基于知识的先进并行汽车开发理论与方法研究.doc
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基于知识工程的先进汽车产品并行开发
理论与方法研究
1 综述 3
1.1 国内外本课题发展概况 3
1.2 本课题的意义 5
1.3 本课题的主要研究内容及知识工程发展趋势 6
2 知识工程 7
2.1 知识工程基本理论 7
2.1.1 知识工程概论 7
2.1.2 知识表示 7
2.1.3 推理机制 8
2.2 知识获取和数据开采 9
2.2.1 知识获取和数据开发综述 9
2.2.2 知识获取的并行机制 9
2.2.3 知识获取的模型结构 10
2.2.4 知识获取方法研究 10
2.2.5 摩托车和汽车设计中的知识反求 12
3 基于知识的汽车产品开发和设计方法 13
3.1 先进设计手段（包括软件） 13
3.2 新车型平台开发设计 14
3.2.1 汽车平台化设计 14
3.2.2 基于底盘平台设计的新车型开发实例 14
3.3 变速箱参数化设计 16
3.3.1 基于特征的参数化设计技术 16
3.3.2 基于参数化设计的变速箱开发 17
3.4 基于知识库和虚拟技术的的悬架设计 18
3.4.1 虚拟制造技术 18
3.4.2 悬架设计应用实例 18
4 基于知识的汽车产品并行开发管理模式 20
4.1 并行工程概论 20
4.2 汽车产品并行开发流程 21
4.2.1 整车开发内容 21
4.2.2 汽车内外造型工作内容 22
4.2.3 白车身开发内容 23
4.2.4 汽车发动机舱内饰开发内容 23
4.3 汽车产品并行开发建模理论 24
4.3.1 面向对象Petri同步合成网定义 25
4.3.2 OPMPM模型 26
5 基于知识的汽车并行开发环境KPDM的开发 31
5.1 并行设计环境的PDM集成框架研究 31
5.2 基于知识的汽车开发并行工程管理软件（KPDM） 33
5.3 软件开发技术准备 34
5.3.1 CORBA规范 34
5.3.2 WEB使能技术 36
5.3.3 与核心图形系统集成 37
5.4 KPDM软件模型 37
5.4.1 模型基本要素说明 38
5.4.2 项目管理模块 39
5.4.3 人员组织模型 41
5.4.4 知识库模块 42
5.4.5 文档数据及产品数据管理模块 42
5.4.6 生产流程管理模块 42
5.5 软件介绍 43
5.5.1 软件开发工具介绍 43
5.5.2 软件界面介绍 44
6 某大型车型开发的项目开发管理实例 45
6.1.1 项目背景 45
6.1.2 人员组织模型 45
6.1.3 产品资料管理 47
6.1.4 产品开发流程模型 49
6.1.5 项目管理模式 49
6.1.6 质量控制模式 50
6.1.7 PDM产生的效益 51
1综述
1.1国内外本课题发展概况
本课题包含两个方面的研究，其一是知识工程的研究，另一个是并行工程的研究。
然后将这两方面的研究集成在一个软件系统中，指导汽车产品开发和设计。
知识工程学是随着电子计算机技术和人工智能的发展而诞生的一门新兴学科，至今只有约25年的历史。
知识工程学是从知识的本源上来探讨知识的产生和使用，进而建造有效的知识系统。
它的目的在于使人们有效地掌握、存取、传播和应用知识，提高认识自然和改造自然的能力。
1977年第五届国际人工智能联合会议上，美国斯坦福大学（StanfordUniversity）计算机系教授费哥巴姆作了关于“人工智能的技艺”（TheArtofArtificialIntelligence）的讲演，提出“知识工程”这一名称，由此出现了知识工程学。
知识工程经过了诞生时期（1964-1974）、实验性时期（1975-1980）、应用时期（1980-至今）三个阶段。
知识工程学研究的主要体现在知识的表示、知识推理、知识获取和人对知识的认识过程等几个方面。
