机械零件库资源本体的构建研究

党亚洲，孙文磊，何 丽，刘建爽

DANG Ya-zhou, SUN Wen-lei, HE Li, LIU Jian-shuang

（新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐 840057）

0 引言

随着计算机网络和万维网技术的发展和普及，很多机械制造企业建立了各自的基于Web的零件库系统以实现对现有机械零件的组织、管理和查询，在这些分布式零件库系统中各个零件之间隐含的复杂关系难以得到高效利用，且零件数量巨大，描述形式各异，由此导致设计人员的工作效率低下，设计周期长，以及查询效果不理想。

本体作为语义Web[1]技术的核心，可以用来描述各种资源之间的联系，揭示零件资源本身以及资源之间更为复杂和丰富的语义信息，使零件信息具有计算机可理解的语义。因此采用本体思想构建机械零件本体库，对当前如何定义和描述机械零件以及零件之间内在联系这一问题提出了一种非常好的解决办法，同时也可以为快速而有效地检索技术提供支持。

1 基于OWL零件库资源本体的描述

本体的概念最初起源于哲学领域，后来随着人工智能的发展，AI界给予了新的定义，其中最著名并被引用得最为广泛的定义是由Gruber提出的：“本体是概念化的明确的规范说明”[2]。语义网本体语言OWL（Web Ontology Language）是一种能在语义层次上描述信息系统逻辑模型的建模工具[3]，是一种用于编写本体声明的语言，是W3C推荐的本体描述语言的标准，目的是提供更多的元语以支持更加丰富的语义表达，并更好的支持推理。

如图1所示的基于OWL的零件资源库本体模式就是根据PLIB标准和马嵩华等[4]提出的零件库领域本体模式以及使用OWL中的Class、SubclassProperty、ObjectProperty和DatatypePropert等元素进行建立的，用来描述与零件族相关的概念及概念间的关系。

2 本体构建的新方法

目前，本体的研究已经逐步深入到实际应用的阶段，但因每个研究人员因其所在领域和所处开发角度的不同，使用的本体构建方法和实施过程也是各有特色，不尽相同，所以国内外并没有一套标准方法来构建本体。其中影响较大的方法[5]主要有：企业建模法（TOVE）、Mike Ushold & King的骨架法、生命周期法（METHONTOLOGY）和斯坦福大学医学院开发的七步法。

为了寻找一种更为适合机械零件资源库本体的构建方法，我们利用生命周期法[6]三个阶段涉及到的具有全面性的步骤作为新方法的基础，同时参考七步法[7]和TOVE法[8]，提出了一种基于骨架法[9]整体构架的新建模方法。其流程图如图2所示。该方法将整个构建过程分为四个阶段：确定领域本体目标、本体形式化、本体评价和本体文档化，针对各个阶段的具体功能参考了七步法详细的构建步骤，以及在本体评价中参考TOVE法中的评价机理对本体模型的构建进行完善，同时在本体文档化阶段中使用OWL本体语言进行描述，为后面的本体存储奠定了基础。

图1 基于OWL的零件库资源本体模式

图2 构建方法流程图

3 零部件本体的实现

3.1 概念抽取和定义属性

在本体形式化前首先需要进行概念抽取和定义类的层次关系，这时通常可以采取的方法有自上而下法、自下而上法和混合法， 我们在构建零部件本体时将采取的是自上而下法。以机械零部件为祖先类，根据资源属性进行一级子类分类，再将一级子类根据结构、功能和用途等分类，限于篇幅下面只将机械标准件中法兰分类的层次关系作适当扩展，如图3所示。

然后进行定义属性和公理描述，这一过程很大程度上决定了本体构建后的好坏，在这一阶段我们需要在前面本体模式的基础上提出零件库资源中零件本体模型，其中以滚动轴承为例描述的零件本体模型，如图4所示。

3.2 本体评价和创建实例

由于本体的构建以及实例化是人工参与的，难免会产生错误，所以本文首先采用T. R. Gruber提出的五个准则[10](清晰、一致、可扩展性、编码偏好程度最小和本体约定最小)评价机械零件本体模型，然后使用推理机RacerPro[11]进行逻辑检测，来发现概念层次关系定义矛盾和属性关系关联有误的情况。最后在评价和检测完的机械零件本体中创建实例，借助Protégé实现的零件库资源主要本体如图5所示，其中图5(a)为基于OWL的部分本体片段，图5(b)是创建实例后的主要本体展开。

图3 法兰分类的部分层次关系图

图4 滚动轴承的本体模型

图5 零件库数源主要本体

4 结束语

本文在分析了本体建模的一般方法后，提出适合机械零件本体构建的新方法，构建该本体目的是为了利用它强大的语义信息解决零件库系统检索功能中的许多关键问题，同时为解决制造业信息集成和平台异构等问题提供了语义基础和逻辑模型。该机械零件库资源本体尽可能详细的包括了相关概念，而且已经通过了RacerPro的逻辑推理检验，达到了一定的规模，其应用前景较为广泛。该本体建模的基本流程具有一定的代表性，同样也能适应于其他领域的本体构建。

[1] Tim Berners-Lee. Semantic Web Road Map[EB/OL],http://www.w3.org/Design Issues/Semantic.html,1998,10,14.

[2] Studer R,Benjamins V R and Fensel D.Knowledge Engineering: Principles and Methods[J]. IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering,1998,25(1-2):161-197.

[3] 刁雅静,王志英,葛世伦.基于OWL的制造业知识本体构建研究[J].江苏科技大学学报（自然科学版）,2009,23(6):538-542.

[4] 马嵩华,田凌.领域本体组织的自助式零件库[J].计算机集成制造系统,2014,20(2):250-253.

[5] 钟福金.基于OWL的旅游领域本体构建实践[J].大众科技,2010,(03):17-18,23.

[6] Gruninger M.,Fox M. S.. Methodology for the Design and Evaluation of Ontologies[J].Workshop on Basic Ontological Issues in Knowledge Sharing,IJCAI-95,Montreal,1995.

[7] 刘宇松.本体构建方法和开发工具研究[J].现代情报,2009,29(9):21-24.

[8] Gruninger M.,Fox M. S.. Methodology for the Design and Evaluation of Ontologies[J].Workshop on Basic Ontological Issues in Knowledge Sharing,IJCAI-95,Montreal,1995

[9] M. Usehold. Ontologies Principles,Methods and Applications[J].Knowledge Engineering Review,1996,6(11):2-3.

[10] T. R. Gruber. Towards Principles for the Design of Ontologies Used for Knowledge Sharing. International Journal of Human Computer Studies.1995,43(6):907-928.

[11] 沈国华.基于描述逻辑的语义Web服务建模及推理研究[D].南京航空航天大学.2009.