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边文钰:基于本体的科研开发领域知识共享和重用研究摘要伴随着知识经济的兴起,一种新的管理模式一知识管理开始出现并引起了人们的重视。知识管理的目标是创新,知识共享和重用是创新的重要前提和保障,科研开发领域作为新知识、新技术的诞生传播地,其知识管理具有重要的理论价值和现实意义。本文以科研开发领域知识共享和重用为研究对象,构建科研开发领域知识管理框架,对领域本体的构建、知识库建模、查询及动态管理、基于知识情境的知识共享和重用等关键技术做了系统的研究。1 科研开发领域知识形式多样、表达方式不一致,从而导致知识共享和重用困难、无法实现互操作等问题。采用本体为科研开发领域知识建模,提供该领域知识的统一概念,确定领域内共同认可的词汇和词汇相互之间的关系,实现人们对领域知识的共同理解。对现有的各种知识表示方法进行分析比较后,对本文中所采用的科研开发领域本体描述语言及其建立过程进行系统研究,并给出本体表示的实例。2 在本体体系的基础上建立科研开发领域知识库,选择x q u e r y 作为x m l 知识库的查询语言,x q u e r y 可以为关系数据库创建原始x m l 视图,用户也可以使用x q u e r y 在原始视图之上定义他们自己的x m l 视图从而得到更高层次的抽象。随着知识和环境的变化,知识库也随之更新。3 知识创新己成为知识经济发展的生命线,而知识共享和重用是产生新知识的必要条件,是创新的重要前提。知识情境是知识产生和应用的具体背景和环境,知识能否进行重用,取决于其知识情境与要解决问题的知识情境的相似程度。本文给出知识情境模型及知识情境相似度计算方法,阐述情境相似度计算过程,通过情境相似度寻找与问题情境相似的历史情境;引入相似度向量,进行情境的差异分析;提出在知识情境分析基础上进行知识整合的思想,为知识创新提供途径和方向。根据知识情境相似性匹配获取相关知识,可提高知识可重用性;在情境匹配过程中考虑本体表示的语义信息,可提高知识查找准确率。,4 针对现有知识管理模型框架普遍存在的问题,构建科研开发领域知识管理系统,对系统的结构框架及功能模块进行详细介绍,并结合汽车概念设计领域的特点,开发汽车辅助概念设计原型系统,以辅助设计人员进行汽车概念设计。关键词:知识管理,知识共享,知识重用,本体,x m l ,知识情境,相似度i i扬州大学硕士学位论文a b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fk n o w l e d g ee c o n o m y , an e wm a n a g e m e n tm o d e - - k n o w l e d g em a n a g e m e n ta p p e a r sa n da t t r a c t sp e o p l e sa t t e n t i o n i n n o v a t i o ni st h ea i mo fk n o w l e d g em a n a g e m e n t ,a n dk n o w l e d g es h a r i n ga n dr e l l s ei st h ei n z p o z l a n tp r e c o n d i t i o na n dg u a r a n t e eo fi n n o v a t i o n n 捡k n o w l e d g em a n a g e m e n to fs c i e n c er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n td o m a i nw h i c hi st h eb e a r i n ga n ds p r e a d i n gf i e l do fn e wk n o w l e d g ea n dt e c h n o l o g yh a si m p o r t a n tt h e o r yv a l u ea n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e t l l i st h e s i sf o c u s e so nt h ek n o w l e d g es h a r i n ga n dr e u s eo fs c i e n c er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n td o m a i n ak n o w l e d g em a n a g e m e n tf r a m e w o r ki sc o n s t r u c t e d , a n dm a n yc r u c i a lt e c h n o l o g i e ss u c h 嬲t h eb u i l d i n go fd o m a i no n t o l o g y , t h em o d e l q u e r ya n dd y n a m i cm a n a g e m e n to fk n o w l e d g eb a s e a n dt h ek n o