现代企业面临着激烈的市场竞争，创新成为企业获得和保持竞争优势的重要因素。产品的创新设计过程是一个知识密集流动的过程，知识的综合创造、分享和使用对于促进创新有重要作用^[1]。设计知识主要包括设计者记忆中的内部知识和需要查阅的外部知识。由于设计者自身的知识储备往往不足以解决设计问题，同时具有领域局限，不利于创新设计，因此为设计者提供相关的设计知识服务，扩展设计者的知识空间，成为激发设计者灵感，产生创意方案的关键。创新设计处于产品设计的前端，设计问题和设计需求有很大的模糊性和不确定性，往往涉及多领域、多学科知识，如设计原理、发明原理、专利知识、科学效应、领域知识和专题知识等^[2]。如何在知识库系统中表达、组织多学科设计知识，从而满足设计过程中多领域多学科的知识需求，是创新设计知识表达研究的关键问题。

目前，众多的研究人员和机构对面向创新设计的知识表达进行了大量的研究，例如：杜晓娇等^[3]对专利知识进行了多属性表达的研究，胡洁等^[4]提出了生物激励知识表达的规范化元模型，Zhang等^[5]提出了一种基于语义本体的产品设计原理知识表达模型，Qin等^[6]提出利用RFBSE模型获取设计过程中有用的知识和经验。随着计算机技术的快速发展，与创新设计知识服务相关的平台和软件应运而生，例如：Invention Machine公司开发的Goldfire Innovator^[7]，亿维讯公司开发的Pro/Innovator^[8]，Aulive公司开发的Aulive在线灵感^[9]及四川大学的创新设计服务平台creap^[10]等。这类创新设计知识库将设计知识划分为多个类别，如表 1所示，根据每类知识的特点确定其表达组织方式，与文献[3-6]对某一知识的表达研究类似。这类根据知识类别确定的知识表达方式，更加有利于知识内容的准确表达，同时可以根据设计阶段的不同而为设计者提供不同的知识，以满足不同设计阶段中的不同知识需求。

但将知识分为多个类别、多个知识库的表达与组织方式也有诸多不足。创新设计过程是一个不断往复的设计过程，且设计过程中的知识需求也在不断变化，知识分类表达不利于满足设计者变化的知识需求。设计研发人员常常抱怨缺乏一种统一的知识表达方式^[11]，从知识表达来讲，将知识文档按照知识类别进行分类处理，会导致对知识文档的重复处理，增加工作量，同时也不利于知识表达的完整性。从知识库的建设来讲，多个知识表达模型和知识关系也不利于知识的管理与维护，文献[12]指出知识分类表达不利于知识库向着模块化、统一化的方向发展。为解决上述问题，本文提出了一种统一的设计知识表达模型，实现对创新设计中的多学科知识的表征，设计者可查找到多学科知识以满足设计过程中变化的知识需求。

1 创新设计知识的表达 1.1 基于多属性多维度多层次的设计知识表达模型

创新设计的关键在于：从不同角度去分析问题，发现不同领域间设计问题与设计知识之间的关联，从而产生创意方案。从认知的角度来讲，人在分析问题时总是习惯对问题进行概括，从较抽象的层面分析问题，而在具体求解过程中，又习惯从较详细的知识层面进行求解^[13]；从设计过程来讲，概念空间和知识空间是一个不断细化和完善的过程，单一的知识往往并不能解决设计问题，需要通过知识关联设计者知识空间。为此，笔者认为设计知识是一个相互关联的多维度多层次的信息系统。

为此，本文提出一种基于多属性多维度多层次(multi-attribute multi-dimensional multi-hierarchy, 3M)特征的设计知识表达模型，如图 1所示。通过知识的多属性实现知识的多维表达，以表达创新设计中的多学科知识，每种属性均从概念、语义和关系三个层面进行表达，属性的概念和语义描述为知识的内容从抽象到具体的描述，通过属性关系的定义实现知识间的多属性关联。知识可用向量表示为：

$ \mathit{\boldsymbol{K}} = \left( {{\mathit{\boldsymbol{A}}_1}, {\mathit{\boldsymbol{A}}_2}, \cdots , {\mathit{\boldsymbol{A}}_i}, \cdots , {\mathit{\boldsymbol{A}}_n}} \right) $

