周宏根，王夢瑩，景旭文，賈永鵬

（江蘇科技大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)研究所，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

隨著對柴油機(jī)性能要求的不斷提高，其設(shè)計過程涉及到的學(xué)科領(lǐng)域也不斷增加，如強(qiáng)度、流體力學(xué)、振動和熱力學(xué)等，需要依靠多個學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜业膮f(xié)調(diào)工作，解決不同學(xué)科之間的沖突，從而減少柴油機(jī)產(chǎn)品的開發(fā)時間及成本，提高柴油機(jī)的整體性能。此外，還需要將設(shè)計過程中涉及到的信息（或知識）進(jìn)行轉(zhuǎn)換、集成和合并等處理，產(chǎn)生新的集成化知識，從而更好地幫助設(shè)計人員設(shè)計產(chǎn)品。但是，當(dāng)前柴油機(jī)的產(chǎn)品知識表達(dá)和管理大都集中在幾何模型上，缺乏進(jìn)一步對柴油機(jī)產(chǎn)品功能、行為和設(shè)計過程等的語義信息描述，因此不能很好地滿足不同設(shè)計者對產(chǎn)品不同級別開發(fā)信息描述的需要。

本體作為共享概念模型明確的形式化規(guī)范說明，具有明確性、形式性和共享性。作為本體的一部分，領(lǐng)域本體刻畫了特定領(lǐng)域的知識，給出了領(lǐng)域?qū)嶓w概念化及相互關(guān)系、領(lǐng)域活動以及該領(lǐng)域所具有的特性和規(guī)律的形式化描述。領(lǐng)域本體提供了某個專業(yè)學(xué)科領(lǐng)域中概念的詞表以及概念間的關(guān)系，在該領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的理論。將本體建模方法引入柴油機(jī)產(chǎn)品的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化過程，顯得尤為重要。

將本體理論應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域，是近幾年國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。這些研究主要集中于產(chǎn)品設(shè)計、制造等產(chǎn)品相關(guān)信息的本體建模、產(chǎn)品知識的重用和信息集成等方面。在產(chǎn)品設(shè)計知識方面，國內(nèi)外采用本體來表達(dá)和重用產(chǎn)品設(shè)計知識的相關(guān)研究較多［1-2］，但主要應(yīng)用于概念設(shè)計方面，目前對于詳細(xì)設(shè)計階段的零部件信息本體表達(dá)和重用研究相對較少。USCHOLD 等［3］采用本體語言來描述零部件信息，以解決零件族結(jié)構(gòu)和命名的多樣化問題。王有遠(yuǎn)等［4］采用基于本體的方法進(jìn)行產(chǎn)品知識建模的概念設(shè)計，以達(dá)到知識語義的一致性要求，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品知識的共享和重用。付相君［5］對設(shè)計進(jìn)行本體標(biāo)注，得到對應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計的形式化概念。郭鳴等［6］對產(chǎn)品知識建模在企業(yè)大規(guī)模知識處理中遇到的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（STandard for the Exchange of Product model data，STEP）系列標(biāo)準(zhǔn)之間、應(yīng)用協(xié)議之間的語義不一致問題進(jìn)行分析，提出了基于本體論的產(chǎn)品知識建模的觀點(diǎn)。趙燕偉等［7］采用本體方法，從概念實(shí)體、概念屬性和概念間關(guān)系三方面介紹了構(gòu)建產(chǎn)品本體知識模型的方法。高鵬［8］從幾何／拓?fù)涞慕嵌瘸霭l(fā)，采用本體對產(chǎn)品設(shè)計知識進(jìn)行表達(dá)。以上研究主要集中在如何運(yùn)用本體語言描述零部件信息，從而消除零部件對象描述的歧義性，對于如何描述零部件之間的關(guān)系與約束以及如何對基于本體的零部件信息進(jìn)行檢索，尚未很好地闡述。

