（计算机软件与理论专业论文）基于本体的协同设计产品信息建模与映射研究.pdf

铲 以表达咖同设计对象的结 域的设计群组人员所具有 的领域知识不同，在产品设计过程中，会对产品的概念产生歧义性，引起设计的冲突。 如何构建统一完备的产品信息模型，已经成为协同设计的首要任务。目前对于产品信息 的建模均是基于语法层面的描述，无法表达基于语义层面的信息要素。而本体论以其良 好的语义表达能力和具有对知识的共享、重用与互操作等特点，正好可以解决协同设计 信息模型的建模问题。所以基于本体的协同设计信息模型的构建研究具有极大地理论意 义和应用价值。 本文的主要研究工作如下： 1 针对机械产品领域的特点，分别构建机械产品的零件本体、特征本体、参数本体、 约束本体和需求本体。 2 在此基础上选取离心泵作为实例，构建离心泵本体。通过产品数据库模型建立离 心泵产品信息数据库。由于本体的建立是面向静念环境的，不同的本体之间无法进行信 息的交互，本文利用本体映射解决本体异构问题。其方法是通过建立各局部本体到全局 本体的映射，实现各局部本体之间的映射，很大的减少了本体映射的工作量。 3 开发离心泵的协同设计信息访问平台。 本文利用本体技术在协同设计中构建产品信息模型，有效地解决了协同设计中的产 品信息模型语义简单、信息无法集成与共享等问题。选取实例，通过协同设计平台验证 了这种方法的可行性和高效性，缩短了产品开发的周期，给协同设计提供了强有力的支 撑。 关键词：协同设计；本体论；产品信息模型；本体映射 a b s t r a c t p r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e l i st h ef o u n d a t i o no ft h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n t o ft h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g np r o c e s sa n dt h ef u n c t i o nb o d yu s e dt oe x p r e s st h e s t r u c t u r e ，o r g a n i z a t i o n ，c o n s t r a i n t s a n dp r o p e r t i e so ft h e c o d e s i g no b j e c t i n c o l l a b o r a t i v ed e s i g np r o c e s s ，g r o u pd e s i g n e r sf r o md i f f e r e n ta r e a sc a ng e n e r a t e a m b i g u i t yt ot h ec o n c e p to ft h ep r o d u c tb e c a u s e o ft h e i rd i f f e r e n tf i e l d k n o w l e d g ea n dt h i s c a nc a u s et h ed e s i g nc o n f l i c t t h e r e f o r e ，h o wt ob u i l da u n i f i e da n dc o m p l e t ep r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e lh a sb e c o m et h ep r i o rt a s ko f t h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g n t h ec u r r e n tm o d e lf o rp r o d u c ti n f o r m a t i o na r ea l lb a s e d o nt h ed e s c r i p t i o no ft h es y n t a xl e v e la n dc a nn o te x p r e s st h ei n f o r m a t i o n e l e m e n t sb a s e do ns e m a n t i cl e v e l s t h eo n t o l o g yc a nj u s tt os o l v et h em o d e l i n g p r o b l e m so ft h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g ni n f o r m a t i o nm o d e ld u et oi t s e x c e l l e n t s e m a n t