（机械设计及理论专业论文）基于本体的减速器产品快速配置系统研究.pdf

哈尔滨理t 人学丁学硕l j 学位论文 基于本体的减速器产品快速配置系统研究 摘要 随着社会经济和互联网的飞速发展，企业问的市场竞争同益加剧，传统的 制造业面临着严峻的挑战。消费者对个性化产品的追求己进入白炽化阶段，有 着不同的消费水平、职业特点和兴趣爱好的客户总是希望在产品的生产过程中 加入自己的个性化条件，因此企业在满足客户个性化需求的同时必须对自身的 生产模式作出相应调整。无论从客户需求条件向产品相关技术转换，还是从产 品生产成本及交货时间来说，企业必须以短时间，低成本，高效率的生产模式 来响应消费者的需求。因此，企业急需建立快速、准确的产品配置系统平台来 实现产品的生产管理。 本文在总结产品快速配置系统的理论及模型建立的基础上，针对大规模定 制下产品快速配置问题，提出了基于产品族的d f m c ( d e s i g nf o rm a s s c u s t o m i z a t i o n ) 的产品配置方法，并将本体融入到产品配置知识中，首先通过 质量功能配置工具将客户需求进行分析聚类，并建立客户需求本体模型 ( c r o ) ，再由产品功能相似性原理及企业现有产品相结合，建立相应产品族 模型并建立产品族本体模型( p f o ) 。最后通过c r o 与p f o 问的映射来定位 与客户需求最相似的产品族，实现了以客户需求为导向的个性化产品快速生 产。本文最后以减速器产品为例，建立了完整的减速器产品配置系统模型及相 应的c r o 、p f o 模型，并提出了基于属性匹配原则的映射算法，有效地实现 了从客户个性化需求到产品实际生产的过程，为满足个性化产品生产及完善产 品快速配置平台理论奠定了基础。 关键词本体；产品配置；产品族；映射 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学1 证论义 r e s e a r c h o fr e d u c e rr a p i d p r o d u c tc o n f i g u r a t i o ns y s t e m ba s e do n o n t o l o g y a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m ya n d t h e i n t e m e t ，m a r k e t c o m p e t i t i o n b e t w e e n e n t e r p r i s e s i n t e n s i f i e s i n c r e a s i n g l y a n dt r a d i t i o n a l m a n u f a c t u r i n gf a c e ss e v e r ec h a l l e n g e s c o n s u m e r sp u r s u i n gp e r s o n a l i z e dp r o d u c t s a l r e a d yh a v ee n t e r e di n c a n d e s c e n tc h a n g es t a g e t h ec u s t o m e r sw i t h d i f f e r e n t c o n s u m p t i o nl e v e l ，p r o f e s s i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ei n t e r e s ta l w a y sh o p et oa d d t h e i ro w np e r s o n a l i z e dc o n d i t i o n st ot h ep r o d u c t i o n ，w h i c hr e q u i r e st h ee n t e r p r i s et o m a k et h e c o r r e s p o n d i n ga d j u s t m e n ta m o n gt h e i r o w np r o d u c t i o nm o d ew i t h s a t i s f y i n gc u s t o m e r sp e r s o n a l i z e dn e e d s b u tf r o mt h ec u s t o m e r sd e m a n dc o n d i t i o n t op r o d u c tr e l a t e dt e c h n i c a lt r a n s f o r m a t i o no rf r o mp r o d u c tp r o d u c t i o nc o s ta n d d e l i v e r yt i m e 。