基于知識推送的設(shè)計輔助系統(tǒng)

姜 浩，高秀會，吳瑞蘭，楊柳瑩，郭 琳

（中國空間技術(shù)研究院 通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

0 引言

伴隨著知識經(jīng)濟和人工智能時代的到來，知識日益成為一個企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的核心競爭力。知識作為重要的生產(chǎn)要素，其使用的效率對于企業(yè)運行的影響正日益顯現(xiàn)。在企業(yè)中，由于設(shè)計、制造、試驗等活動會產(chǎn)生大量的知識，如設(shè)計報告、試驗數(shù)據(jù)、三維模型、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、論文專利等。當(dāng)前大部分企業(yè)都已建立自己的知識庫，但隨著知識庫的日益豐富，設(shè)計師獲取知識的成本日益增長，甚至在海量的知識資源中迷航難以找到有效的設(shè)計知識。另一方面，設(shè)計知識堆積在知識庫中，沒有與設(shè)計業(yè)務(wù)建立有效關(guān)聯(lián)，使得知識的產(chǎn)生，檢索，重用與設(shè)計活動相互割裂，難以有效支持設(shè)計活動。為提高知識的使用效率，知識推送技術(shù)正日益成為一個熱點研究領(lǐng)域，即在適當(dāng)?shù)臅r間、適當(dāng)?shù)那榫皩⑦m當(dāng)?shù)闹R推送給知識需求者[1]。

為提高知識重用和工程設(shè)計的效率，國內(nèi)外的學(xué)者開展了豐富的研究和實踐。顧新建等正對設(shè)計設(shè)計活動中知識數(shù)量大、知識分散、推送有效性低的問題基于本體和粗糙集結(jié)合設(shè)計者知識需求推送設(shè)計知識[2]。王占松等對設(shè)計意圖進行建模，通過建立設(shè)計知識與設(shè)計意圖的映射關(guān)系，實現(xiàn)設(shè)計知識的精確推送[3]。馮毅雄等針對設(shè)計流程驅(qū)動的知識推送中，設(shè)計者知識需求差異問題，提出基于語義特征分析的知識推送方法[4]。樂承毅等從知識屬性、流程、領(lǐng)域三個方面描述企業(yè)知識，構(gòu)建基于業(yè)務(wù)流程的設(shè)計知識推送架構(gòu)，并探討了知識推送的匹配算法[5]。張發(fā)平等對設(shè)計業(yè)務(wù)情境進行分析，構(gòu)建多維層次情境模型，通過設(shè)計知識與設(shè)計情境間多對多的映射關(guān)系實現(xiàn)知識匹配和推送[6]。徐榮振等利用頻繁模式挖掘技術(shù)分析知識使用情況，發(fā)現(xiàn)設(shè)計任務(wù)所對應(yīng)的頻繁應(yīng)用知識，通過相似度計算針對設(shè)計任務(wù)推送設(shè)計知識給使用者[7]。莫容等認(rèn)為在工藝制造過程中加工特征的變化才是工藝知識的載體，提出幾何特征演變驅(qū)動的機加工藝知識表達(dá)和推送方法[8]。

以上研究針對知識推送中的各種問題提出了各具特色的匹配方法，提高了知識推送的準(zhǔn)確率。但大多是在設(shè)計工作之外構(gòu)建一個獨立的知識推送系統(tǒng)，需要設(shè)計者在設(shè)計過程中不斷地在設(shè)計工具和知識推送系統(tǒng)之間切換，一方面其打斷了設(shè)計者的設(shè)計工作，另一方面需引起設(shè)計者在知識推送系統(tǒng)中輸入一定的信息用于定位當(dāng)前知識需求，增加了設(shè)計者的工作量。本文提出一種基于知識推送的設(shè)計輔助系統(tǒng)，將知識推送系統(tǒng)與設(shè)計工具集成起來，使得設(shè)計知識可以直接推送到設(shè)計工具中，進一步提高設(shè)計知識的使用效率。本文構(gòu)建的基于知識推送的設(shè)計輔助系統(tǒng)，首先對設(shè)計業(yè)務(wù)進行建模，構(gòu)建設(shè)計業(yè)務(wù)工作流模型，然后梳理設(shè)計活動所需要的設(shè)計知識，建立設(shè)計知識與設(shè)計活動的多對多映射，最后依據(jù)設(shè)計者當(dāng)前所進行的設(shè)計活動解析出其知識需求，將設(shè)計知識推送到CATIA中。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 功能架構(gòu)

