科学效应及其知识表示与推理方法研究

原理过程中的两种主要知识推理形式。 采用 Prolog 语 1．2 科学效应
言，建立效应知识表示方法，实现相关的功能推理，并
由 SAPB 的方案设计过程可以看出， 确定作用原
应用于新产品的设计过程是文中研究的主题。
理是获得设计方案的基础， 该过程大都涉及总功能定
义、功能分解等步骤。
1 创新设计过程与科学效应
第 31 卷第 10 期 2014 年 10 月
机械设计 JOURNA机L O械F MA设CHIN计E DESIGN
Vol.31 No.10 第 31Oc卷t. 第 12001期4
科学效应及其知识表示与推理方法研究 *
高常青 1，2，杨波 2，许佳立 3，曹树坤 2
（1．河北工业大学 机械工程学院，天津 300130；2.济南大学 机械工程学院，山东 济南 250022； 3． 法国雷恩国立应用科学学院 机械及控制系统工程系，法国 雷恩 35708）
e1 ＝［＜ e1 ＞，＜ fi1 ＞，＜ fo1 ＞］ e2 ＝［＜ e2 ＞，＜ fi2 ＞，＜ fo2 ＞］ 则效应的输入、输出之间，及其与设计目标之间要 满足特定的关系。
（1）串联效应链模型。 效应 2 的输入流是效应 1 输出流的子集，即： < fi2 >∈< fo1 >， 且与设计目标相关的流参量集合是效 应 2 输出流的子集，即：< t >∈< fo2 >。 其中效应 2 处于效应链的末端。多个效应串联时， 输入流与输出流之间的关系以此类推。 （2）并联效应链模型。 效应 1 与效应 2 的输出流，共同参与链接过程，两 者组成的输出流参量合集为 Γ： Γ=< fo1 >∪< fo2 > 并联效应链的应用有两种方式。 一种情况是两者的 输出流参量合集满足设计目标，即：< t >∈Γ；另一种情 况是两者的并联为与效应 3 串联做准备，即两者的输出 流参量合集与可以效应 3 的输入流相融， 即< fi3 >∈Γ， 效应 3 的输出流满足设计目标，即：< t >∈< fo3 >。 多个效应并联时，以此类推。效应链组合模式的应 用，应尽量减少参与组合的效应数量，以便降低系统的 复杂程度，提高可靠性。
义是常用的一种效应描述方法。输入量、输出量可以用
流的方式表示。 由此，效应知识表示如下：
e＝［＜ ei ＞，＜ fi ＞，＜ fo ＞］ 式中：< ei >— ——效应名称；
< fi >，< fo >— ——效应名称相应的输入、输出流。 分功能的求解有时可能仅需用到单个效应， 也可 能需将若干效应经过一定的关联来实现设计目标。 多 个效应联合使用称为效应链组合模式。 一般来说， 最基本的效应链组合形式是串联和并
从知识工程的角度， 规范功能的表达方法有助于
提出了若干设计理论。
实现上述过程。 Altshuller 提出的标准功能［9］，Stone 提
由于设计方案最终要落实到结构形式上， 因此大 出的功能基 方 ［10］ 法，均可应用于功能建模。
多 设 计 理 论 ， 如 ： 系 统 化 设 计 方 法 ［3］（Systematic Ap-
类功能 基本功能 功能基（功能＋流）
科学效应知识
分离固体
弧蒸发、双物质热膨胀、电解、离 心力、谐波振荡、氧化、……
分离
分离粒子 分离液体
磁流体动力效应、 电晕放电、吸 附、层流、铁磁性、……
液相色谱分析、离心力、气相色谱 分析、共振、过滤、……
分支
分离气体 ……
气相色谱分析、相变、…… ……
提取气体 声波排气、氧化、……
产品的功能原理创新是提高产品竞争力的重要设 （“功能－行为－结 构 ”模型）”［7］、“FEPS 模型 （“功能－效
计手段之一，也是产品概念设计的主要内容［1］。 该过程 应－原理－结构”模型）”［8］等。
一般都与“功 能 ”与 “结 构 ”之 间 的 映 射 有 直 接 关 联 ［2］。
上述映射过程通常是“多对多”的映射过程。 如果
Prolog 属于描述型语言。 侧重描述事实和规则，即 问题中的对 象及其之间 的关系， 其 语 法 基 础 是 Horn 子句逻辑。 一阶谓词逻辑是 Prolog 中常用的语法结构 形式。
Prolog 语言只有事实、规则和目标 3 种句型。 谓词 predicate1 规定了不同元素 objecti 之间的逻辑关联，作 为事实描述。 Prolog 语法结构如下：
表 2 谓词及其定义
谓词
定义
