设计案例知识管理系统的研究与开发
第３ｌ卷
ｙｏｔ．３ｌ
第６期
计算机工程
ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００５年３月
Ｍａｒｃｈ２００５
旭６
・工程应用技术与实现・
文章编号：ｌｏｏｍ＿３４２８（２００ｓ）０６—ｍ１９７卅３
文献标识码：Ａ
中圈分类号：ＴＰ３９９
模具设计案例知识管理系统的研究与开发
张为民，李爱平
（同济大学机械工程学院，上海２０００９２）
摘要：结合模具没计的特点以及ＰＤＭ系统在管理产品生命周期方面的功能，设计了模具设计案例知识的存储框架并在Ｓｔｏａｔ‘Ｔｅａｍ系统中加
以实现。为实现案例知识的快速搜索匹配，采用基于案例推理（Ｃａｓｅ—ｂａｓｅｄＲｅａｓｏｎｉｎｇ，ＣＢＲ）技术开发了案例知识的搜索匹配系统，采用向导式的模具案例模糊查询功能，快速确定出查找范围，供没计人员参考。
关黼：基ｊ：知识的ｒ＝程；产品数据管理；基于案例推理；模具设计
ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｆｏｒ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｏｎ
Ｄｅｓｉｇｎ－ｃａｓｅ
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ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ
Ｍｏｌｄ
ＺＨＡＮＧＷｅｉｍｉｎ．ＬｌＡｉｐｉｎｇ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，．Ｉｏｎ西ｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２）
ｓｙｓｔｅｍ
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｃｏｍｂｉｎｅｄ
ｔｈｅｄｅｓｉｇｎ—ｃａｓｅ
ｓｔｏｒｅ
ｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｍｏｌｄａｎｄｄｉｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｌ’ＰＤＭ
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ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
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ｓｅａｒｃｈｉｎｇａｎｄｍａｔｃｈｉｎｇｏｆ
ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ，ｔｈｅｓｅａｒｃｈｉｎｇａｎｄｍａｔｃｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈＣＢＲｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ；ｗｉｔｈｔｈｅｇｕｉｄｅｓｔｙｌｅｆｕｚｚｙｓｅａｒｃｈｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎｆｏｒｍｏｌｄａｎｄｄｉｅｃａｓｅ，ｔｈｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ
