第9期
2010年9月
文章编号：1001-3997（2010）09-0239-03
机械设计与制造
Machinery Design ＆Manufacture
239
支持产品现代设计的六维度设计知识分类体系
与知识建模研究*
马雪芬1戴旭东2
（1上海电机学院机械学院，上海200245）（2上海交通大学机械与动力工程学院现代设计研究所，上海200240）
Study on design knowledge taxonomy and model
MA Xue-fen 1，DAI Xu-dong 2
（1School of Mechanical Engineering ，Shanghai Dianji University ，Shanghai 200245，China ）Shanghai Jiao Tong University ，Shanghai 200240，China ）（2School of Mechanical and Power Engineering ，
【摘
要】基于分布式知识资源环境的特点，以支持实现设计中知识流动为目标，进行了产品设计知
识的分类体系、知识建模方法与知识服务表达的研究。提出了产品设计知识六维度分类体系。应用基于本体论的知识建模方法建立了产品设计知识的模型，用知识服务组件实现设计知识服务。知识服务组件基最后以流体仿真专家知识为对象进行了知识分类与建模的应用。提出的知识分于web service 技术实现。
类体系与知识服务组件方法可以支持产品现代设计的知识流模型的开发与现代设计平台中的知识管理系统构建。
关键词：设计知识；分类体系；知识建模；知识服务
【Abstract 】Based on the characters of distributed design resource circumstance ，the design knowl －edge taxonomy ，model and service method ，which supporting design knowledge flow in distributed design resource circumstance ，was studied. The six dimensionality taxonomy was presented to structure design knowledge. The design knowledge is modeled based on ontology and the design knowledge could be sealed as knowledge service components to provide design services. Design knowledge service components are developed base on Web Service technology. According to the six dimensionality taxonomy ，Computational Fluid Dynamics professor knowledge was structured and modeled. The six dimensionality taxonomy and the design knowledge model are appropriate to be applied to developed design knowledge management system in modern design platform.
Key words ：Design knowledge ；Taxonomy ；Knowledge model ；Knowledge service
1引言
产品现代设计理论认为，产品的设计过程本质上是设计知识流动的过程。产品设计主要表现为知识发现、获取、应用、优化、重组等。设计知识流主要包括在设计主体内流动的集成知识流、在设计主体与分布的设计资源单元之间流动的服务知识流、在资源单元中流动的单元知识流。其中从分布资源环境中进行新知识的获取是现代设计的核心活动。借助计算机网络实现设计主体与分布式知识资源单元间高效、顺畅的知识流动是现代设计主要目标。实现该目标需要研究知识流的构成、性质、知识流动模式、知识的获取与应用方法等。而进行这些相关的知识流理论研究的前提是需要首先研究在分布式资源环境中设计知识存在的模式、设计知识的分类体系及设计知识表达的方法。只有首先实现了设计知识的结构化表达，才能够实现设计知识在计算机网络中按照一定的模式进行流动（包括搜索、匹配、应用等）与控制。因此研究分布式资源环境中设计知识的表征与管理是知识流理论基础的先
