周宏根，王夢(mèng)瑩，景旭文，賈永鵬

（江蘇科技大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)研究所，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

隨著對(duì)柴油機(jī)性能要求的不斷提高，其設(shè)計(jì)過(guò)程涉及到的學(xué)科領(lǐng)域也不斷增加，如強(qiáng)度、流體力學(xué)、振動(dòng)和熱力學(xué)等，需要依靠多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜业膮f(xié)調(diào)工作，解決不同學(xué)科之間的沖突，從而減少柴油機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間及成本，提高柴油機(jī)的整體性能。此外，還需要將設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到的信息（或知識(shí)）進(jìn)行轉(zhuǎn)換、集成和合并等處理，產(chǎn)生新的集成化知識(shí)，從而更好地幫助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)產(chǎn)品。但是，當(dāng)前柴油機(jī)的產(chǎn)品知識(shí)表達(dá)和管理大都集中在幾何模型上，缺乏進(jìn)一步對(duì)柴油機(jī)產(chǎn)品功能、行為和設(shè)計(jì)過(guò)程等的語(yǔ)義信息描述，因此不能很好地滿足不同設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品不同級(jí)別開(kāi)發(fā)信息描述的需要。

本體作為共享概念模型明確的形式化規(guī)范說(shuō)明，具有明確性、形式性和共享性。作為本體的一部分，領(lǐng)域本體刻畫(huà)了特定領(lǐng)域的知識(shí)，給出了領(lǐng)域?qū)嶓w概念化及相互關(guān)系、領(lǐng)域活動(dòng)以及該領(lǐng)域所具有的特性和規(guī)律的形式化描述。領(lǐng)域本體提供了某個(gè)專業(yè)學(xué)科領(lǐng)域中概念的詞表以及概念間的關(guān)系，在該領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的理論。將本體建模方法引入柴油機(jī)產(chǎn)品的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程，顯得尤為重要。

將本體理論應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，是近幾年國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。這些研究主要集中于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造等產(chǎn)品相關(guān)信息的本體建模、產(chǎn)品知識(shí)的重用和信息集成等方面。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)方面，國(guó)內(nèi)外采用本體來(lái)表達(dá)和重用產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)的相關(guān)研究較多［1-2］，但主要應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)方面，目前對(duì)于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的零部件信息本體表達(dá)和重用研究相對(duì)較少。USCHOLD 等［3］采用本體語(yǔ)言來(lái)描述零部件信息，以解決零件族結(jié)構(gòu)和命名的多樣化問(wèn)題。王有遠(yuǎn)等［4］采用基于本體的方法進(jìn)行產(chǎn)品知識(shí)建模的概念設(shè)計(jì)，以達(dá)到知識(shí)語(yǔ)義的一致性要求，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品知識(shí)的共享和重用。付相君［5］對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行本體標(biāo)注，得到對(duì)應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形式化概念。郭鳴等［6］對(duì)產(chǎn)品知識(shí)建模在企業(yè)大規(guī)模知識(shí)處理中遇到的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（STandard for the Exchange of Product model data，STEP）系列標(biāo)準(zhǔn)之間、應(yīng)用協(xié)議之間的語(yǔ)義不一致問(wèn)題進(jìn)行分析，提出了基于本體論的產(chǎn)品知識(shí)建模的觀點(diǎn)。趙燕偉等［7］采用本體方法，從概念實(shí)體、概念屬性和概念間關(guān)系三方面介紹了構(gòu)建產(chǎn)品本體知識(shí)模型的方法。高鵬［8］從幾何／拓?fù)涞慕嵌瘸霭l(fā)，采用本體對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行表達(dá)。以上研究主要集中在如何運(yùn)用本體語(yǔ)言描述零部件信息，從而消除零部件對(duì)象描述的歧義性，對(duì)于如何描述零部件之間的關(guān)系與約束以及如何對(duì)基于本體的零部件信息進(jìn)行檢索，尚未很好地闡述。

