航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體構(gòu)建與應(yīng)用展望

曾雅萍，王波，馮昊，魏清華

（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京 100029）

航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體構(gòu)建與應(yīng)用展望

曾雅萍，王波，馮昊，魏清華

（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京 100029）

本文在文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析和航空動力技術(shù)體系分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合《國防科技工業(yè)敘詞表》，設(shè)計(jì)航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體的整體框架，并利用Protégé4.3完成航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體的知識體系構(gòu)建和可視化展示研究。最后對航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體的應(yīng)用進(jìn)行展望。航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體庫的構(gòu)建，為提高該領(lǐng)域的知識組織和知識服務(wù)效率奠定基礎(chǔ)。

本體；領(lǐng)域本體；本體構(gòu)建；本體應(yīng)用；航空發(fā)動機(jī)

1　前言

航空發(fā)動機(jī)技術(shù)被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，是一個國家科技、工業(yè)、經(jīng)濟(jì)和國防實(shí)力的重要標(biāo)志。我國從富國強(qiáng)軍的戰(zhàn)略高度出發(fā)，已組建中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)公司，希望加快實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)自主研發(fā)和制造生產(chǎn)。航空發(fā)動機(jī)是國之重器，是裝備制造業(yè)的尖端，盡快在這一領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，對于增強(qiáng)我國經(jīng)濟(jì)和國防實(shí)力、提升綜合國力具有重大意義。航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的科學(xué)研究與航空事業(yè)的發(fā)展有直接而密切的聯(lián)系，可以說它是航空事業(yè)發(fā)展的推動力。當(dāng)前，隨著航空科技信息資源規(guī)模的急劇增加，航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域科研人員面臨被信息海洋湮沒，難以有效積累和利用知識等問題。究其原因，計(jì)算機(jī)難以理解信息內(nèi)容是重要影響因素。因此，有效積累航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的知識，組織發(fā)動機(jī)專業(yè)的信息資源，為我國航空科技領(lǐng)域科研和管理人員提供有力的信息支持；快速獲取所需科技信息，進(jìn)行語義智能信息檢索和知識挖掘，逐步實(shí)現(xiàn)從信息存儲到知識組織的轉(zhuǎn)變、信息檢索到知識發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變，是航空科技信息工作者義不容辭的責(zé)任。

本體可以捕獲相關(guān)領(lǐng)域的知識，提供對該領(lǐng)域知識的共同理解，確定該領(lǐng)域同行認(rèn)可的術(shù)語，并從不同層次的形式化模型中給出術(shù)語間相互關(guān)系的明確定義。因此，近年來本體在信息系統(tǒng)、人工智能軟件、語義智能檢索等方面得到廣泛應(yīng)用?；诖耍疚脑噲D通過構(gòu)建航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體，希望能為我國航空科技領(lǐng)域科研和管理人員快速獲取所需科技信息提供有力支持，為科技信息資源深度加工和有效利用提供技術(shù)保障。

2　航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體整體設(shè)計(jì)

2.1航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體范圍的確定

本文通過參照相關(guān)專業(yè)文獻(xiàn)，統(tǒng)計(jì)分析搜集的學(xué)術(shù)文章，考察目前國內(nèi)外對航空發(fā)動機(jī)進(jìn)行研究時涉及的相關(guān)領(lǐng)域，并運(yùn)用本體系統(tǒng)能力分析法，結(jié)合航空動力的技術(shù)體系分析，同時咨詢航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域?qū)＜襾泶_定航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體的范圍。

2.1.1本體系統(tǒng)能力分析法

本體系統(tǒng)能力分析法即對本體所能回答問題的初步確定。首先，擬定所建領(lǐng)域本體可能涉及的問題。如本研究本體涵蓋哪個領(lǐng)域，應(yīng)用于哪些方面，可回答哪些問題，由誰來使用和維護(hù)等。其次，通過綜合分析確定航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體范圍涉及的相關(guān)信息并進(jìn)行歸納。具體包括航空發(fā)動機(jī)本身的特征（如航空發(fā)動機(jī)的特征屬性、組成部分和類型，航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)、制造與維修），航空發(fā)動機(jī)所用的先進(jìn)材料，航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)，航空發(fā)動機(jī)研究制造機(jī)構(gòu)，航空發(fā)動機(jī)裝配的飛行器，航空發(fā)動機(jī)實(shí)例的相關(guān)描述（如某臺航空發(fā)動機(jī)的研制概況、現(xiàn)狀、效能和前景等）。

