1本体及其在机械工程中的应用综述.pdf

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1、第 1 3卷第 4期 2 0 0 7年 4月 计算机集成制造 系统 Co mpu t e r I n t e gr a t e d【a nuf a c t ur i ng Sy s t e ms Vo I 1 3 No 4 A p r 2 0 0 7 文章 编号：1 0 0 6 5 9 1 1(2 0 0 7)0 4 0 7 2 7 一l l 本体及其在机械工程 中的应用综述 赵建勋，张振明，田锡天，贾 晓亮，朱名铨(西北工业大学 机电学院，陕西西安7 1 0 0 7 2)摘要：本体研究方 面的综述文章很多，但尚未发现本体在机械工程 中的应用 综述。因此，有必要对本 体 以及 本体在机械 工程

2、 中的应用现状进行 总结 首先，介绍 了本体 的基本概念及本 体工程 的有关 内容；其次，介 绍 了机械 工程 中用于产 品设计 的工程本体、产品信息模型本体、产 品数据语 义交换本 体；最后，通过 总结机械工 程 的行业 特 色，有 针对 性的提出了机械工程中本体的应用框架，总结并 展望 了本 体在机 械工程 领域 的应用前 景。阐明 了通 过 将本体与 问题求解方法等结合，是提高机械设计 自动化程度 的有效途径。关键词：本 体；本体工程；知识表示；机械工程；产品信息模型；数据语义交换 中图分类号：TP 1 8 2；T P 3 9 1 7 文献标识码：A On t o l o g y&i t

3、 s a p pl i c a t i o n s i n me c ha ni c a l e n g i n e e r i ng ZHAO J i a n J S U n。Z HANG Z h e n mi n g，TI AN Xi t i a n，J l A Xi a o-l i a n g，ZH UM i n g q u a n (S c h o f M e c h a t r o n i c s，No r t h we s t e r n Po l y t e c h n i c a l Un i v，Xi a n 7 1 0 0 7 2，Ch i n a)Ab s t r ac

4、t：To d e a l wi t h t he pr obl e m of no s u r v e y i s av a i l ab l e f or t h e a p pl i c a t i o ns of on t ol og i es i n t he f i e l d of me c ha ni c a l e ng i ne e r i n g，a s ur v e y o f r e c e nt pr og r e s s o n on t ol og y r e l a t e d r e s e a r c h a nd t he a p pl i c a t i

5、 o ns i n me c h a ni c a l e ng i n e e r i ng wa s pr e s e nt e d Fi r s t l y，ba s i c c on c e pt s of on t ol og y a nd s ome a s pe c t s of on t ol og i c al e ngi ne e r i ng we r e i nt r odu c e d Th e n，t h r e e o n t o l o g i e s a p p l i e d i n p r o d u c t d e s i g n o f m e c h

6、 a n i c a l e n g i n e e r i n g we r e s t u d i e d，wh i c h i n c l u d e d e n g i n e e r i n g o n t o l o g y，p r o d u c t i n f o r ma t i o n mo d e l o n t o l o g y，a n d p r o d u c t d a t a s e ma n t i c e x c h a n g e o n t o l o g y Fi n a l l y，b y s u mma r i z i n g t h e c h

7、 a r a c t e r i s t i c s o f m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g，t h e o n t o l o g y a p p l i c a t i o n f r a m e wo r k f o r me c h a n i c a l e n g i n e e r i n g wa s p r o p o s e d Fu r t h e r mo r e，t h e d e v e l o p me n t t r e n d s i n t h e a p p l i c a t i o n s o f o

8、 n t o l o g i e s i n t h e f i e l d o f me c h a n i c a l e n g i n e e r i n g we r e d i s c u s s e d I t wa s a l s o r e v e a l e d t h a t c o mb i n i n g o n t o l o g y wi t h P r o b l e m S o l v i n g M e t h o d(P S M)wa s t h e e f f e c t i v e wa y t o i mpr o ve t he me c ha ni

9、 c a l d es i gn a u t oma t i o n Ke y wo r d s：o n t o l o g y；o n t o l o g i c a l e n g i n e e r i n g；k n o wl e d g e r e p r e s e n t a t i o n；me c h a n i c a l e n g i n e e r i n g；p r o d u c t i n f o r ma t i on mod el；da t a s e ma nt i c e xc h a nge 0 引言 本体 自2 0世纪 9 0年代初至今 经过 了 1

