（机械设计及理论专业论文）本体论在概念设计产品信息建模中的应用研究.pdf

哈尔滨i 程大学硕+ 学位论文 摘要 概念设计是产品开发过程中最关键的阶段，因此，许多研究者把注意力 集中在计算机辅助概念设计系统的研究上。但是，在概念设计阶段利用计算 机辅助设计比较困难。产品信息建模技术是开发计算机辅助概念设计系统的 关键技术，传统的产品信息模型主要表示产品的几何信息、工艺信息及管理 信息，无法表示产品设计过程中的设计知识，并且没有考虑设计师的知识。 目前，大多数的产品设计知识分布在不同的地域和不同的设计系统里。因此， 产品设计知识的统一表达和在不同设计系统之间的检索、重用、共享及交换 成为计算机辅助概念设计的主要问题。本体作为知识的一种良好载体，在语 义层面能很好地解决上述的问题。本体不但提供形式化描述知识的基础，而 且使不同系统之间产品知识的共享和集成成为可能。 本文分析本体在人工智能和信息技术等领域的研究成果，以及语义网环 境下的本体建模语言的发展。在此基础上，提出基于本体的产品信息建模框 架，即，f p s 信息建模框架。定义该建模框架中的功能模型、原理模型和结 构模型，并用o w l 本体建模语言描述产品建模框架中的类和属性。然后， 使用本体开发工具p r o t 6 酌开发一个概念设计系统，设计功能术语本体库、流 术语本体库、原理本体库和组件本体库。最后，应用所开发的概念设计系统 进行水下管道切割机的概念设计。 本文提出的f p s 信息建模框架能够组织和表达产品的功能信息、原理信 息和结构信息，实现功能层、原理层和结构层之间的映射。通过开发概念设 计系统，验证f p s 信息建模框架的可行性。可以充分实现对产品概念设计阶 段的支持，有利于不同设计系统之间的知识共享与交换，为计算机辅助概念 设计系统的建立提供实用的产品信息模型基础。 关键词：本体；产品建模；概念设计；概念设计系统；o w l 语言 哈尔滨i ：程大学硕十学伊论文 a b s t r a c t c o n c e p t u a ld e s i g ni sp e r h a p st h em o s tc r u c i a lt a s ki na l le n g i n e e r i n gp r o d u c t d e v e l o p m e n tc y c l e r e c e n t l y , m a n yr e s e a r c h e r s a t ei n c r e a s i n ga t t e n t i o nf o r c o m p u t e r - a i d e dc o n c e p t u a ld e s i g n b u tc o m p u t e r - a i d e dc o n c e p t u a ld e s i g ni s d i f f i c u l tt oa c c o m p l i s h p r o d u c tm o d e l i n gh a sb e e nr e g a r d e da sak e yt e c h n o l o g y t od e v e l o pc o n c e p t u a ld e s i g ns u p p o r ts y s t e m s t r a d i t i o n a lp r o d u c tm o d e l i n g t e c h n i q u e s a r em a i n l yf o c u s e do np h y s i c a lp r o d u c tm o d e l i n ga n dg e o m e t r i c r e p r e s e n t a t i o n , w h i c hm a k e st h e mi n s u f f i c i e n tt oh e l pi nt h ec o n c e p t u a ld e s i g n p r o g r e s s t o d a y , t h ed e s i g nk n o w l e d g ea n de x p e r t i s e a t e g e o g r a p h i c a l l y d i s t r i b u t e da n dh e t e r o g e n o u s t h u s ，i tb e c o m e sac r i t i c a li s s u ef o rc o n s i s t e n t r e p r e s e n t a t i o nf o rd e s i g nk n o w l e d g e ，a n dt h ed e m a n df o re f f e c t i v e l yr e t r i e v i n g ， r e u s i n g ，s h a r i n ga n de x c h a n g i n gd e s i g nk n o w l e d g e i nt h er e s e a r c hf i e l do f k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n