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船舶制造业知识管理关键技术研究摘要船舶制造业是传统的重型制造业，面对日益激烈的市场竞争和日韩两国信息化造船技术的广泛应用，我国船舶企业必须不断提高响应能力、创新能力以及员工素质才能立于不败之地，如何有效的重用企业内外信息系统的各种知识，提高企业的运营效率和国际市场竞争力，已引起各造船企业的关注和重视。知识管理是企业提高技术、竞争力、商务和策略智能的重要手段，但目前船舶制造业知识管理技术的研究尚处于起步阶段。本文对船舶制造业知识管理中的关键技术文档分类技术和访问控制技术进行了的研究。本文提出了一种基于本体和结构标注的船舶制造业设计文档分类方法，利用领域本体的层次结构和概念问的语义关系对文档进行结构划分与标注，通过特征词与特征概念之间的距离和位置重要性计算权重，描述了该方法的逻辑模型和计算模型，并给出了用于文档结构分析和特征概念选取的算法。针对船舶制造企业复杂而离散的人员和资源组织特点，本文提出了一种语义访问控制方法，对访问控制中的主客体采用本体进行描述，通过策略属性、规则实现主体角色、角色客体之间的动态绑定。我们实现了一个船舶分段设计制造过程管理系统，以分段为基本对象对船舶设计、制造过程进行管理，提供了设计数据抽取、工程图纸管理、报表s v g 可视化处理等功能模块。关键词：知识管理本体分类访问控制中图法分类号：t p 3 9 1船舶制造业知识管理关键技术研究a b s t r a c ts h i p b u i l d i n gi sat r a d i t i o n a lh e a v ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y f a c i n gm o r ea n dm o r ed r a s t i cm a r k e tc o m p e t i t i o na n dt h ew i d ea p p l i c a t i o no fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi nj a p a n e s ea n dk o r e a ns h i p b u i l d i n gc o m p a n i e s ，n a t i v es h i p b u i l d i n gc o m p a n i e sm u s ti m p r o v et h e i rr e s p o n s ea b i l i t y , c r e a t i v ea b i l i t ya n de m p l o y e ec h a r a c t e r sc o n t i n u o u s l yt os u r v i v e n o w a d a y sn m i v ec o m p a n i e sh a v ep a i dm u c ha t t e n t i o nt ot h ek n o w l e d g er e u s ei n s i d ea n do u t s i d et h ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ns y s t e m sa n de n h a n c i n gt h e i ro p e r m i o ne f f i c i e n c ya n dc o m p e t i t i v ep o w e ri ni n t e r n a t i o n a lm a r k e t k n o w l e d g em a n a g e m e n ti sa ni m p o r t a n tm e t h o df o rc o m p a n i e st oi m p r o v et h e i rt e c h n o l o g y ,c o m p e t i t i v ep o w e r b u s i n e s sa b i l i t ya n dp o l i c yi n t e l l i g e n c e b u tn o wt h er e s e a r c ho ns h i p b u i l d i n gm a n u f a c t u r ek n o w l e d g em a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e si s j u s tb e g i n n i n g i nt h i sp a p e rw em a k er e s e a r c h e so nt w ok e yt e c h n o l o g i e so fs h i p b u i l d i n gm a n u f a c t u r ek n o w l e d g em a n a g e m e n t - d o c u m e n tc l a s s i f i c a t i o na n da c c e s sc o n t r 0 1 w ec o m eu pw i t l