面向語義推理應用的船舶艙室布置設計本體模型

許 偉， 李 楷＊，2， 王 艷 龍

（1.大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；3.山東省科學院 海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266061）

0 引 言

船舶艙室布置設計是貫穿整個船舶設計過程的重要部分，具有不斷反復、螺旋上升的特點.其設計成果通常在總布置圖及船體說明書中體現，表達為最終設計方案中的艙室幾何形狀、特征尺寸和主要功能，這些只占整個船舶艙室布置設計活動產生信息總量的小部分.船舶艙室布置設計的過程信息、設計意圖、設計原理、設計約束這些與設計推理直接相關的信息，規模龐大、層次復雜，是船舶艙室布置設計活動產生信息總量的絕大部分.但是，這些推理信息，尤其是過程信息和設計意圖，基本上都保存在設計人員的大腦中，小部分散落在各種設計規范和數據文檔中，因而不具備系統性和結構性，缺少可視化支持.一般船舶設計都需要參考母型船，即對母型船的部分設計進行重用，這時就只能依靠分析總布置圖及船體說明書來理解母型船設計過程中的設計意圖，進而指導和驗證設計船的設計推理.這是一個逆向推導的過程，求解易發散而難以得到準確解.在工程實際中，設計人員往往需要與原設計者充分溝通，以掌握船舶設計過程所需的推理信息，即設計推理離不開人.

推理信息的碎片化存放形式也不利于協同設計.當不同專業小組的設計人員需要協調時，必須組織起來開會討論，由于缺乏可視化和結構化的推理信息支撐，專業之間的這種協調和討論效率不高，只能得出一些勉強具有可行性的方案.更為嚴重的是，如果有關人員缺席導致無法溝通，將會影響設計效率和設計質量，甚至造成企業的損失.因此有必要采用系統化和可視化的知識表達方式實現設計知識的重用、繼承與共享.

近年來，本體Web技術在知識工程中的應用日益得到重視，它通過建立基于知識的模型，來表達某領域內概念的抽象以及描述這些概念的關系和屬性的網絡，因而具有知識形式化表達和共享特性.目前基于本體的方法已被眾多學者應用到多個設計領域范疇.因此，本文將本體論引入船舶艙室布置領域，通過挖掘船舶艙室布置相關知識，構建領域本體知識庫，以實現對船舶設計專家經驗知識的保存，并通過一艘漁政船艙室布置設計進行實例驗證.

1 基于本體的知識發現方法

1.1 本體論發展現狀

本體的概念最初起源于哲學領域，用于描述事物的本質［1］.近年來，本體在人工智能等信息管理領域獲得廣泛關注，它所包含的哲學思想對這些領域產生了深遠的影響.劉偉等提出了基于本體論的小型農機快速響應設計方法，建立了從需求到功能到技術原理再到元件結構的4層設計知識的映射，提高了設計領域中的知識利用率［2］.張應中等提出了一種基于本體的產品DR（design rationale）語義表達模型——ISAA模型，有效地解決了設計原理信息重用問題［3］.李福鑫提出了一種面向重載鐵路風險數據的領域本體，采用半自動構建方法進行本體模型構建，為基于結構化和半結構化數據源進行本體學習提供了一種可行的方法［4］.程宏佳將語義技術與本體工程引入船舶機艙布置領域，并探討了有關機艙布置智能化設計的相關內容［5］，對于本文所要研究的船舶艙室布置本體模型構建問題具有重要的參考價值.Gangemi探討了幾類領域本體應用的典型概念和模式［6］.Setchi等提出了一種基于語義的圖像提取方法，這一方法將詞匯的單義性與多義性用于特定概念的概率估計，從而擺脫了對機器學習和標記語料庫的依賴［7］.Chung等將本體論引入潛艇艙室布置設計中，初步實現了智能化分艙［8］，但是該文并沒有給出艙室布置本體模型構建的具體方法.

1.2 基于本體推理的語義搜索

本體是領域知識的形式化表達，需要與知識發現方法配合使用才能從已有的知識中發現未知的知識，從而創造更大的價值.即本體只是告訴人們“是什么”，而語義檢索與推理則是告訴人們“怎么用”和“為什么”.傳統的信息檢索主要是通過關鍵詞的匹配程度進行搜索，這種方式首先用若干個關鍵詞對用戶的需求概念進行簡化表達，在一定程度上造成信息傳遞的失真，而其查詢方法的本質是對信息的機械過濾，這種查詢方法以及搜索到的結果，都不能很好地滿足用戶的檢索需求.人們逐漸認識到，應從語義的角度來識別用戶的需求和檢索信息，提高信息檢索的查全率（recall ratio）和查準率（precision ratio），從而更高效地獲得所需要的信息資源.

