（管理科学与工程专业论文）基于本体的产品设计知识库构建.pdfVIP

! 二矗 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：乏_ 二驾一日期：珥年上上月丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：埤导师签名触日期：碑年卫月上轧 摘要 知识经济的发展，给产品制造业带来了巨大的挑战，企业需要不 断复用和创新知识来应对快速变化的顾客需求，但是从目前的产品设 计知识管理来看，知识表达不统一、知识库重复构建、知识库之间缺 乏共享机制等因素极大制约了产品设计知识的复用和共享。 本文针对上述问题，将本体引入到产品设计知识库建设中来， 力求构建一个知识表达统一、知识内容能够不断进化的知识库，从而 解决产品设计中知识共享不足的问题。对目前已有的本体构建方法进 行比较分析后，借鉴其优点、改进其不足，提出了一种新的本体构建 方法面向全生命周期的本体构建方法，该方法满足知识库构建对 本体的所有要求。在这个方法的指导下，构建了两个本体：概念结构 本体实现对知识概念和实例的构建和存储，语义词典本体辅助概念结 构本体实现高效的语义检索工作，并为后期的智能检索和推理打下坚 实的基础。 结合前面的理论，本文最后对机械类产品( 以阀门为例) 进行 了实例开发，给出了本体构建、存储、查询等模块的计算机实现途径。 关键词本体，本体构建方法，概念结构本体 a b s t r a ct t h e d e v e l o p m e n to fk n o w l e d g e b a s e de c o n o m yh a sp o s e da c h a l l e n g et op r o d u c t sm a n u f a c t u r i n gs ot h a tc o m p a n i e sh a v et or e u s ea n d i n n o v a t ek n o w l e d g et or e s p o n s et ot h eq u i c kc h a n g eo fc u s t o m e r s d e m a n d h o w e v e r i nt h el i g h to fp r e s e n tk n o w l e d g em a n a g e m e n to f p r o d u c td e s i g n ，t h e r ea r em a n yf a c t o r ss u c ha si n c o n s i s t e n tk n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n ，d u p l i c a t i o no fk n o w l e d g eb a s e sa n dl a c k i n gi ns h a r i n g m e c h a n i s mb e t w e e nd i f f e r e n tk n o w l e d g eb a s e s ，w h i c hg r e a t l ya f f e c tt h e r e u s a g ea n dc o m m u n i o no fp r o d u c td e s i g nk n o w l e d g e f o rt h ep r o b l e m sa b o v e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s o n t o l o g yt ot h e c o n s t r u c t i o no fp r o d u c td e s i g nk n o w l e d g eb a s e ，w h i c hi sc o n s i s t e n ti n k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o na n de v o l u t io n a li nk n o w l e d g ec o n t e n t o n l y d o i n gt h a tc a np r o b l e m sl i k es h o r t a g eo fk n o w l e d g ec o m m u n i o nb e s o l v e d t oa c h i e v et h a t ，a f t e rc o m p a r i n ga n da n a l y z i n ge x i s t i n go n t o l o g y c o n s t r u c