本体及其在机械工程中的应用综述

张先锋

摘 要：本体论作为一个人工智能领域有前途的方法，成为了近年研究的一个热点，引起了各方学者的注意。同时，本体论在机械设计中的应用也得到了重视和研究。特别将本体论应用于机械设计智能设计、概念设计和创新设计表现出其独有的优势和前途。但是，不论是本体论本身，还是机械智能设计和创新设计，都正处于研究和发展的过程中。对本体论及其在机械设计中的应用进行回顾，从总体上讨论其特点及应用前景，将会对该方面的研究起到良好的作用。

关键词：本体；机械工程；应用要点

中图分类号：X701；文献标识码：A

引言

今制造企业正面临着市场全球化、制造国际化和产品需求多样化的新挑战，各企业间围绕着产品生产时间、质量和成本的竞争越来越激烈，竞争优势已从过去可见的设备、资本以及劳动力转变为现在不可见的知识。知识化、集成化和智能化成为了机械产品设计的发展方向。在众多的知识管理技术中，本体论定义了规范化描述领域知识的理论和方法，在解决知识交互和共享混乱问题方面具有明显的优势。因此，本体相关技术在机械产品智能设计中的应用越来越受到研究者们的重视。

1本体的基本概念

在信息科学中，作为一种知识表示方法，本体（ontology）包括了研究领域内对象的名称、对象属性和相互关系的逻辑描述，提供了领域内知识表示和交流的词汇集合和集合中各个对象的关系集合。采用这种方法表示知识的本体，是基于一定的目的人为设计的规范说明，这与它所建模的世界有着明显的区别。20世纪90年代初，Lenat和Nech-es分别在自己的研究项目中将本体引入到知识系统的知识表示中来，从而在构建知识系统的方法上引起了的革命性的变化。

本体发展至今，其应用范围已经远远超出了传统人工智能和知识工程的范围，这主要是由于本体具有以下显著的优点：

（1）异构系统互操作，在异构主体之间对交流的结构化信息达成共识，这是本体开发的一个主要目标；（2）通过本体复用、映射和集成等方式实现领域知识复用，这是本体研究的主要动力之一；（3）明确的领域认定，利用本体表示方法描述领域认定，当领域发生变化时，对应的领域认定的改变也相对比较容易；（4）析领域知识，建立领域本体，实现领域知识的应用和管理；（5）将领域知识与操作性知识相分离。

2本体及其在机械工程中的应用要點

2.1本体在机械产品智能设计中的应用

（1）基于本体的知识表示

机械设计领域的知识表示用于表达机械产品设计过程中的各类设计知识，如设计图样、产品模型、设计手册以及设计原理知识和经验知识等。传统的知识表示方法在设计知识的表示、传递和共享过程中存在各自的局限性，不能同时满足表示能力、可理解性、可操作性以及可实现性等方面的要求。基于本体的知识表示方法简洁、清晰、可理解性高且可扩展性强，不仅能够表示结构化知识，还能够表示半结构化知识，将其引入机械产品智能化设计过程中能够更好地对设计知识进行管理，能够快速获取相关设计知识以加快问题的求解。

目前设计领域的知识表示模式与方法不统一，制约了产品设计知识的共享与重用，因此，设计领域面临的实际问题是如何对设计知识进行明确的分类和统一有效的表示。从过程的角度看待知识表示的思想，通过基于本体的语义标注实现了知识的有效组织和表示，并以基于本体的车辆设计领域管理项目为例，展示了车辆设计领域基于本体的知识建模过程和成果。针对机械加工领域的特点，采用本体的方法对机械加工工艺知识进行了表示，为更好地进行工艺知识管理奠定了基础。针对产品设计知识的动态化、多样性和相关性等特点，提出了一种基于本体的产品设计知识表示方法，对以客体、概念集、属性集、命令集以及函数集为核心的5个知识单元之间的联系进行了研究，增强了设计知识表示的全面性、灵活性，并通过实例验证了该方法的有效性。在分析液压元件的分类和模型信息的基础上，提出了基于本体的液压元件知识建模方法，实现了液压元件知识的规范化描述。