其中：K为知识; A_i为知识的某一属性，A_i=(C，D，R)，C为概念层描述，D为语义层描述，R为属性层关系。

服务于创新设计的知识表达需要满足以下2点要求：1)有利于设计者知识空间的扩展，2)有利于知识内容的表达。知识空间的扩展主要通过计算机的知识检索和知识关联实现，知识内容的表达需要实现不同维度、不同层次以及多类别知识的表达。因此本文将知识的多属性分为创新属性和基本属性，以满足知识表达的要求，如图 2所示。

知识的创新属性是基于创新设计方法和理论对设计知识的抽象化提取，实现对知识的抽象表达和知识的检索和关联。创新属性的概念表达作为知识查找的标识；语义表达是对创新属性的语义解释，便于设计者认知；通过关系定义实现知识的多属性关联，以利于知识的扩展。

知识的基本属性是对多学科知识物理属性的具体表述，实现对知识的多维度表达和不同类别知识的统一表达。基本属性的表达主要包括语义描述和图表公式等的形象描述，从而实现对知识内容全面、形象的表达。

1.2 知识的创新属性 1.2.1 创新属性的确定

创新属性是对知识抽象内容的提取和表达，同时实现知识的检索和关联。知识检索是知识库系统中常用的知识获取方式，但是传统的关键词检索并不能有效地检索待解决问题所需的知识^[11]，产品设计中的功能和输入输出流是常见的分析要素，因此将功能和输入输出流作为知识标识，有利于满足设计者的知识需求^[14]。在设计者将设计问题转化为知识需求的过程中，往往需要设计者借助设计方法来对问题进行分析。发明问题解决理论(theory of inventive problem solving, TRIZ)是工程设计中常用的创新工具，但TRIZ的发明原理、标准解、物场模型等工具并不能直接检索知识，因此提取知识中的TRIZ属性作为标识，有利于实现创新方法和知识的结合^[15]。知识的领域属性是常见的知识分类依据，定义知识的领域对知识查找和系统推送不同领域知识都有重要意义。

综上，本文选取了功能、输入输出流、TRIZ原理及领域属性作为知识的创新属性。

1.2.2 创新属性的关联

知识的关联是实现知识查找、知识推送的重要前提，有利于设计者知识空间的扩展，可实现知识的跨领域迁移重用。知识库系统中有定义好的属性结构关系，知识条通过创新属性添加相应的属性，从而实现不同类别知识间的相互关联，通过各创新属性的关联实现知识的多属性关联，如图 3所示。

1) 功能属性关联。

功能需求是产品开发设计过程中最基本的需求之一，功能属性是设计知识的重要标识。知识的功能关系主要通过关联功能基^[16]实现，功能基与知识的关联如图 4所示。

2) 输入输出流属性关联。

输入输出流属性是对知识物质、能量、信息流的描述，设计过程往往是通过物质、能量和信息的流动对产品进行分析，通过“输入输出流”属性可查找到所需知识。知识的输入输出流关联可通过基本流实现，流基本类型如表 2所示^[17]。

3) TRIZ原理属性关联。

TRIZ原理属性是对知识中的发明原理、标准解、技术参数及进化法则的提取和表达, 因此，TRIZ原理属性既是对知识中创新规律的提取，同时也是对TRIZ高度抽象解的知识补充。TRIZ原理属性与知识的关联如图 5所示。

4) 领域属性关联。

领域属性是对知识所属领域分类的标识，方便用户查找特定领域的知识，以及根据设计阶段的不同向用户推送不同领域的设计知识。领域属性与知识的关联如图 6所示。

1.3 知识的基本属性 1.3.1 基本属性的确定

知识的基本属性是对设计知识具体内容的表达，满足创新设计和多学科表达的需要。设计者在获取所需知识后，通过类比(analogy)、组合(combination)、转换(transformation)、突现(emergence)及第一原理(first principle)等创新思维^[18]对设计知识的功能、行为、原理和结构进行创新设计。文献[19]将创新设计的输出归纳为创造性输出、创意输出、原始设计输出、自适应输出及变式输出，分别对应原始想法、系统创意、行为、功能和结构的创新。产品概念设计过程主要包括需求获取、问题分析、功能设计、原理设计、结构设计等，主要涉及需求、功能、原理、结构等方面的知识^[20]。