1．知识的表示（KnowledgeRepresentation）。
为了在电子计算机中处理和加工知识（存贮、检索、汇编、使用、修改），必须解决知识的适当的表示形式。
知识的表示一般要求考虑到①表示知识的功能；②表示知识的模块性（便于计算机加工）；③易懂。
表示知识要使用计算机的语言。
知识的表示主要包括：
①函数型语言如LIST，推理逻辑型语言如PROLOG；②产生式规则；③框架；④网络。
2.推理问题的研究（Inference）。
推理机制的设计和使用，主要是如何应用已整理好的知识来解决现实生活中的各种问题。
3.知识的获取（KnowledgeAcquisition）。
主要是如何将所需要的知识自动地或半自动地输入到计算机中去。
为此需要解决①如何使知识工程化，建立知识库。
②如何保证知识库内的知识的完全性和一致性。
③如何提高知识库自身的学习能力。
4.人的认识过程的研究。
知识工程的研究虽然已经取得许多重要的成果，但也存在着一些重大问题尚待解决，如对于千差万别的客观事物特别是对于人类的智能行为，是难于用简单的一种甚至几种表示方法来完全描述的。
又如，尽管计算机在许多功能上大大超过人类（像运算速度，存贮量、功能行为的一致性等等），但在知识的一些方面又是相当的无知。
此外，像如何从专家那里获取知识，如何适应电子计算机的特性而进行的重新组织知识的工作等，都存在一些困难。
目前知识工程学还处在不断发展和完善阶段，它的一些内容也在不断探索之中，如何借助计算机使机器具有人的记忆、思维和判断能力，如何提高机器的智能，如何用知识工程学的概念、理论和方法来设计控制系统等等都在研究和发展当中。
当今，具有听、读、理解、解答问题能力的第五代计算机的研制，也将促进知识工程学的更快发展。
知识工程学的本身就包含大量的软科学内容和软科学成果，而知识工程学又为软科学的研究提出许多“软”概念的课题。
没有软科学的研究就没有知识工程学的发展，而知识工程学的发展又丰富了软科学的内容。
近几年来，Internet和WWW的影响已经深入人心，涉及到社会各个领域，西方发达国家和地区都在抢占这块阵地，而“网络计算环境下的知识处理”则是这块阵地的制高点。
斯坦福大学计算机科学系的知识系统实验室（KSL:
KnowledgeSystemLaboratory）现在研究的重点是构造知识服务器和多用途术语知识库、知识系统模块；模拟物理设备的结构、行为、功能的计算环境；智能系统自适应性体系结构，开发用于科学、工程和国防的基于知识的系统。
欧洲共同体研究人员研制的KADS系统与CommonKADS系统已经实现了标准化，并已提交工业界试用，达到了相当高的水平。
此外，美国的MIT的每体实验室正在研制会思考的"Things"，具有极其理解功能，并且应用于构造智能衣服等。
CMU等大学在知识共享技术的研究方面已经取得了令人欣喜的成果。
国内的一些大学、研究所也有一批科技人员长期从事知识工程的研究，如中科院计算所、南京大学、吉林大学等。
笔者所带领的课题组（清华大学计算机系知识工程组）近几年在这方面做了一些工作，取得了一些成果，教学上近十年开设研究生课程“知识工程”，最近几年不断地引进网络计算模式下研究的知识处理问题“的思路，着重引导学生研究在网络计算模式中知识的获取机制、知识管理问题、知识的利用等方面的问题，此外还把“java技术及其应用”作为研究生课程的内容。
今后的发展方向是“网络计算模式下的知识工程”是极为重要的一项研究课题，它关系到人类社会如何在网络环境下利用人们已有的知识来促进社会的发展，产生高附加值的产品，而网络计算环境，尤其是在Internet和WWW下，基于知识的企业信息管理与信息综合服务系统的建立已经成为一个必然的发展趋势，谁能抓住这个难得的机遇，谁就抓住了经济与科学技术发展的牛鼻子。
而并行工程的兴起是从80年代开始的。
世界经济的飞速发展和全球市场竞争的不断加剧给企业带来了巨大的压力，如何在竞争中求生存、求发展是每个企业面临的实际问题。
