机械零件设计的知识服务方法及系统实现

李　录　毛汉颖　吴振勇　毛汉领

1(广西大学机械工程学院　广西 南宁 530004)2(广西科技大学汽车与交通学院　广西 柳州 542506)



机械零件设计的知识服务方法及系统实现

李录1毛汉颖2*吴振勇1毛汉领1

1(广西大学机械工程学院广西 南宁 530004)2(广西科技大学汽车与交通学院广西 柳州 542506)

摘要为了解决机械零件类知识资源难以被发现，获取效率低的问题，提出一种基于零件实例库的关联知识服务方法。根据知识间的从属关系，设计三种关联知识检索方法；基于相似度匹配算法，设计关联知识推送方法，并通过以上两种知识获取方法实施知识服务。设计并实现了机械非标零件设计知识服务平台，为非标零件设计过程中知识的共享和管理提供一个综合的网络服务平台。最后通过应用实例对该平台知识服务的应用效果进行了验证。

关键词零件关联知识服务关联知识检索关联知识推送知识服务平台

0引言

机械零部件产品的设计制造是一个重用和创新已有的设计成果和设计知识的过程。然而在设计过程中所需要的知识通常存在于其它种类的知识中，由于知识量太大导致研发人员很难快速获取到所需要的知识，传统的信息服务已经不能满足用户的知识需求。用户所关注的已不是简单地获取知识，而是如何在复杂的信息环境中获取解决问题所需的知识信息[1,2]。这已成为当前迫切需要解决的问题，知识服务为知识和信息资源的有效获取提供了一个很好的解决方法。

知识服务是以信息知识的搜寻、组织、分析、重组的知识和能力为基础,根据用户的问题和环境,融入用户解决问题的过程之中,提供能够有效支持知识应用和知识创新的服务[3]。近年来，知识服务广泛应用于各领域学科，为知识的共享、获取、重用及创新提供了一种有效的服务手段。例如熊大红[4]提出了交互式知识服务模型，构建了基于网络的农业知识服务平台，通过参考咨询服务、个性化知识信息推送服务和自助式知识服务等实施知识服务。李向前[5]等人提出集团企业云制造的知识服务应用模式，通过静态和动态两种知识服务方式为用户提供知识服务。Cuzzocrea[6]等人提出了应用领域分析的基于Web信息系统知识管理的设计方法，可以半自动地检索、分类和发布特定领域的Web资源。Fu[7]等人提出了法律知识共享和交换服务的法律知识服务框架，研究了知识文档的聚类方法，实现了知识提供者与接收者之间的知识的共享以及自动化的知识分析服务。

在机械工程领域，知识服务的主要热点集中在知识管理、服务模式及知识获取方法等方面。如文献[8]开发了Web零件库服务系统；文献[9]开发了复杂机械产品设计知识推理系统，提出了快速检索流程；文献[10]根据三维CAD模型特征，开发了基于CATIA平台的CAD模型检索原型系统，提出了CAD模型相似性的检索方法；文献[11]设计出一种灰度体素模型上的基于三维SIFT算法的局部形状特征提取方法，实现三维模型“部分-整体”的匹配和检索。以上研究方便了零部件的管理，提高了设计效率，减少了设计的工作量。然而知识服务的模式单一，大多数是对知识内容和特征进行分析，没有获取相应的工艺文件，可能会对零件的加工和重用产生额外的工作负担。因此，为了解决这一问题，本文提出基于零件实例库的关联知识服务方法，设计了基于零件实例库的关联知识检索方法和关联知识推送方法，实现了对零件产品的相关知识的获取和管理。知识管理是为了满足知识服务的需要[12]，能够促进知识的组织、共享、获取、重用及创新[13]，这对于机械零件的设计研发具有重要意义。

