基于本体的机械产品设计知识表示研究

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情报理论与实践 （ ITA） 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟 ● 吴 鹏，，王曰芬，丁晟春，颜端武，高 升 （ 南京理工大学 经济管理学院，江苏 南京 210094）

基于本体的机械产品设计知识表示研究
摘

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要： 文章结合身管产品设计实例，研

究基于本体的机械产品设计需求分析和建模方法，包括 产 品设 计 步 骤 与 设

计知识映射、产品设计知识表示本体的建模，提出产品设计知识表示本体的构建流程，从而支持机械 产 品设 计 过 程 中 多 领域和多源知识有效的表示，解决非几何性质的关键产品设计知识表示问题，为机械产品设计知识的共 享 和 利 用提 供 新 的思路。 关键词： 机械产品设计; 本体; 知识表示 Abstract : In combination with the example of designing gun barrel products，this paper studies the ontologybased mechanical product design requirement analysis and modeling method， including product design procedures and mapping design knowledge， and modeling of knowledge representation ontology in the design of product. The paper proposes the construction process of knowledge representation ontology in the design of product， thereby supporting the multidomain and multisource effective knowledge geometrical knowledge representation problem in the design of representation in the design of mechanical product，solving the nonkey products，and providing new ideas for the sharing and utilization of mechanical product design knowledge. Keywords: mechanical product design; ontology; knowledge representation 机械产品设计是根据市场需求，对产品的功能、 原理 方案、技术参数等进行规划和决策的过程，产品设计具有 创造性、近似性、多解性、综合性等多方面特点，产品设 计过程呈现快速化、模块化和知识化发展态势，尤其是产 品设计过程的知识管理的重要性日益凸显 。不同产品由于 其功能、 结构形式、 用途及工作条件的不同，其设计要 求、设计方法及步骤也会有所不同，要想科学合理并且快 速地进行产品设计，就需要对产品设计知识进行有效的表 示。恰当的知识表示可以使产品设计中复杂问题简单化， 提高问题求解的效率，方便产品设计中快速准确地查找需 要的知识。 目前关于机械产品设计知识表示的研究存在两个问 题。一是产品设计从需求分析到详细设计的各个阶段中， 设计过程非常复杂，无法解决非几何性质的关键产品设计 知识表示，缺乏根据产品设计流程的知识表示实践； 二是 产品设计知识一般存储在不同领域和来源的半结构甚至非 结构化的文档中，产品不同组成部分之间的相关知识的关 系复杂，使得产品设计基于已有知识的再利用存在困难 。 因此，对产品及其设计领域中的非结构化 、 半结构化 的知识进行结构化的有效表示，以促进知识的共享与重 用，是产品设计知识表示的一个关键环节 。基于本体的产
本 文 为 国 防 科 技 工 业 局 项 目 （ 项 目 编 号： A2620110003 ，

品设计知识表示方法简洁 、 清晰，可理解性和可扩展性 强，能够形式化地定义产品设计领域的知识，并且通过公 理来定义知识类之间的约束关系，对产品设计过程中产品 功能、行为的语义关系等关键产品设计知识进行描述，不 仅能够表示结构化知识，还能够表示半结构化知识 。 但是目前的研究成果在实际应用过程中无法解决下列 问题，一是无法解决非几何性质的关键产品设计知识表 示； 二是目前产品设计知识一般存储在半结构甚至非结构 化的文档中，缺乏本体构建流程和成功案例，使得机械产 品设计基于已有知识的共享和利用存在困难 。为了解决上 述问题，更好地利用产品设计知识，提高产品设计效率， 本研究面向产品设计过程，以半结构甚至非结构化的文档 作为处理对象，产品设计知识本体构建流程和本体建模， 并以身管为例，对产品设计不同阶段所涉及的各种类型的 产品设计知识进行表示 。

1

基于本体的产品设计知识表示应用研究
本体有着强大的在知识层面上描述领域或系统的概念

模型的能力，它能够详细说明模型中的概念 、 属性、 关 系、公理及约束等，将它引入产品设计中来可以弥补其他 表示方法在通用性、共享性和可维护性方面的不足，能够 更好地应对产品多样化和用户需求多元化的要求，其应用 研究取得了较多的成果 。 近年来，基于本体的产品设计知识表示研究逐渐成为

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A2620133003 ） 和江苏省 “青蓝工程” 项目资助的研究成果。

