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本體以及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用綜述論文
一、前言
本體在經(jīng)歷了10多年的發(fā)展之后，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)言、環(huán)境構(gòu)建和方法論，現(xiàn)已經(jīng)構(gòu)建了理論框架和技術(shù)體系，在各行業(yè)中廣泛應(yīng)用。
二、本體的基本概念
在信息科學(xué)中，作為一種知識(shí)表示方法，本體（ontology）包括了研究領(lǐng)域內(nèi)對(duì)象的名稱、對(duì)象屬性和相互關(guān)系的邏輯描述，提供了領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)表示和交流的詞匯集合和集合中各個(gè)對(duì)象的關(guān)系集合。采用這種方法表示知識(shí)的本體，是基于一定的目的人為設(shè)計(jì)的規(guī)范說(shuō)明，這與它所建模的世界有著明顯的區(qū)別。本體發(fā)展至今，其應(yīng)用范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)人工智能和知識(shí)工程的范圍，這主要是由于本體具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：
1、異構(gòu)系統(tǒng)互操作，在異構(gòu)主體之間對(duì)交流的結(jié)構(gòu)化信息達(dá)成共識(shí)，這是本體開發(fā)的一個(gè)主要目標(biāo)；
2、通過(guò)本體復(fù)用、映射和集成等方式實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識(shí)復(fù)用，這是本體研究的主要?jiǎng)恿χ唬?/p>
3、明確的領(lǐng)域認(rèn)定，利用本體表示方法描述領(lǐng)域認(rèn)定，當(dāng)領(lǐng)域發(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的領(lǐng)域認(rèn)定的改變也相對(duì)比較容易；
4、分析領(lǐng)域知識(shí)，建立領(lǐng)域本體，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識(shí)的應(yīng)用和管理；
5、將領(lǐng)域知識(shí)與操作性知識(shí)相分離。
三、知識(shí)工程中本體的含義
在知識(shí)工程領(lǐng)域，研究人員給出了面向人工智能的明確的本體定義，其中，最重要的一個(gè)是Gru-her在1993年采用人工智能界公認(rèn)的概念模型為基礎(chǔ)給出的：本體是概念模型的明確的規(guī)范說(shuō)明。隨后Studer在參考了Gruber和Borst的定義的基礎(chǔ)上提出了本體是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說(shuō)明。本體定義的核心內(nèi)容本文由論文聯(lián)盟概念模型，即研究領(lǐng)域內(nèi)存在的對(duì)象、概念及其他實(shí)體以及它們之間的關(guān)系是研究領(lǐng)域的一個(gè)抽象的、簡(jiǎn)化的視圖，每一個(gè)知識(shí)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)或知識(shí)水平的主體，都或明確或隱含的依托于某些概念模型。分類法（taxonomy）是對(duì)科學(xué)分類的普遍規(guī)律的研究，是按照一定的思想觀點(diǎn)，以科學(xué)分類為基礎(chǔ)，結(jié)合領(lǐng)域內(nèi)容和特點(diǎn)，將領(lǐng)域知識(shí)分門別類以術(shù)語(yǔ)的形式組成分類表。本體與分類法相比，主要有兩個(gè)區(qū)別：本體具有更為豐富的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并且反映了某種程度的共識(shí)。
理論上，可以通過(guò)5種類型的構(gòu)件來(lái)形式化描述一個(gè)本體：概念、關(guān)系、函數(shù)、公理和實(shí)例。這里的概念可泛指論述的任何事物，如任務(wù)、功能、行為、策略和推理過(guò)程等等，有時(shí)為敘述方便，概念也稱為類。關(guān)系用來(lái)表示領(lǐng)域中概念之間的相互作用，元關(guān)系形式化定義為個(gè)集合的笛卡兒乘積的子集：R：C×C×…×C。函數(shù)是一類特殊的關(guān)系，在這種關(guān)系中，前n一1個(gè)元素可以惟一決定第n個(gè)元素，函數(shù)的形式化定義為：F：C×C2×…×G一一C。公理用來(lái)表示領(lǐng)域中永真的陳述，實(shí)例表示領(lǐng)域中的具體元素即對(duì)象。
四、本體構(gòu)建的規(guī)則
本體構(gòu)建方法概述出于對(duì)各自問(wèn)題領(lǐng)域和具體工程的考慮，構(gòu)造本體的過(guò)程各不相同。目前沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的本體構(gòu)造方法，最有影響的是Gruber在1995年提出的5條規(guī)則：
1、清晰：本體必須有效地說(shuō)明所定義的術(shù)語(yǔ)的含義。定義應(yīng)該是客觀的，與背景獨(dú)立的。當(dāng)定義可以用邏輯公理表達(dá)時(shí)，它應(yīng)該是形式化的，應(yīng)該盡力用邏輯公理表達(dá)。定義應(yīng)該盡可能的完整。所有定義應(yīng)該用自然語(yǔ)言加以說(shuō)明。
