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情報理論與實踐 （ ITA） 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟 ● 吳 鵬，，王曰芬，丁晟春，顏端武，高 升 （ 南京理工大學 經濟管理學院，江蘇 南京 210094）

基于本體的機械產品設計知識表示研究
摘

*

要： 文章結合身管產品設計實例，研

究基于本體的機械產品設計需求分析和建模方法，包括 產 品設 計 步 驟 與 設

計知識映射、產品設計知識表示本體的建模，提出產品設計知識表示本體的構建流程，從而支持機械 產 品設 計 過 程 中 多 領域和多源知識有效的表示，解決非幾何性質的關鍵產品設計知識表示問題，為機械產品設計知識的共 享 和 利 用提 供 新 的思路。 關鍵詞： 機械產品設計; 本體; 知識表示 Abstract : In combination with the example of designing gun barrel products，this paper studies the ontologybased mechanical product design requirement analysis and modeling method， including product design procedures and mapping design knowledge， and modeling of knowledge representation ontology in the design of product. The paper proposes the construction process of knowledge representation ontology in the design of product， thereby supporting the multidomain and multisource effective knowledge geometrical knowledge representation problem in the design of representation in the design of mechanical product，solving the nonkey products，and providing new ideas for the sharing and utilization of mechanical product design knowledge. Keywords: mechanical product design; ontology; knowledge representation 機械產品設計是根據市場需求，對產品的功能、 原理 方案、技術參數等進行規(guī)劃和決策的過程，產品設計具有 創(chuàng)造性、近似性、多解性、綜合性等多方面特點，產品設 計過程呈現快速化、模塊化和知識化發(fā)展態(tài)勢，尤其是產 品設計過程的知識管理的重要性日益凸顯 。不同產品由于 其功能、 結構形式、 用途及工作條件的不同，其設計要 求、設計方法及步驟也會有所不同，要想科學合理并且快 速地進行產品設計，就需要對產品設計知識進行有效的表 示。恰當的知識表示可以使產品設計中復雜問題簡單化， 提高問題求解的效率，方便產品設計中快速準確地查找需 要的知識。 目前關于機械產品設計知識表示的研究存在兩個問 題。一是產品設計從需求分析到詳細設計的各個階段中， 設計過程非常復雜，無法解決非幾何性質的關鍵產品設計 知識表示，缺乏根據產品設計流程的知識表示實踐； 二是 產品設計知識一般存儲在不同領域和來源的半結構甚至非 結構化的文檔中，產品不同組成部分之間的相關知識的關 系復雜，使得產品設計基于已有知識的再利用存在困難 。 因此，對產品及其設計領域中的非結構化 、 半結構化 的知識進行結構化的有效表示，以促進知識的共享與重 用，是產品設計知識表示的一個關鍵環(huán)節(jié) �；诒倔w的產
本 文 為 國 防 科 技 工 業(yè) 局 項 目 （ 項 目 編 號： A2620110003 ，

品設計知識表示方法簡潔 、 清晰，可理解性和可擴展性 強，能夠形式化地定義產品設計領域的知識，并且通過公 理來定義知識類之間的約束關系，對產品設計過程中產品 功能、行為的語義關系等關鍵產品設計知識進行描述，不 僅能夠表示結構化知識，還能夠表示半結構化知識 。 但是目前的研究成果在實際應用過程中無法解決下列 問題，一是無法解決非幾何性質的關鍵產品設計知識表 示； 二是目前產品設計知識一般存儲在半結構甚至非結構 化的文檔中，缺乏本體構建流程和成功案例，使得機械產 品設計基于已有知識的共享和利用存在困難 。為了解決上 述問題，更好地利用產品設計知識，提高產品設計效率， 本研究面向產品設計過程，以半結構甚至非結構化的文檔 作為處理對象，產品設計知識本體構建流程和本體建模， 并以身管為例，對產品設計不同階段所涉及的各種類型的 產品設計知識進行表示 。

1

基于本體的產品設計知識表示應用研究
本體有著強大的在知識層面上描述領域或系統(tǒng)的概念

模型的能力，它能夠詳細說明模型中的概念 、 屬性、 關 系、公理及約束等，將它引入產品設計中來可以彌補其他 表示方法在通用性、共享性和可維護性方面的不足，能夠 更好地應對產品多樣化和用戶需求多元化的要求，其應用 研究取得了較多的成果 。 近年來，基于本體的產品設計知識表示研究逐漸成為

