（机械设计及理论专业论文）基于本体及模糊逻辑的协同设计研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 协同设计是现代工程设计领域的研究热点，它具有多学科、跨领域的特点。在协同 设计过程中要涉及到大量的知识，因此知识的表达和利用成为协同设计的关键。首先不 同的设计者对于领域知识可能会有不同的理解，如果有一个统一的知识表达模型，那么 会减少设计主体对知识理解的歧义性。其次，如果领域知识不是机器可读的，那么设计 主体不能在更高层次上进行设计工作。本体作为人工智能的一个研究热点，具备较强的 知识表达能力和支持推理的能力，我们可以利用本体解决上述问题。 本文提出了一个基于本体的协同设计框架，设计了系统各功能模块，研究了协同设 计中基于本体的知识描述和应用方法。将知识库划分为全局共享本体库以及各个设计主 体的局部知识库，局部知识库又包括设计主体自身的本体库和规则库。全局共享本体库 可实现语义层次的知识共享，使得人们对领域知识理解达成共识；利用o w l 本体描述 语言，构建了冲模领域局部知识库中的本体库，这是设计主体进行推理设计的逻辑基础； 然后利用s w r l 语义网规则语言在本体库基础上构建了局部知识库中的规则库，增强了 知识库的推理能力，同时将某些结构化数据存储到数据库中，扩充了局部知识库。最后， 利用j e s s ，p r o t 6 9 6 等工具实现了基于知识的冲模设计系统软件开发和实验。 为迸一步扩展局部知识库的表达和支持推理的能力，本文采用模糊逻辑描述领域模 糊知识，利用m a t l a b 模糊逻辑工具箱将由o w l 和s w r l 描述的领域知识转化成m a t l a b 模糊推理机支持的知识格式，实现了基于模糊知识的推理设计，进一步提高了产品设计 的智能性。 本文介绍了两个与冲模相关的设计实例，完成了基于本体的凹模和凸模尺寸设计工 作和基于模糊逻辑的冲模选型工作，验证了本协同设计方案可行性及基于知识驱动设计 的智能性。 关键词：本体；协同设计；语义；模糊逻辑；智能性 基于本体及模糊逻辑的协同设计研究 r e s e a r c ho nc o l l a b o r a t i v ed e s i g nb a s e do no n t o l o g ya n df u z z yl o g i c a b s t r a c t c o l l a b o r a t i v ed e s i g nw h i c hp o s s e s s e sf e a t u r e ss u c ha sm u l t i d i s c i p l i n a r y ，c r o s s - d o m a i n ，i s ar e s e a r c hf o c u si nm o d e me n g i n e e r i n gd e s i g nf i e l d a b u n d a n tk n o w l e d g ew i l lb ei n v o l v e di n t h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g np r o c e s s ，s ot h ed e s c r i p t i o na n du t i l i z a t i o no fk n o w l e d g ei st h ek e yf o r c o l l a b o r a t i v ed e s i g n f i r s t l y ，d i f f e r e n td e s i g n e r sh a v ed i f f e r e n tc o m p r e h e n s i o no fd o m a i n k n o w l e d g e i ft h e r ei sau n i f o r i i lk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nm o d e lt op r o v i d ea s e m a n t i cb a s i s f o r t h ec o m m u n i c a t i o na m o n gd e s i g n e r s ，i tw i l ld i s a m b i g u a t ek n o w l e d g ec o m p r e h e n s i o n s e c o n d l y ，t h ed e s i g n e r s c a nn o tw o r ka tah i g h e rl e v e li ft h ek n o w l e d g ei s n o t m a c h i n e i n t e r p r e t a b l e o n t o l o g yw h i c hh a sb o t hg o o dk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o na b i l i t ya n d r e a s o n i n ga