王瑩　戴毅茹　王堅

摘要：鋼鐵生產(chǎn)工藝知識復雜多樣，難以進行有效的組織和管理，不利于企業(yè)提升生產(chǎn)工藝水平，針對該問題提出基于產(chǎn)品-工序-目標的鋼鐵生產(chǎn)工藝知識本體建模方法。構建鋼鐵生產(chǎn)工藝本體模型，與實際生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)進行映射，建立鋼鐵生產(chǎn)工藝知識庫，用于知識本體檢索和知識本體推理等服務。論文首先介紹了系統(tǒng)開發(fā)和設計中用到的關鍵技術，然后介紹了系統(tǒng)的基本架構，最后介紹了系統(tǒng)的部分功能模塊。

關鍵詞：三維框架；本體建模；知識庫

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044（2017）02-0242-03

Design and Implementation of Knowledge Base System for Steel Production Process Based on Three Dimensional Framework Ontology Modeling

WANG Ying， DAI Yi-ru， WANG Jian

（CIMS Research Center，TongjiUniversity，Shanghai 201804，China）

Abstract：The iron and steel production process knowledge is complicated， difficult to carry out effective organization and management， is not conducive to enterprises to improve the level of production technology. This paper presents a method of production process of iron and steel knowledge ontology modeling based on the products-process-target. The ontology model mapped with the actual production process data is used by the knowledge base for the service of ontology retrieval and ontology reasoning. Firstly， this paper introduces the key technologies used in the system development and design， and then introduces the basic structure of the system， last， introduces some functional modules of the system.

Key words：3D framework； ontology modeling； knowledge base

1背景

鋼鐵生產(chǎn)工藝知識來源復雜，結構異質(zhì)，其多源異構性增加了鋼鐵企業(yè)進行知識創(chuàng)新活動的難度和復雜度。有效組織和管理工藝知識的多源性、規(guī)范知識的語義異構性、增強知識對鋼鐵產(chǎn)品自主創(chuàng)新的重要支撐作用，是鋼鐵企業(yè)當前需要重點突破的難題。

本文針對鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)工藝知識的多源異構性，提出了一種基于產(chǎn)品-工序-目標的本體建模方法，建立鋼鐵生產(chǎn)工藝本體模型，將本體模型實際生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)進行映射，用于知識本體檢索和知識本體推理等服務，為工藝建模、在線工藝優(yōu)化提供有價值的知識，有助于全面提高鋼鐵生產(chǎn)工藝設計水平。

2 系統(tǒng)中的關鍵技術

2.1鋼鐵生產(chǎn)工藝知識的三維框架體系

針對鋼鐵生產(chǎn)工藝知識的特點，為了有效組織和管理知識的多源性、規(guī)范知識的語義異構性，增強知識對鋼鐵生產(chǎn)工藝自主創(chuàng)新的重要支撐作用，本文提出一種基于產(chǎn)品—工序—目標的鋼鐵生產(chǎn)工藝知識的組織框架體系，該體系分別從產(chǎn)品維、工序維、目標維三個維度提供多源異構的鋼鐵生產(chǎn)工藝知識的組織方法。

每一個維度的具體內(nèi)容描述了生產(chǎn)工藝知識的不同側面。其中，產(chǎn)品維包括：高強韌度、輕質(zhì)化汽車板，超高強度、韌度鋼材，工程機械用高強鋼，高強集裝箱板及鐵道車廂用鋼，中/重型卡車用鋼；工序維包括：煉鐵、煉鋼、精煉、連鑄、熱軋、冷軋；目標維包括：智能化、綠色化、安全化。例如：當工序維的具體描述設定為煉鐵，生產(chǎn)工藝知識包含所有產(chǎn)品在煉鐵工序中的相關知識內(nèi)容；當上述三個維度同時具體描述時，生產(chǎn)工藝知識包含針對中/重型卡車用鋼產(chǎn)品在煉鐵工序中與安全相關的知識內(nèi)容，如圖1所示。

2.2構建鋼鐵生產(chǎn)工藝知識本體模型

根據(jù)鋼鐵生產(chǎn)工藝知識的三維框架體系，對鋼鐵生產(chǎn)工藝知識進行抽取，定義類、關系、屬性以及實例，明確各類之間的層次結構，個體之間的對象屬性和數(shù)值屬性，建立鋼鐵生產(chǎn)工藝知識的概念模型，定義概念模型到本體模型的映射規(guī)則，根據(jù)映射規(guī)則建立鋼鐵生產(chǎn)工藝知識本體模型。

按照三維框架體系，構建鋼鐵生產(chǎn)工藝知識的概念模型為：

[Fxyz=i=15j=16k=13Fxiyjzk（C，SUP，SUB，POP，BOP，DP，I）]

其中：

[C]：表示該概念模型所屬的類；

[SUP]：表示該概念模型所屬類的父類；

[SUB]：表示該概念模型所屬類的子類；

[POP]：表示當前類與父類中實例之間的關系；

[BOP]：表示當前類與子類中實例之間的關系；

[DP]：表示該概念模型所擁有的數(shù)值屬性；

[I]：表示該概念模型所擁有的對象；

[x]：描述了產(chǎn)品維，[x=x1，x2，x3，x4，x5]分別對應于{高強韌度、輕質(zhì)化汽車板，超高強度、韌度鋼材，工程機械用高強鋼，高強集裝箱板及鐵道車廂用鋼，中/重型卡車用鋼}；

