本體及其在機械工程中的應用綜述

張先鋒

摘 要：本體論作為一個人工智能領域有前途的方法，成為了近年研究的一個熱點，引起了各方學者的注意。同時，本體論在機械設計中的應用也得到了重視和研究。特別將本體論應用于機械設計智能設計、概念設計和創(chuàng)新設計表現(xiàn)出其獨有的優(yōu)勢和前途。但是，不論是本體論本身，還是機械智能設計和創(chuàng)新設計，都正處于研究和發(fā)展的過程中。對本體論及其在機械設計中的應用進行回顧，從總體上討論其特點及應用前景，將會對該方面的研究起到良好的作用。

關鍵詞：本體；機械工程；應用要點

中圖分類號：X701；文獻標識碼：A

引言

今制造企業(yè)正面臨著市場全球化、制造國際化和產(chǎn)品需求多樣化的新挑戰(zhàn)，各企業(yè)間圍繞著產(chǎn)品生產(chǎn)時間、質量和成本的競爭越來越激烈，競爭優(yōu)勢已從過去可見的設備、資本以及勞動力轉變?yōu)楝F(xiàn)在不可見的知識。知識化、集成化和智能化成為了機械產(chǎn)品設計的發(fā)展方向。在眾多的知識管理技術中，本體論定義了規(guī)范化描述領域知識的理論和方法，在解決知識交互和共享混亂問題方面具有明顯的優(yōu)勢。因此，本體相關技術在機械產(chǎn)品智能設計中的應用越來越受到研究者們的重視。

1本體的基本概念

在信息科學中，作為一種知識表示方法，本體（ontology）包括了研究領域內(nèi)對象的名稱、對象屬性和相互關系的邏輯描述，提供了領域內(nèi)知識表示和交流的詞匯集合和集合中各個對象的關系集合。采用這種方法表示知識的本體，是基于一定的目的人為設計的規(guī)范說明，這與它所建模的世界有著明顯的區(qū)別。20世紀90年代初，Lenat和Nech-es分別在自己的研究項目中將本體引入到知識系統(tǒng)的知識表示中來，從而在構建知識系統(tǒng)的方法上引起了的革命性的變化。

本體發(fā)展至今，其應用范圍已經(jīng)遠遠超出了傳統(tǒng)人工智能和知識工程的范圍，這主要是由于本體具有以下顯著的優(yōu)點：

（1）異構系統(tǒng)互操作，在異構主體之間對交流的結構化信息達成共識，這是本體開發(fā)的一個主要目標；（2）通過本體復用、映射和集成等方式實現(xiàn)領域知識復用，這是本體研究的主要動力之一；（3）明確的領域認定，利用本體表示方法描述領域認定，當領域發(fā)生變化時，對應的領域認定的改變也相對比較容易；（4）析領域知識，建立領域本體，實現(xiàn)領域知識的應用和管理；（5）將領域知識與操作性知識相分離。

2本體及其在機械工程中的應用要點

2.1本體在機械產(chǎn)品智能設計中的應用

（1）基于本體的知識表示

機械設計領域的知識表示用于表達機械產(chǎn)品設計過程中的各類設計知識，如設計圖樣、產(chǎn)品模型、設計手冊以及設計原理知識和經(jīng)驗知識等。傳統(tǒng)的知識表示方法在設計知識的表示、傳遞和共享過程中存在各自的局限性，不能同時滿足表示能力、可理解性、可操作性以及可實現(xiàn)性等方面的要求。基于本體的知識表示方法簡潔、清晰、可理解性高且可擴展性強，不僅能夠表示結構化知識，還能夠表示半結構化知識，將其引入機械產(chǎn)品智能化設計過程中能夠更好地對設計知識進行管理，能夠快速獲取相關設計知識以加快問題的求解。

目前設計領域的知識表示模式與方法不統(tǒng)一，制約了產(chǎn)品設計知識的共享與重用，因此，設計領域面臨的實際問題是如何對設計知識進行明確的分類和統(tǒng)一有效的表示。從過程的角度看待知識表示的思想，通過基于本體的語義標注實現(xiàn)了知識的有效組織和表示，并以基于本體的車輛設計領域管理項目為例，展示了車輛設計領域基于本體的知識建模過程和成果。針對機械加工領域的特點，采用本體的方法對機械加工工藝知識進行了表示，為更好地進行工藝知識管理奠定了基礎。針對產(chǎn)品設計知識的動態(tài)化、多樣性和相關性等特點，提出了一種基于本體的產(chǎn)品設計知識表示方法，對以客體、概念集、屬性集、命令集以及函數(shù)集為核心的5個知識單元之間的聯(lián)系進行了研究，增強了設計知識表示的全面性、靈活性，并通過實例驗證了該方法的有效性。在分析液壓元件的分類和模型信息的基礎上，提出了基于本體的液壓元件知識建模方法，實現(xiàn)了液壓元件知識的規(guī)范化描述。

