（机械设计及理论专业论文）基于语义网技术的机械设计方法和技术研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 随着人工智能和互联网技术不断交叉融合，第三代万维网一语义网及其相关技术正 迅猛发展并日渐成熟。语义网技术的主旨在于实现跨平台跨系统的知识共享、知识重用、 互操作，并最终实现信息、知识自动处理和应用。当前，生物医疗、地理信息、图书情 报等各领域正积极开展语义网技术的应用研究。语义网技术在机械设计领域中的应用研 究也已起步并逐渐成为研究热点。然而，目前基于语义网技术的机械设计研究主要集中 在设计知识共享、设计知识重用以及跨平台互操作等知识集成方面，对基于语义网技术 的机械设计方法和设计信息自动处理等方面却鲜有研究涉足。在国家自然科学基金项目 “面向中小企业的基于c a d 知识和工程语义的设计知识重用研究的支持下，本文就 语义网技术对机械设计中的创新设计、变型设计、详细设计的支持方式和方法进行了研 究，主要工作如下： 在对现存本体构建方法进行全面综述的基础上，参考其他领域本体构建方法，总结 归纳出一种较全面的领域本体构建方法。其中提出的针对典型应用中间扩展本体建模 法，可使本体在任何进化阶段都保证完整地回答一部分能力问题。提出的体现本体建模 原则强一致弱耦合的分而治之本体建模法，可解决一次性构建大本体本体承诺过多，不 利于重用的难题。并以需求设计本体的构建为例，对此方法进行了实例分析。 在创新设计方面，根据技术创新理论t r i z 的重要发现跨领域重用创新知识和经验 可提高技术创新的等级，以t r i z 理论的冲突矩阵为基础，构建了可跨领域统一描述技 术创新案例创新本质的语言一技术创新本体，并提出基于本体的技术冲突解决方法，给 出基于本体的技术冲突解决流程。此方法可跨领域检索、共享创新本质相似的创新案例， 并以相似案例辅助克服传统冲突矩阵的两个应用瓶颈：具体技术冲突标准化和标准解具 体化。 在变型设计方面，针对基于范例推理方法所面临的主要问题：范例表示和范例修改， 提出一种基于领域c b r 本体的范例表示和范例修改方法。该方法引入本体表示范例， 提高了范例库的共享性、重用性；明确定义范例特征之间的关系，精确了范例的内容意 义；本体的一致性检查，确保了范例的有效性。添加范例特征意图项指导范例修正，使 范例修正在对范例特征意图明确的基础上进行，可避免源范例原己避开的错误，提高范 例修正的成功率。 在详细设计方面，共做了两方面探讨：基于隐含知识的技术文档检索和基于本体和 m a s 的文档知识自动应用。首先，提出“以隐含知识作为检索对象检索出的技术文档 同样具有参考价值”的思想，并基于此提出基于本体的技术文档隐含知识检索框架。应 基于语义网技术的机械设计方法和技术研究 用s w r l 规则对本体实例知识库中对应技术文档的显式知识进行推理扩展，得出隐含知 识作为语义检索的检索对象检索技术文档，提高了语义检索的查全率。其次，借鉴语义 网架构思想，提出由计算机基于文档内容含义查找所需文档片段，读懂文档片段所含知 识并自动予以应用的基于本体和m a s 的机械设计智能文档框架。从标注对象和插入语 义信息两个维度给出实现智能文档框架所需的细粒度语义标注的基本特征。接着提出实 现智能文档框架必须针对不同知识类型采取不同标注策略的思想。在此基础上，提出了 符合f i p a ( f o u n d a t i o nf o ri n t e l l i g e n tp h y s i c a la g e n t s ) 智能a g e n t 参考模型标准的基于 本体和m a s 的机械设计智能文档框架，并介绍了框架的主要组成部分以及各自功能： 一个a g e n t 平台、四个a g e n t 社会以及机械设计本体库。最后对该框架在语义标注、语 义检索、文档知识自动应用三个方面进行应用分析。 以上述各方法为单元技术，提出了可对创新设计、变型设计、详细设计进行全面支 持的基于语义网技术机械设计集成系统框架，并对框架的组成部分和实现方案进行了阐 述。以斗轮挖掘机的设计为例，给出了上述各方法的实例分析，验证了语义网技术在机 械设计中应用的可行性。 最后，总结了全文的主要研究成果及创新点，并给出了未来的研究方向。 关键词：本体；语义网；创新设计；c b r ；机械设计；智能文档；f i p a ；s w r l 大连理工大学博士学位论文 s e m a n t i cw e b t e c h n o l o g yb a s e ds t u d yo nm e c h a n i c a ld e s i g n m e t h o d sa n dt e c h n i q u e s a b s t r a c t w i t ht h ec r o s sm e r g i n go fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n di n t e r n e tt e c h n o l o g i e s ，t h es e m a n t i c w e bt e c h n o l o g i e s ，w h o s