a n d k n o w l e d g ep r o c e s s i n g ，t h ea p p l i c a t i o n o f o n t o l o g i e sh a sp r o v e nt ob ea na d v a n t a g e o u sp a r a d i g mo v e rr e c e n ty e a r s o n t o l o g i e sa r ew e l ls u i t e df o rd e s i g nk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n i nt h i st h e s i s ，ap r e l i m i n a r ya t t e m p ta tu s i n go n t o l o g i e sa n ds e m a n t i cw e b p a r a d i g m ，e s p e c i a l l y t h e w 曲o n t o l o g yl a n g u a g e ( o w l ) ，f o rp r o d u c t i n f o r m a t i o nm o d e l i n gi sd e s c r i b e d a no v e r v i e wo ft h e o n g o i n gw o r kw i t h o n t o l o g i e s a n ds e m a n t i cw e ba r e p r e s e n t e d a no n t o l o g y - b a s e dp r o d u c t i n f o r m a t i o nm o d e l i n gf r a m e w o r k , i e f p si n f o r m a t i o nm o d e l i n gf r a m e w o r ki s p r o p o s e d f u n c t i o nm o d e l ，p r i n c i r l em o d e la n ds t r u c t u r em o d e li nt h ef r a m e w o r k a t ed e f i n e d t h e no w li su s e dt od e s c r i b er e l a t e do n t o l o g i e so f t h ef r a m e w o r k a c o n c e p t u a ld e s i g np r o t o t y p es y s t e mh a sa l s ob e e nd e v e l o p e dt oi m p l e m e n ta n d d e m o n s t r a t et h ep r o p o s e dm o d e l i n gf r a m e w o r kb yu s i n gp r o t 6 9 6 f u n c t i o n t e r m i n o l o g yo n t o l o g y , f l o wt e r m i n o l o g yo n t o l o g y , p r i n c i p l eo n t o l o g ya n d c o m p o n e n to n t o l o g ya r ec r e a t e d t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ed e v e l o p e dp r o t o t y p e s y s t e mh a sb e e ni l l u s t r a t e d 、= v i t hac a s eo f am a r i n ep i p ec u t t e rc o n c e p t u a ld e s i g n f p si n l b r m a t i ( mm o d e l i n gf r a m e x x o r km 1 m a l t yr e p r e s e n t sa n d0 1 9 a uj z e s 哈尔滨。f 程大学硕十学何论义 iimim p r o d u c ti n f o r m a t i o ni nf u n c t i o n a l ，p r i n c i p l ea n dp h r s i c a ld o m a i ni nam u l t i l e v e l a n do b j e c t o r i e n t e dm a n n e r i ne a c hd o m a m ，t h ei n f o r m a t i o ni s o r g a n i z e d a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c td e c o m p o s i t i o ns t r u c t u r e i ta l s oc a nm a pa