（计算机应用技术专业论文）基于本体和规则的产品配置设计研究与实现.pdf

中文摘要大批量定制生产方式实现了用户个性化和大批量生产低成本的有机结合，如何快速准确地反映客户需求，进行高效简便的产品配置设计是实现大批量定制生产方式的核心内容。然而，现有的产品配置方法存在一些不足，主要表现为配置模型维护困难，模型通用性受限，配置求解结果不完备等等。本文以汽车零部件配置设计为背景，研究基于本体和规则的产品配置方法，以及相应的数据模型和求解策略。给出了包括汽车零部件本体、配置规则库和实例匹配关系库的配置模型。其中，汽车零部件本体存储零部件类和实例，及其属性和相互关系；配置规则库是零部件之间建立在属性之上的相互约束的规则集合；实例匹配关系库记录零部件实例之间的匹配关系，利用本体对语义信息的表达能力和推理能力对配置规则进行语义扩展和智能推理，得到扩展后的配置规则库，j e n a 的规则推理引擎将扩展后的配置规则库作用于汽车零部件本体，生成实例匹配关系库。给出了基于深度搜索的配置清单生成算法，它以需求模型为起点，根据实例匹配关系库中的零部件匹配关系，按照深度搜索求解策略生成配置清单，保证了配置求解结果的完备性。本文提出了建立在本体模型基础上的配置规则库维护方法，利用本体表达的语义信息对配置规则进行语义处理，实现包括增删查改操作的规则的有效管理，并以添加某零部件相关的配置规则为例，详细说明了基于本体的规则库维护方法。最后，本文利用j e n a a p i 开发了一套基于本体和规则的汽车零部件配置设计原型系统，对提出的方法进行了理论性验证。该系统可以帮助汽车设计人员按照用户需求，准确便捷地完成汽车的结构设计，提高快速响应能力，最大限度地减少设计的工作量，其最大的优点在于配置过程的自动化和智能性。关键词：产品配置本体规则语义扩展规则推理规则维护a bs t r a c tm a s sc u s t o m i z a t i o nr e a l i z e st h ec o m b i n a t i o no fc o n s u m e r s i n d i v i d u a t i o na n dl o wc o s to fm a s sp r o d u c t i o n h o wt oe x p r e s sc o n s u m e r s r e q u i r e m e n tf l e e t l ya n dc o r r e c t l ya n dh o wt oc a r r yo u te f f i c i e n ta n dc o n v e n i e n tp r o d u c tc o n f i g u r a t i o na r et h ek e yp r o b l e m so fm a s sc u s t o m i z a t i o n sr e a l i z a t i o n h o w e v e r , t h e r ea r es o m el i m i t a t i o n si nt h ee x i s t i n gp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nm e t h o d s ：d i f f i c u l tt om a n a g ec o n f i g u r a t i o nm o d e l ，c o n f i g u r a t i o nm o d e li sn o tu n i v e r s a l ，c o n f i g u r a t i o nr e s u l t sa r en o ti n t e g r a t i v ea n ds oo n ap r o d u c tc o n f i g u r a t i o nm e t h o d sb a s e do no n t o l o g ya n dr u l e si sp r o p o s e di nt h eb a c k g r o u n do fa u t op a r t sc o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，a n di t sd a t am o d e la n ds o l u t i o ns t r a t e g ya r ep r o p o s e d ，t o o c o n f i g u r a t i o nm o d e li n c l u d i n ga u t op a r t so n t o l o g y ( a p o ) ，c o n f i g u r a t i o nr u l e s ( c r ) a n di n s t a n c em a t c h i n gr e l a t i o n s h i p so m r ) i sg i v e n a u t op a r t so n t o l o g ys t o r e sa u t op a r tc l a s s e sa n di n s t a n c e sa n dt h e i rp r o p e r t i e sa n dr e l a t i o n s h i p s ；c o n f i g u r a t i o nr u l e sa r er e s t r i c t i o nr e l a t i o n s h i p so fa u t op a r t sb a s e do nt h e i rp r o p e r t i e s ；i n s t a n c em a t c h i n gr e l a t i o n s h i p sa r em a t e h i n gr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt w oa u t op a r ti n s t a n c e s u s i n go n t o l o g y sc a p a b i l i t yo fe x p r e s s i n gs e m a n t i ci n f o r m a t i o na n dr e a s o n i n g ，r u l e sa r ee x t e n d e da c c o r d i n gt ot h e i rs e m a n t i cc o n n o t a t i o n s j e n ag e n e r i cr u l er e a s o n e rd o e sr e a s o n i n go na u t op a r t so n t o l o g yu s i n ge x t e n d e dr u l e s ，t h r o u g hw h i c hi n s t a n c em a t c h i n gr e l a t i o n s h i p sa r eb u i l t t h ec o n f i g u r a t i o nr e s u l t sb u i l d i n ga l g o r i t h mb a s e do nd e e p n e s ss e a r c hi sg i v e n t h ea l g o r i t h mb e g i n sw i t hc o n f i g u r a t i o nr e q u i r e m e n tm o d e l ，r e f e r st oa u t op a r t sm a t c h i n gr e l a t i o n s h i p sa n du s e sd e e p n e s ss e a r c ha l g o r i t h m ，w h i c hc a l li n s u r et h ei n t e g r i t yo fc o n f i g u r a t i o nr e s u l t s c o n f i g u r a t i o nr u l e sm a n a g e m e n tm e t h o db a s e do no n t o l o g yi sp r o p o s e d i tc a l lr e a l i z ea d d i n g ，d e l e t i o n ，s e a r c ha n dm o d i f i c a t i o no fc o n f i g u r a t i o nr u l e st h r o u g hu s i n go n t o l o g y ss e m a n t i ci n f o r m a t i o nt oe x t e n dr u l e ss e m a n t i c a l l y t a k i n ga d d i n gr u l e sa sa ne x a m p l e ，t h em e t h o r do fr u l em a n a g e m e n ti si l l u s t r a t e dd e t a i l e d l y a tl a s t , a na u t op a r t sc o n f i g u r a t i o nd e s i g np r o t o t y p es y s t e mi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e du s i n gj e n aa p io nt h ep l a t f o r mo fe c l i p s e3 0 t h i ss y s t e mc a nh e l pa u t od e s i g n e r sg e tc o n f i g u r a t i o nr e s u l t sc o r r e c t l ya n dc o n v e n i e n t l ya c c o r d i n gt ou s e r sr e q u i r e m e n t i tc a l lr e a l i z ef a s tr e s p o n s ea n dm i n i m i z ed e s i g n e r s w o r k l o a d t h en -r o b o t i z a t i o na n di n t e l l i g e n tc a p