机械工程导论

机械产品设计制造信息资源的非规范知识处理技术研究*殷国富，杨佐卫，方辉，胡晓兵四川大学制造科学与工程学院，成都(610065)E-mail: *************.cn摘要：针对机械产品开发过程中各种非确定性知识资源处理与应用的特征，阐述了构建数字化信息资源知识库系统的目标、框架结构和功能模型，对非规范信息进行了定义，分析论述了其来源及表现形式。

在定义信息粒度概念的基础上，对产品设计制造信息颗粒的划分形式进行了讨论，提出了一种产品设计制造系统非规范信息粒度计算方法。

通过分析论述非规范信息的规范度概念，以粗糙集为理论基础，提出了非规范设计制造信息相关性描述方法以及非规范知识的知识基元描述方法。

以产品设计知识基元为例，通过论述如何进行知识基元的分类和获取，建立了相应的知识基元体系和相关知识基元的基本格式，提出了一种机械产品设计制造知识基元的元数据表示方法。

本文的研究成果对于构建制造行业数字化通用信息资源知识库系统有一定的指导意义和应用价值。

关键词：非规范信息；信息粒度；规范度；知识基元；元数据中图分类号：TH1621. 前言构建面向机械工程领域信息资源知识库，支持相关行业的信息与知识资源的共享，是目前面向机械制造行业的通用信息资源应用问题的研究热点方向之一。

针对机械设计制造学科领域知识都具有很强的经验性和不确定性的特征问题，机械工程学科领域的学者专家在进行知识描述、获取和知识库系统研究的同时，采用模糊数学原理开展了不确定性知识问题的研究，以更好地进行领域信息和知识的管理、继承、发掘、集成和传播。

文献[1]提出采用领域实例以提高协同开发中的资源共享能力及开发效率；文献[2]利用规则集组合实现复杂环境下(多应用系统)的数据收集；文献[3]提出了索引知识加领域知识的2 级知识组织方法；文献[4]通过构建领域本体来发掘信息资源之间的内在关系，解决领域信息资源缺乏有效内容分析的问题，实现信息资源增值服务。

本文通过构建包括非规范信息资源在内的适应复杂机械产品设计制造的知识资源获取、管理、应用、分层次和分布式的知识库系统模型，在阐述了机械产品设计制造信息粒度的划分、体系结构及其计算方法的基础上，提出了非规范性信息的规范度概念，构建了非规范性制造知识基元体系，对于构建面向制造行业的数字化通用信息资源和知识库系统有一定的指导意义和应用价值。

2. 机械产品设计制造信息资源知识库的体系结构设计2.1.1 系统总体框架结构面向机械设计制造的信息资源知识库系统分为资源层、应用程序服务器层和应用层三个层次，如图1 所示。

(1) 系统底层的机械产品设计制造信息资源知识库是整个系统的信息支撑平台。

产品设计制造信息资源知识库主要由两部分组成，一是由设计、工艺、加工和管理等数据库组成的规范性信息知识库；二是由基于元数据的以设计制造知识基元为基础的非规范性信息知识库，如非规范性设计信息与知识、非规范性工艺信息与知识和非规范性加工信息与知识等。

*本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（20060610033）的资助。

- 2 -图1 面向智能设计制造的信息资源知识库系统结构Fig. 2 Architecture of information source knowledge base oriented intelligent design and manufacturing产品设计制造知识发布C/SB/SInternet企业信息管理中心信息安全管理Intranet动态网页应用程序知识资源站点知识管理站点面向本面向其他部门应用程序服务器层应用层资源层产品设计制造知识应用…工艺部门…冷加工工艺热加工工艺特种加工工艺装配工艺设计部门…产品规划结构设计方案设计电气设计企业知识资源使用权限认证产品设计制造知识发现知识发现对象：规范性制造知识知识发现对象：非规范性知识…聚类分析概念描述知识发现的任务相关性分析偏差分析数据总结知识发现的方法…模糊集回归分析粗糙集支持向量机统计方法…决策树范例推理贝叶斯网络遗传算法机器学习产品设计制造知识库…生产部门内部资源设计部门工艺部门…外部资源同行交流国家标准行业标准知识采集…非规范性制造知识资源非规范设计知识非规范工艺知识非规范生产知识知识分类…规范性制造知识资源结构设计资源库工艺设计资源库切削加工数据资源库(2) 应用程序服务器层用于存放设计制造知识发现和知识发布的业务逻辑功能组件，是对机械产品设计制造知识进行发现和发布操作的主体功能层，包括组件服务器和Web 服务器。

