科学信息本体引导结构参量规模研究
王汉熙1，周祖德1，胡树华2
(1. 武汉理工大学 数字制造湖北省重点实验室，湖北 武汉，430070；
2. 武汉理工大学 管理学院，湖北 武汉，430070)
摘 要：基于科学存在原型结构(PSSB)，以数字制造所涉及的信息智能组构为目标，采用解构方法，讨论科学信息本体结构(OSSI)的运行机制和参量结构。通过结构辨识，提出科学信息生成模块(SICM)是通过引导结构(GS)将科学原构数据(SPCD)导构为科学结构数据(SRD)的功能载体。通过逻辑辨识，提出SPCD→SPCDG(科学原构数据因子)→SRD的变构路径。通过参量辨识，提出由引导工具(GT)、引导指针(GP)、引导模板(GTe)和引导规则(GR)组成的GS参量结构。通过功能辨识，提出将SPCD引导为SRD的GT结构模型。基于GP建立三维分形结构模型和准三维构形结构模型。通过行为辨识，提出由GTe提供变构机制(TM)，GP提供导航机制(GM)，GR提供控制机制(CM)，GT提供传递机制(TrM)。科学信息本体引导结构参量包括：9种FT，12种CT，9种FP，12种CP，9种FR，12种CR，3类9种TR。
关键词：科学存在原型结构；科学信息本体结构；科学信息生成模块；科学原构数据；科学结构数据；引导结构
中图分类号：G201，H0-05 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2010)05-1845-10
Guiding structure of scientific information ontology
WANG Han-xi1, ZHOU Zu-de1, HU Shu-hua2
(1. Digital Manufacture Key Laboratory of Hubei Province, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;
2. Management School, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)
Abstract: On the basis of the prototype structure of scientific being (PSSB), with intelligent organization of information involved in digital manufacture as the objective, using the method of deconstruction, the operation mechanism and the parameter structure of the ontological structure of scientific information (OSSI) were discussed. Through structure identification, the scientific information creation module (SICM) which is the function vehicle for scientific prototype construction data (SPCD) being transformed via the guiding structure (GS) into scientific reconstruction data (SRD) were presented. Through logic identification the routes of SPCD→SPCDG→SRD transformation were presented. Through parameter identification, the GS parameter structure consisting of guiding tools (GT), guiding pointers (GP), guiding templates (GTe) and guiding rules (GR) were presented. Through function identification, the GT structure model to guide SPCD into SRD were presented. Based on the GP, a 3D model of fractal structure and a quasi 3D model of configuration structure were constructed. Through performance identification the GTe provides the transformation mechanism (TM), the GP provides the guiding mechanism (GM), the GR provides the control mechanism (CM) and the GT provides the transmission mechanism (TrM). The parameter framework of the guiding structure of scientific information ontology includes 9 FT, 12 CT, 9 FP, 12 CP, 9 FR, 12 CR as well as 9 TR of 3 kinds.
