基于本体的产品绿色设计知识检索方法研究

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Study of knowledge retriev.al during product green design based on ontologyCAO Ling-li， CHEN Yang，-ZHANG Lei(School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)Abstract：A knowledge representation method of product green design based on ontology is put forwardand the knowledge retrieval process is studied.On the basis of fully understanding the concept ofgreen design knowledge，the green design knowledge is classified，the design knowledge expressiontemplate is established，and the green design knowledge retrieval based on semantics is realizedthrough the semantic retrieva1 and the text similarity matching.The efficiency of product design is im-proved，and the repetitive design mistakes are avoided.By using the green design of soya-bean milkmachine as an example，the design knowledge retrieval reuse of soya-bean milk machine is realizedthrough establishing the green design knowledge expression model，analyzing the requirement of CUS-tomers，and conducting the semantic knowledge retrieva1。

Key words：green design；ontology；knowledge retrieval；semantic similarity随着环境意识的增强，人们对产品的环壁能功效也越来越重视，绿色设计便成为当今的主流设计方法。本文通过对绿色设计知识的研究，缩短产品开发周期及提高产品绿色开发性能。

国内外对绿色设计知识检索与重用方面的研究较少。文献Eli构建了集成产品开发中的设计知识管理框架，但并未给出产品设计的知识表达体系；文献F2]提出基于本体的概念设计知识管理框架，研究了基于本体的知识建模、基于相似度的知识检索，但还没有形成-个完善的设计知识系统；文献1-33提出的基于规则和本体的产品设计知识方法和文献[4]提出的基于本体的OWL产品设计知识模型，都能有效地缩短产品开发周期，但是都具有产品知识复杂、动态多变、更新速度快及知识模型经常变动等难题；文献E53提出-种需求语义模型，探讨了知识检索需求获取过程的应用模式。

本文在基于本体理论的基础上，提出绿色设收稿 日期：2012-08-02；修回日期：2012-10-26基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目(E050601)；广东省重大科技专项资助项目(2011A080804017)作者简介：曹灵莉(1987-)，女，安徽毫州人，合肥工业大学硕士生；张 雷(1978-)，男，安徽合肥人，博士，合肥工业大学副教授，硕士生导师。

514 合肥工业大学学报(自然科学版) 第36卷计知识分类及其表达体系，并给出知识检索框架模型；结合实例对基于本体的绿色设计知识进行检索，并验证了该方法的可行性和有效性。

1 本体论概念及其表示语言1.1 本体论概念本体论是共享概念模型的明确的形式化规范说明[6]。本体由概念、概念屙j生以及概念和约束之间的关系构成，它反映了对特定领域的语义通用理解E 。知识本体能够将繁多复杂、破碎的信息片段按照同语义关系和分层关系关联在-起，形成有用的信息链和信息网E 。 。

运用知识本体表达产品绿色设计知识，能充分表达绿色设计的信息，更好地实现知识检索和重用。本文采用四元组的描述方法表达产品绿色设计知识本体概念，并把绿色设计知识本体概念表示为如下形式：P- K，G，R，A) (1)其中，P为产品绿色设计知识本体；K为绿色设计知识中各种知识概念的集合；G为多个概念所对应的属性集组成的集合；R为各知识概念之间的关系集；A为实例集。

1.2 基于 0WL的本体表示语言由于机电产品结构、功能概念繁多，属.I生类型多样，不同概念间存在约束，而本体表示语言具有高度结构化，能准确地表示出知识之间的联系，且语义具有互操作性，可以实现知识共享和交换 ，因此，本文采用 OWL(Web Ontology Language，简称 OWL)作为产品绿色设计本体的表示语言，不仅能给用户提供可读的文档内容，还能处理文档的信息内容。然而 OWL语言描述比较复杂，故以全自动豆浆机的部分绿色设计属性为例，分别从概念实体、概 念属性和概念 间 的关 系说 明OWL语言的表示方法。

