基于統一描述框架的導彈設計知識模型研究*

谷牧，柴旭東，李潭，楊晨

(1.北京仿真中心，北京 100854;2.北京航空航天大學，北京 100191)

0 引言

導彈設計作為一項涉及多個學科、跨領域的龐雜系統工程，面臨著諸多挑戰，傳統方法已無法滿足其設計數字化、智能化的要求。傳統的導彈設計中，設計師們大多根據以往型號的設計數據和設計經驗，結合導彈戰術指標收集材料，按照自己所熟悉的設計方法和知識去設計，然后提出適合的技術方案，再進行方案的可行性論證，最終選擇最優的方案來進行下一步的詳細設計。這種傳統的設計方法，設計周期長，缺乏對導彈設計經驗的科學累積，使得設計知識和經驗的繼承、重用以及導彈的創新性和智能化設計難以進行。而基于知識的設計方法能夠促進這些問題的有效解決。

將知識應用于導彈設計中尚存在一些關鍵技術問題亟待解決。例如，如何對各類異構知識進行結構化的有效表示、統一組織和管理;如何構建模塊化的知識模型，以完善對異構知識的組織管理和促進知識的重用和共享。

從應用角度來說，目前各應用領域主要還是采用傳統的知識表示方法來表示知識。這樣，在進行跨領域知識應用時，就會遇到異構知識協同應用的問題。但目前缺乏有效的知識統一表示手段以及統一可重用的知識模型構建方法。因此本文著重研究導彈設計知識的表示和建模技術。

本文認為知識建模是比知識表示更寬泛的概念，知識表示是研究如何將知識轉變為計算機可處理的形式的方法，即知識形式化的過程。而知識建模是要對知識表示得到異構的計算機可處理知識進行抽象、提取和規范，而后將這些知識進行統一表達的過程。

1 相關研究

模型是對所研究的系統、過程、事物的某一部分進行的一種有目的的抽象，而建模就是這種抽象的過程，是建立一種良好的描述研究對象方式的過程［1］。因而知識模型就是對用于解決研究對象問題知識的一種共性抽象。知識工程領域認為知識模型本身是一個闡述“知識—密集型信息—處理任務結構”的工具。一個面向應用的知識模型可提供應用所需的數據和知識結構的規范說明［2］。知識模型是知識共享、重用及其他知識應用的知識實體。

對于知識模型研究，現在學者們大都從產品設計的功能結構或者設計內容出發構建合適產品設計的知識模型，英國學者 Kinston［3］提出了 CommonKADS設計知識模型，這是一種按照“應用設計(知識)-架構設計(知識)-平臺設計(知識)”為層次的知識模型;G.W.Mineau提出了一種基于知識概念語言的知識建模方法［4］;Nicolas S提出了基于元知識模型的產品設計知識建模方法［5］。國內的學者也依照應用需要構建了適應領域要求的知識模型，國防科學技術大學的谷建光［6］從固體火箭發動機設計的結構-行為-功能(structure-behaviorfunction，SBF)設計出發，總結出了基于SBF的固體發動機設計知識模型;天津大學的宋欣［7］從產品設計知識的不同層次構建出“需求分析知識模型-領域知識模型-過程知識模型”的3層結構知識模型。

由此可見，當下的知識模型研究與領域密切相關，針對不同的領域應用問題可以構建不同的知識模型，但缺少一種適用于整個工程應用領域的知識模型。

2 導彈設計知識分析

一般認為設計知識指可以用于產品設計與決策的各種高價值信息的集合［8］，本文中定義導彈設計知識(design knowledge of missile，DKM)指能夠描述導彈設計領域對象的特征、內在關系及實現過程的事實、原則、模式與經驗的集合，在實際工程應用中，專家的設計經驗、見解，歷史設計結果，設計參量，設計約束條件，導彈設計模型，導彈設計評價等都屬于導彈設計知識的范疇，導彈設計知識作用范圍涵蓋導彈設計的各個環節。

一個系統的設計知識都是對本系統設計活動的系統描述［9］，其包括設計流程、設計理論、求解方法、設計評價等內容。所以從設計知識內容的角度出發，本文將導彈設計知識分為:設計基本知識，設計專業知識和設計協同知識，其中又根據知識的內涵將設計協同知識分為設計過程知識，設計約束知識。這幾類知識的說明如下:

(1)設計基本知識(basic knowledge，BK)

包括導彈設計中要依靠的基本理論、導彈設計手冊和導彈的基本知識，如導彈布局描述、導彈的幾何特征、材料等，還包括對該部分的設計評價準則等知識。

(2)設計專業知識(professional knowledge，PK)

