面向復雜機械產品的可拓本體模型構建研究*

王體春，方磊磊，童昌圣

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210000)

0 引 言

復雜機械產品中存在著大量的知識信息，并且圍繞知識進行聚類、共享、應用和創(chuàng)新，是典型的知識密集型工作[1]，因此，對復雜機械產品進行有效的知識表達將具有十分重要的意義。

然而已有的知識建模方法存在許多問題：語義網絡表示法表達范圍有限，僅僅限定在過程知識當中[2]；框架表示法對機械產品的適應性不強，可能產生多義性[3]。因此，傳統(tǒng)建模方法對復雜機械產品的表示有著局限性。

本體作為一種能在語義和知識層次上描述知識系統(tǒng)的建模工具，可以較好地對復雜機械產品進行知識表示[4]。王力等[5]提出了一種復雜產品設計知識本體的構建方法，并構建出了產品設計知識表示模型，提高了知識共享和重用效率；FENSEL D[6]將本體應用于電子商務中，有效地提高了知識的使用效率；ZHAO X等人[7]將本體應用于非洲的旅游業(yè)當中，建立了非洲旅游知識庫；GUAN H等人[8]將領域本體應用于中醫(yī)當中，建立了穴位和針灸方法的相關語義網絡；CHEN Y等[9]將本體論進行了改進，引入了中間概念，使得新的知識模型表述更明確完整；RAO R等人[10]開發(fā)了公共衛(wèi)生方面的醫(yī)療本體知識庫，將公共衛(wèi)生方面的數(shù)據(jù)集成，并且進行了推理；ADADI A[11]將本體引入到電子政務的使用中，結合人工智能技術建立了一個電子政務平臺。

復雜機械產品涉及到的領域知識較多，現(xiàn)有的本體建模可以應用于復雜機械產品的設計過程中，但是經典本體模型對復雜機械產品的知識表示不夠完善，且拓展性較差，同時缺乏矛盾問題的解決方案，因此需要添加可拓理論，形成可拓本體。

目前，關于可拓本體方面的研究剛剛處于起步階段。楊國為教授[12]提出了可拓本體的初步定義及性質，同時也改進了TRIZ的矛盾參數(shù)和矛盾解決矩陣；陳敏[13]在楊國為教授的基礎上對可拓本體的進行了深入的研究，并且應用至智能和諧CACD系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)的延展性更好，矛盾問題較少；梁小蕾[14]將可拓本體模型應用在客戶價值評估中，提高了客戶價值評估的準確度；何平[15]深入研究了可拓模型的本體進化理論，提出了一種可拓本體的知識進化模型。

然而到目前為止，可拓本體模型缺乏建立的指導原則，沒有一套完備的可拓本體構建流程，對概念間可拓關系的表述不夠準確，需要進一步對可拓本體進行深入的研究。

筆者將可拓理論[16-18]與本體論相融合，從可拓本體概念、可拓本體定義、可拓本體建立公理和原則、模型實施步驟等方面，對可拓本體進行進一步的分析。

1 可拓本體相關概念及定義

定義1：可拓本體概念集。

可拓本體概念集使用C進行表示，本體中的類需要使用具體的概念來描述。經典本體描述是抽象化、半結構化的，遇到矛盾問題之后無法順利地延伸解決，而可拓本體中的概念可進行詳細描述，即：

C={CO,CR,CH,CG}

(1)

式中：C—可拓本體的類或概念集；CO—可拓本體的本體概念集；CR—該本體的可拓物元模型；CH—可拓本體概念集中的可拓事元模型；CG—可拓本體概念集中的可拓關系元模型。

使用物元、事元、關系元理論對可拓本體進行描述，可以使得本體的描述更加準確、完善，且拓展性更好。

定義2：本體關系集。

本體關系集使用Ro進行表示，用來表示可拓本體中的本體關系。本體間所使用的關系主要包含5種，分別為part of、kind of、attribute of、instance of和relating。本體的關系集表達式為：

