邰麗君， 趙 韓， 董玉德， 武照云

（合肥工業(yè)大學(xué)安徽省數(shù)字化設(shè)計與制造重點(diǎn)實(shí)驗室，安徽 合肥 230009）

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和各種先進(jìn)制造理念的產(chǎn)生，制造業(yè)正在迅捷地向并行化、分布式、數(shù)字化和智能化制造方式轉(zhuǎn)化。一方面，企業(yè)內(nèi)產(chǎn)生的設(shè)計開發(fā)資料隨著產(chǎn)品的不斷增加而日益膨脹，另一方面企業(yè)又必須不斷地從外界獲取各種信息，由此產(chǎn)生的各種知識堆積而且成指數(shù)增長。因此，如何在產(chǎn)品知識倉庫中數(shù)字化表達(dá)、捕獲、交換、再利用設(shè)計及其過程知識、有效地管理已有的產(chǎn)品知識，以及如何對基于知識的開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行分析與建模，成為提高產(chǎn)品開發(fā)速度的關(guān)鍵。在產(chǎn)品知識倉庫設(shè)計方面，已有很多文獻(xiàn)進(jìn)行了研究，朱文博等[1]研究和開發(fā)了一種基于特征的知識庫系統(tǒng)，孫延明[2]和張為 民[3]等提出了一種基于案例(CBR)的知識獲取方式，而劉曉冰[4]等將數(shù)據(jù)倉庫(OLAP)技術(shù)運(yùn)用到知識倉庫的設(shè)計和構(gòu)建中。

本文提出基于本體的知識倉庫，通過構(gòu)建企業(yè)知識本體，形成基于本體的知識語義骨架網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域模型，然后利用知識本體映射技術(shù)，將各種設(shè)計知識與不同的本體元素進(jìn)行映射，使數(shù)據(jù)實(shí)體映射為基于本體的知識元，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計知識的統(tǒng)一組織和管理。

1 機(jī)械產(chǎn)品知識倉庫的架構(gòu)和功能

機(jī)械產(chǎn)品知識倉庫是面向產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析和知識發(fā)現(xiàn)、以“產(chǎn)品為中心”的知識倉庫。主要用于解決產(chǎn)品開發(fā)全生命周期中知識管理與知識重用問題，將重復(fù)的設(shè)計和工程任務(wù)自動化，具體內(nèi)容包括產(chǎn)品知識獲取、整理、組織、表示、共享和重用等，及時準(zhǔn)確地向產(chǎn)品開發(fā)人員提供產(chǎn)品設(shè)計、制造、裝配、加工等各方面知識與幫助，并支持產(chǎn)品的并行協(xié)同虛擬開發(fā)。整個知識倉庫的架構(gòu)如圖1所示。

圖 1 機(jī)械產(chǎn)品知識倉庫體系結(jié)構(gòu)

（1） 知識源

知識源主要有：產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品文檔、產(chǎn)品實(shí)例和專家知識等。各種產(chǎn)品應(yīng)用系統(tǒng)中的產(chǎn)品原始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和最終數(shù)據(jù)，像在數(shù)據(jù)倉庫中一樣，數(shù)據(jù)在進(jìn)入知識倉庫存儲體之前必須進(jìn)行各種處理，如提取、凈化、轉(zhuǎn)化等。某些數(shù)據(jù)庫、文本、Web等知識源，可通過知識發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)處理后存入知識倉庫存儲體。其它知識源，如各種論壇的總結(jié)性知識，智能代理在網(wǎng)絡(luò)上獲得的信息，這些信息在進(jìn)入知識倉庫之前，首先放在臨時倉庫，當(dāng)知識管理者對它們進(jìn)行有效性驗證以后才可以輸入到知識倉庫中。

（2） 知識倉庫存儲體

機(jī)械產(chǎn)品知識倉庫存儲體是產(chǎn)品知識倉庫的中心，這里存儲所有的知識，但并不是所有的知識儲存在一個統(tǒng)一的服務(wù)器中，包括各種類型的數(shù)據(jù)庫，并且分布在很多位置，往往有備份，知識倉庫存儲體中的知識主要分為設(shè)計資料庫、虛擬產(chǎn)品開發(fā)輔助庫、虛擬產(chǎn)品建模輔助庫、產(chǎn)品知識庫和相關(guān)信息庫等。產(chǎn)品知識倉庫需要借助于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的強(qiáng)大功能來輔助對知識倉庫的管理。