由此可見，借助本體及語義網(wǎng)技術的優(yōu)勢來完成設計知識的有效表示的方法受到了廣泛的關注，但是統(tǒng)一有效的知識表示方法仍然沒有形成，且關于知識的形式化表示的研究比較少。

2.2基于本體的知識檢索

機械產(chǎn)品尤其是復雜產(chǎn)品設計知識包含的信息量大且相對散亂，往往隱含在產(chǎn)品模型、設計手冊、分析報告以及相關領域專家的經(jīng)驗之中。而現(xiàn)有的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（ProductDataManagement，PDM）系統(tǒng)并未對大量的設計知識（如設計原理、設計方法和設計經(jīng)驗等）進行合理的組織和重用，且檢索方式單一，其剛性的數(shù)據(jù)庫關系導致設計人員難以快速準確地找到所需的設計知識，更無法通過這些知識有效地完成設計任務。

為提高產(chǎn)品設計知識檢索效率和查準率，許多研究者結合本體的方法進行了相關研究。德國亞琛工業(yè)大學的Sebastian等人提出了一種基于語義本體的工藝數(shù)據(jù)倉庫（ProcessDataWarehouse，PDW），用于支持經(jīng)驗知識的獲取和重用，PDW使用統(tǒng)一的本體概念術語，但缺乏進一步的組織和表達，造成檢索結果冗余結合本體理論，提出了一種基于反饋的概念關聯(lián)知識檢索方法，并將其應用于某航空研究所IPD（IntegratedProd-uctDevelopment）的知識管理系統(tǒng)的開發(fā)中。一個由元數(shù)據(jù)層、本體層和應用層構成的知識管理框架，彌合了實例檢索和語義檢索之間的鴻溝。

2.3產(chǎn)品信息語義交換

STEP（ISO10303）標準在產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換中僅僅具有語法信息而不具備語義信息，為了克服這一缺陷，有關學者對研究產(chǎn)品信息語義交換給予了關注。為實現(xiàn)產(chǎn)品信息語義的互操作，密歇根大學Patil等人開發(fā)了一個產(chǎn)品本體作為語義交換的標準中介，即產(chǎn)品語義表示語言（ProductSemanticRepresentationLanguage，PSRL）。以PSRL本體作為產(chǎn)品信息的形式化表示。所謂產(chǎn)品語義的互操作，是指在遍及產(chǎn)品開發(fā)過程中的信息資源（如不同的CAD系統(tǒng)或CAD/CAM系統(tǒng)）之間，自動地進行數(shù)據(jù)語義的交換。

開發(fā)PSRL本體的目的在于為產(chǎn)品數(shù)據(jù)的語義表示建立一個必要的需求基礎。PSRL本體以NIST的核心產(chǎn)品模型CPM為基礎，采用Ushold的骨架法作為開發(fā)方法論，以描述邏輯DL實現(xiàn)PSRL的語義編碼，句法結構采用DAML+OIL語言規(guī)范。

PSRL本體中的核心概念包括對象、規(guī)格、裝配、制品、形態(tài)、功能、行為、幾何形狀、材料、特征和約束等。例如，規(guī)格是指制品的信息中與用戶需要和工程需求有關的部分內(nèi)容；裝配是一個制品的集合；制品定義為一個確切的設計出來的實體，該實體具有一定形態(tài)、功能和行為；形態(tài)包括幾何形狀和材料等。PSRL本體中的核心關系包括對象之間相互關聯(lián)或者具有層次結構上的父-子關系。利用這些核心概念和關系，PSRL本體可以明確地通過編碼形成PSRL表示語言。

PSRL詞典采用DAML+OIL語言提供的邏輯和非邏輯字符，包括概念和關系兩方面的內(nèi)容，此外，根據(jù)產(chǎn)品語義交換的需要，增加前述的PSRL核心概念和核心關系。PSRL的核心公理采用描述邏輯進行形式化描述，公理集用來表示本體的基本屬性和詞典中術語的語義。

結論

將本體與過程性知識表示方法相結合，才能拓寬所表示的知識的應用范圍。例如在MDA中，以本體為基礎構建系統(tǒng)知識庫，作為自動推理的基礎，以問題求解方法實現(xiàn)半自動甚至自動推理，以提高機械產(chǎn)品的設計自動化程度，是本體在機械工程領域中的應用的一個重要方面，也是本文作者下一步的研究重點。

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（作者身份證號碼：34240119821211323X）