10、 0多年 的发展，从概念到逻辑基础，从实现语言、构建环境 到方法论，已经初步构建 了本体的理论框架和技术 体 系，并 在众 多领 域得 到广 泛应 用。建造本体被看作是 改进知识工程过程、增强知 识共享和复用、促进异构系统间互操作的重要手段。本体 已经广泛应用于常识知识、企业集成、自然语言 翻译、语 义 we b、软件设计、医药工程 引、机械工 收稿 日期：2 0 0 6 一O 4 一O 6；修订 日期：2 0 0 6 0 7-0 6。Re c e i v e d 0 6 Ap r 2 0 0 6；a c c e p t e d 0 6 J u l y 2 0 0 6 基金项 目：国家 8 6

11、 3 c I Ms主题 资助项 目(2 0 0 3 AA4 Z 2 0 2 0)；西北 工业 大学研究生创业种子基金资助项 目(Z 2 0 0 5 2 7)。F o u n d a t i o n i t e m：P r o j e c t s u pp o r t e d b y t he Na t i o n a l Hi g h-Te c h R D Pr o g r a m f o r CI MS，China(No 2 0 0 3 AA4 Z2 02 0)，a n d t h e Gr a d u a t e St a r t i n g S e e d F un d o f No r

12、 t h we s t e r n P o l y t e c h ni c a l Un i v e r s i t y，China(No Z 2 0 0 5 2 7)作者简介：赵建勋(1 9 6 9 一)，男，山东寿光人，西北 工业大学机 电学 院博士研究生，主要从事计算机辅助技术、机械设计方法学、知识工程等 的研 究。E ma i l：z h a o j i a n x u n ma i l n wp u e d u a n。维普资讯 http:/ 7 2 8 计算机集成制造系统 第 1 3 卷 程、电子商务、情报信息系统-3 、地理信息系统 4 、基 因工程 和生物信息系统 6 等。本

13、体在机械制造行业 的应用包括企业本 体 7 、工程设计本体 8 、产品本体、产 品设计资源本体 g 和(分布式)工作流程本体 1 叩等。不 同的研究人员 由 于侧重点不同，所建立的产 品本体反应 出的产 品信 息也各不相同，具体包括用于设计的产品本体 、用 于产品生命周期管理的产 品本体】、用于产 品数据 交换的产 品本体 1 引、构建产 品信息 系统 的产 品本 体 1。和产 品零件库本体 1 等。1 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(o n t o l o g y)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

14、 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。2 O世纪 9 O年代初，L e n a t 】和 Ne c h a s 1 分别在 自己的研究项 目中将本 体引入到知识 系统的知识表示 中来，从 而在构建知识系统的方法 上引起了的革命性的变化。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 具有以下显著的优点 1 ：(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

15、)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。1 1 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 Gr u-h e r 在 1 9 9 3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 1。随后 S

16、t u d e r 在参 考 了 Gr u b e r 和 B o r s t 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 1。本体定义 的核 心内容 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 2。，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 1 。分类法(t a x o n o my)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

17、 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 1 。面 向对象技术也是一种重 要的知识表示形式，本体和对象的主要 区别在于：对 象的设计是基于类 的操作属性，而本体 的设计则是 基于类的结构属性 1；本体能够清楚地解释对象或 对象类、对象层次结构，还可以描述对象之间的其他 关系以及对象的组合方式。本体常常等同于类 的分 类法，而不是类的定义和归属关系，但本体又不能仅 限于分类法，为了对概念模型进行详细限定，需要在 分类法的基础上引入公理集来对所定义术语 的可能 解释进行约束口。理论 上，可 以通过 5种类型的构件来形式化描 述一个本体 2 引：概念、关系、函数、公 理和实例

18、。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 C 2 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。1 2 本体 的 形式化 定义 前述的本体必须考虑到能够覆盖各种类型的应 用，因此，其定义不能与具体的实现环境相关联。为 了在计算机上实现本体，还需

19、要明确地给出本体的 形式化定义。根据不同的研究人员对本体概念理解 上的差异，具体应用领域和开发环境的不同，本体的 形式化定义也各不相 同，常用的几个定义都采用 了 元组的形式，如四元组、六元组、七元组 等。德 国 卡 尔 斯 鲁 厄 大 学 的 知 识 管 理 工 作 组(AI F B)是本体领域 中的一个重要的研究机构，开发 了 KAON本 体开 发环 境、统 一 问题求 解方 法描 述语 言(Un i f i e d P r o b l e m-s o l v i n g Me t h o d d e v e l o p me n t 维普资讯 http:/ 第 4期 赵建勋 等：本体及其

