基于知识工程的航天器总体设计方法、平台及存储介质

技术领域

本发明实施例涉及航空器设计技术领域，尤其涉及一种基于知识工程的航天器总体设计方法、平台及存储介质。

背景技术

国内航天器的研发经历了50年的发展历程，积累了大量的设计知识和丰富的专业经验，并形成了诸如技术指标、设计手册在内的丰富且宝贵的知识资源。这些知识资源经过了大量物理试验以及多次型号研制的考验，在航天器研发时具有极大的指导意义和应用价值。但是，这些知识资源往往掌握在设计员个体并没有共享出来，也没有出现适合的设计平台将这些知识资源有效地融入到型号总体研发过程，因而很难形成总体方案快速设计能力，造成了巨大的技术资源浪费。此外，传统的基于经验和物理模型的航天器设计方法也存在很大的局限性，无法充分的借鉴和利用以往型号的研制经验以将其转化成为指导新型号研制的定量化知识。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种基于知识工程的航天器总体设计方法、平台及存储介质；通过对已累积的大量的设计知识和专家经验进行处理，形成可重复利用的且具有一定推理能力的设计知识，并且构建应用于航天器总体设计过程中的知识系统，能够在后续新型号航天器的研发的过程中起到指导设计和辅助决策的功能，实现快速、可靠、智能化地知识获取。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于知识工程的航天器总体设计方法，所述方法包括：

根据历史航天器总体设计阶段所形成的设计数据构造航天器总体设计的知识库；

按照航天器总体设计流程，架构知识库结构；

采用基于本体的知识表示法对获取的设计知识进行知识表示，并按照已构建的知识库结构，创建航天器总体设计知识本体；

根据航天器总体设计过程的复杂性，以层级化结构创建航天器总体设计本体，形成由顶层需求到详细设计活动的航天器总体设计各级本体；

开发基于SWRL语言的本体推理引擎，针对已创建的航天器总体设计本体，构建相应的航天器总体设计规则，使得在新型号航天器总体设计过程中，能够通过本体对所需要的设计知识进行精准查询。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于知识工程的航天器总体设计平台，所述平台包括：知识获取部分、知识表示部分和知识推理部分；其中，

所述知识获取部分，经配置为根据历史航天器总体设计阶段所形成的设计数据构造航天器总体设计的知识库；

所述知识表示部分，经配置为：

按照航天器总体设计流程，架构知识库结构；以及，

采用基于本体的知识表示法对获取的设计知识进行知识表示，并按照已构建的知识库结构，创建航天器总体设计知识本体；以及，

根据航天器总体设计过程的复杂性，以层级化结构创建航天器总体设计本体，形成由顶层需求到详细设计活动的航天器总体设计各级本体；

所述知识推理部分，经配置为：开发基于SWRL语言的本体推理引擎，针对已创建的航天器总体设计本体，构建相应的航天器总体设计规则，使得在新型号航天器总体设计过程中，能够通过本体对所需要的设计知识进行精准查询。

第三方面，本发明实施例提供了一种计算设备，包括：

存储器，用于存储能够在处理器上运行的计算机程序；

所述处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行第一方面所述基于知识工程的航天器总体设计方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有基于知识工程的航天器总体设计程序，所述基于知识工程的航天器总体设计程序被至少一个处理器执行时实现第一方面所述基于知识工程的航天器总体设计方法步骤。

本发明实施例提供了一种基于知识工程的航天器总体设计方法、平台及存储介质；对已累积的大量的设计知识和专家经验设计数据进行知识获取以及本体化处理，并结合本体推理引擎形成可重复利用的且具有一定推理能力的设计知识本体库，从而构建得到应用于航天器总体设计过程中的知识系统，能够在后续新型号航天器的研发的过程中起到指导设计和辅助决策的功能，实现快速、可靠、智能化地知识获取。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于知识工程的航天器总体设计方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的知识获取流程示意图；