而且，在激烈的市场竞争中，顾客对产品质量、成本和种类要求越来越高，而产品生命周期越来越短。
尽管许多企业通过柔性、集成技术获得了显著的经济效益，但并不意味着这些应用技术已不能再往前发展。
因此，企业为了赢得市场的竞争，就不得不加速新产品开发，提高产品质量，降低产品成本和提供优质服务等。
在这些问题中，迅速开发新产品，并尽快投放市场，成为企业赢得竞争的关键。
在这种情况下，1982年美国国防部高级防务研究项目局开始研究如何在产品设计过程中提高各环节或活动之间“并行度”的方法。
1988年12月，美国国防部防御分析研究所发表了非常著名的IDA/R-388研究报告，提出了“并行工程”（ConcurrentEngineering）的概念，CE由此应运而生。
并行工程是目前工程领域中重要的研究方向，它是一门以集成、并行方式开发产品及其相关过程的系统工程方法，倍受各国工程界和学术界的高度重视。
由于市场竞争的日益激烈，人们认识到有效利用企业资源的重要性，并希望通过采用某种有效的工作模式和支持技术来最大限度地提高产品质量，降低生产成本，缩短产品开发周期，满足用户需求，这正是并行工程所要实现的目的。
实际上，CE并非是一种全新的方法，早在20年前，艾伯纳斯就提出了这种方法，但在当时环境下，由于多种条件限制，CE不能发挥其应有的作用。
随着企业向柔性化、集成化智能化的发展，CE的作用才得以施展，使企业如虎添翼。
CE的应用首先在军事上用于国防事业，后来才逐渐应用在其他工业领域。
美国国防部已将CE方法作为全面质量管理计划的主要方法。
在民用产品开发的应用也日益增加。
国外大型公司如ATT公司，HP，IBM，DEC,波音公司，麦道公司，Sun微软系统公司等都开始了CE的尝试，并在应用于产品开发中取得了失效。
福特公司将CE应用于发动机的设计总，削减了机械加工线的设备台数，降低了生产成本。
德国西门子公司采用CE方法，软件标准技术、模型环境和框架技术开发了计算机辅助软件工程的并行设计工具。
进入90年代，CE在美国及西方许多国家十分盛行，成为目前国际工业领域中最重要的应用方向，而且在美国的很多领域都得到了广泛的和成功的应用。
据CERC研究表明，引进CE方法越早，产品成本节约的潜力越大。
一般来说，采用CE方法使产品工程设计阶段决定产品生命周期成本的90%，所消耗的费用仅占总成本的18％，其中在产品概念设计阶段，决定了生命周期成本的70%，见图1-1。
随着计算机技术的快速发展和先进CAD软件的应用，并行在国内并行工程也开始应用，但由于并行工程的应用需要产品开发管理系统（团队管理模式）、工程设计系统（CAX软件）、支撑环境系统（产品数据管理系统PDM）三个方面的支持而起步缓慢。
前两个要素基本已经具备。
因此主要原因是没有一个符合我国国情的PDM管理环境。
概念设计
初步设计
全面设计
生产
运行和支持
100
75
50
25
并行工程
设计费用
产品工程设计阶段
产品生命周期成本
95%
85%
70％
1%
7%
18%
50%
图1-1产品工程设计阶段
随着知识工程理论的日趋成熟以及新型知识经济的发展，在汽车设计和机械设计领域中，基于知识工程的知识型软件的开发和应用成为新世纪机械行业理论与实践的新的切入点。
因此,本文将从知识工程的理论研究基础入手，将知识工程的理念、理论和方法融入基于知识工程项目管理软件和产品数据管理软件中，形成基于知识工程的汽车产品并行开发的环境。
1.2本课题的意义
从20世纪90年代以来，美国等发达国家的汽车产品设计已经步入了以信息技术、计算机技术、CAD/CAE/CAM/PDM一体化技术、知识工程技术等新技术为基础的新时代，以这些技术为基础的虚拟现实设计、仿真技术、反求工程、专家系统、并行工程和知识工程等全新技术已经迅速深入到具体的汽车产品的开发设计工作之中。
