王 毅 陳慶新 毛 寧

1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣州，510225 2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州，510090

0 引言

注塑模具成形面復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多樣，且多為單件定制，即使正確應(yīng)用通用的模具設(shè)計(jì)制造原則也難以確保一次試模成功。當(dāng)一個(gè)制品產(chǎn)生缺陷后，多數(shù)企業(yè)都會(huì)傾向于以最經(jīng)濟(jì)且快速的方法消除缺陷，即首先調(diào)整注塑工藝，然后調(diào)整原材料或注塑機(jī)，在上述方法全部嘗試以后，才會(huì)考慮既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力的更改制品結(jié)構(gòu)或模具結(jié)構(gòu)，然后制訂相應(yīng)的模具修改方案。改模工程師制定改模方案時(shí)不僅需要傳統(tǒng)的模具制造工藝知識(shí)，還需要在實(shí)踐中積累的大量經(jīng)驗(yàn)知識(shí)［1－3］。

改模工程師在描述改模知識(shí)時(shí)表達(dá)的隨意和不規(guī)范，造成改模知識(shí)不能在改模工程師之間共享和重用，更無(wú)法歸納其中蘊(yùn)涵著的改模知識(shí)。很多學(xué)者結(jié)合不同類(lèi)型模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及各自知識(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)，給出了不同的知識(shí)表達(dá)方式。文獻(xiàn)［4－6］分別對(duì)注塑模具設(shè)計(jì)知識(shí)、壓鑄模具知識(shí)、注塑模具改模知識(shí)進(jìn)行了基于本體的知識(shí)分析與表達(dá)，但卻未能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行知識(shí)的推理和歸納。為此，本文在分析基于本體的改模知識(shí)歸納模型基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)例提出了一種基于本體的分層表達(dá)改模知識(shí)模型，并在此基礎(chǔ)上給出了基于本體的知識(shí)推理方法。利用本體推理規(guī)則對(duì)從注塑模具制造企業(yè)中收集的改模方案進(jìn)行知識(shí)表達(dá)和推理，驗(yàn)證了提出的改模方案表達(dá)模型及其知識(shí)推理方法［7－8］。

1 基于本體的改模知識(shí)表達(dá)

本體是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說(shuō)明，具有如下的一些優(yōu)點(diǎn)：①能規(guī)范化和清晰化相關(guān)領(lǐng)域的概念和術(shù)語(yǔ)，有利于知識(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化；②具有豐富的概念間關(guān)系和概念間的各種約束，滿足改模知識(shí)復(fù)雜性和相關(guān)性的要求；③作為語(yǔ)義網(wǎng)的核心，為語(yǔ)義網(wǎng)系統(tǒng)提供知識(shí)組織和邏輯關(guān)系。本體的核心是在把握事物本質(zhì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)抽象事物類(lèi)型及其關(guān)系約束的明確定義，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜認(rèn)知知識(shí)的規(guī)范描述。本體具有語(yǔ)義上的規(guī)范性，能在人與設(shè)備間清晰解釋?zhuān)呀?jīng)廣泛應(yīng)用于知識(shí)工程、信息技術(shù)、人工智能、醫(yī)藥工程和機(jī)械工程等領(lǐng)域［7－10］。

1.1 基于本體的改模知識(shí)表達(dá)模型

改模知識(shí)來(lái)源相當(dāng)廣泛，有來(lái)自書(shū)本的知識(shí)，來(lái)自技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。這些知識(shí)包括描述性知識(shí)、因果性知識(shí)、過(guò)程性知識(shí)、關(guān)聯(lián)性知識(shí)。描述性知識(shí)主要包括對(duì)一些概念的描述，如對(duì)模具結(jié)構(gòu)的描述，它們的關(guān)系主要包括Is＿a（是…）和Part＿of（…的一部分）這樣一些層次性的關(guān)系；因果性知識(shí)主要包括一些概念之間的因果關(guān)系，如改模原因?qū)е碌母哪?wèn)題，這類(lèi)知識(shí)的概念之間的關(guān)系有Cause（導(dǎo)致）和Caused＿by（被引起）；過(guò)程性知識(shí)主要包括一些工藝性知識(shí)，如針對(duì)某一改模問(wèn)題采取的改模方案，相關(guān)的概念間關(guān)系有Follow（采用）和Is＿followed＿by（被采用）；關(guān)聯(lián)性知識(shí)主要用于說(shuō)明概念之間的聯(lián)系，如塑件上的某一位置有改模問(wèn)題出現(xiàn)，那么該塑件位置和相對(duì)應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)的關(guān)系是如何的等，相應(yīng)的概念之間的關(guān)系有Cooperate with（有關(guān)聯(lián)）。利用本體技術(shù)可以把這些概念設(shè)計(jì)成為一個(gè)多層的改模知識(shí)表達(dá)模型［11－13］，見(jiàn)圖1。