b i l i t ys u p p o r t e d i sar e s e a r c hf o c u si na r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e w ec a nt a k ea d v a n t a g e o fo n t o l o g yt os o l v et h ep r o b l e m sa b o v e t h i sp a p e rp r e s e n t sac o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e ma r c h i t e c t u r eb a s e do no n t o l o g y ； d e s i g n st h ef u n c t i o no fs y s t e mm o d u l e s ；i n v e s t i g a t e st h ek n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nb a s e do n o n t o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o n so fo n t o l o g yi nc o l l a b o r a t i v ed e s i g n t h ek n o w l e d g e b a s ei s d i v i d e di n t og l o b a ls h a r e do w lo n t o l o g yw h i c hp r o v i d e s as e m a n t i cb a s i sf o r t h e c o m m u n i c a t i o na m o n gd e s i g n e r ss oa s t om a k et h e d e s i g n e r s s h a r et h ec o m m o n u n d e r s t a n d i n go fk n o w l e d g ea n d l o c a lk n o w l e d g eb a s ew h i c hc o m p r i s e sl o c a lo w lo n t o l o g y a n ds w r lr u l eb a s eo ft h ed e s i g n e r so w n ad i eo n t o l o g yi sc o n s t r u c t e db yo w l w h i c hi s t h eb a s i so fd e s i g nb yr e a s o n i n g t h e ns w r lr u l eb a s ec o m p r i s i n gr u l e sd e f i n e db a s e do n l o c a lo n t o l o g yi sc o n s t r u c t e dt oe n h a n c et h er e a s o n i n gc a p a b i l i t yo fl o c a lk n o w l e d g eb a s e s o m es t r u c t u r e dd a t ac a nb es t o r e d i nt h ed a t a b a s e f i n a l l y ，u s i n gj e s sa n dp r o t d 9 6 ，e t c c o m p l e t et h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t o fd i e l o c a lk n o w l e d g eb a s ew a sf u r t h e re x t e n d e db yf u z z yl o g i cb a s e do no n t o l o g y t h ef o r m a t o ff u z z yk n o w l e d g er e p r e s e n t e dt h r o u g ho w la n ds w r li sc o n v e r t e dt ot h ef o r m a ts u p p o r t e d b yf u z z yl o g i ci n f e r e n c ee n g i n e d e s i g n e r sc a nw o r kb a s e do nf u z z yk n o w l e d g ew h i c h e n h a n c e st h ei n t e l l i g e n c eo fd e s i g n t w or e l a t e di n s t a n c e si n c l u d i n gt h ed e s i g no fd i ea n dp u n c hb a s e do no n