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箭體結構設計知識管理平臺探究

作者:2015-08-17 15:23文章來源:未知

  1引言

  近30 年,企業領域和學術領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]。中國運載火箭技術研究院箭體結構設計經過50 年的發展,已經積累了豐富的知識資源,建立了較為完善的設計師隊伍與研發流程。但是,箭體結構設計在知識管理方面還存在一些不足: 設計知識缺乏科學管理,設計師之間不能共享知識; 新設計師成長速度慢,對經驗豐富的設計師依賴較大; 相同設計知識的設計數據格式多樣,相互之間難以轉化; 箭體設計流程分為多個設計階段,但每個設計階段對設計知識需求的側重點不同,造成知識推送困難。本文針對箭體結構設計的現狀,研究箭體結構設計知識管理平臺,實現設計知識的分類、共享、重用和推送,以提高設計效率,為提升設計能力,推動創新奠定基礎。本文的主要創新點體現在: 針對箭體設計知識的特點詳細介紹了顯性知識挖掘技術、隱性知識挖掘技術和設計知識檢索技術。

  1 箭體結構設計知識管理平臺關鍵技術

  1. 1 顯性知識挖掘技術按照箭體設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,能指導設計者設計箭體。顯性知識是指能以標準、規范、規律、公式等形式存在的知識。顯性知識是設計領域的專家對設計知識的總結,設計者通過顯性知識可以得到直觀的設計方法,并能得到相對一致的設計結果。設計流程知識封裝是指將箭體設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,提供相應的訪問方式,使孤立的設計知識描述成為可被利用的箭體設計知識。知識的存儲方式可以分為結構化存儲與半結構化存儲。結構化存儲能充分發揮知識的內在,有效管理設計知識,提供方便的調用方式。半結構化存儲管理蘊含設計知識的實例,提供有效的檢索方式供設計者查詢,設計知識由設計者抽取。本文所闡述的結構化存儲的形式主要包括: 利用數據庫表關系存儲、利用本體語言在文本中存儲。半結構化存儲的形式主要包括: 數據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,對應有其合適的調用方法。通過對箭體設計知識的封裝,實現了設計知識的可用性、積累性、共享性和交流性。例如文本文檔類設計知識主要按照設計階段、學科類型、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計手冊、設計經驗總結文檔、典型設計方法文檔貼上知識標簽放入數據庫集中管理,形成可被關鍵字檢索的知識元素。對該類設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。文本文檔類設計知識挖掘如圖1 所示。圖1 文本文檔類設計知識挖掘1.2 隱性知識挖掘技術隱性知識主要是指難以表達的、隱含在設計過程和設計方案中的設計知識。隱性知識蘊含在以往設計案例或者專家的頭腦中,其中設計經驗知識無法抽取。

  設計者通過隱性知識只能得到類似成功案例的設計結果,結合設計者對隱性知識的判斷才能得到設計方法,設計結果也難以一致。由于隱性設計知識難于總結抽取,所以只能以設計實例的形式存儲,讓設計者從成功實例中借鑒設計知識。

  設計實例的表現形式主要是各種磁盤文件,主要是各個設計學科中的設計流程、模型文件、視頻、音頻等多媒體文件等。作為結構設計,主要是二維和三維的 CAD 模型。為了驗證設計結果是否滿足性能要求,需要建立多個學科仿真分析的 CAE 模型。另外,為了直觀表達設計結果,與這些多學科設計模型相關的有視頻、動畫和音頻文件等作為輔助。對于設計活動中使用的 CAD 設計模型,通過幾何特征識別算法獲取該設計對象的結構特征,以其中有代表性的典型結構特征作為“對象標簽”; 以 CAD模型的幾何參數列表為“參數標簽”; 模型中其它物理屬性作為“物理標簽”; 將產品裝配體中各零組件之間的裝配約束關系作為“關系標簽”。挖掘對應不同型號的各零組件的參數組合規律。