ea i mi s r e a l i z i n gt h ea u t o m a t i cm a n i p u l a t i o no fi n f o r m a t i o n c o n t a i n e di nn o r m a lw e b p a g e s ，a r ed e v e l o p i n gf a s ta n db e c o m i n gr i p e a tt h es a m et i m e ，i n m a n yf i e l d sl i k eb i o l o g y ，g e o g r a p h y ，l i b r a r ya n di n f o r m a t i o ne t c ，t h ea p p l i c a t i o ns t u d i e so f s e m a n t i cw e b t e c h n o l o g i e sa r ea l r e a d yu n d e rw a y t h ea p p l i c a t i o ns t u d yo fs e m a n t i cw e b t e c h n o l o g i e si nm e c h a n i c a ld e s i g nf i e l di sa l r e a d ys t a r tu pa n db e c o m i n gr e s e a r c hf o c u s w l l i l e ，a tp r e s e n t , r e s e a r c ha c t i v i t i e sa r em a i n l yf o c u s e do ni n f o r m a t i o na n dk n o w l e d g e i n t e g r a t i o n , f o re x a m p l e ，d e s i g nk n o w l e d g es h a r i n g ，r e u s i n ga n d c r o s s p l a t e f o r m i n t e r o p e r a t i o ne t c f e ws t u d i e sd e v o t et h e m s e l v e si n t ot h es t u d i e so fs e m a n t i cw e b t e c h n o l o g i e sb a s e dm e c h a n i c a ld e s i g nm e t h o d sa n da u t o m a t i cu t i l i z a t i o no fd e s i g n i n f o r m a t i o n f u n d e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c tn a m e d “s t u d yo nc a d k n o w l e d g ea n de n g i n e e r i n gs e m a n t i cb a s e dd e s i g nk n o w l e d g er e u s eo r i e n t e db ym i d d l ea n d s m a l le n t e r p r i s e ”，t h i st h e s i sp e r f o r m ss e v e r a l k e yt e c h n i q u e ss t u d i e so no n t o l o g ya n d s e m a n t i cw e bb a s e dm e c h a n i c a ld e s i g n o n 龇b a s i so fs u m m a r i z i n gt h ee x i s t e n to n t o l o g yc o n s t r u c t i o nm e t h o d s ，b yc o n s u l t i n g o t h e rd o m a i no n t o l o g yc o n s t r u c t i o nm e t h o d sa n db y c o m b i n i n gp e r s o n a le x p e r i e n c ei n m e c h a n i c a ld o m a i no n t o l o g yc o n s t r u c t i o n ，ad o m a i no n t o l o g yc o n s t r u c t i o nm e t h o d ，w h i c hi s c o n s i d e r e dt ob em o r ec o m p r e h e n s i v e ，i sp r o p o s e d 。