基于OWL的产品数据交换研究.docx

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基于OWL的产品数据交换研究

基于OWL的产品数据交换研究

摘要

随着计算机技术和语义Web的快速发展以及经济全球化，制造业的全球化和网络化的趋势已经越来越明显。

传统的产品信息共享的方式已经没有办法满足现代企业发展的需求，信息共享的层次已经有数据的共享上升为知识的共享。

本文主要基于STEP标准的AP203，对STEP中性文件和OWL文件的交换问题进行了研究，开发了基于OWL的数据转换系统，完成了STEP中性文件到OWL文件的转换。

本论文完成的主要工作：

（1）详细阐述了STEP标准的的基本原理及结构，并对其内容进行了研究；详细了研究了EXPRESS语言，对其各种数据类型、实体和属性进行了深入的研究；通过研究AP203协议和EXPRESS的信息模型的实例化，了解了STEP中性文件，并对其结构进行了分析。

（2）阐述了语义Web语言的发展历程，介绍了OWL包含的三个子语言：

OWLLite、OWLDL和OWLFull，同时介绍了OWL的语法和构成基本元素，并对OWL文档的结构进行了分析，最近介绍了本体构建工具Protégé。

（3）设计了基于OWL的数据转换系统的框架，详细阐述了整个设计系统的设计思想；详细的建立了EXPRESS和OWL之间、STEP和OWL之间的映射规则，同时建立了EXPRESS和OWL之间、STEP和OWL之间的映射关系。

（4）以VC++为开发语言开发了数据转换系统，实现了STEP中性文件到OWL文件的转换，并以SolidWorks生成的圆柱为例，作为数据源，通过数据转换系统生成OWL文件，并对该文件进行语义检测，通过Protégé进行可视化分析，形象的查看类与类之间、类与个体之间和个体与属性之间的关系。

关键词：

语义Web,STEP，OWL，数据转换，VC++

ABSTRACT

Withthedevelopmentofcomputertechnologyandthesemanticweb,alongwiththeeconomicglobalization,thetrendoftheglobalizationofmanufacturingandnetworkismoreandmoreobvious.Traditionalwayofproductinformationsharinghasbeenunabletomeettheneedsofmodernenterprisedevelopment.Theleveloftheinformationsharinghasbeenthesharingofdatatoaknowledgesharing.

Inthispaper,basedonSTEPstandardAP203,exchangeofSTEPneutralfilesandOWLisstudied,I developethedataconversionsystembasedonOWL,completetheSTEPneutralfileconversiontotheOWLfile.Themainworkaccomplishedinthispaper:

（1）ThispaperexpoundsthebasicprincipleandstructureofSTEPstandard,studiesitscontent;detailedstudythelanguageEXPRESS,thevariousdatatypes,entitiesandproperties;throughthestudyofinformationmodelofAP203protocolandEXPRESSinstantiation,understandtheSTEPneutralfile,anditsstructureareanalyzed.

（2）ThispaperexpoundsthedevelopmentofsemanticWeblanguages,andintroducesthethreechildlanguageOWLinclude:

OWLLite、OWLDLandOWLFull；atthesametimethispaperintroducesthebasicelements,OWLgrammarandcompositionandthestructureofOWLdocumentareanalyzed,andfinallyintroducestheontologyconstructiontoolsProtege.

（3）DesigntheframeworkofthedataconversionsystembasedonOWL,andexpoundthedesignideaofthewholedesignsystem;DetailedbuildmappingrulesbetweentheEXPRESSandOWL,andbetweenSTEPandOWL, atthesametimeestablishthemappingrelationshipbetweentheEXPRESSandOWL,andbetweenSTEPandOWL.

（4）Dataconversionsystemisdevelopedbasedonvc++toachievethetransitionoftheSTEPneutralfiletotheOWL;andcylinderasanexamplegeneratedinSolidWorksasadatasource,throughthedataconversionsystemgenerateOWLfile, andthefileisusedtodetectthesemantic,visualizationanalysisbyProtege,theimageoftheviewclassandbetweenclasses,classesandbetweenindividualsandtherelationshipbetweentheindividualandproperty.