lac l a s s i f i c a t i o nm e t h o df o rs h i p b u i l d i n gm a n u f a c t u r ed e s i g nd o c u m e n t s i te m p l o y st h eh i e r a r c h ys t r u c t u r eo fd o m a i no n t o l o g ya n ds e m a n t i cr e l a t i o n sb e t w e e nc o n c e p t st op a r t i t i o na n dt a gt h ed e s i g nd o c u m e n t s e v e r yc o n c e p ti no n t o l o g yi sw e i g h t e db yp o s i t i o ni m p o r t a n c eo ff e a t u r ew o r d sa n dt h ed i s t a n c eb e t w e e ne a c hf e a t u r ew o r da n df e a t u r ec o n c e p ti t s e l f - w ed e s c r i b et h el o g i cm o d e la n dc a l c u l a t i n gm o d e lo ft h i sm e t h o d w ea l s oi n t r o d u c et h ea r i t h m e t i co fd o c u m e n ts t r u c t u r ea n a l y z i n ga n df e a t u r ec o n c e p ts e l e c t i n g a c c o r d i n gt ot h ec o m p l e xa n dd i s t r i b u t i v ec h a r a c t e ro fp e o p l ea n dr e s o u r c e s ，t h i sp a p e rc o m e su pw i t has e m a n t i ca c c e s sc o n t r o lm e t h o df o rs h i p b u i l d i n gc o m p a n i e s w eu s eo n t o l o g yt od e s c r i b es u b j e c t sa n do b j e c t s ，a n da c h i e v et h ed y n a m i cb i n d i n go fs u b j e c t - r o l e & r o l e - o b j e c tt h r o u g hp o l i c ya t t r i b u t e sm a dr u l e s a ni m p l e m e n to fs h i pb l o c kd e s i g n i n ga n db u i l d i n gp r o c e s sm a n a g e m e n ts y s t e mi si n t r o d u c e d w ee m p l o yb l o c ka sb a s i ce l e m e n tt om a n a g et h es h i p s d e s i g n i n ga n db u i l d i n gp r o c e s s ，p r o v i d et h ed a t ae x t r a c t i o nm o d u l e ，e n g i n e e r i n gd r a w i n gm a n a g e m e n tm o d u l e ，r e p o r tf o r mv i s u a l i z a t i o nm o d u l e ，e t c k e yw o r d s ：k n o w l e d g em a n a g e m e n t ，o n t o l o g y ，c l a s s i f i c a t i o n , a c c e s sc o n t r o l船舶制造业知识管理关键技术研究第一章绪论近年来，经济全球化和全球信息化突飞猛进，信息技术及其应用已经渗透到经济和社会的各个领域，成为提升产业结构和素质、提高劳动生产率、推动经济增长、增强国家综合实力的最先进的生产力。船舶制造业是传统的重型制造业，目前中国造船业继日本、韩国之后位居世界第三位，所占世界市场份额也呈逐年增长之势，出口船贸易额在中国制造业中已排在前列。随着信息技术在业内的普及和深入应用，各船舶制造企业已将大量关于船东、原材料供应商、产品研发、生产、协作的知识包含于以电子文档、电子表格、w e b 页面、e m a i l 等形式的信息体，存储于内部的信息系统；同时，互联网上也出现了大量以w e b 页面为表现形式的令企业感兴趣的信息，从中获取有用的知识，可以增加企业的技术、竞争、商务和策略智能。企业的战略也从以前的资源经济向知识经济转变。