图3为本发明实施例提供的卫星总体设计阶段示意图；

图4为本发明实施例提供的构建航天器总体设计的各级本体流程示意图；

图5为本发明实施例提供的航天器总体设计过程一级本体示意图；

图6为本发明实施例提供的航天器总体设计过程二级本体示意图；

图7为本发明实施例提供的本体推理引擎的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的本体推理引擎的工作流程示意图；

图9为本发明实施例提供的查询页面示意图；

图10为本发明实施例提供的一种基于知识工程的航天器总体设计平台的组成示意图；

图11为本发明实施例提供的一种计算设备的具体硬件结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种基于知识工程的航天器总体设计方法，该方法可以包括：

S11：根据历史航天器总体设计阶段所形成的设计数据构造航天器总体设计的知识库；

S12：按照航天器总体设计流程，架构知识库结构；

S13：采用基于本体的知识表示法对获取的设计知识进行知识表示，并按照已构建的知识库结构，创建航天器总体设计知识本体；

S14：根据航天器总体设计过程的复杂性，以层级化结构创建航天器总体设计本体，形成由顶层需求到详细设计活动的航天器总体设计各级本体；

S15：开发基于SWRL语言的本体推理引擎，针对已创建的航天器总体设计本体，构建相应的航天器总体设计规则，使得在新型号航天器总体设计过程中，能够通过本体对所需要的设计知识进行精准查询。

通过图1所示的技术方案，对已累积的大量的设计知识和专家经验设计数据进行知识获取以及本体化处理，并结合本体推理引擎形成可重复利用的且具有一定推理能力的设计知识本体库，从而构建得到应用于航天器总体设计过程中的知识系统，能够在后续新型号航天器的研发的过程中起到指导设计和辅助决策的功能，实现快速、可靠、智能化地知识获取。

需要说明的是，随着航天器总体设计长期的发展，历史航天器总体设计阶段积累形成了大量的设计数据，这些数据结构复杂、格式众多。但是仍然能够将其划分为三种类型，即结构化设计数据、半结构化设计数据以及非结构化设计数据。举例来说，航天器总体设计阶段所形成的实体关系图、关系数据库和XML格式数据等符合标准格式的数据均属于结构化设计数据；不完全符合标准格式的数据位半结构设计数据；名词概念、经验知识等通常并完全不符合标准格式的数据则为非结构设计数据。基于此，对于图1所示的技术方案，在一些实例中，所述根据历史航天器总体设计阶段所形成的设计数据构造航天器总体设计的知识库，可以包括：

将所述结构化设计数据映射转化为资源描述框架(RDF，Resource DescriptionFramework)格式数据；

将所述非结构化数据或半结构化数据按照RDF格式抽取实例内容、关系内容以及属性内容，并将所述实例内容、关系内容以及属性内容构建所述非结构化设计数据或半结构化数据对应的RDF格式数据；

将基于映射以及构建获得RDF格式数据进行指代消解和实体消歧，形成所述航天器总体设计的知识库。

对于上述实例，具体来说，如图2所示，由于结构化设计数据通常具有标准格式，因此，可以实现由数据到资源描述框架的映射转换，对应形成符合RDF格式的以实例为核心的三元组数据。对于不属于结构化设计数据的非结构化数据以及半结构化数据则按照RDF的三元组格式进行实例内容、关系内容以及属性内容的抽取，从而获得对应的符合RDF格式的三元组数据。最后，为了消除数据指代以及含义上的混淆，需要将根据结构化设计数据、非结构化数据以及半结构化数据所获得三元组数据进行指代消解和实体消歧；详细来说，在实际应用中，同一个词在不同的上下文中表达不同的含义，会有不同的意思，因此需要进行实体消歧(Disambiguation)，实体消歧的目的是将同一个词根据不同的上下文对应不同的实体，如对于“东方红”，出现在文艺艺术的上下文语境中，则可以确定为歌曲名称，但是若出现在航天器相关的上下文语境中，则可以确定为特定的航天器型号；此外，指代消解(Co-reference Resolution)也是知识融合中的重要一步，在实际的设计数据场景下，通常会有很多指代词如“他”、“它”、“她们”等等，此时就需要确定每个指代词对应的实体，如对于一句话“张三昨天因为去旁听了李四的听证会，所以没有来上班，但是他今天来上班了。”其中的“他”经过指代消解后，可以确定指代的具体是指“张三”，而不是“李四”。经过三元组数据极星进行指代消解和实体消歧等操作后，就能够形成所述航天器总体设计的知识库以供后续步骤执行时使用。

