基于本體和知識組件的自行火炮設(shè)計知識表示技術(shù)

羊柳，錢林方，丁晟春，徐亞棟

（1.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京210094；2.南京理工大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，江蘇南京210094）

基于本體和知識組件的自行火炮設(shè)計知識表示技術(shù)

羊柳1，錢林方1，丁晟春2，徐亞棟1

（1.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京210094；2.南京理工大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，江蘇南京210094）

自行火炮各類設(shè)計知識如果未得到有效地組織和表示，會導(dǎo)致設(shè)計過程中難以重用已有設(shè)計知識。針對該問題，提出了一種基于本體和知識組件的知識表示方法。通過分析自行火炮設(shè)計知識的表示需求，研究自行火炮設(shè)計本體的組織方式和知識組件的開發(fā)策略，構(gòu)建自行火炮設(shè)計本體與知識組件的映射關(guān)系，實現(xiàn)自行火炮設(shè)計知識的表示。在此基礎(chǔ)上，通過開發(fā)專用知識檢索系統(tǒng)，使設(shè)計人員能快速重用已有的設(shè)計知識。以中大口徑壓制自行火炮為例，實現(xiàn)了設(shè)計知識的表示和重用，驗證了所提出方法的可行性和有效性。

兵器科學(xué)與技術(shù)；自行火炮；知識表示；本體；知識組件

0 引言

自行火炮由炮塔火力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)及綜合電子信息系統(tǒng)3個分系統(tǒng)組成，是集機械、液壓、電氣和控制等于一體的復(fù)雜機械產(chǎn)品［1］。在自行火炮長期的理論研究、工程設(shè)計和生產(chǎn)中逐步積累了豐富的設(shè)計知識，如自行火炮的專業(yè)知識、自行火炮設(shè)計流程、大量的設(shè)計實例以及多種不同類型的分析計算程序等。

目前國內(nèi)外針對產(chǎn)品設(shè)計知識表示方法開展了廣泛的研究，常用的知識表示方法包括:面向?qū)ο蟊硎痉?、基于本體的表示法、產(chǎn)生式表示法以及框架表示法等，而針對火炮設(shè)計知識的表示方法僅開展了有限的研究，如文獻［2］提出了一種基于模板的身管設(shè)計系統(tǒng)，將部分身管設(shè)計知識封裝成設(shè)計模板；文獻［3］采用以框架為基礎(chǔ)的集成知識表示模式開展地面火炮總體方案設(shè)計知識表示，文獻［4］采用基于框架的集成式知識表示模型實現(xiàn)了火炮裝藥設(shè)計專家系統(tǒng)的知識表示。上述表示方法僅針對火炮某個部件或某個設(shè)計階段，無法完整描述自行火炮各類設(shè)計知識，包括自行火炮的概念體系、自行火炮不同設(shè)計階段的設(shè)計過程、各設(shè)計過程中涉及的分析計算過程等，導(dǎo)致自行火炮各類設(shè)計知識未得到完整有效地組織和表示。針對上述問題，本文在分析現(xiàn)有復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計知識表示方法［5-8］的基礎(chǔ)上，結(jié)合自行火炮設(shè)計知識自身特點及設(shè)計過程中知識的利用方式，提出了基于本體和知識組件的自行火炮設(shè)計知識表示方法，實現(xiàn)了自行火炮各類設(shè)計知識的完整表示。

1 自行火炮設(shè)計知識表示需求

1.1 自行火炮設(shè)計知識

自行火炮設(shè)計過程中，設(shè)計人員需在掌握設(shè)計對象特點的基礎(chǔ)上，按照一定設(shè)計步驟，結(jié)合已有設(shè)計資料、設(shè)計經(jīng)驗和過往設(shè)計實例，反復(fù)開展各類分析計算，調(diào)整各種設(shè)計參數(shù)，確定自行火炮總體或某個部件的設(shè)計方案。本文將自行火炮設(shè)計過程中涉及的知識分為兩類:一類是邏輯性設(shè)計知識，另一類是形象性設(shè)計知識，二者間存在較強的耦合關(guān)系。圖1為以復(fù)進機為例的自行火炮設(shè)計知識片段。

