焊接生產(chǎn)信息共享架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

原建偉，何玉輝，王 坤

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000）

信息技術(shù)的發(fā)展影響著制造業(yè)的變革，新型信息技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，進(jìn)一步加速了這種變革。云制造是一種利用網(wǎng)絡(luò)和云制造服務(wù)平臺(tái)，按用戶需求組織網(wǎng)上制造資源，為用戶提供各類按需制造服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式［1］。云制造已經(jīng)成為目前集成制造的一種延伸和發(fā)展，成為將來(lái)集成化制造的一個(gè)趨勢(shì)，并能夠?qū)⑸a(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)甚至是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)集成在一起。云制造與云計(jì)算技術(shù)存在一定意義上的關(guān)聯(lián)，云計(jì)算是基于互聯(lián)網(wǎng)資源（IT 基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)、軟件等）以按需、易擴(kuò)展方式獲取的技術(shù)［2］，而云制造則是將這一概念擴(kuò)展至制造業(yè)，將各種生產(chǎn)過(guò)程中的資源納入這個(gè)新體系之中。焊接生產(chǎn)是制造業(yè)中一個(gè)非常重要的制造環(huán)節(jié)，近些年焊接生產(chǎn)的信息化程度不斷提高，從焊工信息管理系統(tǒng)到焊接工藝管理系統(tǒng)再到焊接專家系統(tǒng)，種類眾多。另一方面，焊接設(shè)備的不斷發(fā)展也促使設(shè)備的信息化發(fā)展，一些焊接設(shè)備已經(jīng)能夠支持網(wǎng)絡(luò)功能，并且具備實(shí)現(xiàn)焊接工藝的網(wǎng)絡(luò)化管理與監(jiān)控的條件，對(duì)焊接質(zhì)量控制和提高焊接制造過(guò)程中的敏捷性具有重要意義［3－5］。焊接生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的工藝體系，從委托工藝評(píng)定、制定工藝規(guī)程、委托熱處理到委托檢驗(yàn)等，將會(huì)涉及到不同的部門或企業(yè)。對(duì)于一些中小企業(yè)來(lái)說(shuō)，外協(xié)加工是不可避免的一項(xiàng)業(yè)務(wù)，即使一些大型企業(yè)也一樣存在分公司或不同部門之間的業(yè)務(wù)協(xié)作關(guān)系。探討如何合理利用外協(xié)加工資源，優(yōu)化配置，提高外協(xié)資源的利用率，降低資源使用成本是有意義的。云制造思想的提出，為求解復(fù)雜制造問(wèn)題、制造與服務(wù)資源共享及開(kāi)展大規(guī)模協(xié)同制造提供了可能，為制造企業(yè)更廣泛和更優(yōu)化地選擇和利用外協(xié)加工資源提供了一條更好的思路［6－7］。在資源共享和虛擬化過(guò)程中，尋找一種能夠?qū)⒑附由a(chǎn)過(guò)程中的信息資源規(guī)范化并實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)訪問(wèn)的技術(shù)，是將焊接生產(chǎn)過(guò)程納入到云制造體系之中的基礎(chǔ)。

目前，通過(guò)計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)實(shí)施焊接過(guò)程信息管理，通常采用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的方式，使用的數(shù)據(jù)庫(kù)種類各異［8－10］，在不同數(shù)據(jù)庫(kù)之間實(shí)現(xiàn)共享存在很多問(wèn)題。對(duì)于云制造體系而言，工業(yè)過(guò)程的監(jiān)控、信息融合、網(wǎng)絡(luò)化制造方面的具體實(shí)施往往需要構(gòu)建在以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的模型上［11］，因此本文研究使用OWL語(yǔ)言設(shè)計(jì)焊接生產(chǎn)過(guò)程信息描述框架，并在異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息的交換，從而在云制造過(guò)程中創(chuàng)建一個(gè)信息資源的規(guī)范化平臺(tái)。

1 網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言O(shè)WL

OWL（web ontology language）是網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言的簡(jiǎn)稱，由W3C在RDF／RDFS基礎(chǔ)上結(jié)合DAML＋OIL 增加了描述類和屬性的詞匯，用于對(duì)本體進(jìn)行語(yǔ)義描述，具有豐富的本體語(yǔ)言表達(dá)能力和推理能力［12－13］。OWL包含3種子語(yǔ)言：OWL Lite，OWL DL，OWL Full，每種子語(yǔ)言可以針對(duì)不同需求。從語(yǔ)法角度講，OWL Lite最為簡(jiǎn)單，適于簡(jiǎn)單的層次和定義；OWL DL 描述能力更強(qiáng)，適于建立描述邏輯，并可以自動(dòng)推理而在實(shí)際應(yīng)用中使用較多；OWL Full有完全自由的RDF 語(yǔ)法，因此表達(dá)能力也最強(qiáng)，但因過(guò)于復(fù)雜卻很少采用，本文使用OWL DL對(duì)焊接過(guò)程中產(chǎn)生的信息進(jìn)行定義和描述，根據(jù)焊接過(guò)程中產(chǎn)生的信息特點(diǎn)，使用OWL語(yǔ)言中的Class（類）、SubClassOf（子類）和Property（屬性）等概念構(gòu)建焊接信息相關(guān)本體。