t i o n m e t h o d s ，b o r r o w i n g t h e i rt r i c ka n d i m p r o v i n g t h e i r d e f i c i e n c y , i tp r o v i d e s an e wo n t o l o g yc o n s t r u c t i o nm e t h o dc a l l e d o n t o l o g yc o n s t r u c t i o nm e t h o do ff u l l l i f e c y c l e o r i e n t e d ，w h i c hm e e t s a l lt h er e q u e s t st h a tak n o w l e d g eb a s eb a s e do no n t o l o g ya s k s w it ht h e g u i d eo ft h i sm e t h o ds y s t e m ，t h i sp a p e ra l s os e t su pt w oo n t o l o g i e s ， c o n c e p t u a l s t r u c t u r eo n t o l o g ya n ds e m a n t i cd i c t i o n a r yo n t o l o g y t h e f o r m a li st oc o n s t r u c ta n ds t o r ec o n c e p t sa n di n s t a n c e sa n dt h el a t t e ri st o h e l pt h ef o r m a li m p l e m e n te f f e c t i v es e m a n t i cr e t r i e v a la n do f f e ras t a b l e b a s e m e n tt ol a t e ri n t e l l i g e n tr e t r i e v a la n d r e a s o n i n g c o m b i n e dw i t ht h ep r e v i o u st h e o r i e s ，t h i sp a p e rf i n a l l yd e v e l o p s c a s e so f e n g i n e r yp r o d u c t s ( m a i n a b o u t v a l v e s ) a n dp r o v i d e s c o m p u t e r i z e dr e a l i z a t i o nw a yf o ro n t o l o g yc o n s t r u c t i o nm o d u l e ，o n t o l o g y s t o r i n gm o d u l ea n do n t o l o g yq u e r ym o d u l e k e yw o r d s o n t o l o g y , o n t o l o g yc o n s t r u c t i n gm e t h o d ，c o n c e p t u a l s t r u c t u r eo n t o l o g y 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 1 1 研究背景l 1 1 2 研究意义2 1 2 文献综述2 1 2 1 产品设计与知识工程的相关研究2 1 2 2 产品设计与知识管理的相关研究4 1 2 3 本体在产品设计领域的应用现状5 1 3 论文的主要研究内容和结构7 1 3 1 研究内容7 1 3 2 论文总体结构8 第二章相关理论及关键技术9 2 1 知识库技术分析9 2 1 1 知识的分类9 2 1 - 2 知识的表示1 0 2 1 3 知识库系统1 l 2 2 本体论：1 1 2 2 1 本体的概念及建模元语1 1 2 2 2 本体的分类1 2 2 2 3 本体的表示语言1 3 2 2 4 本体编辑工具15 2 3 本体概念图1 6 2 4 本体的主要构建方法1 7 2 4 1t o v e 法1 7 2 4 2m e t h o n t o l o g y 法18 2 4 3 七步法18 2 4 4 三种方法的比较1 9 第三章面向全生命周期的本体构建方法2 l 3 1 本体的构建流程2 1 3 2 本体的构建2 2 3 2 1 本体领域和范围的确定2 2 3 2 2 产品设计概念及其关系分析2 2 1 1 1 3 2 3 本体分析2 3 3 2 4 