w l e d g es h a r i n ga n dr e u s eb a s e do nk n o w l e d g es c e n a r i oa r er e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l y 1 a st h ef o r ma n de x p r e s s i o no fs c i e n c er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tk n o w l e d g ev a r i e s ,i te a l l $ t h ed i f f i c u l t yo fk n o w l e d g es h a r i n g ,r e u s ea n dm u t u a lo p e r a t i o n o n t o l o g yi sa d o p t e dt om o d e lt h es c i e n c er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tk n o w l e d g e u n i f i e da o n c e p t so f t h ed o m a i nk n o w l e d g ea r ep r o v i d e d ,a n dm u t u a la p p r o v e dv o c a b u l a r i e sa n dr e l a t i o n sa m o n gt h e ma r ec o n f i r m e d , s op e o p l ec a ng e tm u t u a la p p r e h e n s i o no fd o m a i nk n o w l e d g e a sa l lk i n d so fk n o w l e d g ee x p r e s s i o nm e t h o d sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ,t h ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ea n de s t a b l i s h m e n tp r o c e s so ft h es c i e n c er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n td o m a i no n t o l o g i e sa r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y , a n da ne x a m p l eo fo n t o l o g yi sp r o v i d e d 2 t h ek n o w l e d g eb a s eo fs c i e n c er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n td o m a i ni sc o n s t r u c t e d0 1 1t h eb a s i so fo n t o l o g ys y s t e m x q u e r yi ss e l e c t e d 舔t h eq u e r yl a n g u a g eo ft h ex m lk n o w l e d g eb a s e x q u e r yc a ne s t a b l i s ho r i g i n a lx m lv i e wo fr e l a t i o n a ld a t a b a s e ,a n du s e r sc a nd e f i n et h e i ro w l lx m lv i e wo nt h eo r i g i n a lv i e wt og e th i g h e rl e v e la b s t r a c t w i t ht h ec h a n g e so f k n o w l e d g ea n dc i r c u m s t a n c e s ,t h ek n o w l e d g eb a s ei su p d a t e d 3 k n o w l e d g ei n n o v a t i o nh a sb e g o m et h el i f e l i n eo fk n o w l e d g ee c o n o m y , a n dk n o w l e d g es h a r i n ga n dr e b , 踮i st h en e c e s s a r yc o n d i t i o no fn 删k n o w l e d g ea n di m p o r t a n tp r e m i s eo fi n n o v a t i o n k n o w l e d g es c e n a r i oi st h ec o n c r e t eb a c k g r o u n da n dc