オントロジーを用いた設計者のための統合的支援環境
鷹合基行, 武田英明, 西田豊明
奈良先端科学技術大学院大学 情報科学研究科〒 630-01 奈良県生駒市高山町 8916-5
電話: 0743-72-5265 FAX: 0743-72-5269
E-mail：motoyu-t@is.aist-nara.ac.jp
あらまし：
設計者は設計対象に関する知識を収集し組み合わせることによって適合しその過程で設計者自身の持つ設計知識を構造化して拡張する。複数人による協調設計はこの組織化された知識を他の設計者と共有することによって可能になる．我々は設計対象の専門領域に関する概念体系 (オントロジー) を用いて組織化を設計情報を扱うことによって，設計者を支援する環境 Designers Ampli er を提案する．Designers Ampli er は個人情報空間を場として、情報組織化の働きをその空間内あるいは空間間で活動するエージェントとして実現し、設計知識の収集、組織化、加工および協調設計を支援する。また我々は試作した Desigenrs Ampli er システムの構成と、その試作システムを用いて自転車荷台の設計を例題に行った実験について述べる。

An Ontology-Based Designers Supporting Environment
Motoyuki TAKAAI,

Hideaki TAKEDA,

Toyoaki NISHIDA

Graduate School of Infomation Science, Nara Institute of Science and Technology

8916-5 Takayama, Ikoma, Nara, 6301-01 Japan
phone : +81-743-72-5265

fax : +81-743-72-5269

E-mail : motoyu-t@is.aist-nara.ac.jp

Abstract :In this paper, we introduce a knowledge base system for cooperative design called Designers Ampli er thatorganizes poorly-structured documents and enables designers to share and reuse design knowledge. Designers
collect domain knowledge from various sources, e.g. network, other designers, past experience and books. But
they are often poorly-structured to use in design. In Designers Ampli er system, each designer has a place aspersonal information space and agents. The agents support cooperative design by movement among places anddesign knowledge organization using ontology.
keyword :Cooperative Design, Organization of Design Knowledge, Ontology, Software Agent1 はじめにEngineer

設計行為は技術者による高度な知的生産行為でありIntention

その設計行為は設計を達成するための知識に支えられている．設計者は新しい要求が与えられたとき、経験や本Media Levelやネットワークなどありとあらゆる手段で設計方法や設計対象に対する知識を収集する．そして現在の設計に役Formalization Level

立ちそうな物を組み合わせそれらをうまく適合させる．
その過程で設計者の知識は組織化され拡張されてゆく．

Model Level

複数人による協調設計はこの組織化された知識を他の設計者と共有することによって可能になる．

Product

本論文では設計対象に関する概念体系（オントロジー ）を用いて設計知識を扱い 、設計者を支援していく

図 1: 情報表現の 3 レベル

計算機環境 Designers Ampli er を提案する．Designers
Ampli er において各設計者は自分のオントロジーと設計情報をおくための場が与えられる．Designers Ampli er
はソフトウェアエージェントによって場に置かれた設計情報を洗練しより使いやすい形にする．具体的にはその様子を情報表現のレベルとして捕えると図 1 のようになる．この図における上のレベルは人間による理解を目指した表現 ( メデ ィアレベル) である．中央は形式表現レベルであり，計算機が処理可能な文法が与えられて複数設計者間のコミュニケーションを支援する．特に複いる．下のレベルはモデルレベルの表現であり，ある特定のモデルにしたがって記述され計算機が解釈するため数の設計者でオントロジーを共有することによって設計対象の知識の深い共有をめざす．2) 対象に関する知識をの意味論が与えられている．設計過程は図中の曲線のよ
うにメディアレベルで表現された設計要求からモデルレ様々な方法で収集する．3) 設計メモや議事録など設計に関する断片的な情報をオントロジーを用いて組織化し再ベルで表現される生産に必要な手順を得ることであると見ることができる．

利用可能にする．
以下，第 2 章でオントロジーに基づく設計知識の特にメデ ィアレベルから形式表現言語レベルへの変換は設計知識の組織化と捉えることができる．そこで組織化について述べる．第 3 章では設計者の支援環境
Designers Ampli er における設計者個人の情報空間と我々はメディアレベルで表現された情報をその専門領域

