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产品知识管理(PKM)中的关键技术

2007-07-21田雨 张国军 邵新宇 李培根 车争

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通过对产品数据管理局限性的分析引出产品知识管理(PKM)的概念。在初步建立了产品知识管理系统的总体框架后,分析了PKM 的若干关键技术,包括知识发现技术、知识表达技术、知识索引和检索,以及设计导航技术等。最后给出了应用实例。

1 引言

    为了解决产品开发中大量工程图纸、技术文档的计算机管理问题,产品数据管理(PDM)系统在企业得到广泛应用。PDM在数据管理、流程管理以及产品配置等方面发挥了重要的作用。随着知识经济时代的到来,企业(尤其是具备较高的产品创新设计能力的企业)对知识管理越来越重视。在产品设计环节,大量的设计知识(包括设计信息、设计规则、设计方法等)亟待进行合适的处理和有效的管理,以数据管理为基础的PDM已经远远不能满足企业的这一需求。在这样的背景下,提出了产品知识管理(PDM)的概念,即,综合利用知识处理的相关理论与方法,结合信息化的知识与手段,对产品设计、制造、管理等环节中相关知识(包括信息、规则与方法)等进行有效的管理。

2 PKM 系统总体框架

    如图1所示,PKM系统总体框架可以分为下述的三个层次:

2.1 网络和数据库支持

    在并行工作环境中,网络和数据库是实现知识共享的平台。产品知识库和工程设计(产品设计、工艺设计等)数据库可以采用相同的DBMS,甚至采用同一个数据库(例如ORACLE中的同一Instance或者SQL Server中的同一Database)。这种方式不仅使产品知识库和工程设计数据库能够共享统一的产品模型,而且对工程设计过程中的设计知识动态提取也变得比较方便。

2.2 知识管理

    知识管理,主要指可复用工艺设计知识库内部的管理,是PKM的核心层。它把知识处理的三要素,即知识发现、知识表达和知识组织,与计算机手段结合起来。从图1中可以看到,工程设计数据库和数据仓库首先在服务器的作用下,提取相关数据。然后,通过数据挖掘引擎进行数据挖掘,并生成可复用设计知识库。最后,经过模式评估,留下用户感兴趣的知识。生成了可复用设计知识库以后,可以建立索引,进行检索、浏览、聚类等工作。

2.3 知识应用

    知识管理在集成产品开发中的应用体现在各个方面。包括市场信息的收集、处理、决策,以及产品概念设计、详细设计、工艺设计等产品设计的各个阶。还可以建立知识门户,并提供设计导航。

3 关键技术

3.1 产品知识管理中的知识发现技术

   

 如图2 所示,产品知识发现的过程可以大致分为如下步骤:
    (1)数据选择:初步确定目标数据,从数据库中检索与分析任务相关的数据,形成目标数据库;
    (2)数据清理与集成:对目标数据进行加工,消除噪声或不一致数据,对丢失的数据进行填补,组合多种数据源;
    (3)数据变换:数据变换或统一成适合挖掘的形式,如通过汇总或聚集操作;
    (4)数据挖掘:确定KDD的需求,即需要挖掘何种类型的数据,根据具体需求选择合适的挖掘算法,包括选取合适的模型和参数,并使得知识挖掘算法与整个KDD的评判标准相一致。然后运用选定的挖掘算法,从数据中提取用户所需要的知识。
    (5)模式评估:模式兴趣度度量是必需的。根据它们的兴趣度评估所发现的模式,进行价值评定,并剔除冗余或无关的模式,以决定所得的规则是否存入知识库。如果模式不是用户感兴趣的,则需要整个发现过程退回到发现阶段之前,如重新选取数据。