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热点，在应用对象方面主要涉及工程知识 、产品及复杂产 品设计知识、产品装配知识、产品经验知识、 各种具体机 械产品设计等领域； 在应用语言和工具方面，出现了过程 规范语言 （ PSL） 、产品网络本体语言 （ POWL） 等专门应 表1
年份 1997 2002 2003 国 外 研 究 2005 2007 研究者 Borst［1］ Kitamura［2］ Bohm［3］ S. D. Cochrane［4］ Lee ＆ Suh［5］

用于产品知识表示的本体描述语言； 在应用模型方面，出 BS 模型上增加元本体或流本体 现了 BDE 模型以及在 F等 4 层改进模型，国内外本体知识表示在产品设计领域的 应用研究如表 1 所示。

国内外本体知识表示在产品设计领域中的应用
应用对象 工程知识 产品设计知识 工程设计知识 复杂产品设计 产品设计 应用语言 PHYSYS 工程本体、OWL 功能概念本体、OWL XML 过程规范语言 （ PSL） 产品网络本体语言 （ POWL） 应用模型 系统层，物理过程基本行为和描述性 数学关系三层物理系统模型 功能结构模型 外观、 功 能、 形 式、 行 为、 设 计 流 5 个方面 通用产品和制造信息模型 元本体、 类属本体和特定产品本体的 产品知识基元 3 层模型 概念和实例，3 层概念的表示，基本设 计实体 （ BDE ） 和 BDE 的 属 性，3 层 表示，关系和传递性 5 层模型 KnowWhat， KnowWhy， KnowHow， KnowWith 4 层模型 利用功能、 装配和产品技 术规范 3 个 方面表示行为 FBS，增加了流本体 建立 DTD 文档 FBS 模型 结构 层—行 为 层—基 本 功 能 层—元 功 能层的 4 层模型 设计过 程、 设计组 织、 设计对象 和 知 识对象 4 个本体主模型 基于知识流的工业设计产品族 DNA 遗 传和变异模型 广义产品设计知识模型 本体的五元素法 功能—行为—广义机构 （ FBM）

2010

U. Jayaram［6］

产品设计和装配

OWL

2010 2010 2003 2005 2005 2007 国 内 研 究 2008 2009 2009 2009 2010

Chen YuhJen［7］ S. K. Moon［8］ 胡玉杰［9］ 杨健等
［10 ］

隐形设计知识 重型机床设计 水泵电动机 产品设计 磨床 洗衣机 机械设计 工业设计的 产品族设计 机械设计 机械设备 机械设计

OWL 基于 Techspecs 的概念本体 DAML XML OWL OWL OWL OWL OWL OWL OWL

倪益华等［11］ 高在伟等［12］ 张善辉［13］ 罗仕鉴等［14］ 宋福根等［15］ 许楚銮［16］ 雷光强等［17］

2

基于本体的机械产品设计知识表示的需求分析 与建模
机械产品设计中两种常用方法，即自底向上和自顶向
［18 ］

及设计人员的头脑中，缺少一种能兼容多领域和多源产品 设计知识的一致而完备的知识表示方式 。 2. 1 机械产品设计步骤与设计知识映射 机械产品生产过程是从生产零件开始，然后将不同零 件组装成最终的产品，从机械设计全局的角度来看，就是 从细节到整体的一个设计流程 。对于这样一种设计信息的 传递，称为自底向上设计。大部分的通用机械设计，都是 遵照先零件后部件的方式来进行的
［19 ］

下两种完全不同的设计模式 念、属性、关系及实例。

。 本文的产品设计知识提

取就是面向产品设计流程与方法，从各种知识源中提取概 进行产品设计时，通常存在下列实际问题 。 ① 由于各 个设计阶段所需的产品设计知识不能够得到有效的共享和 重用，经常造成设计质量低下 、 设计过程不断反复等情 况。②生产产品各组成部分的不同组织之间，以及同一组 织的不同部门之间、不同知识背景的员工之间，领域背景 知识的不同和概念定义的不统一 。③产品设计中所需知识 来自多学科多领域，且存储方式异构，这些知识可能存储 于专业书籍、技术文档报告、电子表格、设计图纸中，以

