基于多层次本体的航空制造业领域知识表达模型的构建*

刘 航，杜 江，白 瑀

(西安工业大学机电工程学院，陕西西安710021)

随着信息量和数据量的急剧增长，人们在海量的数据中寻求知识越来越困难。航空工业生产活动综合了新材料、新工艺、新技术等高技术产业和国家支柱性产业。如何有效地对航空制造业领域知识进行管理，使用户快速方便地获取知识，甚至某技术问题的解决方案，是当前航空制造业领域知识管理亟需解决的问题。

知识建模是知识共享与重用的基础，是进行知识管理的关键，对航空制造业领域知识的分类是对其所包含知识进行管理的基础，可为从事本行业的人提供理论指导，以使纷繁复杂的知识得以依类整理，各有归属，从而建立起次序化、规范化、系统化的知识世界。本文从航空制造业领域知识分类入手建立面向知识层面的多层次、多维度的航空制造业领域知识表达模型[1]，为航空制造业领域知识管理系统的构建奠定基础。对航空工业进行快速高效的设计制造生产活动起着至关重要的作用。

1 航空制造业领域知识的归类

知识的分类是知识管理的基础，对航空制造业领域知识的分析分类是对其进行知识建模的关键。由于航空制造业领域知识本身的复杂性和多样性，导致航空制造业领域知识中所包含的知识，随着时间的推移及工业技术水平的发展，产生大量冗余失效的文件。由于其动态性、多样性、复杂性，航空制造业领域知识所产生的知识之间存在着大量相互影响、相互促进的因素，使它们之间存在错综复杂的关联。航空制造业领域知识的这些现状，迫切需要对其所包含的知识进行整合分类，以促进其知识的重用、分享及合理利用。

对于航空制造业领域知识的分类，是通过对技术内容的概括及某些特征的概念进行逻辑分类和系统排列而构成，构建航空技术分类模型，为使用者提供设计准则、技术支持及决策依据，能够最大化利用航空制造业领域知识。对于航空技术多领域知识的分类，从航空技术的属性、用途、学科及主题着手，需要多层次多维度的进行分类归纳，构建描述预先定义好的属性、学科或概念的分类规则，按照航空制造业领域知识的适用范围和来源、原理和功能、描述对象等多个方向进行划分，建立如图1的航空制造业领域知识分类模型。

图1 航空制造业领域知识分类模型

2 基于多层次本体的航空制造业领域知识表达

本体(Ontology)源自于哲学范畴，是一个概念框架，随着人工智能的发展，人们赋予它新的含义，Neches[2]认为：“本体定义了组成主题领域的词汇表的基本术语及其关系，以及结合这些术语和关系来定义词汇表外延的规则”。Gruber[3]提出“本体是概念化的明确规范”，他指出我们可以通过定义一组表示术语来描述程序的本体，定义将话语世界中的实体名称与描述名称意义的可读文本以及约束解释的公式公理相结合。Studer[4]认为本体概念包括概念化、明确、形式化和共享四个方面。Swartout[5]认为“本体是一个为描述某个领域而按继承关系组织起来作为一个知识库的骨架的一系列术语”。

知识表达是识别和理解知识的关键，对于航空制造业领域知识的知识表达，要实现对航空工业领域生产制造知识的快速有效的重用、共享。针对航空工业知识结构复杂、知识类型多样、种类繁多，以及航空技术动态性、多样性、复杂性的特点，基于多层次本体对航空制造业领域知识进行知识表达，既能表示出不同种类知识的共性，又能表示出相同种类知识的个性，以保证在知识表达的准确定性，实现知识的共享和传递。利用本体对知识进行表达可赋予知识信息明确的语义环境，建立概念层次清晰、结构合理、概念间属性关系明确的组织网络[6]。可有效地将领域知识组织起来，使计算机可以更好地理解和处理信息，实现知识的共享与集成，为知识的共享与重用奠定基础。

2.1 知识的描述

航空制造业领域知识描述本体模型可用四元组表示：{C，A，R，I}。其中：C表示领域内知识的集合；A表示领域内知识属性的集合；R表示知识间关系的集合，是领域中概念之间的关联作用；I表示知识实例的集合。

知识集合C是知识对象的集合，表示采用框架定义的类或概念的集合，包括类或概念的名称，关系集合等；属性集合A是知识表达的依据，是对航空制造业领域知识分类的描述，是航空制造业领域知识表达的核心要素，包括特征属性、性能属性，状态属性、层次属性等；知识的关系集合R代表了知识间的关联关系，包括概念关系、属性关系、技术应用关系等，是构建知识表达本体的基础，实例集合I代表知识的对象，是知识集合C和属性集合A的具体化。

2.2 属性特征的提取

属性特征代表了航空制造业领域知识的性质，是对航空制造业领域知识最基本的反应，具有类型和数据两种性质，类型是将构成航空制造业领域知识各数据系统统一地分配各个知识单元的规则，对于航空制造业领域知识的特征内容如表1。

