基于本体面向工艺设计过程的知识管理的研究样本

基于本体面向工艺设计过程知识管理研究摘要：工艺知识种类繁多，有各种知识表达办法，而本体可觉得知识共享和重用提供手段。提出了工艺知识本体三个层次，明确了与工艺知识关于概念和术语层次关系。举例阐明了工艺知识中领域概念提取，并以领域概念为例阐明了工艺知识本体建模及OWL语言表达。本文重要针对面向工艺设计过程知识管理，明确了面向工艺设计过程各种工艺知识需求。基于上述研究，阐述了工艺知识查询时本体发挥作用。最后简介了基于本体工艺知识管理系统框架以及原型系统开发办法。核心词：工艺知识；知识管理；本体；工艺设计ResearchonKnowledgeManagementforProcessPlanningBasedonOntologyAbstract：Therearemuchmorekindsofprocessknowledgeandrepresentationmethodsforit，ontologycouldbeusedinknowledgesharingandreusehere.Threetiersofprocessknowledgeontologywerepresentedinthispaper.Theconceptsrelatedprocessknowledgeandtheirtierrelationwereexpressed.Byexamples，theextractionofconceptfromprocessknowledgewasillustrated；modelingandOWLrepresentationofprocessknowledgeontologywereexplainedalso.Inthispaper，knowledgemanagementforprocessplanningwasstudiedmainly，requirementofprocessknowledgeinprocessplanning’sdifferentstagewaspresented.Basedontheresearchabove，ontologycouldbeusedtoplayanimportantroleinprocessknowledgequery.Atlast，theframeworkanddevelopmentmethodofprototypesystemofprocessknowledgemanagementwasintroduced，andthesystemwasbasedonontology.Keywords：processknowledge；knowledgemanagement；ontology；processplanning0引言工艺知识是公司宝贵财富，也是制造公司核心竞争力一某些，高效地记录、表达和再运用这些知识是公司追求目的。工艺设计人员需要拥有工艺设计有关知识整体视野，将不同知识点按照详细工艺设计过程联系起来，对公司中完毕工艺设计任务所需各种信息、经验、办法和过程进行充分运用。而本体可以将领域中各种概念及互有关系显式、形式化表达出来，工艺知识本体是对工艺设计过程中所有知识对象内在关系上一种深刻描述，它可以协助实现知识共享和再用。因而，有必要进行基于本体工艺知识管理研究。1工艺知识本体1.1工艺知识分类工艺知识是在公司设计、生产准备、制造和经营管理活动中,贯穿产品全生命周期与工艺关于知识，可将其划分为基本理论知识、工艺设计知识、工艺管理知识和工艺情报四大某些[1]。本文重要研究面向工艺设计过程工艺知识管理，在不特殊声明时以工艺知识简称。工艺知识大体可分为：1）工艺资源信息,涉及手册数据和资源数据。手册数据是指工艺设计手册及各类工程原则中与工艺设计关于工艺数据;资源数据是指与特定加工环境密切有关所有工艺数据,如机床、刀具、量具、夹具和辅具等信息。2）工艺实例,指已经完毕了工艺规程设计零件及其相应工艺规程(实例工艺)。3）工艺决策知识,由经验性规则(如加工办法选取规则,机床、刀具、夹具、量具选取规则等)、过程性算法及对工艺决策过程进行控制知识等构成[2]。