基于本體的云制造資源及加工任務(wù)建模*

董朝陽，李 新

（西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710055）

基于本體的云制造資源及加工任務(wù)建模*

董朝陽，李 新

（西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710055）

為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜加工任務(wù)的加工要求和制造資源的加工能力之間的搜索匹配，分析了本體技術(shù)在語義建模中的運(yùn)用，給出了制造資源分類模型，提出了本體五元組DSBFS的建模方法，構(gòu)建了云制造資源以及云加工任務(wù)的本體信息模型，初步設(shè)計(jì)了資源發(fā)現(xiàn)模型，將加工要求與加工能力之間的搜索匹配轉(zhuǎn)化為制造資源本體和加工任務(wù)本體之間的映射來求解，最后通過DSBFS建模方法建立了具體實(shí)例的本體模型，并運(yùn)用語義Web本體語言O(shè)WL對(duì)實(shí)例的資源本體和加工任務(wù)本體進(jìn)行了規(guī)范描述，實(shí)踐證明所提建模方法具有正確性和可行性。

制造資源；加工任務(wù)；本體；建模

0 引言

近年來，隨著云制造的興起，傳統(tǒng)的制造模式已經(jīng)不能適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，取而代之的是市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的、可實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn)的、具有快速反應(yīng)機(jī)制及國際競(jìng)爭(zhēng)力的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式［1］。研究網(wǎng)絡(luò)化制造資源共享模型及其信息集成、實(shí)現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)促使形成企業(yè)聯(lián)盟，已成為制造企業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)［2］。而有效的資源模型是決定資源順利共享和重用的關(guān)鏈［3］。因此，有必要建立標(biāo)準(zhǔn)的云制造資源模型來實(shí)現(xiàn)資源共享和優(yōu)化配置。

在云制造資源建模領(lǐng)域，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)做了許多研究。文獻(xiàn)［4］通過多代理技術(shù)建立了制造資源模型；文獻(xiàn)［5］通過面向?qū)ο蟮乃枷雽?duì)制造資源進(jìn)行了分類，并運(yùn)用統(tǒng)一建模語言對(duì)其進(jìn)行了建模；文獻(xiàn)［2］利用本體對(duì)制造資源領(lǐng)域的知識(shí)進(jìn)行描述，并引入Web制造資源的元數(shù)據(jù)，再利用本體表達(dá)的制造資源知識(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)Web制造資源進(jìn)行映射，最后構(gòu)成了制造資源本體模型。然而現(xiàn)有的研究主要集中在制造資源建模領(lǐng)域，較少考慮資源發(fā)現(xiàn)過程中加工任務(wù)的建模問題。

針對(duì)以上問題，本文提出了基于本體論的本體五元組DSBFS的云制造資源及加工任務(wù)的統(tǒng)一建模方法，設(shè)計(jì)了基于制造資源和加工任務(wù)本體五元組相互映射匹配的資源發(fā)現(xiàn)模型，以某企業(yè)的一項(xiàng)加工任務(wù)和西安建筑科技大學(xué)的一臺(tái)機(jī)床資源為例來建立相應(yīng)的本體模型，從而達(dá)到了模擬真實(shí)企業(yè)云制造服務(wù)的目的，驗(yàn)證了所提方法的正確性與可行性，這將能解決云制造資源及加工任務(wù)模型語義異構(gòu)問題、提高制造企業(yè)的信息化水平和資源共享效率。

1 本體論及建模關(guān)鍵技術(shù)

1.1 本體

本體概念最早來源于西方哲學(xué)領(lǐng)域，它主要被用來描述事物的本質(zhì)。到了現(xiàn)代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，本體知識(shí)被廣泛運(yùn)用在人工智能領(lǐng)域。關(guān)于本體概念的定義很多，其中最著名并被引用得最為廣泛的定義是：本體是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明［6］。文獻(xiàn)［6］明確提出了設(shè)計(jì)本體所需滿足的5條基本準(zhǔn)則：①明確性和客觀性；②一致性；③可擴(kuò)展性；④最小編碼偏差；⑤最小本體承諾。

1.2 本體在語義網(wǎng)中的運(yùn)用

語義是文本的含義，語義需要理解文本的意思和結(jié)構(gòu)。語義Web是一個(gè)由機(jī)器可理解的大量數(shù)據(jù)構(gòu)成的一個(gè)分布式體系結(jié)構(gòu)，在此體系結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)之間的關(guān)系通過一些術(shù)語表達(dá)，這些術(shù)語之間又形成一種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，計(jì)算機(jī)能夠通過這些術(shù)語得到數(shù)據(jù)的含義［7］。作為語義Web的核心之一，本體是一種能在語義和知識(shí)層次上描述資源的概念模型，從而實(shí)現(xiàn)資源語義服務(wù)的機(jī)器自動(dòng)處理［8］。本體技術(shù)與語義網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，既有利于互聯(lián)網(wǎng)對(duì)知識(shí)的聚集與搜索，又有助于各個(gè)領(lǐng)域本體之間的共享與互操作。