近20年來，很多學者在語義信息搜索方面開展了相關研究，取得了一定的成果.王曼等將本體和圖論結合，用計算機領域本體表示文檔中的知識，用求帶權最短路徑的方法擴展查詢，在搜索過程中綜合考慮句型和語義兩種因素進行匹配查詢，根據語義相似度排序相關文檔［9］.顧復等提出了基于語義網絡RDF模型的建立方法，將設計目標轉換為語義網絡片段，通過計算備選方案語義網絡中各節點與目標值的匹配度，獲得所需的參考配置方案［10］.韓軍等提出了基于本體知識庫的語義擴充方法，并設計了一種新的索引結構GRTree，通過對空間語義圖的層次劃分，可有效過濾無效信息［11］.為了提高產品的競爭力，從占據市場主流地位的搜索引擎服務商（如Google、百度等），到一些獨立的小型公司、研究機構，也紛紛開始將語義搜索技術與傳統搜索方法集成，提高搜索質量［12－13］.但總體上語義搜索引擎仍處于發展階段，還未出現成熟的應用產品.

2 船舶艙室布置本體模型

2.1 本體模型構建方法

本體知識庫是語義搜索的基礎.作為知識的一種形式化表達模型，本體具有較強的知識表達能力和明確的概念層次結構，因而能有效捕獲相關領域的知識，有助于設計知識的重用和共享.本體建模的核心是描述邏輯（description logic，DL），由4個基本部分組成［4］：①構造集，用于表示概念和關系；②TBox術語集；③ABox斷言集；④TBox和ABox上的推理機制.這4個基本部分的配置方式決定了描述邏輯的表達能力和推理機制.描述邏輯有清晰的模型-理論機制，因而具有很強的表達能力，非常適合使用概念分類法來表示應用領域.并且，描述邏輯的意義在于提供可判定的推理機制，保證推理算法的收斂性，能夠返回合理的結果.圖1為基于描述邏輯的本體知識庫基本框架.

本體建模的表達方式則主要依靠本體建模語言.本體論最先應用于 Web技術，因此眾多本體建模語言的發展也是基于Web標準的，目前應用最廣泛的是網絡本體語言（web ontology language，OWL），OWL已成為 W3C推薦的標準本體語言.

圖1 基于描述邏輯的本體知識庫基本框架Fig.1 Basic framework of DL-based ontology knowledge base

1995年Gruber提出的本體模型構建5條準則，廣為學界和開發人員接受.該準則已演變為本體建模的檢驗和評價依據，可制約本體模型構建的隨意性［14］.至今已發展出數十種本體模型構建方法，大致可分為3類：人工處理，半自動建模，全自動建模.在Web信息這類通用性較強的領域本體建模上，已經實現了半自動建模，但是在各類工程領域，由于專業性較強，其本體建模仍然停留在人工處理階段.

2.2 船舶艙室布置本體模型構建方法

本文研究的船舶艙室布置領域本體，屬于應用本體.應用本體需要在領域本體基礎上進行構建，同時還要涵蓋領域知識與應用程序開發對象知識，以用于應用程序的開發，因此必須采用特定策略進行構造.船舶艙室布置領域本體的構建流程如圖2所示.

（1）獲取船舶艙室布置領域知識

領域本體在構建之前，必須明確領域范疇，這樣才能降低建模難度，節約建模時間.船舶艙室布置領域知識來源廣泛，如船舶設計圖紙、三維模型、船級社規范、相關標準、船東要求以及直接來自船舶設計人員的經驗等.這些因素造成每艘船舶艙室布置設計都有一定的特點，也說明船舶艙室布置本體知識庫的不完整性將長期存在.在基于應用本體進行開發時也必須要考慮到本體知識庫的不完整性.

在構建本體模型時，如能在本體知識庫中查詢到可復用的本體，則能顯著提高本體建模效率.并且查找可復用本體不必局限于同領域，可以基于具有相同架構的本體進行本體建模.在建模時還要注意描述的規范性，以提高本體的擴展性.