基于知識推送的設(shè)計輔助系統(tǒng)主要包括知識管理、知識推送、研發(fā)管理、協(xié)同工作臺、個人空間、系統(tǒng)管理、CATIA七個部分組成，如圖1所示。

圖1 基于知識推送的設(shè)計輔助系統(tǒng)功能架構(gòu)

1）知識管理

知識管理模塊具有知識模板管理、知識分類管理、領(lǐng)域術(shù)語管理、知識檢索應(yīng)用、知識審批管理、知識模板管理、知識關(guān)聯(lián)應(yīng)用七個方面的功能，實現(xiàn)知識的積累與創(chuàng)新、設(shè)計工作的高效與規(guī)范，以及知識與設(shè)計工作的有機融合。知識管理模塊為企業(yè)的研發(fā)知識資源提供組織和管理環(huán)境，為全體設(shè)計參與人員提供研發(fā)知識創(chuàng)建、積累、沉淀、共享、學(xué)習(xí)和應(yīng)用的支撐環(huán)境，收集CATIA中產(chǎn)生的設(shè)計知識，同時依據(jù)設(shè)計流程將設(shè)計者所需要的設(shè)計知識推送到CATIA中供設(shè)計者使用。

2）個人空間

個人空間是個人任務(wù)的集中展示中心，設(shè)計人員能夠通過首頁了解到個人相關(guān)的推薦知識、審批任務(wù)、工作任務(wù)等。個人空間模塊中知識空間的數(shù)據(jù)由知識管理模塊提供，個人信息數(shù)據(jù)由系統(tǒng)管理模塊提供，任務(wù)管理數(shù)據(jù)由協(xié)同工作平臺提供，消息管理數(shù)據(jù)由知識管理、系統(tǒng)管理、協(xié)同工作臺和研發(fā)管理共同提供。

3）研發(fā)管理

研發(fā)管理與具體設(shè)計任務(wù)相結(jié)合，充分調(diào)度人力物力資源，規(guī)范、有序完成研發(fā)工作，用于實現(xiàn)專業(yè)間的任務(wù)協(xié)同、數(shù)據(jù)協(xié)同。研發(fā)管理以WBS為基礎(chǔ)，并在WBS的任務(wù)包基礎(chǔ)上，完成工作活動的分解和策劃。在與知識管理、協(xié)同工作平臺模塊的協(xié)同工作中，完成工作活動的創(chuàng)建、執(zhí)行及監(jiān)控。

4）協(xié)同工作平臺

協(xié)同工作臺是研發(fā)人員完成工作任務(wù)的統(tǒng)一工作環(huán)境，關(guān)注于設(shè)計任務(wù)的執(zhí)行層面，為設(shè)計人員提供數(shù)據(jù)傳輸管理，控制設(shè)計活動間的文件、信息傳遞。協(xié)同流程管理支持設(shè)計者構(gòu)建協(xié)同工作流程，并建立設(shè)計工具和設(shè)計知識與設(shè)計任務(wù)執(zhí)行的關(guān)聯(lián)，為設(shè)計任務(wù)在設(shè)計者之間流轉(zhuǎn)和知識推送提供支持。

5）系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理是維持整個平臺運行的基礎(chǔ)管理中心，實現(xiàn)對組織機構(gòu)、角色、用戶、權(quán)限、系統(tǒng)日志等數(shù)據(jù)的管理和維護。

6）知識推送

知識管理模塊對知識庫中的設(shè)計知識進行組織和維護，協(xié)同工作平臺建立設(shè)計知識與設(shè)計任務(wù)的多對多映射關(guān)系。在設(shè)計者進行某項設(shè)計活動時，通過知識推送將相關(guān)知識同送到設(shè)計者使用的CATIA軟件中。

7）CATIA應(yīng)用

CATIA應(yīng)用是設(shè)計者使用和產(chǎn)生知識的場所，是知識應(yīng)用的起點和終點。設(shè)計者使用CATIA進行三維建模完成設(shè)計任務(wù)。系統(tǒng)依據(jù)設(shè)計者當(dāng)前進行的設(shè)計活動，將設(shè)計知識推送到CATIA中，設(shè)計者完成設(shè)計后的三維模型也將作為設(shè)計知識被知識管理模塊統(tǒng)一管理。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