这些技术的应用，极大的提高了汽车产品的设计开发效率，带来了巨大的社会经济效益。
例如，这些技术使美国轿车新车型的开发周期从几年前的5~6年降为目前的18个月，而且仍然具备继续提高设计开发效率的潜力。
我国的轿车开发设计起步较晚，轿车设计开发技术还很落后。
20世纪80年代以来，我国轿车生产多以技术引进方式为主。
由于外方的技术封锁，我们无法得到轿车设计开发的核心技术。
由于经费等问题的限制，我国没有条件进行轿车整车设计，轿车整车设计开发的知识和经验十分匮乏。
目前，我国已经加入WTO，汽车行业将面临空前巨大的压力，全力投入对汽车设计开发相关核心技术的研究已经刻不容缓。
作为本课题来源的教育部科学技术重点项目就是为了支持这方面的研究工作而设立的。
KBE知识工程是研究人工智能方面的新的分支，它能够寻找记录不同工程、设计和产品配置的方法，以使用户能更好地找到它，并且能对它加以理解、重复使用和维护。
KBE知识工程技术能总结前人设计和制造汽车的知识和经验，指导今后汽车设计、开发和制造，缩短汽车开发、设计和生产周期，同时也能为汽车产品的创新提供有用的信息和资料。
当然我们还可以利用知识工程的机制积累汽车和机械产品设计领域的经验和知识，并将这些知识应用到我国的汽车产品开发和设计中去。
当今也是知识经济发展迅猛的时代，美国和欧洲都从知识经济的发展和应用中获益匪浅。
因此，怎么对各行各业的知识加以管理是我国企业能否在知识经济时代迎头赶上的关键。
而汽车设计、开发与制造是建立在一百多年的历史经验上的成果，如何利用前人已经拥有的技术和工艺加以创新是关系到中国汽车工业在加入世界贸易组织后的几年中能否缩小与发达国家汽车工业的距离，能否实现技术赶超的必要条件。
因此就有必要研究知识工程在汽车设计和机械设计中的应用，有必要开发围绕产品开发为核心的产品数据管理和项目开发管理软件，加强知识的重复利用，促进企业内部的团队合作。
本课题的研究目的是运用先进的开发设计手段和分析手段，在借鉴国内外同类研究成果的基础上，利用先进的汽车产品开发软件平台，结合高级JAVA编程和网络技术，在汽车设计、分析和制造之间建立强大的数据和知识基础和信息通道，以知识驱动汽车产品的设计、开发和制造，彻底甩掉图板，减少汽车产品设计、开发人员的劳动强度，缩短汽车研发周期，提高汽车产品质量，缩短我国汽车工业和发达国家之间的差距，实现中华民族汽车工业的伟大复兴。
课题研究过程中的成果都将应用到汽车产品开发项目中，并在实践中检验其效益。
该课题成果也能够的其他工业的产品设计和开发中去。
1.3本课题的主要研究内容及知识工程发展趋势
为了能将知识工程的方法应用到汽车产品开发中去，本文着重研究以下内容：
（1）知识工程的理论，主要研究知识工程的知识表示方法、推理机制、知识获取和数据开发；
（2）中国现有汽车产品开发和设计模式的研究；
（3）基于知识工程的汽车产品设计向导化模式研究；
（4）知识驱动的汽车产品设计的CAD二次开发模式；
（5）汽车及机械产品项目开发管理软件的开发；
（6）基于开发软件的大型汽车产品开发和设计的管理；
（7）建立异构分布式知识库系统；
（8）基于数据库和JAVA计算机语言基础的大型项目管理软件的开发。
知识工程理论和方法能广泛应用于汽车、航天、航空、车床等工业领域。
汽车产品开发领域的应用只是其中的一部分。
在汽车产品开发这个领域中，怎样利用知识工程的知识获取和发掘工具，收集和反求汽车产品开发的设计经验，利用先进的计算机技术和高级CAX软件，将知识融入产品开发中成为国外大型汽车制造厂开发和设计汽车的技术手段。
而对于亟待发展的中国汽车工业，这无疑也是我们必须借鉴的法宝。
在人工智能研究的基础上，知识工程将在自动推理、知识工程与MAS、定理机器证明、分布计算、CAGD与图像压缩、模式识别和进化计算、数据挖掘与决策支持系统等基础应用方面将会出现新的高潮；同时在智能化农牧业信息示范工程、地理信息系统GIS、空间推理与应用、指纹识别及应用、视频图象压缩、计算机辅助几何设计、管理决策信息系统等方面取得重大应用成果，也将取得显著或巨大的经济和社会效益。
