一种基于本体语义推理的自动功能原理分解方法技术

本发明专利技术公开了一种基于本体语义推理的自动功能原理分解方法，包括：基于SysML语言定义基本功能任务语义的形式化表示，所述基本功能任务语义包括基本输入流，基本输出流和功能效应；定义工作原理的本体语义表示，所述工作原理包括结构化原理的实现过程知识；通过功能效应语义检索查找可行原理解决方案；基于体现原理实现过程知识，为功能生成支持子功能。本发明专利技术提供的自动功能原理分解方法可以高效快速地通过功能类比获取可行原理解决方案并得到支持子功能，可以有效消除基于动词+名词的基本功能任务表示的语义偏差和不确定性，提供灵活而精确度可行工作原理查询，基于对原理知识中实现过程知识的仿真，实现支持子功能的自动化生成。

【技术实现步骤摘要】
一种基于本体语义推理的自动功能原理分解方法
本专利技术涉及计算机辅助设计领域，特别涉及一种基于本体语义推理的自动功能原理分解方法。
技术介绍
概念设计是系统设计的重要阶段，产品总成本的70％左右在该阶段形成，而功能分解，是概念设计中获取产品的功能性和创新性的核心环节，存在于工业生产和日常生活中的大量机械系统，随着多域机电产品复杂性的日益增加，概念设计需要面向不同领域进行系统分析。对于复杂多域机电系统的概念设计，使用分而治之的思想将系统总体功能层次化分解为清晰而具体的子功能任务，并为其寻找原理解决方案，是降低系统设计复杂度，构建系统功能结构的有效手段。功能分解一般分为两个阶段：(1)将系统总功能分拆为相互独立的子任务的任务分解；(2)当基本的功能任务自身无法细分时，依靠已知原理方案中的因果关系将功能分解为实现所需支持子功能的原理分解。将复杂的系统功能分拆为独立的任务，以及在广阔的学科领域中寻找功能的可行原理方案，并将原理知识重用于功能的细化分析为设计者带来巨大挑战。计算机辅助自动功能分解能够帮助设计者减轻工作量及扩大可行原理解的搜寻空间。在己有的计算机辅助功能分解工具中，任务分解依然需要设计人工执行，对原理分解的支持也存在不足。自动功能分解的难点在于:(1)现有功能表示方法中缺乏输入输出流状态的结构化语义描述，难以为任务分解提供足够的信息。(2)使用功能基中粗糙分类的功能动词和流名词作为原理方案检索的依据，难以精确地搜索能够实现所需功能的可行解决原理。(3)大部分工具只支持基于物理原理的原理分解，且因果关系的组织往往是直接关联缺乏内在逻辑，易造成设计固化。由于基本的功能任务通常被描述为名词+动词的形式，因此只能基于个关键词进行原理方案检索，难以精确地搜索能够实现所需功能的可行解决原理。同时，大部分工具只支持基于物理原理的原理分解，且因果关系的组织往往是直接关联缺乏内在逻辑，易造成设计固化。而存在于已注册的专利和已有产品设计中的设计方案，及实现过程知识难以被形式化编码表示，因此无法支持自动原理分解的进行。因此，单个功能的输入输出流及功能效应语义已知的条件下，如何高效快速地通过功能类比获取可行原理解并得到支持子功能是目前待解决的技术问题。本体在信息科学领域是指“对概念化的显式说明”，通过提供形式化的语义表达和推理实现知识的共享和重用。原理分解是指将相似问题的解决方案中的原理知识运用于未知功能的求解，并利用方案中的实现过程知识为生成功能任务的实现所需要的子功能的策略。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于本体语义推理的自动功能原理分解方法，可以高效快速地通过功能类比获取可行原理解决方案并得到支持子功能，可以有效消除基于动词+名词的基本功能任务表示的语义偏差和不确定性，提供灵活而精确度可行工作原理查询，基于对原理知识中实现过程知识的仿真，实现支持子功能的自动化生成。一种基于本体语义推理的自动功能原理分解方法，包括以下步骤：(1)基于SysML语言定义基本功能任务语义的形式化表示，所述基本功能任务语义包括基本输入流，基本输出流和功能效应；(2)定义工作原理的本体语义表示，所述工作原理包括结构化原理的实现过程知识；(3)通过功能效应语义检索查找可行原理解决方案；(4)基于体现原理实现过程知识，为功能生成支持子功能。在步骤(1)中，所述的功能效应包括四种类型：类型变化、值变化、形状变化和关系变化。所述的四种类型的语义表示元模型的结构中：对于类型变化，包括分别解释流对象在发生类型改变前流的类型及发生类型改变后流的类型；对于值变化，包括发生改变的流对象的类型、发生值改变的属性类型、解释了属性值改变的趋势；形状变化，包括分别表示发生形态改变前固体物料流的形态类型及发生形态改变后固体物料流的形态类型；对于关系变化，包括表示关系约束的起始端对象的类型、表示关系所约束的目标端对象的类型、发生关系改变的关系约束类型和解释了关系的改变趋势。在步骤(2)中，所述的工作原理的本体语义结构包括：适用流类型属性hasApplicableFlowType，描述了工作原理适用的需要被改变的流FlowNoun的类型；提供功能类型属性hasProvidingFuncType，描述了工作原理能够提供的功能FunctionVerb类型，在不同语义粒度和精确度上为功能提供了语义逻辑关联；提供功能效应类型属性hasProvidingFE，描述了工作原理能够提供的功能效应FunctionEffect，在不同语义粒度和精确度上为工作原则提供了语义逻辑关联；工作原理实例属性hasTheoreticalBasis，用于将工作原理实例与解释其科学或技术原理的领域知识DomainSpecificEffect联系起来；参与者属性hasPartipants，表示参与工作原理实现的所有流对象FlowObject，帮助在后续分解过程中区分和追踪这些参与者；实现过程属性hasRealizationProcess，对工作原理的实现过程知识StateChain和所有参与工作原理的执行的流的说明。在步骤(2)中，与实现过程属性hasRealizationProcess关联的概念为描述作为参与者的流对象的状态变化链，表示工作原理的实现过程知识。所述的状态变化链StateChain的语义结构包括：参与者属性hasParticipants，描述了当前步骤作为参与者的流对象FlowObject集合；约束状态属性hasRequiredState，说明了当前步骤所约束的流对象FlowObject及该对象需要达到的状态StateConstraint；输出属性hasOutcome，说明这个步骤完成后获得的输出流对象FlowObject；下一状态链属性hasNextChain，告知了实现过程的下一状态变化链StateChain。在步骤(3)中，所述的通过功能效应语义检索查找可行原理解决方案，包括以下步骤：(3-1)通过SWRL语言定义功能效应实例间的语义兼容匹配规则；(3-2)定义支持三种不同语义精度查找工作原理的SPARQL模板；(3-3)将基本功能任务语义填充到SPARQL模板，并根据基本功能任务语义与工作原理的功能效应语义兼容性，为基本功能任务查找可实现的工作原理解决方案。在步骤(3-1)中，所述的语义兼容推理规则为：令功能要求的作用效果为E1，工作原理能够提供的效应为E2，若满足则认为E1单向兼容于E2，即，如果功能所要求的功能效应的各属性值被隶属于工作原理所提供效应的各属性值，则认为该工作原理能够提供功能所需要的变化。在步骤(3-2)中，所述的SPARQL模板包括：功能与工作原理的完全匹配，工作机制为要求工作原理支持的流类型与功能需要改变的输入流类型完全相同，且提供的功能效应也与功能需要实现的作用效果完全相同；功能与工作原理的语义兼容匹配，工作机制为基于功能效应语义的单向兼容SWRL规则，能够推理出功能所需实现的功能效应在语义上是否从属于工作原理提供的功能效应；功能与工作原理的模糊匹配，工作机制为使用功能动词作为关键字实现工作原理的查询。在步骤(4)中，所述的基于体现原理实现过程知识，为功能生成支持子功能的方法为：从查询到的可行原理方案解中选取一个方案，根据该方案中所含的实现过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于本体语义推理的自动功能原理分解方法，包括以下步骤：(1)基于SysML语言定义基本功能任务语义的形式化表示，所述基本功能任务语义包括基本输入流，基本输出流和功能效应；(2)定义工作原理的本体语义表示，所述工作原理包括结构化原理的实现过程知识；(3)通过功能效应语义检索查找可行原理解决方案；(4)基于体现原理实现过程知识，为功能生成支持子功能。

