基于本體的科學效應知識表達和語義推理

張 星，馬建紅，2＋，肖國璽

（1.河北工業大學 計算機科學與軟件學院，天津300401；2.國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心，天津300401）

0 引 言

國內外在面向產品設計領域對于知識表達的研究主要集中在設計知識庫組織模型和知識檢索與重用模型等方面。在效應知識組織和表達方面主要集中于基于功能本體和基于TRIZ理論的知識組織模型等。畢魯雁等提出了基于本體的產品設計知識模型和檢索方法［1］；四川大學提出了基于共指關系的知識檢索模型［2］，在知識檢索方面有了很大改進。國內外一些著名的計算機輔助創新系統，如Invention Machine的Goldfire，CREAXNV－Mlk的CREAX Innovator Suite，億維訊的Pro／Innovator，河北工業大學開發的InventionTool和InventionKnowledgeCloud （IKC）。Goldfire和CREAX 是全英文的，Pro／Innovator支持中英文功能檢索和擴展查詢，但中文擴展查詢能力比較弱，IKC 能實現一定的語義擴展查詢和關聯。然而，這些基于本體的知識表達和組織方法中，不支持輸入輸出之間的推理關聯，難以全面有效地表示知識信息，知識間的關聯和語義擴展方面也存在很大的不足。

本文結合功能本體和自然語言分析研究科學效應知識的表達方式和結構模型，借助本體表達此類知識之間的語義關系，對概念進行提取和分類，并歸納總結概念間屬性和關系，以此構建了科學效應知識本體模型，包括功能本體、流本體、參數本體和效應本體。此基礎上進行語義推理研究，構建語義推理規則進行語義擴展和知識間的關聯，以真正實現在語義層面對科學效應知識的共享和重用。

1 基于本體的科學效應知識表達

目前關于知識表達和知識組織方法的研究來說，主要有框架表達法、產生式表達法、面向對象表達法和基于本體的表達法等，其中基于本體的知識表達越來越受到人們的關注和青睞。本體是一種面向應用和領域知識的整合工具，是某一領域中的概念以及概念間關系的集合，關系反映概念間的約束和聯系。基于本體的知識表達方法能夠保證在共享過程中對于知識理解的一致性和唯一性，并且能夠全面表達知識間復雜的語義關系。通過本體可以解決大量知識之間交互、共享混亂現象，最大限度的實現知識的共享和重用，并且利用本體形式化的知識表示方法可以方便的獲取知識語義信息。因此本體受到越來越多研究者的關注，并在多個領域中得到廣泛的應用。

科學效應是從大量發明專利中分析出的專利產品所實現的功能和用于實現功能的科學原理之間的相關性的基礎上形成的。專利是效應知識庫中效應的主要信息源，效應是滿足一定關系模型的一類知識，描述的是在科學原理和系統屬性的控制下輸入量和輸出量之間的轉換關系，即依據效應規定的輸入輸出量之間的因果關系實現預期的輸入輸出之間的轉換，以實現相應的功能。效應實例是從專利中提取的實現某個功能的具體實例，或者是科學效應在某個領域的具體應用實例。科學效應與效應實例是行為與載體的關系。效應和專利的關系模型如圖1所示。

圖1 效應和專利關系模型

效應本身包含一定的功能，結合科學效應知識在創新設計領域的應用，在本體中通過兩種方式表達功能：一種是利用 “動詞＋名詞”組成動賓短語，將動詞看作一種操作，名詞看作一種對象；另一種是利用物料流、能量流和參數在輸入和輸出前后發生的變化來表達功能。功能實質描述的是在控制量的參與下輸入量與輸出量之間的轉換。輸入量、輸出量和控制量中包含流和參數兩種。流指的是具體的物料或者能量類，參數描述的是流某一方面的屬性，不同的流具有不同的參數，流和參數都屬于名詞類。按照科學效應知識的內涵和之間的關系將其分為效應、實例、功能、流和參數幾類。在本體中通過操作動詞 （verb）、流名詞 （flow noun）或者參數名詞 （parameter noun）的組合來表達功能，定義功能的二元組模型。功能 （function）和名詞 （noun）用公式表示為式 （1）、式 （2）、式 （3）。其中F、V、N、FN、PN 分別表示功能、操作動詞、對象名詞、流名詞和參數名詞

目前已有的功能本體大都是采用以效應為中心，從功能映射到效應再映射到實例的3層結構，只能實現知識之間單向鏈式關聯，無法表示了知識之間多對多的關系。而實際上功能、流以及參數分別從不同方面反映科學效應知識，深入分析研究科學效應知識之間存在的復雜語義關系，根據科學效應知識的分類構建了效應本體、實例本體、流本體、參數本體和功能本體，通過多個本體表達知識之間的語義關系，從而將科學效應知識全部組織和關聯起來，構成一個相互關聯的多層次知識網，從而更加全面的表達科學效應知識。

2 科學效應知識本體模型和推理

2.1 科學效應知識本體概念和屬性關系模型

本體是指共享概念模型的明確的形式化規范說明。科學效應知識本體包括概念類、類之間的屬性和關系，以及一系列與類相關的實例，這些實例組成了本體知識庫。科學效應知識本體模型的五元組形式化定義為：SEKO＝｛C、P、F、I、A｝其中，C 是概念 （concept）的集合，概念也稱為類 （class），類是通過屬性或關系來定義的，是對科學效應知識中個體的抽象，是個體的集合；P 是概念屬性（property）的集合，不同的概念具有不同的屬性，屬性描述的是概念和概念間的關系；F是功能 （function）的集合，包括屬性的定義域值域和自反、傳遞等特性；I是實例（instance）的集合，實例是類的個體；A 是公理 （axiom）的集合，公理代表領域知識中的永真斷言。