本体编辑2 4 3 3 本体评价2 4 3 4 本体存储2 5 3 5 本体检索2 5 3 5 1 检索原理2 5 3 5 2 语义相似度计算2 6 第四章产品设计本体的构建研究2 8 4 1 需求分析2 8 4 2 概念结构本体的构建2 9 4 2 1 概念结构本体分析2 9 4 2 2 概念结构本体的构建过程3 0 4 3 语义词典本体的构建3 5 4 4 两本体之间的关系3 6 第五章基于本体的产品设计知识库系统开发实例3 8 5 1 系统描述：3 8 5 1 1 基于本体的系统总体描述3 8 5 1 2 系统设计思想与功能目标3 9 5 2 系统设计工具及框架3 9 5 2 1 本体构建模块4 1 5 2 2 本体存储模块4 6 5 2 3 本体查询模块4 8 结束语5 0 参考文献5 2 附录：产品类知识的简单查询5 6 致谢5 8 攻读硕士学位期间的主要研究成果5 9 i v 硕 二学位论文第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 1 1 1 研究背景 随着知识经济时代的到来、先进制造技术和信息技术的高速发展，制造业的 发展也步入新的轨迹。知识经济在很大程度上要通过高知识含量的产品来实现。 在世界市场竞争日益激烈的情况下，产品创新速度将越来越快，产品的知识含量 将越来越高。产品及其制造过程中的信息和知识要素的增值将成为主宰新产品竞 争力的决定性因素，基于知识和信息网络的产品创新和相应的先进制造技术已成 为知识经济的重要支柱，而且还是最活跃的驱动因素。在这样的背景下，产品设 计在制造业中的重要作用日益凸现，并逐渐成为现代制造业竞争的新焦点。产品 设计过程中的知识关系复杂、数量巨大，如果对知识的管理不规范，将导致人们 难以从庞大的知识网络中迅速获得所需的信息，可能导致不同项目的重复研究， 造成人力、物力和财力的浪费。 据统计，制造业中7 0 以上的产品开发设计工作都基于原设计，只有不到 3 0 的是全新的设计，产品设计人员在产品设计的各个阶段重用已有的知识、经 验，成为产品设计的基本特征。因此，充分重用已有的产品设计知识，对制造业 的发展，尤其是我国制造业的发展有着至关重要的作用。 自1 9 9 8 年英国b r u n e l 大学首次召开设计重用国际会议以来，设计重用研究 应用得到了很大发展，然而目前企业设计资源的知识复用还存在一些问题：一方 面，知识库建立不够规范，知识点与知识点之间存在孤立现象，致使可复用率不 高，设计师开始设计产品之前，需要花费大量时间查找相关的数据和信息，大量 的资源被浪费在重复性工作上；另一方面，产品设计过程需要快速有效地识别、 获取、运用与产品设计有关的多种知识，如设计原理、设计案例、专家经验等。 但长期以来，人们对这类知识的积累没有足够的重视，缺乏有效的归纳和整理产 品知识的技术和方法，对企业隐含的知识资源挖掘得不够，难以实现知识的共享、 分发。 产品设计过程中的知识关系复杂、数量巨大，如果对知识的管理不规范，将 导致人们难以从庞大的知识网络中迅速获得所需的信息，可能导致不同项目的重 复研究，造成人力、物力和财力的浪费的同时，制约着产品设计知识的复用，进 步影响产品的设计速度。产品设计知识库是实现产品创新的基石，如何建立健 全规范的产品知识库，提高产品设计知识的利用率，支持产品设计过程，从而快 速响应市场和客户的多种需求，是一个迫切需要解决的问题。 第一章绪论 这个新颖的知 同时将知识管 的研究意义具 对知识处理的 隐性知识的表 体具有很好的 更新打下一个 方法，它与知 构建和后期的 给出的产品设 产品设计知识 高了知识需求 此外，语义词 知识检索系统 例和技术，为 后期的推理和检索提供了一个开发方法，由于该方法建立在本体和j e n a 这样的 开发工具上，在借助语义网技术后，运用该方法建立的知识库可以实现网络知识 共享。 1 2 文献综述 本文对已有的文献进行总结分类，将与产品设计有关的研究分为三类，它们 是知识工程、知识管理以及本体。下面分别对其进行综述。 1 2 1 产品设计与知识工程的相关研究 19 7 7 年斯坦福大学教授费根鲍姆在第五届国际工人智能联合大会上，首次 提出知识工程的概念，他认为，“知识工程是人工智能的原理和方法，对那些需 要专家知识才能解决的应用难题提供求解的手段。恰当运用专家知识的获取、表 达和推理过程的构成与解释，是设计基于知识的系统的重要技术问题。 刚开始， 知识工程仅局限于专家系统范围内，后来，知识工程被看做是一宗知识建模活动， 应用到各个领域中，这就是基于知识的工程( 1 e ) ，k b e 技术正是面向现代设 2 硕r - 学位论文第一章绪论 计要求而产生、发展的新型智能设计的重要工具1 1 1 。