i r c u m s t a n c eo fk n o w l e d g ep r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o n o n l yi nt h es a m eo rs i m i l a rs c e n a r i oi sk n o w l e d g er e u s es i g n i f i c a n t t h em o d e lo fk n o w l e d g es c e n a r i oa n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fk n o w l e d g es c e n a r i os i m i l a r i t ya r ep r o p o s e d t h ep r o c e s so f边文钰:基于本体的科研开发领域知识共享和重用研究l i lk n o w l e d g es c e n a r i os i m i l a r i t yc a l c u l a t i n gi se l a b o r a t e d ,a n dt h eh i s t o r i a ls c e n a r i ow h i c hi ss i m i l a rt ot h ep r o b l e ms c e n a r i oi sa t t a i n e dt h r o u g hs c e n a r i os i m i l a r i t y t h es i m i l a r i t yv e c t o ri si n t r o d u c e dt 0a n a l y s et h ed i f f e r e n c eo fs c e n a r i o s a ni d e ao fk n o w l e d g ei n t e g r a t i o no nt h eb a s i so fk n o w l e d g es c e n a r i oa n a l y s i si sb r o u g h to u tt op r o v i d ed i r e c t i o na n dc h a n n e to fk n o w l e d g ei n n o v a t i o n 1 1 ”r e l a t i v ek n o w l e d g ei so b t a i n e dt h r o u g hk n o w e d g es c e n a r i os i m i l a r i t ym a t c h i n g ,s ot h ep o s s i b i l i t yo fk n o w l e d g er e u s ei sh i g h e r t h ,es e m a n t i ci n f o r m a t i o ni sc o n s i d e r e dd u r i n gt h es c c n a r i om a t c h i n gp r o c e s st oi j l l l p r o v et h ek n o , w l e d g es e a r c ha c c u r a c y _ ,4 a i m i n g 舛t h e 卿m m o np r o b l e m so f t h ep r e s e n tk n o w l e d g em a n a g e m e n tm o d e lf r 4 m c w o r k ,as y s t e m 够蹄i 锄辨r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tk n o w l e d g em a n a g e m e n ti se s t a b l i s h e d , a n d 她:s t r u c 婶ef r a m e w o r ka n df u n c t i o nm o d u l e sa r ei n t r o d u c e ds p e c i f i c a l l y a c c o r d i n gt ot h ed i s t i n g u i s h i n gf e a t u r eo f a u t o m o b i l ec o n c c :p td e s i g nf i e l d ,am o l d ,a s s i s t a n ts y s t e m o fa u t o m o b i l ec o n c e p td e s i g ni sa c t u a l i z e dp r i m a r i l yt oa s s i s td e s i g n e r s :c o n c e p td e s i g n k e y w o r d s :k n o w l e d g e ,m a n a g e m e n t , k n o w l e d g es h a r i n g ,k n o w l e d g er e u s e ,o n t o l o g y , x m l ,k n o w l e d g es c e n a r i o ,s i m i l a r i t y边文钰:基于本体的科研开发领域知识共享和重用研究第一章引言1 1 研究背景与选题依据知识经济浪潮正以前所未有的速度改变着几乎每一个产业。