基于本体的概念设计知识表示方法及知识管理系统

摘要

本发明提出一种基于本体的概念设计知识表示方法，包括：根据预设的功能语言库功能族结构和功能语言库流族结构对功能语言库中的词汇进行规整以整合相似功能；建立设计知识表示的本体模型，其中，所述知识表示的本体模型包括核心概念和基本概念，并具有所述核心概念和所述基本概念之间的相互关系；建立概念设计知识表示模型，其中，概念设计知识为具有语义和表达的知识的集合；根据规整后的功能、所述知识表示的本体模型和所述概念设计知识表示模型对设计知识进行查询、维护和管理。该方法为企业其他设计人员提供知识的共享和重用，支持企业产品概念设计的方案创新。本发明还提出了一种基于本体的概念设计知识管理系统。

说明书

技术领域

本发明涉及先进制造技术智能化信息技术领域，特别涉及一种基于本体的概念设计知 识表示方法及知识管理系统。

背景技术

概念设计作为产品设计的初始阶段与重要环节，很大程度上决定了产品设计的成功与 否。随着产品更新周期的缩短，企业对工程师在产品概念设计阶段创新提出更高要求，制 约企业创新的主要因素是：复杂产品的设计跨多领域和学科，企业隐性知识缺乏有效重复 利用，设计人员难以跳出已有思维模式。为实现隐性知识显性化、增强知识的共享和重用， 计算机辅助概念设计被提出作为突破传统制约、促进设计创新的重要手段，但目前尚缺乏 有效的支持计算机理解的设计知识表示方法。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于本体的概念设计知识表示方法，该方法为 企业其他设计人员提供知识的共享和重用，支持企业产品概念设计的方案创新。

本发明的另一个目的在于提出一种基于本体的概念设计知识管理系统。

为了实现上述目的，本发明的第一方面的实施例公开了一种基于本体的概念设计知识 表示方法，包括以下步骤：根据预设的功能语言库功能族结构和功能语言库流族结构对功 能语言库中的词汇进行规整以整合相似功能；建立设计知识表示的本体模型，其中，所述 知识表示的本体模型包括核心概念和基本概念，并具有所述核心概念和所述基本概念之间 的相互关系；建立概念设计知识表示模型，其中，概念设计知识为具有语义和表达的知识 的集合；根据规整后的功能、所述知识表示的本体模型和所述概念设计知识表示模型对设 计知识进行查询、维护和管理。

根据本发明实施例的基于本体的概念设计知识表示方法，利用功能语言库进行功能规 整，解决以往设计过程中功能描述由于设计人员主观习惯差别、设计目标所处领域不同出 现的语言歧义性。提出“约束”概念，描述组件功能实现的约束关系和环境条件，准确映射 组件和功能关系；提出“评价”概念，实现对概念设计方案最优化分析与决策。知识表示模 型的建立使隐形知识显性化，知识的形式化表达促进已有经验的共享和重用。设计领域知 识库以本体的形式组织，基于语义相关性的检索相比基于几何特征和关键及的方法，在功 能维度上进行了扩展，增强了查询的智能型和有效性。具有以下优点：

应用本发明，用户进入知识库可以浏览库中已有方案组织树及其详细设计知识，并进 行基于领域本体的知识语义检索。用户还可以存储归档本企业已有但未统一形式化的设计 经验、方法，将隐性知识显性化，为企业其他设计人员提供知识的共享和重用，支持企业 产品概念设计的方案创新。

另外，根据本发明上述实施例的基于本体的概念设计知识表示方法还可以具有如下附 加的技术特征：

在一些示例中，所述功能语言库功能族结构包括：功能类、规整功能和未规整功能三 层结构，所述功能语言库流族结构包括：基本类、描述符和补充语三层结构。

在一些示例中，所述核心概念包括：组件和功能，所述基本概念包括：供应商、特征 族、约束和评价。

在一些示例中，所述概念设计知识为具有语义和表达的知识的集合，所述集合包括： 知识主题组件的名称集、组件的供应商属性集、组件的特征属性集、组件与相关组件关系 属性集和组件可实现功能集。

