基于本体的仿真物性参数适应性管理模型*
2016-10-29武园浩罗攀峰张承巍田凌尤政
武园浩 罗攀峰 张承巍 田凌 尤政
(1.清华大学 机械工程系， 北京 100084； 2.清华大学 精密仪器系， 北京 100084；广州广电运通金融电子股份有限公司， 广东 广州510663)
基于本体的仿真物性参数适应性管理模型*
武园浩1罗攀峰2，3张承巍1田凌1尤政2
(1.清华大学 机械工程系， 北京 100084； 2.清华大学 精密仪器系， 北京 100084；广州广电运通金融电子股份有限公司， 广东 广州510663)
为了解决不同领域的系统重复开发以及系统缺少动态增量式变化支持的问题，提出了基于本体的仿真物性参数适应性管理模型.在对仿真物性参数管理问题的通用业务与数据类型抽象的基础上，给出了其元模型的形式化定义与本体建模方法，并进一步给出其领域模型的建模方法与实例；分析了所提模型的领域适应性、动态扩展性以及数据的可进化性.最后，将基于该模型开发的系统应用于国内某ATM研发企业中，建立了面向柔性介质的可适应仿真物性参数管理系统，从而验证了所提模型的有效性.
物性参数管理；适应性模型；本体；元模型方法
仿真分析大量应用在现代产品的研发中，用于在实际样机生产之前分析评估所设计的零部件或产品在实际工作条件下的物理行为，如材料的应力分布、系统的动力学行为等[1-2].然而，仿真的好坏取决于仿真模型的精度，而高精度的仿真模型依赖于准确的仿真物性参数，即仿真中用于定义仿真模型物理特性的基础数据，如材料的强度、结合面摩擦系数等.
随着产品复杂度的提高、仿真分析的深入、各种新材料的使用，大量的基础物性数据无法在传统的数据库和手册中查到，因此很多实验室和企业开始测量所需物性参数，建设企业内或共享的面向某一特定领域的物性参数知识库，取得了不少研究成果.如针对冲压件成型过程数值仿真对板料力学性能参数的需求，文献[3]建立了面向高强度板料力学特性领域的板料力学性能参数共享数据库；文献[4-5]构建了切削参数知识库；文献[6]研究了针对机床结合面的动、静态基础特性参数数据库，为机床整机动力学建模与计算提供了有效的支持；文献[7]针对金属铸造过程数值模拟的热物性参数获取需求，开发了面向铸造仿真的材料热物性参数数据库等.
目前已有的研究主要是从各自的领域需求出发进行数据库与软件系统的研制.但是，从软件开发与数据管理方法的角度来看，这些研究还存在如下问题：①虽然现有研究是针对不同领域的物性参数管理问题，但即使是不同的领域，其物性参数的管理需求也具有较强的重合度，所需管理的数据对象及其关系也具有较强的类似性，因此大量研究人员和企业进行了很多不必要的数据库重复建设与软件开发；②企业在开发自己的仿真物性参数库时，其业务需求具有一定的不确定性，表现为物性参数管理的需求(如物理对象、参数的种类等)会随着仿真分析的深入而更加复杂和丰富.而目前所开发的各领域仿真物性参数管理系统，均是基于面向对象技术与关系数据库技术，一旦需求发生变动，处于紧耦合状态的数据模型中的对象、对象关系以及数据存储层需要进行代码重写才能响应变化，系统修改成本极高，缺乏对动态增量式变化的支持.
针对以上两个问题，文中根据适应性对象模型(AOM)的建模思路[8-11]，将本体[12-14]作为AOM元模型与领域模型标准化描述语言，构建了基于本体的仿真物性参数适应性管理(OASPM)模型，对OASPM模型的领域适应性、动态扩展性与数据进化性进行论证，并通过将基于OASPM模型开发的仿真物性参数管理系统应用于ATM设备研发企业来验证模型的有效性.
1 OASPM模型层次
OASPM模型的建模思路是：抽象出不同仿真物性参数管理领域的通用数据对象类型与数据处理规则，形成OASPM的元模型；针对某一给定领域，将元模型实例化为该领域仿真物性参数管理的具体数据类，并建立关联关系，实现该领域所需要的数据处理规则，形成OASPM的领域模型.同时，将上述元模型和领域模型使用本体进行建模和描述，形成一套完整的描述OASPM的本体模型，并保存在OWL格式文件中，使之独立于程序代码，实现系统运行时的增量式动态定义.