2 0 世纪9 0 年代中期以来,伴随着知识经济的兴起,一种新的管理模式知识管理开始出现并引起了人们的重视。几年来,西方管理学界人士关于知识管理的研究文献与日俱增,一些国际大公司如微软公司、本田公司、道氏化学公司等纷纷开展知识管理实践,并取得了一定的成效。目前,知识管理已经成为各部门各行业的管理者、管理界学者、信息专家所讨论与研究的热门课题。随着入们对知识管理的日益关注,知识管理已经由热门课题转变为许多组织的核心战略之一f m l 。知识管理涉及的范围十分广泛,且在各个领域独立发展起来的理论与技术也很多【5 , 7 , 9 0 。随着知识逐渐成为各类组织中的重要资源,知识管理成为组织的基础管理工作,它渗透到组织各项业务活动中,成为组织生存和发展的重要条件之一。目前,知识管理还没有一个确定的定义,不同领域不同角色对知识管理强调的侧重点各有不同,概念内涵也自然有所差异。这里我们采用大家比较公认的一种定义,即知识管理是对知识资源的一种有效管理,它是以人为核心,以知识为基础,运用现代化管理手段,实现知识的互动和共享,达到整体的知识提升,以提高其核心竞争力。在管理领域的研究中,出现了适应知识经济发展需求的丰富研究成果。1 9 9 0年,p e t e rs e n g e 的著作“第五项修炼”倡导建立学习型组织,在管理界受到极大追捧。在人力资源管理方面,k a p l a n 等在平衡积分表一书中提出对人力资源考核中不能单单注重财务绩效,还要综合考虑具体运作的成效指标,e g 公司在进行人员考核时把是否认同企业的“无边界”的合作文化作为考核的重要指标。2 0世纪9 0 年代中期国外企业纷纷强化了对“专职人员”的管理和激励。上述研究都在努力探讨知识管理的有效技术。知识管理主要包括知识获取、知识存储、知识使用、知识共享等过程,最终目标是知识创新l l 。”】。我们已经进入了一个全球化的创新经济时代,创新取代了古老的比较优势,成为现代国际经济竞争的基础,无可替代地成为企业和国家竞争战略的核心。2 0 0 6 年1 月9 日,胡锦涛总书记在全国科技大会上明确提出了“用2扬州大学硕士学位论文1 5 年时间,把中国带入创新型国家行列”这一宏伟目标。企业和国家只有基于创新制订战略,才能获得持续的竞争优势。创新能力决定了企业、产业乃至国家的国际地位。科研开发领域作为新科学、新技术的诞生传播基地,其知识管理就显得尤为重要。这里科研开发领域并不局限于高校和科研院所,还包括企业的研发机构等具有科研创薪性质的领域。科研开发是项复杂的系统工程,以知识为基础,以新知识获取为中心,是典型的知识密集型工作。科研开发过程包含的知识是相当复杂的,在这个过程中要用到许多不同来源的知识,所应用知识的属性也不同,因此管理相对困难。随着知识经济的到来和信息化进程的深入,科研开发领域的知识管理己变得非常必要和迫切【1 6 ”】。知识创新需要在前人的基础上进行,因此知识共享和重用是生成组织知识的必要条件,是创新的重要前提。只有在知识充分共享和重用的基础上,才能促进知识之间的融合、转化,促进新知识产生,从而形成一个良性发展的知识链,并最终将组织再造成一个具有竞争力的知识型组织。因此,科研开发领域知识的共享和重用是一个重要的研究课题。本文研究课题来源于江苏省教育厅自然科学基金项目( 0 5 k j b l 2 0 1 5 6 ) :基于分形树的科研团队知识管理研究。作为该基金项目的子课题,主要针对科研开发领域知识的共享和重用进行研究,对知识表示方法、知识库模型、知识情境的情境图表达及知识管理系统框架进行一定探讨,以促进知识创新和提高科研开发组织核心竞争力。1 2 研究现状作为一门新兴学科,知识管理近年来引起了人们的广泛关注,专门的研究机构不断出现,相关的学术著作成倍增长,许多主要的管理类及信息技术类学术刊物都大幅度增加了相关的论文,专门的“知识管理”学术期刊也开始出现。此外,国际互联网上也出现了与知识管理密切相关的众多文献,来自不同领域的不同学者从多个角度对知识管理进行了探索。1 9 9 4 年t o ms t e w a r d 在幸福杂志中撰文提出“知识资本”的概念,认为公司应更多的关注其所知,而不是其所有。同时,p e t e rd r u c k e r 提出在后资本主义社会中知识是新的竞争力的基础。斯坦福经济学家p a u lr o m e r 提出知识是唯一一种永不衰竭的资源。惠普、道化学、麦金西咨询公司等都设立了知识总监( c k o )边文钰:基于本体的科研开发领域知识共享和重用研究3职位。还有的公司设立了知识资本主任等职位负责监管企业的知识产权。1 9 9 0 年p e t e rs e n g e ( 圣吉) 的著作“第五项修炼”倡导建立学习型组织。知识经济时代,知识成为构建和保持组织创新能力、适应能力、学习能力以至核心竞争能力的唯一源泉,理论界和管理界对组织如何更好利用知识创造价值进行了大量而深入的研究,并且也得出了许多重要的研究成果。w i i g 认为,知识管理是“为最大化企业知识相关的效率及知识资产的回报,企业系统地、显性地、审慎地建立、更新与应用知识的过程”。