（3） 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面主要包括管理界面、內(nèi)部用戶界面和外部用戶界面等。知識管理員需要借助于友好的管理界面對知識倉庫中的知識進(jìn)行維護(hù)、更新等。內(nèi)部用戶根據(jù)不同的權(quán)限通過內(nèi)部用戶界面可以瀏覽和寫入相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)和信息。外部用戶分為一般用戶和協(xié)作用戶，一般用戶通過Web服務(wù)器只能瀏覽或下載系統(tǒng)公開的知識，而協(xié)作用戶則可以通過Web服務(wù)器共享產(chǎn)品設(shè)計知識。對于計算機(jī)水平不同的人員采用不同的輸入方式，輸入界面應(yīng)該友好、方便。

（4） 知識倉庫工具

知識倉庫工具主要包括知識獲取輔助工具、分析工具、知識發(fā)布工具、知識發(fā)現(xiàn)工具、知識檢索引擎等。

2 知識倉庫中的本體

語義描述的基礎(chǔ)之一是本體，為了組織設(shè)計知識以便于知識需求和檢索，需要建立本體模型，并利用本體中定義的術(shù)語作為元數(shù)據(jù)來標(biāo)注，以有效描述大量的設(shè)計原理、領(lǐng)域知識、設(shè)計案例和專家經(jīng)驗等。知識本體作為領(lǐng)域知識規(guī)范的抽象和描述?？梢詷?gòu)造豐富的概念間的語義關(guān)系，能夠準(zhǔn)確描述概念含義以及概念之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，形式化能力最強(qiáng)。同時本體組織便于邏輯推理獲取概念之間的蘊(yùn)涵關(guān)系，提供較高的知識推理能力。因此，運(yùn)用知識本體進(jìn)行設(shè)計知識的表達(dá)，可以更好地實(shí)現(xiàn)基于語義的知識共享和知識需求。

2.1 知識本體結(jié)構(gòu)

針對機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計知識的特性，知識本體的結(jié)構(gòu)可描述為如下四元組：

其中 KO表示知識本體，C表示某領(lǐng)域的概念集，P是建立在C上的屬性集，M是建立在C上的方法特性集，R是建立在C上的關(guān)系集。一個概念的定義和描述往往會涉及到多個其它概念，概念之間具有關(guān)聯(lián)性和繼承性。式(1)是領(lǐng)域知識本體的總體表示和描述，對于知識本體中的每一個知識本體元素，可用式(2)來表示。

其中 q表示知識本體元素，c表示某個領(lǐng)域概念，如齒輪、軸、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計等，P、m分別是概念c上的一組屬性和方法，r則是建立在c上的與其它概念的一組關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用中，人們常常使用式(2)。

為了進(jìn)一步明確知識本體元素的含義和內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系，將式(2)分解為式(3)和式(4)

式(3)是某一領(lǐng)域概念c自身的描述，體現(xiàn)為對屬性集P和方法特性集m的定義和描述；式(4)則是概念c與領(lǐng)域中其它概念之間的一組特定的領(lǐng)域關(guān)系r的描述，例如并列、隸屬（度）、關(guān)聯(lián)（度）、蘊(yùn)涵、雙向蘊(yùn)涵、繼承關(guān)系等。

根據(jù)以上對知識本體的結(jié)構(gòu)描述，若知識本體由n個本體元素組成，概念集C=(c1，c2,…，cn)和建立在C上的關(guān)系集R={r1, r2, …, rn}將共同組成一個有向圖G(X, E)，其中X為圖的點(diǎn)集，E為邊集，X的值域為概念集C，E的值域為關(guān)系集R。由此不難看出，知識本體通過概念之間的關(guān)系集R構(gòu)成了相對完善的知識內(nèi)容體系和網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，知識本體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 知識本體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

圖中的橢圓框代表一個領(lǐng)域概念Ci，而一個橢圓與其它橢圓之間的箭頭連線代表概念Ci，與其它概念的關(guān)系，諸如關(guān)系ri1, ri2, …, rij等，與之關(guān)聯(lián)的概念不同則概念間的關(guān)系一般也不相同。例如，概念A(yù)與概念B之間是包含關(guān)系，而概念A(yù)與概念C則是關(guān)聯(lián)或并列關(guān)系。圖中的單向箭頭表示關(guān)系不可逆，而雙向箭頭則表示兩個概念間的關(guān)系可逆。因此，概念間關(guān)系的多樣性，使得關(guān)系集R構(gòu)成概念之間的層次關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系、繼承關(guān)系等多維關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)知識分類分層組織方法的主題之間單一層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，能夠更加方便地管理知識的分類和實(shí)現(xiàn)基于任務(wù)過程的知識動態(tài)配置。