m o n gt h et h r e e d o m a m s p r o d u c td e s i g nr e p r e s e n t a t i o ni no w lf o r m a tp r o v i d e si m p r o v e d a b s t r a c t i o no ft h ec o n c e p t u a ld e s i g n ，e n h a n c e do p p o r t u n i t yf o ri n t e g r a t i o na n d u p d a t i n go fd e s i g nc h a n g e s ，c o n s e q u e n t l yp r o m i s i n gam o r ec o l l a b o r a t i v ea n d c o o p e r a t i v ed e s i g ne n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：o n t o l o g y ；p r o d u c tm o d e l i n g ；c o n c e p t u a ld e s i g n ；c o n c e p t u a ld e s i g n s y s t e m ；o w l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者签名： 曰期： 割仁番 盘。口1 1 、2 9 哈尔滨1 一程大学硕+ 学位论文 1 i 研究背景 第1 章绪论 在市场日益全球化的今天，产品设计已经成为企业生存和发展的基本手 段。为了保持和发展业务，所有的公司都把基本的竞争新产品的设计当 作一个关键战场n 】。产品设计是一个反复迭代的、复杂的工程过程。产品设 计通常从用户需求开始，然后通过一系列的活动来寻找问题的最优解，最后 详细地描述产品设计方案。产品设计过程通常分成三个阶段。第一个阶段是 产品设计说明。产品设计说明阶段的主要任务是收集与产品有关的信息，并 且用中性词汇定义产品信息。产品设计说明的内容包括性能、质量、可靠性、 安全性、产品寿命、美学和人机工程等。第二个阶段是概念设计。概念设计 阶段的主要任务是生成满足设计说明的物理解。最后一个阶段是详细设计。 详细设计阶段的主要任务是确定每个零件的尺寸、布局和形状，并且根据制 造性来确定零件的材料【2 】。 在产品设计过程中概念设计是极其关键的阶段。概念设计阶段所做出的 决策对产品的成本、性能、可靠性、安全性和环境效应有很大的影响。据估 计，设计决策决定了最终产品成本的7 5 d 。更重要的是，良好的详细设计 也无法改善糟糕的概念设计乜 。调查发现，大多数在设计过程中产生的问题 都和概念设计阶段的信息( 如设计策略、概念选择和评价方法) 有关，而不 仅仅是和零件的详细设计有关。在满足日益增长的用户的特殊需求方面，概 念设计变得越来越重要。不仅如此，概念设计还影响制造阶段的生产率和产 品质量。因为，许多制造工艺( 例如，铸造、机械加工) 在概念设计阶段就 被间接确定下来了“ 。 如图1 1 所示，在产品设计的早期阶段，设计决策对最终产品的影响非 常高。随着设计的逐步成熟，设计决策的影响急剧下降。在早期的设计阶段 里存在大量的机遇。在这个阶段生成的产品概念影响最终产品的形态生成和 材料选择。在随后的详细设计阶段中，弥补或改正在概念设计阶段生成的设 计概念的缺陷是非常困难的，甚至几乎是不可能的n 】。 哈尔滨l 程大学硕十学位论文 箔 谗 墨 撩 暑 概念设计详细设计 生产制造 图1 1 早期设计阶段中的机遇c 4 曼| a 3 h 抽 概念设计可以说是产品开发过程中最关键的阶段。因此，许多研究者把 注意力集中在计算机辅助概念设计系统的研究上。概念设计是c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 的一个非常重要的任务，但是实现计算机对概念设 计阶段的支持也非常困难。计算机已经被广泛地应用于仿真、分析和优化等 领域，但是计算机在概念设计阶段的应用比较少。这是因为在产品生命周期 的早期阶段，设计需求和约束通常是不准确和不完整的，这使得利用计算机 辅助概念设计非常困难 4 1 0 产品模型是c a d 系统的核心。产品信息建模是开发计算机辅助概念设 计系统的关键技术，形式化定义和操作非几何信息( 如功能和约束) 的方法 应该得到发展d 】。f r a n c i s 和g uc 5 1 提出，为了有效地支持概念设计，产品信 息模型必须至少具备以下特点： 获取概念设计阶段和详细设计阶段的信息的能力。 信息的组织方式应该便于用户存取信息。即，信息的组织结构应该接 近用户的思维模式。因为概念设计的特点是根据功能进行推理，所以 产品模型应该提供一个接口用于在功能推理过程中存取信息。 尽可能多地生成备选方案。根据提出的功能需求，系统应该给用户生 成尽可能多的备选方案，并且每个备选方案应该有详细的信息用于方 案评价。为了便于设计者在不同的抽象层上搜索设计方案，应该以层 次化的方式组织信息。 目前，c a d 技术的发展主要集中在几何建模上。