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(tuán)公司第五十研究所，上海200000)

1 引言

從20世紀(jì)末到本世紀(jì)初，社會經(jīng)濟(jì)類型正經(jīng)歷著從工業(yè)經(jīng)濟(jì)向知識經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)變，知識正成為生產(chǎn)力要素中最活躍、最重要的部分。工藝知識是制造企業(yè)最重要的知識資本，是在企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)準(zhǔn)備、制造和經(jīng)營管理活動中，貫穿產(chǎn)品全生命周期的與工藝有關(guān)的知識［1］。

面對企業(yè)復(fù)雜多樣的工藝知識，尚缺乏有效的工藝知識庫構(gòu)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(gòu)建方法，并用 OWL(Web Ontology Language)語言［3］對其進(jìn)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(shè)計、制造活動相關(guān)的含有工程意義和基本幾何實(shí)體或信息的集合。這個定義強(qiáng)調(diào)了工藝知識是與設(shè)計活動和制造有關(guān)的幾何實(shí)體，因而是面向設(shè)計和制造的，反映了設(shè)計者和制造者的意圖，不同的工藝知識表達(dá)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(jìn)行更深入的研究，包括語意分析、表示、處理等。考慮到實(shí)際應(yīng)用背景和實(shí)現(xiàn)上的方便性，通過分析機(jī)械產(chǎn)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(guān)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(guān)的信息集合，如材料的名稱、類型、規(guī)格、毛坯狀態(tài)、機(jī)械性能及規(guī)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(shí)現(xiàn)零件互換和評定產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，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(guī)則的信息集合，包括加工方法、零部件配合關(guān)系、裝配關(guān)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(zhǔn)、加工精度要求、切削用量、機(jī)床、刀具等。

3 工藝知識庫構(gòu)建

為了對大量工藝知識的相關(guān)術(shù)語、概念、表示等進(jìn)行正規(guī)、明確的描述，本文基于本體技術(shù)來實(shí)現(xiàn)工藝知識庫的構(gòu)建。

3.1 工藝知識庫本體定義

本體是描述某個領(lǐng)域術(shù)語的數(shù)據(jù)集，能夠在一個較高的平臺上提供知識重用和系統(tǒng)框架，其源于哲學(xué)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(guī)、明確的表述。后來隨著人工智能的發(fā)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(gòu)件來形式化描述一個本體:概念、關(guān)系、函數(shù)、公理和實(shí)例;根據(jù)不同的研究人員對本體概念理解上的差異，具體應(yīng)用領(lǐng)域和開發(fā)環(huán)境的不同，本體的形式化定義也各不相同。根據(jù)本體的定義以及工藝知識庫的特點(diǎn)，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(lǐng)域工藝知識的概念化描述，包括一系列概念及其關(guān)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(shù)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(lǐng)域的關(guān)系集合，如y:subClassOf(x)，表示y是x的一個子類;AR為關(guān)系的屬性集合;H為概念從屬集，表示概念之間的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系;I為實(shí)例集;M是實(shí)例與概念之間的映射關(guān)系集合，該映射集合將每個實(shí)例對應(yīng)到其所屬的概念下，如i∈M(c)表示i是概念c的實(shí)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(dāng)cq是cp的子類或子概念時，(cq，cp)∈H，且h=1;R集合中每個關(guān)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(gòu)建

目前各個領(lǐng)域?qū)Ρ倔w已有一定研究，從工程角度來講本體工程的構(gòu)建到目前仍處在不成熟的階段，還沒有一個標(biāo)準(zhǔn)的本體構(gòu)造方法。目前公認(rèn)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(yè)建模方法TOVE，Mariano Fernandez和GOME-PEREZ等人的METUINTOLOGY方法，以及斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院開發(fā)的“七步法”，主要用于領(lǐng)域本體的構(gòu)建。眾多研究已經(jīng)證明，本體建模方法缺乏成熟的工程方法論指導(dǎo)，只有適合自身項目的方法。

工藝知識領(lǐng)域本體的建立過程是從機(jī)械工藝領(lǐng)域知識中總結(jié)和抽取領(lǐng)域概念、關(guān)系、屬性，并以一定的形式存儲到計算機(jī)的過程。步驟如下:

(1)根據(jù)機(jī)械工藝領(lǐng)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(guān)系，形成概念層次結(jié)構(gòu)樹;

(2)根據(jù)概念層次結(jié)構(gòu)樹定義概念之間的關(guān)系，形成關(guān)系庫;定義概念屬性、關(guān)系屬性，形成屬性庫;

(3)定義概念之間的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，形成從屬概念庫。

根據(jù)機(jī)械工藝領(lǐng)域概念集建立概念層次結(jié)構(gòu)樹，如圖1所示。

圖1 概念結(jié)構(gòu)樹

如圖2所示，利用Protege本體建模工具實(shí)現(xiàn)工藝知識庫構(gòu)建。Protege［5］是一個功能非常強(qiáng)大，簡單易用的本體構(gòu)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(jī)械工藝領(lǐng)域本體概念的層次結(jié)構(gòu)、概念屬性及概念之間的關(guān)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(jié)合本體編輯工具進(jìn)行本體編寫過程。

OWL(Web Ontology Language)［3］正在成為本體描述的一種標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)造算子及公理都有相應(yīng)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(shí)體，在定義概念實(shí)體時，可以通過OWL語言中的disjointWith

表達(dá)概念之間彼此互不相交關(guān)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(dá)了材料是一種與熱處理、表面處理等不相交的、獨(dú)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(guān)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(shù)屬性，其取值類型是“XMLSchema#float”。

上述定義表明“is_produced_by”是設(shè)計者的一種屬性，通過該屬性將拓?fù)鋱D與其設(shè)計者進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

4 結(jié)束語

首先對機(jī)械工藝領(lǐng)域的工藝知識進(jìn)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(shù)對機(jī)械工藝領(lǐng)域工藝知識的相關(guān)術(shù)語、概念、表示等進(jìn)行正規(guī)、明確的描述，并構(gòu)建了工藝知識本體庫，最后通過OWL語言對工藝知識庫進(jìn)行描述，為實(shí)現(xiàn)工藝知識重用提供了保障。隨著本體技術(shù)的研究，該方法將得到更進(jìn)一步的發(fā)展。

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

［2］ 鄧志鴻.Ontology研究綜述［J］.北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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，F(xiàn)rance，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.