CN104850664A - 一种基于pdm的机械加工领域本体构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明为了解决机械加工领域缺乏有针对性并符合领域特点的本体构建方法的问题，提出一种基于PDM的机械加工领域本体构建方法。步骤一、定义本体的适用范围；步骤二、构建顶级本体；步骤三、提取术语间的关系；步骤四、根据机械加工相关问题建立问题库；步骤五、建立语境和术语库；步骤六、分解顶级本体；步骤七、添加本体内容；步骤八、测试下级本体；步骤九、集成下级本体；步骤十、机械加工领域本体的应用；该方法有效地克服了上述方法可行性不高、针对性不强和本地化程度低的三点不足，适合我国制造企业进行机械加工领域本体构建时使用。

Description

一种基于PDM的机械加工领域本体构建方法

技术领域

本发明属于知识管理与知识工程领域，涉及一种基于PDM的机械加工领域本体构建方法。

背景技术

自19世纪以来，社会经济类型正经历着从工业经济向知识经济的转变，知识正成为生产力要素中最活跃、最重要的部分。对制造业来说，机械加工是制造的灵魂，因此机械加工知识是制造企业最重要的知识资本。机械加工知识具有广泛性、隐含性、多样性和复杂性等特点。其广泛性指涉及范围广，既包括企业内部的知识(如工艺方法、制造资源、工艺参数、结构设计等)，又包括外部的知识(如客户、供应商等)；隐含性指有很大一部分的机械加工知识是工艺人员头脑中的技能、经验、诀窍等，很难以显性化的方法表达出来，必须采用合适的知识挖掘工具来进行知识的深层次挖掘和发现；多样性指有文字、图形、符号、公式等，表现形式多样；复杂性指机械加工知识存在广泛的多学科交叉，并且与企业具体的应用情况密切相关。由于机械加工知识具有重要的作用和众多的特性，因此对它进行有效的知识管理，实现机械加工知识的集成、共享和重用，发挥其巨大的作用就显得非常重要。

然而就目前的制造企业而言，机械加工知识管理的状况并不理想，知识的语义异构现象突出。语义异构是指对同一事物在解释上所存在差异，一般体现为同一事物在不同领域中理解的不同。由于采用了不同的表示和推理机制，异构系统间的知识交互变得比较困难，因此我们需要对知识的共享和重用进行有效的分析，消除这种由于系统建造者不同而造成的领域术语理解上的差异。本发明主要针对语义异构的问题，提供一种面向机械加工领域的本体构建方法，以消除知识系统间语义异构的问题，实现异构系统间的知识共享、知识表达以及知识重用功能。

目前本体成为了解决语义异构问题的重要手段。本体是通用意义上的术语定义集，是关于种类和关系的术语表。这种术语表为不同的系统提供了共同的术语，实现了某种程度上的知识共享和重用，同时为机器能够自动理解语义提供了最基本的支持。它发挥的主要作用是：首先，本体分析澄清了领域知识的结构，识别领域术语的本质和联系，从而为知识共享打下基础；其次，本体对领域知识进行了复用，因为避免了重复的领域知识的共享；最后，本体采用语义明确、定义统一的术语使得知识共享成为可能。所以，将本体应用到机械加工领域来进行机械加工知识的共享、重用以提高知识利用的效率是一个非常有意义的方法。

就机械加工领域而言，构建适合本领域和企业特点的本体，能够形式化地表达机械加工领域各种术语以及术语之间的关系，从而将语义表达出来，在此基础上，我们能够在相关的系统层面对信息结构和知识内容达成共同的认识，实现加工领域的知识共享和重用，并进行不同系统之间的互操作，在各术语之间建立一个语义路径图，并在术语层次结构的基础上实现语义检索的功能，提高知识发现的效率等等。由于机械加工领域本体有如此重要的作用，那么对其进行完善的构建就显得非常必要。