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［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ—ｂａｓｅｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；Ｐｒｏｄｕｃｔｄａｔａｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；Ｃａｓｅ—ｂａｓｅｄｒｅａｓｏｎｉｎｇ：Ｍｏｌｄａｎｄｄｉｅｄｅｓｉｇｎ
长期以来，模具的设计与制造主要依靠设计人员的经验和：［艺人员的技巧，设计合理与否只有通过试模才能知道，制造的缺陷则需通过反复修模来纠正。因此，模具最终成功与否在很大程度上取决于设计人员的水平。
目前国内外的科研机构在模具没计的智能化和知识管理方面开展＿『许多研究工作，但针对模具设计案例知识的管理及挖掘方面的系统还不多。尽管ｃＡＤ／ｃＡＭ／ＰＤＭ系统已得到越来越多的应用并取得了很大的成效，但大都缺少对非形式化的案例知识的管理，支持将以往的产品开发经验进行总结并提升的系统还很少。因此，设计人员在开发新产品时不易利用已有的成功经验和知识并吸取失败的教训，造成重复劳动，延长了开发周期并且设计质量也无法维持稳定。由于目前产品创新的竞争已演变成知识创新的竞争，为保持企业的长久竞争力就必须对产品开发的知识进行有效的管理。
计案例知识管理系统。
１．１模具ｉ殳计案倒知识的索引形式表示
模具设计通常包括产品分析、模具设计、制造试模、修模和投入使用等一系列过程，设计中用到的很多经验知识是靠设计人员在生产实践中不断摸索获得的，同时，模具没计又是数值计算、数据检索、图像处理、优化没计等综合的过程。设计人员在长期的设计及生产实践中，积累ｒ大量的数据、文档和经验，这些知识可以分为结构化和非结构化知识。所谓结构化知识是指能由规则或程序来表示的知识，如设计过程中所使用的公式、逻辑推理判断条件等产生式规则等。在模具设计ＫＢＥ系统中，形式化知识是以专家系统的方式固化在系统中，并以知识向导的方式体现在模具的设计过程中。非结构化知识指受技术条件或人的认知能力所限难以形式化的知识，例如，级进模的工步排样设计知识包括冲压件每道加工工序性质、形状和尺寸的设计，工序的排列和布
ｌ模具案例知识管理系统的架构
产品数据管理ＰＤＭ是在产品生命周期内管理所有与产
置，定位方式的选择与位置布置，而且工步排样复杂多变，
需要考虑的各方面因素较多，难以形式化表示。非结构化知识通常依附于某个具体案例，嵌入在产品图、毛坯排样、ｌ：步排样等文档中。为了使用这类知识，必须解决案例知识的表示问题。
知识表示是指如何在计算机中表示知识，它是数据结构和控制结构的统一体，既考虑知识的存储，又考虑知识的使用。目前经常使用的知识表示方法有谓词逻辑、语义网络、框架、产生式规则、面向对象的表示方法等。由于面向对象
品相关的信息和过程的技术，其任务就是把正确的信息以正
确的版本在正确的地点和正确的时刻提供给正确的人员。
ＰＤＭ系统管理产品所有的相关信息，它涉及到产品的概念设计、详细设计、样机制作、批量生产、维修和服务、甚至
拆装等阶段的所有信息。正是由于ＰＤＭ系统具有管理产品生命周期内所有信息的功能，而在这些信息中隐含着大量的人们需要的知识，因此，要利用这些知识就需要进行知识的整理与挖掘工作。在上海市科技发展基金资助下，同济大学现代制造技术研究所与上海交通大学国家模具工程研究中心合作开发ｒ基于ＫＢＥ的模具设计案例知识管理系统ＪＴＪＤＣＫＭ。本文的工作以ＪＴＪＤＣＫＭ为例研究如何表示ＰＤＭ系统中的隐藏知识，并实现快速匹配查找。作者采用达索公司的ＰＤＭ系统ＳｍａｒＴｅａｍ为开发平台，利用ＳｍａｒＴｅａｍ提供的
基金项目：上海市科技发展基金攻关项目（０ｌ５Ｉｌ１００４）：智能设计与
虚拟设计应用技术及软件开发；上海市科学技术委员会科研计划项目（０３ｌｌ１１０７８）：快速模具及其制品的．［艺研究
作者俺介：张为民（１９６５一），男，副教授、工学博士，ｔ研方向：