*

A2620133003 ） 和江蘇省 “青藍工程” 項目資助的研究成果。

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信息系統(tǒng) 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟
熱點，在應用對象方面主要涉及工程知識 、產品及復雜產 品設計知識、產品裝配知識、產品經驗知識、 各種具體機 械產品設計等領域； 在應用語言和工具方面，出現了過程 規(guī)范語言 （ PSL） 、產品網絡本體語言 （ POWL） 等專門應 表1
年份 1997 2002 2003 國 外 研 究 2005 2007 研究者 Borst［1］ Kitamura［2］ Bohm［3］ S. D. Cochrane［4］ Lee ＆ Suh［5］

用于產品知識表示的本體描述語言； 在應用模型方面，出 BS 模型上增加元本體或流本體 現了 BDE 模型以及在 F等 4 層改進模型，國內外本體知識表示在產品設計領域的 應用研究如表 1 所示。

國內外本體知識表示在產品設計領域中的應用
應用對象 工程知識 產品設計知識 工程設計知識 復雜產品設計 產品設計 應用語言 PHYSYS 工程本體、OWL 功能概念本體、OWL XML 過程規(guī)范語言 （ PSL） 產品網絡本體語言 （ POWL） 應用模型 系統(tǒng)層，物理過程基本行為和描述性 數學關系三層物理系統(tǒng)模型 功能結構模型 外觀、 功 能、 形 式、 行 為、 設 計 流 5 個方面 通用產品和制造信息模型 元本體、 類屬本體和特定產品本體的 產品知識基元 3 層模型 概念和實例，3 層概念的表示，基本設 計實體 （ BDE ） 和 BDE 的 屬 性，3 層 表示，關系和傳遞性 5 層模型 KnowWhat， KnowWhy， KnowHow， KnowWith 4 層模型 利用功能、 裝配和產品技 術規(guī)范 3 個 方面表示行為 FBS，增加了流本體 建立 DTD 文檔 FBS 模型 結構 層—行 為 層—基 本 功 能 層—元 功 能層的 4 層模型 設計過 程、 設計組 織、 設計對象 和 知 識對象 4 個本體主模型 基于知識流的工業(yè)設計產品族 DNA 遺 傳和變異模型 廣義產品設計知識模型 本體的五元素法 功能—行為—廣義機構 （ FBM）

2010

U. Jayaram［6］

產品設計和裝配

OWL

2010 2010 2003 2005 2005 2007 國 內 研 究 2008 2009 2009 2009 2010

Chen YuhJen［7］ S. K. Moon［8］ 胡玉杰［9］ 楊健等
［10 ］

隱形設計知識 重型機床設計 水泵電動機 產品設計 磨床 洗衣機 機械設計 工業(yè)設計的 產品族設計 機械設計 機械設備 機械設計

OWL 基于 Techspecs 的概念本體 DAML XML OWL OWL OWL OWL OWL OWL OWL

倪益華等［11］ 高在偉等［12］ 張善輝［13］ 羅仕鑒等［14］ 宋福根等［15］ 許楚鑾［16］ 雷光強等［17］

2

基于本體的機械產品設計知識表示的需求分析 與建模
機械產品設計中兩種常用方法，即自底向上和自頂向
［18 ］

及設計人員的頭腦中，缺少一種能兼容多領域和多源產品 設計知識的一致而完備的知識表示方式 。 2. 1 機械產品設計步驟與設計知識映射 機械產品生產過程是從生產零件開始，然后將不同零 件組裝成最終的產品，從機械設計全局的角度來看，就是 從細節(jié)到整體的一個設計流程 。對于這樣一種設計信息的 傳遞，稱為自底向上設計。大部分的通用機械設計，都是 遵照先零件后部件的方式來進行的
［19 ］

下兩種完全不同的設計模式 念、屬性、關系及實例。

。 本文的產品設計知識提

取就是面向產品設計流程與方法，從各種知識源中提取概 進行產品設計時，通常存在下列實際問題 。 ① 由于各 個設計階段所需的產品設計知識不能夠得到有效的共享和 重用，經常造成設計質量低下 、 設計過程不斷反復等情 況。②生產產品各組成部分的不同組織之間，以及同一組 織的不同部門之間、不同知識背景的員工之間，領域背景 知識的不同和概念定義的不統(tǒng)一 。③產品設計中所需知識 來自多學科多領域，且存儲方式異構，這些知識可能存儲 于專業(yè)書籍、技術文檔報告、電子表格、設計圖紙中，以