i cs k i l l sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs h a r i n g ，r e u s ea n di n t e r o p e r a b i l i t yt o k n o w l e d g e t h e r e f o r ei tiso fg r e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u e t os t u d yt h ec o n s t r u c t i o no ft h eo n t o l o g y - b a s e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni n f o r m a t i o n m o d e l t h em a i nr e s e a r c hw o r ka r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so f m e c h a n i c a lp r o d u c t s ，t h ep a r to n t o l o g y , f e a t u r e o n t o l o g y , a r g u m e n to n t o l o g y , c o n s t r a i n to n t o l o g ya n dr e q u i r e m e n t so n t o l o g yo f t h em e c h a n i c a lp r o d u c t sa r ec o n s t r u c t e d ( 2 ) o nt h i sb a s i s ，s e l e c tt h ec e n t r i f u g a lp u m pa sa ne x a m p l e ，c o n s t r u c tt h e o n t o l o g yo fc e n t r i f u g a lp u m pa n db u i l dc e n t r i f u g a lp u m pp r o d u c ti n f o r m a t i o n d a t a b a s eb yp r o d u c td a t a b a s em o d e l a st h ec o n s t r u c t i o no fo n t o l o g yi sf o rs t a t i c e n v i r o n m e n ta n dd i f f e r e n to n t o l o g i e sc a nn o ti n t e r a c ti n f o r m a t i o n s oi nt h i s p a p e r , o n t o l o g ym a p p i n g w a su s e dt os o l v et h e o n t o l o g yh e t e r o g e n e o u s p r o b l e m t h ea p p r o a c hi sr e a l i z i n gt h em a p p i n gb e t w e e nt h el o c a lo n t o l o g y s t h r o u g he s t a b l i s h i n g t h e m a p p i n g o ft h el o c a l o n t o l o g y t ot h e g l o b a l o n t o l o g y g r e a tw o r k l o a do fo n t o l o g ym a p p i n g i sr e d u c e d ( 3 ) d e v e l o pc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni n f o r m a t i o na c c e s sp l a t f o r mo fc e n t r i f u g a l p u m pi nt r a d i t i o n a lp r o d u c tc o l la b o r a t i v ed e s i g n ，t h es e m a n t i co fi n f o r m a t i o n m o d e li ss i m p l e ，a n di n f o r m a t i o nc a nn o tb ei n t e g r a t e da n ds h a r e d i nt h i sp a p e l a no ft h e s ep r