综上，选择知识背景、功能、原理、结构四个属性作为知识的基本属性，对知识的具体内容进行表达。

1.3.2 知识内容的综合表达

知识的基本属性主要包含知识的背景、功能、原理和结构属性，可以实现知识的多层面表达。通过选择不同的基本属性组合可以实现多类别知识的表达，如专利和设计实例知识可以根据4个基本属性进行表达，科学效应知识可以用背景(约束)、功能和原理三个属性进行表达。各基本属性的具体含义和内容如下：

1) 背景。知识的背景属性主要涉及知识的环境信息，包括知识的需求信息、问题描述、问题分析和使用条件等内容。

2) 功能。功能属性是将知识总功能分解，得到知识的功能模型，组成知识的功能体系结构。知识的功能属性采用功能结构树和语义描述进行表达。

3) 原理。原理知识是对设计知识中所包含的科学原理，产品或技术中能量、物质、信息流动行为的分析。原理属性主要采用行为分析图、公式和语义描述进行表达。

4) 结构。结构属性是功能实现的载体，是设计的目标。结构属性的表达主要通过图纸、三维模型进行展示，并通过语义进行详细描述。

1.4 知识的表达模板

为了构建知识模型，且更有效地使用和管理知识，采用知识模板的表达方法。知识模板(knowledge template，KT)^[21]是一种为辅助产品创新设计的规范性知识表示方法，具有抽象层次高、适应性强、添加和修改知识方便等优点，能够很好地满足基于计算机技术、面向设计者创新设计的设计知识的表达需求。

根据上文对知识多属性和结构的分析，知识表达的框架如图 7所示，知识模板主要包含知识ID、标题、关键词、创新属性、基本属性和其他信息。知识的创新属性包括功能、输入输出流、TRIZ原理和领域属性，每类创新属性的表达又分为概念描述、语义描述和属性关系定义；知识的基本属性主要包括背景、功能、原理和结构属性，每类基本属性的表达又包括语义描述和图表、公式描述；知识的其他信息主要包含参考文献、知识版本、添加者和添加日期等内容。

知识表达模板的具体界面如图 8所示，主要分为基本内容和详细内容两部分。基本内容主要包括4个部分：图片、标题区、创新属性区及操作区，便于用户快速查看知识的主要内容，实现对知识的相关操作。图片是知识的关键信息，有利于用户了解知识的主要内容；标题区包含标题和关键词；创新属性区显示对功能、输入输出流、TRIZ原理、领域属性的多属性表达，通过点击“属性标识”可以实现相关知识的查找；操作区是对知识的功能操作，主要包括用户对知识的收藏、分享及将知识加入解决方案等操作。

图 8中详细内容模块是知识具体内容的展示，主要包括左侧的“相关知识”区、右侧的“具体内容”区以及文末的“参考文献”区。“相关知识”区是根据用户的知识需求如检索词、设计任务等，向用户推送相关知识，也可以根据知识的相关属性，向用户推送相关知识，以帮助用户查找所需的知识。“具体内容”区显示对知识详细内容的阐述，主要从知识的背景、功能、原理、结构四个方面，通过文字、图片、3D模型、视频等形式对设计知识进行全面的表达。参考文献及链接可以方便设计者查看知识来源，获得更全面的知识。

2 创新设计知识库系统模型

创新设计知识库系统是一个基于Web的知识管理系统，主要包括三大部分：用户层、功能层和数据层，如图 9所示。

1) 用户层。

用户通过浏览器访问知识库系统，获取知识服务。用户层主要包括知识内容、登录/注册和个人中心三个显示界面，“知识内容”界面是知识服务的显示界面，是知识模型的具体体现；通过“登录/注册”可以建立更加完整的用户模型，获得个性化的知识服务；在“个人中心”中，用户可以很好地管理收藏知识、个人知识、设计方案等资源。

2) 功能层。

功能层的主要功能模块有：知识模板管理、知识关系管理、请求分配管理、知识检索和知识推送。

知识模板管理主要包括对知识模板和知识条内容的管理，即对知识模板属性的编辑，知识条的增加，对已有知识属性的重新定义和内容的编辑、删除、锁定、发布等。

知识关系管理是对知识创新属性关系的编辑，如功能基、输入输出流、TRIZ原理的编辑以及领域属性的细分与扩展，知识关系管理有利于知识更合理地组织，增强知识库系统的适应性。

请求分配管理主要处理来自用户界面的请求，将请求转化为适合各个模块的格式，请求分配器还可提供其他调用和接收各个功能模块结果的API(application programming interface, 应用程序编程接口)。

