基于實體數(shù)據(jù)模型的棉紡工藝知識表示

李 華，楊建國，項 前，呂志軍

（東華大學 機械工程學院，上海 201620）

基于實體數(shù)據(jù)模型的棉紡工藝知識表示

李 華，楊建國，項 前，呂志軍

（東華大學 機械工程學院，上海 201620）

為解決棉紡行業(yè)產(chǎn)品工藝設計對知識的快速響應問題，在研究和分析現(xiàn)有多種知識表達方法及其優(yōu)缺點的基礎上，提出了利于程序?qū)崿F(xiàn)的基于實體數(shù)據(jù)模型的關系數(shù)據(jù)庫知識建模方法，分析了數(shù)據(jù)實體間的概念屬性、關聯(lián)和約束，完成了由關系模型向?qū)嶓w數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換.最后，將該知識建模方法應用于棉紡行業(yè)產(chǎn)品工藝設計中，并通過原型系統(tǒng)的實現(xiàn)驗證了該方法的可行性和有效性，輔助工藝人員縮短了產(chǎn)品工藝設計周期，利于同行業(yè)產(chǎn)品工藝設計知識的共享和重用，提高了知識的可維護性和可擴展性.

知識表達；關系數(shù)據(jù)模型；實體數(shù)據(jù)模型；棉紡工藝

隨著知識經(jīng)濟全球化趨勢的加強和信息網(wǎng)絡時代的到來，紡織行業(yè)迫切需要加快技術進步，推進產(chǎn)業(yè)升級，加快企業(yè)信息化建設步伐[1]，以適應個性化、小批量、多品種、快交貨的市場需求.紡織工業(yè)設計是一個繼承與重用設計知識的過程，對知識的依賴性很強，而紡織行業(yè)作為勞動密集型的傳統(tǒng)老工業(yè)，工藝知識體系復雜龐大，包括企業(yè)長期積累下來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)以及手冊信息、決策知識和模型數(shù)據(jù)等等.由于棉紡行業(yè)普遍存在著加工工序繁多、工藝復雜且經(jīng)驗性很強，工藝設計方法工作量大、工藝更改頻繁等特征[2-3]，使得工藝設計知識在表達和存儲上尚未形成統(tǒng)一的表述和規(guī)范，知識的可移植性和可維護性差.在調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)目前許多中小型棉紡企業(yè)信息化程度低，工藝知識的存儲和管理都仍停留在傳統(tǒng)的手工運作上，難以實現(xiàn)工藝設計中對知識的快速檢索和重用以及產(chǎn)品加工過程中對工藝設計知識的高效反饋.為了滿足企業(yè)對工藝知識最大程度上的共享與重用，以及人們對信息存儲越來越多的趨向于動態(tài)性、實時性和交互性的要求，本文研究了基于實體數(shù)據(jù)模型的棉紡工藝設計知識關系數(shù)據(jù)庫建模方法，對涉及產(chǎn)品全生命周期的各種復雜工藝知識資源進行重組和管理，以期實現(xiàn)對知識的有效挖掘和快速檢索，縮短產(chǎn)品工藝設計周期，提高產(chǎn)品工藝設計的智能化水平和企業(yè)信息化水平，利于企業(yè)內(nèi)知識共享與創(chuàng)新.

1 知識表示方法研究

知識表示是知識工程的關鍵技術之一，也是人工智能的重要研究領域.人工智能問題的求解是以知識為基礎的，知識表示是研究如何將已獲取的客觀世界的實體、關系等以最恰當?shù)姆绞睫D(zhuǎn)換成計算機語言可以識別和處理的符號和形式.目前國內(nèi)外學者已對多種知識表示的方法進行了研究和應用，一般傳統(tǒng)的基于人工智能的知識表示方法主要有謂詞、語義網(wǎng)絡、框架、產(chǎn)生式規(guī)則等，下面列出了目前工程應用中常見的知識表示方式及其優(yōu)缺點[4-5].

