開放知識驅動的綠色工程材料選擇方法

安 寧， 張應中， 田景海

（大連理工大學 機械工程學院， 遼寧 大連 116024）

0 引 言

工程材料是制造產品的物質基礎，工程材料的選擇對產品性能、制造成本和環境有不可忽視的影響，在產品設計中材料選擇是至關重要的一環。 然而隨著科學技術的發展，可用的工程材料的種類和數量快速增長，據估算，世界上有大約超過16 萬種的工程材料，并且大量的新興材料還在不斷涌現［1］。 工程材料具有不同的機械、物理和化學特性，同時從原材料開采到加工制造、再到產品的使用及報廢處理等材料全生命周期中，材料對環境的影響占據較大的比重。 工程材料選擇是一項高強度知識活動，要選擇到能夠滿足設計需求、全生命周期環境影響較小并且成本合理的綠色工程材料，需要具備關于工程材料各種特性及材料全生命周期的綜合知識。

由于材料選擇的重要性，國內外開展了很多關于工程材料選擇方法研究［2-3］。 近年來由于環境問題的不可忽視，綠色工程材料選擇成為新的研究方向。 同時隨著智能信息技術的發展，基于知識的工程材料選擇方法日益得到重視。 Goel 等學者［4］較早地在工程設計中采用專家知識網絡用于材料選擇。 Zarandi 等學者［5］提出一個面向可持續產品設計的材料選擇方法和專家系統。 Ipek 等學者［6］提出一個基于專家系統的材料選擇方法。 Urrea 等學者［7］開發一個材料選擇專家系統用于起重機的主結構設計。 Zhang 等學者［8］提出了一個基于本體的工程材料選擇知識框架。 王飛［9］開展了基于本體的材料選擇知識庫研究。 Peng 等學者［10］提出一個知識驅動的材料設計和選擇平臺。 但上述研究缺乏對材料全生命周期分析，材料選擇知識表示和開發的專家系統缺乏開放性，材料選擇知識之間的映射關系缺乏知識表示和推理機制的研究。

本文針對工程材料全生命周期環境影響特性，采用本體和語義表示技術，提出一個面向材料全生命周期的知識概念本體模型和開放知識驅動的綠色工程材料選擇知識表示框架和材料選擇方法。 系統可以根據產品的類型、功能、結構形式、使用環境和制造工藝等設計需求，自動推理出要選擇材料的各項特性指標要求，提高材料選擇效率和質量；用戶也根據上述材料設計需求從材料選擇知識實例庫中進行語義查詢，選擇出相類似的工程材料。

1 基于全生命周期知識的綠色工程材料選擇框架

1．1 工程材料全生命周期分析

工程材料的全生命周期對環境產生影響［2］，其全生命周期分析是材料選擇的重要依據。 材料全生命周期過程如圖1 所示，包括從礦石中提取生產原材料、材料毛坯生產、加工制造、裝配制造、產品使用、產品拆解、再制造、回收和廢棄處理等全過程。

從圖1 可以看出，工程材料的全生命周期都會對環境和資源產生影響。 例如對于運動產品，輕質（密度低）材料消耗較少的能源；對于需要機械加工的產品，易加工材料會減少能源消耗和刀具損耗；可回收再利用材料能夠減少對自然資源的消耗和對環境土壤的排放。 上述這些構成工程材料的全生命周期環境影響知識，是綠色工程材料選擇的基礎。

1．2 工程材料全生命周期選擇知識

綠色工程材料選擇是要從眾多的可用材料中選出符合產品設計要求、資源合理利用、環境友好、成本低并且有益于社會發展的材料。 工程材料選擇涉及大量的材料知識和材料數據。 材料的基本數據，包括材料名稱、機械力學特性、物理和化學特性等，通常存儲在工程材料數據庫中，為選材提供數據支持；材料知識是對材料本身及其在全生命周期過程中行為特性的總結與凝練的系統認識，是材料選擇的依據。 主要包括如下知識:

（1）工程材料特性知識。 每一種工程材料都有其特有的物質結構和多種物理、化學和機械力學等特性，這些特性是對材料性能定量的刻畫。 每一種材料特性通過特性概念和具體量化值進行描述，特性概念的語義構成工程材料特性知識。 此外，產品設計需求與材料特性之間的映射關系也構成工程材料選擇知識，例如要求材料耐高溫，則材料要具備較高的熔點。

（2）制造工藝與材料特性之間關系知識。 根據產品功能需求，要求各種形式的產品的物理結構，通過各種制造方式實現。 例如箱體結構，一般形狀結構復雜，通過鑄造方式制造，即要求工程材料具有好的可鑄造性，與材料晶體結構和物理化學特性相關；鈑金結構通過沖壓形成，要求材料具備較好的塑性變形能力，制造工藝與材料特性之間關系是工程材料選擇知識重要的部分。

（3）產品使用與材料特性之間關系知識。 產品最終目的是產品使用，產品使用涉及各種使用環境、使用方式和失效形式，選擇的工程材料必須適應使用需求。 例如，產品在室外潮濕環境使用，要求產品材料防腐蝕性強。 通過使用需求到材料特性之間的映射關系構成工程材料使用知識。

（4）產品回收利用和再制造的工程材料知識。產品在服役完成后進入報廢階段，哪些材料是可回收再利用的，哪些材料制造的零部件可通過再制造重新使用構成工程材料回收利用知識。

從上述分析看，工程材料選擇知識大部分是材料特性與功能、制造、使用和環境等之間關系的映射知識，難以結構化，并且依賴企業場景和工程師的設計經驗。 開放模式的知識表示方法可以根據使用者的經驗和實際情況方便地定義和修改材料選擇知識。

1．3 開放知識驅動的工程材料選擇框架設計

根據上述面向全生命周期的綠色工程材料選擇知識分析，本文提出一個面向材料全生命周期的綠色工程材料選擇知識表示框架，如圖2 所示。 該知識表示框架由3 層組成，對此擬做闡釋分述如下。

圖2 工程綠色材料選擇知識框架Fig． 2 Knowledge framework for engineering green material selection

（1）知識表示層。 知識表示層主要包括:

①材料選擇知識概念本體模型。 采用OWL（Web Ontology Language）語言，在Protégé［11］本體工具軟件下定義。

②材料選擇知識實例庫。 由一組描述和記錄工程材料選擇實例組成，可以為后續材料選擇提供語義檢索。

③材料選擇知識規則庫。 材料概念之間映射的因果關系、概念語義的顯式定義等知識都可以用產生規則描述，本文采用SWRL（Semantic Web Rule Language）［12］規則語言定義因果關系知識規則。

（2）知識推理層。 知識推理層是知識庫層的執行機構，其主要任務是基于事實和規則挖掘出知識體系中隱含知識。 本文采用OWL API 4.5.19 開源庫接口庫函數實現本體知識庫的加載和解析、本體實例的構建和SQWRL（Semantic Query-enhanced Web Rule Language）［13］語義查詢引擎的配置等功能操作，采用Pellet 作為知識推理機，可根據知識庫中的概念、屬性關系、實例等事實，并借助規則庫完成對用戶材料選擇的知識推理，自動生成對材料數據庫查詢和材料選擇實例庫的實例語義查詢。

（3）用戶界面層。 界面是連接用戶與計算機的橋梁，主要包括2 個界面。 一是知識本體構造器，采用Protégé 本體開發工具，構建全生命周期綠色工程材料選擇知識領域概念本體，包括概念類、類屬性關系、實例及規則等，以OWL／XML 格式文件存儲。 二是綠色工程材料選擇器，基于IntelliJ IDEA 集成Java Springboot 平臺開發，瀏覽器運行。 知識表示層為選擇界面提供數據支持，即材料選擇本體為選擇界面提供數據模板；用戶在材料選擇過程中，系統根據選擇意向，自動捕捉選擇意圖，經過知識推理自動更新選擇列表框內容。