大多数商业化的c a d 软件都能有效地处理几何信息，但是很难处理与设计过程有关的信息，例如， 功能分析、概念生成和概念搜索。所以，目前的c a d 系统仍然不能满足复 哈尔 箕i ：程大学硕十学位论文 杂的工程设计的需要b 。随着计算机应用和嘲络技术的发展，产品设计知识 的统一表达和在不同设计系统之间的检索、重用、共享及交换成为计算机辅 助概念设计的主要问题。本体作为知识的一种良好载体，在语义层面能很好 地解决上述的问题。本文选题的目的在于利用本体和语义网技术，建立一个 基于本体的产品信息建摸框架，为建立计算机辅助概念设计系统提供产品信 息模型基础。 1 2 研究现状 1 2 1 概念设计 1 2 1 1 概念设计定义 目前对概念设计有两种比较权威的定义。 f a h l 和b e i t z 1 在e n g i n e e r i n g d e s i g n ) ) 一书中对概念设计的定义为：“在 确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合， 确定出基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计”。 f r e n c h t j 在( ( c o n c e p t u a ld e s i g nf o re n g i n e e r s ) ) 一书中对概念设计的定义 为“概念设计首先是要弄清楚设计要求和条件，然后生成框架式的广泛意义 上的解。这里框架式的解是指设计问题的一个轮廓，每个主要的功能都 可以对应于其上，通过原理部件间的空间或结构上的关系，使他们有机地结 合起来。我们从这个框架中得到产品大致的成本、重量或总体尺寸，以及在 目前的环境下的可行性等。” 概念设计虽然从不同的角度有不同的定义，但一般认为，概念设计是指 以设计要求为输入，以最佳方案为输出的系统所包含的工作流程。通常，概 念设计输入功能需求，输出设计方案。因此，它是一个由功能向结构映射的 过程。 1 2 1 _ 2 概念设计过程 概念设计包括用户需求分析和问题抽象化、功能综合和分析、设计解生 成、设计解评价。如图l _ 2 所示，概念设纠的一般过程为：设计人员首先把 哈尔滨t 程大学硕+ 学伊论文 用户需求规范化为设计说明书，再经过抽象化，拟定出产品的总功能，将总 功能逐层分解为一些有原理解对应的子功能，建立功能结构；然后设计师对 子功能进行求解、对原理解进行综合和评价，最后得到功能原理解。 用户需求分 7 析和问题抽 象化 功能综合和 分析 设计解的生 成和选择 设计解评价 解的表达 1 2 1 3 概念设计内涵 设计说明书 抽象化设计说明，确定 本质问题 建立功能结构，把总功 能分解成子功能 寻求实现予功能的工作 原理 把工作原理组合成工作 原理结构 选择合适的组合 确定原理解的变型 根据技术和经济指标评 价解的变型 原理解 ( 概念) 图1 2 概念设计过程c 6 概念设计的内涵十分广泛和深刻。从慨念设计包含的内容来看，广义上 的概念设计包含了从产品的需求分析到进行详细设计之前的设计过程，包括 功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和初步的结构设计。另外，还包 哈尔滨丁程大学硕十学付论文 括最近发展起来的人机工程设计以及对概念设计各个环节进行协调和管理的 概念设计管理。从概念设计的本质来看，概念设计是人性化的设计，是用户 全程参与概念设计、设计师超越用户导向的产品创新设计；从概念设计流程 来看，概念设计不仅与需求分析、详细设计紧密相连，其内部的各个环节也 相互依赖，互为驱动，因而概念设计是一个相当复杂的过程n 】。 1 2 2 功能建模 设计过程中不同的阶段所需要的知识也是不同的。在概念设计阶段生成 的一些信息需要被保存下来，并且在设计阶段后期设计师要用到这些信息。 其中最重要的信息就是功能信息。在功能层上建立设计模型，并把这些功能 映射到具体的结构，可以帮助设计师寻求满足需求的解。 功能在概念设计阶段占有重要地位，但是目前还没有一个良好的且被广 泛接受的功能定义。功能是一个复杂的概念，有多种不同的定义方法，因而 导致功能表示和应用的多样性。多数的功能定义大致可以分成三类： 功能是设计者对产品预期目标的定义，是对使用者的需求目标的满足。 功能是对产品行为的解释，设计者期望产品获得一定的状态，产品获 得期望的状态需要完成特定的行为，功能就是对产品如何达到这个行 为的解释。 功能是能量、物料和信号的输入输出之间的关系以及能量流、物料流 和信号流的变化。 s h i m o m u r a 等人 9 3 总结出功能的三个作用： 通过功能概念列举需求。 设计的物理表达和功能表达相联系。 设计师从需求功能的角度评价设计。 k u r f m a n 等人“们提出建立一个功能模型所需要的五个基本步骤：( 1 ) 识 别流；( 2 ) 生成黑箱模型；( 3 ) 生成功能链；( 4 ) 合并功能链；( 5 ) 根据用 户需求验证功能模型。计算机般无法支持这些步骤，为了使计算机能支持 这些步骤，首先需要有能被计算机理解的功能表达。 从目前的功能建模方法中能抽象出两种基本的方法：系统的输入输出流 哈尔演i 。程大学颐十学竹论义 和句法语言 。 输入输出流模型是基于系统工程的方法，对通过一个系统组件的能量、 信号和物料建模。