：表述的语义为-个全自动豆浆机继承了豆浆机的所有属.生，它具有拈化的结构，该拈化结构可以提高豆浆机的拆卸速度；拆卸性能越好越能促进产品的回收重用，可重用性又会对全 自动豆浆机的回收性能产生-定的影响，如图1所示。

图 1 基于OWL语言的绿色设计属性本体表示2 绿色设计知识及获取过程分析2.1 绿色设计知识概念绿色设计知识就是指产品进行绿色设计的-切活动所依据的标准和规则[9]，它与绿色设计具有相互关系。-方面绿色设计需要利用绿色设计知识进行决策和推理；另-方面绿色设计是知识产生和获取的源泉。绿色设计所需的知识包括产品整个生命周期，为了能将这些知识在产品开发的每个阶段迅速获取并用于设计过程中，而且能够及时存储和更新到相应的知识库中去，需要将知识分类并规范表达。

2.2 绿色设计知识分类和表达由绿色设计知识概念和绿色设计的内容，基于本体思想，将绿色设计知识分为：K Mk，Fk，Tk，Ck (2)其中，Mk为产品基本设计信息知识概念；F 为绿色设计环境属性知识概念；Tk为技术原理知识概念；C 为绿色产品设计实例知识概念。

2.2.1 产品基本设计信息知识概念设计-个产品应包含全部的知识信息，包括所属产品、产品功能、结构组成、零件材料类型和外观设计等，可表述为：Mk Mkl， ，， ，， (3)其中，M 为产品的-个基本设计信息知识概念。

2.2.2 绿色设计环境属性知识概念绿色设计环境属性包括材料选择、拆卸性、回收性和环境排放等，可表述为：Fk- Fk1，Fkz，Fk3，Fk4；- Fa1， ，， ，，F捌 (4)其中，Fk为环境属性知识空间中某-项知识元素概念； 为环境属性知识中的某-属性概念；i取第5期 曹灵莉，等：基于本体的产品绿色设计知识检索方法研究 5151、2、3和 4。

2.2.3 技术原理知识概念描述产品问题求解策略的技术信息、原理知识、使用注意事项及创新特点等，可表述为：Tk- Tk1， ，， ，， ) (5)其中， 为技术原理知识中的属性概念，如产品技术信息、产品原理等概念。

2.2.4 绿色产品设计实例知识概念已经成功的或者失败的设计产品实例，包括绿色设计知识本 体 概 念知识概念集合概念属性集合概念属性的关系集实例集合医圆 匾圆 四 产品基本设计信息知识概念绿色设计环境属性知识概念技术原理知识概念绿色产品设计实例知识概念产品实例名称、实例类型、实例使用说明、产品实例部件和功能等。

可表述为：Ck- Ck1，Ck2， ，Ck，，Ch)；C Pk，Wk，Sk) (6)其中，C 是-个包含属性 P 和权重 wk的实例概念；S 为属性值。

材料选择拆卸设计回收设计环境排放设计图 2 基于本体的绿色设计知识分类表达体系2.3 绿色设计知识的获取绿色设计知识的获韧是将已有的产品绿色设计知识，包括经验、事实、规则及实例等从文档或繁杂的知识数据库中总结和提取出来，并转换成-定的形式。

(2)根据绿色知识表达体系，归纳与之相关的所有绿色知识数据，并利用知识数据库的查询功能 自上而下提取数据。

(3)对获取的数据进行再加工和细化，包括气体排放液体排放固体排放噪声排放- ，1回收环境效用废气、硫化合物 碳化物、烟尘、颗粒废水、重金属大气沉降物、固体废物生产、使用以及其他噪声选择相关的属性子集，并剔除冗余的属性，最后根据需求对数据进行转换，得到相关的绿色设计知识和数据。 。

3 产品绿色设计知识检索过程3.1 绿色设计知识的检索实现技术3.1.1 知识需求本体分析在获取了大量知识后，需要针对不同的产品分析其绿色知识需求，知识需求是指产品基本设计需求、环境需求和用户的个性需求。