w i t ht h ec o n s t r u c t i o no fr e q u i r e m e n t d e s i g no n t o l o g ya sac a s e ，t h ep h e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o di sp r o v e d w i mr e g a r dt ot h ei n n o v a t i v e d e s i g n ，b yc o m b i n i n go n t o l o g ya n ds e m a n t i cw e b t e c h n o l o g i e s ，w h i c ha i mt or e a l i z er e u s ea n ds h a r i n go fi n f o r m a t i o na n dk n o w l e d g e w i t h t h e o r yo fi n v e n t i v ep r o b l e ms o l v i n gt z ，m e t h o do fs o l v i n gt e c h n i c a lc o n f l i c tb a s e do n o n t o l o g yi sp r o p o s e da n dt h ef l o wc h a r to fs o l v i n gt e c h n i c a lc o n f l i c tb a s e do no n t o l o g yi s g i v e n b ym a k i n gu s eo fo n t o l o g yc o m p i l es o f t - w a r ep r o t d g da n do n t o l o g yd e s c r i p t i o n l a n g u a g eo w l ，o nt h eb a s eo ft e c h n i c a lc o n f l i c ts o l u t i o nt h e o r y ，w h i c hc o m e sf r o mt r i z ，t h e t e c h n i c a li n n o v a t i o no n t o l o g yi sc o n s t r u c t e d ，w h i c hp a v e sw a yf o ro n t o l o g yb a s e dt e c h n i c a l i n n o v a t i o ni ns e m a n t i cw e bi nt h ef u t u r e w i t hr e g a r dt ot h ea d a p t i v ed e s i g n ，an e wc a s er e p r e s e n t a t i o na n dc a s er e v i s i o nm e t h o d b a s e do nd o m a i nc b r o n t o l o g yi sp r o p o s e d i nt h i sm e t h o d ，t h er e u s a b i l i t yo fc a s eb a s ei s i m p r o v e db y m a k i n gu s eo fo n t o l o g yt or e p r e s e n tc a s e s t h es u c c e s s f u lr a t eo fc a s er e v i s i o ni s r a i s e db ya d d i n gc a s ef e a t u r ei n t e n t i o nc l a s st od o m a i nc b r o n t o l o g y f i r s t l y ，w i t hc l a s s i c a l i i i 基于语义网技术的机械设计方法和技术研究 c o n c e p to fo n t o l o g ya n dc b rt h e o r ya sf o u n d a t i o n ，t h ed e f i n i t i o na n dc o m p o n e n t so f d o m a i n c b r o n t o l o g ya r ea b s t r a c t e d s e c o n d l y ，t h es u p e r i o r i t i e so fo n t o l o g yo v e rt r a d i t i o n a lw a yo f c a s er e p r e s e n t a t i o na r eg i v e na n dt h ek e yc l a s so fd o m a i nc b ro n t o l o g y c a s ef e a t u r e i n t e n t i o nc l a s sa n di t sf u n c t i o na l ee m p h a t i c a l l yi n t r o d u t e d t h i r