面向语义推理应用的船舶舱室布置设计本体模型

许 伟， 李 楷＊，2， 王 艳 龙

（1.大连理工大学 船舶工程学院，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024；3.山东省科学院 海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266061）

0 引 言

船舶舱室布置设计是贯穿整个船舶设计过程的重要部分，具有不断反复、螺旋上升的特点.其设计成果通常在总布置图及船体说明书中体现，表达为最终设计方案中的舱室几何形状、特征尺寸和主要功能，这些只占整个船舶舱室布置设计活动产生信息总量的小部分.船舶舱室布置设计的过程信息、设计意图、设计原理、设计约束这些与设计推理直接相关的信息，规模庞大、层次复杂，是船舶舱室布置设计活动产生信息总量的绝大部分.但是，这些推理信息，尤其是过程信息和设计意图，基本上都保存在设计人员的大脑中，小部分散落在各种设计规范和数据文档中，因而不具备系统性和结构性，缺少可视化支持.一般船舶设计都需要参考母型船，即对母型船的部分设计进行重用，这时就只能依靠分析总布置图及船体说明书来理解母型船设计过程中的设计意图，进而指导和验证设计船的设计推理.这是一个逆向推导的过程，求解易发散而难以得到准确解.在工程实际中，设计人员往往需要与原设计者充分沟通，以掌握船舶设计过程所需的推理信息，即设计推理离不开人.

推理信息的碎片化存放形式也不利于协同设计.当不同专业小组的设计人员需要协调时，必须组织起来开会讨论，由于缺乏可视化和结构化的推理信息支撑，专业之间的这种协调和讨论效率不高，只能得出一些勉强具有可行性的方案.更为严重的是，如果有关人员缺席导致无法沟通，将会影响设计效率和设计质量，甚至造成企业的损失.因此有必要采用系统化和可视化的知识表达方式实现设计知识的重用、继承与共享.

近年来，本体Web技术在知识工程中的应用日益得到重视，它通过建立基于知识的模型，来表达某领域内概念的抽象以及描述这些概念的关系和属性的网络，因而具有知识形式化表达和共享特性.目前基于本体的方法已被众多学者应用到多个设计领域范畴.因此，本文将本体论引入船舶舱室布置领域，通过挖掘船舶舱室布置相关知识，构建领域本体知识库，以实现对船舶设计专家经验知识的保存，并通过一艘渔政船舱室布置设计进行实例验证.

1 基于本体的知识发现方法

1.1 本体论发展现状

本体的概念最初起源于哲学领域，用于描述事物的本质［1］.近年来，本体在人工智能等信息管理领域获得广泛关注，它所包含的哲学思想对这些领域产生了深远的影响.刘伟等提出了基于本体论的小型农机快速响应设计方法，建立了从需求到功能到技术原理再到元件结构的4层设计知识的映射，提高了设计领域中的知识利用率［2］.张应中等提出了一种基于本体的产品DR（design rationale）语义表达模型——ISAA模型，有效地解决了设计原理信息重用问题［3］.李福鑫提出了一种面向重载铁路风险数据的领域本体，采用半自动构建方法进行本体模型构建，为基于结构化和半结构化数据源进行本体学习提供了一种可行的方法［4］.程宏佳将语义技术与本体工程引入船舶机舱布置领域，并探讨了有关机舱布置智能化设计的相关内容［5］，对于本文所要研究的船舶舱室布置本体模型构建问题具有重要的参考价值.Gangemi探讨了几类领域本体应用的典型概念和模式［6］.Setchi等提出了一种基于语义的图像提取方法，这一方法将词汇的单义性与多义性用于特定概念的概率估计，从而摆脱了对机器学习和标记语料库的依赖［7］.Chung等将本体论引入潜艇舱室布置设计中，初步实现了智能化分舱［8］，但是该文并没有给出舱室布置本体模型构建的具体方法.

1.2 基于本体推理的语义搜索

本体是领域知识的形式化表达，需要与知识发现方法配合使用才能从已有的知识中发现未知的知识，从而创造更大的价值.即本体只是告诉人们“是什么”，而语义检索与推理则是告诉人们“怎么用”和“为什么”.传统的信息检索主要是通过关键词的匹配程度进行搜索，这种方式首先用若干个关键词对用户的需求概念进行简化表达，在一定程度上造成信息传递的失真，而其查询方法的本质是对信息的机械过滤，这种查询方法以及搜索到的结果，都不能很好地满足用户的检索需求.人们逐渐认识到，应从语义的角度来识别用户的需求和检索信息，提高信息检索的查全率（recall ratio）和查准率（precision ratio），从而更高效地获得所需要的信息资源.

