本體及其在機械工程中的應用綜述

張先鋒

摘 要：本體論作為一個人工智能領域有前途的方法，成為了近年研究的一個熱點，引起了各方學者的注意。同時，本體論在機械設計中的應用也得到了重視和研究。特別將本體論應用于機械設計智能設計、概念設計和創新設計表現出其獨有的優勢和前途。但是，不論是本體論本身，還是機械智能設計和創新設計，都正處于研究和發展的過程中。對本體論及其在機械設計中的應用進行回顧，從總體上討論其特點及應用前景，將會對該方面的研究起到良好的作用。

關鍵詞：本體；機械工程；應用要點

中圖分類號：X701；文獻標識碼：A

引言

今制造企業正面臨著市場全球化、制造國際化和產品需求多樣化的新挑戰，各企業間圍繞著產品生產時間、質量和成本的競爭越來越激烈，競爭優勢已從過去可見的設備、資本以及勞動力轉變為現在不可見的知識。知識化、集成化和智能化成為了機械產品設計的發展方向。在眾多的知識管理技術中，本體論定義了規范化描述領域知識的理論和方法，在解決知識交互和共享混亂問題方面具有明顯的優勢。因此，本體相關技術在機械產品智能設計中的應用越來越受到研究者們的重視。

1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。20世紀90年代初，Lenat和Nech-es分別在自己的研究項目中將本體引入到知識系統的知識表示中來，從而在構建知識系統的方法上引起了的革命性的變化。

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）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。

2本體及其在機械工程中的應用要點

2.1本體在機械產品智能設計中的應用

（1）基于本體的知識表示

機械設計領域的知識表示用于表達機械產品設計過程中的各類設計知識，如設計圖樣、產品模型、設計手冊以及設計原理知識和經驗知識等。傳統的知識表示方法在設計知識的表示、傳遞和共享過程中存在各自的局限性，不能同時滿足表示能力、可理解性、可操作性以及可實現性等方面的要求。基于本體的知識表示方法簡潔、清晰、可理解性高且可擴展性強，不僅能夠表示結構化知識，還能夠表示半結構化知識，將其引入機械產品智能化設計過程中能夠更好地對設計知識進行管理，能夠快速獲取相關設計知識以加快問題的求解。

目前設計領域的知識表示模式與方法不統一，制約了產品設計知識的共享與重用，因此，設計領域面臨的實際問題是如何對設計知識進行明確的分類和統一有效的表示。從過程的角度看待知識表示的思想，通過基于本體的語義標注實現了知識的有效組織和表示，并以基于本體的車輛設計領域管理項目為例，展示了車輛設計領域基于本體的知識建模過程和成果。針對機械加工領域的特點，采用本體的方法對機械加工工藝知識進行了表示，為更好地進行工藝知識管理奠定了基礎。針對產品設計知識的動態化、多樣性和相關性等特點，提出了一種基于本體的產品設計知識表示方法，對以客體、概念集、屬性集、命令集以及函數集為核心的5個知識單元之間的聯系進行了研究，增強了設計知識表示的全面性、靈活性，并通過實例驗證了該方法的有效性。在分析液壓元件的分類和模型信息的基礎上，提出了基于本體的液壓元件知識建模方法，實現了液壓元件知識的規范化描述。

由此可見，借助本體及語義網技術的優勢來完成設計知識的有效表示的方法受到了廣泛的關注，但是統一有效的知識表示方法仍然沒有形成，且關于知識的形式化表示的研究比較少。

2.2基于本體的知識檢索

機械產品尤其是復雜產品設計知識包含的信息量大且相對散亂，往往隱含在產品模型、設計手冊、分析報告以及相關領域專家的經驗之中。而現有的產品數據管理（ProductDataManagement，PDM）系統并未對大量的設計知識（如設計原理、設計方法和設計經驗等）進行合理的組織和重用，且檢索方式單一，其剛性的數據庫關系導致設計人員難以快速準確地找到所需的設計知識，更無法通過這些知識有效地完成設計任務。

為提高產品設計知識檢索效率和查準率，許多研究者結合本體的方法進行了相關研究。德國亞琛工業大學的Sebastian等人提出了一種基于語義本體的工藝數據倉庫（ProcessDataWarehouse，PDW），用于支持經驗知識的獲取和重用，PDW使用統一的本體概念術語，但缺乏進一步的組織和表達，造成檢索結果冗余結合本體理論，提出了一種基于反饋的概念關聯知識檢索方法，并將其應用于某航空研究所IPD（IntegratedProd-uctDevelopment）的知識管理系統的開發中。一個由元數據層、本體層和應用層構成的知識管理框架，彌合了實例檢索和語義檢索之間的鴻溝。

2.3產品信息語義交換

STEP（ISO10303）標準在產品數據交換中僅僅具有語法信息而不具備語義信息，為了克服這一缺陷，有關學者對研究產品信息語義交換給予了關注。為實現產品信息語義的互操作，密歇根大學Patil等人開發了一個產品本體作為語義交換的標準中介，即產品語義表示語言（ProductSemanticRepresentationLanguage，PSRL）。以PSRL本體作為產品信息的形式化表示。所謂產品語義的互操作，是指在遍及產品開發過程中的信息資源（如不同的CAD系統或CAD/CAM系統）之間，自動地進行數據語義的交換。

開發PSRL本體的目的在于為產品數據的語義表示建立一個必要的需求基礎。PSRL本體以NIST的核心產品模型CPM為基礎，采用Ushold的骨架法作為開發方法論，以描述邏輯DL實現PSRL的語義編碼，句法結構采用DAML+OIL語言規范。

PSRL本體中的核心概念包括對象、規格、裝配、制品、形態、功能、行為、幾何形狀、材料、特征和約束等。例如，規格是指制品的信息中與用戶需要和工程需求有關的部分內容；裝配是一個制品的集合；制品定義為一個確切的設計出來的實體，該實體具有一定形態、功能和行為；形態包括幾何形狀和材料等。PSRL本體中的核心關系包括對象之間相互關聯或者具有層次結構上的父-子關系。利用這些核心概念和關系，PSRL本體可以明確地通過編碼形成PSRL表示語言。

PSRL詞典采用DAML+OIL語言提供的邏輯和非邏輯字符，包括概念和關系兩方面的內容，此外，根據產品語義交換的需要，增加前述的PSRL核心概念和核心關系。PSRL的核心公理采用描述邏輯進行形式化描述，公理集用來表示本體的基本屬性和詞典中術語的語義。

結論

將本體與過程性知識表示方法相結合，才能拓寬所表示的知識的應用范圍。例如在MDA中，以本體為基礎構建系統知識庫，作為自動推理的基礎，以問題求解方法實現半自動甚至自動推理，以提高機械產品的設計自動化程度，是本體在機械工程領域中的應用的一個重要方面，也是本文作者下一步的研究重點。

參考文獻：

[1] 鄧志鴻，唐世渭，楊冬青.基于本體的多Agent分布式數字圖書館資源信息發現服務模型之研究[J].計算機工程，2002，28（6）：37-38，581.

[2] 張維明，宋峻峰.面向語義Web的領域本體表示、推理與集成研究[J].計算機研究與發展，2006，43（1）：101-108.

[3] 陸汝鈐，石純一，張松懋，等.面向Agent的常識知識庫[J].中國科學（E輯），2000，30（5）：453-5631.

（作者身份證號碼：34240119821211323X）