k b e 在产品设计领域的应用， 主要体现在产品设计过程中，重用已有的经验和知识，寻求并记录不同工程设计 和产品配置的知识，并对它加以理解、抽象、描述、使用和维护，使用和维护， 使这些知识用来设计产品，从而缩短产品的设计周期。 国外基于k b e 在工业领域的应用研究在2 0 世纪8 0 年代就已经开始了，主 要应用于飞机制造业、汽车制造业、工业设备和建筑业。该研究以欧盟为先导， 己设计出比较成熟的k b e 软件，如k b e 的旗舰产品- k t i 公司的i c a d 和 k b o 已应用于世界发达国家的工业领域，如欧洲的空中客车公司，德国的宝马 汽车公司，美国的福特汽车公司、波音飞机公司、通用汽车公司，日本本田汽车 公司、三菱公司等【2 】。其它的造型软件，如著名的u g v 1 7 中的核心技术是知识 驱动自动化，在产品设计模块中，提供了一种知识获取和重用的方法，使得系统 可以对工业标准知识和企业特有知识进行处理1 3 】。1 9 9 4 年俄罗斯最大的汽车制造 公司【4 】与俄罗斯国家科学院机械工程研究所合作，建立了一个基于差落成了全生 命周期的知识集成系统。斯坦福大学k s l 研究所【5 】一直致力于基于知识工程的 研究，构造了工程设计知识库。英国c o v e n t r y 大学k e m 中心、英国c r a n f i e l d 大学、美国w a s h i n g t o n 大学机械工程系、瑞典l u l e a 技术大学、美国f o r d 汽车 公司、美国u g s 公司等对k b e 技术进行了大量实践，内容包括：与产品模型有 关的知识处理技术、产品知识和过程知识的获取技术、k b e 与c a d 技术集成方 法、实现知识驱动c a x 的技术和方法。 国内也有许多学者从事将知识工程应用到产品设计和设计中的研究，主要集 中于两个方面： ( 1 ) 在理论研究方面，主要研究建模框架理论、问题求解原理，它们对建 立结构化和可重用的知识模型提供支持。吴庆鸣【6 j 等提出一种基于知识工程的复 杂产品设计过程模型，该模型把知识工程理论融入复杂产品设计周期中，提出了 基于规则一对象一框架的知识处理方法和基于规则一实例的知识处理方法。蒋伟 光【7 】等针对传统的产品信息模型( p i m ) 不能满足产品设计过程中对知识的需求， 提出了基于k b e 的产品信息模型。熊志勇【8 1 认为在产品创新设计过程中，基于 创新方法的创新构思和各种知识的应用是产品创新设计成功的关键，因此，他提 出了基于知识工程的产品创新设计方法集成( i o p i d m b o k e ) 概念，并给出了 i o p i d m b o k e 的计算机辅助创新设计方案一般求解过程，力求实现工程设计与 c a x 系统的无缝连接和产品的快速创新设计。另有一些学者【9 】【1 0 】意识到c a d 应 用的不足，将基于知识的工程引入到c a d 系统，实现c a d 和知识工程的结合。 ( 2 ) 在应用研究方面，主要包括产品配置、知识库系统的构建等，支持产 品设计过程。聂创业j 等研究了基于知识工程的产品配置方法，建立了汽车万向 硕士学位论文 第一章绪论 节产品配置知识库，支持面向工程参数的汽车万向节产品配置，但是他没有考虑 动态的知识。王驰等【1 2 】【1 3 】则设计了基于k b e 的转向器参数化设计系统知识库， 他们将转向器知识库的知识分为：产品及零部件的参数信息等事实性知识；产品 的配置关系等动态知识；典型产品设计经验、历史数据、装配向导等规则知识， 并采用面向对象的知识表示方法，把产品或零部件作为对象，其参数信息和装配 关系等作为对象的属性，同时在实例库总库采用了分层关系建模，比较系统地分 析了知识库的构建过程。 尽管k b e 采用更加丰富、先进的知识处理技术，实现与c a x 的结合，解 决产品建模过程( 包括结构设计、结构分析) 所需要的几何信息、非几何信息的 表达、组织和推理等问题。但是k b e 侧重于产品的详细设计阶段，对于产品规 划、概要设计、方案设计等阶段依然不能提供有效的支持，而且缺少后期的知识 持续更新，使基于k b e 的知识库不能随着环境的变化而进化。因k b e 不能对 c a x 系统产生的各种数据进行有效管理，即k b e 没有提供将设计知识与整个设 计业务过程相集成的使能技术，注定了它只能用于特定结构的工程设计问题。尽 管如此，k b e 目前仍然是一个研究的热点问题。 1 2 2 产品设计与知识管理的相关研究 为解决k b e 中存在的问题，人们将知识管理引入到产品设计过程中，知识 管理能够收集、保存、转换、传递、更新和维护整个产品设计过程中的大量知识、 经验、数据、信息，为产品设计中的决策和推理服务，特别是知识管理强调通过 与产品设计过程的结合，挖掘其中隐含的知识资源，创造有利于隐性知识传递的 环境，实现知识共享、分发，真正做到知识驱动企业运作的整个过程i l4 。