在柴油機(jī)產(chǎn)品的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化領(lǐng)域，領(lǐng)域本體的構(gòu)建研究尚處于起步階段，還未見(jiàn)將本體模型應(yīng)用于柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方面的研究。因此，筆者開(kāi)展了面向多學(xué)科優(yōu)化過(guò)程的柴油機(jī)本體模型（Diesel Ontology Model for Multidisciplinary Optimization Process，DOMMOP）的建模與應(yīng)用研究，將多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法、本體模型、本體與數(shù)據(jù)庫(kù)交互技術(shù)等引入柴油機(jī)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，為語(yǔ)義驅(qū)動(dòng)的柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化提供直接的理論支持和技術(shù)支撐。

1 柴油機(jī)本體建模對(duì)象分析

動(dòng)力系統(tǒng)是船舶等運(yùn)載工具的核心組成模塊之一，而柴油機(jī)又是其動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，包括機(jī)座、氣缸、曲軸、活塞、凸輪軸和連桿在內(nèi)的上千個(gè)零部件，其優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程也涉及到熱學(xué)、靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域?？紤]到柴油機(jī)領(lǐng)域知識(shí)的深度、廣度以及各個(gè)零部件關(guān)系之間的復(fù)雜性，構(gòu)建的本體應(yīng)盡可能覆蓋柴油機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的所有知識(shí)。但是，覆蓋的領(lǐng)域越大，構(gòu)建的本體模型也越大，從而造成建模工程復(fù)雜度的急劇增加，也可能造成建模的失敗，因此需要根據(jù)專家提供的知識(shí)和現(xiàn)實(shí)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程，對(duì)柴油機(jī)本體的知識(shí)范圍加以限制，盡可能使本體的范圍在較小的情況下滿足需求，保證建模的順利進(jìn)行。

基于此，本文將建模對(duì)象限制在柴油機(jī)的主要零部件、輔助啟動(dòng)裝置等子系統(tǒng)、關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)和多學(xué)科優(yōu)化相關(guān)的知識(shí)，其中，主要零部件建模對(duì)象包括凸輪軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、十字頭組、曲軸部件、活塞組、連桿組、氣缸等部件以及構(gòu)成這些部件的零件等；柴油機(jī)的子系統(tǒng)建模對(duì)象包括燃油系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和啟動(dòng)系統(tǒng)等；柴油機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化涉及到的建模對(duì)象包括組織結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)活動(dòng)、設(shè)計(jì)資源、材料和工作流元素等。因此，選取上述建模對(duì)象，以本體理論為基礎(chǔ)構(gòu)建了DOMMOP，是比較合理也較易實(shí)現(xiàn)的選擇，由此得到的柴油機(jī)本體知識(shí)來(lái)源如圖1所示。

2 DOMMOP建模技術(shù)研究

2.1 DOMMOP建模方法設(shè)計(jì)

DOMMOP建模方法主要參考了骨架法、七步法和IDEF5 法［9-10］，并根據(jù)柴油機(jī)領(lǐng)域知識(shí)的深度、廣度和關(guān)系的復(fù)雜性等特點(diǎn)，綜合上述三種本體建模方法步驟清晰、表達(dá)明確的優(yōu)點(diǎn)，提出了DOMMOP的建模方法，其建模流程如圖2所示。從圖中可以看出，該方法的整個(gè)建模流程是循序漸進(jìn)的，邏輯性較強(qiáng)，符合本體建模的工程化思想。此外，該建模方法與其他開(kāi)發(fā)過(guò)程一樣，在實(shí)施中不是線性的，建模過(guò)程中可能會(huì)反復(fù)，過(guò)程中的任何一點(diǎn)都可能退回到早期的某一步。因此，在建模的過(guò)程中，要定期對(duì)所構(gòu)建的本體進(jìn)行檢查，保證所建本體模型的可用性。

2.2 DOMMOP頂層本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)行DOMMOP頂層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮各設(shè)計(jì)知識(shí)之間的語(yǔ)義描述、設(shè)計(jì)活動(dòng)之間的邏輯關(guān)系以及設(shè)計(jì)任務(wù)的合理分配等問(wèn)題。因此，在DOMMOP設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)間關(guān)聯(lián)的緊密性和信息交換的及時(shí)性，這是DOMMOP 構(gòu)建過(guò)程中應(yīng)遵循的一個(gè)總原則。

