基于本體的機械工藝知識庫構建方法

陸海良，儲昭兵

(1.南寧市城市照明管理處，南寧530000;2.中國電子科技集團公司第五十研究所，上海200000)

1 引言

從20世紀末到本世紀初，社會經濟類型正經歷著從工業經濟向知識經濟的轉變，知識正成為生產力要素中最活躍、最重要的部分。工藝知識是制造企業最重要的知識資本，是在企業的產品設計、生產準備、制造和經營管理活動中，貫穿產品全生命周期的與工藝有關的知識［1］。

面對企業復雜多樣的工藝知識，尚缺乏有效的工藝知識庫構建和描述方法。下面提出了一種基于本體［2］的工藝知識庫構建方法，并用 OWL(Web Ontology Language)語言［3］對其進行描述。

2 工藝知識的概念與分類

工藝知識是一個具有屬性，與設計、制造活動相關的含有工程意義和基本幾何實體或信息的集合。這個定義強調了工藝知識是與設計活動和制造有關的幾何實體，因而是面向設計和制造的，反映了設計者和制造者的意圖，不同的工藝知識表達了零件的功能、制造特征等。

一個好的工藝知識分類有助于對特征進行更深入的研究，包括語意分析、表示、處理等。考慮到實際應用背景和實現上的方便性，通過分析機械產品大量的零件圖紙信息和加工工藝信息，可將工藝知識分為五大類:

(1)形狀知識:與描述零件幾何形狀、尺寸相關的信息集合，包括功能形狀、加工工藝形狀、裝配輔助形狀。

(2)材料:與零件材料和熱處理有關的信息集合，如材料的名稱、類型、規格、毛坯狀態、機械性能及規范、工藝性能、熱處理方式、硬度值等。

(3)精度:描述零件幾何形狀、尺寸的許可變動量的信息集合，是實現零件互換和評定產品質量的重要指標，一般包括公差(尺寸公差和形位公差)和表面粗糙度等。

(4)制造工藝:描述能把特征加工成形的工藝規則的信息集合，包括加工方法、零部件配合關系、裝配關系等。

(5)制造特征:它是把特征加工成型過程中所需要的信息描述，如零件和特征的加工方法、加工基準、加工精度要求、切削用量、機床、刀具等。

3 工藝知識庫構建

為了對大量工藝知識的相關術語、概念、表示等進行正規、明確的描述，本文基于本體技術來實現工藝知識庫的構建。

3.1 工藝知識庫本體定義

本體是描述某個領域術語的數據集，能夠在一個較高的平臺上提供知識重用和系統框架，其源于哲學的一個概念，原意是指事物的本源及本性。“本體”是對共享概念的正規、明確的表述。后來隨著人工智能的發展，本體被人工智能界賦予了新的定義，特指對概念化的顯式說明［4］。理論上，可以通過5種類型的構件來形式化描述一個本體:概念、關系、函數、公理和實例;根據不同的研究人員對本體概念理解上的差異，具體應用領域和開發環境的不同，本體的形式化定義也各不相同。根據本體的定義以及工藝知識庫的特點，對工藝知識庫的本體定義如下:

工藝知識庫本體是針對工程領域工藝知識的概念化描述，包括一系列概念及其關系。即:

O= ＜C，AC，R，AR，H，I，M ＞ ，其中 C 是概念集，指工藝知識中概念、術語的集合;AC為概念的屬性集，主要用來表示概念自身的特征;R是該領域的關系集合，如y:subClassOf(x)，表示y是x的一個子類;AR為關系的屬性集合;H為概念從屬集，表示概念之間的層次結構關系;I為實例集;M是實例與概念之間的映射關系集合，該映射集合將每個實例對應到其所屬的概念下，如i∈M(c)表示i是概念c的實例。

C集合中每一概念Ci代表了一類對象，可以被AC(Ci)所定義的屬性所描述。H集合中每個隸屬hi(cq，cp)表示概念cq與cp之間的隸屬度，當cq是cp的子類或子概念時，(cq，cp)∈H，且h=1;R集合中每個關系 ri(X|(cq，cp))，ri∈(0，1)表示概念 cp與cq之間是否滿足X。屬性ri由AR(ri)所定義。

