面向数控机床工业设计的知识层级递进分类模型与构建方法

面向数控机床工业设计的知识层级递进分类模型与构建方法

郑哲君

青岛高测科技股份有限公司 2107021986****021X

摘要：随着全球化市场竞争的日趋激烈，服务在企业竞争中占据着越来越重要的地位。同时，以顾客为中心的商业模式，促使企业从单一产品的设计生产转移到整体解决方案（包含产品与服务）的设计生产。产品服务系统(Product service systems，PSS)，正是适应企业的这一战略转移而提出的一个新理念（面向制造业的产品服务系统也称作工业产品服务系统）。由于工业设计知识的复杂性及现阶段大部分数控机床企业对设计知识的无管理状态，大大影响了企业在新产品开发及旧产品改型中对于设计知识的有效利用。为解决此问题，实现工业设计知识的合理分类、便于知识的调用和重用，通过在动态网络环境下搭建知识资源共享平台，提出一种层级递进结构的数控机床工业设计知识分类描述模型。此模型应用于机床制造企业可对其积累的大量设计知识进行有效管理及合理循环利用，具有随着知识分类的细化而不断清晰完善的脉络结构和良好引导性的人机界面，在对知识的迅速检索、学习和应用、缩短产品的设计周期、提高生产效率从而带来更高经济效益等方面起到显著的作用。

关键词：数控机床；工业设计；知识分类；层级递进

工业设计是一门交叉性学科，所涉及的知识内容复杂、密集、涵盖范围广、延伸空间大。工业设计行业在为新产品注入创新活力的同时，离不开知识管理在跨专业共享设计知识、辅助设计决策、创新设计方案及组织经验等领域的有力支持。

文献中指出，在新时期的机械制造业中，“知识”构成了产品的主要价值，中国制造业与发达国家的差距反映了中国在机械产品设计理论、方法和技术等知识领域的落后。尤其是国内机床制造企业，现阶段设计知识的散乱、无规律、无整理状态，大大影响了设计人员对于知识的准确提取、迅速调用、经验总结及重用。设计知识作为一种无形资产，有将其进行合理有效的分类管理，才能使知识成为设计发展的核心力量，发挥其巨大的创新能力，并产生最大化的经济效益。

近年来学者对设计知识的管理做了多方面的研究，如产品设计知识的获取与集成、知识的调用与重用、知识的检索与推进、设计知识的描述及表示方法等，但对于设计过程中的复杂知识如何进行有效合理分类的方面研究较少，而这正是能够良好地实现知识的各种管理形式的基础。作者提出数控机床工业设计知识层级递进结构模型，是一种将散乱多样化的设计知识进行合理有效分类的管理方法，根据人机交互特征，实现知识分类的清晰脉络及层层深入的关系，形成新型的知识整合形态; 其规范合理的引导性，使得使用者能够方便快捷地检索、学习、调用知识，对新知识在数控机床产品的设计开发中的形成和重用起到积极的推动作用；加强了设计师与工程师之间的知识交流共享，大大缩短产品设计的周期，提高产品生产效率，有助于形成企业特有的设计风格并维持一致性，其优越性及带来的经济效益将惠及各企业乃至整个机床制造业。

一、数控机床工业设计知识特征分析

（一）数控机床工业设计知识

产品设计中所说的知识，是指在整个产品设计的全过程，包括从提出构想、市场调研、草图构思到详细设计、模型建立、评估修改及工艺方案等，所用到的原理、方法、规范、经验、技术手段等各种信息的总和。针对数控机床的工业设计知识，除了用普遍产品的抽象概念进行归纳之外，还需要将设计师与工程师在长期参与机床设计与制造的过程中得到的经验、灵感和观察力等等这些隐性知识，在新的设计中以图形、文字或模型等显性知识的形式表现出来。

针对数控机床的工业设计主要体现在对其外观的创造性活动，数控机床由于体积大、质量重、外观造型受结构局限等原因，其整体外观呈分块包裹结构，需在线条、色彩、表面质感和工艺等方面进行细化，且要综合考虑其使用环境、人机交互、环保及市场等多重因素。这就需要将设计过程中的各种知识领域交叉应用，它们之间本身丰富的相互关系也会随着设计的发展而更加复杂。