此外，尚有从加工过程中实体及其互相间关系角度[3]，从静态工艺知识和动态工艺知识角度[4]进行分类等。工艺知识种类繁多、来源广泛，难以使用单一知识表达办法。当前一阶谓词、产生式规则、框架、语义网络等已经应用于工艺知识表达中，对同一知识表达可以采用各种办法,但各自效果却不相似。经常需要把几种表达模式并用,以便取长补短。相应不同知识表达和推理办法，会有不同知识系统。而本体可觉得知识（或资源）共享和互操作提供手段。1.2工艺知识本体层次构造本体是一种源于哲学概念,原意是指事物本源及本性。日后被人工智能领域引入,特指对概念化显式阐明(anontologyisanexplicitspecificationofaconceptualization.)[5]。本体可以将领域中各种概念及互有关系显式、形式化表达出来,因而在语义方面发挥着重要作用。从本体角度考虑工艺知识，并参照关于本体论研究与开发层次，将工艺知识本体划分为如图1所示三个层次。顶级本体顶级本体（刻划通用概念知识）工艺领域本体（刻划领域概念知识）元知识本体（刻划控制性知识）应用本体（刻划详细工艺知识）本体表达语言图1工艺知识本体研究层次1)顶级本体重要研究非常通用概念，如，事物、对象、事件、行为、过程、任务、权限等，它们完全独立于特定问题或领域。因而可以说顶级本体是在一种很大范畴内共享。2)第二层元知识本体中元知识是指关于知识知识，如用于工艺知识表达规则、框架、语义网络等；在同一层上工艺领域本体刻划是领域概念知识，工艺领域概念涉及：BOM、零件、特性、材料、设备等，通过本体对领域概念知识理解在领域内应当是明确和无二义性。3)第三个层次上应用本体则描述特定应用，它既可以引用所涉及特定领域本体中概念，又可以运用出当前元知识本体中概念；详细工艺知识涉及：工艺实例、工艺决策等。本体描述和操作语言为各个层次上本体提供表达、开发和操作工具。工艺知识本体概念层次见表1。表1工艺知识本体概念层次顶级本体通用概念事物对象事件行为…工艺领域本体概念特性零件设备材料…元知识本体术语框架规则语义网络…详细工艺知识术语工艺实例工艺决策…本文重要研究第二层工艺领域本体。下面以领域概念“机床”为例，阐明各工艺知识中所包括领域概念，机床类是设备类子类。1.1节划分三类工艺知识涉及：工艺资源信息、工艺实例和工艺决策知识，它们均属于第三层应用本体刻划详细工艺知识，其中工艺资源信息手册数据有机床文档型知识，资源数据有可以用框架等知识表达办法表达机床知识；工艺决策知识中有可以用产生式规则表达机床选取规则等，这些工艺知识均可提取出领域概念“机床”，并运用了元知识本体中规则及框架。1.3工艺知识本体建模及表达本体概念化描述即通过各种知识表达元素将这些概念之间关联表达和反映出来,Perez等人用分类法组织本体，归纳出5个基本建模元语[6]，仍以机床为例进行阐明：(1)类(classes)或概念(concepts)指任何事务，如工作描述、功能、行为、方略和推理过程。从语义上讲，它表达是对象集合，如在机床类型中分为车床、镗床、钻床、刨床、插床、磨床、铣床等。概念属性反映是概念实体所具备静态语义特性，它们与上下文没有什么关系，例如机床静态属性，重要是对机床管理信息和机床自身加工特性进行描述，管理特性是一组与设备资源管理有关信息集合，如设备编号、设备类型、设备规格、生产厂家、台时费用、所属车间、工段及单元等；加工特性是指与设备加工关于信息集合，如加工类型、加工精度、加工范畴、坐标轴、工作台及刀库、可代替设备序列等；(2)关系(relations)指在领域中概念之间交互作用，概念间关系反映是一种动态语义特性，即显示是实际所要描述知识个体在所处环境中与周边个体互有关联状态。如子类关系(subclass-of)。如在车床类中,又可以分为立式车床、普通卧式车床、六角车床、仿形及多刀车床等。它们就是车床子类。此外，尚有part-of，kind-of，instance-of，attribute-of等关系。在实际建模过程中，概念之间关系不限于上面列出几种基本关系，可以依照领域详细状况定义相应关系。