘，采用“功能+流”的方式對(duì)知識(shí)進(jìn)行語(yǔ)義識(shí)別并將其規(guī)范化，以“共指關(guān)系索引-檢索本體-設(shè)計(jì)知識(shí)”的方式對(duì)知識(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)與表達(dá)，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能關(guān)聯(lián)聚類(lèi)的核心計(jì)算模塊。

產(chǎn)品聚類(lèi)及權(quán)重調(diào)整模塊：利用粗糙集理論，在產(chǎn)品代碼及標(biāo)準(zhǔn)匹配的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品類(lèi)別進(jìn)行聚類(lèi)，并與知識(shí)功能語(yǔ)義關(guān)聯(lián)模塊進(jìn)行整合，從在產(chǎn)品功能關(guān)聯(lián)、產(chǎn)品類(lèi)別關(guān)聯(lián)兩個(gè)平面分別對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行聚類(lèi)，構(gòu)建產(chǎn)品關(guān)聯(lián)體，并基于用戶(hù)反饋不斷調(diào)整關(guān)聯(lián)權(quán)重［13］，最終形成穩(wěn)定的產(chǎn)品關(guān)聯(lián)體系，從而完成對(duì)現(xiàn)有相關(guān)產(chǎn)品及參數(shù)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)專(zhuān)利等的知識(shí)推送。

2　產(chǎn)品知識(shí)關(guān)聯(lián)體系構(gòu)建

2.1產(chǎn)品代碼及標(biāo)準(zhǔn)匹配知識(shí)庫(kù)的建立

1）專(zhuān)利知識(shí)庫(kù)再整理：在已有專(zhuān)利知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上，加入本體元素和流元素，將功能流本體與產(chǎn)品類(lèi)關(guān)鍵詞作為關(guān)聯(lián)屬性。

2）產(chǎn)品編碼庫(kù)再整理：在已有產(chǎn)品編碼庫(kù)的基礎(chǔ)上，加入本體元素、流元素和重要相關(guān)參數(shù)，將功能流本體、產(chǎn)品類(lèi)關(guān)鍵詞作為主要關(guān)聯(lián)屬性，相關(guān)參數(shù)作為輔助關(guān)聯(lián)屬性。

3）產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)構(gòu)建：對(duì)各類(lèi)產(chǎn)品的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行收集整理并賦索引值，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)以產(chǎn)品關(guān)鍵詞作為匹配屬性。

看吧，事情并沒(méi)有想象中那么糟糕。平心靜氣處理的結(jié)果，也許還會(huì)出人意料。所以，“日理萬(wàn)機(jī)”的老師們，與其臣服于消極情緒，被情緒奴役，不如做自己情緒的主人，換一個(gè)角度看問(wèn)題，也許會(huì)有意外收獲。

4）利用關(guān)鍵詞匹配和知識(shí)共現(xiàn)技術(shù)將產(chǎn)品編碼庫(kù)與專(zhuān)利知識(shí)庫(kù)通過(guò)產(chǎn)品類(lèi)關(guān)鍵詞進(jìn)行多對(duì)多關(guān)聯(lián)，利用關(guān)鍵詞匹配將產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中元素與產(chǎn)品編碼庫(kù)中元素進(jìn)行初步匹配（如圖2所示）。

圖2　產(chǎn)品代碼及標(biāo)準(zhǔn)匹配知識(shí)庫(kù)初步匹配結(jié)構(gòu)

2.2產(chǎn)品功能語(yǔ)義關(guān)聯(lián)