本體不但有好的邏輯基礎(chǔ)，還有相應(yīng)的描述語言支持基于本體的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。典型的本體描述語言有RDF(S)，OIL，DAML+OTL和OWL，按表達(dá)能力由弱到強(qiáng)的順序給上述語言排序是RDF(S)、OTL、DAML+OIL、OWL。這些語言都采用XML作為語法基礎(chǔ)，在繼承的語法和表達(dá)能力的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。是制定的面向語義的本體標(biāo)記語言，是語義領(lǐng)域適合語義應(yīng)用的本體標(biāo)記語言的最新綜合研究成果。本文下面僅對表達(dá)能力最強(qiáng)的OWL進(jìn)行分析。

2.2 知識本體的映射

由于本體構(gòu)建的分布性，且目前還沒有統(tǒng)一的構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)，不同的用戶使用不同的方法構(gòu)建出的本體也是不同的，即使是同一領(lǐng)域也會有不同的本體，這就是本體的異構(gòu)性。為了解決異構(gòu)本體間的互操作性，便于本體間的知識共享和重用，人們提出了本體映射方法。所謂本體映射[5]，是指兩個本體存在語義級的概念關(guān)聯(lián)，通過語義關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)將源本體的實(shí)例映射到目標(biāo)本體的過程。

本體映射過程如下：① 標(biāo)準(zhǔn)化：將本體原先的形勢轉(zhuǎn)換成為一種可進(jìn)行相似性計算的形勢；② 選擇用于映射的概念對；③ 相似性計算；④ 映射執(zhí)行：根據(jù)第三步的結(jié)果，對候選映射進(jìn)行篩選，建立映射；⑤ 映射后處理：返回至第2步，重復(fù)運(yùn)行，直到達(dá)到滿意結(jié)果。其中相似性計算是本體映射的一個重要步驟。目前常用的相似性計算方法[6]很多，如基于實(shí)例的方法、利用啟發(fā)規(guī)則方法等，但都有其局限性，本文從屬性、語法、結(jié)構(gòu)、實(shí)例4個方面進(jìn)行相似性的計算，并把計算結(jié)果進(jìn)行合并，得出最終的概念相似度。

定義1相似度Sim：V1×V2×O1×O2→[0,1],相似度在0和1之間。Sim(A, B)表示A和B之間的相似度。V1和V2是兩個本體所基于的術(shù)語集，O1和O2是需要映射的兩個本體。Sim(A, B)=1：表示兩個概念完全相似；Sim(A, B)=0：表示兩個概念完全不相似。

定義2屬性相似度Simsx(A, B)

在本體中，每一個屬性也是一個概念。設(shè)概念A(yù) 的屬性為ai，概念B 的屬性為bj，兩個屬性間的相似度記為ASim(ai, bj)。設(shè)概念A(yù) 和B 之間共計算出m 個ASim(ai, bj)，并設(shè)置相應(yīng)的權(quán)值wk。則屬性相似度為

定義3語法相似度Simyf(A, B)

其中 syn(A )表示概念A(yù) 的同義詞集；len(A) 表示概念A(yù)的字符串長度；ConSubStrings表示A、 B 共有的字符串長度。

定義4結(jié)構(gòu)相似度Simjg(A, B)

其中 Af、As、Ab分別表示概念A(yù) 的父、子、兄弟概念集；概念B 類似；α、β、λ 表示權(quán)重因子。

其中 S、T 分別表示A、B 的特征集合，（S∩T）≠Ф, S/T 表示集合S 除去集合T 中具有的特征；T/S 反之類似; ε 是非公共特性的相對重要程度（為可調(diào)節(jié)參數(shù)）。

定義5實(shí)例相似度Simsl(A, B)

其中 I(a)、I(b)表示本體A、B 中概念 a、b 所擁有的實(shí)例數(shù)；I(Aa.b)表示本體A 中屬于概念a也屬于概念b 的實(shí)例數(shù)；I(Bb.a) 表示本體B 中屬于概念b 也屬于概念a 的實(shí)例數(shù)。