机械制造自动化；李爱平，博士、教授、博导
ＳＤＫ集成开发工具，开发了具有快速查询检索功能的模具设
定藕日囊：２００４．０２一ｌ７
Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｍｚｈａｎｇ＠ｏｎｌｉｎｅ．ｓｈ．ｃｎ
—１９７—
的表示方法的接近人类的自然思维方式，在面向对象方法中由超类、子类和实例构成一个层次结构，子类还可以继承超类的数据及操作，所以它非常适合分类知识的表示，模具设计案例知识的表达就采用这种表示方法。由于模具本身结构
机在知识库中搜索设计知识，模具设计系统的设计结果则作为非结构化的知识以案例的形式通过ＰＤＭ存储于案例知识库中。当然借助于ＳｍａｒＴｅａｍ系统的查询功能，用户可通过选择其中一个或多个类，并以该类的任意属性作为查询条件查询以往的案例，但这种方式只能做精确查询。ＪＴＪ
ＤＣＫＭ
复杂，在每个零部件的设计中都包含了很多经验知识，而这
些知识蕴含在产品数据，设计报告及设计图纸中。在模具的设计过程中自然形成了模具结构与知识的对应关系，为了清晰、有条理地表达与模具的结构密切相关的知识，应保持这种在设计过程中自然形成的模具产品结构和设计知识的关联
则提供设计者在模具设计系统中使用基于案例推理（Ｃａｓｅ—
ｂａｓｅｄ
Ｒｅａｓｏｎｉｎｇ，ＣＢＲ）功能查找出与所设计案例最相似的案
例，并对其进行修改，如果符合要求，则可以作为新的没计方案，并将新的设计以新案例添加到案例知识库中。同样，用户也可通过浏览器方式直接查询知识库。
性。每个设计案例都蕴含着经验知识，而某种经验知识又存
在于多个案例中，案例总是同一定的产品模具结构相对应，知识都是关于某个产品或产品零部件的知识，参见图ｌ。
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级进模在ＰＤＭ系统中的存储结构
固定／
Ｅｊ｛、｛｜｝”
价心Ｉ：少排¨价息
图Ｉ缓进冲模案伪知识管理系统实体关系
知识库是用来存放知识的实体，通常用关系数据库来实
现，图ｌ和表１的说明了关系数据库构建案例知识库的方式，
：ｒ—＿１
既把包含设计知识的图档、经验描述以案例对象的形式存放Ｌ二二—Ｊ
剑案例知识库中，并为这螳案例建立知识索引，通过知识索图示说明：
引实现控制结构。厂—『］
表Ｉ级进冲模案傀排样知识索引表
索引／属性名称
工步数定位方式设计技巧模具结果类型冲裁力卸料力推料力总压力压力中心
数据类型
ＬｏｎｇＩｎｔｅｇｅｒ（、ｂａｒ（１１１ａｔＣｈａｔ
Ｄｏｔ，ｂｌｅＰｒｅｃＤｏｕｂｌｅＰｒｅｃ．ＤｏｕｂｌｅＰｒｅｃ．ＤｏｕｂｌｅＰｒｅｃＣｈａｒ
一
回ｊ囤篡篇｝圈㈡三篡｛团｛懋：
图２ＳｍａｒＴｅａｍ中级进冲模的案倒知识存储结构
１．２基于ＰＤＭ的模具案例知识存储框架
对于非结构化知识表示，可采用ＰＤＭ系统实现案例知识库。通过对案例对象进行分解，把每个对象都描述为一组特征属性，在案例查询匹配时，这些属性作为索引使用，通过索引找到所需的案例知识。模具设计案例知识结构蕴含在相应的模具产品结构中，模具结构体现了模具的组成关系，它记录了构成模具的零件、部件（装配件）及其属性以及它们之问的关系。模具设计案例知识结构可分为３个层次：第ｌ层
图３系统知识存取查词
２模具案例知识的搜索
案例知识的搜索是案例知识管理系统的一个非常重要的组成部分，它也决定了知识重用的效果。基于案例的推理是进行案例知识搜索的有效方法，它把历史案例作为过去的经验朱指导求解当前问题。为ｒ解决新问题，ＣＢＲ从案例库中找到与其相似的案例，然后把该案例中相关的信息和知识复
用到新问题求解过程中去。它对过去的结果进行直接复用而
不是再次从头推导，因此可以提高对复杂问题的求解效率。
（超类）为产品大类，每个产品大类都对应着许多产品；第２
层为产品（产品大类的子类），而每个产品又对应着模具（产品的子类），即模具位于第３层，参见图２。