圖1 自行火炮設(shè)計知識片段Fig.1 Part of design knowledge of self-propelled artillery

本文定義的自行火炮邏輯性設(shè)計知識是指能用文字直接表達的，描述自行火炮設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)概念、設(shè)計流程等邏輯性問題的知識。主要包括:自行火炮領(lǐng)域內(nèi)固有的概念及其特征，自行火炮總體及各部件在不同設(shè)計階段的設(shè)計流程，各設(shè)計流程中對應(yīng)的設(shè)計步驟，各設(shè)計步驟中的分析計算過程，各設(shè)計步驟涉及的設(shè)計參數(shù)、設(shè)計參數(shù)的約束及選取經(jīng)驗。

自行火炮形象性設(shè)計知識是指自行火炮領(lǐng)域內(nèi)各類可被“物質(zhì)化”［9］的，卻難以用文字直接進行描述的知識，主要包括以下3類:1）自行火炮設(shè)計案例；2）自行火炮設(shè)計資源，如圖片、視頻、文檔等；

3）分析計算過程，如內(nèi)外彈道計算、發(fā)射穩(wěn)定性分析、高低溫壓力曲線計算等。

1.2 知識表示需求

針對自行火炮設(shè)計知識的特點，其表示需求包括以下兩個部分:

1）建立全面有效的設(shè)計知識邏輯描述結(jié)構(gòu)，準確描述自行火炮邏輯性設(shè)計知識，以便實現(xiàn)邏輯性設(shè)計知識與形象性設(shè)計知識的解耦。

經(jīng)過長期理論研究和設(shè)計實踐，自行火炮領(lǐng)域內(nèi)已存在一套相對固定的核心概念體系和一系列成熟的設(shè)計流程。但是，自行火炮概念體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計流程多樣，二者間邏輯關(guān)系復(fù)雜。為此，本文提出將本體思想引入自行火炮設(shè)計知識表示中，圍繞自行火炮設(shè)計過程開展本體構(gòu)建，以準確表示邏輯性設(shè)計知識，便于自行火炮形象性知識與邏輯性知識間映射關(guān)系的建立。

2）確定自行火炮形象性設(shè)計知識的表示技術(shù)，有效表示各類形象性設(shè)計知識，便于設(shè)計人員進行知識的重用，為設(shè)計人員提供知識支撐。

自行火炮形象性設(shè)計知識難以直接利用本體進行表示，需針對不同類型的形象性知識采用不同的表示方法進行表示，自行火炮設(shè)計案例及自行火炮設(shè)計資源進行知識表示的方法已在文獻［7］中闡述，本文著重研究自行火炮形象性設(shè)計知識中各類分析計算程序的表示。

不同于設(shè)計案例和設(shè)計資源，自行火炮設(shè)計過程中的大量分析計算過程需設(shè)計人員利用不同專用軟件（如Pro/E、ADAMS、Abaqus和Isight等）或程序開發(fā)語言（如C++、C和VB等）建立針對性的分析計算模型，通過運行分析計算模型得到所需結(jié)果。針對分析計算模型的建立和運行過程本身，及過程中隱含的大量設(shè)計知識，如有限元分析中網(wǎng)格大小的選擇經(jīng)驗、三維造型的造型技巧等問題，目前尚無有效的表示方法，無法與自行火炮邏輯性設(shè)計知識進行解耦；同時，分析計算模型的重用需要使用者掌握專用軟件或程序開發(fā)語言的使用方法，理解原有開發(fā)人員的意圖，確定分析模型或程序的執(zhí)行策略，對使用者要求較高，導(dǎo)致其難以直接重用。

為此，本文提出將過往分析計算過程中產(chǎn)生的分析計算模型封裝成為便于設(shè)計人員重用的知識組件，并建立知識組件與設(shè)計本體之間的映射關(guān)系，以實現(xiàn)分析計算過程知識的有效表示，便于設(shè)計人員在設(shè)計過程中進行重用。

