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1、第22卷第8期 计算机集成制造系统 v0122 No82 o 1 6年8月 Computer Integrated Manufacturing Systems Aug2 o 1 6= =：=：=：=： ：=：=DoI：1013196jcims201608007基于本体的航天产品性能样机协同建模方法张峰12，薛惠锋2，徐源2(1榆林学院信息工程学院，陕西 榆林719000；2西北工业大学自动化学院，陕西 西安710072)擒要：针对目前性能样机的定量描述和建模理论与技术尚不成熟等问题，根据系统工程综合集成方法和性能样机的性能验证过程，对性能样机功能的划分和设计流程进行了分析。在对性能样机协同设计
2、仿真业务进行需求分析的基础上，结合本体建模方法提出一种基于本体元模型的性能样机协同概念建模方法。以某超声速飞行器协同建模为例，给出性能样机协同概念建模案例，并采用Prot696工具构建了性能样机的本体元模型库，较好地解决了多学科产品模型的输出缺失和信息冗余问题，可以显式地表达领域知识并促进不同领域之间概念的语义一致性。关键词：性能样机；协同建模；本体元模型；航天产品中图分类号：TP3919 文献标识码：ACoHaboratiVe modeUng method of perfo珊柚ce prototype for aemspace pmducts b嬲ed on ontologyZHANG F鲫
3、g h2，XUE HHin92，X【，h口，12(1school of Information Engineering，YuIin University，YuIin 7 1 9000，China；2School of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xian 710072，China)Abst腿ct：For the problem that current methods for performance prototype of quantitative description and modelingtheory was no
4、t yet mature，the functional deVision and design procedure for performance prototype were analyzedbased on systems engineering method and performance prototype verification process The performance prototypecollaborative design and simulation business was analyzed， and a collaborative perfomance proto
5、type conceptualmodeling method based on ontology metalodel was proposed by combining with ontologymdeling method Thecollaborative conceptuaI mode“ng of a hypersonic Vehicle was used to show the performance prototype colIaborativemodeling case，and a perfbrmance prototype ontology model 1ibrary was co
6、nstructed with Protgtools which couldbetter solve the lack of multidisciplinary product model output and the problem of redundant infomatjon It couldexplicitly express domain knowledge and promote the concept of semantic consistent between different areasKeywords：performance prototype；collaborative