【技术特征摘要】
1.一种基于本体语义推理的自动功能原理分解方法，包括以下步骤：(1)基于SysML语言定义基本功能任务语义的形式化表示，所述基本功能任务语义包括基本输入流，基本输出流和功能效应；(2)定义工作原理的本体语义表示，所述工作原理包括结构化原理的实现过程知识；(3)通过功能效应语义检索查找可行原理解决方案；(4)基于体现原理实现过程知识，为功能生成支持子功能。2.根据权利要求1所述的基于本体语义推理的自动功能原理分解方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述的功能效应包括四种类型：类型变化、值变化、形状变化和关系变化。3.根据权利要求2所述的基于本体语义推理的自动功能原理分解方法，其特征在于，所述的四种类型的语义表示元模型的结构中：对于类型变化，包括分别解释流对象在发生类型改变前流的类型及发生类型改变后流的类型；对于值变化，包括发生改变的流对象的类型、发生值改变的属性类型、解释了属性值改变的趋势；形状变化，包括分别表示发生形态改变前固体物料流的形态类型及发生形态改变后固体物料流的形态类型；对于关系变化，包括表示关系约束的起始端对象的类型、表示关系所约束的目标端对象的类型、发生关系改变的关系约束类型和解释了关系的改变趋势。4.根据权利要求1所述的基于本体语义推理的自动功能原理分解方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述的工作原理的本体语义结构包括：适用流类型属性，描述了工作原理适用的需要被改变的流的类型；提供功能类型属性，描述了工作原理能够提供的功能类型，在不同语义粒度和精确度上为功能提供了语义逻辑关联；提供功能效应类型属性，描述了工作原理能够提供的功能效应，在不同语义粒度和精确度上为工作原则提供了语义逻辑关联；工作原理实例属性，用于将工作原理实例与解释其科学或技术原理的领域知识联系起来；参与者属性，表示参与工作原理实现的所有流对象，帮助在后续分解过程中区分和追踪这些参与者；实现过程属性，对工作原理的实现过程知识和所有参与工作原理的执行的流的说明。5.根据权利要求1所述的基于本体语义推理的自动功能原理分解方法，其特征在于，在步骤(2)中，与实现过程属性关联的概念为描述作为参与者的流对...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉生，袁琳，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33