基于本體的引信裝配工藝知識(shí)表示

王 璐,曾鵬飛,郝永平

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159;2.沈陽(yáng)理工大學(xué) 遼寧省先進(jìn)制造技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

產(chǎn)品裝配是產(chǎn)品制造全生命周期中最重要、最耗費(fèi)時(shí)間的步驟之一。在工業(yè)化國(guó)家所有產(chǎn)品的生產(chǎn)周期中，有1/3左右的工人從事有關(guān)產(chǎn)品的裝配，產(chǎn)品的裝配過(guò)程所需資金超過(guò)了生產(chǎn)費(fèi)用的40%，而產(chǎn)品裝配所需時(shí)間占產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程總時(shí)間的40%～60%[1]。近年來(lái)，信息和通信技術(shù)越來(lái)越多地用于支持制造企業(yè)的決策，同時(shí)，產(chǎn)品裝配過(guò)程產(chǎn)生了越來(lái)越多的信息，其中許多數(shù)據(jù)是重復(fù)且雜亂的，并不能直接用于多視角的知識(shí)建模[2]。

引信種類繁多，不同引信的作用各不相同。傳統(tǒng)的引信裝配方案龐雜，以人工完成復(fù)雜裝配過(guò)程的效率很低，而效率最高的裝配方案受某些因素影響往往不會(huì)被采用。當(dāng)引信裝配方案與制造過(guò)程發(fā)生沖突時(shí)，裝配的效率會(huì)降低。為此，需延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間、增加自動(dòng)裝配流水線和機(jī)器人的數(shù)量，同時(shí)會(huì)增加裝配費(fèi)用[3]。本文將建立引信裝配工藝知識(shí)本體，并將其作為裝配的依據(jù)，以有效解決引信裝配工藝領(lǐng)域知識(shí)不統(tǒng)一而造成引信裝配效率低的問(wèn)題。

1 引信裝配工藝知識(shí)本體

近年來(lái)，隨著工業(yè)的發(fā)展，Protégé本體式編輯應(yīng)用工具和OWL(Object Windows Library,它是一個(gè)應(yīng)用框架的類庫(kù))本體式描述語(yǔ)言的具體應(yīng)用逐漸增多；同時(shí)，在大力提高引信裝配效率和相關(guān)知識(shí)重用性的背景下，為構(gòu)建引信裝配工藝知識(shí)本體模型提供了基礎(chǔ)性條件。

本體是共享概念模型的規(guī)范化說(shuō)明。建造本體被看作改進(jìn)知識(shí)工程過(guò)程、提高知識(shí)共享和復(fù)用程度、進(jìn)行語(yǔ)義互操作和應(yīng)用集成的重要手段[4]。它可以有效地降低或消除領(lǐng)域概念和專業(yè)術(shù)語(yǔ)間的混淆現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，從而提高解決信息系統(tǒng)所存在問(wèn)題的能力，使知識(shí)體系間的互操作變?yōu)榭赡埽瑵M足信息系統(tǒng)在復(fù)雜知識(shí)表示方面的迫切需要。另外，通過(guò)本體添加規(guī)則語(yǔ)言，可實(shí)現(xiàn)邏輯推理，為解決決策問(wèn)題提供有效支持[5]。

實(shí)現(xiàn)知識(shí)共享和重用的前提是知識(shí)內(nèi)容具有足夠的準(zhǔn)確性和可管理性。引信裝配工藝知識(shí)來(lái)源廣泛，具有關(guān)聯(lián)科目多、裝配過(guò)程的人工占比高以及存儲(chǔ)格式多樣等特點(diǎn)[6]。此外，引信裝配過(guò)程所參考知識(shí)的來(lái)源也很廣，例如結(jié)構(gòu)工藝性要求、零部件結(jié)構(gòu)要求、機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、典型案例等。引信裝配工藝知識(shí)的產(chǎn)品相關(guān)性是指某些知識(shí)的專一性與具體的引信產(chǎn)品相關(guān)；工藝知識(shí)的人員相關(guān)性是指工藝知識(shí)產(chǎn)生和使用的主體都是人，不同的人對(duì)工藝知識(shí)的需求也不同，工藝知識(shí)與人員之間有著緊密的聯(lián)系;工藝知識(shí)的異構(gòu)性是指工藝知識(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間存在差異，比如知識(shí)可以是純文本、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、規(guī)則、公式等[7]。引信裝配工藝知識(shí)的這些特點(diǎn)導(dǎo)致了其存儲(chǔ)和管理時(shí)的困難。為了提高知識(shí)的重用性、便于知識(shí)的管理和表達(dá)，需要從多個(gè)方面對(duì)工藝知識(shí)進(jìn)行分類[8]。工藝知識(shí)的建立分為自頂向下和從基層開(kāi)始兩種方式。本文采用自頂向下的方式來(lái)建立本體。