Ro=Rp∪Rk∪Ra∪Ri∪Rr

(2)

式中：Ro—本體的關系集；Rp—part of關系集；Rk—kind of關系集；Ra—attribute of關系集；Ri—instance of關系集；Rr—relating of關系集。

本體關系集及用法如表1所示。

表1 本體關系集及用法

定義3：可拓關系集。

可拓關系集使用Re來表示。可拓關系集包含相關關系、蘊涵關系、矛盾關系、聚合關系等。此處主要考慮其共軛關系集，即可拓中的虛實、軟硬、潛顯、負正等可拓關系集。其中，包含關系為reality of、virtual of、hard of、soft of、appear、latent、positive of、 negative of。可拓關系集能夠使用數(shù)學模型進行描述，如下式所示：

Re=re(Re)⊕vi(Re)=hr(Re)⊕sf(Re)=
ap(Re)⊕lt(Re)=ps(Re)⊕ng(Re)

(3)

式中：re(Re)—概念CR的實部；vi(Re)—概念CR—虛部；hr(Re)—硬部；sf(Re)—軟部；ap(Re)—顯部；lt(Re)—潛部；ps(Re)—正部；ng(Re)—負部。

定義4：本體屬性集。

本體屬性集使用Ao進行表示，用于描述可拓本體中類和本體關系的屬性信息。

定義5：可拓關系屬性集。

可拓關系屬性集使用Ae進行表示，用于描述關于可拓關系中虛實、軟硬、潛顯、負正等可拓關系以及矛盾問題的屬性。

定義6：可拓本體公理集。

可拓本體公理集使用X進行表示，該可拓本體公理集既包含經典的本體公理，也包含可拓公理，即包含解決矛盾問題的公理。

定義7：可拓本體概念層次集。

可拓本體概念層次集使用H進行表示，用來描述不同概念之間的層次關系，表示子概念和父概念之間的關系層次，可以層次化組織起來，提高效率。

定義8：可拓本體函數(shù)集。

可拓本體函數(shù)集使用F進行表示，可拓本體函數(shù)集可以將可拓本體中的各種概念映射到相應的權值。

定義9：可拓本體實例集。

可拓本體實例集使用I進行表示，表示可拓本體模型中的實例。

2 可拓本體構建原則與定理

2.1 可拓本體構建原則

為了能夠有效地建立復雜機械產品的可拓本體模型，并使其具有較低的冗余度、明確的概念間關系和知識表達一致性，以解決復雜的設計問題，此處建立可拓本體構建的相關基本原則：

(1)關聯(lián)關系原則。

如果存在兩個獨立的類C1和C2，且C1的實例x與C2的實例y之間有著固定的關系時，這兩個獨立的類C1和C2之間存在關聯(lián)關系。關聯(lián)關系分為許多種，一般主要是單向、雙向及多向關聯(lián)，除此之外也有繼承、依賴和聚合等關聯(lián)關系；在可拓本體中最常使用的關聯(lián)關系為繼承關系。

除了關聯(lián)關系之外也有相離關系，對于兩個任意的類C1和C2，假如不存在實例x，同時為C1和C2實例，這樣就可以認為C1和C2是相離的。可拓本體關聯(lián)關系原則使得可拓本體建立過程中類間關系更加清晰明了，將不同概念間的關聯(lián)關系進行區(qū)分，遵循關聯(lián)關系原則可以有效地降低工作量。

可拓本體關聯(lián)關系如表2所示。

表2 可拓本體關聯(lián)關系

(2)本質屬性原則。

可拓本體中，屬性集Ao和Ae被用來描述不同種類的屬性，本體自身的屬性使用Ao進行描述，Ae用來描述本體間矛盾問題以及虛實、軟硬、潛顯等可拓相關關系的屬性。

其中，概念的本質屬性決定了可拓本體中不同概念的本質區(qū)別，非本質屬性則不足以判定兩個概念的本質區(qū)別。同時，淺層次的概念通常用來反映對象的非本質的特有屬性，可拓本體中常采用深層次的概念反映事物的本質屬性，即使用科學概念反映本質屬性。本質屬性原則可以明確地對概念進行區(qū)分，降低可拓本體中知識的冗余度，同時可以有效避免知識的混亂性。通過物體中本質屬性及非本質屬性的區(qū)別和變換，可使得可拓本體具有較好的拓展性。