1.3 本體建模過程

本體的建立步驟：①分析領(lǐng)域知識(shí)，給出概念分類模型；②抽象概念特征，建立本體信息模型；③利用Protégé本體編輯軟件定義類、屬性和實(shí)例；④檢驗(yàn)建立的本體是否滿足清晰性、一致性、完整性和可擴(kuò)展性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 基于本體的云制造資源建模

在深入分析了云制造資源的屬性特征之后，構(gòu)建了資源分類模型，為資源統(tǒng)一信息模型的提出做了內(nèi)容上的鋪墊。

2.1 云制造資源分類

云制造中的制造資源是一個(gè)廣義的概念，是一切能在制造全生命周期中發(fā)揮作用的所有軟硬件資源、人、知識(shí)等的總稱［9］。制造資源分類是其建模的基礎(chǔ)和重要基礎(chǔ)理論部分，對(duì)制造資源進(jìn)行分類的目的是使制造資源的建模和管理等相關(guān)活動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)化，使其在云制造資源平臺(tái)中進(jìn)行集成、共享、動(dòng)態(tài)組織和管理，使制造資源建模具有一致性［8］。擬將云制造資源分為人力資源、信息資源、服務(wù)資源、物料資源、知識(shí)資源、設(shè)備資源、軟件資源等七個(gè)大類。

（1）人力資源：諸如技術(shù)專家、生產(chǎn)專家、管理專家、財(cái)務(wù)專家和銷售專家等可以為制造生產(chǎn)活動(dòng)提供專業(yè)服務(wù)的人員。

（2）信息資源：諸如人才信息、供求信息、商務(wù)信息、政策信息和行業(yè)信息等能夠在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中提供各類信息服務(wù)的資源。

（3）服務(wù)資源：能為云制造活動(dòng)的用戶提供倉儲(chǔ)、咨詢、培訓(xùn)、應(yīng)用和計(jì)算服務(wù)的一類資源的總稱。

（4）物料資源：主要包括產(chǎn)品、原料、毛坯、部件和零件等有形資源。

（5）知識(shí)資源：能夠?yàn)樵浦圃斓氖褂谜吆途S護(hù)者提供諸如手冊(cè)、技能、標(biāo)準(zhǔn)、案例和經(jīng)驗(yàn)等服務(wù)的一類資源。

（6）設(shè)備資源：諸如倉儲(chǔ)設(shè)備、制造設(shè)備、計(jì)算設(shè)備、輔助設(shè)備和運(yùn)輸設(shè)備等為制造活動(dòng)提供制造能力的一類物理資源。

（7）軟件資源：諸如仿真軟件、分析軟件、管理軟件、系統(tǒng)軟件和設(shè)計(jì)軟件等在制造過程中被用到的所有軟件的總和。

2.2 本體信息模型構(gòu)建

由于云制造資源具有復(fù)雜性和異域性，為了提高云制造資源提供者上傳資源信息以及資源需求者搜索資源信息的效率，資源擁有者與資源需求者都必須以相同的信息模型對(duì)資源信息進(jìn)行發(fā)布和搜索。提出了基于本體五元組DSBFS（ResourceDomain、ServiceInformation、BasicInformation、FunctionInformation、StateInformation）的資源信息模型構(gòu)建方法，并且建立了云制造資源本體模型（如圖1）。

定義1：資源本體。DomainResource=｛RDomain，ServiceInfo，BasicInfo，F(xiàn)unctionInfo，StateInfo｝。

（1）RDomain是指制造資源所屬的領(lǐng)域。

定義2：RDomain=｛Manufacturing，Analysis&Design，LogisticsDistributtion，ResourceApplication｝。

其中，Manufacturing、Analysis&Design、LogisticsDistributtion、ResourceApplication分別指加工制造領(lǐng)域、分析設(shè)計(jì)領(lǐng)域、物流配送領(lǐng)域、資源應(yīng)用領(lǐng)域。

（2）ServiceInfo是指制造資源的服務(wù)信息，主要為資源需求者提供了價(jià)格（PriceRange）、資源數(shù)量（ResourceNumber）和可用時(shí)間（AvailableTime）等信息。

定義3：ServiceInfo=｛PriceRange，Resource Number，AvailableTime｝。

（3）BasicInfo是制造資源的基礎(chǔ)信息，具體的描述了資源的編號(hào)（ResourceID）、名稱（ResourceName）、供應(yīng)商（ResourceProvider）、聯(lián)絡(luò)方式（ContactInformation）等。

