【摘要】为了满足知识的创新和发展对知识管理的需求，提出了层次化的工程设计知识管理体系，进行了工程设计类知识管理分析，给出了层次化的工程设计知识管理体系框架，将其描述为通过管理工具层、基本操作层、深度加工层和知识集成层，对结构化、半结构化以及非结构化知识进行管理和集成，指出工程设计知识管理的关键技术主要集中在各类知识的描述，知识单元间关联的分析，知识单元的管理操作方法以及各类知识管理工具的开发，以不同类型的显性知识为基本对象，分析了设计知识的基本单元，研究了公式类、约束类、模糊规则类以及隶属函数类的设计知识描述规范，扩展了对知识的操作手段和方法，开发了一些知识管理工具并在实际工程项目中进行了应用和验证。
【关键词】工程设计知识、知识管理、知识管理工具
1 概述
随着企业知识管理和基于知识的工程应用不断深入工程设计类知识管理越来越受到重视，按照oartnerrup的定义[1]，知识管理是对企业信息资产进行标识，获取、评价、调用和共享的提升方法和集成方法，工程设计知识管理技术主要研究各类工程设计知识的共享，维护，使用和创新以基于知识的工程的内涵看，知识管理主要是对知识库进行维护和管理[2],由于应用领域不同和知识的复杂性,知识表达的方式各异,导致知识难以在不同部门和不同层次间流通,知识的共享程度差不少学者借用情报学和信息管理的理论和技术,运用数据处理和信息管理技术对知识进行管理[3-4],操作方式多脱胎于数据库的管理操作,如增加、删除、查询、修改、缺少适合知识特点的操作方法，使得知识的快速有效利用受到限制。当前许多从数据库管理理论直接转换过来的知识管理理论不能满足知识的创新和发展的需求。为此，本文提出了层次化的工程设计知识管理体系，分析了相应的关键技术以不同类型的显性知识为基本对象，研究便于获取、共享、维护和使用的知识描述规范，扩展对知识的操作手段和方法，并研究和开发了一些工程设计知识管理工具。
2 工程设计类知识管理分析
2.1 设计知识管理对象
从工程设计的目的出发，知识管理的对象包括：设计对象的知识、设计过程的知识、掌握知识的专家。第一类即产品知识[5]，包括：工程设计中的行业规范；产品开发中内含的设计约束，反映产品机械性能、热力性能、加工、装配和安装等后续环节对工程设计的各种约束和要求；产品开发过程中长期积累下来的产品实例表，对各种开发成功的产品进行分类存储，以利于新品开发中的设计参考和借用。第二类反映设计过程知识，包括：设计手册；工程设计的企业习惯，反映企业在多年设计中积累下来的经验数据和计算模型；设计修改经验表，总结开发过程中解决各种难题的经验。第三类是具备设计知识的专家和工程师，知识管理既是对知识的一般操作管理，也是对人的管理，可以用专长知识关键词和工作单位构成一个二维矩阵来描述专家信息。专长知识关键词可按国家图书分类或专业分类标准表示为树状结构，工作单位也可由阶梯形组织结构表示为树状结构。专家的具体属性有个人信息、成果信息、特长信息等。只有深入研究这三类知识，才能对工程设计类知识的各种操作进行全面管理，本文主要针对前两类知识进行分析。
2.2 设计知识管理和知识工程
从知识管理出发，所有智能活动都必须通过知识管理系统才能与知识库发生作用（如图1），通过知识利用接口，可以实现知识的自动化处理和应用反映设计中的智能特征。在分布式知识资源的支持下，可使多个设计活动协同进行。通过知识可视化接口，可以理清知识之间的关联，既能解释知识的内在关系，也可解释设计者的设计思维，从而促进知识的更新和改善。
2.3 工程设计知识管理的关键技术
工程设计知识管理的关键技术主要集中在各类知识的描述、知识单元间关联的分析、知识单元的管理操作以及各类知识管理工具的开发。