t h ee n t e r p r i s em u s tu s et h em o d eo fp r o d u c t i o nw i t ht h es h o r tt i m e ， l o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c yi nr e s p o n s et ot h en e e d so ft h ec o n s u m e r s t h e r e f o r e ， e n t e r p r i s e se s t a b l i s ho nd e m a n dr a p i da n da c c u r a t ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o ns y s t e m p l a t f o r mt oa c h i e v ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n t b a s e do nt h es u m m a r i z a t i o no fr a p i dp r o d u c tc o n f i g u r a t i o ns y s t e mt h e o r ya n d m o d e le s t a b l i s h m e n t ，t h ea r t i c l ep u tf o r w a r do n t o l o g yi n t ot h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o n t h em e t h o do nt h eb a s i so f p r o d u c tf a m i l yd f m c ( b a s e d o nt h em a s sc u s t o m i z a t i o n ) a sf o l l o w s ：f i r s tt h r o u g hq u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n tt o o lt r a n s f o r mc u s t o m e r r e q u i r e m e n t si n t oap r o d u c tt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa n db u i l dc u s t o m e rr e q u i r e m e n t o n t o l o g ym o d e l ( c r o ) ，t h e nt h ec o m b i n a t i o no ft h ep r o d u c t f u n c t i o ns i m i l a r i t y p r i n c i p l ea n dt h ee n t e r p r i s ee x i s t i n gp r o d u c te s t a b l i s h e st h ec o r r e s p o n d i n gp r o d u c t f a m i l y m o d e la n de s t a b l i s ht h ep r o d u c tf a m i l yo n t o l o g ym o d e l ( p f o ) ；f i n a l l y t h r o u g ht h em a p p i n gb e t w e e np f oa n dc r o l o c a t et h em o s ts i m i l a rp r o d u c tf a m i l y w i t hc u s t o m e rd e m a n d ，a n dm a k et h ec o r r e s p o n d i n ga d j u s t m e n tt or e a l i z ep r o d u c t s o fh i g h s p e e dp r o d u c t i o n i nt h ee n d ，t a k er e d u c e rp r o d u c tf o re x a m p l e ，t h ea r t i c l e e s t a b l i s h e sac o m p l e t er e d u c e rp r o d u c tc o n f i g u r a t i o ns y s t e mm o d e la n dt h e c o r r e s p o n d i n gc r o ，p f om o d e l ，a n dp u t sf o r w a r dt h em a p p i n gm e t h o db a s e do n ， 1 i 一 哈尔滨理t 人学t 学顾i ：学f 征论义 a t t r i b u t e m a t c h i n gp r i n c i p l e ，e f f e c t i v e l y r e a l i z e st h e p r o c e s s f r o mc u s t o m e r s p e r s o n a l i z e dn e e d st op r o d u c ta c t u a lp r o d u c t i o na n dl a y saf