目前在本体构建领域还不存在统一的标准和方法，但已经有了一些被普遍接受的方法，比如骨架法、IDEF5法、七步法、企业建模法、TOVE法等等，这些方法从不同的侧重点总结了本体构建的思路与步骤，对于构建领域本体有着很大的意义。然而这些方法也存在着一些不足之处。其一，可行性不高，这些方法过于重视本体构建的思想，缺少构建过程中每一步的详细方法和技术，如“骨架法”中指出了要进行本体检验和本体建立，但是没有指明本体建立的具体方法，即术语的搜索和提取方法、关系的提取与整理方法以及如何对本体进行集成和检验等等；其二，针对性不强，由于不同领域的术语具有不同的特点，因而本体构建的方法难以在不同的领域中保持一致，这些方法是普遍意义上的领域本体构建方法，它可以面向所有不同的领域，然而相应的该方法对某一个具体领域的针对性就不强，因此在本体构建的过程中对许多领域特性的考虑不是很全面，不能满足我们针对机械加工领域进行本体构建的需要；其三，本土化程度低，上述方法绝大部分都是国外研究机构提出的，这些方法提出的背景和环境都是国外企业面临的实际状况，而国内外如今制造业的情况大不相同，如果要应用到我国的企业上，可能会出现“水土不服”的问题，即不能与我国的具体实际紧密地结合，低本土化的状况可能会导致构建过程中的许多问题。总的来说，现存的各种本体构建方法并不适合我国制造企业进行机械加工领域本体的构建，我们需要一种新的方法来完成这项工作。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决机械加工领域缺乏有针对性并符合领域特点的本体构建方法的问题，提出一种基于PDM的机械加工领域本体构建方法。

本发明方法是通过下述技术方案实现的：

一种基于PDM的机械加工领域本体构建方法，包括如下步骤：

步骤一、定义本体的适用范围，通过适用范围构建该机械加工领域本体要解决的问题和涉及到的知识范围；

步骤二、构建顶级本体，针对步骤一中确立的本体适用范围，以PDM中的分类树为基础，参考术语表，制定核心术语的集合，即仅包含最基本术语的小型本体树形结构，也是机械加工领域本体最初始的内容；

步骤三、将步骤二所述的顶级本体中的术语与PDM的数据库匹配，获取相关的材料内容，通过术语对出现的频率及上下文关系，提取术语间的关系；

步骤四、根据机械加工相关问题建立问题库，所述问题库包含问题发生的场景、所属领域、产生的影响、产生的原因信息，问题按照PDM的分类树进行分类；

步骤五、建立语境和术语库，对步骤三提取来的术语和语境根据PDM的分类树进行分类，并记录术语的信息，包括术语的实例、术语的属性、术语间的关系；

步骤六、分解顶级本体，将顶级本体分解成若干下级本体，每个下级本体包含领域内的一个方面；

步骤七、添加本体内容，将步骤五中生成的术语库与下级本体进行匹配，并将相应的术语内容添加到下级本体中；

步骤八、测试下级本体，使用已有的问题库测试下级本体；

步骤九、集成下级本体，根据本体构建原则对已经通过测试的下级本体进行集成，添加新的关系；

步骤十、机械加工领域本体的应用，由知识工程平台开发人员，将建成的机械加工领域本体应用到实际机械加工平台中，用于语义检索、推理；随着机械加工知识结构和实施单位产品内容的变化不断更新，基于本体应用过程的反馈实现本体的进化，

自此，就完成了/实现了基于PDM的机械加工领域本体构建方法。

本发明的有益效果：该方法有效地克服了上述方法可行性不高、针对性不强和本地化程度低的三点不足，适合我国制造企业进行机械加工领域本体构建时使用，是一个面向机械加工领域的系统而又具体的领域本体构建方法。

附图说明

图1为基于PDM的机械加工领域本体构建流程图。

具体实施方式

1、基于PDM的机械加工领域本体构建原则

明确性

构建出的领域本体应该对所定义的术语给出明确的语义定义,有效地传达所定义的术语内涵，并根据领域内的相关术语标准，使用其中规定的术语。定义中应该避免模糊的术语，对其加以区分。本体的定义应该是客观的、独立的，当定义可以采用逻辑公理来描述时，定义应该是形式化的。所有的定义应该使用自然语言描述。