2、一致：本體應(yīng)該是前后一致的，也就是說(shuō)，它應(yīng)該支持與其定義相一致的推理。它所定義的公理以及用自然語(yǔ)言進(jìn)行說(shuō)明的文檔都應(yīng)該具有一致性。如果從一組公理中推導(dǎo)出來(lái)的一個(gè)句子與一個(gè)非形式化的定義或者實(shí)例矛盾，則這個(gè)本體是不一致的。
3、可擴(kuò)展性：本體的可擴(kuò)展性是指，本體提供一個(gè)共享的詞匯，這個(gè)共享的詞匯應(yīng)該為可預(yù)料到的任務(wù)提供概念基礎(chǔ)。它應(yīng)該可以支持在已有的概念基礎(chǔ)上定義新的術(shù)語(yǔ)，以滿足特殊的需求，而無(wú)須修改已有的概念定義。也就是說(shuō)，人們應(yīng)該能夠在不改變?cè)卸x的前提下，以這組存在的詞匯為基礎(chǔ)定義新的術(shù)語(yǔ)。
4、編碼偏好程度最�。∕inimalencodingbias）：本體應(yīng)該處于知識(shí)的層次，而與特定的符號(hào)級(jí)編碼無(wú)關(guān)。本體的表示形式的選擇不應(yīng)該只考慮表示上或者實(shí)現(xiàn)上的方便。概念的描述不應(yīng)該依賴于某一種特殊的符號(hào)層的表示方法，不能依賴于某種確定的語(yǔ)言，因?yàn)閷?shí)際的系統(tǒng)可能采用不同的知識(shí)表示方法。
5、本體承諾最小，（Minimalontologicalcommitment）：本體承諾應(yīng)該最小，只要能夠滿足特定的知識(shí)共享需求即可。也就是說(shuō)，本體應(yīng)該對(duì)所模擬的事物產(chǎn)生盡可能少的推斷，而讓共享者自由地按照他們的需要去專門化和實(shí)例化這個(gè)本體。Gruber還指出，由于本體承諾是以詞匯的使用為基礎(chǔ)的，因此可以通過(guò)定義承諾最弱的公理以及只定義應(yīng)用所需的基本詞匯來(lái)保證。
五、基于本體的產(chǎn)品信息模型
來(lái)自華盛頓大學(xué)的Sudarsan和CMU的Fenves作為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（theNationalInsti—tuteofStandardsandTechnology，NIST）的訪問(wèn)學(xué)者，與NIST的Sriram等人一起，為支持產(chǎn)品生命周期管理（ProductLifecycleManagement，PLM）各個(gè)方面的信息需求，以本體為表示工具，開發(fā)了一種產(chǎn)品信息模型框架口。該框架以NIST的核心產(chǎn)品模型（theNISTCoreProductModel，CPM）及其3個(gè)擴(kuò)展版本：開放式裝配模型（OpenAssemblyMod—el，OAM）、設(shè)計(jì)分析集成模型（DesigeAnalyticIn—tergratedModel，DAIM）和產(chǎn)品族進(jìn)化模型PFEM作為基礎(chǔ)。OAM定義了系統(tǒng)級(jí)的概念模型和相關(guān)的層次化裝配關(guān)系；DAIM定義了產(chǎn)品的主模型以及一系列抽象功能模型和兩個(gè)主模型與功能模型之間的變換，每一個(gè)功能模型對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品的某一個(gè)領(lǐng)域特性，兩個(gè)變換分別為理想化和映射；PFEM表示產(chǎn)品族及其組件，與產(chǎn)品族進(jìn)化相關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)原理。
開發(fā)產(chǎn)品信息模型框架的目的在于：①?gòu)漠a(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段開始，在其全生命周期的整個(gè)過(guò)程中捕捉產(chǎn)品、設(shè)計(jì)原理、裝配、公差等信息；②便于下一代CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的語(yǔ)義互操作；③捕捉產(chǎn)品和產(chǎn)品族的進(jìn)化。該框架提供了產(chǎn)品信息和設(shè)計(jì)原理的細(xì)粒度描述，因而PLM系統(tǒng)可以方便地直接訪問(wèn)框架中的數(shù)據(jù)。
產(chǎn)品信息模型框架作為產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程各個(gè)方面的信息庫(kù)，能夠?yàn)镻LM及其輔助系統(tǒng)提供一種單一的、一致的信息交換協(xié)議，支持CAx及其他相關(guān)系統(tǒng)之間直接互操作和無(wú)縫的信息集成。該框架具有以下特點(diǎn)：
1、以形式化語(yǔ)義為基礎(chǔ)，通過(guò)采用合適的本體就能進(jìn)行自動(dòng)推理；
2、具有概括性，它描述的是概念實(shí)體（制品和特征），而不是針對(duì)具體的某種產(chǎn)品（發(fā)動(dòng)機(jī)、泵等）；
3、提供了產(chǎn)品全方位的豐富信息；
4、致力于促進(jìn)新的應(yīng)用和過(guò)程的開發(fā)，避免由于環(huán)境中信息的不齊備阻礙新應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)；
5、框架中結(jié)合了明確表示的設(shè)計(jì)原理，作為描述產(chǎn)品本身的重要內(nèi)容；
6、作為產(chǎn)品級(jí)上不同系統(tǒng)間互操作的轉(zhuǎn)換與接口。
六、結(jié)束語(yǔ)
總之，盡管當(dāng)前，本體技術(shù)已經(jīng)得到了發(fā)展，但是還是存在一定局限性，不能僅局限在對(duì)事實(shí)知識(shí)的表示，還應(yīng)用對(duì)過(guò)程性的知識(shí)以及有效方法進(jìn)行探索，這也是該技術(shù)今后的發(fā)展方向。
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