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1、面向产品定制的本体构建及推理 赵争君 钟艳如 曾聪文 申松坡 刘晗 桂林电子科技大学广西高校图像图形智能处理重点实验室 摘 要： 针对当前变型设计知识在 CAD 系统中存在语义障碍及互操作不畅问题, 将本体的明确性、共享性、形式化及概念化特性应用到产品定制的装配建模。借助网络本体语言 (OWL) 定义变型设计领域的概念及其层次结构关系, 同时利用语义网规则语言 (SWRL) 表达约束关系和设计经验。在 JESS 推理引擎上通过 JESS推理机推理得到相应的设计知识, 实现知识的共享及有效传递。以联轴器的实例, 构建变型设计本体模型及规则, 实现了尺寸参数变化的自动生成, 验证了理论的正确性和有
2、效性。关键词： 变型设计; 本体; 知识表达; 描述逻辑; 作者简介：钟艳如 (1965-) , 女, 江西宜春人, 教授, 研究方向为计算机辅助设计。E-mail:收稿日期：2017-03-01基金：国家自然科学基金 (61562016) Product customization oriented knowledge-representation and reasoningZHAO Zhengjun ZHONG Yanru ZENG Congwen SHEN Songpo LIU Han Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of
3、 Intelligent Processing of Computer Images and Graphics, Guilin University of Electronic Technology; Abstract： The current variant design knowledge is semantic barriers and interoperability problems in the CAD system, clarity, sharing, formalization and conceptualization of ontology are applied to t
4、he assembly modeling of product customization.The web ontology language (OWL) is defined in the field of variant design concepts and their hierarchy relationship, at the same time the semantic web rule language (SWRL) expresses constraints and design experience.Through JESS inference engine, the cor
5、responding design knowledge is obtained through JESS inference engine to achieve knowledge sharing and effective transfer.The size parameters can be automatically generated by building variant design ontology model and rules of the coupling.The correctness and validity of theories are verified.Keywo
6、rd： variant design; ontology; knowledge-representation; description logic; Received： 2017-03-01制造业是国民经济的支柱产业, 德国“工业 4.0”标志着一场新的制造业革命。传统的制造业经历了手工作坊、大批量生产到批量定制的历史阶段。在大数据的背景下, 将人工智能、机器人和数字制造相结合形成智能制造, 是现代先进制造业的发展方向1。变型设计是一种产品快速设计的方法, 对现存的设计方案和过程进行组合整改, 在一定的信息表示存储技术下, 通过特定方案或现存模型的参数修改产生一个与原设计相似的新产品。在机械制
7、造领域, 国内外学者从不同角度对其进行了研究。齐从谦等2基于产品结构变型的 2 种基本形式, 提出了一种支持快速变型设计的装配模型建模方法;鲁玉军等3描述了基于事物特性表的产品变型设计的方法和过程;刘夫云等4利用有向网络中的连通子网搜索算法与简单路径搜索算法, 提出了配置模块变型设计与配置产品尺寸修改的方法。但传统的变型设计主要考虑零部件特征层面和产品族等层面。随着人工智能的发展, 以往的变型设计缺乏模型深层的语义信息表达, 变型设计的知识在异构系统之间难以有效共享和顺畅传递, 不能满足智能制造的要求。鉴于此, 针对当前变型设计知识在 CAD 系统中存在语义障碍及互操作不畅问题, 将本体技术引
8、入到智能制造, 构建面向变型设计的本体, 在此基础上, 结合语义 Web 规则语言, 实现知识推理。1 表示模型的构建1.1 模型表示技术面向产品定制的设计过程相对于开发过程发生变化的设计元素有零部件、特征和参数三类。采用自顶向下的方法构建变型设计模型, 分别为零部件层、特征层、参数层, 如图 1 所示。对模型每层进行形式化描述, 确定每层模型术语之间的相互关系, 从而实现变型设计领域知识的推理。零部件是产品 (装配体) 的基本组成单元, 零部件层的主要作用是提取装配体中零部件之间的装配约束关系, 几何特征层的主要作用是提取上一层中各零部件的几何特征, 参数层的主要作用是提取零部件的参数。参数
