（机械制造及其自动化专业论文）plm的本体构建和知识挖掘研究.pdf

摘要 通过构建p l m 系统的本体，为该领域提供公共的可共享的领域本体模型， 可以实现不同p l m 系统之间产品数据的共享、集成和重用。通过在本体上进行 知识挖掘，不仅可以在保证产品数据安全的前提下，挖掘出蕴藏在产品数据中的 信息和知识，而且可以运用p l m 系统的文档管理功能将发掘的信息和知识管理 起来，增强p l m 系统的知识发现和管理功能，从而对企业的知识运用和共享起 到重要作用。 本文首先参照s t e pp d ms c h e m a 在p r o t 6 9 6 3 1 中构建了p l m 系统领域本体 模型并将其导出为x m l 文档。其次将x m l 文档映射为关系数据库，本文在参 照z h e n g 的基于代价的模式映射方法基础上，提出了一种改进的x m l 关系映射 方法，该方法通过简化d t d 生成d t d 模式图和引入一个新的代价模型来获得 更精确的代价估算。然后通过相应的数据结构转换和映射实现t e a m c e n t e r 与p l m 本体的集成，通过p l m 软件与p l m 本体的集成，我们也可以实现对其他p l m 软件的知识挖掘。最后本文提出了一种高效的关联规则挖掘算法f a s t d p ：采用 经典的f a s t 的算法思想选取样本，使得选取的样本更具有典型性和精确性：对 所选取的样本用本文提出的基于数据块划分的方法进行关联规则的挖掘，这样只 需要扫描整个数据库两次，大大地提高了效率。在实验中同其它的算法进行了比 较，改进的算法提高了挖掘性能。 关键词：本体、知识挖掘、基于代价的模式映射、关联规则挖掘、f a s t a b s t r a c t b yc o n s t r u c t i n gt h ed o m a i no n t o l o g yo fp l ms y s t e m ，t h ep u b l i ca n ds h a r a b l e d o m a i no n t o l o g ym o d e lc a nb ep r o v i d e df o rt h ed o m a i n t h es h a r e ，i n t e g r a t i o na n d r 吼l s eo f p r o d u c td a t ab e t w e e nd i f f e r e n tp l m s y s t e m sc a l lb ea c h i e v e d b yk n o w l e d g e m i n i n go nt h eo n t o l o g y , n o to n l yt h ei n f o r m a t i o na n dk n o w l e d g ec o n t a i n si nt h e p r o d u c td a t ac a nb em i n e du n d e rt h ec o n d i t i o no fa s s u r i n gt h ep r o d u c td a t as e c u r i t y , b u ta l s ot h ed o c u m e n tm a n a g e m e n tf u n c t i o no fp l ms y s t e mc a nb eu s e dt om a n a g e t h ei n f o r m a t i o na n dk n o w l e d g et h a tm i n e d ；a n dt h e k n o w l e d g ef i n d i n g a n d m a n a g e m e n tf u n c t i o no fp l ms y s t e mc a nb eb u i l tu p ；c o n s e q u e n t l yi tc a nh a v e i m p o r t a n te f f e c to nt h ek n o w l e d g ee x e r t i o na n ds h a r eo f e n t e r p r i s e t h i sp a p e rf i r s tp r o v i d e sa no n t o l o g ym o d e lo fp l m s y s t e mi np r o t 6 9 6 3 1a n d e x p o r t sa sx m l d o c u m e n tw h i c hi sc o n s u l ti ns t e pp d ms c h e m 乳n e x tt h ex m l d o c u m e n ti sm a p p e df o rr e l a t i o nd a t a b a s e ，t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r da na d v a n c e d x m lr e l a t i o nm a p p i n ga r i t h m e