t o l o g ya n dt h e s e l e c t i o no fd i eb a s e do nf u z z yl o g i cw a sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r 1 n h ef e a s i b i l i t yo ft h e c o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dt h ei n t e l l i g e n c eo fd i ea r ev e r i f i e d k e yw o r d s ：o n t o l o g y ；c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ；s e m a n t i c ；f u z z yl o g i c ；i n t e l l i g e n c e i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 基王奎篮区搓塑量蟹鲍怂回遮i 土盈究 作者签名：王季j 过i 碰l 日期：二幽碑年必三挈日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：基王奎签丞搓塑婆堑鲍迹回遮进盟窒 作者签名：垒晕菱五旦互日期：幽# - _ 2 - 月二日日 导师签名： 。菇左笙竺叠日期：吐年j 巫月1 j 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及意义 目前，全球制造业的竞争愈来愈激烈，企业只有采用先进的设计方法，缩短产品研 发周期，提高产品设计效率，才能提高自己的竞争力。只有快速高效的生产出适应市场 需求的产品，企业才能在激烈的市场竞争中获得生存与发展，从而立于不败之地。计算 机技术的不断提高和产品客户化需求的增加，使得c a d 技术已向着开放、智能、分布 和支持多用户协同设计方向发展i l j 。 协同设计是利用计算机网络技术对多人参与的设计工作所涉及的数据以及设计过 程进行组织、管理和协调。因此，协同设计的基础是通过计算机网络技术，利用基于知 识的系统来支持协同设计群组的实时交互，其目的主要是为了缩短产品开发周期，提高 产品设计效率，降低成本。 从产品开发的角度来看，c a d 技术在工程设计中经历了基于图纸、基于特征、基 于过程和基于知识四个发展阶段1 2 j 。每一阶段的发展，都标志着c a d 技术的变革，标 志着c a d 系统朝着向建立与人的认识思维趋同的智能化设计方向迈出一大步。但是以 几何模型为主的设计系统无法将工程领域的产品设计原理、设计方法以及专家经验等领 域知识融入到设计中去，因此很难实现领域知识的共享和重用。设计工程师仍需从事大 量低层次和重复性的设计工作，无法集中精力和时间进行高层次的创新工作，因此知识 的描述和利用是协同设计的关键。 在2 0 世纪8 0 年代提出了基于知识工程( k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ，k b e ) 的 设计思想，目前基于知识的设计研究还处于发展期，将是下一代计算机辅助设计的核心 技术。k b e 的主要思想是将人工智能( 包括知识库、知识规则、逻辑推理等) 与c a d 系统有机结合起来，从而自动地引导产品设计人员进行产品的设计活动，因此这些知识 主要是用来实现问题的自动求解。将知识工程引入设计领域，使产品的设计过程更具智 能性，无经验的设计人员可以在较短时间内熟悉产品设计方法，有经验的设计人员可在 更高的层次上进行相关的设计工作，从而提高了产品的设计效率。因此，知识的获取、 积累、融合、交流、共享及重用是最基本的，也是最重要的工作，它是设计主体进行创 新设计的基础。在知识工程中，知识是驱动力。 基于知识的系统有两个特点【3 j ：一是具有求解问题所需的领域知识；二是具有利用 领域知识进行推理设计的能力。其中领域知识可分为两类：一种是领域中的基本概念、 原理、规则等知识；另一种是领域专家在大量设计实践中所积累的求解问题的经验知识。 基于本体及模糊逻辑的协同设计研究 前者是领域知识的主要组成部分，可以比较明确的进行定义和使用，同时它也是实现基 于知识推理的基础，但是这类知识并不与求解的实际问题紧密结合。后者则是领域专家 根据多年的工作经验，对如何使用前者解决问题所作的高度集中、抽象和浓缩的描述。 正是这类知识，领域专家能高效、高质的解决困难和复杂的问题。 综上所述，领域知识的应用对于提高产品设计的智能性和设计效率是至关重要的。 实现基于知识驱动的协同设计，使知识得到共享和重用，才能实现真正意义上的计算机 辅助设计，而不是仅仅用计算机代替绘图板，同时这也是实现快速设计的重要途径，产 品设计者可在更高层次上进行相关的设计工作，从而最终降低他们的工作强度，提高设 计效率。 1 2 协同设计概要 对于计算机支持的协同设计( c s c d ) ，并没有一个统一的定义，从不同的角度， 有不同的定义1 4 j 。