(3)函数(functions)一类特殊关系。该关系前n-1个元素可以唯一决定第n个元素。(4)公理(axioms)代表永真断言，例如，如果概念C1与概念C2存在同义词关系，如机床决策与机床选取事实上是同一概念，则概念C2与C1也存在同义词关系，该公理可表达如下：(5)实例(instances)代表元素。从语义上讲实例表达就是对象。在逻辑表达基本上可以采用许多格式来承载语义模型,例如XML语言、关系数据库模式,甚至是面向对象编程语言,本文采用OWL语言来承载语义模型。OWL语言一种明显特点是可以把所需要描述信息语义化地显式地表达出来,并且这种对语义表述是统一,并已经实现一定层次上原则化,这就意味着计算机在对各类知识表达进行理解时候不需要拥有特定领域内知识以及特定领域内知识描述方式作为前提,同步OWL语言对本体构造和描述可以是分布式,这样就大大提高了本体构造和描述可操作性和效率。摘取某些用OWL语言编写工艺领域本体，仍以机床为例，领域空间和本体概况定义略去，节选如下:<owl:Classrdf：ID=＂车床＂><rdfs:subClassOf><owl:Classrdf：ID=＂加工设备＂/></rdfs:subClassOf><owl:disjointWithrdf:resource=＂铣床＂/><owl:DatatypePropertyrdf:ID=＂机床加工范畴＂><rdfs:domainrdfresource="#加工设备＂/><rdfs:rangerdf:resource=".org//XMLSchema#string"/></owl:DatatypeProperty></owl:Class>这些词汇内在丰富语义和互相之间制约关系在本体“车床”中用OWL明确地得以表达，计算机正是通过这种“概念化阐明”来理解这些标注词汇，进而从语义上理解这些词汇所示工艺知识。2面向流程应用本体工艺知识查询2.1工艺知识存储实现工艺知识有效管理一方面要将工艺知识按其不同存在形式和特性进行鉴别、提取和整合,分别建立相应知识子库进行专业化存储,知识子库构造依赖于其所存储知识特性。各类工艺知识物理存储构造需要与其表达办法相匹配。不同构造化限度知识表达办法存在差别,致使其相应存储方略与物理构造亦有不同,重要体现为所相应知识子库类型特性差别。对于工艺知识中工艺资源信息，涉及手册数据和资源数据等文档型知识、样本型知识，将分别相应于文档知识库、工艺资源库，而工艺实例、工艺决策知识等案例型知识、符号型知识和数量型知识将分别相应于案例库、规则库和模型库。另一方面,实现任何一种应用需求,往往需要分布在不同知识子库中各种类型知识协同和集成,这就规定对公司所有知识进行集成化管理。各知识子库间要有相应协同机制,以保证最后集成化知识库整体性能。工艺知识本体中概念，例如机床，横贯各知识子库,在知识库全局高度上揭示公司各种工艺知识类别、层次之间关系。2.2面向流程工艺知识需求知识管理重要任务是将恰当知识在恰当时候送给恰当人,因而既规定任何具备启发意义信息体都应当送给知识工作者,但是又不能推送过多无关信息。借鉴面向流程公司知识地图模型研究,该模型将公司知识以流程中活动为单位进行整合,提供问题有关知识集成视图，为公司知识管理与业务流程管理结合创造了条件[7]。在工艺设计过程中知识资源运用如图2所示。设计设计图纸相似实例检索工艺分析拟定工艺方案详细工艺设计工艺规程工艺实例工艺决策知识工艺决策知识工艺资源信息工艺资源信息图2面向工艺设计过程知识资源需求图（1）工艺设计人员依照设计图纸，一方面进行相似实例检索，这时要用到工艺实例知识，检索到完全同样实例时借用即可，有相似实例则以其为参照进行工艺设计，否则进行创成式设计。（2）在工艺分析和拟定工艺方案阶段，在考虑零件信息和工艺约束基本上，需要工艺决策知识和工艺资源信息，这时更多地应用机床和胎、夹具选取知识，并需要工艺资源能力信息。（3）在详细工艺设计阶段，需要工艺决策知识和工艺资源信息详细限度和侧重点会有很大不同，例如需要更进一步考虑刀具和量具等工艺资源信息，并需要更详细手册数据和资源数据。