基于液压支架设计知识的多学科本体构建与集成

基于液压支架设计知识的多学科本体构建与集成

摘要：为解决复杂产品多学科及多领域的设计知识和资源的共享和重用问题，在研究本体技术的基础上，统一本体模块化思想的前提下，提出了多学科本体建模和集成的方法。基于液压支架的设计知识建立了多学科本体模型并集成，验证了本文提出的多学科本体建模和集成的方法。

关键词：多学科；本体模块化；建模和集成；液压支架

1 引言

产品设计特别是复杂产品的设计，往往涉及多个学科，需要不同学科的设计人员跨领域进行合作，不同领域、不同学科的设计人员有不同的知识背景，如何为设计人员统一概念术语以利于更好的沟通也是当前面临的一个问题。利用本体对多学科的产品设计知识进行建模并集成，可以解决设计知识在语义级别上的统一性，提高了知识的共享和重用性。

液压支架是煤炭开采中的重要支护，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。液压支架设计过程中涉及到了许多如机械、力学、液压、电气等多学科的知识，是知识密集的设计活动。利用本体对液压支架设计知识进行管理，进行多学科本体建模和集成，便于液压支架设计设计知识的共享和重用，是智能化知识管理的一个实践。

2 本体技术

本体的概念最初起源于哲学领域，用于研究客观世界的本质。目前，比较常用的本体概念是：本体论是对概念化对象的明确表示和描述[1]。本文所提出的基于液压支架设计的多学科本体构建与集成主要是利用了OWL语言、Protégé本体编辑工具和Protégé的插件Prompt来实现。

2.1 OWL

W3C(World Wide Web Consortium)总结了RDF(S)和DAML+OIL等几种语言的开发经验，于2004年正式推出OWL(Web Ontology Language)[2]。OWL作为W3C的推荐标准已经得到广泛认可，成为目前最为流行和使用最为广泛的本体描述语言。

2.2 Protégé

Protégé[3]由美国斯坦福大学医学院医学信息中心开发，是一个免费的、开源平台，向越来越多的用户提供了领域模型和基于知识的应用程序的本体构建工具。

2.3 Prompt

Prompt是一个半自动、交互式的本体集成工具。知识专家90%的操作可以依据PROMPT的提示完成，用户调用的74%以知识为基础的操作都在PROMPT 开始时给于提示。

3 多学科本体构建

3.1 本体模块化技术

Bao Jie和Doina Caragea等人[4]为了改善本体的可重用性和选择性隐藏功能，提出了本体的模块化（module）思想。液压支架设计涉及到了机械、电气、液压、控制等多领域，它们共享液压支架设计这一论域，但却是不同的概念模型。液压支架设计本体中主要的几个学科子本体，如图1所示。

图1液压支架设计本体中主要的几个学科子本体

3.2 多学科本体建模方法

本文在对本体构建方法学进行研究的基础上，根据多学科的领域特点，借鉴模块化技术的思想，提出了一种模块化生命周期法。该方法学继承了Menthontology的生命周期思想，融入了模块化技术。利用该方法构建多学科本体的过程，如图2所示。

注：矩形表示一个子过程，椭圆表示这些过程的输入输出集合，箭头表示信息流，虚线表示迭代。

图2模块化生命周期本体构建法

1）需求动因分析

首先要明确建设该本体是为了解决什么问题的，其次是有什么人来操作该本体。

2）领域分析和学科子领域分析

领域分析也就是领域的概念化，按照学科划分学科子领域。学科子领域分析主要是识别学科子领域中的概念、个体、关系和属性，并根据领域特有的分类关系建立领域初始的本体结构。

3）学科子本体表示

根据领域的特性及类的特点，选择合适的本体构建工具，并根据其所支持的语言，选择合适的本体建模语言表示领域中的类、实例以及类与类、类与实例、实例与实例之间的各种关系。

4）学科子本体的集成

学科子本体构建完成后，对学科子本体进行集成构成多学科本体。

3.3 基于液压支架设计的多学科本体构建

为了验证本文提出的多学科本体构建方法，构建了液压支架设计计算过程中的力学子本体、结构学子本体、液压控制学子本体，并将这些学科子本体集成构成了液压支架设计计算本体。在Protégé中建立的三个子本体的属性关系如图3所示，类和类层次如图4所示。

图3三个学科子本体的属性关系

图4三个学科子本体的类和类层次

3.4 基于液压支架设计的多学科本体集成

本文在本体模块化思想的前提下，将本体划分为多个学科子本体，在开发学科子本体前进行了全面的领域分析，各学科子本体之间关系明确。在Prompt中提供了五种本体集成形式：Compare、Map、Extract、Move、Merge。本文采用的是Merge。集成后的液压支架设计计算本体的类层次和属性关系分别如图5，图6所示。

图5 液压支架设计计算本体的类层次图6 液压支架设计计算本体的属性关系

5 结论

本文在研究本体理论的基础上，针对多学科的领域特点，提出了多学科本体建模和集成的方法。利用本体对液压支架设计知识进行管理，便于液压支架设计设计知识的共享和重用，是智能化知识管理的一个实践，可以推广到其他复杂产品的多学科本体的构建与集成，实现复杂产品设计的知识共享和重用，具有普遍

意义。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看