KEYWORDS:

semanticWeb,STEP,OWL,dataconversion,VC++

目录

第一章绪论-1-

1.1论文研究的背景及意义-1-

1.2国内外研究现状-2-

1.3论文的主要研究内容及论文结构-8-

1.3.1论文的主要研究内容-8-

1.3.2论文的结构-9-

1.4本章小结-9-

第二章STEP标准及中性文件-10-

2.1STEP标准-10-

2.1.1STEP标准的基本原理及结构-10-

2.1.2STEP标准的内容-11-

2.1.3EXPRESS语言-13-

2.2.STEP中性文件-17-

2.2.1应用协议AP203-17-

2.2.2EXPRESS信息模型的实例化-19-

2.2.3STEP中性文件的结构及分析-22-

2.3本章小结-25-

第三章语义Web语言OWL-26-

3.1语义Web语言的发展-26-

3.2OWL语言-27-

3.2.1OWL语言的内容-27-

3.2.2OWL语言的的语法及基本元素-28-

3.2.3OWL文档的结构与分析-30-

3.3本体构建工具protégé简介-32-

3.4本章小结-33-

第四章STEP/OWL数据交换研究-34-

4.1STEP/OWL数据交换系统的整体结构-34-

4.1.1STEP标准与OWL相结合-34-

4.1.2STEP/OWL数据交换系统的功能和结构-34-

4.2EXPRESS/OWL之间的映射关系-36-

4.2.1EXPRESS/OWL之间的映射规则-37-

4.2.2EXPRESS/OWL之间的映射-38-

4.3STEP中性文件与OWL之间的映射关系-47-

4.3.1STEP中性文件与OWL之间的映射规则-47-

4.3.2STEP中性文件与OWL之间的映射-47-

4.4本章小结-49-

第五章基于OWL的数据交换的实现-50-

5.1数据转换系统的开发-50-

5.2STEP中性文件的生成-55-

5.3STEP/OWL数据交换-56-

5.4本章小结-60-

第六章总结和展望-61-

6.1工作总结-61-

6.2工作展望-61-

参考文献-63-

致谢-67-

第一章绪论

1.1论文研究的背景及意义

进入二十一世纪以来，科学技术得到了突飞猛进的发展，我们进入了网络经济和知识经济的新时代。

在这个新时代，由于计算机技术的发展和科学技术的进步，计算机辅助设计软件（CAD）已经广泛的使用在当今的工业领域中，公司通过使用CAD软件等先进制造技术发展了产品的开发模式，增强了自己在市场中的竞争力[1]。

随着经济全球化以及制造业全球化，协同合作成为当代企业成长和研发产品的必由之路，要实现协同合作首先要解决产品信息的共享问题[2]。

现今主流的CAD软件正朝着集成化、智能化和网络化的方向发展[3]。

正是由于当今CAD软件的发展方向，各个CAD软件之间信息的交换和共享成为了至关重要的步骤。

STEP标准是一套关于产品整个生命周期中产品数据的表达和交换的国际标准，通过一种不依赖于具体系统的中性机制，实现全生命周期内产品数据表达的一致性和完整性[4]。

STEP中性文件因其成熟、简洁成为STEP标准实现方式中目前使用最普遍的一种,成为产品信息共享的通用载体[5]。

各类CAPP、CAD、CAE、CAM软件，以STEPPart21的方式可以通过标准数据访问接口实现产品信息的共享。

伴随着网络技术的快速发展，制造全球化的发展进程越来越快，以前的产品信息共享的方式已跟不上当代企业的发展步伐，没有办法满足它们的发展要求，通过网络搭建一个语义无歧义的产品信息共享平台，实现整个工业领域内异构系统间的产品信息共享是大势所趋[6]。