近20年来，很多学者在语义信息搜索方面开展了相关研究，取得了一定的成果.王曼等将本体和图论结合，用计算机领域本体表示文档中的知识，用求带权最短路径的方法扩展查询，在搜索过程中综合考虑句型和语义两种因素进行匹配查询，根据语义相似度排序相关文档［9］.顾复等提出了基于语义网络RDF模型的建立方法，将设计目标转换为语义网络片段，通过计算备选方案语义网络中各节点与目标值的匹配度，获得所需的参考配置方案［10］.韩军等提出了基于本体知识库的语义扩充方法，并设计了一种新的索引结构GRTree，通过对空间语义图的层次划分，可有效过滤无效信息［11］.为了提高产品的竞争力，从占据市场主流地位的搜索引擎服务商（如Google、百度等），到一些独立的小型公司、研究机构，也纷纷开始将语义搜索技术与传统搜索方法集成，提高搜索质量［12－13］.但总体上语义搜索引擎仍处于发展阶段，还未出现成熟的应用产品.

2 船舶舱室布置本体模型

2.1 本体模型构建方法

本体知识库是语义搜索的基础.作为知识的一种形式化表达模型，本体具有较强的知识表达能力和明确的概念层次结构，因而能有效捕获相关领域的知识，有助于设计知识的重用和共享.本体建模的核心是描述逻辑（description logic，DL），由4个基本部分组成［4］：①构造集，用于表示概念和关系；②TBox术语集；③ABox断言集；④TBox和ABox上的推理机制.这4个基本部分的配置方式决定了描述逻辑的表达能力和推理机制.描述逻辑有清晰的模型-理论机制，因而具有很强的表达能力，非常适合使用概念分类法来表示应用领域.并且，描述逻辑的意义在于提供可判定的推理机制，保证推理算法的收敛性，能够返回合理的结果.图1为基于描述逻辑的本体知识库基本框架.

本体建模的表达方式则主要依靠本体建模语言.本体论最先应用于 Web技术，因此众多本体建模语言的发展也是基于Web标准的，目前应用最广泛的是网络本体语言（web ontology language，OWL），OWL已成为 W3C推荐的标准本体语言.

图1 基于描述逻辑的本体知识库基本框架Fig.1 Basic framework of DL-based ontology knowledge base

1995年Gruber提出的本体模型构建5条准则，广为学界和开发人员接受.该准则已演变为本体建模的检验和评价依据，可制约本体模型构建的随意性［14］.至今已发展出数十种本体模型构建方法，大致可分为3类：人工处理，半自动建模，全自动建模.在Web信息这类通用性较强的领域本体建模上，已经实现了半自动建模，但是在各类工程领域，由于专业性较强，其本体建模仍然停留在人工处理阶段.

2.2 船舶舱室布置本体模型构建方法

本文研究的船舶舱室布置领域本体，属于应用本体.应用本体需要在领域本体基础上进行构建，同时还要涵盖领域知识与应用程序开发对象知识，以用于应用程序的开发，因此必须采用特定策略进行构造.船舶舱室布置领域本体的构建流程如图2所示.

（1）获取船舶舱室布置领域知识

领域本体在构建之前，必须明确领域范畴，这样才能降低建模难度，节约建模时间.船舶舱室布置领域知识来源广泛，如船舶设计图纸、三维模型、船级社规范、相关标准、船东要求以及直接来自船舶设计人员的经验等.这些因素造成每艘船舶舱室布置设计都有一定的特点，也说明船舶舱室布置本体知识库的不完整性将长期存在.在基于应用本体进行开发时也必须要考虑到本体知识库的不完整性.

在构建本体模型时，如能在本体知识库中查询到可复用的本体，则能显著提高本体建模效率.并且查找可复用本体不必局限于同领域，可以基于具有相同架构的本体进行本体建模.在建模时还要注意描述的规范性，以提高本体的扩展性.