在进行产品设计时，要分析产品的结构和功-～I-～- ----- -..-.-L-.。.- ，.-Ll～Illll-翠-晕-516 合肥工业大学学报(自然科学版) 第36卷能，进行产品各类需求识别，然后将各类需求按照计算机能够识别的本体语言进行表述，并经过核查后储存到相应的数据库和知识库中，形成系统化的知识需求本体模型，以便于指导设计人员进行知识检索。

图 3 知识需求本体模型3.1.2 基于语义的知识本体检索过程(1)基于语义的本体检索模型的建立。通过本体映射函数[8 将用户查询的关键词转化为计算机可以理解的格式和语义，利用关键词匹配和绿色设计知识进行知识需求的查询和检索。基于语义的本体检索模型 SRM[8](Semantic-based Re-trieval Model，简称 SRM)可表示为四元组 (D，Q，0，F)，其中，D为绿色设计信息资源，在这里指绿色设计本体库及绿色设计知识库；Q为用户查询，表示为关键词；0为本体论；F为查询关键词与本体库语法规则进行匹配的映射函数，定义为三元组，即(Q，0)- q ，，2(D，O)- d ，(q ，d )- m 。

其中， 为映射函数，将用户查询关键词通过语义相似度匹配转化为知识本体规则下的概念，包括与语义相近的同义、近义和相关概念； 为映射函数，将设计知识通过语义相似度匹配转化为本体规则下的概念及其语义关系； 为匹配函数，表示本体规则下的概念与语义关系的匹配； 为用知识本体库中的概念表示的用户查询；de为用知识本体库中的概念表示的设计知识；mc为匹配结果。

(2)基于语义的检索过程，如图 4所示。用户输入需要的查询关键词，计算机系统通过厂1映射函数将查询关键词转换为计算机能够处理的本体语言，输出结果q ，与此同时，绿色设计信息资源库也将其与查询关键词同义的词语，通过，2映射函数转换成本体表示语言，输出结果d 。

匹配不成功，重新进行语义关联查询J i(Q 查询Q I ，o)L篓 妻 I基于。嘶l 砒 丌酿II 言本体库J/ ：困 I图 4 基于语义的检索过程模型将输出结果 q 与d 通过匹配函数 -厂3进行语义匹配，通过语义相似度匹配算法进行匹配，并将相关的匹配结果按照相关度的大小输出返回给用户。若匹配不出结果，需要重新输入关键词进行查询，再次重复以上过程，直至得出满意的结果为止。

(3)匹配函数算法。语义相似度是指概念间语义 自身的相似程度，语义相似度计算仅仅考虑概念术语间的相似程度[8]。在语义检索模型中的2个映射函数 和 都能正确映射的前提下，采用语义相似度的匹配算法进行概念间相似度的匹配，并将匹配结果输出给设计人员。若匹配结果不够准确，将重新进行语义关联再次进行匹配。

根据 厂1的映射结果q 和，2的映射结果 d 进行相似度匹配。

假设某用户查询知识规则概念为 Q-Q ，Q2，， )，第 个用户查询知识规则概念集为Q，-qj， ，， )，有咒个属性或参数，第 个绿色设计知识概念集有 k个属性，D，：d ，d；，，)，用户查询知识规则概念与绿色设计知识概念的相似度计算如下[加]：f1， 与d 为同义词；Sim(q， )-l 0，-a5完全不同义；sy sy( ， 隋况 l (q；)I U l )l(7)Sim(Q，DI)-k-- n-- p∑.( sim( ， ) (8)其中，I sy(q)I为用户查询知识规则概念q的同义词集；l sy( )l为绿色设计知识概念 的同义词集； 为QJ和D共同的属性数量； 为第个知识概念的权重，且∑砌 -1，通过模糊层次分第 5期 曹灵莉，等：基于本体的产品绿色设计知识检索方法研究 517析法予以确定；Sim(q；， )为存在知识概念与绿色设计知识概念库中第 个概念之间的相似性，且 Sire(q， )∈Co，1]。对于给定的阈值 ，当Sim(Q1，Ds)≥ 时，说明匹配成功，输出匹配结果m ，当有多个匹配结果时，选取相似度最大者；若Sim(Q ，Dj)≤ 时，说明匹配不成功，需要重新进行语义关联查询，再次进行匹配，直至找到合适的匹配结果为止。

