基于本体的PDM知识管理系统功能研究

郭 宁, 王宏君

(北京神舟航天软件技术有限公司，北京 100094)



基于本体的PDM知识管理系统功能研究

郭 宁, 王宏君

(北京神舟航天软件技术有限公司，北京 100094)

为了适应航天型号单位当前进行产品设计的新需求，提高产品设计知识的重用率，加快航天产品设计的进度，促进知识创新，基于神舟软件公司的PDM产品AVIDM系统开发了知识管理系统。该系统以AVIDM系统中已有的产品设计数据和相关文档为基础，基于本体技术提供知识获取和应用等功能，实现了从设计数据以及设计师个人中抽取和组织知识，从而实现知识的有效积累和共享，支持航天型号单位的可持续发展。

本体；知识管理；产品数据管理

航天的型号单位属于知识密集型科研单位，目前，在这些单位已实现的产品数据管理技术(PDM)提供产品全生命周期的信息管理，偏重于对产品开发过程的支持，缺乏对已有的设计数据的管理。而据统计显示，在绝大多数新产品的开发中，40%～50%是重用过去已有的零部件设计，30%～40%只是对现有零部件稍作修改，而全新的设计仅占10%～20%[1-2]。而这种全新的设计也仅是指物理结构上的全新设计，如果从设计原理和知识的角度看，则这种零部件也是在原先积累的设计知识的基础上设计的。由此可知几乎所有的产品设计都可以利用已有的设计知识[3-4]。因此，为了在PDM系统中实现有效的知识积累和利用各相关专业知识资产，促进知识创新，本文将探讨在PDM的基础上实现知识管理系统，从而实现知识共享，将隐性知识变为显性知识，将个人的知识上升为组织的知识，并且通过信息搜寻、交流等实现知识创新。

1 基于PDM的知识管理系统

北京神舟航天软件技术有限公司(以下简称神舟软件公司)的PDM产品AVIDM系统，管理着产品从需求到方案设计到详细设计最后到交付工艺的全流程设计的过程数据和结果数据，并且AVIDM系统已经实现了跨地域跨系统的多层次的协同设计功能。由于相关的设计知识资源分散在AVIDM系统各处，甚至是多个AVIDM系统中，因此如果采用传统的知识管理手段，即人工提交、整理、流转知识，就需要花费大量时间和人力物力，这就很容易遇到来自内部的阻力，很难长期执行下去。因此，笔者在AVIDM系统的基础上，建立一个统一的知识管理系统，从而实现多源异构知识资源的整合，自动采集、统一搜索、自动关联、自动分类挖掘相关知识资源，实现知识处理过程的自动化，从而减少处理知识资源的时间、降低利用知识资源的人工成本，提高工作效率和知识决策支持水平，为知识创新和业务创新打下良好的基础。

对于上述的知识管理系统，主要需解决以下几个问题：

1)对于多源异构的知识资源进行统一的自动化采集和整合。通过统一自动采集和索引手段，实现对多种来源、多种类型格式的信息资源，甚至是多系统的知识资源的整合[5]。

2)建立分类知识库(通用知识库、专业知识库、型号知识库等)，从而实现知识的有效积累和共享。因此需要对AVIDM系统中管理的专业报告、设计文件、标准规范、专家知识等进行有效的整理和积累，实现按照专业的信息需求，通过关键词和样本规则的方式对各类信息进行自动分类，从而建立起有序的专业知识库[6]。

3)建立统一的搜索分析引擎，从而提高信息和知识的利用率，实现对跨数据库和系统的统一智能搜索。通过对知识资源的统一自动关联、抽取、聚合分析，从而降低设计师获取和处理信息的时间成本。

4)将知识迁入到业务流程中，从而实现知识的即时推送和有效应用。根据用户的信息需求，自动地把有价值的信息关联，推送到设计师手中。

为解决以上所述4个问题，笔者采用基于本体的技术构建知识管理系统，该系统通过提供知识获取和知识库的管理功能，实现型号研制知识的统一管理；并通过与实际业务相结合，提供包括知识推送、知识地图、在线知识问答等多种知识应用。