定義4：BasicInfo=｛ResourceID，ResourceName，ResourceProvider，ContactInformation｝。

（4）FunctionInfo是制造資源的功能信息，它描述了制造資源所具有的加工制造能力。

定義5：FunctionInfo=｛ProcessSized，Process Accuracy，Shape，SurfaceRoughness，MaterialType，Raw-MaterialType，GeometryFeature，PartType，Process-Type｝。

其中ProcessSized是指資源所具備的可加工零件尺寸的能力，相應(yīng)的，ProcessAccuracy、Shape、SurfaceR-oughness、MaterialType、RawMaterialType、GeometryFeature、PartType、ProcessType分別指可加工零件精度、可加工零件形狀、可加工零件表面質(zhì)量、可加工材料、可加工原料類型、可加工幾何特征、可加工零件類型、可加工方法。

（5）StateInfo是用來描述制造資源狀態(tài)信息的本體元素。

定義6：StateInfo=｛Maintaining，F(xiàn)ree，Underloaded，Loaded，Overloaded，F(xiàn)ailureResources｝。

其中，Maintaining、Free、Underloaded、Loaded、Overloaded、FailureResources分別指資源處于維修狀態(tài)中、處于空閑狀態(tài)、未達(dá)到滿負(fù)荷的使用狀態(tài)、處于滿負(fù)荷使用狀態(tài)、超負(fù)荷使用、無效的資源。

圖1 云制造資源本體模型

3 基于本體的云加工任務(wù)建模

加工任務(wù)可劃分為部件級(jí)、組件級(jí)、零件級(jí)和工序級(jí)，任何級(jí)別的任務(wù)在制造領(lǐng)域的模型都?xì)w結(jié)于零件的特征，零件特征作為零件信息的載體，表達(dá)了一定的制造特性，將零件特征信息進(jìn)行拓展，賦予加工方法信息，從而建立加工任務(wù)本體模型，所建模型支持零件特征選擇對(duì)應(yīng)的加工方法，以及制造資源的規(guī)劃［10］?，F(xiàn)以零件為加工任務(wù)的最小單元建立加工任務(wù)的本體模型。

為了使云加工任務(wù)能夠快速有效的發(fā)現(xiàn)所需制造資源，則需要對(duì)加工任務(wù)進(jìn)行建模，所建模型需要與制造資源本體具有相同的表達(dá)機(jī)制，那么可以通過基于本體五元組DSBFS的方法來建立加工任務(wù)本體模型，具體的對(duì)加工任務(wù)的任務(wù)領(lǐng)域（TDomain）、服務(wù)信息（ServiceInformation）、基礎(chǔ)信息（BasicInformation）、功能需求信息（FunctionRequirementInformation）和狀態(tài)信息（StateInformation）等五大本體元素進(jìn)行描述，賦予屬性信息，進(jìn)而構(gòu)建出加工任務(wù)的本體模型（如圖2）。

定義7：任務(wù)本體。ProcessTask=｛TDomain，ServiceInfo，BasicInfo，F(xiàn)unctionRequirementInfo，StateInfo｝。

（1）TDomain是指任務(wù)的所屬領(lǐng)域，具體定義類似于制造資源模型的定義。

定義8：TDomain=｛Manufacturing，Analysis&Design，LogisticsDistributtion，ResourceApplication｝。

（2）ServiceInfo指任務(wù)的服務(wù)信息。

定義9：ServiceInfo=｛PriceRange，Processing Number，TimeCostraint｝。

（3）BasicInfo是指加工任務(wù)的基礎(chǔ)信息。

定義10：BasicInfo=｛TaskID，TaskName，Task-Provider，ContactInformation｝。

（4）FunctionRequirementInformation是指加工任務(wù)的功能需求信息。

定義11：FunctionRequirementInfo=｛ProcessSized，ProcessAccuracy，Shape，SurfaceRoughness，Material-Type，RawMaterialType，GeometryFeature，PartType，ProcessType｝。

（5）StateInformation是任務(wù)狀態(tài)信息。

定義12：StateInfo=｛NotStarted，Underway，Completed｝。

圖2 加工任務(wù)本體模型

4 資源發(fā)現(xiàn)模型

資源發(fā)現(xiàn)包括映射匹配和優(yōu)化配置兩個(gè)步驟。在通過本體五元組DSBFS的方法建立了制造資源以及加工任務(wù)的統(tǒng)一模型之后，云制造資源的擁有者和需求者可以為此模型動(dòng)態(tài)的添加資源供給信息和資源需求信息，然后將此信息發(fā)送到云端進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。當(dāng)云端Agent收到任務(wù)信息之后啟用映射匹配機(jī)制，通過語義相似度算法依次計(jì)算制造資源及加工任務(wù)本體的服務(wù)信息、領(lǐng)域信息、基礎(chǔ)信息、功能（需求）信息和狀態(tài)信息之間的語義相似度S1、S2、S3、S4和S5，然后將這五部分的相似度值加權(quán)求和并通過評(píng)價(jià)機(jī)制得出最優(yōu)解S，之后再將最優(yōu)解的信息反饋給任務(wù)本體，最后下達(dá)訂單，至此，映射匹配和優(yōu)化配置結(jié)束。資源發(fā)現(xiàn)模型雛形如圖3所示。

