嚴(yán)　波　薛澄岐　姚干勤

(1東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京　211189)(2河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，常州　213022)

?

基于本體的虛擬會(huì)展產(chǎn)品信息知識(shí)表達(dá)

嚴(yán)波1，2薛澄岐1姚干勤1

(1東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京211189)
(2河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，常州213022)

摘要:為了使虛擬會(huì)展產(chǎn)品信息知識(shí)中的工程設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)2個(gè)不同設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)具有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)認(rèn)知描述，在傳統(tǒng)FES和FBS設(shè)計(jì)認(rèn)知模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，建立了全面和統(tǒng)一的UEFBS設(shè)計(jì)認(rèn)知模型．通過引入本體理論和技術(shù)，對(duì)虛擬會(huì)展領(lǐng)域產(chǎn)品信息知識(shí)中的概念、術(shù)語(yǔ)及其相互關(guān)系進(jìn)行了提取和規(guī)范化描述，建立了虛擬會(huì)展領(lǐng)域產(chǎn)品信息知識(shí)本體模型，并結(jié)合加濕器實(shí)例進(jìn)行具體表述．結(jié)果表明，建立在2種領(lǐng)域知識(shí)統(tǒng)一設(shè)計(jì)認(rèn)知模型基礎(chǔ)上的虛擬會(huì)展領(lǐng)域產(chǎn)品信息更加符合人的設(shè)計(jì)認(rèn)知習(xí)慣，形式化的加濕器產(chǎn)品信息本體模型概念明確、組織清晰、表達(dá)規(guī)范，有利于虛擬會(huì)展用戶全面、準(zhǔn)確地了解和共享加濕器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息知識(shí)．

關(guān)鍵詞:本體;虛擬會(huì)展;工程設(shè)計(jì);工業(yè)設(shè)計(jì)

引用本文:嚴(yán)波，薛澄岐，姚干勤．基于本體的虛擬會(huì)展產(chǎn)品信息知識(shí)表達(dá)［J］．東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，46(1) : 42－48．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．008．

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，企業(yè)更加注重產(chǎn)品信息的傳播、展示和體驗(yàn)等活動(dòng)，用戶都希望通過進(jìn)一步了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程信息來選擇適合自己需求的產(chǎn)品．傳統(tǒng)的方式是通過舉辦展覽會(huì)的形式進(jìn)行，需要花費(fèi)大量的人力和時(shí)間成本．現(xiàn)在可以通過虛擬會(huì)展的形式來進(jìn)行［1］．

現(xiàn)有對(duì)虛擬會(huì)展的研究主要圍繞虛擬展示的技術(shù)［2－4］，缺乏對(duì)虛擬會(huì)展領(lǐng)域產(chǎn)品信息知識(shí)管理的研究．虛擬會(huì)展領(lǐng)域發(fā)展首先需要解決2個(gè)問題:①產(chǎn)品信息多，需要選擇虛擬會(huì)展產(chǎn)品信息知識(shí)的領(lǐng)域和范圍;②虛擬會(huì)展產(chǎn)品信息知識(shí)的組織和表達(dá)．

虛擬會(huì)展領(lǐng)域主要包含工程設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)2個(gè)領(lǐng)域和類型的知識(shí)，兩者設(shè)計(jì)認(rèn)知模式并不一致．工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)屬于原理性知識(shí)，容易獲取和形式化，而工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)屬于陳述性知識(shí)，不容易獲取和形式化．需要在統(tǒng)一設(shè)計(jì)認(rèn)知模型的基礎(chǔ)上采用適當(dāng)?shù)闹R(shí)形式，對(duì)虛擬會(huì)展產(chǎn)品信息知識(shí)進(jìn)行組織和表達(dá)．

本文通過對(duì)虛擬會(huì)展領(lǐng)域知識(shí)基本概念和特性的分析，建立工程設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)兩大領(lǐng)域知識(shí)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)認(rèn)知模型，并在此基礎(chǔ)上引入本體理論和技術(shù)進(jìn)行知識(shí)本體的構(gòu)建．最后利用加濕器虛擬會(huì)展系統(tǒng)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證．

