機(jī)械零件庫資源本體的構(gòu)建研究

黨亞洲，孫文磊，何 麗，劉建爽

DANG Ya-zhou, SUN Wen-lei, HE Li, LIU Jian-shuang

（新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 840057）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和萬維網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和普及，很多機(jī)械制造企業(yè)建立了各自的基于Web的零件庫系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有機(jī)械零件的組織、管理和查詢，在這些分布式零件庫系統(tǒng)中各個(gè)零件之間隱含的復(fù)雜關(guān)系難以得到高效利用，且零件數(shù)量巨大，描述形式各異，由此導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員的工作效率低下，設(shè)計(jì)周期長，以及查詢效果不理想。

本體作為語義Web[1]技術(shù)的核心，可以用來描述各種資源之間的聯(lián)系，揭示零件資源本身以及資源之間更為復(fù)雜和豐富的語義信息，使零件信息具有計(jì)算機(jī)可理解的語義。因此采用本體思想構(gòu)建機(jī)械零件本體庫，對當(dāng)前如何定義和描述機(jī)械零件以及零件之間內(nèi)在聯(lián)系這一問題提出了一種非常好的解決辦法，同時(shí)也可以為快速而有效地檢索技術(shù)提供支持。

1 基于OWL零件庫資源本體的描述

本體的概念最初起源于哲學(xué)領(lǐng)域，后來隨著人工智能的發(fā)展，AI界給予了新的定義，其中最著名并被引用得最為廣泛的定義是由Gruber提出的：“本體是概念化的明確的規(guī)范說明”[2]。語義網(wǎng)本體語言O(shè)WL（Web Ontology Language）是一種能在語義層次上描述信息系統(tǒng)邏輯模型的建模工具[3]，是一種用于編寫本體聲明的語言，是W3C推薦的本體描述語言的標(biāo)準(zhǔn)，目的是提供更多的元語以支持更加豐富的語義表達(dá)，并更好的支持推理。

如圖1所示的基于OWL的零件資源庫本體模式就是根據(jù)PLIB標(biāo)準(zhǔn)和馬嵩華等[4]提出的零件庫領(lǐng)域本體模式以及使用OWL中的Class、SubclassProperty、ObjectProperty和DatatypePropert等元素進(jìn)行建立的，用來描述與零件族相關(guān)的概念及概念間的關(guān)系。

2 本體構(gòu)建的新方法

目前，本體的研究已經(jīng)逐步深入到實(shí)際應(yīng)用的階段，但因每個(gè)研究人員因其所在領(lǐng)域和所處開發(fā)角度的不同，使用的本體構(gòu)建方法和實(shí)施過程也是各有特色，不盡相同，所以國內(nèi)外并沒有一套標(biāo)準(zhǔn)方法來構(gòu)建本體。其中影響較大的方法[5]主要有：企業(yè)建模法（TOVE）、Mike Ushold & King的骨架法、生命周期法（METHONTOLOGY）和斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院開發(fā)的七步法。

為了尋找一種更為適合機(jī)械零件資源庫本體的構(gòu)建方法，我們利用生命周期法[6]三個(gè)階段涉及到的具有全面性的步驟作為新方法的基礎(chǔ)，同時(shí)參考七步法[7]和TOVE法[8]，提出了一種基于骨架法[9]整體構(gòu)架的新建模方法。其流程圖如圖2所示。該方法將整個(gè)構(gòu)建過程分為四個(gè)階段：確定領(lǐng)域本體目標(biāo)、本體形式化、本體評價(jià)和本體文檔化，針對各個(gè)階段的具體功能參考了七步法詳細(xì)的構(gòu)建步驟，以及在本體評價(jià)中參考TOVE法中的評價(jià)機(jī)理對本體模型的構(gòu)建進(jìn)行完善，同時(shí)在本體文檔化階段中使用OWL本體語言進(jìn)行描述，為后面的本體存儲奠定了基礎(chǔ)。

圖1 基于OWL的零件庫資源本體模式

圖2 構(gòu)建方法流程圖

3 零部件本體的實(shí)現(xiàn)