以级进模设计案例知识为例，采用面向对象的方法，用“属性一特征”作为知识索引的方式对案例知识进行分类。对于一个具体的设计案例，只要对相应属性赋值即可清晰地表达出该案例的设计特点，这些特点的组合可作为知识索引，其本身也是设计知识。这种表示方法既简便，又清晰，
２．１基于ＰＤＭ的模具设计案侧推理系统设计
ＣＢＲ的检索目标是快速有效地从案例库中找到与问题描述最相似的案例。案例特征的抽取与描述是ＣＢＲ系统的‘个重要环节，目前主要的特征抽取策略有归纳推理策略、知识导引策略和最近邻策略。针对模具设计的特点，案例知ｉ｝｛由问题的特征和问题的解决方案组成，并且都作为案例的属性。例如，在产品零件特征属性页中设计了零件的几何、材料特征及与模具设计相关的零件信息，而在级进模具的属性
同Ｈ寸便于查询和检索。图３为本系统知识存储和搜索方案设
汁框架图，对于结构化的知识，由模具设计系统内嵌的推理
页中设计了工步排样的信息及设计数据属性。
案例检索通常包括两个过程：指派索引和检索，也称为案例匹配或检索。ＪＴＪＤＣＫＭ系统把模具的特征属性如模具２．２系统实现和应甩实倒
模具设计ＫＢＥ系统Ｊ”ｍｏｌｄ；ｆｌｌ
ＪＴＪＤＩ
Ｅ是在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓｊＦ
材料、工艺类型等作为索引，采用最近邻法（Ｎｅａｒｅｓｔ
Ｎｅｉｇｈｂｏｕｒ，ＮＮ）作为检索算法。最近邻法是从案例库中检索出与目标案例“距离”最近的案例的算法，距离指对相似程度的评价，根据需要采用不同的形式。这里采用Ｋｏｌｏｄｅｒ距离定义：
台上开发的，为了便于模具设计人员在设计过程中方便地杏阅以往的案例，将ＪＴＪＤＣＫＭ以插件的形式集成到模具没计ＫＢＥ系统所在的ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ平台上。通过接门程序把模具设计ＫＢＥ系统生成的案例存入ＪＴＪＤＣＫＭ系统中，ＪＴＪ系统与设计平台无缝连接。
ＤＣＫＭ
田＾ｆｒｃ，．ｆ、卢【∑…，×Ｓｉｍ（，，’，，“）］／∑ｗ，
（Ｉ）
例如在模具设计ＫＢＥ系统中查询设计案例时，呵在菜单栏上选择“设计案例知识奁询”进入ＪＴＪＤＣＫＭ系统。没计者可通过输入模具的主要特征，如分模面特征、侧抽：舔特征、型腔个数、浇口类型、冷却类型、顶出类型以及侧抽芯
式中：ＳＩＭ（ｃ，，ｃ。）表示目标案例Ｃ。和源案例ｃ、之间的相似度。
Ｗ，为权重，ｎ为案例的特征个数。ｓｉｍ（．厂’，∥）表示日标案例第ｉ个特征的值．ｆ７和源案例第ｉ个特征的值∥之间的相似
度函数。对于注塑模具设计，案例检索匹配主要通过以Ｆ７个主要的相似度衡量指标：分模面特征，侧抽芯特征，型腔个数，浇Ｈ类型，冷却类型，顶出类型和侧抽芯类型，由于对这些指标都是文字的描述，其相似性很难也不必作出定量
类型等，并按其重要程度赋以权值，系统输｝｝；匹配结果，图
５为搜索匹配得到的模具案例设汁图例。
的比较，因此采用较简单易行的办法，取其相似度函数为：
所ｍｃ，１，／；”，＝｛：）Ｉ芸盖匹配项完全匹配
‘图４说明了模具设计ＣＢＲ系统的推理实现过程。
按照系统内部的索引规则建立相应的索引。
ｃｚ，
（Ｉ）分配索引。案例按照模具产品主要技术特征信息建立索引，当进行新的设计时，没计人员可将目标案例的技术特征输入系统，
（２）抽取匹配案例。根据分配的索引，在案例知识库中抽取具有相似特征的案例。
（３）更新优先解。选出具有最大相似度的案倒，作为优先解。但此案例并不能直接作为问题的解，而是要根据目标案例、选中的案例之间的差异、问题特征以及模具设计的领域知识进行调整裁剪，形成建议解。
（４）执行反馈。执行系统的建议解，并反馈执行结果。若建议解执行成功，则根据索引舰则给此新的成功案例分配索引，并作为新的案例添加到案例知识库中。如果设计人员对建议解不满意，可通过修改问题特征重新检索匹配，直至得到满意的结果。