从任务实施的角度：协同设计是指由一组称之为设计专家组成的设计 小组，通过协同任务来实现或完成一个设计目标或项目；从系统组成的角度：计算机支 持协同设计工作系统是根据c s c w 理论而建立的一种面向协同设计的计算机工作系统； 从系统实现的角度：计算机支持协同设计系统是指在计算机和计算机网络支持的环境 下，由多个成员协同工作完成一项共同的设计任务的计算机支持协同工作系统。 同一企业的不同设计部门或者不同的企业，在计算机技术支持的环境下，通过一定 的信息交换和相互协同机制，利用协同设计技术进行产品设计方案及运作的协调和配 合，共同完成某项设计任务。在这个过程中，产品设计知识的交换和共享是协同设计能 够顺利开展的基础，它们可以通过知识管理平台按照不同的方式进行检索，从而实现文 件资料的结构化共享，比如工程图纸、文档等等。异地、不同部门的开发设计人员可以 共享这些资源，实时交互、协同参与、合作设计，共同完成设计开发任务。产品设计的 核心问题主要涉及功能实现与功能保障两方面，其协同设计过程是多领域多学科协同决 策与知识获取、融合与重用的过程，主要体现在功能实现部分、功能保障部分及两方面 耦合部分三个层次。 协同设计具有以下几个特剧5 l ： ( 1 ) 多主体性：是指设计活动由两个或两个以上设计专家参与的设计，而这些设 计专家通常是相互独立的，各自具有领域知识、经验和一定的问题求解能力。 ( 2 ) 协同性：具有一种协同各个专家以完成共同设计目标的机构，这一机构包括 各设计专家间的通讯协议、通讯结构、冲突检测和仲裁机制。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 共同性：该设计目标和设计上下文是共同的，即各设计专家小组要实现的设 计目标是共同的，而且他们所在的设计环境和上下文也是一致的。 ( 4 ) 灵活性：指参与设计专家和专业领域的数目，可以动态的增加或减少，而且 协同设计的体系机构也是灵活的、可变的。 协同设计要求不同的设计主体需要适时的进行交流沟通，以对某一问题的理解达成 共识，这便牵涉到知识的描述问题。在知识表达方面，人们已经作了大量的研究，但仅 局限于个别领域的描述性模型，无法很好的应用到协同设计过程中。由于设计过程的复 杂性、不良定义问题的本质性和缺乏结构性，相关的设计知识难于利用统一的模型来描 述。目前基于规则的推理知识表示方法和基于实例推理的知识表示方法应用比较广泛， 如文献【6 1 1 1 。 1 3 国内外研究现状 近些年来，美国、日本和欧洲各国政府在基于知识系统的开发与应用方面给予了有 力的支持，并且将其列为国家未来发展战略的重要核心技术【1 2 l 。国外著名的c a d c a m 系统开发商如u g s 、p t c 、s d r c 和d a s s a u l t ，争相开展基于知识的协同设计系统 的开发，使工程师在设计时可以得到产品领域知识的帮助，从而提高产品的设计能力和 生产效率。 商品化u g i i 软件从v 1 7 0 版推出了u g k n o w l e d g ef u s i o n 知识工程应用模块，其 含义是k d a ( k n o w l e d g ed r i v e na u t o m a t i o n ) ，即知识驱动自动化。它能够记录、重复 使用和维护各种类型的用于工程设计的知识，用它们来驱动、建立、选择和装配相应的 几何实体，它将所有的工程知识以统一的“规则 形式来表示工程产品不同参数和属性 之间的相互关系1 1 3 j 。j a n g u a r 公司是欧洲最早进行基于知识系统开发和应用的公司之一， 其开发的基于知识系统的设计软件，使大灯设计开发周期由以前的4 8 周缩短到1 天。 h u a n gg q 等人利用a g e n t 与工作流相结合的技术对协作过程进行管理，但对资源管理， 特别是知识管理比较缺乏i l4 。m i k er o s e n m a m 等人利用模型增强器对c a d 格式的设计 文档进行信息和资源提取，实现资源管理1 1 5 l 。b a l a s u b r a m a n i a mr a m e s h 等人对协作过程 知识管理进行了研究，强调了过程知识的重要性，他们利用s c e n a r i o 方法描述过程知识 管理，并侧重于新产品开发过程中的知识管理【1 6 l 。t e x a s 大学开发的s h a s t r a 是基于c s c w 的几何造型、模拟、查询及设计的原型系统。s h a s t r a 目标是提供基础几何数据结构和算 法，这些算法支持分布式构造，提供模型属性查询，协同交互，基于冲突检测的快速计 算和用于动态模拟的可视化信息以及实时场景显示。b a l a s u b r a m a n i a mr a m e s h 等人对协 作过程知识管理进行了研究，强调了过程知识的重要性，他们利用s c e n a r i o 方法描述过 基于本体及模糊逻辑的协同设计研究 程知识管理，并侧重于新产品开发过程中的知识管理。t i w a n a 通过研发一个知议管理系 统来支持产品协同设计过程中的信息与知识的获取、搜索与管理。r o d g e r s t o n 通过建立 基于w e b 的知识服务器w e bc a d e t 来支持产品概念设计中设计人员对设计相关知识 的获取与使用。 