7、modeling；ontology meta model；aerospace productsO 引言我国航天事业的发展对航天产品的性能提出了更高的要求。本文所研究的航天产品指超声速飞航武器、航天器和导弹等，其系统组成复杂、规模大、耦合紧、交互多，对该类复杂系统研究的深入使协同建模技术成为研究复杂系统的重要方向。随着数字化制造水平的不断提高，以超声速飞航武器为代表的大型复杂航天产品面临着地面实验条件模拟难、指标要求高、一体化程度高、设计制造难度大等一系列收稿日期：2015一0616；修订日期：20151223。Received 16 June 2015；accepted 23 Dec2015基
8、金项目：国防基础科研重大资助项目(A0420131501)；陕西省教育厅科技资助项目(2013JKll67)。Foundati帆items：Project supported bythe National Defence Basic Research Program，China(NoA0420131501)，and the Foundation Project for Education Department ofShaanxi Province，China(No2013JKll67)万方数据计算机集成制造系统 第22卷需要解决的难题，基于三维CAD的构造样机、功能样机等虚拟样机无法满足用户对
9、产品性能的需求。性能样机的功能结构复杂、领域间存在大量的耦合与交互关系，其研制过程需要多学科、多单位协同，而目前的单领域建模与仿真技术缺乏协同设计、协同仿真和协同优化，尤其缺乏三者之间的协同集成，难以用于解决协同建模问题。性能样机的设计、分析与协同建模是当前的研究热点之一，其协同建模与仿真是一项复杂的系统工程，需要通过应用系统工程的方法与技术对组成复杂航天产品的各子系统或子学科间的内在关系进行分析和设计12。复杂航天产品性能样机技术涉及机械、气动、电子和制导控制等多个技术领域，需要在统一的框架内研究机械系统、电气系统、控制系统等口4，应用协同建模技术可实现航天产品性能样机的统一建模与设计。目前
10、最常用的一体化建模语言如统一建模语言(Unified ModelingLanguage，UML)等都具有广泛的通用性，但缺乏面向航天产品性能样机的专有特性，无法满足航天产品性能样机的建模与仿真需求。本体(ontology)最初起源于哲学领域，用于表示世界的本源和存在的本质，为不同领域知识在语义上的共同表达提供了统一的描述语言5_6，利用本体可以实现多学科领域性能样机模型的统一构建与表达。例如，在复杂航天产品的系统建模过程中，用本体可以表述模型中的术语概念和关系的词汇集，通过该词汇集对一个领域进行建模7。国内外学者已对性能样机分布式建模与仿真进行了大量研究，但是目前在复杂航天产品全生命周期的一体
11、化设计与管理的研究仍存在明显不足，特别是对数字样机中性能样机的定量描述与定义、协同建模与仿真方法的研究较少，目前数字样机技术的研究主要侧重于结构样机造型和虚拟装配等领域，对复杂航天产品系统级的功能和性能综合集成验证相对较少，在产品数字化、使用环境数字化、虚拟验证等方面还有待深入研究；性能样机的建模研究大多针对某一学科或功能领域展开，未能覆盖从立项论证、方案设计、产品研发、生产制造、设计到售后维护整个产品全生命周期的综合集成的统一建模、仿真、模型库、优化(UnifiedModelingsimulation-LibraryOptimization，UMSLO)概念模型框架，缺乏对产品整个生命周期的
12、有效管理以及对各学科领域知识的统一元模型数据进行共享与表达的方法。虽然目前各个单一学科的建模与仿真技术已较为成熟，但是不同学科之间的综合集成性较差。复杂航天产品的设计是一个多学科协同研制与多阶段设计的全生命周期管控过程，需要在统一的平台下实现统一的建模方法和规范、统一的模型和数据表达方法、统一的仿真模型和优化方法。运用UML与本体建模技术能够获取各学科的设计与领域模型参数，研究复杂航天产品性能样机的表达模型、统一建模方法、统一模型库与数据表达方法，并应用云计算等现代信息化综合集成技术，解决实现3个“统一”的综合集成管理问题，还能够建立基于本体的性能样机建模方法和基于本体元模型的性能样机建模方法