Designers Ampli er は以下のような支援を目指す．1)に関するオントロジーを用いて組織化した情報を扱うことによって，設計者を支援する環境 Designers Ampli er

しての場とエージェントについて述べる。第 4 章ではDesigners Ampli er の構成と設計情報の組織化の方法を提案する．

について述べる．第 5 章で Designers Ampli er を用いた実行例を取り上げる．

2.2

2 オント ロジーを用いた設計知識のる．

組織化
本章では設計知識の組織化を情報の表現形態から考察し，オントロジーに基づく組織化の方法について述べる．

2.1 設計知識の表現形態
設計とは与えられた要求から人工物の製造に必要な設計に関するオント ロジー

本論文ではオントロジーを以下のような目的で用い1)

メデ ィアレベルで表現された情報を組織化する．

2) 設計者の持つ概念を明確に定義し整理する．
3) 設計者間でオントロジーを共有し複数設計者間での概念の理解を促進する．
4) オントロジー上の概念間の関係を用いた検索などの知的な処理．

現在 Designers Ampli er ではこれらの機能を最低限仕様を生成することである．設計の過程においては，抽象的に表現された要求が具体的な仕様に変化してゆくが， 実現可能なオントロジーとしてフレームに基づくオントロジー [1] を準備している．オントロジーの構成要素は以下のようになっている．

 Class：一般の概念を記述する．Class は名前とその概念がメディア中で現れる表現 (Expression) と属性 (Slot) をもつ．属性はその概念における属性名、その属性が属する Class 、属性値の３つからなる．
 Super-Sub Class 関係：Class 間の継承関係を表す．
 接続関係：Class 間で何らかの関係があることを示す．
図 2: Designers Ampli er の場とエージェント

文書などのメデ ィアレベルの情報はオントロジー上の Class における Expression と結びつけられ組織化される．

3 設計者個人の情報空間としての場

 エージェントは他のエージェントやユーザの指示により動作する。または同じ場の上の情報やエージェントの状態により自律的に動作する。

協調設計の現場において、設計者それぞれ固有に所持する知識、経験などの情報が非常に重要な要素となる。

 エージェントは同じ場にある情報を獲得し，配置することができる．

設計者個人はそれぞれ独自の観点から情報を収集し、応用し、組織化する。これらの情報は協調設計において設 エージェントは消滅する事ができる。

計者の間で交換され共有される。Designers Ampli er ではこのような情報活動を以下に述べるように個人情報空これは設計者に代わって設計知識を様々な情報源から入手したり他の設計者と情報を共有したり場にある情報を間を場として、情報組織化の働きをその空間内あるいは加工するための基盤となる．これらの機能によって他の空間間で活動するエージェント [4] としてモデル化する．
場の上の情報の変更を自動的に知らせてくれるエージェ
Designers Ampli er は図 2 のように設計者ごとに場ントなど多様な情報の流通を容易に実現する事ができる。
を配置しそこに設計情報やオントロジーやエージェントを保持することによって設計者に作業空間を提供する．
エージェントは設計者や他のエージェントによる指示によって動作する．エージェントは場の上に存在すし，場の間を移動することができる．また，同じ場にある情報を獲得し，配置することができる．

4

設計者支援環境 Designers Am-pli er

2 章で述べたように設計においてオントロジーは重

現在 Designers Ampli er システムにおけるエージェ 要である．しかし設計においてオントロジーは固定的なントは以下のような特徴を持つ。
ものではなく必要に応じて構築されて行くものである．
設計者支援環境 DesignersAmpli er はこのオントロジー
 エージェントは場の上に存在する。
構築作業を支援することを目的としている．
 エージェントは状態を保持する事ができる。
オントロジー構築は個々の設計者による概念抽出と