然而STEP标准及描述语言EXPRESS并没有提供基于语义的描述方法[7]。

随着语义网[8,9]的出现,本体（Ontology）[10-12]和语义Web的思想为解决此问题提供了一个非常有效的思路。

在人工智能领域，本体论和语义Web是当前研究的热门。

语义Web是第三代的Internet技术，在产品信息共享中使用本体不仅持续的提高了研究的层次，也丰富了研究的内容。

在某程度上语义Web建立了一个超级数据库，该数据库在将来用于共享信息，而且基于语义信息的研究已成为数据共享领域的研究热点[13]。

由于本体论可以提供形式化的描述，所以可以以本体为媒介实现系统之间语义一致的共享。

把语义Web中的本体技术引进制造业内，能够解决基于语义的知识共享问题[14,15]。

语义Web无法很好的理解与处理EXPRESS描述的STEP产品信息，所以如果要在语义Web中构建一个语义一致的产品信息共享平台，需要用OWL来描述STEP表达的产品信息，通过借助语义Web中的本体来实现产品信息的语义共享。

建立EXPRESS和OWL之间的映射关系，是实现OWL描述STEP中性文件的基础。

把STEP中性文件转换成OWL文件，生成产品本体，为在语义Web上实现产品信息的语义共享打下基础。

1.2国内外研究现状

STEP（StandardfortheExchangeOfProductModelData）是国际标准化组织（ISO）制定的系列标准（ISO10303），是一个计算机能理解的关于产品数据的表达与交换标准[16]。

在解决传统信息共享和交换方面它是一个非常重要的手段，但是它侧重的是产品数据的交换，没有办法实现知识级的语义交换和共享。

目前随着互联网的发展，要求不仅仅从语法层面来描述产品信息，而且还要从语义层面。

而STEP标准及其形式化描述语言EXPRESS并没有提供基于语义的描述方法[7]。

随着Web技术的发展,尤其是语义Web的兴起,怎样在语义Web上表达产品信息,已经成为当今研究的热门[17]。

采用基于Web标准的具备语义描述能力的网络本体语言OWL（WebOntologyLanguage）来描述产品信息将能更好地适应当今Web计算环境,更加有效地发挥Web技术的优势来实现产品信息的集[18]。

目前，国内外在产品信息的交换和共享领域做了许多的研究，并且获得了丰硕的成果。

在1988年W3C的TimBerners-Lee提出了语义网的概念。

在语义网上可以通过语义进行判定，电脑和人之间可以没有障碍的交流。

以下是语义网的特征：

（1）语义网跟目前的万维网是不一样的，语义网面对的是文档所表示的信息，而目前万维网是面对的文档，同时语义网具备某些程度的推理和判断能力，愈加注重计算机的“理解和处理”。

（2）存在众多和语义网之间相互依赖的智能个体（程序），是语义网实现的前提，并且这些个体普遍存在在电器、计算机、通讯工具等物品上，使他们组成围绕人们生活的低级智能网络。

（3）语义网是在万维网的基础上发展的，其展示了万维网光明的未来和因其导致的互联网革命，但是在实现语义网方面目前还具有许多的困难：

1、内容的可获取性。

2、本体的开发和演化。

3、内容的可扩展性。

4、多语种支持。

5、本体语言的标准化。

万维网联盟推动了语义网的发展，是语义网标准的主要制定者，由于万维网联盟的支持，语义网得到了迅速的发展。

在2001年7月30日，第一个关于语义网的国际会议——“语义网基础设施和应用”在美国StanfordUniversity举办。

在2002年7月9日，第一届国际语义网大会在意大利举办，从此成为常例，每年召开一次。

全球众多知名大学StanfordUniversity、UniversityofKarlsruhe、UniversityofMaryland和VictoriaUniversityofManchester等和IBM、富士通、HP、微软等大公司也都对语义网进行了深入的研究，并研发出了推理和本体编辑系统、基于语义网技术的信息集成以及查询、KAON、Pellet、KAON、Jena等众多的语义网技术开发应用平台。

我国对语义网的研究也特别重视，早在2002年国家863计划把语义网技术作为重点支持项目展开研究，国内众多知名大学中国人民大学、上海交通大学、东南大学、北京航空航天大学和清华大学等对语义网及有关技术进行了深入了研究，成为语义网的研究中心。