图2 船舶舱室布置本体模型构建流程Fig.2 The process of ship cabin layout ontology modeling

（2）提取核心概念类定义及概念分组

概念通常也称为类，它表示具有相同特征事物的集合，在描述具体领域本体时，必须采用公认术语进行概念表达，并给出一致的语义定义，形成结构化概念文档库.在OWL中，关于类的关系有3大公理，分别为 DisjointClasses、SubClassOf、EquivalentClasses.DisjointClasses表示类之间不相交关系，SubClassOf表示类与类之间的父子关系，EquivalentClasses表示满足类的充要条件.船舶舱室布置本体的核心概念应包括以下几点：

①区域.在船舶舱室布置过程中，一般先大体划分出功能区域，然后再对每个功能区域细分出更小区域，其中最小的单元为舱室.

②舱室.作为整个船舶舱室布置设计中的基本单元，舱室概念应包括所属区域、功能、位置、容积、形状等信息.

③拓扑结构.拓扑结构是指各个功能区域、舱室相互连接的形式.采用拓扑结构，可以把舱室之间的关系从具体的位置、形状中抽象出来.

④功能.功能是船舶舱室布置设计的核心问题，船舶舱室布置设计的所有工作都是为了满足这一目标而服务的.每个区域、舱室都具有独特的功能，功能属性对各舱室的位置及舱室之间的关系有决定性作用.

（3）定义属性、关系及相关约束

在Protégé本体编辑软件中，属性类型包括对象属性Owl：ObjectProperty和数据属性Owl：DataTypeProperty.其中对象属性表示的是类与类之间的关系，它的特征包含可逆性、传递性、对称性、自反性、函数性等，在描述中rdfs：range与rdfs：domain分别用来表示值域与定义域，如表1所示.数据属性是类的固有特征，表示类与值之间的关系，它的属性特征只有函数性，表示类的实例对应的数据属性值只能唯一，不能存在重复值.约束包括量词约束、基数约束、存在值约束.如表2所示，这些约束将作为推理依据供推理机使用.

表1 船舶舱室布置本体中的主要关系Tab.1 The main relationships among ship cabin layout ontology

表2 船舶舱室布置本体中的主要约束Tab.2 The main constraints in ship cabin layout ontology

（4）本体实现及评价

本体实现应使用语义Web技术进行领域本体编码、形式化.目前很多本体建模软件都提供了便捷的手段完成本体的形式化描述，以Protégé为例，可以图形化的表示方法构建船舶舱室布置本体，再利用其强大的转化功能，将本体自动转化为OWL文本.针对不同的需求，OWL有3种子语言，分别为 OWL Full、OWL DL和OWL Lite，其区别见表3.由于船舶舱室布置本体需要具备一定的逻辑查询与推理能力，本文选择OWL DL进行本体实现与表达.

对于公理集的形式化表述，则采用语义Web规则语言（semantic web rule language，SWRL），它的语法规则主要基于OWL DL与RuleML的子集.在逻辑运算方面，只对“与”提供直接支持，而“或”则要拆分成多个规则来实现.SWRL的语言规则表达与生成式知识的表达类似，都是采用蕴含式，由若干个原子式组成.如某规则的自然语言表达为如果一个舱室x属于区域z，另一个舱室y属于区域f，并且区域z与区域f相邻，那么舱室x与舱室y相邻.其SWRL表达为Compartment（？x） ∧ Zone＿Deck（？z） ∧ is＿Belong＿To（？x，？z）∧Compartment（？y）∧Zone＿Deck（？f）∧is＿Belong＿To（？y，？f）∧ adjacent＿With（？z，？f）→adjacent＿With（？x，？y）.可见该表述便于人与机器的理解，所以应用比较广泛.

表3 OWL子语言之间比较Tab.3 Comparison between OWL sub languages

本体评价的目的是对本体进行相容性和一致性检查.本体知识库的表现形式是OWL文本，可以由软件生成也可以由人工编辑，因此在使用前必须进行检查，以保证没有语义逻辑错误.在Protégé中，可通过使用推理机或结合由SWRL规则语言编写的公理集，对基于OWL DL描述的本体进行相容性和一致性检查.通过推理机不仅可以发现类定义不一致问题，还可以进一步挖掘本体中隐含的层次关联，从而保证本体的完整性和实用性，为后续推理提供基础.

3 实例验证

3.1 本体模型构建

为了验证本文提出的船舶舱室布置本体模型构建方法的可行性，以300、400、500t三型渔政船为研究对象，进行船舶舱室布置本体模型构建.本体编辑工具采用Protégé3.4.8，推理机采用Pellet 1.5.2，该本体模型可视化结果如图3所示，并进行相容性和一致性检查.