在国内，浙江大学国家c a d & c g 重点实验室和人工智能研究所曾经研究和开发一 个电子白板系统，并准备以此电子白板为基础对协同图形c a d 系统进行研究和开发。 同时浙江大学谭建荣、顾新建等提出了支持协同设计的知识管理系统功能模型及知识管 理集成模型，应用知识资源的元数据技术和知识的业务视图技术，实现了知识资源与特 定设计过程的集成。 华中理工大学研究和开发了方案设计专家系统的开发工具d e s t ，并成功地用于多 个新产品的方案设计中；谢友柏建立了现代设计与制造网上合作研究中心，进行异地合 作的产品设计和开发中获取设计知识等。其他高校，如上海交通大学、清华大学等，也 广泛开展了人工智能、专家系统和基于知识协同设计系统技术的应用研究。 1 4 本文研究内容与工作 本文主要研究了协同设计系统中知识的描述和利用，通过本体及模糊逻辑实现了基 于知识驱动的推理设计，具体内容如下： ( 1 ) 针对当前协同设计中存在的设计主体对领域知识理解互异性问题，利用本体 在知识表达方面的优势，搭建了基于本体的协同设计架构，设计了系统各功能模块，不 同设计主体在全局共享本体平台上进行交流，对领域知识的理解达成了共识。 ( 2 ) 为实现知识的可重用性和提高设计的智能性，实现基于知识驱动的协同设计， 本文构建了设计主体的局部知识库，包括局部o w l 本体库和s w r l 规则库，将相关的 领域知识以计算机可读的形式存储起来，同时将某些结构化数据存储到m i c r o s o f ta c c e s s 中，最后利用j e s s 推理机实现了基于知识的推理设计，提高了整个系统的智能性。 ( 3 ) 由于本体表达的局限性，本文利用模糊逻辑扩展了局部知识库的描述能力， 首先利用o w l 和s w r l 描述相关领域的模糊概念和规则，在这个平台上，将这些规则 格式转化为m a t l a b 模糊逻辑推理机支持的规则格式，实现了基于模糊知识的推理，系 统智能性得到进一步提高。 本文共分为5 章： 第l 章是绪论，主要介绍课题背景及意义、协同设计相关技术、以及目前协同设计 在国内外的研究现状，阐述了本文主要研究内容与工作。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 第2 章介绍了本体的相关概念，分析了o w l 本体描述语言及s w r l 规则语言的逻 辑基础，并且构建了一个基于本体的协同设计架构和一个冲模本体，展示了本体在知识 表达和推理方面的优势。 第3 章介绍了模糊理论的相关知识，阐述了模糊逻辑的理论基础，同时介绍了m a t l a b 模糊逻辑工具箱的基本知识。 第4 章首先介绍了实现协同设计的主要工具：j e s s ，e c l i p s e ，m i c r o s o f ta c c e s s 等， 然后给出了一个基于本体的协同设计实例及分析，验证了本文所构建的协同设计系统的 可行性。 第5 章给出了一个与冲模选型相关的实例，介绍了模糊知识如何通过o w l 及s w r l 描述以及这些模糊知识转化为m a t l a b 模糊推理机支持的知识格式，最后给出了相关的 实例分析。 基于本体及模糊逻辑的协同设计研究 2 本体在协同设计中的应用 2 1本体概述 本体( o n t o l o g y ) 源于哲学中的形而上学，其定义为“对世界上客观存在物的系统 地描述 1 7 1 。本体关心的是客观现实的抽象本质，对客观世界的事物进行分解，发现其 基本的组成部分，进而研究这些客观事物的抽象本质。 近年来本体被引入到人工智能领域，越来越多的研究者从不同的角度对本体的概念 进行了定义。f e n s e l 认为“本体是对一个特定领域中重要概念的共享的形式化的描述” 1 1 8 l ；s w a r t o u t 将本体定义为：“本体是一个为描述某个领域而按继承关系组织起来作为 一个知识库的骨架的一系列术语【1 们。目前得到广泛认同的本体定义是由w n b o r s t 提出的，他认为本体是共享概念模型的明确的形式化规范说明1 2 0 1 。其中： ( 1 ) 概念化：客观世界的现象的抽象模型； ( 2 ) 明确：概念及它们之间联系都被精确定义； ( 3 ) 形式化：精确的数学描述，能够被计算机自动识别处理； ( 4 ) 共享：本体中反映的知识是被其使用者共同认可的，即反映的是相关领域中 公认的概念。 尽管本体有很多种定义，但是在本质上，不同研究者对于本体的认识是统一的：把 本体当作是领域内不同主体( 人、机器、软件系统等) 之间进行交流的一种语义基础， 因此本体的目标便是捕获相关领域的知识，使得人们对某一领域知识明确规范的表示达 成共识。 本体利用其基本的建模元语来描述领域知识，主要包括类，属性，函数，公理，实 例。领域知识中有大量的概念，这些概念构成了领域知识的基本架构，它们具有一定的 层次结构，抽取其中某些概念可组成本体中的类，从语义上讲，类是对象的集合；类本 身具有某些特征以及类与类之间具有某些关系，属性可用来描述这些特征和关系；函数 是一类特殊的关系，在这种关系中前n 1 个元素可以惟一决定第n 个元素：c 1 c z c 0 l c n ；同时为描述一些约束信息，明确类之间的关系，本体提供了对公理的定义， 公理代表永真断言，公理对于属性和函数均具有约束作用；而实例指属于某个类的个体， 从语义上讲，实例表示的就是对象。