对产品的设计知识进行分类、描述、编码，对隐性知识和显性知识进行统一管理，从而建立面向企业产品开发的知识库，这是知识管理和知识工程的基础。具体包括：面向产品开发的企业知识目录和工程设计知识库的设计方法；基于工程语义的产品开发流程知识的描述方法；产品开发中隐性知识的特征、表达方法和知识图的可视化技术。
利用传统搜索方法获得的知识多为孤立的碎片知识，不能提供足够的背景和周边知识信息，，给用户学习和使用带来困难，从而阻碍了显性知识和隐性知识的相互作用与相互转化，也不能支持知识评估等知识管理活动。文献[6]研究了知识间的关联关系,将问题中知识之间的关系分为对等、分类、结构、依赖、拓扑、因果、功能、时序、相似度、条件、目的等类型。文献[7]认为在一个面向对象的知识模型中，知识概念之间存在四种基本关系：参考（reference）、扩展（eXtenSinof）、触发（triooer）和获得（ac-Cuire）只有将知识按照适合用户需求的关联关系组织起来，才能够帮助工程师和技术管理人员尽快获得他们需要的产品知识和流程类知识，并把这些知识及其拥有者关联在一起。
显性知识关联研究主要是解决分布环境下，多个知识构面集成中各知识单元及知识节点之间的关联形式和关联语义，从知识使用、学习和集成出发，研究知识的关联表达、关联语境和关联因子。对于企业分布式知识的关联，通过各种属性的相似程度和知识单元的耦合程度进行聚类，将定义多个知识构面上各知识单元之间的关联关系及属性，用XML标记对知识关联进行规范描述，便于为企业分布式异构知识库建立统一的知识图，从而进行知识的高级检索和浏览。
当前对知识管理操作方式的研究和应用，大多局限于数据库技术中的操作方法，如增加、删除、查询、修改等。从知识的特性出发，笔者认为，还应包含一些知识特有的操作和管理技术，如有效性检查冲突检查、一致性检查、快速检索定位等，工程设计中显性知识单元的管理操作研究，还要求深入研究知识特有的管理需求，管理操作机制，实现技术和各种操作规范。
知识管理工具是支持知识管理的信息系统，[8]是企业实施知识管理的重要手段，它不仅可以管理显性知识，还可管理隐性知识，有助于企业知识的获取和积累，现有的知识管理工具包括知识获取工具，知识开发工具，知识锁定工具，知识共享工具，知识利用工具和知识评价工具，建立面向工程设计的知识管理和知识工程的网络平台，开发相关的各种知识管理工具，通过专门的知识管理部门，管理产品的设计开发知识的流动，对已有设计知识进行共享对获取新产生的知识进行整理，并进行各类知识的分布式管理，通过各种知识管理工具，进行个性化的设计知识管理，促使工程师贡献知识内容，进行内部咨询和交流。
3 工程设计知识管理体系
3.1 工程设计类知识管理体系的四个层次
文献[9]以本体论和互连网信息描述与交互为技术支撑，为制造业知识管理建立了应用层，服务层和基础层的三层体系结构,文献[10]用元数据的逻辑关系描述了地理信息领域的知识管理体系，在这里，认为工程设计知识管理体系是一种多视角多层次的结构，工程设计类知识的管理是通过管理工具层，基本操作层，深度加工层，知识集成层，(如图2)四个层次对结构化，半结构化，以及非结构化知识进行管理和集成。
首先，通过工具层中相应的知识管理工具快速获取和积累设计知识，从知识表示出发，按照知识提炼程度和设计者认知习惯，设计类知识具体表现为公式类知识，约束类知识，规则及模糊规则类知识，设计原理类知识，专利知识，隶属函数类知识，设计手册类知识，设计经验实例类知识等多种类型这些类型的知识既适合设计知识的直接表达，也适合设计知识的积累和使用。
在基本操作层，设计知识的管理除了最基本的增加、删除、浏览、修改和搜索等功能外，还应该有知识特有的管理功能，如唯一性检查、一致性检查、各种有效性检查和冲突检查。
