楊 沁，武 珂，唐 偉，衛(wèi)道柱

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

基于本體映射的需求相似度產(chǎn)品配置研究

楊 沁，武 珂，唐 偉，衛(wèi)道柱

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

鑒于客戶域與產(chǎn)品域間的語(yǔ)義溝通障礙，利用本體在語(yǔ)義推理、信息管理方面的優(yōu)勢(shì)提出了基于本體映射的產(chǎn)品配置方法。針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的繼承性、創(chuàng)新性及客戶的個(gè)性化需求，構(gòu)建了客戶需求本體和產(chǎn)品配置實(shí)例本體。通過(guò)本體中概念元素間的相似度計(jì)算，由相似度閥值、本體約束及上下文關(guān)系決定最優(yōu)映射，最終實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化產(chǎn)品的快速、準(zhǔn)確配置，降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的復(fù)雜性。最后，以某轎車的個(gè)性化產(chǎn)品為例說(shuō)明該配置方法的可行性。

產(chǎn)品配置;個(gè)性化產(chǎn)品;相似度

0 引言

目前，不少學(xué)者對(duì)面向客戶定制的個(gè)性化產(chǎn)品配置進(jìn)行了卓有成效的研究，在原有配置方法的基礎(chǔ)上提出了很多新方法，新理論。文獻(xiàn)［1］概述了產(chǎn)品配置知識(shí)研究的發(fā)展歷程，總結(jié)了產(chǎn)品配置研究的最新理論，并做了相應(yīng)比較;文獻(xiàn)［2］基于本體映射面向模糊客戶需求的產(chǎn)品配置研究，提出了客戶模糊需求的解決辦法，通過(guò)建立本體、映射規(guī)則實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的配置;文獻(xiàn)［3］提出了產(chǎn)品族需求類和需求匹配模板的概念，構(gòu)建配置實(shí)例模型，應(yīng)用相似性計(jì)算理論得出配置結(jié)果;文獻(xiàn)［4］在原有產(chǎn)品配置技術(shù)基礎(chǔ)上，提出一種基于本體和規(guī)則的產(chǎn)品配置方法，應(yīng)用粗糙集理論獲取規(guī)則，實(shí)現(xiàn)配置知識(shí)的推理和表達(dá)。本文基于本體映射的方法建立了客戶需求和產(chǎn)品功能間的本體映射模型，通過(guò)客戶需求本體中各概念元素與產(chǎn)品配置本體中概念元素間的相似度及相似閥值最終確定產(chǎn)品的配置方案。

1 本體映射模型

本體是對(duì)某一領(lǐng)域共享知識(shí)的形式化規(guī)范說(shuō)明，為領(lǐng)域內(nèi)的概念知識(shí)表達(dá)提供邏輯描述［5］。通過(guò)構(gòu)建客戶需求本體(Customer Demand Ontology)和產(chǎn)品配置本體(Product Configuration Ontology)，以本體間概念相似度和相關(guān)性的計(jì)算建立映射，設(shè)置配置映射規(guī)則，使其正確理解客戶的個(gè)性化需求，并快速轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品配置模型，實(shí)現(xiàn)客戶需求到產(chǎn)品配置實(shí)例的轉(zhuǎn)換。

采用本體作為客戶域與產(chǎn)品域之間進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換的媒介，建立客戶個(gè)性化需求本體、產(chǎn)品配置本體以及兩者之間的映射來(lái)實(shí)現(xiàn)知識(shí)的轉(zhuǎn)化。本體內(nèi)信息借助這些規(guī)則在不同的本體之間傳遞，達(dá)到不同本體間的互操作，從而配置出滿足客戶需求的產(chǎn)品，如圖1所示。