2 自行火炮設(shè)計知識表示體系

本文采用的知識表示體系如圖2所示，分為本體層、知識單元層和映射層。

本體層通過構(gòu)建自行火炮設(shè)計本體，對自行火炮邏輯性設(shè)計知識進行表示，是整個知識表示體系的基礎(chǔ)；知識單元層存儲具體的自行火炮形象性設(shè)計知識，包括自行火炮設(shè)計案例庫、設(shè)計資源庫及自行火炮設(shè)計組件庫等；映射層是本體層和知識單元層間建立的映射關(guān)系，用以描述本體和知識單元間的耦合關(guān)系。

圖2 自行火炮設(shè)計知識表示體系Fig.2 Representation framework of design knowledge of self-propelled artillery

自行火炮設(shè)計本體是自行火炮邏輯性設(shè)計知識的概念化描述，本文將自行火炮設(shè)計本體形式化定義為:A=（O，P，DPA）.

O為自行火炮設(shè)計對象本體，是對自行火炮領(lǐng)域內(nèi)固有的各種設(shè)計對象及對象間關(guān)系的一種詳盡的特征化描述［10］，其形式化定義為:O=（OC，OPO，DPO，CN）.其中:OC=（OC1，OC2，…，OCn），為描述自行火炮領(lǐng)域內(nèi)核心概念的設(shè)計對象類的集合，如“自行火炮、反后坐裝置、復(fù)進機”等；OPO為描述任意OCi間聯(lián)系的對象屬性的集合，包括“組成、包含”等；DPO為描述OCi自身特征的數(shù)據(jù)屬性的集合；CN為概念實例聲明的集合，，為OCi的第j個實例。

P為自行火炮設(shè)計過程本體，是對自行火炮設(shè)計過程中抽象出的概念及概念間關(guān)系的一種詳盡的特征化描述，其形式化定義為:P=（DF，DT，DP，OPP，DPP）.其中:DF=（DF1，DF2，…，DFn），為設(shè)計流程類的集合，如“平衡機方案設(shè)計”；，為設(shè)計步驟類的集合，DT1=，是DF1中第i個設(shè)計步驟，如平衡機方案設(shè)計中的“不平衡力矩計算”；DP為設(shè)計參數(shù)類的集合；OPP為描述DFi間、DTi間及DFi與DTi間聯(lián)系的對象屬性的集合，包括“先于、后于”等；DPP為描述DF、DT、DP自身特征的數(shù)據(jù)屬性的集合。

DPA為描述DFi與OCi間聯(lián)系的對象屬性的集合，自行火炮設(shè)計過程中的不同設(shè)計流程是針對不同設(shè)計對象開展的，通過在DFi與其對應(yīng)的OCi間利用對象屬性“hasFlow（具有設(shè)計流程）”建立聯(lián)系，實現(xiàn)設(shè)計過程本體與設(shè)計對象本體間關(guān)聯(lián)的建立。

3 自行火炮設(shè)計知識組件庫

3.1 自行火炮知識組件定義

過往自行火炮設(shè)計過程積累了大量的分析計算模型，包括有限元分析計算模型、動力學(xué)分析計算模型、三維模型和集中參數(shù)模型等多種類型。經(jīng)分析，各類分析計算模型重用時，均需確定其對應(yīng)的設(shè)計步驟，明確輸入?yún)?shù)的名稱、用途及約束，調(diào)用專用軟件，開展分析計算模型的運算，以得到輸出結(jié)果。針對這一特征，本文提出采用自行火炮知識組件實現(xiàn)自行火炮分析計算過程知識的表示，自行火炮設(shè)計知識組件是針對自行火炮設(shè)計步驟中某個分析計算過程，將其對應(yīng)的分析計算模型的基本信息、參數(shù)信息、執(zhí)行策略、程序接口、核心計算程序及結(jié)果輸出等封裝成一體，形成具有統(tǒng)一交互界面的可執(zhí)行文件。

