基于统一描述框架的导弹设计知识模型研究*

谷牧，柴旭东，李潭，杨晨

(1.北京仿真中心，北京 100854;2.北京航空航天大学，北京 100191)

0 引言

导弹设计作为一项涉及多个学科、跨领域的庞杂系统工程，面临着诸多挑战，传统方法已无法满足其设计数字化、智能化的要求。传统的导弹设计中，设计师们大多根据以往型号的设计数据和设计经验，结合导弹战术指标收集材料，按照自己所熟悉的设计方法和知识去设计，然后提出适合的技术方案，再进行方案的可行性论证，最终选择最优的方案来进行下一步的详细设计。这种传统的设计方法，设计周期长，缺乏对导弹设计经验的科学累积，使得设计知识和经验的继承、重用以及导弹的创新性和智能化设计难以进行。而基于知识的设计方法能够促进这些问题的有效解决。

将知识应用于导弹设计中尚存在一些关键技术问题亟待解决。例如，如何对各类异构知识进行结构化的有效表示、统一组织和管理;如何构建模块化的知识模型，以完善对异构知识的组织管理和促进知识的重用和共享。

从应用角度来说，目前各应用领域主要还是采用传统的知识表示方法来表示知识。这样，在进行跨领域知识应用时，就会遇到异构知识协同应用的问题。但目前缺乏有效的知识统一表示手段以及统一可重用的知识模型构建方法。因此本文着重研究导弹设计知识的表示和建模技术。

本文认为知识建模是比知识表示更宽泛的概念，知识表示是研究如何将知识转变为计算机可处理的形式的方法，即知识形式化的过程。而知识建模是要对知识表示得到异构的计算机可处理知识进行抽象、提取和规范，而后将这些知识进行统一表达的过程。

1 相关研究

模型是对所研究的系统、过程、事物的某一部分进行的一种有目的的抽象，而建模就是这种抽象的过程，是建立一种良好的描述研究对象方式的过程［1］。因而知识模型就是对用于解决研究对象问题知识的一种共性抽象。知识工程领域认为知识模型本身是一个阐述“知识—密集型信息—处理任务结构”的工具。一个面向应用的知识模型可提供应用所需的数据和知识结构的规范说明［2］。知识模型是知识共享、重用及其他知识应用的知识实体。

对于知识模型研究，现在学者们大都从产品设计的功能结构或者设计内容出发构建合适产品设计的知识模型，英国学者 Kinston［3］提出了 CommonKADS设计知识模型，这是一种按照“应用设计(知识)-架构设计(知识)-平台设计(知识)”为层次的知识模型;G.W.Mineau提出了一种基于知识概念语言的知识建模方法［4］;Nicolas S提出了基于元知识模型的产品设计知识建模方法［5］。国内的学者也依照应用需要构建了适应领域要求的知识模型，国防科学技术大学的谷建光［6］从固体火箭发动机设计的结构-行为-功能(structure-behaviorfunction，SBF)设计出发，总结出了基于SBF的固体发动机设计知识模型;天津大学的宋欣［7］从产品设计知识的不同层次构建出“需求分析知识模型-领域知识模型-过程知识模型”的3层结构知识模型。

由此可见，当下的知识模型研究与领域密切相关，针对不同的领域应用问题可以构建不同的知识模型，但缺少一种适用于整个工程应用领域的知识模型。

2 导弹设计知识分析

一般认为设计知识指可以用于产品设计与决策的各种高价值信息的集合［8］，本文中定义导弹设计知识(design knowledge of missile，DKM)指能够描述导弹设计领域对象的特征、内在关系及实现过程的事实、原则、模式与经验的集合，在实际工程应用中，专家的设计经验、见解，历史设计结果，设计参量，设计约束条件，导弹设计模型，导弹设计评价等都属于导弹设计知识的范畴，导弹设计知识作用范围涵盖导弹设计的各个环节。

一个系统的设计知识都是对本系统设计活动的系统描述［9］，其包括设计流程、设计理论、求解方法、设计评价等内容。所以从设计知识内容的角度出发，本文将导弹设计知识分为:设计基本知识，设计专业知识和设计协同知识，其中又根据知识的内涵将设计协同知识分为设计过程知识，设计约束知识。这几类知识的说明如下:

(1)设计基本知识(basic knowledge，BK)

包括导弹设计中要依靠的基本理论、导弹设计手册和导弹的基本知识，如导弹布局描述、导弹的几何特征、材料等，还包括对该部分的设计评价准则等知识。

(2)设计专业知识(professional knowledge，PK)