对于图1所示的技术方案，在一些实例中，所述按照航天器总体设计流程，架构知识库结构，包括：根据航天器总体设计流程涉及的相关知识的特点，构建以概念库、属性库和关系库为组成的知识库结构。

对于上述实例，具体来说，可以根据航天器总体设计流程及各分系统的组成，对知识获取的范围和知识库的组织结构进行定义。从而获得如图3所示的三种类别的知识库：概念库、属性库和关系库，从而能够在知识获取过程中对相关的设计知识进行获取以及分类存储。以图3所示的卫星总体设计阶段为例，概念库包括概念描述，比如卫星各系统实体概念、卫星各系统事实概念、卫星各系统过程概念以及卫星各系统关系概念等；关系库用于描述概念间的关系，比如部分(PART-OF)、种类(KIND-OF)、实例(INSTANCE-OF)以及属性(ATTRIBUTE-OF)；属性库用于描述概念的属性，比如字符属性、数字属性等。

对于图1所示的技术方案，需要说明的是，本体是对领域实体存在本质的抽象，强调实体间的关联；而基于本体的知识表示法可以通过多种知识表示元素将这些关联表达和反映出来。在根据多类别知识库获得航天器总体设计本体之后，可以结合航天器总体设计流程的层级结构，将航天器总体设计本体展开成具有层级化结构的本体库，最后在诸如Protégé的本体编辑和知识获取软件，环境下，构建航天器总体设计的各级本体。在一些示例中，如图4所示，所述构建航天器总体设计的各级本体，包括：

S41：定义本体的获取范围，即获取知识处于总体设计的具体步骤；

S42：定义本体中所需的知识条目，即通过编译获取规则，对结构化设计数据和非结构化设计数据进行知识获取，对获取知识条目进行评估和人工复核，得到支持完成总体设计的获取标准，形成知识库；

S43：定义获取知识类别，即将知识库中知识条目进行类别分类；可以理解地，S43可以与S42同时进行，按照定义好的类别去填充知识条目；

S44：定义知识类别的属性，即进行实体属性和数据属性，定义域和值域，实体属性特征的定义；

S45：创立知识实体，即根据知识库中的数据，在本体创建对应的知识实体。

在本发明实施例中，对于航天器总体设计流程的层级结构来说，其可以包括如图5和图6所示两级本体，具体来说，参见图5所示的航天器总体设计的一级本体，其可以被标记为卫星设计过程本体O

可以理解地，通过上述层级结构将航天器总体设计本体进行展开，并借助Protégé的本体编辑和知识获取软件获得航天器总体设计的各级本体。

对于图1所示的技术方案，在一些实例中，所述开发基于SWRL语言的本体推理引擎，针对已创建的航天器总体设计本体，构建相应的航天器总体设计规则，使得在新型号航天器总体设计过程中，能够通过本体对所需要的设计知识进行精准查询，包括：

运用本体推理引擎对航天器总体设计过程中的设计规则进行编译；

将编译后的设计规则应用于已构建的航天器总体设计的各级本体中，以使得已构建的航天器总体设计的各级本体具有对于设计过程中的知识的推理功能；

在新型号航天器总体设计过程中，通过本体对所需要的设计知识进行精准查询。

对于上述实例，首先需要说明的是，推理规则的编译示例如下所示：

Attitude_Stabilization_Methods(？x)∧has_fast_act_requirement(？x,？y)∧Fast_Act_Requirement(？y,Yes)→Three_Axis_Stabilization(？x)

