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基于本体面向工艺设计过程的知识管理的研究17资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。基于本体面向工艺设计过程的知识管理的研究摘要: 工艺知识种类繁多, 有多种知识表示方法, 而本体能够为知识共享和重用提供手段。提出了工艺知识本体的三个层次, 明确了与工艺知识有关的概念和术语的层次关系。举例说明了工艺知识中领域概念的提取, 并以领域概念为例说明了工艺知识本体的建模及OWL语言表示。本文主要针对面向工艺设计过程的知识管理, 明确了面向工艺设计过程的各种工艺知识需求。基于上述研究, 论述了工艺知识查询时本体发挥的作用。最后介绍了基于本体的工艺知识管理系统的框架以及原型系统的开发方法。关键词: 工艺知识; 知识管理; 本体; 工艺设计Research on Knowledge Management for Process Planning Based on OntologyAbstract: There are much more kinds of process knowledge and representation methods for it, ontology could be used in knowledge sharing and reuse here. Three tiers of process knowledge ontology were presented in this paper. The concepts related process knowledge and their tier relation were expressed. By examples, the extraction of concept from process knowledge was illustrated; modeling and OWL representation of process knowledge ontology were explained also. In this paper, knowledge management for process planning was studied mainly, requirement of process knowledge in process plannings different stage was presented. Based on the research above, ontology could be used to play an important role in process knowledge query. At last, the framework and development method of prototype system of process knowledge management was introduced, and the system was based on ontology.Key words: process knowledge; knowledge management; ontology; process planning0 引言工艺知识是企业的宝贵财富, 也是制造企业核心竞争力的一部分, 高效地记录、 表示和再利用这些知识是企业追求的目标。工艺设计人员需要拥有工艺设计相关知识的整体视野, 将不同知识点按照具体的工艺设计过程联系起来, 对企业中完成工艺设计任务所需的各种信息、 经验、 方法和过程进行充分的利用。而本体能够将领域中的各种概念及相互关系显式的、 形式化的表示出来, 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的一种深刻描述, 它能够帮助实现知识的共享和再用。因此, 有必要进行基于本体的工艺知识管理的研究。1 工艺知识本体1.1工艺知识的分类工艺知识是在企业的设计、 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, 可将其划分为基础理论知识、 工艺设计知识、 工艺管理知识和工艺情报四大部分1。本文主要研究面向工艺设计过程的工艺知识管理, 在不特殊声明时以工艺知识简称。工艺知识大致可分为: 1) 工艺资源信息,包括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标准中与工艺设计有关的工艺数据;资源数据是指与特定加工环境密切相关的所有工艺数据,如机床、 刀具、 量具、 夹具和辅具等信息。2) 工艺实例,指已经完成了工艺规程设计的零件及其对应的工艺规程(实例工艺) 。3) 工艺决策知识,由经验性规则(如加工方法选择规则,机床、 刀具、 夹具、 量具选择规则等)、 过程性算法及对工艺决策过程进行控制的知识等组成2。