通過(guò)對(duì)引信裝配工藝知識(shí)的研究，針對(duì)裝配工藝知識(shí)存在的復(fù)雜性與多樣性，可將引信裝配工藝知識(shí)本體分為圖1所示的3個(gè)子本體：引信零件的知識(shí)本體、引信裝配工藝概念的知識(shí)本體、引信機(jī)構(gòu)的知識(shí)本體。針對(duì)引信裝配過(guò)程所涉及零件、工具，以及它們的名稱、屬性、形狀、材質(zhì)、配合要求，可建立引信零件的知識(shí)本體。為提高裝配工藝知識(shí)的統(tǒng)一性與可共享性，可從裝配工藝概念出發(fā)，建立引信裝配工藝概念的知識(shí)本體。引信種類繁多，功能各不相同。針對(duì)具有不同機(jī)構(gòu)的引信，可建立引信機(jī)構(gòu)的知識(shí)本體。它包括引信的種類、性能、適用對(duì)象以及針對(duì)機(jī)構(gòu)各部分的功能介紹。引信裝配工藝知識(shí)可分成概念性知識(shí)和事實(shí)性知識(shí)。其中，概念性知識(shí)是指裝配工藝涉及的公理、公式等；事實(shí)性知識(shí)是指引信零部件的材料、性質(zhì)、形狀特征等。

圖1 引信裝配工藝知識(shí)本體的分類

采用本體構(gòu)建工具，能將引信裝配工藝知識(shí)形成一個(gè)知識(shí)體系。Protégé是一款實(shí)用的本體編輯和知識(shí)獲取軟件。其開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用Java，本體描述語(yǔ)言選用RDF/OWL[9]。Protégé軟件具有知識(shí)可視化界面和多種本體語(yǔ)言的輸出方式，使得本體的查詢和映射十分方便。

本體中知識(shí)框架的搭建可采用軟件的分類功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文根據(jù)引信裝配的特點(diǎn),對(duì)引信裝配工藝知識(shí)進(jìn)行分類，并設(shè)定了各類之間的從屬關(guān)系。圖2所示的引信裝配工藝知識(shí)本體結(jié)構(gòu)框架由類、子類、超子類3個(gè)層次構(gòu)成。

圖2 引信裝配工藝知識(shí)本體的結(jié)構(gòu)框架

類屬性的不同，可通過(guò)注釋和描述來(lái)定義。注釋主要是針對(duì)類的概念性理論的，它能對(duì)引信裝配工藝知識(shí)涉及術(shù)語(yǔ)的特性以及定義給出唯一解。描述是對(duì)類的屬性進(jìn)行定義，包括對(duì)類的等值性、層次性、從屬性、唯一性以及排他性等進(jìn)行定義。本文采取對(duì)象屬性來(lái)定義類與類，類與實(shí)例間的關(guān)系。對(duì)象屬性是指關(guān)系的內(nèi)容，包括對(duì)對(duì)象關(guān)系的屬性做出定義，以便后續(xù)進(jìn)行推理。引信裝配工藝知識(shí)本體的注釋和描述過(guò)程如圖3所示。

圖3 引信裝配工藝知識(shí)本體的注釋和描述過(guò)程

2 引信零件的知識(shí)本體

根據(jù)知識(shí)分類建立引信零件的知識(shí)本體時(shí)，可按以下內(nèi)容構(gòu)建零件知識(shí)本體：零件名稱、零件材料、零件數(shù)量、零件形狀特征、零件裝配信息以及零件是否為基準(zhǔn)件。對(duì)于裝配信息，可從連接關(guān)系、配合關(guān)系和公差3個(gè)方面進(jìn)行描述。形狀特征可從輪廓要素和中心要素兩方面進(jìn)行擴(kuò)充。引信零件知識(shí)本體的內(nèi)容如圖4所示。

圖4 引信零件知識(shí)本體的內(nèi)容

引信零件知識(shí)本體的實(shí)例如圖5所示。它主要包括引信發(fā)火機(jī)構(gòu)的零件以及零件的對(duì)象屬性。其中：箭頭表示父類與子類的關(guān)系；擊針桿的屬性為基準(zhǔn)件；密封圈、上帽、擊針、擊針桿簧和防潮帽的屬性為非基準(zhǔn)件(圖5中已進(jìn)行標(biāo)記)。確定零件屬性后可根據(jù)相應(yīng)的屬性特征確定裝配關(guān)系。