Key words: prototype structure of scientific being; ontological structure of scientific information; scientific information creation module; scientific prototype construction data; scientific reconstruction data; guiding structure
不同属性的制造信息依据召唤自动组构乃至智能组构[1-3]，是数字制造得以实现的关键环节。谢庆生[4]提出通过构建面向全球化制造的ASP平台实现制造信息聚合；胡业发等[5]提出采用数字产品信息多态模型组构产品的数字集成模型；蔡兰等[6]提出“设计信息+生产信息+装备信息+管理信息+企业信息”系统化数字集成概念。国家自然科学基金重大项目《现代制造系统的理论、建模及运行模式》的研究[7]认识到制造对象、制造过程、制造工具的系统化建模对于现代制造的基础价值。杨文玉等[8]提出了制造工程中的几何推理方法；张伯鹏[9]创立了制造信息学的若干基础建模规则；朱云龙等[10]提出了企业过程建模方法；金鹏等[11]提出了企业性能建模方法。制造对象、制造过程、制造工具所属参量的数字化表征，是数字制造科学研究中的重要科学问题[12-14]。为此，国家自然科学基金将产品信息的数字表达、制造过程的数字建模等作为数字制造与数字装备的关键科学问题列为国家自然科学基金“十一五”发展战略方向[15]。熊有伦等[16]认为“多维、多源、异构的制造信息的形式化描述与数字化表示”是数字制造的重大基础科学问题。如果从数字形态科学研究和工程实现等角度观察，不同属性的科学信息的自动组构和智能组构，将是一个更为前沿的科学探索领域。因此，信息的结构、度量和存贮成为重要的研究方向。胡丹等[17]讨论了规则和规则的信息量的度量，王越等[18]提出了一种基于多活性代理的复杂信息系统的研究方法，张建中等[19]讨论了一种基于SAN架构的存储网络系统的实现方式。为了实现信息的自动组构乃至智能组构，需要关注信息生成、变构的形式过程及其活动载体。王汉熙等[20-21]通过推动历史文明进展的3次科学著作翻译运动证实了科学信息本体结构(Ontological structure of scientific information，OSSI)的历史存在，并提出了OSSI的运行机理、运行机制和运行体制。由此，作为将科学研究过程中形成的原构数据导构为科学信息的功能载体，有必要讨论OSSI的行为方式及其参量结构。
1 科学信息传递机制
1.1 科学存在原型结构
世界的本原称之为Being。科学活动的核心在于通过一个既定的形式框架将特定研究领域的基础规律归纳为一个稳定的知识内核(Knowledge kernel，KK)。科学的这种形式框架称之为科学存在原型结构(Prototype structure of scientific being，PSSB)(见图1)。
(1) 存在本体结构(Structure of being ontological，SBO)以规定性(stipulativeness)、规律性(regularity)和规范性(normativity)等归纳科学存在(SB)。
(2) 存在认知形态(Form of being cognition，FBC)以认识结构(Cognition structure，CS)、方法结构(Approach structure，AS)和工具结构(Tool structure，TS)为获取SBO开辟了通道。
图1 科学存在原型结构
Fig.1 Prototype structure of scientific being (PSSB)
(3) 存在认知对象(Object of being cognition，OBC)以认知主体(Subject of cognition，SC)、认知介体(Medium of cognition，MC)和认知客体(Object of cognition，OC)界定获取SBO时人与自然的相互关系。
(4) 语言文字系统(System of language characters，SLC)以记录语言(Note language，NL)、计数语言(Count language，CL)、交流语言(Intercommunion language，IL)和传播语言(Transmit language，TL)构建起记录、描述、传播、交流SBO的语言载体。
(5) 客观自然系统(System of impersonality nature，SIN)通过时间结构(Time structure，TS)、物质结构(Matter structure，MS)和空间结构(Space structure，SS)界定了SBO存在的基础。
1.2 科学研究能力信息层次结构
科学研究能力体系(Scientific research ability system, SRAS)在科学优先权结构起点效应(Structure starting-point effect of scientific priority，SSPESP)驱动下，由PSSB中的SC依据FBC设立的范式结构(见图2)展开科学实践，首先获得科学原构数据(Scientific prototype construction data，SPCD)。由于SPCD本身的无序性，需要在SRAS相关层面上将其变构为科学结构数据(Scientific reconstruction data，SRD)。
图2 科学研究能力信息层次结构
Fig.2 IHS of SRAS
1.3 科学信息本体结构