在柴油機(jī)產(chǎn)品的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化領(lǐng)域，領(lǐng)域本體的構(gòu)建研究尚處于起步階段，還未見將本體模型應(yīng)用于柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方面的研究。因此，筆者開展了面向多學(xué)科優(yōu)化過程的柴油機(jī)本體模型（Diesel Ontology Model for Multidisciplinary Optimization Process，DOMMOP）的建模與應(yīng)用研究，將多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法、本體模型、本體與數(shù)據(jù)庫交互技術(shù)等引入柴油機(jī)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計中，為語義驅(qū)動的柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化提供直接的理論支持和技術(shù)支撐。

1 柴油機(jī)本體建模對象分析

動力系統(tǒng)是船舶等運(yùn)載工具的核心組成模塊之一，而柴油機(jī)又是其動力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，包括機(jī)座、氣缸、曲軸、活塞、凸輪軸和連桿在內(nèi)的上千個零部件，其優(yōu)化設(shè)計過程也涉及到熱學(xué)、靜力學(xué)和動力學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域?？紤]到柴油機(jī)領(lǐng)域知識的深度、廣度以及各個零部件關(guān)系之間的復(fù)雜性，構(gòu)建的本體應(yīng)盡可能覆蓋柴油機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的所有知識。但是，覆蓋的領(lǐng)域越大，構(gòu)建的本體模型也越大，從而造成建模工程復(fù)雜度的急劇增加，也可能造成建模的失敗，因此需要根據(jù)專家提供的知識和現(xiàn)實(shí)的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化過程，對柴油機(jī)本體的知識范圍加以限制，盡可能使本體的范圍在較小的情況下滿足需求，保證建模的順利進(jìn)行。

基于此，本文將建模對象限制在柴油機(jī)的主要零部件、輔助啟動裝置等子系統(tǒng)、關(guān)鍵零部件的設(shè)計和多學(xué)科優(yōu)化相關(guān)的知識，其中，主要零部件建模對象包括凸輪軸傳動機(jī)構(gòu)、十字頭組、曲軸部件、活塞組、連桿組、氣缸等部件以及構(gòu)成這些部件的零件等；柴油機(jī)的子系統(tǒng)建模對象包括燃油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和啟動系統(tǒng)等；柴油機(jī)設(shè)計與優(yōu)化涉及到的建模對象包括組織結(jié)構(gòu)、設(shè)計任務(wù)、設(shè)計活動、設(shè)計資源、材料和工作流元素等。因此，選取上述建模對象，以本體理論為基礎(chǔ)構(gòu)建了DOMMOP，是比較合理也較易實(shí)現(xiàn)的選擇，由此得到的柴油機(jī)本體知識來源如圖1所示。

2 DOMMOP建模技術(shù)研究

2.1 DOMMOP建模方法設(shè)計

DOMMOP建模方法主要參考了骨架法、七步法和IDEF5 法［9-10］，并根據(jù)柴油機(jī)領(lǐng)域知識的深度、廣度和關(guān)系的復(fù)雜性等特點(diǎn)，綜合上述三種本體建模方法步驟清晰、表達(dá)明確的優(yōu)點(diǎn)，提出了DOMMOP的建模方法，其建模流程如圖2所示。從圖中可以看出，該方法的整個建模流程是循序漸進(jìn)的，邏輯性較強(qiáng)，符合本體建模的工程化思想。此外，該建模方法與其他開發(fā)過程一樣，在實(shí)施中不是線性的，建模過程中可能會反復(fù)，過程中的任何一點(diǎn)都可能退回到早期的某一步。因此，在建模的過程中，要定期對所構(gòu)建的本體進(jìn)行檢查，保證所建本體模型的可用性。

2.2 DOMMOP頂層本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

進(jìn)行DOMMOP頂層結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，需要考慮各設(shè)計知識之間的語義描述、設(shè)計活動之間的邏輯關(guān)系以及設(shè)計任務(wù)的合理分配等問題。因此，在DOMMOP設(shè)計中，應(yīng)保證各個設(shè)計環(huán)節(jié)間關(guān)聯(lián)的緊密性和信息交換的及時性，這是DOMMOP 構(gòu)建過程中應(yīng)遵循的一個總原則。