面对激烈的市场竞争和日韩两国在信息化造船上应用的日趋完善，如何有效的重用企业内外信息系统的各种知识，提高企业的运营效益和国际市场竞争力，已引起各造船企业的关注和重视。知识管理( ，k n o w l e d g em a n a g e m e n t ) 运用先进的信息和通讯手段，将企业知识作为“资本财产”进行管理，为企业实现知识共享提供了一条新的途径。它是以人为中心，信息为基础，知识创新为目标，将知识看作一种可开发资源的管理思想。k m 定位于如何有效的管理过去获得的知识，使适当的人员在适当的时机能快捷地查询到所需的以适当形式表示的知识。帮助解决实际工作中遇到的问题。基本的方法是建立组织记忆( o m ，o r g a n i z a t i o n a lm e m o r y ) ，对企业关注的信息体包含的知识做语义清晰的说明并提供高效的存取结构，以便促进对于这些知识的获取、集成、共享、重用和维护。根据k p m g 顾问公司在2 0 0 0 年的研究报告指出，美国有超过6 0 的大型企业已经或正在进行知识管理导入，欧洲更有高达7 0 的大型企业已经导入知识管理或正在进行中。而这份报告进一步针对已导入知识管理企业的调查发现，企业导入知识管理后所获得的具体效益分别是：可以协助企业做出更佳的决策( 7 1 ) 、可以赢得更多的顾客( 6 4 、可以让企业对外界环境变化时的应变能力更迅速( 6 8 ) 、可以让员工学到更多的技f l ( 6 3 ) 、可以提高生产力( 6 0 ) 、可以协助企业降低成本( 5 7 ) 、可以协助企业增加利润( 5 2 ) 。目前，已有不少研究人员从不同角度开展了知识管理及其相关技术的研究，并开发出了若干知识管理系统，但是。知识管理技术在船舶制造业内的应用还处于探索阶段。船舶制造业知识管理关键技术研究3 1 知识管理3 1 1 知识及其特点图1 一l 反应了数据、信息、知识、智慧之间的关系c o z m e c t e d n e s sv , l s d o m讪缸9 “呻。m e 出口t m l 她量1 l 】_ i d e 培t d j 增p a t t e r r u si n f o n t m t i o n霄7u n d e $ l 峨坤h t j 0 墙d a t a l d e 培t 、d i l 喀图1 1 数据、信息、知识、智慧川数据( d a t a ) ：数据是反映事物运动状态的一种非物质材料。它包含四种基本形式：数字、词汇、声音和图像。信息( i n f o r m a t i o n ) ：信息是已经排列成为有意义形式的数据。通过人的认知能力对数据进行系统组织、整理和分析，使其产生相关性，但信息组织没有与特定用户和行动相关联。知识( k n o w l e d g e ) ：知识表示信息的应用和生产性使用，而信息是知识的“子集或基石”。比如消息虽然是一种重要的信息，它提供了何时、何地、何人以及简单的事件因果联系，但不能提供实时的深层原因和连带关系。知识必须是经过加工提炼，将很多信息材料的内在联系进行综合分析而得出的系统结论。智慧( w i s d o m ) ：智慧是激活了的知识，主要表现为收集、加工、传播、应用信息和知识的能力，对事物发展的前瞻性看法，智慧得益于人的内在价值观和信仰。数据信息知识智慧，构成了由低到高、由浅入深、由易到难的序列。从数据中提取的信息，其功能和价值远远大于数据本身。但信息只是对事物运动状态和变化的客观反映，是未经加工的、原始的、粗糙的材料，知识则是通过现象、资料、数据获得的对规则的认知。信息可以“告知”，而获取知识需要思考。知识虽然比信息更深入，但从人的思维方式上说，它仍可以看作是接受船舶制造业知识管理关键技术研究的产物，而智慧不仅发现了事物的规律，还对知识有所创新、增加，它是创造的产物。因此，从本质上说知识具有以下的特性：共享性、显性隐性、增值性、不确定性、资源性等特点。从人工智能的知识表达上看，知识表达语言通过语义的描述方式体现了知识的不同特性：知识表达必须体现真实世界语义( r e a lw o r l ds e m a n t i c s ) ，即通过术语或是表达式实现真实世界事物的描述，实现一种有选择性的本体认可；体现公理性语义( a x i o m a t i cs e m a n t i c s ) ，即知识表达语言可以映射为一阶或是高阶谓词逻辑的逻辑理论，实现智能推理和高效计算；体现可交流的语义( c o m m u n i c a t i o ns e m a n t i c s ) ，即知识表达语言作为一种正规的对事物的显性描述，以机器可理解( m a c h i n e - u n d e r s t a n d a b l e ) 的方式实现了人与机器以及机器与机器之间无歧义的交流。3 1 2 知识管理的定义目前对于什么是知识管理还没有形成一个能被广泛认可的定义。b i l lg a t e s 认为：“知识管理只不过是管理信息流，把正确的信息传送给需要它的人，好让他们迅速的就这种信息采取行动。”【2 】澳大利亚的k a r le s v e i b y 认为：知识管理是“利用组织的无形资产创造价值的艺术”口 。d a n i ee 0 l e a n g 认为：“知识管理是将组织可以得到的各种来源的信息转化为知识，并将知识与人联系起来的过程，是对知识进行正式的管理，以便知识的产生、获取和重新利用。” 