20、在机械工程中的应 用综述 L a n g u a g e，UP ML)。在他们 的研究 中，用到了一种 五元组的本体定义：定义 1 本体 0是一个五元组结构：0：一(C，c，R，R 。式中，C是概念集 合，C中的元素 是概念标 志符；R 是关系集合，R中的元素是关系标志符，且 CnR一 0；。是概念集合 C上的偏序，称为概念层次结构 或分类法；函数：RC 为签名；是关系集合 R 上的偏序，称为关 系层次结构，当 r r z，对每 一个 i：1 i f a(r )f 有 f a(r )f f a(r。)f，且(r )c 7 r (r 2)。概念标 志符和关 系标志 符分别简称为概念和关系。在这个

21、五元组的定义 中，没有包括公理集，公理 集单独定义如下：定义 2 设 L为一逻辑语言，对本体 0的L公 理系统 为一对偶：A：一(A，口)。式 中，A 是公理标志符的集 合 a：A，一L是一个 映射；A：一 a(AI)中的元素称为公理。1 3 本体 的分 类 参照不 同的分类准则，有多种本体种类 的划分 方法。常用的本体分类准则有本体描述的形式化程 度、对建模对象描述 的详细程度和对领域的依赖程 度。按形式化程度的不同，分为非形式化本体、半非 形式化本体 、半形式化本体 和形式化本体 。按对建模对象描述 的详细程度高低来划分，详细程 度高 的称为参 考本体；详 细程度 低 的称为共 享本 体

22、3 。本体对领域 的依赖程度反 映了本体本身 的 概括程度，本体的概括程度越高，对领域的依赖程度 越低，按照该标准，本体通常分为 1 ：(1)领域本体：描述某一专门领域的知识；(2)通用 本体：描述在几个 领域 中都有效 的知 识 。；(3)应用本体：包含了对某一特定领域建模时需 要的所有知识，应用本体一般包括领域本体和方法 本体；(4)表示本体：不包含任何特定的领域知识，而 是提供了一组与具体应用无关 的知识表示 实体，表 示本体的典型代表是框架本体 1 引。(5)方法 与任务本 体：用来 描述问题求解方法(P r o b l e m S o l v i n g Me t h o d，P S

23、 M)和特定 任务 的知 识 3 2 。前面 4种本体都是用来描述求解领域问题中的 静态知识，任务和方法本体则是从推理 的角度来描 述领域 知识。2 本体 工程与环境 本体工程 的目的在于将本体设计、实现及应用 的过程从手工方式转变为工程过程，本体工程包含 了在本体的抽象、设计、实现和部署等过程 中起指导 作用的一系列活动。本体开发的主要 目标在于明确 领域知识结构，使知识共享和复用成为可能 3 引。2 1 本 体 开发 的工程 原则 与方 法论 本体 的设计依据和原则是在借鉴软件工程原则 的基础上，在本体开发中总结出来的，这些原则包括 Gr u b e r 提 出 的明确 性与 客观 性、完

24、整 性、一 致性、最 大单 调 可 扩 展性、最 小 编 码倾 向 和最 小 本 体 承 约L 2。此外，需遵循 的本体开发原则还包 括：本 体差别原则；对应于不同标志准则 的概念之间必 须不相交；层次结构分散化原则：可以充分 发 挥多重继承机制的优势；模块化原则 3 ；模块 之 间的耦合要降到最低；最小化同属概念之间的语 义距 离原则 L 3 和 名称标 准化 原则 3 引。构建一个本体需要对领域进行深入的分析，揭 示领域 中的概念、属性、关系、约束和公理 1 。本体 的开发过程包括项 目管理、本体 开发和集成 3个方 面。本体开发，尤其是大型领域的本体，必须采用工 程化的方法。常用的本体开

25、发方法论包括：C Y C本 体及方法L 1、Us e h o l d在开发企业本体中建立 的骨 架 方法 7 、G r u n i n g e r 和 F o x在 T OVE企业 模 型 项 目建 立 的 方 法 3 、K AC TUS项 目及 B e r n a r a s方 法 3 引、L o p e z等人 在开发 C HE MI C A L S本体 中采 用 的 Me t h o n t o l o g y方 法 3 钉、S E NS US本 体 及 方 法 3 钉以及 P r o t 6 g 6方 法】等。其 中 骨 架 方 法、T OVE方法和 Me t h o n t o l