13、。因此，在当前航天产品综合性能愈加凸显、结构及系统复杂度越来越高的背景下，开展以协同集成为基础的性能样机技术研究，建立并固化多学科协同设计仿真流程，实现多学科全过程数据共享，消除“信息孤岛”和“流程壁垒”，对提升仿真技术应用过程规范化程度和效率、缩短研制周期和降低研制成本具有重要意义。1 性能样机多学科协同建模方法11 性能样机功能的划分及设计流程分析性能样机的研制是多阶段全生命周期的设计过程，需要经过多个阶段的设计、修改、优化和反馈，最终形成能够用于数字化制造的数字样机8。复杂产品的研制流程各行业不同，甚至可能差异很大，本文根据系统工程综合集成方法和性能样机的性能验证过程，将其划分为一级性能
14、样机、二级性能样机、三级性能样机和四级性能样机。性能样机功能的划分和设计流程如图1所示，图中：一级性能样机根据用户需求对航天产品的总体方案进行设计。例如确定飞行器总体布局和总体参数设计、气动外形设计、零部件结构关系和外形设计，以及设计参数初步优化，按照性能样机构建要求使用三维设计软件构造样机。该设计阶段主要涉及概念建模过程，概念建模是构建便于人和机器共同理解的功能描述模型，以便设计人员通过在产品功能空间进行有效推理来实现产品的概念设计，它是真实系统的第一层抽象反映。各学科领域专家和用户需要借助概念模型来表达各自领域知识并传达给产品设计人员。万方数据第8期 张 峰等：基于本体的航天产品性能样机协
15、同建模方法 1889用户域 一级性能样机概念建模产品数据模型标准定义总体布局和总休参数设计、气动外形设计、零部件结构关系及外形设计、设计参数初步优化二级性能样机功能建模模型交换标准定义系统功能结构设计、气动力、控制系统、弹道、操稳分析、推进系统、载荷计算、强度分析、总体设计参数完善仿真域 三级性能样机仿真建模参数数据交换标准定义性能参数计算、飞行器重量特性计算、飞控仿真及强度分析、气弹和颤振分析、载荷计算、参数优化，可靠性分析系统域 性能仿真 i l 设计优化，皇、l形成数字化样机、物理样机制造l图l 性能样机功能的划分及设计流程四级性能样机二级性能样机是以物理样机功能结构为基础，对系统功能结
16、构、气动力、控制系统、弹道、操稳分析、推进系统、载荷计算、强度分析和总体设计参数进行设计和完善，建立不同粒度的性能样机模型。该设计阶段主要涉及功能建模过程，功能建模是概念建模过程中的基本元素，是表达产品功能特性的重要方法，在概念建模中起生成和传递设计信息的重要作用。三级性能样机是将同一级别的性能样机模型进行仿真计算，完成性能样机三维实体的最终设计，并进行性能参数计算、飞行器重量特性计算、飞控仿真及强度分析、气弹和颤振分析、载荷计算、参数优化和可靠性分析等。该设计阶段主要涉及仿真建模过程，如前所述的性能样机概念模型和功能模型最终都要转化为仿真模型进行性能测试，仿真模型为概念模型在需求和实现之间架
17、起了一座沟通的桥梁。四级性能样机标志着已完成样机模型的最终设计，该阶段将不同学科领域模型进行协同仿真和优化，并对仿真计算结果进行综合评判，然后将评定结果反馈给上一级设计师，以进一步进行修改和再设计。每级性能样机都具有完整的模型结构和重用反馈反馈反馈性，下一级性能样机可共享上一级性能样机产生的各类模型数据，是一个不断演化的设计过程，大大提高了性能样机的生成和后续的修改完善速度。通过上述分析可知，性能样机系统的构建主要包括统一的建模方法、性能样机模型数据及相关设计资源的管理、分布式设计与仿真平台、仿真实验模型的设计及平台的构建、可视化的管理系统及协同设计的管理，本文重点对性能样机系统设计过程中的统
18、一建模方法和技术进行系统性研究。12性能样机技术对建模语言的基本要求复杂航天产品的设计需要依靠多学科领域专家协同工作。不同学科领域专家有不同的知识背景，使用的知识建模方法也不同9，对同一产品概念名称有着不同的描述，使多学科协同设计无法实现知识共享，严重降低了多学科协同设计的效率。因为本体可以对多学科协同设计模型进行建模，为模型的构建提供统一的表达形式，能够有效解决模型中的知识共享问题1 0|，所以本文应用本体技术将各学科领域异构的模型转化到本体语义层，通过本体映射技术解决不同知识问的语义异构问题，通过建立知识在语义表达层的一致性实现各学科领域模型的共享及重用。同时，复杂航天产品性能样机建模技术