(3)一致性原則。

可拓本體建立過程中應遵循一致性原則，即對可拓本體OE中任意時期的同一知識進行拓展或修改時，最終的表示形式應該保持一致，在進行可拓變換時也要注意變換的一致性。

2.2 可拓本體定理

為了使得復雜機械產品可拓本體模型能夠具有較少的矛盾問題、較好的延展性，需要建立可拓本體構建的相關定理。可拓本體是在可拓理論和本體論的基礎上建立的，因此具有兩者的特性。

可拓本體定理如下所示：

(1)關聯(lián)定理。

對于目前已有的本體O而言，使用可拓本體定義及原則可以將現(xiàn)有的本體拓展出一個甚至多個與之相關的可拓本體OE。這些拓展出的可拓本體都與原本的本體O之間存在關聯(lián)，具體表現(xiàn)為可拓本體OE中類、本體關系、可拓關系、屬性、可拓屬性、可拓公理和概念層次，都與本體O有著密切的聯(lián)系。

(2)拓展定理。

對于現(xiàn)有的本體O，通過可拓本體定義重新建立后，所產生的可拓本體OE應與原本的本體O之間的本質屬性一致，即使用科學概念對其非本質屬性進行拓展。

(3)約束定理。

現(xiàn)有本體O中所適用的公理集在可拓本體OE中一定適用，可拓本體OE中的可拓公理集中對概念和可拓關系的約束，應按照相關可拓理論體系進行指導。

(4)矛盾問題定理。

對本體O進行可拓本體定義的過程中應注意知識間的矛盾問題，以便生成的可拓本體OE含有盡量少的矛盾問題。

可拓本體實例集使用I進行表示，表示可拓本體模型中的實例。

3 可拓本體模型及其實現(xiàn)步驟

根據(jù)上述的相關概念、定義，復雜機械產品的可拓本體模型一般可以表述如下：

OE:{C,Ro,Re,Ao,Ae,X,H,F,I}

(4)

式中：OE—可拓本體；C—可拓本體中的類或概念；Ro—可拓本體中本體間的關系集；Re—可拓本體中的可拓關系集；Ao—可拓本體中本體的屬性集；Ae—可拓本體中可拓關系集的屬性集；X—可拓公理集；H—可拓本體的概念層次關系；F—可拓本體中的函數(shù)集；I—可拓本體的實例集。

由于復雜機械產品知識建模的復雜性，可拓本體模型的建立需要遵循相應的框架和實現(xiàn)步驟。

復雜機械產品可拓本體模型構建的一般框架組成為：首先確定機械產品的可拓本體需求分析，考慮可拓本體的領域和范圍，明確其重點概念和重點術語，隨后建立復雜機械產品可拓本體框架，定理可拓本體類間關系，最后創(chuàng)建實例。

可拓本體構建流程圖如圖1所示。

圖1 可拓本體構建流程圖

復雜機械產品可拓本體的實現(xiàn)步驟如下：

(1)可拓本體需求分析。

首先確認復雜機械產品中需要建立什么樣的可拓本體，建立的可拓本體應該面向什么樣的領域，構建的目標是什么等；

(2)可拓本體領域和范圍的確定。

明確復雜機械產品可拓本體所需求的領域、目的和作用，以及該可拓本體開發(fā)、維護和應用的對象；

(3)確定可拓本體中的重點概念和術語。

盡可能多地列舉復雜機械產品的相關概念，此時只需要考慮復雜機械產品需要解釋或者聲明的方面，不需要考慮這些概念之間是否存在矛盾以及知識冗余度等問題，及這些類或概念的表達方式；