26、o g y方法相对 成熟，它们 都是从确定本体的应用 目的和领域知识获取的需要 出发，但 在获 得 了大 量 的知 识 之后，骨架 方法 和 TO VE方法建议直接采用形式化语言进行编码，而 Me t h o n t o l o g y方法则首 先采用 中间表示形式来 表 达所获取的知识，然后用翻译器将 中间表示转换成 本体。P r o t 6 g 6 方法是一个迭代方法，它不依赖于特 定的本体语言，经过 由粗到精 的几个反复的细化过 程后，可以根据项 目的具体要求和作者的偏好，选择 特定的语言生成本体描述。维普资讯 http:/ 计算机集成制造系统 第 1 3 卷 2 2 本体表示语言 在本

27、体 的研 究 中，出现 了众 多 的本体 表示语 言，归 纳起 来 主要包 括 C Y C表 示语 言(t h e C YC r e p r e s e n a t i o n L a n g u a g e，C Y C L)、L 0 0M 、操 作 知 识建模语言(O p e r a t i o n a l k n o wl e d g e mo d e l i n g L a n g u a g e，O C ML)E 4 1 、知 识 变 换(Kn o wl e d g e I n t e r c h a n g e F o r ma t，KI F)、F l o g i c 引、O ML

28、引、资 源 描述框架(R e s o u r c e De s c r i p t i o n F r a me w o r k，R D F)和资源词汇描叙述语言 R D F S c h e ma 4、简单的超 文 本标 记 语 言 本 体 扩 展(S i mp l e HTML On t o l o g y Ex t e n i s o n s，S HOE)、基于 XML的本体交换语言(XM L b a s e d Ont o l o gy e x c ha ng La n gu a ge，XO L)、本体 推理 层(t h e O n t o l o g y I n f e r e n c

29、 e L a y-e r，OI L)、本体标 记语 言(De f e n s e a d v a n c e d r e s e a r c h p r o j e c t s a g e n c y Ag e n t Ma r k u p La n g u a g e，D AML+OI L)_ 4。和 We b本 体 语 言(We b O n t o l o g y L a n g u a g e，OWL)_ 4 等。这些语言可以分为传统的本体表示语言和基于 We b应用的本 体表示语 言两大类。传统语言包括 C y c L，L OO M，OC ML，KI F，F l o g i c等；基

30、于 We b的 语 言 包 括 OML、R D F 和 R D F S c h e ma、S HO E、X OL、OI L、D AML+OI L、OwL等，这类 语言是基 于 We b应用开发 的，除 S HOE以外，其句法 格式全 部 以 可 扩 展 标 记 语 言(e X t e n s i b l e Ma r k u p L a n g u a g e，XML)为基础。C y c L是 C YC知识库的表示语 言，是第一个本 体表示语言。它是一个组织体 系庞大，语义表达能 力和灵活性都很强大的描述性语言。其句法本质上 是一阶谓词逻辑的一个扩展，采用 了语义约束、非原 子术语 NAT、变

31、量、数值和字符串等术语，术语组合 成 C y c L表达式，表达式最终构成不 含 自由变量的 闭合语句。C y c L具有多种推理机制 1 。KI F是 O n t o l i n g u a系 统 中的 本 体 形 式 化 表 示 语言，是在一 阶谓词逻 辑基础上 的扩 展，它构成 了 O n t o l i n g u a的句 法和语义基础】引。KI F采用 模型 论语义作为语言规 范，提供 了一种类 L I S P的符号 来表示公理，函数采用前缀句法，语句 由广义 表构 成，运算符包括合取、析取、蕴涵、否定。KI F具有很 强的表示能力，使得所有其他 的知识表示语言都有 转换 成 KI

32、F标 准 格 式 的 可 能。但 KI F不 是实 现 级 别上的表示系统，与具体应用无关。W3 C为 描述 We b资 源 信息 开 发 了 R D F和 R DF S c h e ma _ 4，合称 R DF(S)。R DF(S)的表达能 力比较弱，仅仅 能够表 达概念、概念公理 和二 元关 系。R D F(S)上的推理机只能进行约束检查。R DF (S)并不 是 一 种 本体 表 示 语 言，但 已成 为 众 多基 于 We b的本体 表示 语 言的基 础。OWL是 W3 C发 布 的最新 的本 体表 示语 言，是 D AML+OI L的改进版本，提供了更多 的形式化语 义的词汇，具有更