OASPM模型中的数据定义包含元模型层、领域模型层以及运行时实例层，如图1所示.其中，元模型是一组通用数据管理对象类型，它抽象了各个领域管理物性参数中的不同数据对象的相同特征，形成了面向不同领域仿真物性参数管理中数据的高层描述.元模型是OASPM的核心模型，因为它抽象了不同领域的相同特征，因而OASPM模型具有不同领域的适应性.
图1OASPM模型的层次
Fig.1Layers of OASPM
领域模型是针对某一具体领域，将上述通用数据管理对象类型进行实例化，形成面向该领域仿真物性参数管理的一组专用的数据对象类定义.领域模型依据元模型建立，保存在系统外部的本体文件中.
运行时实例层是系统在运行时存储在持久化数据库中的具体数据实例.运行时实例满足领域对象的定义，是对领域模型中领域对象的实例化，也是系统中实际的操作数据对象.
2 OASPM元模型
2.1元模型定义
OASPM元模型是一组仿真物性参数管理领域通用数据对象的元定义.无论是面向何种领域，企业仿真物性参数管理的目标是实现某些类物理对象的物性参数的测定、管理和查询.其通用基本数据类型是被测物理对象(如高强度板材/柔性介质(钞票、支票)等)以及所需管理的物性参数(如板材的强度、刚度，柔性介质的挺度、杨氏模量等).此外，仿真物性参数管理问题的基本数据类型还应包括数据记录类型以及相关支撑类数据类型.文中定义的OASPM元模型包括以下6类数据类型.
定义1属性类型是数据对象属性的元定义.属性用于描述对象的特征，如板材的编号，钞票的冠字号、新旧程度等.属性类型记为at：
at=〈atid，name，type，c1，c2，…，ck〉
(1)
式中：atid是属性类型的标识符；name是属性的语义描述，即属性的名称；type是属性取值类型的描述，OASPM元模型中提供一组基于本体定义的标准数据类型作为type的取值范围，如“string，int，enum”等；c1，c2，…，ck是属性的约束信息，如是否允许非空，取值长度约束等.
定义2物理对象类型是仿真物性参数管理中被测物理对象的元定义.物理对象实际上是对一类具有相同特征的物理实体的抽象，如某类型高强度板材、五成新美元等.而具体的物理对象在文中称为样本.物理对象o的类型记为ot：
ot=〈otid，oid，AT(o)〉
(2)
定义3样本类型是样本对象的元定义.样本是指具体存在的物理实体，是进行物性参数获取实验时的被测样本.样本对象s的类型记为st：
st=〈stid，sid，oid，AT(s)〉
(3)
式中，stid和sid分别是样本对象s的类型标识符和唯一标识符，oid是样本对象所属物理对象的唯一标识符，AT(s)是样本对象具有的属性集合.样本属性不同于物理对象属性，样本属性用于描述样本个体具有的特征，如钞票的冠字号等，每一张钞票都有自己唯一的冠字号.而物理对象属性则用于描述同一类样本具有的相同特征.
定义4物性参数类型是物性参数的元定义.物性参数描述物理对象的物理性质，不同的物理对象有不同的物性参数类型，如对于柔性介质，其物性参数包括挺度、环压强度、杨氏模量、表面光滑度等.物性参数对象p的类型记为pt：
pt=〈ptid，pid，AT(p)〉
(4)
式中：ptid和pid分别是物性参数对象p的类型标识符、唯一标识符；AT(p)是物性参数对象具有的属性集合，物性参数属性用于描述物性参数具有的特征，如单位、取值类型、长度约束等.