2 工藝信息共享架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在現(xiàn)代焊接生產(chǎn)過(guò)程建立企業(yè)間的合作和協(xié)作非常普遍。在此過(guò)程中產(chǎn)生的信息包含各種工藝文件以及焊接過(guò)程中的一些附加信息，如焊接接頭質(zhì)量，焊接缺陷特征信息等。這個(gè)過(guò)程中涉及到的工藝文檔種類較多，用于不同階段，有著不同的使用目的，不同企業(yè)對(duì)這些信息的制定和表述存在著差異，同樣在信息化過(guò)程中的存儲(chǔ)技術(shù)和方式也有很大的差別。目前，在集成化、協(xié)作化的生產(chǎn)環(huán)境下，在生產(chǎn)過(guò)程中以保留企業(yè)自己的信息存儲(chǔ)與表示方式為基礎(chǔ)，建立在不同企業(yè)之間、工藝信息之間進(jìn)行交換的公共橋梁是實(shí)現(xiàn)云制造的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 設(shè)計(jì)思路

實(shí)現(xiàn)不同企業(yè)之間數(shù)據(jù)共享架構(gòu)的基礎(chǔ)是統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換規(guī)則和處理方法，OWL 良好且豐富的描述能力為這一基礎(chǔ)提供了最基本的支持。通過(guò)構(gòu)建合理的數(shù)據(jù)交換模型，可以實(shí)現(xiàn)精確轉(zhuǎn)換，基于XSLT 的跨平臺(tái)轉(zhuǎn)換描述模板實(shí)現(xiàn)對(duì)OWL 數(shù)據(jù)的顯示，整體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)思路Fig.1 Design idea

2.2 數(shù)據(jù)交換模型

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，需要有一套預(yù)先定義過(guò)的語(yǔ)法和語(yǔ)義規(guī)則需要根據(jù)這些規(guī)則對(duì)規(guī)則表達(dá)式進(jìn)行語(yǔ)法和語(yǔ)義分析，并在執(zhí)行過(guò)程中根據(jù)規(guī)則表達(dá)式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換規(guī)則是對(duì)目標(biāo)字段而言，每個(gè)目標(biāo)字段對(duì)應(yīng)一個(gè)規(guī)則。假定目標(biāo)字段為Df，則Df的產(chǎn)生依賴于一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)源字段，稱這些數(shù)據(jù)源字段為Sf，規(guī)則即一個(gè)函數(shù)表達(dá)式，見(jiàn)式（1）：

數(shù)據(jù)交換模型源于對(duì)已有數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行抽象，是已有數(shù)據(jù)庫(kù)體的形式框架，在交換模型中數(shù)據(jù)交換模塊是其核心，如圖2所示。數(shù)據(jù)交換模塊的作用是將源數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù)據(jù)表示成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文檔和結(jié)構(gòu)文檔，并消除類型異構(gòu)、語(yǔ)義異構(gòu)、長(zhǎng)度異構(gòu)、精度異構(gòu)、度量異構(gòu)和聯(lián)系異構(gòu)等。

圖2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型Fig.2 Model of data transition

2.3 轉(zhuǎn)換規(guī)則

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到OWL時(shí)已經(jīng)轉(zhuǎn)換成文本，所以，在轉(zhuǎn)換前后必須通過(guò)轉(zhuǎn)換規(guī)則記錄源數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)信息。轉(zhuǎn)換規(guī)則本質(zhì)上是對(duì)2個(gè)體系中存在的各種異構(gòu)進(jìn)行融合，通過(guò)這種融合能使數(shù)據(jù)順利地傳遞。

1）語(yǔ)義轉(zhuǎn)換規(guī)則

2個(gè)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，首先要解決的是語(yǔ)義轉(zhuǎn)換，即對(duì)專業(yè)術(shù)語(yǔ)定義需要遵循統(tǒng)一的規(guī)則。就焊接工藝評(píng)定而言，很多術(shù)語(yǔ)在不同企業(yè)中的使用是有差別的，如“焊接工藝評(píng)定委托書”一詞在有的企業(yè)就可能被稱為“焊接工藝評(píng)定委托單”。對(duì)于焊接方法，有的稱為“施焊技術(shù)”，因此需要在轉(zhuǎn)換規(guī)則中將此類術(shù)語(yǔ)建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系。