DOMMOP的構(gòu)建主要包含柴油機(jī)本體模型的建模以及柴油機(jī)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化過程本體的建模。其中柴油機(jī)本體模型包括柴油機(jī)、主要零件、主要部件、部件的裝配體、輔助啟動裝置、柴油機(jī)系統(tǒng)和輔助描述七個主類。該本體模型的主要概念包括按不同分類方式劃分的柴油機(jī)類型，如按工作循環(huán)特點(diǎn)可分為四沖程柴油機(jī)和二沖程柴油機(jī)，按轉(zhuǎn)速可分為高速柴油機(jī)、中速柴油機(jī)和低速柴油機(jī)等?！拜o助描述”類的設(shè)計是為了對其他類進(jìn)行輔助描述，將可能取值的值域限制為一系列詳細(xì)的清單。

柴油機(jī)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化過程本體模型是對柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化中的所有任務(wù)、設(shè)計過程以及與之相關(guān)的開發(fā)信息的語義關(guān)系集合。柴油機(jī)開發(fā)任務(wù)之間存在橫向和縱向兩種關(guān)系，橫向關(guān)系表達(dá)設(shè)計活動間的時序關(guān)系，縱向關(guān)系表達(dá)設(shè)計活動間的層次性，即分解關(guān)系。柴油機(jī)的開發(fā)任務(wù)可以不斷分解，當(dāng)任務(wù)細(xì)化到可被設(shè)計人員操作的粒度時，開發(fā)任務(wù)才順序展開，而隨著設(shè)計活動的不斷推進(jìn)，各種任務(wù)的有序集合形成了工作流。其中以柴油機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計任務(wù)和設(shè)計活動為主線，將各個子本體關(guān)聯(lián)，這些設(shè)計任務(wù)以及設(shè)計活動面向的對象是柴油機(jī)的零部件或子系統(tǒng)，通過這種方法將柴油機(jī)本體模型與設(shè)計優(yōu)化本體模型關(guān)聯(lián)，圖3給出了模型之間的關(guān)聯(lián)以及內(nèi)在的邏輯關(guān)系語義描述。

在設(shè)計優(yōu)化本體模型的每個設(shè)計任務(wù)中，都有相應(yīng)的輸入與輸出以及與之相關(guān)的設(shè)計活動，而設(shè)計活動之間存在著相互作用和關(guān)聯(lián)。每個設(shè)計任務(wù)與設(shè)計活動都分配到相應(yīng)的設(shè)計團(tuán)隊，團(tuán)隊中的人員利用具體的設(shè)計資源進(jìn)行開發(fā)和多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計。此外，每個多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計任務(wù)完成之后，都要進(jìn)行相應(yīng)的評審、驗(yàn)證或確認(rèn)，從而保證設(shè)計的正確性與可行性。

根據(jù)上述DOMMOP 概念實(shí)體間語義關(guān)系的描述，設(shè)計了DOMMOP 的311 個概念類，用于描述建模對象，具體說明如表1所示；102個對象屬性集合，用以描述不同的類之間的關(guān)系，具體說明如表2所示；67個數(shù)據(jù)屬性集合，用于描述類在定義的數(shù)據(jù)屬性上的取值類型，具體說明如表3所示。