通过上述建模元语，本体便可明确的表示领域中的 相关知识。 人们交流时之所以可以相互理解，不是由于人们知道单个词的意思，而是由于人们 理解由这些词与词的联系所构成句子的意思。就像a 是b 的儿子，a 也是c 的儿子， 大连理工大学硕士学位论文 且b 、c 不是同一人，那么我们便可知道b 与c 应该是夫妻，如果单凭a 、b 、c 、儿 子这四个词，我们肯定得不到“b 与c 是夫妻”这样的结论的，本体则可将这些词联系 起来，从而让计算机也能推出b 与c 是夫妻。 因此作为一个形式化的知识表示模型，本体为知识的计算机可理解提供了基础，它 架起了人与机器之间或者机器与机器之间进行沟通的桥梁，使得机器智能化成为可能 【2 。将本体应用到协同设计中，不但能够为不同的设计主体提供个共享的知识平台， 作为主体间交流的语义基础，同时也能提高各个主体设计的智能性。 2 2o w l 及其逻辑基础 本体提供了知识描述的模型，还必须要有特定的语言来描述本体，实现领域知识的 计算机可读，也就是使计算机理解由本体描述的领域知识。 在人工智能中，将知识符号化是知识表达的一个基本思想，这利于计算机对知识的 获取和处理。命题逻辑便是这样一种知识表达方法，它以原子命题为基本单位，来研究 复合命题之间的逻辑关系和推理，但由于很多命题之间的逻辑关系不是体现在原子命题 之间，而是体现在构成原子命题的内部成分之间，使得这些知识用命题逻辑难以确切地 表示和推导出来i z2 。，因此谓词逻辑将原子命题进一步划分为个体词，谓词和量词，它可 明确的表示所要描述的对象、属性、数量等知识。个体和谓词均有常元和变元，可描述 一批对象和属性，其可扩展性大大增强，而量词的应用则更加准确的刻画出个体的取值 范围，使得谓词逻辑的表达能力和支持推理的能力增强。由谓词逻辑描述的知识可通过 谓词演算系统进行推理，它根据谓词逻辑的一些公式、规则、定理进行推理，例如p 规 贝l j ，c p 规则，e g 或u g 等。 作为当前w 3 c 推荐的语义互联网中本体描述语言的标准，o w u 2 3 】( w e bo n t o l o g y l a n g u a g e ) ，是基于描述逻辑的，它具备较强的知识表达能力和支持推理的能力，同时 可实现本体的自动检测和维护。描述逻辑是一阶谓词逻辑的可判定子集，它建立在概念 ( 相当于一元谓词) 和角色( 相当于二元谓词) 的基础上。描述逻辑将概念解释为特定 领域的子集，角色解释成该领域上的二元关系。一个解释i = ( i ，( ) i ) 解释函数把 原子概念映射到1 的子集，把原子关系映射到1 1 的子集。基于描述逻辑知识库由 l r b o xt 和a b o xa 两部分构成：= ( t a ) 。 t b o x 是有关概念和角色断言的集合，其定义如下： t = c i l d i 1s is n l ) u q - - o i l ls j s n 2 】iu r k ls k 1s k s m l ) u r i = s l l ls l s m 2 ) ( 2 1 ) 式2 1 中，c 、d 是概念，分为基本概念和定义概念；r 、s 是角色，分为基本角色 和定义角色。通过确定领域的基本概念和基本角色，再引入构造算子，便可定义复杂的 基于本体及模糊逻辑的协同设计研究 定义概念和定义角色。 a b o x 定义如下： a = c j ( a i ) ii ，j i ) u r k ( a i ，a j ) ii ，j ，k i 】 ( 2 2 ) l b o x 是有关个体断言的集合，断言一个个体是某个概念的实例或者断言两个个体 之间存在某种关系。这里c 为t b o x 中定义的概念，r 为t b o x 中定义的角色，a 为对象。 描述逻辑不仅具有知识表达能力，同时也具备支持推理的能力。基于描述逻辑知识库的 推理，在t b o x 中主要是包含检测，等价检测和可满足性检测，a b o x 中主要是实例检 测，它们均可归结为可满足性检测，如下所示： ( 1 ) c n d 不可满足辛c u - d ； ( 2 ) ( cn ，d ) n ( dn c ) 不可满足辛c f f i d ； ( 3 ) a u 【一c ( a ) 不可满足净a = c ( a ) ； 基于以上分析，可以看出描述逻辑的表达能力和推理能力是较强的。其中o w l 提 供了三种表达能力递增的子语言o w ll i t e ，o w ld l 和o w lf u l l l 矧。 ( 1 ) o w ll i t e 用于提供给那些只需要一个分类层次和简单约束的用户。例如， o w li a t c 支持基数限制，只允许基数为0 或1 。 ( 2 ) o w ld l 支持那些需要最强表达能力的推理系统的用户，且这个推理系统能 够保证计算的完全性( 所有的结论都能够保证被计算出来) 和可判定性( 所有的计算都 在有限的时间内完成) 。 ( 3 ) o w lf u l l 支持那些需要尽管没有可计算性保证，但有最强的表达能力和完全 自由的r d f 语法的用户。 