本体驱动的复杂产品系统设计信息重用框架

王昊琪，李 浩，文笑雨，罗国富

(郑州轻工业大学 机电工程学院 河南省机械装备智能制造重点实验室，河南 郑州 450002)

0 引言

随着用户需求的多样化，产品的功能越来越丰富，复杂产品的研发不再是个人能够胜任的工作，而需要一支具有机械、电子、控制、艺术和组织管理等不同工程学科知识的优秀团队，通常采用系统工程的思想完成研发。传统的基于文档的系统工程设计(Document-Based Systems Design, DBSD)使用以自然语言为主、非格式化的、分散且独立的文档来描述整个系统设计信息，已经很难满足当今越来越复杂的产品研发要求。基于模型的系统设计(Model-Based Systems Design, MBSD)的出现改善了传统基于文档方式的不足，它强调使用正式的模型统一描述系统全生命周期的需求、功能、行为和结构等信息，使系统设计从原有的以文档和自然语言为核心的表达方法向以模型为核心的方法转变，为应对这种转变，INCOSE在2007年提出了系统建模语言(System Modeling Language, SysML)[1]。

同时，MBSD对系统设计和建模提出了更高的要求，系统设计模型除了具备基本的描述能力和可追踪性以外，还应具有语义表达、推理和互操作等能力[2]。其中，“语义表达能力”和“推理能力”已经在公理化系统设计本体模型[2]中进行了研究，“互操作能力”是本文研究的重点，因为复杂产品的系统设计需要来自多个工程学科的知识，系统设计模型应具有使用已有工程学科信息的能力，反之亦然。但是，使用不同学科软件产生的数据往往孤立地存储在多个不同的信息系统中，很难被共享[3]。这些异构的信息系统导致系统设计数据之间的互操作困难，影响系统设计效率。例如，在卫星太阳翼的设计中，实现太阳电池及其电路安装功能的基板有不同的类型可以选择，而在结构设计中，不同类型的基板及其性能参数存储于卫星总装数据库中，这就需要系统设计师与结构设计师沟通，然后才能手动到总装数据库中查看并选择合适的基板类型，比较耗时。因此，实现MBSD所面临的挑战之一是系统模型和代表着不同工程学科模型的信息系统之间的互操作。

但是，现有MBSD方法对上述的“互操作能力”支持不足，重要原因是异构系统之间的语义的不一致。重用是解决语义不一致导致互操作困难的有效途径之一，本体的知识表达和操作能力促进了数据之间语义一致性[4]。目前，利用本体的共享数据能力研究系统设计信息和不同工程学科设计信息互操作的工作较少，已有研究集中在系统设计语义建模本身，例如设计原理表达、候选设计方案建模。因此，如何利用本体构建系统设计语义信息模型并实现信息重用是研究重点。

综上所述，为解决复杂产品基于模型的系统设计过程中系统模型和多学科模型之间互操作困难的问题，本文在已有研究成果——公理化系统设计本体模型(Axiomatic system Design Ontology, AD Ontology)[2]的基础上，构建了本体驱动的公理化系统设计信息重用框架(Ontology-Based Axiomatic System Design Reuse Framework, OBASDRF)，利用多策略本体结盟技术[5]将公理化系统设计信息和特定工程学科设计信息进行语义自动匹配，使得系统模型能够重用特定工程学科模型的信息，从而提高系统模型和不同工程学科模型之间互操作的效率。

1 背景

1.1 系统设计和基于模型的系统设计

系统设计以“V”字形模型展开，是系统工程的核心技术流程[1]，如图1中阴影部分所示。在国外，20世纪70年代美国空军首先颁布了系统工程程序手册。之后，美国国家航空航天局和美国国防部等部门分别对其中的系统设计进行了集中研究，颁布了相应的标准手册[6]。到90年代初期，系统设计的发展从军工走向了商业，引起了教育界、工业界的普遍重视。进入21世纪，国际系统工程协会提出了基于模型的系统工程的概念，使得系统设计从基于文档的方式迈向基于模型的方式[7]。

