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摘 要：本文主要介绍了基于本体的工业设计知识库的构建，以电动工具为例，在研究了本体以及知识库等相关理论的基础上，将本体论引入到工业设计知识库的构建过程中，提出了构建基于本体的电动工具工业设计知识库，介绍了知识库构建方法与步骤，搭建了基于本体的电动工具工业设计知识库的基本模型。
关键词：本体；工业设计；知识库；电动工具
中图分类号：TB47
在信息化的时代，网络资料传播飞快，快速有效低成本的开发出满足用户需求的产品是生产和服务领域面临的挑战。利用知识库可以有效实现知识重用，缩短研发时间，提高设计质量，现有的工业设计知识库资源十分匮乏，在知识管理方面存在较多的问题，主要表现在：
（1）主要管理对象为显性知识和外部文献。显性知识可以通过教科书、学术期刊等载体查找，节约时间和金钱；而产品设计中的关系和规范等隐性知识，比较难细化、复制和传播，因此成为竞争优势的基本点，但在现有的知识库中却少有提及。
（2）缺少对产品设计实例和设计过程中出现问题的统一整理，使得知识重用较为困难。在设计实例中，设计人员在设计初期收集的资料、实现过程中所产生的经验等对产品的再开发设计具有启发引导作用，而且重用实例可以缩短研制周期，避免出现重复性错误，加快产品研发进程。
（3）对现有工业设计知识整理的不够全面，主要集中于产品设计阶段，对产品后期设计和加工成型过程中的资料涉及较少，浪费了大量资源。
对此，本文将本体引入到建立工业设计知识库的过程中，由于本体的知识表示方法简洁、清晰、可理解性和可扩展性较强，建立的知识库利于管理和重用，可以缩短产品设计时间，提高设计质量。本文将以电动工具工业设计知识库的建立为着手点进行分析。
1 本体论
1.1 本体概述
1.2 电动工具工业设计知识本体
根据金芝本体研究结论，用于电动工具工业设计知识管理的本体属于领域本体，主要描述该领域概念定义及其关系，明确该领域知识的基本概念和原理。电动工具领域本体是人为设计的关于电动工具工业设计领域概念模型的一种，主要包括电动工具工业设计领域概念集合、概念的属性集及层次关系、概念间的关系集合、各个关系的属性集及该领域的公理集。
2 本体与知识库
2.1 本体与知识库的关系
对知识库而言，最核心的部分是知识表示。本体通过研究实物的概念并建立其结构关系，理论性地表示各种约束和公理，通过它们可以检查知识的完整性等。知识库是概念实例化的体现，与本体的关系如图2所示。
2.2 基于本体的电动工具工业设计知识库
电动工具工业设计领域本体主要由模块库、对标库、案例库和断面库四部分组成，涵盖了产品知识、设计知识和制作知识等。资料的获取主要包括外部文献、外部网络和内部专家、web资源及多媒体等手段，通过语义标注和知识获取完善知识库。基于本体的电动工具工业设计知识库系统结构示意图[3]如图3所示。
2.3 基于本体的电动工具工业设计知识库的构建步骤
（1）建立本体框架。依据工业设计学科的内容建立基本框架，电动工具工业设计基本要素如图4所示；
（2）提取该领域中重要术语和概念。依据本体框架，提取框架内所有概念；
（3）定义该领域中核心大类，确定类层次，定义属性和类的（非）等级关系；
（4）选择合适的本体描述语言或构建工具对该领域本体进行形式化编码；
（5）本体的检验。电动工具工业设计本体的检验需要相关使用者的参与，本体库也需要在使用过程中不断完善。
2.4 利用Protégé建立电动工具工业设计知识本体
Protégé是由斯坦福大学基于Java设计开发的本体编辑和知识获取软件，提供了大量的知识模型与动作，便于构建本体概念类，关系，属性和实例，支持类和类层次结构的多继承，模板和私有槽，槽的任意面和定义前的明确说明，明确说明包括值、基数、约束、默认值、逆转槽、元类和元类的层次结构[4]。Protégé开放源代码，采用图形化界面，操作人性化，用户较容易学习，模块划分清晰，最广泛的本体论编辑器之一。本文以Protégé作为本体构建工具。图5为初步建立的电动工具工业设计本体。
2.5 基于本体的电动工具工业设计知识库的应用
此知识库有助于初次接触电动工具产品设计的设计人员在最短的时间内了解到最准确的信息，对有电动工具设计经验的设计师，由于本体知识库资料的查找更加快速准确，表示出来的知识形式符合人们的日常习惯和思维方式，能帮助解决新产品设计、实验和制造过程中的问题，节约设计时间，提高设计质量，实现了设计资源的再利用，避免了重复性的错误。
3 结束语
本文主要介绍了基于本体的工业设计知识库的构建，以电动工具为例，在研究了本体以及知识库等相关理论的基础上，整理电动工具工业设计要素，并将本体论引入到工业设计知识库的构建过程中，建立了电动工具工业设计知识库的基本模型，并对知识库的构建步骤以及Protégé的应用进行了介绍。
参考文献：
[1]Gruber T R. A Translation Approach to Portable Ontology Specifications.Knowledge Acquisition，1993，5：199-220.
[2]金芝.知识工程中的本体论研究[M].清华大学山版社，2001：447-465.
[3]王英林，王卫东，王宗江.基于本体的可重构知识管理平台[J].计算机集成制造系统，2003，9（12）：1136-1144.