其中，o w ld l 基于描述逻辑s h i q ，其语法结构与s h i q 都有一定的对应关系， 表1 描述了这种对应关系。由表可以看出，o w ld l 和s h i q 在表达能力上是等价的， 例如p e r s o n 由m a n 和w o m a n 组成，在描述逻辑中，p e r s o n 可通过“m a n u w o m a n ， 即m a r l 和w o m 锄的并集来表示，在o w ld l 中则可由u n i o n o f ( m a nw o m a n ) 表示；而 m a n 也可表示成“- , w o m a n ，即w o m 孤的补集，在o w ld l 中则对应于c o m p l e m e n t o f ( w o m a n ) ；o w l 中的d i s j o i n t c l a s s e s ( c 1 ，c 2 ，c 3 ) ，它在描述逻辑中可用 ( c l 坚1 ( c 2 uc 3 ) 】n ( c 2 - - - c 3 表示。同时由表1 可以看出，描述逻辑有丰富的构造 算子，利用这些构造算子在一些简单概念和关系的基础上可构造出复杂的概念和关系， 并且能保证推理过程总能停止并返回正确结果。因此通过基于s h i q 的o w ld l 建立的 立的本体也能在概念和关系的基础上明确的描述领域中的知识，同时利用推理机可实现 概念的冲突检测和发现隐藏在深层次的知识。由于o w ld l 比o w ll i t e 的表达能力强， 大连理工大学硕士学位论文 并且它能保证所有的结论均可被推导出来，而o w lf u l l 不能保证这一点，因此我们选 择o w ld l 作为领域本体描述语言。 表2 1o w l d l 与描述逻辑 t a b 2 1o w ld la n dd e s c r i p t i o nl o g i c o w ld la b s t r a c ts y n t a x d l s y n t a x u n i o n o f ( c 1c 2 ) i n t e r s e c t i o n o f ( c lc 南 c o m p l e m e n t o f ( c ) s u b c l a s s o f ( c 1c z ) d i s j o i n t c l a s s e s ( c lc 裔 e q u i v a l e n t c l a s s e s ( ac 2 ) r e s t r i c t i o n ( pa l l v a l u e s f r o m ( c ) ) r e s t r i c t i o n ( ps o m e v a l u e s f r o m ( c ) ) c 1 1 3 c 2 o f l c z - 1c c ，1 乙j l 2 c in c 2 - - - - - - 上 c i - - - c 2 v p c 3 p c 2 3 基于本体协同设计架构及本体构建 本体具有在语义层次上表达知识的能力，利用本体构建的知识库，可以使领域知识 得到共享和重用。将本体应用到协同设计中，必将增强整个协同系统的智能性。本文所 构建的基于本体协同设计系统架构如图2 。l 所示，其中知识库由以下几部分组成： ( 1 ) 全局共享本体库( g l o b a ls h a r e do n t o l o g y ) 全局共享本体库是协同设计架构的重要组成部分之一，它为不同的设计主体提供了 一个知识共享平台，主要包括领域内一致认可的概念以及这些概念之间的关系等，全局 本体提供了整个系统集成数据信息的全局视图。由于本体能在语义级别上描述领域知 识，全局共享本体库也为各个设计主体之间的沟通提供了语义基础，使得主体对于领域 知识达成了共识，能够进行无歧异的交流，提高协同设计的效率。 基于本体及模糊逻辑的协同设计研究 图2 1 基于本体协同设计系统架构 f i g 2 1 c o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e ma r c h i t e c t u r eb a s e do no n t o l o g y ( 2 ) 局部知识库( l o c a lk n o w l e d g eb a s e ) 设计主体本身的局部知识库包括局部本体库和s w r l 规则库。局部本体库主要描述 与主体相关的领域知识，是主体进行推理设计的逻辑基础；s w r l 规则库在局部o w l 本体库基础上补充了规则的定义，提高了知识库支持推理的能力。每一个局部本体库中 的概念都将对应到全局本体库中的相关概念上，这个对应关系是由一系列映射规则定义 的。各个设计主体可通过全局本体与局部本体的转换理解其它主体的知识，达成对领域 知识理解的共识，同时为避免本体中的类发生冲突，可选择p e l l e t 或者r a c e r 推理机维 护本体库。 在这个协同设计系统中，我们将某些结构化数据存储到数据库中，以重复利用某些 数据。设计主体在全局共享本体库和局部知识库基础上，通过推理机可实现基于知识驱 动的协同设计，既减少了主体间交流的语义分歧，又提高系统的智能性。 