定义5数据记录类型是数据记录对象的元定义.数据记录对象本质上是物理对象和物性参数对象的联系对象，记录了具体物理对象的具体物性参数取值.数据记录对象r的类型记为rt：
rt=〈rtid，rid，pid，sta，O(r)，v，RS(r)，f〉
(5)
式中：rtid和rid分别是数据记录对象的类型标识符和唯一标识符；pid是数据记录对象中物性参数对象标识符；sta是数据记录对象的状态，如是否有效等；O(r)是数据记录对象中包含的物理对象标识符集合，一般情况下，O(r)只包含一个具体的物理对象，当物性参数为摩擦系数等涉及到相互作用的多个物理对象的多元参数时，O(r)将包含相关的一组物理对象；v是数据记录对象的取值，该取值可以是具体的数值、字符，也可以是一个引用，在OASPM元模型中v的值是一个导出值；RS(r)是数据记录对象r的样本数据记录对象的集合，样本数据记录对象类型的具体定义见定义6，样本集合中的样本对应的物理对象应为r中的物理对象，即
r.pid && rsi.S(rs).oid=r.O(r)}
(6)
计算规则f实现由样本物性参数值到物理对象物性参数值的计算，由程序实现.f的定义为
(7)
在数据记录对象类型中，将物理对象的物性参数值设计为一个导出值，数据记录对象记录该物性参数取值的数据源及获取规则.基于该设计，可以实现规则的配置，以及规则函数的重用.由于数据记录对象记录了数据的起源，当样本数据发生变化时，相应的物性参数值也会相应变更.
定义6样本数据记录类型是样本数据记录对象的元定义.样本数据记录保存了企业在具体试验中测量获得的样本物性参数数据.样本数据记录对象rs的类型记为rst：
rst=〈rstid，rsid，pid，S(rs)，v，AT(rs)〉
(8)
式中：rstid、rsid分别是样本数据记录对象的唯一类型标识符和唯一标识符；pid是样本数据记录对象的物性参数对象标识符；S(rs)是样本数据记录对象包含的样本对象标识符集合；v是物性参数的数值；AT(rs)是样本数据记录对象具有的属性集合，如该记录的实验设备、精度条件等.
2.2元模型的本体描述
在OASPM模型中，文中采用本体建模工具Protégé将上述元模型的数据类型定义使用本体进行显式的、规范化的描述，形成本体描述下的OASPM元模型.OASPM元模型对应本体的概念层，在本体描述下，各个数据类型表示为数据类型概念.图2所示为物理对象类型的资源描述框架(RDF)定义.
图2 OASPM元模型的本体描述示例
图2中“物理对象类型”被表示为OASPM本体中的一个概念，通过对象属性“has_att”与概念“属性对象类型”建立联系，表示物理对象类型的实例有多于一个的属性对象类型实例.此外，类型标识符otid表示“物理对象类型”概念的一个数据属性.对于对象标识符oid，由于oid定义的是对象而非类型的标识符，即oid属于实例而非数据类型，因此在进行本体建模时，需要为oid建立一个虚拟类型概念，并通过对象属性“has_oid”与概念“属性对象类型”建立联系.“has_oid”及“has_otid”都是一元关系，即物理对象类型ot只能有一个oid和otid.对于其他对象标识符，如物性参数对象标识符pid等，其本体建模的处理方式也是类似的.
3 OASPM领域模型
OASPM领域模型是依据元模型，即通用基本数据类型定义，针对不同的仿真物性参数管理领域建立的一组领域数据对象模型.
对于柔性介质的仿真物性参数管理而言，其涉及的主要物理对象包括各类型钞票、支票以及与柔性介质相互接触的不同类型橡胶等.而不同的物理对象具有的属性不同，如钞票有面额、币种、新旧程度等，不同面额、新旧程度的钞票的物性参数差别很大.需要测量的物性参数则包括杨氏模量、环压强度、挺度、摩擦系数等.表1所示为该领域模型包含的物理对象类型的数据对象示例.
表1面向柔性介质的仿真物性参数管理领域模型
Table 1Domain model for simulation parameter physical management of flexible media
领域数据类定义钞票类Banknote=
在OASPM模型中，元模型采用了本体描述，因此其领域模型可以直接使用本体建模工具Protégé，依据元模型中的本体概念定义进行实例建模，避免了工程师直接编写领域模型XML文件.OASPM领域模型在本体描述下即是数据类型概念的实例.钞票类的本体定义如下:
其中，钞票类被定义为一个命名的概念实例，从属于概念“物理对象数据类型”，因此必须符合概念“物理对象数据类型”的定义.