2 工程材料全生命周期選擇知識表示模型

2．1 工程材料選擇知識概念本體模型

工程材料選擇的目標是從可用的材料數據集中選擇能滿足產品設計需求的材料。 材料選擇知識涉及材料全生命周期，并且材料選擇知識大部分隱性存在各種關系中，很難結構化和形式化。 如何表示非結構化和隱性的材料選擇知識是一個大的挑戰。

一般情況下，概念是表示實體和關系的一類抽象形式，知識可以由一組相互聯系的概念描述，概念是知識表示的基礎。 從材料全生命周期看，材料選擇知識主要涉及如下概念:

C＝｛工程材料， 材料特性， 工程產品，設計要求，制造工藝，使用過程， 處置過程， 材料成本， 材料牌號｝

上述知識概念及其概念間語義關系構成知識概念本體模型，本體模型部分內容如圖3 所示。 這里針對工程材料類、材料特性類和制造工藝類，將給出探討論述如下。

圖3 工程綠色材料選擇知識概念本體模型（部分內容）Fig． 3 Ontology model of knowledge concept for engineering green material selection （partial content）

（1）工程材料類。 工程材料表示工程中涉及的各種材料。 在面對數量和種類龐大的工程材料及應用時，工程材料分類是一項重要的知識活動。 本文將工程材料的分類和應用知識進行融合，定義“工程材料”類，如圖4（a）所示。 “工程材料”類作為基類，不僅派生出“復合材料”類、“金屬材料”類和“非金屬材料”類，而且針對在不同應用下的工程材料分類，還增加了“特定環境材料”類、“特定產品材料”類、“特定工藝材料”類等。

（2）材料特性類。 材料特性是指材料具有的某些不可改變的特征和固有的行為，材料特性基本決定了所選擇的材料在制造產品中的性能，因此材料特性是選擇工程材料的重要依據。 本文采用“材料特性”類作為材料特性概念的基類，根據材料的特征行為和應用需求，“材料特性”類下派生出“機械特性”類、“物理特性”類、“化學特性”類、“熱力學特性”類和“環境特性”類，如圖4（b）所示，定義的材料特性類形成一個層次關系。

（3）制造工藝類。 制造工藝是為了滿足產品設計需求，對材料產品進行成型和改性的制造方法。隨著技術的發展，目前可用的制造工藝很多，但是不同的材料適應不同的工藝，例如鑄鐵材料通常通過鑄造工藝制造成箱（殼）體零件。 此外，一些制造工藝，例如熱處理過程，可能改變材料的某些特性。 因此材料的制造工藝構成重要的材料選擇知識。

本文定義“制造工藝”類表示制造工藝概念，按照處理材料的工藝特點，制造工藝類的層次關系如圖4（c）所示。

圖4 工程材料知識本體類定義Fig． 4 Engineering material knowledge ontology class definitions

2．2 工程材料選擇規則的知識表示

知識概念模型只是對材料選擇知識概念（術語）進行形式化的定義，但在選材過程中存在大量因果映射關系，是材料選擇知識的重要部分。 產生式知識規則是表示因果知識的一種有效方法。 產生式知識規則基本形式是:如果條件成立，則結論成立。 本文采用SWRL 來創建知識規則，SWRL 規則的標準形式為:

其中，A為推理條件，B為推理結果。A有C（x）、P（x，y） 兩種形式，如果x是C的實例，則C（x） 為真；如果實例x和實例y具有P關系，則P（x，y） 為真。

在材料選擇中，要從產品設計需求出發，將材料特性與產品需求對應。 產品需求通常是宏觀的，而材料特性是材料本身所具有的性質，通常是具體的。產品需求與材料特性一般也不是一對一關系，有時一個產品需求可能對應多種材料特性，兩者之間信息映射關系如圖5 所示。