（1）謂詞邏輯表示法.利用邏輯公式推理描述對象、性質(zhì)、狀況和關系，它是人工智能領域中使用最早和最廣泛的知識表示方法之一.謂詞邏輯適合表示事物的狀態(tài)、屬性、概念等事實性知識以及事物間確定的因果關系，但是不能表示不確定性知識，推理效率很低.

（2）產(chǎn)生式規(guī)則.用“IF A THEN B”的產(chǎn)生式規(guī)則形式來表示事物或知識的因果關系，適應于經(jīng)驗型領域，知識的因果關系明確，自然靈活，便于理解，推理過程清晰，但是效率低，易造成規(guī)則沖突或組合爆炸.

（3）語義網(wǎng)絡.一種采用網(wǎng)絡形式表達人類知識的方法，包括有向圖、節(jié)點、關系等，適應于依據(jù)明確分類進行推理的領域和處理事物的狀態(tài)、性質(zhì)、動作間關系的場合，自然直接，體現(xiàn)了聯(lián)想的思維過程，但無法保證推論的嚴格性和有效性.

（4）框架.把某一事件或?qū)ο蟮乃兄R貯存在一起的數(shù)據(jù)結(jié)構形式，框架表示事物對象組成，槽表示事物屬性，適用于知識具有較強層次的領域和表達事物屬性具有繼承性的場合，由淺入深，由表及里，但多重繼承易產(chǎn)生歧義.

（5）面向?qū)ο?將客觀世界抽象為實體對象，相似實體抽象為較高層次的實體，實體之間以某種方式發(fā)生聯(lián)系.面向?qū)ο缶哂刑烊坏膶哟涡院徒Y(jié)構性，對象的定義有良好的兼容性和靈活性，易擴展和維護，但由于過多的依賴繼承，使得程序?qū)崿F(xiàn)需要一定的軟件技術支持環(huán)境，理論和技術尚不成熟，有待繼續(xù)完善.

（6）關系模型.關系模型是用二維表形式表示實體和實體間聯(lián)系的數(shù)據(jù)模型.它建立在嚴格的數(shù)學概念基礎上，也是相對較成熟的數(shù)據(jù)建模方法，具有數(shù)據(jù)結(jié)構簡單靈活，易操作、易理解和易維護的優(yōu)點，可以很方便的設計數(shù)據(jù)實體、實體屬性和實體間關聯(lián)約束，也便于程序的實現(xiàn)和數(shù)據(jù)訪問；但是數(shù)據(jù)類型的表達能力較差，不能直接支持復雜數(shù)據(jù)類型，而且在處理大量的表和復雜連接運算時，查詢功能較差.

（7）基于本體.本體是對領域?qū)嶓w存在本質(zhì)的抽象，強調(diào)實體間的關聯(lián)，并通過多種知識表示元素將這些關聯(lián)表達和反映出來.構建本體的目的是為了實現(xiàn)某種程度知識的共享和重用，目前在知識表示研究領域應用較多，但是基于本體的數(shù)據(jù)存儲尚存在問題，而且將本體應用于一定數(shù)據(jù)模型，在語義描述上也存在很大的沖突和冗余，可能會帶來巨大的性能代價，難于進行快速有效的知識推理.

知識表示對于問題能否求解和是否便于程序?qū)崿F(xiàn)有重大影響，知識結(jié)構的正確表示很關鍵，所以要選擇和設計一種實用的表達模式.考慮的因素包括（但不限于）：①能否準確有效的表達；②表達規(guī)則是否簡單，便于理解和應用；③便于知識擴展和維護；④便于知識訪問和程序?qū)崿F(xiàn)；⑤支持自上而下、逐步求精的設計原則；⑥盡量符合人類普遍的思維形式[5].