DOMMOP的構(gòu)建主要包含柴油機(jī)本體模型的建模以及柴油機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程本體的建模。其中柴油機(jī)本體模型包括柴油機(jī)、主要零件、主要部件、部件的裝配體、輔助啟動(dòng)裝置、柴油機(jī)系統(tǒng)和輔助描述七個(gè)主類。該本體模型的主要概念包括按不同分類方式劃分的柴油機(jī)類型，如按工作循環(huán)特點(diǎn)可分為四沖程柴油機(jī)和二沖程柴油機(jī)，按轉(zhuǎn)速可分為高速柴油機(jī)、中速柴油機(jī)和低速柴油機(jī)等?！拜o助描述”類的設(shè)計(jì)是為了對(duì)其他類進(jìn)行輔助描述，將可能取值的值域限制為一系列詳細(xì)的清單。

柴油機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程本體模型是對(duì)柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化中的所有任務(wù)、設(shè)計(jì)過(guò)程以及與之相關(guān)的開(kāi)發(fā)信息的語(yǔ)義關(guān)系集合。柴油機(jī)開(kāi)發(fā)任務(wù)之間存在橫向和縱向兩種關(guān)系，橫向關(guān)系表達(dá)設(shè)計(jì)活動(dòng)間的時(shí)序關(guān)系，縱向關(guān)系表達(dá)設(shè)計(jì)活動(dòng)間的層次性，即分解關(guān)系。柴油機(jī)的開(kāi)發(fā)任務(wù)可以不斷分解，當(dāng)任務(wù)細(xì)化到可被設(shè)計(jì)人員操作的粒度時(shí)，開(kāi)發(fā)任務(wù)才順序展開(kāi)，而隨著設(shè)計(jì)活動(dòng)的不斷推進(jìn)，各種任務(wù)的有序集合形成了工作流。其中以柴油機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)活動(dòng)為主線，將各個(gè)子本體關(guān)聯(lián)，這些設(shè)計(jì)任務(wù)以及設(shè)計(jì)活動(dòng)面向的對(duì)象是柴油機(jī)的零部件或子系統(tǒng)，通過(guò)這種方法將柴油機(jī)本體模型與設(shè)計(jì)優(yōu)化本體模型關(guān)聯(lián)，圖3給出了模型之間的關(guān)聯(lián)以及內(nèi)在的邏輯關(guān)系語(yǔ)義描述。

在設(shè)計(jì)優(yōu)化本體模型的每個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)中，都有相應(yīng)的輸入與輸出以及與之相關(guān)的設(shè)計(jì)活動(dòng)，而設(shè)計(jì)活動(dòng)之間存在著相互作用和關(guān)聯(lián)。每個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)活動(dòng)都分配到相應(yīng)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)中的人員利用具體的設(shè)計(jì)資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)和多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，每個(gè)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)完成之后，都要進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)審、驗(yàn)證或確認(rèn)，從而保證設(shè)計(jì)的正確性與可行性。

根據(jù)上述DOMMOP 概念實(shí)體間語(yǔ)義關(guān)系的描述，設(shè)計(jì)了DOMMOP 的311 個(gè)概念類，用于描述建模對(duì)象，具體說(shuō)明如表1所示；102個(gè)對(duì)象屬性集合，用以描述不同的類之間的關(guān)系，具體說(shuō)明如表2所示；67個(gè)數(shù)據(jù)屬性集合，用于描述類在定義的數(shù)據(jù)屬性上的取值類型，具體說(shuō)明如表3所示。

表1 DOMMOP概念術(shù)語(yǔ)集合

表2 DOMMOP對(duì)象屬性表

表3 DOMMOP數(shù)據(jù)屬性表

2.3 DOMMOP建模的實(shí)現(xiàn)

以某型號(hào)的柴油機(jī)為例，參照1.2節(jié)的DOMMOP語(yǔ)義分析結(jié)果，采用Protégé4.1rc4版本的本體建模工具構(gòu)建DOMMOP，使用網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言描述邏輯（Web Ontology Language Description Logic，OWL DL）將其實(shí)例化。在構(gòu)建DOMMOP的類層次時(shí)，按照自頂向下的方法構(gòu)建，先確定最一般的概念，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)某些需要擴(kuò)展類進(jìn)一步細(xì)化，直到其在概念的粒度上達(dá)到柴油機(jī)產(chǎn)品關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)的需要。例如，“活塞組的零件”包含的子類有活塞、活塞頭、活塞桿、活塞裙和活塞銷。