圖5 引信零件知識(shí)本體的實(shí)例

通過(guò)對(duì)象屬性模塊，可對(duì)已建立的類進(jìn)行對(duì)象屬性的定義。這里以圖6所示的裝配信息和子類連接關(guān)系為例，進(jìn)行對(duì)象屬性的定義。用對(duì)象屬性表示類與類的關(guān)系既方便又準(zhǔn)確。

圖6 裝配信息和子類連接關(guān)系的對(duì)象屬性定義

3 引信裝配工藝概念的知識(shí)本體

引信裝配過(guò)程涉及大量的概念性知識(shí)，如孔軸配合公差帶的選取過(guò)程涉及孔、軸、孔徑、軸徑、公差帶等多個(gè)概念，以及相互間的配合要求。這類知識(shí)的邏輯關(guān)系較復(fù)雜，需要繁瑣的建模和處理過(guò)程才能轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的概念性知識(shí)；而使用時(shí)，工作人員更傾向于以自己的思維方式來(lái)處理，因此還需要用事實(shí)性知識(shí)加以處理。

對(duì)引信裝配知識(shí)中的典型術(shù)語(yǔ)進(jìn)行唯一性表述時(shí)，可選用引信裝配過(guò)程涉及的知識(shí)關(guān)系來(lái)構(gòu)成針對(duì)一定領(lǐng)域知識(shí)的概念模型，并根據(jù)權(quán)威文獻(xiàn)的典型專業(yè)術(shù)語(yǔ)和概念，對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)一的描述。概念級(jí)本體描述了引信裝配所需的幾乎所有領(lǐng)域的概念詞匯，以及這些概念詞匯間的邏輯關(guān)系[10]。引信裝配工藝概念的知識(shí)本體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 引信裝配工藝概念的知識(shí)本體結(jié)構(gòu)

由圖7可見(jiàn)，引信裝配工藝概念的知識(shí)本體結(jié)構(gòu)主要包括：零件之間的連接關(guān)系、連接種類、配合關(guān)系以及零件的形位公差。零件之間的連接關(guān)系主要指裝配中點(diǎn)、線、面層次的關(guān)系，包括：接觸對(duì)齊、角度、中心、膠合、擬合、同心、距離、固定、平行、垂直。引信裝配中常用的是零件之間接觸對(duì)齊和同心的連接關(guān)系。零件之間的連接種類包括：螺紋連接、榫接、焊接、粘接、鉸接、鎖扣。零件之間的配合關(guān)系主要指的是孔軸配合，包括：過(guò)盈配合、過(guò)渡配合、間隙配合?；鶞?zhǔn)定位方式包括基孔制和基軸制。零件的形位公差可以分為形狀公差與位置公差。其中，形狀公差包括圓度、圓柱度、平面度、直線度、面輪廓度和線輪廓度；位置公差包括定位公差、定向公差和跳動(dòng)公差。

通過(guò)構(gòu)建引信裝配工藝概念的知識(shí)本體，可實(shí)現(xiàn)引信裝配工藝所有知識(shí)概念的統(tǒng)一。

4 引信機(jī)構(gòu)的知識(shí)本體

根據(jù)引信目標(biāo)的不同，可將引信分為多種類型，而引信目標(biāo)可分為直接覺(jué)察目標(biāo)和間接覺(jué)察目標(biāo)。對(duì)于直接覺(jué)察目標(biāo)，可用觸發(fā)引信和非觸發(fā)引信來(lái)應(yīng)對(duì)。觸發(fā)引信包括瞬發(fā)觸發(fā)引信(其觸發(fā)時(shí)間<1 ms)、慣性觸發(fā)引信、延期引信、機(jī)械引信、機(jī)電引信等。非觸發(fā)引信主要指近炸引信。對(duì)于間接覺(jué)察目標(biāo)，可用間接覺(jué)察引信來(lái)應(yīng)對(duì)。間接覺(jué)察引信是通過(guò)判斷預(yù)先裝定的起爆信息或接受起爆指令而發(fā)生作用的引信。它包括時(shí)間引信、指令引信、定位引信等。

引信機(jī)構(gòu)應(yīng)根據(jù)戰(zhàn)斗技術(shù)要求的不同進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。比如，機(jī)械引信的發(fā)火機(jī)構(gòu)一般選用瞬發(fā)觸發(fā)機(jī)構(gòu)；而時(shí)間引信可選用定時(shí)發(fā)火機(jī)構(gòu)。引信機(jī)構(gòu)的知識(shí)本體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