4 OASPM模型特性
4.1领域适应性
领域适应性是指OASPM模型支持不同领域仿真物性参数管理的对象建模，基于OASPM模型和解释引擎，软件系统能够直接应用于不同的领域.由于OASPM模型采用了适应性模型的建模思路，其元模型对应AOM核心架构中的知识层，该知识层定义了一组面向仿真物性参数管理领域的通用数据类型.软件系统的解释引擎依据该通用数据类型进行开发，就可以处理满足数据类型定义的各个领域不同的数据类对象.
4.2动态扩展性
动态扩展性是指OASPM模型能支持软件系统的动态增量式修改而无需修改程序代码.动态扩展性依赖于OASPM模型中类与属性的解耦和可配置.
在一般面向对象编程模式下，子类继承父类的类结构(见图3(a))，父类包含了子类中相同的属性与方法，而子类则具有自己专有的属性和方法.如在仿真物性参数管理领域，钞票类、支票类是物理对象类的子类，这种类继承结构由程序代码实现.当系统需要进行子类的扩展，如添加接触材料类，或者增加已有子类的属性，如添加钞票某一类属性时，需要编写新的子类程序代码或者修改已有子类代码添加属性，同时应修改相关的数据操作程序等.由于具体子类以及子类中的属性没有固化在程序中，而是保存在本体定义的领域模型文件中，因此在领域需求发生变化，如需要添加子类或者属性时，只需按照元模型中的定义修改领域模型文件即可，而无需修改解释引擎中的通用父类实现.因而，OASPM模型能够支持仿真物性参数管理系统的子类与属性的动态扩展.
(a)一般子类继承结构
(b)基于OASPM模型的子类继承结构
Fig.3Comparison of implement structure between two kinds of subclass
4.3数据可进化性
数据可进化性是指OASPM模型能够支持系统中物性参数的数据记录跟随测量实验的开展或业务变更而自动更新.如图4所示，样本数据记录为物性参数的数据源，数据源保存在数据记录对象中，即r.rs数据源可以随着实验的开展而更加丰富和准确，在数据源发生变化后，触发器将调用数据记录对象中的规则r.f重新计算得出某物理对象的物性参数取值.同时，OASPM模型中采用策略模式将数据处理规则与数据记录对象分离，实现同一数据记录对象的规则可配置与不同数据记录对象的规则可重用.
图4物性参数数据的可进化性
Fig.4Evolvability of physical parameter data
5 系统应用
5.1系统结构
基于OASPM模型开发了一套仿真物性参数管理系统(SPMS).SPMS采用J2EE平台技术及浏览器/服务器架构，具有跨平台特性，可实现Windows、Linux等操作系统的快速部署.其结构见图5.
图5SPMS结构
Fig.5Structure of SPMS
SPMS系统结构包含系统定义文件、应用程序与数据实例存储3部分.系统定义文件是本体描述下的OASPM模型元模型文件以及针对不同领域开发的领域模型文件.这两类文件均保存在OWL格式的本体定义文件中.应用程序是SPMS的核心，其中XML解析器采用Jena引擎，用于解析本体定义文件.数据实例存储部分由数据库程序实现.SPMS系统采用典型的NoSqL数据库MongoDB[15]来存储持久化数据实例.
5.2应用实例
广电运通是中国最大的ATM机制造商，随着企业的快速发展，逐渐进入到以自主创新为主的研发模式，仿真技术日渐成为研发过程的重要环节.采集、测量获取一批核心仿真物性参数，形成仿真物性参数库，已经是一项重要的工程需求.与此同时，参数库的体量、复杂度等随着仿真技术的深入应用而不断提升，因此对物性参数库管理的高效性、查询便捷性、扩展性提出了较高的要求.
文中开发的SPMS完整地解决了广电运通建设面向柔性介质仿真物性参数管理系统的需求.该系统领域模型建立好之后可直接应用于系统中.图6为SPMS基于领域模型生成的运行时对象，运行时对象按照继承结构分为6类，对应于元模型中的6种数据类型.图中左侧按树的形式对系统运行时对象进行组织，而右侧则显示了支票对象的定义.当企业对仿真物性参数的管理需求发生变化时，可以直接修改领域模型定义的本体文件，SPMS重新生成运行时对象.
