数字化制造企业中知识管理集成框架及关键技术研究

第10卷专刊计算机集成制造系统V ol.10S pecial Magazine2004年12月C om puter Integrated Manu facturing Systems Dec .2004文章编号:1006-5911(2004)S1-0090-06数字化制造企业中知识管理集成框架及关键技术研究潘　星,王　君,刘　鲁收稿日期:2004-06-07;修订日期:2004-10-09。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(70371004);航空科学基金资助项目(04J51057)。

作者简介:潘　星(1979-),男,湖北黄冈人,北京航空航天大学经济管理学院博士研究生,主要从事管理信息系统、知识管理系统等方面研究。

E -mail :panxing @ 。

(北京航空航天大学经济管理学院,北京　100083) 摘　要:针对数字化制造企业中基于知识的设计和制造问题,提出了一个知识管理集成框架模型,并就制造企业中构建知识管理系统中的知识获取、知识建模和表示、知识推理、知识重用以及基于知识的推/拉辅助设计等技术进行了研究。

最后,通过基于知识的典型飞机零件设计的具体实例,进一步说明了飞机制造企业中的知识管理集成框架的应用。

关键词:知识管理;制造企业;关键技术;知识获取;知识建模与表示;知识推理中图分类号:TP273;TH391 文献标识码:A0　引言知识管理(K nowledge Management ,K M )已经成为现代企业核心竞争力的源泉,知识管理通过调动企业环境中的个人知识和组织知识,构建企业知识管理系统,通过对知识的捕获和共享,将恰当的知识传递给恰当的知识使用者,是实现将知识转化成创造力的重要过程[1,2]。

国外知识管理系统的研究蓬勃发展,已经取得了丰硕的理论成果与实践经验。

其中,文献[3]设计了一种用于组织知识管理的模糊群体支持系统;文献[4]构筑了一个集知识表示、商业过程建模和知识管理于一体的、适用于保险业的知识管理系统E U LE ;文献[5]给出了有关知识管理系统的定义,并且分析了知识、知识管理和知识管理系统内涵,重点讨论了信息技术在知识管理中所起的作用;文献[6]给出了知识管理系统的系统结构和功能描述,并对用组件合并模型构建知识管理系统进行了研究。

在国内,知识管理系统的研究主要集中在制造业,其中,知识建模与表示和知识共享是主要研究方面[7～9]。

虽然这些研究对于知识管理在制造业的应用奠定了重要的理论基础,但大都是对知识管理在制造企业运用的单个过程研究,没有明确提出一个基于知识的产品设计、制造一体化集成的知识管理框架模型。

设计是制造企业的灵魂,制造业数字化的核心是设计和制造的数字化。

现代设计是基于知识的设计[10],其本身是一种知识高度密集化的工作,可以说没有知识就没有设计。

要实现真正的数字化设计,传统的单纯依靠设计人员拥有知识和文档记载的知识,显然无法满足产品设计需求,更不用说提高设计、制造的效率和缩短产品的研制周期。

因此,必须通过知识管理来实现将设计与制造过程中积累的知识,按照数字化设计的要求进行收集、提取、整理和存储,并将其应用于产品的数字化设计之中。

在飞机制造企业中实施知识管理的基本步骤如图1所示。

本文针对制造企业中实施知识管理、实现知识管理集成以及实现基于知识的设计和制造问题,提出了一个集成的知识管理系统框架模型,并对其中的知识获取、知识建模与表示、知识推理、知识重用以及基于知识的推/拉辅助设计等关键技术进行了分析和研究。

在制造业中实施知识管理和实现知识管理集成,将从根本上改变现行的产品设计、制造和管理模式,简化产品设计和制造的作业流程,使产品的研制技术得到明显改善,进一步提高制造企业的市场应变能力和产品开发能力。

1　制造企业知识管理集成框架在制造企业中实现知识管理集成的总体思路为:在产品设计制造活动中,针对产品数字化设计制造的需求,通过两种途径来提取知识:①如果产品设计制造知识库目录中没有所需的知识,则采用产品设计制造知识获取方法,即首先收集整理源设计制造知识(包括介质知识、专家知识和推理知识等),将产品设计制造知识分类,然后对其统一建模,再通过知识建模与知识表示之间的映射,将经过标准建模后的知识表示出来,加入到产品设计制造知识库中,并通过知识重用模型进入产品设计制造知识目录,产生可重用的模块化产品设计制造知识;②如果产品设计制造知识库目录中已经有所需的知识,直接从中抽取相应的可重用的模块化产品设计知识,通过基于知识的设计制造一体化平台所提供的各种接口和基于知识的辅助设计工具,与当前通用的各种C Ax软件及企业资源计划(Enterprise Res ourse Plan2 ning,ERP)/产品数据管理(Product Data Management, PDM)等管理软件或软件系统无缝集成,支持产品设计制造全生命周期的各种设计、制造活动,最终形成用户所需的数字化产品。

同时,在产品设计制造全生命周期的各种活动中所积累的知识,以及基础数据库中的某些设计制造知识,也将通过基于知识的设计制造一体化平台所集成的知识学习功能,重新进入产品设计制造知识库中,与产品设计制造目录匹配,通过知识成长模型,实现产品设计制造知识的自成长,以及产品设计中知识重用能力的增长。