33、强大的性能，可以清晰地表达词汇 表 中术语的含义以及术语之间的关 系。OwL包含 OWL L i t e，OWL DL和 0WL F u l l _ 4 9 3个 表达 能力 渐增的子语言。OwL L i t e面向的是只需要一个分 类层次结构和简单的属性约束的用户；OwL DL面 向需要在保证推理能力的基础上，要求最大程度表 达能力的用户，推理能力需要保证计算完全性 和可 决定性；OWL F u l l 面向要求最大的表示能力，而不 要求可计算性的用户。L o o m是南加州大学信 息科 学研究所 于 1 9 9 1 年开发的，L o o m是从 KL ONE语言族 中派生 出来 的，现 已

34、升级为 P o we r L o o m 。O C ML是英 国 开放大学的 K MI 于 1 9 9 3年在 VI TAL项 目中开发 的模型建模语言 4。F L o g i c语言 由德 国卡尔斯鲁 厄大学于 1 9 9 5 年开发出来，能够表示概念、分类法、二元关系、函数、实例、公理和演绎规则，推理机可以 进行约束检查、演绎新的知识。S HOE是建立在 超文 本 标 记 语 言(Hy p e r Te x t Ma r k u p L a n g u a g e，HTML)基础 上 的一 种 本 体 表 示语 言，由马 里 兰 大 学于 1 9 9 6年 开 发_ 4 。O I L 是

35、欧 洲 I S T 的 O n t o-k n o wl e d g e 项 目中开发 出来 的，作为 DAML+0 I L 的前 身，奠 定 了语 义 we b设 计 语 言 的基 础 4 。DAML+0 I L是一种 We b资源的语义标记语言，由 美国和 欧洲 的本 体研究 机构 联手 在 DAML ONT 和 OI L的基础上研究出来的，具有定义 良好 的清晰 的语 义 引。2 3 本体构建工具与环境 本体的研究 中，出现 了大 量的本体构 建工具，如：英国开放大 学知识 媒 体研究 所开 发的 Ap o l l o (Ma r t i n F a l c 等人)和 we b O n

36、t o(J o h n Do mi n g u e 等 人)两个工具；加拿大渥太华大学于 1 9 9 5年开发的 C O DE 4(面向概念 的描述环境)，其升级版本智能知 识获取与检索通用系统(I KARUS)；法 国国家计算 机科学与控制研究院罗纳 一阿尔卑 斯分部开发 的 C O4；S RI的人 工 智 能 中心 开 发 的 GKB-E d i t o r；美 国南卡罗莱纳大学信息技术 中心开发 的 J OE(J a v a 本体编辑器)、信息科学研究所(I S I)开发 的 On t o 维普资讯 http:/ 第 4期 赵建勋 等：本体及其在机械工程 中的应用综述 s a u r u

37、 s；曼彻斯特大学与阿姆斯 特丹 自由大学合作 开发的 O i l E d；德国卡尔斯鲁厄大学 的 AI F B开发 的 On t o E d i t、AI F B与信息技术研究 中心(F Z I)联合开 发的 KAON；斯坦福大学知识系统实验室 KS L开 发的 On t o l i n g u a、C h i ma e r a和医学信息 中心(s MI)开发 的 P r o t 6 g 6 2 0 0 0；西 班牙 马德 里大 学 的 AI 实验 室开发 的 w e b OD E；阿姆 斯 特 丹 大学 开发 的 KAC T US工具集 VOI D等。这些工具一般都提供 了图 形化用户界面

38、，使得本体开发人员不必直接使用特 定的本体规范语言就可以设计本体。这些工具的大 部分都具有本体库功能，可 以通过对 已有本体的组 织和管理，不同程度地实现本体 的复用、集成、维护、映射和再版等功能。目前应 用最 为广泛 的本 体 构建 环 境是 P r o t 6 g 6 2 0 0 0，其注册用户接近 4 2 0 0 0人。P r o t 6 g 6 2 0 0 0 L 5 是一个图形化交互式 的本体设计 和知识获取环境，提供 了图形化本体编辑环境，采用基 于框架 的知识 模 型。一 个 P r o t 6 g 6 本 体 包 括类、槽、分 面 和公 理。类是论域中的概念，类构成一个分类层次