a c i t ya r et h em o s to u t s t a n d i n ga d v a n t a g eo ft h ea u t op a r t sc o n f i g u r a t i o nd e s i g ns y s t e m k e yw o r d s ：p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ，o n t o l o g y , r u l e s ，s e m a n t i ce x t e n d i b i l i t y ,r u l er e a s o n i n g ，r u l em a n a g e m e n t独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和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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。学位论文作者签名：蒙豇稻签字日期：7 叼年1 月7 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨鲞苤堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权叁鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：签字日期：刁唧年粲红柏7 月j 日导师签名：签字魄哆年月”天津大学硕士学位论文基于本体和规则的产品配置设计研究与实现第一章绪论随着客户个性化的要求越来越高，企业以产品为中心逐渐转向以客户为中心，二十世纪初美国福特和斯隆创立的大规模生产受到了巨大的冲击。订单生产虽然能满足客户个性化需求，但存在产品设计制造周期长、成本高等问题。大批量定制( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，m c ) 的目的是解决长期困扰制造业的“两难”问题，就是既要使产品满足客户个性化的要求，又要使产品的生产成本和交货期与大规模生产的产品相近【l 】。大批量定制的产品配置设计技术是实现大批量定制的核心与源头，也是优化产品结构、提高产品创新性、降低产品成本的重要手段。美国乔治华盛顿大学的一个由四位著名的未来学家和技术专家组成的新兴技术预测委员会对未来技术发展作了预测，大批量定制被列为2 0 0 1 至2 0 1 0 年间将取得突破的十项首要新兴技术之一1 2 】。由此可见，制造企业现有大批量生产的技术体系与市场经济中客户个性化需求的矛盾，已非常突出，而要解决这一问题还存在技术上的难度。因此，研究大批量定制的产品配置设计技术及其应用，并形成一整套完整的理论和软件系统，成为日益突出的一个重要问题。1 1 研究背景当前市场用户需求越来越向多样化和个性化的方向发展，用户渴望得到低成本、高质量、能满足其个性化需求的定制产品和服务，这使得大规模的传统生产模式受到市场的巨大冲击。在这样的背景下，大批量定制的生产模式应运而生。在这种经营模式中，企业的基本工作是确定并满足每个客户的个体需求，理想的结果是，产品的生命周期成为一个基本单元，每个产品都与前一个不同，而且独一无二地满足特定客户的需求。与传统的大批量生产相比，大批量定制生产模式具有自己显著的特征【3 】：( 1 ) 以客户需求为导向。在传统的大规模生产方式中，先生产，后销售，而在大批量定制生产中，企业以客户提出的个性化需求为起点，因而大批量定制是一种需求拉动型的生产模式。( 2 ) 以现代信息技术和柔性制造技术为支持。大批量定制生产必须对客户的需求做出快速反应，这要求有现代信息技术作为保障。i n t e m e t 网络技术和电子商务的迅速发展，使企业能够快速地获取客户的定单；c a d 系统能够根据在线第一章绪论定单快速设计出符合客户需求的产品；柔性制造系统保证迅速生产出高质量的定制产品。( 3 ) 以模块化设计、零部件标准化为基础。通过模块化设计、零部件标准化，可以批量生产模块和零部件，减少定制产品中的定制部分，从而大大缩短产品的交货提前期和减少产品的定制成本。( 4 ) 以敏捷为标志。在大批量定制生产中，企业面临的是千变万化的需求，大批量定制企业必须快速满足不同客户的不同需求。因此，大批量定制企业是一种敏捷组织。产品配置设计能够根据预先定义的零部件集合以及它们之间的相互约束关系，快速形成满足客户个性化需求的特定产品，是解决设计个性化与低成本间矛盾，实现大批量定制的主要方法1 4 】。通过配置能使企业获得灵活的产品定义，以满足不断变化的客户需求；通过配置模块建立和追踪客户要求，就不再需要预先定义产品变体和准备不必要的零件；通过高效、直观、简便的产品配置，企业可以建立与更多用户之间的联系，扩大用户群，增强企业在动态多变的市场环境中的竞争力p j 。大批量定制生产在满足客户需求个性化的同时，又要尽量做到低成本，因此需要高效灵活的产品配置方法提供强有力支持，以提高企业工作效率，增强企业对客户需求的快速响应能力。但是由于用户需求的多样性以及配置约束规则的复杂性，使得产品配置方案的生成是一个非常复杂的过程。因此，配置方案生成的高效灵活性、智能化是产品配置研究的主要内容。