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箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計知識管理平臺探究論文
1引言
近30 年，企業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域越來越重視知識管理，對知識管理的研究越來越多，范圍越來越廣[1-18]。中國運載火箭技術(shù)研究院箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)過50 年的發(fā)展，已經(jīng)積累了豐富的知識資源，建立了較為完善的設(shè)計師隊伍與研發(fā)流程。但是，箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計在知識管理方面還存在一些不足: 設(shè)計知識缺乏科學(xué)管理，設(shè)計師之間不能共享知識; 新設(shè)計師成長速度慢，對經(jīng)驗豐富的設(shè)計師依賴較大; 相同設(shè)計知識的設(shè)計數(shù)據(jù)格式多樣，相互之間難以轉(zhuǎn)化; 箭體設(shè)計流程分為多個設(shè)計階段，但每個設(shè)計階段對設(shè)計知識需求的側(cè)重點不同，造成知識推送困難。本文針對箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計的現(xiàn)狀，研究箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計知識管理平臺，實現(xiàn)設(shè)計知識的分類、共享、重用和推送，以提高設(shè)計效率，為提升設(shè)計能力，推動創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。本文的主要創(chuàng)新點體現(xiàn)在: 針對箭體設(shè)計知識的特點詳細介紹了顯性知識挖掘技術(shù)、隱性知識挖掘技術(shù)和設(shè)計知識檢索技術(shù)。
2 箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計知識管理平臺關(guān)鍵技術(shù)
2. 1 顯性知識挖掘技術(shù)按照箭體設(shè)計知識的特點可以分為顯性知識與隱性知識，這2 類知識都蘊含價值，能指導(dǎo)設(shè)計者設(shè)計箭體。顯性知識是指能以標準、規(guī)范、規(guī)律、公式等形式存在的知識。顯性知識是設(shè)計領(lǐng)域的專家對設(shè)計知識的總結(jié)，設(shè)計者通過顯性知識可以得到直觀的設(shè)計方法，并能得到相對一致的設(shè)計結(jié)果。設(shè)計流程知識封裝是指將箭體設(shè)計過程中涉及的各類知識以其合適的方式進行存儲和管理，提供相應(yīng)的訪問方式，使孤立的設(shè)計知識描述成為可被利用的箭體設(shè)計知識。知識的存儲方式可以分為結(jié)構(gòu)化存儲與半結(jié)構(gòu)化存儲。結(jié)構(gòu)化存儲能充分發(fā)揮知識的內(nèi)在，有效管理設(shè)計知識，提供方便的調(diào)用方式。半結(jié)構(gòu)化存儲管理蘊含設(shè)計知識的實例，提供有效的檢索方式供設(shè)計者查詢，設(shè)計知識由設(shè)計者抽取。本文所闡述的結(jié)構(gòu)化存儲的形式主要包括: 利用數(shù)據(jù)庫表關(guān)系存儲、利用本體語言在文本中存儲。半結(jié)構(gòu)化存儲的形式主要包括: 數(shù)據(jù)庫中存儲的二進制文件、磁盤實體文件、各種軟件工具。
不同形式的知識封裝方式，對應(yīng)有其合適的調(diào)用方法。通過對箭體設(shè)計知識的封裝，實現(xiàn)了設(shè)計知識的可用性、積累性、共享性和交流性。例如文本文檔類設(shè)計知識主要按照設(shè)計階段、學(xué)科類型、適用范圍、適用角色4 個角度進行劃分，并形成4 個方面的“知識標簽”。由各個科室、小組的專家將多年積累的設(shè)計手冊、設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)文檔、典型設(shè)計方法文檔貼上知識標簽放入數(shù)據(jù)庫集中管理，形成可被關(guān)鍵字檢索的知識元素。對該類設(shè)計知識元建立其使用頻率指標項、使用評分項。從平時使用的頻率和反饋效果中挖掘知識。這類應(yīng)用廣泛見于科技論文的知識挖掘，通過被引用頻次來顯示論文的價值。文本文檔類設(shè)計知識挖掘如圖1 所示。圖1 文本文檔類設(shè)計知識挖掘1.2 隱性知識挖掘技術(shù)隱性知識主要是指難以表達的、隱含在設(shè)計過程和設(shè)計方案中的設(shè)計知識。隱性知識蘊含在以往設(shè)計案例或者專家的頭腦中，其中設(shè)計經(jīng)驗知識無法抽取。