o u n d a t i o ni no r d e rt o s a t i s f yt h ei n d i v i d u a l i z e dp r o d u c tp r o d u c t i o na n dp e r f e c tp r o d u c tr a p i dc o n f i g u r a t i o n p l a t f o r mt h e o r y k e y w o r d so n t o l o g y , p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ，p r o d u c tf a m i l y , m a p p i n g ，r e d u c e r i i i 哈尔演理t 人学t 学顾i ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 在全球市场经济和知识经济的刺激下，传统的制造业面临着前所未有的挑 战。随着客户需求多样化的与同剧曾，同时也带来了市场多样化的不断发展， 制造业市场正向着动态多变的方式发展。企业必须适应市场的发展趋势，这将 使制造业面临新的挑战：在满足客户多样化需求的同时又要以短时l 、日j 、低成 本、高效率的方式进行生产。 全球网络化的到来使制造业进入了迅猛的发展时期，传统的大批量生产方 式及其理论支持已经具有明显的工业时代特征，不能适应客户多样化需求的生 产模式。寻求快速响应个性化需求的生产模式及其理论支持已成为制造业的核 心技术，为客户定制生产已经成为企业争夺市场份额的主要技术和重要手段。 目前，大多数企业还不能够很好的满足客户个性化需求的产品生产，产品生产 过程很少涉及个性化生产环节。面对这一问题，许多国家币研究和探索新的现 代制造技术来适应发展的需求。1 9 7 0 年，美国著名学者托夫勒( a l v i nt o f f l e r ) 在 其著作( ( f u r o r es h o c k ) ) ( 未来的冲击) 一书中提出了一种全新的生产方式一以类 似于标准化或大批量生产成本和时间，提供满足客户个性化需求的生产和服 务。达维斯( s t a nd a v i s ) 于1 9 8 7 年在其著作( ( f u t u r ep e r f e c t ) ) ( 未来的理想生产方 式) 一书中首次将托夫勒所定义的生产方式称为“m a s sc u s t o m i z a t i o n ，即大批 量定制，简称m c 。我国制造业起步比较晚，许多发达国家的企业，如i b m 、 丰田、海尔、波音公司等已经通过实施大规模定制模式作为理论支持，成功的 解决了从产品快速设计到产品个性化生产的| 口j 题。作为一个整体的全球化大市 场，我国的制造业具有巨大的潜力，例如电子、汽车、家具、服装等行业，由 于国外厂商能够提供价格低廉的个性化需求定制产品，使得国内市场受到巨大 的冲击，因此，发展大批量定制生产模式是中国制造业面临的必经之路，才能 在激烈的国内外市场竞争中找到自己稳定的客户群体，立于不败之地。 本文以大规模定制环境为背景，深入分析和借鉴国内外相关领域的先进科 研成果，在充分考虑客户个性化需求及企业生产模式的条件下，提出一套行之 有效的产品快速配置系统平台及其相关技术支持，结合减速机生产的具体问 题，理论联系实际，研究成果能够更好的为企业生产提供技术支持和方法指 哈 v i e 理t 人学t 学顾l ：学位论文 导，同时该研究成果不仅局限于机械领域的产品生产，也可进一步拓展到其他 相关领域的产品生产中，具有广阔的工程应用前景。 1 2 课题相关问题的国内外研究现状 1 2 1 客户需求分析研究现状 客户需求的获取是大批量定制的首要任务，也是对后续的客户需求分析与 处理的基础。o t t o ”提出对产品使用的活动流程图进行分析，通过对每一个活 动中隐含的客户愿望的挖掘，制定相应客户愿望表，再针对每一项愿望与客户 进行等级评估，最终获取客户需求信息的方法。这种方法中的缺点是只考虑的 是一般的共性活动，客户愿望表中包含的是一般性愿望，客户的差异仅体现在 评估给出的值不同。c o o p e r 等人通过对汽车制造企业以及电信企业等新产品开 发前期管理的相关调查，提出了客户需求获取的理论模型2 1 ，该模型描述了从 客户信息收集、信息转化到客户需求形成的全过程。这些相关理论的提出主要 针对传统的大规模生产，不完全适用于大规模定制环境。并且客户需求的知识 分析过于片面，没能达到一定的客户需求深度。 车阿大、林志航【3 】，通过用户需求的框架表达、用户需求的模糊建模、用 户需求重要性评估、用户需求模板自动生成技术和用户需求的一致性检测五步 来实现产品设计过程中对客户需求的获取。岳同启1 4 1 等在此基础上通过人工智 能技术，引入智能a g e n t ，主动地通过客户的输入引导客户客户完成对需求信 息的全面准确表达，其体系结构如图1 1 所示；郑华林、刘飞【5 】等通过映射现 有产品的历史数据，利用领域专家的知识建立产品需求模板，通过对以往产品设 计的变异来实现产品需求分析，并利用质量功能配置方法转化产品需求进行产 品族定义。这种方法很大程度的忽略了客户的意图，限制了客户主动性和个性 化需求的表达，同时随着产品种类的增加会导致模板数量的增加，不便于产品 设计过程中的数据管理。 