图6SPMS基于领域模型生成的运行时对象
Fig.6Run-time object generated by domain model of SPMS
图7为SPMS应用于广电运通实现面向柔性介质的仿真物性参数管理界面.左侧界面显示了SPMS所支持的可扩展查询，系统查询接口统一化为基于属性的查询，而具体基于哪些属性则由系统外实现，领域工程师可以随着数据的丰富与业务的变化灵活配置查询.右侧界面是系统的主界面，其左侧为系统中基于属性分类的物理实体导航树，属性分类的层次在系统视图中进行配置，其通用逻辑是依据物理对象属性值进行分类形成树结构.这种设计使系统界面具有良好的适应性，即根据元定义好的属性的结构进行展示，而具体的数据则在运行时给出.图7中右侧显示了五成新5美元的物性参数表，包含了环压强度、杨氏模量、质量以及几何参数等，方便工程师在进行动力学仿真时使用.
图7SPMS应用于柔性介质物性参数管理的界面
Fig.7Interface of SPMS applied in physical parameter ma-nagement for flexible media
SPMS在具体实施时，通过领域本体生成的Excel数据模板，实现了首批573组原始数据、中间数据、结果数据的快速导入.根据领域本体动态生成的实验数据查询树，为仿真人员提供了快速获取所需物性参数的入口，数据源的查看使仿真人员能够了解物性参数测量方式，从而有效评估参数的适用范围.而得益于领域模型与程序本身的解耦，在物性参数库需要变更或扩展时，并不需要重新编译整个管理系统，而只须通过修改独立存在的领域模型本体文件，系统就可以根据新的领域模型建立相应的数据模板、数据来源、查询模式、统计方式，从而实现了系统的高度可扩展性，为企业今后的参数库扩展提供了框架支持.
6 结论
针对仿真物性参数管理问题，文中提出了基于本体的仿真物性参数适应性管理(OASPM)模型，以使物性参数管理系统可应用于不同的领域，同时支持系统的增量式动态扩展，以快速响应企业研发中变化的业务管理需求；文中使用本体的概念层定义OASPM模型的元模型，使用本体的实例层定义OASPM模型的领域模型，分析了OASPM模型的领域适应性、动态扩展性与仿真物性参数数据的可进化性，并将所开发的SPMS应用于国内最大的ATM研发公司，实现了面向柔性介质的仿真物性参数管理，进一步验证了OASPM模型的有效性.
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s： Supported by the National Science and Technology Major Project(2011ZX02403) and the National Natural Science Foundation of China(51175287) .
Ontology-Based Adaptive Object Model for Simulated Physical Parameter Management
WUYuan-hao1LUOPan-feng2，3ZHANGCheng-wei1TIANLing1YOU Zheng2
(1. Department of Mechanical Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， China；2. Department of Precision Instrument， Tsinghua University， Beijing 100084， China；3. GRG Banking Equipment Co.， Ltd.， Guangzhou 510663， Guangdong， China)
In order to avoid the repeated system development in different domains and support the model redefinition and extension at run time, an ontology-based adaptive object model for simulated physical parameter management is constructed. By abstracting the general high-level data type in simulated physical parameter management, the formal definition and ontology modeling method of the corresponding meta-model are presented, and the mode-ling method and cases of the corresponding domain model is further presented. Moreover, the domain adaptability, dynamic extendibility, and data evolvability of the proposed model are analyzed. Finally, the proposed model is applied in the physical parameter management system for the flexible media domain in an ATM development company. Thus, the effectiveness of the proposed model is verified.
physical parameter management； adaptive object model； ontology； meta-model method
1000-565X(2016)09-0009-07
2015-09-21
国家科技部重大专项(2011ZX02403);国家自然科学基金资助项目(51175287)
武园浩(1987-),男,博士生,主要从事产品数据管理、产品仿真与集成、仿真知识管理研究.E-mail:wyh35071208@126.com
TP 391.7；TP29
10.3969/j.issn.1000-565X.2016.09.002