圖2 船舶艙室布置本體模型構建流程Fig.2 The process of ship cabin layout ontology modeling

（2）提取核心概念類定義及概念分組

概念通常也稱為類，它表示具有相同特征事物的集合，在描述具體領域本體時，必須采用公認術語進行概念表達，并給出一致的語義定義，形成結構化概念文檔庫.在OWL中，關于類的關系有3大公理，分別為 DisjointClasses、SubClassOf、EquivalentClasses.DisjointClasses表示類之間不相交關系，SubClassOf表示類與類之間的父子關系，EquivalentClasses表示滿足類的充要條件.船舶艙室布置本體的核心概念應包括以下幾點：

①區域.在船舶艙室布置過程中，一般先大體劃分出功能區域，然后再對每個功能區域細分出更小區域，其中最小的單元為艙室.

②艙室.作為整個船舶艙室布置設計中的基本單元，艙室概念應包括所屬區域、功能、位置、容積、形狀等信息.

③拓撲結構.拓撲結構是指各個功能區域、艙室相互連接的形式.采用拓撲結構，可以把艙室之間的關系從具體的位置、形狀中抽象出來.

④功能.功能是船舶艙室布置設計的核心問題，船舶艙室布置設計的所有工作都是為了滿足這一目標而服務的.每個區域、艙室都具有獨特的功能，功能屬性對各艙室的位置及艙室之間的關系有決定性作用.

（3）定義屬性、關系及相關約束

在Protégé本體編輯軟件中，屬性類型包括對象屬性Owl：ObjectProperty和數據屬性Owl：DataTypeProperty.其中對象屬性表示的是類與類之間的關系，它的特征包含可逆性、傳遞性、對稱性、自反性、函數性等，在描述中rdfs：range與rdfs：domain分別用來表示值域與定義域，如表1所示.數據屬性是類的固有特征，表示類與值之間的關系，它的屬性特征只有函數性，表示類的實例對應的數據屬性值只能唯一，不能存在重復值.約束包括量詞約束、基數約束、存在值約束.如表2所示，這些約束將作為推理依據供推理機使用.

表1 船舶艙室布置本體中的主要關系Tab.1 The main relationships among ship cabin layout ontology

表2 船舶艙室布置本體中的主要約束Tab.2 The main constraints in ship cabin layout ontology

（4）本體實現及評價

本體實現應使用語義Web技術進行領域本體編碼、形式化.目前很多本體建模軟件都提供了便捷的手段完成本體的形式化描述，以Protégé為例，可以圖形化的表示方法構建船舶艙室布置本體，再利用其強大的轉化功能，將本體自動轉化為OWL文本.針對不同的需求，OWL有3種子語言，分別為 OWL Full、OWL DL和OWL Lite，其區別見表3.由于船舶艙室布置本體需要具備一定的邏輯查詢與推理能力，本文選擇OWL DL進行本體實現與表達.

對于公理集的形式化表述，則采用語義Web規則語言（semantic web rule language，SWRL），它的語法規則主要基于OWL DL與RuleML的子集.在邏輯運算方面，只對“與”提供直接支持，而“或”則要拆分成多個規則來實現.SWRL的語言規則表達與生成式知識的表達類似，都是采用蘊含式，由若干個原子式組成.如某規則的自然語言表達為如果一個艙室x屬于區域z，另一個艙室y屬于區域f，并且區域z與區域f相鄰，那么艙室x與艙室y相鄰.其SWRL表達為Compartment（？x） ∧ Zone＿Deck（？z） ∧ is＿Belong＿To（？x，？z）∧Compartment（？y）∧Zone＿Deck（？f）∧is＿Belong＿To（？y，？f）∧ adjacent＿With（？z，？f）→adjacent＿With（？x，？y）.可見該表述便于人與機器的理解，所以應用比較廣泛.

表3 OWL子語言之間比較Tab.3 Comparison between OWL sub languages

本體評價的目的是對本體進行相容性和一致性檢查.本體知識庫的表現形式是OWL文本，可以由軟件生成也可以由人工編輯，因此在使用前必須進行檢查，以保證沒有語義邏輯錯誤.在Protégé中，可通過使用推理機或結合由SWRL規則語言編寫的公理集，對基于OWL DL描述的本體進行相容性和一致性檢查.通過推理機不僅可以發現類定義不一致問題，還可以進一步挖掘本體中隱含的層次關聯，從而保證本體的完整性和實用性，為后續推理提供基礎.

3 實例驗證

3.1 本體模型構建

為了驗證本文提出的船舶艙室布置本體模型構建方法的可行性，以300、400、500t三型漁政船為研究對象，進行船舶艙室布置本體模型構建.本體編輯工具采用Protégé3.4.8，推理機采用Pellet 1.5.2，該本體模型可視化結果如圖3所示，并進行相容性和一致性檢查.