o b l e m sa r ee f f e c t i v e l ys o l v e db yu s i n go n t o l o g yb u i l d i n gp r o d u c t i n f o r m a t i o nm o d e li nt h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g n t h i sm e t h o dc a ns h o r t e nt h e p r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，a n dp r o v i d e sas t r o n gs u p p o r tt oc o d e s i g n w i t ha n e x a m p l e ，i tv r i f i e s t h e f e a s i b i l i t yo fa n de f f i c i e n c yo ft h em e t h o dt h r o u g h c o l l a b o r a t i v ed e s i g np l a t f o r m k e yw o r d s ：c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ；o n t o l o g y ；p r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e l ； o n t o l o g ym a p p i n g e i v 1 1 1 ：! ：； ! ； 2 1 协同设计的相关理论5 2 1 1 协同设计的定义5 2 1 2 协同设计的本质5 2 1 3 协同设计的特点5 2 2 产品信息模型。6 2 2 1 基于语法的产品信息模型6 2 2 2 基于语义的产品信息模型7 2 3 本体论的相关概念7 2 - 3 1 本体的定义7 2 3 2 本体的建模原语7 2 3 3 本体的形式化8 2 3 4 本体的设计方法1 0 2 3 5 本体的构建工具与开发环境。儿 2 3 6 本体的评价1 2 2 4 本体的开发平台1 4 2 5 本章小结1 4 第三章基于本体的产品信息模型的建模1 5 3 1 产品本体1 5 3 1 1 零件本体1 8 3 1 2 特征本体2 0 3 1 3 需求本体2 1 3 1 4 参数本体2 2 3 1 5 约束本体2 2 v 3 2 离心泵本体2 3 3 2 1 离心泵的工作原理2 3 3 2 2 离心泵的基本组成及各部件的作用2 3 3 2 3 离心泵及部件的参数2 4 3 2 4 构建离心泵零件本体。2 6 3 3 建立产品本体数据库2 7 3 3 1 产品信息集成框架。2 7 3 3 2 产品信息数据库建模2 8 3 4 本章小结2 9 第四章协同设计中本体映射的研究3 1 4 1 问题的提出3 1 4 2 本体映射的概念3 1 4 3 本体映射的过程3 1 4 4 本体映射的方法3 2 4 4 1 根据本体定义分类3 2 4 4 2 根据映射技术分类。3 3 4 5 协同设计中的本体映射3 3 4 5 1 协同设计中的本体映射的特点。3 4 4 5 2 协同设计建立本体映射方法3 5 4 6 本章小结。3 6 第五章离心泵的协同设计信息访问平台的构建3 7 5 1 软件设计3 7 5 1 1 需求分析3 7 5 1 2 概要设计3 7 5 1 3 编码3 8 5 2 软件测试4 0 5 2 1 测试的目的及方法步骤4 0 5 2 2 制定测试计划4 0 5 2 3 设计测试用例4 0 5 3 本章小结4 2 v i v l i 3 3 3 5 9 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着市场竞争的同趋激烈，传统的设计方法已经越来越不适应企业发展的需要。 迫切的需要一种新的设计方法来解决产品设计过程中周期长、效率低和产品竞争力差的 问题。计算机网络技术和软硬件技术的迅速发展使得在企业中实施协同设计成为可能， 它一出现就以低成本，高效率，强大的创新能力，快速的市场响应能力得到企业越来越 多的重视l 。 产品设计的本质是把产品的设计需求转换为产品的知识，在产品的设计过程中需要 各种不同的人员协作来完成，产品设计同时也是一种创造性的需要多次迭代的过程。在 产品设计过程中怎样使不同的协同设计设计者之间达到更好的互动，超越信息障碍，除 了存在的客观环境，完备的产品信息模型也是非常重要的，这一方面对于协同设计更加 重要。 以前产品信息模型的建立都是基于语法的，比如s t e p 是基于对产品的概念的描述， 它偏重于交换静态数据，对数据共享这方面的支持不够。p d m 系统是基于关系型的数 据库，它的语义模型是很简单的，无法对非规范化数据进行表达，也不能适应工程建模 领域中复杂的过程和管理。