自行火炮設(shè)計知識組件的運行方式如圖3所示，設(shè)計人員通過交互界面修改輸入?yún)?shù)，進而修改輸入文件模板，從而為知識組件加載輸入文件；在此基礎(chǔ)上，知識組件自動調(diào)用其核心進程，即各分析計算程序的執(zhí)行程序，如Pro/E、Matlab、ADAMS等，執(zhí)行分析計算程序，得到計算結(jié)果；最后知識組件根據(jù)模型計算結(jié)果修改輸出結(jié)果模板供設(shè)計人員查看。重用過程中，交互界面主要用于提示參數(shù)約束、修改輸入?yún)?shù)及查看計算結(jié)果，知識組件運行的支撐及監(jiān)控條件由知識組件運行環(huán)境提供。

圖3 知識組件的運行方式Fig.3 Operation mode of knowledge components

3.2 知識組件的封裝策略

為實現(xiàn)不同類型知識組件的封裝，本文定義了一套基于EASA的自行火炮知識組件的封裝策略，EASA是一款由美國AEA Technology公司開發(fā)的封裝軟件，能提供快速的交互界面建模方式，知識組件的封裝環(huán)境和運行環(huán)境，可減輕封裝過程中的工作量。具體如下:

1）分析分析計算模型的建立過程、輸入?yún)?shù)及輸出結(jié)果，確定分析計算模型對應(yīng)的設(shè)計步驟及模型文件；

2）提取輸入?yún)?shù)建立輸入文件模板，定義輸出文件模板；

3）建立執(zhí)行文件自動運行所需的控制文件，實現(xiàn)核心進程的自動化；

4）通過EASA的EASAP Builder工具，管理、上傳并編輯知識組件封裝所需文件，包括輸入文件模板、輸出文件模板、執(zhí)行文件及控制文件等，依次定義交互界面、EASAP執(zhí)行核心進程的方式及結(jié)果輸出樣式，形成EASAP文件；

5）測試EASAP文件的性能，發(fā)布形成知識組件。

經(jīng)過EASA封裝的自行火炮設(shè)計知識組件為獨立的EASAP文件，每個EASAP文件均具有唯一的URL地址，將所有EASAP文件存儲于EASA服務(wù)器中，即可形成自行火炮設(shè)計知識組件庫。

3.3 知識組件與設(shè)計本體的映射

自行火炮設(shè)計知識組件庫中的不同組件與自行火炮設(shè)計步驟中不同分析計算過程存在對應(yīng)關(guān)系，若未得到有效組織，難以保證設(shè)計過程中知識組件的正確重用。因此在封裝知識組件的基礎(chǔ)上，需進一步建立知識組件與自行火炮設(shè)計本體之間的映射關(guān)系，利用現(xiàn)有邏輯結(jié)構(gòu)描述知識組件與設(shè)計過程間的關(guān)系。映射關(guān)系的建立方法如下:

1）賦予每個自行火炮設(shè)計知識組件唯一編號，并建立知識組件映射表，將知識組件的唯一編號、名稱、URL地址、用途及類型等多種信息存儲于知識組件映射表中；

2）確定各知識組件與自行火炮設(shè)計步驟間的對應(yīng)關(guān)系，在自行火炮設(shè)計本體中對應(yīng)的類DTi下添加“hasEasap”這一數(shù)據(jù)屬性，并用知識組件的唯一編號進行賦值。

圖4為部分自行火炮設(shè)計知識組件與對應(yīng)自行火炮設(shè)計本體之間映射關(guān)系的展示。

圖4 知識組件與本體間的映射關(guān)系Fig.4 Mapping relationships among design ontology and knowledge components