為了進(jìn)一步說(shuō)明DOMMOP 的構(gòu)建，以“設(shè)計(jì)活動(dòng)”類為例，利用BNF 范式介紹具體的模型構(gòu)建過(guò)程。一般而言，一個(gè)BNF范式表達(dá)了一個(gè)類的基本構(gòu)成，包括所描述類的父類以及屬性的集合，具體格式為：〈類〉：：=［〈父類〉］｛屬性集合｝。

可見(jiàn)，利用BNF范式描述類可以確定類與類之間的關(guān)系以及類具有的屬性。如設(shè)計(jì)活動(dòng)是在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中最一般的概念，設(shè)計(jì)活動(dòng)又可以細(xì)分為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、修改、評(píng)審、驗(yàn)證、檢查和整機(jī)測(cè)試等，而優(yōu)化活動(dòng)又可以分為單學(xué)科優(yōu)化和多學(xué)科優(yōu)化，這樣就確定了設(shè)計(jì)活動(dòng)之間的父—子關(guān)系。在定義類的屬性時(shí)，利用類繼承的方法進(jìn)行，即子概念通用的屬性在父概念中定義，子概念繼承父概念的所有屬性，再定義自己特有的屬性。設(shè)計(jì)活動(dòng)的BNF范式形式化表示為：

2.4 DOMMOP模型的一致性檢查

用OWL DL語(yǔ)言描述的本體可以被推理機(jī)處理，推理機(jī)提供的主要功能之一是檢驗(yàn)一個(gè)類是否是另一個(gè)類的子類。通過(guò)對(duì)本體的類執(zhí)行這種檢驗(yàn)，推理機(jī)就可以推理出本體的類層次。推理機(jī)提供的另一個(gè)功能是一致性檢查，基于類的描述，推理機(jī)可以檢查一個(gè)類是否可以含有實(shí)例，如果該類不包含任何實(shí)例則被認(rèn)為是不一致的。

通過(guò)對(duì)DOMMOP 的語(yǔ)義分析以及現(xiàn)有的本體一致性檢查方法［11-13］的研究，本文提出了基于Tableau算法的本體一致性檢查，算法流程如圖4所示，檢查過(guò)程分析如下：

（1）建立一個(gè)概念C的模型，即DOMMOP本體。

（2）將DOMMOP 模 型用樹(shù)狀圖T表 示：T的節(jié)點(diǎn)是描述邏輯中ΔI的元素，用C的子概念集標(biāo)示，根節(jié)點(diǎn)標(biāo)示為｛C｝；T的邊表示ΔI元素間的關(guān)系，用角色名標(biāo)示。

（3）轉(zhuǎn)換規(guī)則對(duì)應(yīng)OWL語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，規(guī)則應(yīng)用到節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽，直到節(jié)點(diǎn)遍歷結(jié)束，轉(zhuǎn)換規(guī)則不使用，→樹(shù)表示一個(gè)有效模型及一個(gè)沖突被發(fā)現(xiàn)｛A，?A｝。

轉(zhuǎn)換規(guī)則如下：

（1）∩規(guī)則S→｛x：C1，x：C2｝∪S，若x：C1∩C2在C中，且x：C1和x：C2不在S中同時(shí)出現(xiàn)。

（2）∪規(guī)則S→｛x：D｝∪S，若x：C1∪C2在S中，x：C1和x：C2都不在S中，且D=C1或D=C2。

（3）?規(guī)則S→?｛xP1y，P2y，…，cPky，y：C｝∪；S，若x：?R.C在S中，R=P1∩…∩Pk，沒(méi)有z使得xRz在S中成立，且z：C在S中，y為新變量。