x m l 的数据模式是半结构化的，虽然可以支持比较简单的 语义描述，但它也是偏重于对数据的交换，缺少对数据约束的表示。其实上面所有的问 题都是建立在信息基础上的管理系统本身不可克服的：缺乏语义，无法表达事实，公理， 判断和规则等，为了解决这些问题需要引入新的技术本体论，利用本体论可以很好的 弥补这些缺陷1 2 。 “本体论”的概念本来是来自哲学的，这几年被引入到协同设计领域。本体是对概 念化所做的显示的说明，它是对客观存在的概念和概念之间的关系的描述。在协同设计 的产品信息建模中引入本体论的思想，可以达到以下目的： ( 1 ) 它可以支持语义层面信息的共享和集成。利用本体可以对知识领域中的构建和 约束作普遍的、无歧义的语义方面的解释，使其可以保证本体的不同设计者之间可以在 基于语义层面的方向上进行信息共享【3 j 。 ( 2 ) 利用本体可以对特定领域的知识：概念、函数、规则和判断进行形式化地定义， 从而可以更加细致的描述产品语义信息。 1 2 国内外研究的现状 利用本体在协同设计中构建产品信息模型这方面的研究，无论是国内还是国外大部 基丁本体的协同设计产品信息建模与映射研究 分都处于理论阶段，真正实现并且应用的比较少，但是这方面的研究逐渐成为热点，并 取得了一系列的成果，利用本体建立产品信息模型这方面的研究成果有： 在国外，华盛顿大学的s u d a r s a n 、c m u 的f e n v e s 与n i s t 的s r i r a m 等人一起，为 支持产品生命周期管理( p l m ) 各方面的信息需求，以本体为表示工具，开发了一种产 品信息模型框架【4 j 。日本在这方面也进行了大量的研究，比如o s a k a 大学的m i z l a b 的 相关项目和d r e x e l 大学g i c l 实验室的c u p 和m u g 项目。美国密歇根大学p a t i l 等人 丌发了一个产品本体作为语义交换的标准中介( p s r l ) 1 5 】。 在国内，浙江大学c a d & c g 国家重点实验室董金祥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。浙江大学人工智能研究所，张立、陈刚、王玉柱、董 金祥在基于本体的功能建模框架及协同设计环境研究提出了新的方法【6 1 。华中科技大学 的凌玲，胡于进，王学林，李成刚，对协同设计环境下基于语义的本体建立方法进行了 卓有成效的研究【_ 7 1 。现代制造研究所杨志雄，祁国宁等人对基于本体的零件描述和w e b 零件库的研究1 8 1 。人工智能研究所李善平对基于本体的产品信息集成的研究吲。机械与 能源学院宋荣，余忠华利用p r o t 6 9 6 建立了轴承锈蚀领域知识的本体。流动传动与控制 国家重点实验室董红召，陈鹰等进行了网络协同制造本体的研究【m 】。天津大学的李文杰， 冯志勇等人提出了基于本体的多a g e n t 自动c a p p 系统模型【l 。清华大学的孙刚，王继 龙等为解决协同产品设计的知识共享问题开发了t o n e 本体模型【1 2 】。浙江大学赵燕伟对 基于o w l 本体建模的概念产品配置进行了卓有成效的研究。清华大学的王听，熊光楞 对基于本体的设计原理信息提取的研究等【1 3 】。 1 3 主要的研究内容 从国内外的研究现状可以看出，虽然利用本体在协同设计中构建产品信息模型具有 很多的优点，但是由于本体技术本身的不够成熟以及协同设计的复杂性，使得其在实际 应用上存在诸多的困难。在对本体论和产品的协同设计有了充分了解的基础上，本文通 过本体构建机械产品的信息模型，并选取机械产品离心泵作为实例，利用本体构建离心 泵的信息模型，并通过本体映射的研究解决协同设计者之间信息的共享与互操作的问 题，也解决了协同设计中知识冲突的问题。 论文的主要研究内容； 1 在深入了解本体论的基础上，分别构建机械产品的零件本体、特征本体、约束本 体、参数本体以及需求本体。以离心泵作为实例，构建离心泵本体，将本体信息导入到 关系数据库，建立离心泵产品信息数据库。 2 协同设计者之间构建的本体并不是总是相同的，为了解决不同本体之间知识的共 2 括三个功能模块，它们是用户验证模块、信息查询模块和设计模块。 1 4 论文的组织结构 本文共分六章，具体的组织结构如下： 第一章介绍课题的选题背景和研究意义，通过阅读、整理和深入研究本体在协同设 计中应用的国内外现状，针对各种方法的优缺点，确定了本文的主要研究内容和组织结 构。 第二章介绍本文用到的相关的理论与技术，首先介绍了协同设计的基本概念；其次 分析了建立产品信息模型的方法；然后给出了本体论的基本概念、本体的开发方法、开 发平台、丌发流程及本体评价，最后介绍了本体建模工具p r o t e g e 。 第三章根据机械产品的特点构造产品本体，需要构建的本体包括了零件本体、特征 本体、参数本体、约束本体以及需求本体。