1基于实例库的关联知识服务模型

不同的行业对知识和知识服务的需求各不相同。本文根据机械制造类企业的零件知识特点，其零件图纸与工艺文件是一对一的映射关系，在实施知识服务的过程中，主要考虑以下两点：(1)知识共享。知识共享是提供知识服务的关键环节，能够促进知识的流动和增值。将个人知识、专家知识、领域知识等不同形式的知识和散布在不同角落的组织知识整合到平台系统内，形成有条理的、系统性的企业知识体系，有利于实现知识的高效获取和创新。(2)知识获取。高效的知识获取能够促进知识的重用，知识重用是知识增值的重要体现。知识获取的主要方式是知识检索和知识推送，通过利用检索技术和推送技术相结合的方法，可以实现知识的高效获取，并且根据用户对知识的使用情况及时对系统知识进行更新。基于以上考虑，本文提出了基于零件实例库的关联知识服务模型。这里的“关联”是指零件图纸与加工该零件的工艺文件一对一的映射关系，如图1所示。这种模式的知识服务能够与机械加工任务相结合，为机械零件设计制造提供参考，使知识服务更加实例化、具体化。

图1　基于实例库的关联知识服务模型

2关联知识检索方法

知识检索能够解决在检索过程中产生的信息量大但有用知识很少、检索效率低等问题。它在对蕴含在信息中的知识和知识关联进行分析的基础上，在知识处理技术和知识组织技术的支持下，实现深层信息查询的语义理解的智能化处理过程[14]。由于企业知识的类型多、规模大，而且各类知识并非孤立的存在，在某种程度上可能存在从属关系，如果能够充分利用这种从属关系，使各类知识之间建立一定的关联关系，那么将会大大提高知识的获取效率。知识的获取效率直接影响着知识的使用效率，从而影响产品的设计效率，高效率的知识获取可以提高知识的重用率，从而达到缩短生产周期，降低生产成本的目的。

在机械零件设计制造的过程中，设计人员需要根据设计的需求查找相应的知识，本文结合设计者的知识需求，提出了三种类型的关联知识检索方法，组成了一个庞大的关联知识检索体系，如图2所示。所谓关联知识检索是指检索存在从属关系的知识，即在检索某一零件的同时也将与之相对应的工艺文件一并检索出来，并将二者生成关联，然后将关联结果返回给用户。这种检索模式打破了单一知识检索的孤立性，保证了零件图纸与工艺文件的关联性和统一性，减轻了用户对知识的检索负担。易于准确地检索到所需要的知识信息，增强了系统的易用性和灵活性，促进了知识共享和知识组织的有效性，极大地提高了知识的获取效率。

图2　关联知识检索体系

2.1基于零件名称检索技术

图3　零件名称检索流程图

零件名称检索是一种关联知识检索的检索方法，主要是针对零件及其工艺知识进行检索，能够帮助用户在知识库中找到符合需求的零件模型和工艺知识。零件名称检索的基本思想是：首先对输入关键词(零件名称)进行分析并在实例知识库中进行检索和匹配。匹配到相关零件知识后，系统会继续自动检索工艺库，将工艺库中的工艺知识检索出来。然后将零件图纸与加工工艺生成一对一的映射关联列表。最后将关联结果(关联知识)返回给用户，检索流程如图3所示。

关联知识检索步骤如下：

Step1输入关键词，系统会根据输入的关键词对零件知识库进行检索。

Step2若零件库内存在包含该关键字段的零件实例，则系统会将相应的零件图纸检索出来。

Step3若Step2已执行，系统会继续检索工艺知识库，并将与每个零件图纸相对应的加工工艺检索出来。

Step4将零件图纸与相应的加工工艺严格按照一对一映射的关系生成关联列表，实现零件图纸与加工工艺的关联。

Step5将关联结果返回给用户。

若Step2未执行，说明零件库内没有与输入关键词相关的零件信息，即无检索结果；否则，系统会按照上述步骤检索知识库，并将检索结果以列表的形式返回给用户,以供用户参考和使用。

