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本體以及其在機械工程中的應用綜述論文
一、前言
本體在經(jīng)歷了10多年的發(fā)展之后，已經(jīng)實(shí)現了語(yǔ)言、環(huán)境構建和方法論，現已經(jīng)構建了理論框架和技術(shù)體系，在各行業(yè)中廣泛應用。
二、本體的基本概念
在信息科學(xué)中，作為一種知識表示方法，本體（ontology）包括了研究領(lǐng)域內對象的名稱(chēng)、對象屬性和相互關(guān)系的邏輯描述，提供了領(lǐng)域內知識表示和交流的詞匯集合和集合中各個(gè)對象的關(guān)系集合。采用這種方法表示知識的本體，是基于一定的目的人為設計的規范說(shuō)明，這與它所建模的世界有著(zhù)明顯的區別。本體發(fā)展至今，其應用范圍已經(jīng)遠遠超出了傳統人工智能和知識工程的范圍，這主要是由于本體具有以下顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：
1、異構系統互操作，在異構主體之間對交流的結構化信息達成共識，這是本體開(kāi)發(fā)的一個(gè)主要目標；
2、通過(guò)本體復用、映射和集成等方式實(shí)現領(lǐng)域知識復用，這是本體研究的主要動(dòng)力之一；
3、明確的領(lǐng)域認定，利用本體表示方法描述領(lǐng)域認定，當領(lǐng)域發(fā)生變化時(shí)，對應的領(lǐng)域認定的改變也相對比較容易；
4、分析領(lǐng)域知識，建立領(lǐng)域本體，實(shí)現領(lǐng)域知識的應用和管理；
5、將領(lǐng)域知識與操作性知識相分離。
三、知識工程中本體的含義
在知識工程領(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的概念模型為基礎給出的：本體是概念模型的明確的規范說(shuō)明。隨后Studer在參考了Gruber和Borst的定義的基礎上提出了本體是共享概念模型的明確的形式化規范說(shuō)明。本體定義的核心內容本文由論文聯(lián)盟概念模型，即研究領(lǐng)域內存在的對象、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)知識庫、知識庫系統或知識水平的主體，都或明確或隱含的依托于某些概念模型。分類(lèi)法（taxonomy）是對科學(xué)分類(lèi)的普遍規律的研究，是按照一定的思想觀(guān)點(diǎn)，以科學(xué)分類(lèi)為基礎，結合領(lǐng)域內容和特點(diǎn)，將領(lǐng)域知識分門(mén)別類(lèi)以術(shù)語(yǔ)的形式組成分類(lèi)表。本體與分類(lèi)法相比，主要有兩個(gè)區別：本體具有更為豐富的內部結構并且反映了某種程度的共識。
理論上，可以通過(guò)5種類(lèi)型的構件來(lái)形式化描述一個(gè)本體：概念、關(guān)系、函數、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(chēng)為類(lèi)。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。函數是一類(lèi)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象。
四、本體構建的規則
本體構建方法概述出于對各自問(wèn)題領(lǐng)域和具體工程的考慮，構造本體的過(guò)程各不相同。目前沒(méi)有一個(gè)標準的本體構造方法，最有影響的是Gruber在1995年提出的5條規則：
1、清晰：本體必須有效地說(shuō)明所定義的術(shù)語(yǔ)的含義。定義應該是客觀(guān)的，與背景獨立的。當定義可以用邏輯公理表達時(shí)，它應該是形式化的，應該盡力用邏輯公理表達。定義應該盡可能的完整。所有定義應該用自然語(yǔ)言加以說(shuō)明。
2、一致：本體應該是前后一致的，也就是說(shuō)，它應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)明的文檔都應該具有一致性。如果從一組公理中推導出來(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、可擴展性：本體的可擴展性是指，本體提供一個(gè)共享的詞匯，這個(gè)共享的詞匯應該為可預料到的任務(wù)提供概念基礎。它應該可以支持在已有的概念基礎上定義新的術(shù)語(yǔ)，以滿(mǎn)足特殊的需求，而無(wú)須修改已有的概念定義。也就是說(shuō)，人們應該能夠在不改變原有定義的前提下，以這組存在的詞匯為基礎定義新的術(shù)語(yǔ)。
4、編碼偏好程度最�。∕inimalencodingbias）：本體應該處于知識的層次，而與特定的符號級編碼無(wú)關(guān)。本體的表示形式的選擇不應該只考慮表示上或者實(shí)現上的方便。概念的描述不應該依賴(lài)于某一種特殊的符號層的表示方法，不能依賴(lài)于某種確定的語(yǔ)言，因為實(shí)際的系統可能采用不同的知識表示方法。
5、本體承諾最小，（Minimalontologicalcommitment）：本體承諾應該最小，只要能夠滿(mǎn)足特定的知識共享需求即可。也就是說(shuō)，本體應該對所模擬的事物產(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(zhuān)門(mén)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的，因此可以通過(guò)定義承諾最弱的公理以及只定義應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作為美國國家標準與技術(shù)研究院（theNationalInsti—tuteofStandardsandTechnology，NIST）的訪(fǎng)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(kāi)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)擴展版本：開(kāi)放式裝配模型（OpenAssemblyMod—el，OAM）、設計分析集成模型（DesigeAnalyticIn—tergratedModel，DAIM）和產(chǎn)品族進(jìn)化模型PFEM作為基礎。OAM定義了系統級的概念模型和相關(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)功能模型對應于產(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)的設計原理。
開(kāi)發(fā)產(chǎn)品信息模型框架的目的在于：①從產(chǎn)品的概念設計階段開(kāi)始，在其全生命周期的整個(gè)過(guò)程中捕捉產(chǎn)品、設計原理、裝配、公差等信息；②便于下一代CAD/CAE/CAM系統的語(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)品信息和設計原理的細粒度描述，因而PLM系統可以方便地直接訪(fǎng)問(wèn)框架中的數據。
產(chǎn)品信息模型框架作為產(chǎn)品在設計過(guò)程各個(gè)方面的信息庫，能夠為PLM及其輔助系統提供一種單一的、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，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），而不是針對具體的某種產(chǎn)品（發(fā)動(dòng)機、泵等）；
3、提供了產(chǎn)品全方位的豐富信息；
4、致力于促進(jìn)新的應用和過(guò)程的開(kāi)發(fā)，避免由于環(huán)境中信息的不齊備阻礙新應用的實(shí)現；
5、框架中結合了明確表示的設計原理，作為描述產(chǎn)品本身的重要內容；
6、作為產(chǎn)品級上不同系統間互操作的轉換與接口。
六、結束語(yǔ)
總之，盡管當前，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，不能僅局限在對事實(shí)知識的表示，還應用對過(guò)程性的知識以及有效方法進(jìn)行探索，這也是該技術(shù)今后的發(fā)展方向。
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