基于知识工程的工程设计

基于知识工程的工程设计
摘要介绍了一种新型的工程设计方法—基于知识的工程，并对这一新型设计系统的定义，研究和现状、关键技术以及生产中的应用作了分析和介绍。

关键词工程设计；KBE
1，知识工程（KBE）的概述
1.1 知识工程的定义
知识工程（Knowledge Engineering）是美国Stanford大学的E. A. Feigenbaum教授于1977年在第五届国际人工智能会议上提出的。

他认为:“知识工程是人工智能的一种技艺。

他运用人工智能的运力和方法对那些需要专家知识才能解决的应用难题提供求解手段。

恰当地运用专家知识的获取、表达和推理过程的构成与解释，是设计基于知识系统的重要技术问题"。

KE概念的提出，使AI从学科研究走向实际应用。

20世纪90年代开始，以CAD/CAE/CAM /PDM /A I技术的集成作为典型特征的知识工程( Knowledge Based Engineering)技术开始在工业领域广泛应用.知识工程的主要内容是知识的获取、推理机制和知识库。

1.2 知识工程的内涵
知识工程（简称KBE)的本质就是知识的再利用.即工业产品在其生命开发周期的每个阶段.是否能够充分利用各种实践经验、专家知识及其它有关信息，它是一种存储并处理与产品模型有关的知识.且基于产品模型的计算机软件系统。

上海交通大学提出:KBE是通过知识驱动和繁衍.对工程问题提供最佳解决方案的计算机集成处理技术.是领域专家知识的继承、集成、创新和管理，是CAX技术与AI技术的集成。

2，知识工程的研究和应用现状
2.1 知识工程在国外的发展
自从KBE的概念提出之后，工业化国家在工业领域内广泛引人了KBE技术，美国、日本和欧洲各国政府在KBE技术的开发与应用方面给予了有力的支持，将其列为国家未来发展战略的重要核心技术。

许多跨国公司和著名大学也纷纷开展研究，以提高企业产品开发的创新能力，美国福特汽车公司，英国空中客车公司，日本Hitachi, Mazda, Honda等公司普遍在计算机辅助产品设计和辅助制造中引人了KBE技术，取得了很好的效果。

面对KBE领域的潜在市场，国外著名的CAD/CAM系统开发商，如EDS, DASSAULT(CATIA )等均开展了基于知识的工程设计系统的开发，主要在于建立基于产品的几何和非几何特征的模型，使工程师在设计时能得到基于产品领域知识的帮助，从而提高产品的创新设计能力。

福特汽车公司的A.L.Clark提出了KBE技术应用的实体模型服务体系；G.E.Kaiser等人提出了KBE环境下的数据库支持系统；R.E.Phillip应用KBE技术，用动态对象模型快速建立工程自动化系统，实现了企业间工程知识的共享; W.Y.Zhang等人建立了基于知识的功能设计专家系统，该系统基于柔性的、分级的功能模型框架，借助于基于知识的功能模型推理方式，实现了工程系统功能设计的智能化; M.Pinfold和C.Chap利用KBE技术组织数据流的能力获取产品和流程信息，使有限元模型创建过程实现了自动化。

2.2 知识工程在国内的发展
国内对KBE技术的研究刚刚起步，许多院校和科研院所投人到KBE研究中。

上海交通大学模具CAD国家工程研究中心开发模具设计KBE系统，取得了一系列的进展。

如基于对注塑模设计过程的分析，将KBE技术应用于能有效提高模具设计效率的模架设计中，给出了模架设计KBE系统的数据流图和基本框架，由于该系统结合了模架设计的领域知识，在实际应用中有效地提高了设计效率；另外提出了基于KBE技术的常规战斗部设计方案，该系统可模仿人类的设计思想和设计方法，构造基于知识的辅助设计环境，根据输人的战斗
部前提条件进行集成技术研究，得到满足功能要求、指标先进的战斗部集成设计方案，实现从战斗部性能参数设计、草图设计到设计结果评估、设计知识存储、基于知识的仿真技术应用等过程。