在国内，系统设计的研究主要是从航天和航空部门起步，自20世纪90年代开始，系统的理论和方法逐渐成为了深入理解航天和航空工业，促使其稳步发展的重要手段；2010年前后，国内的航天和航空企业开始成立面向MBSD的推广部门[8]。目前，MBSD与数字孪生技术结合，建立基于模型的数字孪生系统，实现产品全生命周期的数字化虚实交互[9]。

当前流行的MBSD方法并不能完全满足互操作性要求，如表1所示[2]，详细分析如下:

表1 现有MBSD方法和本体对系统建模要求的满足情况

(1)基本描述能力。主流的MBSD方法都为系统设计提供了明确的框架，能够将复杂的设计信息组织到不同的类型和抽象层级中，保证用户需求的可追溯性，如文献[10]提出的用例驱动的系统设计方法，因此主流的MBSD方法能够满足该要求。

(2)可追踪性要求。MBSD方法本身就是强调基于统一的模型，并使用标准的语言SysML，因此可以满足该要求。如，A-MBSD方法通过设计域自身的分解和设计域之间的映射推进系统设计，使设计过程形成一个“Z”字形的开放网络，再使用SysML的分配关系记录不同设计域之间的关联[2]，因此可满足该要求。

(3)语义表达能力。虽然SysML可以表达设计元素及其之间的固定关联关系，但是语义表达能力有限，SysML本质上是一种图形化的建模语言，目的是方便不同的设计师之间能进行有效的沟通，但是很难被计算机所理解[11]。而本体可以明确定义系统设计信息之间的语义关系，使得计算机能够理解系统设计语义，因此有些MBSD方法与本体结合后，可以满足该要求。

(4)推理能力。虽然现有设计理论中的公理可以作为制定推理规则的基础，如公理化设计中的独立公理和信息公理，但是这些方法自身并不支持自动推理，推理是本体建模的重要特征之一，结合本体的推理能力可以满足该要求，如SHI等[12]将公理化设计与本体结合用于系统设计，实现设计意图的计算机可读性。

(5)互操作性。目前根据不同MBSD方法利用SysML建立的系统模型仍然需要设计师和工程师手动与特定工程学科模型集成才能共享和重用所需信息，因此不能满足该要求。本体建模是解决信息重用和互操作性的有效方法之一[5]，下面简述本体及其在系统设计中的应用。

1.2 本体及其在系统设计中的应用

本体是对特定领域概念及其之间关系的形式化描述，是语义网技术的基础[13]。虽然本体这一概念是从互联网发展而来的，但是在系统工程实践中，本体的应用已经十分广泛，主要作用分为3种：

(1)对知识的概念化 对一个特定领域知识的正式定义。如，文家富等[14]为了支持案例设计知识的检索，构建了覆盖件模具设计知识的领域本体模型以及各本体概念之间的逻辑关系；KUCUK等[15]描述了一种面向电能质量的本体，目的是共享不同电能质量领域中的统一词汇。

(2)支持设计解释 解释特定的概念和知识。例如，LIM等[16]建立了多维度本体来解释产品族模型；方伟光等[17]提出以领域本体为语义模型，设计了一套针对设计文档的自动语义标注框架。

(3)重用数据 共享异构系统之间的概念。如，GANZHA等[18]提出了一个综合框架来解释如何重用分布的本体，从而集成不同的物联网平台；陈继文等[19]利用本体之间的语义相似度来共享并更新不同企业之间的知识。