2.2基于委托人检索技术

委托人检索是一种关联知识检索的检索方法，主要是针对委托人进行检索，帮助用户检索到某一委托人下的一批零件或所有零件及其工艺知识。委托人检索是采用TreeView控件作为导航器实现并通过树状结构来存储和显示零件知识，零件类型作为导航节点，通过与数据库的连接，可以实现不同类型的零件按层级结构分类显示。TreeView最常用的是显示文件、目录或其它需要分级显示的信息。TreeView内容加载一般有三种方式：(1)界面设计时在TreeView设计器或者代码中直接填充TreeView控件；(2)从XML文件中读取数据建立树型结构；(3)从数据库中读取数据,建立树型结构[15]。本文采用第三种加载方式，从数据库读取信息，以委托人作为父节点，零件类型作为子节点，零件图纸与加工工艺作为知识信息以列表的形式呈现给用户。此种检索方式的优点在于能够清晰地呈现不同类型的知识和知识信息，快速定位知识类型，点击具体分类，即可查看该类型下的知识信息，避免复杂信息的干扰。

委托人检索与零件名称检索的主要区别是在于委托人检索是实现委托人、零件类型、零件图纸和加工工艺四者的关联。并且是以树状导航的形式实现的，其基本思想是：首先对输入的关键词(委托人)进行分析并检索；检索匹配成功以后从数据库读取该委托人下的所有零件类型；与此同时，对零件库和工艺库中的零件和加工工艺进行检索和匹配，再将匹配成功后的零件与工艺生成关联关系；然后将这一关联关系与委托人和零件类型再次进行关联；最后将四者的关联以树状结构的形式进行分类显示，实现知识按照层级结构进行排列。

2.3基于加工信息检索技术

加工信息检索是一种关联知识检索的检索方法。通过分析零件加工过程涉及的表面加工方法、设计特征、工艺过程、热处理以及零件的配合性质等加工信息，实现零件与加工工艺的关联检索。其中，表面加工方法包括外圆表面加工、孔加工和平面加工；设计特征包括长方体、圆柱体、圆锥、球、孔、凸台、腔体、键槽、槽、加强筋、螺纹和其他；工艺过程包括铸造、锻造、冲压、焊接、机械加工、热处理、装配和其他；热处理包括正火、退火、时效、淬火、回火、调质、渗碳、渗氮和其他；配合性质包括间隙配合、过盈配合和过渡配合。加工信息检索的实现方式是首先通过对零件的加工工艺过程进行分析，在加工过程涉及到哪些加工信息。然后将分析结果作为关键词并与数据库内加工信息进行匹配，得到匹配结果(零件知识)后系统会自动访问工艺库，获取到与每个零件相对应的工艺知识，生成零件知识与工艺知识的关联关系。最后将关联结果返回给用户。

加工信息检索在实现零件与工艺知识的关联基础上，还提供了三种表面加工的加工方案：外圆表面加工方案、孔加工方案和平面加工方案。对于一个零件来说，可能有不同的工艺加工方案来实现零件的加工，有些方案生产效率高，但成本较大，而有些方案虽然生产效率相对较低，但节约成本。这时需要考虑哪种方案更合理、经济性更好，因此不仅要考虑原材料的可加工性和加工精度对零件的影响，同时也要考虑经济性的影响。一般来说，加工方案的选择应该既能够满足零件的加工质量要求和使用条件下的精度要求，同时又要具有较低的生产成本，即尽量提高零件加工经济性。本文所设计的加工信息检索能够根据不同的材料，综合考虑经济加工精度等级和表面质量要求，而选取相应的表面加工方案，为零件加工工艺规程的制定提供参考。