上海交通大学开发的本体工程开发平台ORIENT和清华大学开发的语义网辅助本体挖掘系统SWARMS代表了国内在语义网方面的研发水平。

当前盛行的人机互动工具是语义网络在实际当中的应用，然而他们的水平良莠不齐，对他们进行一些简单的测试就能得到他们的区别。

在2002年蒂姆·伯纳斯-李提出并简要阐述了语义网的体系结构。

此结构总计有7层，从上到下其各个层的功能逐步减弱。

体系各个层对前期的体系不断的改进，不断的对语义Web功能进行完善，而不是全部替代19]。

语义网的体系结构如图1.1

图1.1规范描述方法与技术体系

第一层：

“字符集”层。

第二层：

根标记语言层。

第三层：

“资源描述框架”层。

第四层：

“本体词汇”层。

第五至七层：

Logic、Proof、Trust。

产品数据是指存储在计算机中的，计算机能够识别的描述的产品整个生命周期过程的信息[20]。

基于计算机协同设计（CSCD）是指位于不同空间和时间的人们，通过不同或相同的CAX系统，对产品设计的数据进行共享和交换的过程[21]。

目前众多国内外的研究人员在产品信息的交换与共享方面做了许多研究，取得了丰富的成果。

1、基于专用数据格式的产品数据交换

专用数据格式是将一个系统的产品数据转换为符合其他系统要求的格式。

这种数据交换是采用点对点的方式，所以不会丢失数据，而且效率高，容易实现，但是这种数据交换方法可扩展性较差，当在大量异构系统之间开展数据的交换和共享时，就要求研发大量的专用接口，研发量非常大，且当升级软件时，维护也很困难。

2、基于标准数据格式的产品数据交换

该种是采用一种统一的与具体系统无关的标准的数据格式来实现各个异构系统之间的数据的共享和交换。

各个系统只需具有后置转换器和前置转换器，各个异构系统之间的数据的交换和共享就可以实现。

目前STEP、VRML、IGES、PDES、STL等是常用的标准数据交换格式。

IGES是1979年底在美国国家标准学会（ANSI）倡导下开始制定的初始图形交换规范IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification）[22]。

该标准既能表达产品的非几何信息也能表达几何实体，它定义了与建模方法无关的文件结构和语言格式，支持用电子通讯协议或物理介质所进行的数据交换。

当今IGES是技术最成熟和应用最广泛的数据交换标准之一，但运用过程中具有一定的缺陷：

数据交换不稳定、数据格式过于复杂、不利于传送数据等。

为了克服IGES的缺点，各国开始进行新的交换标准的研究，在1980年国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）发表了STEP标准的草案，后接连发表了代号为10303的STEP中比较成熟的部分。

STEP标准是一个计算机能够理解的，关于在产品全生命周期中产品数据的表达和交换的国际标准。

该标准提供了一种中性机制，它可以描述全生命周期中产品的数据，并且不依赖于具体的系统。

由于STEP标准在制造业界应用逐渐广泛，发达国家对其展开了很深的研究，而且取得了丰富的成果。

从上世纪九十年代开始，美国的STEPTools公司不断的协助别的公司运用STEP-NC标准[23]和ISOSTEP来实现在CNC、CAM和CAD之间的数据共享和交换。

麦道公司的LongBeach分部和ST．Louis分部通过CSATR项目分享了C-17型号设备的数据信息，该项目采用的中性交换机制是STEP203协议。

同时德国的ProSTEP中心、波音公司、美国GM公司等大公司对STEP也进行了深入的研究。

我国从上世纪90年代开始展开对STEP的研究，虽然开始较晚，但对其非常重视、投入也非常大。

我国参照STEP制定了代号为GB/T16656的标准。

浙江大学研发了GS-STEP2000系统，不同的CAD系统可以以STEP中性文件的方式通过该系统进行数据传输，河北工业大学等购买了STEP工具ST-Developer，同时为了推动STEP标准在我国的应用成立了STEP产品数据技术中心。