＊来稿日期：2009-11-10
中图分类号：TH12文献标识码：A
了初步的应用实现。
导。本文基于分布式知识资源环境的特点，以支持实现设计知识知识建模方法并进行流动为目标，提出了设计知识的分类体系、
2产品设计知识的存在模式
产品设计是一个集性能需求分析、概念（方案）设计、详细设计、技术经济性分析、仿真及试验等于一体的复杂的过程。产品设计知识涉及的范围非常广泛，普遍存在于设计人员、设计机构及相关的媒介（如数据库、知识库、文档等）中。分析产品设计知识存在的模式与应用方式是实现对其建模与管理的基础。
从设计知识存在的状态看，包括隐性知识和显性知识。诚如知识管理理论中所述，隐性知识存在于人的头脑中，是还没有用语言与文字表达出来的知识。如波兰尼指出的，隐性知识本质上是一种理解力，是一种领会、把握经验、重组经验，以期达到对他的理智的控制能力。隐性知识是人类知识的内核，是显性知识的隐性知识是人在实践中积累获得的经验来源。就产品设计而言，
＊基金项目：上海市教育委员会科研创新项目资助（09A105），上海电机学院启动基金资助（08C402）
240马雪芬等：支持产品现代设计的六维度设计知识分类体系与知识建模研究第9期
知识，是与个体的体验和经验紧密相关，是来源于实践与体验、是尚没明确表达（或没办法明确表达）出来的知识。隐性知识是一种无形的知识资源，在产品设计中起着决定性的作用。在产品设计数学模型、数据、文档、案例、规则、领域，显性知识包括科学原理、标准、规范、流程、专利等。显性知识的特点是可以通过某种方式明确表达、固定存在、供人们学习与利用。
在产品设计过程中，知识通过多种途径被获取与应用，文献[3]
描述了知识获取的六种途径：已有知识、市场信息、虚拟仿真、物理模型试验、样机试验与已投入使用的产品表现的检测。后五种途径获取完成后的知识便成为了已有知识。已有知识是显性的知知识在获取过程中需要隐性知识的支持，也即需要人的参预。识。
结构化表达支持设计的显性知识是实现产品设计过程中知识流动的要求。在产品设计过程中，隐性知识的应用通过设计过程中隐性知识的应用过程往往是知识显性化的过的人的参预来完成。
程。因此，记录与管理设计过程中的知识便很重要。设计的过程是知识流动的过程，通过对知识的结构化可以提高知识的流动性。同时，结构化的知识也是实现知识在计算机网络中流动的前提。知识结构化主要完成二项工作：建立设计知识的分类体系与进行知识的结构化表达。合理的知识分类体系支持知识被快速地发现。结构化的知识表达支持知识高效地被传递与应用。
需要指出的是，在设计过程中隐性知识往往发挥着比显性知识更重要的作用。产品现代设计中要需要研究如何管理与利用分布资源环境下的隐性知识及隐性知识的流动。
4产品设计知识的分类体系
4.1设计知识的学科维分类
学科维分类是知识的基本分类法，也是人类科学技术发展过按照学科对设计知识进行分类符合人们的程中形成的既定分类。
认知习惯。设计知识的学科维分类按照国家标准《学科分类与代（GB/T13745-92）进行。任何新的知识都可以按此标准纳入到码》
相应的学科中并随着学科分类的完善而扩展。
4.2设计知识的产品维分类
产品设计知识是应用于产品设计中的知识，按照产品来进行设计知识的分类提供了知识应用的对象特征。这对知识的快速搜一条知识也往往会应用于多索具有重要的作用。产品形形式式，
种产品中。产品与知识的对应关系是多对多的关系。赋予知识产品维的特征虽然很难精确全面确定知识的应用对象，但基于产品设计知识往是在一定的产品背景下产生的，这对于提高知识搜索的匹配精度是很有作用的。产品维的产品分类也类似于学科维，是一个随着新产品的不断出现而不断扩展的过程。
4.3设计知识的资源单元维分类
产品现代设计是在分布式资源环境下的设计，围绕一个产品设计开发的知识流动是在设计主体和资源单元间进行。设计知识在应用过程中始终具有资源单元维的属性，该属性表明了该知识的拥有者。按照资源单元维的分类体现着现代设计知识的独特特征。
4.4设计知识的应用流程维分类
知识在应用流程维的分类主要按照知识被应用的流程来分。任何一个设计过程都是按照一定的设计流程来进行的。设计流程是设计知识中重要的一类知识，是知识流动的“管道”。资源单元的知识服务在流程中的某一节点流入流程中，与流程中已有的知知识流动过程中识进行某种融合后形成新的知识继续流动下去。