指用于指导导弹设计某专业领域所需的知识，包括某具体设计问题的求解模型，即解决设计问题的具体实现方法、手段等。

(3)设计协同知识(collaboration knowledge，CK)

导弹设计是一个多学科协同设计、交互设计的过程，在导弹设计中就需要考虑学科间的约束关系及各学科模块的设计逻辑，其中:

1)设计约束知识(restriction knowledge，RK)

设计往往是一个多学科多领域协同的过程，协同设计涉及学科、领域间的约束、耦合等知识。包括耦合参量、子功能间影响的定性描述等。

2)设计过程知识(process knowledge，PK)

指描述解决导弹设计问题过程的知识，包括导弹设计流程、设计步骤、设计技术路线和设计方法选择、资源配置、设计任务分解等。

所以，导弹设计知识内容组成如图1所示。

3 导弹设计知识表示

对已有导弹设计知识进行合理抽取、组织和管理，有效重用以往设计知识用于新的设计，是基于知识工程设计方法优越性的重要体现。知识表示［10］研究知识的组织及知识的形式化，是基于知识工程设计方法实现的前提。而现有知识表示方法多种多样，在具体的知识应用时，需依据相关知识的特点，便于知识推理及支持知识方便地更新来选择合适的知识表示方法［11］。针对导弹设计知识的特点，本文设计了一种知识表示评价方法，可有效支撑知识表示方法的合理选择，进而研究导弹设计知识的表示。

3.1 知识表示方法评价

知识表示是对知识进行处理，以达到计算机可处理的目的。所以对知识表示方法评价也应该从面向知识和面向实现这2方面出发。具体来说，对一类知识表示方法的评价需要考虑该方法的表达全面性和自然性，以及各自适应的知识类型;从实现角度来说，知识表示方法的模块性、编码实现的难易程度、支持推理的程度及自组织性等都是知识表示方法评价所要考虑的因素。

此外，评价一类知识表示方法的优劣还应考虑当下该知识表示方法被使用的频度。

在这些评价标准下对常用知识表示方法进行评价，如表1所示。

这样，利用以上的评价标准就可为各类知识寻找合适的知识表示方法提供依据。

3.2 设计基本知识表示

导弹设计基本知识主要用以说明研究对象是什么及其怎样的说明性信息。在具体应用中，它的作用主要体现在与研究对象的结合过程中，其可用于辅助实现知识搜索、匹配、融合和推理。

对于设计基本知识，利用3.1节中的知识评价信息，比较得出利用一阶谓词逻辑进行表示比较合适。一阶谓词逻辑的表示形式为:＜一阶谓词逻辑＞::=＜量词＞＜谓词公式＞＜连接符＞＜谓词公式＞。如对于导弹的气动设计，对于一些准确度特征，定义Precision(x，v)表示指标x的精度为v。这样就有:

Precision(X，v1)∨Precision(Y，v1)∨Precision(Mx，v1)…

3.3 设计专业知识表示

图1 导弹设计知识组成Fig.1 Content of missile design knowledge

对于导弹设计专业知识，由于该类知识涵盖范围广，故而按照其知识结构的不同将其分为设计规则型专业知识和设计解析型专业知识，下面本文具体介绍以上2类设计专业知识的表示方式。设计规则型专业知识指具有因果关联的原理性知识，包括一些公理、算法等，本文采用产生式规则对其进行表示，其形式为＜规则＞::=if＜前件＞，then＜后件＞。比如，在气动外形设计中，其知识表现形式为规则，一条规则知识为:

If〈导弹选择鸭式布局〉then〈导弹的舵面应该安排在弹翼前面〉

设计解析型专业知识指通过解析式的形式表现出来的专业知识，包括计算公式、函数及一些算法。本文选择框架来对这类知识进行表示。框架是关于一个对象或概念的一类数据结构，其有槽、侧面及侧面值组成。这样就可以对解析型专业知识的名称、实现方法、所依赖的计算引擎及输入输出进行有效表示。以此也可以有效提供设计解析型专业知识的搜索和重用，并且利用一些优化算法还可支持这类知识的自学习。导弹设计中一条框架知识如下:

3.4 设计协同知识表示

导弹设计协同知识指把解决工程应用问题的过程及约束描述出来，可以称为解题知识的过程性表示，其本身是不能解决任何工程领域问题的，只有与其他知识结合才有意义。导弹设计的应用流程、解决问题的步骤就是典型的协同知识，其具有顺序性、交互性、时间性及并行性的特点。