本发明第二方面的实施例公开了一种基于本体的概念设计知识管理系统，包括：表示 模块，用于根据预设的功能语言库功能族结构和功能语言库流族结构对功能语言库中的词 汇进行规整以整合相似功能；建立设计知识表示的本体模型，其中，所述知识表示的本体 模型包括核心概念和基本概念，并具有所述核心概念和所述基本概念之间的相互关系；建 立概念设计知识表示模型，其中，概念设计知识为具有语义和表达的知识的集合；管理模 块，用于根据规整后的功能、所述知识表示的本体模型和所述概念设计知识表示模型对设 计知识进行查询、维护和管理。

根据本发明实施例的基于本体的概念设计知识管理系统，利用功能语言库进行功能规 整，解决以往设计过程中功能描述由于设计人员主观习惯差别、设计目标所处领域不同出 现的语言歧义性。提出“约束”概念，描述组件功能实现的约束关系和环境条件，准确映射 组件和功能关系；提出“评价”概念，实现对概念设计方案最优化分析与决策。知识表示模 型的建立使隐形知识显性化，知识的形式化表达促进已有经验的共享和重用。设计领域知 识库以本体的形式组织，基于语义相关性的检索相比基于几何特征和关键及的方法，在功 能维度上进行了扩展，增强了查询的智能型和有效性。具有以下优点：

应用本发明，用户进入知识库可以浏览库中已有方案组织树及其详细设计知识，并进 行基于领域本体的知识语义检索。用户还可以存储归档本企业已有但未统一形式化的设计 经验、方法，将隐性知识显性化，为企业其他设计人员提供知识的共享和重用，支持企业 产品概念设计的方案创新。

另外，根据本发明上述实施例的基于本体的概念设计知识管理系统还可以具有如下附 加的技术特征：

在一些示例中，所述功能语言库功能族结构包括：功能类、规整功能和未规整功能三 层结构，所述功能语言库流族结构包括：基本类、描述符和补充语三层结构。

在一些示例中，所述核心概念包括：组件和功能，所述基本概念包括：供应商、特征 族、约束和评价。

在一些示例中，所述概念设计知识为具有语义和表达的知识的集合，所述集合包括： 知识主题组件的名称集、组件的供应商属性集、组件的特征属性集、组件与相关组件关系 属性集和组件可实现功能集。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明 显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显 和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的基于本体的概念设计知识表示方法的流程图；

图2功能语言库功能族结构图；

图3功能语言库流族结构图；

图4知识表示的本体模式；

图5通过protégé表示的本体组织结构树；

图6需求功能表示模式示例；

图7功能组件表示模式示例；

图8概念设计知识管理系统登录界面；

图9概念设计知识管理系统界面。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、 “后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为 基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗 示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对 本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相 对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、 “连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可 以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以 是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在 本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的基于本体的概念设计知识表示方法及知识管理 系统。

图1是根据本发明一个实施例的基于本体的概念设计知识表示方法的流程图。如图1 所示，根据本发明一个实施例的基于本体的概念设计知识表示方法，包括：

S101：根据预设的功能语言库功能族结构和功能语言库流族结构对功能语言库中的词 汇进行规整以整合相似功能。

其中，功能语言库功能族结构包括：功能类、规整功能和未规整功能三层结构，所述 功能语言库流族结构包括：基本类、描述符和补充语三层结构。

具体来说，建立设计领域功能语言库的功能规整方法，对相似功能进行统一整合，本 专利的功能语言库采用源于价值工程的“动词-名词”表示框架，由通用标准词汇组成，分为 对应“动词”的功能族和“名词”的流族。描述产品功能的通用标准词汇是由Stone等人在 Altshuller[9]、Szykman[34]等抽象提炼的功能术语的基础上总结提出，获得了较为广泛的认 可。本专利创新通用标准词汇的组织结构和使用层次，提出功能规整方法，统一设计人员 设计习惯和专业背景不同引起的功能描述差异。