图3 船舶舱室布置本体可视化结果Fig.3 Visualized result of ship cabin layout ontology

用OWL语言描述船舶舱室布置本体的片段如下：

...

＜Declaration＞

＜Class IRI＝"＃Anchor＿TK"／＞

＜／Declaration＞

＜Declaration＞

＜Class IRI＝"＃Ballast＿TK"／＞

＜／Declaration＞

＜SubClassOf＞

＜Class IRI＝"＃Anchor＿TK"／＞

＜Class IRI＝"＃Compartment"／＞

＜／SubClassOf＞

＜SubClassOf＞

＜Class IRI＝"＃Ballast＿TK"／＞

＜Class IRI＝"＃Compartment"／＞

＜／SubClassOf＞

...

形成的概念清单包括

区域：储藏区域、生活区域、工作区域、公共活动区域等.

舱室：驾驶室、船长室、船员室、燃油舱、淡水舱、艏尖舱、会议室等.

拓扑结构：主船体外壳、上层建筑外壳、甲板、平台、横舱壁、纵舱壁等.

功能：储藏舱室、生活舱室、工作舱室、公共活动舱室、空舱等.

3.2 简单类查询与按规则推理

该本体模型中包含了三型渔政船的布置设计实例，其中300t渔政船舱室布置设计的二维图如图4所示.

假设有一艘350t渔政船的设计任务，以300t渔政船为母型船设计，则可使用本体知识库中300t渔政船的相关信息进行检索和推理.

以全船供水系统为例，在描述逻辑插件DL query中，输入需要查询的类对象 Water＿TK，运行推理机，查询结果如图5所示.根据需要筛选所需的类关系，还可以进一步查询.如要获悉Water＿TK006的布置相关信息，则可查询到与 Water＿TK006相邻的舱室有Water＿TK004.

除了以上简单查询外，还可以通过进一步添加规则进行推理，利用 Protégé提供的SWRLTTab标签编写推理规则，然后由SWRLJessBridge将SWRL规则以及OWL本体转化为推理机能够识别的格式，这样再利用推理机就能顺利地完成推理.规则的自然语言表述为如果一个舱室属于某个区域，而这个区域的底部又由某个拓扑结构（包括船底、甲板、平台）组成，那么该舱室的位置必然在这个拓扑结构中.该规则的SWRL表达为Compartment（？x）∧Zone＿Deck（？y）∧is＿Belong＿To（？x，？y）∧u＿Component＿With（？y，？z）→has＿Position（？x，？z）.

依据该规则进行推理，返回的推理结果如图6所示.

图5 基于DL query的简单查询Fig.5 Simple query based on DL query

图6 SWRL推理结果Fig.6 SWRL reasoning result

推理结果说明4号淡水舱和6号淡水舱的位置都位于船底部，而且关于中纵剖面对称.这些知识是无法通过对文本的简单查询获取的，只能利用语义推理工具根据推理规则进行检索得到.类似地，对其他系统在舱底的舱室布置进行了推理，根据推理结果，通过对CATIA二次开发，在CATIA中对350t渔政船舱底部分舱室的布置设计进行自动建模，结果如图7所示.将语义推理与3D建模软件结合，可以实现语义规则驱动的智能船舶总布置交互设计，当相关设计对象的位置、组成结构需要调整时，其语义关系是随之调整的.而在传统的船舶设计过程中，建模过程与语义推理是分离的.在实际船型开发过程中，设计人员还可以采用多种方式将实例库中已有的布置对象导入推理机进行推理，得到更多设计方案，检验布置设计是否符合规则.

图7 350t渔政船部分舱室布置设计结果Fig.7 Design result of 350tfishery administration vessel partial cabin layout

4 结 语

本文从本体论的角度出发，根据船舶舱室布置设计的特点，总结出船舶舱室布置设计领域所需要考虑的类、概念和属性等语义关系，提出了船舶舱室布置设计领域本体的构建方法，并通过350t渔政船的舱室布置设计实例验证了该本体模型的可行性和有效性.新船型的出现以及创新的设计理念，必然导致船舶舱室布置设计领域知识不断发展，领域本体知识的不完整性将长期存在，需要通过本体维护进行更新，这涉及本体进化与自动获取等相关技术，今后将对此展开研究.