采煤机创新设计知识表达模型构建与实现

张慧伶

(1.矿山采掘装备及智能制造国家重点实验室,山西 太原 030023;2.太重煤机有限公司，山西 太原 030023)

0 引言

采煤机的设计大多利用计算机辅助计算、绘图等方法，对专家经验的依赖度高。采煤机创新设计知识资源的表达与共享，能挖掘知识的潜在价值，提升设计者的创新能力。

2012年丁华等[1]利用过程式表达方法与产生式规则建立了知识混合表达模型。2015年王娜娜等[2]实现了滚筒式采煤机概念设计经验和知识的共享与重用。2016年郭生龙[3]搭建了电牵引采煤机知识管理系统。

本文对采煤机设计过程中的知识进行本体表示，构建知识库系统，提供丰富的设计手段和参考知识，促进了知识的共享和重用。

1 采煤机创新设计知识表达

1.1 采煤机创新设计知识分类

图1为采煤机创新设计流程。其中的知识可分为6类：参数类、结构类、原理类、效应类[4]、领域类[5]、专利类。

图1 采煤机创新设计流程

1.2 基于改进七步法的采煤机创新设计知识本体知识表达

根据设计需求调用表达完毕的知识即知识表达过程[6-7]，基于改进七步法的本体知识构建流程如图2所示。

第一步：明确采煤机创新设计知识本体所属的专业领域。

第二步：检查知识本体可否复用，若可以则生成概念、实例等，否则重新构建本体。

第三步：获取和明确采煤机创新设计知识概念及术语，为本体构建做准备。

第四步：定义采煤机创新设计知识本体类和类的等级，如采煤机参数类的简要概念结构，如图3所示。

第五步：定义类的属性。属性是类的特征，包括对象属性和数据属性。

第六步：创建采煤机创新设计的相关实例。实例是类的具体体现，也即个体。

第七步：整理与审核。对本体进行整理，请专业人员审查核验，直至通过。

图2 基于改进七步法的本体知识构建流程

2 实现采煤机创新设计知识表达

2.1 构建知识库

从采煤机创新设计领域选择知识实例分析数据属性；对各粒度阶段知识的属性进行语义表达，生成知识条目存储至创新设计知识库；最后对知识库进行不断扩充和完善。

图3 采煤机参数类的简要概念结构

2.2 存储知识库中的知识实例

对数据、图纸等进行描述的知识称为实例。知识模板是辅助产品创新设计的规范性知识表示方法[8]，参数类的知识模板如表1所示。

表1 参数类知识模板

2.3 检索知识

图4为基于本体的知识检索模型，分为属性检索和语义检索。其中，属性检索又包含原理检索、功能检索、结构检索、参数检索、效应检索和领域检索。语义检索融汇了需求分词、语义扩展、本体推理、全文检索等技术。本检索模型对定义不同概念间的语义关系十分有效，能够为用户检索到满足各种意图的资源[9]。

图4 基于本体的知识检索模型

2.4 知识库系统框架

采煤机创新设计知识库系统结构如图5所示。该系统可以帮助使用者将目标问题转为标准问题，获取对应的知识实例进行分析。

3 应用实例

本文开发采煤机创新设计知识库系统使用的开发平台为Eclipse，语言环境为Java，后台数据库为Mysql，建立和存储属性语义关系的工具为Protege4.3，将文本文件存储于关系数据库中的工具为Jena2.5.6，用于实现语义检索和知识扩展的方法为Lucene开源检索工具与Jena本体推理工具相结合。

图5 采煤机创新设计知识库系统结构

以采煤机牵引机构的改进设计为例对所建模型加以说明。薄煤层采煤机的生产率与装机功率呈正相关，但与牵引力呈负相关，因为狭小的煤巷限制了采煤机的横向端面面积，降低了机身强度。

(1) 问题分析：采煤机机身箱体壁厚增加可提高机身强度，但也扩大了横截端面面积。

(2) 问题转述：使用通用工程参数将已知冲突变为标准冲突，得到的“14-强度”为希望改进的特性，“3-运动物体的长度”或“5-运动物体的面积”等为会产生负面影响的特性。

(3) 获取一般解：在阿奇舒勒矛盾矩阵表中代入标准冲突，得到的发明原理有“1-分割原理”、“3-局部质量”、“8-重量补偿”等。

(4) 获取类比知识：在知识库系统中输入“分割原理”等关键词句，可搜索到相关内容。基于多角度考虑可以为解决冲突提供多种途径，比如分离采煤机身和截割部，以此避免推进阻力和截割阻力加载于截割部，这是分割原理；也可考虑在底托架设计铰接点代替在机身和截割部上的设计。

4 结束语

本文归纳整理了采煤机创新设计过程中的知识，利用本体理论对知识进行表达，开发了知识库系统，为用户提供了知识激励，帮助其进行类比、联想、开拓与发散性创新，使得采煤机创新设计知识的迁移、组合、再利用成为可能，促进了该创新活动的长远发展。