（二）数控机床知识的获取

工业设计师关于设计知识的信息是从学习到实践的过程中不断积累总结而得来的，此外，还需要与工程师合作，详细了解机床的基本功能、各部分结构、操作过程和使用环境等，以此作为依据衡量设计中的取舍。当这些经验逐渐以一些具象的有规律的形式归纳储存在设计者的脑中，就会变成设计师进行新产品创意构思的灵感来源。文献资料的查阅是获取知识最便捷的方式，其中既有传统的制造规范和工艺方法，又包含最先进的设计理念和技术手段，但针对设计的文字概念往往比较抽象难于理解，这就需要通过实际案例来进一步描述。案例中包含了更全面的隐性知识和显性知识，可更完整地将资料记录下来。调查问卷是针对产品的使用对象而获取设计知识最直接的方式。通过对问卷数值的深入分析可以及时了解市场需求，通过总结用户操作中产生的问题可迅速寻求解决方案同时提出新的设计思路和方法。每次的设计通过调查、案例和经验总结之后得出的设计原理和结论又能以显性知识的形式录入文献资料，为今后的设计提供新的信息，实现设计知识的循环利用。

（三）知识的调用及重用

由于工业设计的知识相对较复杂零散，不易形成系统的组织形式，要使知识能够顺利、方便地被利用，需要一个合理的结构形式将它们分类管理。作者提出的层级递进结构模型不仅可以将各类面向机床外观设计的工业设计知识清晰地组织起来，而且具有很好的直观性和拓展性，通过详细的分类和引导，使用户可以随时学习、实时调用以及参考指导。

二、数控机床知识的层级递进分类结构模型

（一）层级递进结构的构成形式和原则

层级递进是提出的一种对于复杂知识进行合理分类的结构形式，即把知识主体按照其归纳范围权重划分为多个层级，每一层级由多个分类组成并向下分解，下一层级是对上一层级的内容表示或是更进一步的类型细分，最终形成向下发散的结构模型。其分类层级结构关系。P 代表分类名称，Pi( i = 1，…，n) 代表第 1 层级的知识分类，Pij( i = 1，…，n，j = 1，…，n) 代表第 2 层级的知识分类，由第 1 层级递进分解而来，Pijk( i =1，…，n，j = 1，…，n，k = 1，…，n) 代表第 3 层级，以此类推。知识结构是知识组成的基本框架，其构建应遵循几个基本原则。

1)直观性原则。层级分类结构需根据数控机床的设计知识种类细化，使其结构脉络清晰易懂;

2) 导向性原则。需要设计良好的逐级递进交互方式，能够顺利引导用户到达检索位置。

3) 扩展性原则。结构体系可根据知识的转换和叠加而无限增加分类，并保证结构框架的相对独立性，允许与其他产品的知识组织之间互相调用。

4) 重组性原则。内部知识及分类可根据数控机床产品的不断更新和变化进行修正、分解、调整及重组。层级递进的分类结构其优点在于: 每个层级都有明确的分类名称，对下一层级的内容有良好的引导性，对于领域内知识的规范化、系列化表达起到有利作用; 层级递进的方式对于知识内容逐层分解，尽可能详细地体现知识的构成要素，有助于知识重组及内容创新; 并且知识的不同种类与层级之间形成了相互牵制、维系和贯通的网络，更便于知识的联想、提取和应用。

（二）各层级知识分类的组成

现代数控机床的功能和结构形式日趋成熟和固化，其设计重点已经从结构功能转向了在满足功能和结构的基础上的外观造型设计，即从毫无设计的裸露结构件到现在整体地将机械部件用适应内部结构的外壳包裹起来，并考虑色彩的理性化和工程化，以达到统一的整体效果。根据对长期从事数控机床设计及制造的工业设计师及机械工程师的问卷调查，深入分析在设计和制造过程中对于知识获取和引用的方法、顺序及内容，得出现阶段数控机床设计知识内容的主要分类层级。其中将数控机床的外观造型、结构布局及面饰色彩等能够使人具有优先感官效应的方面定义为第一层级类目。除此之外，此模型的扩展性还允许在每一层级上增加更多分类，如面饰材料、工艺、人机工程、环保及市场、销售等多方位的知识类别。

（三）知识类别各层级间的整合方式

层级递进结构并非只能单向地下行分解，新的知识进入系统时可通过自动筛选或手动确定其具体层级分类关系，而系统内原有的知识可周期性地进行重新分类整合，以实现知识的重用。知识的分类及整合有以下几种模式。

1) 知识类别的增加。当新的知识内容不属于任何已有层级分类，则在相应层级建立新的分类。若 M 为原知识层级的分类集合，Mi为要增加的新分类，则新的知识结构为 M' = M∪{ Mi} 。

2) 知识类别的发散。对于每一个层级类别，都可以由无数个子分类将知识继续向下发散，扩大其领域。M = { Mi} ，i = 1，n; Mi= { Mij} ，j = 1，n; Mij={ Mijk} ，k = 1，n; ……。