產(chǎn)品功能語(yǔ)義關(guān)聯(lián)模塊借助李彥［11］提出并建立的功能語(yǔ)義檢索模型與檢索系統(tǒng)，用“本體+流”的手段，建立共指關(guān)系，對(duì)產(chǎn)品代碼及標(biāo)準(zhǔn)匹配知識(shí)庫(kù)進(jìn)行語(yǔ)義關(guān)聯(lián)和聚類(lèi)。產(chǎn)品代碼及標(biāo)準(zhǔn)匹配知識(shí)庫(kù)對(duì)當(dāng)前已有專(zhuān)利知識(shí)庫(kù)和HS產(chǎn)品編碼庫(kù)進(jìn)行了再整理，加入了本體元素和流元素，以便于產(chǎn)品功能語(yǔ)義關(guān)聯(lián)模塊迅速識(shí)別和聚類(lèi)。同時(shí)，產(chǎn)品功能語(yǔ)義關(guān)聯(lián)模塊對(duì)產(chǎn)品代碼及標(biāo)準(zhǔn)匹配知識(shí)庫(kù)進(jìn)行了二次分析與處理，從而建立較為穩(wěn)定的產(chǎn)品功能關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和匹配網(wǎng)絡(luò)。

2.3產(chǎn)品類(lèi)別關(guān)聯(lián)

產(chǎn)品類(lèi)別關(guān)聯(lián)模型是在粗糙集理論的基礎(chǔ)上，從產(chǎn)品分類(lèi)的角度對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行聚類(lèi)，并對(duì)產(chǎn)品代碼及標(biāo)準(zhǔn)匹配知識(shí)庫(kù)進(jìn)行了二次分析與處理，從而建立較為穩(wěn)定的產(chǎn)品類(lèi)別關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和匹配網(wǎng)絡(luò)。其具體步驟為：

1）產(chǎn)品字典與專(zhuān)利字典的建立：設(shè)d∈D為產(chǎn)品類(lèi)別，t∈T為專(zhuān)利類(lèi)別［11，12］，則可創(chuàng)建數(shù)據(jù)字典A=｛mx:dx|x∈M｝，B=｛ny:ty|y∈N｝。其中，m，n分別為d，t的索引，索引值分別是其HS編碼和專(zhuān)利代碼。

2）求出似然解：根據(jù)粗糙集理論，分別建立dx（x∈M）、ty（y∈N）的對(duì)象集合Udx、Uty和屬性集合Qdx、Qty。對(duì)決策表進(jìn)行約簡(jiǎn)，取不同的屬性組合可得一定的粒度。限制其粗糙度與粗糙隸屬度分別為α和μ，遍歷整個(gè)屬性組合，通過(guò)不斷調(diào)整粒度，可得到一定數(shù)量的似然解。

3）通過(guò)似然解分別對(duì)D和T進(jìn)行聚類(lèi)。

4）針對(duì)某一個(gè)類(lèi)進(jìn)行產(chǎn)品、標(biāo)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)，從而生成“產(chǎn)品元（Product unit）”。產(chǎn)品元包含使用領(lǐng)域與實(shí)物對(duì)象兩個(gè)維度構(gòu)成。因?qū)＠谀承┣闆r下無(wú)法順利轉(zhuǎn)化的原因，故以產(chǎn)品元為核，與大量相關(guān)專(zhuān)利在使用領(lǐng)域、實(shí)物對(duì)象兩個(gè)維度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，生成產(chǎn)品類(lèi)別關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（如圖3所示）。

圖3　產(chǎn)品類(lèi)別關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

2.4產(chǎn)品關(guān)聯(lián)體與權(quán)重調(diào)整

引入關(guān)聯(lián)度（關(guān)聯(lián)權(quán)重），將產(chǎn)品在產(chǎn)品功能、使用領(lǐng)域、實(shí)物對(duì)象三個(gè)維度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可得“產(chǎn)品關(guān)聯(lián)體（Product related body）”（如圖4所示）。用戶(hù)可通過(guò)限制三個(gè)維度的檢索關(guān)聯(lián)度值的大小來(lái)查詢(xún)相關(guān)產(chǎn)品及專(zhuān)利，并可通過(guò)技術(shù)參數(shù)與相關(guān)鏈接全方位獲取產(chǎn)品相關(guān)知識(shí)，快速認(rèn)知該產(chǎn)品并獲取同類(lèi)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)用戶(hù)反饋，調(diào)整對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)權(quán)重，使平臺(tái)在不斷地學(xué)習(xí)當(dāng)中，逐漸確立穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)體系［13］。