但现有的产品配置方法存在一些不足：基于约束的配置建模，由于变量间的各种约束关系构建复杂，通用性受到限制；基于规则的配置建模，随着规则的增加，规则维护成为不容忽视的一个问题；基于实例的配置建模，不能保证求解的完备性；基于模型的配置建模，由于配置模型与建模方法密切相关，不同建模方法下建立的配置模型之间具有较大差异，配置模型的共享性不强。因此，有必要在此基础上研究一种智能高效的产品配置方法。1 2 研究内容本体是对某个领域中的概念的形式化的明确表示，每个概念的特性描述了概念的各个方面及其约束的特征和属性。本体能够存储语义信息，支持企业知识的共享和重用，本体项目的开发工具j e n a 带有基于规则的推理引擎，实现了本体和定制的业务规则的结合。本文以汽车配置设计为背景，旨在设计一种基于本体和规则的产品配置方法，根据用户提交的配置需求，利用本体模型和业务规则，天津大学硕士学位论文基于本体和规则的产品配置设计研究与实现按照一定的配置算法，生成产品配置清单。本文重点从以下几方面对产品配置设计进行研究：配置模型设计：配置模型是配置求解的数据基础，配置模型需要具有可配置性，要能表达组件间的约束关系，同时要便于软件的开发。本文所建立的配置模型由产品结构本体、配置规则库、实例匹配关系库三部分组成，在配置模型建立过程中利用本体的语义信息表达能力和自动推理能力对配置规则进行语义扩展。配置算法设计：配置算法用来根据需求模型和配置模型生成配置清单，配置算法应该可以保证配置结果的完备性，同时要易于程序实现。本文将使用深度搜索配置算法，以需求模型为起点，根据实例匹配关系库计算配置方案。规则库维护方法：规则库维护方法应该可以克服由于组件之间的约束规则越来越复杂所带来的规则维护的难题。本文提出基于本体的规则维护方法，利用本体表达的语义信息对规则进行语义处理，实现包括增删查改操作的规则的有效管理。配置设计原型系统实现：作为本文的理论性验证，利用j e n a 开发了基于本体和规则的汽车零部件配置设计原型系统，该系统可以按照配置需求，准确方便快捷地完成汽车结构设计。1 3 论文结构本论文旨在提出一种基于本体和规则的产品配置设计方法，给出其数据模型和求解策略，辅助大批量定制生产模式的实施，并通过对系统的业务流程进行分析与设计，实现一个汽车配置设计原型系统。论文结构安排如下：第一章：绪论，介绍论文的研究背景、研究内容以及论文的结构。第二章：文献综述，对本体的概念、建模元语、描述语言、本体项目开发的支撑工具，以及基于本体的公理推理和规则推理进行讨论，介绍目前国内外产品配置设计方法的研究现状，分析其不足，在此基础上提出基于本体和规则的产品配置设计的方法。第三章：对基于本体和规则的汽车配置设计原型系统的业务流程和功能模块进行分析与设计，说明系统的开发平台。第四章：从配置模型建立、配置清单生成、规则库维护三个方面，对基于本体和规则的汽车配置设计方法涉及到的关键技术进行说明，提出了基于本体和规则配置模型，深度搜索的配置清单生成算法，以及基于本体的规则库维护方法。第一章绪论第五章：是本文的理论性验证，在前面理论分析的基础上，对基于本体和规则的汽车配置设计原型系统进行详细设计，并对系统功能进行了展示。第六章：总结与展望，总结全文，并对论文中需要进一步研究的地方进行说明。天津大学硕士学位论文基于本体和规则的产品配置设计研究与实现第二章本体、规则及其在产品配置设计中的应用2 1 本体和规则2 1 1 本体研究综述一、本体的概念本体( o n t o l o g y ) 的概念最初起源于哲学领域，即“对世界上客观存在物的系统的描述。后被用于研究实体存在性和实体存在的本质等方面的通用理论。计算机界借用这个理论把现实世界中某个领域抽象或概括成一组概念及概念之间的关系。在人工智能界，最早给出本体定义的是n e c h e s 等人，他们将本体定义为“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”【6 j 。后来在信息系统、知识系统等领域，越来越多的人研究本体，并给出了许多不同的定义。其中最著名并被引用得最为广泛的定义是f 扫g r u b e r 提出的，“本体是共享概念模型明确的、形式化的规范描述。这一定义体现了本体的四层含义：概念化( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) ：客观世界的现象的抽象模型；明确( e x p l i c i t ) ：概念及它们之间联系都被精确定义；形式化( f o r m a l ) ：精确的数学描述；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。本体的目标是捕获相关的领域的知识，提供对该领域知识的共同理解，确定该领域内共同认可的词汇，并从不同层次的形式化模式上给出这些词汇( 概念)和词汇之间相互关系的明确定义。本体是某个领域内( 可以是特定领域的，也可以是更广的范围) 不同主体( 人、代理、机器等) 之间进行交流( 对话、互操作、共享等) 的一种语义基础，即由本体提供明确定义的词汇表，描述概念和概念之间的关系，作为使用者之间达成的共识。因此，本体的用途包括交流、共享、互操作、重用等等。更进一步的说，本体提供的这种共识更主要的是为机器服务，机器并不能像人类一样理解自然语言中表达的语义，目前的计算机也只能把文本看成字符串进行处理。