基于知识工程的产品设计技术及应用

王 新，乔文文

（华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063200）

0 引言

随着人类生活不断迈向高水平，人们越来越追求新颖，个性化定制产品终将代替大批量生产成为市场需求的主流。但是传统的设计方式和手段却在很大程度上限制了产品的创新，显然已经无法适应市场变化和用户需求，知识工程（（Knowledge Based Engineering，KBE）应运而生。KBE能够把与进行产品设计有关的原理、准则、规范和经验等知识结合到计算机系统中，使得设计人员只需要输入工程参数和应用要求，系统就能依据相关的知识，自动推理构造出符合要求的数字化几何模型。随着计算机技术的成熟，智能系统和专家设计知识已经被视为支持产品设计系统不可或缺的部分，这些工具已经成为协助设计人员创建新设计、修改旧设计或存储专家设计知识的公共场所［1］。

1 基于KBE的产品设计需求及KBE的主要研究内容

1.1 基于KBE的产品设计需求

在国内，企业产品设计过程中存在的问题可总结为以下两个方面［2］：

（1）产品设计周期长、使用周期短。由于使用者需求的不确定性，因此产品设计周期应尽可能短，这就要求设计师能够借助现阶段已有的资源解决现有的设计问题。但是传统的设计开发手段仅停留在用计算机进行简单的绘图、计算及数据的输入输出，效率极低，需要的时间比较长。

（2）产品设计知识管理不当，导致知识共享程度及重复利用率低。传统的产品设计知识都是由技术人员整理手动输入电脑以文档的形式进行保存，然而并没有对设计人员的思维创新过程进行记录，在新产品开发和测试过程中产生的大部分知识可以归类为隐性知识，这些知识来自于员工在产品开发项目期间的个人经验和看法，由于一些个人原因可能导致有些知识并没有外化，因此一些关键信息可能并没有被及时记录和保存下来，随着人员的流动，关键信息也随之消失，这使得知识共享和重用变得更加困难。当公司需要开发新产品时，一系列工作又要重新去做，既浪费了时间又难以对新的设计进行指导。

1.2 KBE的主要研究内容

基于KBE的产品设计就是将设计过程中所积累的经验与技巧转化为显性知识并与设计系统集成，创建高质量、高性价比的设计。即将人类头脑中的知识转化为计算机可以识别的形式以便于存储、调用以及根据已有知识展开推理来解决现有设计问题。

KBE技术的本质是一个在设计过程中通过提高自动化水平来帮助工程师提高工作效率的计算机系统［3］。KBE的主要研究方向为知识的获取、表示、重用及推理。

2 国内外基于知识工程的产品设计技术及应用

知识工程是人类智能时代的领先科学，国外在这方面的研究起步比较早，尤其是在产品设计方面更是有不少研究成果。为了满足市场变化和用户需求，国内许多高校和高科技企业也进入了知识工程领域，并且研发出了各式各样的基于知识工程的产品设计技术。

2.1 国内基于知识工程的产品设计技术及应用

欧美的一些国家高度重视KBE技术的开发，该技术已在汽车设计中得到了广泛应用，但是我国相关方面的研究工作和产品较少，大部分设计师还是根据传统的设计方式与手段进行设计，随着大批量的订单越来越少，单件小批量生产越来越多，KBE技术的研发已成为必然趋势。基于所阅读的文献，以下从知识工程的主要研究对象入手分析了较成功和典型的研究成果及各自的优缺点。

王亚辉等［4］针对新产品设计开发过程，提出一种案例驱动的协同设计知识管理模型，该模型通过引入已有领域案例设计知识，不仅为设计师提供了思路还节省了时间，但是，案例样本数量较少，领域设计知识还不够全面。李杏等［5］针对采煤机设计，提出了多层次多粒度采煤机创新设计知识表达方法，设计者可获取与采煤机相关的本领域、近领域、远领域实例知识，促进设计者进行联想类比，从而进一步进行采煤机的创新设计活动，但其缺点是设计师头脑中的类比联想难以用基本的方法进行表达。李秀玲等［6］针对已有异构CAM模型的知识共享，提出了一种基于工艺知识图谱的异构CAM模型的结构化建模方法，该方法能够支持和促进协同设计异构CAM模型的知识共享，但是并未与工艺知识库进行有效集成。

刘金峰等［7］针对工艺知识的重用，提出了加工特征的描述方法，可以对加工特征进行准确描述，但适用范围小，只针对机加工零件工艺设计过程中工艺信息的重用进行了研究。常智勇等［8］则提出了一种基于加工意图的机加工艺知识重用方法，解决了工艺知识粒度大的问题，不仅可发挥工艺员的自主性，还满足了工艺员对于知识的个性化和多元化需求，但是工艺知识重用过程中需要大量复杂的多学科知识。范玉斌等［9］针对复杂产品智能制造，提出知识单元覆盖度来测度知识，有利于组织了解知识库中的当前知识状态，可以较好地实现知识库中知识的定量化分析，但考虑指标单一，典型知识覆盖度的计算尚有不足之处。万姗等［10］针对数控机床维护服务，提出采用计算适用度来选择历史案例并基于因果理论和依赖关系相结合的适用算法来得到适应后的当前待解决的案例结论，基于历史案例知识的维修知识重用方法可作为数控机床故障诊断的方法，但没有考虑到它的应用环境，只有故障诊断的维修服务系统，没有为数控机床制定全面预防维护计划。

2.2 国外基于知识工程的产品设计技术及应用

与我国相比，KBE技术在国外的发展要成熟得多。根据所阅读的文献，总结出以下比较成功和典型的研究团队及其研究成果并分析了各自的优缺点。

Nguyen C等［11］针对知识表示，提出了一种基于三角形网格表示和边界表示相结合的三维CAD轻量级表示方法，在保持数据处理效率合理水平的同时，降低了三维CAD文件的数据存储需求，但工作范围小，没有扩大到其他应用中。Lundin M等［12］则探讨了如何利用CAX和CAD来提高设计模块捕获和表示的效率，实现产品族的重用，能够有效地捕获并表示逐步设计模块指令的重要部分，以及通过一组设计状态实现复杂设计模块，但重用还没有得到定量的度量。Cheong H等［13］针对知识获取，提出了一种从自然语言文本中自动提取函数知识的方法，对于基于知识的CAD系统，可以进行创造性的综合，专注于非常小的领域，并且在维护和更新他们的知识库方面比较简单，没有提及如何提取系统级的知识。Anagnostakis D等［14］则介绍了一种数据挖掘技术，获取反映设计需求变化与设计结果之间关系的自适应规则，为实现变型设计案例适应的自动化，提出了一种新的案例适应方法，但是当设计要求和设计结果不同具有数值属性和分类属性时，该方法的性能不优于其他方法。

3 结语

产品设计是一个在多学科知识融合的基础上结合实践经验的创造性过程。然而，在设计过程中，设计师通常花费60%左右的时间在高度多样化和非结构化的知识资源中寻找正确的信息。因此，有效地存储、管理和检索设计知识是企业和行业缩短产品开发时间的主要途径之一。随着大数据的日渐普及，互联网上以电子和数字形式存储的大量信息成为工程设计知识发现的宝贵资源。传统的基于文档索引的文档检索方法侧重于检索与查询相关的单个文档，而难以挖掘出单个知识概念之间的各种关联性，KBE技术的开发可以加快设计过程并促进创建高质量、高性价比的设计。从KBE在我国的发展趋势来看，知识驱动的产品协同开发必将会成为未来的发展方向。