閥門產(chǎn)品設(shè)計知識支持機制研究與知識庫構(gòu)建

    閥門作為一類通用機械產(chǎn)品，其產(chǎn)品設(shè)計除應(yīng)遵循相關(guān)的設(shè)計標準和設(shè)計準則外，還有大量的經(jīng)驗性、事實性知識，屬于典型的強經(jīng)驗、弱理論領(lǐng)域，運用成熟的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將閥門設(shè)計相關(guān)的知識和經(jīng)驗進行總結(jié)，建立閥門產(chǎn)品設(shè)計知識庫，可實現(xiàn)閥門設(shè)計經(jīng)驗的規(guī)范化存儲，并為閥門產(chǎn)品的計算機輔助設(shè)計提供所需要的知識和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)閥門產(chǎn)品的快速設(shè)計，提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。

    1 閥門產(chǎn)品設(shè)計知識的特點

    閥門產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，種類繁多，不同種類的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)特點、設(shè)計流程中存在較大差異，因此，在閥門產(chǎn)品設(shè)計中，既有共性知識，如產(chǎn)品設(shè)計一般應(yīng)遵循國家標準的公稱通徑和公稱壓力系列，設(shè)計時必須考慮設(shè)計溫度和工作介質(zhì)的要求等。同時，不同種類的閥門的具體結(jié)構(gòu)、設(shè)計流程、產(chǎn)品系列化程度、設(shè)計計算項目及針對某類閥門的特定設(shè)計經(jīng)驗等均有所不同。對于這些大量、復雜的知識，如何能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為計算機易于接受和處理的形式，是構(gòu)建閥門產(chǎn)品設(shè)計知識庫的關(guān)鍵問題。

    2 知識表示的一般方法

    采用什么形式表示知識，使計算機能對之進行處理，是知識庫系統(tǒng)首先要解決的關(guān)鍵。所謂知識表示是為描述物體或現(xiàn)象所作的一組約定，是將知識轉(zhuǎn)換為能為計算機接受和易于處理的一種表現(xiàn)形式。這種表現(xiàn)形式可以看作是一種描述知識的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對知識進行表示就是把知識表示成易于計算機存儲和利用的某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。能否合理地表示和組織知識是關(guān)系到知識庫構(gòu)建是否合理及其運行效率的關(guān)鍵。

    目前與機械設(shè)計相關(guān)的人工智能系統(tǒng)經(jīng)常使用的知識表示方法有產(chǎn)生式規(guī)則表示、框架表示、語義網(wǎng)絡(luò)表示、謂詞邏輯表示、面向?qū)ο蟮闹R表示和基于本體的知識表示等。在進行知識庫的構(gòu)建時，采用哪種或哪些知識表示方法，應(yīng)取決于知識本身的結(jié)構(gòu)特點和知識組織的策略。

    3 知識的組織策略和表示方法

    3.1 知識的組織策略

    針對閥門產(chǎn)品設(shè)計知識的特點，在知識庫中對知識進行模塊劃分。將標準化參數(shù)系列、閥門常用材料等各類閥門設(shè)計中均會涉及的知識劃歸通用設(shè)計知識模塊；將典型結(jié)構(gòu)等針對特定種類閥門產(chǎn)品的設(shè)計知識劃歸專用設(shè)計知識模塊，并分類存儲。產(chǎn)品實例知識結(jié)構(gòu)層次復雜，知識表現(xiàn)形式多樣，因此專門建立產(chǎn)品實例知識模塊對其進行存儲。閥門產(chǎn)品設(shè)計知識庫中知識的模塊劃分和具體構(gòu)成如圖 1 所示。

    3.2 知識表示方法

    針對不同模塊知識結(jié)構(gòu)的特點，可分別采用與其相適應(yīng)的知識表示方法。

    （1）基于規(guī)則的知識表示通用設(shè)計知識模塊和專用設(shè)計知識模塊的知識結(jié)構(gòu)較簡單，一般可采用基于規(guī)則的知識表示方法。如，蝶閥密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計：if 偏心結(jié)構(gòu)為雙偏心 & 公稱通徑小于等于 600，then 選擇 Ⅱ 類硬密封；盲板閥支耳設(shè)計：if 公稱通徑小于等于 600，then 選擇組合結(jié)構(gòu)。