1.2 概念的設(shè)計(jì)

通過(guò)前面的分析，可以把改模知識(shí)概念分為模具結(jié)構(gòu)知識(shí)概念、塑件位置概念、改模問(wèn)題概念、改模原因概念、改模操作方案概念。每個(gè)概念都由概念名稱(chēng)、概念關(guān)系和概念屬性等特征來(lái)描述。本文用C表示改模知識(shí)中的概念，并采用C＝（N，R，P）的結(jié)構(gòu)來(lái)表示，其中，N為改模概念的名稱(chēng)或說(shuō)明信息，R表示概念之間的關(guān)系，P表示概念的屬性［12－13］。各類(lèi)概念的關(guān)系如圖2所示。

屬性主要包括 Concept＿ID、Synonym、Appearance Reason、Status、Action等。Concept＿ID代表概念的ID號(hào)。Synonym代表語(yǔ)義相同或相近的概念，包括一些等同和相關(guān)概念［14］，如改模問(wèn)題中的批鋒與飛邊，模具知識(shí)領(lǐng)域中的三板模具和細(xì)水口模具等。Appearance Reason和Sta－tus屬性是針對(duì)改模問(wèn)題和改模原因設(shè)置的。Action是為了表達(dá)一些過(guò)程性的知識(shí)而設(shè)計(jì)的，如改模操作中的一些操作概念（打磨、研配等）。

圖1 基于本體的多層改模知識(shí)表達(dá)圖

圖2 各類(lèi)概念之間的關(guān)系

概念之間的關(guān)系主要包括Is＿a、Part＿of、Cause、Caused＿by、Follow、Is＿followed＿by、Coorperate＿with。Is＿a表示概念之間的層次關(guān)系，它將類(lèi)與實(shí)例聯(lián)系起來(lái)；Part＿of表示模具結(jié)構(gòu)的整體和部分之間的關(guān)系；Cause表示改模原因和改模問(wèn)題之間的關(guān)系，即某種改模原因?qū)е履撤N改模問(wèn)題；Caused＿by表示改模原因和改模問(wèn)題之間的關(guān)系，即某種改模問(wèn)題由某種改模原因引起；Follow表示改模問(wèn)題和改模方案之間的關(guān)系，即某種改模問(wèn)題實(shí)施某種改模方案；Is＿followed＿by表示改模問(wèn)題和改模方案之間的關(guān)系，即某種改模方案的實(shí)施是由某種改模問(wèn)題導(dǎo)致的；Coorperate＿with表示塑件位置和模具結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，即某塑件位置出現(xiàn)了問(wèn)題，與之相關(guān)的模具應(yīng)該是在那個(gè)部位出現(xiàn)了問(wèn)題，這是一種關(guān)聯(lián)關(guān)系［15－16］。

2 基于本體的改模知識(shí)推理

2.1 基于本體的單層改模知識(shí)推理設(shè)計(jì)

改模知識(shí)概念間關(guān)系推理規(guī)則：

其中，A、B、…代表改模知識(shí)概念名稱(chēng)；∧表示與操作；?表示推理。描述性知識(shí)層的推理模型如圖3所示。

圖3 描述性改模知識(shí)推理模型

描述性知識(shí)層主要包含兩種類(lèi)型的層次關(guān)系（Is＿a和Part＿of），如圖3所示，A 概念和B概念之間、B概念和C概念之間存在Is＿a的關(guān)系，利用上面的規(guī)則（1）可以推出概念A(yù)和概念C之間存在Is＿a的關(guān)系。同理，D概念和E概念之間、E概念和F概念之間存在關(guān)系Part＿of，利用規(guī)則（2）可以得出概念D和概念F之間暗含著關(guān)系Part＿of。D概念和E概念之間是Part＿of的關(guān)系，則意味著概念D是概念E的一部分，利用規(guī)則（4）可以得出E概念屬于D概念。