应用本体技术实现公司知识资源管理可以达到如下目的:由于本体具备一定逻辑推理能力,应用于各独立知识库知识分类管理中,可以较好地实现公司知识文档版本管理、知识衍生逻辑管理等一系列知识管理详细应用[7]。对于工艺知识管理研究，通过关系“is_the_simple_version_of”，来达到推送不同详细限度工艺知识目，关于该关系类型声明OWL代码不再赘述。2.3运用本体工艺知识查询通过对工艺知识本体建模和表达研究，工艺领域概念内在丰富语义和互相之间制约关系得以明确地表达。面向工艺设计过程，明确了工艺设计人员在不同阶段对工艺知识不同需求。这样，当工艺设计人员提出对工艺知识查询祈求，除了可以进行与查询条件精准匹配方式进行检索,即老式检索方式外，还可以通过如下途径进一步发挥本体巨大作用：运用本体对知识表述先进性,检索出与检索概念具备同义、父子、整体与某些等语义关系信息；运用知识本体概念有关度和相似度分析，来进行语义检索；运用本体进化对顾客查询所表达蕴含信息进行检索；依照工艺设计过程不同阶段，检索并推送不同版本工艺知识。以机床类知识为例，当以相似实例为参照进行工艺设计或寻找代替设备时，需要查询与实例相似机床知识。在本体库支持下，可以进行语义检索。分析本体建模元语，其中类或概念中概念属性反映是概念实体静态语义特性。对于概念结点而言，如果两个概念属性集相等，则以为两概念相等。可以通过属性集计算相似度S1。定义：()为概念A和B所共同拥有属性。定义：()为概念A拥有而概念B所没有属性。其中，取值依照实际状况决定。在实例层次上，针对属性结点，则比较属性定义域和值域。例如在详细机床属性中，有许多数值类型属性，针对定义域相似属性，计算公式为:式中：a，b是机床属性值，x表达属性间差别(或称为距离)，从属函数G(x)把属性值变换为合理形式，属性相似函数F(x)将把距离x影射为取值范畴为[0,1]相似度值，至于从属函数G(x)和属性相似函数F(x)详细采用何种形式，重要是依照领域知识和属性性质决定。概念间关系反映是一种动态语义特性。如图3描述是机床本体概念继承关系。图3机床本体概念继承关系图机床图3机床本体概念继承关系图机床钻床车床镗床铣床立式车床普通车床六角车床仿形车床……从描述逻辑角度看，如果两个概念共享信息越多，那么它们在语义上就越接近，语义相似度就越大，因此可以通过计算两个本体概念共同超概念集合数量来衡量其相似性[8]。同样可推广到计算其共同子概念或兄弟概念集合数量。式中当A与B第i个父类相似时当A与B第i个父类不同步n是A、B本体概念模型所具备最大深度，是权重。在计算实现过程中可简朴取为。按该式计算，图3中普通车床与立式车床S3为2/3。此外，可以通过实体某些基本特性，如卷标，URI等计算相似度S4。综合匹配度按下式计算：式中，为权重系数，依照实际状况由顾客设立，如果某一项相似度空缺，或增长相似度选项（如语义有关度），则重新调节权重系数值，使其和保持为1。顾客指定一种盼望值E，相似度不大于E概念工艺知识将被过滤掉，并选用相似度大返回给顾客。文献[9]进行了工艺知识服务建模。将知识本体表达工艺知识封装成工艺知识服务。从服务角度进行能力匹配计算并进行了算法实现研究。进行了运用本体工艺知识语义检索后，参照文献[9]思路，可以通过基于本体语义标注等技术推送相应封装工艺知识，该某些不再详述。3基于本体工艺知识管理系统3.1系统框架该框架模型如图4所示，最上层是顾客层，顾客所处角色按组可划分为：顾客组(各种不同权限顾客)、管理员组(知识工程师、平台管理员)、专家组（工艺领域专家)。体现层为顾客提供了一种统一、个性化界面，通过它来访问系统提供不同功能。中间层实现了语义分析与查询及本体推理等功能，并进行知识资源和本体建立、管理与维护。最下面一层是数据存储层，用来存储工艺领域本体知识、各类工艺知识资源。按前面阐述由知识工程师和工艺领域专家所建立起来工艺知识本体，可以对工艺知识资源进行语义描述，通过工艺知识资源到工艺知识本体映射，从全局高度实现基于语义工艺知识查询。该模型框架有很大灵活性，可以以便地完毕工艺知识集成与管理，并且具备较好扩展性。