表1 DOMMOP概念術(shù)語集合

表2 DOMMOP對象屬性表

表3 DOMMOP數(shù)據(jù)屬性表

2.3 DOMMOP建模的實(shí)現(xiàn)

以某型號的柴油機(jī)為例，參照1.2節(jié)的DOMMOP語義分析結(jié)果，采用Protégé4.1rc4版本的本體建模工具構(gòu)建DOMMOP，使用網(wǎng)絡(luò)本體語言描述邏輯（Web Ontology Language Description Logic，OWL DL）將其實(shí)例化。在構(gòu)建DOMMOP的類層次時，按照自頂向下的方法構(gòu)建，先確定最一般的概念，然后在此基礎(chǔ)上對某些需要擴(kuò)展類進(jìn)一步細(xì)化，直到其在概念的粒度上達(dá)到柴油機(jī)產(chǎn)品關(guān)鍵零部件設(shè)計的需要。例如，“活塞組的零件”包含的子類有活塞、活塞頭、活塞桿、活塞裙和活塞銷。

為了進(jìn)一步說明DOMMOP 的構(gòu)建，以“設(shè)計活動”類為例，利用BNF 范式介紹具體的模型構(gòu)建過程。一般而言，一個BNF范式表達(dá)了一個類的基本構(gòu)成，包括所描述類的父類以及屬性的集合，具體格式為：〈類〉：：=［〈父類〉］｛屬性集合｝。

可見，利用BNF范式描述類可以確定類與類之間的關(guān)系以及類具有的屬性。如設(shè)計活動是在產(chǎn)品開發(fā)過程中最一般的概念，設(shè)計活動又可以細(xì)分為產(chǎn)品的設(shè)計、優(yōu)化、修改、評審、驗(yàn)證、檢查和整機(jī)測試等，而優(yōu)化活動又可以分為單學(xué)科優(yōu)化和多學(xué)科優(yōu)化，這樣就確定了設(shè)計活動之間的父—子關(guān)系。在定義類的屬性時，利用類繼承的方法進(jìn)行，即子概念通用的屬性在父概念中定義，子概念繼承父概念的所有屬性，再定義自己特有的屬性。設(shè)計活動的BNF范式形式化表示為：

2.4 DOMMOP模型的一致性檢查

用OWL DL語言描述的本體可以被推理機(jī)處理，推理機(jī)提供的主要功能之一是檢驗(yàn)一個類是否是另一個類的子類。通過對本體的類執(zhí)行這種檢驗(yàn)，推理機(jī)就可以推理出本體的類層次。推理機(jī)提供的另一個功能是一致性檢查，基于類的描述，推理機(jī)可以檢查一個類是否可以含有實(shí)例，如果該類不包含任何實(shí)例則被認(rèn)為是不一致的。

通過對DOMMOP 的語義分析以及現(xiàn)有的本體一致性檢查方法［11-13］的研究，本文提出了基于Tableau算法的本體一致性檢查，算法流程如圖4所示，檢查過程分析如下：

（1）建立一個概念C的模型，即DOMMOP本體。

（2）將DOMMOP 模 型用樹狀圖T表 示：T的節(jié)點(diǎn)是描述邏輯中ΔI的元素，用C的子概念集標(biāo)示，根節(jié)點(diǎn)標(biāo)示為｛C｝；T的邊表示ΔI元素間的關(guān)系，用角色名標(biāo)示。

（3）轉(zhuǎn)換規(guī)則對應(yīng)OWL語言結(jié)構(gòu)，規(guī)則應(yīng)用到節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽，直到節(jié)點(diǎn)遍歷結(jié)束，轉(zhuǎn)換規(guī)則不使用，→樹表示一個有效模型及一個沖突被發(fā)現(xiàn)｛A，?A｝。

轉(zhuǎn)換規(guī)則如下：

（1）∩規(guī)則S→｛x：C1，x：C2｝∪S，若x：C1∩C2在C中，且x：C1和x：C2不在S中同時出現(xiàn)。

（2）∪規(guī)則S→｛x：D｝∪S，若x：C1∪C2在S中，x：C1和x：C2都不在S中，且D=C1或D=C2。

（3）?規(guī)則S→?｛xP1y，P2y，…，cPky，y：C｝∪；S，若x：?R.C在S中，R=P1∩…∩Pk，沒有z使得xRz在S中成立，且z：C在S中，y為新變量。