目前STEP标准虽然被工业领域大量使用，但其仍然具有一定不足：

⑴可扩展性不足，没有办法很好的和web兼容。

⑵对产品数据展开冗余控制、全局优化、同步性维护和统一管理方面存在很大的困难。

⑶单纯依靠数据交换无法对后续的研发进行智能支持。

3、基于STEP/XML标准的产品数据交换

XML是万维网联盟制定的一种可扩展标记语言，它可以通过文本的格式在Web表示结构化的信息。

它和HTML类似，是被设计来描述数据的语言。

在语义中，XNL是基本的数据交换和编码语言，OWL、RDF等上层语言都是以XML为基本语法的。

可扩展标记语言XML因其可扩展性、简单、与平台无关的特点，成为因特网环境下进行信息交换和共享的新标准。

在1999年STEP标准委员会制定了Part28标准—“EXPRESS模式和数据的XML表达”，用XML来描述EXPRESS信息。

Part28为STEP和XML之间的产品信息交换和共享提供了理论基础。

美国的STEPTools公司研发了ST-Developer软件，该软件可以把STEP文件转换为XML文件，支持多个STEP标准中的应用协议，可以方便用户在互联网环境下实现STEP数据的交换和共享。

Iowa大学的因特网实验室研究人员开发了一个协同设计系统，该系统基于Internet，该系统通过使用VRML来实现浏览器环境下同组人员的协同浏览。

该系统实现了STEP向VRML的转换。

Shared3DViewer[24]可以在分布式环境下对STEP和XML数据信息进行可视化，其是由德国Fraunfofer研究部门研发的。

在这方面国内也展开了比较深入的研究。

东南大学的仇晓黎博士指出EXRESSS侧重于固定数据的交换而不是共享和它特定的性质，因此在产品数据组织之外EXPRESS不容易被理解，而且STEP在数据库实现方面存在着一定的障碍和万维网浏览器也不可以处理EXPRESS定义的数据。

面对上述的问题，仇晓黎把EXPRESS描述的信息转换为XML文件，基于STEP研发了STEP/

XML产品数据转换系统，把STEP文件转换为XML文件，以XML为媒介实现产品信息的网络化共享[25,26]。

华中科技大学的研究人员通过对STEP和XML在产品信息共享和交换方面的研究得出了产品信息交换和共享的方法，提出以对应模式为媒介进行转换的方法[27]。

同时，找到了一种当应用程序不支持中性文件的情况下希望共享STEP数据的方法，可通过把具体汇编语言和STEP语法结合在一起，以XML为中间转换体来实现信息的共享。

大连理工大学的研究人员通过对XML文件和STEP标准的研究基础上，确定了在网络信息传输中XML的媒介共享功能。

并且研究了STEP向XML数据转换的方法，同时在此研究的基础上建立了基于Web的XML数据模型。

由当前的研究中可以看出，当今的产品信息交换技术在实现网络环境下产品信息的语义信息交换和共享方面仍然具有一些不足[28-31]。

STEP标准是由不同领域的专家独自的开发完成，因为各个专家对自身领域的理解具有一定的区别，因此产品信息的语义无法在STEP系列各个标准之间统一，这种情况也同样存在于各个应用协议之间。

因此虽然目前的STEP集成框架拥有比较强的产品数据结构的表达能力，但它仍是一种语法层面的集成模型，缺乏在企业知识级共享和交换的表达能力，并且STEP和WEB的兼容性不足。

尽管XML能够在网络环境下实现产品数据的共享，但是忽视了数据自身所含有的语义，没有对数据做出详细的说明，机器无法理解和自动处理，所以在共享数据时，对词汇含义无法达成共识，恐怕会引起语义的歧义。

因此，基于XML的数据信息的交换也无法实现知识级产品信息语义交换和共享的要求。

国内的有关大学对目前产品信息共享中存在的各种问题也展开了许多研究：

浙江大学的付相君指出目前的产品数据建模无法较好的满足企业的信息集成和共享，深入的研究了和分析了EXPRESS所含的语义，同时对用本体构建产品数据模型进行了重点研究，使用ALCNRP（D）表达了EXPRESS中所含的语义信息[32]。

浙江大学的郭鸣提出了一种通过语义Web中的本体技术对产品进