2　知识管理系统中的关键技术制造企业知识管理集成框架模型(如图2)包括设计制造知识获取方法、产品设计制造知识库和基于知识的设计制造一体化平台。

要成功构建数字化制造企业集成知识管理系统、实现基于知识的设计和制造必须解决5项关键技术。

211　知识获取在制造企业知识管理集成框架中,产品设计制造知识的获取主要指对非形式化的源知识的获取,包括介质知识、专家知识等。

知识获取技术主要包括以下3类技术:(1)知识分类技术　包括自动对知识型文本创建全文索引。

主要用于从设计手册或其他介质中获取知识,如飞机制造企业中飞机设计的国际/国家标准、设计规范和图表等,所涉及的知识用本体分类法可以表示为:飞机研制知识飞机系统知识燃油系统知识救生系统知识 …航电系统知识发动机系统知识武器系统知识(2)知识抽取技术　主要通过与产品设计制造专家进行交流,获取相应的设计制造知识。

知识抽取技术又包括协议分析、阶梯法和概念分类等技术。

(3)知识发现技术　通过机器学习或数据挖掘方式获得新的产品设计制造知识,有助于解决各种产品设计制造数据爆炸或产品设计制造知识贫乏的问题。

212　知识建模和表示设计、制造知识的建模和表示技术主要运用在设计制造知识的获取和构建产品设计制造知识库中,它包括知识建模技术、知识表示技术以及二者之间的相互转换技术。

知识建模技术是知识管理的关键,是对实际应用所需的知识及其结构的规范化描述。

本文给出一个类似于统一建模语言(Unified M odeling Language, UM L)的类图符号为设计、制造知识建模,利用这种方法可以对知识主体进行特征标引。

图3给出了一个飞机设计制造知识的参考模型。

知识表示即产品设计制造知识的数字化。

采用计算机表示常规知识的传统方法主要有一阶谓词逻辑、语义网络、产生式规则及框架和脚本[11];表示知19专刊潘　星等:数字化制造企业中知识管理集成框架及关键技术研究识的新方法有面向对象的表示、关系知识表示模式、本体论表示模式、基于X M L的知识表示模式、知识的树状表示[12,13]以及基于知识载体、知识内容信息和知识情境的知识表示与建模技术[14];较复杂的知识模型,如成熟案例,则以C ASE库中C ASE的形式表示;人工神经网络(Artificial Neural Netw ork,ANN)是表示某些无法直接量化的知识的有效形式;另外,难以直接用于推理但可以启发设计者思维的知识,可以用可视化文本或图像的形式表示。

知识模型与知识表示相互转换技术,是指产品设计知识模型建立后,能够支持向知识表示(计算机语言)的转换,同时还可以对知识表示进行逆向转换。

这就要求统一表示不同类型的设计制造知识,信息交换的协议,知识的存储、增删、修改,调用权限设定、加密以及并行作业等。

只要解决了已有设计制造知识的建模问题,以后的新知识就可以按照同样的原则处理。

如果在不同的设计环境中进行,还要解决信息传输的网络问题,这样才能将当前所有知识经过处理后存储进去。

213　知识推理人工智能领域有很多知识推理技术,但在设计制造中能有效运用的推理技术主要有5类:基于规则的推理(Rule Based Reas oning,RBR)技术、基于案例的推理(Case Based Reas oning,C BR)技术、基于模29计算机集成制造系统第10卷型的推理(M odel Based Reas oning ,M BR )技术、混合推理(Hybrid Reas oning ,HR )技术和基于人工神经网络的推理(ANN Based Reas oning )技术[15,16]。

在基于知识的参数化设计方法和概念创新设计方法中,这几种知识推理技术都将起到关键的作用,并且将在基于知识的产品典型常用零件设计软件、产品设计总体参数和优化软件的应用中,反复使用上述推理技术。

这里给出了一个基于规则的知识推理实现过程,如图4所示。

图4的推理规则的机器语言实现如图5所示。

当推理规则1的各个标准值满足属性值时,将执行函数20所完成的活动。

214　知识重用知识重用技术的核心是设计、制造知识的模块化[17],知识的模块化与知识重用密切相关。

在制造企业中实施知识管理的目的不是为了获取知识,而是为了应用知识,而知识的应用主要指应用模块化的知识进行模块化的产品设计。

模块化设计能改善设计理念、知识结构与可用性,减少复杂性,降低成本。

知识的模块化设计可分为3类,即基于功能的模块化设计、解决方案知识的模块化设计和实际零部件知识的模块化设计。

将知识模块化和知识重用及标准化知识结构结合起来的应用很少,因此,有必要寻求一些方法来定义模块、表达模块化、优化模块设计和评价模块化对设计方法的冲击。

215　基于知识推/拉的辅助设计基于知识推/拉的辅助设计技术指产品设计、制造知识的获取和重用,涉及到与制造业现行的主流设计软件的知识推送和拉动知识获取功能,即从知识库提取知识推送给数字化知识设计工具(推),以及通过新开发的辅助设计工具提取数字化设计的结果,并提供给知识库,供知识库自学习和自成长,以便进行重用(拉)。

“推”是为了将知识推送到一些应用软件,实现基于知识的设计;“拉”是让设计制造过程中积累的知识再进入知识库,实现知识的自成长。

3　知识管理在飞机制造企业中的应用实例飞机制造企业实现知识管理集成的最终目标是实现基于知识的设计和制造,所选验证实例应具有代表性。

本文选取飞机结构典型零件飞机加强框(飞机上必要的零件)进行实例验证,来说明飞机制造企业知识管理集成中的关键过程———基于知识的典型零件设计过程。