基于本体的机械工艺知识库构建方法

陆海良，储昭兵

(1.南宁市城市照明管理处，南宁530000;2.中国电子科技集团公司第五十研究所，上海200000)

1 引言

从20世纪末到本世纪初，社会经济类型正经历着从工业经济向知识经济的转变，知识正成为生产力要素中最活跃、最重要的部分。工艺知识是制造企业最重要的知识资本，是在企业的产品设计、生产准备、制造和经营管理活动中，贯穿产品全生命周期的与工艺有关的知识［1］。

面对企业复杂多样的工艺知识，尚缺乏有效的工艺知识库构建和描述方法。下面提出了一种基于本体［2］的工艺知识库构建方法，并用 OWL(Web Ontology Language)语言［3］对其进行描述。

2 工艺知识的概念与分类

工艺知识是一个具有属性，与设计、制造活动相关的含有工程意义和基本几何实体或信息的集合。这个定义强调了工艺知识是与设计活动和制造有关的几何实体，因而是面向设计和制造的，反映了设计者和制造者的意图，不同的工艺知识表达了零件的功能、制造特征等。

一个好的工艺知识分类有助于对特征进行更深入的研究，包括语意分析、表示、处理等。考虑到实际应用背景和实现上的方便性，通过分析机械产品大量的零件图纸信息和加工工艺信息，可将工艺知识分为五大类:

(1)形状知识:与描述零件几何形状、尺寸相关的信息集合，包括功能形状、加工工艺形状、装配辅助形状。

(2)材料:与零件材料和热处理有关的信息集合，如材料的名称、类型、规格、毛坯状态、机械性能及规范、工艺性能、热处理方式、硬度值等。

(3)精度:描述零件几何形状、尺寸的许可变动量的信息集合，是实现零件互换和评定产品质量的重要指标，一般包括公差(尺寸公差和形位公差)和表面粗糙度等。

(4)制造工艺:描述能把特征加工成形的工艺规则的信息集合，包括加工方法、零部件配合关系、装配关系等。

(5)制造特征:它是把特征加工成型过程中所需要的信息描述，如零件和特征的加工方法、加工基准、加工精度要求、切削用量、机床、刀具等。

3 工艺知识库构建

为了对大量工艺知识的相关术语、概念、表示等进行正规、明确的描述，本文基于本体技术来实现工艺知识库的构建。

3.1 工艺知识库本体定义

本体是描述某个领域术语的数据集，能够在一个较高的平台上提供知识重用和系统框架，其源于哲学的一个概念，原意是指事物的本源及本性。“本体”是对共享概念的正规、明确的表述。后来随着人工智能的发展，本体被人工智能界赋予了新的定义，特指对概念化的显式说明［4］。理论上，可以通过5种类型的构件来形式化描述一个本体:概念、关系、函数、公理和实例;根据不同的研究人员对本体概念理解上的差异，具体应用领域和开发环境的不同，本体的形式化定义也各不相同。根据本体的定义以及工艺知识库的特点，对工艺知识库的本体定义如下:

工艺知识库本体是针对工程领域工艺知识的概念化描述，包括一系列概念及其关系。即:

O= ＜C，AC，R，AR，H，I，M ＞ ，其中 C 是概念集，指工艺知识中概念、术语的集合;AC为概念的属性集，主要用来表示概念自身的特征;R是该领域的关系集合，如y:subClassOf(x)，表示y是x的一个子类;AR为关系的属性集合;H为概念从属集，表示概念之间的层次结构关系;I为实例集;M是实例与概念之间的映射关系集合，该映射集合将每个实例对应到其所属的概念下，如i∈M(c)表示i是概念c的实例。

C集合中每一概念Ci代表了一类对象，可以被AC(Ci)所定义的属性所描述。H集合中每个隶属hi(cq，cp)表示概念cq与cp之间的隶属度，当cq是cp的子类或子概念时，(cq，cp)∈H，且h=1;R集合中每个关系 ri(X|(cq，cp))，ri∈(0，1)表示概念 cp与cq之间是否满足X。属性ri由AR(ri)所定义。