在深度加工层，设计知识管理系统要通过搜索引擎，企业知识门户，知识地图等为企业获取更多的相关知识，从工程设计数据库中发现隐含的，有意义的知识，通过数据挖掘工具，在凌乱的数据中，开发出有价值的知识，并在设计知识库中开发出具有前瞻性的，决策作用的元知识，知识锁定是通过分类存储等方法将知识进行有效存储并以简明的方式为设计者服务，知识共享是通过网络进行讨论和交流，支持知识的交互和设计的协同工作，知识利用是将隐性知识编码，将显性知识内化，支持企业的工程设计工作，知识评价是对知识本身价值，知识利用效果及其对企业带来的效益进行评价，有利于知识的更新，完善和补充。
在知识集成层[11]，结合应用背景知识进行关联等挖掘操作，将专家和工程师头脑中的经验和诀窍总结出来，实现隐性知识到显性知识的转换，通过编码知识描述方式的转化，实现显性知识到显性知识的转换，为其他应用领域的知识工程服务，通过隐性知识的传递和共享，如典型案例的传授，虽然未上升到普遍规律，但可促进知识的传递和积累，通过对知识的内涵分析和外延研究，揭示文献间的关系，展示文献间结合的知识链和知识特征，使设计者抓住产品的特点和某类知识的本质（如值域、单调性、对称性等），实现知识从显性到隐性的转化。
3.2 知识地图
知识地图是表现知识体系和知识关联的重要手段，oartner oroup[1]认为知识地图是知识管理的基本工具，将知识地图定义为一种知识概念或知识相关的呈现方式，例如知识的分类，知识的阶层等等，同时也把知识地图解释为一种工具，帮助使用者在很短的时间内找到所需知识的来源，并指出知识地图可分为概念性知识地图，流程知识地图以及能力知识地图，文献[12]提出了六个步骤来构建网状的企业知识地图，文献[13]把某一主题下的知识按不同关联方式绘制成类似地铁线路的图形。
知识地图的描述和实现机制是知识地图的核心技术。在知识管理体系的框架内，以知识主题，知识关联、语境为导向，研究适合知识管理操作，反映各类知识关联的动态知识地图表示方法，研究多种知识构面下知识地图的可视化方法和实现技术。具体可通过对技术管理和工程设计中各类知识的归纳和提炼，对各知识单元进行科学分类，有效提取不同形式，不同种类知识的属性特征，记录它的语境及其与知识单元的关联，构造一个贯穿知识单元，知识节点、知识构面的多层次、多视角的知识管理地图，通过网状图和树状图等形式，反映知识之间的各种关联。还要深入分析面向组织或个人学习的知识地图、面向工作流程的知识地图、面向战略规划的知识地图，从而促进显性知识到隐性知识、隐性知识到显性知识的演化，使与企业密切相关的知识创新活动增多、加快。
4 工程设计类知识的表示
工程设计类知识包括非常成熟的计算公式、较成熟的模糊规则、能清楚描述的约束知识、难以直接操作的原理知识、解决普遍问题的手册知识和针对特殊场合的经验实例。首先必须从用户认知出发，直接对各类设计知识进行管理，除基本管理功能外，还需逐步扩展到高级管理功能，并通过有效的数据组织和知识组织，为知识集成打下基础。本文主要针对公式类、约束类、模糊规则类和隶属函数类的知识管理工具进行阐述。
4.1 知识单元的描述
从设计知识的分类发现，设计知识的基本单元主要是代数表达式和命题。如公式类、约束类、隶属函数类知识主要由代数表达式构成，规则类、原理类、专利类、经验实例类知识主要由命题构成，手册类知识中则是两者均有。
参数管理操作包括，参数的添加、编辑、浏览和删除，还有参数的有效性检查、唯一性检查和一致性检查。参数有效性检查是检查新添加的参数名称是否满足规定的命名规则，参数名的首位必须为字母字符，后面再跟字母或数字字符，参数唯一性检查是检查新添加的参数是否与数据库中已有的参数重名，参数一致性检查是在进行编辑操作时，不能修改参数ID和参数名，以确保修改前后的参数保持一致，不会发生语义上的改变。