(4)可拓本體框架建立。

按照產品領域間關系來劃分相關領域，對不同領域內的概念進行分類；通過關聯(lián)關系原則，將同種類的概念放置到同一個領域內，并按照重點程度，選出重要的概念，去除不重要的概念，形成一個精簡且準確的領域知識框架體系。

如果存在現(xiàn)有本體，可以對這些本體概念添加可拓關系、屬性及可拓公理進行重用，若存在現(xiàn)有的可拓本體，則直接重用；

(5)可拓本體層次關系、屬性及公理庫定義。

在同一領域內部之間的概念存在相關關系，不同領域之間的概念也可以有相關關系，這些關系需要準確定義；對于類、類的屬性都要重點定義，并且要設定類的實例。

設定類以及類的層次關系：在領域本體的許多概念中，有相當多的概念都屬于類。可拓本體對于類的層次定義主要使用混合法，先創(chuàng)建簡單概念，然后分別向上以及向下處理；類以及類間層次關系確定應遵循關聯(lián)關系原則。

定義類的屬性：在類及概念確定后，需要對這些類的結構進行分析。由于概念庫中重點概念已經確定并被定義，概念庫中剩余的大部分概念都應該為描述這些類的屬性，使用這些概念對類進行準確定義時，應注意類間關系。

定義屬性庫：屬性庫中存儲的是可拓本體中概念的屬性，此時可拓本體概念可以采用數(shù)值或者一整個類進行描述；將屬性值定義為一個屬性類，通過屬性來決定取值類型、值的個數(shù)或者是其余的取值特征，并對該屬性類進行建庫處理。

定義公理庫：在定義好了類、概念、屬性之后建立可拓公理庫。按照定理(3)中所要求深刻地分析可拓本體的公理，并用一階語言形式進行描述；

(6)創(chuàng)建實例。

創(chuàng)建類及概念中的實例，選擇相對應的類及概念并且創(chuàng)建該類的實例集；

(7)可拓本體模型評估。

應遵循關聯(lián)關系原則、本質屬性原則和一致性原則，同時也需要按照關聯(lián)定理、約束定理、拓展定理和矛盾問題定理，對復雜機械產品可拓本體進行校驗；應對概念間關聯(lián)關系和約束進行檢查，同時檢驗可拓本體的實際應用情況，從而確認該可拓本體的建立是否正確，是否是需要的；盡量滿足清晰性、一致性及可拓展性，含有較少的冗余數(shù)據(jù)；

(8)可拓本體儲存。

選擇合適的本體語言，對建立的復雜機械產品可拓本體進行編碼、形式化，最后集成相關可拓本體。如果存在現(xiàn)有的可拓本體集成庫，那么就引用至該復雜機械產品可拓本體中，增強該復雜機械產品的交互性，以方便可拓本體模型自動進行邏輯推理及檢驗。

4 案例

筆者以某型號直升機產品設計知識建模為例，對可拓本體模型的實施過程進行論述。

直升機是一種復雜的機械產品系統(tǒng)，由多個部件組成，因此在建模的過程當中，也應考慮產品設計的知識。由于篇幅的限制，筆者選取某型號直升機的關鍵部件及參數(shù)進行分析，此處選取其旋翼系統(tǒng)進行分析。

旋翼系統(tǒng)概念主要包括部件、參數(shù)和設計特點等概念。某型號直升機的旋翼系統(tǒng)部件概念主要包含旋翼、旋翼槳葉、左側短翼和右側短翼等。參數(shù)概念主要包括槳尖參數(shù)、旋翼參數(shù)、槳葉參數(shù)等。該旋翼設計的特點概念包括玻璃鋼多梁式不銹鋼前段、玻璃鋼蒙皮的蜂窩夾芯后段、4片槳葉全鉸接等等。

