本體及其在機械工程中的應用綜述

【摘要】本體技術是改進知識工程的過程，增加知識共享。本文對本體的概念以及其在機械工程中的應用進行分析，以供參考。

【關鍵詞】本體；機械工程；概念；應用

一、前言

本體在經歷了10多年的發展之后，已經實現了語言、環境構建和方法論，現已經構建了理論框架和技術體系，在各行業中廣泛應用。

二、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范說明，這與它所建模的世界有著明顯的區別。本體發展至今，其應用范圍已經遠遠超出了傳統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點：

1、異構系統互操作，在異構主體之間對交流的結構化信息達成共識，這是本體開發的一個主要目標；

2、通過本體復用、映射和集成等方式實現領域知識復用，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，當領域發生變化時，對應的領域認定的改變也相對比較容易；

4、分析領域知識，建立領域本體，實現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。

三、知識工程中本體的含義

在知識工程領域，研究人員給出了面向人工智能的明確的本體定義，其中，最重要的一個是Gru-her在1993年采用人工智能界公認的概念模型為基礎給出的：本體是概念模型的明確的規范說明。隨后Studer在參考了Gruber和Borst的定義的基礎上提出了本體是共享概念模型的明確的形式化規范說明。本體定義的核心內容是概念模型，即研究領域內存在的對象、概念及其他實體以及它們之間的關系是研究領域的一個抽象的、簡化的視圖，每一個知識庫、知識庫系統或知識水平的主體，都或明確或隱含的依托于某些概念模型。分類法（taxonomy）是對科學分類的普遍規律的研究，是按照一定的思想觀點，以科學分類為基礎，結合領域內容和特點，將領域知識分門別類以術語的形式組成分類表。本體與分類法相比，主要有兩個區別：本體具有更為豐富的內部結構并且反映了某種程度的共識。

理論上，可以通過5種類型的構件來形式化描述一個本體：概念、關系、函數、公理和實例。這里的概念可泛指論述的任何事物，如任務、功能、行為、策略和推理過程等等，有時為敘述方便，概念也稱為類。關系用來表示領域中概念之間的相互作用，元關系形式化定義為個集合的笛卡兒乘積的子集：R：C×C×…×C。函數是一類特殊的關系，在這種關系中，前n一1個元素可以惟一決定第n個元素，函數的形式化定義為：F：C×C2×…×G一一C。公理用來表示領域中永真的陳述，實例表示領域中的具體元素即對象。

四、本體構建的規則

本體構建方法概述出于對各自問題領域和具體工程的考慮，構造本體的過程各不相同。目前沒有一個標準的本體構造方法，最有影響的是Gruber在1995年提出的5條規則：

1、清晰：本體必須有效地說明所定義的術語的含義。定義應該是客觀的，與背景獨立的。當定義可以用邏輯公理表達時，它應該是形式化的，應該盡力用邏輯公理表達。定義應該盡可能的完整。所有定義應該用自然語言加以說明。

2、一致：本體應該是前后一致的，也就是說，它應該支持與其定義相一致的推理。它所定義的公理以及用自然語言進行說明的文檔都應該具有一致性。如果從一組公理中推導出來的一個句子與一個非形式化的定義或者實例矛盾，則這個本體是不一致的。

3、可擴展性：本體的可擴展性是指，本體提供一個共享的詞匯，這個共享的詞匯應該為可預料到的任務提供概念基礎。它應該可以支持在已有的概念基礎上定義新的術語，以滿足特殊的需求，而無須修改已有的概念定義。也就是說，人們應該能夠在不改變原有定義的前提下，以這組存在的詞匯為基礎定義新的術語。

4、編碼偏好程度最小（Minimalencodingbias）：本體應該處于知識的層次，而與特定的符號級編碼無關。本體的表示形式的選擇不應該只考慮表示上或者實現上的方便。概念的描述不應該依賴于某一種特殊的符號層的表示方法，不能依賴于某種確定的語言，因為實際的系統可能采用不同的知識表示方法。

5、本體承諾最小，（Minimalontologicalcommitment）：本體承諾應該最小，只要能夠滿足特定的知識共享需求即可。也就是說，本體應該對所模擬的事物產生盡可能少的推斷，而讓共享者自由地按照他們的需要去專門化和實例化這個本體。Gruber還指出，由于本體承諾是以詞匯的使用為基礎的，因此可以通過定義承諾最弱的公理以及只定義應用所需的基本詞匯來保證。

五、基于本體的產品信息模型

來自華盛頓大學的Sudarsan和CMU的Fenves作為美國國家標準與技術研究院（theNationalInsti—tuteofStandardsandTechnology，NIST）的訪問學者，與NIST的Sriram等人一起，為支持產品生命周期管理（ProductLifecycleManagement，PLM）各個方面的信息需求，以本體為表示工具，開發了一種產品信息模型框架口。該框架以NIST的核心產品模型（theNISTCoreProductModel，CPM）及其3個擴展版本：開放式裝配模型（OpenAssemblyMod—el，OAM）、設計分析集成模型（DesigeAnalyticIn—tergratedModel，DAIM）和產品族進化模型PFEM作為基礎。OAM定義了系統級的概念模型和相關的層次化裝配關系；DAIM定義了產品的主模型以及一系列抽象功能模型和兩個主模型與功能模型之間的變換，每一個功能模型對應于產品的某一個領域特性，兩個變換分別為理想化和映射；PFEM表示產品族及其組件，與產品族進化相關聯的設計原理。

開發產品信息模型框架的目的在于：①從產品的概念設計階段開始，在其全生命周期的整個過程中捕捉產品、設計原理、裝配、公差等信息；②便于下一代CAD/CAE/CAM系統的語義互操作；③捕捉產品和產品族的進化。該框架提供了產品信息和設計原理的細粒度描述，因而PLM系統可以方便地直接訪問框架中的數據。

產品信息模型框架作為產品在設計過程各個方面的信息庫，能夠為PLM及其輔助系統提供一種單一的、一致的信息交換協議，支持CAx及其他相關系統之間直接互操作和無縫的信息集成。該框架具有以下特點：

1、以形式化語義為基礎，通過采用合適的本體就能進行自動推理；

2、具有概括性，它描述的是概念實體（制品和特征），而不是針對具體的某種產品（發動機、泵等）；

3、提供了產品全方位的豐富信息；

4、致力于促進新的應用和過程的開發，避免由于環境中信息的不齊備阻礙新應用的實現；

5、框架中結合了明確表示的設計原理，作為描述產品本身的重要內容；

6、作為產品級上不同系統間互操作的轉換與接口。

六、結束語

總之，盡管當前，本體技術已經得到了發展，但是還是存在一定局限性，不能僅局限在對事實知識的表示，還應用對過程性的知識以及有效方法進行探索，這也是該技術今后的發展方向。

【參考文獻】

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