[4]邓世伟.基于本体的软件测试知识表示与获取[J].计算机科学，2007：288.
[5]蔡盈芳.基于本体的航空产品知识库构建研究[D].北京交通大学，博士学位论文.
关键词：本体；工业设计；知识库；电动工具
中图分类号：TB47
在信息化的时代，网络资料传播飞快，快速有效低成本的开发出满足用户需求的产品是生产和服务领域面临的挑战。利用知识库可以有效实现知识重用，缩短研发时间，提高设计质量，现有的工业设计知识库资源十分匮乏，在知识管理方面存在较多的问题，主要表现在：
（1）主要管理对象为显性知识和外部文献。显性知识可以通过教科书、学术期刊等载体查找，节约时间和金钱；而产品设计中的关系和规范等隐性知识，比较难细化、复制和传播，因此成为竞争优势的基本点，但在现有的知识库中却少有提及。
（2）缺少对产品设计实例和设计过程中出现问题的统一整理，使得知识重用较为困难。在设计实例中，设计人员在设计初期收集的资料、实现过程中所产生的经验等对产品的再开发设计具有启发引导作用，而且重用实例可以缩短研制周期，避免出现重复性错误，加快产品研发进程。
（3）对现有工业设计知识整理的不够全面，主要集中于产品设计阶段，对产品后期设计和加工成型过程中的资料涉及较少，浪费了大量资源。
对此，本文将本体引入到建立工业设计知识库的过程中，由于本体的知识表示方法简洁、清晰、可理解性和可扩展性较强，建立的知识库利于管理和重用，可以缩短产品设计时间，提高设计质量。本文将以电动工具工业设计知识库的建立为着手点进行分析。
1 本体论
1.1 本体概述
1.2 电动工具工业设计知识本体
根据金芝本体研究结论，用于电动工具工业设计知识管理的本体属于领域本体，主要描述该领域概念定义及其关系，明确该领域知识的基本概念和原理。电动工具领域本体是人为设计的关于电动工具工业设计领域概念模型的一种，主要包括电动工具工业设计领域概念集合、概念的属性集及层次关系、概念间的关系集合、各个关系的属性集及该领域的公理集。
2 本体与知识库
2.1 本体与知识库的关系
对知识库而言，最核心的部分是知识表示。本体通过研究实物的概念并建立其结构关系，理论性地表示各种约束和公理，通过它们可以检查知识的完整性等。知识库是概念实例化的体现，与本体的关系如图2所示。
2.2 基于本体的电动工具工业设计知识库
电动工具工业设计领域本体主要由模块库、对标库、案例库和断面库四部分组成，涵盖了产品知识、设计知识和制作知识等。资料的获取主要包括外部文献、外部网络和内部专家、web资源及多媒体等手段，通过语义标注和知识获取完善知识库。基于本体的电动工具工业设计知识库系统结构示意图[3]如图3所示。
2.3 基于本体的电动工具工业设计知识库的构建步骤
（1）建立本体框架。依据工业设计学科的内容建立基本框架，电动工具工业设计基本要素如图4所示；
（2）提取该领域中重要术语和概念。依据本体框架，提取框架内所有概念；
（3）定义该领域中核心大类，确定类层次，定义属性和类的（非）等级关系；
（4）选择合适的本体描述语言或构建工具对该领域本体进行形式化编码；
（5）本体的检验。电动工具工业设计本体的检验需要相关使用者的参与，本体库也需要在使用过程中不断完善。
2.4 利用Protégé建立电动工具工业设计知识本体
Protégé是由斯坦福大学基于Java设计开发的本体编辑和知识获取软件，提供了大量的知识模型与动作，便于构建本体概念类，关系，属性和实例，支持类和类层次结构的多继承，模板和私有槽，槽的任意面和定义前的明确说明，明确说明包括值、基数、约束、默认值、逆转槽、元类和元类的层次结构[4]。Protégé开放源代码，采用图形化界面，操作人性化，用户较容易学习，模块划分清晰，最广泛的本体论编辑器之一。本文以Protégé作为本体构建工具。图5为初步建立的电动工具工业设计本体。
2.5 基于本体的电动工具工业设计知识库的应用
此知识库有助于初次接触电动工具产品设计的设计人员在最短的时间内了解到最准确的信息，对有电动工具设计经验的设计师，由于本体知识库资料的查找更加快速准确，表示出来的知识形式符合人们的日常习惯和思维方式，能帮助解决新产品设计、实验和制造过程中的问题，节约设计时间，提高设计质量，实现了设计资源的再利用，避免了重复性的错误。
3 结束语
本文主要介绍了基于本体的工业设计知识库的构建，以电动工具为例，在研究了本体以及知识库等相关理论的基础上，整理电动工具工业设计要素，并将本体论引入到工业设计知识库的构建过程中，建立了电动工具工业设计知识库的基本模型，并对知识库的构建步骤以及Protégé的应用进行了介绍。
参考文献：
[1]Gruber T R. A Translation Approach to Portable Ontology Specifications.Knowledge Acquisition，1993，5：199-220.
[2]金芝.知识工程中的本体论研究[M].清华大学山版社，2001：447-465.
[3]王英林，王卫东，王宗江.基于本体的可重构知识管理平台[J].计算机集成制造系统，2003，9（12）：1136-1144.
[4]邓世伟.基于本体的软件测试知识表示与获取[J].计算机科学，2007：288.
[5]蔡盈芳.基于本体的航空产品知识库构建研究[D].北京交通大学，博士学位论文.