AI4SE园地｜基于本体的产品功能语义建模方法的研究

导语:

在对产品进行智能化设计的过程中，功能建模作为衔接用户需求与物理实现的核心环节，其语义表达的精确性与计算机可理解性直接影响设计的自动化程度。传统的功能表示方法受限于自然语言的模糊性和结构的缺失性，难以支撑计算机对功能知识的解析与智能推理。本文提出一种融合本体论与SysML系统建模语言的创新方法，通过构建形式化的功能语义本体从而实现计算机对设计意图的理解，并基于SysML扩展机制建立可视化法人建模体系，为产品的概念设计提供多维度、多粒度的功能语义表达方式。

01 传统获取需求方法的局限性

在产品的概念设计阶段，首先通过对用户需求的分析获取产品的功能需求。产品的功能需求一般是用自然语言以短语形式进行的主观描述，因而难以直接用于驱动系统设计。功能表示的目的就是提供规范化的建模方法，帮助设计者将主观的设计意图转换为相对客观的功能描述，进而通过功能分解将设计任务系统化地细分为具体的子任务。目前主流的功能表示方式是用输入/输出流的状态转换以体现功能的任务目的，而功能自身的语义往往只使用一个动词来体现其行为类型。同时，对流的状态描述也仅仅使用名词对类型进行抽象表达，具体的状态属性则缺乏形式化的定义。由此会导致以下问题的产生：

（1）功能的表示缺乏计算机可理解的结构，浅层的流状态语义难以为知识推理提供足够的信息，难以实现功能的自动分解；

（2）缺乏对功能效果进行语义显示的表达机制，由动词进行概括的功能效果可能导致语义的冲突和歧义，无法实现基于语义的功能检索；

（3）缺乏有效支持自顶向下式的设计过程中的功能建模以及多视角、多解析度进行功能语义表达的工具。

为了解决上述问题，本文提出基于本体的产品功能语义的表示方法。本体具备形式化的结构和可判定性的逻辑，可将功能知识结构化为计算机可理解的语义，实现功能语义的一致性，进而支持基于语义推理的功能分解和设计检索。此外，考虑到在系统设计中的实用性，使用SysML作为功能语义的可视化建模语言。

02 功能语义本体的构建

基于本体的知识表示的方式，需要为领域知识进行形式化的本体概念的定义（Concept）以及明确概念间的关联关系。为此，领域内的具体知识可被实例化为本体对应概念中的个体（Individual），个体知识的具体内容通过其属性（Property）进行赋值。为了消除流名词和功能动词在表达上的语义局限性和可能导致的歧义，需要构建功能语义本体以提供计算机可理解的结构化的功能表示。在该本体中对基于流状态的功能语义所表示的相关概念进行定义，其中的概念及其语义约束通过OWL-DL（Web Ontology Language - Description Logic）语言来实现，从而使得所定义的概念具备可判定性从而支持语义推理。

传统的功能表示通过“动词+名词”的形式描述功能对流的转换，用动词描述功能的行为，用名词表示流所对应的类型或名称。在实际的概念设计过程中，往往根据系统所需要的、对流产生的作用和改变来进行功能的设计。因此，流在输入输出时的状态揭示了功能的行为目的，而流的状态语义则可以通过对其属性的描述来实现。基于上述解释，定义了如图1所示功能语义表示的核心概念。Function及FlowObject分别用于创建功能和流，它们的属性字段用于表达功能的输入输出流的语义和流对象状态的语义。为了提取并直接表示出隐含在输入输出流变化中的功能目的，采用Functional Effect概念来表示功能所提供的作用效果的语义。

图1  功能语义本体核心概念

03 功能动词的语义扩充

“功能基”是基于流的功能表示的通用标准，其中定义了表示产品功能的通用词汇表。每个功能动词对应一种特定的功能类型，体现了对流的特定模式的作用。然而，这种纯文本的表达缺乏形式化的结构，难以显式地表达功能作用的语义。此外，由于在传统的功能建模方法中，描述功能类型的名词是由设计者主观选择的，在不同项目参与者之间很可能会造成理解上的冲突和歧义。为了帮助设计人员对功能进行差异化的描述以保证功能语义理解上的一致性和准确性，可以将功能基中采取分层定义的功能动词重新定义为BasicFunction所对应的子概念。