不断地产生着新的知识。这些新的知识同样需要被管理。按照流程维对知识分类可以清晰地表明知识被应用的流程，也为设计流程重用提供了保证。这里的流程可以是一个项目的流程，也可以是一个子项目的流程。如某产品开发流程A 包括AA 、AB 和AC 三个子流程，AB 子流程又包括三个任务节点：ABA 、ABB 、ABC 。如果知识K1在节点ABB 被应用，好么该知识便具有了A-AB-ABB 的流程分类属性。这样，便可以清晰地表明知识被应用的过程，同时当A 流程被重用时，便可以直接使用K1知识（或知识服务）。
3产品设计知识的分类原则
建立产品现代设计知识的分类体系以如下原则为准则：）设计知识分类体系要考虑知识产生学科背景与产品设计（1
背景。设计中应用的单元知识许多是在一定的学科研究背景下产生的，分类体系要符合已被普遍接受的按学科来定位知识的要这时要求。还有许多设计知识是在产品设计开发过程中产生的，考虑其产生的工程（产品）背景。
（2）设计知识分类应适应知识应用的要求。设计知识主要应用于产品的设计开发过程中。设计知识分类应尽可能满足产品设计的一般过程分类与自顶而下的设计原则。不同类型知识的应用应用流程也不同。设计知识的分类也应满足不同应用方法不同、
方法的要求。如对文档类型的知识应用往是文档浏览；对数据表示的知识的应用常是数据查询；对于程序表示的知识应用是通过程序调用（包括远程调用）；对于隐性知识的应用是通过人的参预来实现。
（3）设计知识分类应满足分布式资源环境中产品设计的需要。在分布式资源环境中，知识是被众多的设计实体与资源单元拥有。一个设计主体在设计过程中应用的知识突破了传统的限于自已拥有的知识范围。因此，设计知识分类体系要考虑到分布资源环境下知识的拥有者的特性。分布式资源环境中产品设计的过程是知识流动过程。知识基于计算机网络进行流动的前提是必须首先被结构化地表达。因此，知识的分类体系要考虑到知识的结构化方式。考虑知识的拥有者属性与结构化方式有利于知识的快速获取。
4.5设计知识的表达形式维分类
知识从表达形式可分为隐性知识和显性知识。隐性知识存在于人的头脑中，表达形式为专家知识。显性知识是可以通过某种结构化方式表达的知识。设计知识在表达形式维的分类属性体现了其结构化的程度。结构化的设计知识按如下形式进行表达：专家、文档（包括图片等）、案例、规则、标准、规范、专利、数据、流程、程序（包括软件）等。通过结构化表达后的知识可以通过计算机系统来管理，这里隐性知识的管理通过对专家的管理来体现。
4.6设计知识的设计域维分类
公理设计提出了基于用户域、功能域、物理域和过程域的设计过程模型[8]，该模型提供了具有普遍意义上的产品设计理论框
No.9Sep.2010
机械设计与制造
产品维
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架。设计知识是如何从一个域映射到下一个域的知识。设计知识定义用户需求的相关按照设计域维的分类是一个普遍性的分类。
知识为用户域知识，定义从用户域向功能域映射的知识为功能域知识。定义从功能域向物理域映射的知识为物理域知识。定义从通过设计域维的设计物理域向过程域映射的知识为过程域知识。
知识分类较清晰地反映了设计知识在设计过程中的应用范围，有利设计工程师快速搜索合适的知识资源。
水路系统
油路系统
汽车
水压机
飞机其他产品
其他部分
图2流体仿真专家知识的产品维分类
5产品设计知识的建模与服务表达
5.1产品设计知识建模
产品设计知识的建模通过基于本体论[9]的知识建模完成。本属性及其相互关系的规范化描述，勾画出某一体通过对于概念、
领域知识的基本体系。使用本体表示知识，可以使领域知识结构清晰化，宜于企业内知识共享和重用。当领域的知识结构发生变化时，还可通过本体进化来调整，保持系统一致性。
流体仿真专家知识应用流程维分类是根据该知识产生或应流体仿真专家知识的表达形式维分类为隐式用的流程来确定的。
知识（专家）。流体仿真专家知识的资源单元维分类，如图3所示。
资源单元
维分类
5.2产品设计知识服务实现
产品设计知识建模后的应用是支持分布式设计资源环境中的知识服务。知识服务组件是用来对知识服务进行实现的一种方式。
知识服务组件是由知识拥有者拥有并发布的能够提供知识服务的软件或程序。知识服务组件的典型特点是通过明确的输入返回明确的输出来完成服务。知识服务组件被应用于提供知识服务。知识服务组件的开发基于web service 技术完成。