知识管理系统的总体功能结构如图1所示，主要包含两大部分：知识获取和知识应用。知识获取是指利用AVIDM系统中的文档、设计数据和CAD文档等作为知识资源，通过获取显性和隐性知识，构建知识库，并且支持知识评价、检索、推送等知识应用，从而实现跨系统信息检索。知识应用是指在系统的应用层面，通过知识管理门户、业务系统集成插件和知识桌面应用等工具实现用户对知识的管理活动。

图1 知识管理系统总体功能结构

2 知识管理系统功能及关键技术

基于上述知识管理系统的功能，有几大主要功能和关键技术需要实现和突破，主要包括知识组织、知识提取、知识检索、知识订阅等。

2.1 知识组织

知识组织模块主要功能为搭建产品设计知识的组织体系。本系统采用本体技术组织相关的知识，包括构建领域本体、词典和知识目录。其中领域本体是组织的基础，词典和知识目录是领域本体的一种辅助形式。

本体最初是哲学领域的概念，后来本体在人工智能领域被赋予了新的定义，最典型的是Gruber给出的“本体是共享的概念模型的形式化的规范说明”。而根据本体对领域知识的依赖程度可以将其分为4类：顶级本体、领域本体、任务本体和应用本体。其中领域本体是用于对特定领域知识的概念及其关系进行精确描述的一种专门本体。

领域本体包括构建和维护两部分。领域本体的构建其目的是为了构建一套计算机可以处理的本体描述文件，即实现设计知识的形式化，由于产品设计知识中涉及了大量的术语以及术语之间的关系，因此需要使用本体语言来对其进行清晰的、形式化的描述，本文选择OWL DL本体语言来进行领域本体的描述。本文中的知识管理系统定义领域本体包括概念、关系和属性3方面内容，对于关系，本文定义3种关系分别是类属关系、实例关系和属性关系。通过本体编辑工具Protégé提供的可视化领域本体构建方法，可以实现领域本体的快速构建。对于在构建本体的过程中可能出现的概念重复、概念孤立、语义矛盾等不符合本体建模要求的情况，通过利用Protégé自带的检查工具可以进行概念的唯一性、孤立性以及语义一致的检查。

词典可以分为专业词典和自定义词典两类。其中，专业词典是设计知识的概念的集合，可以通过领域本体工具直接生成。而自定义词典则是包括设计师认为有用的而尚未被领域本体包含的词汇。自定义词典是通过设计师直接创建和编辑而产生的。专业词典由于其词条来源于领域本体，所以对于专业词典的操作，系统仅支持浏览和查询操作。而自定义词典的词条是设计师直接创建和编辑的，因此对于自定义词典，系统支持对词条的增删改查操作以及对新增词条命名一致性进行检查。

知识目录是根据产品设计过程中所涉及到的知识建立的概念树，其形式类似于分类结构，其功能主要是展示领域本体概念的层次化结构。知识目录的创建过程就是定义领域本体概念节点和概念层次关系的过程，知识目录的概念节点必须具有唯一性，因此在构建知识目录过程中需要进行概念名称的唯一性检查。而对于知识目录的维护，系统提供对概念节点的增删改以及对概念层次关系的修改。

2.2 知识提取

知识提取的主要功能为从AVIDM中的各类设计文档、技术报告等文档中提取知识点，结合设计师的设计经验，形成可以共享和重用的知识，其中主要包括4个模块：知识模板管理、知识项生成、知识项评审和知识项维护。

知识模板管理的作用为将设计知识结构化，从而用于引导设计师将非规范的设计知识凝练为规范的知识项。其主要包括知识模板创建和维护两种功能。由于PDM系统中存在不同类型、不同内容或不同应用的设计知识，因此要创建不同的知识模板，本文重点关注文档类知识模板，设计师可以根据文档类知识模板生成清晰简洁的知识项。通过系统提供的知识模板编辑器，设计师可以快速地创建文档类知识模板。知识模板编辑器主要提供知识模板字段预定义、知识描述字段配置、知识模板字段编辑、知识模板存储等功能。知识模板维护提供知识模板的编辑、浏览和查看功能，但是不提供模板的删除功能，当某个模板需要更新时，需先将旧模板置为作废状态，再创建新模板。