4 1美国生产力与质量研究中。c , , ( a m e r i c a np r o d u c t i v i t y & q u a l i t yc e n t e r ) 认为：知识管理应该是组织一种有意识采取的战略，它保证能够在最需要的时间将最需要的知识传送给最需要的人。这样可以帮助人们共享信息，并进而将之通过不同的方式付诸实践，最终达到提高组织业绩的目的【5 】。尽管现有关于“知识管理”定义众说纷纭。但具有的共同特性：它们都是将知识或知识资源作为对象进行管理，是对知识生命周期包括生成、识别获取、分类整理、记录储存、传播交流、开发利用等有关方面进行管理。普通意义上的“知识管理”一词，其具体内涵可以细分为四个层次的含义：( 1 ) 对记录有知识的载体的管理( 如文档实体的管理) ：( 2 ) 对知识信息或与知识相关的信息管理( 如档案编研、用知识地图将分散的知识联系起来等) ；( 3 ) 指知识实践活动( 如知识的识别、学习和创新活动等) ；( 4 ) 指对知识实践活动的管理( 如对研发活动的管理) 。在不同的使用场合，“知识管理”可以表示其中一种或几种含义。船舶制造业知识管理关键技术研究3 1 3 知识管理的基本原则知识管理的定义体现出它的三条基本原则：积累性：知识积累是实施知识管理的基础，企业必须注重知识的积累，由积累而形成的知识库和信息库是知识管理的首要对象。共享性：企业内部的信息和知识必须通过一定方式公开，使得员工能有条件的接触并使用企业的信息和知识，从而使每一个新项目的运行都建立在整个企业的经验和知识的基础之上。交流性：知识管理的核心是要在企业内部建立一个有利于交流的组织结构和文化氛围，使信息和知识可以在交流过程中得到融合和升华，激发员工的学习和创新。积累和共享是知识发挥作用的基础，交流则是知识实现其价值的关键环节。3 2 知识管理的研究现状知识管理是一个跨学科、综合性的研究领域，涉及信息技术、人文、经济、管理等多个学科。本文仅从信息技术的角度展开讨论。知识管理技术包含的内容非常广泛，如文档管理技术、数据挖掘技术、搜索引擎技术、专家系统技术、访问控制技术、群件技术等等。图卜2 知识管理相关技术知识管理体系包括知识获取、知识组织、知识共享、知识应用、人力资源等五个方面。( 1 ) 知识获取船舶制造业知识管理关键技术研究知识获取是知识管理的源泉。然而，由于知识的来源不同，它们经常以不同的结构出现，为支持知识生产，s t e f e n 采用的方法是：在文档模板中嵌入知识项的结构，使得在日常的工作中自动使用该模板”1 ，这样所产生的文档都具有了一个相同结构的知识项。通过使用文档模板，可以保证在新生成文档时给文档附加一个形式化的知识附件。知识获取的另外一个重要途径就是知识导入。在知识管理系统之外还有很多现成的数据，包括数据库、数据仓库、w 曲页面、各类文档图纸等，它们实际上是知识管理系统的主要知识来源。但这涉及到如何把这些形式各异的知识抽取并导入知识管理系统中来。w r a p p e r 是目前采用的主要方法。w r a p p e r 的复杂度决定于要导入的知识的结构，它所依赖的机制也是多样的，文献【8 就采用了k q m l语言来编写w r a p p e r ，而m e c c a 编写的m i b e r v a + e d i t o r 引是一个基于x m l 的w r a p p e r 工具，h a m m e r 提供了一个基于模板的w r a p p e r 工具1 1 ，它设计了一种声明型的高级语言书写模板来定义知识抽取规则，其他还有采用页面描述文件i l l 、归纳学习【1 2 】、d o m 树f 1 3 】、a g e n t 1 4 1 等方法来设计的。( 2 ) 知识组织知识组织的目标是合理的安排知识的存储形式，使得知识易于管理和使用。这里涉及到三方面的问题【l5 】：1 知识该以什么形式存储? 2 我们如何索引这些知识? 3 用户如何才能够去寻找这些知识? 目前比较普遍的做法是采用组织记忆( o r g a n i z a t i o nm e m o r y , o m ) ，通过o m 对知识管理系统中的知识提供保存场所。a b e e k e r 在他的k n o w m o r e 原型系统中把o m 分成三个层次i l6 17 1 ：目标层、描述层和应用层，在描述层中提供了企业本体、领域本体和信息本体，通过这些本体给目标层中的异构知识提供了一个易于理解的知识描述，同时也给应用层提供了技术支持。y a n n i s 和a l t h o f f 提供了另一种建立o m 的技术手段【1 8 , 1 9 】：经验工厂( e x p e r i e n c ef a c t o r i e s ，e f ) 。e f 原先是知识工程领域的一个概念，现在被用于知识管理领域，主要用于支持o m 中的经验的交换。e f 主要由五部分组成：本体、经验临时存储库、经验编辑浏览器、经验验证器、经验库。其工作过程是：基于本体的应用形成的经验存放到经验临时存储库，再由经验编辑浏览器从经验临时存储库中读取并进行编辑修改，放到经验验证器中进行检测，通过检测的经验最后再正式放进经验库。m e c c a 等人提出了另外一个知识组织的技术方法：数字图书馆【2 0 l 。