t i co nt h er e s e a r c ho fz h e n g sm a p p i n ga r i t h m e t i c i t c r e a t e sd t dm o d e lc h a r tb yp r e d i g e s t i n gd t da n di m p o r t san e wc o s tm o d e l m a p p i n ga r i t h m e t i cf o ra c h i e v i n gm o r ea c c u r a t ec o s te s t i m a t e t h e nb yr e l e v a n td a t a s t r u c t u r ec o n v e r s i o na n dm a p p i n g , t h ei n t e g r a t i o no ft e a m c e n t e ra n dp l m o n t o l o g y i sa c h i e v e d b yt h ei n t e g r a t i o no fp l ms o r w a r e sa n dp l mo n t o l o g y , w ec a l la l s o r e a l i z et h ek n o w l e d g em i n i n go fo t h e rp l ms o f t w a r e s f i n a l l yt h i s p a p e rb r i n g s f o r w a r dah i g he f f i c i e n ta s s o c i a t e dr u l em i n i n ga r i t h m c t i c - f a s t d ei ts e l e c ts a m p l e s u s i n gc l a s s i c a lf a s ta r i t h m e t i ct h o u g h t , s ot h es a m p l e st h a ts e l e c ta r em o r ec l a s s i c a l a n da c c u r a c y , t h e nw ep r o g r e s sa s s o c i a t e dr u l em i n i n gb a s e do nd a t ab l o c kp a r t i t i o n f o rs e l e c t e ds a m p l e s t h u st h ew h o l ed a t a b a s eo n l yn e e dt ob es c a n e dt w i c e , e f f i c i e n c yc a nb eh i g h l ya d v a n c e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tf a s t d p o u t p e r f o r m so t h e ra r i t h m e t i c si nt h ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：o n t o l o g y , k n o w l e d g em i n i n g , m o d e lm a p p i n gb a s e do nc o s t , a s s o c i a t e dr u l em i n i n g , f a s t 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：弼 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 醴吼边同7 参 第一章绪论 随着市场需求的日益多变、技术的不断进步，并伴随着中国加入w t o ，企 业之间的竞争日益激烈，企业核心竞争力的提升不仅仅靠其信息化技术，更重要 的是依赖于企业的知识积累和管理。p l m 系统作为一种产品全生命周期管理的 平台，其自身拥有的产品数据能否得到有效的开发和利用，对于企业知识的积累 和管理将起到十分关键的作用。通过构建p l m 系统的本体，为该领域提供公共 的可共享的领域本体模型，可以实现不同p l m 系统之间产品数据的共享、集成 和重用。而通过在本体上进行知识挖掘，不仅可以在保证产品数据安全的前提下， 挖掘出蕴藏在产品数据中的信息和知识，而且，可以运用p l m 系统的文档管理 功能将发掘的信息和知识管理起来，增强p l m 系统的知识发现和管理功能，从 而对企业的知识运用和共享起到重要作用。 当前国内外有很多种p l m 软件，各个软件都采用自己的标准。这给我们共 享不同p l m 系统之间的数据造成很大困难。而p l m 系统与知识挖掘系统往往 都是独立的，没有实现有效的数据交换和集成。难以保障知识挖掘原始数据的安 全性以及知识挖掘过程的时效性，从而不利于增强p l m 系统的知识发现功能。 