1　虛擬會(huì)展領(lǐng)域設(shè)計(jì)認(rèn)知模型

1．1設(shè)計(jì)過程中的認(rèn)知模型

虛擬會(huì)展主要提供工程設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)2個(gè)領(lǐng)域和類型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)．從設(shè)計(jì)認(rèn)知角度2個(gè)領(lǐng)域知識(shí)存在明顯差異．FES(function-effect-solution)模型是一種描述工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中技術(shù)功能知識(shí)如何實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法．該模型中，首先將技術(shù)功能映射成廣義物理效應(yīng)，然后再具體化到原理解．該模型適用于在概念設(shè)計(jì)階段以抽象的技術(shù)功能為出發(fā)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)原理解創(chuàng)新．然而設(shè)計(jì)過程中的產(chǎn)品知識(shí)并非都是從技術(shù)功能到結(jié)構(gòu)這類實(shí)現(xiàn)方式，也包含有大量工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的非技術(shù)功能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)．FBS(function-behavior-structure)模型是在已有經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建設(shè)計(jì)原型的基礎(chǔ)上，從本質(zhì)上對(duì)已有設(shè)計(jì)知識(shí)的運(yùn)用．設(shè)計(jì)創(chuàng)新的關(guān)鍵在于新知識(shí)的獲取，特別是在概念設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡可能地拓寬解空間，而現(xiàn)有FBS模型沒有考慮這個(gè)問題．因此需要在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)認(rèn)知模型進(jìn)行拓展，加入包含對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的非技術(shù)功能的描述．

1．2 UEFBS設(shè)計(jì)認(rèn)知模型

本文參考FES和FBS模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)，提出了UEFBS模型．與FES和FBS模型相比，UEFBS模型主要有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì):

①UEFBS設(shè)計(jì)認(rèn)知模型包含了工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)的描述．認(rèn)知模型中所有的知識(shí)環(huán)節(jié)基本都包含工程設(shè)計(jì)與工業(yè)設(shè)計(jì)2個(gè)領(lǐng)域知識(shí)概念，不同領(lǐng)域知識(shí)概念既有區(qū)分又有聯(lián)系．

②在UEFBS設(shè)計(jì)認(rèn)知模型中，設(shè)計(jì)不再以FES和FBS模型中的技術(shù)功能F為出發(fā)點(diǎn)，而是以用戶知識(shí)U和環(huán)境知識(shí)E為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)．虛擬會(huì)展平臺(tái)系統(tǒng)主要目的是通過產(chǎn)品信息的展示來吸引用戶．環(huán)境知識(shí)的引入可以說明產(chǎn)品在怎樣的環(huán)境下受用戶的關(guān)注，因此用戶知識(shí)和環(huán)境知識(shí)是虛擬會(huì)展系統(tǒng)中最重要的部分．

③UEFBS設(shè)計(jì)認(rèn)知模型中“用戶知識(shí)”代替了FES和FBS認(rèn)知模型中的用戶意圖概念．用戶意圖概念僅是從工程設(shè)計(jì)的角度提出，只滿足用戶物質(zhì)功能需求，而從工業(yè)設(shè)計(jì)角度提出的大量的非物質(zhì)功能需求，則與用戶的相關(guān)背景知識(shí)有關(guān)．

UEFBS設(shè)計(jì)認(rèn)知模型如圖1所示．

圖1　UEFBS設(shè)計(jì)認(rèn)知模型

UEFBS模型中對(duì)象元素的基本定義和設(shè)計(jì)過程見表1和表2．

表1中每個(gè)變量都可以看作是一個(gè)對(duì)象，每一個(gè)對(duì)象都可以包括若干屬性和相對(duì)應(yīng)的屬性值，本文采用面向?qū)ο蟮姆椒▉肀硎旧鲜龆x中的變量．首先給出屬性的形式化定義，然后給出各概念的形式化定義．

表1　UEFBS設(shè)計(jì)認(rèn)知模型中對(duì)象元素的意義

表2　設(shè)計(jì)認(rèn)知模型中設(shè)計(jì)過程的具體描述

定義1用戶知識(shí)U用二元組U = (UN，UB)表示，用戶知識(shí)包括用戶需求知識(shí)UN和用戶背景知識(shí)UB兩部分:

①UN用三元組UN= (UNE，UNU，UNP)表示．UNE表示用戶對(duì)產(chǎn)品的意象，即用戶對(duì)產(chǎn)品的情感需求表達(dá); UNU表示用戶的使用評(píng)價(jià); UNP表示用戶的“購(gòu)買熱點(diǎn)”．