2.1.2航空動力的技術(shù)體系分析

航空發(fā)動機(jī)屬航空動力范疇，航空動力的技術(shù)體系十分復(fù)雜，通常從科學(xué)學(xué)科、產(chǎn)品組成、設(shè)計(jì)要求和研制工作性質(zhì)等四個方面描述或表征。在科學(xué)學(xué)科方面，涉及工程熱力學(xué)等近10個學(xué)科；在產(chǎn)品組成方面，涉及發(fā)動機(jī)總體及20多個部件和系統(tǒng)，有幾萬個零件；在設(shè)計(jì)要求方面，涉及發(fā)動機(jī)性能等；在研制工作性質(zhì)方面，可分為研究、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和制造等不同性質(zhì)的工作。

如果按照工作性質(zhì)來描述，航空動力的技術(shù)體系可形成一個金字塔樣的體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)分為四個層次：航空發(fā)動機(jī)作為終極產(chǎn)品為第一層次，第二層次由研究、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造和材料5個系統(tǒng)組成，第三層次有幾十個子系統(tǒng)，第四層次有上百個技術(shù)單元。第二層次的研究系統(tǒng)屬于預(yù)研范疇，包括應(yīng)用基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和技術(shù)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)系統(tǒng)指型號研制中的工程設(shè)計(jì)工作，旨在預(yù)研成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)或適航性要求，考慮制造技術(shù)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)和編制出可供原型機(jī)制造、試驗(yàn)和鑒定用的圖樣、工藝規(guī)范和試驗(yàn)要求等。受試驗(yàn)的驗(yàn)證和反饋，反復(fù)迭代。設(shè)計(jì)工作可分為方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)三個階段，不僅有傳統(tǒng)的性能、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)，還包括近年興起的環(huán)境特性設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、維修性設(shè)計(jì)、保障性設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)可承受性設(shè)計(jì)等；試驗(yàn)系統(tǒng)指發(fā)動機(jī)研制過程中的試驗(yàn)工作，試驗(yàn)系統(tǒng)按試驗(yàn)?zāi)康目煞譃榭茖W(xué)研究試驗(yàn)、型號研制試驗(yàn)和批生產(chǎn)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)等；制造系統(tǒng)以解決發(fā)動機(jī)試驗(yàn)件、原型機(jī)和批生產(chǎn)發(fā)動機(jī)的制造為工作內(nèi)容，包括與發(fā)動機(jī)制造緊密相關(guān)的精密成形技術(shù)、特種加工技術(shù)、連接制造技術(shù)、熱處理技術(shù)、表面防護(hù)與強(qiáng)化技術(shù)、數(shù)字化制造技術(shù)和檢測技術(shù)；材料系統(tǒng)以提供發(fā)動機(jī)所需材料和相關(guān)性能為工作內(nèi)容［1］。

經(jīng)分析，初步確定航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體覆蓋航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)、制造、材料、試驗(yàn)、應(yīng)用和維修等專業(yè)范圍。所涉及的航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品有渦輪噴氣/渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)、渦輪軸/渦輪螺槳發(fā)動機(jī)、活塞式發(fā)動機(jī)以及特種能源發(fā)動機(jī)及其零部件和附件系統(tǒng)等，其應(yīng)用安裝的飛行器主要包括殲擊機(jī)、轟炸機(jī)、直升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、無人駕駛飛機(jī)、導(dǎo)彈、靶機(jī)等，另外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)、制造公司與研究人員亦是重要的信息來源。航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體結(jié)構(gòu)示意圖

航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體的構(gòu)建是一項(xiàng)復(fù)雜度高、技術(shù)難度大的技術(shù)工程。本研究本體相關(guān)領(lǐng)域知識的描述是為揭示航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域知識服務(wù)的，以提高航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域知識組織及檢索效率，整個本體的構(gòu)建不能脫離航空發(fā)動機(jī)的主體地位。

2.2航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體類及類的等級體系

在技術(shù)調(diào)研與定量分析的基礎(chǔ)上，篩選出組成航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體要素的重要概念，并分析概念間的關(guān)系，確定核心大類和概念的等級體系和層次，以進(jìn)行概念的有效擴(kuò)展。

2.2.1航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體核心大類確定

該領(lǐng)域本體概念體系的構(gòu)建首先需確定領(lǐng)域本體的根結(jié)點(diǎn)（一級核心概念），即本領(lǐng)域最概括的概念。這些概念與航空發(fā)動機(jī)緊密相關(guān)，其確定原則有最大相關(guān)性原則和相對獨(dú)立性原則。與航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域相關(guān)的概念數(shù)不勝數(shù)，本文僅選取概念間相對獨(dú)立且最重要、最相關(guān)的概念。該本體一級概念確定的依據(jù)主要有以下3方面。