2 構建棉紡工藝設計知識模型

2.1 棉紡工藝設計知識獲取和分類

棉紡工藝知識所涉及到的知識量和信息量相當龐大，其存在形式也是多樣化的，貫穿于產(chǎn)品全生命周期之中，從產(chǎn)品調(diào)研、工藝設計、產(chǎn)品加工，質(zhì)量預測和控制，都離不開工藝知識.棉紡行業(yè)生產(chǎn)工序繁多，工藝路線多變，品種翻改頻繁，工藝計算復雜，經(jīng)驗性知識占主導，目前在同行業(yè)同領域之間尚缺乏對工藝知識的規(guī)范化統(tǒng)一描述和組織.通過對該領域工藝設計知識的分析、過濾和剔除，將工藝知識分為以下模塊進行描述[6].

（1）定義性知識：定義性知識相當于知識表示中對確定性知識的概念化和直觀化的描述，便于理解和操作.這類知識廣泛存在于工藝設計知識庫中，例如工藝設計中對各項工藝參數(shù)“捻度”、“鉗口”、“馬達盤”等的自定義命名，是具有明確前提和結(jié)論的知識.

（2）事實性知識：事實性知識是從實際生產(chǎn)中得來的在工藝設計過程中不可主觀輕易變更的知識，例如加工棉質(zhì)產(chǎn)品的工藝流程必須要經(jīng)過梳棉工序，這就是一個事實性知識.

（3）規(guī)則性知識：規(guī)則性知識是專家經(jīng)驗性知識的積累，是經(jīng)過實踐證明是正確的、且易于表述和易于用程序化語言來描述的知識.這類知識較容易轉(zhuǎn)化為計算機系統(tǒng)可實現(xiàn)的知識，例如工藝設計過程中的工藝計算公式和推理得到的恒定知識結(jié)果都屬于規(guī)則性知識.

（4）過程性知識：過程性知識是指把相關的公式和推理有序組織在一起形成整體性較強的知識，是定義性知識和規(guī)則性知識的集成，例如根據(jù)工藝設計的輸入?yún)?shù)通過推理得到各項輸出參數(shù)的過程就屬于過程性知識.

基于本文作者對棉紡領域工藝設計知識需求的調(diào)研和分析，獲取了該領域工藝知識某種程度上的概念化術語和邏輯關系，并通過E-R圖描述了棉紡行業(yè)工藝設計知識結(jié)構，如圖1所示.E-R圖中將各類定義性和事實性知識描述為實體，將規(guī)則性和過程性知識描述為實體間的關聯(lián).

圖1 棉紡工藝知識E-R模型Fig.1 E-R model of cotton process knowledge

2.2 基于關系數(shù)據(jù)庫的棉紡工藝設計知識表達

由于棉紡工藝知識的理論性、經(jīng)驗性、不確定性以及工藝數(shù)據(jù)的動態(tài)性，使得對工藝知識的識別、存儲和管理，迄今都很難用簡單的數(shù)學模型進行理論分析與決策[3].基于棉紡行業(yè)工藝知識的特殊性和復雜性，本文研究了基于關系數(shù)據(jù)模型的工藝知識表達方式，相比于其他關系模型，關系數(shù)據(jù)庫有著對知識描述更加直觀、易于用戶理解、易維護、結(jié)構關系層次清晰、易于開發(fā)人員在Web平臺下對知識的快速檢索和訪問等優(yōu)點，使得關系數(shù)據(jù)模型在一定程度上便于程序的實現(xiàn)和知識的共享.

關系模型建立在嚴格的數(shù)學概念基礎上，并且嚴格遵從一定的規(guī)范和規(guī)則約束.關系模型中數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構是若干的二維表，每張二維表由行和列組成，行和列的設計都應滿足一定程度的范式，關系模型中包括以下概念術語[7]：

（1）關系（Relation）：一個關系通常對應一張表；

（2）元組（Tuple）：表中一行代表一個元組；

（3）屬性（Attribute）：表中一列代表一個屬性；

（4）主外鍵（PK/FK）：主鍵確保表中屬性列可唯一標識一個元組，外鍵保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性；

（5）域（Domain）：表中屬性列的取值范圍；

（6）分量：元組中的一個屬性值；

（7）關系模式：對關系的描述一般表示為關系名（屬性1，屬性2，…，屬性n）.