 エージェントはその状態と共に他の場へ移動する事ができる。

構造化によるその概念体系の共有化によって行われる．
Designers Ampli er では設計者個人の場にそれぞれのオントロジーを保持し、その場を概念抽出と構造化およ エージェントはそれ自身のコピーを作る事ができ び概念体系の共有のための作業空間とする。Designersる。
Ampli er が設計者に配置する場には必ずオントロジーが配置される．場に置かれた情報は同じ場に置かれた
 エージェントは同じ場の上の他のエージェントとエージェントによってオントロジーを基に組織化される．
情報を交換する事ができる。

4.1

設計知識の組織化と設計知識の発見

図 3 は設計者の場の上での設計者、オントロジー、設計情報の関係を表している．設計者はオントロジー上の概念を直接編集する．設計情報構造化エージェントはオントロジーを用いて設計情報を構造化する．一般にオントロジーを構築するのは容易ではない．しかし設計者は設計情報を参照するうちにこの概念体系を豊富にしている．そこで、我々は設計情報から設計者に情報の検索や、単語の類似性の発見を行うエージェントを通じて設計者によるオントロジーの構築を支援する．
図 4 は試作システムにおいて場に置かれた文書をエー

図 3: 設計者とオントロジーと設計情報の関係ジェントが扱う様子を示している．場に置かれた文書集合に対し構造化エージェントは文書を構造化し、共起計算エージェントや単語の重要度計算エージェントによって共起情報と単語の重要度が付加される．それらの重要度を基に検索エージェントは文書の検索を行う．単語の類似性計算エージェントは主に共起データから単語の類似度を計算する．
設計者は検索結果や共起データ、単語の類似度から得た情報を設計やオントロジー構築に役立てる．

4.1.1

設計情報の構造化エージェント

設計情報の構造化エージェントはオントロジー上の概念が持つメデ ィアにおける表現 (Expression) も持つ．
試作システムではオントロジーにおける概念の単語表現を文書中に見つけ出し、概念へのリンク付けを行う．現
在は単語の変化形などをほとんど考慮せずに文字列の
図 4: 設計文書の組織化エージェント群

また場を移動できるエージェントは他の場のオントロジーを獲得してきたり、他の場へオントロジーを伝搬させることができる．
設計者は場に置かれた設計情報やオントロジーをブラウザを用いて全体または部分的に見ることができる．
また設計者のエージェントへの指示はブラウザを通して行われる．

マッチングによって文書中に単語表現を見つけている．
単純な方法であるが、日本語や英語など言語の種類に応じて特別なプログラムを用意することなくシステムが動作できるメリットがある．

4.1.2

単語の共起情報計算エージェント

文章中近くに出現した単語間に意味上の関係があると仮定すると，2 つの単語語間の共起情報を調べることは意味がある．共起情報計算エージェントは構造化された文書からオントロジー上の概念と結び付いた単語に対以上に述べた枠組のうち、本稿では場の上での設計情報を組織化、発見を行う方法に焦点をあてて説明する． して以下の計算に従って共起情報を計算する．
文書集合
内の文書 2において単語
なおオントロジー統合については文献 [5] で幾つかの方D法で試みている．

d D
w;w がそれぞれ出現する位置の集合を loc(d;w );loc(d;w ) として，d における単語 w;w 間の共起Mww =m(w;l;w ;l )
0X

X0000

d l loc(d;w);l loc(d;w )20200

M を共起行列とする．ただし m(w;l; w ; lを) Q に加えたベクトルを新たな検索語のベクトルとすは単語 w; w が位置 l;l で出現した場合の共起の重みで る．さらに単語の重みをこの検索語のベクトルの各要素ある．試作システムでは m の計算は位置 loc を文単位 に掛けることによって重要でない単語に惑わされない検(第 l 文に単語 w が出現する) に用いて以下の式を用い 索を行う．
文書の検索は文書集合内の文書 d から得られるキーている．
ワードベクトル (文書中に出現する単語の頻度から求め0(jl 0 l j > 10)m(w;l;w ;l ) = (10られる) V (d) と上記の方法で求めた検索語のベクトル
0 jl 0 l j)=10 (jl 0 l j <= 10)0を成分に持つ行列0000(0000との余弦が大きい文書を検索結果とする．