d l y ，t h ed e t a i l e dp r o c e s s e so f c o n s t r u c t i o no fd o m a i nc b ro n t o l o g ya n dc a s er e v i s i o nb a s e do nd o m a i nc b ro n t o l o g ya r e g i v e n i nt h ee n d ，d o m a i nc b ro n t o l o g yo f b u c k e tw h e e l ，n a m e db u c k e tw h e e lc b r o n t o l o g y ， i sd e s c r i b e di no w l w i t l lr e g a r dt ot h ed e t a i l e dd e s i g n ，t w oa s p e c t e ss t u d ya r ep e r f o r m e d f i r s to fa l l ，a f r a m e w o r ko fo n t o l o g yb a s e dt e c h n i c a ld o c u m e n tt a c i tk n o w l e d g er e t r i e v a li sp r o p o s e d i n t h i sf r a m e w o r k ，b yu s i n gt h es w r lr u l et oe x t e n tt h eo n t o l o g yi n s t a n c ek n o w l e d g eb a s e ，t h e t a c i tk n o w l e d g ei so b t a i n e d a n ds oa st os e r v ea sr e t r i e v a lo b j e c t i nt h i sm e t h o dt h er e c a l l r a t i oo fs e m a n t i cr e t r i e v a li si m p r o v e d s e c o n d l y ，b yb o r r o w i n gi d e af r o mt h es e m a n t i cw e b v i s i o na n de m p l o y i n gs e m a n t i cw e ba n dm a s t e c h n o l o g i e s ，a 1 1a r c h i t e c t u r eo fo n t o l o g y 。a n d m a s b a s e dm e c h a n i c a ld e s i g ni n t e l l i g e n td o c u m e n t ( o m b m d i d ) ，w h i c hc a ne n a b l e i n t e l l i g e n ta g e n t st ol o c a t en e e d e dd o c u m e n ts e g m e n t so r i e n t e db ym e a n i n g ，g r a s pt h e k n o w l e d g ec o n t a i n e di nd o c u m e n t sa n dp u ti ti n t ou s ea u t o m a t i c a l l y ，i sp r o p o s e d f i r s t l y ，t h e r e s e a r c hc o n t e x ta n dp o s i t i o n i n go ft h i sp a p e ra r ed i s c u s s e d t h e n ，a i m i n ga tk n o w l e d g e c o n t a i n e di nm e c h a n i c a ld e s i g nd o c u m e n t s ，s e m a n t i ca n n o t a t i o ng r a n u l a r i t ya n ds e m a n t i c a n n o t a t i o nc a t e g o r i e sa r ea n a l y z e d o nt h eb a s i so fa b o v ea n a l y s e s ，t h ea r c h i t e c t u r eo f o m b m d i di s p r o p o s e d t h ea p p l i c a t i o na n a l y s i s a b o u ts e m a n t i ca n n o t a t i o n ，s e m a n t i c r e t r i e v ea n da u t o m a t i cu t i l i z a t i o no fd o c u m e n tk n