圖5 產品設計需求與材料特性之間的映射關系Fig． 5 Mapping relationship between product design requirements and material properties

產品需求與材料特性是多對多的關系，需要多種材料特性的組合，定義知識規則較困難。 為了表示產品設計需求與材料特性之間的知識映射關系，本文提出通過特定材料概念方式進行定義，即將材料特性組合映射到一個工程需求相關的特定材料概念中。 SWRL 規則形式如下:

在式（2）中，M表示新的特定材料概念，C表示一組材料特性組合。 材料選擇知識規則庫可表示為:R＝｛M1，M2， ….，Mm｝。 下面列出2 類SWRL材料選擇知識規則定義。

（1）產品設計需求與材料特性的映射。 產品設計需求是特定產品對要選擇材料在功能、結構、成本、制造方式和使用環境等方面的定制要求，每一類要求一般對應一項或多項材料性能指標。 本文對這些要求進行分解，建立知識規則，表1 列出部分材料特性與產品設計需求知識規則。

表1 部分產品設計需求與材料特性知識規則Tab． 1 Some product design requirements and material property knowledge rules

（2）制造工藝與材料特性的映射。 不同的制造工藝對材料的性能要求有很大差異，如焊接過程對材料的碳含量有要求，而鍛造工藝對材料的伸長率、抗拉強度有要求。 制造工藝與材料特性類映射的主要方式是:將材料特性組合映射到一個制造工藝概念。 表2 展示了部分制造工藝與材料特性的映射知識規則。

表2 部分材料特性與制造工藝知識規則Tab． 2 Some material properties and manufacturing process knowledge rules

2．3 工程材料選擇實例的知識表示

綠色工程材料選擇依賴知識，并且很多還是隱性知識，難以用顯性的知識規則表示。 在產品材料選擇實踐中有大量的成功選擇實例，是企業知識財富，可以作為材料選擇實例知識保存下來，為以后遇到類似的設計需求時，通過基于實例的知識推理查詢可以直接做出選擇。

根據本文由圖3 提出的材料選擇知識本體模型，將材料選擇過程的事實通過本體模型標注，可以表達為一個RDF（Resource Description Framework）三元組的知識圖:G ＝＜V，E ＞。 其中，V表示圖實例節點的集合，E表示圖關系邊的集合。 實例是在材料選擇中的一個事實，例如選擇了一個具體為40Gr 鋼的材料，則生成一個材料實例m1，m1 類型是40Gr 鋼，40Gr 鋼的父類是金屬材料。 圖6 給出一個汽車輪轂材料選擇實例知識圖部分內容。 圖6中，橢圓符號表示一個實例節點，實例標識上面帶下劃線的術語是該實例所屬的類。

圖6 輪轂材料選擇實例知識圖（部分內容）Fig． 6 Knowledge map of wheel hub material selection example （part of the content）

由n個工程材料選擇實例知識圖構成材料選擇知識實例庫:L實例庫＝｛G1，G2， ……，Gn｝。

3 知識驅動的工程材料選擇

3．1 材料選擇知識推理需求

知識推理是利用已知的知識通過推理得出結論的過程，或者從已知的知識中通過推理獲取所蘊含的新的事實。 知識推理是綠色工程材料選擇知識系統的關鍵。

工程材料選擇一般從產品設計需求開始，從大量已有的工程材料中選擇出能夠滿足設計需求、綠色環保和價格合適的材料，材料選擇知識推理主要體現在如下方面:

（1）工程材料跨領域知識映射推理需求。 從工程材料全生命周期看，材料選擇知識涉及材料本身特性、材料向產品轉變過程的制造、產品使用過程中由于材料產生的環境影響等多個學科領域，各學科之間存在因果聯系，需要知識和經驗。

