基于知識工程的工程設(shè)計(jì)

PAGEPAGE1基于知識工程的工程設(shè)計(jì)摘要介紹了一種新型的工程設(shè)計(jì)方法—基于知識的工程，并對這一新型設(shè)計(jì)系統(tǒng)的定義，研究和現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)以及生產(chǎn)中的應(yīng)用作了分析和介紹。關(guān)鍵詞工程設(shè)計(jì)；KBE1，知識工程（KBE）的概述1.1知識工程的定義知識工程（KnowledgeEngineering）是美國Stanford大學(xué)的E.A.Feigenbaum教授于1977年在第五屆國際人工智能會議上提出的。他認(rèn)為:“知識工程是人工智能的一種技藝。他運(yùn)用人工智能的運(yùn)力和方法對那些需要專家知識才能解決的應(yīng)用難題提供求解手段。恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用專家知識的獲取、表達(dá)和推理過程的構(gòu)成與解釋，是設(shè)計(jì)基于知識系統(tǒng)的重要技術(shù)問題"。KE概念的提出，使AI從學(xué)科研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。20世紀(jì)90年代開始，以CAD/CAE/CAM/PDM/AI技術(shù)的集成作為典型特征的知識工程(KnowledgeBasedEngineering)技術(shù)開始在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用.知識工程的主要內(nèi)容是知識的獲取、推理機(jī)制和知識庫。1.2知識工程的內(nèi)涵知識工程（簡稱KBE)的本質(zhì)就是知識的再利用.即工業(yè)產(chǎn)品在其生命開發(fā)周期的每個(gè)階段.是否能夠充分利用各種實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、專家知識及其它有關(guān)信息，它是一種存儲并處理與產(chǎn)品模型有關(guān)的知識.且基于產(chǎn)品模型的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。上海交通大學(xué)提出:KBE是通過知識驅(qū)動和繁衍.對工程問題提供最佳解決方案的計(jì)算機(jī)集成處理技術(shù).是領(lǐng)域?qū)＜抑R的繼承、集成、創(chuàng)新和管理，是CAX技術(shù)與AI技術(shù)的集成。2，知識工程的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀2.1知識工程在國外的發(fā)展自從KBE的概念提出之后，工業(yè)化國家在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛引人了KBE技術(shù)，美國、日本和歐洲各國政府在KBE技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用方面給予了有力的支持，將其列為國家未來發(fā)展戰(zhàn)略的重要核心技術(shù)。許多跨國公司和著名大學(xué)也紛紛開展研究，以提高企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的創(chuàng)新能力，美國福特汽車公司，英國空中客車公司，日本Hitachi,Mazda,Honda等公司普遍在計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)和輔助制造中引人了KBE技術(shù)，取得了很好的效果。面對KBE領(lǐng)域的潛在市場，國外著名的CAD/CAM系統(tǒng)開發(fā)商，如EDS,DASSAULT(CATIA)等均開展了基于知識的工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)，主要在于建立基于產(chǎn)品的幾何和非幾何特征的模型，使工程師在設(shè)計(jì)時(shí)能得到基于產(chǎn)品領(lǐng)域知識的幫助，從而提高產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。福特汽車公司的A.L.Clark提出了KBE技術(shù)應(yīng)用的實(shí)體模型服務(wù)體系；G.E.Kaiser等人提出了KBE環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫支持系統(tǒng)；R.E.Phillip應(yīng)用KBE技術(shù)，用動態(tài)對象模型快速建立工程自動化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)間工程知識的共享;W.Y.Zhang等人建立了基于知識的功能設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于柔性的、分級的功能模型框架，借助于基于知識的功能模型推理方式，實(shí)現(xiàn)了工程系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的智能化;M.Pinfold和C.Chap利用KBE技術(shù)組織數(shù)據(jù)流的能力獲取產(chǎn)品和流程信息，使有限元模型創(chuàng)建過程實(shí)現(xiàn)了自動化。2.2知識工程在國內(nèi)的發(fā)展國內(nèi)對KBE技術(shù)的研究剛剛起步，許多院校和科研院所投人到KBE研究中。上海交通大學(xué)模具CAD國家工程研究中心開發(fā)模具設(shè)計(jì)KBE系統(tǒng)，取得了一系列的進(jìn)展。如基于對注塑模設(shè)計(jì)過程的分析，將KBE技術(shù)應(yīng)用于能有效提高模具設(shè)計(jì)效率的模架設(shè)計(jì)中，給出了模架設(shè)計(jì)KBE系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖和基本框架，由于該系統(tǒng)結(jié)合了模架設(shè)計(jì)的領(lǐng)域知識，在實(shí)際應(yīng)用中有效地提高了設(shè)計(jì)效率；另外提出了基于KBE技術(shù)的常規(guī)戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)可模仿人類的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，構(gòu)造基于知識的輔助設(shè)計(jì)環(huán)境，根據(jù)輸人的戰(zhàn)斗部前提條件進(jìn)行集成技術(shù)研究，得到滿足功能要求、指標(biāo)先進(jìn)的戰(zhàn)斗部集成設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)從戰(zhàn)斗部性能參數(shù)設(shè)計(jì)、草圖設(shè)計(jì)到設(shè)計(jì)結(jié)果評估、設(shè)計(jì)知識存儲、基于知識的仿真技術(shù)應(yīng)用等過程?？