因果性知識(shí)層主要包含的是概念之間的因果性關(guān)系Cause和Caused＿by。如圖4所示，概念G和概念H之間、概念H和概念I(lǐng)之間存在Cause關(guān)系，利用規(guī)則（5）可以得出概念G和概念I(lǐng)之間存在Cause關(guān)系。利用規(guī)則（6）和規(guī)則（7）可以得出概念H和概念I(lǐng)之間存在關(guān)系Caused＿by。

圖4 因果性改模知識(shí)層推理模型

過(guò)程性改模知識(shí)層主要包含針對(duì)某一改模問(wèn)題和改模原因所采取的改模方案，如圖5所示，概念J和概念K之間、概念K和概念L之間存在Follow關(guān)系，利用規(guī)則（8）可以推出概念J和L之間存在Follow關(guān)系。同理，利用規(guī)則（10）可以得出概念K和概念L之間存在Is＿Followed＿by關(guān)系，見(jiàn)圖5。

圖5 過(guò)程性改模知識(shí)層推理模型

關(guān)聯(lián)性改模知識(shí)層主要包含關(guān)聯(lián)性的知識(shí)概念之間的關(guān)系，如塑件某一位置發(fā)生了問(wèn)題，則對(duì)應(yīng)的模具位置應(yīng)該是什么呢？對(duì)應(yīng)的相關(guān)模具零部件又是哪些呢？與之相關(guān)的設(shè)計(jì)、制造問(wèn)題又是哪些呢？所以關(guān)聯(lián)性改模知識(shí)層包含的關(guān)系是Coorperate＿with。如圖6所示，概念M和概念N之間、概念N和概念O之間是Coorperate＿with關(guān)系，利用規(guī)則（11）可以得出，概念 M和概念O之間存在Coorperate＿with關(guān)系。反之，利用規(guī)則（12）可以推出概念O和概念N之間存在Coorperate＿with關(guān)系，見(jiàn)圖6。

圖6 關(guān)聯(lián)性改模知識(shí)層推理模型

通過(guò)前面基于本體的單層改模知識(shí)的推理描述，可以把各單層改模知識(shí)概念間的關(guān)系推理總結(jié)成為推理算法，同時(shí)把其推理過(guò)程描述如下，如圖7所示：

（1）輸入單層改模知識(shí)本體，開(kāi)始單層改模知識(shí)規(guī)則推理。

（2）檢查輸入的改模知識(shí)本體是否屬于描述性知識(shí)層，檢查概念之間的關(guān)系是否是Is＿a或Part＿of或 Has＿part（具有零部件），如果是，則轉(zhuǎn)入步驟（3）進(jìn)行關(guān)系值的判斷，否則轉(zhuǎn)入步驟（4）。

（3）如果關(guān)系是Is＿a，執(zhí)行Is＿a關(guān)系的推理（規(guī)則1）；如果關(guān)系是Part＿of，執(zhí)行Part＿of關(guān)系的推理（規(guī)則2）；如果關(guān)系是 Has＿part，執(zhí)行Has＿part關(guān)系的推理（規(guī)則3）。

（4）檢查輸入的改模知識(shí)本體是否屬于因果性知識(shí)層，檢查概念之間的關(guān)系是否是Cause或Caused＿by，如果是，轉(zhuǎn)入步驟（5）進(jìn)行關(guān)系名稱(chēng)的判斷，否則轉(zhuǎn)入步驟（6）。

（5）如果關(guān)系是Cause，執(zhí)行Cause關(guān)系的推理（規(guī)則5）；如果關(guān)系是Caused＿by，執(zhí)行Caused＿by關(guān)系的推理（規(guī)則6和規(guī)則7）。