（4）?規(guī)則S→?｛y：C｝∪S，若x：?R.C在S中，xRy在S中成立，且y：C不在S中。

通過(guò)以上方法，對(duì)DOMMOP 進(jìn)行一致性檢查，經(jīng)過(guò)檢查可知，DOMMOP 不存在一致性的錯(cuò)誤。

3 基于語(yǔ)義對(duì)準(zhǔn)的DOMMOP 與工程數(shù)據(jù)庫(kù)交互技術(shù)

3.1 從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)抽取本體的映射機(jī)理

將非RDF 格式的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)按照轉(zhuǎn)換規(guī)則轉(zhuǎn)換為一個(gè)可視的、只讀的RDF 圖，映射文件生成之后，可以利用Jena API來(lái)調(diào)用該映射文件，并將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)加載到這個(gè)映射模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)映射模型的實(shí)例化。模型實(shí)例化之后，用戶可以利用SPARQL查詢將“數(shù)據(jù)—模型”應(yīng)用到特定的SQL查詢，然后Web瀏覽器、SPARQL 客戶端和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)客戶端可以利用Jena API操作映射文件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非RDF格式數(shù)據(jù)庫(kù)中內(nèi)容的導(dǎo)航和語(yǔ)義檢索，具體的工作原理如圖5所示。

從圖5可以看出，DOMMOP 與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的映射過(guò)程主要包括如下三個(gè)步驟：

（1）生成映射文件 通過(guò)Java應(yīng)用程序，利用Jena軟件包和RDB轉(zhuǎn)換引擎實(shí)現(xiàn)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的映射，生成基于RDF語(yǔ)法的映射文件。該映射文件說(shuō)明了數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系和屬性是如何與輸出本體中的類和屬性進(jìn)行映射的，在這個(gè)過(guò)程中并不生成輸出本體，而是隱式地生成一個(gè)本體，該文件在一個(gè)一致的名稱空間上定義了一個(gè)類和屬性的集合，接下來(lái)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)換為RDF時(shí)將會(huì)用到該名稱空間。

（2）數(shù)據(jù)填充 對(duì)生成的映射文件進(jìn)行數(shù)據(jù)填充，將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的元組填充到映射文件，從而建立一個(gè)由上一階段生成的映射文件設(shè)定的RDBOWL實(shí)例，并將該實(shí)例包裝為一個(gè)Jena模型。

（3）數(shù)據(jù)導(dǎo)航 通過(guò)語(yǔ)義Web服務(wù)，利用RDF或HTML瀏覽器導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容。此時(shí)，可以像操作本體一樣使用SPARQL 語(yǔ)言查詢關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的導(dǎo)航和語(yǔ)義檢索。

3.2 語(yǔ)義對(duì)準(zhǔn)的目的

將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RDF 形式并加以表示后，仍然沒(méi)有以一種有意義的方式來(lái)集成這些數(shù)據(jù)，因?yàn)槊恳环N數(shù)據(jù)源的信息都仍然是使用專門面向該數(shù)據(jù)源的詞匯進(jìn)行表達(dá)的。這些詞匯表就被稱作數(shù)據(jù)源本體（Data Source Ontology，DSO），DSO 使得它們所表達(dá)的數(shù)據(jù)難以被利用［14-15］。如果信息的使用者沒(méi)有意識(shí)到每個(gè)DSO 的特殊性，那么使用者就無(wú)法充分利用來(lái)自該數(shù)據(jù)源的信息?？梢?jiàn)，盡管這些信息已經(jīng)被整合到一起，但是它們?nèi)匀粵](méi)有被集成，因?yàn)楦拍钪g的關(guān)系仍然不明確。

建立兩個(gè)本體之間的連接和關(guān)聯(lián)的過(guò)程稱為語(yǔ)義對(duì)準(zhǔn)，或本體對(duì)準(zhǔn)。將一個(gè)本體和另一個(gè)本體進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，就是將第一個(gè)本體中描述的概念網(wǎng)和第二個(gè)本體中描述的概念網(wǎng)疊加起來(lái)，這樣它們之間就可以連接起來(lái)。