②UB表示用戶的背景知識(shí)，包括用戶的文化程度UBED、生活方式UBL、消費(fèi)習(xí)慣UBC和經(jīng)濟(jì)能力UBEC等用戶背景知識(shí)．

定義2設(shè)計(jì)功能F用二元組F = (FVNP，F(xiàn)IOF)表示，這里的產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能均表示產(chǎn)品技術(shù)功能，產(chǎn)品非技術(shù)功能在設(shè)計(jì)約束中表示，其中:

①FVNP表示產(chǎn)品的技術(shù)功能，采用動(dòng)名詞對(duì)來抽象描述，如用汽化、加熱描述熱蒸發(fā)型加濕器的主要技術(shù)功能．

②FIOF表示輸入－輸出流，主要包括能量流、物料流和信號(hào)流，如超聲波加濕器將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的功能．

此處定義的設(shè)計(jì)功能F僅針對(duì)技術(shù)功能，對(duì)于非技術(shù)功能僅作為設(shè)計(jì)約束條件來處理．

定義3設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)S用三元組S = (SF，SN)表示，其中:

①SF表示設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的功能性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)．通過產(chǎn)品形態(tài)結(jié)構(gòu)解構(gòu)方法，SF又可以進(jìn)一步分為輸入功能部件SFI和輸出功能部件SFO．

②SN表示設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的非功能性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要指與功能部件相對(duì)應(yīng)的裝飾美觀等非技術(shù)功能作用的部件．

定義4結(jié)構(gòu)行為B用二元組B = (BF，BN)表示，其中:

①BF表示功能設(shè)計(jì)行為，是指產(chǎn)品在運(yùn)行時(shí)所表現(xiàn)出的與系統(tǒng)主要技術(shù)功能實(shí)現(xiàn)相關(guān)的行為．BF由二元組BF= (BFS，BFO)組成，BFS表示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)行為，行為的執(zhí)行主體是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，行為的結(jié)果就是實(shí)現(xiàn)功能．BFP表示用戶操作行為，通常以傳統(tǒng)功能為主的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中只是分析用戶想要什么，很少分析用戶通過何種動(dòng)作行為序列(即如何操作產(chǎn)品)，忽略了以人為本的產(chǎn)品使用行為方式的研究，而這是工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計(jì)區(qū)別于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要不同點(diǎn)之一．

②BN表示非功能設(shè)計(jì)行為，是指設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在給定輸入條件后在運(yùn)行時(shí)所表現(xiàn)出的與系統(tǒng)主要技術(shù)功能實(shí)現(xiàn)無(wú)關(guān)的行為．如加濕器可以作為一種裝飾品，與產(chǎn)品本身技術(shù)功能產(chǎn)生的加濕空氣等功能設(shè)計(jì)行為無(wú)關(guān)，表現(xiàn)為一種裝飾、美化環(huán)境的非功能設(shè)計(jì)行為．

定義5設(shè)計(jì)原理P用二元組P = (PF，PN)表示，其中技術(shù)功能性的設(shè)計(jì)原理PF用三元組PF= (PFE，PFD，PFW)表示，非技術(shù)功能性的設(shè)計(jì)原理PN用三元組PN= (PNS，PNA，PNC)表示．

①PFE表示效應(yīng)，用于描述實(shí)現(xiàn)某一或某些功能的基本原理類別．效應(yīng)是一個(gè)分類集合，如光電效應(yīng)、電磁效應(yīng)、熱效應(yīng)等．

②PFD表示學(xué)科原理，是實(shí)現(xiàn)屬性間關(guān)聯(lián)關(guān)系的原理知識(shí)，如牛頓定律等．

③PFW表示功能設(shè)計(jì)原理，是實(shí)現(xiàn)功能的原理結(jié)構(gòu)，如杠桿原理等．

④PNS表示形態(tài)設(shè)計(jì)原理，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品外觀形態(tài)的基本設(shè)計(jì)美學(xué)原理，如極限原理PNSL等．

⑤PNA表示形態(tài)美學(xué)創(chuàng)造法則，如均衡與穩(wěn)定法則PNABS等．

⑥PNC表示形態(tài)構(gòu)成的普遍法則，設(shè)計(jì)者如何創(chuàng)新地、合理地把多個(gè)單一形體有機(jī)組合起來，構(gòu)成形狀獨(dú)特而美觀的造型體，是工業(yè)設(shè)計(jì)中形態(tài)構(gòu)成的核心內(nèi)容．形態(tài)構(gòu)成的普遍法則包括形體組合PNCF等．