設(shè)計者通過隱性知識只能得到類似成功案例的設(shè)計結(jié)果，結(jié)合設(shè)計者對隱性知識的判斷才能得到設(shè)計方法，設(shè)計結(jié)果也難以一致。由于隱性設(shè)計知識難于總結(jié)抽取，所以只能以設(shè)計實例的形式存儲，讓設(shè)計者從成功實例中借鑒設(shè)計知識。
設(shè)計實例的表現(xiàn)形式主要是各種磁盤文件，主要是各個設(shè)計學(xué)科中的設(shè)計流程、模型文件、視頻、音頻等多媒體文件等。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要是二維和三維的 CAD 模型。為了驗證設(shè)計結(jié)果是否滿足性能要求，需要建立多個學(xué)科仿真分析的 CAE 模型。另外，為了直觀表達設(shè)計結(jié)果，與這些多學(xué)科設(shè)計模型相關(guān)的有視頻、動畫和音頻文件等作為輔助。對于設(shè)計活動中使用的 CAD 設(shè)計模型，通過幾何特征識別算法獲取該設(shè)計對象的結(jié)構(gòu)特征，以其中有代表性的典型結(jié)構(gòu)特征作為“對象標簽”; 以 CAD模型的幾何參數(shù)列表為“參數(shù)標簽”; 模型中其它物理屬性作為“物理標簽”; 將產(chǎn)品裝配體中各零組件之間的裝配約束關(guān)系作為“關(guān)系標簽”。挖掘?qū)?yīng)不同型號的各零組件的參數(shù)組合規(guī)律。
對于設(shè)計活動中使用的 CAE 分析模型，將前置處理參數(shù)、邊界施加條件作為模型的“參數(shù)標簽”; 以分析結(jié)果差異作為“關(guān)注標簽”; 以該模型的優(yōu)化目標作為“對象標簽”。對比相同“對象標簽”條件下，不同“參數(shù)標簽”設(shè)置下“關(guān)注標簽”的變化，挖掘出CAE 分析模型關(guān)聯(lián)的分析結(jié)果規(guī)律。其中前置處理中需要用到顯性知識( 例如材料參數(shù)) 的地方建立隱性知識與顯性知識之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以通過隱性知識檢索到顯性知識，形成多級知識挖掘機制。CAE模型知識挖掘如圖2 所示。圖2 CAE1.
3 設(shè)計知識檢索技術(shù)設(shè)計知識
檢索包括基于編碼的知識檢索和基于知識引導(dǎo)的多視圖設(shè)計知識檢索�；诰幋a的知識檢索: 本平臺為每個知識進行編碼，由于箭體的設(shè)計過程相對固定，將知識按照型號、流程、活動進行編碼。編碼結(jié)構(gòu)包括型號、流程、活動、流水碼，其編碼結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3 所示。型號給予6 位編碼。因設(shè)計流程只包括方案階段設(shè)計流程、初樣階段設(shè)計流程、試樣階段設(shè)計流程和定型階段設(shè)計流程，流程位給予1 位編碼。每個設(shè)計流程又包括若干活動，這些活動包括順序進行的活動和并行的活動，活動位給予4 位編碼，順序進行的活動給 2 位編碼，并行活動給 2 位編碼。如圖 4 所示，活動 1 和 2為并行活動，其活動位高位編碼相同; 活動 3 和活動4 為順序進行的活動，其高位編碼不同。按上述編碼規(guī)則，活動1 編碼為“0101”，活動 2 編碼為“0102”，活動3 編碼為“0201”。流水碼給予4 位編碼。圖 3 知識編碼結(jié)構(gòu)圖4 流程活動基于知識引導(dǎo)的多視圖設(shè)計知識檢索: 根據(jù)設(shè)計要求，從功能、結(jié)構(gòu)、用途、特征等檢索參數(shù)中提取關(guān)鍵參數(shù)作為索引項，利用功能視圖檢索、基于情景的設(shè)計知識檢索等多種設(shè)計知識檢索策略，將檢索詞和設(shè)計知識匹配，依據(jù)相應(yīng)的排序算法，按照相關(guān)度高低找出最佳相似或前 n 個相似的知識條目。用戶在檢索設(shè)計知識時，若熟悉編碼規(guī)則以及設(shè)計任務(wù)的型號，設(shè)計流程和活動，可采用基于編碼的知識檢索方法; 若想通過關(guān)鍵詞檢索到設(shè)計知識可通過基于知識引導(dǎo)的多視圖設(shè)計知識檢索方法。2 箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計知識管理平臺的體系結(jié)構(gòu)箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計知識管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖 5 所示，從縱向看，分為知識管理模塊、知識推送模塊、流程管理模塊、系統(tǒng)管理模塊。