圖3 船舶艙室布置本體可視化結果Fig.3 Visualized result of ship cabin layout ontology

用OWL語言描述船舶艙室布置本體的片段如下：

...

＜Declaration＞

＜Class IRI＝"＃Anchor＿TK"／＞

＜／Declaration＞

＜Declaration＞

＜Class IRI＝"＃Ballast＿TK"／＞

＜／Declaration＞

＜SubClassOf＞

＜Class IRI＝"＃Anchor＿TK"／＞

＜Class IRI＝"＃Compartment"／＞

＜／SubClassOf＞

＜SubClassOf＞

＜Class IRI＝"＃Ballast＿TK"／＞

＜Class IRI＝"＃Compartment"／＞

＜／SubClassOf＞

...

形成的概念清單包括

區域：儲藏區域、生活區域、工作區域、公共活動區域等.

艙室：駕駛室、船長室、船員室、燃油艙、淡水艙、艏尖艙、會議室等.

拓撲結構：主船體外殼、上層建筑外殼、甲板、平臺、橫艙壁、縱艙壁等.

功能：儲藏艙室、生活艙室、工作艙室、公共活動艙室、空艙等.

3.2 簡單類查詢與按規則推理

該本體模型中包含了三型漁政船的布置設計實例，其中300t漁政船艙室布置設計的二維圖如圖4所示.

假設有一艘350t漁政船的設計任務，以300t漁政船為母型船設計，則可使用本體知識庫中300t漁政船的相關信息進行檢索和推理.

以全船供水系統為例，在描述邏輯插件DL query中，輸入需要查詢的類對象 Water＿TK，運行推理機，查詢結果如圖5所示.根據需要篩選所需的類關系，還可以進一步查詢.如要獲悉Water＿TK006的布置相關信息，則可查詢到與 Water＿TK006相鄰的艙室有Water＿TK004.

除了以上簡單查詢外，還可以通過進一步添加規則進行推理，利用 Protégé提供的SWRLTTab標簽編寫推理規則，然后由SWRLJessBridge將SWRL規則以及OWL本體轉化為推理機能夠識別的格式，這樣再利用推理機就能順利地完成推理.規則的自然語言表述為如果一個艙室屬于某個區域，而這個區域的底部又由某個拓撲結構（包括船底、甲板、平臺）組成，那么該艙室的位置必然在這個拓撲結構中.該規則的SWRL表達為Compartment（？x）∧Zone＿Deck（？y）∧is＿Belong＿To（？x，？y）∧u＿Component＿With（？y，？z）→has＿Position（？x，？z）.

依據該規則進行推理，返回的推理結果如圖6所示.

圖5 基于DL query的簡單查詢Fig.5 Simple query based on DL query

圖6 SWRL推理結果Fig.6 SWRL reasoning result

推理結果說明4號淡水艙和6號淡水艙的位置都位于船底部，而且關于中縱剖面對稱.這些知識是無法通過對文本的簡單查詢獲取的，只能利用語義推理工具根據推理規則進行檢索得到.類似地，對其他系統在艙底的艙室布置進行了推理，根據推理結果，通過對CATIA二次開發，在CATIA中對350t漁政船艙底部分艙室的布置設計進行自動建模，結果如圖7所示.將語義推理與3D建模軟件結合，可以實現語義規則驅動的智能船舶總布置交互設計，當相關設計對象的位置、組成結構需要調整時，其語義關系是隨之調整的.而在傳統的船舶設計過程中，建模過程與語義推理是分離的.在實際船型開發過程中，設計人員還可以采用多種方式將實例庫中已有的布置對象導入推理機進行推理，得到更多設計方案，檢驗布置設計是否符合規則.

圖7 350t漁政船部分艙室布置設計結果Fig.7 Design result of 350tfishery administration vessel partial cabin layout

4 結 語

本文從本體論的角度出發，根據船舶艙室布置設計的特點，總結出船舶艙室布置設計領域所需要考慮的類、概念和屬性等語義關系，提出了船舶艙室布置設計領域本體的構建方法，并通過350t漁政船的艙室布置設計實例驗證了該本體模型的可行性和有效性.新船型的出現以及創新的設計理念，必然導致船舶艙室布置設計領域知識不斷發展，領域本體知識的不完整性將長期存在，需要通過本體維護進行更新，這涉及本體進化與自動獲取等相關技術，今后將對此展開研究.