对于高层的功能建模，这种方法有用；但是，对于低层的 产品建模，这种方法不直观和不方便”。a i ，h a k i m 等人n 2 1 提出一个基于直 接图的方法，用于建立机械组件装配模型。在这个方法中，图的节点表示连 接，边袭示组件。在概念层上装配机械组件系统的过程已经被开发出来了。 句语法也被用于功能建模。为了合并词汇，语法由词汇和规则组成。在 功能建模中，词可以是功能、原理或组件。描述性词汇可以被用来细化功能、 原理和组件的含义。键合图在表达齿轮箱时也很有用，有一点缺点就是不包 括产品生命周期中其它阶段的额外信息。已经开发出的应用于具体设计领域 的一些语法包括：车床语法、桁架语法、车辆语法和齿轮语法n ”。 b a x t e r 等人“如提出一个功能数据模型，这个模型基于用e x p r e s s g 定 义的产品数据模型结构。在这个模型中，用功能表达的组合来表达产品。功 能属性有：n a m e d 、i n p u t s 、o u t p u t s 、h a s _ n e e d _ o f 和p e r f o r m e d _ b y 。属性n a m e d 给功能提供一个命名的机制。与系统工程相似，功能由输入和输出组成。这 些属性连接一个执行者和一个动作。执行者与子系统、组件或特征相联接。 活动把功能和参数连接起来。功能通过属性h a sn e e do f 满足功能需求。最后， 予系统、组件或特征执行功能。 功能分析可以分成七个基本步骤【i l 】：( 1 ) 识别功能和子功能；( 2 ) 定义 每个子功能；( 3 ) 创建一个层次化的功能结构；( 4 ) 依据重要性给功能排序： ( 5 ) 确定功能之间的关系；( 6 ) 量化每个功能满足的条件；( 7 ) 给每个功能 分配解的任务。功能分析使设计师有能力在早期的设计阶段看到完整的设计。 迸一步说，它把设计目标和单个的设计元素联系起来。因此，可以防止设计 师把精力集中在不必要的和不相关的设计细节问题上。 1 2 3 产品建模 产品建模技术是c a d 系统的核心，是设计对象的计算机抽象描述和表 达。目前常见的产品信息模型有三大类唾1 ： 1 丽向几何的产品信息模型 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 这一类模型主要由线、框、面、实体和混合模型表示，它着重于产品完 整和明确的几何构成数据，不能表达功能、布局、原理、用户需求、设计师 风格、材料等非几何信息，无法支撑抽象、复杂的概念设计求解过程。 2 面向特征的产品信息模型 目前有许多学者提出了基于特征技术的智能产品模型、特征关联语义模 型、基于变动特征的模型、特征精炼模型等。但是，这一类模型一般只支持 产品设计的后期阶段，且存在着产品信息关联性差、信息不完全、特征定义 不一致、特征识别困难等问题。 3 集成产品信息模型 以基于s t e p 标准的产品功能信息模型、基于图元对象的工程产品c a d 信息集成模型等为代表的集成产品信息模型推广了特征的含义，包含了产品 生命周期内多种特征信息，解决了c a d c a p p c a m 集成化中数据共享和一 致性、信息不完全等问题，但是建立的模型大部分是面向制造的，开放性差， 无法清晰且简洁地模拟客观的设计过程。另外一类集成产品信息模型，如组 件特征模型等，虽然立足于面向产品级的特征内涵，但也未考虑到用户对概 念设计全过程的影响，难以支持用户全程参与概念设计、设计师超越用户导 向的产品概念设计过程。 目前比较典型的产品信息模型有以下三种： 1 聚合产品模型 b r a d l e y 和m a r o p o u l o s “4 3 针对计算机辅助早期设计评价提出一个基于关 系的产品模型，即聚合产品模型( a g g r e g a t ep r o d u c tm o d e l ) 。整个产品设计过 程中都可以使用这个模型。用特征关系的概念使模型从概念设计阶段扩展到 详细设计阶段。聚合产品模型使用面向对象的方法表达组件和零件。用基于 特征的实体模型表达单个组件。基于特征的实体模型是在结构实体几何c s g ( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 的概念基础上建立的。在c s g 模型中，通过负 特征和正特征的代数合并来建立零件的实体模型。正特征表示实体材料部分， 负特征表示材料被去除的部分，如孔和槽。c s g 表达方法通过往一个基本的 “模板”特征上添加越来越多的特征的方式使模型逐渐细化。 聚合产品模型用于建立产品的物理模型，主要表达产品的几何信息，例 如几何尺寸和公差。不能表达产品的菲几何信息。 哈尔滨l ：程大学硕十学位论文 2 基于功能的产品模型 f r a n c i s 和g ud 1 提出一个支持概念设计的基于功能的产品模型。该模型 在功能域和物理域以多层次和面向对象的方式形式化地表达和组织产品信 息。在每一个域，根据产品的分解结构组织信息，用功能结构关系进行 两个域之间的映射。这使得该模型能获取产品的功能信息和物理信息，并且 支持功能推理。该模型能够保留设计意图，允许来自于不同背景的设计师访 问设计信息和互相交流。