本体以及其在机械工程中的应用综述

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一、前言

本体在经历了10多年的发展之后，已经实现了语言、环境构建和方法论，现已经构建了理论框架和技术体系，在各行业中广泛应用。

二、本体的基本概念

在信息科学中，作为一种知识表示方法，本体（ontology）包括了研究领域内对象的名称、对象属性和相互关系的逻辑描述，提供了领域内知识表示和交流的词汇集合和集合中各个对象的关系集合。采用这种方法表示知识的本体，是基于一定的目的人为设计的规范说明，这与它所建模的世界有着明显的区别。本体发展至今，其应用范围已经远远超出了传统人工智能和知识工程的范围，这主要是由于本体具有以下显着的优点：

1、异构系统互操作，在异构主体之间对交流的结构化信息达成共识，这是本体开发的一个主要目标；

2、通过本体复用、映射和集成等方式实现领域知识复用，这是本体研究的主要动力之一；

3、明确的领域认定，利用本体表示方法描述领域认定，当领域发生变化时，对应的领域认定的改变也相对比较容易；

4、分析领域知识，建立领域本体，实现领域知识的应用和管理；

5、将领域知识与操作性知识相分离。

三、知识工程中本体的含义

在知识工程领域，研究人员给出了面向人工智能的明确的本体定义，其中，最重要的一个是Gru-her在1993年采用人工智能界公认的概念模型为基础给出的：本体是概念模型的明确的规范说明。随后Studer在参考了Gruber和Borst的定义的基础上提出了本体是共享概念模型的明确的形式化规范说明。本体定义的核心内容本文由论文联盟收集整理是概念模型，即研究领域内存在的对象、概念及其他实体以及它们之间的关系是研究领域的一个抽象的、简化的视图，每一个知识库、知识库系统或知识水平的主体，都或明确或隐含的依托于某些概念模型。分类法（taxonomy）是对科学分类的普遍规律的研究，是按照一定的思想观点，以科学分类为基础，结合领域内容和特点，将领域知识分门别类以术语的形式组成分类表。本体与分类法相比，主要有两个区别：本体具有更为丰富的内部结构并且反映了某种程度的共识。

理论上，可以通过5种类型的构件来形式化描述一个本体：概念、关系、函数、公理和实例。这里的概念可泛指论述的任何事物，如任务、功能、行为、策略和推理过程等等，有时为叙述方便，概念也称为类。关系用来表示领域中概念之间的相互作用，元关系形式化定义为个集合的笛卡儿乘积的子集：R：C×C×…×C。函数是一类特殊的关系，在这种关系中，前n一1个元素可以惟一决定第n个元素，函数的形式化定义为：F：C×C2×…×G一一C。公理用来表示领域中永真的陈述，实例表示领域中的具体元素即对象。

四、本体构建的规则

本体构建方法概述出于对各自问题领域和具体工程的考虑，构造本体的过程各不相同。目前没有一个标准的本体构造方法，最有影响的是Gruber在1995年提出的5条规则：

1、清晰：本体必须有效地说明所定义的术语的含义。定义应该是客观的，与背景独立的。当定义可以用逻辑公理表达时，它应该是形式化的，应该尽力用逻辑公理表达。定义应该尽可能的完整。所有定义应该用自然语言加以说明。

2、一致：本体应该是前后一致的，也就是说，它应该支持与其定义相一致的推理。它所定义的公理以及用自然语言进行说明的文档都应该具有一致性。如果从一组公理中推导出来的一个句子与一个非形式化的定义或者实例矛盾，则这个本体是不一致的。

3、可扩展性：本体的可扩展性是指，本体提供一个共享的词汇，这个共享的词汇应该为可预料到的任务提供概念基础。它应该可以支持在已有的概念基础上定义新的术语，以满足特殊的需求，而无须修改已有的概念定义。也就是说，人们应该能够在不改变原有定义的前提下，以这组存在的词汇为基础定义新的术语。

4、编码偏好程度最小（Minimalencodingbias）：本体应该处于知识的层次，而与特定的符号级编码无关。本体的表示形式的选择不应该只考虑表示上或者实现上的方便。概念的描述不应该依赖于某一种特殊的符号层的表示方法，不能依赖于某种确定的语言，因为实际的系统可能采用不同的知识表示方法。

5、本体承诺最小，（Minimalontologicalcommitment）：本体承诺应该最小，只要能够满足特定的知识共享需求即可。也就是说，本体应该对所模拟的事物产生尽可能少的推断，而让共享者自由地按照他们的需要去专门化和实例化这个本体。Gruber还指出，由于本体承诺是以词汇的使用为基础的，因此可以通过定义承诺最弱的公理以及只定义应用所需的基本词汇来保证。

五、基于本体的产品信息模型

来自华盛顿大学的Sudarsan和CMU的Fenves作为美国国家标准与技术研究院（theNationalInsti—tuteofStandardsandTechnology，NIST）的访问学者，与NIST的Sriram等人一起，为支持产品生命周期管理（ProductLifecycleManagement，PLM）各个方面的信息需求，以本体为表示工具，开发了一种产品信息模型框架口。该框架以NIST的核心产品模型（theNISTCoreProductModel，CPM）及其3个扩展版本：开放式装配模型（OpenAssemblyMod—el，OAM）、设计分析集成模型（DesigeAnalyticIn—tergratedModel，DAIM）和产品族进化模型PFEM作为基础。OAM定义了系统级的概念模型和相关的层次化装配关系；DAIM定义了产品的主模型以及一系列抽象功能模型和两个主模型与功能模型之间的变换，每一个功能模型对应于产品的某一个领域特性，两个变换分别为理想化和映射；PFEM表示产品族及其组件，与产品族进化相关联的设计原理。

开发产品信息模型框架的目的在于：①从产品的概念设计阶段开始，在其全生命周期的整个过程中捕捉产品、设计原理、装配、公差等信息；②便于下一代CAD/CAE/CAM系统的语义互操作；③捕捉产品和产品族的进化。该框架提供了产品信息和设计原理的细粒度描述，因而PLM系统可以方便地直接访问框架中的数据。

产品信息模型框架作为产品在设计过程各个方面的信息库，能够为PLM及其辅助系统提供一种单一的、一致的信息交换协议，支持CAx及其他相关系统之间直接互操作和无缝的信息集成。该框架具有以下特点：

1、以形式化语义为基础，通过采用合适的本体就能进行自动推理；

2、具有概括性，它描述的是概念实体（制品和特征），而不是针对具体的某种产品（发动机、泵等）；

3、提供了产品全方位的丰富信息；

4、致力于促进新的应用和过程的开发，避免由于环境中信息的不齐备阻碍新应用的实现；

5、框架中结合了明确表示的设计原理，作为描述产品本身的重要内容；

6、作为产品级上不同系统间互操作的转换与接口。

六、结束语

总之，尽管当前，本体技术已经得到了发展，但是还是存在一定局限性，不能仅局限在对事实知识的表示，还应用对过程性的知识以及有效方法进行探索，这也是该技术今后的发展方向。