39、结构，支持 多重继 承。图 1所示是 本 文作者 建立 的工 装本 体 中 的部分类层次结构；槽描述了类的性质或属性，分面 描述 了槽 的特性，公理指附加 的约束。一个 P r o t 6 g 6 知识库包含了本体和本体中具有特定的槽值的类的 实例。图1 工装 本体 中 部分类 层 次结构 采用基 于框架 的知识 模 型使得 P r o t 6 g 2 0 0 0 具有很强的扩展性，系统功能的扩展通过创建应用 插件来实现，P r o t 6 g 6插件库包含了知识库 的图形可 视化插件、推理机插件、远程信息获取插件、半 自动 本体融合插件和本体表示语言插件等。通过使用不 同的插件，可将其内部表

40、示转换 成多种形式的输出 格式，包 括 XML，R D F(S)，OI L，D AML+OI L，O WL等系列语言。P r o t 6 g 6 2 0 0 0支持后 台数据库 的存储，通过使 用 J a v a数 据 库连 接(J a v a D a t a b a s e C o n n e c t i v e，J D B C)和 J D B C-开放 式数 据库连 接(Op e n D a t a b a s e C o n n e c t i v i t y，OD B C)桥访 问数 据库，能够将本体存储 在任何一种 J D B C兼容 的关 系数据库 中。P r o t 6 g 6

41、2 0 0 0的可 扩展 性还 表 现在 用户 可 以重 新定义系统使用的建模元语；提供可扩展的应用程 序 接 口(Ap p l i c a t i o n P r o g r a mmi n g I n t e r f a c e，AP I)接 口，便于用户 接 口定制；可将 P r o t 6 g 6 2 0 0 0直 接 与外部语义模块相连等。3 国内本体领域 的研究现状 国内最早进行本体研究的是浙江大学人工智能 研究所的高济教授，他于 1 9 9 6年进行 了基于本体的 智能系统 开发方法 OS MI的研究 5 引。现在本体的 研究 已经广泛分布于各个方面，包括：中科院计算所 曹存根领

42、导的团队在国家知识基础设施 NKI 的研 究中 5 引，建立 了植物学本体、关于人 的顶层本体，研 究 了基于本体 的知识获取方法 5 ，并在考古学、中药等学科上进行 了验证；上海交通大学俞勇等人 在大规模本体 的可视化方法方面的研究 5；中国人 民大学杜 小勇 和北 京 大 学 邓 志鸿、唐 世 渭 对 本 体 在 数字图书馆服务中的研究_ 5 ；国防科技大学张维 明对领域本体 的表示、推理 和集成的研究 5 ；中科 院数学所陆汝钤和清华大学石纯一对常识知识库的 研究 6 叩；中科院数学所金芝对基于领域本体的需求 分析研究，进行应用模型的 自动分析 6 ；复旦大学 夏燕和朱扬勇等在生物数据整

43、合中对基 因本体复用 的研究；华 中科技大学黄晓涛对本体映射的模糊 算法的研究 等。国内在机 械工程领域也进行 了大量 的研究工 作。浙江大学有多个机构进行了本体在机械工程中 的应用研究，如：C AD&C G 国家重点实验室董金祥 等人在基于本体的产品配置知识和配置模型等方面 进行了研究 6 ；现代制造工程研究所杨志雄、祁 国 宁等对基 于本 体 的零件 描述 和 We b零 件库 的研 究 6 5 ；人工智能研究所李善平对基于本体 的产品信 息集成研究 6 ；机 械与能源学 院宋荣、余忠华利用 P r o t 6 g 6 建立了轴承锈蚀领域知识 的本体；流体传动 与控制国家重点实验室董红召、

44、陈鹰等进行 了网络 协同制造本体的研究 6 。天津大学李文杰、冯志勇 等提出了基 于本体的多 Ag e n t自动 C AP P系统模 维普资讯 http:/ 计算机集成制造系统 第 1 3卷 型 6。哈尔滨工业大学王念滨、徐晓飞等建立的加 工工厂的企业本 体 P L ANT S T RU 及其集 成知识 处理系统 KI S O的研究I 6 。清华大学孙刚、王继龙 等为解决协 同产 品开发 中的知识共享 问题 开发 了 T ONE本体模型L 7。浙江工业大学赵燕伟对基 于 OWL本体建模的概念产品配置的研究。清华大学 王昕、熊光楞对基于本体的设计原理信息提取的研 究 等。国内对本体的研究 和应