[y]：描述了工序維，[y=y1，y2，y3，y4，y5，y6]分別對應于{煉鐵，煉鋼，精煉，連鑄，熱軋，冷軋}；

[z]：描述了目標維，[z=z1，z2，z3]分別對應于{綠色化，智能化，安全化}。

鋼鐵生產(chǎn)工藝知識本體模型的構建方法具體為：首先，建立局部范圍的概念模型；然后，集成所有的局部概念模型，得到鋼鐵生產(chǎn)工藝知識的全局范圍概念模型；最后，根據(jù)映射規(guī)則建立鋼鐵生產(chǎn)工藝知識本體模型。概念模型到本體模型的部分映射規(guī)則如表1所示：

2.3語義映射技術

鋼鐵生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)種類繁多，對數(shù)據(jù)的提取和整合產(chǎn)生很大的困難。其中，D2RQ語義映射技術可以將結構化數(shù)據(jù)轉化為RDF數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了大批量數(shù)據(jù)自動化的語義集成。

利用D2RQ語義映射技術將鋼鐵生產(chǎn)工藝本體模型與實際生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)進行映射，生成的RDF數(shù)據(jù)可以用于知識本體檢索和知識本體推理等服務。本體模型與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)映射基于Java開發(fā)平臺，首先要根據(jù)建立的本體模型制定D2RQ映射規(guī)則、編寫相應的映射文件，然后在Java開發(fā)平臺上調(diào)用D2RQ映射引擎，載入本體模型和映射文件，建立本體模型與數(shù)據(jù)源的連接，從而實現(xiàn)將實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)映射為本體的實例數(shù)據(jù)。

3系統(tǒng)基本架構

鋼鐵生產(chǎn)工藝知識庫包含諸多方面的功能，本文重點圍繞知識本體檢索和知識本體推理這兩個方面進行系統(tǒng)開發(fā)。知識庫系統(tǒng)基本架構如圖2所示，系統(tǒng)自下而上主要分為三層：數(shù)據(jù)層、業(yè)務處理層、應用層。

數(shù)據(jù)層是知識庫系統(tǒng)的知識源，其數(shù)據(jù)源主要包括結構化數(shù)據(jù)、相關技術文獻以及專家經(jīng)驗等。

業(yè)務處理層的主要功能是建立鋼鐵生產(chǎn)工藝本體模型，并在本體模型的基礎上進行語義解析和案例推理，其語義解析和案例推理的結果用以支持知識本體檢索和知識本體推理等服務。業(yè)務處理層具體過程為：根據(jù)數(shù)據(jù)層所提供的知識建立鋼鐵生產(chǎn)工藝的概念模型，在概念模型的基礎上，根據(jù)概念模型到本體模型的映射規(guī)則，建立鋼鐵生產(chǎn)工藝本體模型，然后編寫鋼鐵生產(chǎn)工藝映射文件，利用D2RQ映射引擎將本體模型與鋼鐵生產(chǎn)工藝實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行綁定，最后便可以利用該本體模型進行Jena語義解析和案例推理。

應用層的功能主要是向用戶提供知識本體檢索和知識本體推理等服務。

4系統(tǒng)基本實現(xiàn)

4.1知識本體檢索

知識本體檢索是鋼鐵生產(chǎn)工藝知識瀏覽和學習的有效手段，可以根據(jù)檢索的關鍵字提供相應的鋼鐵生產(chǎn)工藝知識實體。用戶進入該功能模塊后，若無明確的檢索目標，可以參照左側鋼鐵生產(chǎn)工藝知識導航欄進行檢索如圖3所示；若有明確的檢索目標，可以在輸入框中輸入待檢索的知識進行檢索，其檢索結果由表格和力引導布局圖展示如圖4所示。

4.2知識本體推理

鋼鐵生產(chǎn)工藝知識涉及的知識領域廣泛，知識本體推理模塊利用本體建模技術，將加熱爐工藝知識有效地組織起來，根據(jù)用戶輸入的鋼坯類型和鋼含碳量推理出適合該類型鋼的熱爐使用條件，在一次推理的基礎上選擇加熱爐的適用場合、最高爐溫和最大功率，從而二次推理出符合用戶輸入條件的鋼工藝參數(shù)和加熱爐工藝參數(shù)，其結果如圖5所示。

5結束語

本文針對鋼鐵生產(chǎn)工藝知識來源復雜多樣，鋼鐵企業(yè)對鋼鐵生產(chǎn)工藝知識難以進行有效的組織和管理問題，提出了基于產(chǎn)品-工序-目標的鋼鐵生產(chǎn)工藝知識本體建模方法，構建鋼鐵生產(chǎn)工藝本體模型，與實際生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)進行映射，建立鋼鐵生產(chǎn)工藝知識庫，用于知識本體檢索和知識本體推理等服務，為鋼鐵企業(yè)工藝建模、在線工藝優(yōu)化、設備診斷等功能提供有價值的知識。

參考文獻：

[1] 黃美麗， 劉宗田.基于型式概念分析的領域本體構建方法研究[J].計算機科學，2006，19（3）：113.

[2]Bao Q， Wang J， Cheng J. Research on Ontology Modeling of Steel Manufacturing Process Based on Big Data Analysis[C]. 2016：04005.

[3]楊哲.基于啟發(fā)式規(guī)則的本體概念語義相似度匹配[J].計算機應用，2007，27（12）：2919-2921.

[4] 謝紅薇， 李建偉. 基于本體的案例推理模型研究[J].計算機應用研究， 2009（4）：1422-1424.

[5] Maedche A，Staab S.Ontology learningfor the Semantic Web[J]. IEEE Intelligent Systems， 2001（2）：72-79.