科學效應知識主要包括效應、實例、功能、流和參數幾類，本體概念分類如圖2所示。

圖2 科學效應知識本體概念分類

將類間的關系按照層次和結構逐級細化，將效應、實例、功能、流和參數之間的語義關系映射成本體中類的屬性，并確定屬性定義域和值域，以及屬性的自反、對稱和可傳遞等特性，這些屬性是實現推理的基礎。科學效應知識本體概念類間抽象關系模型如圖3所示。

圖3 科學效應知識本體概念類間抽象關系模型

本體中除了4種基本關系，繼承關系、實例關系、整體與部分關系、屬性關系之外，還需要自定義屬性來表示各個類之間特有的語義關系。

本體中的類與類之間的主要屬性關系模型如圖4所示，圖中省略了實例與其它類之間的關系，主要通過屬性描述了效應和功能類與流和參數名詞類之間的關系。

圖4中虛線代表的對象屬性verb＿noun表示動詞與名詞之間的搭配關系，是經過推理得出的。flow＿property和paramerter＿flow 兩個對象屬性，代表流的屬性和參數描述的流兩個關系，可以實現流和參數之間的關聯。屬性input、output、control分別代表效應的輸入量、輸出量和控制量，值域是流和參數名詞類。通過本體中定義的這些屬性可以實現個各類之間的相互關聯和推理。

2.2 基于語義推理規則的功能擴展和效應關聯

圖4 本體中的類與類之間的主要屬性關系模型

在上文構建的科學效應知識本體基礎上，根據類和屬性建立知識之間的推理規則，結合一定的查詢算法可以實現功能的擴展和篩選以及效應之間的串聯、并聯以及控制關聯。通過本體真正實現語義層面的知識表達和基于語義的推理，實現科學效應知識的共享和重用。

根據功能的結構和分類特點確定功能擴展的方法，首先根據功能動詞聚類確定某一類功能，用集合F1表示，然后根據建立的語義推理規則對名詞和功能進行擴展得到功能集合F2，最后再根據集合F2對集合F1中的功能進行篩選，得到功能最終擴展集合F，用公式表示為F＝F1∩F2。功能擴展部分推理規則如下：

其中？n、？f 分別代表名詞變量和功能變量，rule1－rule4是單獨基于流名詞和參數名詞的屬性推理出相關名詞的集合，擴展名詞中還包括基于上下位同位關系擴展的同類名詞。rule5－rule6是基于功能類之間的上下位關系來推理擴展功能。rule7－rule8表示如果兩個功能中的對象名詞相同或者相關，則表示兩個功能相關。rule8中的ex＿noun是由rule1－rule4推理得出的。通過以上推理規則和方法實現對功能的擴展和篩選。

效應之間的關聯是基于效應的輸入、輸出和控制實現的。本體中定義了input、output和control3 個父類屬性，每個父類屬性包含兩個子屬性，如input的兩個子屬性input＿flow 和input＿parameter。部分推理規則如下：

其中？e、？n分別代表效應變量和名詞變量，rule1 和rule2、rule3和rule4分別推理出效應的串聯效應、并聯效應；rule5推理出效應的控制關聯效應。rule1－rule5 都是一級推理規則，rule6是根據屬性的可傳遞性建立的二級推理。關聯效應規則推理機制如圖5所示。圖5中e1代表原始效應，e2都是推理出來的關聯效應。

圖5 關聯效應規則推理機制

3 系統實現

根據上文中的基于本體的科學效應知識表達和語義推理方法，采用Java編程語言和Jena推理機在Eclipse環境中開發并實現了科學效應知識檢索系統，支持多種方式的效應檢索，同時能夠根據輸入輸出等對檢索結果進行二次篩選。圖6通過動詞名詞組成的功能檢測物質來檢索效應，左側展示通過規則擴展出的相關功能，供用戶再次選擇。

圖6 科學效應的功能檢索展示

進一步選擇檢測氣體功能關聯的效應，如電暈放電效應，圖7為此效應的關聯效應結果展示。

圖7 關聯效應結果展示

4 結束語

本文主要針對科學效應知識的特點和應用，研究基于本體的科學效應知識表達和語義推理，借助本體來表達科學效應知識，并將概念間屬性和關系擴展到語義層次上，不同內容的知識彼此關聯起來，構建了科學效應知識本體模型。在該模型的基礎上基于知識之間的語義關系和本體中的對象屬性建立推理規則并進行語義推理，實現了功能的擴展和效應之間的關聯。借助本體來表達和組織科學效應知識，真正從語義層面實現了效應知識的共享和重用。根據語義推理規則得出的擴展功能來檢索效應，實現了效應解空間的發散，同時能提高檢索的查全率和查準率。

科學效應知識本體是語義推理的基礎，其設計的優劣對語義擴展和知識關聯有很大影響。后序工作主要對本體知識結構進行優化處理，并研究基于本體的科學效應知識檢索策略，以更好的利用本體進行語義檢索和擴展。

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