（1）根據(jù)本體構(gòu)建領(lǐng)域范圍的分析，確定與航空發(fā)動機(jī)密切相關(guān)的領(lǐng)域，抽取能代表該領(lǐng)域的上層概念。

（2）通過國防科技工業(yè)數(shù)字圖書館（簡稱“國防數(shù)圖”）數(shù)據(jù)庫和中國知網(wǎng)（China National KnowledgeInfrastructure，CNKI）數(shù)據(jù)庫，檢索航空發(fā)動機(jī)技術(shù)相關(guān)的文獻(xiàn)信息，對其進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。如本文在CNKI及國防數(shù)圖數(shù)據(jù)庫中檢索與航空發(fā)動機(jī)相關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，從關(guān)鍵詞和分類角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)共57 926篇（1950—2013年）涉及航空發(fā)動機(jī)方面文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞及學(xué)科分布情況，作為形成本體大類的數(shù)據(jù)依據(jù)。從關(guān)鍵詞角度分析，多涉及航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)、飛行器、飛機(jī)、材料、制造、故障診斷與維修等方面詞匯（見表1）。另外，按分布學(xué)科檢索航空發(fā)動機(jī)相關(guān)文獻(xiàn)57 834篇，內(nèi)容涉及近40個學(xué)科，取文獻(xiàn)量超過800篇的學(xué)科，包括航空航天科學(xué)與工程、工業(yè)經(jīng)濟(jì)、金屬學(xué)及金屬工藝、動力工程、武器工業(yè)與軍事技術(shù)、自動化技術(shù)、機(jī)械工業(yè)、交通運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)、計(jì)算機(jī)軟件及計(jì)算機(jī)應(yīng)用、材料科學(xué)等（見表2）。

航空發(fā)動機(jī)相關(guān)文獻(xiàn)系 統(tǒng)設(shè) 計(jì)結(jié) 構(gòu)試 驗(yàn)飛 機(jī)材 料制 造故障診斷與維修飛行器57 926 33 399 32 120 27 251 22 095 21 545 17 940 14 765 9 237 3 631

表2　分類角度統(tǒng)計(jì)文獻(xiàn)學(xué)科分布情況表篇

綜合以上分析數(shù)據(jù)初步確定一級核心概念范圍。

（3）請領(lǐng)域?qū)＜艺遄谜J(rèn)可。在上述統(tǒng)計(jì)分析及專家鑒定的基礎(chǔ)上，綜合發(fā)動機(jī)的型號、設(shè)計(jì)、制造、材料、試驗(yàn)、維修和應(yīng)用等方面確定航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體由10個一級核心大類構(gòu)成，分別為航空發(fā)動機(jī)類型、航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)（航空發(fā)動機(jī)部件和航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)）、航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)、航空發(fā)動機(jī)制造技術(shù)、航空用材料技術(shù)、航空發(fā)動機(jī)故障與維修、航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)技術(shù)、航空發(fā)動機(jī)用途、航空人物、航空機(jī)構(gòu)［2］。

領(lǐng)域本體核心大類確定后，將采用自頂向下或自底向上相結(jié)合的等級體系構(gòu)建方法，作為領(lǐng)域本體進(jìn)行概念體系擴(kuò)展的基礎(chǔ)。由Protégé4.3構(gòu)建的航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體一級核心大類可視化結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體一級核心大類可視化結(jié)構(gòu)圖

2.2.2航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體概念體系的擴(kuò)展

本體中的關(guān)系可分為兩大類：等級關(guān)系和非等級關(guān)系。等級關(guān)系是以樹狀結(jié)構(gòu)對某一大類內(nèi)在體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行揭示，非等級關(guān)系是以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)反映各大類及各實(shí)例間的聯(lián)系。首先，根據(jù)領(lǐng)域本體的最上層核心概念并作為頂層大類，據(jù)此自頂向下對概念進(jìn)行細(xì)化（即等級體系的擴(kuò)展）體現(xiàn)概念間的等級關(guān)系。定義種屬關(guān)系，形成該領(lǐng)域本體的縱向基本框架。然后，將《國防科技工業(yè)敘詞表》（簡稱《國防表》）、專業(yè)手冊及文獻(xiàn)資料中提取的下層具體概念，按其歸屬，自頂向下或自底向上地并入已構(gòu)建完成的概念體系。