面对激烈的市场竞争，企业迫切地需要实现产品数据的充分挖掘和企业知识的积 累。针对这一现实要求，本文结合国内外本体及知识挖掘技术的研究成果，首先 构建了p l m 系统的本体模型，其次将p l m 的本体导出为x m l 文档，再次将 x m l 文档映射为关系数据库，最后进行了关系数据库关联规则挖掘的初步研究 和探讨。 1 1 课题研究背景 1 1 1p l m 研究概况 p l m 是在2 0 0 0 年作为一个专业术语被明确地提了出来的，但是作为一个整 体解决方案的范畴，它仅仅是在最近2 年才开始的，并且正在快速发展中，己经 逐步扩展到航空航天、汽车、电子、家电、消费品、工业机械、厂房设计、船舶 等多个行业，并有向其他行业延伸的趋势【i 】a 目前的p l m 产品主要有：i b m 的c a t i a v 5 r 8 ，由i b m 公司、m s cs o f t w a r e 第1 页共7 9 页 公司及d a s s a u l ts y s t e m 公司合作提供产品生命周期管理的支持和服务；s a p 公 司推出的m y s a pp l m 系统，其模块能够与其3 r e r p 集成，实现多个企业、多 个部门之间共同协作，实现对产品从需求到实际购买的过程进行管理，提供端到 端的解决方案；s m a r t e a m 把p l m 系统称为产品协同商务( c o l l a b o r a t i v ep r o d u c t c o n u n c r c 宅，c p c ) ，由其p d m 系统扩展而来；e d s 把p l m 称为t e a m c e n t e r ，通 过网络协同跨越管理企业和产品整个生命周期的产品数据，依靠五条商业线提供 面向p l m 的全面解决方案；1 9 9 7 年p t c 公司推出的p l m 产品w i n d c h i l l 是一 个完全建立在i n t e n e t 平台、c o r b a 和j a v a 技术基础上的产品。包括三部分， 即w i n d c h i l li n f o r m a t i o nm o d e l e r 、w i n d c h i l ll i f e c y c l ea p p l i c a t i o ns u i t e 和 h d c l l i l lf o u n d a t i o n 。 目前，世界许多知名企业，如空中客车公司、西门子、惠普公司、壳牌石油 公司等成为m y s a p p l m 的成功用户。日本、韩国等国家也开始着手研究p l m 。 日本托达( t o d a ) 赛车制造有限公司采用了i b m 的p l m 系统，大大缩短了零部件 及产品的开发周期，优化了产品全生命周期的各个阶段。p l m 在国外的成功应 用也为这些企业巨子带来了无可比拟的竞争优势，p l m 技术对制造业的巨大影 响，使得p l m 将迅速地从过去为企业提供竞争优势变成企业参与竞争的必要条 件。随着竞争的加剧，p l m 的需求将会急剧膨胀。 p l m 不但需要企业自身的信息化建设和应用保持在一个较高的水平，而且 需要供应链上的其他企业也有一个比较高的信息化应用认识和基础。与国外跨国 公司相比，国内企业的经营规模较小，跨地域协作能力比较低，信息技术应用基 础薄弱，对p l m 的认识程度有待提高。因此与r r 厂商、企业、媒体热炒的e r p 相比，p l m 显得有些曲高和寡。尽管如此，我们还是应当看到，p l m 代表了今 后r r 应用的发展趋势，p l m 包含的协同思想对企业经营有重要的启发，因此， 也正引起越来越多的我国制造业企业的关注。 一些国内企业在系统地分析国际上现有主要的p l m 系统的技术、产品、 解决方案的基础上，也提出了具有p l m 特征的技术框架。联想集团正在实施的 电子商务计划中，还将捆绑3 套悬挂系统：c r m ( 客户关系管理) 、s c m ( 供应链管 理) 和p l m 。清华大学的t i p l m 系统是在n e t 平台上，采用c 样，c + + 语言开发 的支持分布式对象计算的企业级产品数据管理系统，支持多层分布式体系结构。 第2 页共7 9 页 清华英泰t i p l m 作为基础信息服务平台，为企业提供包括市场销售、概念设计、 产品设计、工艺设计、生产制造、产品交付、维修服务和用户操作等产品各个生 命周期的多层面、多目标的服务【2 l 。 由于我国台湾地区的制造业正从劳动密集型向附加值较高的产品设计方向 发展，因此，产品开发周期越来越短，企业也越来越重视产品设计，所以台湾地 区的p l m 也发展得如火如荼。 1 1 2 本体研究概况 从总体上来看，当前对本体的研究包含3 个层次上的内掣3 】： ( 1 ) 本体论工程。其主要目的是研究和开发本体的内容，包括两个方面，其 一是研究和创建特定领域的本体库，其二是研究和建立通用知识的( 或常识知识 的) 本体库。 ( 2 ) 本体的表示、转换和集成。研究用于表示各种本体的知识表示系统，提 供形式化方法和工具，使所建立的本体能够方便地被共享和重用，提供不同的本 体评价和比较框架，研究不同本体之间的转换方法和不同本体的集成方法，提供 不同本体之间互操作的手段。 ( 3 ) 本体的应用。主要研究以特定领域本体或通用知识本体为基础的应用。 图1 1 本体论研究与开发的层次 图1 1 展示了目前关于本体论研究与开发的不同层次上的工作。其中，顶级 本体主要研究非常通用的概念，如，空间、时间、事物、对象、事件、行为等等， 它们完全独立于特定的问题或领域。因此可以说顶级本体是在一个很大的范围内 共享。来自于工程、哲学、信息科学等领域的研究者组成了标准上层本体 第3 页共7 9 页 s u o ( s t a n d a r du p p e ro n t o l o g y ) 研究组。研究组于2 0 0 0 年1 0 月向i e e e 提交7 项 目申请，并于2 0 0 0 年1 2 月获准成立了s u o 工作组。工作组的任务是详细定义 一个上层本体的语法和语义，建立通用术语的定义和下层领域本体的基础结构； 第2 层的领域本体则研究与一个特定领域相关的术语或词汇。在同一层上的任务 本体则定义通用任务或推理活动，它们都可以引用顶级本体中定义的词汇来描述 自己的词汇；第3 个层次上的应用本体则描述特定的应用，它既可以引用涉及特 定的领域本体中的概念，又可以引用出现在任务本体中的概念；最后一个研究层 次是本体描述和操作语言，它为各个层次上的本体提供表示、开发和操作工具。 国外本体技术的研究很多都处在摸索阶段，其研发成果大多都面向公众免 费、开放使用，目前已经进展到大规模工业化应用研究阶段。这些做法很值得我 国相关研究机构和人员借鉴。 表1 1 列举了国外对本体研究的主要项目【4 1 ，从本体论的目标和内容进行分 类：项目l ，2 ，6 主要建立一般化的本体；项目3 ，5 ，7 ，8 ，1 0 主要建立特定领域的 本体。其中8 ，1 0 侧重应用于企业信息集成；项目4 ，9 侧重讨论本体的一般性表 示的建立。 项目名称 项目描述 l c y cp m j e c t l e n a t ，d ，1 9 9 0 】 适用于常识知识的一般化本体项目 2 g e n e r a l i z e d u p p e rm o d e l 面向一般任务和领域独立的本体项目 d a h l g r e n i c a ，1 9 9 5 】 3g e n s i m p r o j e c t b a t e m a n j a 1 9 9 4 】 一般性的仿真系统本体项目 4 k i f m r g e n e s e r e t h ，1 9 9 2 】 以描述性语义定义的本体项目 5p l i n u sp r o j e c t v a nd e rv e t , 1 9 9 4 】表达陶瓷材料的机械属性的本体项目 6 j s o w a s o w a j f , 1 9 9 4 】 综合哲学见解的一般化的本体项目 7t o v ep r o j e c t m a r ksf o x ，1 9 9 3 】 应用于企业建模的本体项目 8 e n t e r p r i s eo n t o l o g y u s c h o l d ，m ，1 9 9 8 】 应用于企业信息集成的本体项目 9 k a c t u s s c h r e i b c r , c 1 9 9 5 】 本体的形式和框架 1 0u m l sp r o j e c t h u m p h r e y s b l ，1 9 9 3 】 医学概念本体项目 表1 1 本体研究项目 与国外相比，国内无论是在理论研究、实证研究，还是在技术手段的实现和 应用方面，与国外高水平的研究相比都存在很大差距。国内对本体的研究还处于 第4 页共7 9 页 起步阶段，主要有信息检索、产品信息建模、虚拟企业建模【s 】常识知识库等方 面，如中国科学院计算机技术研究所大规模知识系统的研究、中国科学院数学研 究所常识知识库的研究、浙江大学人工智能研究所基于本体论的产品信息集成研 究等。 1 1 3 知识挖掘研究概况 知识挖掘是数据挖掘的一种更广义的说法，又称为数据库中的知识发现 ( k n o w l e d g ed i s c o v e r yf r o md a t a b a s e ，简称k d d l 。k d d 一词首次出现在1 9 8 9 年8 月举行的第l l 届国际联合人工智能学术会议上。迄今为止，由美国人工智 能协会主办的k d d 国际研讨会己经召开了7 次，规模由原来的专题讨论会发展 到国际学术大会，人数由二三十人到七八百人，研究重点也逐渐从发现方法转向 系统应用，并且注重多种发现策略和技术的集成，以及多种学科之间的相互渗透。 其他内容的专题会议也把数据挖掘和知识发现列为议题之一，成为当前计算机科 学界的一大热点【6 】。 与国外相比，国内对k d d 的研究稍晚，没有形成整体力量。1 9 9 3 年国家自 然科学基金首次支持我们对该领域的研究项目。目前，国内的许多科研单位和高 等院校竞相开展知识发现的基础理论及其应用研究。 随着知识挖掘理论的研究的发展其应用也越来越普及。知识挖掘可以应用在 各个不同的领域。尤其是在银行、电信、保险、交通、零售( 如超级市场) 等商业 领域，有关数据挖掘技术的软件产品也日臻成熟，市场份额逐年增长。 但是，在国内外将本体和知识挖掘技术应用于p l m 系统的研究和开发还比 较少。