另外, 还有从加工过程中的实体及其相互间的关系的角度3, 从静态工艺知识和动态工艺知识的角度4进行的分类等。工艺知识种类繁多、 来源广泛, 难以使用单一的知识表示方法。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的表示中, 对同一知识的表示能够采用多种方法,但各自的效果却不相同。经常需要把几种表示模式并用,以便取长补短。对应不同的知识表示和推理方法, 会有不同的知识系统。而本体能够为知识( 或资源) 共享和互操作提供手段。1.2工艺知识本体的层次结构本体是一个源于哲学的概念,原意是指事物的本源及本性。后来被人工智能领域引入,特指对概念化的显式说明(an ontology is an explicit specification of a conceptualization.)5。本体能够将领域中的各种概念及相互关系显式的、 形式化的表示出来,因而在语义方面发挥着重要的作用。从本体的角度考虑工艺知识, 并参照关于本体论研究与开发的层次, 将工艺知识本体划分为如图1所示的三个层次。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( 刻划具体工艺知识) 本体表示语言图1工艺知识本体研究的层次1) 顶级本体主要研究非常通用的概念, 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的问题或领域。因此能够说顶级本体是在一个很大的范围内共享。2) 第二层的元知识本体中的元知识是指关于知识的知识, 如用于工艺知识表示的规则、 框架、 语义网络等; 在同一层上的工艺领域本体刻划的是领域概念知识, 工艺领域的概念包括: BOM、 零件、 特征、 材料、 设备等, 经过本体对领域概念知识的理解在领域内应该是明确和无二义性的。3) 第三个层次上的应用本体则描述特定的应用, 它既能够引用所涉及的特定领域本体中的概念, 又能够利用出现在元知识本体中的概念; 具体工艺知识包括: 工艺实例、 工艺决策等。本体描述和操作语言为各个层次上的本体提供表示、 开发和操作工具。工艺知识本体概念的层次见表1。表1工艺知识本体概念的层次顶级本体的通用概念事物 对象 事件 行为 工艺领域本体概念特征 零件 设备 材料 元知识本体术语框架 规则 语义网络 具体工艺知识术语工艺实例 工艺决策 本文主要研究第二层的工艺领域本体。下面以领域概念”机床”为例, 说明各工艺知识中所包含的领域概念, 机床类是设备类的子类。1.1节划分的三类工艺知识包括: 工艺资源信息、 工艺实例和工艺决策知识, 它们均属于第三层的应用本体刻划的具体工艺知识, 其中工艺资源信息的手册数据有机床的文档型的知识, 资源数据有能够用框架等知识表示方法表示的机床知识; 工艺决策知识中有能够用产生式规则表示的机床选择规则等, 这些工艺知识均可提取出领域概念”机床”, 并利用了元知识本体中的规则及框架。1.3工艺知识本体的建模及表示本体的概念化描述即经过多种知识表示元素将这些概念之间的关联表示和反映出来,Perez等人用分类法组织本体, 归纳出5个基本的建模元语6, 仍以机床为例进行说明: (1)类(classes)或概念(concepts)指任何事务, 如工作描述、 功能、 行为、 策略和推理过程。从语义上讲, 它表示的是对象的集合, 如在机床类型中分为车床、 镗床、 钻床、 刨床、 插床、 磨床、 铣床等。概念属性反映的是概念实体所具有的静态语义特征, 它们与上下文没有什么关系, 例如机床的静态属性, 主要是对机床的管理信息和机床自身的加工特性进行描述, 管理特征是一组与设备资源管理相关的信息集合, 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; 加工特征是指与设备加工有关的信息集合, 如加工类型、 加工精度、 加工范围、 坐标轴、 工作台及刀库、 可替代的设备序列等; (2)关系(relations )指在领域中概念之间的交互作用, 概念间关系反映的是一种动态语义特征, 即显示的是实际所要描述的知识个体在所处环境中与周围个体的相互关联状态。如子类关系(subclass-of)。如在车床类中,又能够分为立式车床、 普通卧式车床、 六角车床、 仿形及多刀车床等。它们就是车床的子类。另外, 还有part-of, kind-of, instance-of, attribute-of等关系。在实际建模过程中, 概念之间的关系不限于上面列出的几种基本关系, 能够根据领域的具体情况定义相应的关系。(3)函数(functions )一类特殊的关系。该关系的前n-1个元素能够唯一决定第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择事实上是同一概念, 则概念C2与C1也存在同义词关系, 该公理可表示如下: (5)实例(instances)代表元素。从语义上讲实例表示的就是对象。