定義6環(huán)境知識(shí)E用二元組E = (EF，EN)表示，其中:

①EF表示空氣、天氣、室內(nèi)外等自然環(huán)境因素，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)象正常運(yùn)行需要依賴的功能性使用環(huán)境條件約束，如環(huán)境濕度EFH、環(huán)境溫度EFT等．

②EN表示非自然環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)象正常運(yùn)行需要依賴的非功能性使用環(huán)境條件約束，EN用二元組EN= (ENS1，ENS2)表示．

③ENS1表示社會(huì)環(huán)境，主要包括文化環(huán)境ENS1C等對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)象所產(chǎn)生的影響．

④ENS2表示產(chǎn)品服務(wù)環(huán)境．產(chǎn)品服務(wù)環(huán)境如購(gòu)買之前的產(chǎn)品體驗(yàn)，在產(chǎn)品全生命周期中越來越顯示其重要性，已經(jīng)成為用戶對(duì)企業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)生認(rèn)可的重要渠道．產(chǎn)品服務(wù)環(huán)境包括產(chǎn)品展示ENS2E1、產(chǎn)品營(yíng)銷ENS2M1、產(chǎn)品體驗(yàn)ENS2E2等服務(wù)環(huán)節(jié)．

定義7設(shè)計(jì)約束用二元組C = (CF，CN)表示，CF表示技術(shù)功能性的設(shè)計(jì)約束，由二元組CF= (CFG，CFP)組成，CN表示非技術(shù)功能性的設(shè)計(jì)約束，由三元組CN= (CNF，CNB，CNP)組成，其中:

①CFG表示產(chǎn)品幾何屬性約束，包含尺寸約束CFGS等．

②CFP表示產(chǎn)品物理屬性約束，包含材料約束CFPM等．

③CNF表示產(chǎn)品形象，體現(xiàn)了產(chǎn)品的個(gè)性和差異化屬性，用CNF= (CNFS，CNFF)二元組表示，具體表現(xiàn)為產(chǎn)品風(fēng)格CNFS和產(chǎn)品形狀CNFF等非技術(shù)功能約束．

④CNB表示產(chǎn)品品牌．品牌是一種生活方式的象征，是產(chǎn)品技術(shù)功能以外的非技術(shù)功能，具有“榮譽(yù)消費(fèi)”的功能．CNB包含品牌廣告CNBA等內(nèi)容．

⑤CNP表示產(chǎn)品包裝．產(chǎn)品的包裝除了保護(hù)商品和便于運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)功能外，還具有宣傳廣告、美化產(chǎn)品、提高產(chǎn)品附加值的非技術(shù)功能．

將產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能F的量值放在設(shè)計(jì)約束C中是基于擴(kuò)大設(shè)計(jì)功能原理解空間的考慮．如果在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段尋求功能原理解方案時(shí)就參考具體的功能數(shù)量值，則有可能會(huì)限制設(shè)計(jì)問題求解空間，因此將產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能F的量值放入設(shè)計(jì)約束C中作為評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案是否符合功能需求的依據(jù)．在UEFBS模型中設(shè)計(jì)約束C是所設(shè)計(jì)產(chǎn)品需要滿足的具體化和詳細(xì)設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估和決策的依據(jù)．

定義8設(shè)計(jì)方案D可以用二元組D = (DE，DI)表示，其中:

①DE表示與工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域相關(guān)的設(shè)計(jì)方案，主要包括產(chǎn)品零件圖、裝配圖和原理圖等．

②DI表示與工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域相關(guān)的設(shè)計(jì)方案，主要包括設(shè)計(jì)草圖、設(shè)計(jì)效果圖和人機(jī)界面分析圖等．

1．3基于UEFBS設(shè)計(jì)認(rèn)知模型的設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程

描述

UEFBS設(shè)計(jì)認(rèn)知模型是對(duì)虛擬會(huì)展系統(tǒng)中產(chǎn)品的設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程的描述．UEFBS設(shè)計(jì)認(rèn)知模型的設(shè)計(jì)流程中所采用的設(shè)計(jì)行為描述采用與已有研究保持一致性的描述詞匯，如任務(wù)明確階段采用制定(formulation)，設(shè)計(jì)原理確定采用綜合(synthesis)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)采用實(shí)施(embodiment)等．關(guān)于設(shè)計(jì)行為和設(shè)計(jì)過程的詳細(xì)描述見表2．