19、涉及多万方数据1890 计算机集成制造系统 第22卷个学科领域，所使用的建模语言必须能够支持多学科领域的协同建模与仿真，并完整地描述设计对象的层次结构和逻辑关系口1|。基于本体的元模型建模方法与技术能够表示领域内的所有系统，很好地描述复杂产品的层次结构和逻辑结构，同时由于融入面向对象技术、语义推理和知识表示等建模语言的特点，能够较好地解决仿真中的模型集成、互操作和协同工作。13本体建模的构建方法因为复杂航天产品由多部门的不同学科人员进行设计，其中有些概念在不同学科有不同的名称，同一概念在不同年代的名称或内涵也在发生变化，加上词语之间“用、代、属、分、参、族”等复杂语义关系，所以产品模型的输出结
20、果常常出现缺失和冗余信息。产品的设计知识会随时间和空间的推移不断发生演化，从而使知识的结构、名称等发生改变。在性能样机协同建模与仿真过程中会出现设计信息在语义、内涵和原理性方面不一致的问题。其中概念、名称混淆等语义问题，完整性约束和领域定义等内涵问题，数据类型、标识方式等原理性问题都需要在建模过程中统一解决12。1 4|，表1所示为多学科领域数据信息不一致的主要因素。通过本体建模技术可以将这些不一致信息抽象化，然后用本体技术来表达，生成在语义、内涵和原理性方面一致的本体表达方法。表1 多学科领域数据信息不一致的主要因素多学科领域的不同概念模型可以通过本体实现不同领域之间概念的语义一致。目前主要
21、的本体建模方法有KACTUS法、Methontology法、SENSUS法、骨架法、TOVE法和斯坦福大学开发的七步法等1 5|。本文结合上述本体建模方法形成的本体构建过程如下：(1)确定本体的领域范围 根据所研究的系统建模和仿真需求，分析相关术语范围和约束，分析使用系统的角色和可复用的系统模型。(2)本体分析定义所要分析的系统领域模型之间的关联关系，定义领域模型的相关概念、属性和相关约束公理等，最终形成完整的本体化模型体系。(3)本体表示 通过本体元模型表示系统中的每个类、属性和实例之间的层次继承关系。(4)本体评价通过本体的评价标准和方法，对所构建的系统本体元模型库从完整性、语义无歧义性、
22、可扩展性和复用性方面进行评价与决策。(5)构建本体库 对所构建的本体进行评价和检验，将符合要求的本体模型添加到本体库中，若没有符合的，则继续对本体模型进行分析。本文主要采用的本体建模流程如图2所示。确定本体应用的目的和范围本体的建立本体的表示二本体的评价图2本体建立流程图14基于本体元模型的性能样机协同概念建模复杂航天产品的设计涉及多学科交叉建模与仿真，需要解决不同模型之间的集成、数据交换与共享等关键问题1引。基于本体的元模型技术可以有效地对复杂系统的设计进行语义一致的建模和数据共享管理，实现不同领域模型在更高层次上的分析和万方数据第8期 张峰等：基于本体的航天产品性能样机协同建模方法 189
23、1研究。复杂航天产品各零部件模型可以用构成系统模型之间的关联关系集合进行描述。图3所示为一个飞航武器多学科设计的多层次分层模型，用数学公式描述为y一S，R，)，S=s1，s2，s”，而)，R，一R“12，R蚰3，R“】卜1，R州j1)，)。式中：S表示组成系统所有模型的集合，si表示第i层模型的集合；町表示共有歹层模型；足表示各层模型之间关联关系的集合，R“HH表示第(i一1)层与第i层之间的关联关系集合口7。图3 基于元模型的多学科系统分解模型一个复杂航天产品系统可以分解为多个子系统，每个子系统又可以分解为多个子系统，形成一个多粒度层次分解模型。复杂系统的本体分解模型可表示为n 0 n P
24、m0h加一$sU U TdU U U S“6舭+llJJ l=l J=lt=Jn P| nP3U U鸭+U U 0“。 (1)l=l J=l ll J=l P，式中：U U Ti表示含有n个层次的系统模型集合，P，表示第歹层中包含的元模型数量，L表示第i个 P m粒度层次的第歹个模型；U U U S“6驰表示各学科领域的元模型集合，S“巩。表示第i层第J个模型在n P，第忌领域属性空间的模型；U U心表示各个模型的i=U一1n P，综合集成，呱表示第i层的第歹个模型；U Uq表示各个元模型的综合集成，q表示第i粒度层次的第J个元模型。虽然UML是一种统一建模语言，但是在特定领域建模方面的适用性
