基于三維框架本體建模的鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王瑩　戴毅茹　王堅(jiān)

摘要：鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)復(fù)雜多樣，難以進(jìn)行有效的組織和管理，不利于企業(yè)提升生產(chǎn)工藝水平，針對(duì)該問(wèn)題提出基于產(chǎn)品-工序-目標(biāo)的鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)本體建模方法。構(gòu)建鋼鐵生產(chǎn)工藝本體模型，與實(shí)際生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行映射，建立鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)庫(kù)，用于知識(shí)本體檢索和知識(shí)本體推理等服務(wù)。論文首先介紹了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)中用到的關(guān)鍵技術(shù)，然后介紹了系統(tǒng)的基本架構(gòu)，最后介紹了系統(tǒng)的部分功能模塊。

關(guān)鍵詞：三維框架；本體建模；知識(shí)庫(kù)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044（2017）02-0242-03

Design and Implementation of Knowledge Base System for Steel Production Process Based on Three Dimensional Framework Ontology Modeling

WANG Ying， DAI Yi-ru， WANG Jian

（CIMS Research Center，TongjiUniversity，Shanghai 201804，China）

Abstract：The iron and steel production process knowledge is complicated， difficult to carry out effective organization and management， is not conducive to enterprises to improve the level of production technology. This paper presents a method of production process of iron and steel knowledge ontology modeling based on the products-process-target. The ontology model mapped with the actual production process data is used by the knowledge base for the service of ontology retrieval and ontology reasoning. Firstly， this paper introduces the key technologies used in the system development and design， and then introduces the basic structure of the system， last， introduces some functional modules of the system.

Key words：3D framework； ontology modeling； knowledge base

1背景

鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)來(lái)源復(fù)雜，結(jié)構(gòu)異質(zhì)，其多源異構(gòu)性增加了鋼鐵企業(yè)進(jìn)行知識(shí)創(chuàng)新活動(dòng)的難度和復(fù)雜度。有效組織和管理工藝知識(shí)的多源性、規(guī)范知識(shí)的語(yǔ)義異構(gòu)性、增強(qiáng)知識(shí)對(duì)鋼鐵產(chǎn)品自主創(chuàng)新的重要支撐作用，是鋼鐵企業(yè)當(dāng)前需要重點(diǎn)突破的難題。

本文針對(duì)鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)工藝知識(shí)的多源異構(gòu)性，提出了一種基于產(chǎn)品-工序-目標(biāo)的本體建模方法，建立鋼鐵生產(chǎn)工藝本體模型，將本體模型實(shí)際生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行映射，用于知識(shí)本體檢索和知識(shí)本體推理等服務(wù)，為工藝建模、在線工藝優(yōu)化提供有價(jià)值的知識(shí)，有助于全面提高鋼鐵生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)水平。

2 系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)的三維框架體系

針對(duì)鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)的特點(diǎn)，為了有效組織和管理知識(shí)的多源性、規(guī)范知識(shí)的語(yǔ)義異構(gòu)性，增強(qiáng)知識(shí)對(duì)鋼鐵生產(chǎn)工藝自主創(chuàng)新的重要支撐作用，本文提出一種基于產(chǎn)品—工序—目標(biāo)的鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)的組織框架體系，該體系分別從產(chǎn)品維、工序維、目標(biāo)維三個(gè)維度提供多源異構(gòu)的鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)的組織方法。

每一個(gè)維度的具體內(nèi)容描述了生產(chǎn)工藝知識(shí)的不同側(cè)面。其中，產(chǎn)品維包括：高強(qiáng)韌度、輕質(zhì)化汽車板，超高強(qiáng)度、韌度鋼材，工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼，高強(qiáng)集裝箱板及鐵道車廂用鋼，中/重型卡車用鋼；工序維包括：煉鐵、煉鋼、精煉、連鑄、熱軋、冷軋；目標(biāo)維包括：智能化、綠色化、安全化。例如：當(dāng)工序維的具體描述設(shè)定為煉鐵，生產(chǎn)工藝知識(shí)包含所有產(chǎn)品在煉鐵工序中的相關(guān)知識(shí)內(nèi)容；當(dāng)上述三個(gè)維度同時(shí)具體描述時(shí)，生產(chǎn)工藝知識(shí)包含針對(duì)中/重型卡車用鋼產(chǎn)品在煉鐵工序中與安全相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容，如圖1所示。

2.2構(gòu)建鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)本體模型

根據(jù)鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)的三維框架體系，對(duì)鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)進(jìn)行抽取，定義類、關(guān)系、屬性以及實(shí)例，明確各類之間的層次結(jié)構(gòu)，個(gè)體之間的對(duì)象屬性和數(shù)值屬性，建立鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)的概念模型，定義概念模型到本體模型的映射規(guī)則，根據(jù)映射規(guī)則建立鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)本體模型。

按照三維框架體系，構(gòu)建鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)的概念模型為：

[Fxyz=i=15j=16k=13Fxiyjzk（C，SUP，SUB，POP，BOP，DP，I）]

其中：

[C]：表示該概念模型所屬的類；

[SUP]：表示該概念模型所屬類的父類；

[SUB]：表示該概念模型所屬類的子類；

[POP]：表示當(dāng)前類與父類中實(shí)例之間的關(guān)系；

[BOP]：表示當(dāng)前類與子類中實(shí)例之間的關(guān)系；

[DP]：表示該概念模型所擁有的數(shù)值屬性；

[I]：表示該概念模型所擁有的對(duì)象；

[x]：描述了產(chǎn)品維，[x=x1，x2，x3，x4，x5]分別對(duì)應(yīng)于{高強(qiáng)韌度、輕質(zhì)化汽車板，超高強(qiáng)度、韌度鋼材，工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼，高強(qiáng)集裝箱板及鐵道車廂用鋼，中/重型卡車用鋼}；