因此，在计算机领域讨论本体，就要讨论本体究竟是如何表达共识，也第二章本体、规则及其在产品配置设计中的应用就是概念的形式化问题。这就涉及到本体的建模原语、描述语言、本体的表示方法等具体研究内容。二、本体的建模原语p e r e z 7 1 等人用分类法组织了本体，归纳出5 个基本的建模元语( m o d e l i n gp r i m i t i v e s ) ：类( c l a s s e s ) 或概念( c o n c e p t s )含义很广泛，指任何事物，如工作描述、功能、行为、策略和推理过程等等。从语义上讲，它表示的是对象的集合，其定义一般采用框架结构，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。关系( r e l a t i o n s )在领域中概念之间的交互作用，形式上定义为n 维笛卡儿积的子集：r ：c l c 2 q 函数( f u n c t i o n s )一类特殊的关系，该关系的前刀一1 个元素可以唯一决定第 个元素。形式化的定义为f ：c l c 2 c 州一c 。公理( a x i o m s )代表永真断言，如概念乙属于概念甲的范围。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。三、本体的描述语言自上个世纪9 0 年代以来，一些基于a i 的本体实现语言陆续被提出，如k i f 、o n t o l i n g u a 、c y c l 、l o o m 、o c m l 、f l o g i c 。后来，随着w b 啪发展，又出现了一系列基于w e b 的本体语言，也叫做本体标记语言，如s h o e 、x o l 、r d f 、r d f s 、o i l 、d a ，、d a m l + o i l 、0 w l 。1 s h o e 8 】s h o e ( s i m p l eh t m lo n t o l o g ye x t e n s i o n s ) 作为h t m l 的扩展，是马里兰大学开发的。它是基于框架和规则的。它使用不同于h t m l 的一些标记，使得可以在h t m l 文档中插入本体。当x m l 产生并成为w e b 上交换信息的标准后，s h o e 的语法被修改为基于x m l 。2 x o l 9 x o l ( o n t o l o g ye x c h a n g el a n g u a g e ) 是s k ii n t e r n a t i o n a l i 拘1 人工智能中一t ) , ( a i c l天津大学硕士学位论文基于本体和规则的产品配置设计研究与实现开发的。它是一种简单通用的定义本体的方法。其目的是在不同的数据库、本体开发工具、或者其他应用程序之间交换本体。x o l 设计之初是为实现生物信息学领域本体的交换，但是它可以应用于各种领域。3 r d f r d f s 1 0 】x m l 是一种语义语言，也是资源描述语言，但是x m l 对于资源关系描述的能力非常贫乏，因此为了加强资料的处理性，例如资料交换，w 3 c 提出了资源描述框架r d f 偎e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k ) ，其主要的目的是为元数据在w e b上的各种应用提供一个基础的架构，从而实现元数据的交换。r d fm o d e la n ds y s t a x 提出了一个抽象世界，由资源( r e s o u r c e ) 、属性( p r o p e r t y ) 、值( v a l u e ) 构成的资料模型，透过命名属性和值，模型可以表示资源之间的内在关系。r d f 的数据模型实质上是一种二元关系的表达，由于任何复杂的关系都可以分解为多个简单的二元关系，因此r d f 的数据模型可以作为其他任何复杂关系模型的基础模型。r d fs c h e m a 为r d f 资源的属性和类型提供定义良好的词汇表。4 d a m l + o i l i ll 】d a m l + o i l ( d a r p aa g e n tm a r k u pp l u so n t o l o g yi n f e r e n c el a y e r ) 是由欧洲与美洲的联合会所发展出来的一种语义语言。d a m l + o i l 的能力是建立在x m l及r d f 的基础上，这些x m l 的应用帮助提供了语义网页的初步的能力。用d a m l + o i l 所表示的语言适合用来建立语义网页，d a m l + o i l 的语法延伸了r d f ( s ) 也就是从r d f 的三元组改变为n - t r i p l e ，所以，d a m l + o i l 的语言更为复杂。另外d a ，+ o 也提供一些规则描述资源间的关系及限制( c o n s t r a i n t s ) ，所以d a m l + o i l 所表示的文件机器不仅可以理解并能够对内容做推理( r e a s o n i n g ) 。5 o w l t l 2 】o w l ( w e b 本体语言，w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ) 是w 3 c 推荐的本体描述语言的标准，位于w 3 c 绘制的本体语言栈的栈顶。