（6）檢查輸入的改模知識(shí)本體是否屬于過(guò)程性知識(shí)層，檢查概念之間關(guān)系是否是Follow或Is＿Follow＿by，如果是，轉(zhuǎn)入步驟（7）進(jìn)行關(guān)系名稱(chēng)的判斷，否則轉(zhuǎn)入步驟（8）。

（7）如果關(guān)系是Follow，執(zhí)行Follow關(guān)系的推理（規(guī)則8）；如果關(guān)系是Is＿Follow＿by，執(zhí)行Is＿Follow＿by關(guān)系的推理（規(guī)則9、規(guī)則10）。

（8）檢查輸入的改模知識(shí)本體是否屬于關(guān)聯(lián)性知識(shí)層，檢查概念之間的關(guān)系是否是Cooperate＿with，如果是，轉(zhuǎn)入步驟（9）進(jìn)行關(guān)系名稱(chēng)的判斷，否則，結(jié)束算法。

（9）如果關(guān)系是 Transitive（傳遞性），執(zhí)行Transitive關(guān)系的推理；如果關(guān)系是Symmetric（對(duì)稱(chēng)性），執(zhí)行Symmetric的推理。

圖7 單層改模知識(shí)本體的推理算法

2.2 基于本體的層與層之間的改模知識(shí)推理設(shè)計(jì)

2.2.1規(guī)則描述

此處的規(guī)則主要是各層與層之間的推理規(guī)則，包括描述性知識(shí)層與因果性知識(shí)層之間的推理，如規(guī)則13；描述性知識(shí)層與過(guò)程性知識(shí)層之間的推理，如規(guī)則14；描述性知識(shí)層與關(guān)聯(lián)性知識(shí)層之間的推理，如規(guī)則15。

上述規(guī)則中，X、Y、Z等代表改模知識(shí)概念，符號(hào)“?”代表子集，符號(hào)“?”是一個(gè)存在量詞。

2.2.2描述性改模知識(shí)層和因果性改模知識(shí)層之間的規(guī)則推理模型

如圖8所示，概念X和概念Y之間存在因果關(guān)系Cause，概念Y和概念Z之間存在Part＿of的關(guān)系，利用規(guī)則（13）可以得出概念X和概念Z之間也存在因果關(guān)系Cause。

2.2.3描述性改模知識(shí)層和過(guò)程性知識(shí)層之間的規(guī)則推理模型

如圖9所示，概念U和概念V之間存在過(guò)程性關(guān)系Follow，概念V和概念W之間存在Part＿of的關(guān)系，利用規(guī)則（14）可以得出概念U和概念W之間存在著關(guān)系Follow。

圖8 描述性知識(shí)層與因果性知識(shí)層之間的推理模型

圖9 描述性知識(shí)層與過(guò)程性知識(shí)層之間的推理模型

2.2.4描述性知識(shí)層和關(guān)聯(lián)性知識(shí)層之間的規(guī)則推理模型

如圖10所示，概念R和概念S之間存在關(guān)聯(lián)性關(guān)系Cooperate＿with，概念S和概念T之間存在Part＿of的關(guān)系，利用規(guī)則（15）可以得出概念R和概念T之間存在關(guān)系Cooperate＿with。

圖10 描述性知識(shí)層與關(guān)聯(lián)性知識(shí)層之間的推理模型

通過(guò)前面基于本體的層與層之間的改模知識(shí)推理描述，可以把各層之間的改模知識(shí)概念間關(guān)系推理總結(jié)成為知識(shí)層與層之間的推理算法，流程如圖11所示：

（1）輸入跨層改模知識(shí)本體，如果改模知識(shí)本體包含了描述性知識(shí)層和因果性知識(shí)層，并且關(guān)系名稱(chēng)是Part＿of和Cause，轉(zhuǎn)入步驟（2），否則轉(zhuǎn)入步驟（3）。

（2）執(zhí)行描述性知識(shí)層和因果性知識(shí)層的跨層規(guī)則推理。

（3）檢查輸入的改模知識(shí)本體是否包含了描述性知識(shí)層和過(guò)程性知識(shí)層，并且關(guān)系名稱(chēng)是Part＿of和Follow，如果是，轉(zhuǎn)入步驟（4），否則轉(zhuǎn)入步驟（5）。