共起情報計算エージェントはこのように計算された共起行列を場の上に保存する．

2. オントロジーを用いた検索

4.1.3 単語の重要度計算エージェント検索語の概念とオントロジー上関係を持つ概念を利用して検索を行う．試作システムでは検索語の概念の下単語の重要度計算エージェントは構造化された文書からベクトル空間モデル [2] による単語の重み付けを計算

位概念 (Sub Class) を全て検索語の概念と同様に扱い検索を行う．つまり，検索語の集合に対応する概念集する．単語の重み付けは，出現する文書におけるその単語の相対出現頻度 (term frequency) と文書の集合にお合を ，概念から下位概念への関数をしたとき の全ての下位概念の集合

tfC

idf

tf

dD

wfをw

idf

ここで， dw は文書 における単語 の出現頻度， dは文書集合 において単語 が出現した文書の逆数でC

sub(c)(c 2 C ) とsub(C );sub  sub(C ); . . .g(inverse term frequency)
けるその単語の逆文献頻度の積によって与えられる．すなわち

tfdw 1 idfdW

C に加えて新しい検索語として用いる．さらに共起による検索と同様にベクトル空間モデルによる単語の重み付けを行ない文書の検索を行う．

idfd は一般的に次式で与えられる．
4.1.5 単語の類似度計算エージェント
idfd = log(N=nw )同じような単語が周辺に出現する単語は似た概念であると仮定し、2 つの単語の共起の類似度を単語の類似
ここで，N は文書集合 D の大きさであり, nw は単語 w度としている．つまり単語 w ;w 間の類似度を共起ベを含む文書数である．
クトル Mw1 ;Mw2 の余弦とする．重要な単語の共起関係ある．

1

4.1.4 設計文書の検索エージェントを用いることによって精度が上がると仮定できるので、設計文書の検索エージェントは場の上にある複数の文書から目的の文書を捜し出すエージェントである．試作システムでは次の 2 種類の検索方式に基づく検索エー
ジェントを用意している．1) 単語の共起情報を用いた検索,2) オントロジーを用いた検索．これらは共にユーザから入力された検索語に関係あると思われる語を含めて検索語とし、与えられた検索語のみによる検索より知的で幅のある検索を目的としている
1. 共起情報を用いた検索幅のある検索が可能である．つまり検索語集合のベクトル (第 成分は が検索語なら 1 , が検索語でなww

X Qw Mw Mww

いなら 0 ) から計算される次のベクトルw

1(は共起行列

実際の試作システムでは共起ベクトルのそれぞれの成分に対応する単語の重要度を掛けたものを用いている．

5

Designers Ampli er 実行例

ここでは，例題として自転車荷台の設計に関するプロトコル [3] 用いた Designers Ampli er 試作システムの実験について述べる．自転車荷台の設計に関するプロト
コルは設計会議の会話をテキストデータとしたものであり構造化されていない．この実験の目的は，Designers

文書の検索を与えられた検索語集合に共起される語を加えて行うため与えられた検索語集合にとらわれないQ

2M の第 w列ベクトル)

Ampli er 試作システムによる，
1) プロトコルデータの構造化
2) プロトコルデータからの設計知識の抽出
3) プロトコルデータの検索による再利用性を調べることである．

661 G because you have .. your backpack frame now
has the tting on it for the seat tubing so you
don 't have everything in this bracket part of thebackpack frame has like a a metal clip y'know wireem .. that type of thing
662 H ahha ahha
663 G y'know just thin gauge metal that snaps .. abroomhandle holder
664 H yeah ahha
665 F ohh
666 G any justice here
667 H and that will live permanently with yourbackpack
668 G yeah .. and you can make that wide enough
669 F and that to be just a holder while you're ( ?)or part of the integral fastening system
670 G it keeps it attached to your seat tube
671 F at all times .. structural (inaudible) OK(inaudible)
672 G maybe there's a little hook here that you
fasten after you snap it on just to make sure it
doesn 't come o
673 F ahha yeah yeah that sounds
674 G then you ..these wires come down here rightclip on .. clip on
675 X sorry could I interrupt could I ask you to put
the bike on the table when you're talking speci cally
about the bike
676 G sure yeah
677 X OK sorry to interrupt
678 G so .. clip on those tubes and that pivoting
over here
679 H mm mm
680 H and they actually don't have to pivot there ..
and it rocks up .. and clicks in