25、并不强。多学科设计领域需要不同的建模工具和表达语言，需要在建模工具和表达语义上形成统一的设计模型，而使用元建模技术可以实现多学科统一建模的目标。元模型可以支持多领域的复杂系统建模，同时利用可扩展标记语言(eXtensible Markup Language，XML)可以进行统一的数据交换与表达，并通过UML类图和对象约束语言定义该领域建模语言特有的语法和语义。图3所示为一个基于元模型的多学科系统分解模型。本体元模型可以较好地解决多领域模型的多层次关联与多参数耦合问题，本体元模型的表示可以采用SysML统一建模语言，本文将基于SysML统一建模语言对所要构建的性能样机模型进行表达。15本体元模型
26、的构建方法复杂航天产品由不同设计部门、不同专业领域的多种异构模型构成，每个模型又可由多个元模型耦合而成，每个元模型具有完备的功能结构和接口与参数传递方法，并具有高度的重用性，是不可再分割的模型1”，本文所构建的用SysML描述的元模型体系如图4所示。万方数据计算机集成制造系统 第22卷Oe参数输入6预域接1图1儿模型体系结构一个模型可由多个元模型或模型耦合而成，其内部组成除了可以是元模型，也可以是其他模型。用SysML描述的耦合模型体系如图5所示。O模型调用接口驭调用接口一幻-模型调用接口 6祸合模型领域接口矧i稿i模型111_=糸结=iJ基于本体元的建模方法通过模型调用接口建立多领域系统2
27、0I，元模型通过接口实现模型间的参数传递与调用。例如，定义一个基于Simulink的元模型，则元模型领域接口就会调用Simulink模型的一个输人或输出，即Simulink中的一个输人输出变量。性能样机中模型的接口主要包括各学科模型参数输人输出的接口和设计任务的接口两类，前者描述学科模型之间的参数传递与调用，后者描述模型设计活动之间的交互界面。元模型中的仿真算法模型面向具体领域的各类算法、功能函数和模型文件等，具有高度重用性，如机翼与尾翼气动力计算、机身气动力数值计算和气动热热计算等。本文研究的本体元模型可以用六元组表示为O咒幻ZogyM0f驴ModPZ一CZ口ss，Atf以6MP，RPZ口i
28、072，乳fod，工咒Pr乞c已，Co，2t7口i，z)。其中：(1)anss为复杂航天产品的对象概念(类)集合，表示复杂航天产品中包括的子系统、部件和特征。(2)Ari6“P为元模型的属性集合，包括功能属性、行为属性和结构属性，由属性名、属性类型和属性值三元组组成。Af以6“抛一Am。UAM UA。，一(f，口，u)，其中：A胁表示元模型功能属性的集合，AM表示元模型行为属性的集合，A。，表示模型结构属性的集合，n为属性名称，f为属性对应的类型，u为属性值。(3)R8Z口fio咒为映射关系集合，表示各模型之间的关系，一般在概念(类)集合的基础上定义。从形式上来说，它是佗维笛卡儿积的子集：R：
29、C，*C。*C。具体地，概念(类)之间主要存在memberof，isa，instanceof和att“buteof四类关系：1)member_of表示整体与部分的关系，设M表示部分，w表示整体，则二者之间的关系用membe卜of表示，记作membe卜of(M，W)。2)is-a表示概念(类)之间的继承关系，与面向对象设计(0bjectOriented Design，00D)中父类和子类之间的关系相似。例如，给出两个对象A和B，设A，一zl z是A的实例)，B。一zIz是B的实例)，若V zA1zB。，则称A为B的父类，B为A的子类；子类关系不满足对称性，但有自反性、反对称性和传递性，isa关系
30、的知识推理规则为：传递性：(isa(C1，C2)isa(C2，C3)一isa(C1，C3)；属性继承：(isa(Cl，C2)HasAttibute(C2，A)一HasAttribute(C1，A)。3)Instance-of表示概念(类)与实例之间的关系，与00D中的对象和类之间的关系类似，对于类C及其实例集j。L中的成员8(Pj。)和类C之间的关系称为实例关系，记作instanceof(P，C)，instanceof具有属性继承性。4)attributeof表示概念(类)的属性，例如概念(类)“气动模型”可作为概念(类)“推进系统模型”的一个属性。(4)胁娩od表示方法集合，用于定义元模型中