功能族的结构包括功能类、规整功能和未规整功能三层，如图2所示，功能类为功能 族的基本分类，标准词汇表将动词定义为分支、引导、联接、调控、转换、提供、信号处 理、维护等八类基本功能类。每个功能类中的功能分为规整功能和未规整功能，其中规整 功能是指该功能类中具有典型性和代表性的实现某功能的标准用词，未规整功能则是描述 对应规整功能的相似用词。例如在功能类“分支”中，规整功能“精炼”描述的功能是消减某 物料或能量而保留被需要部分，未规整功能“滤去”描述功能与“精炼”相似，经过规整后可 由“精炼”代替。

流族的结构包括流基本类、描述符和补足语三层，如图3所示。流基本类分为能量流、 物料流和信息流三类，每个基本类包含一系列的描述符，描述功能中流的具体范围，同时 对描述符提出对应补足语，进一步细化输入输出流描述的粒度。根据用法，补足语又分为 一般补足语和独立补足语，独立补足语可以独立描述对应的输入输出流。流族描述经规整 后有以下三种方式：描述符与基本类配合使用、描述符与补足语配合使用及独立补足语单 独使用。例如水加热器的功能描述为转换电能为热能，保护人手，保持温度。

通过对功能和流的用法进行规整，本专利将功能语言库词汇使用统一化，为设计知识 的分享和重用提供重要基础。

S102：建立设计知识表示的本体模型，其中，知识表示的本体模型包括核心概念和基 本概念，并具有核心概念和基本概念之间的相互关系。其中，核心概念包括：组件和功能， 所述基本概念包括：供应商、特征族、约束和评价。

具体而言一种基于本体的知识表示语言KRO(the Multi-level Knowledge Representation  Ontology，定义“组件”和“功能”两个核心概念(Key Concepts)，及“供应商”、“特征族”、“约 束”和“评价”四个基本概念(Basic Concepts)，图4表示了KRO语言本体组织模式及概念间 的相互关系。

“组件”表示设计知识依附于的客观主体，概念中的个体(individuals)分为零件、装配 件、产品三级，多级组件思想的建立帮助设计人员对方案设计粒度按需求划分。个体间的 关系分为引用关系和联接关系，例如轴承与轴承套筒为联接关系，而轴承与内部轴承座圈 为引用关系。“供应商”是对组件资源来源的描述，包括地址和通讯录等信息。“特征族”定 义了组件及所属领域的基本信息，包括组件的领域、类别及拆分属性、参数等描述信息。 领域是指该组件的所属领域，如机械、电子、电磁等领域；类别是指在所属领域中的进一 步分类，例如电动机类、运动机构类、传动机构类；描述信息是指组件其他相关描述信息。

“功能”描述组件通过输入输出关系实现的功能，以动词-对象格式表示。子概念“规整功 能”表示原始功能词汇在经过功能语言库规整方法统一后的标准用词，包括对功能实现过程 中输入输出流的规整。“约束”定义了针对组件功能实现过程中的约束关系，明确了功能实 现的必要条件，旨在清晰定义组件功能的实现环境，准确匹配需求功能实际的约束要求。 组件的约束关系分为“一对一”，组件一个功能有一个特定的约束关系；“多对一”，多个功 能的实现均有同一个约束关系；“一对多”，一个功能的实现有多个约束关系。“评价”定义 了评价方法和评价指标，从系统功能、运动性能、动力性能、经济性及结构紧凑性对设计 方案进行评估，旨在对概念设计产生的方案实现最优化分析。