用多层次的产品类结构在不同的抽象层上建立产品 模型，这有助于在整个概念设计过程中做出设计决策。 这个模型不仅能获取几何信息，而且能获取非几何信息，如功能和约束。 3 n i s t 产品信息建模框架 对于协同设计和制造，不同建模系统之间的信息交换非常关键。产品的 几何交换标准已经被广泛地使用了。然而，用于详细地说明全部的设计信息 和产品知识的标准表达方式的研究还很少。针对这个问题，美国国家标准技 术研究所( n i s t ) 的研究人员n 钉提出了n i s t 产品信息建模框架。 n i s t 产品信息建模框架是基于n i s t 核心产品模型c p m ( c o r ep r o d u c t m o d e l ) 及其扩展模型建立起来的。c p m 扩展模型包括：开放装配模型o a m ( o p e na s s e m b l ym o d e l ) 、设计分析集成模型d a i m ( d e s i g n a n a l y s i s i n t e g r a t i o nm o d e l ) 和产品族演化模型p f e m ( p r o d u c tf a m i l y e v o l u t i o n m o d e l ) 。这些都是抽象模型，它们具有通用语义和有关某个特殊领域的具体 语义。c p m 表达产品的功能、形式和行为、产品的物理和功能分解、以及这 些概念之间的关系。c p m 扩展模型提供一个把设计原理和产品联系起来的方 式。 n i s t 产品信息建模框架具有以下特点： 基于形式语义。最终在适当的本体支持下允许自动推理。 通用性。它的处理对象是概念实体，如人造物和特征，而不是具体的 人造物，如电机、泵或齿轮。 可以作为信息仓库来存储大量的产品信息。 将要促进新应用和新过程的发展，开发新应用和新过程在信息量小的 环境下是行不通的。 加入设计原理的显示表达，设计原理被认为与产品描述同等重要。 哈尔滨【程大学硕十学 青论文 提供一些接口，用这些接口与用产品层的互操作框架表达方法互相转 换和( 或) 连接。 虽然有许多产品信息模型可以用于产品设计，但是对于概念设计阶段， 这些产品模型不够灵活、不容易操作。另外，这些模型在各自独立的建模环 境中能有效地处理产品设计知识，但不同建模框架间无法进行知识共享和协 同工作。 1 3 论文结构 以上分析表明，产品模型是c a d 系统的核心，产品信息建模技术是开 发计算机辅助概念设计系统的关键技术。本文研究有关本体和语义网的理论， 利用本体技术和o w l 本体建模语言建立一个支持概念设计的产品信息建模 框架。该模型框架能够获取产品的功能、原理和结构信息，并能够记录功能、 原理和结构之间的映射关系。并以此为基础设计一个概念设计系统以支持概 念设计过程。最后以水下管道切割机的概念设计过程为例，说明所设计的概 念设计系统的使用。 全文共分6 个部分，具体组织结构为： 第1 章绪论：首先介绍本课题研究背景及研究意义，然后综述概念设 计和产品信息建模的研究现状，并分析传统产品信息建模方法中存在 的问题。在此基础上提出论文工作的研究方向，并叙述论文的主要研 究内容。 第2 章本体和语义网：对目前本体和语义网的研究和应用现状进行综 述，为在第3 章中建立产品信息建模框架中应用本体和o w l 语言打 下基础。 第3 章基于本体的产品信息建模框架：提出基于本体的信息建模框 架，即，f p s 信息建模框架，并定义f p s 信息建模框架中的三个模型， 即功能模型、原理模型和结构模型。然后用o w l 语言描述f p s 建模 框架中的类和属性。 第4 章概念设计系统及本体库设计：为了演示第3 章提出的f p s 信 息建模框架的使用，使用本体开发t 其p r m 6 9 e 开发概念设计系统。 9 哈尔滨r i 稃大学硕十学付论史 第5 章概念设计系统实例应用分析：以水下管道切割机的概念设计过 程为例，详细说明如何使用第4 章开发的概念设计系统。 结论：对论文作全面概括性地总结，并在此基础上提出进一步研究的 建议。 0 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章本体和语义网 起源于哲学的本体论( o n t o l o g y ) 近年来在信息科学领域受到广泛关注， 其重要性已经在许多方面表现出来并得到广泛认同，如知识工程、数据库设 计和集成、信息检索与获取、软件工程、自然语言处理等。尤其是本体论在 网络上的应用导致了语义网的诞生，有望解决网络信息共享时的语义问题， 从而实现世界范围内的知识共享和智能信息集成。 2 1 本体 2 1 1 本体定义 本体论这个术语诞生于1 7 世纪，派生于希腊语的o n t o 和l o g i a ，是一个 哲学的分支。从哲学上来说，本体论是研究客观事物存在的本质，所以本体 论在哲学上的真正内涵是对世界上任何领域内的真实存在所做出的客观描 述。近十多年来，本体论的研究日趋成熟，也已经远远超过了哲学的范畴， 和信息技术、知识工程及人工智能都有着密切的关系n “。 知识工程界认为本体是一种工程人造物( e n g i n e e r i n ga r t i f a c t ) 。尽管本体 论的研究日益成熟，但“本体究竟是什么”仍是一个争论中的话题。