基于ｏｎｔｏｌｏｇｙ技術構建科學效應知識庫

摘 要:為了使科學效應知識更好地支持創新性概念設計，分析了科學效應知識支持原理設計的過程，提出了基于本體的科學效應知識庫系統模型。構建了科學效應知識本體，利用本體中的對象屬性建立了功能、科學效應、特征流屬性和設計實例間的聯系;依據系統模型開發了科學效應知識庫原型系統，系統支持對本體的推理查詢，提供了相關知識表格和用戶添加科學效應知識等功能，提高了知識搜索效率及查全率，方便了知識更新和維護，實現了科學效應知識對創新性概念設計的支持。

關鍵詞:創新設計; 概念設計; 原理設計; 科學效應知識; 本體

中圖分類號:TP391;TH122文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2009)09-3399-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2009.09.056

Ontology-based scientific effect knowledge base system

MA Tao， LI Yan， LIU Xiao-ying， NIE Da-an

(School of Manufacturing Science Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China)

Abstract:In order to make scientific effect knowledge support the creative conceptual design more effectively， analyzed the process that scientific effect knowledge supported principle design， and proposed a model of ontology-based scientific effect knowledge base system. This paper constructed a scientific effect knowledge ontology， and using object properties in the onto-logy， built the associations among functions， flows， scientific effects， characteristic flow properties and designing instances. Then developed a software prototype of scientific effect knowledge base system according to the proposed model， and its function included: ontology reasoning and query， related knowledge tables and consumers adding scientific effect knowledge， etc. These functions can improve the knowledge searching efficiency and recall ratio， make knowledge renewal and maintenance easy， and realize the science effect knowledge support to the creative conceptual design.

Key words:creative design; conceptual design; principle design; scientific effect knowledge; ontology

0 引言

概念設計是產品設計開發過程中最具創造性的階段，在很大程度上決定了產品的創新性，這個階段需要應用本領域和其他領域的科學效應知識來解決設計中的問題。科學效應知識是對過去研究的總結，它對創新性設計有積極的指導作用，有助于設計者打破專業局限，獲得具有學科交叉性質的創新解。因此，如何利用科學效應知識輔助概念設計一直是研究的熱點。

雖然已有的相關研究各具優勢，但同時也存在著不完善之處，如文獻[1]建立的專利庫、文獻[2]建立的實例庫、文獻[3]建立的基于FE模型的效應庫和文獻[4]建立的基于FBS及公理設計理論的Web效應庫，采用的是傳統數據管理和關鍵詞搜索方式，存在信息提取、搜索不全和搜索的信息不相關等現象;文獻[5]建立的基于力學效應的知識庫和文獻[6]建立的面向復合功能求解的效應知識庫，采用的是設計目錄數據管理方式，知識庫構造復雜、搜索效率不高且不易于知識更新;美國TechOptimizer軟件[7]和Innovation WorkBench軟件[8]中的效應庫模塊采用的是基于本體的知識管理方式，但已建立的效應庫存在著對功能的分類還不夠完善和各種科學效應知識之間的關系不明確等問題。

為此，本文以科學效應知識作為研究對象，分析該類知識的內涵及其在產品原理創新設計中的應用方法。根據領域本體的構建流程，確定科學效應知識本體的類和類的層次結構，定義本體中概念的屬性，并完成了科學效應知識本體構建;描述了科學效應知識庫的模型，初步完成了原型系統的計算機實現，并實現對科學效應知識本體的推理查詢，從而為實現產品的創造性概念設計提供知識支持。

1 理論基礎

1.1 科學效應知識的內涵

科學效應知識的具體構成要素有功能、科學效應、特征流屬性和設計實例。其中，功能是對設計要求的抽象和概括，是科學效應在產品創新設計中應用的基礎。科學效應是由某種原因產生的特定的科學現象，用來描述功能的基本機理。特征流屬性是從流屬性的角度對抽象的效應原理的進一步具體化，用于描述效應實現功能的具體方式和設計實例的作用原理，如電場效應實現分離微粒功能的特征流屬性包括電場強度的大小、微粒的帶電性、帶的是正電荷還是負電荷以及帶電微粒的電荷量等，而微粒的顏色、尺寸等屬性不能說明電場分離微粒的方式，就不是這里需要的特征流屬性。設計實例包含功能得以實現、科學效應和特征流屬性得以應用的具體結構特征，含有大量的隱性設計經驗知識，這些隱性的知識可以激發設計人員的設計靈感，提高設計的效率。

1.2 本體論概述

本體本是一個哲學上的概念，后被人工智能領域(尤其是信息科學和知識工程)用于知識的表達、共享以及重用。本體是對共享概念模型明確的形式化規范說明[9]，本質上是對某一特定領域中對象、概念和其他實體以及它們之間關系的共享的形式化的明確描述。本體的目標是捕獲相關領域的知識，提供對該領域知識的共同理解，確定該領域內共同認可的詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯和詞匯之間相互關系的明確定義。