  對于設計活動中使用的 CAE 分析模型,將前置處理參數、邊界施加條件作為模型的“參數標簽”; 以分析結果差異作為“關注標簽”; 以該模型的優化目標作為“對象標簽”。對比相同“對象標簽”條件下,不同“參數標簽”設置下“關注標簽”的變化,挖掘出CAE 分析模型關聯的分析結果規律。其中前置處理中需要用到顯性知識( 例如材料參數) 的地方建立隱性知識與顯性知識之間的關聯關系,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 設計知識檢索技術設計知識

  檢索包括基于編碼的知識檢索和基于知識引導的多視圖設計知識檢索?;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。編碼結構包括型號、流程、活動、流水碼,其編碼結構示意圖如圖 3 所示。型號給予6 位編碼。因設計流程只包括方案階段設計流程、初樣階段設計流程、試樣階段設計流程和定型階段設計流程,流程位給予1 位編碼。每個設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 知識編碼結構圖4 流程活動基于知識引導的多視圖設計知識檢索: 根據設計要求,從功能、結構、用途、特征等檢索參數中提取關鍵參數作為索引項,利用功能視圖檢索、基于情景的設計知識檢索等多種設計知識檢索策略,將檢索詞和設計知識匹配,依據相應的排序算法,按照相關度高低找出最佳相似或前 n 個相似的知識條目。用戶在檢索設計知識時,若熟悉編碼規則以及設計任務的型號,設計流程和活動,可采用基于編碼的知識檢索方法; 若想通過關鍵詞檢索到設計知識可通過基于知識引導的多視圖設計知識檢索方法。2 箭體結構設計知識管理平臺的體系結構箭體結構設計知識管理平臺系統架構如圖 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、系統管理模塊。

  知識管理模塊負責知識的新建更新等; 知識推送模塊負責知識檢索和向用戶推送合宜的知識; 流程管理模塊負責流程的新建、更新與發布等功能; 系統管理模塊包括型號管理、用戶管理、機構管理、角色管理等。從橫向看,分為交互操作層、業務邏輯層和數據存儲層。交互操作層是用戶與平臺交互信息的窗口,實現數據的錄入、修改、刪除、查詢、統計等; 業務邏輯層是平臺的核心,實現知識的業務邏輯處理,設計流程維護和系統管理; 數據存儲層主要為平臺提供基礎支持,由知識索引數據庫、用戶數據庫、動態數據庫和文件數據庫等幾部分組成,主要負責數據的存儲、查詢和備份,維護數據的一致性和安全性。圖5 箭體結構設計知識管理平臺體

  3 箭體結構

  設計知識管理平臺的功能模型箭體結構設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、任務管理和系統管理等。知識管理模塊為本系統提供知識管理功能。知識新建: 創建新知識,定義知識的相關屬性; 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; 熱門知識應用: 以列表的形式展現常用的知識。

  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,即對用戶在箭體結構設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( 包括方案設計階段、初樣設計階段、試樣設計階段、定型設計階段) 創建流程,定義流程的相關屬性; 流程查詢: 根據型號、流程階段、創建者、流程名稱、流程編號等查詢條件查詢流程,展現流程列表; 流程查看: 查看設計流程的基本信息和當前的狀況;任務管理模塊包括任務查看、任務接受和任務執行。任務查看: 查看待執行的任務,按照型號和設計階段對任務進行分類管理; 任務接受: 接受要執行的任務; 任務執行: 執行任務并反饋任務執行的情況。系統管理模塊提供該系統的維護等功能,包括型號管理、機構管理、用戶管理和角色管理。

  4 箭體結構設計

  知識管理平臺的實現開發的箭體結構設計知識管理平臺中“設計任務提交”頁面如圖7 所示。頁面左上方是關于啟動各項相關軟件的按鈕。右邊顯示的是用戶可以提交完成該項任務過程中所用到的知識以及任務的解決方案,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”按鈕,任務名稱將會展現在用戶已完成的任務列表中。

  5 結束語

  箭體結構設計部門最大的特點是設計知識種繁多、內容量大,不僅包括標準件、型材、材料、設計規范等顯性設計知識,還有設計者在長期探索實踐中所積累的隱性經驗知識。針對中國運載火箭技術研究院箭體結構設計現狀,研究并開發了箭體結構設計知識管理平臺,該平臺具有如下特點: 緊密結合箭體結構設計研制流程,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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