在数字图书馆中，集成了来自不同知识源的、不同结构的、数量众多的文本、图像和影视，并按照事先规定的领域概念把它们纳入到不同的领域空间，然后再按照这些资源之间原有的联系对它们进行合并，以精简图书馆的知识量，从而提高知识操作的效率。船舶制造业知识管理关键技术研究( 3 ) 知识共享知识管理的一个重要目的就是知识共享，即在尽量广泛的区域内让尽量多的人能接触到这些知识。在知识共享的过程中，最主要的问题是：共享的知识是用共享者自己认为合理的方式组织的，而这种组织方式别人不一定能够了解，从而导致无法理解其中所包含的知识。为此，知识共享的首要任务是建立并提供共享的理解基础。目前，本体是建立共享基础的最主要工具1 2 1 盈”1 。通过制定共享的表示、领域和组织本体，对o m 包含的内容做语义清晰的概念化形式描述，可以为知识处理提供语义清晰的共同理解基础。( 4 ) 知识应用知识管理的根本目的是使适当的人员在适当的时机能快捷地查询到所需的以适当形式表示的知识，帮助解决实际工作中遇到的问题。知识只有应用于工作实践，才能实现其价值。而知识要应用于实践，首先必须提供有效的手段让知识工作者能快捷方便地获取知识，即提供查询机制。目前查询机制主要分为两大类口4 l ：主动的知识拉取和被动的知识推送。知识拉取是指知识工作者根据自己的工作需要主动到知识管理系统中查询知识，知识推送是指知识管理系统在知识工作者未执行查询操作时主动把相关知识发送给知识工作者。目前，绝大多数的查询机制都是建立在对于关键词的词频统计学规律上的 2 5 , 2 6 】。但由于这类方法的准确率不高，因此，人们开始转向基于元数据检索策略的研究 2 7 , 2 8 。这种方法借助本体给各种非结构化信息( 如普通文档) 、半结构化信息( 如w e b 页面) 和获益匪浅结构化信息( 如数据库) 加注元数据，并在适当的时候利用元数据检索得到知识。对于知识推送，其实现途径一般有两种：p r o f i l e 方法【2 9 1 和视图方法【”】。p r o f i l e方法是在p r o f i l e 中存储有知识工作者的知识需求，包括需要的知识的类别、推送的方法选择等。当系统中出现了新的知识时，系统把新知识和用户的p r o f i l e做比较，若符合要求，则把知识推送给满足需求的知识工作者。视图方法和p r o f i l e的原理基本相似，它是提供一个o m 视图，该视图是基于个体或不同种类的知识工作者期望的元知识，并建立可逐步进化的个性化o m 视图，以这些为基础，就可实现知识的个性化服务。( 5 ) 人力资源在知识的组成中，未编码知识占有很大的比例，知识管理的主要任务之一就是开发利用这一部分知识。而未编码知识中最主要的是存在于人脑中的隐性知识，因此，对未编码知识进行管理的实质就是实现对人的管理，即把人作为一种智力资源进行管理。船舶制造业知识管理关键技术研究l a w t o n 在文献 3 0 】中提出了一种人力资源的管理办法：使用统计技术对每个人所保存的文件和他的e m a i l 进行分析，以判断出每个人的知识能力、工作技巧和工作兴趣，并对这些信息进行过滤萃取后保存到每个人的p r o f i l e 中，通过这个p r o f i l e 就可掌握每个人大致拥有的知识能力，从而在需要的时候可以向他咨询获取知识。3 3 本文的工作和结构船舶制造业有别于一般制造企业，其产品是船本身，具有单船设计、单船建造的特点，不能像其它产品一样批量生产，知识的组织方式也和普通制造业有很大区别，具有极强的领域性。这导致一些传统的知识管理产品( 如p d m 系统) 不能直接应用于船舶制造业。当前在船舶制造领域应用最为广泛的软件产品是瑞典k c s ( k o c k u m sc o m p u t e rs y s t e ma b ) 公司设计开发的t r i b o n 系统。我国使用该设计软件系统的公司有江南造船( 集团) 有限公司、广船国际股份有限公司等。t r i b o n 是一套用于辅助船舶设计与建造计算机软件集成系统，它集c a d c a m ( 计算机辅助设计与制造) 与m 1 s ( 信息集成) 于一体，并覆盖了船体、管子、电缆、舱室、涂装等各个专业。系统设置的t r i b o np i m ( 产品模型数据库) 和t r i b o np d m ( 信息交换平台)对知识收集作了初步的工作。客观的说，t r i b o n 主要面向的是船舶设计，而非知识管理，另外，该系统存在数据开放性不够、数据库系统自成一套与常用的数据库缺少接口等缺点，给二次开发带来了困难。可以说，目前船舶制造业的知识管理还处于起步阶段。本文以本体论为理论基础，对船舶制造业知识管理中的文档分类技术和访问控制技术进行研究。提出了一种基于本体和结构标注的船舶制造业设计文档分类方法，利用船舶领域本体的层次结构和概念间的语义关系对文档进行结构划分与标注，通过特征词与特征概念之间的距离和位置重要性计算权重，在一定程度上提高了分类的准确性；针对船舶制造企业复杂而离散的人员和资源组织特点，提出了一种语义访问控制方法，对角色进行动态绑定，解决了复杂环境下的访问控制问题：实现了一个船舶分段设计制造过程管理系统，提供了a u t o c a d 图纸分段信息抽取、船舶工程图纸分类查询、复杂报表的s v g 图形化表示等功能。