通過將各類分析計算程序封裝成知識組件，并建立各知識組件與設(shè)計本體的映射關(guān)系，形成自行火炮設(shè)計知識組件庫，可使各分析計算程序得到有效組織與表示。設(shè)計過程中，知識組件的重用可根據(jù)設(shè)計計算需求檢索自行火炮設(shè)計本體得到相應(yīng)設(shè)計步驟類，并基于設(shè)計本體與知識組件的映射關(guān)系，得到對應(yīng)知識組件的URL地址。通過瀏覽器進入EASA服務(wù)器上建立的EASA環(huán)境，調(diào)用URL地址對應(yīng)的EASAP文件，待設(shè)計人員根據(jù)交互界面修改輸入?yún)?shù)，即可由EASA服務(wù)器調(diào)用后臺計算服務(wù)器中的專用程序，開展分析計算，得到計算結(jié)果后，由EASA服務(wù)器提取并轉(zhuǎn)化后顯示與交互界面上。

4 實現(xiàn)及應(yīng)用

本文以中大口徑壓制自行火炮為例，開展了本體構(gòu)建及知識組件的開發(fā)，對本文描述的基于本體和知識組件的知識表示方法進行了驗證，同時，本文基于該知識表示方法開發(fā)了專用知識檢索系統(tǒng)，實現(xiàn)了設(shè)計知識的重用。

4.1 自行火炮設(shè)計本體構(gòu)建

OWL是由W3C規(guī)范的一種本體描述語言，在其語法和語義中都融合了描述邏輯的構(gòu)建思想，具有良好定義的語義，適合用來表示概念和概念之間的關(guān)系［11］，本文選用其作為本體的建模語言，利用美國斯坦福大學(xué)的Protégé建模工具實現(xiàn)本體的構(gòu)建，按照自行火炮設(shè)計本體的定義，開展了自行火炮設(shè)計本體的建模，構(gòu)建完成的自行火炮設(shè)計本體存儲于OWL文檔中。本文構(gòu)建的自行火炮設(shè)計本體包括800余個類，2 000余條屬性，200余個實例聲明，涵蓋了自行火炮設(shè)計過程中所要使用的概念，設(shè)計流程及設(shè)計經(jīng)驗等。表1為自行火炮設(shè)計本體建模過程中涉及的主要屬性。

表1 自行火炮設(shè)計本體建模過程中的主要屬性Tab.1 Major properties of design ontology modeling for self-propelled artillery

4.2 知識組件構(gòu)建實例

不平衡力矩是平衡機設(shè)計過程中需要反復(fù)計算的參數(shù)，不平衡力矩的計算可通過Matlab編寫成可執(zhí)行程序，輸入?yún)?shù)包括起落部分質(zhì)量、最小射角、最大射角、結(jié)構(gòu)參數(shù)、初容、初壓等，輸出結(jié)果為不同射角情況下的不平衡力矩。本文以不平衡力矩計算程序這一分析計算程序為例說明知識組件的封裝及運行過程。

按照本文描述的知識組件封裝策略，首先，修改既有程序文件，提取輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)，形成輸入文件模板和輸出結(jié)果模板；然后，新建不平衡力矩計算程序自動運行時所需的控制文件，內(nèi)容如下:"* matlab.exe"-nosplash-nodesktop-minimize-r"bupinghengliju"，其中“*”表示“matlab.exe”文件所在路徑；最后通過EASA的EASAP Builder工具，上傳不平衡力矩計算程序所需的各類文件（具體如表2所示），定義交互界面、EASAP執(zhí)行核心進程的方式及結(jié)果輸出樣式，完成不平衡力矩計算程序的封裝，通過測試后形成不平衡力矩計算的知識組件，圖5為經(jīng)過封裝的知識組件交互界面，圖6為知識組件顯示的計算結(jié)果。

表2 不平衡力矩計算程序所需的各類文件Tab.2 Files used in program for imbalance moment calculation

圖5 知識組件交互界面Fig.5 Interactive interface of knowledge components

圖6 計算結(jié)果顯示Fig.6 Visualization of calculated results

目前，本文已實現(xiàn)有限元分析計算、動力學(xué)分析計算、三維模型建模和集中參數(shù)模型計算4類分析計算程序的知識組件的構(gòu)建，共構(gòu)建了50余個自行火炮設(shè)計知識組件。