上述实例所表示的内容为：如果x是一种姿态稳定方式，且x可以满足敏捷机动要求，则x是三轴稳定方式。

其次，所述本体推理引擎的结构如图7所示，参见图7，本体推理引擎可以包括总控模块、解释器和多种类的推理机，比如框架推理机、规则推理机、方法推理机、示例推理机以及场景推理机。多种类的推理机与解释器相连接，并且连同解释器和总控模块相连接。而总控模块用于本体推理引擎与外界的信息交互，该外界可以包括知识获取模型，该知识获取模型可以是用于实现图1所示技术方案中的S11和S12，具体来说，知识获取模型中的知识获取引擎根据由专家形成的设计数据空间构建知识库，并将知识库进行分类，形成知识库系统，比如该知识库系统可以包括事实库、实例库、模型库、方法库、参数库、规则库和场景库。总控模块能够与知识模型中的设计数据空间和知识库系统进行信息交互。

再次，当已构建的航天器总体设计的各级本体具有对于设计过程中的知识的推理功能后，基于所述本体推理引擎的工作流程如图8所示，参见图8，可以包括：

S81：获取推理请求；

S82：判断推理请求的类型：若为规则推理请求，则执行S83：通过规则推理机进行推理；若为方法推理请求，则执行S84：通过方法推理机进行推理；若为框架推理请求，则执行S85：通过框架推理机进行推理；若为实例推理请求，则执行S86：通过实例推理机进行推理；若为场景推理请求，则执行S87：通过场景推理机进行推理；

S88：将完成推理的请求通过解释器进行解释；

S89：判断是否还有新的推理请求：若是，则返回S82继续判断新的推理请求的类型；否则，结束本流程。

最后，当新型号航天器设计过程中产生了对于设计知识的需求时，可以通过protégé软件的界面，对已构建的航天器总体设计本体进行查询，得到辅助设计的查询结果。如图9所示，当对电源分系统中功率预算的计算流程进行查询是，可以显示出，该流程结果包括“估算整个飞行任务寿命期的功率衰减”、“确定蓄电池容量”以及“确定运行功率预算”。

通过前述技术方案，对已累积的大量的设计知识和专家经验设计数据进行知识获取以及本体化处理，并结合本体推理引擎形成可重复利用的且具有一定推理能力的设计知识本体库，从而构建得到应用于航天器总体设计过程中的知识系统，能够在后续新型号航天器的研发的过程中起到指导设计和辅助决策的功能，实现快速、可靠、智能化地知识获取。

基于前述技术方案相同的发明构思，参见图10，其示出了本发明实施例提供的一种基于知识工程的航天器总体设计平台100，所述平台100包括：知识获取部分1001、知识表示部分1002和知识推理部分1003；其中，

所述知识获取部分1001，经配置为根据历史航天器总体设计阶段所形成的设计数据构造航天器总体设计的知识库；

所述知识表示部分1002，经配置为：

按照航天器总体设计流程，架构知识库结构；以及，

采用基于本体的知识表示法对获取的设计知识进行知识表示，并按照已构建的知识库结构，创建航天器总体设计知识本体；以及，

根据航天器总体设计过程的复杂性，以层级化结构创建航天器总体设计本体，形成由顶层需求到详细设计活动的航天器总体设计各级本体；

所述知识推理部分1003，经配置为：开发基于SWRL语言的本体推理引擎，针对已创建的航天器总体设计本体，构建相应的航天器总体设计规则，使得在新型号航天器总体设计过程中，能够通过本体对所需要的设计知识进行精准查询。

在上述方案中，所述知识获取部分1001，经配置为：

将所述结构化设计数据映射转化为资源描述框架RDF格式数据；

将所述非结构化数据或半结构化数据按照RDF格式抽取实例内容、关系内容以及属性内容，并将所述实例内容、关系内容以及属性内容构建所述非结构化设计数据或半结构化数据对应的RDF格式数据；