（2）工程材料概念語義關系推理需求。 工程材料涉及很多概念和關系，理解這些概念和關系需要理解具體的語義。 這些語義關系大都是蘊含在概念中的。 例如，碳鋼是一種金屬材料，即碳鋼定義為金屬材料的子類，通過語義層次關系推理，計算機就能知道金屬材料具備的特性，碳鋼也具備。

（3）工程材料應用實例知識推理需求。 實際工作中，工程材料選擇考慮的因素很多，不僅在材料特性上滿足設計需求，還有制造、使用、價格和庫存等很多因素。 有些因素是不可表達的，稱為經驗或者隱性知識。 如果將這些成功的材料選擇形式化地存儲，構成材料選擇知識實例庫，當新的材料選擇問題出現時，可以通過知識推理，檢索出所需的材料。

3．2 基于知識推理的工程綠色材料選擇

根據前面所述的材料選擇推理需求，本文基于知識推理框架，實現了基于知識的工程綠色材料選擇。 主要實現2 種模式的知識推理服務，如圖7 所示。 相應的闡釋表述具體如下。

圖7 工程材料選擇知識推理模式Fig． 7 Engineering material selection knowledge reasoning model

（1）從產品設計需求到材料特性的知識推理。在開始選擇材料時，通常對選擇材料的特性指標是模糊的，但產品設計需求是確定的。 工程師通常需要根據產品設計需求查詢手冊和相關文獻或者回憶自己經驗（或請教他人經驗）等知識活動，確定選擇材料的各項特性指標，通過材料特性指標才能搜索材料數據庫。 本文參考這種知識推理模式，實現從產品設計需求到材料特性指標的知識推理服務。

一般在設計需求確定后，就有了材料需求的概念。 例如，設計的產品是汽車保險杠，則保險杠產品特性決定了材料的需求概念，例如輕型材料、耐腐蝕材料、吸能材料、壓注成型材料等。 這些材料概念可以通過材料的一種或者多種材料特性顯式知識規則定義。 因此，本文提出如下知識推理過程:

①產品設計的宏觀需求轉換為材料目標概念的需求。 將使用者在產品分類、產品功能、產品結構和使用環境的列表框中選擇按照知識規則映射，轉化為一組特定材料目標概念。 這一步通過對定義的知識規則正向推理完成。

②通過對需求的材料目標概念獲取選擇材料各項特性指標。 對定義的知識規則采取逆向非實例可滿足性推理，即假設已知推理結果，實例已知找到，查找可滿足條件。 本文采取的方法是首先從規則庫中，尋找與目標概念匹配的知識規則，如果找到，將推理實例帶入SWRL 規則左側，該部分是一個標準的SWRL 規則前提，通過布爾運算符將概念和關系原子連接起來，形成查詢條件。 將已知實例帶入測試查詢條件，檢查能返回是真的材料特性關系，如果測試是真，該項材料特性關系及數值作為推理出來的材料特性指標。

在查詢過程中，由于查詢條件中的概念和關系可能是由SWRL 規則定義導出的概念和關系，或者是由OWL 語義隱含的關系，需要對查詢中出現的類和屬性原子遞歸測試，這些通過推理機語義推理完成。

（2）基于產品設計需求的材料選擇實例推理。上述已經介紹，一個材料選擇事實通過形式化存儲為一個選擇實例RDF 知識圖，大量成功的材料選擇構成材料選擇實例庫。 當新的產品設計任務提出新的材料選擇需求時，可以通過對材料選擇實例庫進行語義查詢推理，可以找出設計需求和制造工藝相符合的工程材料。 知識查詢過程如下:

根據產品新設計需求，構建SQWRL 語義查詢語句。 其查詢語句類似SWRL 規則語言，一般工程材料查詢語句形式為:工程材料（？m）∧工程產品（？p）∧madeOf（？p，？m） ∧proposes（？p，？r）∧設計需求（？r） ∧inputs（？m， ？w） ∧制造工藝（？w） ∧outputs（？w， ？p） →sqwrl:select（？m）