因此，航空制造业领域知识属性特征可表示为：

其中：R表示航空技术领域知识集；r表示航空制造业领域知识的知识特征要素；n表示航空制造业领域知识的种类；j表示航空制造业领域知识的特征数量。

表1 航空制造业领域知识的属性特征

2.3 概念关联关系的描述

本体概念一般用类来表示，类与类间依据其属性形成映射来描述两类之间的关系。航空制造业领域知识所包含的若干特征可用描述逻辑可表达为Features ⊆ Aeronautical manufacturing field knowledge，其中最基本的元素是概念(Concept)和关系(Relation)。概念可以被理解为某领域知识的某一子集，关系表示概念间的关联和联系。根据航空制造业领域知识的特点，依据其分类、概念和属性，每个类里的元素依据概念进行拆分，得到相关的子元素及其属性[7]。由于航空制造业领域知识的概念数量庞大，关系复杂等特点，为解决本体间的异构问题，建立基于概念及属性的层次结构关系时，各子元素间应通过属性形成映射关系，建立基于本体的航空制造业领域知识知识表达模型，其本质是概念与概念通过属性所形成的关联关系[8]，可记为：

航空制造业领域知识不仅包含多领域的文本知识，还包括公式、图形，表格等多种知识载体，因此对于航空制造业领域知识表达模型的建立，需要建立面向多领域的通用模型，既要做到对知识的精确表达，还要明确各知识间的关联关系，清晰地反映知识的网络体系结构，从多方面、多维度描述概念之间的关系。从语义角度来看，可将本体中概念的基本关系分为五种，如表2。

表2 航空制造业领域知识本体中概念的基本关系

航空制造业领域知识本身的属性可以通过其包含、相关或互动的数据所描述。因此蕴含不同的信息的知识元(Ke，构成知识结构的最小元素，最基本的原子概念)形式、结构、属性各不相同，在聚合为知识族后，利用相似度对航空制造业领域知识关联进行判断[9]。为了判断知识元的相似度，本文应用加权欧几里德距离衡量知识元Kei和Kej间的区别度，即：

用Sim(Kei，Kej)表示知识元相似度，如下：

Sim(Kei，Kej)=cosθ

其中：相似度在数值上反映为0≤Sim(Kei，Kej)≤1。

所有Sim(Kei，Kej)|∀i，j[1，2，…，n]构成一个模糊等价关系，也可表现为一个对称的相似度矩阵：

RKe=[Sim(Kei，Kej)|∀(Kei，Kej)∈n×n]

根据所建立的模糊等价关系，定义阈值δ，依据航空制造业领域知识概念的特征集合与某一属性特征集合在空间内的距离，与阈值δ进行比较。形成概念间的映射关联关系[10]。

3 基于多层次本体建立航空制造业领域知识集成模型

航空制造业领域知识模型可从结构-行为-功能三方面建立立体的多层次本体模型。结构描述了航空制造业领域知识的基本内容和要素，是航空制造业领域知识的基本组成；行为是结构与功能的关联映射，表示航空制造业领域知识中某个参数随环境或对象的改变而导致另一个参数的改变；功能是指航空制造业领域知识的应用场合、对象等，也是对航空制造业领域知识的属性描述。结构是行为建立的基础，功能的描述建立在行为的构造上。

对于航空制造业领域知识模型的构建，应遵循概念化、明确、形式化和共享四个方面，基于航空制造业领域知识的特点，对其本体构建流程包括：基于航空制造业领域知识的分类获取数据、确定本体的目的和领域、检验本体可否重用、分析数据并提取概念特征及其关系、建立初始本体、本体的验证分析、建立本体模型[11]。

航空制造业领域知识的结构包含其所包含的知识成分的关联关系和关联形式，因此需要从领域知识的分类层次、信息数据、知识元结构等构成知识结构的基础出发，构建系统知识模型，其过程如图2。

对航空制造业领域知识进行收集、分析和描述，构建航空制造业领域知识本体，分析其中概念集间的关联关系，在此基础上建立航空制造业领域知识知识层次结构，将领域知识进行划分，生成知识元，构建拓扑知识结构，并与航空技术领域本体对应关联，在微观知识元的基础上建立知识模型。

图2 基于多层次本体的航空制造业领域知识模型构建过程

按照航空制造业领域知识的分析归纳，按照分类规则，针对不同种类的知识类型，在分析各类航空制造业领域知识类、概念、属性等关系的基础上，通过定义类和属性，依据属性提取知识概念，对其进行关联分析，依据关联规则，形成关联网络[12]。依据概念、属性、关联关系，对其进行知识要素分析提取，将知识以概念的形式进行提取，通过描述框架表示出来，建立概念集，通过不同的概念集将不同类型的知识分类，详细完整地描述概念，按照概念与属性，构造如图3所示航空制造业领域知识的知识本体框架。

图3 基于多层次本体的航空制造业领域知识知识模型

在航空制造业领域本体中，包含设计方法类知识、材料类知识、工艺制造类知识、智能品类知识等顶层概念。以材料类知识为例，通过集成其属性特征，用本体描述语言OWL对其进行描述，本体片段如下：

1)类的描述：

<复合材料rdf：ID=“复合材料”/>

2)属性的描述

……

……

3)约束的描述

……

4)实例的描述

<环氧树脂复合材料rdf：ID=“SC-13G玻璃纤维增强塑料”>

……

<环氧树脂复合材料>

4 结束语

航空制造业领域知识作为航空工业生产活动的载体所积累的技术知识的总结，通过对航空制造业领域知识的用途、属性、学科及主题的归纳总结，对其定义分类，进而基于本体建立航空制造业领域知识知识模型，建立面向知识层面的多层次、多维度的航空制造业领域知识知识模型框架，并利用本体描述语言OWL对其进行描述。这是构建航空制造业领域知识的知识管理系统的重要一步，也是实现航空工业产品设计、制造、生产向智能化、信息化、服务化发展的重要途径。