。 盡管各種產品的

性能、用途及結構形式不同，但在設計時均應滿足功能要 求、可靠性要求、經濟性要求、操作方便和安全要求等基 本要求 2. 2
［19 ］

，下面以身管為例介紹產品設計步驟與設計知

識映射 （ 見表 2 ） 。 機械產品設計知識表示的建模 在機械產品設計知識表示中，本體的作用就是在具體 產品設計領域，獲取并存儲產品設計相關的概念 、屬性和

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表2
設計階段

機械產品設計步驟與設計知識的映射
設計步驟 階段目標 映射關系

分類的研究，結合實際身管設計知識可能涉及的設計規(guī) 范、標準手冊、設計計算、設計經驗、工程材料及結構等 類別，采用了 5 類設計知識劃分方法，在身管本體構建中 對產品設計知識進行分類 （ 見表 3 ） 。

產品 規(guī)劃

身管需求分 設計任務書 析與設計任 務說明書

表3
知識分類 描述性 知識

身管設計知識分類

功能原理 設計

原理設 計方案

身管 的 原 理、功能

功能描述 身管設計知識 管理方式 表示產品等 設 計 對象靜 態(tài)結 構 特 征、 屬 性 及 屬 身管 的 功 能、 結 數 據 庫 性之 間 關 系。 包 含 了 檢 構、行 為 等 屬 性 管理 、 索 基于 實 例 的推 理 以 特征 及知識發(fā)現所需的內容 身管設計中的邏 知識學 習 表示 事 實 之 間 的 關 系， 輯關系，如因果、 用于目標推理求解 與推理 條件關系等 表示一個設 計 過 程的操 身管設計的階段、 設計過 程 作或 操 作 系列，它 是 問 操作及技術路線、 建模 思想 題求解的重要部分 表示 設 計 過程中，用 數 身管的計算公式、 計算引擎 值計 算 方 法 處 理 的 參 函數 數等 表示設計過 程 中 包含零 身 管 設 計 的 各 種 數據庫 表 部件參數的 可 選 數值或 標準 或 文 檔、 圖 管理 表等 區(qū)間

判斷性 知識 過程性 知識 計算性 知識 手冊性 知識

技術 設計

總體裝配圖 部件裝配圖 零件工作圖 身管的結構 設計計算 說明書

根據對產品設計知識特點的分析，產品設計知識本體 建模包括 4 個實體： 產品信息、產品設計組織、 產品設計
試制、 生產及 銷售 樣機 市場結果 市場信息 身管的生產

過程、產品設計知識對象 （ 見圖 1 ） 。 其中后三者以本體 形式表示。 1 ） 產品信 息。 包 括 分 類、 編 號、 型 號、 出 廠 日 期、 銷售日期以及生產廠商等信息； 產品知識對象包含描述 性、判斷性、計算性、手冊性、過程性知識等。 身管本體 構建的特點在于，著重考慮計算性知識及產品設計過程的 本體知識表示，這不同于單純對概念進行表示的本體構建 方式。 2 ） 產 品 設 計 組 織 本 體。 產品設計組織包含設計者等信 息，用于描述身管設計知識對 象的提供者、 操作者，記錄組 織結構及其關系的信息 。 產品 設計組織本體不僅記錄了某一 身管設計者的信息，還包括該 設計者的角色，定義了設計者 之間、 角 色 之 間 的 約 束 關 系 等。一個設計者可以具有多個 角色，設計組織本體中還有一 些對象屬性，用來表示不同類 之間 關 系，如 設 計 者 hasＲole 角色，設計者 belongTo 部門。 3 ） 產品設計過程本體。

約束。UML 語言支持面向對象方法，表示能力強，基于 UML 進行建模直觀清晰。 需求分析過程中，構建的本體 模型必須清 晰、 明 確，基 于 UML 的 領 域 本 體 建 模 方 法 （ UDOM） 這種統(tǒng)一的領域需求表示方式，為實現領域需 求的復用性提供了技術支持 。借鑒張善輝對產品設計知識

圖1

身管產品設計知識本體

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信息系統(tǒng) 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟
知識包含相關國際標準 、國家標準等文檔、 圖表以 及參數信息； 計算性知識是身管設計的重要知識， 因為身管設計中包含大量的物理公式和數學計算公 式，是身管本體構建的重點也是難點 。