上述語句中，“工程產品”表示新選擇材料的產品，具體產品是“工程產品”類下的某個子類，例如“輪轂”； “設計需求”表示產品設計需求的集合，即r＝｛r1，r2，…，rn｝，通過“proposes”關系將產品與設計需求聯系起來；“制造工藝”表示由材料制造成產品的制造工藝的集合，即w＝｛w1，w2，…，wn｝，將材料和產品通過inputs 和outputs 關系聯系形成閉環。最終sqwrl:select（？m） 選擇出一組符合查詢要求的材料集:m＝｛m1，m2，…，mn｝。

將構造的語義查詢語句加載到SQWRL 引擎中，系統自動進行語義推理，從實例庫中查詢到滿足上述查詢語句工程材料匯總到一個列表中。 語義查詢不同于關鍵字匹配查詢，即:

（1） 是一個實例查詢，包括一個概念類下的所有實例，例如“工程材料（？m）” 是指所有的工程材料實例，無論是金屬材料、還是非金屬材料。

（2） 查詢概念可以是本體定義的原子概念，也可以是通過SWRL 規則定義的導出概念。

4 應用實例

本文提出方法在IntelliJ IDEA 集成開發平臺上采用Java 語言，以瀏覽器運行模式編程實現，圖8是開發的工程材料選擇系統界面。 下面以熱作模具的材料選擇作為應用實例。 熱作模具是在較高的溫度條件下，使金屬材料產生塑性變形的加工方法，一般分為鑄模、鍛模和熱擠壓模。 由于論文篇幅，下面僅介紹通過材料選擇知識推理自動給出壓鑄模具定模的材料選擇特性指標，根據材料特性指標查詢工程材料數據庫，選擇出一組候選材料。

圖8 壓鑄模具材料的選擇界面Fig． 8 Die－casting mold material selection interface

在材料選擇知識收集和定義的基礎上，首先從應用產品列表框中選擇熱作模具的壓鑄模具；系統將壓鑄模具主要結構（定模、動模和其它）分解，更新零件結構列表，選擇定模；系統根據已構建的知識推理，在使用環境列表中列出使用場景和失效形式。使用場景為高溫、高壓，失效形式為:裂紋、腐蝕、磨損和熱疲勞。 使用者分別對高溫的溫度和高壓的壓力進行初始設置，并對失效形式進行選擇，系統推理出選擇材料的特性指標，推理過程見表3。

表3 壓鑄模材料選擇知識推理Tab． 3 Knowledge reasoning of die－casting material selection

5 結束語

綠色工程材料選擇需要考慮材料全生命周期，涉及多領域專業知識。 這些知識大部分都是難以結構化的專業經驗知識，因而亟需一個開放的、可共享和可擴充的工程綠色材料選擇知識表示模式和方法。 本文面向工程材料全生命周期，對材料選擇知識進行深入分析，提出一個面向材料全生命周期的工程材料選擇知識本體模型，構建了一個開放知識驅動的綠色工程材料選擇框架。 基于該本體模型，采用OWL 構建形式化的材料選擇知識實例庫，采用SWRL 構建材料選擇知識規則庫，實現開放的工程材料選擇知識表示。 通過對選擇知識的推理，實現工程材料選擇實例的語義檢索和工程材料特性指標的自動獲取，提高材料選擇效率和質量。 為工程材料選擇知識開放表示和應用奠定了研究基礎。

本文提出方法經由編程研發，通過實例測試表明提出的開放知識驅動的綠色工程材料選擇方法是可行的。 目前，該方法可以幫助設計者篩選出滿足產品設計需求的一組工程材料，后續將開展對篩選材料的多目標和多屬性決策評價工作，從中選擇出最合適的綠色工程材料。 本文工作為通過開放知識驅動智能解決工程問題進行了有益的嘗試。