図 5: 自転車荷台の設計に関するプロトコルの一部

5.1 自転車荷台の設計に関するプロト コル
このプロトコルは，3 人の設計者 (あまり自転車設計に詳しくない) にテーマと時間と資料を与えて議論し(8) まとめ・確認

この実験では約 1500 行あるプロトコルを 20 行づつ分けそれぞれを 1 つの文書とした．そして，このプロトコルを基に手作業で約 240 の Class 概念を抜きだ
し Super-Sub Class 関係を付加してオントロジーを作成した．

5.2

Designers Ampli er 試作システムによるオント ロジーの編集

図 6 は Designers Ampli er 試作システムのブラウザを用いてオントロジーを編集しているところである．
右のウインド ウはオントロジーウインド ウであり，ユーザーはこの画面を通して場にあるオントロジーの一部または全体を参照しながら編集する．アイコンは Class概念を表し，青の矢印は Super-sub Class 関係，緑の線(ここでは用いていない) は接続関係を表している．右下のポップアップウインド ウは概念編集ウインド ウであり概念の詳細な定義が表示されている．ここでは概念 clipが文書中に clip と表現され，cost スロット ( クラスはmoney) を持つと定義されている．

5.3

Designers Ampli er 試作システムによる構造化された文書のブラウズ・検索

図 6 は Designers Ampli er 試作システムを用いた検索の結果も示している．設計者は右のオントロジー編集
ウインド ウで検索したい概念 (clip) を選択し，検索エーてもらい，そこで行われた設計に関する会話をテキスト ジェントに検索を依頼することによって検索結果を左のデータ (約 1500 行) としたものである．テーマはリュッ ウインド ウ得ることができる．左上のウインド ウには検ク (backpack) をマウンテンバイクに取り付けることが 索結果の文書のリストがその評価値とともに表示されて可能な荷台または金具の設計であった．
いる．左下のフレームは検索結果の文書の一つを表示し
図 5 はそのプロトコルの一部である．議論のあらすじは以下のようであった．
(1) おおまかな設計方針(2) 問題点の洗い出し(3) 固定方法の議論(4) さまざまな使い方の検討(5) おおまかなプロトタイプ完成(6) 問題点の洗い出しと対策(7) バッグ・フレーム・取り付け部の詳細な設計を 3人で分担ている．この文書は組織化されている．つまり文書中に出現する概念がオントロジーと結び付いている．設計者は表示された文書中の概念に付けられたボタンを押すことによってすぐに右側のウインド ウでその概念を確認することができる．この図の例では、文書中の単語 clip はオントロジー上の概念 clip によって構造化され結び付いている．この検索では共起情報に基づく検索エージェントを用いている．次のセクションでは今回の検索で用いた clip に関する共起情報を説明する．

5.4

共起情報計算図 7 は自転車プロトコルの文書から計算された共起情報から概念 clip に共起する概念を取り出したものであ図 6: Designers Ampli er のブラウザの実行画面
る．左の単語は clip に共起される概念名を表し右の数はのプロトコルを熟知している者を準備し、プロトコルの4.1.2 節で述べた方法で計算された共起の値を表している．上位の多くの単語は clip に対して何らかの関係を持

生データを unix の less コマンド で文字列検索をしながら見てもらう方法と試作システムを用いた方法で比較つことがわかる．特に wire,strap,little hook など他の取り付け方法に関する単語が数多く存在し、設計者のオした．
実験方法を以下に述べる．

ントロジー構築の支援に有効であることを示している．

5.5 試作システムにおけるプロト コル利用の実験
我々は試作システムが設計プロトコルの構造化および共起情報によって設計者に有効な情報を提供できるか実験した．
実験のためのシナリオとして荷台の自転車への取り付け方法について議論している部分を探し，取り挙げられている取り付け方法について調べることにした．被験者として同じ設計題目 (自転車荷台の設計) における別