因此 知识管理是产品设计快速获取知识和尽可能重用知识的有效途径。定义为在信息 管理、p d m 技术、设计资源管理、知识仓库的基础上，利用基于知识的工程k b e 、 基于知识的系统k b s 技术，通过与产品设计过程的结合，对产品设计过程中的 显性知识进行有效的识别、获取、表达、组织、存储、供应、发布，同时通过面 向过程的设计原理管理机制，记录、捕获设计意图、设计决策过程等，尽量使隐 性知识转化为显性知识。 在实际研究中，针对产品设计全生命周期的知识管理比较少，大多数研究都 是针对产品设计周期的某一个阶段的知识管理。如对工艺知识的获取、产品设计 的知识集成、零部件设计中的知识管理。杨春立【1 5 】在其博士论文中对产品设计 环境中的知识管理进行了系统的总结，提出了产品设计知识管理系统( p k m s ) ， 帮助发现、选择、组织、传播和交流重要信息，并将其应用于问题求解、决策制 定、能动性学习等过程，在企业内实现知识共享、鼓励知识创新、实现知识增值， 4 硕j ：学位论文 第一章绪论 改善和提高产品没计管理，增强产品敏捷设计能力。p k m s 的体系结构包括：产 品知识获取子系统、产品知识表达子系统、知识供应子系统、知识管理过程子系 统和设计仓库。 但是这些方法和理论不能有效地将与产品设计有关的各种知识进行集成，不 利于企业范围内的知识传递和共享，且对各种知识的表达比较混乱，没有形成一 个统一的表达机制。此外，目前企业设计资源的知识化程度低，可复用率不高， 设计师开始设计产品之前，需要花费大量时间查找相关的数据和信息，大量的资 源被浪费在重复性工作上。为此，有不少学者将本体引入到产品设计知识管理中 来，它能有效地解决上述问题。 1 2 3 本体在产品设计领域的应用现状 建造本体被看作是改进知识工程过程、增强知识共享和复用、促进异构系统 间互操作的重要手段。本体已经广泛应用于常识知识、企业集成、自然语言翻译、 语义w e b 、软件设计、医药工程、机械工程、电子商务、情报信息系统、地理信 息系统、基因工程和生物信息系统等，并建立了相对成熟的生物学、医学、农业、 情报业等领域的本体，此外，还建立了像c y c 、s u m o 16 】等这样的大型通用本体， 为知识复用提供共享的基础。 从本体的研究内容来看，国外本体领域的研究侧重于本体理论的研究，且有 不少专门的团队参与研究，已构造出多种本体表示语言、本体编辑工具、本体的 建模方法等，这些内容将在第二章进行介绍，这里不再赘述。国内对本体的研究 与研究和国外恰好相反，它的显著特点是理论研究和工具设计相对比较少，应 用研究所占比例较大，并在不少领域取得了一些成就。 在产品设计领域中，国内研究者意识到传统产品设计知识库在构建过程中的 不足，考虑到将本体引入到产品设计领域中，这方面的研究取得了一定的成果， 但是整体的研究还不够成熟，没有像医学等领域那样已形成一个比较完备的体 系。从已有的本体在产品设计领域的研究来看，主要体现在知识的表达、知识的 匹配、知识模型的构建等方面： ( 1 ) 基于本体的产品知识表达。 蒋祖华【1 7 】将工程设计类的知识进行了分类。 胡玉杰【1 8 】、陈磊研究了基于本体的知识表达。本体是一个包含类、概 念和概念之间关系的知识表示方法，需要使用规则对类和概念进行限制和约束， 但是胡玉杰、陈磊缺少这方面的描述。 付相君【2 0 j 针对数据建模不能很好满足产品知识集成与共享的需求，提出 产品数据建模需要引入基于本体的形式化语义信息表达机制。 硕+ 学位论文 第一章绪论 朱文博【2 1 】从一个独特视角，将本体思想引入冲压工艺知识表示中，采用 b n f 范式对领域本体进行统一的描述和表达，采用了b n f 范式与关系数据库之 间的转换。 冯强【2 2 】将研究范围扩展到产品综合设计中，提出了一个基于本体的产品 综合设计多视图模型，试图支持可靠性、维修性、保障性领域知识描述及共享的 问题。 ( 2 ) 基于本体的产品知识模型构造。 陈磊【1 9 】等整合三维模型内容与产品设计领域知识，提出了一个由元数据、 本体层和应用层三层构成的分层产品知识管理框架，见图1 1 。该文献的突出贡 献就是对产品尤其是零件分为5 层来表示，实现语义层的知识表示并有助于知识 的检索和推理，但是它的不足之处在于缺乏对设计过程( 设计原理等) 知识的表 示和描述。 黄卫东【2 3 l 等提出了集成产品设计的知识管理框架，该框架依据知识组织、 知识检索和知识需求推送三个相互影响、相互作用的原理，将系统分为四个部分： 本体概念模型。用于获取专业设计领域基本概念，构建领域本体概念模型；本体 加工与语义标注。用于收集信息源，形成具有语义关联的资源元数据集合；基于 本体的设计知识库。用于存储与管理标注后的资源元数据，支持设计专家对本体 知识库的并发访问与快速查询；知识检索机制。