当前对过程性知识的表示有很多方法，其中较典型的有设计结构矩阵法、关键路径法、Petri网络法和面向对象方法等，这些方法都各有优缺点［12］。本文中采用Petri网的方法对导弹协同知识进行表示，具体来说，对于导弹气动设计流程这样一类设计协同知识，其可表示为图2。

图2 气动分系统设计协同知识Fig.2 Collaborative knowledge of pneumatic sub-system

图2中，P1，P2，P3，P4，P5 分别对应流程中各模块的设计阶段，如P2表示气动外形设计阶段，而对于变迁规则，Ip1表示气动外形设计输入参数完整，Ip2表示气动计算输入参数完整，Ip3表示气动布局评估输入参数完整，C1表示满足布局评估要求。这样，在Petri图中，库所中资源满足变迁条件则迁移到下一个库所，如不满足则还停留在当前库所。

表1 常用知识表示方法评价Table 1 Evaluation of knowledge representation method

4 基于统一描述框架的本体化导弹设计知识模型

4.1 导弹设计知识统一描述框架

对于第3节得到的导弹设计领域的各类异构知识，在基于知识的应用中就会遇到如下问题:①跨领域间的异构设计知识交流共享难以进行;②各类异构知识不能共享推理机，联合推理困难;③各类异构知识缺乏统一组织形式，使得知识管理混乱，从而不能有效使用这些知识。这样，如何使这些异构的知识得到统一的组织和一致性表达以有效支持知识的共享、重用、管理及其他知识应用，就需要研究这些知识的统一描述机制。

导弹设计知识统一描述框架是导弹设计知识共享、重用和知识应用的基础，导弹设计知识统一描述框架界定了导弹设计知识的范围和其所应具备的基本特征，使得我们可以将各种异构复杂知识通过特征进行共享和处理。定义统一描述框架如图3所示。

在该描述框架中，首先定义3个知识要素:标识信息、知识元信息和联结用以建立复杂系统领域知识的元知识。而后在顶层知识中定义出知识基元(knowledge element)和知识构件(knowledge component)。其中知识基元是最小粒度的知识(对应于一条具体知识)，封装了复杂系统工程领域各类知识的属性和操作;知识构件由较小粒度的知识基元或知识构件构成，通过联结组织起来，这里的联结可认为是一类过程性信息。知识基元和知识构件的实例化就成为实例知识，实例知识由于粒度的大小又可成为模块部件知识，学科专业领域知识等。

这样，能够解决完整复杂系统问题的知识就可以通过知识基元和知识构件的层层组合构造出来，如图4所示。

图3 导弹设计知识统一描述框架Fig.3 Unified description framework for missile design knowledge

图4 复杂系统知识构成Fig.4 Component of complex system knowledge

元知识层定义了导弹设计知识的3个知识要素，定义为:

(1)MKnowledge=::= ＜IDInfo，KmInfo，Coupling＞

其中，IDInfo::= ＜ Name，Type，Domain，Description＞，表示知识基元的标识信息，用于描述知识基元的含义及类型。其中，Name表示知识名称，Type表示类型，Domain表示所属领域，Description表示简要描述。

(2)KmInfo:= ＜ConditionInfo，ResultInfo Use-Manner＞

表示知识元信息，用于描述知识基元的主要组成内容。其中ConditionInfo即前提条件用于描述使用知识基元所需要的前提条件，ResultInfo即结果信息用于描述使用知识基元的能够产生的结果，Use-Manner即知识基元使用方式。

(3)Coupling::= ＜Relation，Restriction＞

表示联结，用于描述知识基元及知识构件间的交互关系及约束信息。其中Relation表示知识间的交互关系，Restriction表示知识间的约束信息。

顶层知识描述了最小粒度及次小粒度知识:知识基元和知识构件。

KE::=＜IDInfo，KmInfo＞表示知识基元，是各类异构知识体的最小组成单位，实际应用中其对应于一条形式化知识，如一条规则知识可以是一个知识基元，一条神经网络知识也可以是一个知识基元。

知识基元通过“有意义的链接(关系和约束)”组织起来，构成组合成为知识构件。此外知识构件与知识构件、知识基元也可组合起来成为较复杂的知识构件，用以解决较复杂的问题。故而知识构件定义为:KC::=＜KE/KC，Coupling＞。