圖4　產(chǎn)品關(guān)聯(lián)體

3　實(shí)例分析

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例，利用產(chǎn)品類(lèi)別檢索，通過(guò)數(shù)據(jù)字典，搜索“航空發(fā)動(dòng)機(jī)”，設(shè)置產(chǎn)品關(guān)聯(lián)度為1，即搜索產(chǎn)品本體，可找到產(chǎn)品類(lèi)有渦輪軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)（8411810001）一項(xiàng)，專(zhuān)利類(lèi)有航空器用發(fā)動(dòng)機(jī)（201280015823.0）、空氣壓縮航空發(fā)動(dòng)機(jī)（200510034447.1）、航空螺旋槳矢量發(fā)動(dòng)機(jī)（201010257973.5）等7項(xiàng)，功能流為“產(chǎn)生力”，相關(guān)技術(shù)參數(shù)為：最大加力推力、中間推力、加力耗油率、中間耗油率、推重比、空氣流量、涵道比、總增壓比、渦輪進(jìn)口溫度、最大直徑、長(zhǎng)度、質(zhì)量；利用產(chǎn)品功能檢索，通過(guò)數(shù)據(jù)字典，搜索“產(chǎn)生力”，可得到發(fā)動(dòng)機(jī)（8407320000）、電動(dòng)機(jī)（8501109990）、氣缸（8409919990）等相關(guān)類(lèi)目132項(xiàng)，限制使用領(lǐng)域?yàn)楹娇?，可得到航空剪?203300000）、渦輪軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)（8411810001）、航空鉗（8203200000）、航空磁電機(jī)（8511201000）等8項(xiàng)，選擇渦輪軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)，可給出相關(guān)技術(shù)參數(shù)、功能流等屬性，并給出相關(guān)產(chǎn)品知識(shí)。系統(tǒng)可通過(guò)檢測(cè)用戶(hù)收藏或刪除的類(lèi)目對(duì)產(chǎn)品關(guān)聯(lián)體中的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行調(diào)整。產(chǎn)品檢索流程如圖5所示。

圖5　產(chǎn)品檢索流程

4　結(jié)論

為打破當(dāng)前通用設(shè)計(jì)與專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)能力與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)之間存在的壁壘，從產(chǎn)品案例知識(shí)推送和產(chǎn)品功能知識(shí)推送兩個(gè)角度，借助功能語(yǔ)義檢索模型、知識(shí)共現(xiàn)基礎(chǔ)和粗糙集理論，對(duì)產(chǎn)品知識(shí)進(jìn)行和整合與關(guān)聯(lián)，構(gòu)建“產(chǎn)品元”和“產(chǎn)品體”。在已有創(chuàng)新設(shè)計(jì)服務(wù)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，搭建了基于語(yǔ)義知識(shí)共現(xiàn)技術(shù)與反饋網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品模糊知識(shí)聚類(lèi)集成模型，輔助設(shè)計(jì)人員快速獲得產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，幫助解決通用設(shè)計(jì)能力向?qū)I(yè)設(shè)計(jì)能力、設(shè)計(jì)能力向生產(chǎn)能力的轉(zhuǎn)化缺失的問(wèn)題。最后，通過(guò)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際案例驗(yàn)證了對(duì)其可行性予以驗(yàn)證。

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Research on clustering ensemble model of product knowledge based on knowledge association

CHEN Hua-wei，GAO Qi，WANG Chao-yu

TH391

A

1009-0134（2016）09-0122-04

2016-07-04

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014GZ0121）；四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013GZ0141）

陳華為（1991 -），男，遼寧人，碩士研究生，研究方向?yàn)閯?chuàng)新設(shè)計(jì)。