箭体结构设计知识管理平台研究

郭永辉，田建东，季宝锋，张雪峰，万 能

(1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076;2.西北工业大学现代设计与集成制造教育部重点实验室，陕西 西安 710072)

0 引言

近30 年，企业领域和学术领域越来越重视知识管理，对知识管理的研究越来越多，范围越来越广［1-18］。中国运载火箭技术研究院箭体结构设计经过50 年的发展，已经积累了丰富的知识资源，建立了较为完善的设计师队伍与研发流程。但是，箭体结构设计在知识管理方面还存在一些不足:设计知识缺乏科学管理，设计师之间不能共享知识;新设计师成长速度慢，对经验丰富的设计师依赖较大;相同设计知识的设计数据格式多样，相互之间难以转化;箭体设计流程分为多个设计阶段，但每个设计阶段对设计知识需求的侧重点不同，造成知识推送困难。

本文针对箭体结构设计的现状，研究箭体结构设计知识管理平台，实现设计知识的分类、共享、重用和推送，以提高设计效率，为提升设计能力，推动创新奠定基础。本文的主要创新点体现在:针对箭体设计知识的特点详细介绍了显性知识挖掘技术、隐性知识挖掘技术和设计知识检索技术。

1 箭体结构设计知识管理平台关键技术

1.1 显性知识挖掘技术

按照箭体设计知识的特点可以分为显性知识与隐性知识，这2 类知识都蕴含价值，能指导设计者设计箭体。显性知识是指能以标准、规范、规律、公式等形式存在的知识。显性知识是设计领域的专家对设计知识的总结，设计者通过显性知识可以得到直观的设计方法，并能得到相对一致的设计结果。

设计流程知识封装是指将箭体设计过程中涉及的各类知识以其合适的方式进行存储和管理，提供相应的访问方式，使孤立的设计知识描述成为可被利用的箭体设计知识。

知识的存储方式可以分为结构化存储与半结构化存储。结构化存储能充分发挥知识的内在，有效管理设计知识，提供方便的调用方式。半结构化存储管理蕴含设计知识的实例，提供有效的检索方式供设计者查询，设计知识由设计者抽取。本文所阐述的结构化存储的形式主要包括:利用数据库表关系存储、利用本体语言在文本中存储。半结构化存储的形式主要包括:数据库中存储的二进制文件、磁盘实体文件、各种软件工具。不同形式的知识封装方式，对应有其合适的调用方法。通过对箭体设计知识的封装，实现了设计知识的可用性、积累性、共享性和交流性。

例如文本文档类设计知识主要按照设计阶段、学科类型、适用范围、适用角色4 个角度进行划分，并形成4 个方面的“知识标签”。由各个科室、小组的专家将多年积累的设计手册、设计经验总结文档、典型设计方法文档贴上知识标签放入数据库集中管理，形成可被关键字检索的知识元素。对该类设计知识元建立其使用频率指标项、使用评分项。从平时使用的频率和反馈效果中挖掘知识。这类应用广泛见于科技论文的知识挖掘，通过被引用频次来显示论文的价值。文本文档类设计知识挖掘如图1 所示。

图1 文本文档类设计知识挖掘

1.2 隐性知识挖掘技术

隐性知识主要是指难以表达的、隐含在设计过程和设计方案中的设计知识。隐性知识蕴含在以往设计案例或者专家的头脑中，其中设计经验知识无法抽取。设计者通过隐性知识只能得到类似成功案例的设计结果，结合设计者对隐性知识的判断才能得到设计方法，设计结果也难以一致。

由于隐性设计知识难于总结抽取，所以只能以设计实例的形式存储，让设计者从成功实例中借鉴设计知识。设计实例的表现形式主要是各种磁盘文件，主要是各个设计学科中的设计流程、模型文件、视频、音频等多媒体文件等。作为结构设计，主要是二维和三维的CAD 模型。为了验证设计结果是否满足性能要求，需要建立多个学科仿真分析的CAE 模型。另外，为了直观表达设计结果，与这些多学科设计模型相关的有视频、动画和音频文件等作为辅助。

对于设计活动中使用的CAD 设计模型，通过几何特征识别算法获取该设计对象的结构特征，以其中有代表性的典型结构特征作为“对象标签”;以CAD模型的几何参数列表为“参数标签”;模型中其它物理属性作为“物理标签”;将产品装配体中各零组件之间的装配约束关系作为“关系标签”。挖掘对应不同型号的各零组件的参数组合规律。

对于设计活动中使用的CAE 分析模型，将前置处理参数、边界施加条件作为模型的“参数标签”;以分析结果差异作为“关注标签”;以该模型的优化目标作为“对象标签”。对比相同“对象标签”条件下，不同“参数标签”设置下“关注标签”的变化，挖掘出CAE 分析模型关联的分析结果规律。其中前置处理中需要用到显性知识(例如材料参数)的地方建立隐性知识与显性知识之间的关联关系，可以通过隐性知识检索到显性知识，形成多级知识挖掘机制。CAE模型知识挖掘如图2 所示。