2　本體理論及技術(shù)

2．1本體理論和技術(shù)的引入

UEFBS設(shè)計(jì)認(rèn)知模型是針對(duì)虛擬會(huì)展產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中存在的工程設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)2種不同設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程的統(tǒng)一設(shè)計(jì)認(rèn)知的描述．這2種不同設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程中分別包含工程設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)兩大領(lǐng)域知識(shí)，存在知識(shí)概念重復(fù)、有歧義、有偏差等現(xiàn)象，需要有統(tǒng)一和形式化的知識(shí)表達(dá)．為了解決這一問題，本文引入了本體理論和技術(shù)．本體的目標(biāo)就是捕獲工程設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)2個(gè)領(lǐng)域中的知識(shí)，提供對(duì)2個(gè)領(lǐng)域知識(shí)的共同理解，確定2個(gè)領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的詞匯(術(shù)語(yǔ))，并從不同層次的形式化模式給出這些詞匯(術(shù)語(yǔ))和詞匯(術(shù)語(yǔ))之間相互關(guān)系的明確定義．

2．2本體的定義

本體最早是一個(gè)哲學(xué)上的概念，是表達(dá)哲學(xué)理論的一個(gè)術(shù)語(yǔ)．一般來說一個(gè)本體包含5種元素:概念(classes)、屬性(property)、實(shí)例(instances)、關(guān)系(relations)和公理(axioms)．

相對(duì)于一般知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)，本體是知識(shí)庫(kù)的元知識(shí)，包含了對(duì)領(lǐng)域知識(shí)的進(jìn)一步分析，因此本體可以看作是一種特殊的知識(shí)庫(kù)——本體知識(shí)庫(kù)．本體提供了構(gòu)造知識(shí)庫(kù)所需要的基本詞匯并說明了它們之間的關(guān)系，對(duì)于整個(gè)知識(shí)庫(kù)的組織構(gòu)造至關(guān)重要，可以說本體是知識(shí)庫(kù)的骨架．從20世紀(jì)90年代初起，本體概念被廣泛地引用到計(jì)算機(jī)領(lǐng)域尤其是人工智能和知識(shí)工程的研究領(lǐng)域［5］．產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域也引入本體理論和技術(shù)進(jìn)行研究［6］，但基本局限于產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域［7－9］，產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究較少［10］，而且2個(gè)領(lǐng)域知識(shí)是各自單獨(dú)研究，缺乏對(duì)2個(gè)領(lǐng)域知識(shí)統(tǒng)一組織和描述的知識(shí)本體模型．引入本體理論和技術(shù)可以在UEFBS設(shè)計(jì)認(rèn)知模型的基礎(chǔ)上對(duì)2種不同領(lǐng)域的知識(shí)進(jìn)行統(tǒng)一的組織和表達(dá)．

2．3本體模型的構(gòu)建

采用軟件Protégé5．2本體編輯工具定義本體的類和類層次、屬性關(guān)系以及實(shí)例，進(jìn)行本體模型的構(gòu)建，具體步驟如下:

①明確本體的領(lǐng)域知識(shí)及其覆蓋范圍．

②復(fù)用現(xiàn)有本體，查找是否有可復(fù)用的本體．③列舉領(lǐng)域中的重要術(shù)語(yǔ)．

④定義本體中的類及類的關(guān)系．

⑤定義本體的屬性．只有類的定義及類的層次關(guān)系，并不能給計(jì)算機(jī)提供可以理解的語(yǔ)義信息，因此需要通過定義相應(yīng)的屬性來定義類以及類與類之間的關(guān)系．

⑥定義屬性的側(cè)面，如屬性值的類型、屬性值的取值范圍、屬性值的數(shù)量以及其他的特征等．

⑦建立實(shí)例，完善本體．

2．4本體模型的總體構(gòu)架

一個(gè)本體的構(gòu)建需要有一個(gè)總體的架構(gòu)，虛擬會(huì)展領(lǐng)域產(chǎn)品信息知識(shí)需求產(chǎn)生于每一個(gè)可能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)活動(dòng)，設(shè)計(jì)活動(dòng)涵蓋的范圍越廣，即過程粒度越粗，知識(shí)需求也就越抽象;反之，設(shè)計(jì)活動(dòng)涵蓋的范圍越窄，即過程粒度越細(xì)，知識(shí)需求就越具體．本文根據(jù)UEFBS設(shè)計(jì)認(rèn)知模型進(jìn)行虛擬會(huì)展領(lǐng)域產(chǎn)品信息知識(shí)本體模型的總體構(gòu)架，如圖2所示．