31、对象、属性、约束关系等的操作。(5)J砒咖ce表示元模型中对其他模型调用提供的接口集合，它指定了一个类所提供的功能服务。(6)Co以r口i挖f为约束集合，用来限制设计对象的几何、功能结构、性能等属性值的范围。2基于本体元模型的性能样机协同概念建模案例根据前述基于本体的性能样机协同建模方法，采用Prot电工具构建飞行器性能样机的本体元模型库。21性能样机领域本体的规划211 领域本体的确定飞行器一般指飞行速度超过5倍音速的航天万方数据第8期 张 峰等：基于本体的航天产品性能样机协同建模方法器、飞行武器、飞机之类的有翼或无翼飞行器，图6所示为X一51A飞行器的飞行效果图。 鳓体一超然发动机产级间段
32、陆军战术导弹系统助推器LHnjlA E仃器E仃设祟引本文以Wingedcone和吸气式飞行器的六自由度非线性模型为基础，选择Wingedcone作为本体建模的边界，确定研究的核心术语范围。212 领域本体范围的确定如前所述，飞行器数字性能样机系统是一个庞大、复杂的精密系统，由众多子系统构成，其设计涉及外形、推进、气动力、气动热、冷却、控制和弹道等多个相互的耦合学科，需要用系统工程顶层设计、逐步分解、综合集成的设计方法。根据飞行器数字性能样机的全寿命周期，可将其问题域划分为气动力系统模型设计、外形结构系统模型设计、推进系统模型设计、控制系统模型设计、性能弹道模型设计、气动热热模型设计和冷却系统模
33、型设计。根据上述对性能样机的建模需求分析，可知多学科领域模型的构建人员主要有模型设计、模型管理人员、领域专家等。模型设计人员和领域专家是该本体的模型库抽象模型构建者，后者的领域知识需要转化成Web本体描述语言(Web Ontology Language，OWL)模型。22性能样机领域本体的设计221领域本体术语飞行器是一个复杂航天产品，其术语集非常庞大且涉及不同的学科领域，需要各学科领域协同建模完成。依据国防科技词典、飞行器名词术语、飞行器分析等资料，可以确定飞行器为该本体的顶级概念，然后是飞行器、飞行器零部件和顶层系统等，术语的收集也可以从这几个二级概念方面展开，如表2所示。分类从本质上表达
34、了术语的部分层级关系，因此术语列举中尽管原则上不涉及层级关系，但在穷举过程中，必要的分类能启发该术语的覆盖面趋于完整。表2飞行器本体涉及的术语分类 术语飞行器类型顶层系统性能参数零部件试验参数高超音速导弹、高超音速飞机、航天飞机、火箭式飞行器和吸气式飞行器气动力系统、外形结构系统、推进系统、控制系统、性能弹道系统、气动热热系统、冷却系统机尾翼型号、布局、容积、升力、阻力、力矩、俯仰力矩导数、弹道倾角、攻角、气流参数、发动机参数、燃料流量变化率、燃料流量、冷却流量、壁面压力、冷却流量需求、温度、热载荷、冷却部件形状、热流密度、受热面积、弹道倾角变化率、燃料流量、俯仰力矩导数、弹道倾角、攻角、弹导
35、倾角变化率、燃料流量变化率进气道、尾喷管、燃烧室、隔离段、超燃室、头部驻点区、机翼前缘区、助推段、油门控制、流道壁面、推力矢量尾喷管、风扇、压气机、涡轮试车时数、试车循环数、发动机数、最大功率下时间、加力点火次数222定义术语层级飞行器由不同设计部门、不同专业领域的多种异构模型构成，每个模型又可由多个元模型或模型耦合而成，一个模型的内部组成可以是元模型，也可以是其他模型。表2的分类是从系统顶层对系统的层次结构进行分解，根据所分解的系统层次结构模型对子系统进行建模。本文以超声速飞行器性能样机为例，从顶层系统开始分解，然后根据性能样机的元模型进行建模，用SysML描述的系统分层结构耦合模型如图7所
36、示。飞行器数字性能样机中模型的接口主要包括各学科模型参数输入输出接口和设计任务接口两类，前者描述学科模型之间的参数传递与调用，后者描述模型设计活动之间的交互界面。223领域本体属性的定义在0WL本体中，属性(properties)的真正含义和面向对象编程语言中的属性不同，其真正含义是两个类之间的双重联系，或者是两个类之问的桥梁。领域本体属性的定义是给飞行器的类加上属性，如表2所示的术语，除飞行器类型外，其他类别的术语基本可以认定为用于描述某类飞行器的属性集，例如任一类型的飞行器都应包含零部件、基本信息、顶层系统等属性，这些属性都属于Object Properties属性。当“零部件”作为属性时