图2 CAE 模型知识挖掘

1.3 设计知识检索技术

设计知识检索包括基于编码的知识检索和基于知识引导的多视图设计知识检索。

基于编码的知识检索:本平台为每个知识进行编码，由于箭体的设计过程相对固定，将知识按照型号、流程、活动进行编码。编码结构包括型号、流程、活动、流水码，其编码结构示意图如图3 所示。型号给予6 位编码。因设计流程只包括方案阶段设计流程、初样阶段设计流程、试样阶段设计流程和定型阶段设计流程，流程位给予1 位编码。每个设计流程又包括若干活动，这些活动包括顺序进行的活动和并行的活动，活动位给予4 位编码，顺序进行的活动给2 位编码，并行活动给2 位编码。如图4 所示，活动1 和2为并行活动，其活动位高位编码相同;活动3 和活动4 为顺序进行的活动，其高位编码不同。按上述编码规则，活动1 编码为“0101”，活动2 编码为“0102”，活动3 编码为“0201”。流水码给予4 位编码。

图3 知识编码结构

图4 流程活动

基于知识引导的多视图设计知识检索［19-20］:根据设计要求，从功能、结构、用途、特征等检索参数中提取关键参数作为索引项，利用功能视图检索、基于情景的设计知识检索等多种设计知识检索策略，将检索词和设计知识匹配，依据相应的排序算法，按照相关度高低找出最佳相似或前n 个相似的知识条目。

用户在检索设计知识时，若熟悉编码规则以及设计任务的型号，设计流程和活动，可采用基于编码的知识检索方法;若想通过关键词检索到设计知识可通过基于知识引导的多视图设计知识检索方法。

2 箭体结构设计知识管理平台的体系结构

箭体结构设计知识管理平台系统架构如图5 所示，从纵向看，分为知识管理模块、知识推送模块、流程管理模块、系统管理模块。知识管理模块负责知识的新建更新等;知识推送模块负责知识检索和向用户推送合宜的知识;流程管理模块负责流程的新建、更新与发布等功能;系统管理模块包括型号管理、用户管理、机构管理、角色管理等。

从横向看，分为交互操作层、业务逻辑层和数据存储层。交互操作层是用户与平台交互信息的窗口，实现数据的录入、修改、删除、查询、统计等;业务逻辑层是平台的核心，实现知识的业务逻辑处理，设计流程维护和系统管理;数据存储层主要为平台提供基础支持，由知识索引数据库、用户数据库、动态数据库和文件数据库等几部分组成，主要负责数据的存储、查询和备份，维护数据的一致性和安全性。

图5 箭体结构设计知识管理平台体系结构

3 箭体结构设计知识管理平台的功能模型

箭体结构设计知识管理平台功能模型如图6 所示，包括知识管理、知识推送、流程管理、任务管理和系统管理等。

知识管理模块为本系统提供知识管理功能。知识新建:创建新知识，定义知识的相关属性;知识更新:对需要更新的知识进行更新;知识标签:以标签的形式显示知识;热门知识应用:以列表的形式展现常用的知识。

知识推送模块包括主动推送和被动推送，主动推送包括维护用户使用列表，即对用户在箭体结构设计活动中使用过的知识都记录并保存。被动推送即用户输入需要检索的知识的关键字，检索出相似程度高、可供参考的知识。

流程管理模块包括流程新建、流程查询、流程查看。流程新建:按照流程阶段(包括方案设计阶段、初样设计阶段、试样设计阶段、定型设计阶段)创建流程，定义流程的相关属性;流程查询:根据型号、流程阶段、创建者、流程名称、流程编号等查询条件查询流程，展现流程列表;流程查看:查看设计流程的基本信息和当前的状况;

任务管理模块包括任务查看、任务接受和任务执行。任务查看:查看待执行的任务，按照型号和设计阶段对任务进行分类管理;任务接受:接受要执行的任务;任务执行:执行任务并反馈任务执行的情况。

系统管理模块提供该系统的维护等功能，包括型号管理、机构管理、用户管理和角色管理。

图6 箭体结构设计知识管理平台功能模型

4 箭体结构设计知识管理平台的实现

开发的箭体结构设计知识管理平台中“设计任务提交”页面如图7 所示。页面左上方是关于启动各项相关软件的按钮。右边显示的是用户可以提交完成该项任务过程中所用到的知识以及任务的解决方案，在保存之后同时推送到下一阶段的已提交知识列表中。确定信息无误后，点击“提交任务”按钮，任务名称将会展现在用户已完成的任务列表中。

图7 设计任务提交页面

5 结束语

箭体结构设计部门最大的特点是设计知识种类繁多、内容量大，不仅包括标准件、型材、材料、设计规范等显性设计知识，还有设计者在长期探索实践中所积累的隐性经验知识。针对中国运载火箭技术研究院箭体结构设计现状，研究并开发了箭体结构设计知识管理平台，该平台具有如下特点:紧密结合箭体结构设计研制流程，让知识在流程中“活动”起来;支持多源知识的采集、快速检索和准确推送;良好的开放性，可以围绕该平台做各种扩展。

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