基于知识管理的并纱机模块化配置系统研究

知识管理是通过对知识的捕获和共享，将恰当的知识传递给恰当的知识使用者，实现将知识转化成创造力的重要过程。知识管理已经成为现代企业核心竞争力的源泉。

    PDM技术的发展为产品的知识管理和CAx集成提供了一种有效的工具。文中在PDM(smarTeam)平台上应用知识管理、模块化设计和产品配置等技术，为某纺织机械公司开发了并纱机模块化配置(DWMc)系统。并纱机是一种纺织机械，适用于络筒以后的并纱工序，将棉、毛、化纤短纤维的纯纺或混纺等各种纱支并成筒子纱，供倍捻机使用。

    1 DWMC系统中知识管理的关键技术

    1.1 模块化配置设计知识的分类与获取

    模块化产品配置设计是先将基型产品自顶向下按功能和结构划分层次模块，再根据一定的原则和方法，将这些模块组合配置成变型产品的设计过程。

    产品设计知识可分为显性知识和隐性知识两类。这些知识主要来源于以下几类信息：市场需求信息、产品对象信息、产品设计过程控制信息和设计人员组织结构信息’。从以上信息中可以总结出模块化产品配置设计知识，如成熟的计算公式、较成熟的模糊规则、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。将这些知识分析并抽象后，可将它们规划为以下几类：

    (1)客户需求知识。客户的个性化需求信息通常包括产品的结构、功能、使用性能、材料、外观、数量、价格和交货时间等方面。这些知识的获取可以借助Intemet搜集市场需求和行业信息实现，它们构成了企业需求信息资料库。

    (2)设计对象(产品、模块和零部件)知识。包括设计对象的基本信息(如编码、系列、状态和分类等)、文档管理信息(如图文件的名称、编号、路径、版本、状态和类型等)、BOM信息(如装配关系、装配数量、结构清单等)、产品开发过程中积累的产品和模块实例表。该系统对并纱机产品、零部件、图文档和各种BOM表等设计信息数据进行了全面的收集、整理和挖掘，建立了PDM数据库。并在它的基础上，充分利用基于数据库的知识发现技术，建立了设计资料产品库、产品实例库和模块实例库等知识库。

    (3)模块化配置设计过程知识。包括模块划分的方法和原则；模块接口的标准化设计方法；模块结构布局和尺寸变化时，其设计参数的相应变化规律；模块和模块接口编码的管理方法；模块组合受到的各种机械性能约束；模块参数变化对模块组合的影响；模块设计参数的提取方法和取值原则；产品变型时，受影响的模块及其设计参数的变化规律等。该系统中，这些知识经过收集、归纳和整理，然后采用关联规则等方法进行挖掘分析，最后以面向对象类的函数方法(规则)形式出现，并据此建立了配置规则知识库。

    1.2 构建模块化配置设计知识表达模型

    1.2.1 对象建模技术(0bject M0deling Technique，0MT)

    传统的产品设计知识表达方法主要有谓词、语义网络、框架、产生式规则等，这些表达方法均存在着知识表达形式单一，知识的整体形象难以把握等缺点。为了克服上述不足，应用面向对象的知识表达与推理机制，根据知识的特点，采用对象建模技术，建立以对象模型为基本构成要素的模块化配置设计的知识表达模型，同时映射到关系数据库表中进行存储，能有效地实现知识的管理。

    对象模型由类、属性、函数和关系组成。一个对象Object可以用5个要素来描述，即：0bject={ID；Name；ParentObject；Attributes；Functions}。其中：ID为对象唯一标识；Name为对象名称ParentObject为对象父类；Attributes为对象属性集合；Function为对象的方法(函数)集合，通常一个对象具有若干个方法，它们构成该对象的对象方法集。对象模型的关系分为3种，即关联、聚合及继承。关联是指对于不同的类，相互间通过某些相关(同)属性的映射实现的链接关系；继承是指父类和子类之间的包含关系；聚合是指整体和构成它的不同部分之间的相互关系。

    1.2.2 模块化配置设计知识表达模型

    以对象建模技术为基础，将面向对象的思想与公理化设计理论相结合，把公理化设计中的用户域(cR)、功能域(FR)和结构域(DP)中的元素借用等效的面向对象方法的术语表示，推导出基于对象建模技术的反映产品需求一功能一结构之间映射关系的模块化配置设计知识表达模型(如图l所示)，对该模型的说明如下：

    图l 模块化配置设计知识表达模型(1)把产品的总需求、总功能和整个产品结构分别定义为一个抽象的父类对象，与它们对应的子客户需求、子功能要求和子模块结构就代表一系列子类对象。

    (2)假设每个设计对象(产品、模块或子模块)类都是由它的客户需求子类、功能子类和结构子类聚合而成，这3个子类都封装了属性数据和函数(约束、规则和操作)，所有设计对象的需求、功能和产品结构都最终归结为这些子类的应用实例。

    (3)将需求一功能映射规则(即怎样通过需求CR映射出功能FR的方法)和功能一结构映射规则(即怎样通过功能FR映射出结构DP的方法)合并则可以直接得出需求一结构映射规则，把它融入到客户需求子类中的函数中。需求子类的需求参数属性是该函数的输入参数，而结构子类的设计子对象(模块或子模块)编码属性值是该函数的输出结果。