圖2　基于UEFBS本體模型的虛擬會(huì)展領(lǐng)域產(chǎn)品信息知識(shí)本體模型構(gòu)架

3　實(shí)例驗(yàn)證

3．1加濕器產(chǎn)品信息知識(shí)本體模型的構(gòu)建

前文構(gòu)建的本體只是定義了整個(gè)虛擬會(huì)展平臺(tái)產(chǎn)品信息知識(shí)本體的基本類和屬性，相當(dāng)于虛擬會(huì)展平臺(tái)的通用本體或頂層本體，而對(duì)于具體的產(chǎn)品種類，需要進(jìn)一步地設(shè)置類、屬性和實(shí)例，主要涉及屬性賦值和添加實(shí)例．下面以加濕器產(chǎn)品進(jìn)行虛擬會(huì)展產(chǎn)品信息知識(shí)本體的實(shí)例設(shè)置和驗(yàn)證．

虛擬會(huì)展產(chǎn)品信息知識(shí)本體模型中的類分成產(chǎn)品目錄本體、用戶知識(shí)本體、功能知識(shí)本體、原理知識(shí)本體、結(jié)構(gòu)知識(shí)本體、行為知識(shí)本體、環(huán)境知識(shí)本體、約束知識(shí)本體和設(shè)計(jì)方案知識(shí)本體九大類概念空間．

定義的屬性應(yīng)當(dāng)可以反映加濕器的主要特征．除了涉及到的通用屬性外，還有產(chǎn)品自身固有的屬性，如加濕器尺寸等．定義一個(gè)加濕器的屬性模板，既全面地描述加濕器的主要特征，又使屬性的定義更加清晰和規(guī)范，圖3為部分?jǐn)?shù)據(jù)屬性．

除了數(shù)據(jù)屬性外，還有對(duì)象屬性．對(duì)象屬性反映了加濕器各種概念之間的關(guān)系，如加濕器的某實(shí)例產(chǎn)品H201507150001與用戶知識(shí)本體、設(shè)計(jì)功能本體、設(shè)計(jì)約束本體等類概念空間中其他子類或?qū)嵗g的關(guān)系，如圖4所示．

在實(shí)例設(shè)置時(shí)，如果某概念不需要細(xì)分，那么這個(gè)概念就是最小概念，就可以設(shè)置為實(shí)例．如加濕器的各種屬性值、具體約束條件等都可以設(shè)置成實(shí)例．

3．2加濕器知識(shí)本體模型的可視化展示和查詢

虛擬會(huì)展領(lǐng)域產(chǎn)品信息知識(shí)本體構(gòu)建完成后，可以使用可視化模塊OntoGraf對(duì)本體概念和概念間的關(guān)系進(jìn)行可視化顯示．OntoGraf支持對(duì)本體關(guān)系的交互式導(dǎo)航，支持自動(dòng)組織本體結(jié)構(gòu)的各種布局，支持不同類、實(shí)例、對(duì)象屬性的領(lǐng)域和范圍、等價(jià)類等關(guān)系的可視化．不同對(duì)象屬性關(guān)系可以使用不同的色彩進(jìn)行區(qū)別，同時(shí)關(guān)系和節(jié)點(diǎn)類型可以被過濾，以得到不同的視圖．

在Protégé5．2軟件中可以方便地查找和應(yīng)用信息，如運(yùn)用DL Query模塊，使用類名、屬性名和屬性值等方式進(jìn)行查找，也可以同時(shí)運(yùn)用幾個(gè)查找條件，采用或和與的方式進(jìn)行查找．查找條件可以存儲(chǔ)，形成查找條件庫(kù)，方便以后的查找和使用．圖5是使用DL Query模塊查詢類用戶知識(shí)本體，查詢結(jié)果顯示類用戶知識(shí)本體的父類、等價(jià)類、直接子類、子類和所有實(shí)例．

圖3　加濕器的數(shù)據(jù)屬性描述

圖4　加濕器的對(duì)象屬性描述(局部)

