基于本体的引信装配工艺知识表示

王 璐,曾鹏飞,郝永平

(1.沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159;2.沈阳理工大学 辽宁省先进制造技术与装备重点实验室，辽宁 沈阳 110159)

产品装配是产品制造全生命周期中最重要、最耗费时间的步骤之一。在工业化国家所有产品的生产周期中，有1/3左右的工人从事有关产品的装配，产品的装配过程所需资金超过了生产费用的40%，而产品装配所需时间占产品生产过程总时间的40%～60%[1]。近年来，信息和通信技术越来越多地用于支持制造企业的决策，同时，产品装配过程产生了越来越多的信息，其中许多数据是重复且杂乱的，并不能直接用于多视角的知识建模[2]。

引信种类繁多，不同引信的作用各不相同。传统的引信装配方案庞杂，以人工完成复杂装配过程的效率很低，而效率最高的装配方案受某些因素影响往往不会被采用。当引信装配方案与制造过程发生冲突时，装配的效率会降低。为此，需延长作业时间、增加自动装配流水线和机器人的数量，同时会增加装配费用[3]。本文将建立引信装配工艺知识本体，并将其作为装配的依据，以有效解决引信装配工艺领域知识不统一而造成引信装配效率低的问题。

1 引信装配工艺知识本体

近年来，随着工业的发展，Protégé本体式编辑应用工具和OWL(Object Windows Library,它是一个应用框架的类库)本体式描述语言的具体应用逐渐增多；同时，在大力提高引信装配效率和相关知识重用性的背景下，为构建引信装配工艺知识本体模型提供了基础性条件。

本体是共享概念模型的规范化说明。建造本体被看作改进知识工程过程、提高知识共享和复用程度、进行语义互操作和应用集成的重要手段[4]。它可以有效地降低或消除领域概念和专业术语间的混淆现象，实现基于知识系统的数据共享，从而提高解决信息系统所存在问题的能力，使知识体系间的互操作变为可能，满足信息系统在复杂知识表示方面的迫切需要。另外，通过本体添加规则语言，可实现逻辑推理，为解决决策问题提供有效支持[5]。

实现知识共享和重用的前提是知识内容具有足够的准确性和可管理性。引信装配工艺知识来源广泛，具有关联科目多、装配过程的人工占比高以及存储格式多样等特点[6]。此外，引信装配过程所参考知识的来源也很广，例如结构工艺性要求、零部件结构要求、机械设计手册、典型案例等。引信装配工艺知识的产品相关性是指某些知识的专一性与具体的引信产品相关；工艺知识的人员相关性是指工艺知识产生和使用的主体都是人，不同的人对工艺知识的需求也不同，工艺知识与人员之间有着紧密的联系;工艺知识的异构性是指工艺知识的数据结构之间存在差异，比如知识可以是纯文本、半结构化数据、结构化数据、规则、公式等[7]。引信装配工艺知识的这些特点导致了其存储和管理时的困难。为了提高知识的重用性、便于知识的管理和表达，需要从多个方面对工艺知识进行分类[8]。工艺知识的建立分为自顶向下和从基层开始两种方式。本文采用自顶向下的方式来建立本体。

通过对引信装配工艺知识的研究，针对装配工艺知识存在的复杂性与多样性，可将引信装配工艺知识本体分为图1所示的3个子本体：引信零件的知识本体、引信装配工艺概念的知识本体、引信机构的知识本体。针对引信装配过程所涉及零件、工具，以及它们的名称、属性、形状、材质、配合要求，可建立引信零件的知识本体。为提高装配工艺知识的统一性与可共享性，可从装配工艺概念出发，建立引信装配工艺概念的知识本体。引信种类繁多，功能各不相同。针对具有不同机构的引信，可建立引信机构的知识本体。它包括引信的种类、性能、适用对象以及针对机构各部分的功能介绍。引信装配工艺知识可分成概念性知识和事实性知识。其中，概念性知识是指装配工艺涉及的公理、公式等；事实性知识是指引信零部件的材料、性质、形状特征等。