图4基于本体工艺知识管理系统框架图4基于本体工艺知识管理系统框架…顾客组管理员组专家组语义查询接口领域本体开发接口体现层语义分析与查询本体推理知识资源和本体管理与维护中间层数据存储层3.2系统开发采用Jena作为重要开发平台，Jena提供了对知识本体访问Java语言接口：涉及读入、写出RDFS、OWL等形式知识本体文献办法接口、具备访问RDFS、OWL等形式知识本体子类、类办法接口。由于概念间存在复杂关系，各种关系在OWL中都用规定语言来描述。调用Jena中OntModel知识本体操作模型，用它办法定义本体中类、属性、实例，属性定义域、值域，类约束，实例具备属性值等一系列关系。运用Java技术进行二次开发以适应工艺知识管理需要，进行概念匹配、查询等界面设计。原型系统某些界面如图5所示。图5概念匹配界面4结束语本文提出了工艺知识本体三个层次，明确了与工艺知识关于概念和术语层次关系。以领域概念为例阐明了工艺知识本体建模及OWL语言表达。明确了面向工艺设计过程各种工艺知识需求。基于上述研究，阐述了工艺知识查询时本体发挥作用。最后简介了基于本体工艺知识管理系统框架以及原型系统开发办法。在网络化制造环境下,工艺知识管理不但局限在一种公司内部,要扩大到参加协同各公司知识协同管理,即规定通过网络实现语义上传递和互相理解接受,这就规定公司知识管理系统必要采用恰当技术支持网络化环境下语义传递。基于本体知识管理系统为此打下了较好基本，但还需要进一步研究。此外，对于不同类型、分布在不同位置工艺知识,在逻辑层面协同管理方面也有待进一步研究。参照文献：[1]SUNLi，WANGXiulun，YANGZhigang.ResearchandDevelopmentofProcessKnowledgeManagementSysteminNetworkEnvironment[J].ChinaMechanicalEngineering，，(3)：213-215(inChinese).[孙丽，王秀伦，杨志刚.网络环境下工艺知识管理系统研究与开发[J].中华人民共和国机械工程，,(3)：213-21[2]SUNZhaoyang，WangGang，LvMin，etal.ResearchonPDM-basedprocessknowledgebasemanagementmethod[J].ComputerIntegratedManufacturingSystems，，10(9):1090-1094(inChinese).[孙朝阳,高国安,吕民,等.基于PDM工艺知识库管理办法研究[J].计算机集成制造系统,,10(9):1090-1094.][3]MAJunhui，YANGHaicheng，QIAOLiang，etal.TheSchemeofProcessPlanningKnowledgeTaxonomiesandRepresentationforSupportingMachiningProcess[J].MechanicalScienceandTechnology，1999,18(4):668-670(inChinese).[马鋆辉,杨海成,乔良,等.面向加工过程工艺知识分类和表达办法[J].机械科学与技术，1999,18(4):668-670.][4]HUANGGuoqing，LIJianfeng.AppliedResearchonTypicalProcessKnowledgeinCAPP[J].MechanicalScienceandTechnology，，25(4):455-457(inChinese).[黄国青,李建峰.CAPP系统中典型工艺知识应用研究[J].机械科学与技术，,25(4):455-457.][5]GRUBERTR.Atranslationapproachtoportableontologyspecification[J].KnowledgeAcquisition,1993,5(2):199-220.[6]PEREZA，BENJAMINSVR.OverviewofKnowledgeSharingandReuse