基于本体的拖拉机变速器系统设计知识表示研究

陆凤祥，石小龙，李春燕

(1.江苏悦达智能农业装备有限公司，江苏 盐城 224007)(2.盐城工学院汽车工程学院，江苏 盐城 224051)(3.盐城工学院机械工程学院，江苏 盐城 224051)

拖拉机是农业机械化中重要的动力机械。它与拖带的农机具配合，用途广泛，可以用于耕地、播种和收割等田间作业,又可用于开沟、推土和运输作业,还可以用于脱粒等其他农产品的加工作业。变速器是拖拉机传动系统的主要组成部分，同时也是拖拉机设计中新工艺采用最多的部分，其作用是扩大发动机输出的转速和转矩的变化范围，以适应不同的行驶条件，并且让发动机在最优工况下(功率较高、油耗较低)工作[1]。变速器的设计过程对它的质量、成本和寿命起着决定性的作用，尤其是设计方法的优劣直接影响着变速器产品的质量、研制周期和成本。目前，在变速器系列产品的设计过程中，主要存在着重复工作量大、开发周期较长等问题，导致变速器产品更新速度满足不了市场快速发展的需求。

知识表示是知识获取的基础，也是知识库构建的依据，是实现智能化设计最关键的技术。由于拖拉机变速器结构复杂，除一般机械设计知识外，其自身特点也较多，单一的知识表示方法已经满足不了复杂的智能化设计系统的需求。因此，在归纳和总结变速器设计知识和经验的基础上，采用合理的知识表示方法，对于提高变速器的设计效率和质量具有重要的意义。

1 常用知识表示方法

知识表示就是将人类在认知客观世界时产生的知识用计算机能够识别的语言表示出来[2]。不同的知识表示方法，直接影响后续的知识处理。随着对于知识表示研究的不断深入，在智能设计系统中，常见的知识表示方法有面向对象表示法、产生式表示法、语义网络表示法、框架表示法、人工神经网络表示法、谓词逻辑表示法以及基于本体的知识表示法[3]。各表示方法的优缺点见表1。

表1 常用知识表示方法的优缺点

当单一的知识表示方法满足不了复杂的智能化设计系统的需求时，可以把几种知识表示方法混合起来使用，以此增强知识表示能力。本文在对变速器设计知识的特点进行归纳总结的基础上，形成一种以本体知识表示为主，其他表示方法为辅的知识表示框架，实现对变速器各类知识有效的表达和管理。

2 拖拉机变速器的知识表示

2.1 变速器的知识特点

拖拉机变速器结构复杂，除一般机械设计知识外，其自身特点也较多。主要特点如下：

1)知识的模糊性。设计数据的模糊性，如关键零部件的应力要求、传动比的分配等。

2)知识的耦合性。变速器零部件的装配及运动协调等关系主要体现为设计变量间的关系。

3)知识的层次性。产品与零部件以及结构相似的零部件的关系。

4)知识的复杂性。由于仿真约束的前提较多，得到的知识差异也较大。

2.2 本体的介绍

本体论(ontology)是一种对客观存在的事物及其关系的描述[4]。它最早是哲学里的一个概念，其关注的是“存在”，所以哲学上的本体论是对任何领域内真实存在的东西的客观描述。20世纪80年代以来，本体论被广泛地运用于计算机领域，特别是在人工智能(AI)和知识工程领域得到长足发展。本体利用独立于应用的表示方法从不同层次模式上描述不同词汇之间的相互关系，实现不同系统间知识的重用。可以看出本体可以更清楚地表达知识结构，提高知识利用率。

随着对知识表示不断深入的研究，出现了诸多知识表示方法，但一种知识表示方法通常情况下只能表达特定类别的知识，对于类型和领域比较复杂的情况往往通用性很差。变速器的领域知识类型繁杂、结构多变，包括了设计手册、专家经验和工程图库等。在对变速器知识进行总结和划分的基础上，结合各知识表示方法的特点，采用以本体表示方法为主、其他表示方法为辅的混合式知识表示方法。本文采用分类法，总结出5类基本建模元语[5]：

1)类(classes)或者概念(concepts)，它表示对象的集合；

2)属性(properties)，它描述的是概念的性质；

3)关系(relations)，它表示概念之间的关联；

4)函数(functions)，它表示第n个元素由第(n-1)个元素唯一决定；

5)实例(instances)，它表示某个概念类的具体实体。

形式化的表示为Ot={C,P,R,F,I}。

从语义上讲，知识基本关系有4种：1)part-of表示概念间部分和整体的关系；2)kind-of表示概念间继承关系；3)instance-of表示概念实例与概念间的关系；4)attribute-of表示某个概念是其他概念的属性。

针对变速器知识的特点，本文采用组合式知识表示方法对变速器设计知识进行表示，这样有助于知识表示的有效性和全面性。采用面向对象表示法表示属性类知识，这样可以发挥它唯一性的优势；采用产生式规则表示法表示规则类的知识，可以提高知识表示的逻辑推理能力。