完整性

所给出的定义是完整的，能表达特定术语的含义。应尽可能地使用完整的定义，即充要条件来对术语进行表达。

一致性

即本体中的术语间关系在逻辑上是否严密、一致。由术语得出的推论与术语本身的含义应该是兼容的，不会产生矛盾。即本体要支持与其定义相一致的推论，本体所定义的公理与其自然语言进行的描述应该一致。

可扩展性

本体在建立时应该为将来可预料到的术语、定义等提供术语基础，以支持在已有术语的基础上定义新的术语来满足更多的需要，即向本体中添加通用或专用的术语时，不需要修改或尽可能少的修改已有的内容。

最小编码偏差

术语的描述应该着重于知识的层次，而不是依赖某种特殊符号的编码。编码主要是为了满足标注或者执行的便利性。在本体的构建中，应该追求编码的最小偏差，使本体具有较好的正确性和独立性，并且使不同类型的编码系统实现知识共享。

最小本体承诺

一个领域本体应该在提供必需的共享知识条件下，要求有最小的本体承诺，即仅需要定义知识交流所必需的术语即可。在支持知识共享活动的基础上尽可能地减少术语表，达到去冗余性、优化本体结构的目标。

2、基于PDM的机械加工领域本体构建流程

定义本体的适用范围

给出构建该机械加工领域本体要解决的问题和涉及到的知识范围。机械加工包括工艺设计、零部件加工、采购和装配等过程，它们涵盖了制造企业的大量信息资源，如产品的功能、原理和结构信息、基本的零部件设计、制造和装配信息、产品的成本和材料信息、制造和装配的设备信息等。该步骤是要求本体构建人员通过梳理构建该本体的目标以及具体的应用范围，为后续搜集相关知识信息和搭建本体结构提供基础。

由于在不同环境下所加工的产品不同，建立本体的目标也不同，因此需要结合具体的情况，在最小本体承诺原则的指导下确定其范围，如单纯的零件生产企业构建的领域本体只面向工艺设计、零部件加工，另外根据其实际需要再决定是否包含采购过程等，如果构建本体的目的是综合性的，包括了企业生产的各个方面，则需要面向零件采购、生产原料、设备、工艺方法等，充分考虑产品制造全生命周期的各个环节。

构建顶级本体

机械加工领域顶级本体是针对上一步骤确立的使用范围所涉及的核心术语的集合，即仅包含最基本术语的小型本体，是机械加工领域本体最初始的内容。在建立顶级本体时，最重要的一点是对核心术语进行分类，核心术语源于PDM中的术语表和术语标准，根据PDM中的分类树对这些术语进行分类。机械加工领域的企业通常可以按产品、工艺、设备，在这三大类的下层分别设立产品种类、产品功能、产品结构、产品性能，工艺方法、工艺参数，生产设备，卡具量具等，这样就初步建立起了一个机械加工领域的顶级本体结构。

企业在具体情况下需要结合自身的需求以及所生产产品和加工工艺的特点，在本体适用范围的基础上进行顶级本体层次划分。这样的层次化术语框架将来会有助于步骤三中相关材料的检索。顶级本体具体构建方法如下：

a)由领域专家结合企业PDM系统中的产品目录、工艺规范和机床种类等信息，梳理出核心术语的集合；

b)由本体构建人员协助领域专家，综合考虑产品结构信息、研制过程、组织运营、研制成果等方面，并面向知识表示、知识获取、知识组织、知识重用等功能，将领域核心术语组织成机械加工领域顶级本体。

收集材料并提取术语和关系

通过检索企业PDM系统中的材料，如制造资源库(包括机床库、刀具库、夹具、量具库)、加工方法库、切削参数库、典型零件加工工艺库、BOM表，采取人工录入等方式将有意义的知识素材收集起来。

针对机械加工领域的特点，本方法采用由内到外的本体构建方式。由内向外是选取术语集合中比较重要的对象术语，从该术语出发，逐渐对其进行向上扩展和向下细分，这种方法能够控制细节的规模，并保证整体的稳定性，符合机械加工领域术语区别明显的特点，如车削加工、铣削加工、刨削加工、螺纹加工、激光加工、电火花加工等等，这些加工方式区分明显，术语清晰。然后再向上归结，得出传统切削加工、特殊表面加工、特种加工等术语；向下的扩展可以对这些术语进行细节的描述，在需要增加术语的时候可以再行添加。