3关联知识推送方法

3.1关联知识推送实现机制

知识推送是指将知识库中的知识通过一定的标准或协议，根据设计人员的兴趣和设计任务的需求，将匹配的知识及时准确地传递给设计人员，为设计人员提供知识支持，减少复杂的搜索工作[16]。知识推送是一种重要的知识服务的手段，其目的是满足用户的知识需求，解决因知识泛滥而导致的知识迷航问题。对于机械零件知识来说，为了提高零件知识的获取效率，本文提出了基于零件实例库的关联知识推送方法，其实现机制如图4所示。基本思想是：首先设计人员会根据当前的设计任务对所需要的零件知识进行分析。然后根据分析结果提取知识库中的知识，再经过相似度算法分析和匹配，得到最相似的匹配知识，得到该部分知识以后再获取工艺库中的相关工艺知识，将零件知识与工艺知识生成关联关系。最后将关联结果(关联知识)按照相似度大小降序排列推送给用户。这种模式的关联知识推送继承了关联知识检索的特点，能够根据用户的知识需求以及当前知识的使用情况，从知识体系中选择出合适的知识。实现将关联知识及时、主动地推送给用户，确保了知识获取的主动性和准确性，同时也降低了知识获取的盲目性，大幅度提高了知识获取的效率。

图4　关联知识推送实现机制

3.2相似度匹配算法

本文采用向量空间模型表示文本(document),其坐标系为Salton提出的词语加权，即tf×idf。tf为词语term在document中出现频率，idf为逆document的频率，二者的乘积作为向量坐标，具体算法如下：

(1) 首先计算系统各document中知识出现的频率：

(1)

其中，tf(i,j)为第j个知识的在第i个document中的频率。

(2) 系统知识的逆document频率为：

(2)

其中，N为document的总数，Nj为包含第j个知识的document的个数，idfj为系统知识体系内第j个知识逆document频率。

(3) 系统知识体系各项知识的权重可以表示为：

(3)

其中，tw(i,j)为第j个知识的在第i个document中的权重。

(4) 当前知识的权重为：

(4)

其中，tfj为当前第j个知识的出现频率。

(5) 系统各document与当前知识之间的相似度是document中包含当前知识的权重加权和，即：

(5)

至此，各相似度大小即可通过系统应用程序计算得出，系统会将各相似文档按照相似度大小降序排列推送给用户。这种算法确保了知识属性的权重通过系统的计算而得出，从而克服了权重的配置依赖于设计人员主观判断和经验，实现了非人工干涉的关联知识推送。

4系统开发与应用实例

本文采用J2EE的MVC设计模式，MySQL5.1作为系统数据库，MyEclipse软件作为开发工具设计开发了机械非标零件设计知识服务平台。通过有效的知识管理实现了零件知识和信息的共享、获取、重用和创新，并按照前述的关联知识检索方法和关联知识推送方法为用户提供知识服务。

按前文所述，平台系统主要从三个方面对关联的零件实例知识进行检索：(1)零件名称检索；(2)委托人检索；(3)加工信息检索。零件名称检索是实现知识获取的重要方式之一，此种检索方式实现了对“零件图纸—加工工艺”的关联，对于想确切地了解某一实例知识，可使用此种检索方式。这种检索方式只需用户输入查询的关键字段，即可将包含该字段的所有零件和工艺知识全部检索出来，使用简单、方便，检索结果如图5所示。

图5　零件名称检索结果

委托人检索实现了对“委托人—零件类型—零件图纸—加工工艺”的关联，对于想确切了解为哪些委托人加工过哪些零件，可以使用此种检索方式。这种检索方式采用树状导航呈现实例知识分类结构，点击具体分类，即可查看相关分类知识。例如在文本框输入“博威化工设备有限公司”进行检索，左侧委托人一栏将会显示检索结果并以树状导航的形式显示零件的分类信息，右侧零件信息一栏将会显示为该委托人加工过的所有零件及相应的工艺文件。当点击委托人下某一零件类型，右侧零件信息一栏将会显示相应类型的所有零件图纸和加工工艺，检索结果如图6所示。通过零件的分类导航，可以准确、快速地查找某一类型的零件，降低了用户对实例查找的盲目性，便于用户根据自身的需求选择所需要的知识。