已经有学者将本体用于系统设计中。如，YANG等[20]综述了本体在工程系统中的应用现状，指出在建立系统模型时，由于不正确本体的使用，可能增加失败的风险。ZHANG等[21]使用基于本体的语义表达模式来描述设计原理。SCHMIT等[22]面向基于模型的系统工程，使用本体对概念设计阶段的候选设计方案进行建模。目前，以重用数据为目的的本体操作分为本体集成、本体合并和本体结盟[5]，它们虽然都为系统设计重用工程学科设计信息提供了可能，但其实现方法和输出各不相同。其中，本体集成和合并是为了创建新的本体，而本体结盟为了得到本体元素之间的语义关联，与本文要研究的系统模型的重用一致。因此，使用本体结盟实现系统模型重用工程学科模型，具体采用的是文献[5]提出的多策略本体结盟方法，详述见3.4节。

2 公理化系统设计本体模型AD Ontology

公理化系统设计本体模型AD Ontology是建立重用框架的基础，该模型使用共享的概念集合、关系集合、属性集合、公理集合、规则集合和实例集合描述系统设计信息，支持功能耦合的判断、系统设计方案的选择和系统设计与工程学科设计知识的互操作所需的语义查询和推理[2]。

一个本体可以被形式化定义成不同类型的元组，主要包括概念集合、属性集合、关系集合、公理集合和实例等。在公理化系统设计本体模型AD Ontology中，定义了7类系统设计过程所用到的概念元素，分别是用户需求本体、功能需求本体、行为元素本体、设计参数本体、设计方案本体、独立公理本体和信息公理本体，如图2所示[2]，这些本体及其关系的定义详见文献[2]。

3 基于本体的系统设计信息重用框架OBASDRF

AD Ontology为系统设计过程中的信息表达提供了语义概念模型。在此基础上，本章建立一个系统模型的重用框架，并详述如何通过本体结盟将系统设计信息和特定工程学科设计信息进行语义关联，该框架如图3所示，包括：

(1)ADOntology本体层 为系统设计信息提供语义和推理能力。

(2)公理化系统设计信息表达层 根据A-MBSD模型框架组织系统设计信息，得到本体实例。

(3)工程学科设计信息层 储存不同工程学科设计信息，需要通过本体结盟与系统设计信息建立语义关联。

这3层相互关联，系统设计信息是本体的实例，重用发生在系统设计信息表达层和工程学科设计信息层之间。

3.1 AD Ontology层

AD Ontology层为系统设计提供了语义表达和推理能力。其中的概念、关系、属性、公理和规则通过斯坦福大学的本体编辑软件Protégé进行创建。

如图4所示为用户需求CR、功能需求FR、行为元素BE、设计参数DP和设计方案DS等本体在Protégé中的定义，及其之间语义关系的可视化显示。另外，在Protégé中创建对应的类公理、属性公理和关系公理，例如图5给出对象属性“isAffectedBy”的公理，其定义域是FR，值域是DP，并且与“affectFR”之间存在逆公理。

3.2 公理化系统设计信息表达层

在公理化系统设计信息表达层中，设计师建立本体层的实例，如图6所示[2]。其中，系统需求分析的实例来自用户需求本体OCR；系统功能分析和分配的实例来自功能需求本体OFR、行为元素本体OBE、设计参数本体ODP和独立公理本体OIND，设计师按照“Z”字形映射过程进行迭代设计，构建设计矩阵，根据独立公理判断FRs之间是否相互独立，只有满足独立公理的设计才能继续分解；设计综合的实例来自设计方案本体ODS和信息公理本体OINFO，设计师选择设计参数DPs，生成不同的设计方案DS，然后根据信息公理从中选择最优设计。

3.3 工程学科设计信息层

该层存储特定工程学科设计信息，并通过本体结盟将其中已有的设计参数与系统设计信息层中的系统设计方案进行自动语义匹配。工程学科设计信息一般存储在关系型数据库(Relational Database, RDB)中，如，卫星的接口数据表单为卫星单机的设计提供了机械、电子和热控接口数据；另外，结构设计、电子和电气设计、控制系统的设计都有各自的数据库。如，当卫星太阳翼的系统设计确定使用涡卷弹簧为展开功能提供驱动力，可以将设计要求传递给结构设计部门进行详细的设计和分析，确定涡卷弹簧的尺寸和预紧力等参数。因为涡卷弹簧是安装在铰链上的，铰链的设计需要与电气接口协调，满足电缆走线和支架安装的要求，所以机械设计的数据还需要来自电子和电气设计的数据。