基于上述理论，许多学者将本体与客户需求模型相结合，构造客户需求本 体模型。姜燕、但斌【6 】针对大规模定制模式下客户需求中存在的问题，用一组类 客户需求( g c n ) 来表达面向产品族的客户群体需求，以期在满足众多客户需求 的前提下降低客户需求的多样化程度，这一理论的提出对于复杂产品设计中的 多模板客户需求问题具有很大的帮助。高鹏、林兰芬【7 】在分析前者的基础上建 立了一种基于本体的用户需求本体模型和产品配置模型，进一步完善了客户需 哈尔滨理t 人学t 学硕1 ：学位论文 求本体模型建立过程及相关产品配置理论。 1 2 2 产品族研究现状 图l l 用户需求获取系统体系结构 f i g 1 - 1t y p i c a ls t r u c t u r eo fo d b c 产品族是以产品平台为基础，通过添加不同的个性化模块，以满足不同客 户个性化需求的一组相关产品。产品族以其自身描述信息的全面性、模块化、 标准化成为大规模定制中的关键技术，良好的产品族模型不仅可以降低产品管 理的繁琐度，同时在产品配置中也会使得企业设计人员能够更好的定位客户需 求产品。p a u l 、b e i t z l 8 】认为模块设计是完成从产品功能需求域到模块功能域的 映射，然后在考虑模块性能( 如重量、尺寸等) 基础上完成从模块功能域到模块 结构域映射的过程。j o s e l 9 】认为良好的模块化系统是由一些相互独立单元构 成，在组合这些单元的同时表现出特定的行为。贾延林【l o 】等介绍了模块化设计 的原理、方法及应用，文中将产品以产品族模块的形式划分，通过不同产品族 模块的自由组合衍生出多种产品。 国内外学者对产品族的建模及优化做了深入研究，马佳、高立群【l l 】等提出 基于类物料清单的产品族结构模型建模方法，并分析了该模型的结构特征及配 置管理方法。高飞【1 2 】根据产品族模块在不用系列产品中的通用度不同，将产品 族模块化设计分为横向系列模块化、纵向系列模块化、全系列模块化等。姜慧 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 1 1 3 】u 4 在此基础上引入模块化矩阵的概念，分别从横、纵、全系列阐述了与模块 化的关系，通过横、纵系列的拓展得到满足不同用户需求的个性化模块。 t s e n gmm 1 1 5 i 首次将c b r ( c a s e b a s e dr e a s o n i n g , 基于实例推理) 的设计方法 融入到大规模定制中，通过实例与产品族结构的相结合的方式，建立以实例为 中心的产品族设计过程模型。z h a n gyy 【16 提出了产品族的两种通用表现形 式：组建通用性、过程通用性，并通过对客户需求的线性回归分析建立通用产 品族模型，使其模型的表达更加趋于客户的意愿。常燕1 1 7 1 以快速响应客户需求 个性化需求为目的，建立了基于多智能体的产品族结构体系模型，提出了基于 本体表达的产品族数据模型和客户需求拓展和聚类模型，在研究了客户需求和 产品族需求预测的基础上完善了产品族模块聚类模型。王爱民【1 8 1 通过q f d 及 动态客户需求分析，首次提出了面向客户需求驱动的产品族建模方式。其中， 常燕完善了基于模块化的产品族设计的一般过程，提出了产品族设计进程的通 用框架【1 9 l ，如图1 - 2 所示。 市场分区l市场分区2 。j 1 i 图l 一2 产品族改计进程 f i g 1 - 2p r o c e s so fp r o d u c tf a m i l yd e s i g n 数据统计显示，7 5 以上的新产品开发都是有企业现有产品演化而来。基 于产品族的快速设计成为大规模定制的关键技术，良好的产品族模型也是快速 设计的核心数据源。产品族模型是连接客户需求和产品设计的重要枢纽，也是 从客户需求模型向产品功能模型映射的主体框架，也是后期利用产品族间映射 实现客户需求定位的关键。 ， 哈尔滨理丁人学t 学硕t ? 学位论文 1 2 3 产品配置研究现状 产品配置【2 0 1 是指企业在标准化、系列化的基础产品基础上，按照客户的要 求，对产品功能、物理结构等进行调配布局，满足客户个性需求的最终产品的 过程。m a i l h a r r od t 2 、f e l f e r n i g 2 2 】等人把产品配置比为从一组预先定义的组件 类型( 或称为组件类型目录) 中挑选出的能够按照预订方式( 配置方法) 相连 接的一组组建实例( 或简称组建) 。进行产品配置研究的目是以尽可能少的产 品族多样性去实现尽可能多的产品功能多样性；自上个世纪7 0 年代诞生开始至 今【2 3 1 ，产品配置在大规模定制快速生产中的起着重要的作用，纵观其发展历程 可归纳为以下三个阶段。 第一阶段，产品配置新兴阶段( 2 0 世纪7 0 年代初至8 0 年代术) ：这个时 期研究内容主要为面向特定应用领域中特定问题的研究，如卡内基梅隆大学 ( c a r n e g i e m e l l o nu n i v e r s i t y ) 和美国d e c 公司联合开发的用于配置v a x 计 算机的r i x c o n 配置系统【2 4 i1 2 5 1 2 6 1 。