指用于指導導彈設計某專業領域所需的知識，包括某具體設計問題的求解模型，即解決設計問題的具體實現方法、手段等。

(3)設計協同知識(collaboration knowledge，CK)

導彈設計是一個多學科協同設計、交互設計的過程，在導彈設計中就需要考慮學科間的約束關系及各學科模塊的設計邏輯，其中:

1)設計約束知識(restriction knowledge，RK)

設計往往是一個多學科多領域協同的過程，協同設計涉及學科、領域間的約束、耦合等知識。包括耦合參量、子功能間影響的定性描述等。

2)設計過程知識(process knowledge，PK)

指描述解決導彈設計問題過程的知識，包括導彈設計流程、設計步驟、設計技術路線和設計方法選擇、資源配置、設計任務分解等。

所以，導彈設計知識內容組成如圖1所示。

3 導彈設計知識表示

對已有導彈設計知識進行合理抽取、組織和管理，有效重用以往設計知識用于新的設計，是基于知識工程設計方法優越性的重要體現。知識表示［10］研究知識的組織及知識的形式化，是基于知識工程設計方法實現的前提。而現有知識表示方法多種多樣，在具體的知識應用時，需依據相關知識的特點，便于知識推理及支持知識方便地更新來選擇合適的知識表示方法［11］。針對導彈設計知識的特點，本文設計了一種知識表示評價方法，可有效支撐知識表示方法的合理選擇，進而研究導彈設計知識的表示。

3.1 知識表示方法評價

知識表示是對知識進行處理，以達到計算機可處理的目的。所以對知識表示方法評價也應該從面向知識和面向實現這2方面出發。具體來說，對一類知識表示方法的評價需要考慮該方法的表達全面性和自然性，以及各自適應的知識類型;從實現角度來說，知識表示方法的模塊性、編碼實現的難易程度、支持推理的程度及自組織性等都是知識表示方法評價所要考慮的因素。

此外，評價一類知識表示方法的優劣還應考慮當下該知識表示方法被使用的頻度。

在這些評價標準下對常用知識表示方法進行評價，如表1所示。

這樣，利用以上的評價標準就可為各類知識尋找合適的知識表示方法提供依據。

3.2 設計基本知識表示

導彈設計基本知識主要用以說明研究對象是什么及其怎樣的說明性信息。在具體應用中，它的作用主要體現在與研究對象的結合過程中，其可用于輔助實現知識搜索、匹配、融合和推理。

對于設計基本知識，利用3.1節中的知識評價信息，比較得出利用一階謂詞邏輯進行表示比較合適。一階謂詞邏輯的表示形式為:＜一階謂詞邏輯＞::=＜量詞＞＜謂詞公式＞＜連接符＞＜謂詞公式＞。如對于導彈的氣動設計，對于一些準確度特征，定義Precision(x，v)表示指標x的精度為v。這樣就有:

Precision(X，v1)∨Precision(Y，v1)∨Precision(Mx，v1)…

3.3 設計專業知識表示

圖1 導彈設計知識組成Fig.1 Content of missile design knowledge

對于導彈設計專業知識，由于該類知識涵蓋范圍廣，故而按照其知識結構的不同將其分為設計規則型專業知識和設計解析型專業知識，下面本文具體介紹以上2類設計專業知識的表示方式。設計規則型專業知識指具有因果關聯的原理性知識，包括一些公理、算法等，本文采用產生式規則對其進行表示，其形式為＜規則＞::=if＜前件＞，then＜后件＞。比如，在氣動外形設計中，其知識表現形式為規則，一條規則知識為:

If〈導彈選擇鴨式布局〉then〈導彈的舵面應該安排在彈翼前面〉

設計解析型專業知識指通過解析式的形式表現出來的專業知識，包括計算公式、函數及一些算法。本文選擇框架來對這類知識進行表示。框架是關于一個對象或概念的一類數據結構，其有槽、側面及側面值組成。這樣就可以對解析型專業知識的名稱、實現方法、所依賴的計算引擎及輸入輸出進行有效表示。以此也可以有效提供設計解析型專業知識的搜索和重用，并且利用一些優化算法還可支持這類知識的自學習。導彈設計中一條框架知識如下:

3.4 設計協同知識表示

導彈設計協同知識指把解決工程應用問題的過程及約束描述出來，可以稱為解題知識的過程性表示，其本身是不能解決任何工程領域問題的，只有與其他知識結合才有意義。導彈設計的應用流程、解決問題的步驟就是典型的協同知識，其具有順序性、交互性、時間性及并行性的特點。