（4）?規(guī)則S→?｛y：C｝∪S，若x：?R.C在S中，xRy在S中成立，且y：C不在S中。

通過以上方法，對DOMMOP 進(jìn)行一致性檢查，經(jīng)過檢查可知，DOMMOP 不存在一致性的錯誤。

3 基于語義對準(zhǔn)的DOMMOP 與工程數(shù)據(jù)庫交互技術(shù)

3.1 從關(guān)系數(shù)據(jù)庫抽取本體的映射機(jī)理

將非RDF 格式的關(guān)系數(shù)據(jù)庫按照轉(zhuǎn)換規(guī)則轉(zhuǎn)換為一個可視的、只讀的RDF 圖，映射文件生成之后，可以利用Jena API來調(diào)用該映射文件，并將關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)加載到這個映射模型，實(shí)現(xiàn)對映射模型的實(shí)例化。模型實(shí)例化之后，用戶可以利用SPARQL查詢將“數(shù)據(jù)—模型”應(yīng)用到特定的SQL查詢，然后Web瀏覽器、SPARQL 客戶端和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)客戶端可以利用Jena API操作映射文件，從而實(shí)現(xiàn)對非RDF格式數(shù)據(jù)庫中內(nèi)容的導(dǎo)航和語義檢索，具體的工作原理如圖5所示。

從圖5可以看出，DOMMOP 與關(guān)系數(shù)據(jù)庫的映射過程主要包括如下三個步驟：

（1）生成映射文件 通過Java應(yīng)用程序，利用Jena軟件包和RDB轉(zhuǎn)換引擎實(shí)現(xiàn)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫的映射，生成基于RDF語法的映射文件。該映射文件說明了數(shù)據(jù)庫的關(guān)系和屬性是如何與輸出本體中的類和屬性進(jìn)行映射的，在這個過程中并不生成輸出本體，而是隱式地生成一個本體，該文件在一個一致的名稱空間上定義了一個類和屬性的集合，接下來在關(guān)系數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換為RDF時將會用到該名稱空間。

（2）數(shù)據(jù)填充 對生成的映射文件進(jìn)行數(shù)據(jù)填充，將關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的元組填充到映射文件，從而建立一個由上一階段生成的映射文件設(shè)定的RDBOWL實(shí)例，并將該實(shí)例包裝為一個Jena模型。

（3）數(shù)據(jù)導(dǎo)航 通過語義Web服務(wù)，利用RDF或HTML瀏覽器導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。此時，可以像操作本體一樣使用SPARQL 語言查詢關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)對關(guān)系數(shù)據(jù)庫的導(dǎo)航和語義檢索。

3.2 語義對準(zhǔn)的目的

將關(guān)系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RDF 形式并加以表示后，仍然沒有以一種有意義的方式來集成這些數(shù)據(jù)，因?yàn)槊恳环N數(shù)據(jù)源的信息都仍然是使用專門面向該數(shù)據(jù)源的詞匯進(jìn)行表達(dá)的。這些詞匯表就被稱作數(shù)據(jù)源本體（Data Source Ontology，DSO），DSO 使得它們所表達(dá)的數(shù)據(jù)難以被利用［14-15］。如果信息的使用者沒有意識到每個DSO 的特殊性，那么使用者就無法充分利用來自該數(shù)據(jù)源的信息?？梢?，盡管這些信息已經(jīng)被整合到一起，但是它們?nèi)匀粵]有被集成，因?yàn)楦拍钪g的關(guān)系仍然不明確。

建立兩個本體之間的連接和關(guān)聯(lián)的過程稱為語義對準(zhǔn)，或本體對準(zhǔn)。將一個本體和另一個本體進(jìn)行對準(zhǔn)，就是將第一個本體中描述的概念網(wǎng)和第二個本體中描述的概念網(wǎng)疊加起來，這樣它們之間就可以連接起來。

