基于本体面向工艺设计过程的知识管理的研究

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，有多种知识表达方法，而本体可以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ResearchonKnowledgeManagementforProcessPlanningBasedonOntologyAbstract:Therearemuchmorekindsofprocessknowledgeandrepresentationmethodsforit,ontologycouldbeusedinknowledgesharingandreusehere.Threetiersofprocessknowledgeontologywerepresentedinthispaper.Theconceptsrelatedprocessknowledgeandtheirtierrelationwereexpressed.Byexamples,theextractionofconceptfromprocessknowledgewasillustrated;modelingandOWLrepresentationofprocessknowledgeontologywereexplainedalso.Inthispaper,knowledgemanagementforprocessplanningwasstudiedmainly,requirementofprocessknowledgeinprocessplanning’sdifferentstagewaspresented.Basedontheresearchabove,ontologycouldbeusedtoplayanimportantroleinprocessknowledgequery.Atlast,theframeworkanddevelopmentmethodofprototypesystemofprocessknowledgemanagementwasintroduced,andthesystemwasbasedonontology.Keywords:processknowledge;knowledgemanagement;ontology;processplanning0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、表达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、形式化的表达出来,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，它可以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。工艺知识大体可分为：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]。此外，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达方法。目前一阶谓词、产生式规则、框架、语义网络等已经应用于工艺知识的表达中，对同一知识的表达可以采用多种方法,但各自的效果却不相同。经常需要把几种表达模式并用,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。而本体可以为知识（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(anontologyisanexplicitspecificationofaconceptualization.)[5]。本体能够将领域中的各种概念及相互关系显式的、形式化的表达出来,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。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。因此可以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，通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，它既可以引用所涉及的特定领域本体中的概念，又可以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，资源数据有可以用框架等知识表示方法表达的机床知识；工艺决策知识中有可以用产生式规则表达的机床选择规则等，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通过多种知识表示元素将这些概念之间的关联表达和反映出来,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,又可以分为立式车床、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。此外，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，可以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个元素可以唯一决定第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：121221(,)(,)(,)CCsynconceptsCCsynconceptsCC(5)实例(instances)代表元素。从语义上讲实例表示的就是对象。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在逻辑表达的基础上可以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可以是分布式的,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:owl:Classrdf:ID=＂车床＂rdfs:subClassOfowl:Classrdf:ID=＂加工设备＂//rdfs:subClassOfowl:disjointWithrdf:resource=＂铣床＂/owl:DatatypePropertyrdf:ID=＂机床加工范围＂rdfs:domainrdfresource=#加工设备＂/rdfs:rangerdf:resource=http://www.w3.org/2001/XMLSchema#string//owl:DatatypeProperty/owl:Class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，计算机正是通过这种“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,但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