當前對過程性知識的表示有很多方法，其中較典型的有設計結構矩陣法、關鍵路徑法、Petri網絡法和面向對象方法等，這些方法都各有優缺點［12］。本文中采用Petri網的方法對導彈協同知識進行表示，具體來說，對于導彈氣動設計流程這樣一類設計協同知識，其可表示為圖2。

圖2 氣動分系統設計協同知識Fig.2 Collaborative knowledge of pneumatic sub-system

圖2中，P1，P2，P3，P4，P5 分別對應流程中各模塊的設計階段，如P2表示氣動外形設計階段，而對于變遷規則，Ip1表示氣動外形設計輸入參數完整，Ip2表示氣動計算輸入參數完整，Ip3表示氣動布局評估輸入參數完整，C1表示滿足布局評估要求。這樣，在Petri圖中，庫所中資源滿足變遷條件則遷移到下一個庫所，如不滿足則還停留在當前庫所。

表1 常用知識表示方法評價Table 1 Evaluation of knowledge representation method

4 基于統一描述框架的本體化導彈設計知識模型

4.1 導彈設計知識統一描述框架

對于第3節得到的導彈設計領域的各類異構知識，在基于知識的應用中就會遇到如下問題:①跨領域間的異構設計知識交流共享難以進行;②各類異構知識不能共享推理機，聯合推理困難;③各類異構知識缺乏統一組織形式，使得知識管理混亂，從而不能有效使用這些知識。這樣，如何使這些異構的知識得到統一的組織和一致性表達以有效支持知識的共享、重用、管理及其他知識應用，就需要研究這些知識的統一描述機制。

導彈設計知識統一描述框架是導彈設計知識共享、重用和知識應用的基礎，導彈設計知識統一描述框架界定了導彈設計知識的范圍和其所應具備的基本特征，使得我們可以將各種異構復雜知識通過特征進行共享和處理。定義統一描述框架如圖3所示。

在該描述框架中，首先定義3個知識要素:標識信息、知識元信息和聯結用以建立復雜系統領域知識的元知識。而后在頂層知識中定義出知識基元(knowledge element)和知識構件(knowledge component)。其中知識基元是最小粒度的知識(對應于一條具體知識)，封裝了復雜系統工程領域各類知識的屬性和操作;知識構件由較小粒度的知識基元或知識構件構成，通過聯結組織起來，這里的聯結可認為是一類過程性信息。知識基元和知識構件的實例化就成為實例知識，實例知識由于粒度的大小又可成為模塊部件知識，學科專業領域知識等。

這樣，能夠解決完整復雜系統問題的知識就可以通過知識基元和知識構件的層層組合構造出來，如圖4所示。

圖3 導彈設計知識統一描述框架Fig.3 Unified description framework for missile design knowledge

圖4 復雜系統知識構成Fig.4 Component of complex system knowledge

元知識層定義了導彈設計知識的3個知識要素，定義為:

(1)MKnowledge=::= ＜IDInfo，KmInfo，Coupling＞

其中，IDInfo::= ＜ Name，Type，Domain，Description＞，表示知識基元的標識信息，用于描述知識基元的含義及類型。其中，Name表示知識名稱，Type表示類型，Domain表示所屬領域，Description表示簡要描述。

(2)KmInfo:= ＜ConditionInfo，ResultInfo Use-Manner＞

表示知識元信息，用于描述知識基元的主要組成內容。其中ConditionInfo即前提條件用于描述使用知識基元所需要的前提條件，ResultInfo即結果信息用于描述使用知識基元的能夠產生的結果，Use-Manner即知識基元使用方式。

(3)Coupling::= ＜Relation，Restriction＞

表示聯結，用于描述知識基元及知識構件間的交互關系及約束信息。其中Relation表示知識間的交互關系，Restriction表示知識間的約束信息。

頂層知識描述了最小粒度及次小粒度知識:知識基元和知識構件。

KE::=＜IDInfo，KmInfo＞表示知識基元，是各類異構知識體的最小組成單位，實際應用中其對應于一條形式化知識，如一條規則知識可以是一個知識基元，一條神經網絡知識也可以是一個知識基元。

知識基元通過“有意義的鏈接(關系和約束)”組織起來，構成組合成為知識構件。此外知識構件與知識構件、知識基元也可組合起來成為較復雜的知識構件，用以解決較復雜的問題。故而知識構件定義為:KC::=＜KE/KC，Coupling＞。

4.2 導彈設計知識本體化建模

知識模型是用來整理并規范化解決應用問題的知識的，故而它是依照知識描述規范框架來定義和建立的。本體通過提供通用的概念和關系，能夠有效實現知識模型內各層資源的統一描述和靈活配置，并能夠將相互獨立的模型層次密切地聯系在一起，并且對于需要交換信息、共享信息的包含著復雜異構知識的系統來說，領域本體的建立將有助于消除概念和術語上的分歧，對領域內的概念理解達成共識，故而本文利用本體來構建復雜系統領域知識模型。

