1 KBE的概念及应用现状

对目前的许多企业来说，可能经常遇到这样的问题：企业的产品开发知识（包括设计知识、制造工艺知识等）通常都存在于一些经验丰富的工程师头脑中，没有采用特定的方式保存下来。有经验的工程师退休了或跳槽了，企业的知识财富也会随之流失。

虽然许多企业的产品开发数据采用技术文档或图纸的形式保存了下来，并引入了PDM或CAPP等系统进行了管理，但却很少说明这些设计结果是怎么来的，如何将这些文档和图纸灵活应用于新产品的设计，也需要工程师有相当的设计经验。

另一方面，对于许多企业来说，新产品的开发过程通常很大程度上依赖于以往的设计结果和设计经验，只是在一些局部类型和参数上进行改进或升级。设计过程中通常存在着很多重复和繁琐的工作，目前的企业绝大多数都实现了CAD和工程图纸绘图的自动化，但在产品的结构方案、性能和工艺参数的设计和选择方面的自动化程度却很低。由于设计过程的自动化和标准化程度低，对于同一个结构或工艺参数的分析问题，不同的工程师得到的设计或分析结果可能各不相同。

鉴于此，产生了基于知识工程（KBE）的技术，旨在存储和重用企业的产品开发知识，采用软件技术自动化产品开发过程中的一些繁琐和重复的工作。

由于KBE技术的开放性，迄今为止，尚无一种公认的、完备的KBE定义。一些机构给出的KBE定义列举如下：

英国Coventry大学的KBE中心认为“KBE是一种存储并处理与产品模型有关的知识，是基于产品模型的计算机系统；也是目前促进工程化、实用化产品开发的最值得注意的软件方法。

美国Washington大学机械工程系的Dale E.Calkins教授认为“KBE是继CAD技术之后的新兴设计方法学，通过启发式的设计原则，它可运用于构件、装配和系统的开发。KBE系统存储了可以表示几何和非几何信息，以及描述产品如何设计、分析和制造的工程准则的产品模型。”

美国Ford汽车公司的J.A.Penoyer等人认为“KBE运用知识完成工程任务，这些知识是特意积累和存储的，并以计算机作为媒介。KBE通常是指对计算机系统的应用，如专家系统、基于网络的知识库等。”

英国Cranfield大学的Huihua Li博士认为“KBE是一种特殊类型的基于知识的专家系统，它专注于工程设计以及后继的制造、销售等相关活动。”

NX（UG）的开发者认为“KBE是获取智能对象或设计实体（如零件）的全生命周期知识的方法学，包括操作性、功能性和性能的要求，以及预测它的变化规律。”他们更进一步指出，KBE是可以记录和重用工程设计规则的系统。

国内上海交通大学和浙江大学的一些学者认为，KBE是通过知识驱动和繁衍，对工程问题和任务提供最佳解决方案的计算机集成处理技术。KBE的内涵可以概括为两方面：领域专家知识的继承、集成、创新和管理；CAX技术与AI技术的集成。

以上关于KBE的定义都有较大的相似性，综合以上观点，KBE是一种方法学，包括获取和表达产品的设计对象知识、设计过程的知识以及定义产品的工程方法和开发过程等，它使用高级软件技术、综合运用多种方式来获取和重用产品及其开发过程的知识。

目前国内外的KBE技术研究主要有两类：一类是以科研机构为主进行的基础研究，如英国的Coventry大学、Salford大学、美国Syracuse大学的KBE研究中心、中国的上海交通大学KBE研究中心等都进行了大量的KBE基础研究工作。另一类是一些大公司针对本企业的实际情况展开的KBE应用研究，如美国的Boeing、Ford，欧洲的Airbus，日本的Mitsubushi、Hitachi等公司都开展了KBE技术的研究。