o w l e d g ea r ea l s og i v e n w i t hm e t h o d sp r o p o s e da b o v ea su n i tt e c h n i q u e s ，t h es e m a n t i ct e c h n o l o g yb a s e d m e c h a n i c a ld e s i g ni n t e g r a t e ds y s t e mf r a m e w o r k ，w h i c hi sd e s i g n e dt os u p p o r ti n n o v a t i v e d e s i g n ，a d a p t i v ed e s i g na n dd e t a i l e dd e s i g n ，i sp r o p o s e d mc o m p o n e n t so f t h i sf r a m e w o r k a n di t si m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u e sa r ea l s oi n t r o d u c e d i nt h ee n d ，w i t hb u c k e tw h e e l e x c a v a t o ra sc a s e ，t h ec a s es t u d ya b o u ta b o v em e t h o d sa r eg i v e n ，t h ef e a s i b i l i t yo fs e m a n t i c w e b t e c h n o l o g yb a s e dm e c h a n i c a ld e s i g ni sp r o v e d i nt h ee n d ，t h em a i ns t u d yr e s u l t sa n di n n o v a t i o np o i n t si ss u m m e du p t h ef u t u r e r e s e a r c hd i r e c t i o n sa r ea l s od i s c u s s e d k e yw o r d s ：o n t o l o g y ；s e m a n t i cw e b ；i n n o v a t i o nd e s i g n ；c b r ；m e c h a n i c a ld e s i g n ； i n t e l l i g e n td o c u m e n t ；f i p a ；s w r l i v 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：整量盗兰旦堕堑鱼垫盛! 垒! ! 查! 丛堇蛩壹 卫、 作者签名：壹 日期：丑年上月! l 日 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：塞童数堕垄垄鱼垫魁迨过查! 筮空煎苤蛩鱼 作者签名：姜堑 日期：兰盟二年l 月二2 日 导师签名： 枣达日期：斗年l 月二上日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 本课题的研究背景和研究意义 1 1 1 机械设计发展概述 工业发达国家，即欧美和日本各国机械设计的发展大致经历了以下四个阶段【l j ： 第一阶段，摇篮期由设计公式进行的经典设计。这个阶段是指从工业革命起到 第二次世界大战以前的漫长时期，当时，机械工业生产主要在欧美各国进行，他们的设 计是依据经典设计公式的组合进行的。力学各分支的发展，加上在机械制造中积累的丰 富经验，为机械设计的实验、试验和理论研究奠定了基础，确立了基本观念，形成了基 本体系。这个时期的科学家也做了不少基础性的工作。 第二阶段，成长期以经验为主的实验设计。这个阶段是在第二次世界大战中和 战后，主要是在美国，这是机械工业在数量方面扩大生产的时代。这一阶段的机械设计， 主要是通过机器或模型试验获得基本数据，然后以此进行设计。日本机械工业在这个阶 段，屡次从美国引进技术。可以说在这期间，日本生产的机械几乎是欧美各国机械的抄 本，所以他们自称为“模仿设计”阶段。由于战后世界经济的复苏和发展，经典设计的 理论和方法在这个阶段得以完备，极大地适应和促进了当时机械工业的发展。另一方面， 在工业发达国家，各种现代机械设计的理论也在孕育之中。 第三阶段，发展期以静态解析为主的理论设计阶段( 1 9 6 0 1 9 8 0 年) 。是机械设 计由实验设计转入理论设计的发展阶段，1 9 6 0 年以后，在机械生产数量增加的同时，要 求提高产品质量，改进机械性能，出现了应用液压技术、电子技术等系列设计。在进行 机械设计时，机械性能的确认，不再是实验验证，而是应用理论推导的方法完成，由于 运用了电子计算机技术，经典设计方法不能解析的静态和动态问题变得清楚明确了。这 个阶段由于电子计算机的广泛应用，使各种现代机械设计的理论和方法得到发展，并日 臻完善，形成体系。