代数表达式管理有：①代数表达式的词法分析，将表达式中的字符从左到右逐个进行扫描和分解，从而识别出表达式中的参数、常数和函数，根据语法树规则，把两个运算符之间的字符串看作是分解得出的一种单词；②单词的模式匹配，通过对解析得到的单词进行模式匹配，可以得到以下情况中的一种，即该单词是参数、常数、函数、空，或是形式非法的单词；③单词的语义有效性检查。如果单词形式合法且非空，再检查此单词是否经过定义，检查单词的组成结构是否合法。
4.2 工程设计类知识的描述
（1）代数式公式类知识描述
任何代数表达式公式中都有且只能有一个等号，同时公式可以分解为输出参数部分和输入表达式部分。
（2）设计约束类知识的描述
设计约束类知识是由两个表达式和关系运算符组成。
（3）模糊规则类知识的描述
（4）隶属函数知识的描述
隶属函数知识是在给定论域、相对给定参考目标、给定模糊等级上，由一系列坐标点连接而成的平面曲线。
5 工程设计知识管理中的主要操作研究
5.1 设计知识的冲突检查
（1）公式类知识的冲突检查
在调用工程设计的公式时，可能同时有两条以上的候选公式，造成公式使用中的冲突。而系统依据一定的原则，从中选择一条公式来执行，就是冲突消解过程。由于公式类知识的输出参数只有一个所以只要不同的公式都具有相同的输出参数，就可能存在着公式之间的潜在冲突。冲突检测问题可简化为，在公式库中搜索具有相同输出参数的公式问题。冲突类型有完全重复、完全互斥、传递重复及不完全互斥，相对应的消解方法是整理清除、安排不同版本、允许冗余存在和安排不同版本。
（2）规则类知识的冲突检查
一个规则集经逻辑语义分析后，可发现影响知识库一致和完备的一些问题。
矛盾规则（又称冲突规则）:两条规则在相同的条件下得到的结论是有冲突的，也可能由多条规则形成冲突规则链。消解方法为安排不同版本。
从属规则:两规则有相同的结论，但r1的条件约束比r2的多，称r1是r2的从属规则。
循环规则:当一组规则形成一条循环链时，这组规则被称为循环规则链。这些规则允许存在。
传递冗余:若两条规则链中第一条规则条件相同，而最后一条规则的结论是等价的，则称这两条规则链是传递冗余的。
死规则:如果在知识库中没有与规则中某条件对应的事实，则称这个条件是死条件；如果规则的条件都是死条件，则这条规则是死规则，它们在推理过程中不会被激活。这些规则将视评价情况决定是否去除。
（3）约束类知识的冲突检查
产品变形设计中的设计约束首先要满足基因零件内部参数或零件之间的尺寸关系，再通过设计规范、生产资源能力、设计习惯等限制，保证设计约束知识不会产生冲突的可能。
（4）隶属函数类知识的冲突检查
隶属函数的缺省曲线可以定义为三角形。模糊等级的数量一般是奇数个，如“很好、较好、一般、较差、差”。一般来说，模糊等级中对称两端的隶属函数应是补集关系。除此之外没有冲突的可能。
5.2 设计知识的可视化
公式知识图的可视化流程[14]为:按深度优先搜索策略对参数分等级；针对每个公式按等级数排列各参数；用黑线把每个输出参数和其公式中的相关输入参数相连接，重复的参数以黄色背景区别；冲突的公式则以红线相连接。规则的知识图表示可参考公式知识图的流程，按规则的导出顺序前后相连而成。设计约束是一个双向限制的关系，因而不存在导出关系，但其参数之间的连接将是一个复杂的网。隶属函数知识是针对给定论域、相对给定参考目标以及给定模糊等级而言，不存在知识图的问题。
5.3 设计类知识的工程使用
知识利用是知识管理的最终目标。在隶属函数的管理工具和模糊规则的管理工具中，采用控件形式，通过属性（prpertieS），方法（methdS）和事件（eVentS）的定义和封装，为模糊评价系统、模糊决策系统或其他模糊系统服务。