日本学者n o n a k a认为,知识管理要求致力于基于任务的知识创新、传播并具体体现在产品、服务和系统中”研。美国德尔福集团创始人之一卡尔费拉保罗认为:知识管理就是通过知识共享,运用集体的智慧,提高企业的应变能力和创新能力,为企业实现显性知识和隐性知识共享提供新途径。美国生产力与质量研究中心( a p q c ) 认为:知识管理是指为了提高企业竞争力而对知识进行识别、获取和充分发挥其作用的过程f 1 9 】。国内学者程刚认为知识管理是利用组织开发必要的环境和条件来推动社会知识的创造和传播的过程,通过知识共享,运用集体智慧提高应变和创新能力1 2 0 j 。文献 z h 在回顾知识管理各种不同观点的基础上,指出知识创新是知识管理的核心,提出科研团队的知识创新系统包括技术创新、制度创新、组织创新和文化创新。n o n a k a 提出了组织中显性知识与隐性知识之间相互转化的s e c i 过程模型一s指的是社会化( s o c i a l i z a t i o n ) ,即通过共享经验产生新的隐性知识的过程:e指的是外化( e x t e r n a l i z a t i o n ) ,即把隐性知识表达出来成为显性知识的过程;c 指的是组合化( c o m b i n a t i o n ) ,即显性知识组合形成更复杂更系统的显性知识体系的过程;i 指的是内化( i n t e r n a l i z a t i o n ) ,即把显性知识转变为隐性知识,成为组织中个人的实际能力的过程。在知识创新的s e c i 模型被企业管理界广泛接受的基础上,n o n a k a 等人在进一步的研究工作中,把a ”的概念引入s e c i 过程模型,定义“b a ”为充分利用信息技术的特性,包括实体环境或应用情境,使得知识创造能顺利地进行,并指出组织知识创造和传递的基本过程是在相应的b a ”中完成的,认为“b a ”有助于s e c i 的实现。将a ”分为四种类型,分别对应于s e c i 的四个阶段。n o n a k a 的研究初次提出了b a ”的概念,国内的研究者们将a ”理解为知识产生和应用的环境,并继续开展研究。国外著名跨国公司如通用电气、微软、i b m 、惠普等都在积极地推进知识管理。同时,众多研究机构、学者、大学积极研究这些组织实施知识管理的成功经验,并加以分析和整理,形成了形式多样、内容各异的知识管理框架。然而由于学者4扬州大学硕士学位论文们各自专业背景不同,加之采用的研究方法各异,导致已有的知识管理框架大多是不完备的;更重要的是,这些框架对组织知识活动的核心环节如知识创造、知识传播、知识共享等仍停留在描述性研究上,并没有真正提示这些“黑匣子”的作用、相互关联及影响因素。文献 2 2 1 针对国内企业虽然认识到了实施知识管理的重要性但在实施结果方面却不尽人意的现状,从四个方面分析了造成这种现象的原因。知识管理的目标是实现知识创新。人和信息技术是知识管理的两个重要方面,但其目的是要实现以现存知识为基础、综合环境信息,实现知识的创新,提供正确的决策参考,以使组织更富有生命力,不断向前发展。文献 2 3 1 认为团队的核心能力在于能够实现知识共享。文献 2 4 1 对医学科研人员在知识创新中的知识获取与需求特征进行了调查和分析,从调查结果来看,医学研究人员对目前的文献服务状况不尽满意,他们不再满足于为其提供一般性的文献服务,而是需要提供一些解决问题所需的知识内容。这就要求我们将分散在各领域及其它相关领域的知识加以集成,从中提炼出对用户的研究、开发与管理创新思路有价值的信息,形成至关重要的“知识精品”供其使用。文献 2 5 1 分析了目前设计人员在知识检索时存在的问题,主要有3 个:( 1 ) 设计人员对自己的检索需求不明确;( 2 ) 设计人员对知识的需求存在个体差异;( 3 ) 不同知识源存在语义等方面的异构,不能实现互操作。针对企业中存在大量分布式异构知识源问题,提出了基于o n t o l o g y 的企业知识集成方法,探讨了知识需求和多o n t o l o g y管理等关键技术。知识共享和重用是知识创新的重要保障。知识工程( k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ,k e ) 发展初期就产生了知识重用的需求,为减少构建知识库的代价,避免重复开发,有必要考虑知识的重用问题f 2 “。通过重用,系统开发者可以在已有知识的基础上更加专注于特定领域的知识构建,并且新系统可以利用所重用的知识与现存的其它系统进行交互。这样,描述性的知识、问题解决方法以及推理服务都可在系统间实现共享,从而可以方便地构建出更大、更好的知识库。因此,必须最大限度地实现知识的共享和重用。随着经济的发展及技术的进步,对知识共享和重用提出了更高的要求。而现有大部分的科研管理信息系统由于在构建时的历史、意识观念以及技术等原因,无法系统化地处理和利用信息、发掘知识内涵、提供交流的渠道,知识与信息无法得到广泛的共享。这表现在三个方面:是科研管理人员以及与科研管理相关的信息、知识、技巧、经验等没能形成一个网络以进行共享交流;二是科研人员之间的信息、科研方法、经验总结等这些宝贵知识无边文钰:基于本体的科研开发领域知识共享和重用研究法共享,形成信息和知识交流与共享的阻塞,造成了知识资源的浪费:三是科研管理部门与科研人员之间信息不能流畅地传递。