知识项是知识模板的实例化，是设计师从PDM系统中的设计文档抽取的，结合了自身的设计经验，能够共享和重用的知识点。其过程主要包括选择知识模板，按照目录选择知识项的归属主题，基于领域本体生成特征词，填写知识项描述字段，上传下载各种附件和对知识项内容进行有效性检查。

在知识管理系统中，知识项必须经过审批才能够正式发布，审批包括内容和密级两个部分，其中内容审批主要作用是检查知识是否正确和文字描述是否严谨和通顺；密级审批主要是为密级管理服务，检查知识的专业、密级设置得是否合理。系统提供两种审批模式，分别是同步审批和独立审批。同步审批将知识项作为PDM文档的附件，并且按照PDM文档的审批流程进行审批；而独立审批将知识项作为单独的审批对象，单独定义并启动审批流程，在此模式下，需要设计师预先在PDM流程模板中选择预定义的审批流程，然后指定流程各节点的审批人，最后再启动审批流程。在审批过程中，对于内容不合格或者密级不合适的知识项，审批人员可以将其打回给设计师，在设计师修改完毕后，再次送审，通过审核的合格知识项将正式发布,供相关人员使用。

知识项维护是为了保证知识的正确性和可用性，通过持续地筛选优良正确的知识,提出和修改错误的知识，从而保证知识库的正确性，为设计师提供有价值的设计指导。知识项的维护主要包括知识项状态管理和知识项版本管理。

2.3 知识检索

知识检索主要是支持设计师对知识进行方便快捷的应用，其功能主要为设计师检索知识并对检索结果进行排序，使检索操作便捷且符合设计师的习惯和意图。知识检索功能模块可分为语义检索和常规检索两种方式。

语义检索的关键是基于领域本体知识对检索语句进行语义解析，即从检索意图的角度，尽量使得检索结果与设计师的检索意图保持一致。语义检索功能主要分为以自然语言形式或关键词形式进行检索和按照知识项属性进行检索。前者支持设计师按照自然语言的形式直接输入查询语句；而后者需要设计师输入知识项的一个或者多个属性进行组合查询。

常规检索与语义检索的区别在于，对于前者系统对输入的查询关键词不进行语义扩展，只进行检索结果与查询关键词的字符匹配。常规检索的主要功能分为多个查询关键词组合查询和按照知识项属性进行查询。除此之外，常规检索和语义检索一样，针对检索结果，也能按照检索相关度进行排序、以列表形式展示检索结果和对检索结果进行分页展示。

2.4 知识订阅

知识订阅的主要功能是为设计师提供感兴趣的产品设计知识。知识管理系统根据设计师的个人订阅信息，将符合订阅要求的知识项推送到设计师的桌面，从而使设计师能够及时有效地获取个人需要的知识，即提升了设计知识的共享和利用效率。知识订阅分为订阅设置和知识推送两大功能。

订阅设置是提供给设计师向知识系统提交订阅知识信息的功能。订阅信息包括知识的主题、范围、推送方式等。对于知识主题，设计师既可以直接按照自然语言的形式进行输入,也可以按照关键词组合的形式进行输入。而对于知识范围，则是指知识的专业、密级、阶段等知识属性。推送方式可选项为定时、实时等推送方式。

根据设计师设置的订阅知识信息，当知识库有更新的时候，知识系统将自动地生成符合设计师订阅要求的知识项集合，并根据设计师选择的推送方式，将该知识项集合推送到设计师的桌面上。

3 系统实现

知识管理系统是依托于神舟软件公司的AVIDM系统构建的，知识管理系统中的知识来源于AVIDM系统中所管理的设计数据，并且知识管理系统中管理的知识也是为设计师在AVIDM系统中进行产品设计服务的。在本文中，将知识管理系统定位为AVIDM系统整体框架下的子功能模块，其与AVIDM的其他子业务功能模块是平等的，并且与它们共享AVIDM系统中一些基础的系统管理模块，例如权限管理、用户管理等。知识管理系统与AVIDM系统的功能关系为从AVIDM系统中现有的产品设计数据中抽取知识点，并组织形成相互关联的知识网络，然后为设计师在AVIDM系统中进行产品设计时提供知识检索和知识订阅的功能，从而为设计师的快速设计提供设计知识支持。知识管理系统与AVIDM系统关系如图2所示。