當(dāng)真正使用語(yǔ)義Web數(shù)據(jù)構(gòu)建應(yīng)用程序時(shí)，僅建立DSO 和領(lǐng)域本體之間的映射是不夠的。一般而言，軟件是構(gòu)建于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和假設(shè)的基礎(chǔ)上的，它可能不太容易與特定的領(lǐng)域本體中的豐富語(yǔ)義相兼容。要解決這個(gè)問(wèn)題，就需要引入應(yīng)用程序本體的概念。一個(gè)應(yīng)用程序本體是一個(gè)從軟件應(yīng)用程序的視覺(jué)來(lái)描述信息的領(lǐng)域本體。本文使用優(yōu)化平臺(tái)的應(yīng)用程序本體作為領(lǐng)域本體，將DOMMOP 本體的概念和該本體中概念映射起來(lái)。

3.3 語(yǔ)義對(duì)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)

本文主要以優(yōu)化平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中的表“MultiSubjectFileList”的映射模型與DOMMOP 中的“文件”類為例，闡述兩個(gè)本體模型之間的語(yǔ)義對(duì)準(zhǔn)，兩種模型之間的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

利用兩個(gè)本體之間的相似性，并將新的本體模型擴(kuò)展為包含兩個(gè)本體的模型，借此將兩個(gè)本體關(guān)聯(lián)起來(lái)。通過(guò)向本體中添加陳述來(lái)表達(dá)下面的知識(shí)：

（1）D2rq：MultiSubjectFileList等價(jià)于DOMMOP：文件。

（2）D2rq：FileID，D2rq：MultiNodeID，D2rq：FilePath 分別等價(jià)于DOMMOP：dataID，DOM-MOP：nodeID，DOMMOP：filePath。

（3）D2rq：FileName是DOMMOP：name的子屬性。

這里存在兩種情況：聲明參與比較的一對(duì)元素完全等價(jià)或者聲明一個(gè)元素是另一個(gè)元素的特化?！癉2rq：MultiSubjectFileList”和“DOMMOP：文件”指代的是相同的概念，因此它們是等價(jià)的。名稱“DOMMOP：name”在DOMMOP中可能是文件名，也可能是人名或公司名。因此，將“D2rq：FileName”作為“DOMMOP：name”關(guān)系的特化。

下面的代碼創(chuàng)建了三個(gè)陳述將這兩個(gè)數(shù)據(jù)集對(duì)準(zhǔn)，并且按照前面所介紹的方法將它們添加到模型中。

第一個(gè)新的陳述通過(guò)聲明類D2rq：MultiSubjectFileList和類DOMMOP：文件等價(jià)將兩者對(duì)準(zhǔn)，它為主語(yǔ)和賓語(yǔ)連同屬性一起創(chuàng)建資源，然后將該陳述添加到模型中；第二條陳述通過(guò)聲明屬性D2rq：FileID 和屬性DOMMOP：dataID 等價(jià)將兩者對(duì)準(zhǔn)；第三條陳述通過(guò)聲明D2rq：FileName 是DOMMOP：name的子屬性將兩者對(duì)準(zhǔn)。

其他類與屬性的語(yǔ)義對(duì)準(zhǔn)過(guò)程與上述過(guò)程類似，根據(jù)上述步驟，完成整個(gè)文件的語(yǔ)義對(duì)準(zhǔn)。至此，完成了DOMMOP與優(yōu)化平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)映射模型之間的語(yǔ)義對(duì)準(zhǔn)。

4 基于DOMMOP 的產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)開(kāi)發(fā)

柴油機(jī)作為復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)，具有“工作原理復(fù)雜、技術(shù)基礎(chǔ)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜”等特點(diǎn)，且柴油機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、試制、試驗(yàn)、生產(chǎn)和維護(hù)等過(guò)程也都非常復(fù)雜。因此，對(duì)支持柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科優(yōu)化過(guò)程的信息化系統(tǒng)會(huì)有更高的要求。在柴油機(jī)產(chǎn)品生命周期中的關(guān)鍵階段，如“總體方案設(shè)計(jì)”階段、“部件原理設(shè)計(jì)”階段、“詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析仿真”階段，目前還缺乏具有針對(duì)性的信息化管理手段，并且已經(jīng)給柴油機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)單位造成了一系列負(fù)面效應(yīng)，例如業(yè)務(wù)流程維護(hù)困難、資源共享困難、知識(shí)重用困難、設(shè)計(jì)仿真數(shù)據(jù)管理困難等。因此，將本體技術(shù)與具有動(dòng)態(tài)適應(yīng)性和擴(kuò)展性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，基于DOMMOP的產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)，使現(xiàn)有的柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化領(lǐng)域的資源得到充分共享與重用，從而降低柴油機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計(jì)成本，成為現(xiàn)代柴油機(jī)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的迫切要求。

