支持产品创新的机电领域知识库构建技术研究*

贺 欢，李文强，李 彦，胡连军

(四川大学 制造科学与工程学院，成都 610065)

0 引言

随着经济的发展和人民生活水平的提高，创新越来越受到人们的重视。创新是以新思维、新发明和新描述为特征的一种概念化过程，而现代产品创新设计是一个知识驱动的创造性过程，该过程离不开我们对知识合理、灵活的应用。产品创新过程中需要大量知识作为支撑，领域知识作为某一特定领域的知识，为设计者提供解决问题的方法，辅助设计人员进行创新设计。目前，针对领域知识的表现形式以及基于领域知识的知识发现机制与方法开展了一系列研究，朱靖波等提出了一种基于领域知识的文本分类方法［1］，朱卫星等提出了基于领域知识复用的需求建模［2］，陈刚等提出了一种重用现有领域知识库知识构造新领域本体的方法［3］，毛郁欣等针对知识资源管理在动态性和可扩展性方面的需求，提出了一种基于子本体的领域知识资源管理方法［4］。每个领域的知识都有其特点，而现有领域知识的研究又鲜有与机电领域相关的，基于此，本文以机电领域知识为研究对象，分析其特点并构建支持产品创新的机电领域知识库。

1 支持产品创新的机电领域知识库的构建

1.1 领域知识支持产品创新设计

产品设计是对产品功能、结构、外观等方面进行的综合性设计，而概念设计又是产品设计过程中最活跃也是最易获得创新方案的阶段。在概念设计过程中我们将实现从功能到结构的映射，根据产品所需实现的功能，找到相应的行为，再由行为映射出其实现载体即结构［5］。

在概念设计阶段，设计人员需要对知识进行充分利用以便更好地实现创新设计，为了更好地利用知识辅助创新设计，将辅助产品创新设计的知识分为以下几类，①原理类知识:设计原理、发明原理等，这些原理知识为设计人员提供创新的规律与方法，②综合类知识:专利知识、决策支持知识、多学科优化知识，这些知识为产品功能的实现提供设计策略，③领域类知识:领域知识和专题知识，为设计策略的实现过程提供具体专业支持［6］。领域知识通常被用于行为到结构这一映射阶段，在进行机电产品设计时设计人员可根据机电领域知识中的典型机构与方法，由实现功能的行为方式设计出具体的产品结构，如图1 所示。

图1 领域知识在概念设计中的应用

领域知识指某一领域的具体的知识，从知识工程的角度，有研究提出领域知识是一个概念化模型，这个模型包含了概念与概念之间的关系，包括概念与概念之间的联系、约束以及如何利用现有概念推导出新概念的规则［7］。

1.2 领域知识的获取与层次划分

要有效利用领域知识，应先设计有效的领域知识获取方法。知识获取［8］是指以人工或自动获取方式从知识资源处获得相应知识来完善知识库的过程。知识获取是知识共享与重用的基础，是知识库系统实用化过程中需要解决的一个关键问题。机电领域知识来源主要包含专利、期刊、设计手册、领域专家等［9］，如图2所示。

图2 机电领域知识获取示意图

在获取到领域知识后，我们需对其进行分类。经分析发现在机电领域众多产品中，例如机床、起重及输送装置等，都是由控制与执行两个部分组成的，针对这一特点首先将机电领域知识分为机械类和电子类，以机械类为例，又可将其分为典型机构、加工与处理、连接与紧固、润滑与密封、支撑与传动六大部分。由于机电领域知识具有层次化的特点，对机电领域知识进行划分时，先将其分为大类，然后再根据其具体特点进行细化如图3a 所示。对知识进行分类表示时，可以借助树状图的方法。在利用树状图进行分类时，我们应遵循一定的原则:

①在对每级进行划分时只能有一个标准;

②子类的加和为父类;

③划分出的同级知识不能为相容关系，父类与子类不能为并列关系［10］。

按照我们的划分原则，仍然可以继续划分，以润滑与密封为例，再向下级划分，可得到如图3b 所示，其他的依次类推，最终可得到机电领域知识树状图。

图3 机电领域知识层次划分

1.3 基于本体构建领域知识库

机电领域知识范围较广，基本概念繁多，且概念之间存在复杂的相互联系和约束关系，组织管理起来颇有难度，本体能够很好地解决这一问题。本体概念最初起源于哲学领域，哲学中把本体定义为“对世界上客观存在物的系统地描述，即存在论”。Gruber 将本体定义为“共享概念化的明确的形式化规范”［11］。

图4 本体构建流程

如何建立本体是本体论技术的关键，参考Uschold的本体建立方法［12］，初步确定机电领域知识库本体构建的流程如图4 所示［13］。

结合机电领域知识特点，支持产品创新的机电领域知识库本体的具体构建如下［11，14］:

(1)确定支持产品创新的机电领域知识库的范围

针对不同的研究领域，本体所涉及的具体范围以及其中的概念层次也是不同的，对于支持产品创新的机电领域知识库来说，它的主要研究对象是机电领域的知识，而且这个知识库是面向产品创新设计的。

(2)获取领域类概念［15］

将机电领域知识本体定义为DO = {onC，onA，onR，onH}

其中:DO-Domain Ontology 表示领域本体;

onC 表示领域知识中概念实体的集合;

onA 表示领域概念实体中属性的集合;

onR 表示领域知识中各种概念间关系的集合;

onH 表示领域知识中概念间层次关系的集合。

(3)类及类的层次的确定

在已获取领域内概念的基础上，分析概念间关系，并绘出机电领域知识类的层次图如图5 所示。

(4)对概念实体进行描述即属性定义

属性用来描述类及实例的特性，这里将机电领域概念属性定义为＜固有属性，功效属性，相关属性＞的三元组。固有属性为该类固有的特点，用来描述领域知识本身的属性，如其工作的原理等;功效属性为该类实现的功能，比如运动形式的转化，相关属性为该类的成员与该类中其他成员或是与其他类成员之间的关系。以曲柄滑块机构为例，其固有属性可以包含曲柄滑块的组成、工作原理，功效属性为转换运动形式即变转动为滑动，而相关属性可以是杆件之间的连接形式等知识。