3) 知识类别的合并。当多个知识类别的内容其相似度处于设定的阈值内时，根据其包含内容的广度和深度值，可将其向上合并入上一层级分类。若 M 为某一层级中知识类别的集合，Vi、Vj为内容相似的分类，Vm为合并后形成的新分类，则新的知识分类集合 M' = ( M － { Vi，Vj} ) ∪Vm。

4) 知识类别的分解。当某一层级分类中的知识内容达到可再分的条件时，允许形成新的分类并根据其内容定义分类所在层级。M 为知识类别的集合，Vn为原分类，Vi、Vj为新分类，则新的知识分类集合 M' = ( M － { Vn} ) ∪{ Vi，Vj} 。

5) 知识类别的重组。当循环调用过程中知识内容与其所在分类发生冲突时，修剪掉偏离较多的内容，将更适用的新内容并入。M 为知识分类的集合，Vn为原知识所在分类，Vm为合并后形成的新分类，则新 的 知 识 分 类 集 合 M' = ( M － { Vn} ) ∪{ Vm}。

三、数控机床知识结构模型实现方法与实例

（一）知识结构模型的实现

面向数控机床的层级递进知识结构模型由知识数据层、各层级及各分类之间的链接层，以及界面图标层组成。知识数据层作为主体结构是所有知识的集合，由文字、图表、模型、动画等各种形式构成，通过链接层的数据处理以层级分类的形式被联系在一起，分类的逐渐细化以发散或分解的形式层层递进;界面图标层的作用是将复杂的内部结构清晰化和可视化，以遵循思维逻辑的交互界面引导操作者顺利到达知识内容所在分类。由于设计知识的多样化，每一个分类对应一个数据库，多个分类数据库构成知识库。利用 SQL Server 构建数据库并对其进行管理，通过 ASP 建立界面图标层与相应数据库之间的链接，实现知识内容的动态网络调用。

（二）应用实例

数控机床产品根据其体量大、造型形式相对稳重固定、色彩搭配较为规律等特点，将设计知识和经验以分类数据库形式储存，可实现对知识的合理管理和高效利用。尤其对于企业，还可根据机床种类和型号进行知识录入，迅速为企业建立起产品资源数据库，为各种用户提供查询、检索、调用知识的共享平台，帮助设计师和工程师更快更好地将相互领域的知识结合起来，提高机床产品的设计创新效率。此外，知识的动态应用过程可以大大增加知识的重用率，促进知识的转化，日趋完善企业产品的知识数据，为今后更好的设计发展做足知识资源储备。

在实例中，将此数控机床知识模型作为模块嵌入“机械设计制造数据与知识资源数字化共享服务平台”，实现知识数据的分类管理，从而形成便捷的检索、调用和重用途径。

其实现过程如下:

1) 知识的获取和存储。将各种机床设计信息包括设计概念、构思过程、头脑风暴、交流沟通、方案草图、数字模型、实物样品等内容以文字、表格、图片、动画及视频等形式记录存储。

2) 分类知识框架的形成。管理员通过界面层将各种知识分解归纳，按照分类标准输入各个层级类别数据库，建立起机床设计知识层级分类框架。

3) 知识的检索和调用。用户通过界面引导可直接进入各个层级分类进行查询，或输入相应的查询条件进行检索，系统通过匹配的字符链接至相应分类数据库，获取详细的文字、图表、视频等设计知识资料。

4) 知识的更新和重组。用户在应用知识的过程中，可将新知识、意见或建议通过界面层反馈给管理员，管理员在界面层可进行层级类别的直接增建或合并。新的知识内容按照类别进入相应数据库，随着层级结构不断改良，游离内容可逐渐消除。此外，还可随时对各种分类进行分解、合并或重组，协调类别之间的关系，不断完善和扩展有效知识空间。

四、结语

提出层级递进分类结构模型对设计知识进行分类，针对数控机床的外观造型设计，获取并建立了相应的知识系统，使知识层次脉络清晰，获取和调用引导性强，可实现相关设计知识的迅速查询、调用和重用，并能不断进行修正和扩展。此模块已随着“机械设计制造数据与知识资源数字化共享服务平台”的建立，应用于数控机床的设计实践中，并很好地实现了新的设计知识总结、反馈及其重新整合循环利用。

进一步的研究工作将集中在:

1) 对于知识的分类和重组智能化实现方面，实现知识输入的自动分类及重组，提高知识内容更新和重用的效率。

2) 知识表现的人机交互方面，即将可交互性模块嵌入知识分类，用户通过外部设备操作能够更自主地更清晰地了解调用的知识内容。

五、参考文献

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