系统模型对工程学科模型的重用是为了在系统设计阶段有效使用不同工程学科的知识。因此，采用文献[5]中提出的一种动态的、多策略的本体结盟方法实现本体重用，整个过程如图7所示[5]，包括以下步骤：

(1)提取本体。使用不同的提取规则，将RDB表和表2中的元素转换成本体中对应的类、关系和属性及其实例，得到初始本体。

(2)精炼初始本体。通过手动修改，得到规范的本体。

(3)本体转化。将得到的规范本体实例转化为资源描述框架/可扩展标记语言(Resource Description Framework/eXtensible Markup Language, RDF/XML)文档，即本体源，作为本体共享的媒介。因为OWL2建立在RDF和RDFS(RDF Schema)之上，所以OWL2可使用所有合法的RDFS来表示，可以通过RDFS和RDF/XML文档组织本体的实例。

(4)本体结盟。根据得到的本体源中元素不同的特性，如是否具有相同的标签，选择不同的匹配器(3.4节详细介绍)，完成元素级别的匹配。按照这些匹配器所提方法计算本体元素的语义相似性，完成系统设计本体与特定工程学科本体的关联。

3.4 多策略本体结盟方法

本体结盟是系统模型重用工程学科模型的核心，其目的是连接两个具有语义对应关系的本体元素，包括本体中的类、属性等组成要素。本体结盟的基本原理如图8所示，左边是系统设计信息，如卫星太阳翼的基板，右边是可以被重用的工程学科设计信息，如基本的类型和性能，本体结盟的本质是根据本体实例之间的语义相似性推断是否重用。

本体结盟又包括两个步骤，如图9所示[5]：

(1)语义匹配。通过匹配器提供的语义相似性算法，量化两个本体元素之间的语义对应关系。

(2)本体元素结盟。建立两个本体元素的连接。

3.4.1 语义匹配

两个要匹配本体元素之间的语义对应关系(Semantic Correspondence, SC)通过式(1)定义:

SC={e1,e2,M,r,v,id}。

(1)

式中：e1和e2是从本体O1和O2中提取的要进行结盟的元素；M代表匹配器(Matcher)；r表示e1和e2之间的关系(relationship)，如“equal”、“subClassOf”或“superClassOf”；v表示通过匹配器关联e1和e2的置信度；id代表这种语义对应关系的唯一标识。

从元素级别寻找两个本体元素e1和e2之间的语义对应关系。元素级别是指将类自身作为被研究对象，如，类的标签和评价等。这时，最常使用的技术是通过字符串度量、字符串的相似性计算，以及定义域、属性和数据类型的比较进行匹配。为此，采用文献[5]提出的具有3种匹配器的多策略本体结盟方法，如图10所示，具体步骤如下：

(1)导入需要结盟的本体元素，包括本体的实例，具有的关系和属性等。

(2)根据不同的条件选择其中一种匹配器，并采用对应的算法计算元素的语义相似度，如果这对元素具有相同的标签，说明当前置信度为1，可以直接进行匹配，而无需考虑其他匹配器，否则需要根据条件选择不同的匹配器。

(3)将匹配的元素及其相似度作为输入，通过聚合器得到匹配结果。

对于两个要结盟的本体元素，可以采用如图11所示[9]的3种匹配策略：

(1)基于字符串的匹配器(String-Based Matcher, SBM) 本体元素被看成一串有序的字符串，根据一个字符串转换到另一个字符串所需步骤的多少来计算语义相似性，常用的是Jaro-Winkler距离[23]或者N-GRAM[24]距离。