(5)创建实例

图5 类及类的层次

选择类，生成类的单个实例，属性补充完整即可得到知识条目的实例，根据对属性的理解，确定机电领域知识条目可以包含以下几个部分见表1。

表1 领域知识条目组成部分

2 领域知识的检索与应用

2.1 领域知识检索

对于知识库的使用者来说，主要是通过检索的方式筛选出知识库中对自己有用的信息，筛选信息的效率对知识库使用者来说很重要，这也是衡量知识库的一个重要因素。

由于领域知识采用本体的组织方式，且根据知识条目的属性即知识条目构成，领域知识库中对于知识的检索主要有以下三种方式:自然语义检索、关键词检索以及功能检索，当用户需要某一明确的机构或方法的知识时便可用关键词检索，而若需要找到实现某种功能的机构或方法时可使用功能检索或自然语义检索。图6 为领域知识的检索方法示意，用户输入检索内容，选择检索方式来获取领域知识资源，系统输出结果，若满意，则检索完成，若不满意还需对检索的问题进行重新表征再进行检索。

图6 领域知识库检索示意图

2.2 应用示例

(1)背景描述与问题分析

机床在长时间的工作中会发热，尤其是在环境温度过高或是通风情况不好的情况下，长时间工作于高温环境下，不仅影响机床设备的使用寿命，甚至会引发安全事故。温度是使机床工作过热的直接原因，而导致机床过热的进一步因素是电路中保护措施不当，可在电路中增加能够感知温度的器件，使温度达到危险值时自动断开电路，减少不必要的损失［16］。

(2)解决方案

我们的改进目标已比较明确，对于此类目标较明确的问题可以选择功能检索与自然语义检索，由于作者已对知识库搜索系统较熟悉，这里选用功能检索，将其功能抽象为“检测温度”，而对于功能检索不熟悉的使用者，可以选择语义检索，例如这里的检测温度在语义检索中可以是“如何感知温度”或是“怎样测量温度”等其他表示形式。

根据概念设计原理，先在科学效应库中找到能实现该功能的行为，我们可以进入知识库搜索界面如图7 所示，浏览能实现该功能的知识条目，根据具体的设计情景及设计人员的经验等选取合适的知识条目——“热膨胀”。

在界面下方选择查看领域库中的相关机构，在领域知识库中查看到热继电器这一条目见图8，结合机床电路的具体情况，可以给出初步的解决方案:在机床电路中加入热继电器，一旦达到预警温度时，热继电器即刻切断电路，这样就起到了保护电路的作用，当然热继电器具体型号的选取还要根据机床自身信息参考知识条目内容来完成。

3 结束语

在支持产品创新设计的过程中，对知识的有效利用要求越来越高，针对产品创新设计对领域知识的需求，本文构建了基于产品创新的机电领域知识库，对机电领域本体进行构建，指出数据属性，相应地，也产生了知识条目的具体展现形式，并分析了机电领域知识的具体划分以及知识库检索方式。下一步的工作是完善机电领域知识的分类，知识内部概念之间的关系，并研究机电领域知识的表达方式以及与系统中其他库的配合使用。

图7 检索界面

图8 热继电器知识条目

［1］朱靖波，陈文亮. 基于领域知识的文本分类［J］. 东北大学学报(自然科学版)，2005，26(8):733 -735.

［2］朱卫星，王智学，李宗勇，等. 基于领域知识复用的需求建模［J］. 解放军理工大学学报自然科学版，2009，10(1):30 -35 .

［3］陈刚，陆汝钤，金芝. 基于领域知识重用的虚拟领域本体构造［J］. 软件学报，2003，14(3):350 -355.

［4］毛郁欣，陈华钧，姜晓红. 基于子本体的领域知识资源管理［J］. 计算机集成制造系统，2008，14(7):1434-1440.

［5］Gero J S. Computational models of innovation and creative design process ［J］. Technological Forecasting and Social Change，2000，64:186 -196.

［6］李彦，李文强. 创新设计方法［M］. 北京:科学出版社，2013.

［7］陈文亮.面向文本分类的文本特征学习技术研究［D］.沈阳:东北大学，2005.

［8］张鲁海. 面向产品创新设计的专题知识库研究与开发［D］.成都:四川大学，2012.

［9］Jun Liang，Zuhua Jiang，Hai Su，Kuo-Ming Wang，The Research and Application of Process Knowledge Map Construction Method，Journal of Chinese Institute of Industrial Engineers，2007，24(1):30 -41.

［10］百度百科. 知识分类理论［EB/OL］http://baike. baidu.com/view/2109451.htm.

［11］冯志勇，李文杰，李晓红.本体论工程及其应用［M］.北京:清华大学出版社，2007.

［12］陈钢. 基于本体的特征知识库［D］. 天津:天津大学，2004.

［13］马涛，李彦. 基于ontology 技术构建科学效应知识库［J］. 计算机应用研究，2009，26(9):3399 -3402.

［14］王媛，李皓，李小军，等. 基于本体的舰船领域知识表征研究［J］. 舰船电子工程，2013，33(4):1 -3.

［15］刘翔.支持创新设计的专利知识库构建技术研究［D］.成都:四川大学，2011.

［16］胡浩.机床电机的过热保护［J］.机电工程技术，2005，34(3):102 -103.