因此，本文在研究国内外p l m 本体和知识挖掘技术的基础上，大胆提出 了p l m 的本体构建，并将本体导出为x m l 文档，然后将x m l 文档映射为关系 数据库，最后进行了关系数据库关联规则挖掘的初步研究和探讨。 1 2 本文研究的意义 随着计算机、通信、电子等信息技术的飞速发展，信息和知识在企业发展中 的关键地位得到越来越多的关注。企业的信息和知识是其生存的关键。在这个全 新的知识时代，只有那些成功地收集、分析、掌握信息和知识并根据相关信息或 知识决策的企业才能够真正立于不败之地。 第5 页共7 9 页 一个公共可读取的有关的本体集合，能够促使整个企业内来自各种资源的信 息更有效地被大家共享。可以实现术语的标准化，使各种人员之间交换知识时， 有更多规范化的术语作基础，而不会引起不必要的误解。通过构建p l m 系统的 领域本体，可以为该领域提供公共的可共享的领域本体模型，实现不同p l m 系 统之间产品数据的共享、集成和重用。 知识挖掘技术与p l m 系统的结合，使得数据库中的大量数据可以得到充分 开发和利用，获得可用于企业分析决策的信息和知识，例如各类数据对象的重要 性、零部件更改频率的统计、员工完成计划任务的进度、完成计划任务的预测时 间、员工进行产品设计的熟练程度等等。同时，利用p l m 系统的产品数据保护 机制，有效地保障了数据库中原始数据的安全性。通过对被发现信息和知识的分 析利用，可以有效地提高产品数据的利用率以及员工的工作效率，从而促使企业 经济效益的提升。 1 3 本文研究的内容 如图1 2 所示，本文的总体框架如下： 绪论 、y 本体的基本概念和构造方法 矿 知识挖掘中的关联规则算 p l m 系统的颁域本体模型构建 法研究 y、y y 改进的f a s t d p 算法及实现 y 总结与展望 图1 2 论文章节安排 第6 页共7 9 页 从图中可以看出，本文共分7 章： 第一章：绪论。首先提出了课题的研究背景，分析了国内外相关研究概况， 并给出了本课题研究的意义及论文的框架结构。 第二章：本体的基本概念和构造方法。主要介绍了本体的基本概念、领域本 体构建的基本思路和本体的构建工具- p r o t 6 酌。 第三章：p l m 系统的领域本体模型构建。主要介绍了p l m 的主要功能模块、 p l m 框架结构的u m l 表示、p l m 系统的领域本体构建原则、p l m 系统的领域 本体构建过程，以及将p l m 的领域本体导出为x m l 文档和把x m l 文档映射为 关系模式等。 第四章：知识挖掘中的关联规则算法研究。主要介绍了知识挖掘中的关联规 则算法。包括知识挖掘的基本概念，关联规则的概念及相关定义，挖掘步骤及应 注意的问题，关联规则的分类，主要研究方向和典型算法并重点介绍了a p r i o r i 算法。 第五章：改进的f a s t d p 算法及实现。主要介绍了取样算法，f a s t 算法， 基于数据块划分的a p r i o r i 改进算法，改进的f a s t d p 完整算法，t e a m c e n t e r 与 p l m 本体的集成及实验结果分析等内容。 第六章：总结与展望。总结了课题的研究成果，并指出了其不足点，为今后 的工作提出了进一步研究方向。 第7 页共7 9 页 第二章本体的基本概念和构造方法 第一代互联网的发展源于技术推动，注重于外界客体( n e t ) 间的互联交互；而 第二代互联网由于电子商务的出现，互联交互集中到了社会主体( s u b j e c t ) 上；在 互联网的第三阶段，发展重心定位于思维符号( t e x t ) 上的交互，互联网必须能够 理解词语符号( s y m b o l s ) 在特定的环境下组成的( t e x o 。这必然促生大量领域知识 本体。 2 1 本体基础知识 2 1 1 本体的概念 本体原是表述哲学理论的一个术语。1 7 世纪初，西方哲学家提出本体论概 念，认为本体论是关于存在及其本质和规律的学说。1 8 世纪初，本体论已在哲 学界被广泛采用。在2 0 世纪的分析哲学中，本体论正式成为研究实体存在性和 实体存在的本质等方面的理论7 1 。可见，存在论本体是以体系化说明万事万物为 目的，探究存在实体问的区别和关系的学说。存在论研究的理论与体系等知识称 之为本体。 后来随着在人工智能、计算机以及网络领域中的应用发展，其定义也被融入 了许多新的内容。其中最著名、被引用最为广泛的定义是由g r u b e r 提出的“本 体是概念化的明确的规范说明”。s t l l d e r r 对本体诸多定义进行概括分析后认为， 本体论的概念包括四个主要方面i 8 】： ( 1 ) 概念化( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) ：客观世界现象的抽象模型，其表示的含义独 立于具体的环境状态； ( 2 ) n 确( e x p l i c i t ) ：概念及它们之间联系都被精确定义； ( 3 ) 形式化( f o r m a l ) ：精确的数学描述，计算机可读； ( 4 ) 共享( s h a r e ) ：本体中反映的知识是其使用者共同认可的，是相关领域中公 认的概念集，它所针对的是团体而不是个体。 