在SRAS中，科学信息本体结构(Ontological structure of scientific information，OSSI)由科学信息生成模块(Scientific information creation module，SICM)、科学信息驱动模块(Scientific information drive module，SIDM)和科学信息发布模块(Scientific information issuance module，SIIM)共同构成，是科学信息由SPCD变构为SRD的承载载体。
SICM的核心功能是将科学实验产生的SPCD引导变构为SRD(见图3)。引导结构(Guiding structure，GS)是将SPCD引导为SRD的功能载体，记录载体(Record carrier，RC)是科学信息的承载载体。
图3 科学信息生成模块结构模型
Fig.3 SICM structure model
1.4 科学数据变构路径
GS的核心功能是将SPCD导构为SRD，其变构有2步：一是科学原构数据引导结构(Guiding structure of scientific prototype construction data，GSSPCD)使SPCD根据KK层次结构逐次因子化，形成科学原构数据因子(Scientific prototype construction data gene，SPCDG)；二是通过科学结构数据引导结构(Guiding structure of scientific reconstruction data，GSSRD)使SPCDG根据IHSSRAS的实现结构化，形成SRD (见图4)。
图4 科学数据变构路径
Fig.4 Scientific date transformation path
2 引导结构
GS由引导工具(Guiding tool，GT)、引导指针(Guiding pointer，GP)、引导模板(Guiding template，GTe)和引导规则(Guiding rule，GR)共同组成，因而可将其看作是科学数据变构工具平台。
2.1 引导工具
GT是将SPCD引导为SRD时所使用的工具。在将SPCD转换为SRD的过程中，核心的GT是语言文字。目前，从既有的语言形式上看，无论是SPCD还是SRD，其表述都需要自然语言和人工语言共同支撑(见图5)。
图5 引导工具结构模型
Fig.5 Structure model of GT
2.2 引导指针
GP的功能是提供一套路标结构，确保SPCD按照既定路径转换为SRD。根据图4所确定的变构路径，GP由分形指针(Fractal pointer，FP)和构形指针(Configuration pointer，CP) 2部分组成。
FP提供一种包括“层次分形(Fractal of hierarchy，FH)-结构分形(Fractal of structure，FS)-参数分形(Fractal of parameter，FP)”在内的三维分形结构(见图6)(注：本文暂不讨论参数分形)，其功能是将SPCD根据PSSB离散为数据因子。FH是将SPCD分离到PSSB的相关层次，FS是将已经分离到相关层次的SPCD再次分离到层次所属的结构体中，如SBO层次所属数据分别进入到stipu.，regu.和noma.等结构；FP是将进入到结构体之中的数据按照结构参量集细分为SPCDG。
CP提供一种包括“类属构形(Configuration of category，CC)-置位构形(Configuration of set，CSe)→引导模板(GTe)”在内的准三维构形路标(见图7)，其功能是将依据FP离散出的SPCDG依据SRAS的需求放置到指定位置，为组构SRD做准备。CC是指对SPCDG进行分筛，将SPCDG分别置于不同的科学类属，这是对SPCDG的初筛过程；CSe是指将经过CC分类的SPCDG根据SRASH的12种位属进行二次 标志。
2.3 引导模板
数据变构的目的是获得具有既定形式结构的功能数据。既定路径的获得依靠GP提供路标，既定形式结构的获得则必须依靠GTe。GTe的功能在于为科学数据提供一种按照既定形式组构的形式结构。因此，对应于SPCD变构路径，GTe由分形模板(Fractal template，FT)和构形模板(Configuration template，CT) 2部分组成。
科学原构数据分形模板(Fractal template of scientific prototype construction data，FTSPCD)是将科学数据按照原构数据的层次-结构-参数进行分离，形成具有单一功能属性的数据因子，为数据判读提供基础，因此，可以按照“FH-FS-FP”的三维结构形式(见图6)建立FT(见图8)，将SPCD所含科学数据通过SBO分形模板(FT of SBO，FTSBO)，FBC分形模板(FT of FBC，FTFBC)和OBC分形模板(FT of OBC，FTOBC)逐级细化为数据因子(Data factor)。
图6 三维分形结构模型
Fig.6 Fractal structure of 3D model
图7 科学结构数据构形指针结构模型
Fig.7 Structure model of CP of SRD
图8 科学原构数据分形模板结构
Fig.8 Structure of FT of SPCD