[y]：描述了工序維，[y=y1，y2，y3，y4，y5，y6]分別對(duì)應(yīng)于{煉鐵，煉鋼，精煉，連鑄，熱軋，冷軋}；

[z]：描述了目標(biāo)維，[z=z1，z2，z3]分別對(duì)應(yīng)于{綠色化，智能化，安全化}。

鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)本體模型的構(gòu)建方法具體為：首先，建立局部范圍的概念模型；然后，集成所有的局部概念模型，得到鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)的全局范圍概念模型；最后，根據(jù)映射規(guī)則建立鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)本體模型。概念模型到本體模型的部分映射規(guī)則如表1所示：

2.3語(yǔ)義映射技術(shù)

鋼鐵生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)種類繁多，對(duì)數(shù)據(jù)的提取和整合產(chǎn)生很大的困難。其中，D2RQ語(yǔ)義映射技術(shù)可以將結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為RDF數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了大批量數(shù)據(jù)自動(dòng)化的語(yǔ)義集成。

利用D2RQ語(yǔ)義映射技術(shù)將鋼鐵生產(chǎn)工藝本體模型與實(shí)際生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行映射，生成的RDF數(shù)據(jù)可以用于知識(shí)本體檢索和知識(shí)本體推理等服務(wù)。本體模型與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)映射基于Java開(kāi)發(fā)平臺(tái)，首先要根據(jù)建立的本體模型制定D2RQ映射規(guī)則、編寫(xiě)相應(yīng)的映射文件，然后在Java開(kāi)發(fā)平臺(tái)上調(diào)用D2RQ映射引擎，載入本體模型和映射文件，建立本體模型與數(shù)據(jù)源的連接，從而實(shí)現(xiàn)將實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)映射為本體的實(shí)例數(shù)據(jù)。

3系統(tǒng)基本架構(gòu)

鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)庫(kù)包含諸多方面的功能，本文重點(diǎn)圍繞知識(shí)本體檢索和知識(shí)本體推理這兩個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)自下而上主要分為三層：數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)處理層、應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)層是知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的知識(shí)源，其數(shù)據(jù)源主要包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)以及專家經(jīng)驗(yàn)等。

業(yè)務(wù)處理層的主要功能是建立鋼鐵生產(chǎn)工藝本體模型，并在本體模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行語(yǔ)義解析和案例推理，其語(yǔ)義解析和案例推理的結(jié)果用以支持知識(shí)本體檢索和知識(shí)本體推理等服務(wù)。業(yè)務(wù)處理層具體過(guò)程為：根據(jù)數(shù)據(jù)層所提供的知識(shí)建立鋼鐵生產(chǎn)工藝的概念模型，在概念模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)概念模型到本體模型的映射規(guī)則，建立鋼鐵生產(chǎn)工藝本體模型，然后編寫(xiě)鋼鐵生產(chǎn)工藝映射文件，利用D2RQ映射引擎將本體模型與鋼鐵生產(chǎn)工藝實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定，最后便可以利用該本體模型進(jìn)行Jena語(yǔ)義解析和案例推理。

應(yīng)用層的功能主要是向用戶提供知識(shí)本體檢索和知識(shí)本體推理等服務(wù)。

4系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)

4.1知識(shí)本體檢索

知識(shí)本體檢索是鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)瀏覽和學(xué)習(xí)的有效手段，可以根據(jù)檢索的關(guān)鍵字提供相應(yīng)的鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)實(shí)體。用戶進(jìn)入該功能模塊后，若無(wú)明確的檢索目標(biāo)，可以參照左側(cè)鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)導(dǎo)航欄進(jìn)行檢索如圖3所示；若有明確的檢索目標(biāo)，可以在輸入框中輸入待檢索的知識(shí)進(jìn)行檢索，其檢索結(jié)果由表格和力引導(dǎo)布局圖展示如圖4所示。

4.2知識(shí)本體推理

鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)涉及的知識(shí)領(lǐng)域廣泛，知識(shí)本體推理模塊利用本體建模技術(shù)，將加熱爐工藝知識(shí)有效地組織起來(lái)，根據(jù)用戶輸入的鋼坯類型和鋼含碳量推理出適合該類型鋼的熱爐使用條件，在一次推理的基礎(chǔ)上選擇加熱爐的適用場(chǎng)合、最高爐溫和最大功率，從而二次推理出符合用戶輸入條件的鋼工藝參數(shù)和加熱爐工藝參數(shù)，其結(jié)果如圖5所示。

5結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)來(lái)源復(fù)雜多樣，鋼鐵企業(yè)對(duì)鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)難以進(jìn)行有效的組織和管理問(wèn)題，提出了基于產(chǎn)品-工序-目標(biāo)的鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)本體建模方法，構(gòu)建鋼鐵生產(chǎn)工藝本體模型，與實(shí)際生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行映射，建立鋼鐵生產(chǎn)工藝知識(shí)庫(kù)，用于知識(shí)本體檢索和知識(shí)本體推理等服務(wù)，為鋼鐵企業(yè)工藝建模、在線工藝優(yōu)化、設(shè)備診斷等功能提供有價(jià)值的知識(shí)。

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