3.1 概念抽取和定義屬性

在本體形式化前首先需要進(jìn)行概念抽取和定義類的層次關(guān)系，這時(shí)通常可以采取的方法有自上而下法、自下而上法和混合法， 我們在構(gòu)建零部件本體時(shí)將采取的是自上而下法。以機(jī)械零部件為祖先類，根據(jù)資源屬性進(jìn)行一級子類分類，再將一級子類根據(jù)結(jié)構(gòu)、功能和用途等分類，限于篇幅下面只將機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件中法蘭分類的層次關(guān)系作適當(dāng)擴(kuò)展，如圖3所示。

然后進(jìn)行定義屬性和公理描述，這一過程很大程度上決定了本體構(gòu)建后的好壞，在這一階段我們需要在前面本體模式的基礎(chǔ)上提出零件庫資源中零件本體模型，其中以滾動軸承為例描述的零件本體模型，如圖4所示。

3.2 本體評價(jià)和創(chuàng)建實(shí)例

由于本體的構(gòu)建以及實(shí)例化是人工參與的，難免會產(chǎn)生錯誤，所以本文首先采用T. R. Gruber提出的五個(gè)準(zhǔn)則[10](清晰、一致、可擴(kuò)展性、編碼偏好程度最小和本體約定最小)評價(jià)機(jī)械零件本體模型，然后使用推理機(jī)RacerPro[11]進(jìn)行邏輯檢測，來發(fā)現(xiàn)概念層次關(guān)系定義矛盾和屬性關(guān)系關(guān)聯(lián)有誤的情況。最后在評價(jià)和檢測完的機(jī)械零件本體中創(chuàng)建實(shí)例，借助Protégé實(shí)現(xiàn)的零件庫資源主要本體如圖5所示，其中圖5(a)為基于OWL的部分本體片段，圖5(b)是創(chuàng)建實(shí)例后的主要本體展開。

圖3 法蘭分類的部分層次關(guān)系圖

圖4 滾動軸承的本體模型

圖5 零件庫數(shù)源主要本體

4 結(jié)束語

本文在分析了本體建模的一般方法后，提出適合機(jī)械零件本體構(gòu)建的新方法，構(gòu)建該本體目的是為了利用它強(qiáng)大的語義信息解決零件庫系統(tǒng)檢索功能中的許多關(guān)鍵問題，同時(shí)為解決制造業(yè)信息集成和平臺異構(gòu)等問題提供了語義基礎(chǔ)和邏輯模型。該機(jī)械零件庫資源本體盡可能詳細(xì)的包括了相關(guān)概念，而且已經(jīng)通過了RacerPro的邏輯推理檢驗(yàn)，達(dá)到了一定的規(guī)模，其應(yīng)用前景較為廣泛。該本體建模的基本流程具有一定的代表性，同樣也能適應(yīng)于其他領(lǐng)域的本體構(gòu)建。

[1] Tim Berners-Lee. Semantic Web Road Map[EB/OL],http://www.w3.org/Design Issues/Semantic.html,1998,10,14.

[2] Studer R,Benjamins V R and Fensel D.Knowledge Engineering: Principles and Methods[J]. IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering,1998,25(1-2):161-197.

[3] 刁雅靜,王志英,葛世倫.基于OWL的制造業(yè)知識本體構(gòu)建研究[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2009,23(6):538-542.

[4] 馬嵩華,田凌.領(lǐng)域本體組織的自助式零件庫[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2014,20(2):250-253.

[5] 鐘福金.基于OWL的旅游領(lǐng)域本體構(gòu)建實(shí)踐[J].大眾科技,2010,(03):17-18,23.

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[7] 劉宇松.本體構(gòu)建方法和開發(fā)工具研究[J].現(xiàn)代情報(bào),2009,29(9):21-24.

[8] Gruninger M.,Fox M. S.. Methodology for the Design and Evaluation of Ontologies[J].Workshop on Basic Ontological Issues in Knowledge Sharing,IJCAI-95,Montreal,1995

[9] M. Usehold. Ontologies Principles,Methods and Applications[J].Knowledge Engineering Review,1996,6(11):2-3.

[10] T. R. Gruber. Towards Principles for the Design of Ontologies Used for Knowledge Sharing. International Journal of Human Computer Studies.1995,43(6):907-928.

[11] 沈國華.基于描述邏輯的語義Web服務(wù)建模及推理研究[D].南京航空航天大學(xué).2009.