它是为了在w w w 上发布和共享本体而提供的语义标记语言。o w l 是在d a m l + o i l 的基础上发展起来的，作为r d f ( s ) 的扩展，目的是提供更多的元语以支持更加丰富的语义表达，并更好地支持推理。o w l 提供了三种表示能力不同的子语言，来分别满足不同组织团体的语言实现者和使用者。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，虽然o w ll i t e 支持基数限制，但只允许基数为0 或1 。提供支持o w ll i t e 的工具应该比支持其他表达能力更强的o w l 子语言更简单，并且从辞典( t h e s a u r i ) 和分类系统( t a x o n o m y ) 转换到o w ll i t e 更为迅速。相比o w ld l ，o w ll i t e 还具第二章本体、规则及其在产品配置设计中的应用有更低的形式复杂度。o w ld l 用于支持那些需要最强表达能力而需要保持计算完备性( c o m p u t a t i o n a lc o m p l e t e n e s s ，即所有的结论都能够确保被计算出来) 和可判定性( d e c i d a b i l i t y ，即所有的计算都能在有限的时间内完成) 。o w ld l 包括了o w l语言的所有语言成分，但使用时必须符合一定的约束，例如，一个类可以是多个类的子类时，它不能同时是另外一个类的实例。o w ld l 这么命名是因为它对应于描述逻辑，它是一个研究作为o w l 形式基础的逻辑的研究领域。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。例如，在o w lf u l l 中，一个类可以被同时看为许多个体的一个集合以及本身作为一个个体。它允许在一个本体增加预定义的( r d f 、o w l ) 词汇的含义。这样，不太可能有推理软件能支持对o w lf u l l 的所有成分的完全推理。无论是在合法的表示能力上还是在能够有效地包含上，在表达能力和推理能力上，每个子语言都是前面的语言的扩展。这三种子语言之间有如下关系成立，但这些关系反过来并不成立。每个合法的o w ll i t e 本体都是一个合法的o w ld l 本体；每个合法的o w ld l 本体都是一个合法的o w lf u l l 本体；每个有效的o w ll i t e 结论都是一个有效的o w ld l 结论：每个有效的o w ld l 结论都是一个有效的o w lf u l l 结论。特别要指出的是，在本文中，主要用到的是o w ld l 。四、本体项目开发的支撑工具随着各个知识团体对本体的研究深入，它们开发了很多符合w k 标准的应用编程接口以及实现框架，女1 p r o t 6 9 6 2 0 0 0 、j e n a 、o n t o e d i t 等，进一步促进了语义w e b的发展。1 p r o t 6 9 p r o t 6 9 6 是由斯坦福大学的s t a n f o r dm e d i c a li n f o r m a t i c s 开发的一个开放源码的本体编辑器，支持r d f 、o w l 的存储与访问，为开放源码软件，具有优秀的设计和众多的插件，是目前使用最广泛的本体编辑器之一【1 3 】。在p r o t 9 6 ，本体结构以树形的层次目录结构显示，用户可以通过点击相应的项目来增加或编辑类、子类、属性和实例等，使用户可以在概念层次上设计领域模型，所以本体工程师不需要了解具体的本体表示语言p r o t 9 6 支持多重继承，并对新数据进行一致性检查，具有很强的可扩展性，主要表现在如下几点【1 4 】：天津大学硕士学位论文基于本体和规则的产品配置设计研究与实现1 ) p r o t 6 # 是一个可扩展的知识模型，用户可以重新定义系统使用的表示原语。2 ) 文件输出格式可以订制。可以将p r o t 6 9 6 的内部表示转换成多种形式的文本表示格式，包括x m l 、r d f ( s ) 、o i l 、d 舢儿、d a m l + o i l 、o w l 等系列语- l 口o3 ) 用户接口可以定制。提供可扩展的a p i 接口，用户可以更换p r o t 6 9 6 的用户接口的现实和数据获取模块来适应新的语言。4 ) 可以与其它应用结合的可扩展的体系结构。用户可以将其与外部语义模块( 例如针对新语言的推理引擎) 直接相连。5 ) 后台支持数据库存储，使用j d b c 和j d b c o d b c 桥访问数据库。由于p r o t 6 9 6 提供了本体建设的基本功能，具有良好的用户界面，使用简单方便，有详细友好的帮助文档，因此本文在本体开发时，采用此工具形式化本体。2 j e n aj e n a l 扫惠普实验室开发，是语义w e b 的应用程序的j a v a 框架。它提供了有关r d f 、r d f s 、o w l 及规则推理的编程环境，利用r d fa p i 和o w la p i 能够实现r d f 、o w l 本体的存贮与查询。关于j c n a 的概述可参阅【15 1 。