圖5　使用Protégé5．2中的DL Query模塊進(jìn)行可視化查詢

3．3加濕器產(chǎn)品信息平臺(tái)的測(cè)試與分析

在加濕器虛擬會(huì)展領(lǐng)域產(chǎn)品信息知識(shí)本體構(gòu)建完成后，便可以利用Jena推理機(jī)將OWL文檔轉(zhuǎn)化為可供檢索應(yīng)用程序使用的格式，主要通過Jena開發(fā)包來實(shí)現(xiàn)OWL文件的解析和推理．Jena是由HP公司開發(fā)的語(yǔ)義網(wǎng)工具包，它基于Java的開放源代碼，提供了開源的、基于本體的語(yǔ)義檢索API，用于創(chuàng)建語(yǔ)義Web應(yīng)用系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，并為解析OWL，RDF等本體格式提供了編程環(huán)境及基于規(guī)則的推理引擎．Jena基于XML語(yǔ)法，是用于對(duì)OWL和RDF文件進(jìn)行解析的解析器;具有基于規(guī)則的推理機(jī)子系統(tǒng)，用于檢索過程中的推理．Jena推理機(jī)解析本體時(shí)，從現(xiàn)有的OWL本體文檔中讀取數(shù)據(jù)，編寫Jena程序，當(dāng)語(yǔ)義檢索程序需要調(diào)用檢索返回的數(shù)據(jù)時(shí)，Jena推理機(jī)提供程序需要返回的數(shù)據(jù)．

本文基于虛擬會(huì)展領(lǐng)域產(chǎn)品信息知識(shí)本體構(gòu)建的加濕器產(chǎn)品展示和信息查詢平臺(tái)，采用B /S模式，基于J2EE框架的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)．客戶端使用瀏覽器作為系統(tǒng)的門戶，包括信息的錄入、顯示和查詢等操作，為用戶通過瀏覽器訪問檢索系統(tǒng)提供了一個(gè)基于Web的接口．用戶通過客戶端給HTTP服務(wù)器提交服務(wù)請(qǐng)求，HTTP服務(wù)器從接收到的消息中解析出查詢請(qǐng)求，然后再轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求給服務(wù)器端的Web服務(wù)器，Web服務(wù)器再把請(qǐng)求交給Servlet服務(wù)器組件，調(diào)用本體語(yǔ)義查詢接口，搜索本體數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息．Servlet的主要功能在于交互式地瀏覽和修改數(shù)據(jù)，生成動(dòng)態(tài)Web內(nèi)容．Web服務(wù)器把推理查詢的結(jié)果通過網(wǎng)頁(yè)的形式發(fā)送給用戶客戶端．虛擬會(huì)展產(chǎn)品信息系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖6所示．

根據(jù)上述信息系統(tǒng)的架構(gòu)，構(gòu)建了虛擬會(huì)展領(lǐng)域產(chǎn)品信息平臺(tái)，該平臺(tái)可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行產(chǎn)品信息的搜索，對(duì)符合加熱功能和2．5～4．0 L水箱容積的加濕器搜索結(jié)果如圖7所示．

圖6　虛擬會(huì)展產(chǎn)品信息系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖7　加濕器產(chǎn)品具體內(nèi)容顯示界面

4　結(jié)語(yǔ)

與基于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)的虛擬展示平臺(tái)相比，基于本體的虛擬會(huì)展產(chǎn)品信息的檢索是在本體層上進(jìn)行檢索，通過描述概念(類)之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以發(fā)掘出那些隱含的、不明確的概念和信息，在查全和查準(zhǔn)方面可以更好地滿足用戶要求．實(shí)驗(yàn)證明，本文所提出的基于本體建模方法構(gòu)建的加濕器虛擬領(lǐng)域知識(shí)本體具有可行性和有效性．本系統(tǒng)目前還需要完善，功能有待進(jìn)一步提高．

參考文獻(xiàn)(References)

［1］Su C J，Yen P C，Zhang X．An internet based virtual exhibition system: conceptual design and infrastructure ［J］．Computers＆Industrial Engineering，1998，35(3/ 4) : 615－618．DOI: 10．1016/S0360-8352(98) 00172-7．