在搜集知识材料并提取术语关系时，我们把材料来源分为三类，分别是结构化数据材料、非结构化数据材料和半结构化数据材料。

结构化数据指的是关系数据库或者面向对象数据库中的数据，即PDM系统以及PDM基础的如CAPP系统等。在结构化数据材料中的知识比较清晰，也非常容易获取，如在制造资源库的机床库中，可以很容易地显示出各种机床的名称、型号、加工方法等。而在切削参数库里，含有丰富的关于进给速度、切削速度、切削功率诸如此类的切削参数的知识内容，其他数据库亦可以用同样的方法进行操作，通过这项工作，结构化数据中的知识材料就可以被提取出来。

非结构化数据指的是没有固定结构的数据，文本文件是其中最主要的一部分，如文献库。在文献库中，由于知识材料嵌入在文本中，因此要对文献中所涉及到的术语、关系进行分析。在对文献库进行分析时，要在领域专家的帮助下，识别文献中出现的术语术语，比如各种加工方法、加工参数、机床型号、加工精度等，将识别出的术语提取出来并记录，然后将其分类归入顶级本体的不同类别中。

半结构化数据指的是具有隐含结构，但缺乏固定或者严格结构的数据。如大量的XML格式以及HTML格式的网页，以及企业进行机械加工的工艺卡片等。对于XML文档以及HTML网页而言，在进行领域术语提取时，尽管领域本体关键词多为隐式形态，但在其体系结构中大都有相应的具体标签进行标记，所以我们可以合理地以这些标签作为辅助，进行领域本体关键词的提取。对于工艺卡片，一般的工艺卡片中有标题区、工序图、设备区、内容区四个主要方面，在标题区我们可以查看被加工工件的工件名、所属产品(或者部件)名、毛坯形式、材料等，在工序图区可以看到加工表面、加工尺寸和精度要求，以及定位、加紧位置等，在设备区有关于机床、卡具、工时定额等信息，而在内容区有刀、辅、量具，切削用量和加工时间等信息，我们可以按照顶级本体的层次分类，从这些材料中获得相应类别的知识。特别的，有些工艺卡片上有一些独特的信息，比如铸造车间的工艺卡片上会有浇注温度、浇注速度、型砂和涂料等信息，这些也可以进行术语术语的提取。按照以上方法便可以将半结构化数据中的知识信息提取出来。进而对收集上来的知识材料进行如下处理:

a)识别材料的来源，将来源归入一定的分类并记录；

b)识别材料的语境并记录，将语境组织成层次树；

c)识别材料在顶级本体中所对应的基本术语并将材料中使用的术语、材料的语境与术语对应起来，同时可以将这种对应关系进行标引。

收集机械加工相关问题

由开发人员预先设想，或者由用户提供所要解决的问题，该问题在符合本体适用范围的前提下，可以来源于机械加工的任意阶段，要求问题的内容尽量准确、具体。对收集到的问题进行处理：

a)识别提出问题的用户所属的分类并记录；

b)识别问题的语境并记录，将语境组织成层次树；

c)识别问题在领域顶级本体中所对应的基本术语，并将问题中使用的术语、问题的语境与术语对应起来，将这种对应关系进行标引。

若顶级本体无法涵盖问题术语中所对应的术语，则需要进一步调整顶级本体，以确定涵盖本体的适用范围。

建立语境和术语库

由领域专家对步骤三中的术语按照PDM的分类树进行分类，并记录术语发生的语境及术语间的关系，保证在术语和语境提取过程中术语的唯一性、正确性，除去术语的冗余性、二义性。在建立术语之间的关系时，有最基本的六种关系，如表1所示。通过两种方法提取术语间的关系：(1)在提取术语的同时也会记录一些术语之间的关系，比如光整加工决定了表面精度，这种类型关系可以直接提取；(2)对已经提取的术语进行分析，在查阅资料后自主添加术语间的关系，这种关系不是直接由各种资料提取出的，而是由领域专家在系统地分析术语的基础上进行总结的。具体实施步骤如下：

a)识别材料和问题的语境以及各种语境下所使用的术语；

b)记录术语间的语义关系；

c)记录这些术语与术语的对应关系，并记录这些信息。

表1关系汇总表

分解顶级本体

将顶级本体分解成若干下级本体，每个下级本体包含领域内的一个方面。要求各个下级本体之间不能出现术语交叉和定义重复。在分解顶级本体的同时，将相应的术语、关系、实例、属性添加入相应的下级本体中并完成映射，为后续集成本体提供条件。