作為源本體的客戶需求本體和作為目標(biāo)本體的產(chǎn)品配置本體分別建立了客戶對(duì)產(chǎn)品的需求概念實(shí)體及產(chǎn)品本身的構(gòu)件、屬性、資源、上下文關(guān)系、功能、約束等概念實(shí)體［6］，通過(guò)兩者的映射關(guān)系可以得出滿足客戶需求的配置結(jié)果?？蛻粜枨蟊倔w由多種需求類型構(gòu)成，目標(biāo)本體的產(chǎn)品配置本體分為功能層、結(jié)構(gòu)層和部件層。由于兩者描述的目標(biāo)相同，具有一定的語(yǔ)義相關(guān)性，可通過(guò)相應(yīng)的映射規(guī)則［7］來(lái)反映。本體映射步驟如下:

(1)構(gòu)建客戶需求本體和產(chǎn)品配置本體:由領(lǐng)域?qū)＜液褪袌?chǎng)調(diào)查完善其客戶需求域和產(chǎn)品配置域，應(yīng)用相關(guān)本體建模軟件和文本語(yǔ)言構(gòu)建客戶需求本體和產(chǎn)品配置本體。

(2)相似度計(jì)算:根據(jù)客戶提出的產(chǎn)品需求，解析可識(shí)別本體文檔，由相關(guān)理論公式計(jì)算兩本體產(chǎn)品概念、屬性及參數(shù)間的相似值。

(3)映射過(guò)程:由給定的相似度閥值比較相似度計(jì)算值，以滿足條件映射過(guò)程為前提，從而實(shí)現(xiàn)客戶需求層到產(chǎn)品配置層的映射，得出最終的個(gè)性化產(chǎn)品配置結(jié)果。

圖1 本體配置映射模型

2 本體構(gòu)建

2.1 客戶需求本體建模

定義1:客戶需求本體CDO為一個(gè)四元組，即CDO=(Cdom，Ccon，Catt，Cass)，其中 Cdom={客戶需求域}，由用戶需求域中描述產(chǎn)品的概念實(shí)體、概念實(shí)體屬性和概念關(guān)聯(lián)構(gòu)成。

綜合考慮原始決策表的離散化過(guò)程與最終得到的極小決策算法，得到的按路徑2離散化后故障分級(jí)的決策規(guī)則用自然語(yǔ)言可解釋為：當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)a2的量化值處于86～93之間時(shí)，決策對(duì)象應(yīng)劃分為關(guān)鍵故障灰類；當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)a2的量化值處于70～85之間，且評(píng)價(jià)指標(biāo)a3的量化值不低于72時(shí)，決策對(duì)象應(yīng)劃分為主要故障灰類；當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)a2的量化值低于86，且評(píng)價(jià)指標(biāo)a3的量化值低于72時(shí)，決策對(duì)象應(yīng)劃分為次要故障灰類。

Ccon表示概念實(shí)體定義，主要由需求條件、需求對(duì)象和需求內(nèi)容三類概念構(gòu)成，如質(zhì)量、功能、材料、幾何要求等;Catt表示概念屬性，如概念實(shí)體的字符、參數(shù)、數(shù)值屬性等;Cass定義了概念間的相關(guān)性，包括繼承關(guān)系、父子關(guān)系、功能關(guān)系等。

客戶需求本體是源本體，是通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查和領(lǐng)域?qū)＜宜贸瞿愁惍a(chǎn)品的一組相似客戶需求，對(duì)存在相似性的客戶需求進(jìn)行合并和規(guī)范［8］，使其具有代表性和通用性，可描述為:需求名稱、需求類型、需求參數(shù)。需求類型包括功能、外觀、結(jié)構(gòu)、價(jià)格、可靠性等需求。

客戶需求域 Cdom 表示為{F，S，P，E，R}，功能需求域F是客戶對(duì)產(chǎn)品功能方面的要求，如傳動(dòng)功能，承載能力，變速范圍等;結(jié)構(gòu)需求域S包括產(chǎn)品的外觀尺寸、厚度、支撐方式等;性能需求域P表示產(chǎn)品的物理屬性和使用性能，如質(zhì)量、重量、材料、強(qiáng)度等;經(jīng)濟(jì)性需求域E包括價(jià)格、成本;R表示產(chǎn)品使用的可靠性、安全性、使用壽命等，如2圖所示。