因此可以看出，知识工程也在不断的更新，不断地完善，知识工程意味着利用最先进的技术，管理最有效的知识，进行最有效地利用。
但知识工程的发展方向主要体现在如下几个方面：
（1）建立大型知识库
专家系统要解决的问题越来越复杂，要求的知识覆盖面也越来越大，如何建立大型知识库的问题就成为突出的问题。
美国对此提出了知识共享计划，日本也在实施电子字典计划。
（2）自动获取知识问题
这是如何将研究成果转化为实际可用知识的方法研究。
自动获取知识一直是困扰人们的瓶颈问题，目前没有突破任何突破的进展，很多专家系统的开发者只得暂时避开它，由知识工程师完成后，把获取的知识装入知识库，但从知识工程研究与发展的观点，必须逐步解决这个问题。
（3）解决易使用性问题
使用户能更方便、自然地实用专家系统。
如系统采用语言输入和多媒体输出
（4）专家系统和知识库维护问题
大型知识库的建立必然涉及系统维护问题。
一般情况，软件维护目前占软件费用的60%-80%。
一种好的方法是，一开始就由编程人员、设计人员和用户一起协同合作进行系统设计，有关文档全部存放在这个软件的知识库中，以后对软件的维护和修改可通过这个知识库进行，它相当于在线的文档，可节省一大笔维护开支。
（5）建立异构的分布式知识库系统
它通过网络将不通的知识库连起来，采用专家系统机制进行知识通讯及系统运行。
2知识工程
2.1知识工程基本理论
2.1.1知识工程概论
知识工程是在计算机的应用从数据处理向纵深发展到知识处理领域的背景下形成和发展一个计算机学科领域，它的理论和技术基础是数据库理论与技术、人工智能理论与应用、VLSI技术与微处理机系统、计算机系统结构、程序设计语言和软件编程等。
知识工程首先需要建立工程领域的知识库和数据库，以及相应的获取、储存和运用知识的机制；为了使该数据库和知识库不断更新和扩充，必须采用一定的知识表达形式，进行知识的获取和发掘进行数据的开采；最后将专家知识应用于工程领域，实现知识的重用和利用。
2.1.2知识表示
知识表示是利用计算机能够接收并进行处理的符号和方式来表示人类在改造客观世界中所获得的知识。
它是在模拟信息是如何在人类大脑中以何种方式存放的及其处理方式的基础上来对计算机信息处理中的知识的形式描述方式进行研究的，旨在利用计算机方便地表示、存储、处理和利用人类的知识。
知识的形式描述方式是要规定一种无歧意的语言或具有规范定义语法和语义的“符号表示”方法。
符号表示是指用符号和符号结构来表示各种概念和概念之间的关系。
每一种表示方式实际上是一种数据结构，就是把这种数据结构关联起来。
知识表示方式取决于人类知识的结构及其机制。
随着知识表示研究的深入已经提出了多种知识表示方式，常用的几种知识表示方式为产生式表示法、语义网络表示法、框架表示法、谓词表示法、面向对象表示法、基于范例表示法、基于冗余集的表示法、基于语言场表示法、基于知识体表示法以及其他表示法。
由于不同的知识结构都有其针对性和局限性，而且同一领域知识可采用不同的知识表示结构来表示。
选定知识表示结构时，应依据具体情况来选定。
在实际应用中所采用的知识表示方式同知识的组织结构和知识的使用方式密切相关。
目前，还没有统一的准则和标准规定知识表示模式的选择。
但是，一般在选择知识表示模式时，应从以下几个方面考虑：
（1）充分表达领域知识。
确定一个知识表示的模式时，首先应考虑的是它能否充分地表示领域知识。
知识表示模式的选择和确定受到领域知识自然结构的制约，应视具体情况来确定。
在充分考虑领域知识的特点以及每一种知识表示模式的特征的基础上，选定一种或几种知识表示模式来表示具体的领域知识。
有时需要综合利用多种知识表示模式。
（2）有利于运用知识进行推理。
把知识表示出来并存储到计算机中去的目的是为了用这些知识进行推理，以便求解现实问题。