这三个方面的原因使得各个管理系统之间无法实现知识共享和重用。综上所述,有关知识管理的理论和技术在各个领域都得到了很大的发展。在全球化的创新经济时代,作为实现知识创新前提和基础的知识共享和重用方面的理论也取得了飞速发展,但现有研究还存在一些问题和不足:1 ) 知识形式多样化,表达方式不一致,知识共享困难。科研开发领域存在大量显、隐性知识,知识来源复杂,属性也不相同,工作人员在知识使用过程中,根据各自习惯不同,采用不同概念和术语,导致相互之间交流困难,无法实现知识共享。2 ) 现有研究没有充分认识到知识对环境的依赖性,在使用过程中仅考虑知识内容,知识重用效率低。现有研究虽然认识到了环境对知识的影响,但只是从理论上迸行定性分析,没有进行量化研究,同时在知识的查找和使用过程中并未考虑环境的因素,忽视了知识的环境嵌入性,导致知识重用效率低。3 ) 知识管理系统缺乏有效的知识创新手段。现在的知识管理系统重视对已有知识的利用,忽视知识创新,没有切实有效的知识共享和创新的激励机制与手段。4 ) 知识查询过程中主要通过字形匹配关键字进行查找,一方面会查到大量的不相关信息,降低查准率【2 7 1 ,另方面会漏掉一些字形不同而字义相同的知识内容,查全率不高【2 踟。1 3 本文研究内容1 3 1 领域知识的本体表示科研开发是知识密集型工作,科研人员根据任务需要,常要查找各方面的资料,如开发规范、项目要求、相关文献书籍及过去已有的开发经验、方案、程序、仿真等。这些知识来源复杂,可能存储在各种类型的文档( d o c 、p f d 、h t m l 等电子介质或纸介质) 、数据库及开发人员头脑、笔记中,而且每个科研人员使用的术语可能不同,导致知识形式多样化,表达方式不一致,共享和重用困难。我们采用本体来表达科研开发领域知识,提供该领域知识的统一概念,确定领域内共同认可的词汇和词汇之间的关系,实现人们对领域知识的共同理解,以达到共享和重用的目的;对现有的各种知识表示方法进行分析比较后,对本文中6扬州大学硕士学位论文所采用的科研开发领域本体描述语言及建立过程做了系统研究,并给出本体表示的实例。1 3 2 领域知识库研究在本体体系的基础上建立科研牙发领域知识库。知识库的形成是一个知识积累的过程,不可能该领域的所有知识开始都存储在知识库中,只能靠积累扩大其存储。我们采用基于x m l 的知识库作为存储机构,提出知识库的结构框架,并给出用户访问过程。选择x q u e r y 作为x m l 知识库的查询语言,x q u e r y 可以为关系数据库创建原始x m l 视图,用户也可以使用x q u e r y 在原始视图之上定义他们自己的x m l 视图从而得到更高层次的抽象。知识库建立以后,内容也不可能是一成不变的,应随着知识的变化而变化,包括知识的添加、更新和删除等,形成动态的知识库模式。1 3 3 领域知识共享和重用研究知识创新已成为知识经济发展的生命线,而知识共享和重用是生成组织知识的必要条件,是创新的重要前提。知识情境是知识产生和应用的具体背景和环境,已有知识是否能进行重用,取决于其知识情境与要解决的问题知识情境的相似程度。本文给出知识情境模型及知识情境相似度计算方法,阐明情境相似度计算过程,通过情境相似度查找与问题情境相似的历史情境;引入相似度向量,进行情境的差异分析;提出在知识情境分析基础上进行知识整合的思想,为知识创新提供途径和研究方向。根据情境相似性匹配获取相关知识,可提高知识可重用性;在情境匹配过程中考虑本体表示的语义信息,可提高知识查找准确率。1 3 4 科研开发领域知识管理系统的设计与应用针对现有知识管理框架普遍存在的问题,结合本文提出的方法,给出一个科研开发领域知识共享和重用的管理框架。用户提交的查询请求经过语义分析及本体表达后转化为问题情境,通过本体推理引擎从情境库中查找与问题情境相似的历史情境,经过情境的相似度计算及相似度向量分析,最终得出与问题情境相似度最高的前s 个历史情境,并将对应的边文钰:基于本体的科研开发领域知识共享和重用研究7知识及根据相似度向量进行知识整合的参考信息呈现给用户。该方法根据知识的情境进行检索,可大大提高准确度。最后在汽车概念设计领域迸行应用实现。1 4 文毒组织本文对科研开发领域知识的共享和重用进行研究,旨在为科研开发人员提供一种快速查找相关知识进行共享和重用的机制,同时为他们提供知识创新的方向和指引。本文内容共分为六章:第一章引言。首先对知识管理的发展及主要内容进行介绍,然后着重分析知识管理的研究现状及存在的主要问题,介绍本课题的来源、选题依据及研究意义;最后,描述了本文的研究思路和主要内容。第二章介绍关于本体的相关理论及其在知识管理中的应用。主要介绍本体的基本概念、领域本体构建的原则和方法及描述语言。根据本体在知识表示及信息系统中的作用,将本体确定为本文进行知识表示的工具,并针对本文的具体需要确定所采用的本体描述方法。第三章首先介绍现有的知识表示方法,然后建立基于本体的科研开发领域知识体系。由于本体在语言表达上的无二义性和x m l 的语法独立、可扩充性和通用性,本文采用基于本体的x m l 技术来表示科研开发领域知识,可解决知识表示的语法语义独立、无法共享及互操作的问题,提供一种全局的、无二义性的、共享的统一知识表示。最后在科研开发领域知识体系的基础上构建科研开发领域知识库,并给出所采用的查询语言和知识库的动态管理策略。第四章介绍了基于知识情境的知识共享和重用。