總相似度將按照式（1）～式（4）計算得到不為0 的相似度賦予不同權(quán)值計算總相似度如下所示

其中 Wyf，Wsx，Wjg，Wsl≥0。

3 機(jī)械產(chǎn)品知識表示

3.1 產(chǎn)品知識模型

產(chǎn)品信息模型建立是機(jī)械產(chǎn)品知識倉庫的關(guān)鍵。利用以描述邏輯為基礎(chǔ)發(fā)展而來的OWL本體表示語言可以對產(chǎn)品概念設(shè)計知識進(jìn)行本體建模。而本體作為知識的一種良好載體，在語義層面不但提供了形式化描述知識的基礎(chǔ)，而且使系統(tǒng)之間的知識級共享和集成成為可能。該知識倉庫對產(chǎn)品信息模型定義如下：

（1） 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型 結(jié)構(gòu)模型包括4個基本類：部件、型號、材料和視圖；6個基本屬性：子部件、結(jié)構(gòu)關(guān)系、部件屬性、部件型號、部件材料和部件視圖。

（2） 產(chǎn)品行為模型 行為模型包括一個基本類：行為；4個基本屬性：子行為、行為關(guān)系、行為類型、行為相關(guān)部件。

（3） 產(chǎn)品功能模型 功能模型包括一個類：功能；6個基本屬性：功能目標(biāo)、子功能、功能類型、元功能、目標(biāo)功能、功能相關(guān)部件。

（4） 產(chǎn)品需求模型 需求模型包括一個類：需求；5個基本屬性：需求提供者、子需求、需求類型、需求提出時間、需求相關(guān)件。

（5） 產(chǎn)品實(shí)例模型 實(shí)例模型包括一個類：實(shí)例；5個基本屬性：實(shí)例設(shè)計者、子實(shí)例、設(shè)計時間、實(shí)例類型、實(shí)例相關(guān)件。

整個產(chǎn)品信息模型如圖3所示。

圖 3 產(chǎn)品知識模型

3.2 產(chǎn)品表達(dá)實(shí)例

根據(jù)上述產(chǎn)品知識表達(dá)模型，采用語義web語言owl來描述產(chǎn)品本體，完整的產(chǎn)品本體描述應(yīng)包括：定義領(lǐng)域空間、定義此本體的概況、定義基本類、定義基本屬性等。具體構(gòu)建過程如下：

（1） 定義領(lǐng)域空間

（2） 定義此本體的概況

（3） 定義基本類

（4） 定義基本屬性

4 基于本體的案例推理

目前關(guān)于CBR[7]系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)一般都圍繞CBR的幾個關(guān)鍵步驟進(jìn)行如案例的表示、案例的組織、案例的檢索等。本文提出基于本體的案例知識表示模型。其中，案例本體可作為案例知識的一種通用表示模型，不但可以對案例知識進(jìn)行有效表達(dá)，支持基于內(nèi)容的檢索，還可表達(dá)案例的特征并支持CBR。

本文在案例庫中引入了3種本體：概念本體，表示領(lǐng)域概念及概念之間關(guān)系；案例本體，用來表達(dá)案例實(shí)體；分類本體，表達(dá)知識的層次結(jié)構(gòu)，可用建立案例的層次分類體系。

定義6概念本體To：：=(Ocbn, Ct, Rt, It)，其中，Ocbn是領(lǐng)域名，Ct概念集，Rt是關(guān)系，It是實(shí)例集，它包括概念實(shí)例集和關(guān)系實(shí)例集兩個部分。

定義7案例本體Caseo：：=(Ocbn, Oc, Rc, Ic)，其中，Ocbn是領(lǐng)域名，Oc是案例集，Rc是關(guān)系，Ic實(shí)例集，包括案例的描述屬性實(shí)例集，案例的數(shù)字屬性實(shí)例集，案例與案例特征關(guān)系實(shí)例集。

定義8分類本體Tao：：=(Cta, Rta, Ita), 其中，Cta是分類概念集，Rta是關(guān)系集，用來表示分類層次關(guān)系，Ita是實(shí)例集，是關(guān)系的實(shí)例集。