2 1 2 本体建模元语 p e r e z 等用分类法组织分析已有本体，归纳出5 个基本的建模元语( m o d e l i n g p r i m i t i v e s ) 【9 1 ，即一个完整的本体应该具有5 个部分： 第8 页共7 9 页 ( 1 ) 类( c l a s s e s ) 或概念( c o n c e p t s ) ：指任何事务，如工作描述、功能、行为、策 略和推理过程。从语义上讲，它表示的是对象的集合，其定义一般采用框架( f l a m e ) 结构，包括概念的名称，与其他概念之间的关系的集合，以及用自然语言对概念 的描述。 ( 2 ) 关系( r e l a t i o n s ) ：领域中概念之间的交互作用，形式上定义为n 维笛卡尔 积的子集：r ：c i x c 2 x x c n 。如子类关系( s u b c l a s s - o f ) 。在语义上关系对应于对 象元组的集合。 ( 3 ) 函数( f u n c t i o n s ) ：一类特殊的关系。该关系的前n - 1 个元素可以唯一决定 第n 个元素。形式化的定义为f ：c ix c 2 x x c n - 1 一c n 。如m o t h e r - o f 就是一个 函数，m o t h e r - o f ( x ，y ) 表示y 是x 的母亲。 ( 4 ) 公理( a x i o m s ) 表永真断言，如概念乙属于概念甲的范围。 ( 5 ) 实例( i n s t a n c e s ) ：代表元素，从语义上讲实例表示的就是对象。 从语义上讲，基本的关系共有4 种： ( 1 ) p a r t - o f 表达概念之间部分与整体的关系。 ( 2 ) k i n d o f 表达概念之间的继承关系，类似于面向对象中的父类与子类之间 的关系。 ( 3 ) i n s t a n c e - o f 表达概念实例与概念之间的关系，类似面向对象中对象和类之 间的关系。 ( 4 ) a t t r i b u t e - o f 表达某个概念是另一个概念的属性。如“价格”是桌子的一个 属性。 在实际建模过程中，概念之间的关系不限于上面列出的4 种基本关系，可以 根据领域的具体情况定义相应的关系。在本体建模的最初阶段就必须详细说明模 型中涵盖的概念、实例、关系和公理等实体，至少是初步认定描述这些实体的绝 大部分词汇。 2 1 3 本体分类 g u a r i n o 以详细程度和领域依赖度两个维度作为对本体划分的基础【1 0 】，详细 程度高的称作参考( r e f e r e n c e ) 本体，详细程度低的称为共享( s h a r e ) 本体。依照领 域依赖程度，可以细分为项级、领域、任务和应用本体等4 类： ( 1 ) 顶级本体描述的是最普通的概念与概念之间的关系，常常是抽象术语， 第9 页共7 9 页 与具体的应用无关，其它种类的本体都是该类本体的特例，不一定需要形式化。 ( 2 ) 领域本体描述的是特定领域中的概念与概念之间的关系，较具体，容易 形式化和共享。 ( 3 ) 任务本体描述的是特定任务或行为中的概念与概念之间的关系。 ( 4 ) 应用本体描述的是依赖于特定领域和任务的概念与概念之间的关系。 另外，根据主题可分为知识表示本体、通用本体、领域本体、术语本体和任 务本体；根据形式化程度分为完全非形式化、结构非形式化、半形式化、形式化 的本体。其中术语本体( t e r m i n o l o g y o n t o l o g i e s ) 常常表现为一个词表，概念关系的 抽取较为随意和简单，不严格要求，甚至可以没有概念定义，如著名的w o r d n e t 本体；形式本体( f o r m a lo n t o l o g i e s ) 对于概念术语的分类组织要求较为严格，需要 按照一定的分析原则和标准，明确定义概念问的显性、隐性关系，并明确各种约 束、逻辑联系等，常常由术语本体发展而来，却与之没有截然界限。 2 1 4 本体的作用 ( 1 ) 支持知识交流【l l 】 本体的分析澄清了领域知识的结构，从而为知识表示打好基础。本体可以重 用，从而避免重复的领域知识分析。通过构建一个统一框架或者一个规范模型来 减少概念和术语上的差异，使得工作在不同领域之中或者应用不同操作平台的人 员之间信息的共享和交换成为可能。 ( 2 ) 支持不同系统之间的互操作 在不同的建模方法、范式、语言和软件工具之间进行翻译和映射，以实现不 同系统之间的互操作和集成。这种应用可细分为两类：低概念化本体和高概念化 本体。前者只要求操作者使用相同的词汇，但不能够保证他们对于同一词汇( 或 者讲是知识) 有相同的解释或是理解，这种应用中本体一般不包含有语义信息。 后者本体是一种对知识表示语言中的构建和约束作一般化的语义解释，目的就是 实现使用者之间进行语义层次上的知识的共享和互操作。 ( 3 ) 提高信息化的实施效率和质量 在软件系统的设计以及实现过程中，采用基于本体的方法有很多好处。利用 本体对需求解决的问题和任务进行规范描述，可以提高需求分析、信息获取的效 率，节约成本。