由此可见，借助本体及语义网技术的优势来完成设计知识的有效表示的方法受到了广泛的关注，但是统一有效的知识表示方法仍然没有形成，且关于知识的形式化表示的研究比较少。

2.2基于本体的知识检索

机械产品尤其是复杂产品设计知识包含的信息量大且相对散乱，往往隐含在产品模型、设计手册、分析报告以及相关领域专家的经验之中。而现有的产品数据管理（ProductDataManagement，PDM）系统并未对大量的设计知识（如设计原理、设计方法和设计经验等）进行合理的组织和重用，且检索方式单一，其刚性的数据库关系导致设计人员难以快速准确地找到所需的设计知识，更无法通过这些知识有效地完成设计任务。

为提高产品设计知识检索效率和查准率，许多研究者结合本体的方法进行了相关研究。德国亚琛工业大学的Sebastian等人提出了一种基于语义本体的工艺数据仓库（ProcessDataWarehouse，PDW），用于支持经验知识的获取和重用，PDW使用统一的本体概念术语，但缺乏进一步的组织和表达，造成检索结果冗余结合本体理论，提出了一种基于反馈的概念关联知识检索方法，并将其应用于某航空研究所IPD（IntegratedProd-uctDevelopment）的知识管理系统的开发中。一个由元数据层、本体层和应用层构成的知识管理框架，弥合了实例检索和语义检索之间的鸿沟。

2.3产品信息语义交换

STEP（ISO10303）标准在产品数据交换中仅仅具有语法信息而不具备语义信息，为了克服这一缺陷，有关学者对研究产品信息语义交换给予了关注。为实现产品信息语义的互操作，密歇根大学Patil等人开发了一个产品本体作为语义交换的标准中介，即产品语义表示语言（ProductSemanticRepresentationLanguage，PSRL）。以PSRL本体作为产品信息的形式化表示。所谓产品语义的互操作，是指在遍及产品开发过程中的信息资源（如不同的CAD系统或CAD/CAM系统）之间，自动地进行数据语义的交换。

开发PSRL本体的目的在于为产品数据的语义表示建立一个必要的需求基础。PSRL本体以NIST的核心产品模型CPM为基础，采用Ushold的骨架法作为开发方法论，以描述逻辑DL实现PSRL的语义编码，句法结构采用DAML+OIL语言规范。

PSRL本体中的核心概念包括对象、规格、装配、制品、形态、功能、行为、几何形状、材料、特征和约束等。例如，规格是指制品的信息中与用户需要和工程需求有关的部分内容；装配是一个制品的集合；制品定义为一个确切的设计出来的实体，该实体具有一定形态、功能和行为；形态包括几何形状和材料等。PSRL本体中的核心关系包括对象之间相互关联或者具有层次结构上的父-子关系。利用这些核心概念和关系，PSRL本体可以明确地通过编码形成PSRL表示语言。

PSRL词典采用DAML+OIL语言提供的逻辑和非逻辑字符，包括概念和关系两方面的内容，此外，根据产品语义交换的需要，增加前述的PSRL核心概念和核心关系。PSRL的核心公理采用描述逻辑进行形式化描述，公理集用来表示本体的基本属性和词典中术语的语义。

结论

将本体与过程性知识表示方法相结合，才能拓宽所表示的知识的应用范围。例如在MDA中，以本体为基础构建系统知识库，作为自动推理的基础，以问题求解方法实现半自动甚至自动推理，以提高机械产品的设计自动化程度，是本体在机械工程领域中的应用的一个重要方面，也是本文作者下一步的研究重点。

参考文献：

[1] 邓志鸿，唐世渭，杨冬青.基于本体的多Agent分布式数字图书馆资源信息发现服务模型之研究[J].计算机工程，2002，28（6）：37-38，581.

[2] 张维明，宋峻峰.面向语义Web的领域本体表示、推理与集成研究[J].计算机研究与发展，2006，43（1）：101-108.

[3] 陆汝钤，石纯一，张松懋，等.面向Agent的常识知识库[J].中国科学（E辑），2000，30（5）：453-5631.

（作者身份证号码：34240119821211323X）