基于活動本體的產(chǎn)品設(shè)計過程重用方法

王兆華 李春芝

摘 要： 針對產(chǎn)品設(shè)計過程知識重用存在知識描述復(fù)雜、冗余量大以及不易檢索的難點，提出了按照設(shè)計活動來組織設(shè)計過程知識，以設(shè)計活動為單元進行產(chǎn)品設(shè)計過程重用的方法。首先，建立基于知識的設(shè)計活動模型，采用本體方法構(gòu)建設(shè)計活動本體，建立已有產(chǎn)品設(shè)計活動本體庫;其次，通過對本體概念名稱和概念結(jié)構(gòu)相似度計算來進行語義檢索，以解決關(guān)鍵詞檢索的不準確問題;進而提出基于設(shè)計活動本體的產(chǎn)品設(shè)計過程重用模型;最后，以多功能一體機的產(chǎn)品設(shè)計過程重用為例進行驗證，結(jié)果證明了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 設(shè)計活動;本體;產(chǎn)品設(shè)計過程;重用;語義檢索

中圖分類號： TP182

文獻標志碼： A

文章編號：1007-757X（2019）06-0004-05

Abstract： It is very difficult to describe and search design knowledge in the reuse of product design process. Design process knowledge is organized by design activity， thus a reuse method of product design process based on the unit of design activity is proposed. ?First of all， the design activity model based on knowledge is built， and the design activity ontology is constructed by ontology approaches， and the ontology base of design activity is built. And then， the semantic retrieval based on similarity computation of the concept name and structure is proposed to solve the inaccuracy of keyword search. Then the reuse model of product design process is proposed based on design activity ontology. At last， an example of the reuse of all-in-one machine design process is proposed and the result attests the effectiveness of this method.

Key words： Design activity; Ontology; Product design process; Reuse; Semantic retrieval

0?引言

快速變化的市場環(huán)境和顧客個性化需求，要求企業(yè)提高設(shè)計效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。同類型的產(chǎn)品在其功能、結(jié)構(gòu)及其設(shè)計過程等方面存在諸多相似性，對其設(shè)計結(jié)果和過程進行重用將在很大程度上提高設(shè)計效率，改善設(shè)計質(zhì)量，降低設(shè)計成本和優(yōu)化設(shè)計過程。

目前對設(shè)計重用的研究，一個重要的領(lǐng)域就是對產(chǎn)品零部件設(shè)計知識和設(shè)計過程知識進行重用。在產(chǎn)品零部件設(shè)計知識重用方面，Hicks對設(shè)計數(shù)據(jù)、信息、知識的獲取、存儲和重用需求進行了研究[1];Hunter研究了設(shè)計知識表示、重用方法[2];孫璞等提出一種三維工藝知識多粒度表示與重用方法[3];顏端武等提出基于知識組件的產(chǎn)品設(shè)計知識重用方法[4];耿靜、楊志兵[5]等學(xué)者也都提出基于知識重用的零部件和產(chǎn)品設(shè)計。在產(chǎn)品設(shè)計過程知識重用方面，萬立等將產(chǎn)品設(shè)計過程知識分為項目管理知識、領(lǐng)域知識和設(shè)計對象知識三類，提出了設(shè)計過程知識重用模型[6];馮全華等進行了攤鋪機產(chǎn)品全生命周期過程知識重用系統(tǒng)開發(fā)研究[7];石鑫等構(gòu)建面向重用的設(shè)計過程知識領(lǐng)域本體[8， 9];徐顯龍等提出了基于設(shè)計過程知識的設(shè)計過程重用方法，設(shè)計了基于設(shè)計過程知識的設(shè)計過程重用流程[10]。