KBE的应用将工程师从繁重而单调的常规设计工作中解放出来。在国外，许多航空航天和汽车工业企业（如空中客车、Jaguar、Lotus Engineering、波音、福特、通用汽车、BMW、联合技术公司等）都将KBE系统作为加快产品开发的主要工具之一。据有关专家估计，2010年以后，KBE对公司来说将有着像上世纪90年代CAD/CAE/CAM那样重要的地位。在国外，越来越多的企业开始致力于发展各自产品的KBE系统。例如，Jaguar是欧洲首先使用KBE系统的公司之一，它已开发出了许多应用软件来加速新轿车的变型设计。波音公司的KBE应用则横跨一系列飞机模型和设计阶段，波音最雄伟的一个计划是一个完整的飞机设计KBE工具。作为传统CAD软件技术的补充，KBE应用系统主要用于提高设计的效率和质量。英国航空公司（British Aerospace，BAe）就使用KBE软件来设计机翼以及用来将150座的A340－600 “拉伸”成195座的A321的两个额外机身部件之一。如果使用传统的CAD软件进行设计，A340－600的所有翼脚将耗费整整一年（一个工作人员）的时间；而如果利用KBE软件，即使其他条件都相同，却只需要10个小时。另外，飞机设计需要无数次的、让人难以忍受的反复过程，而运用了KBE技术以后，则只需要描绘出这些设计原则的不同之处，其余的就可以由软件自动完成了。

以上这些研究活动和研究成果在加快产品开发过程和优化产品设计质量方面发挥了巨大的作用。目前，KBE系统通常用于完成企业中单调而繁重的常规设计工作。然而，建立一个成熟KBE系统的工作量通常是相当大的。因此，当前需要解决的一个重点和难点问题是如何缩短KBE系统的开发时间，改善开发质量，提高KBE系统实施过程中的综合各种工程方法和过程的能力。

2 KBE技术的应用中存在的问题

(1) 建立KBE系统的难度和工作量大。当一个功能完备的KBE应用系统建立起来时，它能节省大量的时间和人力资源，并且能够提高产品的开发质量。然而，这种KBE软件系统不仅需要丰富的产品开发专业知识，而且需要专业的软件开发技术才能完成。企业中经验丰富的产品开发工程师通常不具备软件开发技术，只有软件操作技能。而行业软件公司的软件开发者对企业的特定产品开发过程不熟悉，无法创建满足企业实际需要的KBE软件，而且由于特定产品的KBE软件的适用面狭窄、市场小，许多行业软件公司也不愿意投入大量人力和物力去开发。因而造成了目前许多企业迫切需要这样的KBE软件，但却找不到能完全适用于本企业产品开发的KBE软件。目前，与三维CAD软件相结合，已经出现了一些商业化的KBE软件，但主要是针对产品几何模型的结构设计知识建模，并且这种建立过程的效率很低，即使是熟练的工程师也需要专门的训练，才能完成产品和知识模型的建立工作。工程师们不仅需要了解几何体模型的内部结构，而且需要具备面向对象的特殊的编程语言的编程技巧。

（2）非几何知识建模能力的不足。现有的一些KBE工具软件提供了强大的与几何模型相关的知识建模能力，主要注重于详细设计阶段的知识获取和重用，但在方案设计知识和工艺知识的建模功能方面却很缺乏。但在实际的产品需求分析到进行详细设计之前的设计过程中，通常包含着大量的结构方案的选择，以及大量的分析、计算和综合求解过程，也需要建立相应的非几何的设计知识模型。

（3）KBE系统不透明且无法修改。目前的许多KBE应用系统通常是某种“黑盒”系统：你输入一些信息就会得到一些输出，程序的执行都是在软件内部完成的，普通用户不知道软件分析结果的可信度有多高，也不知道其中具体发生了什么过程。例如：某些零部件的设计计算程序、具体机械产品（或部件）的参数化绘图软件等。对于某些经验公式或知识，往往只适用于老型号的产品，而这些经验公式或知识都被封装在软件内部，用户无法调整和修改，也不知道其每一步执行过程所采用的设计原理，如果某个模块发生了错误，还可能导致一系列的错误。在企业应用过程中，当KBE系统变成某种“黑盒”时，就会随着产品的更新换代而逐渐失去其作用。