一种基于本体的量纲齐次性检查方法

摘要

本发明公开了一种基于本体的量纲齐次性检查方法。该方法首先通过收集相关物理量，确定所涉及的物理领域，然后运用RDF三元组描述相关量纲的结构及属性，构建该领域的量纲本体，通过SPARQL查询技术实现量纲的齐次性检查。所构建的本体，可以重用以及扩展补充，能直接运用于相同领域物理方程的量纲齐次性检查。

说明书

技术领域

本发明涉及量纲分析领域，特别是涉及一种基于本体的量纲齐次性判断方法。

背景技术

本体是共享的特定领域之概念化的一个形式化的显示说明。构造本体的目的是为了实现某种程度的知识共享和重用。它的主要作用有三个方面：(1)提供了一种新的知识获取手段，规范化的描述有利于确定知识系统的需求，澄清领域知识的结构。(2)采用形式化描述的本体作为核心，能提高知识系统的重用和可靠性，为知识的更新和演化打下坚实的基础。(3)采用统一的术语和概念，使得不同的系统间的知识共享成为可能。

在工程应用和科学研究中，通过量纲分析可以检查反映物理现象规律的方程在计量方面是否正确，即量纲的齐次性检查。当物理方程过于复杂时，量纲齐次性检查同样会显得复杂且耗时，而且量纲齐次性检查的过程通常需要进行重复的计算工作，比如检查另一个方程的量纲齐次性，已经出现过的物理量要重复计算。为了简化量纲分析的过程，减少不必要的重复计算，将本体应用于量纲分析，建立量纲的本体，定义量纲的结构，可以提高量纲知识的重用性和可靠性。利用本体的SPARQL查询技术，只要查询物理方程两端的各个量纲的名称，就可以判断方程的量纲齐次性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于本体的量纲齐次性检查方法，该方法通过构建量纲本体，只需要查询物理方程两端各物理量的量纲名称，就能快速地判断物理方程两端在计量方面是否正确，实现量纲齐次性的检查。构建的量纲本体，可以扩展补充，并能重复使用，能直接应用于相同领域物理方程的量纲齐次性检查。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于本体的量纲齐次性检查方法，步骤如下：

步骤1：收集物理方程涉及的物理量。

步骤2：根据步骤1得到的物理量的物理意义，确定基本量纲。

步骤3：根据步骤2得到的基本量纲推导方程涉及的物理量的量纲并设置量纲向量，计算量纲向量的大小。定义量纲向量的形式，需要包含所有的基本量，而基本量的量纲向量，其对应元素的值为1。

步骤4：采用统一的命名规则命名量纲。采用统一的命名标准，可以方便本体的重用和补充，有利于知识的共享和互操作。统一的命名规则，量纲名称包含三个部分：(1)国际单位制名SI。(2)按照步骤3定义的量纲向量形式，按顺序列举各维的基本量的量纲。(3)量纲向量所对应得各维指数。

步骤5：通过RDF三元组描述量纲并添加属性。基本量由属性baseElement描述。每个基本量都有一个量纲向量，大小由vectorMagnitude描述(其值是浮点数，因为存在分数指数的情形)。

步骤6：根据步骤5得到的RDF三元组描述，利用Protégé本体编辑器软件构建量纲本体。

步骤7：对步骤6得到的本体进行SPARQL查询，判断物理方程的量纲齐次性。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

(1)以本体作为核心，能提高知识系统的重用性。创建的量纲本体可重复使用，也可扩展补充，可以直接应用于相同领域物理方程的量纲齐次性检查。

(1)更可靠。通过建立量纲的本体，定义基本量纲和导出量纲，确定量纲之间的关系，在进行量纲齐次性检查时，就可以有效的避免人为计算的错误，使得量纲齐次性检查的结果更加可靠。

(2)更方便。只要确定方程两端各个物理量的量纲名称，通过本体的SPARQL查询技术，就可以查询对应量纲向量的大小，继而比较方程两端的向量大小的总和，即可实现量纲的齐次性检查。

(3)更快速。直接查询已经创建好的量纲本体，避免了具体的量纲齐次性检查的计算过程，查询速度更快。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是线性加速度量纲的分解示例图；