1.3 科學效應知識與本體論的關系

科學效應知識是來自于不同學科領域的不同類型、用不同形式描述和使用方式不同的知識，這些不同的知識之間存在著復雜的映射關系，因此很難找到合適的傳統知識表示方法來統一表示科學效應知識。另外，由于不同系統的語義異構和設計者對自身領域之外的其他領域的科學效應知識了解不多而無法設定適合的搜索詞等原因，傳統的搜索方法出現了很難搜索出設計者所需科學效應知識的問題。而基于本體的知識表示方法能根據知識類別的不同，采用規范明確的方式表示科學效應知識，并能存儲科學效應知識的基本概念和概念之間的關系。因此，基于本體技術構建知識庫可以有效解決不同領域科學效應知識的表示和存儲問題，提高科學效應知識的集成能力，便于對科學效應知識的推理搜索。此外，本文科學效應知識本體采用分布式的OWL編寫，便于知識的更新和維護。

2 科學效應知識支持原理設計

功能、科學效應、特征流屬性、設計實例之間存在著多種映射關系，即每個功能都對應著多個效應或效應組合，每個效應都可以由多種不同的特征流屬性來實現，每個特征流屬性又可以通過多個設計實例得以執行。科學效應知識構成要素之間的這些映射關系形成了解的發散現象，反映了概念設計的多解性和創新性的特點。其原理設計如圖1所示。

科學效應知識支持產品原理創新設計的過程大致如下:

a)從需求分析中抽象出的產品功能，根據與其他構成要素之間的映射關系得到能實現該功能的科學效應或其組合、相應的特征流屬性及設計實例;

b)根據設計約束選擇符合應用條件的科學效應或其組合;

c)確定符合應用條件的特征流屬性;

d)根據選定的效應和特征流屬性確定出原理解。

3 科學效應知識本體構建

本文構建科學效應知識本體的流程如圖2所示，以科學效應知識為研究對象建立本體。

首先通過查閱各種相關資料，提取關鍵詞匯組成科學效應知識的概念集，如流、功能、科學效應、物料[10]、物理效應、化學效應、幾何效應、庫倫力大小、帶電滾筒去除微粒等。

然后進行本體概念化，即確定本體的類、類的層次結構和定義類的屬性。在概念化的過程中，要逐步地對上一步總結得到的概念集中的概念進行篩選，并對原有概念進行整理，以保證它們在語義上沒有異議以及定義的屬性合理、充分和有效，具體包括以下兩步:

a)確定科學效應知識本體的類和類的層次結構。通過分析概念集中的概念，選擇其中的一部分概念作為類加入到本體中作為層次結構的節點，構建起科學效應本體的整體框架結構。本文在確定科學效應知識本體的類的層次結構時采用的是從上至下法，即先定義科學效應知識中綜合的、概括性的概念，然后逐步細化，如先定義物理效應，再定義力學效應、光學效應、聲學效應和電學效應等作為物理效應的子類。

b)定義概念的屬性。本體中常用的屬性類型分為數據類型屬性和對象屬性兩類[11]。表1為科學效應知識本體中定義的數據類型屬性，表2為科學效應知識本體中存在的對象屬性。此外，本文還根據屬性在搜索過程中的作用將本體中定義的屬性分為了描述性屬性和搜索性屬性。其中搜索性屬性包括科學效應知識本體中定義的所有對象屬性和數據類型屬性中的name和type。

related_instance相關設計實例功能、流、科學效應、特征流屬性{[設計實例]}

說明:[ ]表示其內部的值是對另一個數據結構的引用;{ }是對數據結構序列的引用。

本體的形式化即使用本體描述語言對本體進行編碼。利用OWL描述本體，一方面能保證本體構建的標準化，另一方面由于OWL建立在描述邏輯的基礎上，便于以后在本體基礎上構建推理引擎。用Protégé軟件編輯和自動生成OWL本體文件，可以簡化本體形式化的過程。

圖4截取的是Protégé的class browser、instance browser和individuals editor三個部分。class browser顯示了科學效應知識本體的類和層次結構，包括功能、流、科學效應、特征流屬性和設計實例等類，以及各自的子類型，包括分支、發送、控制、物料、能量、物理效應和化學效應等;instance browser顯示了選定類的所有實例，在圖4中是分開的所有實例;individuals editor顯示了選中實例的具體屬性值。圖4表現的是實例分離的具體屬性及其值。

4 系統的體系結構

根據已建立的本體模型，本文基于Java/JSP技術建立科學效應知識庫的體系結構如圖5所示。其中系統主體由用戶接口、搜索模塊、數據存儲模塊、知識錄入模塊和管理組件五個部分構成。用戶接口提供給用戶友好易用的搜索、結果顯示和知識錄入界面，如圖6和7所示。結果顯示界面使用JavaBean負責對數據的處理和反饋，利用JSP負責數據的顯示;搜索模塊包括本體搜索模塊和文檔資源庫搜索模塊;數據存儲模塊主要由科學效應知識本體庫和HTML文檔資源庫組成;知識錄入模塊實現用戶錄入科學效應知識功能，以獲取設計者頭腦中的隱性設計知識并保存下來，指導進一步的創新活動;管理組件包括本體庫管理組件和資源庫管理組件，分別提供了相應的接口方便對科學效應知識本體和HTML文檔資源的存儲管理。