圖2 客戶需求本體建模

2.2 產(chǎn)品配置本體建模

定義2:產(chǎn)品配置本體(PCO)是從工程學(xué)的角度描述產(chǎn)品配置知識(shí)中的概念與關(guān)系，也可定義為一個(gè)四元組:PCO=(Pdom，Pcon，Patt，Pass，Pcas)，Pdom={產(chǎn)品配置域}。

產(chǎn)品配置本體是目標(biāo)本體，它由概念實(shí)體、概念屬性、概念相關(guān)性及產(chǎn)品實(shí)例組成;其中Pcon表示配置產(chǎn)品的概念實(shí)體，Patt表示配置產(chǎn)品的概念屬性;Pass表示概念間的相關(guān)關(guān)系，如繼承關(guān)系，子關(guān)系等;Pcas表示一系列的產(chǎn)品配置實(shí)例，由生產(chǎn)企業(yè)提供詳細(xì)產(chǎn)品列表。產(chǎn)品配置本體可由功能層、結(jié)構(gòu)層、零件層構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品配置本體建模

客戶需求本體和產(chǎn)品配置本體可以被看做兩個(gè)概念模型樹結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表某個(gè)概念，相似的概念和節(jié)點(diǎn)分別表示兩個(gè)本體間的同一產(chǎn)品知識(shí)，箭頭表示它們之間的相互關(guān)系和屬性，因此兩個(gè)本體間存在著某種對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 本體相似度計(jì)算和映射過(guò)程

定義3:兩個(gè)本體之間的映射是指在客戶需求本體中的每一個(gè)概念元素都能在配置本體中映射出相似的語(yǔ)義概念。其中，T為映射閥值，T∈［0，1］。

當(dāng)T=1時(shí)，兩個(gè)本體概念完全相似，當(dāng)T=0時(shí)，完全不相似，具體大小由產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員設(shè)定，即當(dāng)相似度計(jì)算值滿足設(shè)置閥值時(shí)，認(rèn)為兩本體存在映射關(guān)系。

3.1 相似度計(jì)算

其中:CD、PF分別為客戶需求域與配置實(shí)例域中的本體概念或特征參數(shù)，CD∈(CDO)，PF∈(PFO)。str(CDm)、str(PFn)是指兩個(gè)任意字符串，|str(CDm)|、|str(PFn)|表示字符串的長(zhǎng)度，ED(str(CDm)，str(PFn))字符串的編輯距離。故相似度計(jì)算公式如下:

如Simstr(汽車減速器，汽車變速器)=4/5，兩個(gè)概念的語(yǔ)法相似度很高，但并不代表這兩個(gè)字符串語(yǔ)義一定相似，如Sim(power，tower)=4/5，可是語(yǔ)義相差很多。為此，除了基于概念字符串語(yǔ)義相似度，還可以用語(yǔ)義相關(guān)度和基于概念實(shí)例的映射方法計(jì)算。

語(yǔ)義相關(guān)度是指本體中概念的屬性或關(guān)系的相似程度，包括關(guān)系相似度和屬性相似度。關(guān)系包括關(guān)系名稱、關(guān)系類型、關(guān)系參數(shù)值等要素，因此判斷不同本體中兩個(gè)關(guān)系是否相似，可以從這三個(gè)要素的相似度進(jìn)行考慮?？蛻粜枨蟊倔wCDO中概念和配置本體PFO本體中概念對(duì)應(yīng)關(guān)系的名稱和類型分別為字符串，為此可以采用字符串相似度計(jì)算方法，而參數(shù)相關(guān)度，可以由參數(shù)相似度得出，如下式所示:

基于實(shí)例計(jì)算概念相似度指:若概念具有的實(shí)例全部相同，那么這兩個(gè)概念是相同的;兩個(gè)概念具有相同實(shí)例的比重相同，則兩個(gè)概念相似。由聯(lián)合分布率公式得:

其中，P(CD，PF)一個(gè)隨機(jī)的實(shí)例既屬于概念CD又屬于概念PF的概率，概率計(jì)算公式如下:

N(UCDO)、N(UPFO)分別為其本體的實(shí)例個(gè)數(shù)，其它類似，以此類推求出概念實(shí)例相似度。

由以上公式得出的概念相似性和相關(guān)性參數(shù)，結(jié)合語(yǔ)義相似度和語(yǔ)義相關(guān)度的算法對(duì)相似度概念進(jìn)行映射，設(shè)置相關(guān)參數(shù)權(quán)重，得出概念相似度計(jì)算如下公式表示:其中α+β+γ=1;根據(jù)以上相似度計(jì)算結(jié)果，選擇與客戶需求特征參數(shù)CDm相似度最大的產(chǎn)品配置特征參數(shù)PFn作為最佳配置方案，

以上式得出結(jié)果為依據(jù)，根據(jù)企業(yè)定制的可信度范圍，映射出最佳的配置方案。

3.2 映射過(guò)程

本體映射系統(tǒng)的任務(wù)是建立客戶需求本體到產(chǎn)品配置本體的映射關(guān)系，如圖4所示。利用客戶需求到產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)的映射矩陣［10］和映射規(guī)則，實(shí)現(xiàn)客戶域到產(chǎn)品域的映射。

圖4 本體映射過(guò)程

如4圖所示，其中θ是產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員設(shè)定閥值。主要步驟如下:

(1)特征提取解析本體文檔，提取出本體詞匯。

(2)用戶交互指定一個(gè)或多個(gè)映射關(guān)系，糾正映射系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤映射，起到自反饋?zhàn)饔谩?/p>

(3)相似度計(jì)算綜合不同的計(jì)算方法，提高計(jì)算準(zhǔn)確度，并在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中限定相似度取值介于［0，1］之間。

(4)映射發(fā)現(xiàn)相似度計(jì)算結(jié)果與設(shè)定閥值相比較，結(jié)合本體約束和上下文關(guān)系選擇最優(yōu)映射關(guān)系，滿足要求后執(zhí)行下一步操作，否則進(jìn)行映射反饋，最終從目標(biāo)本體中映射出滿意的結(jié)果。

4 實(shí)例分析

將上述理論應(yīng)用于某類SUV轎車的個(gè)性化定制上，說(shuō)明其可實(shí)踐性和有效性。首先調(diào)查客戶需求關(guān)注度，建立客戶對(duì)產(chǎn)品需求的主要指標(biāo)，如表1所示;再利用本體建模工具Protégé構(gòu)建客戶需求本體模型和產(chǎn)品功能配置本體模型，得出需求表達(dá)的語(yǔ)義層次關(guān)系;最后通過(guò)相似度計(jì)算、本體映射實(shí)現(xiàn)滿足客戶需求的產(chǎn)品配置。

如某客戶的個(gè)性化定制要求:排氣量不低于4L，動(dòng)力性能很好，百公里燃油消耗較低，價(jià)格不高于15萬(wàn)元，越野性能強(qiáng)等。由于動(dòng)力性能、耗油比和排量包括發(fā)動(dòng)機(jī)選型、功率、轉(zhuǎn)速和有效扭矩等技術(shù)參數(shù)，動(dòng)力性能很好的要求可轉(zhuǎn)換成對(duì)這些技術(shù)參數(shù)的相關(guān)需求;而價(jià)格要求則體現(xiàn)在對(duì)整車配置成本的控制;越野性能體現(xiàn)了對(duì)定制汽車的懸掛系統(tǒng)、車身構(gòu)造、變速器和安全系統(tǒng)的配置要求。故客戶的定制需求包括以下幾個(gè)技術(shù)參數(shù):排量、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、扭矩、車身系統(tǒng)和整車價(jià)格等。根據(jù)客戶定制需求計(jì)算其本體概念相似度，設(shè)定相關(guān)映射法則，通過(guò)特征參數(shù)映射映射反饋，修正客戶需求，最終輸出滿足客戶個(gè)性化需求的最佳產(chǎn)品配置方案。

