江苏新扬子造船有限公司 江苏靖江 214532
摘要：随着船舶制造业竞争越来越激烈，缩短船舶设计与建造周期，提高船舶产品质量成为企业竞相追逐的目标。在知识经济时代，如何将知识应用于船舶设计过程中增加知识的附加值，这将是船舶设计建造单位确保领先优势的关键，同样关系着能否在激烈的市场竞争中生存。
关键词：知识工程，船体结构，参数化设计
1基本概念
1.1 知识工程
知识工程是研究知识信息的新兴学科，它将具体的智能系统研发中的共性问题提取出来，作为知识工程的核心，使之成为指导研发智能化系统的基本工具和一般方法。其本质是研究如何挖掘并积累产品开发中的知识，并对它进行表达、应用及维护，以用于产品开发相关问题的自动求解。旨在知识的再利用，以实现快速开发出高质量的产品。
1.2 知识本体
船舶船型众多，不可能为每条船都开发相应的设计模块。但同一系列船型往往具有相似的结构。新船的开发一般都是以原有母型船为基础，船体结构设计往往也是参考原有母型船设计出来的。针对上述事实，结合知识工程，提出了船体结构设计知识本体的概念。在研究某一系列船型结构的基础上，去除其特殊结构，提取出共性结构，建立基于知识的三维参数化船体结构模型，称之为船体结构知识本体。有了知识本体，即可快速开发出新船结构。
结构知识本体属于对船体结构的高度集成，是一种结合了专业知识、专家经验和规范的知识模型。基于知识的船体结构设计系统的设计思想本质就是构建这种知识本体，即通过计算机技术将船舶相关知识集成到船体模型中，实现船体结构设计的智能化、参数化和自动化。使设计人员能得到丰富的知识支持，从而提高设计能力。
2基本原理
2.1参数化设计
参数化设计就是将原有设计中某些尺寸，如定形、定位或装配尺寸定义为变量，修改这些变量的同时由一些简单公式计算出并变动其他相关尺寸，计算机根据这些新的参数值自动完成产品设计。
通常，参数化设计是指零件或部件的形状比较定形，用一组参数约束该几何图形的一组结构尺寸序列，参数与设计对象有显式对应，当赋予不同的参数序列值时，就可驱动产品改变、实现新的产品设计，新设计的结果是包含设计信息的模型。参数化为产品模型的可变性、可重用性、并行设计等提供了手段，使设计人员可以利用以前的模型方便地进行模型的重建，并可以在遵循原设计意图的情况下，方便地改动模型，生成系列化产品，大大提高生产效率。
目前，参数化设计的研究范围，已由最初的二维图纸参数化设计，发展到覆盖产品的全生命周期参数化设计：研究的对象除了传统的二维图纸、三维零件实体等以外，还包括零部件间的装配关系、产品特征、产品模型设计等产品层次的参数化表示模型，这使得参数化自身的含义得到了进一步的拓宽。
2.2知识工程
知识工程（KBE）是一个非常广泛的概念，最早由美国在1998年提出。其基本思想是寻求并记录不同工程、设计和产品配置的知识，并且对它加以理解、抽象、描述、使用和维护。而这些知识被用来策划、设计和完成一种产品、一个项目。KBE的内涵有三点：知识获取、知识库、推理机制，其重点在于知识的重新应用，以最快的速度开发出最优新产品。
知识的获取主要来源有：
（1）从设计标准、手册、规范、专家经验等获取；
（2）从现有成熟的、成功的国内外产品、科研实践中反求出来；
KBE将人工智能（包括知识库、知识规则、逻辑推理等）与 CAX系统有机结合起来，将知识工程融入到CAX系统，使其应用对象扩展到工程设计领域，形成了工程设计与CAX系统的无缝连接.
2.3基于知识工程的参数化设计基本原理
以往CAD系统尽管能实现参数化设计，但功能不够强大，只能修改零件的几何尺寸，而零件的特征几乎不能改变；自定义变量相互独立，不便建立变量之间关系式等等，使参数化设计不能得到充分体现。为解决上述问题，目前有些功能强大的CAD系统，如CATIA V5采用基于面向对象的技术来描述产品的特征，这使得特征本身包含了参数化变动尺寸值所需的成员变量和成员函数，特征的尺寸值均可作为变量，随时作适当的改变。在此基础上，进一步使特征以及特征之间的依附关系能随一定条件的改变，即可实现参数化特征。在产品设计过程中，把有关产品设计的所有信息集合起来，如设计标准、尺寸关联、尺寸约束、特征约束等，组成一个产品设计的知识库、检验的知识库。借助CAD系统提供的工具，将这些知识融入到CAD系统中，用来指导\检查设计。设计人员可以将好的设计经验、设计方法等写入知识库，这样就能得到最佳设计。
2.4知识工程关键技术
知识工程的关键技术包括知识获取、知识表示、知识推理和知识管理，其重点在于在产品设计中实现设计知识和经验重复使用，以尽快的速度设计开发出最优的新产品。知识获取（Knowledge Acquisition）是把用于问题求解的各种领域知识从知识源中提炼出来，并将其保存在知识库中。其中知识源可以是多种多样的，包括书本文献、领域专家以及各种数据、信息等。知识获取主要通过 3 种方式：（1）从书本中获取知识，如国际/国家设计标准、设计规范、图表等；（2）与领域专家和设计人员进行交流获取经验知识；（3）通过机器学习或者数据挖掘的方式获得新的知识，有助于解决数据爆炸和知识贫乏的问题，其过程流程如图 1所示。
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图1 知识获取步骤流程图
知识表示（Knowledge Represention）主要研究用什么样的方式将解决问题所需的知识存储在计算机中，便于计算机能够接受处理并且进行处理的符号和方式。其主要包括基于产生式规则的知识表示方法、基于事例的知识表示方法、面向对象的知识表示方法和基于本体理论的知识表示方法。知识推理（Knowledge Reasoning）是按照某种策略由已知判断推出另一判断的思维过程，实现从已有知识中推导出所需要的结论和知识。知识推理主要有以下四种方 式：基于规则的推理（Rule-Based Reasoning，RBR）、基于事例的推理（Case-Based Reasoning，CBR）、基于模型的推理（Model-Based Reasoning，MBR）、混合推理（Hybrid Reasoning）和基于人工神经网络的推理（ANN-Based Reasoning）。
3结语
由于设计规范信息不断改变增加，船舶设计单位在船舶设计建造的各个阶段积累了大量的数据、资料、技术和经验，这些都是企业的重要知识资产。在实际的工作中亟待开发合适的工具有效利用这些知识，因此如何通过先进的知识工程技术有效地归纳、整理和管理知识来协助、加快船舶设计等工作，提高船舶产品设计质量，提升企业的竞争力和创新力，是目前船舶设计研究的热点问题。
参考文献：
[1]战翌婷，费梦茹.基于知识库的船舶结构设计系统研发[J].图学学报，2014，35（02）：230-235.
[2]张星君.基于知识的船舶数字化结构设计研究和程序开发[D].上海交通大学，2010.
作者：陈剑，性别：男，出生年月：1986.10，民族：汉，籍贯：江苏省，学历：研究生，职称：工程师，研究方向：船舶船体详细设计。