ｆ输入模具案例
图５搜索匹配得刭的模具案仞设计圉
３结论
本文研究了模具设计案例知识管理的几个关键问题，设计ｒ基于产品数据管理系统的知识表示方法，并针对模具ｒ程领域知识的特点，建立了基于ＰＤＭ的模具设计案例知识的存储框架。将ＣＢＲ技术引入ＰＤＭ系统，并结合模具设计的特点开发了基于ＳｍａｒＴｅａｍ的设计案例推理模块，实现ｒ设计案例知识的快速搜索匹配。系统的应用运行，验证了本系统研究思路的正确性和可行性。
当前，许多仓业都上了ＰＤＭ系统，为提高产品没汁质量和效率，设计部门需要能对工程设计开发知识进行重用和
ｔ｝蝾彬
鹩’规则
、、
，卜ｉ分配索引
目标案例索引
＇
』案例姗识库』
▲’
Ｈ‘
挖掘的管理系统，因此研究与开发基于ＰＤＭ的案例知识管理系统具有较大的实用意义。
７设计人员确定相似度规则、・Ｈ抽取匹配Ｓｎｗｌ删１１系统、
▲
参考文献
Ｉ王
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鲥人员嚣，ｔ嘶绷，．＿
茹黼
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执行并反馈
Ｊ“ｆ
Ｈ１
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（上接第１７２页）
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ＡｕｔｏｍａｔｉｃＶｉｄｅｏ１ｎｄｅｘｉｎｇａｎｄＦｕｌｌ．ｖｉｄｅｏ
ＣｈａｎｇｅＤｅｔｅｃｔｉｏｎＵｓｉｎｇＤｉｒｅｃｔ
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５ＭｉｎｅｒｖａＹｅｕｎｇ，ＢｏｏｎＬｏｃｋＹｃｏ，ＢｅｄｅＬｉｕ．ＥｘｔｒａｃｔｉｎｇＳｔｏｒｙＵｎｉｔｓｆｒｏｍ
Ｌｏｎｇ
ＰｒｏｇｒａｍｓｌｂｒＶｉｄｅｏＢｒｏｗｓｉｎｇａｎｄＮａｖｉｇａｔｉｏｎ．ＩＥＥＥ
Ｐｒｏｃ
ｏｆＭｕｌｔｉｍｅｄｉａ‘９６．１９９６
模具设计案例知识管理系统的研究与开发
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
张为民， 李爱平， ZHANG Weimin， Li Aiping同济大学机械工程学院,上海,200092计算机工程
COMPUTER ENGINEERING2005，31(6)6次
参考文献(4条)
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相似文献(1条)
1.期刊论文 张为民. 曹忠波. 李爱平. 王家海 基于PDM的案例知识管理系统的研究与开发 -制造业自动化2003,25(7)
通过在PDM系统上建立产品开发知识管理系统实现案例设计知识的快速搜索和匹配并通过新案例的存储丰富设计经验,以此加快产品开发速度,稳定并逐步提高产品的质量.作者为基于知识工程的级进模具设计系统开发了基于Smar Team的级进模具案例知识管理系统,实现了模具开发案例知识的有效管理.
引证文献(6条)
1. 李英杰. 陈新度. 陈新 基于本体的模具设计知识管理系统的研究[期刊论文]-锻压技术 2008(3)2. 徐翔斌. 周新建. 萧乾 支持产品设计的知识仓库框架研究[期刊论文]-中国机械工程 2007(22)3. 贾军 基于模型驱动架构的知识集成系统构建研究[学位论文]硕士 2007
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6. 钟崴 电站锅炉热力计算及设计计算案例管理系统的研究与开发[学位论文]博士后 2006
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