以上基于知識的設(shè)計重用，可以實現(xiàn)知識的面向?qū)ο蠼Ｅc集成，具有較強的可擴展性，但也存在不足之處，如知識描述復(fù)雜、冗余量大，對于復(fù)雜產(chǎn)品來說不易于知識的檢索和重用[11]。產(chǎn)品設(shè)計過程是指設(shè)計組織為完成產(chǎn)品設(shè)計工作而進行的活動序列。設(shè)計活動是組成產(chǎn)品設(shè)計過程的基本單元。產(chǎn)品設(shè)計過程的重構(gòu)可以看作組成過程的設(shè)計活動數(shù)量、種類、順序和關(guān)系進行重新組合。針對以上知識重用的難點，本文以設(shè)計活動作為過程重用的單元，按照設(shè)計活動來組織設(shè)計過程知識，建立基于本體的設(shè)計活動模型，通過對設(shè)計活動的重用來構(gòu)建新的產(chǎn)品設(shè)計過程，提高設(shè)計效率。

1?產(chǎn)品設(shè)計活動

1.1?產(chǎn)品設(shè)計活動的定義及要素分析

定義?設(shè)計活動（design activity）是指為了實現(xiàn)一定的設(shè)計目標，在一定資源和約束條件下，設(shè)計團隊使用設(shè)計工具和方法對設(shè)計對象執(zhí)行某種設(shè)計行為的過程。產(chǎn)品設(shè)計過程可以分為不同的設(shè)計階段，每個設(shè)計階段由不同的設(shè)計活動組成。為了對這些設(shè)計活動進行重用，需要對設(shè)計活動進行分類，分辨出設(shè)計活動之間的區(qū)別與聯(lián)系，識別出設(shè)計活動與已有的設(shè)計活動實例的相同點與異同點。現(xiàn)代設(shè)計過程具有并行性、分布性以及網(wǎng)絡(luò)化等特征，難以用一個靜態(tài)的框架或標準將設(shè)計活動分類，只有通過提取設(shè)計活動內(nèi)部要素，并分析要素間的關(guān)系對設(shè)計活動加以研究。

根據(jù)設(shè)計活動的定義，對其中涉及到的設(shè)計要素進行歸納提取，將設(shè)計目標、設(shè)計人員、設(shè)計方法、設(shè)計行為和設(shè)計對象作為設(shè)計要素。各要素之間的關(guān)系如圖1所示。

設(shè)計目標是設(shè)計行為的直接驅(qū)動力，規(guī)定設(shè)計行為產(chǎn)生的條件，提出符合目標要求的行為標準;設(shè)計目標通過指導(dǎo)設(shè)計人員，對設(shè)計人員的行為產(chǎn)生影響。設(shè)計人員是設(shè)計行為的執(zhí)行者，是設(shè)計活動的主體，設(shè)計人員將設(shè)計目標的要求，轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計思想，進而產(chǎn)生具體的設(shè)計行為，改造設(shè)計對象，實現(xiàn)設(shè)計人員對設(shè)計對象的操作。設(shè)計方法是設(shè)計行為特征的抽象，指導(dǎo)設(shè)計行為如何去表達，改變設(shè)計對象的狀態(tài)，一般根據(jù)設(shè)計目標選擇設(shè)計方法。設(shè)計對象是設(shè)計行為的承受者，一般是指具體的物質(zhì)或抽象的系統(tǒng)。

1.2?基于知識支持的產(chǎn)品設(shè)計活動模型

產(chǎn)品設(shè)計過程本質(zhì)上是實現(xiàn)以知識為核心的信息轉(zhuǎn)換，是設(shè)計過程知識獲取、處理、創(chuàng)造、革新和運用的過程。在產(chǎn)品設(shè)計過程的每一個設(shè)計活動中都有設(shè)計過程知識的支持，因此可以在分析設(shè)計活動內(nèi)部要素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于知識支持的設(shè)計活動模型，如圖2所示。

在設(shè)計活動執(zhí)行過程中，需要各類設(shè)計過程知識支持，例如設(shè)計方法的選取，既需要考慮已有設(shè)計方法知識，還需要設(shè)計對象知識。因此，如果直接從知識庫中提取單方面的知識，會導(dǎo)致工作程序繁瑣，冗余量增大，也容易形成知識孤島。按照設(shè)計活動執(zhí)行過程來組織知識，將各類知識集成為一個整體對設(shè)計活動進行支持，然后以設(shè)計活動作為過程重用的單元，能有效解決過程知識直接重用引起的問題。