此外，基于OWL-DL的描述逻辑对这些概念的语义进行扩充，即：将动词术语的自然语言定义转换为对概念的输入输出流和功能效应属性的语义约束。功能概念的语义细化提供了一种将人类对功能认知转化为计算机可理解的语义结构的表示方法。同时，本体的描述逻辑使得功能语义具备了可判定性，有助于实现功能推理。例如，Branch（分支）的自然语言描述为“使物质、能量或信号的流动不再相连或混合”，其本体的形式化定义可理解为仅具有一个RelationChange的功能效应且仅有1个输入流和2个输出流的BasicFunction。

04 基于SysML的功能建模

使用本体形式化表示的功能知识只是在概念层建立了功能的结构化语义；若不提供可视化的功能表示形式和工具，也无法有效支持概念设计阶段的功能建模。同时，通过计算机执行的功能推理的结果也无法以设计者能理解的形式进行展示。

SysML是构建系统设计模型的常用建模语言。其中的活动图是一种行为视图，用于描述系统功能行为的流程，但它不支持基于流的功能结构的描述。模块定义图和内部模块图则通过建模元素«Block»支持流属性的定义，创建模块之间的层次关系和结构。然而，«Block»本身的语义是面向系统的物理构件，无法直接用于功能语义的表示。SysML 提供了基于构造型（Stereotype）的轻量级的扩展机制，可在已定义的SysML元模型的基础上构造新的模型元素。构造型通过标记属性（Tag Value）扩展出不被基本元模型支持的语义，所扩展出的建模元素能够在任何支持SysML的建模工具上使用。基于以上分析，对于功能语义本体中定义的概念，采用构造型从而使SysML扩展出对应的建模元素完成对功能的可视化模型的表示。图2和图3分别展示了基于本体概念所定义的面向流表示与功能建模的SysML构造型。

图2  流建模表示元模型

图3 功能建模表示元模型

05 案例分析

以下以胶水枪为例，展示本文所提出的功能建模方法。胶水枪是功能建模表示的基准案例，它的外形及内部结构如图4所示。其功能是将作为输入端的固体胶棒热熔，在输出端挤出一滴胶水并将分离的部件进行粘连。

图4  胶水枪的外形与结构

当设计师开始设计一款新的胶水枪时，其内部的功能结构和每个功能的实现原理是未知的。胶水枪的总功能定义如图5所示，«Overall Function»强调该模型对总功能的定义，该功能的主输入流和主输出流分别是Glue_Stick（胶棒）和Used_Glue（被用掉的胶）。从基于面向对象的角度来看，它们分别是Glue在输入及输出状态时的对象实例。Glue_Stick和Used_Glue各自的质量、温度和位置属性值表明了流的状态信息。在概念设计的初期，往往无法得知属性的具体定量值，故采用定性值以区分属性的输入和输出状态。总功能及输入输出流状态的模型，不仅向人类用户提供了清晰的图形化表示，还能使计算机通过跟踪«Flow Object»的属性改变来推断功能所产生的作用效果。

图5 胶水枪的总功能定义模型

通过分析总功能的模型以及对比和计算输入/输出流的状态语义的差异，可将总功能分解为如图6(a)中第二行所示的三个基本功能：SupplyGS（提供胶棒），HeatGS（增加温度）和SeperateGlue（分离胶滴）。这三个子功能都拥有特定的功能效应语义，表示胶体的单项作用效果。对SeperateGlue功能进一步细化，通过对胶体施加线性作用力并在力的驱动下移除一些胶体进而移动到另一个位置以实现胶的分离。基于该描述可分解出两个支持性的子功能：ApplyLinearForce及ExtrudeGlue。在图6(a)所示的以功能为焦点的视图中，不同抽象层次的功能以层次化的树状结构进行组织，它提供了将功能由抽象到具体开展分析的模型。在图6(b)展示的以流为焦点的视图中，则隐藏了所有功能的内在效果语义的细节，但强调了子功能之间的输入输出流的流动方向和具体的流状态信息。

图6(a)  以功能为焦点的视图

图6(b） 以流为焦点的视图

总结:

为了解决现有的功能表示方法缺乏计算机可理解的结构化语义的问题，本文提出了基于本体的功能语义的表示方法，主要优势如下：

(1) 概念设计中使用本体形式化的功能知识：结构化的功能语义具备计算机可理解性，能够支持一致性检测、知识推理和语义检索，有助于实现功能的自动分解；

(2) 对功能动词进行本体语义的扩充：将动词中隐含的功能作用语义转化为基于逻辑的表达，消除了使用纯文本在描述功能任务时可能出现的语义冲突和歧义；

(3) 基于SysML扩展出功能语义本体对应的元模型，支持多视角和多解析度的功能语义建模：通过实例证明了所创建的功能模型在表达准确性、可追溯性及可推理性方面比其它的功能表示方式具有更显著的优势。