图1 引信装配工艺知识本体的分类

采用本体构建工具，能将引信装配工艺知识形成一个知识体系。Protégé是一款实用的本体编辑和知识获取软件。其开发语言采用Java，本体描述语言选用RDF/OWL[9]。Protégé软件具有知识可视化界面和多种本体语言的输出方式，使得本体的查询和映射十分方便。

本体中知识框架的搭建可采用软件的分类功能来实现。本文根据引信装配的特点,对引信装配工艺知识进行分类，并设定了各类之间的从属关系。图2所示的引信装配工艺知识本体结构框架由类、子类、超子类3个层次构成。

图2 引信装配工艺知识本体的结构框架

类属性的不同，可通过注释和描述来定义。注释主要是针对类的概念性理论的，它能对引信装配工艺知识涉及术语的特性以及定义给出唯一解。描述是对类的属性进行定义，包括对类的等值性、层次性、从属性、唯一性以及排他性等进行定义。本文采取对象属性来定义类与类，类与实例间的关系。对象属性是指关系的内容，包括对对象关系的属性做出定义，以便后续进行推理。引信装配工艺知识本体的注释和描述过程如图3所示。

图3 引信装配工艺知识本体的注释和描述过程

2 引信零件的知识本体

根据知识分类建立引信零件的知识本体时，可按以下内容构建零件知识本体：零件名称、零件材料、零件数量、零件形状特征、零件装配信息以及零件是否为基准件。对于装配信息，可从连接关系、配合关系和公差3个方面进行描述。形状特征可从轮廓要素和中心要素两方面进行扩充。引信零件知识本体的内容如图4所示。

图4 引信零件知识本体的内容

引信零件知识本体的实例如图5所示。它主要包括引信发火机构的零件以及零件的对象属性。其中：箭头表示父类与子类的关系；击针杆的属性为基准件；密封圈、上帽、击针、击针杆簧和防潮帽的属性为非基准件(图5中已进行标记)。确定零件属性后可根据相应的属性特征确定装配关系。

图5 引信零件知识本体的实例

通过对象属性模块，可对已建立的类进行对象属性的定义。这里以图6所示的装配信息和子类连接关系为例，进行对象属性的定义。用对象属性表示类与类的关系既方便又准确。

图6 装配信息和子类连接关系的对象属性定义

3 引信装配工艺概念的知识本体

引信装配过程涉及大量的概念性知识，如孔轴配合公差带的选取过程涉及孔、轴、孔径、轴径、公差带等多个概念，以及相互间的配合要求。这类知识的逻辑关系较复杂，需要繁琐的建模和处理过程才能转换为计算机可识别的概念性知识；而使用时，工作人员更倾向于以自己的思维方式来处理，因此还需要用事实性知识加以处理。

对引信装配知识中的典型术语进行唯一性表述时，可选用引信装配过程涉及的知识关系来构成针对一定领域知识的概念模型，并根据权威文献的典型专业术语和概念，对同一对象进行统一的描述。概念级本体描述了引信装配所需的几乎所有领域的概念词汇，以及这些概念词汇间的逻辑关系[10]。引信装配工艺概念的知识本体结构如图7所示。

图7 引信装配工艺概念的知识本体结构

由图7可见，引信装配工艺概念的知识本体结构主要包括：零件之间的连接关系、连接种类、配合关系以及零件的形位公差。零件之间的连接关系主要指装配中点、线、面层次的关系，包括：接触对齐、角度、中心、胶合、拟合、同心、距离、固定、平行、垂直。引信装配中常用的是零件之间接触对齐和同心的连接关系。零件之间的连接种类包括：螺纹连接、榫接、焊接、粘接、铰接、锁扣。零件之间的配合关系主要指的是孔轴配合，包括：过盈配合、过渡配合、间隙配合。基准定位方式包括基孔制和基轴制。零件的形位公差可以分为形状公差与位置公差。其中，形状公差包括圆度、圆柱度、平面度、直线度、面轮廓度和线轮廓度；位置公差包括定位公差、定向公差和跳动公差。