科学结构数据构形模板(Configuration template of scientific reconstruction data，CTSRD)是指将通过FTSPCD获得的科学原构数据因子(SPCDG)按照“CC-CS→Gte”准三维形式结构，组成具有既定形式化结构的科学结构数据。根据HIS of SRAS，CTSRD可由理论科学信息构形模板(Configuration template of theoretic science information，CTTSI)、技术科学信息构形模板(Configuration template of technical science information，CTTeSI)和工程科学信息构形模板(Configuration template of engineering science information，CTESI)组成。
2.4 引导规则
GR是指SPCD引导转换化SRD的形式框架及其必须遵循的规则,包括工具规则(Tool rule，TR)、指针规则(Pointer rule，PR)和导构规则(Construction guiding rule，CGR)3部分。
2.4.1 工具规则
TR是指在使用GT时必须遵循的规则。采用语言文字进行记录，需要考虑到语言文字所涉及的符号、表述和使用，因此，工具规则包括功能规则(Function rule，FR)、结构规则(Structure rule，SR)和操作规则(Operation rule，OR) 3方面(见图9)。
图9 工具规则结构模型
Fig.9 Structure model of TR
2.4.2 指针规则
PR的功能在于通过SPCD，SPCDG和SRD本身的特质为其进入知识内核层次结构和科学研究能力层次结构做出路径规划。为此，约束规则必须以判据形式出现并施加影响。由于科学数据变构路径的约束，因而PR包括分形指针判据(Criterion for fractal pointer，CFP)和构形指针判据(Criterion for configuration pointer，CCP) 2部分(见图10)。
图10 导入规则结构模型
Fig.10 Structure model of importing rule
CFP依据KK层次结构将SPCD细分为SPCDG。由于KK结构的层次性和功能性，因此，对应的参量结构存在科学原构数据分形判据参量结构(Parameter structure of fractal criterion of scientific prototype construction data，PSFCSPCD)。
CCP将SPCDG分割为理论科学信息原构数据因子(Prototype construction data genes of theoretic science information，PCDGTSI)、技术科学信息原构数据因子(Prototype construction data genes of technological science information，PCDGTeSI)和工程科学信息原构数据因子(Prototype construction data genes of engineering science information，PCDGESI)，再根据相关层次的功能特征将SPCDG通过贴标签的形式置位于既有的层次，为提出SRD准备材料。因此，存在科学结构数据构形判据参量结构(Parameter structure of configuration criterion of scientific reconstruction data，PSCCSRD)。
2.4.3 导构规则
PR根据科学数据本身的特质和属性为科学数据的分形和结构提供了一种变构路径，但这并不代表SPCD能够自动分形为SPCDG，也不代表SPCDG能够自动结构为SRD。完成科学原构数据因子化和科学原构数据因子结构化，需要KK层次结构和IHS of SRAS提供明确的形式结构。
CGR通过揭示KK层次结构和IHS of SRAS的特质，科学数据按照“SPCD→SPCDG→SRD”的转换路径逐次导入PSSB和SRAS的既定框架。
SPCDG的形成必须依赖于FTSPCD，SRD的形成依赖于CTSRD，因此，CGR是为FT和CT提供分形和构形的行为判据。对应于FTSPCD，科学原构数据导构规则(Construction guiding rule of scientific prototype construction data，CGRSPCD)存在如图11所示的参量结构；对应于CTSRD，科学结构数据导构规则(Construction guiding rule of scientific reconstruction data，CGRSRD)存在以下如图12所示的参量结构。
图11 科学原构数据形式结构规则结构模型
Fig.11 Structure model of form structuring rules of SPCD
图12 科学结构数据形式结构规则结构模型
Fig.12 Structure model of form structuring rules of SRD
3 引导机制
OSSI的存在首先在于SICM的运行。科学数据变构的工作机制在于SICM所提供的由基于知识内核的SPCD向基于科学研究能力层次结构的SRD为目的科学数据形式转换，这一转换机制由以下环节构成。
3.1 变构机制
在PSSB约束下，SPCD通过FTSPCD分形为SPCDG，SPCDG通过CTSRD构形为SRD。GTe(包括FT和CT)作为一种具有既定格式的形式化结构，可以为科学数据变构提供变构机制(Transformation mechanism，TM)(见图13)。
3.2 导航机制