s i e m e n s 公司开发的s i c o n f e x t 2 7 i 配置系 统等。这一阶段主要是应用基于规则的产品配置方法的商用产品配置系统来解 决某个专门领域问题，不具有通用性。 第二阶段，产品配置发展阶段( 2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年代末) ：随着产 品更新演化速度的不断加快，产品配置规则库的更新速度变得越发繁琐、复 杂，如r 1 x c o n 系统的6 0 0 0 条配置规则【2 8 j 中的一大半都需要每年定期更新。 同时，许多新兴的产品配置方法也在这一时期如雨后春笋般涌现，例如基于约 束的配置方法【2 9 1 、基于产品族b o m 模型的产品配置方法【3 0 】、基于实例的配置 方法等【3 1 【3 2 1 ，为今后的产品配置方法研究奠定了坚实的基础。由于各理论模型 的产品配置侧重点不尽相同，这一阶段可以视为产品配置的发展阶段。 第三阶段，产品配置成熟阶段( 2 0 世纪9 0 年代术至今) ：随着个性化客户 的增加及网络信息化的快速发展，产品配置方法再次被提到大规模定制技术中 的关键位置，如欧洲人工智能协会e c c a i ( e u r o p e a nc o o r d i n a t i n gc o m m i t t e e f o ra r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 组织的有关产品配置会议的专题，美国人工智能协会 a a a i 组织的a a a l 2 0 0 7 关于产品配置的研讨会等，这些会议研讨的主旨意在 使产品配置系统更加通用化、共享化、准确化等【3 引 3 4 1 3 5 1 。 随着上述三个历史阶段产品配置的发展，相继出现了多种产品配置方法， 这些方法分别从不同层次、不同角度、不同规则来诠释产品配置，目前的产品 配置方法主要有以下几种： ， ( 1 ) 基于规则的产品配置方法i f t h e n 的产生式规则方法曾一度被广泛 哈尔演理t 人学t 学顾l ：学化论文 应用于产品配置系统的开发中，h u a n gyl t 3 6 】等基于上述规则的不足，提出 了一种约束满意问题方式模型。基于规则的产品配置方法仅在处理小规模的产 品配置问题中显露优势，但随着配置知识的增多，需要大量的修改配置知识 库，此时该方法在配置知识库更新、一致性等方面表现出不足。 ( 2 ) 面向对象的产品配置方法该方法其目的是在一系列给定的描述该问 题分类的层级结构中，逐层细化、匹配，直至找到该约束条件的目标产品为 止。本方法侧重于产品中重要部件的知识表达，对于产品中部件问的配置规则 表现出不足，缺乏整体配置规则统一性。 ( 3 ) 基于产品族b o m 模型的产品配置方法随着产品配置方法德革新， 产品配置的快速生成问题已成为缩短产品生命周期，推动制造业发展的关键。 由于企业不可能将所有生产过的产品和市场中潜在的客户个性化需求产品全部 列举并保存在数据库中，这就使得产品族的概念得到了应用，基于通用产品族 b o m ( b i l lo fm a t e r i a l ) 模型的产品配置方法由此产生。该方法能够显示地表 示产品配置模型的相关信息，不足之处在不能明确地描述于产品族b o m 模型 组件间的匹配关系，必须借助于规则语言的帮助。 ( 4 ) 基于本体论的产品配置方法本体以其概念化、形式化和共享性成为 产品配置的关键技术；s o i n i n e nt i m o ，f e l f e r i n ga t 3 7 】1 3 8 11 3 9 1 提出了通用的产品配 置本体论；张劲松等在针对当前产品配置不足的基础上提出了基于本体配置 的建模方法；高鹏，林兰芬【刀等将客户需求本体模型定义为一个四元组，在分 析现有基于本体论的产品配置方法的基础上，提出了客户需求本体模型及产品 配置模型框架，如图1 3 所示，并建立了本体映射规则。 哥伊 多一 图1 - 3 基于本体映射的产品配置框架 f i g 1 - 3p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n f r a m eb a s e do no n t o l o g ym a p p i n g ( 5 ) 基于模型的产品配置方法该方法的前提是构建一个良好的产品族通 冒 圈 哈尔滨理丁人学t 学硕 ：学位论文 用模型，在系统模型的基础上将配置问题描述成结构功能原理为信息的映 射，具有多样性的问题求解能力，同时这种方法具有良好的通用性和完整性。 基于模型的产品配置方法又可进一步分为基于约束【4 1 1 、基于逻辑【4 2 i 、基于资源 【，1 等方法。覃艳红、但斌m i 等分别对模块化产品族与客户需求转化的产品配置 方法进行了研究，并建立了模块化产品族结构。g e n s t el 提出将基于实例推 理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g , c b r ) 与约束满足问题( c o n s t r a i n ts a t i f a c t i o np r o b l e m ， c s p ) 相结合的方澍4 5 1 ，用于处理信息的不完全性与复杂性，这将能够弥补在充 分考虑了客户需求时，由于实例增多而导致搜索的效率降低的缺陷。