。 尽管各种产品的

性能、用途及结构形式不同，但在设计时均应满足功能要 求、可靠性要求、经济性要求、操作方便和安全要求等基 本要求 2. 2
［19 ］

，下面以身管为例介绍产品设计步骤与设计知

识映射 （ 见表 2 ） 。 机械产品设计知识表示的建模 在机械产品设计知识表示中，本体的作用就是在具体 产品设计领域，获取并存储产品设计相关的概念 、属性和

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表2
设计阶段

机械产品设计步骤与设计知识的映射
设计步骤 阶段目标 映射关系

分类的研究，结合实际身管设计知识可能涉及的设计规 范、标准手册、设计计算、设计经验、工程材料及结构等 类别，采用了 5 类设计知识划分方法，在身管本体构建中 对产品设计知识进行分类 （ 见表 3 ） 。

产品 规划

身管需求分 设计任务书 析与设计任 务说明书

表3
知识分类 描述性 知识

身管设计知识分类

功能原理 设计

原理设 计方案

身管 的 原 理、功能

功能描述 身管设计知识 管理方式 表示产品等 设 计 对象静 态结 构 特 征、 属 性 及 属 身管 的 功 能、 结 数 据 库 性之 间 关 系。 包 含 了 检 构、行 为 等 属 性 管理 、 索 基于 实 例 的推 理 以 特征 及知识发现所需的内容 身管设计中的逻 知识学 习 表示 事 实 之 间 的 关 系， 辑关系，如因果、 用于目标推理求解 与推理 条件关系等 表示一个设 计 过 程的操 身管设计的阶段、 设计过 程 作或 操 作 系列，它 是 问 操作及技术路线、 建模 思想 题求解的重要部分 表示 设 计 过程中，用 数 身管的计算公式、 计算引擎 值计 算 方 法 处 理 的 参 函数 数等 表示设计过 程 中 包含零 身 管 设 计 的 各 种 数据库 表 部件参数的 可 选 数值或 标准 或 文 档、 图 管理 表等 区间

判断性 知识 过程性 知识 计算性 知识 手册性 知识

技术 设计

总体装配图 部件装配图 零件工作图 身管的结构 设计计算 说明书

根据对产品设计知识特点的分析，产品设计知识本体 建模包括 4 个实体： 产品信息、产品设计组织、 产品设计
试制、 生产及 销售 样机 市场结果 市场信息 身管的生产

过程、产品设计知识对象 （ 见图 1 ） 。 其中后三者以本体 形式表示。 1 ） 产品信 息。 包 括 分 类、 编 号、 型 号、 出 厂 日 期、 销售日期以及生产厂商等信息； 产品知识对象包含描述 性、判断性、计算性、手册性、过程性知识等。 身管本体 构建的特点在于，着重考虑计算性知识及产品设计过程的 本体知识表示，这不同于单纯对概念进行表示的本体构建 方式。 2 ） 产 品 设 计 组 织 本 体。 产品设计组织包含设计者等信 息，用于描述身管设计知识对 象的提供者、 操作者，记录组 织结构及其关系的信息 。 产品 设计组织本体不仅记录了某一 身管设计者的信息，还包括该 设计者的角色，定义了设计者 之间、 角 色 之 间 的 约 束 关 系 等。一个设计者可以具有多个 角色，设计组织本体中还有一 些对象属性，用来表示不同类 之间 关 系，如 设 计 者 hasＲole 角色，设计者 belongTo 部门。 3 ） 产品设计过程本体。

约束。UML 语言支持面向对象方法，表示能力强，基于 UML 进行建模直观清晰。 需求分析过程中，构建的本体 模型必须清 晰、 明 确，基 于 UML 的 领 域 本 体 建 模 方 法 （ UDOM） 这种统一的领域需求表示方式，为实现领域需 求的复用性提供了技术支持 。借鉴张善辉对产品设计知识

图1

身管产品设计知识本体

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知识包含相关国际标准 、国家标准等文档、 图表以 及参数信息； 计算性知识是身管设计的重要知识， 因为身管设计中包含大量的物理公式和数学计算公 式，是身管本体构建的重点也是难点 。

3

产品设计知识表示本体构建流程
借鉴以往对本体构建的研究，结合产品设计知

识本体中概念、属性的特点，身管本体的开发步骤 主要包括确定本体的领域和范围，利用半自动抽取 网页表格概念，获取本体所需的部分概念类 、 属 性，结合提出的本体构建流程，利用 Protégé 本体 开发工具实现了身管本体的构建； 最后采用 Protégé 提供的查询插件 Queries 和可视化插件 Jambalaya 实 现了本体查询和可视化显示，如图 2 所示。 1 ） 产品设计知识的获取。基于产品设计流程， 在需求分析、概念设计、技术设计到详细设计的各
图2 身管产品设计知识本体开发流程