基于以上部件、參數(shù)、設計特點等方面匯總，可以得到直升機的知識結構圖，如圖2所示。

圖2 直升機的知識結構圖(部分)

在概念知識表述方面，經典本體無法對復雜機械產品中的相關理論行為性概念進行表述，而可拓本體可以通過可拓本體概念集定義中的要求，對理論行為性概念進行表述，即使用可拓基元理論對理論行為性概念進行表示。

可拓物元模型可以較好地實現(xiàn)對直升機相關的類及概念的描述。可拓事元理論中，包含該型號直升機參與重大事件的相關知識，可拓關系元理論中包含該直升機與其改裝機的關系知識。

在此基礎上，筆者使用可拓本體概念集定義對該型號直升機的知識表示進行表示，即：

(5)

接下來需定義直升機可拓本體的概念及概念之間的關系。此處主要由本質屬性原則、本體關系集定義以及可拓關系集定義，來對概念間關系進行確定。

某型號直升機中的本體關系集的創(chuàng)建，應嚴格按照本體關系集定理。按照表1的part of、kind of、attribute of等本體關系，針對不同部件概念進行本體關系定義。

機體、主槳、起落架、動力裝置等部件屬于直升機的一部分，此時直升機和其部件系統(tǒng)的關系應使用part of關系，如圖3所示。

圖3 直升機part of關系知識結構圖

直升機本體關系同樣包含kind of關系集。以直升機旋翼、旋翼漿轂和尾槳為例，直升機旋翼包括鉸接式旋翼、半鉸接式旋翼、無鉸式旋翼和無軸承式旋翼等；旋翼漿轂包括鉸接式漿轂、揮舞鉸、半剛性漿轂等等，尾槳又分為鉸接式尾槳、翹板式尾槳、無軸承式尾槳等。

直升機旋翼漿轂kind of關系知識結構圖如圖4所示。

圖4 直升機旋翼漿轂kind of關系知識結構圖

對于某型號直升機可拓本體中attribute of的關系集，代表著直升機部件及其屬性之間的關系，如圖5所示。

圖5 直升機旋翼系統(tǒng)attribute of關系知識結構圖

直升機可拓本體中的instance of關系集，列舉出了某型號直升機及其改裝型號實例。直升機可拓本體的relating of關系集，也主要儲存了這些直升機實例的關系，在此不再贅述。

直升機可拓本體中，也包含可拓關系集，表2和可拓關系集定義將可拓關系分為reality of、virtual of、hard of、soft of、appear、latent、positive of、 negative of等，對直升機可拓本體的知識進行可拓關系定義。

對于某型號直升機可拓本體，不同的概念間需要使用不同的可拓關系集。針對直升機可拓本體的直升機總空間而言，以某型號直升機機身為實部，內部空間為虛部，此時可拓關系如下所示：

(6)

對直升機可拓本體進行研究時，不能僅僅研究其組成部件，也需要研究其內外關系。對于一架故障的直升機，若其各個部件都是完好無損的，但是無法運轉，只是由于其點火裝置接觸不良或者連接線斷裂。進行可拓本體建模應注意直升機軟硬關系，如下所示：

(7)

在直升機可拓本體建立過程中，也應考慮知識的淺顯關系。對于報廢的某型號直升機而言，其中存在某些零件可用，則其可拓關系如下所示：

(8)

直升機可拓本體建立同時，也應該充分考慮各知識的負正關系，方便后續(xù)知識使用時，可以有效地通過可拓變換將正、負關系轉化，得到自己想要的結果。對于某型號直升機而言，一方面該型號直升機參與多次搜救運輸?shù)热蝿眨且矃⒓舆^戰(zhàn)爭，則其負正關系表示為：

(9)