由圖8可見(jiàn)，引信機(jī)構(gòu)分為下列8個(gè)部分：①引信爆炸序列，它又細(xì)分為爆炸元件和典型爆炸序列；②引信發(fā)火機(jī)構(gòu)，它可分為機(jī)械瞬發(fā)觸發(fā)機(jī)構(gòu)、機(jī)械慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)、機(jī)電發(fā)火機(jī)構(gòu)和定時(shí)發(fā)火機(jī)構(gòu)；③引信隔爆機(jī)構(gòu)，它可分為滑塊式隔爆機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)子式隔爆機(jī)構(gòu)、空間隔爆機(jī)構(gòu)和火帽隔爆機(jī)構(gòu)等；④引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，它可分為后座保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、空氣動(dòng)力保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)；⑤引信電源，它從發(fā)電機(jī)構(gòu)出發(fā)，大致可分為化學(xué)電源和物理電源兩種；⑥引信延期機(jī)構(gòu)，它可分為火藥延期機(jī)構(gòu)、小孔氣動(dòng)延期機(jī)構(gòu)以及火藥自調(diào)延期機(jī)構(gòu)；⑦引信自毀機(jī)構(gòu)，它可分為火藥定時(shí)自毀機(jī)構(gòu)、離心自毀機(jī)構(gòu)、鐘表定時(shí)自毀機(jī)構(gòu)和電子定時(shí)自毀機(jī)構(gòu)；⑧引信輔助機(jī)構(gòu)，它可分為引信裝定機(jī)構(gòu)、引信防雨機(jī)構(gòu)和引信閉鎖機(jī)構(gòu)[11]。

圖8 引信機(jī)構(gòu)的知識(shí)本體結(jié)構(gòu)

5 引信裝配工藝知識(shí)的檢索流程

知識(shí)檢索模塊重點(diǎn)用于解決用戶從知識(shí)庫(kù)獲取知識(shí)的問(wèn)題。其主要功能如下：①知識(shí)顯示，即用戶登錄網(wǎng)站搜索不同類型知識(shí)對(duì)應(yīng)的不同知識(shí)本體時(shí)，可展示不同種類的知識(shí)內(nèi)容；②知識(shí)全文檢索，即用戶可用自然語(yǔ)言進(jìn)行知識(shí)檢索，并能根據(jù)檢索語(yǔ)句與知識(shí)的匹配程度，對(duì)檢索結(jié)果進(jìn)行排序。引信裝配工藝知識(shí)的檢索流程如圖9所示。

圖9 引信裝配工藝知識(shí)的檢索流程

用戶登錄網(wǎng)站后可進(jìn)入引信裝配工藝知識(shí)檢索模塊，進(jìn)行知識(shí)檢索并選擇知識(shí)類別。這里，以機(jī)械引信的發(fā)火機(jī)構(gòu)為例，選擇發(fā)火機(jī)構(gòu)，并搜索機(jī)械引信，可以得到屬于機(jī)械發(fā)火機(jī)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)，包括引信編號(hào)、引信類型、引信機(jī)構(gòu)、引信作用目標(biāo)以及構(gòu)成發(fā)火機(jī)構(gòu)的主要零件等。知識(shí)檢索界面如圖10所示。

圖10 知識(shí)檢索界面

構(gòu)建瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)時(shí)，前端采用JavaScript語(yǔ)言編程技術(shù)，后臺(tái)采用以Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的軟件，通過(guò)ActiveX數(shù)據(jù)對(duì)象實(shí)現(xiàn)頂層界面與底層知識(shí)庫(kù)的鏈接。需要說(shuō)明的是：知識(shí)檢索界面采用Eclipse IDE開(kāi)發(fā)平臺(tái)、JSP(Java Server Pages)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)指令；本地服務(wù)器采用Navicat for MySQL開(kāi)發(fā)平臺(tái)、結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言(Structured Query Language，SQL)；查詢語(yǔ)義的分析模塊采用Eclipse IDE開(kāi)發(fā)平臺(tái)和Java語(yǔ)言。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)引信裝配工藝知識(shí)進(jìn)行分類，借助Protégé軟件建立引信裝配工藝知識(shí)本體，并將其分為引信零件的知識(shí)本體、引信裝配工藝概念的知識(shí)本體和引信機(jī)構(gòu)的知識(shí)本體；在引信零件知識(shí)本體中構(gòu)建引信裝配知識(shí)的對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)屬性，明確零件的各項(xiàng)屬性，并對(duì)本體內(nèi)知識(shí)的定義域和值域進(jìn)行了屬性約束；用引信裝配工藝概念的知識(shí)本體，對(duì)引信裝配過(guò)程涉及的專業(yè)概念進(jìn)行規(guī)范化處理；通過(guò)引信機(jī)構(gòu)知識(shí)本體，將引信機(jī)構(gòu)知識(shí)和事實(shí)性知識(shí)連接起來(lái)，提高了知識(shí)的可重用性，實(shí)現(xiàn)了引信裝配工藝知識(shí)的共享。