j e n a 框架主要提供了以下一些接口与方法：r d f 应用编程接口：提供读写各种语法形式的r d f 文件；提供操作o w l 文件的应用编程接口；提供本体推理机制，j e n a 自带有推理引擎，同时提供接口来外挂独立的推理机以实现复杂的语义推理；提供r d f 实例数据查询语言一r o q l ( 目前最新的是s p a r q l )本文在进行产品配置时，将利用j e n a 提供的a p i 对本体进行语义解析及查询处理。2 1 2 基于本体的知识推理j e n a 的推理子系统提供了多个不同的推理引擎来使用不同类型的本体，同时使用外挂的推理机来进行复杂的知识推理。推理机可以根据本体信息和公理或用户自定义的规则派生出模型未明确表达的其他语句【1 6 1 。一、公理推理一阶逻辑有着非常强的表达能力，然而会造成推理的不可判定性。b r a c h m a n& l e v e s q u e 为t 使一阶逻辑具有可判定性，采用限制一阶逻辑的方法，形成了一第二章本体、规则及其在产品配置设计中的应用阶逻辑的一个可判定子集。并且把这个子集用来描述事物和利用计算包含性的方法进行推理，这个子集就是描述逻辑。描述逻辑是一种知识表示工具。它首先定义应用领域的相关概念，然后利用这些概念去表示应用领域中的关系或属性，达到表示出应用领域中个体和对象的目的。它与其它的知识表示方式不同( 例如面向对象的表示方法不同) ，有着形式化的、基于逻辑的语义规范，并且概念语言推理可以明显地表达推出隐含的内容f 1 7 1 。网络本体描述语言o w l 就是建立在描述逻辑的基础之上的。o w l 通过类和属性来描述对象，并通过公理来描述类和属性的特征和关系，可以构造很丰富的关系类并支持自动推理【1 8 】。( 1 ) 概念公理子类公理一1 d f s ：s u b c l a s s o f如果一个类c 1 被标记为c 2 的子类属性( s u b c l a s s ) 属性，则c l 具有c 2 的特征。等价公理- - - - o w l ：e q u i v a l e n t c l a s s如果一个类c 1 被标记为c 2 的等价属性( e q u i v a l e n t c l a s s ) ，则可认为c 1 和c 2 是一致的。不相交公理一0 w l ：d i s i o i i 娟n 1如果一个类c 1 被标记为c 2 的等价属性( e q u i v a l e n t c l a s s ) ，则可认为c 1 和c 2 是相反的。( 2 ) 属性公理子属性刊f s ：s u b p r o p e r t y o f如果一个属性p l 被标记为p 2 的子类属性( s u b p r o p e r t ) 属性，则p 1 具有p 2的特征。传递属性- t r a n s i t i v e p r o p e r 眵如果一个属性p 被标记为传递的( t r a n s i t i v e ) ，则对于任意的x 、y ，如果存在属性p ( x ，y ) 和p z ) ，则有p ( x ，z ) 。对称属性s y m m e 仃i c p r 叩e r c ) ，如果属性p 被标记为对称i 拘( s y m m e t r i c ) ，则对于任意的x 、y ，p ( x ，y ) 当且仅当p 仅x ) 。函数属性- f 岫c t i o n a l p r o p e 啊如果属性p 被标记为函数的( f 啪c t i o n a l ) ，则对任意的x 、y 、z ，如果有p ( x ，y )和p ( x ，z ) ，则产逆反属性i n v e r s e o f如果一个属性p 1 被标记为p 2 的逆反( i n v e r s e o f ) 属性，则对任意的x 、y ，天津大学硕士学位论文基于本体和规则的产品配置设计研究与实现p 1 ( x ，y ) 当且仅当p 2 戗x ) 。反函数属性_ i n v e r s e f u n c t i o n a l p r o p e r t y如果一个属性p 被标示为反函数的( i n v e r s e f u n c t i o n a l ) ，则对任意的x 、y 、z ，如果p 戗x ) 和p ( z ，x ) ，则有烨。领域属性们f s ：d o m a i n & r d f s ：r a n g e如果一个属性p 的d o m a i n 被标示为资源( r d f ：r e s o u r c e ) 或者资源集合，则具有该属性p 的事物一定来自于该资源( 或者资源集合) 。( 3 ) 个体公理如果一个个体被标示为某个类的个体，则该个体具有该类的一切特征。在具体的公理推理中，公理往往通过子类、子属性、属性定义域、属性值域、等价类等规范化的概念来描述，由于这些概念的语义己为大众广泛接受，因此，通过它们定义出来的公理知识具有良好的通用性。为此，w 3 c 在r d f 和o w l 规范中，专门制定了相应的公理定义标签，如r d f s ：s u b c l a s s o f , r d f s ：s u b p r o p e r t y o f ,r d f s ：d o m a i n 、r d f s ：r a n g e 、o w l ：e q u i v a l e n t c l a s s 等，这些规范化的表示方法可以使推理通过通用的逻辑推理器( r e a s o n e r ) 完成。