在直升機相關概念的可拓關系和本體關系確定后，需要確定直升機的類間層次關系，同時要遵守關聯(lián)關系原則的要求。先確定直升機的類型、名稱、部件、參數(shù)等術語進而向下細化，再取其中相對重要的知識術語進行概念泛化，確定不同的直升機可拓本體概念間的層次關系。對于某型號的直升機，先確定其部件、總體參數(shù)、直升機特點和直升機設計等知識，在每個知識下面再次尋找新的知識，例如在部件當中選取尾槳、在直升機特點中選取防護設計的特點等等依次向下選取，再添加剩余子類較少的相關項，參考表3和關聯(lián)關系原則，子類繼承其父類的所有屬性特征，可以有效地減輕工作量，針對子類知識的確定更加簡單明了。

直升機可拓本體的概念層次關系確定以后需要對其屬性進行表述，通過對直升機不同知識屬性的確定來建立直升機可拓本體的屬性庫。在直升機本體關系集中的attribute of關系集中已經包含眾多相關屬性知識，將其添加至屬性庫中。并且將沒有在attribute of關系集中的關系也添加至屬性庫中，如直升機可以垂直起飛，能夠在空中盤旋等屬性。

直升機可拓本體的類、概念、屬性都已經確立，最后需要建立其公理庫，此時要遵循矛盾問題定理來確定直升機相關知識術語的公理情況，并進行描述。

在已經建立好了直升機可拓本體中的類、概念、屬性和公理集之后，需要添加航空發(fā)動機諸多類或概念的實例。該實例集從instance of關系集和剩余相關實例選擇，如除了某型號直升機之外的各國比較有名的直升機實例等。

最后確定與評估直升機的可拓本體建立情況。首先判斷是否滿足可拓本體的關聯(lián)關系原則，本質屬性原則是否滿足關聯(lián)定理、約束定理、拓展定理和矛盾問題定理。從直升機可拓本體任意抽取父類和子類，查看之間是否存在關聯(lián)；從同一本質屬性知識庫中抽取任意兩項知識，查閱是否存在本質屬性不相同的知識；從不同本質屬性庫中隨機抽取知識檢驗是否包含相同的本質屬性。若不滿足關聯(lián)關系原則或本質屬性原則，則將其修改。檢查直升機可拓本體中的知識量是否足夠；在各個關系集、屬性集和實例集中隨機抽取兩個知識，查看是否存在矛盾問題；在直升機可拓本體概念集和實例集中檢查知識是否具有良好的拓展性。通過上述檢查對直升機可拓本體進行確定與評估。

Owl語言是本體建立過程中使用非常廣泛的一門語言，斯坦福大學的protégé軟件可以很好地對直升機的可拓本體進行可視化校驗。

某型號直升機protégé知識結構圖(此處只截取其中部分圖片)如圖6所示。

圖6 某型號直升機protégé知識結構圖(部分)

protégé中，可以表示直升機可拓本體知識中不同的可拓關系或本體關系，其通過不同樣式的線條進行表示。

直升機可拓本體知識結構圖(部分)如圖7所示。

圖7 直升機可拓本體知識結構圖(部分)

基于上述實例可以看出，在直升機可拓本體建模過程中，與經典本體建模存在著對比關系。

經典本體與可拓本體的區(qū)別如表3所示。

表3 經典本體與可拓本體的區(qū)別

由表3可知：相較于經典本體，筆者提出的可拓本體在知識表達、概念明確、關系處理和建模思路等方面表現(xiàn)較好，對于復雜機械產品的知識建模有較好的支持作用，具有可行性、優(yōu)越性。

5 結束語

本文提出了一種面向復雜機械產品知識建模的可拓本體模型，該模型通過在經典的本體模型的基礎上融合可拓理論，對可拓本體概念、定義以及相關定理進行了拓展研究；給出了可拓本體模型建立的相關原則，提出了復雜機械產品可拓本體模型建立的具體實施步驟，實現(xiàn)了復雜機械產品的知識建模。

相較于現(xiàn)有的本體，筆者所給出的可拓本體拓展性更強，對知識的表示更加細致具體，使得復雜機械產品的知識表達更加有效。