在關系模型理解的基礎上，本文利用SQL 2008關系數(shù)據(jù)庫來構建棉紡工藝設計知識存儲模型，將關系數(shù)據(jù)庫的設計分解為兩部分數(shù)據(jù)，一部分是元數(shù)據(jù)，也稱為模式，包括關系（表）名、關系的屬性、主外鍵約束；另一部分是數(shù)據(jù)粒度，包括元組、域和屬性值.通過這兩部分實現(xiàn)關系數(shù)據(jù)庫中實體和實體間關聯(lián)的設計.為了實現(xiàn)對棉紡行業(yè)復雜工藝知識的準確表達和識別，表1給出了棉紡工藝知識數(shù)據(jù)庫的部分關系模式元數(shù)據(jù)結(jié)構，描述了各類實體概念、屬性及其邏輯關系，包括機臺表、工序表、各機臺工藝項目表以及知識管理信息表等.

表1 棉紡工藝知識關系模型Tab.1 Spinning process knowledge relation model

該關系模型在表和表字段命名上分別遵從了關系數(shù)據(jù)庫設計的一定命名規(guī)范，并結(jié)合了各種易于思維理解和計算機語言易識別的知識定義和描述，將工藝知識按概念類別分別重組和統(tǒng)一命名，提取共性的工藝設計知識組成一類實體，個性存在的工藝知識獨立為單個實體，一定程度上有效避免了知識概念劃分上的二義性和冗余性，如“設備”+“_Para”構成一類表，代表所有設備上機工藝參數(shù)的知識；“T”（Total縮寫）或“M”（Management縮寫）代表總工藝設計和分工藝設計的知識管理信息記錄；“Q”（Quality縮寫）+“各大工序名稱”構成一類表，代表產(chǎn)品質(zhì)量指標信息；“設備”+“_KB”+“自定義參數(shù)名”構成一類表，代表過程性推理知識等.

各知識表之間不是獨立存在的個體，而是受關系主外鍵約束的一組關聯(lián)表的集合.各關系表在關系模型中稱之為實體，實體與實體之間存在關聯(lián).一般情況下，一個關系的主鍵包含一個屬性，則這樣的關系表示一個實體；對于一個關系的主鍵包含一個以上的屬性，所有屬性又都是關系的外鍵，這樣的關系就對應著實體間的一個關聯(lián)；對于一個關系中既存在主鍵列也存在外鍵列的情況，外鍵列可以和其他實體產(chǎn)生關聯(lián)，也可以在關系內(nèi)部主鍵列和外鍵列形成自引用的關系，這種聯(lián)系相當于實體內(nèi)部繼承的關系.如表1中，“設備”+“_KB”+“自定義”的一類關系中主鍵列ID只包含一個屬性，不與其他表發(fā)生關聯(lián)，代表一個獨立的實體；“設備”+“_Para”這類表中的屬性列M_PlanningID既是關系的主鍵又是關系的外鍵，則這類表和關系M_Planning之間存在引用關系；Machine和Procedure關系中即存在主鍵列ID，也存在外鍵列ProcedureID和PID，關系Machine中外鍵列ProcedureID表示實體Machine和Procedure之間存在引用關系，關系Procedure中外鍵列PID和其主鍵列ID在關系內(nèi)部形成父子關聯(lián)，即自引用關系.