表现在： ( 1 ) 提出有限元、差分法和边界元法的精确分析，对复杂结构的强度、刚度、润滑、 振动、传热等问题进行数值计算； ( 2 ) 提出最优化设计的要求和方法； ( 3 ) 提出可靠性设计和概率设计； ( 4 ) 提出设计方法学； ( 5 ) 提出机械零件设计的断裂力学方法。 基于语义网技术的机械设计方法和技术研究 第四阶段，成熟期一以动态解析为主的理论设计。进入8 0 年代以来，一方面，人 们已不再是盲目扩大生产，而是到了提高产品质量、降低生产成本，占据市场的时代。 由于机械生产日益向高速、高效、精密、轻量化和自动方向发展，产品结构日趋复杂， 因此对机械的工作性能要求也越来越高。为使机械安全可靠地工作，其结构系统必须具 有良好的静、动特性。另一方面，随着人们的环境保护意识增强，机械在工作中的振动 和噪声，严重地污染环境，损害操作者的身心健康，成为亟待解决的社会问题。为此， 由静态解析为主的设计开始向动态解析转移，以满足机械静、动特性和低振动、低噪声 的要求。人们提出了机械动态设计的现代设计方法。机械动态设计，是根据机械结构和 所应具备的性能，进行动力学建模，由此得到反映实际机械系统的动态特性数学模型。 目前较为成熟的有如下几种方法： ( 1 ) 机械的机能解析建模法； ( 2 ) 机械结构动力分析的有限元建模法； ( 3 ) 传递矩阵建模法； ( 4 ) 试验模态分析建模法； ( 5 ) 机械结构动力学混合建模法。 第五阶段，结合计算机和互联网的机械设计。由于计算机、互联网的飞速发展，现 阶段的机械设计已经与它们紧密地结合起来，并且由此得到了进一步地促进和提高。例 如各种机械协同设计分析软件及绘图软件的出现都对更好地进行机械设计提供了非常 大的帮助。因此，机械设计的下一个阶段将是借助计算机和互联网去实现的崭新的机械 设计。 1 1 2 现代机械设计的特点和发展趋势 现代机械设计是用现代的、高科技的手段和技术来改造传统的机械产品设计方法， 从而建立起一套适用于现代社会的产品设计方法。现代设计是在传统设计基础上发展起 来的，它继承了传统设计的精华。现代设计首先是指一系列符合时代发展需要的设计观 念，在这些观念推动下，无疑会不断产生出许多新的方法和技术，而这些方法和技术本 身也是在不断变化和发展着的，但任何一组方法和技术的集合，都不能确切反映现代设 计这个词的全部内涵。现代设计方法和技术具有以下几个特剧2 】【3 1 1 4 1 ： ( 1 ) 信息化 信息化是指通过计算机利用信息技术来改造和革新产品设计的各个方面，也叫数字 化。数字仿真和虚拟现实在产品设计方面的应用具有巨大的潜力。虚拟现实技术是人的 想象力和电子学相结合而产生的一项综合技术，它利用多媒体计算机仿真技术构成一种 大连理工大学博士学位论文 特殊环境，用户可以通过各种传感系统与这种环境进行自然交互，从而体验比现实世界 更加丰富的感受。在并行工程的基础上大量使用仿真手段，包括构造产品的数字化模型 代替物理样机，并对这些数字化模型进行各种试验，特别是协同仿真试验，以便改进设 计质量，缩短设计周期，减少开发成本。采用这样的先进设计手段，可以大大提高设计 的质量和效果。 ( 2 ) 协同化 现代设计中，越来越多的产品设计开发需要分布在不同部门或场所、具有不同领域 知识的专家群组协同完成，如何实现这些时空上分布的设计人员的协调以及信息的实时 交互成为关键问题。协同设计正是针对解决这一问题的需要而提出的，其含义是组织多 学科人员和工作小组协同完成某一共同任务。协同设计强调设计者在适当的地点和时间 内获得适当的信息。协同设计技术涉及的领域很多，是计算机软硬件技术、行为科学、 认知科学、网络通讯、分布式处理、人工智能等多学科的综合交叉。协同设计中设计者 采用群体工作的方式，以发挥其在各自领域专业特长和主观能动作用，其目的是缩短产 品的开发周期、改善产品的质量、降低产品成本。 ( 3 ) 面向产品全生命周期 产品设计不仅仅进行产品的功能与结构设计，而且还要对产品的全生命周期，也就 是产品的规划、设计、制造、销售、使用、维修直至报废、回收处理全过程进行系统地 设计。全生命周期设计意味着在设计阶段就要考虑到产品生命历程的所有环节，以求产 品全生命周期设计的综合优化。全生命周期设计的设计人员，不但熟悉与自己相关的领 域，而且还要了解其他设计人员的工作领域，彼此清楚对方的设计意图。全生命周期设 计是一个系统集成的过程，它以并行的方式设计产品及其相关过程，力求使设计人员从 一开始就自觉地考虑产品整个生命周期从概念设计到报废处理的各个环节和所有因素。 全生命周期设计的最终目的是实现最优。以往的产品设计包括可加工性设计、可靠性设 计和维护性设计，而全生命周期设计不仅仅要考虑这些问题，还应考虑包括产品美观性、 可装配性、耐用性甚至产品报废后的处理等方面的问题。 ( 4 ) 创新性 现代设计强调激励创造冲动，突出创新意识，力主抽象的设计构思、扩展发散的设 计思维、多种可行的创新方案、广泛深入的评价决策，集体运用创造技法，探索创新工 艺试验，不断寻求最优方案。 ( 5 ) 智能化 智能化是现代设计技术在发展过程中体现出的智能化水平，直接决定设计方法的先 进性。