本体及其在机械工程中的应用综述

李书华

【摘要】随着本体技术的不断进步，研究其相关问题及其在机械工程中的应用凸显出重要意义。本文首先介绍了知识工程中本体的含义，分析了本体构建的规则，并结合相关实践经验，研究了本体在机械工程中的应用，提出了个人观点。

【关键词】本体；机械工程；应用

一、前言

作为一项实际应用效果良好的技术，本体技术在近期得到了长足的发展和进步。研究其相关问题及在机械工程中的应用，能够更好地提升本体技术的实践应用水平，从而有效优化机械工程的整体效果。

二、知识工程中本体的含义

在知识工程领域，研究人员给出了面向人工智能的明确的本体定义，其中，最重要的一个是Gru-her在1993年采用人工智能界公认的概念模型为基础给出的：本体是概念模型的明确的规范说明。随后Studer在参考了Gruber和Borst的定义的基础上提出了本体是共享概念模型的明确的形式化规范说明。本体定义的核心内容是概念模型，即研究领域内存在的对象、概念及其他实体以及它们之间的关系是研究领域的一个抽象的、简化的视图，每一个知识库、知识库系统或知识水平的主体，都或明确或隐含的依托于某些概念模型。分类法（taxonomy）是对科学分类的普遍规律的研究，是按照一定的思想观点，以科学分类为基础，结合领域内容和特点，将领域知识分门别类以术语的形式组成分类表。本体与分类法相比，主要有两个区别：本体具有更为丰富的内部结构并且反映了某种程度的共识。

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。这里的概念可泛指论述的任何事物，如任务、功能、行为、策略和推理过程等等，有时为叙述方便，概念也称为类。关系用来表示领域中概念之间的相互作用，元关系形式化定义为个集合的笛卡儿乘积的子集：R：C×C×…×C。函数是一类特殊的关系，在这种关系中，前n一1个元素可以惟一决定第n个元素，函数的形式化定义为：F：C×C2×…×G一一C。公理用来表示领域中永真的陈述，实例表示领域中的具体元素即对象。

三、本体构建的规则

1.清晰：本体必须有效地说明所定义的术语的含义。定义应该是客观的，与背景独立的。当定义可以用逻辑公理表达时，它应该是形式化的，应该尽力用逻辑公理表达。定义应该尽可能的完整。所有定义应该用自然语言加以说明。

2.一致：本体应该是前后一致的，也就是说，它应该支持与其定义相一致的推理。它所定义的公理以及用自然语言进行说明的文档都应该具有一致性。如果从一组公理中推导出来的一个句子与一个非形式化的定义或者实例矛盾，则这个本体是不一致的。

3.可扩展性：本体的可扩展性是指，本体提供一个共享的词汇，这个共享的词汇应该为可预料到的任务提供概念基础。它应该可以支持在已有的概念基础上定义新的术语，以满足特殊的需求，而无须修改已有的概念定义。也就是说，人们应该能够在不改变原有定义的前提下，以这组存在的词汇为基础定义新的术语。

4.编码偏好程度最小：本体应该处于知识的层次，而与特定的符号级编码无关。本体的表示形式的选择不应该只考虑表示上或者实现上的方便。概念的描述不应该依赖于某一种特殊的符号层的表示方法，不能依赖于某种确定的语言，因为实际的系统可能采用不同的知识表示方法。

5.本体承诺最小：本体承诺应该最小，只要能够满足特定的知識共享需求即可。也就是说，本体应该对所模拟的事物产生尽可能少的推断，而让共享者自由地按照他们的需要去专门化和实例化这个本体。Gruber还指出，由于本体承诺是以词汇的使用为基础的，因此可以通过定义承诺最弱的公理以及只定义应用所需的基本词汇来保证。

四、本体在机械工程中的应用

1.工程本体的PHYSSYS

Brost和Akkermans等人于1997年面向工程领域建模、模拟和设计开发了一个基于动态系统理论的通用形式化本体PhysSys，在PhysSys的基础上，建立了知识库OLMECO，OLMECO是一个物理系统（如热力学系统、汽车或机床的）的模型部件库。这一工程本体表达了物理系统在不同角度下的概念模型。从不同的角度来观察物理系统，可以得到系统布局、物理过程和数学关系3个视图。相应地，PhysSys本体包含了部件本体、过程本体和数学本体3个基础本体，分别对应于3个视图的形式化描述，3个基础本体通过不同形式的投影构成PhysSys本体，部件本体的建立是从单纯的结构角度来看一个系统。按照常规系统论的观点，一个系统由不同的具有边界和外部环境的实体构成，实体本身又由一定的结构单元按一定的相互关系形成实体的内部结构，因此部件本体通过抽象反映了一个统的结构特性，而忽略了其动态过程和数学约束。部件本体反映了系统的部分整体关系、拓扑关系和系统理论，压力机、铣床、磨床等模型；其他应用领域还包括热力学系统、电气设备等。

2.本体机械产品的智能信息检索

随着网络信息的迅速增加，用户对网络数据检索的性能提出了更准、更全、更智能的要求。智能检索已成为当前信息检索领域研究的前沿性课题。本文在国家基金的资助下，研究基于本体的机械产品领域智能信息检索方法及其工程实现，取得的主要研究成果有：（1）针对已有本体建模方法的局限性，提出基于本体生命周期的建模方法，建立了MPO结构模型。提出了基于平面螺旋关系的本体知识存储机制，降低了查询构造的复杂度，提高了查询扩展的效率。（2）设计了领域智能信息检索系统的三层体系结构，实现了查询生成，查询优化，匹配服务，检索结果序列优化等功能模块。（3）提出了一种新的基于查询表达式与关系表互为映射的查询提炼算法（QRMM），使得自然语言查询处理过程中避免引入复杂的分词环节，能够识别查询语句中的核心概念，有效地提高了查询效率。

3.机械工艺本体的信息检索

为清楚地描述机械加工工艺知识、提高工艺知识检索和查询的效率、提高工艺知识管理水平。本文借鉴和吸收知识管理领域本体论研究的成果，深入探索了机械加工工艺知识本体的构建理论和方法以及基于本体的机械加工工艺知识检索方法，取得如下研究成果：

（一）在分析现有本体理论、建模方法、特征以及本体描述语言的基础上，结合软件工程方法，提出了螺旋上升式的机械加工工艺知识本体的开发方法。针对机械加工工艺知识，提出了创建一个标准的、可扩展的、独立的机加工工艺领域本体的过程和方法。

（二）针对传统知识管理系统知识检索模块中基于关键词的检索技术的不足，研究了基于本体的机械加工工艺知识语义推理的实现方法，应用公理推理、离线语义推理和正向推理的语义推理方法实现了机械加工工艺方法知识的智能检索。

（三）在本体构建和基于本体的知识检索方法理论研究的基础上，利用Java+JENA技术编程实现了基于本体的机加工工艺知识语义检索原型系统，以机械加工工艺方法领域知识为目标对象，实现了基于本体的知识描述和基于语义推理的智能型知识描述。原型系统验证了所提出的理论和方法的有效性和正确性。本文的探索性研究证明，将本体理论和方法应用于机械加工工艺知识管理领域是可行的、有效的。

五、结束语

通过对本体及其在机械工程中应用的相关研究，我们可以发现，该项技术方法良好效果的取得，有赖于对其多项影响因素的有力掌控，有关人员应该从机械工程的客观实际要求出发，研究制定最为符合实际的本体技术应用实施策略。

参考文献：

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