當(dāng)真正使用語義Web數(shù)據(jù)構(gòu)建應(yīng)用程序時，僅建立DSO 和領(lǐng)域本體之間的映射是不夠的。一般而言，軟件是構(gòu)建于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和假設(shè)的基礎(chǔ)上的，它可能不太容易與特定的領(lǐng)域本體中的豐富語義相兼容。要解決這個問題，就需要引入應(yīng)用程序本體的概念。一個應(yīng)用程序本體是一個從軟件應(yīng)用程序的視覺來描述信息的領(lǐng)域本體。本文使用優(yōu)化平臺的應(yīng)用程序本體作為領(lǐng)域本體，將DOMMOP 本體的概念和該本體中概念映射起來。

3.3 語義對準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)

本文主要以優(yōu)化平臺數(shù)據(jù)庫中的表“MultiSubjectFileList”的映射模型與DOMMOP 中的“文件”類為例，闡述兩個本體模型之間的語義對準(zhǔn)，兩種模型之間的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

利用兩個本體之間的相似性，并將新的本體模型擴(kuò)展為包含兩個本體的模型，借此將兩個本體關(guān)聯(lián)起來。通過向本體中添加陳述來表達(dá)下面的知識：

（1）D2rq：MultiSubjectFileList等價于DOMMOP：文件。

（2）D2rq：FileID，D2rq：MultiNodeID，D2rq：FilePath 分別等價于DOMMOP：dataID，DOM-MOP：nodeID，DOMMOP：filePath。

（3）D2rq：FileName是DOMMOP：name的子屬性。

這里存在兩種情況：聲明參與比較的一對元素完全等價或者聲明一個元素是另一個元素的特化。“D2rq：MultiSubjectFileList”和“DOMMOP：文件”指代的是相同的概念，因此它們是等價的。名稱“DOMMOP：name”在DOMMOP中可能是文件名，也可能是人名或公司名。因此，將“D2rq：FileName”作為“DOMMOP：name”關(guān)系的特化。

下面的代碼創(chuàng)建了三個陳述將這兩個數(shù)據(jù)集對準(zhǔn)，并且按照前面所介紹的方法將它們添加到模型中。

第一個新的陳述通過聲明類D2rq：MultiSubjectFileList和類DOMMOP：文件等價將兩者對準(zhǔn)，它為主語和賓語連同屬性一起創(chuàng)建資源，然后將該陳述添加到模型中；第二條陳述通過聲明屬性D2rq：FileID 和屬性DOMMOP：dataID 等價將兩者對準(zhǔn)；第三條陳述通過聲明D2rq：FileName 是DOMMOP：name的子屬性將兩者對準(zhǔn)。

其他類與屬性的語義對準(zhǔn)過程與上述過程類似，根據(jù)上述步驟，完成整個文件的語義對準(zhǔn)。至此，完成了DOMMOP與優(yōu)化平臺數(shù)據(jù)庫映射模型之間的語義對準(zhǔn)。

4 基于DOMMOP 的產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化平臺開發(fā)

柴油機(jī)作為復(fù)雜的動力系統(tǒng)，具有“工作原理復(fù)雜、技術(shù)基礎(chǔ)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜”等特點(diǎn)，且柴油機(jī)產(chǎn)品的開發(fā)、試制、試驗(yàn)、生產(chǎn)和維護(hù)等過程也都非常復(fù)雜。因此，對支持柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科優(yōu)化過程的信息化系統(tǒng)會有更高的要求。在柴油機(jī)產(chǎn)品生命周期中的關(guān)鍵階段，如“總體方案設(shè)計”階段、“部件原理設(shè)計”階段、“詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析仿真”階段，目前還缺乏具有針對性的信息化管理手段，并且已經(jīng)給柴油機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)單位造成了一系列負(fù)面效應(yīng)，例如業(yè)務(wù)流程維護(hù)困難、資源共享困難、知識重用困難、設(shè)計仿真數(shù)據(jù)管理困難等。因此，將本體技術(shù)與具有動態(tài)適應(yīng)性和擴(kuò)展性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，基于DOMMOP的產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化平臺，使現(xiàn)有的柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化領(lǐng)域的資源得到充分共享與重用，從而降低柴油機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計成本，成為現(xiàn)代柴油機(jī)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計的迫切要求。