為了提升對模型的數(shù)據(jù)訪問和查詢性能，實現(xiàn)Web客戶端界面的快速響應，在關系數(shù)據(jù)庫中特別添加了一些中間關聯(lián)表，以降低知識查詢的負荷，提高程序運行的性能，如表1中的工藝項目中間關聯(lián)表“Param”和“InOut”表.同時，關系模型中適當應用了索引、存儲過程、視圖和函數(shù)等，使用存儲過程在于其執(zhí)行速度快，效率高，易維護，可降低網(wǎng)絡通信量[4]，適應企業(yè)規(guī)則運算的多變性，一般和函數(shù)一起使用.在本文所構建的關系模型中主要利用存儲過程和函數(shù)定義表和表字段的擴展屬性，以實現(xiàn)Web可視化界面；使用索引提高了對知識數(shù)據(jù)的快速檢索，可縮短產(chǎn)品工藝設計的周期；視圖是關系數(shù)據(jù)庫中的虛表，視圖中所包括的數(shù)據(jù)列和數(shù)據(jù)行全部來源于關系數(shù)據(jù)庫中的基表，利用視圖，可使眾多的復合查詢代碼變的簡單易懂.

3 關系模型到實體數(shù)據(jù)模型的映射

實體數(shù)據(jù)模型（EDM）是ADO.NET實體框架的核心，它是一種將應用程序數(shù)據(jù)定義為多組實體和關系的設計規(guī)范，包括邏輯層、映射層和概念層[8].從關系模型到實體數(shù)據(jù)模型的映射實質(zhì)上就是從數(shù)據(jù)邏輯存儲層到概念設計層的映射，從而使開發(fā)人員能夠針對概念性實體數(shù)據(jù)模型，便于進行ORM（對象關系映射）封裝，利用ADO.NET實體框架提供的對象服務和數(shù)據(jù)訪問引擎等組件實現(xiàn)類的訪問，便于程序?qū)崿F(xiàn)，同時可減少開發(fā)代碼量和代碼維護工作量.圖2所示為關系模型到實體數(shù)據(jù)模型的映射.

圖2 概念實體數(shù)據(jù)模型Fig.2 Conceptual entity data model

在圖2中可以看到，它將關系數(shù)據(jù)庫中的關系對象轉(zhuǎn)換成實體對象（Entity），數(shù)據(jù)表屬性字段轉(zhuǎn)換為標量屬性（Property），實體間關系則轉(zhuǎn)換為關聯(lián)屬性（Association），實體間的主外鍵約束轉(zhuǎn)換為導航屬性（Navigation），每個獨立存在的實體稱之為一個實體集，讓數(shù)據(jù)庫的（E/R）模型完全轉(zhuǎn)換成對象模型.

4 在棉紡行業(yè)的應用實例

本文所研究的棉紡工藝知識關系數(shù)據(jù)庫建模方法是基于.NET Framework 3.5 SP1中ADO.NET實體框架技術，通過利用VS2008開發(fā)環(huán)境和SQL 2008工具，完成了棉紡工藝知識關系數(shù)據(jù)模型到概念實體數(shù)據(jù)模型的映射，并采用C++面向?qū)ο缶幊陶Z言實現(xiàn)了棉紡行業(yè)復雜工藝知識的Web應用，其具體實現(xiàn)過程如圖3所示.

圖3 工藝知識Web系統(tǒng)實現(xiàn)過程Fig.3 Web system realization process

目前，該智能工藝設計原型系統(tǒng)已在多家紡織行業(yè)推廣和應用，在實踐中切實提高了工藝知識的可移植性和可維護性，同時縮短了產(chǎn)品工藝設計周期，極大地提高了工藝發(fā)布效率和企業(yè)信息化水平，在同行業(yè)之間逐步形成了工藝知識的范式描述和表達，實現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)部知識的共享和重用.圖4為工藝設計知識客戶端應用界面.