基于知識推送的設(shè)計輔助系統(tǒng)采用遵循Java EE平臺標(biāo)準(zhǔn)的B/S結(jié)構(gòu)，便于用戶通過Web瀏覽器進行訪問和使用。此外，系統(tǒng)提供了C/S風(fēng)格的客戶端設(shè)計工作環(huán)境，便于與設(shè)計師的CAD、CAE等設(shè)計工具進行無縫集成和交互。平臺支持Oracle等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，并能在Windows、LINUX等主流操作系統(tǒng)下運行。平臺支持JBoss等主流Java EE中間件服務(wù)器，并滿足系統(tǒng)集群及分布式部署。

平臺應(yīng)用采用經(jīng)典的三層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層的分離。這種體系將業(yè)務(wù)規(guī)則、數(shù)據(jù)訪問及合法性校驗等工作放在業(yè)務(wù)層處理。客戶端不直接與數(shù)據(jù)庫交互，而是通過組件與中間層建立連接，再由中間層與數(shù)據(jù)庫交互。

平臺框架層，在各項基礎(chǔ)服務(wù)上，還提供了組件對象服務(wù)接口集：基于微軟COM/DCOM技術(shù)的統(tǒng)一對象接口集，通過這些接口集消除不同服務(wù)和不同編程語言之間的技術(shù)差異，高效的支持了上層應(yīng)用服務(wù)的協(xié)調(diào)運作，實現(xiàn)了不同服務(wù)和應(yīng)用之間的通信與整合。

在平臺框架層和應(yīng)用框架層之間，數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，為整個平臺數(shù)據(jù)相關(guān)功能的模塊單元提供支持。數(shù)據(jù)中心存儲數(shù)據(jù)分為兩部分，一部分是各個子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，另一部分是基礎(chǔ)庫的數(shù)據(jù)，包括模板庫、組件庫、文檔庫、工具庫等等。

應(yīng)用框架層提供系統(tǒng)的核心功能包括知識管理、研發(fā)管理、協(xié)同工作臺、個人空間、系統(tǒng)管理。應(yīng)用框架層的上方，提供了業(yè)務(wù)擴展，包括CATIA知識推送、CATIA知識沉淀，實現(xiàn)設(shè)計輔助系統(tǒng)與CATIA的集成，為系統(tǒng)的擴展性和開放性提供保證。如圖2所示。

圖2 基于知識推送的設(shè)計輔助系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

2 基于設(shè)計流程的知識關(guān)聯(lián)與推送

為實現(xiàn)知識推送進而對設(shè)計提供支持，需要建立知識與設(shè)計流程之間的關(guān)聯(lián)。本文中將這一過程分為四個部分：知識聚集、知識關(guān)聯(lián)、知識應(yīng)用和知識推送，如圖3所示。

圖3 基于設(shè)計流程的知識關(guān)聯(lián)與推送

當(dāng)前大多數(shù)企業(yè)已經(jīng)擁有多種信息化系統(tǒng)，設(shè)計知識分散在不同的信息化系統(tǒng)中或者數(shù)據(jù)庫中。為實現(xiàn)對設(shè)計過程知識的推送，首先需要將散落在各個信息化系統(tǒng)中的設(shè)計知識聚集起來并重新組織。知識聚集將模型庫、文檔庫、標(biāo)準(zhǔn)庫等數(shù)據(jù)庫中的設(shè)計知識按照技術(shù)領(lǐng)域進行重新組織，如總體布局、熱設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等。

基于設(shè)計流程的知識推送的核心是建立設(shè)計知識與設(shè)計流程之間的關(guān)聯(lián)。由于在知識聚集中已經(jīng)將知識按照設(shè)計領(lǐng)域重新組織，因此在建立知識關(guān)聯(lián)時需要建立設(shè)計流程與領(lǐng)域知識之間的關(guān)聯(lián)。一個設(shè)計流程可能對應(yīng)一個或多個領(lǐng)域，設(shè)計師梳理設(shè)計活動所需要的知識，從設(shè)計領(lǐng)域中選擇設(shè)計知識與設(shè)計流程建立關(guān)聯(lián)。

系統(tǒng)為設(shè)計者提供多種知識應(yīng)用，如知識檢索、知識地圖、知識評價、知識收藏、知識問答和知識評價。最后，將已與設(shè)計流程建立了關(guān)聯(lián)的知識包推送到CATIA中，為設(shè)計者提供設(shè)計支持，設(shè)計者設(shè)計過程中產(chǎn)生的設(shè)計知識如模型、文檔等通過知識沉淀保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