部分研 究者对本体做出的定义如下： n e e h e s 等人n 指出：“一个本体定义了共享的词汇和领域的术语，以及 用于组合术语和关系以定义词汇的外延的规则。”该定义只是给出建立一个本 体的基本要素，即：要建立一个本体，首先要识别所处理领域的基本术语和 这些术语之间的关系，而后识别组合这些术语和关系的规则，并提供这些术 语和关系的定义。 g r u b e r ”1 认为：“本体( o n t o l o g y ) 是一个概念化( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) 的 显式的规格说明。这个词起源于哲学，在哲学中，本体是一个系统化的存 在的说明。在基于知识的系统中，存在的东西就是能被表达的东西。” c h a n d r a s e k a r a n 等人 1 们认为：“在哲学里本体是对存在事物的研究。 在人工智能领域里，本体这个词有两个意思。首先，本体是表达的词汇， 吩尔滨丁程大学硕十学何论文 常常专门用于表达某个领域或主题。”“第二层含义是，本体有时候被用来指 描述某一领域的知识，尤其是用表达词汇描述常识性的知识领域。” 从以上不同研究者的定义，可以看出本体涉及到的概念为：术语( 词汇) 、 术语关系、规则、概念化、形式化的规格说明、领域知识、表达和共享。其 实，本体就是通过对于概念、术语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和描述语言n “。 2 1 2 本体特点 当前的计算机正在从单一的设备向进行信息交换和事务处理的世界范围 网络转变。因此，支持数据、信息和知识的交换、重用和共享成了当今计算 机技术要迫切面临的任务。之所以在知识工程、自然语言处理、信息检索系 统、智能信息集成和知识管理、信息交换和软件工程等领域研究和发展本体， 是因为本体有以下突出的特点“6 ： 1 本体可以在不同的建模方法、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继承。 2 从功能上讲，本体和数据库有些相似。但是本体比数据库表达的知识 ，丰富得多。首先，定义本体的语言，在词法和语义上都比数据库所能 表示的信息丰富得多。最重要的是，本体提供的是个领域严谨丰富 的理论，而不单单是一个存放数据的结构。 3 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。 这种形式化的描述可成为软件系统中可重用和共享的组件。 4 本体可以为知识库的构建提供一个基本的结构。以描述对象的类型而 吉，有简单事实及抽象概念，这些可以描述成一个本体的静态实体部 分，它们主要描述的是事物或概念的各个组成部分以及这些组成部分 之间的静态关系；本体也可以描述事物或概念的运动和变化。应用本 体，知识库就可以运用这类结构去表达现实1 廿界中浩如烟海的知识和 常识。 5 对于知识管理系统来说，本体就是一个正式的词汇表。本体可以将埘 象知识的慨念和相互i 日j 的关系进行较为精确的定义。在这样一系列概 哈尔谈- f 程大学硕十学位论文 念的支持下进行知识搜索、知识积累、知识共享的效率将大大提高， 真正意义上的知识重用和知识共享也能成为现实。 6 本体适合表示抽象的描述。而企业模型是人们对企业或者企业的某些 模型的抽象描述，因此在企业逻辑建模中，本体的使用可以帮助我们 清楚地理解企业特定领域的相关元素、关系和概念，让知识表达更加 准确便捷，帮助人们进行更好的企业决策。 本体在语义网和其它很多领域都有着广泛的应用。本体的最大贡献在于 它可以将某个或多个特定领域的概念和术语规范化，为其在该领域或领域之 间的实际应用提供便利口“。 2 1 3 本体构建 2 1 3 1 构建准则 为了指导和评价本体的构建，需要有客观的评价准则。g r u b e r 2 0 】提出了 5 条本体构建准则： 1 清晰( c l a r i t y ) ：一个本体应该有效地交流定义的词汇的期望含义。 定义应该是客观的。然而，定义一个概念的动机可能来自于社会背景 或者计算需求，这个定义应该独立于社会或者计算背景。形式化是达 到这个目的的手段。当一个定义可以用逻辑公理陈述时，它应该是形 式化。在可能的情况下，完整定义( 用必要和充分条件定义的命题) 优于部分定义( 只用必要或充分条件定义的命题) 。所有定义应该用 自然语言书写。 2 一致( c o h e n r e n c e ) ：本体应该是一致的，即，它应该认可与定义一 致的推论。至少，定义的公理在逻辑上一致。一致性也应该应用于非 形式化定义的概念，例如，用自然语言描述的文档和实例。如果，从 公理中推理出来的句子与定义或实例相矛盾，那么这个本体不一致。 3 扩展性( e x t e n d i b i l i t y ) ：设计本体应该预见到共享词汇的使用。它应 该为期望的仔务提供概念基础，并且，表达应该被精心设计，以至于 人们可以扩展和细化这个本体。换句话说，人们应该能够在现有词汇 的基础j ：给特殊的使用定义新闻汇，并且不用修改现有的定义。 哈尔滨：【程大学硕十学何论文 4 最小编码偏差( m i n i m a le n c o d i n gb i a s ) ：概念化应该在知识层详细说 明，不依赖特殊的符号层编码。