在此基础之上，选取离心泵作为实例，构建 离心泵本体，通过产品数据库模型构建本体信息库，将产品信息导入到关系数据库，建y 立离心泵信息数据库。 第四章讲述了本体映射的问题，包括了本体映射的概念、本体映射的过程和本体映 射的方法。研究了协同设计环境下本体映射的情况，提出通过构建全局本体，建立各局 部本体与全局本体的映射，从而实现各局部本体之问的映射。 第五章开发离心泵协同设计信息访问平台，主要包括了三个功能模块，用户验证模 块、信息查询模块与设计模块，并进行软件测试。 第六章对论文所作的工作进行了总结，确定了今后的研究方向。 3 基于本体的协同设计产晶信息建模与映射研究 4 第二章协同设计信息建模的相关理论与技术 第二章协同设计信息建模的相关理论与技术 2 1 协同设计的相关理论 2 1 1 协同设计的定义 协同设计的英文说法是c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，它通过计算机的支持，利用协同工作与 先进制造技术的结合，对产品的设计提供有效的支持【1 4 l 。 2 1 2 协同设计的本质 协同设计从本质上来说是一种设计理念，是指在计算机的支持下不同的协同设计 者，相互合作的完成全部设计任务的过程。它以协同设计中的产品设计的问题作为研究 对象，强调机与机，人与机，人与人之间的沟通，通过自己组织自己和自己协调自己的 方式达到对整体目标的优化。它的研究的目的是使得设计过程中各种设计活动可以自动 的进行优化【15 1 。 2 1 3 协同设计的特点 协同设计一般涉及协同设计过程、计算机协同、协同设计成员等设计实体，每个协 同设计实体之间的相互关系的具体体现如下所述： 1 产品设计过程的协同 产品的生命周期一般包括产品的设计、产品的制造和产品的销售等阶段，由于各个 时期所关心的目标不同，所以对其所做的处理的方法和手段也不相同。为了使其总体目 标达到最优的效果，需要协调产品生命周期过程的各个阶段。可以通过各部门进行协商 来解决这个问题。 2 产品设计者之间的协同 协同设计的最重要的一点就是设计者之间的相互协同。一般来说产品设计是很复杂 的，需要各设计者之间相互协作才能满足设计要求，产品的设计过程中产生的各种矛盾 和各种冲突也需要各设计者之间通过协商和讨论来解决。 3 产品设计者与计算机系统之间的协同 由于计算机越来越先进，计算机辅助设计工具的优点也越来越明显，以前许多由产 品设计者做的工作现在都交给了计算机来做。不过到现在为止，计算机只能完成辅助性 的工作，绝大部分创造性的工作都要由产品没计者来完成。怎样使计算机系统与产品设 计人员可以更加密切的结合，发挥设计者与计算机一体化的优势，在产品设计者与计算 机系统之间可以合理的分配任务，就需要对设计者与计算机之间的协同工作进行研究。 4 计算机系统之间的协同 计算机系统之问的产品设计的协同主要包括各种计算机辅助设计系统之间的信息 s 基丁本体的协同设计产品信息建模与映射研究 传递、产品信息的管理和系统之间的互操作问题，在由多个计算机系统所组成的分布式 异构设计环境中，实现产品信息的良好连接和处理，并为不同设计者提供一个统一的设 计界面和系统之间访问的透明化【1 6 1 。 2 2 产品信息模型 模型是对现实世界的抽象描述。建模的最终目的是把与建模目的无关的信息去掉， 这样可以方便人们对真实世界进行研究，通过对产品建模形成的产品信息模型可以反映 建模者对产品信息认识要点。 本课题研究的产品信息模型是指覆盖产品设计过程中所牵涉到的、能被计算机系统 识别和加工的、能唯一用来描述产品信息的模型。 2 2 1 基于语法的产品信息模型 基于语法的产品信息模型主要包括三个，它们分别是针对几何的产品建模、针对产 品信息建模和针对特征的产品建模。它们三个共同反映了产品信息模型从部分到全局、 从简单到复杂、从功能单一到涵盖所有产品生命周期的各种活动的发展过程n 7 1 。 从产品数据模型上来划分则主要有以下三种方法： 1 p d m ( 产品数据管理) 系统 p d m ( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) n 刚是一门用来管理所有与产品相关信息( 包括 零件信息、配置、文档、c a d 文件、结构、权限信息等) 和所有与产品相关过程( 包 括过程定义和管理) 的技术。 2 s t e p ( 产品数据模型交换标准) s t e p ( s t a n d a r de x c h a n g eo fp r o d u c td a t am o d e l ) “叫标准是国际标准化组织 制定的描述整个产品生命周期内产品信息的标准，它提供了一种不依赖具体系统 的中性机制，旨在实现产品数据的交换和共享。这种描述的性质使得它不仅适合 于交换文件，也适合于作为执行和分享产品数据库和存档的基础。发达国家已经 把s t e p 标准推向了工业应用。