圖3 資源發(fā)現(xiàn)模型

5 建模方法應(yīng)用實(shí)例

隨著語義Web技術(shù)研究和應(yīng)用的深入，為了解決Web信息計(jì)算機(jī)可理解的問題，出現(xiàn)了一系列基于語義Web標(biāo)準(zhǔn)的本體標(biāo)記語言，如SHOE、XOL、RDF、RDF-S、DAML+OL、OWL等［11］。作為復(fù)雜產(chǎn)品知識(shí)語義描述的研究熱點(diǎn)，OWL建立在資源描述框架（Resource Description Framework，RDF）和可擴(kuò)展標(biāo)記語言（eXtensible Markup Language，XML）等已有標(biāo)準(zhǔn)之上，主要針對(duì)概念、性質(zhì)、個(gè)體之間的關(guān)系進(jìn)行描述，支持語義推理［12］。為了使制造資源以及加工任務(wù)表達(dá)得更清晰、更容易被理解，并且更容易通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，我們采用OWL語言來表達(dá)和存儲(chǔ)制造資源和加工任務(wù)信息。

現(xiàn)有西安建筑科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心的一臺(tái)普通CA6140車床和某工廠的一項(xiàng)雙聯(lián)齒輪外圓加工外包任務(wù)，其屬性信息如表1所示，我們用本體五元組DSBFS的方法和著名的本體構(gòu)建軟件Protégé建立了相應(yīng)的本體模型，給出了部分OWL片段。

表1 機(jī)床和加工任務(wù)信息表

（1）機(jī)床屬性O(shè)WL片段

（2）雙聯(lián)齒輪外圓加工任務(wù)OWL片段

通過以上的實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了本文所提的本體五元組DSBFS建模方法的正確性與可行性，可以被推廣使用。

6 結(jié)束語

為了在全社會(huì)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)真正意義上的資源共享和優(yōu)化配置，則有必要為散落在Internet上的資源信息和加工任務(wù)信息提供統(tǒng)一的描述和共享的標(biāo)準(zhǔn)。分析了本體技術(shù)在語義建模中的運(yùn)用，給出了制造資源分類模型，提出了本體五元組DSBFS的建模方法，構(gòu)建了云制造資源以及云加工任務(wù)的本體模型，初步設(shè)計(jì)了資源發(fā)現(xiàn)模型，將加工要求與加工能力之間的搜索匹配轉(zhuǎn)化為制造資源本體和加工任務(wù)本體之間的映射來求解，最后通過具體的實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了DSBFS建模方法的可行性與有效性。所提出的本體模型構(gòu)建方法和資源發(fā)現(xiàn)模型為后續(xù)的制造資源智能搜索以及可執(zhí)行加工路線優(yōu)化的研究奠定了基礎(chǔ)

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Modeling of Cloud Manufacturing Resources and Processing Tasks Based on Ontology

DONG Zhao-yang，LI Xin
（College of Mechanical and Electronic Engineering，Xi′an University of Architecture and Technology，Xi′an 710055，China）

To achieve the search matching between processing requirements of complex processing tasks and the processing ability of manufacturing resources，the method of ontology-based DSBFS modeling is proposed.The application of ontology technology in semantic modeling was analyzed.The classification model of the manufacturing resources was established.The otology-based cloud manufacturing resources and processing tasks information model were build.The preliminary model of resource discovery was designed.Then the problem that the search matching between processing requirements and processing capacity can be solved by the mapping between the ontology of manufacturing resources and processing tasks.Finally，the ontology model of a specific instance was established by the modeling method of DSBFS.And the resources and processing task ontology of the instance were described by semantic Web ontology language OWL.It' s says that the proposed modeling method has the feasibility and correctness through the practice.

manufacturing resource；processing task；ontology；modeling

TH166；TG506

A

1001-2265（2015）06-0154-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.06.042

2014-9-28；

2014-10-19

陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2012JM7017）

董朝陽（1974—），男，陜西禮泉縣人，西安建筑科技大學(xué)副教授，博士，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)化制造、車間調(diào)度，（E-mail）zhyangdong@yahho.com.cn；通訊作者：李新（1990—），男，湖北天門人，西安建筑科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)樵浦圃欤‥-mail）lixin90715@163.com。