以航空發(fā)動機(jī)為例，種屬關(guān)系下位類的定義選用航空發(fā)動機(jī)某一適合的分類標(biāo)準(zhǔn)，劃分4個二級子類，即活塞式發(fā)動機(jī)、空氣噴氣式發(fā)動機(jī)、組合式發(fā)動機(jī)、特種能源發(fā)動機(jī)。如圖3所示，箭頭指向?yàn)樽宇?，如“空氣噴氣發(fā)動機(jī)”是“航空發(fā)動機(jī)”的子類，可繼承航空發(fā)動機(jī)的所有屬性，如此層層擴(kuò)展子類，航空發(fā)動機(jī)共分為78個子類。該分類具有一定的靈活性，存在合理的交叉。由于航空發(fā)動機(jī)的用途本身存在很多交叉，通過適當(dāng)控制，既能反映客觀實(shí)際，又使航空發(fā)動機(jī)類型間的交叉程度保持在一定范圍內(nèi)。如單轉(zhuǎn)子升力渦輪噴氣發(fā)動機(jī)既屬于單轉(zhuǎn)子渦輪噴氣發(fā)動機(jī)，又屬于升力噴氣發(fā)動機(jī)［3］。

圖3　航空發(fā)動機(jī)類型可視化結(jié)構(gòu)圖

航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)包括航空發(fā)動機(jī)部件和系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)部件分為27個二級類共36個子類，如發(fā)動機(jī)殼體、進(jìn)氣道、燃燒室、渦輪、壓氣機(jī)、汽化器、排氣管、螺旋槳等；發(fā)動機(jī)系統(tǒng)12個二級類共47個子類，如點(diǎn)火系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)自動控制系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)防冰系統(tǒng)、防喘振系統(tǒng)等。

航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體體系龐大，涉及多個領(lǐng)域，如飛行器、動力裝置（發(fā)動機(jī)）、試驗(yàn)技術(shù)等。因此，除等級關(guān)系外，還體現(xiàn)為非等級關(guān)系。這部分概念體系構(gòu)建的難點(diǎn)在于如何將航空發(fā)動機(jī)本體復(fù)雜的構(gòu)成劃分為完整的、互不交叉的子類，又不能涉及程度過深，避免使航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域邊緣溢出，從而導(dǎo)致領(lǐng)域本體范圍不明確。因此，在本體構(gòu)建之初對本體領(lǐng)域和范圍的定義非常重要。通過系統(tǒng)能力問題的定義和對本體應(yīng)用更加深入地分析，可以決定相關(guān)領(lǐng)域構(gòu)建的深入程度。本文確定本體的非等級關(guān)系涉及領(lǐng)域有飛行器、動力裝置（發(fā)動機(jī)）、試驗(yàn)技術(shù)、制造技術(shù)、材料技術(shù)、研究制造公司、發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)等。對飛行器的子類擴(kuò)展，以航空發(fā)動機(jī)需要安裝的型號為主要立類標(biāo)準(zhǔn)，以此擴(kuò)展飛行器的子類。如渦槳6安裝于運(yùn)8飛機(jī)，運(yùn)8飛機(jī)屬于運(yùn)輸機(jī)，則將運(yùn)輸機(jī)列于飛行器的航空器下。

在本體構(gòu)建過程中，不可避免地會有大量來自其上層領(lǐng)域和相關(guān)領(lǐng)域的概念，通過自建的方式滿足本體對知識的揭示需求是不可能的。理想狀態(tài)是相關(guān)領(lǐng)域的本體已經(jīng)存在，其表達(dá)方式和邏輯結(jié)構(gòu)與領(lǐng)域本體比較一致，可以直接對其復(fù)用。但目前的情形是滿足要求的本體并不存在，在領(lǐng)域本體構(gòu)建中需留出一個標(biāo)準(zhǔn)化的接口，便于后期的集成和復(fù)用。本文對非等級關(guān)系只作了研究性的探索，并未完全擴(kuò)展到各級子類，而是從航空發(fā)動機(jī)的一條主線即設(shè)計(jì)、制造生產(chǎn)、材料、試驗(yàn)、應(yīng)用等方面試驗(yàn)性地進(jìn)行領(lǐng)域本體的構(gòu)建，為推廣到全局奠定基礎(chǔ)。