2?設(shè)計活動本體

斯坦福大學(xué)Gruber提出的“本體是共享概念模型明確的形式化規(guī)范說明”。由概念可見，本體具有概念化、標準化、形式化、重用性等特性，為了實現(xiàn)設(shè)計活動的重用，本文采用本體來對設(shè)計活動進行描述。

2.1?設(shè)計活動本體的定義

設(shè)計活動本體是對設(shè)計活動中的設(shè)計要素及其關(guān)系，以及活動執(zhí)行過程所依賴的資源、規(guī)則、標準和方法等知識的抽象描述。設(shè)計活動本體（design activity ontology）可以定義為一個5元組式中，如式（1）。

ODA表示設(shè)計活動本體;E表示設(shè)計活動中設(shè)計要素概念的集合;AE表示設(shè)計要素的屬性集合;R表示設(shè)計要素間的關(guān)系集合;AR表示設(shè)計要素間關(guān)系的屬性集合;D表示設(shè)計活動約束集合，包括對資源、規(guī)則、標準和方法等的約束要求。

2.2?設(shè)計活動本體構(gòu)建過程

本體構(gòu)建的方法有多種，如評估法、Bernaras法、SENUS法和骨架法等[12， 13]。產(chǎn)品設(shè)計過程領(lǐng)域有其專業(yè)化的特點，為了更好地表示設(shè)計活動各要素之間的關(guān)系，實現(xiàn)設(shè)計過程的重用，提出設(shè)計活動本體構(gòu)建的一般過程。

步驟1?產(chǎn)品設(shè)計過程領(lǐng)域分析

按照產(chǎn)品設(shè)計過程中的任務(wù)類別、任務(wù)資源需求、任務(wù)知識結(jié)構(gòu)等將產(chǎn)品設(shè)計過程進行任務(wù)分解，最終將產(chǎn)品設(shè)計過程分解為各類產(chǎn)品設(shè)計活動單元。對設(shè)計活動進行本體構(gòu)建，不但可以降低設(shè)計過程本體建模的難度，而且能夠確保設(shè)計活動本體與其支持知識的對應(yīng)關(guān)系。

步驟2?列舉重要術(shù)語

術(shù)語是在特定學(xué)科領(lǐng)域用來表示概念稱謂的集合。列出產(chǎn)品設(shè)計過程相關(guān)領(lǐng)域的重要術(shù)語，參考領(lǐng)域內(nèi)標準，準確定義術(shù)語，確保所定義的術(shù)語的專業(yè)性、科學(xué)性、單義性和系統(tǒng)性。

步驟3?定義類、類層次關(guān)系和屬性

類是本體庫的核心，用來描述領(lǐng)域的概念。在上一步驟列出重要術(shù)語的基礎(chǔ)上，定義類、類層次關(guān)系。在定義類和類層次關(guān)系后，需要描述概念的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即類的屬性，并且定義屬性的約束。

步驟4?生成實例

通過對已有產(chǎn)品設(shè)計過程的分解，提取設(shè)計活動實例，按照上述設(shè)計活動本體的定義，創(chuàng)建類的單個實例。首先選擇一個類，然后生成這個類的單個實例，最后為該實例填充類的屬性值。

步驟5形式化描述

為了方便本體的開發(fā)和應(yīng)用，可以采用形式化語言O(shè)WL對領(lǐng)域概念、概念間關(guān)系、概念的不同屬性等進行描述。OWL語言集中了XML和RDF的優(yōu)點，具有強大的語義描述能力，輸出OWL格式文檔。

3?設(shè)計活動本體語義檢索

對已有的產(chǎn)品設(shè)計過程進行設(shè)計活動本體構(gòu)建，形成設(shè)計活動本體實例庫。對這些設(shè)計活動重用的關(guān)鍵在于，能否根據(jù)新的產(chǎn)品設(shè)計過程需求，高效、準確地從本體庫中檢索出相似設(shè)計活動。根據(jù)本體概念的特點，可以通過其概念名稱和概念結(jié)構(gòu)相似度計算來進行語義檢索[14-16]。