該平臺(tái)采用分層架構(gòu)，各層之間是松耦合關(guān)系，上層可以使用下層提供的數(shù)據(jù)和服務(wù)，該平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)如圖7所示。

4.1 平臺(tái)的總體功能設(shè)計(jì)

根據(jù)所設(shè)計(jì)的平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合平臺(tái)的功能需求和應(yīng)用環(huán)境的實(shí)際要求，柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)整體上分為用戶登錄、系統(tǒng)管理、項(xiàng)目管理、多學(xué)科管理、數(shù)據(jù)服務(wù)、工具管理、工作空間和退出八個(gè)主要模塊。

（1）項(xiàng)目管理模塊

在該模塊中，可以創(chuàng)建新的項(xiàng)目，也可以為某個(gè)項(xiàng)目創(chuàng)建子項(xiàng)目，通過(guò)項(xiàng)目樹(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的管理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目信息的管理、參考資源的管理、設(shè)計(jì)任務(wù)的分配、多學(xué)科協(xié)同管理以及設(shè)計(jì)結(jié)果的查看／審批（審批需要相應(yīng)的權(quán)限）。此外，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目樹(shù)節(jié)點(diǎn)的刷新、添加、修改和刪除等操作。

（2）多學(xué)科管理模塊

“優(yōu)化知識(shí)管理”實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)化中常見(jiàn)的優(yōu)化算法的管理；“多學(xué)科協(xié)同管理”主要實(shí)現(xiàn)對(duì)新建項(xiàng)目的協(xié)同基本信息和協(xié)同任務(wù)的管理，包括優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化的輸入和輸出文件的管理等。

（3）數(shù)據(jù)服務(wù)模塊

工作流模板管理模塊實(shí)現(xiàn)的功能有新建工作流模板、已有工作流模板的查看、工作流節(jié)點(diǎn)的編輯和刪除等；信息檢索模塊有關(guān)鍵字檢索和語(yǔ)義檢索兩種檢索模式。

（4）工具管理模塊

該平臺(tái)包含工作流定義、產(chǎn)品數(shù)據(jù)語(yǔ)義檢索、有限元分析和多學(xué)科優(yōu)化工具，該模塊提供了上述工具的調(diào)用、封裝和編輯功能。將與優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件集成到優(yōu)化平臺(tái)，使用時(shí)可以直接從優(yōu)化平臺(tái)啟動(dòng)。

（5）工作空間模塊

通過(guò)任務(wù)查看模塊，用戶可以方便地查看自己當(dāng)前的所有任務(wù)的完成情況；通過(guò)任務(wù)提交模塊，用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)已完成任務(wù)及時(shí)地在線提交。

4.2 語(yǔ)義檢索的實(shí)現(xiàn)

在柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的過(guò)程中，需要借鑒以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或知識(shí)來(lái)指導(dǎo)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，基于語(yǔ)義的信息檢索可以提高設(shè)計(jì)實(shí)例的檢索效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)設(shè)計(jì)知識(shí)的重用。在4.1節(jié)中，完成了DOMMOP本體與平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的映射，在此基礎(chǔ)上，利用Jena API實(shí)現(xiàn)對(duì)生成的映射模型的操作，完成語(yǔ)義檢索，語(yǔ)義檢索算法的核心代碼如下：