（3）便于知识的维护和管理。
所选定的知识模式，在使用过程中经过对一定数量实例的运行，可能会发现其知识在数量或性能方面存在某些问题，此时或者需要增补知识，或者需要修改甚至删除某些已有的知识。
因而知识模式应便于知识的维护和管理。
（4）便于理解和实现。
一种知识表示模式应是人们容易理解的。
这就要求它能符合人们的思维习惯。
更为重要的是便于实现，如果一种表示模式不便于在计算机上实现，就没有任何实用价值。
根据上述要素以及知识表示模式能与计算机高级语言匹配的原则，对上述的知识表示模式进行了比较，基于面向对象的综合知识体表示法既克服了产生式方法检索效率低和表达能力低的缺点，同时又综合了面向对象表示法和基于框架表示法的“描述性和过程性知识的紧密融合”和“还原客观世界本来面目和符合计算机面向对象语言发展需要”的优点。
该方法综合了面向对象技术和综合知识体的优点
基于面向对象的综合知识体表示方法采用一种具有层次结构描述的规则组形式来表达。
一个规则组相当于一个子问题，由规则架和规则体两层组成。
一个规则组是求解一个子问题的所有知识的集合，它本身具有独立性和封闭性。
在规则组中，规则架是参加系统推理的骨架，它是一个多前提，多结论，而且结论之间待业可存在因果关系的规则形式，他只反映结论与前提之间的逻辑确定关系。
规则体反映因素之间求解或定值方法的具体知识，它包含着丰富的内容，可以是运算公式，也可以是一组规则。
即一个规则组包含了求解子问题的所有规则和运算公式的具体知识。
规则体中的这些规则称之为体规则。
规则架的推理采用反向推理，规则体内采用正向推理。
其中知识体由描述架，规则组（规则架＋规则体）和黑板结构三部分组成，统一调度，有机配合，不同的知识在不同部分加以处理。
一般地将领域知识分成若干个知识体，简称体，以BODY表示。
这些体相当于OOP中的对象类。
每个体有体名，有条件块、无条件块、处理块和计算块四种形式的知识块组成。
每个知识体是一个封闭的对象，对象之间是通过“消息”去作用或操作的。
在体内每个知识块是独立的，分别由块名COND，PROC，COMP与相应结束符ENDCOND，ENDPROC，ENDCOMP组成。
条件块由条件名和若干条件项组成。
在条件项前面可安排声音文件集、图像图形文件集。
每个条件项有相应的转向对象体名，并在屏幕上显示，由用户加以选择。
当某个条件项被选中，则向对应的对象体发一消息，激活该对象体。
无条件块又叫默认块，格式很简单，没有块名和结束符，列出的对象体名即无条件激活该对象。
处理块由声音文件集，图像图形文件集和处理内容组成声音文件集是安放需要经过声音向用户表达的各个声音文件名；图像图形文件集安放需要通过图像或图形向用户显示的图像或图形的文件名，包括录像、动画文件名等；处理内容是通过文字向用户表达的建议意见或陈述等。
下面是利用该表示法的部分程序编码：
2.1.3推理机制
推理是实现知识运用的重要环节。
推理就是制定一定的方法或规则将知识库中的知识应用到知识工程中去。
推理方法的种类很多，可以分为确定性推理，不确定性推理，非单调推理和定性推理等推理方法。
确定性推理通常针对具有明显的前因后果的实事关系。
一般来说此类问题比较简单。
而不确定性推理针对因果关系不明确的问题，通常根据问题的特殊性采用的推理方法也很多，比如可信度方法、主观贝叶斯方法、论据理论、可能性理论、信度网络、模糊推理和合情推理等。
非单调推理针对需要经常修改和动态变化的知识库问题。
通常永余非单调推理的方法有封闭世界假设法、谓词完备化法、缺省推理法、限定理论和非单调推理系统等。
定性推理是对物理系统的行为进行定性的分析，找出其内在联系，常有的方法有定性推理的三个基本方法、因果分析方法和量级推理。
要充分发挥知识库的作用，就必需建立基于知识的推理方法。
人类解决问题的能力主
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