公式类知识的利用是首先读入待计算公式的输入表达式，然后逐个解析出公式中的输入参数和运算符，根据其内部参数形式，到参数状态表中查询此输入参数的数值，并将表达式中的输入参数替换为其相应的数值。表达式中输入参数赋值完毕，进行数值运算。将最后得到的计算结果写入参数状态表中公式输出参数的对应数值项中，完成对输出参数的赋值。
设计约束的知识利用是对约束两端的表达式分别先赋值后运算，然后按中间比较符进行两端值的比较，得出逻辑上的“通过”或“不通过”。
6 工程设计知识管理工具设计及应用
6.1 公式类知识管理工具应用
公式类知识管理工具的主要功能，包括：①对公式类知识和参数的编辑、添加、浏览和删除等常见的基本操作；②针对公式类知识和参数的特殊性而进行的相应的结构有效性分析、一致性和完备性检查功能，针对公式库中公式类知识的冲突检查功能、表达式的语法有效性分析功能，还包括根据参数进行搜索的知识搜索功能。
公式的唯一性检查是指检查新添加的公式是否与数据库中已有的公式重名。公式的一致性约束是在对公式进行编辑操作时，不能修改公式ID和公式名，以确保修改前后公式的一致性，不会发生工程语义上的改变。
6.2 隶属函数类知识管理工具
隶属函数是模糊决策中的重要知识。隶属函数管理工具[15]能够对任何一个变量，设计指标、设计变量，设置属性，即指定其变量名、值域/状态空间、单位进行语言值，概念的添加、反转、删除操作，对每个隶属函数曲线进行任意折线的自由编辑。该变量编辑器还可保存，从而具有个性化功能：用户能控制编辑环境的辅助网格、隶属函数颜色与粗细等。隶属函数管理工具的界面（如图4）主要有工具栏、模糊等级语言值列表、选取点坐标的显示，以及隶属函数曲线编辑窗。
6.3 模糊规则类知识管理工具
模糊规则类知识管理可以对前提或结论的语言变量及其语言值进行属性定义，包括语言变量值域、单位、语言值的名称等。可以对模糊规则进行可视化的添加、编辑、删除等操作。通过组件内部数据的C++类封装，完成对规则类、规则列表类、规则匹配度列表类的定义，利用C++的优势，使内部数据高效、安全地与外界应用程序交流信息。推理结论类型有两种C，物理值与变化程度。选择物理值类型，程序将采用清晰化方法给出推理结论5选择变化程度类型，程序将该变量的推理结论限定在[-1,1]，表示建议的变化程度。
6.4 设计约束类知识管理工具
设计约束对于复杂产品的设计及工程的并行设计过程有着非常重要的作用，利用约束管理工具可以对设计性能约束、结构约束、装配约束、可制造性约束、资源约束进行形式化表达和管理。约束管理工具可以进行设计约束知识的增加、删除、编辑以及约束的词法分析、语法检查、校核处理。零件约束管理器包括针对某个零件参数之间关系的约束编辑器和约束校核器两部分。约束编辑器负责约束的读写，而约束校核器对设计结果进行校核。部件约束管理器包括针对装配体内各零件之间参数关系的部件约束编辑器和约束校核器两部分[16]。
7 结束语
兼顾智能设计系统的需要和企业知识管理的需求，将知识管理从一般的数据库操作方式扩展到各种知识的分类和链接，特定知识的挖掘和识别，知识的发布和解释以及个性化知识管理，特别是一些知识特有的操作和管理技术，如有效性检查，冲突检查，一致性检查，这将有利于推动知识工程与知识管理的实用化。
工程设计的知识管理对象包括设计对象的知识，设计过程的知识以及掌握知识的专家，工程设计类知识管理的四个层次是管理工具层，基本操作层，深度加工层以及知识集成层，从代数表达式和命题这两个设计知识的基本单元出发，有关公式类约束类，模糊规则类以及隶属函数类的设计知识可以得到合适的描述，相应的知识管理工具在汽车空调压缩机热力学知识管理，油泵配试评价，客车内饰布置的再设计，喷油泵变型设计等实际工程项目中得到应用。
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