图6　委托人检索结果

加工信息检索在实现了“零件图纸—加工工艺”的关联的同时，也为用户提供了相应的表面加工方案。表面加工方案主要包括四个方面：加工方案、经济加工精度等级、加工表面粗糙度和适用范围。在使用加工信息检索时，系统会根据检索内容检索数据库，并将相应的零件图纸与加工工艺检索出来，生成图纸与加工工艺的关联。当加工信息包括外圆表面加工、孔加工或者平面加工时，平台系统会检索出外圆表面加工、孔加工或者平面加工的加工方案，与前面的零件关联知识共同返回给用户，供用户参考和使用。其中，各类表面加工方案均可由Excel格式的文件导出，方便知识的传递和使用，检索结果如图7所示。

图7　加工信息检索结果

关联知识推送是平台系统为用户提供知识服务的主要功能之一，是在零件设计制造过程中提高知识获取效率的重要方式。通过分析零件的知识特点，实现基于实例库的关联知识推送，在实施知识推送时，系统会首先根据设计人员当前的知识需求从实例库中检索出与当前任务相关的零件实例知识。然后通过实例知识与当前知识进行相似度匹配算法分析，将相似的实例知识以列表的形式推送给用户，推送结果如图8所示。

图8　关联知识推送结果

5结语

知识服务是提高知识获取能力的有效服务手段，本文结合零件知识特点，提出了基于零件实例库的关联知识服务模型。该模型是一种面向知识内容和解决实际生产问题的服务模型。研究了三种类型的关联知识检索方法，构建了关联知识检索体系，便于查找与任务相关的知识。通过文本相似度算法进行知识匹配，设计了关联知识推送方法，实现了实例库中的知识与当前知识的匹配并主动推送给用户。最后，通过应用实例说明了关联知识服务在机械非标零件设计知识服务平台中应用的可行性和实用性。通过对机械零件知识的科学管理，整合企业中各种形式的分散的知识资源，促进了知识的获取和重用，提高了设计人员的工作效率，降低了用户对知识获取的盲目性。充分利用已有的知识成果，避免或减少重复劳动，能够为用户提供高效率、个性化的知识服务。今后的工作重点是加强关联知识检索与关联知识推送的技术创新，结合企业知识需求的变化，为企业知识服务和信息化做进一步研究。

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KNOWLEDGE SERVICE METHOD FOR MECHANICAL PARTS DESIGNANDSYSTEMIMPLEMENTATION

Li Lu1Mao Hanying2*Wu Zhenyong1Mao Hanling1

1(School of Mechanical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,Guangxi,China)2(School of Automobile and Transportation,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 542506,Guangxi,China)

AbstractTo solve the problem that the knowledge resource of mechanical parts category is hard to be discovered and is low in acquisition efficiency, we proposed a parts case library-based association knowledge service method. According to the subordination relation between the knowledge, we designed three types of association knowledge retrieval method, and based on similarity matching algorithm, we designed the association knowledge push method. By the above two knowledge acquisition methods we implemented the knowledge service. We also designed and implemented the knowledge service platform for non-standard mechanical parts and provided a comprehensive network service platform for knowledge sharing and management in the process of non-standard mechanical parts design. Finally, we verified the application effect of the knowledge service on the platform through application examples.

KeywordsPartsAssociation knowledge serviceAssociation knowledge retrievalAssociation knowledge pushKnowledge service platform

收稿日期：2014-12-14。国家自然科学基金项目(51365006，5144 5013)；南宁市科技计划项目(20131067，20130950)。李录，硕士生，主研领域：知识管理与知识服务，企业信息化，信息化系统应用。毛汉颖，副教授。吴振勇，讲师。毛汉领，教授。

中图分类号TP391

文献标识码A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.06.017