在逻辑表示的基础上能够采取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语言的一个显著特点是能够把所需要描述的信息语义化地显式地表示出来,而且这种对语义的表述是统一的,并已经实现一定层次上的标准化,这就意味着计算机在对各类知识表示进行理解的时候不需要拥有特定领域内的知识以及特定领域内的知识描述方式作为前提,同时OWL语言对本体的构造和描述能够是分布式的,这样就大大提高了本体的构造和描述的可操作性和效率。摘取部分用OWL语言编写的工艺领域本体, 仍以机床为例, 领域空间和本体概况的定义略去, 节选如下: 这些词汇内在的丰富语义和相互之间的制约关系在本体”车床”中用OWL明确地得以表示, 计算机正是经过这种”概念化的说明”来理解这些标注词汇, 进而从语义上理解这些词汇所表示的工艺知识。2 面向流程的应用本体的工艺知识查询2.1工艺知识的存储实现工艺知识的有效管理首先要将工艺知识按其不同的存在形式和特征进行鉴别、 提取和整合,分别建立相应的知识子库进行专业化存储,知识子库的结构依赖于其所存储知识的特征。各类工艺知识的物理存储结构需要与其表示方法相匹配。不同结构化程度知识的表示方法存在差异,致使其相应的存储策略与物理结构亦有不同,主要表现为所对应知识子库的类型特征差异。对于工艺知识中的工艺资源信息, 包括手册数据和资源数据等文档型知识、 样本型知识, 将分别对应于文档知识库、 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对应于案例库、 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的多种类型知识的协同和集成,这就要求对企业全部知识进行集成化管理。各知识子库间要有相应的协同机制,以确保最终集成化知识库的整体性能。工艺知识本体中的概念, 例如机床, 横贯各知识子库,在知识库全局高度上揭示企业各种工艺知识类别、 层次之间关系。2.2面向流程的工艺知识需求知识管理的主要任务是将适当的知识在适当的时候送给适当的人,因此既要求任何具有启发意义的信息体都应该送给知识工作者,可是又不能推送过多的无关信息。借鉴面向流程的企业知识地图模型的研究,该模型将企业知识以流程中的活动为单位进行整合,提供问题相关知识的集成视图, 为企业知识管理与业务流程管理的结合创造了条件7。在工艺设计过程中的知识资源的利用如图2所示。设计图纸相似实例检索工艺分析确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面向工艺设计过程的知识资源需求图( 1) 工艺设计人员根据设计图纸, 首先进行相似实例的检索, 这时要用到工艺实例知识, 检索到完全一样的实例时借用即可, 有相似实例则以其为参考进行工艺设计, 否则进行创成式设计。( 2) 在工艺分析和确定工艺方案阶段, 在考虑零件信息和工艺约束的基础上, 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、 夹具的选择知识, 并需要工艺资源的能力信息。( 3) 在详细工艺设计阶段, 需要的工艺决策知识和工艺资源信息的详细程度和侧重点会有很大的不同, 例如需要更进一步考虑刀具和量具等工艺资源信息, 并需要更详细的手册数据和资源数据。 应用本体技术实现企业知识资源的管理能够达成以下目标:由于本体具有一定的逻辑推理能力,应用于各独立知识库的知识分类管理中,能够很好地实现企业知识文档版本管理、 知识衍生逻辑管理等一系列知识管理的具体应用7。对于工艺知识管理的研究, 经过关系”is_the_simple_version_of”, 来达到推送不同详细程度的工艺知识的目的, 关于该关系类型声明的OWL代码不再赘述。2.3利用本体的工艺知识查询经过对工艺知识本体的建模和表示的研究, 工艺领域概念的内在的丰富语义和相互之间的制约关系得以明确地表示。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的不同需求。这样, 当工艺设计人员提出对工艺知识的查询请求, 除了能够进行与查询条件精确匹配的方式进行检索,即传统的检索方式外, 还能够经过以下途径进一步发挥本体的巨大作用: 利用本体对知识表述的先进性,检索出与检索概念具有同义、 父子、 整体与部分等语义关系的信息; 利用知识本体的概念相关度和相似度分析, 来进行语义检索; 利用本体进化对用户查询所表示的蕴含信息进行检索; 根据工艺设计过程的不同阶段, 检索并推送不同版本的工艺知识。以机床类知识为例, 当以相似实例为参考进行工艺设计或寻找替代设备时, 需要查询与实例相似的机床的知识。在本体库的支持下, 能够进行语义检索。分析本体的建模元语, 其中类或概念中的概念属性反映的是概念实体的静态语义特征。对于概念结点而言, 如果两个概念的属性集相等, 则认为两概念相等。能够经过属性集计算相似度S1。定义: ()为概念A和B所共同拥有的属性。