本文的组织结构如下：第章：介绍了知识管理及其发展现状，以及目前船舶制造业知识管理中的不足，并对本文的工作进行了简要的说明。第二章：介绍了本体的定义、分类、作用、构建原则、建模原语，并以一个简单的船舶本体为例，介绍了本体的描述方式。船舶制造业知识管理关键技术研究第三章：提出了一种基于本体和结构标注的船舶制造业设计文档分类方法。描述了该方法的逻辑模型和计算模型，给出了用于文档结构分析和特征概念选取的算法。第四章：提出了一种船舶知识管理系统语义访问控制方法。介绍了访问控制中主客体的本体描述方法，以及通过策略属性、规则实现主体角色、角色一一客体动态绑定的过程，并给出了一个简单的访问控制模型。利用f l o g i c 描述策略和规则，简化了规则的制定和维护过程。第五章：给出了我们实现的一个船舶分段设计制造过程管理系统，并详细介绍了系统的数据抽取、图纸管理、访问控制、报表处理四个主要模块。第六章：总结全文，展望下一步的工作。船舶制造业知识管理关键技术研究2 1 背景第二章本体论基础近年来，随着应用需求的不断增强，知识管理理论及其相关技术的发展日新月异。然而在这种快速发展的同时，也面临着种种的困难。主要的困难包括：知识的表示、信息的组织、知识的重用等。特别是由于互联网的快速发展，面对信息的海洋，如何组织、管理和维护海量信息并为用户提供有效的服务也就成为一项重要而迫切的研究课题。本体( o n t o l o g y ) 作为一种能在语义和知识层次上描述信息系统的概念模型建模工具，自被提出以来就引起了国内外众多科研人员的关注，并在计算机的诸多领域得到了广泛的应用，如知识工程、数字图书馆、软件复用、信息检索、自然语言处理和w 曲上异构信息的处理、语义w 曲等。船舶制造业是我国传统的重型制造业，国内造船企业目前信息化程度并不高，计算机技术的运用主要集中于c a d 领域，而对整个企业信息的统一管理涉及不多，因此在知识的表示、共享过程中存在诸多困难。如船舶设计、建造中涉及的专业术语缺乏统一的标准：术语间关系复杂，无明确定义；信息的种类繁多、增长速度快；文档、图纸的管理基本通过手工进行，分类方式单一，难以实现高效的查找和共享等。在船舶制造业知识管理中运用本体技术，可以有效地解决上述问题，为知识的组织和共享打下基础。2 2 本体的定义本体最早是一个哲学上的概念。从哲学的范畴来说，本体是客观存在的一个系统的解释或说明，关心的是客观现实的抽象本质。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”1 3 1 1 。1 9 9 3 年，g r u b e r 给出了本体的一个最为流行的定义：“本体是概念模型的明确的规范说明”【3 2 】。后来，b o r s t 在此基础上给出了本体的另外一种定义：“本体是共享概念模型的形式化规范说明” 3 3 1 。s t u d e r 等人对上述两个定义进行了深入的研究，认为本体是共享概念模型的明确的形式化规范说明。这包含四层含义p 4 1 ：概念模型( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) 、明确( e x p l i c i 0 、形式化( f o r m a l ) 和共享( s h a r e ) 。船舶制造业知识管理关键技术研究“概念模型”指通过抽象出客观世界中一些现象( p h e n o m e n o n ) 的相关概念而得到的模型。概念模型所表现的含义独立于具体的环境状态。“明确”指所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定义。“形式化”指本体是计算机可读的( 9 0能被计算机处理) 。“共享”指本体中体现的是共同认可的知识，反映的是相关领域中公认的概念集，即本体针对的是团体而非个体的共识。本体的目标是捕获相关领域的知识，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( 术语) 和词汇间相互关系的明确定义。2 3 本体的分类目前国外许多研究组织和机构都研究建立了各种各具特色的本体。f e n s e l 根据其应用主题，将这些为数众多的本体划分为四种类型：瞰】( 1 1 领域知识本体用于描述某个特定专业领域的本体，定义该领域的概念和概念间关系，描述该领域的基本原理、主要实体和活动关系，提供领域内部知识共享和知识重用的公共理解基础。目前许多领域已经拥有了相应的本体，例如美国国家医学图书馆建立的c k s 医学领域本体、爱丁堡大学开发的e n t e r p r i s eo n t o l o g y 企业本体，另外还有如g e n s i m 生物医学本体，p l i n i u s 陶瓷材料本体等。( 2 ) 通用或常识本体用于描述通用知识，如时间、空间、事件等。c y e 公司的o p e n c y c 本体就属于常识本体，它包括6 0 0 0 个概念和6 0 0 0 0 个关于这些概念的声明( 包括概念间的关系、对概念的限制等) ，另外o p e n c y c 还包括一个基于本体的常识推理机。( 3 ) 方法本体也称为任务本体，用于描述任务的求解方法，如医学诊断方法、知识检索方法等。方法本体和一般的本体不同，它主要描述的是动态知识，其目的在于提供求解方法的共享基础，方法本体中经常描述的要素包括：任务目标、任务数据、执行状态等。