(2)基于分类的匹配器(Taxonomy-based Matcher with WordNet, TMW) TMW从语义的角度来计算两个词汇的相似性，一般利用树状的语义词典，如Lin模型[25]中的WordNet词典[26]。

(3)结盟重用匹配器(Matcher with Alignment Reuse, MAR) 重用已经得到的本体结盟进行当前的匹配。假设，O1和O2是两个要进行结盟的本体，Ox是第三方本体，而且已经分别与O1和O2进行了结盟，则本体O1和O2的结盟可以通过Ox实现。

3种匹配策略的计算结果导入聚合器中，乘以各自的权重，得到最终的语义相似性，判断是否进行重用。

3.4.2 本体元素结盟

结盟发生在图10所示的聚合器中。为了得到准确的匹配结果，使用每个匹配器得到结果的平均值确定每个匹配器的权重，确定这些权重的基础是匹配器的影响因子，由式(2)计算：

他们目送鲲消失在明月繁星与雪岭群山之间，才将视线收回来，去看黄梁驿外，宇晴提到的大榆树。大榆树离他们二三百步之遥，主干上发出七八条侧枝，盘旋环绕，巨伞一般负着积雪，站立在月光中。白天所见的十来个雀巢，想必已接纳了回窠的喜鹊，正簇拥着它们在巢中睡香甜，可是他们往树上看的时候，却发现在树伞的顶端，剪纸般地贴着两条灰黑人影，一东一西，相对而坐，中间一只棋盘，隔开了他们，他们身后，是寒夜里密集的星辰。

(2)

式中：fx表示三种匹配器SBM、TMW或者MAR的影响因子；ei和ej代表要匹配的本体元素；m和n分别代表本体Oi和Oj中要匹配的元素的个数。

基于以上影响因子，计算每个匹配器权重的步骤如下：

(1)定义两个向量：布尔向量b=(bsbm,btmw,bmar)，向量中的元素取布尔型的值，bx=1表示使用了该匹配器，否则bx=0;影响因子向量f=(fsbm,ftmw,fmar)，代表得到的factors的向量。

(2)每个匹配器的权重根据式(3)计算。

(3)

式中，Wx是匹配器SBM、TMW或者MAR的权重，具有以下的特征：

若∑b=1，则Wsbm=Wtmw=Wmar=1;

若∑b=2，则Wsbm+Wtmw=1，或者Wsbm+Wmar=1，或者Wtmw+Wmar=1;

若∑b=3，则Wsbm+Wtmw+Wmar=1。

(3)元素ei和ej的最终的相似性sim可通过式(4)得到：

(4)

其中Vx表示通过每个匹配器计算得到的两个匹配元素之间的相似性。阈值决定了两个本体元素的相似性达到什么程度才被认为是相等。一旦相似性大于所规定的阈值，这两个本体元素就是相等的，可以建立连接，实现重用。

4 OBASDRF在卫星太阳翼系统设计中的应用

选用卫星太阳翼的系统设计进行验证。太阳翼系统设计是在任务需求分析阶段和方案可行性论证阶段完成的,虽然太阳翼的设计已经相当成熟，但是在卫星发射后，由于太阳翼失效导致的卫星失效占全部失效的比例很大[27]。本章根据所构建的系统设计本体模型AD Ontology及其重用框架OBASDRF，使得系统模型能够重用工程学科模型，实现两者互操作。选用SysML建模软件Papyrus、本体建模软件Protégé和Oracle 11g数据库搭建了重用框架所需的软件平台，如图11所示，它们的作用和特点如表2所示。