定义: ()为概念A拥有而概念B所没有的属性。其中, 取值根据实际情况决定。在实例层次上, 针对属性结点, 则比较属性的定义域和值域。例如在具体机床的属性中, 有许多数值类型的属性, 针对定义域相同的属性, 计算公式为:式中: a, b是机床的属性值, x表示属性间的差别(或称为距离), 隶属函数G(x)把属性值变换为合理的形式, 属性的相似函数F(x)将把距离x影射为取值范围为0,1的相似度值, 至于隶属函数G(x)和属性的相似函数F(x)具体采用何种形式, 主要是根据领域知识和属性的性质决定。概念间的关系反映的是一种动态语义特征。如图3描述的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的角度看, 如果两个概念共享的信息越多, 那么它们在语义上就越接近, 语义相似度就越大, 因此能够经过计算两个本体概念的共同超概念集合的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的数量。 式中 当A与B第i个父类相同时 当A与B第i个父类不同时n是A、 B本体概念模型所具有的最大深度, 是权重。在计算的实现过程中可简单的取为。按该式计算, 图3中的普通车床与立式车床的S3为2/3。另外, 能够经过实体的一些基本特征, 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, 根据实际情况由用户设置, 如果某一项相似度空缺, 或增加相似度选项( 如语义相关度) , 则重新调整权重系数值, 使其和保持为1。用户指定一个期望值E, 相似度小于E的概念的工艺知识将被过滤掉, 并选取相似度大的返回给用户。文献9进行了工艺知识服务的建模。将知识本体表示的工艺知识封装成工艺知识服务。从服务的角度进行能力匹配计算并进行了算法实现的研究。进行了利用本体的工艺知识语义检索后, 参照文献9的思路, 能够经过基于本体的语义标注等技术推送相应的封装工艺知识, 该部分不再详述。3 基于本体的工艺知识管理系统3.1系统框架该框架模型如图4所示, 最上层是用户层, 用户所处的角色按组可划分为: 用户组(各种不同权限的用户) 、 管理员组(知识工程师、 平台管理员) 、 专家组( 工艺领域专家)。表现层为用户提供了一个统一的、 个性化的界面, 经过它来访问系统提供的不同功能。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的建立、 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。按前面的论述由知识工程师和工艺领域专家所建立起来的工艺知识本体, 能够对工艺知识资源进行语义描述, 经过工艺知识资源到工艺知识本体的映射, 从全局的高度实现基于语义的工艺知识查询。该模型框架有很大的灵活性, 能够方便地完成工艺知识的集成与管理, 而且具有很好的扩展性。图4基于本体的工艺知识管理系统框架文档知识库案例库规则库用户组管理员组专家组语义查询接口领域本体开发接口用户层及表现层语义分析与查询本体推理知识资源和本体的管理与维护中间层工艺知识本体库数据存储层3.2系统的开发采用Jena作为主要的开发平台, Jena提供了对知识本体访问的Java 语言接口: 包括读入、 写出RDFS、 OWL 等形式知识本体文件的方法接口、 具有访问RDFS、 OWL 等形式知识本体的子类、 类的方法接口。由于概念间存在复杂的关系, 各种关系在OWL中都用规定的语言来描述。调用Jena中的OntModel知识本体操作模型, 用它的方法定义本体中的类、 属性、 实例, 属性的定义域、 值域, 类的约束, 实例具有的属性值等一系列关系。利用Java技术进行二次开发以适应工艺知识管理的需要, 进行概念匹配、 查询等界面的设计。原型系统的部分界面如图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的三个层次, 明确了与工艺知识有关的概念和术语的层次关系。以领域概念为例说明了工艺知识本体的建模及OWL语言表示。明确了面向工艺设计过程的各种工艺知识需求。基于上述研究, 论述了工艺知识查询时本体发挥的作用。最后介绍了基于本体的工艺知识管理系统的框架以及原型系统的开发方法。在网络化制造环境下,工艺知识管理不但局限在一个企业内部,要扩大到参与协同的各企业知识的协同管理,即要求经过网络实现语义上的传递和相互理解接受,这就要求企业知识管理系统必须采用适当的技术支持网络化环境下的语义传递。基于本体的知识管理系统为此打下了很好的基础, 但还需要进一步的研究。另外, 对于不同类型、 分布在不同位置的工艺知识,在逻辑层面的协同管理方面也有待深入研究。参考文献: 1 SUN Li, WANG Xiulun, YANG Zhigang. 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