3.1?概念名稱相似度計算

設(shè)A和B分別是新產(chǎn)品設(shè)計活動需求本體概念和已有產(chǎn)品設(shè)計活動本體概念，則概念名稱相似度計算就是求A和B相類似的程度。在計算概念名稱相似度時，除了要考慮概念詞字符串的相似度，還可以利用語義詞典WordNet計算概念詞的語義相似度，取兩者最大值作為概念名稱相似度[17-19]。

概念詞字符串相似度計算，如式（2）。

式（2）中，length（A）表示概念詞A的字符串長度，length（B）表示概念詞B的字符串長度，ComSubStrings（A，B）表示A和B共有的字串長度。

概念詞語義相似度計算，如式（3）。

式（3）中，synonym（A）為概念詞A在WordNet中具有的同義詞的個數(shù)，synonym（B）為概念詞B在WordNet中具有的同義詞的個數(shù)。

最后，兩個本體概念名稱相似度可表示為式（4）。

上述計算的優(yōu)勢是該表述不僅適用于概念名稱完全或部分相同的情況，也適用于概念名稱同義不同詞的情況，既考慮了名稱的形式相似，又考慮了名稱的語義相似。

3.2?概念結(jié)構(gòu)相似度計算

本體概念的層次結(jié)構(gòu)間蘊含著豐富的語義關(guān)系信息，因此許多學(xué)者都提出以計算概念結(jié)構(gòu)相似度作為評價本體概念相似度的一個方面。其計算方法是先分別計算兩個概念的父概念、子概念、兄弟概念的相似度，再經(jīng)過領(lǐng)域?qū)＜屹x予不同的權(quán)重來計算，如式（5）。

式（5）中，simCS-P（A，B）、simCS-B（A，B）、simCS-S（A，B）分別為父概念、兄弟概念和子概念的相似度值，ω1、ω2、ω3是它們各自的權(quán)重，在概念層次結(jié)構(gòu)中，父子關(guān)系、兄弟關(guān)系對相似度影響程度不同，一般而言，父概念相似度權(quán)重最大，兄弟概念相似度次之，最后是子概念相似度。

最后，綜合以上概念名稱相似度和概念結(jié)構(gòu)相似度兩方面，可得到新產(chǎn)品設(shè)計活動需求本體和已有產(chǎn)品設(shè)計活動本體的概念相似度，如式（6）。

通過本體概念相似度的計算，從多方面計算概念的相似度，不再拘泥于用戶輸入請求語句的字面本身，能夠準確地搜索到最符合要求的結(jié)果，從而實現(xiàn)設(shè)計活動本體的語義檢索。

3.3?產(chǎn)品設(shè)計過程重用

在構(gòu)建設(shè)計活動本體，建立已有產(chǎn)品設(shè)計活動本體庫和設(shè)計活動本體語義檢索的基礎(chǔ)上，給出產(chǎn)品設(shè)計過程重用的過程模型，如圖3所示。

首先，分析新產(chǎn)品設(shè)計過程需求，將新產(chǎn)品設(shè)計過程分解為一系列相互聯(lián)系的設(shè)計活動需求，并且構(gòu)建新產(chǎn)品設(shè)計活動需求本體;其次，在已有產(chǎn)品設(shè)計活動本體庫中檢索與新產(chǎn)品設(shè)計活動需求相似的設(shè)計活動，若檢索不到，需要新建新產(chǎn)品設(shè)計活動;然后，分析新產(chǎn)品設(shè)計活動需求本體間的關(guān)系是否合理，若不合理，需要調(diào)整，形成在時間、空間和邏輯上合理的新產(chǎn)品設(shè)計活動關(guān)系序列，按照此序列將檢索到的相似設(shè)計活動和新建活動進行排序組合;最后，添加新產(chǎn)品設(shè)計的約束條件，形成完整的新產(chǎn)品設(shè)計過程，執(zhí)行這個過程就可以完成新產(chǎn)品設(shè)計。

