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1、创新设计中不同知识表示的比较8秦晋路强刘晓平台肥工业大学计算机与信息学院V C C 研究室合肥2 3 0 0 0 9摘要：进行计算机辅助创新设计时，数据库中隐含知识的寻找十分重要传统的知识表示仅能够研究常规逻辑推理方法，这使一般创新设计支持系统的知识库通常成为存储推理规则等规则性知识的狭义知识库。本文通过建立一个菜谱的原型系统，对不同知识表示对创新设计的影响的比较，说明了基于可拓学的物元表示方法在创新设计的过程中优于传统的知识表示方法Y c t t 翊：知识表示可拓学物元1 引言创新设计是一个涉及多种学科与多方面知识的复杂过程，必须在依靠知识和经验积累的基础上思考、推理、判断并结台人类特有的发
2、散思维“J 。尤其是当前产品设计的客户驱动性质更增加了其复杂性，整个设计过程涉及生命周期内的多个领域，而未来企业的竞争力取决于是否能够不断获得新的知识和应用这些知识去实现产品和过程的创新。创新设计本质上是基于知识的设计其关键问题就是各不同领域内知识的映射、获取与运用。知识从是否可以编码来分。可以统分为显形知识和隐性知识两类。创新过程通常要经历由直觉类的隐性知识到图形类的较明确知识，再到文档数字类的文件知识，最后到运用文件知识产生隐性知识的循环过程。大量已有显形知识与设计师自身具备的隐性知识结合加上需求和技术矛盾的激发，才会形成整个创新过程。创新设计中所用到的知识及其载体和应用场合的多种多样使知
3、识表达方式存在着多样性，常见的主要分为基于符号和基于联接的知识表达方式。本文通过应用不同的知识表示方法对同一原型系统数据库的建立和比较，说明了应用可拓学的物元表示法来对事物可拓性及规律进行变换以解决人工智能中的知识表示问题，较传统的知识表示方法建立的数据库更有利于创新设计。2 原型系统简介为了进行知识表示方式的比较我们设计了一个原型系统。首先对一定数量的菜谱采用不同的知识表示方法，建立数据库。每道菜由主料、佐料、烧法和口味四个关键字组成。然后建立了关于菜谱的创新设计的一个原型系统。当用户提出某种口味要求后，系统首先根据功能匹配找出符合要求的已有菜谱。然后根据正向推理方法，利用功能的分解和组合，
4、对数据库中相关口味的菜谱进行推理，提出新的主料、佐料、烧法和口味的组合，从而产生新的菜谱。作者俯介t 秦晋( 1 9 8 0 - ) ，安徽台肥人，博士研究生，主要研究方向是C A D C G ；路强( 1 9 7 8 ) 男，安徽合肥人，博士研究生研究方向为建模、协同计算。刘晓平( 1 9 6 4 - ) ，男，山东济南人，教授，博导，研究方向为建模、仿真与协同计算。3 知识表示方法一般的知识表示方法有多种，常用的有语义网络表示法、框架法、谓词法、产生式法等等”。而根据原型系统的特点，我们选用了前两种方法作为传统的知识表示方法的代表。可拓学 4 1 1 5 1 作为由中国人创立的独立新兴学科
5、其中物元理论中三元组的知识表示方法十分有利于知识的扩展。为此我们选用了语义网络法、框架法和可拓学的物元表示法来建立原型系统的数据库嘲7 ”。3 1 语义网络方法在人工智能和知识工程中，语义网络在各种应用领域中得到了较为广泛的应用。它是知识的一种图解表示，它由节点和弧线组成。节点用于表示实体概念和情况等，弧形用于表示节点问的关系。语义网络中的中心节点是各种菜肴的名字，该节点一般有四类弧，分别是主料弧，佐料弧，烹饪方法弧和口味弧。3 2 框架法框架提供了一个结构，一种组织。在这个结构或组织中，新的资料可以用从过去的经验中得到的概念来分析和解释。因此，框架表示法是一种结构化表示方法。框架法通常采用语
6、义网络中的结点一槽一值表 示结构，可以描述格式固定的事物、行动和事件。菜肴框架主要有主料侧面，佐料侧面，烹饪方法侧面和口味侧面。另外，主料中有一些主料有父框架。3 3可拓学的物元表示法可拓学的研究对象是现实世界中的矛盾问题，通过研究事物的可拓性( 物元的发散性、可拓性、相关性、共轭性) 及其方法，用与实现事物的转换创新，以实现矛盾的解决。它为人工智能中新型智能系统进行创造性思维提供了可行的工具。知识可以用物元来表示，即用一个有序三元组R = ( N ，c ，v ) 来表示，其中N 是事物所涉及到的有关事物，c 为事物特征，V 为有关该事物的量值。根据物元和可拓集概念将知识的表示用一个实体同其属
7、性和属性值组成一个兼有实例，聚集，泛化和属性四种联系兼有的全征物元。在这里，将菜肴名。主料，佐料，烹饪方法及其口味都视为是菜肴这一事物的事物特征。而视主料事物中具有特征父类的相同值为同一类。物元与物元之间则有蕴涵，泛化和发散等关系。4 推理结果的数据比较从显示的结果来看语义网络和框架法建立的数据库，基本无很大的差异。这是由于此两种表示方法都是面向知识结构性的，从某种意义上讲，框架法是语义网络法在结构层次上的改进。语义网络更利于表示过程性的知识，而框架法更善于层次类属关系的表示。相对这两种传统的知识表示方法，基于可拓学的物元表示方法在信息的关联性表示方面明显更出色。4 1 数据库结构不同知识表示
8、方法建立数据库的方式也是不同的。对于整个原型系统的数据库，基于语义网络的数据库涉及的表单主要有：原料编号表、佐料编号表、口味编号表、烹饪方法编号表和语义网络表；基于框架法的数据库涉及所表单主要有：原料编号表、佐料编号表、口味编号表、烹饪方法编号表、菜肴框架表和主料继承框架表；而基于可拓学的新型知识表示的数据库所涉及的表单有：物元信息表和物元芙联表。其数据库的大小也各不相同，如表l 。从表单数量上可以看出语义网络法与框架法基本相同，而可拓学的方法却只需要2 张表单。这是因为语义网络与框架法本质上是相似的，框架可以定义为是一组语义网络的结点和槽。而可拓学的方法属于一种新的知识表示方法，通过属性和特