1. 制限時間は 1 時間
2. 被験者は荷台の自転車への取り付け方法について議論している部分を探しその部分を 6〜7 つ答える
3. こちらが用意した解答は 3 箇所

実験結果は、less による方法では 1 箇所のみ正解したのに対し、試作システムを用いた場合 3 箇所全ての正解を答えていた．被験者が試作システムを用いて検索を行った代表的な手法は以下のようであった．1) 取り付けに関する単語たとえば strap の共起関係を調べ、同様に取り付けに関する単語 (clip,screw,bracket) を発見する．

frame 10.9

rigidity 1.9

bag 10.0

rotate 1.8

pack 5.6

belt 1.7

thing 5.0

structural 1.7

bike 5.0

narrow 1.6

wire 2.6

bracket 1.6

outside 2.4

pivot 1.6

strap 2.4

click 1.6

back 2.4

rock up 1.6

slip 2.3

cover 1.5

tube 2.2

seat tube 1.4

snap 2.0

rack 1.4

come o2.0

little hook 2.0
connectors 2.0

wide 1.2

を統合的に支援する設計者支援環境 Designers Ampli er
システムについて述べた．
我々は場にオントロジーを導入しソフトウェアエージェントを用いることによって個人的な情報源である設計知識やオントロジーを設計者間で交換・共有する方法を示した．またオントロジーを用いて設計知識の構造化を図ることが、設計情報の柔軟な検索と設計知識の抽出を可能にし設計情報の再利用およびオントロジーの構築の点で設計者を支援することを示した．

参考文献[1] T. R. Gruber. Ontolingua: A mechanism to sup-original 1.1

port portable ontologies. Technical Report KSL

integral fastening system 1.1

91-66, Stanford University, Knowledge Systems

図 7: 単語 clip の共起情報（上位 30 ）Laboratory, 1992.
[2] G.Salton.

2) オントロジー上関係する単語のうち検索に適したものを発見する．3) 発見したこれらの単語で検索した結果の上位 3 、4 までの文書を読み、取り付け方法について議論しているか調べる．
この実験は、Designers Ampli er による設計情報の構造化が設計情報の再利用において有効であることを示している．

6 関連研究一般に議事録や設計メモのような設計において重要な情報（設計における試行錯誤や発想の源）は濃度や信頼性が薄く情報を効果的に設計者に提示する方法が必要となる。設計者による会議議事録を効果的に設計者に提示する試みとして足立ら [6] の研究がある。足立らは議事録に非定型に含まれる多様な情報（テキスト、図、グ

Intoroduction to Modern Information

Retrieval. MacGraw-Hill, 1983.

[3] H.

Takeda,M.

Yosh-ioka, T. Tomiyama, and Y. Simomura. Analysis
of design processes by functional evaluation process.

In Nigel Cross,Henri Christaans,and Kees

Dorst,editors,Analysing Design Activity, pp. 187{

209. Chichester, 1995. John Wiley & Sons.
[4] J.White.

MobileAgentsWhitePaper.

http://www.genmagic.com/agents/Whitepaper/
whitepaper.html[5] M. Takaai,H. Takeda, and T. Nishida.

Dis-tributed Ontology Development Environment forMulti-agent Systems. Working Notes for AAAI97 Spring Symposium Series on Ontological Engineering,pp. 149{153,1997.

ラフ、表などを含む）を断片化し、それらの間を連想関係を用いて結び付けることによって設計情報を設計者に[6] 足立秀和, 鷹合基行, 武田英明, 西田豊明知識メディア提示試みを行っている。
Dong[7] らは単語の cluster と belief network を組み型設計情報可視化システムの試作 1997 年度 (第１１回) 人工知能学会全国大会予稿集,pp. 573{576,1997.

合わせることによってテキスト表現された設計文書からの設計知識の構築を試みている。

[7] A. Dong and A. M. Agogino. Text analysis for con-

7 おわりに
本論文では、場とソフトウェアエージェントの技術を枠組にオントロジーを用いた協調設計と個人の設計行為

structing design representations. Arti cial Intelligence in Design '96, Kluwer Academic Publishers,
pp. 21-38, 1996.