在分解顶级本体时，为了步骤2.9中下级本体的集成，要保证各下级本体中不出现术语的交叉、定义的重复与逻辑矛盾，所以要对分解出的下级本体有明确的定义与划分，以保证下级本体中的术语不出现交叉。这就要求顶级本体有较为合理的层次结构与分类。如2.2所述，按产品、工艺、设备划分，由此出现了关于产品的下级本体，包含了产品的内容、性能、参数等信息；工艺下级本体，包含了各种加工方法以及其相应的加工参数、特征等；设备下级本体包含了机床、量具、卡具等加工中所用到的工具和设备。这样明确而具体的划分，保证了每一个术语都能无二义地添加到相应的下级本体中并且不产生重复。

本体构建是一个系统工程，该步骤是在整体规划后的子模块细分，将串行的构建过程进行拆分后形成并行过程，提高本体构建过程的效率和准确性。

添加本体内容(术语、关系、实例及属性)

框架构建完成后，将步骤五中生成的术语库

与按照术语的固有属性和专有特征进行归纳和修改，对术语建立分类模型，将其添加到总体框架中去，并定义术语之间的关系，建立它们之间的语义关联。在此基础上，添加实例和属性作为术语的具体化表述。

针对不同的下级本体，可将典型的信息资料做为骨架，在此基础上进行丰富。如“减速箱结构下级本体”应以“减速箱的制造BOM”为基本框架。

注：若在构建下级本体的过程中发生冗余或矛盾等情况，应返回2.3或2.7步骤，重新调整顶级本体结构或分解方式。

测试下级本体

使用已有问题(即2.4中收集的用户希望解决的问题，或者是开发人员预先设想的问题)测试下级本体，检查是否能够通过该下级本体达到预期的效果，通过测试的下级本体可以用于集成，如果下级本体没有通过测试，则由领域专家对其进行结构调整或实例、关系的修改，完成后再次进行测试，重复该步骤直到下级本体通过测试为止。

集成下级本体

根据本体构建原则对已经通过测试的下级本体进行集成，添加新的关系，消除术语间的不一致性，并使用已有的问题和新衍生出的问题测试集成后的本体。如果通过测试，则本体可以进行实际应用，如不通过，则需与领域专家协作调整本体结构或补充实例和关系，如此反复直至本体通过测试为止。

机械加工领域本体的应用

由知识工程平台开发人员，将建成的机械加工领域本体应用到实际机械加工平台中，通过本体在知识集成方面的优越性，有效地实现知识共享、知识重用等功能，如语义检索、智能推理、知识推送等。

在本体的应用过程中，要随着机械加工知识结构和实施单位产品内容的变化不断更新，其一是在内容上进行更新，删减已经淘汰的过时术语、关系，添加新的术语、关系、实例等，使得本体的内容紧跟时代的发展，保证其术语、术语术语以及关系都是相关领域和企业目前使用的最新版本。其二是对本体的结构进行调整，随着本体的应用范围或者使用目的的改变，及时调整本体的层次架构，从顶级本体出发，不断进行修改以满足新的需要。经过集成、测试和应用的本体是螺旋模型中一个阶段的成果，整个模型是通过本体进化螺旋上升的。

Claims (8)

1.一种基于PDM的机械加工领域本体构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、定义本体的适用范围，通过适用范围构建该机械加工领域本体要解决的问题和涉及到的知识范围；

步骤二、构建顶级本体，针对步骤一中确立的本体适用范围，以PDM中的分类树为基础，参考术语表，制定核心术语的集合，即仅包含最基本术语的小型本体树形结构，也是机械加工领域本体最初始的内容；