針對本體的各大類，應(yīng)查詢最新技術(shù)涉及的新術(shù)語，并添加到本體概念，同時作為新科技詞匯補(bǔ)充進(jìn)《國防表》。

2.3航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體類的屬性定義

屬性是本體描述概念特征的重要部分，是該領(lǐng)域?qū)嶓w區(qū)別于其他實(shí)體的標(biāo)識，或者說本體中的屬性代表一種關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)本體語言（Web Ontology Language，OWL）的屬性包括：（1）對象屬性（Object Properties，OP），代表個體間的關(guān)系；（2）數(shù)據(jù)屬性（Datatype Properties，DP），代表個體和基本數(shù)據(jù)類型的關(guān)系（如發(fā)動機(jī)起飛功率、發(fā)動機(jī)耗油率等）；（3）注釋屬性（Annotation Properties），對元數(shù)據(jù)起解釋作用。

可定義一個航空發(fā)動機(jī)屬性模板，既能保證盡量全面地描述航空發(fā)動機(jī)的主要特征，又能使屬性的定義更加明晰和規(guī)范。以下分別就對象屬性和數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行描述及設(shè)計(jì)。

2.3.1航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體對象屬性的定義

本體的對象屬性體現(xiàn)概念間非等級關(guān)系，本文指航空發(fā)動機(jī)和其他一級概念、實(shí)例與實(shí)例間的關(guān)系，反映事物間固有的內(nèi)在聯(lián)系。概念間存在豐富的語義關(guān)系，但由于開發(fā)人員表達(dá)習(xí)慣的不同及對關(guān)系理解的偏差，使本體的關(guān)系描述比較混亂，不利于知識的揭示。此外，關(guān)系定義的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化也是需要考慮的問題。為此，本文結(jié)合Protégé中對象屬性描述的基本原則，確定對象屬性統(tǒng)一采用“has”或“is”，便于機(jī)器可讀。

本研究的對象屬性根據(jù)航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體的特殊需要建立概念間的關(guān)系，共定義近50種對象屬性。（1）安裝關(guān)系，表示航空發(fā)動機(jī)的用途，用“isStalled”表示。（2）制造與維修關(guān)系，用以反映航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品所用的制造技術(shù)和維修狀況，用“hasManufactureAnd Maintenance”表示。（3）故障關(guān)系，描述航空發(fā)動機(jī)故障現(xiàn)象的術(shù)語。故障方面的知識對航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品非常重要，用“hasEngineFaults”表示。（4）人物、機(jī)構(gòu)、產(chǎn)品歸屬關(guān)系，用于描述國內(nèi)外航空機(jī)構(gòu)歸屬的國家及航空人物歸屬的航空機(jī)構(gòu)（如航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品、部件的設(shè)計(jì)，制造的國別、企業(yè)名或機(jī)構(gòu)名，航空發(fā)動機(jī)專業(yè)重要人物的情況等），用“hasBelongTo”表示。（5）制成材料關(guān)系，用于表示發(fā)動機(jī)產(chǎn)品、零（部）件的制成材料，用“IsMaterialsOf”表示［4］。

本文定義的對象屬性涉及發(fā)動機(jī)、材料、制造公司、研究機(jī)構(gòu)、人物等方面的相關(guān)信息。另外，子類的對象屬性可在所有數(shù)據(jù)屬性定義后，再根據(jù)數(shù)據(jù)的分類情況進(jìn)行綜合分析后完善。

2.3.2航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體數(shù)據(jù)屬性的定義

本體數(shù)據(jù)屬性的定義有兩種：（1）通用屬性的定義。通用屬性是所有航空發(fā)動機(jī)都具有的，由“航空發(fā)動機(jī)”概念定義，可被下位所有發(fā)動機(jī)繼承，本研究本體試驗(yàn)庫所定義的通用屬性可分為航空發(fā)動機(jī)的基本信息（包括研制、生產(chǎn)、銷售概況、外形特征及用途等）和航空發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)（包括耗油率、燃料消耗量、增壓比、空氣流量、干質(zhì)量等）。（2）特有屬性的定義。具體由航空發(fā)動機(jī)的下位類定義。本研究本體數(shù)據(jù)航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體屬性定義的主要依據(jù)是航空工業(yè)出版社出版的《世界發(fā)動機(jī)手冊》《世界飛機(jī)手冊》和國防數(shù)圖數(shù)據(jù)庫型號數(shù)據(jù)。通過制定數(shù)據(jù)采集基本規(guī)則，批量提取發(fā)動機(jī)相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，而后對提取的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并按一定的原則進(jìn)行排序、比較、去重加工，最后在提取的近1 500個數(shù)據(jù)中篩選出300多個初步定義，并請領(lǐng)域?qū)＜艺遄么_認(rèn)數(shù)據(jù)屬性。定義的數(shù)據(jù)屬性示例如表3所示。屬性確定是個動態(tài)過程，在以后的數(shù)據(jù)加工中，根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行必要的增加、刪除和改動，直至數(shù)據(jù)屬性趨于完善，使定義的數(shù)據(jù)屬性能基本反映航空發(fā)動機(jī)及相關(guān)專業(yè)的主要特征。