在檢索界面輸入檢索詞“活塞”后，語(yǔ)義檢索結(jié)果如圖8所示。

4.3 語(yǔ)義驅(qū)動(dòng)的活塞多學(xué)科優(yōu)化

活塞的強(qiáng)度、動(dòng)力性能和熱學(xué)性能的影響因素都與活塞自身的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，活塞的主要設(shè)計(jì)尺寸包括活塞頂高C1、第一道環(huán)槽高C2、第一道環(huán)槽深度C3、第二道環(huán)槽高度C4，考慮到強(qiáng)度、模態(tài)和熱學(xué)分析方程的復(fù)雜性，本文在建立多學(xué)科優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，利用Solidworks建立對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的參數(shù)化模型，然后通過(guò)Ansys utility與Ansys建立無(wú)縫連接，將參數(shù)化模型導(dǎo)入并轉(zhuǎn)換，生成有限元分析模型，活塞在Ansys中分別完成結(jié)構(gòu)、熱學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，并借助ISIGHT 實(shí)現(xiàn)上述學(xué)科的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了提高柴油機(jī)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率，本文將柴油機(jī)結(jié)構(gòu)件的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程模板化，并借助DOMMOP模型的本體轉(zhuǎn)換機(jī)制，保證了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)與學(xué)科分析應(yīng)用模型之間的互操作，活塞多學(xué)科優(yōu)化的信息流向如圖9所示。

由圖9可以看出，在相應(yīng)的腳本文件中輸入相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)后，利用構(gòu)建的DOMMOP 模型將腳本文件語(yǔ)義化，即根據(jù)優(yōu)化任務(wù)的需要，將DOMMOP模型進(jìn)行重組，驅(qū)動(dòng)腳本文件生成新的優(yōu)化任務(wù)命令流，然后進(jìn)行相應(yīng)的靜力學(xué)、熱學(xué)和模態(tài)分析。單學(xué)科分析結(jié)束后，將分析結(jié)果寫(xiě)入各自的輸出文件中，然后在多學(xué)科框架中對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的分析計(jì)算，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，直至尋找到最優(yōu)解，完成整個(gè)優(yōu)化流程。在語(yǔ)義腳本的驅(qū)動(dòng)下，活塞經(jīng)過(guò)58次迭代計(jì)算，優(yōu)化結(jié)果對(duì)比如表4所示。

表4 活塞多學(xué)科優(yōu)化結(jié)果

表4 中：Stress為活塞機(jī)械應(yīng)力，F(xiàn)req為活塞振動(dòng)頻率，Temp 為活塞溫度，Mass為活塞質(zhì)量。從表4中的參數(shù)變化可以看出，所有的結(jié)構(gòu)尺寸在優(yōu)化前后都有所變化，最大的尺寸變化超過(guò)30%?；钊馁|(zhì)量減輕了5.45%，達(dá)到了多學(xué)科優(yōu)化的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了面向多學(xué)科優(yōu)化過(guò)程的柴油機(jī)本體模型建模及其應(yīng)用技術(shù)，主要包括DOMMOP 對(duì)象分析和建模方法設(shè)計(jì)、DOMMOP 建模及其一致性分析、基于語(yǔ)義對(duì)準(zhǔn)的MDO 數(shù)據(jù)庫(kù)與DOMMOP交互技術(shù)、基于本體理論的柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)設(shè)計(jì)、語(yǔ)義檢索與語(yǔ)義驅(qū)動(dòng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)例。針對(duì)當(dāng)前柴油機(jī)產(chǎn)品知識(shí)表達(dá)和管理缺乏對(duì)柴油機(jī)產(chǎn)品功能、行為、設(shè)計(jì)過(guò)程等的語(yǔ)義信息描述以及優(yōu)化過(guò)程較為復(fù)雜的問(wèn)題，研究了我國(guó)柴油機(jī)企業(yè)產(chǎn)品多學(xué)科集成優(yōu)化設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及其相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法，構(gòu)建了柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科優(yōu)化語(yǔ)義模型庫(kù)，開(kāi)發(fā)了基于DOMMOP 的柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科協(xié)同開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)品信息、語(yǔ)義驅(qū)動(dòng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程、設(shè)計(jì)資源及知識(shí)、設(shè)計(jì)任務(wù)、個(gè)人工作等的管理，并以柴油機(jī)關(guān)鍵部件語(yǔ)義檢索及其多學(xué)科優(yōu)化為例，驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)的可行性和所用理論的正確性，為該領(lǐng)域產(chǎn)品多學(xué)科集成優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論支持和技術(shù)保障。

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