9、征值的方式对知识进行表述，结构简单，不需要考虑太多的关系，因此所需的表单也比较的少，相对的所需的存储空间也较前两种要的少。表I 数据库比较表语义网络法框架法物元表示法衷单数量562数据库大小1 7 6 k1 8 4 k1 3 5 k4 2 结论的数量基于不同的知识表示方法的数据库，在相同的推理机制下，选择相同的口味，通过推理所得到的结果 差别也是比较的大。如图1 所示。围1 结果数量比较表由于是创新设计，所以希望在固定的数据库中，通过相同的推理方法，得到的结果越多越好。结果越多，则说明推理中发现的隐含知识就越多，从而得到创新结果的几率也就越大。由图可知，从所得到的结果的数量上来看，语义网络方法
10、和框架法的结果数基本相同，而物元表示方法所得到的结果明显较其他的两种方法要多。从具体得到的结果看，前两种方法的结果也是基本相同的，但却是物元表示方法得到结果的子集。造成这种方法的原因是，前两种方法的本质相同，从而使得他们的结果的数量和具体内容都比较相似，而物元表示方法在推理过程中，可有效的搜索到一些隐含的知识，就相当于无形中扩大了数据库，从而所得到的结果要多于前两种方法且结果中也包含了前两种方法的结果。4 3 数据库的可扩充性数据库好坏的一个重要的指标是数据库的可扩冲性。前两种知识表示的定义就决定了基于语义网络法和框架法的数据库的扩充的复杂性。如要进行知识的扩充，需要对输入项进行分析，画出其关
11、系的网络图或者框架图，然后对数据库中所有与新知识有关的知识进行修改，这样将大大增加数据库的维护花费，对于大型的数据库，这将是个巨大的工程。但物元表示方法相对于前两种方法要简单了许多，只要根据特 征值，就可以将知识方便的添加到数据库中，十分的有利于数据库的扩充5 总结通过比较，我们可以发现，不同的知识表示方法对结果的作用也是不同的，传统的知议表示虽然能够很好的分析定义问题，但其共同缺点是仅能够研究常规逻辑推理方法，难以表达形象思维。这使一般宦U 新设计支持系统的知识库通常成为存储推理规则等规则性知识的狭义知识库，无法表达实际问题中存在的大量难以用数学公式描述的、可反映事物内在规律性的实验数据对同
12、类工程设计的指导性作用。而可拓学的三元组知识表示方法，通过特征值，可以有效的查找知识与知识之间的联系，这样使得设计者更加的容易发现潜在的相关知识，从而更加有力的进行创新设计。当然，这只是一个原型系统，下一步还有很多的工作要做：多种知识表示方法的结合：研究可拓学的物元表示法与传统知识表示的结合，取长补短。规则的引入：对已有的数据库，通过数据挖掘等方法，寻找数据库中的规则，并研究规则对创新设计过程中的作用，为推理做进一步的准备：推理方法的研究：原型系统中采用的只是简单的推理机制，可研究用C B R 、R B R 等多种推理机制，对数据库做进一步的推理。评价：在推理后得到的结论中肯定有许多是不符合要
13、求的解，在本原型系统中，简单的几十条记录，通过可拓方法就可推出很多的可行解，如果是大型的数据库，得出的结论肯定更多。如何进行评价，说明可行解的好坏，抛弃较差的可行解，从而减少解的数量，将是一个下一步重点的研究方向。参考文献【1 】俞国燕，赖朝安郑时雄，孙延明基于多智能代理的机械产品创新设计支持系统研究【J 】组合机床与自动化加工技术，2 0 0 2 ，0 4 ：3 3 3 5 【2 】王洪图，张丽亚烹饪营养常识咖北京：中国旅游出版社，1 9 8 6 【3 】秦自兴，徐光祜人工智能及其应用【M 】北京：清华大学出版社，2 0 0 2 【4 蔡文可拓学概述【J 】系统工程理论与实践，1 9 9 8
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15、a t i o n si nI n n o v a t i o nD e s i g nQ I NJ i nL UQ i a n gL I UX i a o p i n gV C C D i v i s i o n ，S c h o o l o f C o m p u t e r a n d i n f o r m a t i o n ，H e f e i U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y , H e f e i ，2 3 0 0 0 9 ，C h i n aA b s t r a e t ：I ti si m p o r t a n tt
16、of i n dt h ec o n n o t a t i v ek n o w l e d g eW h e nc o m p u t e ra l d c di n n o v a t i o nd e s i g ni Sc a r r i e do n H o w e v e r , t h et r a d i t i o n a lk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n so n l ys t u d yt h en o r m a ll o g i c a lr e a s o n i n gm e t h o d s ，t h u sm a k et h ek n o w l e d g eb a s ew h i c hs u p p o r t st h es y s t e mo fn o r m a li n n o v a t i o nd e s i g nb