表2 系统设计所用的软件及其作用

在每一次系统设计的迭代过程中，可实现：

(1)在SysML建模软件Papyrus中使用A-MBSD Modeling Profile构建系统模型。

(2)根据所构建的SysML系统模型，使用Protégé创建对应的AD Ontology本体实例。

(3)通过重用插件在设计综合阶段重用存储在总装数据库管理系统中的机械、电子和热控等多个工程学科的设计信息。

某型号卫星的太阳翼在进行了两次迭代设计后得到的功能需求、行为元素和设计参数如表3所示[2]。在Protégé中建立对应的的本体实例如图12所示。

表3 第2次迭代后的系统模型元素

其中，实现FR2.1-太阳电池及其电路安装功能的DP2-基板，以及实现FR3.2-释放功能的DP3.2-释放机构有不同的类型可以选择。为了重用这些信息，本文开发了系统模型重用插件，计算要匹配元素的相似性，从数据库中匹配出可选的设计参数，如图13所示。

如图13所示的系统模型重用插件包括4个主要窗口，分别是卫星太阳翼的AD Ontology本体模型树、重用类型选择窗口、学科领域数据库窗口(实例中选用的是卫星总装数据库)，以及匹配计算结果窗口。需进行如下操作，以实现重用：

(1)从卫星太阳翼的AD Ontology模型实例中勾选需要匹配的元素，DP2.1-基板和DP3.2-释放机构。

(2)在学科领域数据库窗口中，设置相似性阈值0.7，点击“匹配计算”按钮。

(3)根据3.4节的多策略本体结盟方法，计算匹配结果，其中每个匹配器的权重取值为1。

(4)根据匹配计算结果，重用卫星总装数据库中数据。

如图13所示，匹配结果如下：刚性基板、半刚性基板和柔性基板作与DP2.1之间的相似性都大于0.7，因此可作为DP2.1-基板的重用数据；切割器和爆炸螺栓与DP3.2之间的相似性大于0.7，则可作为DP3.2-释放机构的重用数据。将这些可重用的数据直接拖拽到卫星太阳翼AD-Ontology的系统模型树所选中的设计参数中，输入新的名称(如，DP3.2_1-切割器，DP3.2_2-爆炸螺栓)，生成新的AD Ontology的本体实例。

5 结束语

在基于模型的系统工程中，实现系统设计信息和不同工程学科设计信息之间的互操作一直是研究难点。而导致二者互操作困难的重要原因之一是不同工程学科设计所用到的异构信息系统之间的语义不一致，使得信息共享和重用困难。为了解决语义不一致问题，进而提高互操作的效率，本文在已经建立的公理化系统设计本体模型AD Ontology基础上，建立了对应的重用框架OBASDRF，该框架包括本体层、公理化系统设计信息表达层和工程学科设计信息层。通过多策略本体结盟技术，公理化系统模型本体实例可以从工程学科设计信息层中自动匹配所需信息，实现快速重用。

最后，利用商用的系统建模软件Papyrus、本体建模软件Protégé和自主开发的重用插件，搭建了完整的软件平台。在卫星太阳翼的系统设计这一案例中，使用Papyrus建立卫星太阳翼的系统需求、功能、行为和结构模型；使用Protégé建立对应的卫星太阳翼本体实例；使用系统模型重用插件自动匹配卫星总装数据库中具有相似语义的数据，重用了其中的基板和释放机构数据，证明了所构建的基于本体的系统模型重用框架的有效性。

但是，在所构建的系统模型重用框架实际使用中，设计师指出以下缺点：①设计师不愿意花费大量的时间学习SysML或者Protégé，例如手工建立本体实例非常耗时；②有经验的设计师更愿意参考之前相似的设计案例进行设计决策，而不是根据语义匹配结果进行重用；③当设计发生变更时，例如用户提出了新的需求，很难对已经建立的系统设计本体模型进行修改，并预测变更对设计方案的影响。因此，后续需要根据AD Ontology开发支持公理化系统设计的独立建模工具以及常用的语义规则库，为设计师有效建立系统模型、自动生成对应的本体实例、管理和预测工程变更、建立一致的推理规则等提供可靠的环境。