9、的类型有尺寸参数和业务属性, 本研究仅考虑几何尺寸参数。图 1 表示模型的基本结构 Fig.1 Basic structure of representation model 下载原图1.2 模型层次的定义1.2.1 零部件层假设给定的装配体如图 2 所示, 该装配体由零部件 p1、p 2、p 3和 p4组成, p 1与p2, p1与 p3, p2与 p4, p3与 p4分别存在局部装配约束关系 has-AOR。1.2.2 特征层对于装配体的每个零部件, 都可视为由多个特征组成的特征集合体。零件间的装配约束关系可视为零件特征与其他特征间的装配约束关系。例如以装配特征面为主特征, 图 3 所示的
10、零部件 p3与 p1、p 4存在装配约束关系, p 3的装配特征面有 f1 (p3) 、f 2 (p3) 和 f3 (p3) , p1的装配特征面有 f1 (p1) 、f 2 (p1) 和f3 (p1) , p4的装配特征面有 f1 (p4) 、f 2 (p4) 和 f3 (p4) , 图 2 装配体及其零部件 Fig.2 Assembly and parts 下载原图其中, p 3与 p1的装配约束关系可以表示为装配特征面约束关系 has-FCR (f1 (p3) , f3 (p1) ) 、has-FCR (f 2 (p3) , f2 (p1) ) 。同理, p 3与 p4的装配约束关系可表
11、示为装配特征面约束关系 has-FCR (f3 (p4) , f3 (p3) ) 。图 3 零部件的特征及其之间的装配约束关系 Fig.3 The characteristics of parts and the relationship between assembly constraints 下载原图1.2.3 参数层对于每个由特征构成的零部件, 都可视为由多个尺寸参数构成的尺寸集合。其参数可划分为可变参数、导出参数和不变参数。可变参数是指在特征变型中起重要角色的参数, 导出参数是指在特征变型中通过其他参数推导出来的参数, 不变参数是指在整个变型设计中不发生变化的固定值参数。例如零部件 p
12、3有参数 s1 (p3) 、s 2 (p3) 、s 3 (p3) 、s 4 (p3) , 其中 s1 (p3) 是可变参数, s 2 (p3) 和 s3 (p3) 是导出参数, s 4 (p3) 是不变参数, s 1 (p3) 和 s2 (p3) 、s 1 (p3) 和 s3 (p3) 的参数约束关系可以表示为 has-PC (s1 (p3) , s2 (p3) ) , hasPC (s1 (p3) , s3 (p3) ) 。对于存在装配约束关系的零部件, 假设零部件 p3的尺寸参数有 s1 (p3) , s2 (p3) , s3 (p3) , s4 (p3) , 零部件 p4的尺寸参数有 s
13、1 (p4) , s2 (p4) , s3 (p4) 。尺寸参数 s1 (p3) 和 s1 (p4) 属于装配尺寸, 其装配关系可以表示为 has-APC (s1 (p3) , s1 (p4) ) 。1.3 参数传递知识形式化描述描述逻辑是一种知识表示和知识推理的形式化工具, 在开世界假设的情况下, 能够很好地对本体构建的模型进行推理5。描述逻辑主要由 TBox 和 ABox 构成。TBox 是关于描述领域的概念术语的断言集合, 描述概念、概念间的关系以及角色间的关系。ABox 是关于概念和角色的实例断言集合, 是具体某个事件的实例化6。变型设计知识形式化描述是指对变型设计领域概念的描述, 其
14、形式语义基于一阶谓词逻辑, 主要特点是从简单概念构造复杂概念, 并强调关键推理问题的可判定性, 也就是从原子概念和原子角色构建复杂概念和角色的表达。仅针对变型设计中参数修改传递问题, 不考虑结构调整的变型设计。结合模型的每层结构, 根据每层的约束关系采用描述逻辑 ALC (DTT) 断言公式表示。定义 1 假设 P=p1, p2, , pk, pi, pjP, 若 pi与 pj存在装配约束关系 AOR, 则断言公式 (p i, pj) AOR (或 (p j, pi) AOR) 成立, 表示零部件间装配约束关系 ABox AAOR为断言公式的有限集合。其中 P 表示装配体, p 1, p2,
15、, pk表示组成装配体 P 的 k 个单一零件或子装配体。定义 2 假设 pi=f1 (pi) , f2 (pi) , , fm (pi) , fu (pi) p i, fv (pj) p i, 若 fu (pi) 和 fv (pj) 存在特征间装配约束关系 FCR, 则断言公式 (f u (pi) , fv (pj) ) FCR (或 (f v (pj) , fu (pi) ) FCR) 成立, 表示特征间装配约束关系 ABox AFCR为断言公式的有限集合。其中 pi表示零部件, f 1 (pi) , f2 (pi) , , fm (pi) 表示组成零部件 pi的 m 个特征, FCR 表
16、示特征间的装配约束关系。定义 3 假设 fu (pi) =s1 (fu (pi) , s2 (fu (pi) , , sn (fu (pi) , fv (pj) =s1 (fv (pj) , s2 (fv (pj) , , sn (fv (pj) , sr (fu (pi) f u (pi) , sw (fv (pj) f v (pj) , 若 (f u (pi) , fv (pj) ) APC, s r (fu (pi) 和 sw (fv (pj) 存在表示装配特征参数间约束关系 APC, 则断言公式 (s r (fu (pi) , sw (fv (pj) ) APC (或 (s w (fv (pj) , sr (fu (pi) ) APC) 成立, 表示特征间尺寸约束关系 ABox AAPC为断言公式的有限集合。其中 fu (pi) 、f v (pj) 表示零部件 Pi的某一装配特征, s 1 (fu (pi)