表3　航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體部分?jǐn)?shù)據(jù)屬性（DP）示例表

2.4航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體實(shí)例創(chuàng)建

2.4.1航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體實(shí)例數(shù)據(jù)采集來源

本體實(shí)例數(shù)據(jù)采集來源包括：（1）工具書（如《世界發(fā)動機(jī)手冊》《世界飛機(jī)手冊》）收錄的航空發(fā)動機(jī)及與航空發(fā)動機(jī)相配備的飛行器型號；（2）國防數(shù)圖數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)中提取的航空發(fā)動機(jī)介紹；（3）互聯(lián)網(wǎng)提供的航空發(fā)動機(jī)種類實(shí)例［5-6］。

本文的本體航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體試驗(yàn)庫按照制定的基本原則和規(guī)定的數(shù)據(jù)格式采集實(shí)例數(shù)據(jù)，編程后批量導(dǎo)入，完成實(shí)例數(shù)據(jù)填充。

2.4.2航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體實(shí)例數(shù)據(jù)加工原則

由于實(shí)例數(shù)據(jù)的來源不同、格式各異，所以需制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)加工原則。

根據(jù)本體構(gòu)建的顆粒度不同，實(shí)例的具體程度也不同。從實(shí)用性和可行性出發(fā)，確定本研究本體的實(shí)例為某類航空發(fā)動機(jī)某一系列的具體型號及其改型型號。主要原因包括：（1）從屬于某一具體系列下的各型號的航空發(fā)動機(jī)的特征雖然差別不大，但屬性值不完全相同，因此須涵蓋所有具體型號；（2）為使研究方法能從試驗(yàn)庫數(shù)據(jù)移植到實(shí)體庫，使研究更具繼承性。

2.4.3航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體實(shí)例數(shù)據(jù)與屬性的關(guān)聯(lián)

將采集的數(shù)據(jù)與定義的屬性關(guān)聯(lián)，制作統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)屬性定義規(guī)范樣例，為機(jī)器批量數(shù)據(jù)輸入奠定編程基礎(chǔ)（見表3）。

表3　實(shí)例數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)屬性定義規(guī)范樣例表

3　航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體的實(shí)現(xiàn)

本文在利用Protégé4.3創(chuàng)建OWL本體時，需要對填充的類、屬性和實(shí)例進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)展示航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的知識體系，并進(jìn)行一定的知識推理。

3.1航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體類、屬性和實(shí)例的設(shè)置

該領(lǐng)域本體在創(chuàng)建類的基礎(chǔ)上定義對象屬性和數(shù)據(jù)屬性，設(shè)置屬性特征和屬性約束。如航空發(fā)動機(jī)部件“isPartOf”屬性，其定義域和值域分別設(shè)置為“航空發(fā)動機(jī)部件”和“航空發(fā)動機(jī)”。該屬性可設(shè)置為“transitive”，即具有傳遞性。為該屬性添加限制條件，確保航空發(fā)動機(jī)部件“isPartOf”的值全部來自于“航空發(fā)動機(jī)”的實(shí)例（見圖4）。因此，如果“航空發(fā)動機(jī)部件”的一個實(shí)例“渦輪增壓器（TD07）”通過屬性“ispartof”與“渦槳6”相連，那么可以推理得出“渦槳6”是“航空發(fā)動機(jī)”的一個實(shí)例。以此增強(qiáng)語義表達(dá)能力和推理能力（見圖5和圖6），最后根據(jù)已建成的類、屬性及關(guān)系進(jìn)行實(shí)例添加。本研究本體主要對航空發(fā)動機(jī)的下位類概念進(jìn)行實(shí)例填充，共創(chuàng)建1 000多個實(shí)例，本研究本體中的實(shí)例為試驗(yàn)性的，因而數(shù)量有限。以“WJ6發(fā)動機(jī)”為例，為抽象概念體系定義的屬性特征填充具體屬性值，從“WJ6”航空發(fā)動機(jī)的構(gòu)成、制造工藝、故障維修、采用材料、研制機(jī)構(gòu)、制造公司以及應(yīng)用等方面展示構(gòu)建的航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體的個體全貌［7］（見圖7），以WJ6（渦槳6）為檢索詞可一次性檢索出與渦槳6發(fā)動機(jī)緊密相關(guān)的多方面信息內(nèi)容。