通过构建引信装配工艺概念的知识本体，可实现引信装配工艺所有知识概念的统一。

4 引信机构的知识本体

根据引信目标的不同，可将引信分为多种类型，而引信目标可分为直接觉察目标和间接觉察目标。对于直接觉察目标，可用触发引信和非触发引信来应对。触发引信包括瞬发触发引信(其触发时间<1 ms)、惯性触发引信、延期引信、机械引信、机电引信等。非触发引信主要指近炸引信。对于间接觉察目标，可用间接觉察引信来应对。间接觉察引信是通过判断预先装定的起爆信息或接受起爆指令而发生作用的引信。它包括时间引信、指令引信、定位引信等。

引信机构应根据战斗技术要求的不同进行相应的调整。比如，机械引信的发火机构一般选用瞬发触发机构；而时间引信可选用定时发火机构。引信机构的知识本体结构如图8所示。

由图8可见，引信机构分为下列8个部分：①引信爆炸序列，它又细分为爆炸元件和典型爆炸序列；②引信发火机构，它可分为机械瞬发触发机构、机械惯性发火机构、机电发火机构和定时发火机构；③引信隔爆机构，它可分为滑块式隔爆机构、转子式隔爆机构、空间隔爆机构和火帽隔爆机构等；④引信保险机构，它可分为后座保险机构、离心保险机构、空气动力保险机构和钟表保险机构；⑤引信电源，它从发电机构出发，大致可分为化学电源和物理电源两种；⑥引信延期机构，它可分为火药延期机构、小孔气动延期机构以及火药自调延期机构；⑦引信自毁机构，它可分为火药定时自毁机构、离心自毁机构、钟表定时自毁机构和电子定时自毁机构；⑧引信辅助机构，它可分为引信装定机构、引信防雨机构和引信闭锁机构[11]。

图8 引信机构的知识本体结构

5 引信装配工艺知识的检索流程

知识检索模块重点用于解决用户从知识库获取知识的问题。其主要功能如下：①知识显示，即用户登录网站搜索不同类型知识对应的不同知识本体时，可展示不同种类的知识内容；②知识全文检索，即用户可用自然语言进行知识检索，并能根据检索语句与知识的匹配程度，对检索结果进行排序。引信装配工艺知识的检索流程如图9所示。

图9 引信装配工艺知识的检索流程

用户登录网站后可进入引信装配工艺知识检索模块，进行知识检索并选择知识类别。这里，以机械引信的发火机构为例，选择发火机构，并搜索机械引信，可以得到属于机械发火机构的相关知识，包括引信编号、引信类型、引信机构、引信作用目标以及构成发火机构的主要零件等。知识检索界面如图10所示。

图10 知识检索界面

构建浏览器/服务器结构时，前端采用JavaScript语言编程技术，后台采用以Java语言开发的软件，通过ActiveX数据对象实现顶层界面与底层知识库的链接。需要说明的是：知识检索界面采用Eclipse IDE开发平台、JSP(Java Server Pages)动态网页技术指令；本地服务器采用Navicat for MySQL开发平台、结构化查询语言(Structured Query Language，SQL)；查询语义的分析模块采用Eclipse IDE开发平台和Java语言。

6 结 语

本文对引信装配工艺知识进行分类，借助Protégé软件建立引信装配工艺知识本体，并将其分为引信零件的知识本体、引信装配工艺概念的知识本体和引信机构的知识本体；在引信零件知识本体中构建引信装配知识的对象属性和数据属性，明确零件的各项属性，并对本体内知识的定义域和值域进行了属性约束；用引信装配工艺概念的知识本体，对引信装配过程涉及的专业概念进行规范化处理；通过引信机构知识本体，将引信机构知识和事实性知识连接起来，提高了知识的可重用性，实现了引信装配工艺知识的共享。