偟膩碚f，盡管KBE技術(shù)的研究取得了很大進(jìn)展，但是綜合研究尚處于起步階段，尚待形成完整的理論體系和實(shí)現(xiàn)方法。目前，KBE技術(shù)的應(yīng)用大多停留在一些簡單的產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)上避免重復(fù)設(shè)計(jì)。因此，KBE技術(shù)在基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究領(lǐng)域都有廣闊的空間。3，知識工程（KBE）系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在KBE技術(shù)中知識獲取、知識表示和推理、知識庫的建立等是其關(guān)鍵。知識獲取技術(shù)主要用于工程設(shè)計(jì)知識的獲得，包括問題識別、知識的概念化與形式化、知識獲取的實(shí)現(xiàn)和測試等階段，反映了工程設(shè)計(jì)KBE系統(tǒng)獲取知識的能力。知識的表示和推理，面向工程設(shè)計(jì)人員，體現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化水平。知識庫可能以多種形式存在，比如電子計(jì)算表格、手冊、文檔、工程計(jì)算公式、專用軟件和設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)等，將這些知識收集、整理，構(gòu)成知識庫并在產(chǎn)品開發(fā)的過程中作為輔助工具使用。知識獲取就是從人類專家獲取領(lǐng)域知識并將其轉(zhuǎn)化成知識庫，是知識信息處理的關(guān)鍵問題之一。關(guān)于知識獲取的方法和途徑，人們提出了各種算法，創(chuàng)建了各種知識獲取工具。例如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識獲取、基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的知識獲取、基于模糊診斷的知識獲取和基于數(shù)據(jù)挖掘的知識獲取等。知識表示是KBE的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要研究用什么樣的方法將解決問題所需的知識存儲在計(jì)算中，并便于計(jì)算機(jī)處理。KBE知識系統(tǒng)與傳統(tǒng)意義上的專家系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別。傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)要求存在統(tǒng)一的知識表示語言，并且系統(tǒng)將基于此語言進(jìn)行正向和反向推理。然而在工程實(shí)際中許多知識和經(jīng)驗(yàn)不可能用統(tǒng)一的知識表示方法表示，因此限制了傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)的應(yīng)用。KBE知識系統(tǒng)從追求效果但不追求知識統(tǒng)一表示的目的出發(fā)，拓寬了傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。迄今，已經(jīng)提出了許多表示知識的方法，常見的有自然語言表示法、謂詞邏輯表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法、框架式表示法、產(chǎn)生式系統(tǒng)表示法和面向?qū)ο蟮闹R表示等。并且單一的知識表示已經(jīng)不能滿足智能系統(tǒng)的需要，于是人們選擇多種知識表示，或多種表示方法相結(jié)合來表示領(lǐng)域知識。4，知識工程(KBE)在生產(chǎn)中的應(yīng)用近年來，美國，日本和歐洲各國政府在KBE技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用方而給予了有力的支持.許多跨國公司和著名大學(xué)紛紛開展研究.以提高產(chǎn)品開發(fā)的創(chuàng)新能力。如福特汽車公司在英國的子公司一一美洲虎(Jaguar)汽車公司采用KBE技術(shù)設(shè)計(jì)某車型發(fā)動機(jī)蓋.設(shè)計(jì)時(shí)間由2個(gè)月減為2小時(shí):英國航空公司在設(shè)計(jì)A340-600飛機(jī)的機(jī)翼時(shí).由于機(jī)翼由縱向的翼肋和橫向的支撐材組成.而機(jī)翼外殼則通過翼腳固定在每個(gè)翼肋和支撐材上。一個(gè)大的機(jī)翼內(nèi)部包含50個(gè)翼肋和100個(gè)支撐材以及大量的翼腳.如用常規(guī)的CAD軟件和分析軟件.設(shè)計(jì)一個(gè)翼肋至少需要1人.僅對所有翼肋進(jìn)行一次設(shè)計(jì)需要1個(gè)人年.而采用KBE技術(shù)后.10個(gè)小時(shí)即可完成機(jī)翼的設(shè)計(jì)。5，知識工程（KBE）技術(shù)開發(fā)與實(shí)施的重要意義KBE作為未來整個(gè)CAX軟件業(yè)和制造業(yè)發(fā)展的核心內(nèi)容.現(xiàn)已顯示出其強(qiáng)大的應(yīng)用前景它不僅可以捕捉更多的用戶設(shè)計(jì)意圖.而且可以提供產(chǎn)品工程配置改變的性能校核.并直接影響到幾何造型。對它開發(fā)與實(shí)施的現(xiàn)實(shí)意義如下：①KBE技術(shù)的研究與實(shí)施.有助于提高傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新能力和競爭力。通過有效地組織和管理公共知識庫體系.使之成為推動相關(guān)技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動力②基于以信息化帶動相關(guān)技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略，實(shí)施KBE技術(shù)，將建立相關(guān)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)有效整理、繼承、運(yùn)用和形成知識資產(chǎn)的方法.為知識積累和創(chuàng)新能力的提高提供了有效的技術(shù)保證。③KBE技術(shù)使計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)充分集成知識.充分模擬專家解決問題的思路.使復(fù)雜工程問題的求解方法更有效。因此KI3E在航空、汽車、機(jī)械、電子產(chǎn)品等工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中具有較大的應(yīng)用前景。結(jié)論KBE技術(shù)為設(shè)計(jì)過程提供基于知識的設(shè)計(jì)支持活動，必將對工業(yè)技術(shù)的發(fā)展起到很好的推動作用。在KBE系統(tǒng)框架基礎(chǔ)上，利用已建立的知識庫和知識獲取、知識表示手段，將CBR技術(shù)應(yīng)用于CAD中，形成基于事例的設(shè)計(jì)，將為解決設(shè)計(jì)問題提供一種有效的方法和工具，大大推動智能CAD技術(shù)的發(fā)展。