3

產品設計知識表示本體構建流程
借鑒以往對本體構建的研究，結合產品設計知

識本體中概念、屬性的特點，身管本體的開發(fā)步驟 主要包括確定本體的領域和范圍，利用半自動抽取 網頁表格概念，獲取本體所需的部分概念類 、 屬 性，結合提出的本體構建流程，利用 Protégé 本體 開發(fā)工具實現了身管本體的構建； 最后采用 Protégé 提供的查詢插件 Queries 和可視化插件 Jambalaya 實 現了本體查詢和可視化顯示，如圖 2 所示。 1 ） 產品設計知識的獲取�；诋a品設計流程， 在需求分析、概念設計、技術設計到詳細設計的各
圖2 身管產品設計知識本體開發(fā)流程

個階段涉及的多元知識載體中獲取相關設計知識， 從異構多樣的產品設計知識源中對領域知識結構深入理 解，提取相關概念、屬性和實例，其中產品設計知識源包 ） 、 文獻期刊、 專業(yè)詞 括設計手冊 （ 如 《機械設計手冊 》 ） 等。 典 （ 《國防科技詞典》

產品設計過程包含設計條件，設計工具等。針對身管這一 設計對象，產品設計過程本體描述了身管建立的步驟和過 程，包含身管設計數據的輸入 、結果輸出的計算公式函數 的表示，在設計過程本體建立過程中，定義了產品設計過 程本體 與 產 品 設 計 組 織 本 體 、 產品設計知識對象本體之間的 主要 對 象 屬 性，如 設 計 者 implement 設計階段、產品設計過 程 belongTo 過程性知識。 4 ） 產品 設 計 知 識 對 象 本 體。用于描述產品設計知識的 5 類知識，封裝各類知識的屬 性和操作。 在身管設計中，描 述性知識包括身管設計涉及的 功能、 結構、 行為、 材料、 壽 命等知識； 判斷性知識在本體 中通過各類概念之間的約束來 表示，包 含 約 束、 邏 輯 推 斷、 對象關系 3 個重點部分，主要 用于身管設計知識的概念定義 和推理； 過程性知識是指在設 計過程中，身管及其零部件的 設計任務、 設計階段劃分以及 設 計 工 具、 方 法、 技 術 的 選 擇，記 錄 身 管 設 計 的 操 作 過 程，包 含 設 計 者 的 設 計 思 路、 設計經驗等隱性知識； 手冊性

圖3

身管知識表示本體可視化展示

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情報理論與實踐 （ ITA） 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟
2 ） 產品設計知識的分類。 產品設計是一個多學科知 識集成和應用的過程，其過程包括了大量的產品設計知 識，對產品設計知識進行分類是對其準確表示進而進行精 確檢索的前提。 3 ） 產品設計知識本體構建 。 產品設計知識是指已有 的知識，即設計經驗、設計方法、設計過程以及幾何結構 和屬性等在內的產品信息的總和 。主要包括分析概念的基 本特性，建立基本概念分類體系； 分析概念間的基本語義 關系，形成概念分類樹； 提取概念的屬性及概念間的屬 性，形成本體的屬性分類樹； 確定屬性分類樹中各屬性的 基本特性； 根據概念分類樹的結構和屬性的定義，建立本 體中各概念的約束和公理 。 4 ） 本體可視化。本體是領域的術語及其關系的清晰 的形式化規(guī)范，即對研究領域的概念 （ Class 或 Concept ） 、 每個概念的不同特性和屬性 （ Slot， Ｒole 或 Property ） ，以 及屬性的約束 （ Facet 或 Ｒole Ｒestriction） 進行明確的形式 化描述。為了更加直觀清晰地看清楚本體，圖 3 分別展示 出了由 Protégé 中自帶的本體顯示插件 Jambalaya 展示本體 可視化效果圖。
［ 7］ ［ 4］ COCHＲANE S D，KEITH C， YOUNG Ｒ I， et al. Knowledge sharing between design and manufacture ［J］ ． Lecture Notes in Computer Science，2005 ，3684 ： 221227. ［ 5］ LEE J H，SUH H W. OWLbased product ontology architecture and presentation for sharing product knowledge on a Web ［C］ / /27th Computers and Information in Engineering Confer861. ence. 2007 ： 853［ 6］ ZHAN Pei， JAYAＲAM U， KIM O， et al. Knowledge representation and ontology mapping methods for product data in engineering applications ［J］ ． Computing and Information Sci10. ence in Engineering，2010 ，6 （ 10 ） ： 1CHEN YuhJen. Development of a method for ontologybased empirical knowledge representation and reasoning ［J］． Deci20. sion Support Systems，2010 ，50 （ 1 ） ： 1［ 8］ MOON S K， KUMAＲA S Ｒ T， SIMPSON T W. Knowledge representation for product design using techspecs concept ontology ［G］ ． Information Ｒeuse and Integration， Conf， 2005 ： 241246. ［ 9］ 胡玉杰，李善平，郭鳴 . 基于本體的產品知識表示 ［J］． 計算 機 輔 助 設 計 與 圖 形 學 報， 2003 ， 15 （ 12 ） ： 15321537. ［ 10］ 楊健，肖乾 . 基于本體的產品設計知識表示 ［J］． 現代機 55. 械，2005 （ 3 ） ： 54［ 11］ 阮志斌，倪益華 . 基于本體的產品知識表示模型和實例研 ． 精密制造與自動化，2005 （ 3 ） ： 4955. 究 ［J］ ［ 12］ 高在偉，吳江，劉衛(wèi)紅 . 本體在產品知識表示中應用研究 ［ J］ ． 計算機技術與發(fā)展，2007 ，17 （ 2 ） ： 2330. ［ 13］ 張善輝 . 機械產品設計知識管理系統(tǒng)的研究 ［D］ ． 濟南： 山東大學，2008. ［ 14］ 羅仕鑒，朱上上 . 工業(yè)設計中基于本體的產品族設計 DNA ［ J］ ． 計算機集成制造系統(tǒng)，2009 ，15 （ 2 ） ： 227233. ［ 15］ 李剛，宋福根 . 基于本體的產品設計知識管理系統(tǒng)的研究 ［ J］ ． 微計算機信息，2009 ，25 （ 2 ） ： 3234. ［ 16］ 許楚鑾 . 基于本體的設備維護知識表示與檢索研究 ［D］． 長沙： 湖南大學，2008. ［ 17］ 雷光強，劉康，魏國哲 . 基于本體的機械產品概念設計系 J］ ． 機械管理開發(fā)，2010 （ 4 ） ： 1316. 統(tǒng)的研究 ［ ［ 18］ 杜春 . 產品設計標準實訓教材 ［M］ . 北京： 人民郵電出 版社，2010 ： 16. ［ 19］ ULLMAＲ D G. 機械設計過程 ［M］ . 北京： 機械工業(yè)出版 社，2006.