effect （＜序号＞，＜效应名称＞，［输入流］，［输出流］，＜功能定 科学效应 义＞，［实例名称］）．
效应实例
case＿list（＜序号＞，＜实例名称＞，＜效应名称＞，［资 源 ］，＂实 例 说 明 ＂ ）．
表 3 部分推理规则定义
推理方式
映射
功能
效应
双串联 效应 1 效应 2 Input Output
探索 S
合一 U
回溯 B
图 3 Prolog 的 SUB 过程 合一：当两个谓词的名相同，参量项个数相同，参 量类型对应相同， 并且对应参量项还满足特定限定条 件时，两个谓词可以合一。 回溯：程序执行中，在回溯点设置好标志，当其中 某个子目标不能满足时，控制就返回到上一个回溯点， 并撤消相关变量的约束值，然后尝试重新的合一过程。
Prolog 的搜索过程是一个深度优先的知识搜索过程。
PIE（Prolog Inference Engine）是 Visual Prolog 提供 的 Prolog 推理机。 在基于科学效应的创新设计机理分 析基础上，结合 PIE 环境，对效应知识进行了谓词逻辑 表达。
根据 1．3 及 1．4 中的分析， 表 2 中定 义了科学效 应、效应实例等部分谓词。 由于篇幅关系，表 3 中仅对 部分推理规则进行了说明。
过程。 围绕着该过程，众多学者做了大量研究，提出了 若 干 映 射 过 程 ， 如 “FS 模 型 （“ 功 能 － 结 构 ” 模 型 ）” ［5］、 “FES 模型 （“功能－效应－结构” 模型）”［6］、“FBS 模型
能 、流 、 功 能 基 与 效 应 ， 分 别 有 成 员 满 足 以 下 关 系 ：ui∈ U，lj∈L，bm∈B，en∈E，则 ，bm=Δ（ui，lj），且 en 与 bm 之 间 存在映射关系，即：en圳bm，如图 1 所示。
* 收稿日期：2014－03－18；修订日期：2014－07－24 基金项目：国家自然科学基金资助项目（50905074，50975124）；科技部创新方法工作专项资助项目（2012IM020700）；山东省大型科学仪器设备 升级改造技术研究专项资助项目（2012SJGZ15） 作者简介：高常青（1975—），男，山东无棣人，副教授，博士后，主要研究方向：创新设计理论、方法与计算机辅助工具开发，人工智能等，已发表 论文 50 余篇。
在工程经验的基础上， 可以建立效应知识与功能
proach of Pahl and Beitz，SAPB）、公理设计［4］（Axiomatic 之间的映射关系，从而实现功能求解。
Design，AD） 等 ， 大 多 涉 及 “ 功 能 ” 与 “ 结 构 ” 之 间 的 映 射
基于功能基 方法， 设集合 U，L，B，E 分别代 表 功
联模式。 如图 2 所示。
输入 1 效应 1 输出 1 效应 2 输出 2 输入 2
（a ） 串 联 效 应 链
输入 1
输出 1
效应 1
…
输入 2
输出 2
效应 2
输出 3
（b ） 并 联 效 应 链 图 2 串联与并联效应链模型
设< t >为与设计目标相关的流参量集合，效应 1、 效应 2 定义为：
2014 年 10 月
高常青，等：科学效应及其知识表示与推理方法研究
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B 与 E 所属的成员之间的映射可能存在多对多的
关系。
E
B
…
…
en
bm
…
…
…
…
U
L
…
…
ui
lj
…
…
图 1 功能、流、功能基与效应集合的映射关系
其中， 部分效应集合与功能基集合的知识映射关
系如表 1 所示。
表 1 科学效应集合与功能基集合的知识映射
作为一种科学发现，效应是一种重要的领域知识，
对于获得作用原理与组合作用原理的过程有直接的支
创新设计过程是一个根据市场需求， 逐步确定出 撑作用。 功能映射与效应链组合是常见的两种基于科
满足相应功能的物理结构的过程。
学效应的知识推理方式。
1．1 创新设计过程
1．3 功能映射
为了揭示设计过程中的规律与实施步骤， 领域界
effect＿search＿ss（Input，Output）：－ effect（Number1，Effect＿name1，Input＿team1， Output＿team1，Function＿1， Case＿list＿name＿team1）， effect（Number2，Effect＿name2，Input＿team2， Output＿team2，Function＿2， Case＿list＿name＿team2）， member（Input，Input＿team1）， subset（Input＿team2，Output＿team1）， member（Output，Output＿team2）， …