定義9案例知識庫Ocdb：：=(Ocbn, Oc, Rc, Ic)，其中，Ocbn是領(lǐng)域名，Oc是本體集，記為Oc=（To(概念本體)，Caseo(案例本體)，Tao(分類本體)）；Rc是關(guān)系集; Ic是實(shí)例集。

依賴本體中類的定義，案例在知識庫中表現(xiàn)為以屬性作為維度的特征向量，每一維代表對應(yīng)屬性上的取值。即任意的案例x可以表示為如下特征向量：

＜A1(x)，A2(x)，…，Ak(x)＞

其中 案例x有k個屬性，Aj(x)表示它的第j個屬性的取值。

實(shí)例推理步驟如下：

（1） 問題特征的抽取、描述和輸入。

（2） 根據(jù)問題案例特征信息進(jìn)行相似案例的檢索。

（3） 問題案例與實(shí)例屬性匹配與相似性計算。首先計算各個屬性的相似度。如果期望值是一個確定值，按照式(1)計算其相似度；如果是一個范圍值，按照式(2)計算相似度。最后按照式(3)把各屬性的相似度綜合成實(shí)例的相似度。

其中 x, y∈ [α ,β ]

其中 ωi表示第i個屬性的權(quán)值。

（4） 最后把檢索到的相似實(shí)例按照相似度的高低進(jìn)行排序，并選取相似度最大的實(shí)例作為備選方案。

5 應(yīng)用案例

上述分析方案在作者開發(fā)的制造業(yè)知識管理系統(tǒng)的產(chǎn)品知識倉庫子系統(tǒng)中得以應(yīng)用。該系統(tǒng)采用 Protégé2000+OWL構(gòu)建描述本體；用 Jena 實(shí)現(xiàn)本體與數(shù)據(jù)庫之間的連接，數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)推理機(jī)。

系統(tǒng)包括本體構(gòu)建模塊、映射本體庫模塊、知識檢索模塊、知識發(fā)現(xiàn)獲取模塊和系統(tǒng)管理用戶界面等6個模塊。企業(yè)知識本體是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其他各個模塊均依賴于企業(yè)知識本體來建立。構(gòu)建本體庫采用知識分類的方法，對各類別知識本體概念化，并賦予屬性，同時必須對屬性進(jìn)行本體實(shí)例化。原數(shù)據(jù)源采用映射、本體概念關(guān)聯(lián)的方法導(dǎo)入到本體庫中，構(gòu)建知識獲取模塊，方便知識的獲取。系統(tǒng)界面如圖4、圖5所示。

圖4為類的基本操作界面，可以進(jìn)行添加類、添加子類、刪除類、查找類、瀏覽類、瀏覽與類的相關(guān)項等。在圖右邊面板里可以對選定的類描述說明，記錄下與這個類相關(guān)的信息。在Documentation中可以對類進(jìn)行詳細(xì)的文本說明，在Constraints中給出類的約束。下面的槽列表給出的是類的描述屬性。在該模塊中類的建立體現(xiàn)了分類學(xué)的層次結(jié)構(gòu)，類與子類是一種樹結(jié)構(gòu)關(guān)系，類與類、類與子類間可以建立本題關(guān)聯(lián)。

把知識進(jìn)行本體的實(shí)例化是知識獲取的關(guān)鍵，圖5是系統(tǒng)軟件實(shí)例庫界面，在該模塊中可以為選定的類建立實(shí)例、刪除實(shí)例、瀏覽實(shí)例相關(guān)項和查找實(shí)例。每個實(shí)例的屬性都可以設(shè)一個屬性值，值的類形式多樣化。這些值可以是整數(shù)、實(shí)數(shù)、布爾值、字符等等，還可以是類和自定義標(biāo)志，甚至可以取其他的實(shí)例作為值。實(shí)例的形式可以是表示知識的各種數(shù)據(jù)格式，包括文檔、圖形、音像等。

圖 4 類的界面

6 結(jié) 論

本文提出基于本體的知識倉庫，建立了一種基于本體的本體化產(chǎn)品知識模型。對知識倉庫的功能體系結(jié)構(gòu)、知識本體的構(gòu)建、本體映射以及基于本體的案例推理都進(jìn)行了深入地研究，采用 Protégé2000+OWL構(gòu)建描述本體，用 Jena 實(shí)現(xiàn)本體與數(shù)據(jù)庫之間的連接。并將研究內(nèi)容在制造業(yè)知識管理應(yīng)用系統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品知識倉庫子系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用。

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