当纯粹是为了符号的方便而选择表达 方式时，就会产生编码偏差。因为知识共享代理可能在不同的表达系 统中以不同的表达方式运行，所以应该使编码偏差最小。 5 最小本体约定( m i n i m a lo n t o l o g i c a lc o m m i t m e n t ) ：一个本体在足够支 持期望的知识共享活动的条件下，应该要求最小的本体约定。一个本 体对被建模的世界应该尽可能少做声明，允许使用这个本体的部门根 据需要自由地说明和实例化这个本体。因为本体约定是在词汇的一致 使用的基础上建立的，所以，通过说明最弱的理论和仅仅定义那些知 识交流的本质词汇，本体约定就可以最小化。 2 1 3 2 构建方法 。 尽管在开发和使用本体方面积累了大量的经验，但是本体工程还没法和 知识工程相比，尤其是没有标准的构建本体的方法。下面是几种本体构建方 法： 1 骨架法 骨架法2 1 1 是u s c h o l d 和c j n m i n g e r 提出的构建本体的方法。采用骨架法 已开发出e n t e r p r i s eo n t o l o g y 。它由一组与企业相关的术语和定义组成，主要 用于企业模拟。骨架法包括以下步骤： 识别目的和范围； 构建本体：本体获取，本体编码，集成现有的本体。 评价； 文档纪录； 对每个阶段的指导。 2 t o v e 法 t o v e ”1 方法用于构造多伦多虚拟企业本体工程( t o v e ) ，由多伦多大 学企业集成实验室研制，使用一阶逻辑进行集成。t o v e 本体包括企业设计 本体、工程本体、计划本体和服务本体。具体的开发过程如下： 定义直接可能的应用和所有解决方案：他们认为开发本体的动机来自 实际的应用，一旦存在现有本体不能回答的问题，就需要开发新的本 4 哈尔滨1 程大学硕十学伊论文 体。 非形式化的本体能力问题的形成：提供潜在的非形式化的对象和关系 的语义表示。 术语的抽取和定义：从非形式化能力问题中提取出非形式化的术语， 然后用种形式语言( 如k i f ) 定义这些词汇。 问题形式化。 形式化公理：这些公理用来定义本体词汇的语义和约束，在t o v e 中， 所有公理用一阶谓词逻辑表示。 3 b e m e r a s 方法 b e m e r a s 1 方法用于欧洲的e s p r i t 项目k a c t u s ，k a c t u s 的主要表 达方法是c m l ，具体开发过程为： 应用的说明：提供应有的上下文和应用模型所需的组件。 相关本体论范畴的初步设计：搜索已存在的本体，进行提炼、扩充。 本体的构造：最小关联原则用来确保模型既相互依赖，又尽可能一致， 以致得到最大的同构。 4 m e t h o n t o l o g y 方法 m e t h o n t o l o g yn 6 1 方法是由西班牙马德里理工大学提出的。他们使用本体 生命周期的概念来管理整个本体的开发过程。使本体的开发过程更接近于软 件工程中的软件开发过程。具体分为三个阶段：管理阶段、开发阶段和维护 阶段。管理阶段主要包括本体开发的计划、控制和质量保证。开发阶段包括 规格说明、概念化、形式化和执行等步骤。维护阶段和开发阶段是同时展开 的，包括知识获取、系统集成、知识评价、产生文档和配置管理等。 目前的本体构建方法论还未能像软件工程那样成为“科学”或“工程过 程”的完整方法论。因此，只有总结和发展现有的各种方法论，结合具体应 用，再配合领域专家的支持，才能提出适合具体项目的优秀本体构建方法“。 2 1 4 应用现状 在知识表达和知识处理研究领域，已经证明本体的应用具有优势。在人 或软件之间共享一个领域的共用的词虻是，发展本体的目的之。本体通索被 哈尔滨1 1 程大学硕十学侥论文 分成三层：上层本体( 通用知识) ；中层本体( 领域范围的知识) ；底层本体 ( 实例领域和子领域知识) 【2 “。 一些知名的本体有w o r l d n e t ，它包括1 0 0 , 0 0 0 多个概念；1 1 、和电子工业 的r o s e t t a n e t ；c y c 知识库，它形式化地表达大量的基本的人类知识：事实、 经验和对于推理日常生活中的物体和事件的启示；i e e e 的s t a n d a r du p p e r o n t o l o g y ，它是正在迸行中的对于概念性的高层本体标准化项目；g e n e o n t o l o g y ，它应用于所有的生物体，基因和蛋白质在细胞中的作用的知识。 d o l c e 是第一个基础本体库的模型，基础本体库在w o n d e r w e b 项目中被开 发，w o n d e r w 曲项目正在为本体的大规模部署开发基础设施；美国国家癌症 研究所开发了一个软件和服务的互联集合，称为c a c o r _ e ，它包括一个本体， 该本体包含5 0 0 ，0 0 0 多个元组，为癌症相关的数据集合提供一致性和兼容性。 为了把万维网上的信息翻译成通用的、可共享的和计算机可处理的信息，万 维网组织w 3 c ( w o r l d 狮d ew e bc o n s o r t i u m ) 开发许多工具和阔络语言 2 4 1 0 2 2 语义网 万维网( w o r l dw i d ew e b ) 的创