图3是量纲本体的量纲结构图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案。

本发明首先收集物理方程所涉及的物理量，并根据其物理意义确定基本量纲，然后通过基本量纲推导出物理量的量纲，再利用RDF三元组来描述量纲并添加属性，得到量纲本体。最后，通过SPARQL查询技术实现量纲齐次性检查。下面就具体步骤详细说明：

对于方程：F＝ma进行量纲齐次性检查。其中F代表力，m代表质量，a代表线性加速度。

步骤1：收集物理方程涉及的物理量。该方程一共涉及三个物理量，它们分别为力、质量和线性加速度。

步骤2：根据步骤1得到的物理量的物理意义，确定基本量纲。待验证方程涉及力、质量和线性加速度三个物理量。力可以表示成ml/t^2(质量乘以长度除以时间的平方)，线性加速度可以表示成l/t^2(长度除以时间的平方)，皆可以用长度、质量和时间推导出来，所以根据其物理意义，可以确定基本量为长度、质量和时间。它们是国际单位制SI的基本量，基本量纲分别用L、M和T来表示。

步骤3：根据步骤2得到的基本量纲推导方程涉及的物理量的量纲并设置量纲向量，得到量纲向量的大小。定义量纲向量的形式为[长度，质量，时间]，基本量的量纲向量，其对应元素的值为1。力的定义为F＝ml/t^2，则量纲为MLT-2，设置量纲向量[1，1，-2]；线性加速度的定义为a＝l/t^2，则量纲为LT-2，设置量纲向量[1，0，-2]；质量m的量纲为M，设置量纲向量[0，1，0]。根据所得的量纲向量，关于时间的向量与质量相关系数为0，与线性加速度相关的系数为-2，与力相关的系数为-2，即量纲向量的大小。由基本量推导涉及的物理量的量纲在本体里的具体定义，如图2所示，是线性加速度的量纲的细分实例图。

步骤4：采用统一的命名规则命名量纲。统一的命名规则，量纲名称包含三个部分：(1)国际单位制名SI。(2)按照步骤3定义的量纲向量形式，按顺序列举各维的基本量的量纲。(3)量纲向量所对应得各维指数。

按照该命名规则，根据步骤3定义的量纲向量的形式[长度，质量，时间]，得到质量：Dimension_SI_M、速度(长度除以时间的平方)：Dimension_SI_LT-2、线性加速度(长度乘以质量除以时间的平方)：Dimension_SI_LMT-2。

步骤5：通过RDF三元组描述量纲并添加属性。量纲名称由属性systemDimension描述，基本量“长度、质量、时间”由属性baseElement描述。每个基本量都有一个量纲向量，量纲向量由属性dimensionVector描述，量纲向量的大小由属性vectorMagnitude描述(其值是浮点数，因为存在分数指数的情形)。部分RDF三元组描述如下所示：

quantity:SystemOfQuantities_SI qudt:systemDimension dim:Dimension_SI_M.

dim:Dimension_SI_M qudt:referenceQuantity quantity:Mass.

dim:Dimension_SI_M qudt:dimensionVector dim:Vector_T0.

dim:Vector_T0qudt:vectorMagnitude“0.0”^^xsd:float.

dim:Vector_T0qudt:baseElement quantity:Time.

第一行表述：表明描述的是国际标准单位制SI的基本量之一质量的量纲Dimension_SI_M。

第二行表述：表明描述的量纲Dimension_SI_M是质量Mass的量纲。

第三行表述：表明描述的是量纲Dimension_SI_M的量纲向量是Vector_T0。

第四行表述：表明描述的是量纲向量Vector_T0的大小为“0.0”，数据类型为浮点型float。

第五行表述：表明量纲向量Vector_T0涉及的基本量是时间Time。

其它量纲及属性的RDF三元组描述方法同上所述。

步骤6：根据步骤5得到的RDF三元组描述，利用Protégé本体编辑器软件构建量纲本体。如图3所示，即量纲本体的量纲结构。

步骤7：对步骤6得到的本体进行SPARQL查询，判断物理方程的量纲齐次性。查询示例如下所示：

分别对物理方程两端的力Force、质量Mass和线性加速度Acceleration，进行SPARQL查询，将得到的量纲向量的大小相加，当公式F＝ma的量纲正确时，查询结果返回true。以上查询，如果用Time更换Mass，或者用Energy更换Force，查询结果将返回false。