［2］焦微玲，裴雷．網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下我國(guó)虛擬會(huì)展平臺(tái)方案設(shè)計(jì)研究［J］．商業(yè)研究，2014(3) : 146－151．DOI: 10． 13902/j．cnki．syyj．2014．03．023．Jiao Weiling，Pei Lei．Research on conceptual design of China's virtual exhibition platform under network environment［J］．Commercial Research，2014(3) : 146－151．DOI: 10．13902/j．cnki．syyj．2014．03．023．(in Chinese)

［3］Lin Y，Liu Y．Research and development of scene rendering in interactive virtual exhibition［J］．Advanced Materials Research，2012，433-440: 4584－4589．DOI: 10．4028/www．scientific．net/AMR．433-440．4584．

［4］Yang X H，Liu X Y，Gong S Y．Mobile phone virtual online exhibition based on VRML［J］．Applied Mechanics＆Materials，2013，321-324: 2960－2964．DOI: 10．4028/www．scientific．net/AMM．321-324．2960．

［5］Yang L，Qian L F，Ding S C，et al．Ontology-based design knowledge representation for complex product ［C］/ /Proceeding of the 8th International Conference on Intelligent Systems and Knowledge Engineering．Shenzhen，China，2013: 277－287．DOI: 10．1007/ 978-3-642-54930-4_28．

［6］Chang X M，Sahin A，Terpenny J．An ontology-based support for product conceptual design［J］．Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2008，24(6) : 755 －762．DOI: 10．1016/j．rcim．2008．03．004．

［7］Ahmed S，Kim S，Wallace K M．A methodology for creating ontologies for engineering design［J］．Journal of Computing and Information Science in Engineering，2007，7(2) : 132－140．DOI: 10．1115/1．2720879．

［8］Ostrowski L，Helfert M，Gama N．Ontology engineering step in design science research methodology: a technique to gather and reuse knowledge［J］．Behaviour＆Information Technology，2014，33 (5) : 443－451．DOI: 10．1080/0144929X．2013．815276．

［9］王生發(fā)，顧新建，郭劍鋒，等．面向?qū)嵗评淼漠a(chǎn)品設(shè)計(jì)本體建模研究及應(yīng)用［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43 (3) : 112－117．DOI: 10．3901/JME．2007．03．112．Wang Shengfa，Gu Xinjian，Guo Jianfeng，et al．Research and application of ontology modeling for product design based on case reasoning［J］．Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，43 (3) : 112－117．DOI: 10．3901/JME．2007．03．112．(in Chinese)

［10］胡浩，傅望，秦菊英，等．面向意象移植的產(chǎn)品風(fēng)格本體建模研究［J］．人類工效學(xué)，2015，21(3) : 60－63．DOI: 10．13837/j．issn．1006-8309．2015．03．0013．Hu Hao，F(xiàn)u Wang，Qin Juying，et al．Ontology modeling research for the image transplant of products style ［J］．Chinese Journal of Ergonomics，2015，21(3) : 60－63．DOI: 10．13837/j．issn．1006-8309．2015．03．0013．(in Chinese)

Knowledge expression of virtual exhibition product information based on ontology

Yan Bo1，2Xue Chengqi1Yao Ganqin1
(1School of Mechanical Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China)
(2School of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China)

Abstract:In order to establish consistent cognitive design descriptions to the knowledge in two different design fields，engineering design and industrial design knowledge existed in virtual exhibition product information，a more uniform and comprehensive user-environment-function-effectsolution (UEFBS) design cognitive model was established by expanding the traditional functioneffect-solution (FES) and function-behavior-structure(FBS) models．The ontology theory and its technology were employed to extract and normalize the concepts，glossary and their relations in virtual exhibition product information．The ontology model of virtual exhibition product information was set up and also described with an example of humidifier．Experimental results indicate that virtual exhibition product information based on two different design fields better agrees with people's design cognitive habits．As an example of virtual exhibition product，the formalized humidifier product information ontology model demonstrates accurate concepts，clear organization，and normative expression that can help users to comprehensively and accurately understand and share design information knowledge．

Key words:ontology; virtual exhibition; engineering design;industrial design

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71271053)、教育部人文社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃資助項(xiàng)目(12YJAZH134)、中央高校科研基金資助項(xiàng)目(2010B22514)．

收稿日期:2015-09-01．

作者簡(jiǎn)介:嚴(yán)波(1978—)，男，博士生，副教授;薛澄岐(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，ipd_xcq@ seu．edu．cn．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．008

中圖分類號(hào):TP472

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001－0505(2016) 01-0042-07