知识检索是知识库最主要的知识获取方式，主要依据检索词匹配知识标题、知识标签、知识属性等查找知识，同时，可通过语义网扩展检索词，为用户提供全面的相关知识。

知识推送是指知识库系统主动向用户推送相关知识，主要有2个方面的推送：一是推送用户正在浏览知识的相关知识，主要通过知识的相似度计算，向用户推送相近的知识；二是根据用户特征和检索需求，推送用户可能感兴趣的知识。

3) 数据层。

知识库系统的底层是数据层，主要包括知识内容、知识创新属性关系和语义库等。知识内容用于存储知识的具体内容；知识创新属性关系主要包括功能关系、领域关系、TRIZ原理关系；语义库主要用于扩展检索词，可以提高知识检索的准确性和全面性。

3 设计实例分析

本文以压水型核反应堆下部构件的创新设计为设计实例，验证本文的知识模型在表达多学科知识和对创新设计的有效性。压水型核反应堆主要由反应堆压力容器、堆心组件和堆心下部构件组成。但现有堆心下部结构存在流量分配不均匀、结构复杂等不足，因此需要对堆心下部构件进行创新设计。

3.1 问题分析

反应堆工作时，冷却剂从压力容器入口流入，堆心下部的冷却剂流动情况复杂，存在大量涡流，导致堆芯入口流量分配不均。堆下结构的主要功能为搅匀冷却液，消除涡流，实现流量均匀分配，以及支撑堆心。

因此，定义的知识需求主要包括以下几点：设计目标是压水堆堆下构件；功能需求是消除涡流；通过TRIZ矛盾矩阵的分析，定义问题的改善参数是静止物体的面积，恶化参数是能量损失，需得到的发明原理解为改变空间维数、嵌套原理、柔性材料和弹性体。

3.2 设计知识获取

首先通过设计目标“压水堆堆下构件”检索知识库，得到现有堆下结构知识，现有堆下结构如图 10(a)所示^[22]。然后通过功能需求“消除涡流”检索知识库，得到相关的原理和结构知识，例如：在原理方面，涡流是否发生可以通过雷诺数Re判断，Re=ρvL/μ，主要与流体密度ρ、速度v、管道长度L、黏度μ有关；在结构方面，得到一种射流槽结构，如图 11所示，该射流槽沿压水室内壁圆周方向均匀布置，可以抑制涡流的产生。最后的发明原理解为改变空间维数、嵌套原理、柔性材料和弹性体。通过“嵌套原理”检索知识库，得到与此相关的设计知识，如嵌套式储物架、伸缩机翼、组合骰子等。

3.3 创新方案的生成

通过类比、组合等创新思维应用知识迁移产生创新方案。首先，现有堆下结构中的能量吸收仪、流量分配板都是成熟可利用的结构；其次，根据雷诺数原理和已有吊篮结构，设计了一体式吊篮，它与压力容器为同圆心，可以避免因下空腔突然变大而产生大量涡流，通过类比射流槽的方案，得到在吊篮上开射流槽的方案；最后，运用嵌套原理，将已有的成熟结构嵌套在吊篮内，得到创新方案，如图 10(b)所示。

3.4 实例小结

通过问题分析，得到了相关的知识需求，并对知识进行检索。通过基本属性需求——设计目标，检索得到本领域相关的知识；通过创新属性需求(功能、TRIZ原理)检索得到其它领域的多类别知识，实现跨领域的知识扩展；最后通过创新思维对得到的多类别知识进行交叉迁移，产生创新方案。通过实例说明了基于多属性多维度多层次的知识表达模型能够实现对不同类型知识的综合表达，有利于知识的迁移应用。

4 结论

本文针对目前创新设计中仍然缺乏高效统一的知识表达模型，通过对创新设计过程知识需求和知识内容表达进行分析，提出了利用创新属性和基本属性对知识进行多属性多维度多层次的表达，通过创新属性实现了知识的多属性关联和查找，通过基本属性实现对多学科知识的表达。并根据知识表达模型建立了创新设计知识库系统，最后以核反应堆堆下结构改进设计为例，对设计过程中知识的使用过程进行了分析，说明了基于3M特征的知识表达模型能够实现对设计知识的统一表达和管理，创新属性有利于设计者从多维度获取设计知识，基本属性有利于设计者对知识的不同层面进行类比、组合、迁移和重用，从而更好地查找和使用知识，实现产品的创新设计。