本体建模工具protégé建立的本体组织结构树，分为组件层、表示层和功能语言库，如 图5所示。组件层包含概念“组件”，分为零件级、装配件级和产品级。表示层分为联络信 息、基本信息和语义信息，基本信息包含概念“供应商”和“特征族”，语义信息包含概念“功 能”、“约束”和“评价”。

S103：建立概念设计知识表示模型，其中，概念设计知识为具有语义和表达的知识的 集合。在本发明的一个实施例中，概念设计知识为具有语义和表达的知识的集合，所述集 合包括：知识主题组件的名称集、组件的供应商属性集、组件的特征属性集、组件与相关 组件关系属性集和组件可实现功能集。

具体地说，本方法基于本体模式对设计知识进行建模，定义概念设计知识是具有语义 和表达的知识的集合。设计知识可以用一个广义五元组进行描述，如公式(1)所示：

DK＝{N,S,Fea,R,Fun}     (1)

其中：DK代表设计知识

N代表知识主体组件的名称集，N＝{Ni,1≤i≤n}，Ni为组件名称，n为名称数目

S代表组件的供应商属性集，S＝{si,1≤i≤m}，si为供应商属性，m为该属性数目

Fea代表组件的特征属性集，Fea＝{feai,1≤i≤k}，feai为特征属性，k为该属性数目

R代表组件与相关组件关系属性集，R＝{ri,1≤i≤q}，ri为关系属性，q为该属性数目

Fun代表组件可实现功能集，Fun＝{funi,1≤i≤p}，funi为实现功能，p为可实现数目

根据知识表示的本体模式，详细描述功能fun可以用一个广义五元组进行描述，如公 式(2)所示：

fun＝{funN,FIn,FOut,C,E}    (2)

其中：fun代表可实现的功能

funN代表实现功能名称

FIn代表该功能的输入流集，FIn＝{fini,1≤i≤m}，fini为输入流，m为输入流数目

FOut代表该功能的输出流集，FOut＝{fouti,1≤i≤n}，fouti为输出流，n为输出流数目

E代表该功能实现的评价指标集，E＝{ei,1≤i≤l}，ei为评价指标，l为指标数目

C代表该功能实现的约束条件集

约束包括对实现功能的整体约束、输入流约束和输出流约束，是功能实现的必要条件， 对约束的描述是准确表达设计知识的重要方面。对约束的描述可以用一个广义三元组表达， 如公式3所示：

C＝{CE,CI,CO}     (3)

其中：C代表功能实现的约束条件集

CE代表该功能实现的整体约束条件集，C＝{cei,1≤i≤n}，cei为整体约束条件，n为该 约束数目

CI代表该功能实现的输入流约束条件集，C＝{cii,1≤i≤m}，cei为整体约束条件，m 为该约束数目

CO代表该功能实现的输入流约束条件集，C＝{coi,1≤i≤k}，coi为整体约束条件，k 为该约束数目

通过对组件、功能、约束进行结构化建模，基于本体的表示方法将设计知识表示为一 个开放的信息系统，可根据实际需求对设计知识进行补充和扩展，提高了知识的可用性。 知识表示语言KRO对模型进行详细表述，完成对“已有知识”和“设计需求”的表示。图6(a) 是表示需求功能的通用示例，图6(b)是具体示例，描述了功能“转换XY平面转动为Z 方向往复移动”。图7(a)是表示功能组件的通用示例，图7(b)和图7(c)分别以均实 现“转动转化为移动”的曲柄滑块机构和摩擦轮为例，给出了对已有知识的具体示例。

S104：根据规整后的功能、知识表示的本体模型和概念设计知识表示模型对设计知识 进行查询、维护和管理。

具体地，结合图8和图9，知识管理运用基于本体的概念设计知识表示方法，对设计 知识进行查询、维护和管理。根据不同设计粒度需求，将概念设计知识的载体分为零件、 部件和产品三个级别，基于语义相关性对功能检索，增强查询的智能型和有效性；系统提 供根据设计需求对已有方案进行整体查询，浏览库中已有方案组织树及其详细设计知识， 提高对设计领域其他方式方法的认知效率；存储归档本企业已有但未统一形式化的设计经 验、方法，将隐性知识显性化，为企业其他设计人员提供知识的共享和重用，支持企业产 品概念设计的方案创新。