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結束語
本文探索基于本體的機械產品設計知識表示方法，通

過對身管產品設計所涉及的基本產品設計知識分類 、 設計 流程的總結，實現了對身管設計的知識表示和本體構建， 驗證了本體理論在產品設計知識表示方面的應用，為改善 產品設計中的產品設計知識表示問題提供了新的解決思 路。具體貢獻包括以下兩方面： ①面向產品設計過程，分 析了產品設計知識包含的內容，結合實際生成產品設計知 識本體，確定了產品設計本體的領域和范圍，從而形成了 一個完整的產品設計多學科知識本體的構建方法 。 ② 針對 身管產品設計領域中涉及的基本產品設計知識，結合提出 的本體構建流程，利用 Protégé 本體開發(fā)工具實現了身管 本體的構建，包括定義類和類層次、定義類的屬性、 定義 類間關系、定義個體實例，以及用 Protégé 及其可視化插 件實現了本體查詢和可視化顯示 �！� 參考文獻
［ 1］ BOＲST P， AKKEＲMANS H， TOP J. Engineering ontologies ［ J］． Int J HumComput Stud，1997 ，46 （ 2 /3 ） ： 365406. ［ 2］ KITAMUＲA Y. A functional concept ontology and its application to automatic identification of functional structures ［J］ ． Adv Eng Inf，2002 ，16 （ 2 ） ： 145163. ［ 3］ BOHM M Ｒ， STONE Ｒ B， SZYKMAN S . Enhancing virtual product representations for advanced design repository systems ［J］． Computing and Information Science in Engineering， 2005 ，5 （ 4 ） ： 360372.

作者簡介: 吳鵬， 男，1976 年 生， 博 士， 副 教 授。 研 究 方向: 知識管理，本體工程。 王曰芬， 女，1963 年 生， 博 士， 教 授。 研 究 方向: 知識工程。 丁晟春， 女，1971 年 生， 碩 士， 副 教 授。 研 究方向: 信息管理系統(tǒng)，本體工程。 顏端 武， 男，1976 年 生， 博 士， 副 教 授。 研 究方向: 智能信息檢索，數據挖掘。 高升， 男，1986 年 生， 碩 士。 研 究 方 向: 知 識工程。 收稿日期: 2013 － 03 － 18

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  本文關鍵詞：基于本體的機械產品設計知識表示研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。