面向产品设计的本体推理研究

面向复杂产品设计的本体推理研究*李红梅，丁晟春（南京理工大学经济管理学院，江苏南京210094）摘要：[目的]为充分重用与共享复杂产品设计中的隐含知识。[方法]研究本体推理在产品设计中的应用，对产品设计中的规则需求和类型分析，形成逻辑关系和设计参数约束规则，设计了产品设计规则到推理规则的转换流程，提出了面向复杂产品设计的本体推理框架。[结果]基于该框架进行机械手设计中的本体推理实验，在设计本体构建的基础上实现了机械手驱动装置和参数值的推理与知识扩充。[局限]但针对设计参数中的定性约束未能有效实现推理。[结论]实验结果验证了本体推理框架的可行性。关键词：本体推理；复杂产品设计；逻辑关系；设计参数约束；推理规则中文分类号：G356.8ResearchonComplexProductDesign-OrientedOntologyReasoningLiHongmei,DingShengchun(SchoolofEconomics&Management,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China)Abstract:[Objective]Inordertoruseandshareimplicitknowledgeincomplexproductdesign.[Methods]Thispaperstudiedtheapplicationofontologyreasoningintheproductdesign.Afterproductdesignrulerequirementandtypewereanalyzed,dividetherulesintologicalrelationshipanddesignparameterconstraintrule,designatransformprocessfromdesignrulestoinferenceruleswasdesigned,andthenproposedaproductdesign-orientedontologyreasoningframework.[Results]Inthemanipulatordesignreasoningexperiment,manipulatordesignontologywasbuilt;itachievesthedynamicdriveandparametervaluestoexpandknowledge.[Limitations]thequalitativeparametersinthedesignconstraintshavefailedtoreason.[Conclusions]Theexperimentalresultsverifythefeasibilityoftheontologyreasoningframework.Keywords:ontologyreasoning;complexproductdesign;logicalrelationship;designparameterconstraint;inferencerule1引言复杂产品是指客户需求复杂、产品组成复杂、技术构成复杂、研发成本高、一般单件小批生产、多个单位协同研发和生产的一类产品，如航天器、飞机、汽车、船舶、武器系统等用于国防建设的大型军工产品[1-2]。复杂产品设计涉及不同领域、不同层次、不同类型的知识，复杂产品设计大多依赖于个人的经验和知识的理解，通常只是一部分需要重新设计，其余部分或采用现有产品的设计或在*本文收国防科技工业局基础科研项目(NO:A2620133003)、国家社科基金重大项目(NO:11&ZD152)、中央高校基本科研业务专项资金（NO：30920140111006）资助。作者简介：李红梅（1990-），女，硕士研究生，研究方向：知识工程；丁晟春（1971-），女，硕士，副教授，研究方向：WEB数据挖掘与知识工程研究。现有产品的基础上修改重新研制。复杂产品设计在国家武器装备行业中有着重要应用，因此将设计知识、专家、机器有机结合，发现和选择合适的推理方法能有效的将用户需求映射到产品功能结构上，合理重用和融合已有的经验、知识和理论，帮助设计人员快速准确地进行产品设计。随着人工智能的发展，规则推理、案例推理、定性推理、本体推理等相关推理模式逐渐应用到产品设计中。规则推理是最早的推理方式，案例推理适用于设计经验丰富型的领域，人工神经网络推理则通过模拟人类输入信号激活或抑制神经元进行概率数值计算，定性推理是在信息不完全情况下使用略去无关细节的定性信息给出定性解释；而本体推理则是利用本体中的概念和属性进行逻辑推理。目前使用多种技术结合混合推理是解决单一推理方法效率低下、不能快速获得最优方案的很好方法，常用的混合推理模式有：结合案例推理与规则推理[3-4]，结合模糊网络与本体推理[5-6]，结合案例推理与本体推理[7-8]。其中，本体能充分表达产品复杂的语义关系，本体推理技术在混合推理中越来越起关键作用，能够在多种设计规则的约束条件下挖掘产品设计知识中隐含的信息。在产品设计中本体推理的应用是针对用户提出的需求，对设计知识采用本体进行表示，根据设计规则和经验，使用Jess、Jena、Pellet推理引擎结合Jena规则、SWRL规则实现知识推理,有效开发蕴藏在企业内部不同设计人员的显性和隐性知识，最终实现知识重用。在国外，Cebrian等[9]将本体推理应用到方案设计中，进行自动铅笔设计；Chen等[10]进行经验知识的本体表示和推理研究，以实现经验知识的共享；Zhu等[11]在产品组装中使用SWRL/SQWRL规则推理；Abdul等[12]利用本体及其推理有效地共享智能CAD设计中涉及到的知识。在国内，丁晟春等[13]使用Jess推理机进行隐含关系的挖掘与显示化；谢新文等[14]基于OWL利用推理Pellet、JESS推理引擎结合SWRL语言开发模具企业知识集成系统；王毅[15]设计了基于本体的多层知识表达与推理模型进行注塑模改模知识的重用。