同时，利用本体的概念化的表达可以实现对信息( 或者知识) 的一 第1 0 页共7 9 页 致性进行自动或者半自动的检查，从而提高了系统的可靠性。另外，本体是领域 内重要实体、属性、过程及其相互关系形式化描述的基础。这种形式化描述可成 为软件系统中可重用和共享的组件。 2 2 本体描述语言 本体描述语言，也称为标记语言、置标语言、构建语言或者是表示( 标示) 语 言。作为表示本体的语言工具，应该具有如下的基本功能【1 2 】： ( 1 ) 为本体的构建提供建模元语( m o d d i n gp r i m i t i v e s ) 。 ( 2 ) 为本体从自然语言表示格式转化为机器可读的逻辑表达格式提供标引工 具。 ( 3 ) 为本体在不同系统之间的导入和输出提供标准的机读格式。 ( 4 ) 形式化语言表示，利用机器可读的形式化表示语言表示本体，可以直接 被计算机存储、加工、利用，或在不同的系统之间进行互操作。 本体可以用自然语言描述，也可以用框架( f r a m e w o r k ) 、语义w e b 语言或逻 辑语言来描述和表示。 2 3 本体构建工具 开发本体的系统软件或平台主要具有编辑、图示、自动转换置标语言、自动 将系统内容转换成数据库、可以附加软件插件等功能。目前本体构建工具不少于 5 0 种，按g o o g l e 的最新p a g e r a n k 顺序( 2 0 0 5 - 4 - 1 ) 主要有：p r o t 6 9 6 - 2 0 0 0 ，i b m o n t o l o g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，c h i m a e r ao n t o l o g ye v i r o n m e n t ，o n t o l i n g u a , o i l e d o p e n c y c ，r a c e rs y s t e m , p o w l ，a p o l l o ，e o n 2 0 0 2 d o e 等a 2 4 领域本体构建的基本思路 领域本体( d o m a i no n t o l o g y ) 是用于描述指定领域知识的一种专门本体。它给 出了领域实体概念及相互关系、领域活动以及该领域所具有的特性和规律的一种 形式化描述。因此可以认为，领域本体由属性、对象、关系和子领域本体组成。 一个本体包括一套关于某一领域概念的规范而清晰的描述，称为类( c l a s s e s ) 或概念( c o n c e p t s ) 。描述了有关概念的各种特征的属性( p r o p e r t i e s ) 和属性插件 第1 1 页共7 9 页 ( s l o t s ，有时也被称为r o l e s 或p r o p e r t i e s ) ，还包括属性插件的限制条件( r e s t r i c t i o n s ) 和分面( f a c e t s ，有时也被称作r o l er e s t r i c t i o n s ) ，以及一系列与某个类相关的实例 ( 这些实例组成了一个知识库) 。类是本体的核心，它描述了某一领域的概念。属 性插件描述了类的属性和实例【1 3 】。 构建新本体分两种情况，一是自顶向下的开发方法( t o po w n ) 。这类方法的 特点是首先在比较高的起点上建立起宏观的、抽象的概念体系框架，然后根据应 用需要，逐步地细化改良知识本体。二是由底向上的开发方法( b o t t o mu p ) 。这 类本体开发方法的特点是先从具体的应用开始，按照通用的本体语言来建立概念 模型和形式化表示，通过实际应用来不断的扩充本体。 2 5p r o t 6 9 6 简介 p r o t 6 9 6 是由美国s t a n f o r d 大学开发研制，现在已经发展到b e t a 3 1 版。e r o t 6 9 6 使用j a v a 和开放资源作为操作平台，可自己设置输入格式，也可插入插件扩展 特殊的功能，支持的插件现在多达8 3 种( 包括d a m l + o i l 和o w l 的插件) 。它 提供了一个图形和交互式的知识本体设计和基于知识的开发环境。p r o t 6 9 6 支持 以文件或数据库形式存储知识本体。采用p a l ，也支持外挂r a c e r 推理插件，尽 力完善其自动推理服务。现在已有w e b 版本，支持异地用户通过w e b 合作构建 本体。 p r o t 6 9 6 的界面，还有两个重要的特征，即可伸缩性和可扩展性。开发者可 以用p r o t 6 9 6 构建和使用包括1 5 0 。0 0 0 个框架的知识本体，对包含大量框架的知 识库采用两种机制支持，一是支持后端数据库对数据进行存储和查询，二是缓冲 机制，解决了一旦框架的个数超出了内存的限制，如何能继续加载框架的问题。 p r o t 6 9 6 体系结构最主要的优势就是它的开放的模块化风格，基于组件的体 系结构使系统开发者可以通过生成恰当的插件增加新的功能。