4.3 知識重用

基于本文提出的自行火炮設(shè)計知識表示方法，在專用知識檢索系統(tǒng)的輔助下，可實現(xiàn)自行火炮設(shè)計知識的快速重用，具體過程如下:

知識檢索系統(tǒng)啟動時，系統(tǒng)首先利用SPARQL（一種RDF查詢語言）獲取本體中的類，構(gòu)建出由類組成的索引目錄；對設(shè)計人員檢索問題進行自然語言處理，利用編輯距離算法計算檢索問題與索引目錄的相似度，得到與檢索問題相關(guān)的類；最后根據(jù)本體中已有的映射關(guān)系獲得知識庫中對應(yīng)知識單元，并對檢索結(jié)果進行可視化展示，設(shè)計人員可直接查看設(shè)計資源，亦可直接運行知識組件實現(xiàn)分析計算程序的重用。

圖7為知識檢索系統(tǒng)的運行界面，其中檢索詞為“發(fā)射系統(tǒng)”，圖中區(qū)域1為類的索引目錄，區(qū)域2為檢索問題輸入框，區(qū)域3為檢索得到的資源及知識組件，通過點擊名稱可直接查看資源或使用知識組件，區(qū)域4利用圖形展示與“發(fā)射系統(tǒng)”相關(guān)的類和實例以及它們與“發(fā)射系統(tǒng)”之間的關(guān)系，通過點擊區(qū)域4中顯示類或?qū)嵗倪x項卡，可在區(qū)域5查看其屬性及屬性值。

5 結(jié)論

本文通過分析自行火炮設(shè)計知識的表示需求，提出了一種基于本體和知識組件的知識表示方法。通過分析自行火炮設(shè)計知識的特征，提出了自行火炮設(shè)計本體的定義及組織方式，明確了自行火炮設(shè)計知識組件的定義和開發(fā)策略，確定了自行火炮設(shè)計知識組與設(shè)計本體間映射關(guān)系的構(gòu)建策略。在此基礎(chǔ)上，以中大口徑壓制自行火炮為例，開展了設(shè)計本體建模和知識組件的開發(fā)，建立了二者之間的映射關(guān)系，完成了設(shè)計知識的表示，使各類設(shè)計知識均得到了有效組織和表示。最后，基于本文提出的自行火炮設(shè)計知識表示方法，在專用知識檢索系統(tǒng)的輔助下，實現(xiàn)了自行火炮設(shè)計知識的重用，驗證了本文提出的知識表示方法的有效性。

圖7 知識檢索系統(tǒng)運行界面圖Fig.7 Operation interface of knowledge retrieval system

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Design Knowledge Representation Technique for Self-propelled Artillery Based on Ontology and Knowledge Components

YANG Liu1，QIAN Lin-fang1，DING Sheng-chun2，XU Ya-dong1
（1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China；2.School of Economics&Management，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

For the problem of that the various design knowledges of self-propelled artillery have not been organized and represented effectively and the existing design knowledge cannot be reused simply during the design process，a knowledge representation method is proposed based on ontology and knowledge components.The organization mode for design ontology of self-propelled artillery and the developing strategy for knowledge components are studied on the base of analyzing the representation requirement of design knowledge of self-propelled artillery，and the mapping relationships among design ontology and knowledge components are established.The representation of design knowledge of self-propelled artillery is achieved.On this basis，a special knowledge retrieval system is developed for designers to quickly reuse the existing design knowledge.The representation and reuse of design knowledge are implemented by taking large-caliber self-propelled artillery for example.The result shows that the proposed method is feasible and valid.

ordnance science and technology；self-propelled artillery；knowledge representation；ontology；knowledge component

TJ3

A

1000-1093（2015）07-1160-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.07.002

2014-08-10

國防基礎(chǔ)科研計劃項目（A2620130003）

羊柳（1989—），男，博士研究生。E-mail:ylnjust@126.com；錢林方（1961—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:lfqian@vip.163.com