基于超网络的产品设计知识表示与推理方法研究

Modern product development entails creation and sharing of design knowledge in a collaborative and integrated working environment. In this context, the multifaceted feature of design knowledge become a central issue to address for such a collaborative knowledge sharing scheme. This project proposes a knowledge representation method based on hypernetwork to explicitly capture the relationships between various elements in a multifaceted knowledge structure. Specifically, a knowledge hypernetwork model is constructed, which specifically consists of a designer network, a product network, an issue network and a knowledge unit network. The relationships between various nodes from different networks are identified and defined according to the node properties. Topological characteristics of the hypernetwork structure are analyzed and statistical indicators are defined. On this basis, the Bayesian approach is adopted to conduct the collaborative reasoning process whereby knowledge elements relevant to the current design task are recommended according to the issues to be resolved and the current design context. A case study is conducted, which shows that the proposed approach can effectively capture the complex relationships of multi-faceted knowledge and perform collaborative retrieval and reasoning on knowledge records.

复杂产品的设计是典型的以知识为基础的创造过程，分布式异构设计知识的集成表示和高效重用是智能化设计研究的热点和难点问题。本项目拟从产品设计过程的特性出发，通过构建包含多层子网络的超网络模型，将设计过程包含的设计人员、设计任务、设计问题以及设计资源等不同知识元素进行集成统一表示。通过分析复杂网络的统计特征和小世界、无标度等拓扑性质对知识节点的重要性以及节点间隐含的关联关系进行挖掘，将设计知识重用问题转化为部分先验条件下知识元素的检索和推理问题，利用动态贝叶斯推理中的信度传播和网络结构学习方法进行求解，为不同的设计问题和设计活动推荐相关的知识资源。最后在网络化协同设计原型系统中通过设计实例验证方法的有效性，实现知识驱动的复杂产品智能设计过程。

项目围绕制造知识的获取、表示和重用问题，研究了多源异构知识的获取和挖掘方法、一体化显性和隐性知识的表示和建模方法、复杂知识的重用和推理方法，并将相关方法应用于离散制造中的装配过程、流程制造中的钢铁轧制过程，为复杂工程知识的获取、重用和服务提供有效的理论技术支撑，为制造或服务类企业协同创新的组织与知识管理实践提供借鉴与指导。具体完成情况如下：.1. 针对冶金生产过程中多源异构知识的获取问题，构建了基于工业互联网的产品研发平台，抽取材料产品设计相关的机理、模型、仿真和工艺数据；提出了基于可解释性模型的特征提取方法，建立了基于Delta和LUBE算法的产品力学性能区间预测模型；实现了数据和知识融合驱动的产品质量预测，用于钢铁产品的研发过程，验证了模型的有效性。.2. 提出了基于超网络的一体化工程知识表示模型，并运用复杂网络理论中的统计参数对知识网络的性质和特征进行分析，研究了网络中知识节点的重要性和影响力评价方法；通过分析知识网络的拓扑结构和小世界、无标度等特性，研究了知识的传播和演变规律；在离散制造的装配过程中验证了模型的有效性。.3. 提出了基于贝叶斯方法的制造知识重用方法，并用于材料产品研发平台；构建了多源异构材料缺陷知识图谱，提出了基于强化学习的知识推理方法，用于表面缺陷的追溯；将知识表示和重用方法用于复杂产品智能装配过程，验证了相关算法的有效性。.项目在执行期内以第一/通讯作者身份发表论文14篇，包括SCI论文7篇，出版英文专著一部，申请及授权发明专利7项，获得中国金属学会冶金科技一等奖1项。