( 4 ) 元数据本体用于描述信息资源元数据的本体，元数据用来定义联机信息资源的格式和内容，元数据本体则提供了这些定义方法的公共理解基础。本文所讨论的船舶制造业本体属于领域知识本体和方法本体的结合。不同的本体除了具有不同的应用主题外，其表示形式也各不相同。最简单的表示形式可能只是一些简单概念词的分组，被定义的概念间关系只有一种分类关系，这种分类关系具有“组成关系”、“相似关系”等多种内涵，没有固定一船舶制造业知识管理关键技术研究致的意义。与简单表示形式相反，有些本体具有严格而详细地的表示形式和公理定义。m i k eu s c h o l d 和r o b e r tj a s p e r 根据本体表示的形式化程度，将本体分为四种类型：( 1 ) 完全非形式化用自然语言进行表示，结构非常松散，典型的如术语列表。( 2 ) 结构非形式化用受限的或结构化的自然语言进行表示，能有效提高本体的清晰度，减少模糊性。如：e n t e r p r i s eo n t o l o g y 的文本版本。( 3 ) 半形式化用人工定义的形式化语言进行表示，目前己有许多研究机构开发制定了这类形式化本体表示语言。( 4 ) 完全形式化具有详细的概念项定义、语义关系的形式化定义以及稳固和完整的公理和证明。【3 6 在实际应用中，这几种表示方式各有所长。如果本体的应用目的是为了加强人与人之间的交流，则非形式化的本体将更为适用，如果对本体的处理需要由机器自动完成，则其形式化程度越高越好，在有些情况下，需要将非形式化和形式化两种方式组合起来使用。2 4 本体的作用本体在知识管理领域正获得日益广泛的应用。一般来说，使用本体的目的有三个：( 1 ) 有益于人与人的交流在这种情况下，需要本体足够清晰和明确，但可以是非形式化的。( 2 ) 有益于系统间的交互本体被用作各种建模方法、图表、语言和软件工具之间的统一的交换格式。( 3 ) 有益于系统工程，尤其体现在下面几个方面：a 1 重用性本体是对领域知识进行形式化编码的基础，而这些形式化代码可以用于软件系统的重用或作为共享的组件。b ) 知识获取在建立一个基于知识的系统时，使用己有的本体作为指导知识获取的基础将能有效地提高系统的建立速度和可靠性。c 1 可靠性形式化的表示方式往往可以利用自动方法进行一致性检查，使软件具有更高的可靠性。船舶制造业知识管理关键技术研究d ) 规格说明本体可以协助知识系统进行需求识别和定义规格说明。目前，本体主要应用于知识管理领域的以下几个方面：( 1 ) 知识检索本体可以提供一个知识结构，标注事实数据的内容，通过它可以迅速准确的从事实数据中获取适当的信息，实现基于语义的检索。( 2 ) 知识整合通过本体所提供的组织结构可以实现不同信息源中知识的整合，方便数据、知识和模型的重用。( 3 ) 知识的存储和维护本体为可交互和可重用的知识模型提供了存储手段，同时本体可以为知识的内容提供必要的限制，保证知识的一致性和正确性。( 4 ) 知识的衍生本体支持从己有知识中通过学习和推理派生出新的知识。2 5 本体构建原则出于对各自问题领域和具体工程的考虑，构建本体的过程也是各不相同的。由于没有一个标准的本体构造方法，不少研究人员出于指导人们构建本体的目的，从实践出发，提出了不少有益于构建本体的原则。最有影响的是g r u b e r 在1 9 9 5 年提出的五条原则：【3 7 ( 1 ) 明确性本体应该有效的联系已定义术语的主观意思( i n t e n d e dm e a n i n g ) 。定义应该是客观的。虽然定义一个概念的动机可能来源于某些特定的社会环境或者计算要求，但是定义应该独立于社会和计算的前后关系。形式化是达到这个目的的一个手段。当一个定义可以用逻辑公理来描述，那么它就应该这样定义。如果可能，一个完整的定义( 一个由充分必要条件定义的) 好过一个局部的定义( 仅仅由一些必要或者充分条件定义) 。所有的定义应该还由自然语言纪录下来。( 2 ) 一致性本体应该是一致的。也就是说，它应该支持与定义一致的推理。至少，定义的公理应该是逻辑一致的。一致性也应该应用到非形式化定义的概念，也就是那些用自然语言描述的文本和实例。如果一个可以从公理中推断出来句子与一个定义或者非形式化的实例相冲突，那么本体就是不一致的。( 3 ) 可扩展性本体的设计应该考虑到其在共享词汇上的扩展。它应该为可预见的扩展提供一个概念化的基础，并且为了让别人可以扩展和特殊化这个本体，它的描述应船舶制造业知识管理关键技术研究该可以被改进。换句话说，别人可以基于存在的词汇为特定的使用定义新的术语，并且不需要对已有的定义进行修订。( 4 ) 最小编码偏差本体中的概念知识不应该依赖于其编码符号。如果不是知识内容的需要，而是为了标注或实现上的方便而做出某种表示选择，就可能导致编码偏差。编码偏差应尽可能最小化，因为不同的知识系统往往使用不同的知识编码体系，只有最小的编码偏差才能使本体具有较好的独立性。( 5 ) 最小本体承诺当某个知识系统使用知识的行为与某个本体中的定义相一致时，就可以称这个知识系统承诺了该本体。这种承诺是基于知识层级的。在实际应用中，本体中定义了用于在知识系统间进行交换的词汇表，而本体承诺则是以连贯和一致的方式使用这个共享词汇表的协议。