圖4　屬性約束機(jī)制的限制

圖5　推理前“TD07”不在對象屬性中示意圖

圖6　推理后“TD07”自動填充到對象屬性位置中示意圖

3.2航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體試驗(yàn)庫可視化展示

本文基于Protégé4.3軟件對航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體構(gòu)建進(jìn)行實(shí)踐操作，設(shè)計(jì)并構(gòu)建包含700多個概念、近50個對象屬性、320多個數(shù)據(jù)屬性和1 000多個實(shí)例的航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體試驗(yàn)庫。以下通過可視化工具對本研究本體的結(jié)果進(jìn)行展示（見圖7，圖8）。

圖7　航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體試驗(yàn)庫可視化展示圖（檢索詞：渦槳6）

圖8　航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體試驗(yàn)庫可視化展示圖

至此，在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合《國防表》和國防數(shù)圖數(shù)據(jù)庫，選擇OWL語言作為本體描述語言，采用七步法、利用Protégé4.3作為本體構(gòu)建工具，初步完成航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體試驗(yàn)庫的構(gòu)建。但在領(lǐng)域本體庫的構(gòu)建中，因知識面難免片面以及領(lǐng)域新知識的不斷變化，篩選的概念應(yīng)動態(tài)管理，領(lǐng)域本體庫的構(gòu)建應(yīng)是一個不斷持續(xù)與積累更新的過程［8-9］。

4　航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體應(yīng)用展望

本體可在知識表達(dá)和知識處理等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，本文試圖通過試驗(yàn)性地設(shè)計(jì)航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體試驗(yàn)庫在國防數(shù)圖中的應(yīng)用環(huán)境，探索其應(yīng)用方案，為航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體在航空發(fā)動機(jī)科研生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用奠定應(yīng)用基礎(chǔ)。

航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體在國防數(shù)圖應(yīng)用環(huán)境框架的設(shè)計(jì)思想：知識層次以航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體為核心，以該領(lǐng)域知識管理為目標(biāo)，有效地解決航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域知識管理中的問題（如航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域知識導(dǎo)航、組織、檢索和挖掘等）。其整體應(yīng)用環(huán)境框架結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9描述的本體應(yīng)用環(huán)境分為前臺和后臺兩種應(yīng)用環(huán)境。后臺環(huán)境為后臺管理員提供本體庫等的建立、維護(hù)工作；前臺環(huán)境為用戶提供可視化服務(wù)界面，為實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域知識檢索，需提供領(lǐng)域知識分析器。具體步驟包括5點(diǎn)。

（1）以構(gòu)建“航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體”為本體試驗(yàn)庫并進(jìn)行擴(kuò)建；將本體試驗(yàn)庫中的數(shù)據(jù)，按規(guī)定的格式存儲在國防數(shù)圖的數(shù)據(jù)庫中；如果檢索系統(tǒng)對推理能力要求不高，航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體可用概念圖的形式表示并存儲，數(shù)據(jù)可以保存在一般的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，采用圖匹配技術(shù)完成信息檢索。如果要求比較強(qiáng)的推理能力，一般需要用一種描述語言（如Loom、Ontolingua等）表示本體，數(shù)據(jù)保存在知識庫中，采用描述語言的邏輯推理能力完成信息檢索。由于本體能通過概念間的關(guān)系表達(dá)概念語義能力，所以能夠提高檢索的查全率和查準(zhǔn)率。

（2）以在國防數(shù)圖數(shù)據(jù)庫中按一定原則篩選的有關(guān)數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源，形成應(yīng)用樣本庫。

（3）建立本體試驗(yàn)庫與應(yīng)用樣本庫間的關(guān)聯(lián)映射。

（4）對用戶所需的應(yīng)用提供可視化界面來獲取請求，推理機(jī)制分析器按照本體把用戶請求轉(zhuǎn)換成規(guī)定的格式，在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體的幫助下從樣本庫中匹配出符合條件的數(shù)據(jù)集合。

圖9　航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體應(yīng)用環(huán)境框架

（5）檢索的結(jié)果經(jīng)過定制處理后，返回給用戶。可根據(jù)不同用戶的興趣愛好及要求描述，編輯檢索結(jié)果提供給用戶，使用戶與本體應(yīng)用環(huán)境有更進(jìn)一步的交互。

通過以上技術(shù)方法，可在國防數(shù)字圖書館系統(tǒng)中調(diào)用航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體試驗(yàn)庫，嘗試性地進(jìn)行知識導(dǎo)航、知識檢索、知識挖掘等方面應(yīng)用實(shí)踐試驗(yàn)［10］。