w a n g s h i w e i t 4 6 1 提出了将c b r 同c s p 相结合的配置方法，用于支持产品配置过程和 配置知识的重用。这种方法可以减少对实例空间的搜索，提高配置效率，其缺 点是缺乏对实例知识的语义描述，且不利于实例知识的扩展。而本体作为一种 能在语义和知识层次上描述系统的概念模型建模工具，自被融入到基于c b r 产品配置知识表达和建模中，能够解决实例知识的概念化描述和异构系统间共 享等问题。t e y a n t 4 7 】建立了一种基于本体的产品配置通用模型，并利用 o w l ( o n t o l o g yw 曲l a n g u a g e ) 本体描述语言来表达配置本体、领域配置知识和 规则。 上述产品配置方法在不同时期推动着产品配置的研究，分别从不同角度对 产品配置方法进行研究。综上所述，大批量定制环境下的产品配置是以尽可能 少的技术多样性来实现尽可能多的产品功能多样性。随着产品配置复杂性的提 高，理想的产品配置方法应具备通用地、概念化地、系统地表示产品配置知识 的能力，并进行快速产品配置求解，从而便于产品配置模型的建立和维护，实 现企业敏捷地对客户个性化需求快速响应的目的。 1 3 课题的来源和主要研究内容 本课题是黑龙江省自然科学基金资助项目( e 2 0 0 5 0 5 ) ：“面向大规模定制 的机械产品快速配置和变型设计技术研究”的部分及延续研究内容。 针对目前产品配置规划研究中存在的相关问题并结合相关理论成果，本论 文的研究内容如下： ( 1 ) 大规模定制环境下客户需求分析及其本体模型的建立。在论述客户需 求特点的基础上，将客户需求分类，并对每一类客户需求的获取进行详细论 述；结合本体论的相关知识，建立客户需求本体模型( c u s t o m e r - r e q u i r e o n t o l o g y ，c r o ) 。 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 ( 2 ) 基于产品平台的产品族规划研究及其本体模型的建立。基于产品族构 建理论及产品族模块化理论，按照产品的功能、原理、结构来建立产品族及其 本体模型，并由三者问相互映射来完成有客户需求空间到产品结构空间的转 换；利用本体元素融合法实现产品族结构的进化更新。 ( 3 ) 基于客户订单的产品配置映射研究。通过客户需求本体模型与产品族 实例本体模型问映射，结合相关映射框架及其映射算法来完成产品配置；并通 过减速器实例客户需求分析、映射本体模型建立及相应配置流程做进一步说 明，实现了以客户需求为主导的产品配置方式。 ( 4 ) 基于a s p n e t 平台构建客户需求驱动的产品配置系统。介绍n e t 平 台体系结构，由原型系统功分析设计系统体系结构、子功能系统和相关功能模 块，并结合实例对系统进行应用验证。 哈尔滨理t 人学丁学硕i j 学位论义 第2 章产品快速配置系统原理 2 1 本体论简介 ( 1 ) 本体的定义与功能 本体( o n t o l o g y ) 的概念最初被定义为是对世界上 客观存在事物的系统化描述和对客观存在的一个系统的解释或说明，关心的是 客观现实的抽象本质川；n e e h e s 等人最早将本体的概念引入人工智能界并将其 定义为“给出构成相关领域词汇的基本术语和关系，以及利用这些术语和关系 构成的规定这些词汇外延的规则的定义协引。随着时间的推移，人们对本体有 了更深层的认识，国内外学者相继把o n t o l o g y 引入到知识系统、概念表达、 语义转换和模型架构等相关领域；在此期间g u r b e r 等人提出：“本体是概念化 的明确的规范说明1 3 5 1 。w n b o r s t 在对本体知识做进一步研究后提出：“本体 是共享的概念模型的形式化的规范说明啪。f e n s e l 、s t u d e r 等人对上述定义进 行分析后，将o n t o l o g y 的概念划分为概念化、明确、形式化和共享阻 四个方 面的内容。它们分别从不同层次描述本体的内容，也是组成本体的必要元素。 尽管对o n t o l o g y 定义的方式不同，但研究者对于本体的认识却是统一 的，o n t o l o g y 具有知识模型的共享和可重用等特征，它能从语义和知识层次上 来描述信息系统的概念模型，能为系统提供良好的层次结构，能够克服异构系 统间知识共享的语义冲突和语法冲突。p e r e z 在上述本体定义研究基础上，归 纳出描述本体建模的5 个基本元语：类( 概念) 、关系、函数、公理和实例。 从语义方面来讲，概念间主要有四种关系，p a r t o f ，k i n d ，o f ，i n s t a n c e - o f 和a t t r i b u t e o f o 具体关系描述见表2 1 。 表2 - 1 基本关系 t a b l e2 1b a s i cr e l a t i o n s h i p 系名关系描述 p a r t o f 表达概念之间部分与整体的关系。 表达概念之间的继承关系，类似丁面向对象中的父类与子类 k i n d o f 之间的关系。 表达概念的实例与概念之间的关系，类似于面向对象中的对 i n s t a n c e o f 象和类之间的关系。 