該平臺采用分層架構(gòu)，各層之間是松耦合關(guān)系，上層可以使用下層提供的數(shù)據(jù)和服務(wù)，該平臺的體系結(jié)構(gòu)如圖7所示。

4.1 平臺的總體功能設(shè)計

根據(jù)所設(shè)計的平臺體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合平臺的功能需求和應(yīng)用環(huán)境的實(shí)際要求，柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計平臺整體上分為用戶登錄、系統(tǒng)管理、項(xiàng)目管理、多學(xué)科管理、數(shù)據(jù)服務(wù)、工具管理、工作空間和退出八個主要模塊。

（1）項(xiàng)目管理模塊

在該模塊中，可以創(chuàng)建新的項(xiàng)目，也可以為某個項(xiàng)目創(chuàng)建子項(xiàng)目，通過項(xiàng)目樹實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目的管理，可以實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目信息的管理、參考資源的管理、設(shè)計任務(wù)的分配、多學(xué)科協(xié)同管理以及設(shè)計結(jié)果的查看／審批（審批需要相應(yīng)的權(quán)限）。此外，還可以實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目樹節(jié)點(diǎn)的刷新、添加、修改和刪除等操作。

（2）多學(xué)科管理模塊

“優(yōu)化知識管理”實(shí)現(xiàn)對優(yōu)化中常見的優(yōu)化算法的管理；“多學(xué)科協(xié)同管理”主要實(shí)現(xiàn)對新建項(xiàng)目的協(xié)同基本信息和協(xié)同任務(wù)的管理，包括優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化的輸入和輸出文件的管理等。

（3）數(shù)據(jù)服務(wù)模塊

工作流模板管理模塊實(shí)現(xiàn)的功能有新建工作流模板、已有工作流模板的查看、工作流節(jié)點(diǎn)的編輯和刪除等；信息檢索模塊有關(guān)鍵字檢索和語義檢索兩種檢索模式。

（4）工具管理模塊

該平臺包含工作流定義、產(chǎn)品數(shù)據(jù)語義檢索、有限元分析和多學(xué)科優(yōu)化工具，該模塊提供了上述工具的調(diào)用、封裝和編輯功能。將與優(yōu)化設(shè)計相關(guān)的軟件集成到優(yōu)化平臺，使用時可以直接從優(yōu)化平臺啟動。

（5）工作空間模塊

通過任務(wù)查看模塊，用戶可以方便地查看自己當(dāng)前的所有任務(wù)的完成情況；通過任務(wù)提交模塊，用戶可以實(shí)現(xiàn)對已完成任務(wù)及時地在線提交。

4.2 語義檢索的實(shí)現(xiàn)

在柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的過程中，需要借鑒以往的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)或知識來指導(dǎo)新產(chǎn)品的設(shè)計，基于語義的信息檢索可以提高設(shè)計實(shí)例的檢索效率，實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)設(shè)計知識的重用。在4.1節(jié)中，完成了DOMMOP本體與平臺數(shù)據(jù)庫的映射，在此基礎(chǔ)上，利用Jena API實(shí)現(xiàn)對生成的映射模型的操作，完成語義檢索，語義檢索算法的核心代碼如下：