步骤三、将步骤二所述的顶级本体中的术语与PDM的数据库匹配，获取相关的材料内容，通过术语对出现的频率及上下文关系，提取术语间的关系；

步骤四、根据机械加工相关问题建立问题库，所述问题库包含问题发生的场景、所属领域、产生的影响、产生的原因信息，问题按照PDM的分类树进行分类；

步骤五、建立语境和术语库，对步骤三提取来的术语和语境根据PDM的分类树进行分类，并记录术语的信息，包括术语的实例、术语的属性、术语间的关系；

步骤六、分解顶级本体，将顶级本体分解成若干下级本体，每个下级本体包含领域内的一个方面；

步骤七、添加本体内容，将步骤五中生成的术语库与下级本体进行匹配，并将相应的术语内容添加到下级本体中；

步骤八、测试下级本体，使用已有的问题库测试下级本体；

步骤九、集成下级本体，根据本体构建原则对已经通过测试的下级本体进行集成，添加新的关系；

步骤十、机械加工领域本体的应用，由知识工程平台开发人员，将建成的机械加工领域本体应用到实际机械加工平台中，用于语义检索、推理；随着机械加工知识结构和实施单位产品内容的变化不断更新，基于本体应用过程的反馈实现本体的进化，

自此，就完成了/实现了基于PDM的机械加工领域本体构建方法。

2.如权利要求1所述的一种基于PDM的机械加工领域本体构建方法，其特征在于，其中机械加工包括工艺设计、零部件加工、采购和装配过程，涵盖产品的功能、原理和结构信息、基本的零部件设计、制造和装配信息、产品的成本和材料信息、制造和装配的设备信息。

3.如权利要求1所述的一种基于PDM的机械加工领域本体构建方法，其特征在于，顶级本体具体构建方法如下：

a)结合企业PDM系统中的产品目录、工艺规范和机床种类信息，构建核心术语的集合；

b)由本体构建人员协助领域专家，综合考虑产品结构信息、研制过程、组织运营、研制成果，并面向知识表示、知识获取、知识组织、知识重用功能，将领域核心术语组织成机械加工领域顶级本体。

4.如权利要求3所述的一种基于PDM的机械加工领域本体构建方法，其特征在于，采用由内到外的本体构建方式：选取术语集合中比较重要的对象术语，从该术语出发，逐渐对其进行向上扩展和向下细分，控制细节的规模，并保证整体的稳定性；然后再向上归结，得出传统切削加工、特殊表面加工、特种加工术语；向下的扩展可以对这些术语进行细节的描述，在需要增加术语的时候可以再行添加。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于PDM的机械加工领域本体构建方法，其特征在于，在提取术语关系时，将材料来源分为三类，分别是结构化数据材料、非结构化数据材料和半结构化数据材料；其中：结构化数据指的是关系数据库或者面向对象数据库中的数据，即PDM系统以及PDM基础系统；非结构化数据指的是没有固定结构的数据，文本文件是其中最主要的一部分；半结构化数据指的是具有隐含结构，但缺乏固定或者严格结构的数据。

6.如权利要求5所述的一种基于PDM的机械加工领域本体构建方法，其特征在于，对所述材料进行如下处理:

a)识别材料的来源，将来源归入一定的分类并记录；

b)识别材料的语境并记录，将语境组织成层次树；

c)识别材料在顶级本体中所对应的基本术语并将材料中使用的术语、材料的语境与术语对应起来，同时将这种对应关系进行标引。

7.如权利要求1所述的一种基于PDM的机械加工领域本体构建方法，其特征在于，对收集到的问题进行如下处理：

a)识别提出问题的用户所属的分类并记录；

b)识别问题的语境并记录，将语境组织成层次树；

c)识别问题在领域顶级本体中所对应的基本术语，并将问题中使用的术语、问题的语境与术语对应起来，将这种对应关系进行标引。

8.如权利要求1所述的一种基于PDM的机械加工领域本体构建方法，其特征在于，对提取的术语进行如下操作：

a)识别材料和问题的语境以及各种语境下所使用的术语；

b)记录术语间的语义关系；

c)记录这些术语与术语的对应关系，并记录这些信息。