4.2 导弹设计知识本体化建模

知识模型是用来整理并规范化解决应用问题的知识的，故而它是依照知识描述规范框架来定义和建立的。本体通过提供通用的概念和关系，能够有效实现知识模型内各层资源的统一描述和灵活配置，并能够将相互独立的模型层次密切地联系在一起，并且对于需要交换信息、共享信息的包含着复杂异构知识的系统来说，领域本体的建立将有助于消除概念和术语上的分歧，对领域内的概念理解达成共识，故而本文利用本体来构建复杂系统领域知识模型。

导弹设计知识本体化模型将描述导弹设计的概念、关系等知识关联起来，实现解决导弹设计问题知识的总结和规范化处理。导弹设计知识模型如图5所示。

导弹设计知识模型同样为2层结构，分别为导弹设计顶层知识本体层和导弹设计领域知识本体层。模型上层是导弹设计顶层知识本体层，这层中主要描述了构成导弹设计知识模型的基本建模单元:导弹设计知识基元和导弹设计知识构件。这些基本建模单元同样由统一描述框架中的知识要素组成。并且导弹设计知识本体给出了知识基本建模单元所涉及的概念及其之间的关系，从而实现了导弹设计知识模型的顶层规范。顶层知识本体模型如图6所示。

模型下层为领域知识本体层，主要指某具体导弹设计知识模型，其包含了导弹设计各层级的设计知识。该层知识模型由上层定义的知识建模基本单元组合而成。此外，实例层也是导弹设计知识本体共享、重用的具体实现层。该层中会用到通用概念或者特定专业知识本体中的概念。

这样通过以上规范化的知识建模，就能有效将导弹设计知识规范化和模块化，从而有效支持基于知识的导弹设计。

4.3 各类知识在本体化模型下的映射

对于每一条形式化知识(规则、神经网络、框架知识等)，其都能够利用基本知识建模基本单元——知识基元来表示。而某一领域的知识体系能够通过不同粒度的知识建模单元组成。

对于导弹设计知识，利用本文中研究的本体化知识模型可对其建模形成相应的知识模型。这样对于一条设计基本知识(一阶谓词逻辑表示):PInPara(Ma，vm)∨PInPara(H，vh)∨PInPara(α，va)…，其本体化模型如图7所示。

对于其他形式的设计知识，其本体化模型也如上形式构建。对于一个复杂知识体，如解决气动计算的知识，其包括气动力计算模型知识、空气动力矩计算模型知识、气动力计算流程和气动力计算基本知识这样的知识基元。这样按照本体化模型构建出该知识构件的统一描述模型如图8所示。

5 应用示例

本文在“某导弹设计”项目背景下，以导弹设计知识中的气动学科设计知识建模为例，进行了本文中方法的应用。

首先，利用知识获取模板得到原始知识，知识模板如图9所示。

图9 导弹气动设计知识获取模板Fig.9 Knowledge acquisition template for pneumatic design knowledge

而后将获取的知识，利用第3节对应的知识表示方法进行表示，其中，设计输入、输出为设计基本知识，设计内容描述为设计专业知识，其余部分为设计协同知识。然后通过4.3节的内容将这些形式化的知识转化为本体化知识模型。

接着建立气动学科设计知识本体。将上述得到的知识输入protégé 3.3.1中建立知识本体，其界面如图10所示。

其中，对于一条气动设计基本知识(一阶谓词逻辑表示):PInPara(Ma，vm)∨PInPara(H，vh)∨PInPara(α，va)…，其进行统一建模得到知识本体如图11所示。

图10 导弹气动学科设计知识本体建模Fig.10 Modeling of design knowledge ontology in pneumatic domain

图11 气动设计基本知识统一建模Fig.11 Unified modeling of pneumatic basic knowledge

构建出导弹气动专业学科设计知识本体后，利用protégé 3.3.1的Ontoviz工具生成其设计知识组成图如图12所示。

完成气动学科设计知识的统一建模后，生成知识本体文件pneu.owl。将统一建模得到的知识本体文件存入知识库中，可供导弹设计师查询和调阅。

图12 导弹气动学科设计知识组成层次图(局部截图)Fig.12 Hierarchical structure chart of pneumatic design knowledge(part)

6 结束语

本文阐述了一种面向导弹设计知识的统一描述框架和基于这种统一描述框架的本体化模型，该模型能有对各类异构知识进行统一组织和一致性表达，并且有效支撑导弹设计知识共享、重用和知识推理等知识应用。文章最后通过一个应用示例验证了本文研究成果的有效性。

下一步的工作包括:

(1)进一步研究各类异构知识的统一表示技术，基于知识内涵的知识表示方法还有待研究。

(2)进一步完善本体化知识模型，考虑知识集成中存在的“知识组合爆炸”问题。

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