用于分析、处理知识需求，进行 语义解析，确定检索请求与本体概念及关系的对应：知识需求推送。与知识检索 机制协同工作，实现有导航知识库的智能知识需求推送。黄卫东等构建的模型有 一定的代表性，但是它只能算是一个比较合理的框架，它缺少对每个步骤的实施， 因此难以判断这个框架能否通过实践检验。 应用层 本体层 图1 1 分层知识管理框架 ( 3 ) 基于本体的产品知识匹配。 6 硕士学位论文 第一章绪论 浙江大学c a d & c g 国家重点实验室董金祥1 2 4 】等人在基于本体的产品配 置知识和配置模型等方面进行了研究。 为解决大规模定制环境下的实例配置知识表达方法可扩展性差、配置效率 低的问题，但斌【2 5 j 将本体和产品族的概念与配置实例相结合，建立了基于本体 的产品族实例模型，并将它应用在摩托车产品族实例本体框架中，取得了一定的 应用效果，但是它的实例模型还比较简单，不能解决大型复杂的产品配置问题。 ( 4 ) 基于本体的产品设计知识库的实现 宋荣、余忠华【2 6 j 借助p r o t 6 9 6 建立了轴承锈蚀领域知识的本体 清华大学孙刚、王继龙【2 7 】等为解决协同产品设计中的知识共享问题设计 了t o n e 本体模型。 虽然上面提到的研究者做了一些在产品设计领域的应用研究，但它们大多基 于一个很小的点来展开研究，如产品知识的表达等，并没有形成系统可行的理论 来构建基于本体产品设计知识库，也缺少适用于产品设计领域的本体构建方法， 对领域知识的表达也不够全面。本文从目前研究的不足出发，为产品设计领域构 造了一个新的构建方法，并用一个实例演示了具体的本体构建过程，在最后本文 介绍了基于本体的知识库系统实现方法。 1 3 论文的主要研究内容和结构 1 3 1 研究内容 针对现有的产品设计领域知识管理中存在的缺陷，本文着重研究将本体技术 引入产品设计知识库构建中，设计了一种新的产品设计领域本体构建方法一面向 全生命周期的本体构建方法，依据此方法用本体提供一套概念和术语来描述产品 设计知识库，获得该领域的本质的概念结构及概念之问的关系以构建概念本体， 并为了后期本体检索和进化等的需要，构建了两个本体，这两个本体采用w 3 c 推荐的标准本体语言o w ld l 进行形式化表示，一方面促进机器理解，从根本 上解决知识共享和互操作问题，另一方面可以利用两个本体在概念上的关系，提 高知识检索时的查全率和查准率。在最后，本文构建了一个知识库的系统框架， 为产品设计知识库的系统化的实现，提供了个理论方法，由于个人时间和精力 有限，本文最后构建的系统实现框架没有进行具体的实施。具体研究如下： ( 1 ) 介绍了产品设计知识的类型及形式化表示、本体技术，讨论了各自在 产品设计领域知识库及应用中的作用。 ( 2 ) 分析了概念图在基于本体的知识库中的应用研究，并利用概念图进行 概念间关系的表示。 ( 3 ) 构造了一个新的本体构建方法，它涵盖了本体最初的建立过程到本体 硕士学位论文第一章绪论 的后期维护，如本体的存储和本体进化。特别地，本文构建了两个本体，概念结 构本体和词典语义本体，后者能提高检索的效率。为了说明检索原理，本文还提 出了一种语义相似度的计算方法。 ( 4 ) 详细演示了基于本体的产品设计知识库的构成，并结合p r o t 6 9 6 本体编 辑工具对阀门的本体构造进行了详细的说明。 ( 5 ) 给出了基于本体的知识库的系统实例开发过程，各个模块之间的相互 影响和联系，并给出了它们的接口连接方式，为后续的本体查询、存储和进化给 予实例实现方法。 1 3 2 论文总体结构 本文共分五章论述： 第一章：阐述了本文研究的背景和意义，论述了产品设计领域中相关技术的 重要性，总结出了它们的不足之处，然后针对这些问题，分析了将本体引入产品 设计知识库构建的优势。然后综述了国内外与本体相关的研究现状，提出论文的 研究计划。 第二章：研究了相关理论和关键技术，包括知识库技术、概念图、本体论。 它们为基于本体的产品设计知识库的知识表示和实现提供了有力的理论和技术 支持。 第三章：研究了本体的构建方法。首先分析了目前比较成熟的三种本体构建 方法，指出了这些方法的不足，并构建了一种适用于产品设计领域的构建方法， 该方法面向知识库构建的全过程，涵盖了本体的构建、本体的评价、本体的存储、 本体的检索和本体的进化，为本体的构建提供指导。 第四章：相关理论在基于本体的产品设计领域中的应用。构建了概念结构本 体和语义词典本体，详细描述了这两种本体的实施过程，并用p r o t 6 9 6 本体编辑 工具对它们进行编辑，形成可视化的本体框架，说明了两者之间的关系，以及这 样构造的原因所在。 第五章：全文思想的实例验证。主要设计了一个基于本体的产品设计知识库 的实现方法，重点在于系统中各个模块关联的实现，试图对前几章提出的理论和 技术进行验证。 