3.2 工藝知識庫構建

目前各個領域對本體已有一定研究，從工程角度來講本體工程的構建到目前仍處在不成熟的階段，還沒有一個標準的本體構造方法。目前公認的本體建模方法有:IDEF-5方法，Mike Ushold和Micheal Gruninger的骨架法，Micheal Gruninger和Mark.S FOX的企業建模方法TOVE，Mariano Fernandez和GOME-PEREZ等人的METUINTOLOGY方法，以及斯坦福大學醫學院開發的“七步法”，主要用于領域本體的構建。眾多研究已經證明，本體建模方法缺乏成熟的工程方法論指導，只有適合自身項目的方法。

工藝知識領域本體的建立過程是從機械工藝領域知識中總結和抽取領域概念、關系、屬性，并以一定的形式存儲到計算機的過程。步驟如下:

(1)根據機械工藝領域概念集，定義概念分類層次、分析概念屬性和概念屬性之間的關系，形成概念層次結構樹;

(2)根據概念層次結構樹定義概念之間的關系，形成關系庫;定義概念屬性、關系屬性，形成屬性庫;

(3)定義概念之間的層次結構關系，形成從屬概念庫。

根據機械工藝領域概念集建立概念層次結構樹，如圖1所示。

圖1 概念結構樹

如圖2所示，利用Protege本體建模工具實現工藝知識庫構建。Protege［5］是一個功能非常強大，簡單易用的本體構建工具，它支持所有的建模原語，能提供語法檢查、一致性檢測。

3.3 工藝知識庫描述

在定義了機械工藝領域本體概念的層次結構、概念屬性及概念之間的關系之后，接下來就是本體編碼的過程，即用合適的本體描述語言結合本體編輯工具進行本體編寫過程。

OWL(Web Ontology Language)［3］正在成為本體描述的一種標準語言，OWL是一種基于描述邏輯的語言，也就意味著該語言中的類構造算子及公理都有相應的邏輯表示。下面為工藝知識本體庫OWL描述片段。

使用owl:Class定義概念實體，在定義概念實體時，可以通過OWL語言中的disjointWith

表達概念之間彼此互不相交關系，這是一些可用于推理的公理，如下所示:

圖2 工藝知識本體庫

通過disjointWith表達了材料是一種與熱處理、表面處理等不相交的、獨立的加工工藝需求知識。

通過owl:ObjectProperty和owl:DatatypeProperty定義概念屬性，概念屬性之間同樣存在繼承關系，如特征屬性是特征的下位屬性。

上述定義表明:“直徑”是一種孔的參數屬性，其取值類型是“XMLSchema#float”。

上述定義表明“is_produced_by”是設計者的一種屬性，通過該屬性將拓撲圖與其設計者進行關聯。

4 結束語

首先對機械工藝領域的工藝知識進行了定義和分類，將工藝知識分為形狀知識、材料、精度、制造工藝和制造特征五類，然后利用本體技術對機械工藝領域工藝知識的相關術語、概念、表示等進行正規、明確的描述，并構建了工藝知識本體庫，最后通過OWL語言對工藝知識庫進行描述，為實現工藝知識重用提供了保障。隨著本體技術的研究，該方法將得到更進一步的發展。

［1］ 余慧芬.CAPP系統知識的獲取與表達［J］.成組生產系統，1998，18(6):25-27.

［2］ 鄧志鴻.Ontology研究綜述［J］.北京大學學報(自然科學版)，2002，38(5):730-738.

［3］ Fensel D，Horrocks I，Van HF，et al.Oil in a Nutshell［C］.In 12th International Conference on Knowledge Engineering and Knowledge Management EKAW2000，Juanles-Pins，France，2000:1-16.

［4］ Myo MN，Ee PL，Dion GH.Ontology-based web annotation framework for hyperlink structures［C］.Third International Conference on web Information Systems Engineering(Workshops)，Singapore，2002.

［5］ Shun SB，Motta E，Domingue J.ScholOnto:An Ontology Based Digital Library Server for Research Documents［J］.Intl.J.Digital Libraries，2000，3(3):237-248.