45、用 的显著特点是，理论 研究和工具开发相对 比较少，应用研究所 占比例较 大，这一点与 国外本体领域 的研 究现状 7 刚好 相 反。但是国内 目前 具有一定规模 的研究 团队 比较 少。本体 的核心优势在于知识的共享，避免 以手工 方式从头重建知识库。国内尽管有众多的本体应用 研究的报道，但极难找到可供 复用 的本体。除 了知 识产权 的原因之外，国内的研究多侧重于原型研究，多数研究人员在某个方向上的研究也仅仅是投入有 限的精力和时间，很难系统全面地构建特定的领域 本 体。4 本体在机械工程 中的应 用 4 1 工程本体 P HY S S Y S B r o s t 和 Ak k e r m

46、a n s等人于 1 9 9 7年面向工 程 领域建模、模拟和设计开发 了一个基于动态系统理 论的通用形式化本体 P h y s S y s L s ，在 P h y s S y s的基 础上，建 立了知识库 OL ME C O，O L ME C O 是一个 物理 系统(如热力学系统、汽车或机床 的)的模型部 件库。这一工程本体表达了物理系统在不同角度下 的概 念模 型。从不同的角度来观察物理系统，可以得到系统布 局、物理过程和数学关系 3个视图。相应地，P h y s S y s 本体包含了部件本体、过程本体和数学本体 3个基础 本体，分别对应于 3个视图的形式化描述，3 个基础 本体通过不

47、同形式的投影构成 P h y s S y s 本体，如图 2 所示 部件本体的建立是从单纯的结构角度来看一个 系统。按照常规系统论 的观点，一个系统 由不 同的 具有边界和外部环境 的实体构成，实体本 身又 由一 定的结构单元按一定的相互关系形成实体的内部结 构，因此部件本体通过抽象反映了一个系统的结构 特性，而忽略了其动态过程 和数学约束。部件本体 反映了系统的部分整体关系、拓扑关系和系统理论，图2 P h y s S y s 本体 的 包含 结构 因此它又包括 了 3个更为基础的本体：分体论本体、拓扑本体和系统理论本体。分体论本体描述 了系统 结构单 元 的部 分 一 整体 关 系，如：e

48、 q u a l(x，x)，p r o p e r p a r t o f(x，y)，d i r e c t p a r t o f(x，y)和 d i s j o i n t(x，y)等关系；拓扑本体描述了系统结构单元 之间的空间连接关系，如 c o n n e c t i o n(c)和 c o n n e c t s (c，x，y)；系统理论本体定义 了一组系统本身的属 性，如 i n s y s t e m(x，S)，i n b o u n d a r y(C，S)，s u b s y s t e m o f(s u b，s u p)，o p e n s y s t e m(s)，c

49、l o s e d s y s t e m(s)等。物理过程本体描述的是物理系统 的行为属性，由于很难对 一般 意义上 的系统过 程进行形式化描 述，这里只是将 系统动力学 作为建模对象，定义 了 e n e r g y f l o w(e f)，e f，f r o m t o(e f，f，t)等概 念。数学本体定义 了用 于描述物 理过程的数学关 系，在这里，B r o s t 直 接复用 了 Gr u b e r 等人建立 的 工程数学本体 E n g Ma t h 7 z 。由基础本体构成上一层本体的投影方法包括扩 展包含、具体化包含 和投影包含三种形式。扩展包 含是指在 同一个抽象层

50、次上的本体包含 另外的本 体，从而扩展 自己的范围。具体化包含是抽象层次 低 的本体包含抽象层次高的本体，这个包含过程 中 需要把抽象概念 的抽象层次 降低到合适的层次，投 影包含是把不同视 图的本体结合在一起，并给 出相 互之间的依赖关系。OL ME C O中包 含 了可复用 的通用 部件、分解 结构、物理过程描述和数学关系等模型片断，以及各 个模型片断之间的关系、层次结构和管理信息，并采 用进化模型过程支持工程设计。OL ME C O知识库可以用 于不 同领域的工程设 计。例如，对汽车领域，该知识库包括 了车身、变速 箱、AB S系统、液压助力操纵 系统 和汽车电子系统 等模型片断；对机床