8 硕士学位论文第二章相关理论及关键技术 第二章相关理论及关键技术 本章主要介绍与研究相关的理论和关键技术，包括知识库技术、本体论，它 们为本文基于本体的产品设计知识库的知识表示和实现提供了理论基础和技术 支持。 2 1 知识库技术分析 知识库( k n o w l e d g eb a s e ) 是知识工程中结构化，易操作，易利用，全面有 组织的知识集群，是针对某一( 或某些) 领域问题求解的需要，采用某种( 或若 干) 知识表示方式在计算机存储器中存储、组织、管理和使用的互相联系的知识 片集合。知识库可以被视为数据库与人工智能领域技术的结合，它是在普通数据 库的基础上，有针对性、有目的性地从中抽取知识点，按照一定的知识体系进行 整序和分析而组织起来的数据库。但知识库与数据库又有不同之处，它不但包含 了大量的简单事实，而且包含了规则和过程型知识。构建知识库设计到三个方面 的问题： 知识的表示、知识库的构造以及知识库的管理和维护。下面探讨知识库中知 识的表示、知识库的构造等问题。 2 1 1 知识的分类 知识分为显性知识和隐性知识。显性知识是指可用语言、文字、数字、图表 等清楚地表达的知识，也叫编码知识( c o d i f i e dk n o w l e d g e ) 。隐性知识具有高度 个人化和难以沟通的特征，因此不易实现显个人间的共享；而显性知识由于其易 表达、可编码特征，很容易在个人间沟通和共享。图2 1 显示的是知识一般的分 类及存储媒介。 知识 显性知识隐性知识 包含上1 l 包含 1 计算机程序、设计规范、操作规程经验、设计思想 存储于上上存储于 音视频、网页、文本、应用系统等人的头脑 图2 - 1 知识的一般分类 9 硕十学位论文第二章相关理论及关键技术 因领域范围的不同，知识在各个领域中的划分有所差别，即使在某个特定领 域，知识的分类也有所不同。在产品设计领域，代表性的知识分类有： ( 1 ) v i n c e n t i 将工程设计知识分为6 类：基本设计概念，设计标准和规范， 理论工具，数量化资料，应用研究和设计手段，这个分类比较详细，但是没有包 含设计过程的知识例。 ( 2 ) a h m e d 等人将产品设计知识从两个维度进行分类。在第一个维度上， 知识分为与过程相关的知识和与产品相关的知识。在另一个维度上，把知识分为 以外在形式储存的信息和以内化于人脑的形式储存的信息( 包括显性知识、隐性 知识和暗默知识) 1 2 9 j 。 ( 3 ) c a r s t e n s e n 研究发现工程设计人员需要的信息类型包括：以往的设计， 设计原理，相似产品，产品存在的已知问题，零部件设计规范，标准和规范，工 作流程，生产线特征，新材料和新的零部件，相关文献及研究成果，相关人员， 项目文档【3 0 l 。 ( 4 ) l i 和z h a n g 把设计知识分为4 类：产品结构，产品行为，产品功能以 及三者之间的因果关系【3 。在此基础上，王克勤等基于产品设计决策过程，将 产品设计知识分为3 大类，即产品知识，过程知识和产品支持知识，并作了解释 和细分1 3 e l 。 从上面的产品设计知识分类可以看出：分类的角度不一样，结果也不一样。 在构建具体的产品知识库时，也会涉及到知识分类问题，这时我们不能生搬套地 使用前人的理论，而是要结合实际需求，合理划分产品设计知识。本文根据产品 设计相关人员的需求，将产品设计知识分为了产品知识、设计过程知识和实例知 识，前两种知识又被分为许多个子知识。 2 1 2 知识的表示 对于不同类型的知识范畴，选用不同的知识表示方法对知识处理的影响很 大。所谓知识表示是对知识的一种描述或一组约定，是知识的形式化和符号化过 程。知识表示是寻找知识与表示之间的映射，选择合适的形式来表示知识， 即 将关于世界的事实、规则、概念等编码成为一种合适的数据结构，以计算机所 能接受的形式表示出来。 目前知识的表示主要有：面向对象表示法、基于逻辑的表示法、框架表示法、 规则表示法、过程表示法等，其中面向对象的知识表示法被较多地应用在实践中， 但是由于上述的知识表示没有高度结构化，不能更为准确甚至精确地表示出知识 之间的联系，且缺乏语义互操作性，导致知识难以共享和交换。此外，这些表示 方法在知识获取、重用、进化、可重构性等方面还存在很多欠缺。采用本体技术 1 0 硕土：学位论文第二二章相关理论及关键技术 可以解决上述知识表示问题。将本体引入知识表示，不仅可以揭示知识之间的内 在联系，而且本体是一个开放的表示方法，现有资源的新的信息可以方便地添加 到它的文件中，使知识库能够动态地适应所处环境的变化，这一点类似i a v a 这 样的面向对象语言是办不到的。 2 1 3 知识库系统 知识库所能表示的知识必须具有一个统一的结构模式、优先一致的符号以及 符号和模式的一个合理的体系。