它的应用显著降低了产品生命周期内的信息交换成 本，提高了产品研发效率，成为制造业进行国际合作、参与国际竞争的重要基础 标准，是保持企业竞争力的重要工具。 3 x m l ( 可扩展标示语言) x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 即可扩展标记语言，它与h t m l 一样，都是 s g m l ( s t a n d a r dg e n e r a li z e dm a r k u pl a n g u a g e ，标准通用标记语言) 。x m l 是i n t e r n e t 环境中跨平台的，依赖于内容的技术，是当前处理结构化文档信息的有力工具。扩展标 记语言x m l 是一种简单的数据存储语言，使用一系列简单的标记描述数据，而这些标记 6 第二章协同设计信息建模的相关理论与技术 可以用方便的方式建立，虽然x m l 占用的空间比二进制数据要占用更多的空间，但x m l 极其简单易于掌握和使用啪1 。 2 2 2 基于语义的产品信息模型 基于语法的产品信息模型曾经发挥了巨大的作用，但是因为它缺乏足够多的语义， 无法表达基于描述的事实、公理、判断和规则等，难以合理的推理和验证所以出现了基 于语义的产品信息模型，而本体论的出现，使这种愿望变成了现实。 2 3 本体论的相关概念 本体论本是哲学上的概念，用来说明世界的本质或者本源问题。近几十年里，这个 词被应用到计算机界，并在人工智能、计算机语言以及数据库理论中扮演着越来 越重要的作用。 2 3 1 本体的定义 本体论( o n t o l o g y ) 和本体( o n t o l o g y ) 的英文表示的不同之处在于本体论用大写 的“0 ”丌头，本体用小写的“0 开头。本体论这个词汇出现于1 7 世纪，派生自希腊文 的o n t o 和l o g i a ，本体论是哲学上的一个分支。用哲学的术语来说，本体论是研究客观 世界存在的本质的，所以在哲学上本体论的真正含义是对现实存在的任何领域的真实的 客观描述。对本体论的理解，人们可以达成一致。但是对本体( o n t o l o g y ) 的解释，哲 学界和计算机工程界存在着不同的观点，这些观点如下所述： 本体是哲学界里哲学理论的术语，即本体就是形成现象的根本实体。 近十多年来科学知识界对本体论的研究变得日益成熟，早就超出了哲学的范围。本 体和信息技术( 面向对象系统) 、知识工程界和人工智能领域等都有着密切的联系。尤 其是语义网出现使本体论在网络上的应用变成了现实，对网络技术的发展起到了巨大的 推动作用。 本体在人工智能领域的概念相对比较成熟，在人工智能能领域人们把本体看作是一 种系统工程人造物。虽然现在对本体论有了较为深入的研究，但是“本体的本质是什么? ” 仍然是一个颇有争议的话题。其中，在1 9 9 1 年n e c h e se ta 1 对本体给出了这样的定义， 本体是指在主题领域中定义了它包含的概念和概念之间的关系，以及这些术语和关系的 外延。但足该定义是不全面的，它主要涉及了构建一个本体需要包括的基本元素，即首 先要做的工作是找出该主题领域的基本词汇以及这些词汇之间存在的关系，其次再找出 并整合这些词汇和关系的规则，最后再对这些词汇和关系进行定义。在1 9 9 3 年g r u b e r 对本体给出了一个经典的定义：本体是是对概念的显式的规范化的说明，在1 9 9 7 年 b o r s t 对上述定义作了修改和补充说明。即，本体是被共享的概念化的一个显式的规格 7 基丁本体的协同设计产品信息建模与映射研究 说明。它们都强调了作出显式解释的可能性，他们两人对本体的定义是人们采用和引用 最多的。w i l l i a m 和a u s t i n 在1 9 9 9 年提出：本体足用来描述或表达某一领域知识的一 组概念术语，它可用来组织知识库，也可用来描述特定领域的知识。c h a nd r a s e k a r a n 等人在1 9 9 9 年指出：本体属于人工智能领域中的理论，主要研究某特定领域知识的对 象属性、对象分类以及对象间的关系等内容，为领域知识的表达提供术语瞳。 从上述不同研究者给出的定义和描述中可以看出，本语( 词体包括：术汇) 、术语 关联、规则、概念化、形式化的规格说明、领域知识、表达和共享等八个主要的相关概 念。简而言之，本体的实质就是通过对概念、术语以及其相互关系的规范化描述，勾画 出某一领域的基本知识体系，同时给出了它的描述语言。 2 3 2 本体的建模原语 本体是对概念的规范化和形式化的说明，它一般由五元组组成，分别如下： 1 本体的概念或者类：指任何事务，如工作描述、功能、行为、策略和推理过程。 从语义的层面讲，它表示的就是对象的集合。 2 概念之间的关系：关系在领域中表达的是概念之间的相互作用，它在形式上可以 定义为r l 维笛卡尔积的一个子集r ：b 1 b 2 b n 。 