图2 知识管理系统与AVIDM系统关系

整个知识管理系统从实现结构上分为4层，如图3所示，分别为：

1)客户界面层。该层主要作用是为用户提供对知识管理系统进行访问的友好页面，用户可以通过浏览器访问该系统页面进行组织和查询知识数据操作。

2)业务逻辑层。该层从现实的业务需求中抽取出一个个独立的抽象功能模块，通过对具体业务进行封装并定义对外接口，从而实现功能模块的共用和功能重组。该层是整个知识管理系统的核心，其实现整个系统的业务逻辑。

3)支撑工具层。该层主要包括各种辅助工具功能模块，知识管理系统可以根据需要定制实现相应的功能。

4)数据服务层。该层主要功能是提供对系统数据的集中存储和访问以及数据的处理功能，比如数据的增、删、改、查等操作，从而保证系统数据的一致性、完整性。

本文将系统分成4层结构，使得整个知识管理系统的逻辑结构清晰明了，各层之间相对独立，而下层又为上层提供必要的支撑和服务。

图3 系统体系结构

图4～图6所示为知识管理系统的几个典型系统实现界面，包括知识订阅界面、新建知识项界面和新建本体知识界面。图4为创建知识的典型页面，即知识提取，系统中提供新建、上传、导入等方式进行创建，并且提供11种知识模板供用户使用。图5为知识订阅典型页面，点击“订阅结果”，操作区就会展示与主题相关的知识项，并且可以浏览知识项的详情。图6为本体库的典型页面，提供本体概念和关系的管理，图中所示为新增概念间关系的操作，系统提供本体概念之间的各种关系供用户选择使用。

图4 创建知识的典型页面

图5 知识订阅的典型页面

图6 本体库的典型页面

4 结束语

本文研发的知识管理系统具有以下特点：1)采用了本体技术，根据本体语言规范对产品设计知识进行抽取和组织；2)该系统基于AVIDM系统，所有的知识来源于AVIDM系统中管理的设计过程数据；3)该系统明确分为4层，各层相对独立，下层为上层提供必要的支持和服务。综上所述，知识管理系统通过将隐性知识变为显性知识，将个人的知识上升为组织的知识，从而实现知识共享，并且通过信息搜寻、交流等实现知识创新，从而提高航天型号产品的设计效率。

[1] 杜江，曹岩. 面向知识管理的产品设计资源库研究[J].西安工业大学学报，2006，26(6)：511-514.

[2] 陈继忠，田凌，郝文涛，等.协同设计资源管理系统的设计与实现[J]. 机械科学与技术，2005，24(8)：936-940.

[3] 吴晓晓，敬石开，刘海滨.航天产品设计知识的表示与重用技术研究[J].制造业自动化，2009，31(11)：4-8.

[4] 孙晨燕，敬石开，刘海滨，等.基于知识的复杂产品设计过程[J].计算机工程，2010，36(4)：283-286.

[5] 李颖新，敬石开，李向前，等.云制造环境下基于用户行为感知的个性化知识服务技术[J].计算机集成制造系统，2015，21(3)：848-858.

[6] 王宏君，余旭，敬石开.统一面向产品全生命周期的知识应用体系研究[J].信息技术，2014(9)：29-32.

Research on the function of PDM knowledge management system based on the ontology

GUO Ning, WANG Hongjun

(Beijing Shenzhou Aerospace Software Technology Co.,Ltd., Beijing, 100094, China)

In order to meet the new requirements of the current product design of the aerospace enterprises and improve the reuse rate of product design knowledge, it develops the function of the knowledge management system with the BJSASC software company's PDM product system AVIDM. Based on this platform, it promotes knowledge innovation, accelerates the progress of aerospace product design. Based on the existing product design data and relevant documents in AVIDM system, this knowledge management system applies ontology technology to provide functions such as knowledge acquisition and application, realizes the extraction and organization of knowledge from design data and designer. The system realizes effective accumulation and sharing of knowledge, supports the sustainable development of aerospace enterprises.

ontology; knowledge management; PDM

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.09.015

2015-07-14

国家科技支撑计划课题(2012BAF10B00)

郭宁(1983—)，女，山西吕梁人，北京神舟航天软件技术有限公司工程师，博士，主要研究方向为PDM和工业工程。

TP391.72

A

2095-509X(2015)09-0058-05