基于形式概念分析的制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

王 恒，楊淑群

（上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

本體是描述一個(gè)事物的本質(zhì)，許多本體可以構(gòu)成一個(gè)知識(shí)庫(kù)，知識(shí)庫(kù)是可共享的包含各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)規(guī)則以及所聯(lián)系的數(shù)據(jù)及事實(shí)，有利于領(lǐng)域內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)調(diào)用等工作。本體知識(shí)庫(kù)廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)，為了適應(yīng)制造業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化性，相關(guān)學(xué)者構(gòu)建了大量的制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)[1,2]。

傳統(tǒng)的制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)更新以及數(shù)據(jù)關(guān)系，但是隨著制造業(yè)本體的日益增多，手動(dòng)更新動(dòng)態(tài)本體數(shù)據(jù)，會(huì)影響制造業(yè)的工作效率。因此本文分析基于形式概念分析的制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)自動(dòng)獲取動(dòng)態(tài)制造業(yè)本體信息，根據(jù)約束條件和本體關(guān)系，進(jìn)行合理的動(dòng)態(tài)本體數(shù)據(jù)更新，促進(jìn)本體知識(shí)庫(kù)的發(fā)展。

1 制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體構(gòu)建

本體最早被應(yīng)用于哲學(xué)領(lǐng)域，常被用來(lái)描述事物的本質(zhì)，后被用于計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，用于說(shuō)明概念模型的明確規(guī)范[3]。本體是一個(gè)領(lǐng)域知識(shí)的整體架構(gòu)，能夠明確規(guī)劃各種概念之間的關(guān)系。通過(guò)利用本體，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、存儲(chǔ)器之間的資源共享，構(gòu)建數(shù)據(jù)量龐大的知識(shí)領(lǐng)域，并且通過(guò)融合Web信息集成技術(shù)，精確定義概念的含義和概念之間的關(guān)系，為由異構(gòu)數(shù)據(jù)源構(gòu)成的動(dòng)態(tài)本體提供統(tǒng)一的概念和術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)，減少制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體因不同數(shù)據(jù)源采用不同命名方式造成的概念不明或語(yǔ)義沖突，進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)交換的可實(shí)施性[4]。因此，構(gòu)建基于形式概念分析的制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為用戶提供更便捷且有價(jià)值的信息服務(wù)。

在本體的實(shí)踐應(yīng)用中需經(jīng)過(guò)本體構(gòu)建原則的指導(dǎo)，其中最具影響的構(gòu)建原則是必須保證動(dòng)態(tài)本體的清晰性、一致性、可擴(kuò)展性、最小編碼偏好程度性以及本體最小性。清晰性指的是本體所描述的概念和關(guān)系必須是準(zhǔn)確清晰的，所表達(dá)的邏輯公理必須是形式化的。一致性是動(dòng)態(tài)本體所推出的結(jié)論必須與術(shù)語(yǔ)本身的含義保持一致，不能發(fā)生矛盾和沖突[5,6]?？蓴U(kuò)展性是本體應(yīng)支持在原有的術(shù)語(yǔ)概念上定義新的概念，并能夠擴(kuò)展概念之間的關(guān)系體系。最小編碼偏好程度性指的是保持編碼偏好最小化，在知識(shí)層面上對(duì)概念進(jìn)行說(shuō)明，獨(dú)立表示某一種特殊符合的層次標(biāo)碼。本體最小化是對(duì)構(gòu)建本體的規(guī)模進(jìn)行約束，以滿足知識(shí)共享需求為前提，遵循本體構(gòu)建最小化原則。編碼過(guò)程如圖1所示。

本體既能夠描述簡(jiǎn)單的分類(lèi)層次結(jié)構(gòu)，也能夠通過(guò)增加公理、規(guī)則來(lái)描述復(fù)雜的概念關(guān)系和概念內(nèi)涵。構(gòu)成動(dòng)態(tài)本體的主要元素包括類(lèi)、關(guān)系、函數(shù)、公理和實(shí)例五種[7]。函數(shù)動(dòng)態(tài)本體元素概括如表1所示。

圖1 編碼過(guò)程

表1 函數(shù)動(dòng)態(tài)本體元素

構(gòu)建本體通常應(yīng)用于OWL語(yǔ)言作為描述語(yǔ)言。OWL語(yǔ)言是一種標(biāo)準(zhǔn)的XML語(yǔ)言，能夠較好的解決本體的描述問(wèn)題，能夠精準(zhǔn)的描述文件和實(shí)例之間的關(guān)系，并加強(qiáng)在web環(huán)境下描述對(duì)象的語(yǔ)義內(nèi)涵，且相比較于其他描述語(yǔ)言，OWL語(yǔ)言的表達(dá)能力更強(qiáng)，且更容易被機(jī)器理解和識(shí)別[8,9]。OWL語(yǔ)言為本體提供了三種表達(dá)能力不同的子語(yǔ)言，分別針對(duì)三種不同類(lèi)別的描述對(duì)象，從而提升本體的描述能力，滿足用戶的不同需求，而且每個(gè)子語(yǔ)言都能對(duì)前一種語(yǔ)言進(jìn)行擴(kuò)展，使對(duì)對(duì)象的描述更加深入[10～12]。描述過(guò)程如圖2所示。