以人工智能( a i ) 技术为基础的设计系统具有自动获取知识和自学习的能力，并通 基于语义网技术的机械设计方法和技术研究 过对已经提取的专家经验知识进行求精、提纯和验证，用知识来支持产品的概念设计、 初步设计和详细设计，以及改进设计，更新产品，提高产品的竞争能力。 总之，现代设计方法是过去的传统设计活动的延伸和发展，随着设计实践经验的积 累和不断上升为理论，是由个别到一般、具体到抽象、感性到理性，逐步归纳、演绎、 综合、发展起来的。由于科学技术进步的速度不断加快，特别是计算机和互联网技术的 出现和飞速发展，人们在掌握事物的客观规律和人的思维规律的同时，通过运用相关科 学技术原理和过去难以想象的综合集成现代科学技术的设计方法，使产品质量和综合性 能都能够得到空前地提升，增强产品在国际市场上的竞争能力。 1 1 3 本课题的研究意义 随着互联网和人工智能技术的不断交叉融合，旨在实现w e b 网页信息自动处理的 语义网( s e m a n t i cw e bs w ) 技术应运而生并不断发展壮大。随即，具有海量信息机器 处理需求的众多领域，例如：生物信息领域、地理信息领域以及图书情报领域等，均主 动出击，研究语义网技术在各自领域信息处理方面的可能应用。机械设计是一种信息和 知识密集型活动，机械设计的信息化和网络化更使机械设计信息数量呈指数级递增，语 义网技术必然可在机械设计信息集成和自动处理方面大显身手。研究基于语义网技术的 机械设计的具体和现实意义可以归结为以下三点： ( 1 ) 首先，语义网技术的引入为计算机辅助设计系统提供了实现信息和知识集成的语 义平台构建和应用技术，可促进机械设计在信息化、协同化等方向的进一步发展。 随着计算机技术、网络技术和人工智能的发展，现代机械设计在信息化、协同化、 面向全生命周期、创新性、智能化等几个方向均取得了引人注目的成果，但各自也都遇 到了制约自身发展的问题： 信息化 在设计信息化方面，针对单一系统的数字仿真和虚拟样机技术已日趋成熟，例如， 液压仿真、运动以及动力学仿真等。但对于大型复杂系统的突发性行为进行虚拟仿真时 需要对整个机械系统在运动学、动力学、装配、有限元、液压以及控制等各个方面进行 联合模拟。而大部分仿真子系统均采用专属自身的仿真模型以及模型表示方式【5 】【6 】，例 如，p r o e n g i n e e r 、a n s y s 等，造成在对系统级行为进行联合仿真时各个仿真模型之间无 法有效通信，互操作困难。因此，构建一个共同的信息模型来定义各仿真子系统之间需 要共享的仿真概念，使系统级联合仿真中的各子系统能够在统一的语义平台上进行有效 实时通讯，是实现复杂机械系统系统级联合仿真的关键。 协同化 - 4 - 大连理工大学博士学位论文 协同设计环境可以看作多a g e n t 系统。每个设计a g e n t 掌握各自领域的知识，能够 解决来自各自领域的问题。通过知识共享和交互，多个a g e n t 共同解决一个复杂的设计 问题1 7 j 。然而当前协同设计环境中的设计知识存在以下三个缺陷，使a g e n t 之间知识共 享和交互效率大打折扣：存在大量隐含知识；即使是显式表示的知识，相同知识， 不同a g e n t 所用的模型、表示方法和词汇均存在差异；各代理所掌握的知识之间存在 着冗余、矛盾、不健全等问题。为提高知识共享和交互效率，协同设计需要在统一的知 识模型、词汇和表示方式的基础上构建一个集成知识库【| 7 1 ，消除异构信息源的不一致性， 实现各设计a g e n t 之间的高效知识共享和交互，从而实现高效的设计协同。 面向产品全生命周期 全生命周期设计建立在各个部门的设计人员相互合作的基础上。在产品设计活动 中，各个部门人员相互信任、共享信息、有效沟通，及早发现和解决产品生命周期中的 各种问题瞵j 。由于是对同一种产品对象进行设计，要求产品各个环节的设计人员必须运 用统一的设计模型。同时，对设计模型具有统一的理解，要求设计人员在表达产品制造、 生产设备管理等方面必须采用统一的知识表达方式。然而，参与全生命周期设计的来自 不同部门的设计人员对相同知识的表示方法存在差异，制约了设计人员之间的信息共享 和有效沟通。因此，有必要构建一共同的语义平台，作为各部门设计人员进行产品全生 命周期设计过程中有效沟通和交流以及共享知识的语义基础。 创新性 技术创新理论t r i z 认为，创造发明和解决技术矛盾的原理往往属于其他领域，欲 获得较高等级的创新必须跨领域重用创新知识和经验【9 】。然而，当前缺乏一种能够跨领 域统一描述创新基本问题和基本解的语言，使设计者在进行创造发明时无法跨领域共享 创新知识和经验，只能借鉴本领域或相近领域创新原理和成果，创新等级低下。有必要 构建一门能够统一描述创新案例本质( 基本问题和基本解) 的语言，促进创新本质相同 的创新案例实现跨领域共享，从而促进产品设计过程中的技术创新等级地普遍提高。 智能化 基于知识的设计是智能设计的主要方式l l o l 。知识获取困难是阻碍基于知识设计发展 的最大难题。共享和重用相同或相似设计系统的知识库显然是解决知识获取困难的方法 法之一。但当前，由于各知识系统构建知识库的语言、模型以及对同一知识的认识存在 差异，造成相似知识系统之间无法实现知识库的共享和重复应用。对类似知识库的重复 建设无谓地浪费着宝贵的人力资源。