3.2 工艺知识库构建

目前各个领域对本体已有一定研究，从工程角度来讲本体工程的构建到目前仍处在不成熟的阶段，还没有一个标准的本体构造方法。目前公认的本体建模方法有:IDEF-5方法，Mike Ushold和Micheal Gruninger的骨架法，Micheal Gruninger和Mark.S FOX的企业建模方法TOVE，Mariano Fernandez和GOME-PEREZ等人的METUINTOLOGY方法，以及斯坦福大学医学院开发的“七步法”，主要用于领域本体的构建。众多研究已经证明，本体建模方法缺乏成熟的工程方法论指导，只有适合自身项目的方法。

工艺知识领域本体的建立过程是从机械工艺领域知识中总结和抽取领域概念、关系、属性，并以一定的形式存储到计算机的过程。步骤如下:

(1)根据机械工艺领域概念集，定义概念分类层次、分析概念属性和概念属性之间的关系，形成概念层次结构树;

(2)根据概念层次结构树定义概念之间的关系，形成关系库;定义概念属性、关系属性，形成属性库;

(3)定义概念之间的层次结构关系，形成从属概念库。

根据机械工艺领域概念集建立概念层次结构树，如图1所示。

图1 概念结构树

如图2所示，利用Protege本体建模工具实现工艺知识库构建。Protege［5］是一个功能非常强大，简单易用的本体构建工具，它支持所有的建模原语，能提供语法检查、一致性检测。

3.3 工艺知识库描述

在定义了机械工艺领域本体概念的层次结构、概念属性及概念之间的关系之后，接下来就是本体编码的过程，即用合适的本体描述语言结合本体编辑工具进行本体编写过程。

OWL(Web Ontology Language)［3］正在成为本体描述的一种标准语言，OWL是一种基于描述逻辑的语言，也就意味着该语言中的类构造算子及公理都有相应的逻辑表示。下面为工艺知识本体库OWL描述片段。

使用owl:Class定义概念实体，在定义概念实体时，可以通过OWL语言中的disjointWith

表达概念之间彼此互不相交关系，这是一些可用于推理的公理，如下所示:

图2 工艺知识本体库

通过disjointWith表达了材料是一种与热处理、表面处理等不相交的、独立的加工工艺需求知识。

通过owl:ObjectProperty和owl:DatatypeProperty定义概念属性，概念属性之间同样存在继承关系，如特征属性是特征的下位属性。

上述定义表明:“直径”是一种孔的参数属性，其取值类型是“XMLSchema#float”。

上述定义表明“is_produced_by”是设计者的一种属性，通过该属性将拓扑图与其设计者进行关联。

4 结束语

首先对机械工艺领域的工艺知识进行了定义和分类，将工艺知识分为形状知识、材料、精度、制造工艺和制造特征五类，然后利用本体技术对机械工艺领域工艺知识的相关术语、概念、表示等进行正规、明确的描述，并构建了工艺知识本体库，最后通过OWL语言对工艺知识库进行描述，为实现工艺知识重用提供了保障。随着本体技术的研究，该方法将得到更进一步的发展。

［1］ 余慧芬.CAPP系统知识的获取与表达［J］.成组生产系统，1998，18(6):25-27.

［2］ 邓志鸿.Ontology研究综述［J］.北京大学学报(自然科学版)，2002，38(5):730-738.

［3］ Fensel D，Horrocks I，Van HF，et al.Oil in a Nutshell［C］.In 12th International Conference on Knowledge Engineering and Knowledge Management EKAW2000，Juanles-Pins，France，2000:1-16.

［4］ Myo MN，Ee PL，Dion GH.Ontology-based web annotation framework for hyperlink structures［C］.Third International Conference on web Information Systems Engineering(Workshops)，Singapore，2002.

［5］ Shun SB，Motta E，Domingue J.ScholOnto:An Ontology Based Digital Library Server for Research Documents［J］.Intl.J.Digital Libraries，2000，3(3):237-248.