Input 混联 1
效应 1
效应 3
效应 2 Output
规则定义
effect＿search＿map（Function，Effect＿name）：－ effec （ Number ， Effect＿name ， Input＿team ， Output＿team，Function， Case＿list＿name＿team）， …
摘要：科学效应是产品创新设计过程中的一种重要知识类型。 建立科学效应知识模型，并实现知识推理，有助于功能
的求解过程。Prolog 是一种基于谓词逻辑的人工智能语言，广泛应用于专家系统的构建。 采用一阶谓词的形式，以 Prolog 语
言为载体，实现了科学效应知识的表示与推理过程，构建科学效应知识库系统。 通过棉花采摘工具的功能分析与方案设计
过程，验证了基于 Prolog 的科学效应知识模型的有效性。
关 键 词 ：科 学 效 应 ；创 新 设 计 ；知 识 工 程 ；Prolog
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1001-2354（2014）10-0004-05 DOI:10.13841/j.cnki.jxsj.2014.10.002
微波辐射、电容特性、…… …… ……
测量固体 铁磁性、密度特性、……
测量
测量表面 测量温度
巴克豪森效应、电子衍射、湍流效 应、光反射、……
热膨胀、双金属片、珀尔贴效应、 居里效应、热敏效应、……
……
……
支撑 ……
……
……
1．4 效应链组合
分功能的实现通常涉及效应知识的应用。 依据系
统论的观点，用输入量、输出量之间的转化关系进行定
Байду номын сангаас
有效的利用知识是实现上述过程的关键。
产品设计内容相对简单，“功能”到“结构”的映射可凭
科学效应一般是指描述物理、几何、化学等领域特 借设计者的经验直接实现。随着产品复杂程度的增加，
定规律的法则或定律，其往往是确定工作原理的基础。 “功能”到“结构”的映射实现需要领域知识的支持，否
功能映射与效应链推理是基于科学效应确定工作 则，设计工作难以完成。
提取
提取液体 反渗透、漩流效应、……
……
……
分布液体 洛伦兹力、离心力、振动、……
分布
分布气体 蒸发、
……
……
…… ……
……
……
检测固体
电晕放电、光吸收效应、光散射、 光反射、铁磁性、……
感知
检测电磁（波） X 射 线 、布 里 渊 散 射 、光 敏 效 应 、 ……
……
……
信讯
指示 显示
标记湿度 …… ……
predicate 1（Object j，…，Object k）. …… Goals …… ？ －predicate：（X，…，Z）． ……
不同的事实之间可以通过元素之间的内涵联系产 生推理规则。目标由询问形式表达，推理机根据事实和 规则完成目标的搜索。 2．2 Prolog 的推理过程
为 了 推 导 出 问 题 的 答 案 ，Prolog 解 释 系 统 的 活 动 可以抽象为 SUB 循环过程，如图 3 所示。 其中“合一” 与“回溯”是重要的程序运行机制 。 ［14－15］
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机械设计
第 31 卷第 10 期
2 Prolog 语言
3 基于 Prolog 的科学效应知识表示
知识的表示是实现推理行为的基础 。 ［11］ （Programming in Logic，Prolog）是基于逻辑推理的人工智能程序 设计语言，具有较强的表达能力和简单的文法，便于实 现符号推理，广泛应用于问题的求解过程 。 ［12－13］ 2．1 Prolog 语法
Facts …… predicate 1（object 1，…，object i） predicate 1（object j，…，object k） …… Rules predicate t（object i，…，object k）：-predicate 1（Object 1，…，Object i），