閥門產品設計知識支持機制研究與知識庫構建

    閥門作為一類通用機械產品，其產品設計除應遵循相關的設計標準和設計準則外，還有大量的經驗性、事實性知識，屬于典型的強經驗、弱理論領域，運用成熟的數據庫技術，將閥門設計相關的知識和經驗進行總結，建立閥門產品設計知識庫，可實現閥門設計經驗的規范化存儲，并為閥門產品的計算機輔助設計提供所需要的知識和數據，實現閥門產品的快速設計，提高設計效率和設計質量。

    1 閥門產品設計知識的特點

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

    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，是知識庫系統首先要解決的關鍵。所謂知識表示是為描述物體或現象所作的一組約定，是將知識轉換為能為計算機接受和易于處理的一種表現形式。這種表現形式可以看作是一種描述知識的數據結構。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據結構。能否合理地表示和組織知識是關系到知識庫構建是否合理及其運行效率的關鍵。

    目前與機械設計相關的人工智能系統經常使用的知識表示方法有產生式規則表示、框架表示、語義網絡表示、謂詞邏輯表示、面向對象的知識表示和基于本體的知識表示等。在進行知識庫的構建時，采用哪種或哪些知識表示方法，應取決于知識本身的結構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

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

    3.2 知識表示方法

    針對不同模塊知識結構的特點，可分別采用與其相適應的知識表示方法。

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

    （2）面向對象與框架相結合的知識表示

    面向對象技術被認為是 20 世紀 9O 年代計算機科學領域的導向技術之一。從認識論的觀點出發，面向對象的思想比較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域，其中一個很有發展前景的分支就是面向對象的知識表示和方法。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，而具體細節對該層知識又是透明的，還可以構造相關信息并把它們保持在一起，靈活性好，優越性十分顯著。

由于閥門產品本身所具有的類層次結構，因此在對閥門產品實例的知識表示中，采用面向對象的知識表示方法非常恰當。首先建立閥門產品超類，其屬性包含各類閥門產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、連接形式、驅動方式等，向下可泛化為蝶閥、盲板閥等不同的閥門產品子類，每個子類均繼承超類的相關屬性，并具有自己特有的某些屬性。閥門產品超類/子類層次結構如圖 2 所示。

    圖 2 閥門產品的超類/子類層次

    對某一個具體的閥門產品實例而言，其產品由主體結構和驅動裝置兩大部分組成，主體結構又由若干個設計組件組成，每個設計組件又可能由不同的零件構成。產品實例的這種層次結構非常適合采用框架式知識表示，閥門產品實例的框架式知識結構如圖 3 所示。

    圖 3 產品實例的框架式知識結構

    因此，對閥門產品實例知識的表示，采用面向對象與框架表示相結合的知識表示方法。

    4 知識庫設計

    無論采用何種知識表示方法，知識庫的知識一般應最終轉化為能被所選用的數據庫管理系統所支持的數據模型。關系型數據庫結構簡單、易于維護，是目前應用最為廣泛的數據庫管理系統。閥門產品設計知識庫以關系型數據庫管理系統為平臺，因此需將相應的知識表示轉化為關系模型，方可實現對知識的存儲和管理。

    在關系型數據庫中，表是數據的基本存儲單位，無論采取何種知識表示方法，關系型數據庫中的知識最終都要存儲在一張張表中，表之間的關系通過鍵來定義。在閥門產品設計知識庫中，通用設計知識模塊和專用設計知識模塊的知識基本都屬于規則性知識，表之間的關聯簡單，因此，可將每個知識點轉化為為一張表，條件子句和結論子句為相應的數據項．以條件子句作為主鍵，供查詢調用。

對采用面向對象與框架相結合方法表示的產品實例知識，首先建立閥門產品超類表，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，通過建立產品級信息表、閥門主體結構信息表、驅動裝置信息表、各設計組件信息表和各零件信息表，利用主、外鍵建立關系的定義，實現對產品實例信息的全面、無冗余存儲。

    5 結語

    通過對閥門產品設計知識的分析，提出了分模塊存儲的知識組織策略。結合不同模塊知識的結構特點，給出了相適應的知識表示方法，重點探討了閥門產品實例的面向對象與框架相結合的知識表示方法。結合相應的知識表示方法，以關系型數據庫為支撐平臺構建知識庫，將相關知識映射為對應的數據表，并通過關系建立了各知識實體間的聯系。