導彈設計知識本體化模型將描述導彈設計的概念、關系等知識關聯起來，實現解決導彈設計問題知識的總結和規范化處理。導彈設計知識模型如圖5所示。

導彈設計知識模型同樣為2層結構，分別為導彈設計頂層知識本體層和導彈設計領域知識本體層。模型上層是導彈設計頂層知識本體層，這層中主要描述了構成導彈設計知識模型的基本建模單元:導彈設計知識基元和導彈設計知識構件。這些基本建模單元同樣由統一描述框架中的知識要素組成。并且導彈設計知識本體給出了知識基本建模單元所涉及的概念及其之間的關系，從而實現了導彈設計知識模型的頂層規范。頂層知識本體模型如圖6所示。

模型下層為領域知識本體層，主要指某具體導彈設計知識模型，其包含了導彈設計各層級的設計知識。該層知識模型由上層定義的知識建模基本單元組合而成。此外，實例層也是導彈設計知識本體共享、重用的具體實現層。該層中會用到通用概念或者特定專業知識本體中的概念。

這樣通過以上規范化的知識建模，就能有效將導彈設計知識規范化和模塊化，從而有效支持基于知識的導彈設計。

4.3 各類知識在本體化模型下的映射

對于每一條形式化知識(規則、神經網絡、框架知識等)，其都能夠利用基本知識建模基本單元——知識基元來表示。而某一領域的知識體系能夠通過不同粒度的知識建模單元組成。

對于導彈設計知識，利用本文中研究的本體化知識模型可對其建模形成相應的知識模型。這樣對于一條設計基本知識(一階謂詞邏輯表示):PInPara(Ma，vm)∨PInPara(H，vh)∨PInPara(α，va)…，其本體化模型如圖7所示。

對于其他形式的設計知識，其本體化模型也如上形式構建。對于一個復雜知識體，如解決氣動計算的知識，其包括氣動力計算模型知識、空氣動力矩計算模型知識、氣動力計算流程和氣動力計算基本知識這樣的知識基元。這樣按照本體化模型構建出該知識構件的統一描述模型如圖8所示。

5 應用示例

本文在“某導彈設計”項目背景下，以導彈設計知識中的氣動學科設計知識建模為例，進行了本文中方法的應用。

首先，利用知識獲取模板得到原始知識，知識模板如圖9所示。

圖9 導彈氣動設計知識獲取模板Fig.9 Knowledge acquisition template for pneumatic design knowledge

而后將獲取的知識，利用第3節對應的知識表示方法進行表示，其中，設計輸入、輸出為設計基本知識，設計內容描述為設計專業知識，其余部分為設計協同知識。然后通過4.3節的內容將這些形式化的知識轉化為本體化知識模型。

接著建立氣動學科設計知識本體。將上述得到的知識輸入protégé 3.3.1中建立知識本體，其界面如圖10所示。

其中，對于一條氣動設計基本知識(一階謂詞邏輯表示):PInPara(Ma，vm)∨PInPara(H，vh)∨PInPara(α，va)…，其進行統一建模得到知識本體如圖11所示。

圖10 導彈氣動學科設計知識本體建模Fig.10 Modeling of design knowledge ontology in pneumatic domain

圖11 氣動設計基本知識統一建模Fig.11 Unified modeling of pneumatic basic knowledge

構建出導彈氣動專業學科設計知識本體后，利用protégé 3.3.1的Ontoviz工具生成其設計知識組成圖如圖12所示。

完成氣動學科設計知識的統一建模后，生成知識本體文件pneu.owl。將統一建模得到的知識本體文件存入知識庫中，可供導彈設計師查詢和調閱。

圖12 導彈氣動學科設計知識組成層次圖(局部截圖)Fig.12 Hierarchical structure chart of pneumatic design knowledge(part)

6 結束語

本文闡述了一種面向導彈設計知識的統一描述框架和基于這種統一描述框架的本體化模型，該模型能有對各類異構知識進行統一組織和一致性表達，并且有效支撐導彈設計知識共享、重用和知識推理等知識應用。文章最后通過一個應用示例驗證了本文研究成果的有效性。

下一步的工作包括:

(1)進一步研究各類異構知識的統一表示技術，基于知識內涵的知識表示方法還有待研究。

(2)進一步完善本體化知識模型，考慮知識集成中存在的“知識組合爆炸”問題。

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