将基于映射以及构建获得RDF格式数据进行指代消解和实体消歧，形成所述航天器总体设计的知识库。

在上述方案中，所述知识表示部分1002，经配置为：

根据航天器总体设计流程涉及的相关知识的特点，构建以概念库、属性库和关系库为组成的知识库结构；其中，所述概念库包括概念描述，所述关系库用于描述概念间的关系，所述属性库用于描述概念的属性。

在上述方案中，所述知识表示部分1002，经配置为：

定义本体的获取范围，即获取知识处于总体设计的具体步骤；

定义本体中所需的知识条目，即通过编译获取规则，对结构化设计数据和非结构化设计数据进行知识获取，对获取知识条目进行评估和人工复核，得到支持完成总体设计的获取标准，形成知识库；

定义获取知识类别，即将知识库中知识条目进行类别分类；

定义知识类别的属性，即进行实体属性和数据属性，定义域和值域，实体属性特征的定义；

创立知识实体，即根据知识库中的数据，在本体创建对应的知识实体。

在上述方案中，所述知识推理部分1003，经配置为：

运用本体推理引擎对航天器总体设计过程中的设计规则进行编译；

将编译后的设计规则应用于已构建的航天器总体设计的各级本体中，以使得已构建的航天器总体设计的各级本体具有对于设计过程中的知识的推理功能；

在新型号航天器总体设计过程中，基于具有推理功能的航天器总体设计的各级本体对待查询的航天器总体设计知识进行响应。

具体来说，所述本体推理引擎包括总控模块、解释器和多种类的推理机；其中，所述多种类的推理机与所述解释器相连接，并且连同所述解释器和所述总控模块相连接；所述总控模块用于所述本体推理引擎与外界的信息交互。

进一步来说，所述本体推理引擎的工作流程如图8所示，本发明实施例对此不做赘述。

可以理解地，在本实施例中，“部分”可以是部分电路、部分处理器、部分程序或软件等等，当然也可以是单元，还可以是模块也可以是非模块化的。

另外，在本实施例中的各组成部分可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并非作为独立的产品进行销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中，基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或processor(处理器)执行本实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

因此，本实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有基于知识工程的航天器总体设计程序，所述基于知识工程的航天器总体设计程序被至少一个处理器执行时实现上述技术方案中所述基于知识工程的航天器总体设计方法步骤。

根据上述基于知识工程的航天器总体设计平台100以及计算机存储介质，参见图11，其示出了本发明实施例提供的一种能够实施上述基于知识工程的航天器总体设计平台100的计算设备110的具体硬件结构，该计算设备110具体可以为无线装置、移动或蜂窝电话(包含所谓的智能电话)、个人数字助理(PDA)、视频游戏控制台(包含视频显示器、移动视频游戏装置、移动视频会议单元)、膝上型计算机、桌上型计算机、电视机顶盒、平板计算装置、电子书阅读器、固定或移动媒体播放器，等。计算设备110可以包括：通信接口1101，存储器1102和处理器1103；各个组件通过总线系统1104耦合在一起。可理解，总线系统1104用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统1104除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图11中将各种总线都标为总线系统1104。其中，

所述通信接口1101，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，信号的接收和发送；

所述存储器1102，用于存储能够在所述处理器1103上运行的计算机程序；

所述处理器1103，用于在运行所述计算机程序时，执行上述技术方案中所述基于知识工程的航天器总体设计方法步骤。本发明实施例对此不做赘述。

可以理解，本发明实施例中的存储器1102可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double DataRate SDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(Direct Rambus RAM，DRRAM)。本文描述的系统和方法的存储器1102旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

而处理器1103可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器1103中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器1103可以是通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器1102，处理器1103读取存储器1102中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

可以理解的是，本文描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuits，ASIC)、数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、数字信号处理设备(DSP Device，DSPD)、可编程逻辑设备(Programmable LogicDevice，PLD)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本申请所述功能的其它电子单元或其组合中。

对于软件实现，可通过执行本文所述功能的模块(例如过程、函数等)来实现本文所述的技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。

需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。