由FBC所确立的认识结构、方法结构和工具结构所导致的SPCD具有特定的同构化形式特质。利用这种形式特质作为基准指针，可以保证SPCD按照既定变构路径实现既定转换而确保其不产生异构。因此，PR可以承担起科学数据变构的导航机制(Guiding mechanism，GM)。根据科学数据变构路径，GM采用分段串联形式，由FTSPCD的要求， FP具有9种指向；由CTSRA的要求，CP具有12种指向，而且FP和CP前后联结成串联结构(见图14)。据此，可以将GP(包括FP和CP)作为科学数据变构的导航规则(Guiding mechanism，GM)。
3.3 控制机制
在科学数据变构过程中，变构模板规定了科学数据变构的形式结构，变构指针规定了科学数据变构的过程路径，但是，数据在变构过程中保真需要一整套完整的规范。这一套规则的功能在于科学数据最终能够获得与FTSPCD与CTSRD具有同构化的形式结构，从而保证SPCD在按照既定变构路径分离并重构时不产生异构。据此，可以将CGR(包括CGRSPCD和CGRSRD)作为科学数据变构时的控制机制(Control Mechanism，CM)。
根据科学数据变构模板的要求，约束知识内核分形模板的FR有9种，约束科学研究能力构形模板的CR有12种，且FR和CR前后联结为串联结构(见图15)。
3.4 传递机制
PSSB存在的前提是创建人工自然的需求，这种需求通过科学实践产生SPCD。而SPCD正是建立于GT之上，这样，科学数据变构可以看成是GT在其GR约束下的传递过程，GR可以看成是一个科学数据变构的传递机制(Transmission mechanism，TrM)(见 图16)。
综上所述，GS对于科学数据变构，是依靠TM，GM，CM与TrM的复合结构而实现的。在这种复合中，TM提供了9种FT和12种CT作为科学数据的既定形式结构，GM提供了9种FP与12种CP作为科学数据的既定变构路标，CM提供了9种FR和12种CR作为科学数据的既定形式，而TrM提供了3类9种规则作为以文字语言存在的科学数据的存在性和变构性依据(见表1和表2)。这4种机制存在如图17所示的结构。
图13 科学数据变构机制
Fig.13 TM of scientific data
图14 科学数据变构导航机制
Fig.14 GM for transformation of scientific data
图15 科学数据变构控制机制
Fig.15 CM for transformation of scientific data
图16 科学数据变构传递机制
Fig.16 TrM for transformation of scientific data
表1 知识内核“FP-FR-FT-SPCDG”参量结构
Table 1 KK Parameter of FP-FR-FT-SPCDG
表2 科学研究能力“CP-CR-CT-SRD”参量结构
Table 2 SRAS Parameter of CP-CR-CT-SRD
图17 引导结构复合运行机制
Fig.17 Composite operation mechanism of GS
4 结论
(1) 通过解构分析，提出科学系统由科学存在原型结构(PSSB)和科学研究能力体系(SRAS)所构成的。科学信息本体结构(OSSI)是科学数据变构的功能载体。提出了PSSB，ISSRASH和OSSI的组成结构。
(2) 通过结构辨识，提出科学信息生成模块(SICM)是OSSI的组成模块，是科学原构数据(SPCD)导构为科学结构数据(SRD)的功能载体，SICM的功能是通过引导结构(GS)将SPCD变构为SRD。
(3) 通过逻辑辨识，提出变构步骤分2步：一是使SPCD根据知识内核(KK)层次结构逐次因子化，形成SPCDG；二是使SPCDG能够根据IHSSRAS，形成SRD。
(4) 通过参量辨识，提出GS由引导工具(GT)、引导指针(GP)、引导模板(GTe)和引导规则(GR)共同组成。
(5) 通过功能辨识，提出GT是将SPCD引导为SRD时所使用的工具。GP由分形指针(FP)和构形指针(TP)串联组成，其功能是通过基于PSSB的特质路标，确保SPCD按照既定路径转换为SRD，建立三维分形结构模型和准三维构形结构模型。引导模板(GTe)由分形模板(FT)和构形模板(CT)串联构成，其功能是通过基于PSSB的KKH和SRASH的特质，为科学数据提供一种按照既定形式组构的形式结构。GR的功能在于建立GT，GP和GTe的行为规则。
(6) 通过行为辨识，提出在GS中，GTe提供变构机制(TM)，GP提供导航机制(GM)，GR提供控制机制(CM)，GT提供传递机制(TrM)，GS功能的完整实现，必须依靠TM，GM，CM和TrM的复合结构。
(7) 科学信息本体引导结构参量包括：9种FT，12种CT，9种FP，12种CP，9种FR，12种CR和3类9种TR。
(8) 需要指出的是，本研究仅讨论了GS在TM，GM，CM和TrM的参量规模，没有涉及这些参量本身的技术结构以及这些参量间的相互关系。这有待下一步研究。
致谢：
感谢武汉理工大学外语学院陈俊华副教授对于本文英文术语和英文摘要的审订。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2010-04-26；修回日期：2010-06-29
基金项目：国家自然科学基金资助项目(E0524508)；国家自然科学基金工程与材料科学部主任基金资助项目(E0624512)；武汉市社会科学基金资助项目(06021)
通信作者：王汉熙(1963-)，男，湖北蕲春人，博士研究生，副编审，从事科学信息组构理论研究；电话：027-87165106；E-mail: dms2005@163.com
