基于语义网技术的机械设计方法和技术研究

论文摘要

随着人工智能和互联网技术不断交叉融合,第三代万维网—语义网及其相关技术正迅猛发展并日渐成熟。语义网技术的主旨在于实现跨平台跨系统的知识共享、知识重用、互操作,并最终实现信息、知识自动处理和应用。当前,生物医疗、地理信息、图书情报等各领域正积极开展语义网技术的应用研究。语义网技术在机械设计领域中的应用研究也已起步并逐渐成为研究热点。然而,目前基于语义网技术的机械设计研究主要集中在设计知识共享、设计知识重用以及跨平台互操作等知识集成方面,对基于语义网技术的机械设计方法和设计信息自动处理等方面却鲜有研究涉足。在国家自然科学基金项目“面向中小企业的基于CAD知识和工程语义的设计知识重用研究”的支持下,本文就语义网技术对机械设计中的创新设计、变型设计、详细设计的支持方式和方法进行了研究,主要工作如下:在对现存本体构建方法进行全面综述的基础上,参考其他领域本体构建方法,总结归纳出一种较全面的领域本体构建方法。其中提出的针对典型应用中间扩展本体建模法,可使本体在任何进化阶段都保证完整地回答一部分能力问题。提出的体现本体建模原则强一致弱耦合的分而治之本体建模法,可解决一次性构建大本体本体承诺过多,不利于重用的难题。并以需求设计本体的构建为例,对此方法进行了实例分析。在创新设计方面,根据技术创新理论TRIZ的重要发现.跨领域重用创新知识和经验可提高技术创新的等级,以TRIZ理论的冲突矩阵为基础,构建了可跨领域统一描述技术创新案例创新本质的语言—技术创新本体,并提出基于本体的技术冲突解决方法,给出基于本体的技术冲突解决流程。此方法可跨领域检索、共享创新本质相似的创新案例,并以相似案例辅助克服传统冲突矩阵的两个应用瓶颈:具体技术冲突标准化和标准解具体化。在变型设计方面,针对基于范例推理方法所面临的主要问题:范例表示和范例修改,提出一种基于领域CBR本体的范例表示和范例修改方法。该方法引入本体表示范例,提高了范例库的共享性、重用性;明确定义范例特征之间的关系,精确了范例的内容意义;本体的一致性检查,确保了范例的有效性。添加范例特征意图项指导范例修正,使范例修正在对范例特征意图明确的基础上进行,可避免源范例原已避开的错误,提高范例修正的成功率。在详细设计方面,共做了两方面探讨:基于隐含知识的技术文档检索和基于本体和MAS的文档知识自动应用。首先,提出“以隐含知识作为检索对象检索出的技术文档同样具有参考价值”的思想,并基于此提出基于本体的技术文档隐含知识检索框架。应用SWRL规则对本体实例知识库中对应技术文档的显式知识进行推理扩展,得出隐含知识作为语义检索的检索对象检索技术文档,提高了语义检索的查全率。其次,借鉴语义网架构思想,提出由计算机基于文档内容含义查找所需文档片段,读懂文档片段所含知识并自动予以应用的基于本体和MAS的机械设计智能文档框架。从标注对象和插入语义信息两个维度给出实现智能文档框架所需的细粒度语义标注的基本特征。接着提出实现智能文档框架必须针对不同知识类型采取不同标注策略的思想。在此基础上,提出了符合FIPA(Foundation for Intelligent Physical Agents)智能Agent参考模型标准的基于本体和MAS的机械设计智能文档框架,并介绍了框架的主要组成部分以及各自功能:一个Agent平台、四个Agent社会以及机械设计本体库。最后对该框架在语义标注、语义检索、文档知识自动应用三个方面进行应用分析。以上述各方法为单元技术,提出了可对创新设计、变型设计、详细设计进行全面支持的基于语义网技术机械设计集成系统框架,并对框架的组成部分和实现方案进行了阐述。以斗轮挖掘机的设计为例,给出了上述各方法的实例分析,验证了语义网技术在机械设计中应用的可行性。最后,总结了全文的主要研究成果及创新点,并给出了未来的研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本课题的研究背景和研究意义
• 1.1.1 机械设计发展概述
• 1.1.2 现代机械设计的特点和发展趋势
• 1.1.3 本课题的研究意义
• 1.2 语义网技术在机械设计中应用的研究现状