Web Services 使用基于XML 的消息处理作为基本的接口描述和数据通信方式，采用W3C 组织制定的开放性标准和规范，对服务的实现与使用进行高度的抽象，以消除由于使用不同组件模操作系统和编程语言所产生的系统差异，是一种实现数据和型、
系统的互操作性的有效的解决方案。知识资源单元将知识服务部通过使用Web Services 描述语言（WSDL ）及署在Web 服务器上，
其它计算机语言编写的数字化知识与服务实现代码来描述将提供的知识服务的功能。服务请求者使用API 向服务器请求他所需要的知识服务，确认后与特定知识服务组件绑定并实现服务。
王三一张二张四
渗流流体力
学研究所中国科学院上海分院北京航空航天大学流体研究所
图3流体仿真专家知识的资源单元维分类
流体仿真专家知识的设计域维分类为：用户域、功能域、物理域和过程域。该维的分类根据专家的设计服务范围来确定。
7结论
本文基于产品现代设计理论，提出了支持产品现代设计的设基于六维度设计知识分计知识分类准则与六维度知识分类体系。
类法描述了基于本体论的产品设计知识模型与知识服务组件的知识服务表达。知识服务组件基于web service 技术实现。将六维度知识分类体系应用于流体仿真隐性知识（专家知识）的分类，并对其进行了知识建模与专家知识服务的表达。
本文提出的支持产品现代设计的六维度设计知识分类体系与知识建模方法可以支持产品现代设计的知识流模型开发与现代设计平台中的知识管理系统构建。
参考文献
1Hundal ，M. S. Rules and models for low-cost design ［J ］. Design engineering-design for manufacturability ，ASME ，1993（52）：75～84
2DARPA rapid design exploration and optimization project. Collaboration ap －plication suite for check tracking manufacturing product development ［OL ］. Parametric technology corporation ，2004
3谢友柏. 现代设计理论和方法的研究. 机械工程学报，2004，40（4）：1～94National research council. Advanced engineering environments ：achieving the vision （Phase 1）［R ］.Committee on advanced engineering environments. D.C. ：National academy press.Available on line at ：http ：//books.Washington ，
nap.edu/html/adv_eng_env/April5，2000
6产品设计知识分类体系
按照六维度知识分类体系，对流体仿真的隐性知识（专家知识）进行了分类，并建立了其表达模型。根据该分类与知识表达模型，可以开发分布资源环境下流体仿真专家知识服务的应用系统。如图1所示，为流体仿真专家知识的学科维分类。
计算流体力学
水动力学……多相流流体力学……环境流体力学
5National research council. Advanced engineering environments ：design in the new millennium （phase 2）［R ］. Committee on advanced engineering environments. Washington ，D.C. ：National academy press.Available on line at ：http ：//books.nap.edu/catalog/9876.html，2001
6朱爱斌，毛军红，谢友柏. 美国先进工程环境研究［J ］. 机械工程学报，2004，40（8）：1～6
7戴旭东，刘钢等. 支持产品现代设计与技术研发的知识管理系统［J ］. 机械2007，24（增刊）：191～193设计，
8Suh N.P. 谢友柏等译. 公理设计：发展与应用［M ］. 北京：机械工业出版社，2004
9邓志鸿，唐世渭，张铭等. Ontology 研究综述［J ］. 北京大学学报（自然科学版），2002，38（5）：730～738
欧拉-拉格朗日方法欧拉-欧拉方法
VOF 模型
离散相模型
混合物模型
欧拉模型
图1流体仿真专家知识的学科维分类
如图2所示，为流体仿真专家知识的产品维分类。