目前，知识库系统中一般采用的是“事实概念一 规则所表示的三级知识体系1 3 3 】【3 4 】。 ( 1 ) 事实处于最底层，是对象、符号和事件之间的各种关系之集合。事实 可用语句、链表、二维表、树图、框图和文本等数据结构表示。事实是可利用的 数据块的基础，通常组织成簇的形式，簇被用于形成有关对象的概念。 ( 2 ) 概念处于第二层，是关于具有共同属性的一组对象、事件或符号的知 识，包括例子集合、模型和复杂的元素，可以具体或抽象地刻画、定义某一对象 类的一般特征，也可以高层或低层表示具有层次结构的一组概念的集合。 ( 3 ) 规则处于第三层，是一组操作和步骤，用于完成某一目标，解决某一问题 或产生某种结果。规则被用于推理和问题求解，是一种形式化的知识表示方法。 这里的( 1 ) 相当于元数据知识，( 2 ) 就是对知识进行抽取后的概念，( 3 ) 是对( 1 ) 的某些知识进行总结和归纳，与实例知识想对应，本文中的基于本体 的知识库将会按照这些思想进行知识库系统的设计。 2 2 本体论 2 2 1 本体的概念及建模元语 在计算机领域，斯坦福大学的g r u b e r 在1 9 9 3 年最早提出了本体的定义，他 认为“本体是概念化的明确的规范说明。”之后，有不少学者对该定义进行修正， 于是形成了下面这个被大多数人认可的定义【3 5 1 。 定义：本体是共享概念模型的明确的、形式化的规范描述。 本体是概念化的，它是一个概念体系，又称概念模型。所谓概念化是指“客 观世界中某些现象的一个抽象模式，该模式是通过定义了这些现象的相关概念形 成的”。 本体的建模元语包含5 个要素，如表2 1 所示，即类( c l a s s ) 、关系( r e l a t i o n ) 、 函数( f u n c t i o n ) 、公理( a x i o m s ) 和实例( i n s t a n c e ) 。本体正是通过这5 个要素 来严格地规范描述对象。 硕十学位论文第二章相关理论及关键技术 表2 1 本体建模元语 本体建模元语 定义举例说明 类( 义称为概 对象的集合功能、行为、策略等 念) 领域中概念之间的交互作用，形式上定义父子类的关系s u b c l a s s o f 关系 为n 维笛卡尔积的子集r ：c 1x c 2 x c n 实例关系i n s t a n c e o f 一种特殊的关系，该关系的前n 1 个元素 m o t h e r - o f 谁是准的母亲，如 函数 m o t h e r - o f ( t o m ，m a r i n e ) 表示 可以唯一决定第n 个元素 m a r i n e 是t o m 的母亲 红葡萄就是葡萄酒的子类，那 公理永真断言 么葡萄酒就一定包含红葡萄酒 m a r i n e 有3 个孩子，其一叫 实例类的具体个体 t o m ，那么t o m 就是一个实例 2 2 2 本体的分类 根据详细程度和领域依赖程度，g u a r i n o 【3 6 】将本体划分为四个类别： 顶级本体( 通用本体、上层本体) ，划分了客观世界的实体的不同种类，具 有普遍意义的观念在这类本体中得到表示，这些观念不依赖于特定的问题或学科 领域。它描述最普遍的概念及概念之间的关系，表示具有普遍意义的观念，这些 观念不依赖于特定的问题或学科领域，如时间、空间、事件等。在顶级本体中， 被定义的的知识可以跨学科应用，其他本体均为其特例。顶级本体能够处理物理 对象的时间物质属性，如整体部分( p a r t o f ) 关系、适当的交迭、内置的部分 虚盘 守； 领域本体是专业性的本体，描述特定领域中的概念和概念之间的关系。如生 物学本体，医学本体等； 任务本体描述特定任务或行为中的概念及概念之间的关系，它主要涉及动态 知识； 应用本体描述既依赖于某个特定领域又依赖于某项课题的知识。如中科院成 都计算机应用研究所设计的基于o n t o l o g y 的平面几何知识库吲。 目前已开发的项目中，可以归类到顶级本体这一类的主要包括：w o r d n e t 、 g u m 、o n t o s e e k 、c y c 、和知网( h o w n e t ) 。表2 2 显示的已有顶级本体的名称 以及它们的主要内容和用途。 表2 - 2 主要顶级本体列表 顶级本体的名称 获取地址主要j i j 途 基于网络的叙词表系统， w b r d n e t h t t p ：w w w c o g s c i p r i n c e t o n e d u - w n 可以实现与其它特定词 表的互操作 1 2 硕：f ：学位论文第二章相关理论及关键技术 h t t p ：w w w d a r m s t a d t g m d d e p u b l i s h k o m e t 独立于专业领域的语言 g u m本体，用自然语言表达方 g e n u m n