本體的構(gòu)建是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的復(fù)雜過(guò)程，具體步驟如圖3所示。

1）建立規(guī)格說(shuō)明書(shū)[13]。建立一份采用自然語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)的包含本體描述范圍、程度的非格式化的規(guī)格說(shuō)明書(shū)。

2）獲取知識(shí)。從不同的數(shù)據(jù)庫(kù)以及書(shū)籍、報(bào)刊等實(shí)體資料獲取構(gòu)建本體所需的知識(shí)，并對(duì)獲取的知識(shí)進(jìn)行分析，總結(jié)知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)。

圖2 描述過(guò)程

圖3 制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體的構(gòu)建流程

3）概念化。根據(jù)知識(shí)關(guān)系構(gòu)成知識(shí)概念模型，并根據(jù)規(guī)格說(shuō)明書(shū)采用合適的領(lǐng)域詞匯描述對(duì)象概念和內(nèi)涵，然后集成相近本體對(duì)同一描述對(duì)象的概念，實(shí)現(xiàn)概念描述的一致性。

4）在合適的開(kāi)發(fā)環(huán)境下，采用形式化的編碼進(jìn)行運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)本體的使用，并在本體運(yùn)行期間，采用參考框架對(duì)本體各階段的運(yùn)行情況進(jìn)行判斷，評(píng)價(jià)本體的運(yùn)行效果，便于后期對(duì)本體的更新和完善。參考框架如圖4所示。

圖4 參考框架

2 基于形式概念分析的制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

形式概念分析方法是一種融合了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和圖像基礎(chǔ)的一個(gè)具有數(shù)據(jù)分析和規(guī)則提取的分析方法，其作用是分析出事物動(dòng)態(tài)本體之間結(jié)構(gòu)的關(guān)系。形式概念分析的原理是根據(jù)事物之間的關(guān)系，建立合法的動(dòng)態(tài)約束條件[14]。為了輔助形式概念分析的可視化，本文借助Hasse圖對(duì)分析的結(jié)果進(jìn)行表示，使分析結(jié)果更加直觀。Hasse圖如圖5所示。

圖5 Hasse圖

對(duì)于本文分析的制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)，形式概念分析主要的任務(wù)是在原有動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上，定期對(duì)本體的新生概念和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)本體數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，保證知識(shí)庫(kù)的實(shí)時(shí)性和有效性。

知識(shí)庫(kù)是數(shù)據(jù)庫(kù)和人工智能管理的集成品，其功能是模擬數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)人工智能技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的操作，方便管理者對(duì)本體數(shù)據(jù)的收集、整理和提取。同時(shí)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)是具有層次、結(jié)構(gòu)化、模塊化、多變的一個(gè)特殊數(shù)據(jù)庫(kù)，知識(shí)庫(kù)最終的表現(xiàn)形式是以文檔的格式存儲(chǔ)，在不同的領(lǐng)域，根據(jù)領(lǐng)域特點(diǎn)和需求，對(duì)于知識(shí)庫(kù)的理解不同，但是統(tǒng)一的理解都是一個(gè)可以存儲(chǔ)、查詢、調(diào)用的多功能數(shù)據(jù)庫(kù)。

結(jié)合上文分析的制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體的構(gòu)成元素和語(yǔ)音，以及形式概念分析方法，本文總結(jié)出基于形式概念的制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)構(gòu)建的流程，主要分為七個(gè)步驟，具體過(guò)程如圖6所示。

圖6 基于形式概念分析制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)構(gòu)建流程

1）首先對(duì)制造業(yè)本體進(jìn)行需求分析，主要過(guò)程是將提供的信息進(jìn)行關(guān)鍵字抽取以及總結(jié)。需求分析的目的是確定本次制造業(yè)本體所構(gòu)建的知識(shí)庫(kù)所面向的用戶類(lèi)型、目的以及相關(guān)知識(shí)的有關(guān)內(nèi)容、體系等，確定正確知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建方向；

2）根據(jù)需求分析的內(nèi)容，本文根據(jù)關(guān)鍵字進(jìn)行最重要本體知識(shí)的獲取，此過(guò)程關(guān)系到知識(shí)庫(kù)體系的數(shù)據(jù)內(nèi)容，因此要在專(zhuān)業(yè)人員指導(dǎo)下完成。主要是對(duì)知識(shí)源進(jìn)行加工處理，以便后期對(duì)最重要本體知識(shí)庫(kù)的調(diào)用；