（4）執(zhí)行描述性知識(shí)層和過(guò)程性知識(shí)層的跨層規(guī)則推理。

（5）檢查輸入的改模知識(shí)本體是否包含了描述性知識(shí)層和關(guān)聯(lián)性知識(shí)層，并且關(guān)系是Part＿of和Cooperate＿with，，如果是，轉(zhuǎn)入步驟（6），否則，結(jié)束算法。

（6）執(zhí)行描述性知識(shí)層和關(guān)聯(lián)性知識(shí)層的跨層規(guī)則推理。

圖11 跨層改模知識(shí)本體推理流程圖

3 實(shí)例分析

3.1 多層改模知識(shí)本體的建立

描述性知識(shí)層主要描述的是模具領(lǐng)域知識(shí)，用各種關(guān)系描述出領(lǐng)域知識(shí)的層次關(guān)系，具體見(jiàn)圖12。

3.2 改模知識(shí)的推理

下面我們將以一個(gè)改模問(wèn)題“批鋒”為例來(lái)說(shuō)明改模知識(shí)概念之間關(guān)系的推理。“批鋒”是在試模過(guò)程中一種常見(jiàn)的改模問(wèn)題，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在分型面、頂出口附近及零件表面（型腔鑲塊處）。產(chǎn)生的原因經(jīng)常是制造誤差、設(shè)計(jì)選材的問(wèn)題，或者塑料流動(dòng)性過(guò)大，解決的辦法一般是通過(guò)打磨降低粗糙度、通過(guò)燒焊或更換零件縮小間隙等方法解決，具體見(jiàn)表1。

圖12 部分多層次改模知識(shí)本體模型

表1 改模問(wèn)題“披鋒”的部分產(chǎn)生原因與解決辦法

3.2.1單層規(guī)則推理

下面以因果性知識(shí)層為例進(jìn)行單層改模知識(shí)的推理。在因果性知識(shí)層中，概念鑲件材料問(wèn)題和鑲件之間存在Cause關(guān)系，概念鑲件和有批鋒之間也存在Cause關(guān)系，利用推理規(guī)則可以得出鑲件材料問(wèn)題和有批鋒之間也存在Cause關(guān)系。同理可得，批鋒和鑲件之間、鑲件和鑲件材料之間存在Caused＿by的關(guān)系，利用推理規(guī)則可得批鋒和鑲件材料之間存在Caused＿by的關(guān)系。具體推理見(jiàn)圖13。

圖13 因果性知識(shí)層的改模推理

3.2.2多層規(guī)則推理

下面以因果性知識(shí)層和描述性知識(shí)層之間的推理過(guò)程作為例子來(lái)說(shuō)明推理過(guò)程，從圖14可以看出，概念鑲件材料問(wèn)題和批鋒之間有Cause的關(guān)系，概念批鋒和概念外觀問(wèn)題存在Part＿of的關(guān)系，利用前面的推理規(guī)則，可以得出概念鑲件材料問(wèn)題和概念外觀問(wèn)題之間存在關(guān)系Cause，即鑲件材料問(wèn)題可以引發(fā)塑件的外觀問(wèn)題，這和實(shí)際情況也是吻合的（如表1所示）。

圖14 改模問(wèn)題與注塑領(lǐng)域知識(shí)層之間的推理

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)注塑模具改模知識(shí)領(lǐng)域的實(shí)際需求，借鑒現(xiàn)有的本體構(gòu)建方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于本體的多層改模知識(shí)表達(dá)模型，實(shí)現(xiàn)了改模知識(shí)的統(tǒng)一形式化表達(dá)，構(gòu)建了基于本體的單層改模知識(shí)推理和多層改模知識(shí)推理，并通過(guò)了一個(gè)基于“批鋒”問(wèn)題的改模知識(shí)驗(yàn)證了其正確性與可行性。本體構(gòu)建過(guò)程中，注塑模具領(lǐng)域知識(shí)本體是整個(gè)知識(shí)表達(dá)、推理和語(yǔ)義檢索的基礎(chǔ)，如何建立全面而適當(dāng)?shù)淖⑺苣＞哳I(lǐng)域知識(shí)本體是未來(lái)研究的一個(gè)重點(diǎn)。

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