OWL中提供類和屬性之間的等價(jià)關(guān)系（owl：equivalentClass；owl：equivalentProperty），這在將2種本體組合在一起時(shí)非常有用。通過(guò)這種等價(jià)關(guān)系能夠說(shuō)明一個(gè)本體中的某個(gè)類或者屬性與另一個(gè)本體中的某個(gè)類或者屬性是等價(jià)的。

以下描述是采用等價(jià)屬性對(duì)焊接方法術(shù)語(yǔ)進(jìn)行定義，說(shuō)明“焊接方法”和“施焊技術(shù)”具有相同意義，都是焊接方法的術(shù)語(yǔ)。

2）類型轉(zhuǎn)換規(guī)則

不同數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)類型的定義不同，不僅僅是名稱的差別，還包括存儲(chǔ)字節(jié)和精度的不同，因此需要構(gòu)建一個(gè)轉(zhuǎn)換規(guī)則實(shí)現(xiàn)雙向準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換。以常用Access和SQL Server之間的轉(zhuǎn)換為例介紹轉(zhuǎn)換規(guī)則的制訂。

這兩種數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)類型存在一定差別，一種情況是對(duì)同一種數(shù)據(jù)類型的名稱上存在不同，另一種情況是SQL Server中有一些Access沒(méi)有的數(shù)據(jù)類型。對(duì)于前一種情況，通過(guò)OWL 的equivalent－Property將兩種數(shù)據(jù)庫(kù)中同一種數(shù)據(jù)類型或相近數(shù)據(jù)類型建立起等價(jià)關(guān)系。后一種情況使用有條件的等價(jià)關(guān)系，在創(chuàng)建等價(jià)關(guān)系時(shí)，根據(jù)存儲(chǔ)字節(jié)或者表述范圍創(chuàng)建包含轉(zhuǎn)換限定條件的等價(jià)關(guān)系，圖3是系統(tǒng)在對(duì)2種不同數(shù)據(jù)庫(kù)中相同或相似數(shù)據(jù)類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換示意圖。

圖3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換Fig.3 Data transition

如表1中所示進(jìn)行對(duì)比的數(shù)據(jù)類型，主要是名稱不同，存儲(chǔ)字節(jié)與表示范圍都一致，對(duì)于這些類型比較容易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，只需要建立起等價(jià)屬性即可。其中有一對(duì)較為特殊的數(shù)據(jù)類型需要特殊處理，Access中的Boolean 表示布爾型數(shù)據(jù)，在SQL Server中并沒(méi)有完全與其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型，因此采用Bit與其對(duì)應(yīng)，Bit類型存儲(chǔ)值為1或0的數(shù)據(jù)也接受1和0以外的整數(shù)值，但總是將其解釋為1，故可以將1等價(jià)于True，0等價(jià)于False。

表1 相同或相似數(shù)據(jù)類型Tab.1 Same and similar data type

下面部分代碼表示Access 中的Boolean 與SQL Server中Bit之間的轉(zhuǎn)換。

對(duì)于存在范圍差異的數(shù)據(jù)類型，處理起來(lái)較為復(fù)雜。這種差異表現(xiàn)在2個(gè)方面，一是存儲(chǔ)字節(jié)的差別，一是定義范圍的差別。表2中顯示在Access中Decimal類型與SQL Server中的Decimal類型的存儲(chǔ)字節(jié)不同，從SQL Server中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到Access中就有可能出現(xiàn)超出表示范圍的可能。另外，用于記錄時(shí)間和日期的數(shù)據(jù)類型在不同數(shù)據(jù)庫(kù)體系中存在差異最多，即使存儲(chǔ)位數(shù)相同，可能表述的日期范圍也存在不同，因此針對(duì)這類數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換需要采用較為復(fù)雜的轉(zhuǎn)換方式。根據(jù)這些數(shù)據(jù)類型的特點(diǎn)，除了建立等價(jià)關(guān)系之外，還需定義一個(gè)規(guī)則類Rules，在其下定義子類Comparesign，該子類用于定義取值范圍，并通過(guò)規(guī)則建立不同范圍數(shù)據(jù)的有效性驗(yàn)證。

表2 存在差異數(shù)據(jù)類型Tab.2 Diversity data type

子類Comparesign 定義屬性（LT，GTE，GT，LTE，EQ，NEQ）用于對(duì)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行比較，從而確定兩種數(shù)據(jù)類型的范圍是否在同一個(gè)區(qū)域，以及判斷具體存儲(chǔ)數(shù)據(jù)是否存在超出范圍。圖4中ADValue和SDValue建立等價(jià)關(guān)系，用于轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，SDmin屬性通過(guò)建立規(guī)則實(shí)現(xiàn)對(duì)SDValue轉(zhuǎn)換至ADValue時(shí)數(shù)據(jù)范圍的驗(yàn)證。