知識管理模塊負責(zé)知識的新建更新等; 知識推送模塊負責(zé)知識檢索和向用戶推送合宜的知識; 流程管理模塊負責(zé)流程的新建、更新與發(fā)布等功能; 系統(tǒng)管理模塊包括型號管理、用戶管理、機構(gòu)管理、角色管理等。從橫向看，分為交互操作層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)存儲層。交互操作層是用戶與平臺交互信息的窗口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入、修改、刪除、查詢、統(tǒng)計等; 業(yè)務(wù)邏輯層是平臺的核心，實現(xiàn)知識的業(yè)務(wù)邏輯處理，設(shè)計流程維護和系統(tǒng)管理; 數(shù)據(jù)存儲層主要為平臺提供基礎(chǔ)支持，由知識索引數(shù)據(jù)庫、用戶數(shù)據(jù)庫、動態(tài)數(shù)據(jù)庫和文件數(shù)據(jù)庫等幾部分組成，主要負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、查詢和備份，維護數(shù)據(jù)的一致性和安全性。圖5 箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計知識管理平臺體
4 箭體結(jié)構(gòu)
設(shè)計知識管理平臺的功能模型箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計知識管理平臺功能模型如圖 6 所示，包括知識管理、知識推送、流程管理、任務(wù)管理和系統(tǒng)管理等。知識管理模塊為本系統(tǒng)提供知識管理功能。知識新建: 創(chuàng)建新知識，定義知識的相關(guān)屬性; 知識更新: 對需要更新的知識進行更新; 知識標簽: 以標簽的形式顯示知識; 熱門知識應(yīng)用: 以列表的形式展現(xiàn)常用的知識。
知識推送模塊包括主動推送和被動推送，主動推送包括維護用戶使用列表，即對用戶在箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計活動中使用過的知識都記錄并保存。被動推送即用戶輸入需要檢索的知識的關(guān)鍵字，檢索出相似程度高、可供參考的知識。流程管理模塊包括流程新建、流程查詢、流程查看。流程新建: 按照流程階段( 包括方案設(shè)計階段、初樣設(shè)計階段、試樣設(shè)計階段、定型設(shè)計階段) 創(chuàng)建流程，定義流程的相關(guān)屬性; 流程查詢: 根據(jù)型號、流程階段、創(chuàng)建者、流程名稱、流程編號等查詢條件查詢流程，展現(xiàn)流程列表; 流程查看: 查看設(shè)計流程的基本信息和當(dāng)前的狀況;任務(wù)管理模塊包括任務(wù)查看、任務(wù)接受和任務(wù)執(zhí)行。任務(wù)查看: 查看待執(zhí)行的任務(wù)，按照型號和設(shè)計階段對任務(wù)進行分類管理; 任務(wù)接受: 接受要執(zhí)行的任務(wù); 任務(wù)執(zhí)行: 執(zhí)行任務(wù)并反饋任務(wù)執(zhí)行的情況。系統(tǒng)管理模塊提供該系統(tǒng)的維護等功能，包括型號管理、機構(gòu)管理、用戶管理和角色管理。
5 箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計
知識管理平臺的實現(xiàn)開發(fā)的箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計知識管理平臺中“設(shè)計任務(wù)提交”頁面如圖7 所示。頁面左上方是關(guān)于啟動各項相關(guān)軟件的按鈕。右邊顯示的是用戶可以提交完成該項任務(wù)過程中所用到的知識以及任務(wù)的解決方案，在保存之后同時推送到下一階段的已提交知識列表中。確定信息無誤后，點擊“提交任務(wù)”按鈕，任務(wù)名稱將會展現(xiàn)在用戶已完成的任務(wù)列表中。
6 結(jié)束語
箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計部門最大的特點是設(shè)計知識種繁多、內(nèi)容量大，不僅包括標準件、型材、材料、設(shè)計規(guī)范等顯性設(shè)計知識，還有設(shè)計者在長期探索實踐中所積累的隱性經(jīng)驗知識。針對中國運載火箭技術(shù)研究院箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀，研究并開發(fā)了箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計知識管理平臺，該平臺具有如下特點: 緊密結(jié)合箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計研制流程，讓知識在流程中“活動”起來; 支持多源知識的采集、快速檢索和準確推送; 良好的開放性，可以圍繞該平臺做各種擴展。
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