37、，通常在的三元组宾语(object)中出现，实际它是一个包含多个参变量的类，当作为类进行描述时又会出现在的三元组主语(subject)位置，相应的宾语是该对象的属性集合。依此类推，O设计变每接口超声速飞航武器系统模型外形结构系统模型岛机尾翼型号岛外形面秋岛布局固容积气动力系统模型岛外形结构固升力固阻力固力矩固俯仰力矩导数岛弹道倾角岛攻角推进系统模型气流参数机体参数发动机参数燃料流量变化率燃料流量推力飞行条件冷却流量擘面压力温度冷却流量需求气动热热模型岛壁面压力岛温度岛热载荷固热约束岛飞行条件固面积固冷却部件形状固热流密度岛受热面积性能弹道模型国热载荷岛热约束固飞行条件岛升力岛阻力岛力矩固弹导倾
38、角变化率固推力岛燃料流量冷却系统模犁属性可以包含层级，这就是需要定义侧面传递性等关系特性的原因，通过属性的侧面关系特性能从很大程度上解决非继承的层级关系，综上可用三元组表示飞行器的领域本体属性定义，如代码1所示。布局和容积模型机身动力学元模型机翼动力学元模型固热流密度囝受热面积固冷却流量需求控制系统模型岛俯仰力矩导数岛弹道倾角自升力固阻力国攻角国弹导倾角变化率固燃料流量变化率国燃料流量国飞行条件机尾动力学元模型低速推进模型高速推进模型发动机循环模型气动加热模型流道壁面传热模型尾喷管性能模犁进气道性能模型隔离段性能模型超燃室性能模型头部驻点区元模型机翼前缘区元模型燃料质量模型 助推段质量模犁质量
39、模型 飞行器质量模型流道壁面冷却模型局部气动加热冷却模型驻点区冷却元模型前缘区冷却元模型制导模型姿控模犁组合导航模型图7 飞行器系统类层次结构模犁油门控制元模型航迹点导引元模型未段姿控模型万方数据第8期 张峰等：基于本体的航天产品性能样机协同建模方法*关键代码1用三元组表示的飞行器的领域本体属性定义*?(“推进系统装置”，“hasPart”，“燃烧室”(”性能弹道系统装置”，asPart”，“助推段”(”性能弹道系统装置”，“hasPart”，“油门控制器”224定义本体约束约束定义主要有两方面：进一步约束飞行器领域本体属性的定义域和值域；给属性添加特殊关系。约束包括针对数值的基数约束和针对对
40、象实例的范围约束。对零部件架构中的hasPart属性进行约束定义，如代码2所示。*关键代码2对“零部件”架构中的“hasPart”属性进行约束定义*(owl：0bjectProperty(owl：class rdf：about=”推进系统装置”(rdfs：subClassof(owl：onProperty rdf：resource=”#hasPart”6其中&owl；TransitiveProperty定义了hasPart属性具备传递性，而中的标签是“推进系统装置”实例范围的定义；owl：Restriction推进系统装置是实例范围的定义，minCardinality是对进气道数量的最小基数限
41、制，&xsd；Integer指数值必须为整数，6表示推进系统装置至少有6个进气道数量，各种约束可以交叉使用，从而实现对类属性的完整约束。本步完成约束定义后，就可以对本体类的属性值进行全面的一致性校验。23性能样机领域本体的实现领域本体的实现过程主要包括本体构建工具的选择和具体实现两部分。本文选择Protg50作为领域本体的构建工具，Protg是开源的，其操作简便、界面友好，目前拥有大量的用户。在Protg中，本体的构建主要通过构建所建模型的产品层次结构类树以及相应的属性值和实例来实现。用Prot魄邑构建的本体知识库能够对相关学科的领域知识进行分类，并构建各领域知识之间的内容关联关系，实现各领域
42、本体元模型之间的知识共享。在Protg中选择Classes面板，根据全面确定的飞行器本体的类层次结构建立如图8所示的飞行器类图。霎麓麓鏊笈誊豢鬻甓穸要篓2紫警嚣纛鬻鐾誓 。一。_呼慧，曼暑誊；j鼍哆蠢躺鳓帮黼媳；i譬曩。霉 趟瓣一粥+i警警嚣譬”曩4。 4，祷Th J。 。一，：鞣薹凝岔“；譬裟嚣萋 一 。黧葛：!；?鬈强、ii8。“撼4譬髓“、。瓤2。“瓤“i慧蓄荐嚣袅一i麓黧嚣担 临c响p呲叭。外融蝻拇售甜i布局莉喜君毒氍 #BconlprEeof；伸tr推遗囊蠕喜冀t ei蕊鬣一笺：黧黑：篙潞。$麓辩商量孽羞 。旺o“p“500l讪。争目盖鬟量翟盛量朗 ”阢oInprbeof；川筵捌蠢蔓