圖4 工藝設計客戶端界應用界面Fig.4 Client application interface based on EDM

5 結(jié)束語

棉紡行業(yè)是一個知識相對密集和復雜的傳統(tǒng)工業(yè)領域，在長期的生產(chǎn)實踐中形成了大量的工藝經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的單一形式的對工藝知識的手工存儲和管理已不能滿足工藝設計的需求，基于棉紡行業(yè)的特殊性和復雜性，更加需要由專門用于知識管理的工藝系統(tǒng)來滿足工藝設計人員對知識的需求.本文在研究國內(nèi)外現(xiàn)階段多種知識表達方式的基礎上，從實際應用和可行性的角度提出了針對棉紡行業(yè)的基于實體數(shù)據(jù)模型的關系數(shù)據(jù)庫建模方法.該方法便于將關系模型中的實體、屬性、關聯(lián)、約束以及存儲過程、函數(shù)等映射為概念實體數(shù)據(jù)模型，方便開發(fā)人員利用.采用NET開發(fā)環(huán)境中最新開發(fā)技術和最新數(shù)據(jù)訪問技術對實體對象進行操作，同時也便于基于Web的智能工藝設計平臺的實現(xiàn).

基于實體數(shù)據(jù)模型的關系數(shù)據(jù)庫知識建模方法目前在很大程度上解決了棉紡行業(yè)長期以來的知識獲取和知識管理瓶頸問題，克服了紡織行業(yè)數(shù)據(jù)建模的困難，提高了解決實際問題的能力.關系數(shù)據(jù)建模在知識的表示上雖具有靈活性和結(jié)構簡單等優(yōu)點，但也有其自身的不足和缺陷.例如，對于特殊復雜知識的數(shù)據(jù)類型表達能力差，以及對于處理大量的數(shù)據(jù)實體及其關聯(lián)過多的復合查詢性能較差等問題都需要進一步研究.隨著知識表達方式的深入探索和研究，基于關系模型的多種表達方式相結(jié)合的混合知識表示方式也是有待研究的一個方向.

[1]王曉紅.加速信息化建設，改造傳統(tǒng)紡織企業(yè)[J].天津工業(yè)大學學報，2002，21（3）：37-39.

[2]呂志軍，項 前，殷祥剛，等.基于案例的紡織工藝知識重用技術研究[J].計算機工程與應用，2005，41（14）：218-220.

[3]楊開英，胡迎九.基于框架與規(guī)則相結(jié)合的棉紡工藝專家系統(tǒng)知識庫的設計[J].微計算機應用，2004，25（6）：735.

[4] 徐寶祥，葉培華.知識表示的方法研究 [J].情報科學，2007，25（5）：691-693.

[5]呂志軍，項 前，殷祥剛，等.知識表達及其在毛紡織工藝設計中的應用[J].紡織學報，2005，26（6）：116-118.

[6]楊紅飛，饒錫新.再制造工藝知識分類與管理[J].裝備制造技術，2008（3）：69.

[7]周其樂.淺談關系型數(shù)據(jù)庫[J].科技資訊，2009（4）：15.

[8]LERMAN Julia.Programming Entity Framework[M].New York：O′Reilly Media Inc，2009：19-24.

Cotton textile process knowledge representation based on entity data model

LI Hua，YANG Jian-guo，XIANG Qian，LU¨Zhi-jun
（College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China）

To resolve the knowledge rapid response of cotton process design，the advantages and disadvantages of various existing knowledge representation methods are studied and analyzed，a relational database modeling which benefits program implementation based on entity data model（EDM）is proposed，the attributes，associations and constraints of entities are analysed，the conversion from the relational model to the entity data model is completed.Finally，the knowledge modeling method is applied to the product process design of cotton spinning industry，the feasibility and effectiveness is verified by the realization of prototype systems，which assisted process designers to shorten the product process design cycle.Furthermore，it′s much better for designers to share and reuse product process design knowledge，extensibility and maintainability of knowledge is improved.

knowledge representation；relational data model；entity data model；cotton textile process

book=3,ebook=105

TP315；TS105

A

1671-024X（2010）03-0029-05

2010-01-08 基金項目：國家科技支撐計劃項目基金資助（2006BAF01A44）；上海市重點學科建設基金資助（B602）

李 華（1984—），女，碩士研究生.

楊建國（1951—），男，教授，博士生導師.E-mail：jgyangm@mail.dhu.edu.cn