系统功能组件在结构上满足动态性要求，即各功能组件可根据设计制造知识发现和发布的实际需求进行不同的组合，当设计制造环境和输入条件发生变化时，可以通过对相关组件的修改来满足要求。

(3) 应鴰鈅薩?用层主要为用户提供系统显示、信息输入、交互操作和结果输出等操作。

当客户- 3 -端是基于GUI 的应用程序时，通过企业信息系统的权限认证之后，用户通过交互操作向系统发出调用应用程序服务器功能组件的请求，通过功能组件中的逻辑接口使组件进行相关逻辑运作，进行制造知识浏览、知识发现及智能辅助决策等功能操作。

2.1.2 系统功能模型要实现面向产品设计制造的信息和知识共享和集成，首先要完成设计制造知识的采集和分类，其次是根据不同设计制造知识的特点有针对性地进行知识发现，在上述工作的基础上，完成知识的发布和应用。

(1) 产品设计制造信息资源与知识库模块。

产品设计制造信息资源及知识库主要完成知识采集和分类存储功能。

企业获取产品设计制造信息和知识的渠道主要有两个：一是外部产品设计制造知识资源，二是企业内部的产品设计制造知识资源。

上述信息及知识有多种类型，既有各类数据库中存储的标准格式的结构化信息，也有各类电子文档、网页文件、不同格式的设计图形以及音频视频等非规范信息。

目前，在企业信息系统建设过程中往往比较重视以关系数据库为基础的规范性产品设计制造信息及其处理，而对非规范信息则没有给予足够充分的重视。

事实上，非规范产品设计制造信息包含了大量的知识，但由于其格式不统一、数据结构复杂并且其数据具有不精确、不完备、不协调、不稳定及不确定等特点，给非规范信息处理带来了很大难度。

本文对产品设计制造信息和知识进行了规范性和非规范性分类，并通过基于元数据的产品设计制造知识基元对其进行相应的描述，如图2 所示。

(2) 产品设计制造知识发现、发布与应用模块。

知识分为显性知识和隐性知识，显性知识是易于发现和采集的，而对于隐性知识，则必须首先将其从隐性状态转化为显性状态或人们可理解的状态，然后才能够采取适当的方式对其进行分类、整理和存储。

制造知识中包含着大量的显性知识，但同时也包含大量的隐性知识：一方面，显性知识之间可能是有着某种逻辑联系或关系的，但这种逻辑联系或关系是隐性的、不被人们所了解或注意；另一方面，这些隐性知识以经验、技巧甚至习惯等方式广泛存在于相关工作人员的头脑或日常行为中，不为人所注意甚至难以用自然语言进行表述，这就需要我们使用各种手段对其进行挖掘和采集，并尽量使之易于被计算机存储和管理。