43、|爱接翻盎鬟I嘣 “19comI，nseol“_c 1诗撬门s薯签：霎蓥器 *bcprmhm；cR#*口，：未搿嚣 “一一”撼瘫?一 ：萋器毒霉鬣。掣蚴婀鲫照8燃戥盔肆【熏黛烈图8 Eii器的类罔在图8中，模型之问存在继承关系，RDF和0WL中父类与子类关系的语法描述如下：if T(?c1，rdfs：subClassof，?C2)T(?x，rdf：type，?C1)thenT(?x，rdf：type，?C2)上述代码表示，若C1是C2的子类，并且有一个实体或者类属于C1，则其也属于C2。如前所述，本体通过partof，kindof，instanceof和att“buteof属性表达本体中的类与
44、类或其他元素之间的关系。但在实际构建本体的过程中，还需要根据具体业务需求增加其他属性关系。本文定义的关系属性如表3所示。万方数据计算机集成制造系统 第22卷表3关系定义与扩展在Prot邑g色中，可创建飞行器的DataType属性、0bject属性和Annotation属性等，如图9所示。錾黧隅黼獭懒麟麟黼黼鳞鞲壤勰霸鳓鳞鞲麟脚一黼 ；|j潮黼鞴鞘糍黼麟臻蓑辫= _哗一 一铡气t魏 一-一 一，一topo埘ectPl口p耵婶 ：。“一隧w露 l窆除一，l|：m l“ lsa引?R。黼畿怒翻篓Ilaslm轴me矾y峨I蟹静话蛰酬lmanefmo协erfhe鞲黼娃瞳嘲蜊mberofkCau州olhQ
45、u“tI赫pa-hapa馆nH蚰f图9 b行器的属性图根据建立好的类、属性及其允许值，在Individuals Editor中添加具体实例，飞行器机翼的实例图如图10所示。在创建好各项实例后，可以设置实例的类型，例如设置飞行器机翼的尾部半角具有has一鬻毒繇茹蒸i萝黪l麓。譬鬟l|怨戆黪l鬻鬻缀黼。灏i纛攀一。徽黼黼。i纛图10飞行器的创建个体实例图Value属性，其类型为double型，设置界面如图11所示。设置好实例的类型后，就可以给该实例添加具体的数值(如图12)，添加界面如图13所示。I瑟I_了飞蠡oo。一雾隧崔 Y； _图11设置实例类型图】2设置实例值最后，应用Prot96工具0W
46、LViz提供的推理方法生成关系图，如图13所示。图13本体推理关系图万方数据第8期 张峰等：基于本体的航天产品性能样机协同建模方法3性能样机本体库的构建31 性能样机本体库存储方法采用Protg工具生成性能样机本体模型后，用关系数据库技术存储本体映射文件。目录常用的本体文件格式包括XML，RDF，OWL等，大多数本体建模工具都支持对这些文件格式的解析。但是在分布式协同环境下，还需要将不同学科领域的本体文件映射存储在关系库中，以保证多用户并发访问和信息共享。目前存在多种本体到关系数据库的存储方法：采用三元组结构的一张表法，只在数据库中创建一张表存储本体文件内容，但是无法表达本体的推理规则，而且较
47、难维护；两张表法，通过两张表存储本体中的类实例和属性实例，割裂了属性与实例间的映射关系，在查询时会产生大量的外联接关系，查询效率较低；多张表法，通过为本体中的每个类建立一张表，使表中的列与本体类中的属性相互映射，该表结构清晰，但当本体中的类或属性发生变化时，相应的二维表结构也要变化，需要对本体与数据库表结构之间进行维护。根据性能样机的实际业务需求，本文在多张表存储方法的基础上，提出每个类对应一张表，表中的列不再对应本体类中的属性，而且采用三元表结构，即用表中的属性列存储将本体类中的属性当作字段的值，用表中的属性值列和定义域列存储本体类中属性对应的值和定义域。本体类到关系数据库表的存储过程如图1
48、4所示，数据模型建立逻辑结构如图15所示。AerIj_d警舔鑫羽ios 黔PK 属性属性值定义域a本体类模型 b关系数据库表结构j-畸“I卜 属性属性值-。定黑绥l舟力 12121 100一2lO2阻力 10112 501603力距 542l 3p1004攻焦 21 6305面积 215 1203206弹道须角12 620c数据存储结果司14本体类到关系数据库表存储过程本体论l l 逻辑推理 Il l 性能样机本体模型构建 性能样机本体I一映射规则上性能样机本体数据库H|本体映射叫协同设计参与者0协同设计参与者图15性能样机数据模型建立逻辑结构图32性能样机关系数据库建模性能样机领域本体关系数据库的构建过程是将性能样机各模型及元模型本体的概念内容按照一定的映射和转换规则，在不损失语义的情况下转换到关系数据库中，也能够从关系数据库反向生成