插件可以分为3 类： ( 1 ) 后端插件 使用户可以以多种格式( r d f s 、带d t d 的x m l 文件、x m l s c h e m a ) 来存储 和输入知识库； ( 2 ) s l o tw i d g e t s 类插件 第1 2 页共7 9 页 用来为特定的域或特定的任务合并槽或显示边界槽值，包括显示g i f 图片 和音频视频的用户界面组件； ( 3 ) t a b 插件 种类很多，通常与p r o t 6 9 6 知识库一起提供高级可视化、知识本体合并、版 本管理、推理等功能。例如o n t o v i z 和j a m b a l a y a 插件提供知识库的不同视图， j a m b a l a y a 允许交互式的导航、对结构中的特定的元素缩放、用图像中节点的不 同层次来强调数据群集之间的连接等。 2 6 小结 本章主要介绍了本体的基本概念和构造方法。首先介绍了本体的概念、建模 元语、分类和作用。其次介绍了本体的描述语言和构建工具。最后介绍了领域本 体构建的基本思路和p r o t 6 9 6 。 第1 3 页共7 9 页 第三章p l m 系统的领域本体模型构建 面对全球市场一体化的挑战，厂商必须要进行创新才能生存。企业创新必须 进行如下几个方面产品、流程和组织从而提升竞争力和经营业绩。变革 的方式就是捕捉、管理和提升他们的智力资本，以建立数据为导向的生产流程。 也就是包含协调商务、协同产品资料管理，及同步设计、p d m 管理、 c a d c a m c a e ，以及知识累积( k b e ) ，搭配虚拟工具作同步工程设计，以提供 协同商务之产品生命周期管理概念。 构建领域本体的方法依赖于所采用的应用软件以及可以预见的扩展功能。本 体的开发和完善是一个反复的叠加过程。本体中的概念应该贴近于要研究的专业 领域( 物理的或者是逻辑的) 中的客观实体( o b j e c t s ) 和关系法贝1 ( r e l a t i o n s ) 。对应于 客观实体的概念，其词性应该是名词；对应于关系法则的概念，其词性应该是动 词。 3 1p l m 的主要功能模块 既然p l m 和所有与产品相关的数据的管理有关，那么就必然与p d m 密不 可分，有着深刻的渊源关系。可以说p l m 包含了p d m 的全部内容，p d m 功 能是p l m 中的一个子集，但是p l m 又强调了对产品生命周期内跨越供应链的 所有信息进行管理和利用的概念，含有协同的设计和管理的理念，这是与p d m 的本质区别。 既然p l m 是在p d m 的基础上发展而来的，尽管从p d m 到p l m 之间发生 了很大的转变，但万变不离其宗，p l m 基础模块的功能依然是p d m 。参照s t e p p d ms c h e m a ( p d m 的国际标准) 【1 4 】，它一般具有以下功能：文档管理、产品 结构与配置管理、工作流管理、零件分类和检索、工程变更管理、项目管理、异 构系统集成工具e a i 、产品可视化等。 ( 1 ) 文档管理 p l m 管理的是产品整个生命周期中所包含的全部数据，包括工程设计与分 析数据、产品模型数据、产品图形数据、专家知识与推理及产品的加工数据等。 为了有效管理这些数据，p l m 把各种文档分成图形文件、数据文件、表格文件 第1 4 页共_ 7 9 页 和多媒体文件等五种类型进行管理。不同的文件具有不同类型的属性，在p l m 中，文件可分为两种方法处理：一种方法是保持文件的完整性，这些文件中的数 据不能与文件脱离，一旦脱离就失去了意义，即所谓的“打包”，例如有限元分 析等应用程序所产生的数据文件。另一种方法是文件中的数据可以从文件中提 取，他们都具有独立的意义，然后将其分门别类地放在关系数据库中，以便对文 件内容进行检索和统计，即所谓的“打散”，例如不同的c a d 系统产生的图形 文件。 p l m 和传统p d m 的差异之处在于它们可以包括某些外来文件，通过u p , j - , 地址连接从外部进行管理。文档管理提供了许多随时可用的文档和出版物类型， 若需要的话还可以方便地把它们扩展成代表企业业务信息的模型。为了方便用户 操作，系统能够自动地将产品数据和应用程序进行关联。用户可以直接在p l m 中激活应用程序，并对数据进行操作。 ( 2 ) 产品结构与配置管理 产品结构与配置管理是p l m 的核心功能之一，利用此功能可以实现对产品 结构与配置信息和物料清单( b o m ) f f 9 管理。 p l m 提供的产品结构管理实现了在建立产品结构的基础之上，提供不同层 次、不同对象的b o m 视图，管理b o m 中的替代件、可选件和操作信息，维护 各种隶属关系等。p l m 产品结构管理工具使用了一种动态、全描述性的产品结 构，来表示所有可能的配置；并在给定一种包括产品视图、生命周期状态、日期 或批次等相关参数的配置说明后，用户就可以随时计算出简单的物料清单，以表 示一个产品部件的特定配置【1 5 】。 产品结构配置原则是由用户自行选择的，可以根据产品的版本和工作状态来 决定。p l m 还支持有效性管理，例如，根据日期、系列号和供应商的供应情况 来配置，从而确保生产制造的正常进行。p l m 不仅可以针对已经确定版本的产 品对象的固定结构，还可以是若干个版本的组合。根据指定版本进行配置时，可 以根据日期的有效性或系列号有效规则来配置产品，产生指定的b o m 表，以供 用户编辑和查阅。用户还可以指定一个包括所有版本的