3 原型系統(tǒng)與應(yīng)用實例

本文以某零件的設(shè)計過程驗證知識推送的可行性。為實現(xiàn)基于設(shè)計流程的知識推送，首先需要構(gòu)建設(shè)計流程，并建立流程與設(shè)計知識的關(guān)聯(lián)。如圖4所示，本系統(tǒng)提供一個圖形化的建模工具。設(shè)計者以零件設(shè)計為例構(gòu)建設(shè)計流程，在建模時定義設(shè)計活動的名稱、描述、輸入、輸出并從領(lǐng)域知識中關(guān)聯(lián)相關(guān)知識。圖5中是設(shè)計師構(gòu)建完成的典型零件設(shè)計流程，包括7個設(shè)計活動，分別是需求/接口分析、重量優(yōu)化、操作性設(shè)計、工藝性設(shè)計、干涉與操作檢查、力學(xué)分析、設(shè)計報告。圖5中流程下方是流程的關(guān)聯(lián)知識，其中設(shè)計活動關(guān)聯(lián)的設(shè)計知識將會推送到CATIA中，如圖6所示。圖6中，系統(tǒng)將工藝性設(shè)計的相關(guān)知識推送到CATIA中供設(shè)計師參考。

圖4 圖形化流程建模工具

圖5 零件設(shè)計流程

圖6 工藝知識推送

4 結(jié)束語

本文首先提出了基于知識推送的設(shè)計輔助系統(tǒng)的功能架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)，功能架構(gòu)主要包括知識管理、知識推送、研發(fā)管理、協(xié)同工作臺、個人空間、系統(tǒng)管理和CATIA七大功能，實現(xiàn)CATIA與設(shè)計輔助系統(tǒng)的集成，將設(shè)計知識推送至CATIA中支持設(shè)計師設(shè)計。本文通過知識聚集將多種異構(gòu)數(shù)據(jù)庫中的設(shè)計知識按照設(shè)計領(lǐng)域進行重組，然后建立設(shè)計流程和設(shè)計活動與設(shè)計知識的多對多映射關(guān)系，最后通過知識推送依據(jù)設(shè)計師當(dāng)前的設(shè)計活動將設(shè)計知識推送到CATIA中。最后本文以某零件設(shè)計為例，構(gòu)建設(shè)計流程，關(guān)聯(lián)設(shè)計知識，將機加工工藝知識推送到CATIA中。在進一步研究中，將著重解決設(shè)計知識與設(shè)計活動、流程的自動關(guān)聯(lián)技術(shù)以及針對設(shè)計者個體的設(shè)計知識定制推送技術(shù)。

參考文獻：

[1]Xin Z Y,Zhao J Z, Chi C H, Sun J G. Information program generation for Webcasting[J].Data & Knowledge Engineering, 2004,49(1):1-21.

[2]吉祥,顧新建,代風(fēng),樂承毅,徐福緣.基于本體和粗糙集的產(chǎn)品設(shè)計知識推送技術(shù)[J].計算機集成制造系統(tǒng),2013,19(1):7-20.

[3]王占松,田凌,段文睿.基于設(shè)計意圖建模的知識推送技術(shù)[J].計算機集成制造系統(tǒng),2015,21(3):606-617.

[4]馮毅雄,張舜禹,高一聰,程錦,譚建榮.基于特征語義分析的數(shù)控機床設(shè)計知識精確智能推送方法[J].計算機集成制造系統(tǒng),2016,22(1):189-201.

[5]樂承毅,代風(fēng),吉祥,潘凱,顧新建,彭本紅.基于流程驅(qū)動的領(lǐng)域知識主動推送研究[J].計算機集成制造系統(tǒng),2010,16(12):2720-2727.

[6]張發(fā)平,李麗.基于多維層次情境模型的業(yè)務(wù)過程知識推送方法研究[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報,2017,29(4):751-758.

[7]徐榮振,高崎,王昊,徐廷.基于序列模式挖掘的變型設(shè)計知識推送[J].計算機集成制造系統(tǒng),2016,22(5):1179-1186.

[8]李春磊,莫容,常智勇,楊海成,張棟梁,向穎.幾何演變驅(qū)動的機加工藝知識表示與推送[J].計算機集成制造系統(tǒng),2016,22(6):1434-1446.