3.2 绿色设计知识本体检索过程通过基于语义的本体检索方法进行绿色设计知识检索，就是利用本体技术具有广泛的知识共享和重用的效能，以提高客户的检索准确率，达到迅速准确检索出设计知识的目的。

根据本文提出的产品绿色设计知识表达体系，归纳出绿色设计知识检索过程框架结构，用来支持产品绿色设计的知识重用过程，如图5所示。

绿色设计知识检索过程是将绿色设计知识从各类知识源中获取出来，用本体语言表达并建立绿色设计知识需求本体模型a输入经设计人员转变的需求关键词到产品设计系统检索界面，利用基于语义的知识本体检索技术进行知识检索，将检索到的设计实例知识进行分析和对比研究，选择最需要的设计实例，并从绿色设计知识仓库中获取其设计过程，按照绿色设计需求进行改进。

若检索出来的实例知识或产品设计知识不满足产品开发需求，则需设定知识需求本体模型，再次进行检索，直至满足产品绿色设计开发的需求为止，最后根据开发设计需求将知识进行归类存储。

绿色设计 分析客户各类知识本体源 各类信息需求I- -L -生-- --生-- -jL按照本体的形式化绿色 绿色本体广]/语义进行转化环境 设计7 形成知识知识本体之LJJ生成本体 需求本体模型i-.n/1.， I ±j 日J天 系 足 义 J 贾猓 厍≥输入知识 l绿色设计本体库 需求关键字 I绿色设计知识库 检索匹配 lI输出匹配结果 l图5 绿色设计知识检索的过程框架4 实例验证L目前豆浆机的市场需求量很大，对豆浆机的设计要求也越来越高，其绿色性能也越来越受到人们的重视。本文以某全自动豆浆机为例，结合上述分析过程，对绿色设计知识的检索过程进行验证。

4.1 豆浆机的绿色设计知识表达建立全自动豆浆机的绿色设计知识表达体系，如图 6所示，根据此体系，从各类知识源中获取相应的知识用来进行知识需求分析和绿色设计知识检索。

图6 全自动豆浆机的绿色设计知识表达体系518 合肥工业大学学报(自然科学版) 第 36卷4.2 豆浆机的绿色设计知识需求通过调研客户和市场需求，获得全 自动豆浆机的设计知识需求，将这些知识需求转化为本体规则下的语义，建立模型如图7所示。

面向全自动豆浆机fll l i设计知识需求本体 I环境知识需求本体1 l性知识需求本体l l 操作方便 拆卸性能 体积大小安全性高 装配性能 质量可靠耐用 回收性能 外形设计加热打浆效果 噪声 价格产品拈化程度 符合wEEE法规要求 包装类型材料消耗 能耗图 7 家用豆浆机的知识需求表达本体模型4.3 豆浆机绿色设计知识的检索过程(1)按照豆浆机绿色设计知识表达模板，将豆浆机绿色设计知识从繁多的绿色设计知识源中获取出来，分析这些知识的关联，形成绿色设计知识库、实例库。

(2)分析该产品的各类知识需求，形成知识需求表达模型。

(3)设定阈值 为 0.5，通过输入关键词 A(噪声设计、可靠性设计、拆卸设计等)与查询系统B进行语义相似度匹配，获得结果 1”，结果 2”， 从中选取 ≥0.5的设计，剔除

图8 豆浆机绿色设计知识检索过程t5 结束语本文分析了产品绿色设计知识的概念，给出了绿色设计知识表达体系结构，重点分析了产品进行绿色设计知识检索的关键技术，包括绿色设计知识需求的形成，基于语义的知识本体检索和相关匹配算法。

目前，全 自动豆浆机的绿色设计知识检索过程在企业已经得到了应用，并且通过对产品绿色设计知识进行检索重用的方法，明显缩短了产品开发周期，提高了产品的市场占有率，具有-定的可行性。