• 1.3 论文的研究内容
• 1.4 论文的组织结构
• 1.5 小结
• 2 相关基本概念、技术简介
• 2.1 语义网技术简介
• 2.1.1 语义网体系结构
• 2.1.2 网络本体语言OWL
• 2.1.3 语义标注
• 2.1.4 本体
• 2.1.5 本体编辑工具Protégé
• 2.1.6 OWL的逻辑基础—描述逻辑
• 2.1.7 Agent和MAS
• 2.1.8 FIPA简介
• 2.1.9 SWRL语言简介
• 2.2 技术创新理论TRIZ简介
• 2.3 基于范例推理简介
• 2.4 小结
• 3 本体构建方法研究
• 3.1 现有本体构建方法的缺陷
• 3.2 本体构建方法
• 3.2.1 需求分析
• 3.2.2 制定计划
• 3.2.3 实施领域本体的建设
• 3.2.4 确认与评价
• 3.2.5 进化
• 3.2.6 主要特色分析
• 3.3 本体构建实例
• 3.3.1 需求分析
• 3.3.2 制定计划
• 3.3.3 实施领域本体的建设
• 3.3.4 确认与评价
• 3.3.5 进化
• 3.4 小结
• 4 语义网技术对创新设计的支持一基于语义网技术的技术创新
• 4.1 相关研究综述
• 4.2 基于本体技术创新的必要性
• 4.2.1 跨领域技术创新知识共享的需求
• 4.2.2 突破冲突矩阵应用瓶颈的需求
• 4.2.3 克服冲突矩阵自身缺陷的需求
• 4.3 基于本体的技术创新过程
• 4.4 技术创新本体构建
• 4.4.1 技术创新本体的组成
• 4.4.2 本体片段示例
• 4.5 与类似方法的比较
• 4.6 小结
• 5 语义网技术对变型设计的支持一基于语义网技术的范例推理
• 5.1 传统范例表示和修改
• 5.1.1 范例表示方法
• 5.1.2 范例修改理论
• 5.2 基于领域CBR本体的范例推理
• 5.2.1 领域CBR本体
• 5.2.2 领域CBR本体中的范例特征意图类
• 5.2.3 领域CBR本体的构建
• 5.2.4 基于语义的范例检索
• 5.2.5 基于本体的CBR范例修改过程
• 5.3 小结
• 6 语义网技术对详细设计的支持-设计文档隐含知识检索和设计文档知识应用
• 6.1 基于语义网技术的设计文档隐含知识检索
• 6.1.1 基于本体的语义检索综述
• 6.1.2 基于本体的技术文档隐含知识检索框架
• 6.1.3 隐含知识检索过程分析
• 6.2 基于语义网技术的设计文档知识自动应用
• 6.2.1 相关文献综述
• 6.2.2 机械设计智能文档中的语义标注
• 6.2.3 基于本体和MAS的机械设计智能文档框架
• 6.2.4 基于本体的机械设计智能文档应用分析
• 6.3 小结
• 7 基于语义网技术的机械设计集成系统框架研究
• 7.1 基于语义网技术的机械设计集成系统框架
• 7.1.1 基于语义网技术机械设计集成系统框架
• 7.1.2 系统实现所需关键技术
• 7.2 创新设计实例-矿用挖掘机的技术创新
• 7.2.1 创新设计过程
• 7.2.2 讨论
• 7.3 变型设计实例-斗轮设计的范例推理
• 7.3.1 斗轮CBR本体构建示例
• 7.3.2 范例的标注
• 7.3.3 基于斗轮CBR本体的范例检索和修改示例
• 7.3.4 讨论
• 7.4 详细设计实例一-基于隐含知识的技术文档检索
• 7.4.1 构建领域本体，编辑领域规则
• 7.4.2 标注技术文档，得到实例知识
• 7.4.3 触发推理引擎，推出隐含知识
• 7.4.4 输入检索需求，索回目标实例，链接目标文档
• 7.4.5 讨论
• 7.5 详细设计实例二-文档知识自动应用
• 7.5.1 斗轮轴简介
• 7.5.2 轴设计相关文档片段
• 7.5.3 相关本体构建
• 7.5.4 轴设计文档语义标注
• 7.5.5 技术文档知识的自动应用
• 7.5.6 讨论
• 7.6 小结
• 结论
• 展望
• 论文主要创新点
• 参考文献
• 附录A 斗轮本体部分代码
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介