在檢索界面輸入檢索詞“活塞”后，語義檢索結(jié)果如圖8所示。

4.3 語義驅(qū)動的活塞多學(xué)科優(yōu)化

活塞的強(qiáng)度、動力性能和熱學(xué)性能的影響因素都與活塞自身的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，活塞的主要設(shè)計尺寸包括活塞頂高C1、第一道環(huán)槽高C2、第一道環(huán)槽深度C3、第二道環(huán)槽高度C4，考慮到強(qiáng)度、模態(tài)和熱學(xué)分析方程的復(fù)雜性，本文在建立多學(xué)科優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，利用Solidworks建立對應(yīng)產(chǎn)品的參數(shù)化模型，然后通過Ansys utility與Ansys建立無縫連接，將參數(shù)化模型導(dǎo)入并轉(zhuǎn)換，生成有限元分析模型，活塞在Ansys中分別完成結(jié)構(gòu)、熱學(xué)和動力學(xué)分析，并借助ISIGHT 實(shí)現(xiàn)上述學(xué)科的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計。為了提高柴油機(jī)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計的效率，本文將柴油機(jī)結(jié)構(gòu)件的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計過程模板化，并借助DOMMOP模型的本體轉(zhuǎn)換機(jī)制，保證了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)與學(xué)科分析應(yīng)用模型之間的互操作，活塞多學(xué)科優(yōu)化的信息流向如圖9所示。

由圖9可以看出，在相應(yīng)的腳本文件中輸入相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計參數(shù)后，利用構(gòu)建的DOMMOP 模型將腳本文件語義化，即根據(jù)優(yōu)化任務(wù)的需要，將DOMMOP模型進(jìn)行重組，驅(qū)動腳本文件生成新的優(yōu)化任務(wù)命令流，然后進(jìn)行相應(yīng)的靜力學(xué)、熱學(xué)和模態(tài)分析。單學(xué)科分析結(jié)束后，將分析結(jié)果寫入各自的輸出文件中，然后在多學(xué)科框架中對輸出結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的分析計算，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，直至尋找到最優(yōu)解，完成整個優(yōu)化流程。在語義腳本的驅(qū)動下，活塞經(jīng)過58次迭代計算，優(yōu)化結(jié)果對比如表4所示。

表4 活塞多學(xué)科優(yōu)化結(jié)果

表4 中：Stress為活塞機(jī)械應(yīng)力，F(xiàn)req為活塞振動頻率，Temp 為活塞溫度，Mass為活塞質(zhì)量。從表4中的參數(shù)變化可以看出，所有的結(jié)構(gòu)尺寸在優(yōu)化前后都有所變化，最大的尺寸變化超過30%。活塞的質(zhì)量減輕了5.45%，達(dá)到了多學(xué)科優(yōu)化的效果。

5 結(jié)束語

本文研究了面向多學(xué)科優(yōu)化過程的柴油機(jī)本體模型建模及其應(yīng)用技術(shù)，主要包括DOMMOP 對象分析和建模方法設(shè)計、DOMMOP 建模及其一致性分析、基于語義對準(zhǔn)的MDO 數(shù)據(jù)庫與DOMMOP交互技術(shù)、基于本體理論的柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化平臺設(shè)計、語義檢索與語義驅(qū)動的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化實(shí)例。針對當(dāng)前柴油機(jī)產(chǎn)品知識表達(dá)和管理缺乏對柴油機(jī)產(chǎn)品功能、行為、設(shè)計過程等的語義信息描述以及優(yōu)化過程較為復(fù)雜的問題，研究了我國柴油機(jī)企業(yè)產(chǎn)品多學(xué)科集成優(yōu)化設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及其相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法，構(gòu)建了柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科優(yōu)化語義模型庫，開發(fā)了基于DOMMOP 的柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科協(xié)同開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)產(chǎn)品多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程中產(chǎn)品信息、語義驅(qū)動的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化過程、設(shè)計資源及知識、設(shè)計任務(wù)、個人工作等的管理，并以柴油機(jī)關(guān)鍵部件語義檢索及其多學(xué)科優(yōu)化為例，驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)的可行性和所用理論的正確性，為該領(lǐng)域產(chǎn)品多學(xué)科集成優(yōu)化設(shè)計提供了理論支持和技術(shù)保障。

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