根据本发明实施例的基于本体的概念设计知识表示方法，利用功能语言库进行功能规 整，解决以往设计过程中功能描述由于设计人员主观习惯差别、设计目标所处领域不同出 现的语言歧义性。提出“约束”概念，描述组件功能实现的约束关系和环境条件，准确映射 组件和功能关系；提出“评价”概念，实现对概念设计方案最优化分析与决策。知识表示模 型的建立使隐形知识显性化，知识的形式化表达促进已有经验的共享和重用。设计领域知 识库以本体的形式组织，基于语义相关性的检索相比基于几何特征和关键及的方法，在功 能维度上进行了扩展，增强了查询的智能型和有效性。具有以下优点：

应用本发明，用户进入知识库可以浏览库中已有方案组织树及其详细设计知识，并进 行基于领域本体的知识语义检索。用户还可以存储归档本企业已有但未统一形式化的设计 经验、方法，将隐性知识显性化，为企业其他设计人员提供知识的共享和重用，支持企业 产品概念设计的方案创新。

进一步地，本发明公开了一种基于本体的概念设计知识管理系统，包括：表示模块， 用于根据预设的功能语言库功能族结构和功能语言库流族结构对功能语言库中的词汇进行 规整以整合相似功能；建立设计知识表示的本体模型，其中，所述知识表示的本体模型包 括核心概念和基本概念，并具有所述核心概念和所述基本概念之间的相互关系；建立概念 设计知识表示模型，其中，概念设计知识为具有语义和表达的知识的集合；管理模块，用 于根据规整后的功能、所述知识表示的本体模型和所述概念设计知识表示模型对设计知识 进行查询、维护和管理。

在本发明的一个实施例中，功能语言库功能族结构包括：功能类、规整功能和未规整 功能三层结构，所述功能语言库流族结构包括：基本类、描述符和补充语三层结构。

在本发明的一个实施例中，所述核心概念包括：组件和功能，所述基本概念包括：供 应商、特征族、约束和评价。

在本发明的一个实施例中，所述概念设计知识为具有语义和表达的知识的集合，所述 集合包括：知识主题组件的名称集、组件的供应商属性集、组件的特征属性集、组件与相 关组件关系属性集和组件可实现功能集。

根据本发明实施例的基于本体的概念设计知识管理系统，利用功能语言库进行功能规 整，解决以往设计过程中功能描述由于设计人员主观习惯差别、设计目标所处领域不同出 现的语言歧义性。提出“约束”概念，描述组件功能实现的约束关系和环境条件，准确映射 组件和功能关系；提出“评价”概念，实现对概念设计方案最优化分析与决策。知识表示模 型的建立使隐形知识显性化，知识的形式化表达促进已有经验的共享和重用。设计领域知 识库以本体的形式组织，基于语义相关性的检索相比基于几何特征和关键及的方法，在功 能维度上进行了扩展，增强了查询的智能型和有效性。具有以下优点：

应用本发明，用户进入知识库可以浏览库中已有方案组织树及其详细设计知识，并进 行基于领域本体的知识语义检索。用户还可以存储归档本企业已有但未统一形式化的设计 经验、方法，将隐性知识显性化，为企业其他设计人员提供知识的共享和重用，支持企业 产品概念设计的方案创新

需要说明的是，本发明实施例的基于本体的概念设计知识管理系统的具体实现方式与 方法部分的具体实现方式类似，具体请参见方法部分的描述，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包 含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定 指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的 一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离 本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发 明的范围由权利要求及其等同限定。