因此，有必要构建能够达成机械设计各领域共识的 机械设计知识库构建共享框架。该框架中包含机械设计各领域达成共识的，以概念和关 基于语义网技术的机械设计方法和技术研究 系的形式描述的基本知识。在此基础上，针对某一设计应用构建知识库时可以以此框架 为基础，同时可重用其它以此框架为基础的已有知识库。 由上述分析可知，缺乏实现各层面设计信息和知识集成的，可共享的统一设计信息 语义平台是制约现代机械设计向信息化、协同化、全生命周期、创新性、智能化等方向 进一步发展的共同原因。而近期在万维网领域崛起的语义网技术恰恰为构建以及应用此 语义平台提供了相应的解决方案。语义网技术是一种能表达网页内容“意义 的网络技 术，它可为万维网提供可共享的形式化语义平台，并在此基础上用机器能理解和处理的 方式链接起全球的资源，最终实现计算机对网页内容的理解乃至自动处理。语义网技术 主要包括：可扩展标记语言x m l 、资源描述框架r d f 、网络本体语言o w l 、本体、描 述逻辑、智能a g e n t 、语义标注相关技术和工具以及本体编辑工具等。近年来语义网技 术的研究相当活跃，产生了不少应用工具和系统，走过了只有想法和理念的阶段。特别 是欧洲和美国的研究和开发团队已研发出了一些实用工具和系统，让语义网技术具有了 实用的可能性。将语义网技术引入机械设计领域，将为构建以及应用上述实现机械设计 信息和知识集成的语义平台提供重要的技术支持，从而促进现代机械设计的进一步发 展。 ( 2 ) 其次，研究基于语义网技术的机械设计符合机械设计方法学发展的规律。 机械设计方法论的发展往往源于引入其他科技领域中的研究成果，例如，绿色设计、 仿生设计、智能设计、基于网络技术的设计等。其中智能设计和基于网络技术的设计即 是机械设计领域分别引入人工智能技术和互联网技术的结果。当前智能设计和基于网络 技术设计均取得了一定的阶段性成果，然而，在人工智能领域中，随着人工智能技术应 用范围的不断扩展，人工智能领域面临着应用系统之间知识共享和知识重用困难的新的 发展瓶颈；在互联网领域中，随着网络信息量呈指数级爆炸式增长，互联网领域中计算 机无法理解网页内容的含义以及查准率低等问题也日渐突出。上述问题同样体现在了机 械设计中的智能设计和基于网络技术的设计中，例如，基于知识设计应用系统的知识库 共享和重用困难、设计知识检索查准率低、海量的设计信息无法实现计算机自动处理等。 为解决上述问题，有必要将来自人工智能和互联网领域的旨在解决知识重用共享困难、 计算机无法理解网页内容以及查准率低等问题的语义网技术引入机械设计中，开展基于 语义网技术的机械设计研究。 ( 3 ) 最后，研究基于语义网技术的机械设计是适应互联网技术发展的必然要求。 语义网替代当前的万维网是大势所趋，语义网的兴起将使制造信息的展现平台从现 在的w e b 进一步发展到语义网之上，语义网的面向语义的特性为制造企业的信息共享、 知识共享提供了一个理想的环境。产品设计信息的处理也必然向这个方向发展，产品设 大连理工大学博士学位论文 计信息表达将由面向传统w e b 信息处理转向面向语义网的知识处理。可以预计，产品 设计信息将在新的语义网平台上实现知识表示与交换，从而进步实现支持知识处理的 产品设计信息共享和集成。因此，研究基于语义网技术的设计知识表示、存储、检索、 重用，以及对基于语义网技术的新的设计方式方法的探讨必将成为新的研究热点。 1 1 语义网技术在机械设计中应用的研究现状 目前，虽然语义网技术在机械设计中的应用研究刚刚起步，却已经涉及到了机械设 计的诸多方面，主要表现在： ( 1 ) 在产品零部件信息重用中的应用 共享和重用产品设计信息可以帮助设计者在开发新产品时减少耗时和开销，并有利 于产品族的设计。一个好的恰当的产品及其零部件的表达机制对于共享和重用产品设计 信息至关重要。文章 11 】提出一种用本体表示产品及其零部件的方法，使对产品及其零 部件的描述更易于计算机理解，基于语义的检索提高了查找满足用户需求和功能需要的 产品及其零部件的速度和准确性。 ( 2 ) 在产品信息语义交换中的应用 s t e p ( i s 0 1 0 3 0 3 ) 标准在产品数据交换中仅仅具有语法信息而不具备语义信息，为了 克服这一缺陷，有关学者对产品信息语义交换给予了关注【1 2 】【1 3 】。为实现产品信息语义的 互操作，密歇根大学p a t i l 等人将产品本体p s r l 作为语义交换的标准中介，即产品语义 表示语言( p r o d u c ts e m a n t i cr e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e ，p s r l ) t 1 4 j 。以p s r l 本体作为产品 信息的形式化表示。所谓产品语义的互操作，是指在遍及产品开发过程中的信息资源( 如 不同的c a d 系统或c a d c a m 系统) 之间，自动地进行数据语义的交换。开发p s r l 本 体的目的在于为产品数据的语义表示建立一个必要的需求基础。p s r l 本体以n i s t 的 核心产品模型c p m 为基础，采用u s h o l d 的骨架法作为开发方法论，以描述