表达某个概念是另一个概念的属性。例如概念“加速度 可 a t t r i b u t e - o f 作为概念“车子”的一个属性。 哈尔滨理工人学工学硕 j 学位论文 虽然本体的定义尚未统一，但上述概念间的几种关系已被广大学者接受， 在实际的本体建模过程中并不局限于上述几种基本关系，技术人员可根据相关 领域的具体情况及领域本体模型概念间的需要来组建关系。 ( 2 ) 本体描述语言与编辑工具为了使得本体模型构建清晰化、形式 化，本体描述语言应具有如下特点：良好定义的语法及语义、有效的推理支 持、充分的表发能力和方便的表达特性；本体语言的发展与w e b 语言标准的 发展是密不可分的，从基于h t m l 格式到x m l 格式，从不同组织机构提出的 不同语言到w 3 c 的r d f ( s ) 标准规范，本体描述语言经历了以下几个主要语言 阶段：s h o e 。伸j 时期、x o l 川时期、r d f 时期、o i l 引时期、d a m l + o i l 。1 时期利 o w l 【1 州。其中o w l 是前期语言进化而来的本体语言，它是基于描述逻辑的 w 曲o n t o l o g y 表示语言；它可以在语义层次上对概念进行描述，计算机通过 j e n a 对o w l 语言表示的本体概念进行推理分析能够实现真j 下意义上的语义网 络。由于其良好的通用性和语义性，w 3 c 组织己将o w l ( o n t o l o g yw e b l a n g u a g e ) 语言认定为国际通用的标准本体描述语言。其语言层次如图2 一l 所 示。 一j 葡丽! = ! ，1 9 ：滁r d a m l - o i i ， d a m lo nl0r i ， 1 i1 l d c 印m s r d f s x o l t o p i cm a p ss m i i 。i r d f t t t m l x m 。+ n n a m es p a 酾+ 瓢纯s c h e 赫 _ 麓复蠹；荔移n l e q 】l ：l 羲鬈l 荔i 荽蔓= i ：_ j 1 | j ii t i 图2 1o w l 语言层次 f i g 2 。1l e v e so fo w ll a n g u a g e 随着本体描述语言的出现，本体构建已经成为本体研究的核心内容，到 目前为止已经出现了很多o n t o l o g y 构建工具。根据这些工具所支持的 o n t o l o g y 描述语言，大致可以分为以基于a i 的o n t o l o g y 描述语言的一类工具 和基于w e b 的o n t o l o g y 描述语言的一类工具。 下面将重点介绍由斯坦福大学开发的一个开放源码的o n t o l o g y 编辑器 p r o t e g e 3 4 。p r o t e g e 3 4 软件是斯坦福大学基于j a v a 语言开发的本体编辑和 知识获取软件，属于开放源代码软件。为了便于用户使用，p r o t e g e 界面保 留了与w i n d o w s 应用程序界面相似的风格，界面效果如图2 2 所示，用户在创 哈尔滨理f ：人学t 学硕l ：学位沦义 建本体模型后可以很方便的通过模型树对其进行编辑。p r o t e g e 不仪提供了大 量的知识模型架构与动作，用于创建、可视化、操纵各种表现形式的本 体，还可以通过用户定制实现域一友好( 领域相关) 的支持，用于创建知识 模型并填充数据。同时p r o t e g e 可以通过两种方式进行扩展：插件和基于 j a v a 的a p i 。 2 2 客户需求分析 2 2 1 客户需求特点及获取方法 大批量定制模生产式下，氽业需要对客户需求进行有效的识别、获取、表 达等才4 能更好的完成产品族构建和进行产品配置；客户需求通常表现出模糊性 ( 不确定性) 、动态性、多样性和优先性等，这就要求企j i k 在获取客广一需求时 应该充分考虑到上述客户需求的特点。客户需求的获取可分为两类：基于市场 预测的客户需求获取和基于客户订单的客户需求获取；其中基于市场预测的客 户需求获取主要是由企业相关人员进行市场调研分析从而确定客户需求，主要 的方法有观察法、询问法和实验法等。这种类型的客户需求获取方式的优点是 方法直接，缺点是投入人力资源及成本较高：基于客户订单的客户需求获取方 式主要是基于i n t e m e t 的交互形式来实现企业对客户需求的获取，主要的方法 如下： s t e p1 ：客户通过i n t e m e t 进入客户订单界面，用自己的语言以订单的形式 表达出对产品的各项需求，并将订单上传给企业。 哈尔滨理t 人学t 学顾l ：学位论文 s t e p2 ：企业将客户订单进行分析理解，并结合自身生产能力及时与客户 沟通。 s t e p3 ：通过不断调整修改客户需求直到双方达成一致，最终以订单的方 式提交给企业，完成企业对客户需求的获取。 2 2 2 客户需求的表达与聚类 大规模生产模式下的客户订单大都是由客户采用自然语言描述客户需求 的，需要对这些自然语言进行泛化处理，以便于产品快速配置系统能够更好的 进行相关产品配置。