基于知识库的飞行器设计场景知识推送

◎中国运载火箭技术研究院研究发展中心 褚厚斌等

NASA在其知识管理战略中指出，随着项目研究队伍的年轻化，新员工在未了解历史经验与教训的情况下就被卷入了工程研制的漩涡。可以预计，如果不能有效管理和利用以往积累的研制经验与教训，研制进程中的重复性技术工作就无从避免，并将给项目的研发水平、效率和质量的提升带来负面影响。

在飞行器设计过程中如何获取以往的设计经验知识已成为设计成功的关键因素之一。迄今为止，已有不少研究者提出了采用知识推送的方式解决知识获取的准确性和及时性问题，从而提高设计效率。例如，面向产品设计的知识主动推送研究，基于粗糙集的产品协同设计知识推送方法研究以及基于本体的机械产品设计过程知识表示和推送技术研究等。但这些研究缺乏对产品设计过程中设计场景信息的获取和分析，可能导致由于对设计信息获取不准确而影响推送效果的问题。为此，笔者通过分析飞行器设计过程的特点，提出了基于知识库的飞行器设计场景知识推送体系结构，并研究了知识捕获及推送的实现机制。

一、推送系统的体系结构

飞行器设计是一项系统工程，涵盖总体、结构、弹道、气动、制导与控制、动力、电气、载荷、热等多个学科专业，需要经过方案、初样、试样、定型4个阶段，并需要多人协同完成。飞行器设计在各阶段一般采用WBS的任务分解管理模式，各学科专业之间通过任务流、数据流的传输方式进行反复迭代计算。

设计人员的设计场景一般为从上游专业获取输入参数，按照任务指标要求完成任务后将设计结果传递给下游专业。设计场景的业务过程涉及任务、上下游关系，数据涉及模型、文档、参数等信息，使用工具涉及工程软件和业务管理系统。基于此，笔者提出的基于知识库的飞行器设计场景知识推送系统体系结构如图1所示。

设计场景层主要完成推送系统与设计场景的集成，为后续实现设计场景的捕获打下基础。设计场景主要包括设计人员、任务、数据、工具四大内容。设计场景集成则是为了获取设计人员的需求信息而进行的对相关工具和业务系统的集成工作。

图1 飞行器设计场景知识推送系统体系结构

知识捕获及推送层主要通过任务捕获、模型捕获、文档捕获、参数捕获，在技术上实现对设计场景信息的捕获，然后通过知识搜索技术从知识库中获取相关知识，最后通过推送技术将知识推送至设计场景。

知识管理层主要包括知识采集、知识组织、知识利用和知识清理，完成对知识的全生命周期管理。

知识资源层主要完成对设计规范、最佳实践、经验技巧及故障案例等资源的存储管理。

二、知识库的构建

飞行器研制单位积累的知识资源类型众多、分布广泛，涉及不同的专业学科领域，分散在不同的数据管理系统及个人大脑中，缺乏统一的组织管理和提炼。因此，建立统一组织利用的飞行器知识库已成为首要任务。

1.知识类型

知识库中涵盖的知识资源类型包括基本内容、经验禁忌、故障案例、共用模型、最新发展、最佳实践、学术论文、发明专利、科技成果、标准规范。

基本内容是指从事本专业所需要掌握的基本理论方法，包括基本问题的物理原理、数学模型、计算方法、基础参数数据、试验资源等，侧重于与工程研制密切相关的理论、方法、模型、试验资源等。

经验禁忌包括从事本专业需要掌握的设计准则、设计禁忌、设计经验等知识。

故障案例包括本专业领域的质量技术故障、设备故障、国内外相关故障案例等知识。

共用模型包括本专业领域可以共享、共用的数字模型、仿真模型、设计模板等。

最新发展是指本专业领域前沿动态、情报信息，包括专业领域情报综述、国内外技术情报研究报告、精选国外专利情报分析报告、精选情报文献资料、精选情报视频资料等知识。

最佳实践包括专业领域优秀的设计方案、设计报告、试验报告、测试报告、产品报告、航天科技报告、国防科技报告、预研创新报告等。

学术论文包括员工撰写的专业优秀论文。

发明专利包括本专业申报的发明专利、国防专利。

科技成果包括获国家级、省部级、院级和厂所级相关奖励的科技成果的报告材料。

标准规范包括专业层面的国际、国家（国家军用）、行业（地方）、企业（院、厂所）的所有标准规范。

2.生命周期管理

为实现对知识库中知识资源的统一化组织管理，需要建立知识生命周期管理机制，主要包括知识采集、知识组织、知识利用、知识清理等内容。

知识采集主要实现对分布在业务系统的显性知识资源及个人大脑中隐性知识资源的梳理及提炼，采集过程需要制定各知识类型的采集模板和机制，以便于系统自动抽取知识入库。由于采集过程涉及各个专业学科、产品系列、组织部门，所以知识采集是一项长期任务，研制单位需要建立相应的长效机制。