首先引入知识情境的概念,提出用情境图为知识情境建模,通过本体概念匹配获得结点相似度,引入结点权重,推算情境相似度,进而得到与问题情境相似的历史情境:提出相似度向量及补情境的概念,通过相似度向量分析,获得相似情境的补情境,从而建立一种将相似情境与其补情境进行整合的知识创新机制:最后给出一个应用实例。第五章系统设计及应用。根据本文所提出的理论,给出一个科研开发领域知识共享和重用的管理系统框架,对各个功能模块进行详细描述;最后,结合汽车概念设计领域的应用,开发了汽车辅助概念设计原型系统。第六章展望及结束语。对本文的研究工作进行总结,介绍作者的研究结论和主要贡献:展望下一步的研究课题和方向。8扬州大学硕士学位论文第二章本体及其在知识管理中的应用2 1 本体基本概念本体( o n t o l o g y ) 本来是哲学中元物理学( 形而上学) 的一个分支 2 9 小】。从哲学的角度来说,逻辑是抽象的形式,而本体研究事物存在的方式,是具体的内容,因此在哲学上,没有本体,逻辑关于任何东西都只是空洞的抽象,无法进行具体的描述;而没有逻辑,本体就只能进行分析、表达和讨论,在抽象上的通性模糊不清【3 0 1 。自二十世纪九十年代初,本体概念被广泛地引用到计算机领域特别是a i( a r t i f i c i a li n t e l t i g e n c e ) 和k e 研究中,因为a i 和k e 需要开发一个领域共享的、公共的概念实现知识共享和重用。在a i 领域,本体通常被称为领域模型( d o m a i nm o d e l ) 或概念模型( c o n c e p t u a lm o d e l ) 1 3 2 1 ,是关于特定知识领域内各种对象、对象特性以及对象之间可能存在的关系的理论。通过对应用领域的概念和术语进行抽象,本体形成了应用领域中共享和公共的领域概念,可以描述应用领域的知识或建立一种关于知识的描述。本体的抽象可能是很高层次的抽象,也可能是针对特定领域的概念抽象。本体己经成为k e 、自然语言处理、协同信息系统、智能信息集成、i n t e m e t 上智能信息获取、k m ( k n o w l e d g em a n a g e m e n t ) 等各方面研究的热点 3 3 - 3 5 1 。2 1 1 本体定义本体原是表述哲学原理的一个术语。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。可见,存在论本体是以体系化说明万事万物为目的,探究存在实体间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。在近一二十年,本体已被计算机领域所采用,用于知识表达、知识共享和重用,许多学科和研究领域都在使用“本体”这个术语,但存在不同的定义。近年来,各种研究机构和k e 研究者提出了多种面向a i 、具有细微差别的本体定义。例如:g r u b e r 的定义1 3 6 强调了本体是知识表示的元级描述;w i e l i n g a 和s c h r e i b e r 的定义口7 1 强调了本体在知识级的形式化,表示应用于可知识化的a g e n t边文钰:基于本体的科研开发领域知识共享和重用研究9中的知识:丽在a i 的某些领域中,本体作为术语学的同义词,表示术语的语义解析,a l b e r t s 的定义1 3 8 】主要面向k e 针对特定的任务或领域,强调应用领域的概念术语分类。其中g r u b e r 的定义被引用最多,也是我们认为迄今为止最准确地刻萄了本体本质的定义:本体是共享概念化的形式化、显式的定义1 3 邸9 1 。“概念化”从广义上讲是指世界观,是对某个特定领域的思维方式1 4 0 l ,可以把它视为对真理( r e a l i t y ) 的某部分结构的非形式化规则的集合。更详细地讲,概念化是我们为了某种目的而想要表示的世界的一种抽象的、简化的视图( v i e w ) 。每一种知识库、基于知识的系统都显式地或隐式地遵从于某种概念化。概念化不关心实际含义,只关心事实的形式化的结构,并且与用来描述它的语言无关,与一个特定情况的一次实例无关。在另个方面,本体首先是一个词汇表。但是仅仅由词汇表组成的本体没有什么用途,本体必须给出这些词汇的含义。“显式”指明确定义使用的概念类型以及对它们的使用约束;“形式化”指定义的本体应该是机器可读的事实,而不是自然语言;“共享”说明了本体不是个人私有的,而是至少在一个研究小组内被普遍接受。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) 和词汇闯相互关系的明确定义。从根本上说,本体的作用是构建领域模型。例如,在k e 过程中,一个本体提供了关于术语概念和关系的词汇集,通过该词汇集可以对一个领域进行建模。虽然不同的本体之间存在一些差异,但它们之间存在普遍的一致性。本体和知识库之间是有区别的。本体提供一系列的概念或术语来描述某些领域,提供基本的结构或构架来建立知识库,而知识库利用本体的概念和术语说明真实世界或假设世界中什么是对的【4 ”。例如,医学上的本体可能包含术语定义,如“l e u k e m i a ”或“t e r m i n a l ”、“i l l n e s s ”,但它不包含一个特定的病人有什么病的诊断结果。