个阶段涉及的多元知识载体中获取相关设计知识， 从异构多样的产品设计知识源中对领域知识结构深入理 解，提取相关概念、属性和实例，其中产品设计知识源包 ） 、 文献期刊、 专业词 括设计手册 （ 如 《机械设计手册 》 ） 等。 典 （ 《国防科技词典》

产品设计过程包含设计条件，设计工具等。针对身管这一 设计对象，产品设计过程本体描述了身管建立的步骤和过 程，包含身管设计数据的输入 、结果输出的计算公式函数 的表示，在设计过程本体建立过程中，定义了产品设计过 程本体 与 产 品 设 计 组 织 本 体 、 产品设计知识对象本体之间的 主要 对 象 属 性，如 设 计 者 implement 设计阶段、产品设计过 程 belongTo 过程性知识。 4 ） 产品 设 计 知 识 对 象 本 体。用于描述产品设计知识的 5 类知识，封装各类知识的属 性和操作。 在身管设计中，描 述性知识包括身管设计涉及的 功能、 结构、 行为、 材料、 寿 命等知识； 判断性知识在本体 中通过各类概念之间的约束来 表示，包 含 约 束、 逻 辑 推 断、 对象关系 3 个重点部分，主要 用于身管设计知识的概念定义 和推理； 过程性知识是指在设 计过程中，身管及其零部件的 设计任务、 设计阶段划分以及 设 计 工 具、 方 法、 技 术 的 选 择，记 录 身 管 设 计 的 操 作 过 程，包 含 设 计 者 的 设 计 思 路、 设计经验等隐性知识； 手册性

图3

身管知识表示本体可视化展示

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2 ） 产品设计知识的分类。 产品设计是一个多学科知 识集成和应用的过程，其过程包括了大量的产品设计知 识，对产品设计知识进行分类是对其准确表示进而进行精 确检索的前提。 3 ） 产品设计知识本体构建 。 产品设计知识是指已有 的知识，即设计经验、设计方法、设计过程以及几何结构 和属性等在内的产品信息的总和 。主要包括分析概念的基 本特性，建立基本概念分类体系； 分析概念间的基本语义 关系，形成概念分类树； 提取概念的属性及概念间的属 性，形成本体的属性分类树； 确定属性分类树中各属性的 基本特性； 根据概念分类树的结构和属性的定义，建立本 体中各概念的约束和公理 。 4 ） 本体可视化。本体是领域的术语及其关系的清晰 的形式化规范，即对研究领域的概念 （ Class 或 Concept ） 、 每个概念的不同特性和属性 （ Slot， Ｒole 或 Property ） ，以 及属性的约束 （ Facet 或 Ｒole Ｒestriction） 进行明确的形式 化描述。为了更加直观清晰地看清楚本体，图 3 分别展示 出了由 Protégé 中自带的本体显示插件 Jambalaya 展示本体 可视化效果图。
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结束语
本文探索基于本体的机械产品设计知识表示方法，通

过对身管产品设计所涉及的基本产品设计知识分类 、 设计 流程的总结，实现了对身管设计的知识表示和本体构建， 验证了本体理论在产品设计知识表示方面的应用，为改善 产品设计中的产品设计知识表示问题提供了新的解决思 路。具体贡献包括以下两方面： ①面向产品设计过程，分 析了产品设计知识包含的内容，结合实际生成产品设计知 识本体，确定了产品设计本体的领域和范围，从而形成了 一个完整的产品设计多学科知识本体的构建方法 。 ② 针对 身管产品设计领域中涉及的基本产品设计知识，结合提出 的本体构建流程，利用 Protégé 本体开发工具实现了身管 本体的构建，包括定义类和类层次、定义类的属性、 定义 类间关系、定义个体实例，以及用 Protégé 及其可视化插 件实现了本体查询和可视化显示 。□ 参考文献
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作者简介: 吴鹏， 男，1976 年 生， 博 士， 副 教 授。 研 究 方向: 知识管理，本体工程。 王曰芬， 女，1963 年 生， 博 士， 教 授。 研 究 方向: 知识工程。 丁晟春， 女，1971 年 生， 硕 士， 副 教 授。 研 究方向: 信息管理系统，本体工程。 颜端 武， 男，1976 年 生， 博 士， 副 教 授。 研 究方向: 智能信息检索，数据挖掘。 高升， 男，1986 年 生， 硕 士。 研 究 方 向: 知 识工程。 收稿日期: 2013 － 03 － 18

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