3）在專(zhuān)業(yè)人士的指導(dǎo)下，將獲取的知識(shí)源進(jìn)行知識(shí)推理。知識(shí)推理的目的是理清制造業(yè)本體知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，為知識(shí)庫(kù)內(nèi)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的約束條件提供構(gòu)建依據(jù)，知識(shí)推理是構(gòu)建制造業(yè)本體知識(shí)庫(kù)的關(guān)鍵步驟之一，因此本文在知識(shí)推理部分完成四次推理，保證知識(shí)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)關(guān)系具有條理性。四次推理分別為演繹推理、不精確推理、非單調(diào)推理、形式推理；

4）根據(jù)對(duì)制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)的知識(shí)源進(jìn)行推理后，對(duì)特殊知識(shí)源進(jìn)行標(biāo)記。語(yǔ)義標(biāo)記首先將所示本體知識(shí)庫(kù)內(nèi)知識(shí)源進(jìn)行檢索，然后將具有兩個(gè)或者多個(gè)屬性的知識(shí)源進(jìn)行語(yǔ)義標(biāo)記，方便制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)的信息更新；

5）最終根據(jù)形式概念分析將語(yǔ)義標(biāo)記和知識(shí)推理按照邏輯構(gòu)建制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)，達(dá)到目的。

將實(shí)現(xiàn)的制造業(yè)本體知識(shí)庫(kù)進(jìn)行初次運(yùn)行試驗(yàn)，檢查構(gòu)建的本體知識(shí)庫(kù)是否達(dá)到了構(gòu)建要求，如果發(fā)現(xiàn)不足，則立即進(jìn)行優(yōu)化整理。

構(gòu)建的知識(shí)庫(kù)如圖7所示。

圖7 知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)

因?yàn)樵囼?yàn)存在誤差性，所以試驗(yàn)次數(shù)必須滿足要求，才能投放市場(chǎng)。在構(gòu)建的制造業(yè)本體知識(shí)庫(kù)使用過(guò)程中，定期進(jìn)行知識(shí)數(shù)據(jù)更新[15]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文提出的基于形式概念分析的制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)的有效性，與傳統(tǒng)的基于多維多值概念格的制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)（方法1），基于數(shù)據(jù)分析的制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)（方法2）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)所得實(shí)驗(yàn)參數(shù)，選用本文知識(shí)庫(kù)與傳統(tǒng)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得到的構(gòu)建時(shí)間如圖8所示。

圖8 構(gòu)建時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖8可知，三種不同的知識(shí)庫(kù)中，所提方法速度最快，在整個(gè)抽取過(guò)程中，都更加穩(wěn)定、直觀，即使是面對(duì)開(kāi)放的文本，知識(shí)庫(kù)也可以與其它知識(shí)庫(kù)進(jìn)行協(xié)作，因此具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，知識(shí)庫(kù)的表達(dá)結(jié)果也更加符合人類(lèi)的理解?；诙嗑S多值概念格的制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建時(shí)間相對(duì)較慢，主要是由于迭代訓(xùn)練速度較慢，主題抽取速度較快，因此知識(shí)庫(kù)的劃分與人類(lèi)的理解結(jié)果存在一定的偏差。方法2的速度最慢，耗費(fèi)時(shí)間最長(zhǎng)，內(nèi)部主題詞較為離散，需要花費(fèi)更多的時(shí)間進(jìn)行整理，因此知識(shí)庫(kù)內(nèi)部的數(shù)據(jù)也非常離散和孤立。

進(jìn)行十次實(shí)驗(yàn)，得到的知識(shí)庫(kù)準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3可知，所提方法的知識(shí)庫(kù)準(zhǔn)確率高于方法1和方法2，所提方法引入了關(guān)系形式概念背景知識(shí)，具有很強(qiáng)的計(jì)算能力，能夠很好地分析出實(shí)體詞條的關(guān)系形式，通過(guò)綜合考慮的方式確定制造業(yè)動(dòng)態(tài)。知識(shí)庫(kù)內(nèi)部的離散主體和文本主題擁有有效的獲取路徑，能夠更為簡(jiǎn)單地表達(dá)語(yǔ)義。除此之外所提方法還引入了局部特征分析法，提高了概念的連貫性，更好地確定語(yǔ)言要素，提高了分析過(guò)程的靈活性。

表3 知識(shí)庫(kù)準(zhǔn)確率

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先了解制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)的概念、構(gòu)造元素和構(gòu)成語(yǔ)言，根據(jù)這些基本概念總結(jié)制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體的構(gòu)建流程，為動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。然后進(jìn)行形式概念分析，完善制造業(yè)本體知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建流程，最終實(shí)現(xiàn)本文的研究，達(dá)到研究目的，使制造業(yè)動(dòng)態(tài)本體知識(shí)庫(kù)可以自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)更新本體信息，提高本體知識(shí)庫(kù)的功能性。