表1 個(gè)性化客戶需求定制表

5 總結(jié)

建立面向客戶個(gè)性化需求的產(chǎn)品配置本體，通過(guò)對(duì)客戶需求本體和產(chǎn)品配置本體概念相似度的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了客戶需求與功能要求的映射轉(zhuǎn)換，提高配置精度，從而完善了客戶需求到產(chǎn)品功能的映射過(guò)程。有利于簡(jiǎn)化客戶與設(shè)計(jì)者之間的溝通與交互過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的共享和重用，縮短了定制產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的復(fù)雜性。

［1］邵偉平，劉永賢，曾鵬飛，等.產(chǎn)品配置知識(shí)本體表達(dá)與共享研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2006(8):98－102.

［2］但斌，姚玲，經(jīng)有國(guó)，等.基于本體映射面向模糊客戶需求的產(chǎn)品配置研究［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2010(2):225－232.

［3］王新，譚建榮，孫衛(wèi)紅.基于實(shí)例的需求產(chǎn)品配置技術(shù)研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2006(2):146－15.

［4］孫偉，馬沁怡，高天一，等.基于本體和規(guī)則的產(chǎn)品配置系統(tǒng)研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(4):529－534.

［5］STUDER R，BENJAMINS V R，and FENSEL D.Knowledge Engineering:Principles and Methods［J］.Data and Knowledge Engineering，1998，25(102):161 －197.

［6］譚建榮，謝友柏，陳定方，等.機(jī)電產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計(jì):理論、方法與技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［7］楊沁，武珂，唐偉.基于本體的個(gè)性化產(chǎn)品客戶需求參數(shù)化建模［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2012(4):27－30.

［8］高鵬，林蘭芬，蔡銘，等.基于本體映射的產(chǎn)品配置模型自動(dòng)獲?。跩］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2003(9):811－816.

［9］Xiulin Sui，Jianghua Ge，Jingrui Qi，YapingWang.Research on Method of Ontology Configuration Oriented to Individual Demand Products［C］.2011 International Conference on E-lectronic＆Mechanical Engineering and Information Technology.2011:3297 －3300.

［10］姜燕，但斌.MC模式下基于本體的客戶需求映射方法［J］.工業(yè)工程，2009(2):19－23.

(編輯 李秀敏)

Research on Product Configuration of Requirement Sim ilarity Ratio Based on Ontology Mapping

YANG Qin，WU Ke，TANGWei，WEIDao-zhu
(School of Mechanical and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei230009，China)

Considering the barriers of semantic communication between customer domain and product domain，and the advantages of ontology in semantic reasoning and information management，a method based on ontology mapping is presented to implement product configuration.For the inheritance and the innovation of product design，and the customer individual demand，a customer requirement ontology and product fam ily case ontology are constructed.According to the optimum mapping decided by the similarity threshold，ontology constraints and context relations，the individual product configuration is realized quickly and precisely through calculating the similarity ratio among conception element of ontology，and the complexity of the product design process is reduced.Finally，an example of a car is presented to demonstrate the feasibility of the proposed method.

product configuration;individualized product;similarity ratio

TP391.7

A

1001－2265(2013)03－0130－04

2012－08－13

楊沁(1971—)，男，江蘇吳江人，合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院副教授，博士，主要從事CAD/CAM、智能制造系統(tǒng)研究等，(E－ mail)yangqin71@yahoo.com.cn。