3 本体中的函数：函数表示的是一种特殊的关系。其元素的前n 一1 个元素可以用来 唯一的决定第n 个元素。形式化的定义为f u c t i o n ：b l b 2 b n l b n 。 4 本体中的公理：公理表达的是永真断言。 5 本体中的实例：实例代表元素。从语义的层面讲实例表达的意思就是对象幽1 。 2 3 3 本体的形式化 1 逻辑表达 描述逻辑( d e s c r i p t i o nl o g i c ，d l ) 乜3 1 是一种知识表示和描述的机制。它主要是对人 们所关心的领域中的事物以及事物之间的关系进行描述。其具体做法是使用严格的带有 语义的逻辑描述来定义与待描述的域相关的概念，称为“术语”，再利用这些术语定义 域中各事物及它们之间的联系，称为“断言”或者“定理”。通过这些描述，人们可以 更好地了解客观存在本身的性质以及它们的关系。目前的描述逻辑系统通常由以下几部 分组成：描述知识所用的逻辑语言( d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，此语言所定义的术语集合 ( t b o x ) ，由术语所给出的断言集合( a b o x ) ，以及针对它们的一套推理规则。 大多数的本体模型都是基于一阶逻辑，如o n t o li n g u a 、c y d 、l o o m 等。尽管一阶逻 辑具有很强的逻辑表达能力，但其推理过程复杂，不利于本体模型的检验。描述逻辑 ( d e s c r i p t i o nl o g i c ，d l ) 是一种用来描述概念和概念层次关系的知识表示语言，可以看 8 第二章协同设计信息建模的相关理论与技术 成是谓词逻辑的子语言。提供可判定的推理服务，尽管没有一阶逻辑的表达能力强，但 是更适合于本体表达。因此基于d l 的本体模型更适合w e b 环境下概念建模与知识共享。 描述逻辑用来描述对象问的关系，因此描述逻辑着重对象之间的分类及其定义，它 的主要推理工作有两个：( 1 ) 包含，即决定某一类是否为另一类的子集合。( 2 ) 分类，即 决定某一对象属于哪一种类。 例如，度量的谓词逻辑表达为m e a s u r e ( m e a s u r en a m e ，m e a s u r en u m b e r ，u n i to f m e a s u r e ) 。其含义是：度量( 度量名，度量号，度量单位) ，度量是谓词。 2 本体的形式化语言 在关于对本体的研究中，虽然出现了众多的本体形式化语言，但总结起来主要包括 了c y c 表示语言( t h ec y cr e p r e s e n a t i o nl a n g u a g e ，c y c l ) 、f l o g i c 语言、操作知识建 模语言( o p e r a t i o n a lk n o w l e d g em o d e l i n gl a n g u a g e ，o c m l ) 、知识变换语言( k n o w l e d g e i n t e r c h a n g ef o r m a t ，k i f ) 、资源描述框架( r 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 ，r d f ) 和 资源词汇描述语言r d fs c h e m a 、简单的超文本标记语言( s i m p l eh t m lo n t o l o g y e x t e n s o n s ，s h o e ) 、基于x m l 的本体交互语言( x m l b a s e do n t o l o g ye x c h a n g l a n g u a g e ，x o l ) 、l o o m 语言、本体推理层语言( t h eo n t o l o g yi n f e r e n c el a y e r ，o i l ) 、 o m l 语言、本体标识语言( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c ya g e n tm a r k u p l a n g u a g e ，d a m l + o i l ) 和w e b 本体语言( w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ，o w l ) 等心4 l 。 上述的这些语言可以分为两大类语言，分别是传统的本体表示语言和基于w e b 应用 的本体表示语言。其中传统的语言包括了k i f 、c y c l 、o c m l 、l o o m 、f l o g i c 等；其中基 于w e b 的语言包括o m l 、o w l 、d a m l + o i l 、x o l 、r d f 和r d fs c h e m a 、s h o e 、o i l 等，上述 的语言都是基于w e b 开发的，除s h o e 以外，其句法格式全部都是以可扩展标记语言 ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，x m l ) 作为基础的。 