知识组织主要实现对采集知识资源的统一化组织管理，使企业知识资源能够更易于积累和重用，主要包括知识审批、知识域、知识维度、知识体系管理。知识审批主要完成对已经采集知识资源的入库审批；知识域管理主要完成对知识资源的存储及导航管理；知识维度管理主要完成对知识资源的多视角、多视图管理；知识体系管理主要完成对知识的谱系化、网状化管理，以使知识之间具有联系性，可以相互追溯补充。

知识利用主要实现对知识资源的重用，以支撑设计人员的设计工作，主要包括知识门户、知识搜索、知识借阅。知识门户主要完成热点知识资源、专家等的展示及知识资源导航，使设计人员可以通过导航定位知识；知识搜索主要通过多种搜索方式实现对知识库中资源的获取；知识借阅主要完成对不易公开的知识资源的共享管理。

知识清理主要完成对已经重新定义或经鉴定不准确的知识资源的清理，以保证知识库的前沿性和准确性。

3.统一的知识表示方法

构建飞行器设计知识库应以面向对象的知识表示方法为基础，将对象结构映射到关系数据库中，并按照关系数据库的管理技术实现对知识库的组织。

到目前为止，由于机械产品并没有形成统一的知识表示方法，所以往往需要在分析具体领域问题的基础上，通过选择、综合或修改现有的知识表示方法来实现。但是飞行器产品的数据结构具有一定的通用性，可通过产品标识、产品结构—功能—材料属性、组成产品的部件属性、部件关系属性等来描述。

三、设计场景的知识捕获

在飞行器设计场景的主要内容中，设计人员是从事飞行器设计的主体，是知识需求的发起对象，也是知识推送的服务对象。因此，如何捕获设计人员的需求是实现知识推送的关键。

任务是飞行器设计过程中的业务节点，是根据设计人员的岗位职能、专业特点经过WBS下发给设计人员的。

数据是指设计人员在设计过程中涉及到的所有数据信息，包括任务输入参数、任务交付物及过程数据，主要由模型、文档、参数组成。

工具主要由业务管理系统和办公软件、工程软件组成。业务管理系统主要负责管理业务流程任务及任务数据提交，工程软件和办公软件主要负责完成飞行器模型的设计及相关文档的撰写。

根据以上设计场景内容，考虑到直接捕获设计人员大脑中的知识需求目前无法实现，通过间接捕获蕴含知识需求的数据载体是可行的，因此可通过工具软件、业务管理系统集成技术，采用任务捕获、模型捕获、文档捕获、参数捕获4种途径实现对飞行器设计场景的捕获。

任务捕获。通常设计人员的任务是通过项目管理系统及产品数据管理系统进行发放和审核的，主要实现机制为工作流系统，因此可以通过系统集成技术获取设计人员正在执行的任务信息，进而可以确定其当前专业范围，这是准确获取设计人员需求的重要参考指标。例如，通过捕获某弹体模态分析任务信息可以知道该任务的结构信息及载荷特性专业信息。

模型捕获。设计人员操作的模型一般被作为任务交付物进行管理。通过系统集成技术获取任务的交付物信息，再对交付物进行格式判别，可以捕获设计人员当前操作的模型信息，包括模型文件的名称、模型打开工具，进而可以确定模型种类及计算状态。

文档捕获。设计人员编写的文档一般被作为任务交付物进行管理。同样通过系统集成技术获取任务的交付物信息，再对交付物进行格式判别，可以捕获设计人员当前操作的文档信息，进而可以对该文档进行全文搜索，抽取其标题、关键字等信息。

参数捕获。参数包括任务指标参数和模型参数，一般通过任务指标参数管理及模型参数抽取进行管理，可以通过系统集成技术及工程软件二次开发技术实现对参数的获取，进而获取设计人员的具体参数需求，可以从材料库、气象环境库、电磁环境库中推送相关数据。

四、设计场景的知识推送

完成对设计场景的捕获后，可以综合捕获任务、模型、文档和参数等信息，并将其作为搜索的输入条件进行权重计算，以准确获得设计人员的真实需求。权重分配以设计人员当前操作对象为最高，如当前设计人员正在进行模型操作，那么捕获的模型信息权重最高，再加上任务信息、文档信息及参数信息，交由知识搜索引擎进行知识资源获取。

搜索后的结果需要按知识库中的10种知识类型进行分类，并且对每种类型能够列出的条目数量进行限制。分类后需要根据捕获的设计人员需求对分类后的顺序进行严格排序，且对相关性差的可不予展示，最终从多个维度将设计人员所需的知识资源推送至需求者桌面。

当设计人员点击所需知识资源后，需要记录知识资源的类型、所属专业并进行统计分析，建立推送系统的自主学习机制，以此推理设计人员的专业背景及日常所需知识，增强知识推送的准确性。