2.4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

圖4 數(shù)據(jù)等價(jià)關(guān)系Fig.4 Equivalence of data

目前可用于處理RDF（S），OWL的推理接口有Jess，Racer，Jena等。Jena是較為常用的處理工具之一，它是一種用來(lái)構(gòu)建語(yǔ)義Web應(yīng)用的Java框架，它提供了有關(guān)操作RDF，RDF（S）和OWL 的接口方法以及基于規(guī)則的推理引擎編程環(huán)境，可以動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)及推理，輸出某些處理結(jié)果［14－16］。類 型 轉(zhuǎn) 換 規(guī) 則 前 期 使 用Protege 進(jìn) 行 創(chuàng)建，并創(chuàng)建轉(zhuǎn)換規(guī)則。Jena中推理子系統(tǒng)提供了基于規(guī)則的推理機(jī)實(shí)現(xiàn)推理功能。Jena通過(guò)Model－Factory實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)推理機(jī)制，首先根據(jù)已創(chuàng)建的規(guī)則注冊(cè)推理機(jī)（Reasoner Register），把推理機(jī)和需要進(jìn)行查詢推理的本體綁定在一起，得到進(jìn)行檢索的模型對(duì)象（InfGraph），最后借助Ontology API和Model API對(duì)已建立的模型對(duì)象進(jìn)行操作和處理，通過(guò)對(duì)概念的推理，完成基于語(yǔ)義的信息檢索及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換流程如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)換流程Fig.5 Transition flow

2.5 樣式轉(zhuǎn)換

通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換平臺(tái)，企業(yè)之間建立起統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換體系。在這種情況下，各企業(yè)之間依然可以利用原有的系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)和顯示工藝信息，但通用的顯示接口可以更好地實(shí)現(xiàn)信息交換與企業(yè)合作。OWL本質(zhì)上是采用XML書寫，因此，使用XSLT 對(duì)其進(jìn)行查詢和顯示。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，XSLT 使用XPath定義源文檔時(shí)可匹配一個(gè)或多個(gè)預(yù)定義模板的部分。當(dāng)找到所匹配的內(nèi)容時(shí)，XSLT 會(huì)將源文檔的匹配部分轉(zhuǎn)換為結(jié)果文檔。預(yù)定義模板靈活多樣，可以根據(jù)不同企業(yè)需求創(chuàng)建符合企業(yè)規(guī)范的預(yù)定義模板，所以同一工藝可以適應(yīng)不同企業(yè)的工藝單樣式，很好地實(shí)現(xiàn)企業(yè)間工藝信息共享的目的。圖6中2 個(gè)表格是基于同一個(gè)OWL 的工藝文件并經(jīng)過(guò)不同XSLT 轉(zhuǎn)換后顯示出來(lái)的結(jié)果。2 個(gè)XSLT 文件分別按照不同企業(yè)的工藝文件樣式進(jìn)行制作。

圖6 經(jīng)過(guò)XSLT 轉(zhuǎn)換的工藝卡Fig.6 Technology card based on XSLT

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思想與轉(zhuǎn)換框架對(duì)2家相關(guān)企業(yè)焊接工藝信息進(jìn)行共享和融合。2家企業(yè)存在生產(chǎn)依托關(guān)系，A 企業(yè)為B 企業(yè)焊接生產(chǎn)某零件，該零件焊接工藝較為復(fù)雜。兩企業(yè)都部分或全部實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的信息化建設(shè)，有實(shí)現(xiàn)資源共享的基礎(chǔ)，但系統(tǒng)各自建設(shè)，存在差別。首先分析兩企業(yè)的焊接過(guò)程管理信息化與底層數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換規(guī)則，并進(jìn)一步根據(jù)各企業(yè)相關(guān)文件樣式設(shè)計(jì)XSLT 文件對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

3 結(jié) 論

針對(duì)目前焊接制造過(guò)程中協(xié)作企業(yè)間信息轉(zhuǎn)換與共享存在的問(wèn)題，提出以O(shè)WL 表述焊接工藝信息的思路，對(duì)不同企業(yè)的焊接生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。開(kāi)發(fā)了基于Jena的轉(zhuǎn)換程序與相關(guān)轉(zhuǎn)換規(guī)則，并根據(jù)企業(yè)不同需求，采用XSLT 進(jìn)行不同模板樣式的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果精度高，數(shù)據(jù)安全性好，證明了該方法具有良好的可行性和較高的推廣價(jià)值。

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