知识的隐性特征也是产生制造知识非规范性的重要原因之一。

建立产品设计制造信息资源知识库和进行产品设计制造知识发现的目标包括两方面的图2 产品设计制造知识的分类及知识库的构建Fig 2 Classify of knowledge and construct of manufacturing knowledge base产品设计制造知识基元产品设计制造知识及知识基元的元数据表示产品设计制造知识库…生产管理数据资源库结构设计资源库工艺设计资源库切削加工数据资源库规范性知识资源文件格式PDF …WORD HTTP EXCELDWG非规范设计知识，非规范工艺知识，非规范加工知识，…非规范性知识资源- 4 -内容，首先是通过人机协同与交互的方式，使相关工作人员能够有选择地及时获取所需的设计制造知识，这是知识应用的主要内容；其次是通过对设计制造人员知识获取兴趣的跟踪和分析，将有关产品设计制造知识进行主动推送，这是知识发布的重要内容。

产品设计制造知识发布也包括将相关产品设计制造知识简报进行网络发布，供相关设计制造人员根据兴趣进行选择或对外发布。

该模块中还包括针对企业内外部网络环境和企业内部不同部门进行权限设置的网络信息权限管理功能，以确保企业制造知识集成系统的信息安全。

3. 非规范知识形态分析、描述与度量方法机械产品设计制造系统是一个功能复杂性、系统多样性、信息多层次性并存的复杂系统。

为了提高系统的柔性和快速反应能力，必须实现产品设计制造对象、过程和环境的数字化表达，由此产生的信息就是产品设计制造信息。

产品设计制造系统的上述特性决定了信息和知识的分类是多侧面多角度的，本文将产品设计制造信息分为规范性信息和非规范性信息。

从结构上来看，非规范性信息是指半结构化和非结构化的产品设计制造信息；从形态上来看，非规范性信息是指产品设计制造系统中的不确定、不精确、不完备、不协调和不稳定的信息资源和知识。

20 世纪40 年代美国数学家Shannon 在其创立的经典信息论中将通讯系统抽象为“信源－信道－信宿”，其中的信源发出信号，信道传递信号，信宿接收信号。

在制造系统中，信息的传递同样存在“信源－信道－信宿”通路。

从信息传递的角度分析，产品设计制造信息的不确定、不精确、不完备、不协调和不稳定等特征都是产生设计制造信息的非规范现象的直接原因。

从形态上分析，非规范性设计制造知识主要体现在三个层面：（1）无法用自然语言表达的知识；(2) 虽然可以用自然语言表达，但在工程实践中难以用数学符号或工程语言来准确描述的知识；(3) 虽然可以用数学符号或工程语言来表达，但却难于以统一的数据格式用于计算机处理的信息。

粒度(Granularity)是指物质颗粒大小的平均度量，在制造行业也常用到这一粒度概念。

在人类智能中，虽然对知识和信息都会进行分层和分粒度的思考，但一般并不关心考察信息或知识对象时所分的“层”或“粒度”的具体数值大小。

本文认为产品设计制造知识粒度包含三层含义：①知识粒度是描述信息的知识含量的一种手段；②知识粒度是对知识颗粒大小的一种度量方法，知识颗粒是知识粒度的信息基础，是具有相同或类似属性的描述设计制造信息的等价类；③制造知识粒度是对制造知识颗粒所包含的信息量或知识量的定性或定量评价。

产品设计制造知识粒度的应用或粒度分析应当包含两个部分的内容，首先是将认识对象颗粒化，其次是对其颗粒化程度、各颗粒之间、颗粒与整体之间的相互关系进行相应的判断，最终形成对认识对象的粒度认识体系。

针对产品开发中的设计、工艺和管理信息和知识处理的特征，粗糙集理论能够通过一定粒度下的设计制造信息属性约简来获取隐含的知识，同时粗糙集本身就是对不确定和非规范信息进行处理的有力工具，本文对信息粒度的定义也是基于分类和集合概念的，引入规范度d C (Degree of Criterion)概念来衡量产品设计制造知识的规范性，定义规范度Cd 为： exp( )1 ,Σ== −×ni jd i j C a num ，其中i a 表示所考察的非规范信息所具备的粒度层数，- 5j num 表示i a 各粒度层所对应信息在系统中与其他重要相关信息相同的常用表示方法的种类数。