总的来说，尽管KBE技术的研究取得了很大进展，但是综合研究尚处于起步阶段，尚待形成完整的理论体系和实现方法。

目前，KBE技术的应用大多停留在一些简单的产品零件设计上避免重复设计。

因此，KBE技术在基础研究与应用研究领域都有广阔的空间。

3，知识工程（KBE）系统的关键技术
在KBE技术中知识获取、知识表示和推理、知识库的建立等是其关键。

知识获取技术主要用于工程设计知识的获得，包括问题识别、知识的概念化与形式化、知识获取的实现和测试等阶段，反映了工程设计KBE系统获取知识的能力。

知识的表示和推理，面向工程设计人员，体现了系统的智能化水平。

知识库可能以多种形式存在，比如电子计算表格、手册、文档、工程计算公式、专用软件和设计人员的经验等，将这些知识收集、整理，构成知识库并在产品开发的过程中作为辅助工具使用。

知识获取就是从人类专家获取领域知识并将其转化成知识库，是知识信息处理的关键问题之一。

关于知识获取的方法和途径，人们提出了各种算法，创建了各种知识获取工具。

例如基于神经网络的知识获取、基于实时数据采集的知识获取、基于模糊诊断的知识获取和基于数据挖掘的知识获取等。

知识表示是KBE的关键技术之一，主要研究用什么样的方法将解决问题所需的知识存储在计算中，并便于计算机处理。

KBE知识系统与传统意义上的专家系统有着本质的区别。

传统的专家系统要求存在统一的知识表示语言，并且系统将基于此语言进行正向和反向推理。

然而在工程实际中许多知识和经验不可能用统一的知识表示方法表示，因此限制了传统的专家系统的应用。

KBE知识系统从追求效果但不追求知识统一表示的目的出发，拓宽了传统的专家系统的应用范围。

迄今，已经提出了许多表示知识的方法，常见的有自然语言表示法、谓词逻辑表示法、语义网络表示法、框架式表示法、产生式系统表示法和面向对象的知识表示等。

并且单一的知识表示已经不能满足智能系统的需要，于是人们选择多种知识表示，或多种表示方法相结合来表示领域知识。

4，知识工程(KBE)在生产中的应用
近年来，美国，日本和欧洲各国政府在KBE技术的开发与应用方而给予了有力的支持.许多跨国公司和著名大学纷纷开展研究.以提高产品开发的创新能力。

如福特汽车公司在英国的子公司一一美洲虎(Jaguar)汽车公司采用KBE技术设计某车型发动机盖.设计时间由2个月减为2小时:英国航空公司在设计A 340-600飞机的机翼时.由于机翼由纵向的翼肋和横向的支撑材组成.而机翼外壳则通过翼脚固定在每个翼肋和支撑材上。

一个大的机翼内部包含50个翼肋和100个支撑材以及大量的翼脚.如用常规的CAD软件和分析软件.设计一个翼肋至少需要1人.仅对所有翼肋进行一次设计需要1个人年.而采用KBE技术后.10个小时即可完成机翼的设计。

5，知识工程（KBE）技术开发与实施的重要意义
KBE作为未来整个CAX软件业和制造业发展的核心内容.现已显示出其强大的应用前景它不仅可以捕捉更多的用户设计意图.而且可以提供产品工程配置改变的性能校核.并直接影响到几何造型。

对它开发与实施的现实意义如下：①K BE技术的研究与实施.有助于提高传统机械产业的创新能力和竞争力。

通过有效地组织和管理公共知识库体系.使之成为推动相关技术发展的强大动力②基于以信息化带动相关技术发展的战略，实施KBE技术，将建立相关企业、研究机构有效整理、继承、运用和形成知识资产的方法.为知识积累和创新能力的提高提供了有效的技术保证。

③KBE技术使计算机辅助技术充分集成知识.充分模拟专家解决问题的思路.使复杂工程问题的求解方法更有效。

因此KI3E在航空、汽车、机械、电
子产品等工程设计领域中具有较大的应用前景。

结论
KBE技术为设计过程提供基于知识的设计支持活动，必将对工业技术的发展起到很好的推动作用。

在KBE系统框架基础上，利用已建立的知识库和知识获取、知识表示手段，将CBR技术应用于CAD中，形成基于事例的设计，将为解决设计问题提供一种有效的方法和工具，大大推动智能CAD技术的发展。

参考文献
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