通过对文献[9]~文献[15]的研究，发现应用在产品设计中的本体推理仍有以下不足：①对本体推理技术的研究只能应用于简单的设计实例，而且偏向于事先给定某些现实中不存在的简单假设。②未针对不同的知识类型归纳相应的推理需求和规则类型，比如产品实体关系、概念分类、参数约束等类型对应的推理需求会不一样。③复杂分散的产品设计规则到推理规则的转换没有一定的规范流程,随着应用范围的扩大会导致不能有效地发掘隐含知识，难以满足复杂产品设计的需求。针对以上不足，本文将推理技术转化到复杂产品设计的实际应用上，通过对本体推理进行研究，分析了产品设计的规则需求和类型，设计了产品设计规则到本体推理规则的转换流程，最后提出一个面向产品设计的本体推理应用框架，在机械手设计中应用验证可行性。2复杂产品设计中的本体推理研究2.1产品设计中的规则需求与类型分析在复杂产品设计中，专家在实践中积累了大量可以形式化的经验和设计规则，包括工艺选用原则、材料的选取、功用确定、设计标准选择、结构参数的设计与约束等，不同的设计规则类型在本体推理时处理是不同的，本文将其分为逻辑关系和约束两大类。（1）逻辑关系逻辑关系是指概念与概念、概念与实例、实例与实例之间的等级和非等级关系，即产品部件、功能、结构等概念与概念的关联，在本体中体现为对象属性和公理。产品概念间的语义逻辑关系包括以下几种：同义关系（synonym-equal）、上下位关系（hypernym，hyponym）、同位关系（Associative-Relation）、整体部分关系（Part-of）、因果关系（Cause-Effect）、位置关系（location）、时序关系（sequence）、不相交关系（DisjointWith）、自定义关系。（2）约束约束是针对产品部件的设计参数和公式参数的定性和定量约束，比如某液压气压式复进机设计中，节制环应有一定宽度，一般取5~10mm（定量约束），以保证活塞小孔面积ax的准确性，但节制环也不宜过宽（定性约束），否则会影响ax的变化规律。本文涉及的定量约束类型有大于、大于等于、等于、小于等于、小于、离散取值、双区间七种，可以进行“与或”逻辑组合，代数表示如表1所示，其中a、b是具体数值。表1设计参数约束类型约束类型代数表示例子大于(a,∞)某平衡机的初始压强大于10Mpa大于等于[a,∞)某复进机外筒的材料厚度不应小于5mm等于a某平衡机的最大仰角一般取70°小于等于(∞,a]某机械手的运动轴伸缩最大至400mm小于(∞,a)某机械手最大运动速度V不能超过200mm/s离散值a、b、c、d……某单筒身管的炮口安全系数一般取：1.7、1.9双区间[a,b](a,b][a,b)(a,b)气体状态方程多变指数k的范围是[1.05,1.1]2.2产品设计规则到本体推理规则的转换流程复杂产品设计知识多源异构，涉及的设计规则也错综复杂。产品设计领域规则的集合构成设计规则库，基于本体推理的需求，需要将理解性的经验、标准等转换成机器可识别的规则格式，如图1所示，设计规则到推理规则的转换步骤如下:（1）借鉴专家的经验和产品功能等知识，以及产品设计过程中包含的设计目标、原理、公式等，进行设计规则的转化与描述，分成逻辑关系，定性约束、定量约束三类形式。（2）根据程序的产生式启发转换成一套IF-THEN规则，分析前提与结论的变量、概念、关系之间的析取与合取，表示前提和结论的内容。（3）然后结合不同的规则语法格式，编写推理机能够识别的程序规则，像Jena推理机自带的Jena自定义规则格式，支持本体语义推理的SWRL规则格式，并存储到规则库。图1产品设计规则到本体推理规则的转换流程2.3本体推理应用框架如图2所示为本文提出的面向复杂产品设计的本体推理应用框架，在通用推产生式规则产品知识规则库定性约束定量约束逻辑关系设计规则表述IF-THEN形式化专家经验设计特征产品功能……Jena规则SWRL规则推理规则集程序化语法格式理引擎的基础上，紧密融合复杂产品设计需求，相比其他学者的研究，不仅实现了复杂语义关系的扩展[13]和经验知识的挖掘[10]，同时将产品特有的设计参数约束进行归纳，从而由已知参数中求得蕴涵的未知设计参数值，更好的结合了复杂产品设计流程。该框架的关键在于产品设计本体知识库、设计规则库的构建以及推理机的选择和实施。产品设计知识库包括产品设计基础知识和设计流程知识，利用本体的概念化方法全面系统的表达产品知识特征和实例。设计规则库分成两层：逻辑关系推理规则和定参数约束推理规则，逻辑关系规则包括产品概念、实例以及其对象属性、概念公理的逻辑判定；参数约束规则包括产品设计参数约束和公式约束，以及参数属性的范围组合对设计方案选择的决策规则。知识库和推理机相互独立，设计问题的求解推理过程主要依赖于过去的经验和规则。如何把产品的知识库和规则库充分发挥作用，这就需要实施推理，挖掘本体知识库中的隐含知识，，扩充产品设计本体库，在设计中进行重用和共享。本体推理的步骤如下：（1）确定产品设计对象，进行设计需求分析，明确产品设计知识内容特征以及设计问题，以期更好地表达设计知识。（2）在Protégé中构建产品设计本体，设计概念、语义关系、属性，对本体的实例进行分类，梳理更好的概念层次关系，形成完整的OWL知识库，保证推理的完整性。（3）结合OWL知识库中的本体、实例和属性，对产品设计过程中的设计问题进行语义解析与转换，构建该领域的设计规则库，包括逻辑关系和定量约束两类，格式有Jena规则与SWRL规则。（4）构建本体模型，载入产品设计本体，根据需求选择Jena、Pellet、Jess推理机，并添加相应的Jena或SWRL规则实现产品语义关系扩展、隐性设计经验挖掘以及设计参数值确定等推理与应用。（5）验证推理结果的逻辑一致性与约束满足，追踪本体中事实推理轨迹，对新知识加以解释，将专家经验知识显示化表达。（6）将推理出的隐性知识导出模型，