4?應(yīng)用實例

為了進一步驗證本文提出的產(chǎn)品設(shè)計過程重用方法，下面以新產(chǎn)品“打印復(fù)印掃描傳真多功能一體機”的設(shè)計過程為例來加以說明。

首先，對打印復(fù)印掃描傳真一體機的設(shè)計過程進行分解，可以分為打印模塊設(shè)計活動、掃描模塊設(shè)計活動、復(fù)印模塊設(shè)計活動和傳真模塊設(shè)計活動，如圖4所示。

其中，打印模塊是基礎(chǔ)，需要先進行設(shè)計;掃描與打印在功能上沒有交集，可以并行進行，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計上有相關(guān)，如數(shù)據(jù)接口、電源接口采用共用的方式，所以把掃描模塊設(shè)計活動排在打印模塊設(shè)計活動之后，可以部分并行;復(fù)印模塊使用掃描模塊進行紙張信息的錄入，使用打印模塊完成紙張信息的輸出，所以復(fù)印模塊設(shè)計活動排在打印和掃描模塊之后;發(fā)傳真時需要用到掃描模塊，接受傳真時需要用到打印模塊，所以傳真模塊設(shè)計活動可以排在掃描模塊設(shè)計活動之后與復(fù)印模塊設(shè)計活動并行。

其次，構(gòu)建以上四種設(shè)計活動的需求本體，因構(gòu)建方法和構(gòu)建過程相似，故以打印功能需求本體的構(gòu)建為例，如圖5所示。

然后，在已有產(chǎn)品設(shè)計活動本體庫中檢索出與打印模塊設(shè)計活動需求本體概念相似的設(shè)計活動本體概念集，如表1所示。

已有產(chǎn)品設(shè)計活動本體庫中并沒有新產(chǎn)品多功能一體機的設(shè)計活動，但是分別有傳統(tǒng)的打印機、掃描儀、傳真機的相似設(shè)計活動，對應(yīng)于打印模塊設(shè)計活動需求本體，從本體庫中檢索出五個型號的打印機相似設(shè)計活動，再經(jīng)過專家人工篩選，最終選擇類似度最高的惠普M202dw打印機設(shè)計活動。用同樣的方法，可以找到掃描模塊和傳真模塊相似的設(shè)計活動，最終選擇佳能LiDE120 掃描儀設(shè)計活動和松下FP7006傳真機設(shè)計活動。復(fù)印模塊設(shè)計活動不需要進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，只要在掃描模塊和打印模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上進行功能設(shè)計即可。

最后，根據(jù)上述新產(chǎn)品設(shè)計活動間的邏輯先后關(guān)系，將檢索到設(shè)計活動進行組合，因上述設(shè)計活動是從功能、性能、結(jié)構(gòu)等設(shè)計要素考慮的，需要根據(jù)新產(chǎn)品設(shè)計需求，添加設(shè)計活動其他設(shè)計要素（如設(shè)計人員、涉及行為等）和其他約束條件，得到多功能一體機的完整設(shè)計過程。

5?總結(jié)

本文針對產(chǎn)品設(shè)計過程知識重用的不足，以設(shè)計活動作為過程重用的單元，通過建立基于知識支持的產(chǎn)品設(shè)計活動模型，把單方面的過程知識集成起來，采用本體技術(shù)構(gòu)建設(shè)計活動本體，建立已有產(chǎn)品設(shè)計活動本體庫。提出通過對本體概念名稱和概念結(jié)構(gòu)相似度計算來進行語義檢索，檢索本體庫中與設(shè)計活動需求本體相似的設(shè)計活動。最后提出了基于活動本體的產(chǎn)品設(shè)計過程重用模型，并以新產(chǎn)品多功能一體機為例進行了驗證，初步證明了該模型的有效性。然而，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)語義檢索出來的相似設(shè)計活動較多，還需要專家人工選擇，在后續(xù)工作中需要對信息內(nèi)容的語義檢索作進一步深入研究。

參考文獻

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