5　結(jié)語

由于本文所提的方法只限于理論層面，本體試驗(yàn)庫建設(shè)也僅是試驗(yàn)性地就某一型號發(fā)動機(jī)為例建一完整的屬性和關(guān)系，并沒有對所有概念和實(shí)例進(jìn)行定義，亦沒有在實(shí)際中應(yīng)用檢驗(yàn)，所以構(gòu)建方法在科學(xué)性和可操作性上還存在一些問題。如框架結(jié)構(gòu)的完整性、類目選擇的合理性及在概念關(guān)系的深入挖掘，提高本體推理能力等方面還有待更深入的研究。綜上所述，航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體試驗(yàn)庫的建立，立足于發(fā)動機(jī)的本質(zhì)，從語義和知識層次上描述信息，具有良好的概念層次結(jié)構(gòu)；支持邏輯推理，能夠捕獲發(fā)動機(jī)領(lǐng)域知識；確定共同認(rèn)可的術(shù)語，從不同層次的形式化模型中明確術(shù)語和術(shù)語間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)人機(jī)更好的交流和知識共享；有助于提高航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域信息資源檢索和知識服務(wù)的效率，在促進(jìn)傳統(tǒng)知識組織系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型發(fā)展方面有所突破；為國防科技領(lǐng)域本體的建立提供構(gòu)建方法和過程，為更進(jìn)一步研究領(lǐng)域本體在大數(shù)據(jù)環(huán)境下的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)和挖掘奠定基礎(chǔ)，為其他領(lǐng)域本體的構(gòu)建提供借鑒。

［1］ 《新航空概論》編寫組. 新航空概論［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2010.

［2］ 航空發(fā)動機(jī)概述［EB/OL］.（2013-04-09）［2016-09-01］. http://wenku.baidu. com/view/d7325e11ff00bed5b9f31df1.html？from=search.

［3］ 趙琦.戰(zhàn)斗機(jī)領(lǐng)域本體構(gòu)建研究［J］.網(wǎng)友世界，2013（13）:95，98.

［4］ 林左鳴.世界航空發(fā)動機(jī)手冊［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2012.

［5］ 張洋.世界飛機(jī)手冊［M］北京:航空工業(yè)出版社，2011.

［6］ Ontology development 101:a guide to creating your first ontology［EB/OL］.［2016-09-01］. http://protegewiki.stanford.edu/wiki/Ontology101.

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［8］ ABBURU S，BABU G S.Survey on Ontology Construction Tools［J］. International Journal of Scientific & Engineering Research，2013，4（6）:1748.

［9］ 董慧，王菲，姜贏，等.基于數(shù)字圖書館的本體應(yīng)用環(huán)境研究［J］.中國圖書館學(xué)報，2009（5）:52-58.

［10］ 岳麗欣，劉文云.國內(nèi)外領(lǐng)域本體構(gòu)建方法的比較研究［J］.情報理論與實(shí)踐，2016（8）:119-125.

Aircraft Engine Domain Ontology Construction and Application Prospects

ZENG YaPing， WANG Bo， FENG Hao ，WEI QingHua
（Aviation Industry Development Research Center of China， Beijing 100029， China）

Based on the analysis of literature statistics and the analysis of aviation power technology framework， the architecture of aviation engine domain ontology is designed， combining with National Defense Industry Thesaurus. The study on the construction and visualization of aviation engine domain ontology system is finished by using Protégé 4.3 ontology building tool. Finally， the application of aviation engine domain ontology is prospected. The efficiency of knowledge organization and knowledge service in aviation engine domain will be improved by this work.

Ontology； Domain Ontology； Ontology Construction； Ontology Application； Aircraft Engine

B016；V23

10.3772/j.issn.1673-2286.2016.10.009

曾雅萍，女，1963年生，副研究員，研究方向：信息資源管理、知識組織及數(shù)字圖書館，E-mail：yapzeng36@aliyun.com。

王波，男，1978年生，高級工程師，研究方向：信息資源管理、知識組織及數(shù)字圖書館，E-mail：acai_wb@126.com。

馮昊，男，1984年生，工程師，研究方向：信息資源管理、知識組織及數(shù)字圖書館，E-mail：adrfhao@163.com。

魏清華，女，1976年生，高級工程師，研究方向：信息資源管理、知識組織及數(shù)字圖書館，E-mail：weiqinghua_hk@163.com。

（2016-09-21）