2 1 2 本体分类由于研究本体的机构和组织很多,各种本体定义抓住了本体各方面的特性,因此存在着不同的本体分类方式f 4 2 j 。这里介绍三种典型的分类方式,种是根据本体的通用性级别,在建立一个k b s ( k n o w l e d g eb a s es y s t e m ) 系统的过程中,1 0扬州大学硕士学位论文按所实现的不同功能确定本体的不同类型;第二种是根据概念化的结构数量和类型进行分类;第三种是根据本体所刻画和描述的现实世界的不同方面进行分类。第一种分类方式把本体分为以下四种类型【4 3 】:1 ) 领域本体:针对特定的应用领域抽象领域知识的结构和内容,包括各种领域知识的类型、术语和概念,并对领域知识的结构和内容加以约束,形成描述特定领域中具体知识的基础。图2 一l 描述了关于出版物本体的两种表示形式。- - 垂- 4 # :村厂= 石面1t i t l ef咝到图2 一l出版物本体的两种表示形式2 ) 通用本体:获取关于世界的通用性知识,提供基本的观念和概念如时间、空间、状态等,用来描述知识对象,包括描述知识对象的基本概念与属性,如标题、作者、关键字、日期等,主要用于对知识对象进行标注。目前,都柏林核心元数据非常适用于对知识对象( 如电子文档、数据库中的记录、问题解决方案、w e b 页面) 进行描述,因此该模型用包含十五个描述属性的都柏林核心集描述信息本体( 见图2 2 ) 。曜空空望里里字,氙磊赢涂、塑竺里,囱囱囱囱匹壶习囱匝蜜口匪匐图2 - 2 都柏林核心集3 ) 应用本体:针对特定应用领域知识建模的抽象定义。通常,应用本体是一种概念的混合,这些概念来自领域本体和通用本体。4 ) 表示型本体:主要描述在知识表示形式化背后的概念化,而不致力于任何特定的领域,这种本体提供表示性的中性实体,即提供表示的框架,而不描述什么应该被表示以及怎样表示。边文钰:基于本体的科研开发领域知识共享和重用研究1 l第二种方式把本体分为以下三种类型m 1 :1 ) 术语学本体:类似于词典,定义了从不同方面表示知识的术语。在医学领域,这种本体的一个示例是u m l s 中的语义网络h j 。2 ) 信息本体:定义了数据库的记录结构,数据库模式是这类本体的一个示例。在医学领域,这类本体的一个典型示例是p e n & p a d 模型的l e v e l l ,一种对病人医学记录建模的框架【4 5 l 。在l e v e l l 上,模型提供了一种框架记录对病人的基本观察,但没有在症状、信号、治疗等方面进行区分。3 ) 知识建模本体:定义了知识的概念化。与信息本体相比,知识建模本体通常具有更加丰富的内部结构,这类本体通常适用于一些特定的知识。在医学领域,文献 4 5 的l e v e l 2 描述是这类本体的一个示例,在l e v e l 2 级别上,把l e v e l l 对病人的基本观察分组,描述决策的过程。第三种分类方式把本体分为以下四种类型1 4 6 j :1 ) 静态本体:描述世界中静态方面的特征,即存在的事物、它们的属性以及它们之间的关系。2 ) 动态本体:描述世界中不断变化的方面,典型的原语概念包括了状态、状态转换和过程描述世界。3 ) 意念型本体:包括动机、意图、目标、信念、选择等,典型的原语概念包括论题、目标、支持、否决、子目标、主体等。4 ) 社会型本体:包括社会结构、组织结构、联盟等,社会型本体通常用行为者、位置、角色、权威、承诺等原语概念进行刻画。按上面的本体类型获取的是静态知识,独立于问题解决的方式。然而,k e 还关心关于问题解决方法的知识,因此,方法和任务本体也是一些有用的本体。方法和任务本体把动态推理行为看成一种本体的抽象,这样从领域知识的角度提供了一种描述推理原语的方法。我们针对科研开发领域研究知识的共享和重用问题,因此采用第一种分类方式,建立科研开发领域的领域本体模型,为领域知识的描述奠定基础。2 1 3 本体的作用本体是对某一领域的概念化描述,往往表现为一组经过严格定义的词汇和一组刻画词汇意义和词汇关系的理论集合,更是对某一领域的共同理解。本体提出的最初目标是实现知识的共享和重用,这也是本体的主要作用和研究意义所在h 7 1 。领域本体是实现领域知识共享和重用的基础【4 o 】,为需要实现领1 2扬州大学硕士学位论文域知识共享的研究者们提供了一组公共的可共享的领域概念。根据文献 4 1 ,5 l 】中本体的作用,科研开发领域本体的作用可以归纳为以下几点:1 ) 本体可以作为通信的媒介,以辅助获取、表达和操作知识。这种辅助是通过提供一个基本概念和语言结构一致的核心来实现。帮助建立和组织知识库,解释知识处理工具模块的输入、输出。一般认为,领域的核心概念是不能经常修改的,这个核心概念集是实现知识共享和互操作的基础。2 ) 本体是实现互操作和共享的基础,可以作为个领域内部的交换格式。对领域内的一个系统,如果需要集成,则需要转换器来转换领域本体与领域系统的语义差别。应用程序使用本体实现异构系统之间的互操作,即不同系统或工具之间的数据传输。3 ) 知识的标准化。本体为人们描述目标世界提供了一组通用词汇,而这种通用的词汇正是实现知识系统化的基础。通用词汇和知识的系统化有利于实现知识的重用和标准化。本体除了提供上述几种作用外,还可以在知识分离、知识系统化等方面发挥作用。2 1 4 本体建模原语及描

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