二、规则推理通用规则推理机( g e n e r i cr u l er e a s o n e r ) 是j e n a 自带的一个基于规则的推理引擎，它可以根据用户自定义的规则集实现r d f 图上的规则推理。通用规则推理机支持前向链、后向链以及二者混合的推理执行模型，更准确地说，j e n a 有两个内部规则引擎：前向链推理i 迮t e 引擎和一个t a b l e dd a t a l o ge n g i n e 。它们可以独立运行，或者前向链作为后向链引擎的先导，来完成“查询一问答【1 9 】。通用规则推理机的最小需求是需要一个规则集来定义其行为。带有规则集的通用规则推理机实例和其他推理机的用法类似，它和一个数据模型绑定，基于推理模型回答查询请求。通用规则推理机工作流程是，首先使用预定义的语义模块编写业务决策，接受数据输入，解释业务规则，并根据规则做出业务决策。在通用规则推理机中，规则被定义为一个j a v a 的r u l e 对象，该对象由前提列表、结论列表以及可选的名字和可选的方向来定义。每一个前提或结论是一个三元组、一个扩展的三元组，或者是一个内嵌过程原语的调用。一个规则集是简单的规则列表。j e n a 的规则语法分析器支持简单的基于文本的规则语法：r u l e ：= b a r e r u l e o r b a r e r u l e 】o r 【r u l e n a r n e ：b a r e r u l e 】第二章本体、规则及其在产品配置设计中的应用b a r e - r u l e ：= t e r m , ，t e r m h t e r m ，h t e r mo rt e r m ，t e r m ( ? co w l ：e q u i v a l e n t c l a s sa l l ( ? p ，9 d ) ) 】 a l l 2 ：( ? cr d f s ：s u b c l a s s o fa l l ( ? p ，? d ) - p r i n t ( r u l ef o r ，? c )【a l l b ：( ? yr d f ：t y p e ? d ) ( ? xr d f t y p e ? c ) 】 m a x l ：( 9 ar d f i t y p em a x ( ? p ，1 ) ) ，( 9 a ? p9 b ) ，( ? a ，? p ，? c ) ( ? bo w l ：s a m e a s ? c ) 】规贝u a l u d 阐释- j f u n c t o r 的使用，它是用来将o w l 约束的几个元素集合成为一个单一的数据结构，然后再触发其他规则。规则a l l 2 阐释了一个前向规则，它生成一个新的后向规则，并且还调用t p r i n t 过程原语。规贝, u m a x l 则说明了数字类型的使用。规则文件的加载和分析是这样进行的：l i s tr u l e s = r u l e r u l e s f r o m u r l ( ”f i l e ：m y f i l e r u l e s ”) ；或者b u f f e r e d r e a d e rb r = * o p e nr e a d e r ：l i s tr u l e s = r u l e p a r s e r u l e s ( r u l e r u l e s p a r s e r f r o m r e a d e r ( b r ) ) ；或者s t r i n gr u l e s r c = 严l i s t so fr u l e si nl i n e s 天津大学硕士学位论文基于本体和规则的产品配置设计研究与实现l i s tr u l e s 。r u l e p a r s e r u l e s ( r u l e s s r c ) ；在前面两种情况下，规则文件被一个简单的处理器预先处理，将注释去掉，并支持一些额外的宏命令： p r e f i xp r e ： 定义一个前缀p r e ，前缀对规则文件来说是局部的。 i n c l u d e 包含在一个给定文件中定义的规则。不管 i n e l u d e , h , 现在哪里，包含的规则都将出现在用户定义的规则前面。下面是包含r d f s 预定义规则的一个规则文件的完整例子：群e x a m p l er u l ef i l e p r e f i xp r e ： i n c l u d e 【r u l e1 ：( ? fp r e ：f a t h e r ? a ) ( ? up r e ：b r o t h e r 9 0 ( ? up r e ：u n c l e ? a ) 】使用通用规则推理机，首先，实现了业务规则和源程序的分离，可以用j e n a的规则文件替换以程序代码“固化 在应用系统中的业务逻辑，当业务规则需要更新的时候，只需要更新规则文件，而不必修改源代码。其次，j e n a 的通用规则推理机支持用户自定义的规则，而且用于表述业务规则的语法具备非技术性，便于业务人员理解和使用。2 2 本体、规则与产品配置设计2 2 1 产品配置设计的研究现状随着市场全球化的发展，为了适应不断变化的产品