    经调研得知并纱机客户需求子类的客户需求参数属性一共有9个，即卷绕形式、锭距、供纱形式、锭数、手向、成品筒管规格、合并股数、喂入筒子规格和辅助装置名称。

    据公理化设计理论，模块应按功能来划分，并且要保证各模块之间的功能都相对独立。把并纱机的所有零部件划分为5个一级模块(卷绕模块、纱架模块、车架模块、车头模块、选配模块)和若干二级模块。因此，DWMC系统中设计对象为并纱机产品、产品模块和子模块，其中并纱机产品的主要属性包括名称、产品编码、主要性能参数、所属的产品族等；模块和子模块的主要属性包括名称、编码、模块设计参数、状态、创建人和模块接口参数等。

    文中总结了并纱机所有模块的需求一结构映射规则。以纱架模块为例，它的部分规则如下：

    IF(锭距=400 mm；供纱形式=托盘；合并股数=2或3股；喂人筒子规格=φ180×152)，THEN(纱架模块编码=MKBS0100-01)

    IF(锭距=375 mm或500 mm；供纱形式=斜杆；合并股数=2或3股；喂入筒子规格=φ180×152)，THEN(纱架模块编码=MKBsoloo-02)

    把这些规则融入并纱机产品客户需求子类的映射规则函数，就建立了客户需求配置参数与产品模块间的映射关系。

    1.3 基于知识的模块化产品配置过程模型

    基于知识的产品配置设计是以模块化设计思想为依托，结合基于实例推理(CBR)技术，快速配置出满足客户需求的变型产品。对模块和接口的数据表达和组织方法及其数据搜索策略知识进行总结归纳，建立模块化产品配置设计过程模型，如图2所示。

    图2 模块化产品配置设计过程模型

    基于此模型实现模块化产品配置设计的步骤如下。步骤1：生成目标产品的客户需求类对象和功能类对象。先把用户输入的个性化需求进行参数的处理和转换，由模块化配置设计知识表达模型映射得到客户需求类的需求参数属性值和相应的产品功能属性值，生成目标产品的客户需求类对象和功能类对象。

    步骤2：检索最相似实例。

    在产品实例库中检索相应产品族的产品实例，按照相似度的数学计算模型.把此实例的客户需求类对象与目标产品的客户需求类对象间的需求参数属性值进行相似度计算，得出最相似的产品实例，其中相似度计算的数学模型：

若有相似度为l的产品实例则说明该实例完全满足用户需求，直接输出配置结果。否则取相似度最大的实例作为相似实例，如果有一个以上相似度相同的实例就取第一个。

    步骤3：修正最相似实例，得到目标产品的结构类对象。

    将目标产品的客户需求类对象与相似实例的客户需求类对象进行比较，找出相似实例中需要进行变型的模块，生成这些模块的客户需求类对象，在模块库中检索相应模块，按照相似度数学计算模型，计算它们配置参数属性值的相似度。这些模块的变型有3种情况：

    (1)模块替换。若有相似度等于1的模块，则用该模块替换实例中相应的模块。

    (2)模块修改。如所有模块的相似度都大于0且小于1，可以在相似度最大的模块基础上进行修改来满足用户需求。

    (3)模块创建。若所有模块的相似度都为0，则需要进行模块创建。

    修改或创建后形成的新模块都将存入模块库中。这样就最终确定了目标产品的产品结构(最优的模块化产品配置方案)，即实现了它的结构类对象。

    步骤4：配置方案预装配。

    将产品实例的三维模型和用来替换的模块三维模型检出，并利用三维cAD平台产品进行实例替换，根据用户需求对产品配置方案进行预装配，以便检查配置的合理性。

    步骤5：配置方案保存。

    将新生成的目标产品添加到产品实例库，具体实现方法就是在面向对象的数据库中存储它的客户需求类对象、功能类对象和结构类对象，并在PDM平台的产品资源管理界面的产品实例库中加入此产品。

    2 DWMC系统的构建

    2.1系统的设计方案

    DWMc系统是在smarrre锄平台上，结合SQL server 2000数据库，运用面向对象编程技术进行二次开发实现的。该系统在PDM平台上开发了基于面向对象知识模型的知识库和知识管理模块，既克服了传统的基于规则知识表达系统对知识管理的局限性缺点，同时与传统的PDM系统相比，又具有了直接服务企业核心业务的功能。

    DWMC系统的结构合理、开放，体系结构如图3所示。DWMc系统按体系结构共分为3层：数据资源层、系统应用层和人机交互层。

    图3 DWMC系统体系结构

    (1)数据资源层是系统的数据基础和支撑，它包括：PDM数据库(存放产品的结构化数据)、PDM电子仓库(存放应用系统产生的电子文档)和模块化产品配置设计知识库(包括客户需求信息资料库、设计资料库、产品实例库、模块实例库、配置规则库等)。

    (2)系统应用层是PDM系统和其他系统(如CAD/CAPP/CAE/CAM/OA等)应用集成。其中主要是PDM模块功能的应用，这些模块包括模块化产品配置设计知识管理模块和其他核心功能模块(产品资源管理模块、产品管理模块、产品结构管理模块、文档管理模块、工作流程管理模块和用户权限管理模块等)。

    (3)人机交互层是在PDM平台上，进行的基本产品数据管理操作和模块化产品配置设计操作(客户需求输入、基于实例配置操作、目标产品方案预装配操作和配置系统维护操作等)。

    2.2系统主要功能

    该系统的知识管理模块具备知识获取、知识存储、知识表达、知识处理等方面的功能。它的推理机制从产品数据、设计知识和决策上支持用户需求获取、基于产品实例配置、产品方案预设计、产品明细表生成、设计参数维护等功能的实现。此外，系统还具有产品数据管理功能，如产品管理、模块管理、零件管理、产品结构管理、文档管理、工作流管理和用户权限管理等。