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3.2 设计知识的表达方法

    设计知识表达是利用计算机能够接受并进行处理的符号和方式来表示产品设计中所获得的知识。在人工智能中最重要且应用最多的知识表示模式是产生式表示法,因为它直观、自然且便于推理。但是它多用于表达经验性的,没有精确、统一理论的知识领域。语义网络和框架表示法都是结构化知识表示法。但语义网络表示法难于系统开发和维护。而框架表示法的知识模块性不能清楚地定义。谓词逻辑表示法虽然自然、精确,有很好地理解形式语义的能力,但是缺少结构上统一的规则,致使大型知识库难以管理。
    基于以上原因,本文PKM系统又主要面向制造业领域,所以选择了面向对象表示法。但是面向对象表示法是结构化的知识表示方法,因此对于系统中非结构化信息单独处理。事实上,任何系统都可以视为由为着达到某些目的而相互作用的一组对象组成。当我们进行问题求解时,本质上都是用某种程序语言规定对解空间的对象施加一系列操作,以此结果去映射问题的解。
    对象的形式定义用如下的四元组来表示:对象=<ID,DS,MS,MI>。
    ID:对象的标识符,用以标识一个特定的对象。DS:对象的数据结构,描述了对象所具有的静态属性,常用一组<属性名属性值>表示。MS:对象的方法集合,用以说明对象所具有的内部处理方法,它反映了对象自身的智能行为。MI:对象的消息接口,是对象接收外部信息(消息)和驱动有关内部方法的唯一对外接口。
    在面向对象的PKM中,问题的求解是依靠对象间消息的传递完成的。最初的消息来自用户的输入,当接受消息的对象收到消息后,判断该消息属于哪一消息模式,找出匹配的内部方法,然后执行与该消息相联的方法,进行相应的消息处理。对象在需要的情况下又可以通过传递消息去请求其他对象完成某些处理工作,这样对象间可彼此联系,直至得到问题的解。
    面向对象的表示法和框架结构法的结构很类似,知识都可以使用类的概念按一定层次结构来组织,具有面向对象的类层次和继承性的特点。

3.3 设计知识的索引和检索

    通过知识发现产生了对于设计者有价值的知识以后,要做的工作就是建立可复用设计知识库,第一步工作就是为待存入设计知识库的可复用对象编索引,即为每一个对象产生一组表示属性。在这些属性中,功能(设计意图)是最主要的方面。然而,遗憾的是,很少有设计者会在设计结果中表明他的设计目的。从设计结果(图纸、BOM、工艺卡片等)中进行功能分析,又有较大的难度。要解决这个问题,需要设计者输入功能说明,并由设计者定义其输入的功能说明的关键词。然后根据关键词为该设计文档赋予一个层次性分类码,分类码说明设计的类型及其同别的设计之间的关系。允许为每个设计知识定义多个描述性关键字,允许主题重叠(因为某个设计知识可能并不能准确地归为某个分类中)。


    设计知识库建立后,还需要从库中能够检索与需求匹配的知识,或者通过浏览机制帮助设计者找到最符合设计需求的设计知识。设计知识检索一般分为三个阶段:
    (1)按照合法的词语表达查询条件;
    (2)开始线性检索:查找确定候选设计知识的位置,候选知识按照它们与查询匹配的程度排列;
    (3)当线性检索没有找到合适的设计知识时,启动基于聚类的检索。
    设计知识检索问题可以形式化,即可以把它分解为问题空间和解空间。如图4所示。其中问题空间又可以进一步分解为:实际问题空间;开发者所理解的问题空间;查询空间。而解空间中能辨别三种子空间:知识实例空间;知识类空间;代码/索引空间。

3.4 设计导航技术

    在PKM中,设计导航用于帮助设计者挖掘所需要的设计知识,指导其完成设计。它能够通过对设计要求、指标及规则的理解,并与知识库中的资源进行匹配,产生多个候选方案,并经过评价后为设计者提供最佳的方案。如图5所示。


    设计导航分为静态导航和动态导航。静态导航包括结构化导航、非线性导航、功能型导航、索引型导航等。动态导航又包括时间型导航、判断型导航、测试型导航、评价型导航等。一般的导航设计都综合采用了其中几种类型的导航方法。PKM系统中的设计导航就是在工作流技术的基础上,综合运用了结构化导航、索引型导航、判断型导航等方法来实现的。

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4 原型系统

    作者结合国家自然科学基金的项目研究,以某企业的产品设计为应用领域,用VC++和UG/Open API开发了一个产品知识管理(PKM)的原型系统,如图6所示。


 

 

 


    用户在进行产品设计的时候,可以通过一个入口(点击PKM按钮)进入系统,弹出如图所示的对话框。中间框显示的为系统自动从PDM调入的产品结构树;右边框为部件图形预览窗口,左边框是相关的属性列表。点击索引、搜索和设计导航的按钮,可以启动相应的功能。

5 小结

    在产品知识管理系统的框架中,这里将其分为“网络与数据库支持”、“知识管理”和“知识应用”三个层次,并对每个层次中关键技术进行了分析和阐述。由于知识处理本身的复杂性以及领域知识的复杂性,对PKM的研究与应用将是一个长期的过程。如何针对产品设计的特殊性研究新的知识处理方法,以及对知识的有效管理和应用,尚有待深入研究。

责任编辑:李婵娟
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