2 3 1 冲模相关知识 本文主要探讨了局部知识库的构建，为了能展示本体在实际领域中的应用，我们在 大连理工大学硕士学位论文 本文构建了一个冲模本体，首先介绍一下冲模的相关知识。 在现代工业中，大部分工业产品需要使用模具，模具在很大程度上决定着产品的质 量、效益和新产品的开发能力，模具工业已经成为工业发展的基础。但是随着市场对产 品质量、种类和交货时间要求的提高，冲模设计中存在的问题却越来越突出，主要表现 在：当前冲模设计周期长，随着社会的发展已不能满足消费者对产品种类的多样化要求； 冲模设计是工程师运用知识进行的创造性劳动，它要求模具设计和制造人员具有丰富的 知识和经验，这导致冲模设计成为入门门槛很高的工作，冲模需求的快速增长导致有经 验的冲模设计人才缺乏；冲模设计中存在大量的重复性劳动。 任何一副冲模都是由各种不同的零部件组成的，虽然数量繁多，但无论它们的复杂 程度如何，冲模上的零部件都可以根据其作用分为几种基本类型，冲模零部件设计知识 可大致分为以下几类，如图2 2 所示： f 冲模零部件设计知识 丁作零部件设计知识 定位零部件设计知识 卸料零部件设计知识 压料零部件设计知识 紧固零部件设计知识 辅助零部件设计知识 图2 2 冲模零部件设计知识分类 f i g 2 2 c l a s s i f i c a t i o no ft h ed o m a i nk n o w l e d g eo fd i e 2 3 2o w l 本体库构建 通过本体对某一领域进行知识建模，可以形式化的描述领域知识，实现领域知识的 计算机可读【2 5 1 。不同的设计主体可利用共享本体库作为它们交流的语义基础，领域中的 基于本体及模糊逻辑的协同设计研究 大部分知识存储在本体库中，主要包括领域中的概念，概念之间的关系和对概念的某些 限制，它是整个系统逻辑推理机制的基础。 本文中的冲模本体是通过p r o t 6 9 6 2 6 j 构建的，它是一个免费开放源码的本体编辑器， 基于j a v a 实现，提供可扩展的a p i 接口。同时它也提供了一种即插即用的环境，因此 p r o t 6 9 6 具备可扩展性。p r o t 6 9 6 本体可导出为各种格式，包括r d f ( s ) 、o w l 和x m l s c h e m a 等，本体可通过p r o t 6 9 6 的图形化操作界面构建，不必直接编写o w l 代码，简 化了本体的构建过程。p r o t 6 9 6 拥有一个由开发者、学术用户、政府用户和公司用户共 同构成的强大群体。他们在各种各样的领域中为寻求知识解决方案而使用着p r o t 6 9 6 ， 由于优秀的设计和众多的插件，p r o t 6 9 6 已成为目前使用最广泛的本体编辑器。 g r u b e r 在文献【2 7 】中提出了构造o n t o l o g y 的6 条规则，本体的构建要依据这些原则： ( 1 ) 明确性和客观性。o n t o l o g y 应能有效地说明所定义术语的内涵，定义应该是 客观的，与背景独立的，同时定义应该是形式化的。 ( 2 ) 完全性。即所给出的定义是完整的，完整的定义要比部分定义要好，完全能 表达所描述术语的含义。 ( 3 ) 一致性。由本体推断出来的概念定义应该与本体中的概念定义一致，如果从 一组公理中推断出来的一个句子与一个非形式化的定义矛盾，那么这个本体就是不一致 的。 ( 4 ) 最大单向可扩展性。向o n t o l o g y 中添加通用或专用的术语时，不需要修改其 已有的内容；本体应该为可预料的任务提供概念基础。 ( 5 ) 最小编码偏差。o n t o l o g y 不应该依赖于某一特殊化的符号层的表示方法，表 示形式的选择不应该只考虑表示上或实现上的方便。 ( 6 ) 最小o n t o l o g y 承诺。本体应该对所模拟的事物产生尽可能少的推断，让共享 者自由地按照他们的需要去专门化和实例化这个本体。 在构建本体之前，首先应明确构建本体的目的、作用。本文所构建的冲模本体是协 同设计系统中各个设计主体自身的局部本体，其目的主要是为了提高产品设计的智能 性，以及使得设计进程能在语义级别上进行，实现基于知识驱动的设计，提高模具设计 效率。 其次，应熟悉本体所涉及的领域，列举出领域中的重要概念。本文构建的是一个冲 模本体，在第一节已经大致介绍了冲模零部件设计的基本知识，例如在冲模设计领域中， 一副冲模一般都是由“工作零件 、“定位零件、“卸料零件 、“压料零件 、“紧 固零件”和“辅助零件 几部分组成，上述几个名词便是领域中的基本概念，同时工作 大连理工大学硕士学位论文 零件中的“凹模”、“凸模”，定位零件中的“导柱”、“导套”等都是比较重要的概 念。在确定了这堂比较重要的概念之后，便可以定义本体中的类上面所列举的概念 都可以作为冲模本体的类。 酗23 冲模本体中的部分类 f i g2 3 p a , t sc l a s s e s d e f i n e d i n d i e o n t o l o g y ( 1 ) 本体中类的添加 由g r a b e r 所提出的奉体构建原则可知明确性是本体的一个基本特征。只有明确 的定义类及其关系本体才能够在语义层次上