k i f 是o n t o l i n g u a 体系中的本体形式化描述语言，是建立在一阶谓词逻辑基础上的 扩展，它组成了o n t o l i n g u a 的语义和句法基础。k i f 采纳了模型论语义作为其语言规范， 使用了一种类l i s p 的符号来表示公理，语句由广义表组成，函数采用前缀语法，运算 符包括析取、合取、否定、蕴涵。k i f 具有很强的表达能力，可以使其他的知识表示语言 都有转换成k i f 标准格式。但是k i f 不是实现级别上的描述系统，与具体应用没有关系。 c y c l 是一个描述本体的语言，它是c y c 知识库的描述语言。它的特点是组织体系比 较庞大，语义描述能力与灵活性都比较强。c y c l 的句法本质上是一阶逻辑的一个子扩展， 应用了原子术语变量、字符串、语义、数值和n a t 约束等词语，这些术语组成c y c l 表 达式，它的逻辑表达式可以用来构成闭合语句，这些语句是不含自由变量的。c y c l 还具 9 基丁本体的协同设计产品信息建模与映射研究 备了对多种机制的推理。 为了充分描述w e b 资源信息w 3 c 丌发了r d fs c h e m a 和r d f 两个本体描述语言，它 们两个通常合称为r d f ( s ) 。其中r d f ( s ) 的表达能力这方面相对比较弱，仅仅可以用来 表达概念、概念的关联及二元关系。r d f ( s ) 上的推理机制的功能非常的有限，只能进行 约束检验。r d f ( s ) 这种语言虽然不可以用来描述本体，但是它已经成为众多w e b 本体描 述语言的基础。 南加州大学于1 9 9 2 年开发的l o o m 语言是从k l i n e 语言族中派生出来的，由它升 级而来的语言为p o w e r l o o m 。英国开放大学的k m i 是于1 9 9 4 年在v i t a l a 项目中开发了 o c m l 建模语言。德国卡尔斯鲁厄大学于1 9 9 6 年开发了f l o g i c 语言，它可以对概念、分 实例、类法、函数、公理、演绎规则和二元关系进行表示，可以对推理机进行检查约束、 解释新的知识。马罩兰大学于1 9 9 6 年丌发了s h o e ，它是一种文本表示语言，建立在超文 本标记语言的基础之上。d a m l + o i l 的前身是o i l ，是语义w e b 设计语言的基础，是在欧洲 i s t 的o n t o k n o w l e d g e 项目中开发出来的。具有定义良好的清晰地语义乜5 1 ，是由美国和 欧洲的本体研究机构联手在d a m l - o n t 和o i l 的基础上研究出来的。 w 3 c 开发了o w l ( w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ) ，它是一种网络本体语言，它的主 要作用是为了对本体进行语义描述。由于o w l 是由d a m l + o i l 演化而来的，所以它 在具备对d a m l + 0 i l r d f s 的兼容性的同时，又维持了描述逻辑( d l ，d e s c r i p t i o n l o g i c ) 的可判定性推理，同时又对语义表达能力提供强大的支持。描述逻辑是o w l 的语义方面的逻辑推理机制，o w l 包含o w lf u l l 、o w ld l 和o w ll i t e 3 个表达能力 渐减的子语言。o w lf u l l 主要是面向要求有最大的表示能力，而不追求可计算性的用户； o w ld l 主要是面向在保持推理能力的基础之上，而要求有最大程度表达能力的用户，推 理能力需要保证可决定性和计算完全性；o w ll i t e 面向的是只需要一个分类结构和简单 的属性约束的用户。 2 3 4 本体的设计方法 到目前为止本体的开发技术仍然是不成熟的，每一种开发方法都拥有自己的特点。 下面几个是本体开发方法是大家所公认的，如下所示： 1 爱丁堡大学的“骨架 法 爱丁堡大学开发了骨架法的。e n t e r p r i s eo n t o l o g y 就是采用这种本体的开发方法 开发出来的。它的组成是一组与企业相关的定义和术语，主要应用在企业模拟。图2 1 是骨架法的本体构建流程图： 1 0 研制，使用的集成方式是描述逻辑。计划本体、企业设计本体、工程本体和服务本体组 成了t o v e 本体。本体开发流程分为四步如下所示： ( 1 ) 对全部的解决方案和直接可能的应用进行定义：假设开发本体的动机来自实际当 中的应用，如果有现有的本体不能解决的问题