    （2）面向?qū)ο笈c框架相結(jié)合的知識表示

    面向?qū)ο蠹夹g(shù)被認為是 20 世紀 9O 年代計算機科學領(lǐng)域的導向技術(shù)之一。從認識論的觀點出發(fā)，面向?qū)ο蟮乃枷氡容^符合人們的一般思維過程，因而很快就滲透到了計算機的多個領(lǐng)域，其中一個很有發(fā)展前景的分支就是面向?qū)ο蟮闹R表示和方法。它能在不同層次表達知識，在高層次對象能封裝復雜的行為，而具體細節(jié)對該層知識又是透明的，還可以構(gòu)造相關(guān)信息并把它們保持在一起，靈活性好，優(yōu)越性十分顯著。

由于閥門產(chǎn)品本身所具有的類層次結(jié)構(gòu)，因此在對閥門產(chǎn)品實例的知識表示中，采用面向?qū)ο蟮闹R表示方法非常恰當。首先建立閥門產(chǎn)品超類，其屬性包含各類閥門產(chǎn)品所共同擁有的屬性，如公稱通徑、公稱壓力、工作溫度、適用介質(zhì)、連接形式、驅(qū)動方式等，向下可泛化為蝶閥、盲板閥等不同的閥門產(chǎn)品子類，每個子類均繼承超類的相關(guān)屬性，并具有自己特有的某些屬性。閥門產(chǎn)品超類/子類層次結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

    圖 2 閥門產(chǎn)品的超類/子類層次

    對某一個具體的閥門產(chǎn)品實例而言，其產(chǎn)品由主體結(jié)構(gòu)和驅(qū)動裝置兩大部分組成，主體結(jié)構(gòu)又由若干個設(shè)計組件組成，每個設(shè)計組件又可能由不同的零件構(gòu)成。產(chǎn)品實例的這種層次結(jié)構(gòu)非常適合采用框架式知識表示，閥門產(chǎn)品實例的框架式知識結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

    圖 3 產(chǎn)品實例的框架式知識結(jié)構(gòu)

    因此，對閥門產(chǎn)品實例知識的表示，采用面向?qū)ο笈c框架表示相結(jié)合的知識表示方法。

    4 知識庫設(shè)計

    無論采用何種知識表示方法，知識庫的知識一般應(yīng)最終轉(zhuǎn)化為能被所選用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所支持的數(shù)據(jù)模型。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)簡單、易于維護，是目前應(yīng)用最為廣泛的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。閥門產(chǎn)品設(shè)計知識庫以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為平臺，因此需將相應(yīng)的知識表示轉(zhuǎn)化為關(guān)系模型，方可實現(xiàn)對知識的存儲和管理。

    在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，表是數(shù)據(jù)的基本存儲單位，無論采取何種知識表示方法，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的知識最終都要存儲在一張張表中，表之間的關(guān)系通過鍵來定義。在閥門產(chǎn)品設(shè)計知識庫中，通用設(shè)計知識模塊和專用設(shè)計知識模塊的知識基本都屬于規(guī)則性知識，表之間的關(guān)聯(lián)簡單，因此，可將每個知識點轉(zhuǎn)化為為一張表，條件子句和結(jié)論子句為相應(yīng)的數(shù)據(jù)項．以條件子句作為主鍵，供查詢調(diào)用。

對采用面向?qū)ο笈c框架相結(jié)合方法表示的產(chǎn)品實例知識，首先建立閥門產(chǎn)品超類表，并建立各類閥門子類表，各子類表繼承超類的屬性項，并添加其特有屬性項；在超類表中，以鑒別器——閥門種類項來標識閥門的具體種類，子類表依據(jù)閥門型號（主鍵）繼承超類各屬性項的值。

    對閥門實例信息的記錄，通過建立產(chǎn)品級信息表、閥門主體結(jié)構(gòu)信息表、驅(qū)動裝置信息表、各設(shè)計組件信息表和各零件信息表，利用主、外鍵建立關(guān)系的定義，實現(xiàn)對產(chǎn)品實例信息的全面、無冗余存儲。

    5 結(jié)語

    通過對閥門產(chǎn)品設(shè)計知識的分析，提出了分模塊存儲的知識組織策略。結(jié)合不同模塊知識的結(jié)構(gòu)特點，給出了相適應(yīng)的知識表示方法，重點探討了閥門產(chǎn)品實例的面向?qū)ο笈c框架相結(jié)合的知識表示方法。結(jié)合相應(yīng)的知識表示方法，以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為支撐平臺構(gòu)建知識庫，將相關(guān)知識映射為對應(yīng)的數(shù)據(jù)表，并通過關(guān)系建立了各知識實體間的聯(lián)系。