在本体设计时，应该在支持知识共享活动要求的基础上尽可能的减少本体承诺，即允许对本体进行承诺的知识系统根据自身需要自由地对本体进行专门化和实例化。【3 8 】2 6 本体建模原语在文献 3 9 1 q b ，p e r e z 等人认为本体可以按分类法来组织，他归纳出本体包含5 个基本的建模原语( m o d e l i n gp r i m i t i v e ) 。这些原语分别为：类( c l a s s e s ) ，关系f r e l a t i o n s ) ，函数( f i m c t i o n s ) ，公理( a x i o m s ) 和实例( i n s t a n c e s ) 。通常也把c l a s s e s 写成c o n c e p t s 。概念表示领域中的一类实体，可以指任何事物，如工作描述、功能、行为、策略和推理过程等等。关系表示领域中概念之间的交互作用。形式上定义为n 维笛卡儿乘积的子集：r ：c l c 2x c 。如：予类关系( s u b c l a s s 0 0 。函数是一类特殊的关系。在这种关系中前n - 1 个元素可以唯一决定第n 个元素。形式化的定义如下：f ：c 。c 2x c _ g 。公理表示永真断言，比如概念乙属于概念甲的范围。实例是概念表示的具体事物。从语义上分析，实例表示的就是对象，而概念表示的则是对象的集合，关系对应于对象元组的集合。概念的定义可以采用框架结构，包括概念的名称，与其它概念之间关系的集合，以及用自然语言对该概念的描述。常用的关系有：同义关系：两个概念的含义在一定环境下相同或非常相近，可以互相替代。同义关系是一种等价关系。如船舶建造过程中的“大合拢”和“船台阶段”表示船舶制造业知识管理关键技术研究的是同一个意思，都是指在船台或船坞上将分段拼装成整条船的过程，表示为：s y n ( “大合拢”，“船台阶段”1 。继承关系：表示概念的泛化与特化。给出两个概念c 和d ，记c = x ix 是c 的实例) ，d = xx 是d 的实例) ，如果对任意的x 属于d ，x 都属于c ，则称c 为d 的父概念，d 为c 的子概念。继承关系可以用i s - a 表示，以船舶舾装为例：i s “扶梯”，“铁舾装件”) ，指扶梯是一种铁舾装件。从属关系：表示概念之间部分与整体的关系，即一类事物包含于另一类事物。典型的从属关系是h a s a p a r t o f 关系，如：h a s “船体”，“底边水舱”) 或p a r t - o f ( “底边水舱”，“船体”) ，表示底边水舱是整个船体的一部分。实例关系：表示概念的实例和概念之间的关系，类似于面向对象中的对象和类之间的关系。如运输船h 2 4 3 3 表示为i n s t a n c e o 目“h 2 4 3 3 ，“运输船”) 。属性关系：表达某个概念是另外一个概念的属性。如a t t r i b u t e o f ( “船”，“造价”) 。在实际的应用中，不一定要严格地按照上述5 类原语来构造本体。同时概念之间的关系也不仅限于上面列出的5 种，可以根据特定领域的具体情况定义相应的关系，以满足应用的需要。例2 1 一个简单的船舶本体。战船船舶民用船1一 厂| 广 厂货船客船| l渔船l 特殊用途船图2 - 1 船舶本体例船舶按照用途可以划分法分为军用( m i l i t a r ys h i p ) s 1 1 用( c i v i ls h i p ) 两大类。在军用船只方面可细分为战船类( w a r s h i p ) 、运输类( t r a n s p o r ts h i p ) 。民用船只的划分则更细致，可分为货船( c a r g os h i p ) 、客船( p a s s e n g e rs h i p ) 、渔船( f i s h i n gs h i p )和特殊用途船( o t h e r s ) 四类。如图2 - l 所示，船h 2 4 3 3 是运输船的一个实例。旦西输mi：一。孳船舶制造业知识管理关键技术研究2 7 本体描述语言描述本体的语言一般要具有丰富而直观的表达能力，具有一阶逻辑的推理能力，使用户能够为领域模型编写清晰的、形式化的概念描述。本体语言因此应该满足如下要求：良好定义的语法；良好定义的语义；有效的推理支持；充分的表达能力；表达的方便性。本体常常用逻辑语言表示，以保证类、属性、关系的准确、一致、可靠的描述和区分。目前一般是采用描述逻辑和框架逻辑形式化的定义本体。1 描述逻辑( d e s c r i p t i o nl o g i c )d e s c r i p t i o nl o g i c 的一个显著的特性就是可以根据描述定义概念，描述确定了属于该概念的对象必须满足的属性【4 0 】。表达描述的语言允许构造复合描述，包括对对象之间二元关系( 通常称为作用) 的约束。d e s c r i p t i o i ll o g i c 的表示机制中所使用的主要推理机制是包容关系检查，当我们说一个概念包含另一个概念时，后者的成员关系隐含了在前者中的成员关系。d e s c r i p f i o nl o g i c 的长处在于它结合了包含检查、自动分类和实例识别算法。但是它的主要不足之处在于它限定的表示形式，只容许术语知识的说明，不适合通过推理导出新的知识。2 框架逻辑( f r a m el o g i c )f r a