定义客户需求四元组如下：客户需求= 需求名称，需求类 型，需求值类型，需求值 ；其中需求类型主要分为五类：功能需求、结构需 求、性能需求、经济需求、可靠性需求等；需求值类型可划分为数值型、状态 型、枚举型等；需求值可分为两类：描述型需求的需求值为确定的数值或区 间，比较类需求值为比较运算符+ 确定的数值形式。其中比较运算符可包括 ，和等。 客户需求的聚类是指以获取到的客户需求为依据，通过需求的属性项之间 的相似度计算将需求进行划分，从而得出不同类别的需求集合，进而为产品族 的构建提供数据基础。 ( 1 ) 基于市场预测的客户需求聚类主要进行需求名相似度计算和需求值的 统计工作；其中需求名的相似度计算可采用基于w o r d n e t 的语义相似度和字符 串相似度计算方法来实现： 毗咖东 1 _ 面啬翻， 协。 其中，c f ，d ，分别是属性五，巧的名称；c ，d 分别为q ，d ，的同义词集 合；l e n g t h ( ) 为字符串长度，三( c ，d ， 表示字符串q 与d ，间的l e v e n s h t e i n 距离 ( 将一个字符串变为另一个字符串所需替换、插入或删除的自小次数) 。 ( 2 ) 基于客户订单的客户需求聚类与基于市场预测的客户需求聚类相比， 前者更为复杂，由于批量的客户订单的聚类表现出很大程度的模糊性，因此采 用模糊聚类理论来解决此问题；所谓模糊聚类法是依据客观事物问的属性特 征、亲疏程度及相似性等，通过建立模糊相似关系对客观事物进行分类的方 哈尔滨理t 人学t 学硕1 ：学化论文 法，步骤如下： 设彳= 臼，么：，a 册 表示包含m 个客户的订单样本，当每个客户有n 项 需求时记4 = 臼儿，彳a 砌 ，其中a o 表示第i 个客户的第j 项需求，则客户 订单需求可表示为： a = a l la 1 2 彳2 l彳2 2 彳m i彳m 2 a i n 彳2 。 a m , ( 2 2 ) 为方便客户订单的聚类，假设每一列的客户需求都是相似的，如a ，。表示 的是第一位客户对于扭矩的客户需求，则a ：，a ，。a m 。表示不同客户对扭 矩的需求，由上述定义客户需求四元组可知，每一列上的每项客户需求又可以 表示为：a i j 4 = b 坍z 驴：嘞，嘞。j ，那么客户订单4 与4 的相似度可表示为： 驴窆纠w y s i m ( a o , a , ) ( 2 3 ) 其中，表示客户订单中第j 项客户需求的重要度，一= l ；s i m ( a o ，如) 表 示客户需求属性项的相似度，同上述定义客户需求四元细可知： s i m ( a o ，如) = ( 2 4 ) 疗 其中：毗表示客户需求中某项需求中的第k 部分的权重；m = l ，权重的确 _ ，= 1 定主要有客户自定义法和专家评估法等；需求名称相似度按公式( 2 1 ) 需求 类型和需求类型值的相似度取当类型相同时，相似度系数为l ，类型不同时相 似度系数为o ；当需求值类型不同时，起计算方式也不相同，具体计算过程如 下：。 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论文 1 ) 数值型需求值相似度计算：设x ，y 是两个客户需求值在某个特征 区间 a ，b 的精确值，相似度计算公式如( 2 5 ) ： s i m ( a , 6 ) ：1 一掣，x ，y a ，b 】 ( 2 5 ) d 一口 2 )状态型客户需求值的相似度计算：当两个或多个状态型客户需求值 相同时，s i m ( a ，b ) = 1 ；当两个或多个状念型客户需求值不同时，s i m ( a ，b ) = 0 ； 3 )枚举型需求值的相似度计算：枚举型的需求属性的值域通常表现为 一组有一定联系的、离散的状念值，当客户订单需求的值域与产品族域的之间 存在量纲不同问题时，应该在计算相似度之前将需求值映射n o ，1 区间，按相 关计算进行规范化处理。设x i 为客户订单4 的第4 七项规范化处理后的需求 值，y ，为客户订单a ，的第a 。项规范化处理后的需求值，则与y ，问的相似 度可以按照公式( 2 6 ) 计算： s i m ( x j ，y j ) = l i x ，一y _ ，i ( 2 - 6 ) 利用上述原理求得客户订单相似度鼍；，通过相似归类原理可将批量客户订 单按相似度最近原则进行归类，从而为客户需求产品族模型及客户需求本体模 型的建立提供数据基础和理论支持。 2 3 模块化产品族模型建立原则 产品族模型是在产品模型的基础上建立的，主要有产品族功能模型、产品 族原理模型和产品族结构模型三部分组成，其中，产品族功能模型主要描述的 是产品族的功能需求及其功能需求的分解等，主要描述了相关产品应该具备的 功能及功能组合关系，客户在提交订单时往往不关心产品的具体结构是怎么样 的，而是关心产品的具体功能价值，也就是产品的功能特性参数，产品配置系 统从客户订单中提取并转化成能够满足这些特征参数需求的功能模型并组合， 最终以订单的形式返回客户。 产品族原理模型主要是为前者产品族功能需求模型提供解决方案与技术支 持，也就是说，对于任何一个功能需求模型来说，都能够找出相对应的原理方 哈尔滨理丁人学丁学硕i j 学 移论义 案，由于解决方案的组合方式具有不确定性，因此功能模型与原理模型的映射 关系可以是一一映射或为一多映射。 产品族结构模型是在现有的产品族原理模型的基础上，用来描述产品族模 型体系的结构组成，它由一系列相关的产品零部件组成，是产品族模型结构的 基础层；每个产