5 系統實現的關鍵技術

a)持久化本體模型。搜索過程中需要導入OWL文件數據構建本體模型。為避免出現使用內存模型時，每次啟動應用程序時都要重新填充模型，而每次關閉應用程序時，對內存模型進行的更改都將丟失的問題，本文采用通過Jena提供的數據庫引擎在關系數據庫MySQL中持久化模型的技術解決該問題。

b)自定義推理規則。對本體的推理查詢是基于概念及概念之間的關系進行的，其關鍵在于概念之間的推理。雖然Jena包含一般的推理功能，但本系統還根據需要自定義了一些推理規則，如rule1:(?x related_flow ?y)，(?x type function)->(?y related_function ?x)，這條規則定義了流和功能之間的相關關系。

c)數據存儲的實現。采用MySQL關系數據庫和文檔資源庫實現數據存儲。其中MySQL關系數據庫存儲的是通過Jena的RDF API導入的、由Protégé軟件創建和導出的OWL文件格式的本體生成的本體模型;文檔資源庫中存儲的是HTML文件格式的科學效應知識的描述性屬性。

d)查詢過程的實現。本體搜索模塊主要使用Jena的查詢和推理引擎來實現。查詢引擎在接收和解析用戶查詢請求后，將請求提交給推理引擎;推理引擎從本體庫中加載本體，按照推理規則對發送來的查詢詞匯進行語義推理，并將處理結果返回給查詢引擎。查詢引擎將語義推理處理后的詞匯轉換為SPARQL本體查詢語言后對MySQL本體庫進行查詢，并將查詢結果返回用戶界面。文檔搜索模塊接收到用戶界面傳遞的搜索結果詞，將其轉換為對HTML文檔庫的查詢，并返回查詢結果。

c)樹型結構和相關表格。為了便于用戶得到與某一概念相關的科學效應知識，利用科學效應知識之間的關系，系統給出了科學效應知識的樹型結構和相關知識表格，如圖7所示。樹型結構顯示了科學效應知識的層次結構，相關知識表格以表格的形式給出與某一概念相關的所有科學效應知識，實現了某一概念相關科學效應知識的快速查詢，是有效的知識搜索方式。

f)支持用戶添加科學效應知識。利用OWL的特點、Jena提供的相應的包和JSP/Servlet技術，系統提供了用戶添加科學效應知識的功能。圖6是用戶添加科學效應的操作界面。用戶添加科學效應知識后，系統把搜索屬性和描述屬性分別寫入到OWL文檔和HTML文檔中，然后通過本體模型重構將搜索性屬性導入到MySQL的本體模型中，這樣用戶在以后就可以使用添加的知識。

6 系統原型

科學效應知識庫的搜索顯示界面如圖7所示，主要分為搜索區、樹型顯示區、搜索結果顯示區、科學效應知識顯示區和相關知識表格。搜索區提供了對本體的推理查詢和其他搜索等搜索方式，其他搜索用于搜索科學效應知識的各構成要素，包括搜索科學效應、搜索特征流屬性和搜索設計實例。用戶點擊功能標準詞按鈕可以獲得功能和流的標準詞。另外，系統采用樹型結構顯示科學效應知識的分類， 設計者可以通過人工瀏覽的方式在科學效應知識庫中查找科學效應知識。搜索結果顯示區按知識的類別顯示搜索結果，搜索結果以超鏈接的形式鏈接到HTML文檔資源庫，選擇某一搜索結果，在科學效應知識顯示區就會顯示所選結果的描述性知識。科學效應知識顯示區使用browser來顯示HTML文檔，可以顯示所有browser本身支持的和安裝插件后支持的媒體格式。相關知識表格顯示科學效應知識顯示區當前顯示的科學效應知識的相關知識。

本體的推理查詢和相關知識表格功能，使設計者得到來自不同學科的、能實現功能的科學效應、特征流屬性、設計實例和與某一科學效應知識相關的所有的其他科學效應知識。這些知識有助于設計者全面了解功能實現的各種方式，全面理解科學效應知識和更好地選擇正確合理的功能實現方式，能激發設計者得出創新性的原理解。

7 結束語

科學效應知識是進行概念設計的知識基礎和理論支持，采用計算機技術實現科學效應知識對概念設計的支持是概念設計的一種重要方式。本文首先構建了科學效應知識本體，采用Java/JSP技術實現了科學效應知識庫原型系統的構建，同時實現了對科學效應知識本體的推理查詢，提高了搜索的效率。文中采用的本體知識表示和對本體的推理查詢解決了科學效應知識的表示和搜索的問題，構建的科學效應知識庫是一種支持創新性概念設計的工具，它可以激發設計者創新思維，提高創新設計的效率。

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