2.3 变速器本体构建过程

领域本体是用来描述特定领域内的概念及各概念之间关系的。目前构建领域本体的难点在于提取概念间的关系并且正确全面地表达出来。构建领域本体和基于知识建模是并行的过程，它是在分析设计知识领域后，对设计知识进行建模的过程。

在实际工程应用中，出现了几种构建本体的方法，如斯坦福大学研发的七步法、爱丁堡大学人工智能研究所研发的骨架法、评价法和马德里理工大学人工智能实验室研发的Methontology法[6]。骨架法侧重于本体开发的指导方针，而较少描述细节；七步法详细描述了构建步骤，加上Protégé的支持，大大提高了效率，但七步法对前期知识的收集和分析表述却不够详细。

变速器本体的构建指的是整理和归纳相关类、属性、关系、函数和实例，并将它们存储在计算机之中的过程。具体的构建流程如图1所示。

变速器本体的构建过程如下：分析变速器设计领域知识，把相关变速器的重要术语一一列举出来，定义相关概念的分类和层次，利用自顶向下的方法建立变速器设计领域本体概念的分类层次，且形成概念本体树，如图2所示；对概念及关系进行函数关系的确定。变速器被看作是由多个个体本体组成的，其中的个体，如概念或函数的关系都是稳定的数据，建立之后一般不需要修改。本体构建结束后，找出有待完善的地方，引入新的知识，并按照之前的流程进行修改与完善。

图1 变速器本体构建流程

图2 变速器概念本体树

3 基于本体的变速器系统知识表示实例

3.1 本体描述语言OWL

本体的描述语言主要分为传统的描述语言和基于Web的描述语言。而随着Web技术的快速发展，基于Web的本体描述语言已经成为本体研究领域的热点。本文采用Web本体语言OWL对拖拉机变速器进行知识表示。

OWL语言是一种国际通用的本体描述语言，是以描述逻辑为理论基础的语言系统。它在原有的语言基础上添加了大量的语言元语，从而能更好地描述和构建本体语言。OWL语言的可扩充能力极强，在表达能力上比RDF、XML、DAML+OIL等本体语言更强。

3.2 基于OWL的轴用弹性挡圈设计知识表示

在充分挖掘产品中包含的设计知识及经验知识的基础上，把知识按照概念、属性、关系、函数及实例进行分类，采用基于本体的混合式知识表示方法对上述知识进行表示，从而提高知识表示的全面性、灵活性。以标准件GB/T894.1—1986 A型轴用弹性挡圈为例，采用混合式表示方法进行表示。部分代码如下，代码说明轴用弹性挡圈属于挡圈一类，材料为65Mn或者60Si2MnA，此变速器选用的轴径d0介于40与55之间，此外还给出了轴用弹性挡圈厚度s和上端圆面距离b与轴径d0之间的关系。

40

55

If d0 less 48 and greater Then 40 Then

1.5

Else

2

If d0 less 48 and greater Then 40 Then

0.5

Else

5.48

4 基于本体的混合式知识表示系统开发实例

本系统在产品的数字化模型方面，采用NX作为参数化设计平台；在产品管理及数据管理之间的集成方面，使用Microsoft SQL Server作为数据管理基础；在二次开发方面，采用NX Open API等技术，同时在结合本文提出的混合式知识表示方法的基础上，开发出拖拉机变速器智能化设计系统。该系统能根据客户特定的定制需求，自动完成通用部件的选择及专用件的设计，然后快速生成客户需要的变速器系统三维数字化模型，实现设计过程的智能化。

以A型轴用弹性挡圈为例，用户根据需要，确定挡圈的类型，输入轴径d0,并且选择相关的材料，最后点击应用，系统会根据设计库中存储的设计标准、材料属性等推理出弹性挡圈的结构设计图及相关的三维参数化模型，图3和图4分别是弹性挡圈的设计界面和生成的参数化模型。

5 结束语

在对拖拉机变速器设计知识充分研究的基础上，利用混合式知识表示方法对拖拉机变速器设计知识进行表示，使得知识表达更加简洁、有效和全面。最后将这种方法运用到变速器设计系统中来，

较好地实现了知识的表示和推理，大大减少了设计中人工干预的过程，减少了很多重复劳动，实现了产品设计的知识化与智能化，对其他复杂产品的设计具有参考意义。

图3 弹性挡圈设计界面 图4 弹性挡圈参数化模型

参考文献：

[1] 张文春.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2010.

[2] 彭颖红,胡洁.KBE技术及其在产品设计中的应用[M].上海:上海交通大学出版社,2007.

[3] 张科杰,袁国华,彭颖红.知识表示及其在机械工程设计中的应用探讨[J]. 机械设计,2008,14(3)：417-424.

[4] 王生发,顾建新,郭剑锋,等.面向实例推理的产品设计本体建模研究及应用[J].机械工程学报,2007,43(3)：112-117.

[5] 徐保祥,叶培华.知识表示方法的研究[J].情报科学，2007,25(5)：690-694.

[6] 朱文博,李爱平,刘雪梅.基于本体的冲压工艺知识表示方法研究[J].中国机械工程,2006,17(6):616-620.