基于語義的智能終端產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)定制

（青島大學(xué) 商學(xué)院，青島 266100）

0 引言

產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)（Product Service System，PSS）對增強(qiáng)產(chǎn)品使用體驗和通過服務(wù)拉動產(chǎn)品消費(fèi)具有顯著作用，也是企業(yè)實施差異化戰(zhàn)略的有效途徑。國內(nèi)外近年來對PSS的研究越來越多，產(chǎn)業(yè)界DELL等企業(yè)組織已經(jīng)開展了通過官方網(wǎng)站進(jìn)行智能終端PSS定制的實踐，但可供定制的PSS配置的語義建模以及基于推理的PSS定制有關(guān)研究尚不多見，其中智能終端PSS的配置與定制方面未見到有基于語義的相關(guān)的研究。在人工智能[1]飛速發(fā)展的當(dāng)下，重在語義建模和智能推理的語義網(wǎng)的研究與應(yīng)用重新受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的重視。語義網(wǎng)中的本體及規(guī)則層擅長定義并豐富概念之間的抽象關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)PSS配置的語義建模，進(jìn)而有利于PSS配置知識的繼承、重用與推理。本文主要利用網(wǎng)絡(luò)本體語言二代（Web Ontology Language 2，OWL2）以及語義網(wǎng)規(guī)則語言（Semantic Web Rule Language，SWRL），借助本體編輯工具Protégé5.2及其內(nèi)置推理機(jī)HermiT，對智能終端PSS的配置進(jìn)行語義建模以及通過推理進(jìn)行智能終端PSS定制，最后以智能手機(jī)這一智能終端設(shè)備進(jìn)行實例驗證。

PSS于上世紀(jì)九十年代源自北歐，Goedkoop將制造商提供的有形產(chǎn)品與服務(wù)商提供的無形服務(wù)市場化組合，形成能更大限度滿足消費(fèi)者需求的系統(tǒng)，由系統(tǒng)功能決定產(chǎn)品和服務(wù)所占的比重，同時比傳統(tǒng)商業(yè)模式的環(huán)境影響更低[2]。自此，許多學(xué)者提出不同的定義，通過歸納提取出PSS具備的兩個關(guān)鍵特征，一是將有形的產(chǎn)品附加無形的服務(wù)形成組合，二是形成相應(yīng)的生產(chǎn)服務(wù)運(yùn)作體系在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境兩方面實現(xiàn)價值增值。

PSS的配置方法和運(yùn)作系統(tǒng)的資源集成等研究已具備基礎(chǔ)，如Sheng等提出在供應(yīng)商參與的前提下基于遺傳算法的PSS設(shè)計方法[3]；Carreira等將Kansei（感性工學(xué)）理論應(yīng)用于PSS配置[4]；陳夢月等利用故障模式相關(guān)分析工具，以故障鏈為對象，提出了基于用戶體驗的產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)再設(shè)計模塊識別方法[5]。產(chǎn)品的語義建模及其基于推理的定制已經(jīng)有少量研究，如D Yang等提出利用基于本體的開發(fā)方法對工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化配置，并以挖掘機(jī)為例進(jìn)行應(yīng)用驗證[6]。

1 智能終端PSS配置的語義建模架構(gòu)

1.1 智能終端PSS配置的語義建模語言及工具

本體最初為哲學(xué)領(lǐng)域的概念，旨在解釋說明客觀存在的抽象本質(zhì)。上世紀(jì)90年代此概念被引入人工智能領(lǐng)域，最具代表性的定義由Gruber提出：本體是概念模型的明確的規(guī)范說明[7]。本體由類（classes）或概念（concepts）、關(guān)系（relations）、函數(shù)（functions）、公理（axioms）和實例（instances）這五個基本建模元素組成。類或概念是表達(dá)對象的集合或?qū)ρ芯款I(lǐng)域內(nèi)概念規(guī)范的描述；關(guān)系是指研究領(lǐng)域內(nèi)概念間的交互作用，與表達(dá)對象的集合相對應(yīng)，例如父類子類的關(guān)系（subclass-of）；函數(shù)是指一類特殊關(guān)系，具有邏輯推理作用；公理指無須證明的永真斷言，作為類的屬性和關(guān)系的邏輯約束；實例是指某個類中的個體，繼承類的內(nèi)部屬性或類間關(guān)系并可有特殊性質(zhì)的最小對象。

目前本體語言已有30余種，W3C總結(jié)了RDFS、DAML-ONT、OIL等早期本體語言編寫經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上于2004年推出網(wǎng)絡(luò)本體語言 （Web Ontology Language，OWL）。OWL可以定義領(lǐng)域本體知識詞匯的概念及其之間的關(guān)系約束，可進(jìn)行嚴(yán)格的邏輯化語義描述，其設(shè)計目的是取代人工而讓軟件進(jìn)行信息的自動推理。OWL2在OWL本體語言的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，豐富屬性的數(shù)據(jù)類型，增加新的語義表達(dá)功能，簡化元本體語義約束并增強(qiáng)元素的注釋能力等，于2012年正式作為網(wǎng)絡(luò)本體語言被推出，旨在更有針對性對興趣領(lǐng)域的知識進(jìn)行明確表達(dá)、交換和推理。利用OWL2表示PSS的配置模型，即進(jìn)行語義建模，能夠適應(yīng)PSS中類、實例等要素復(fù)雜的邏輯關(guān)系以及所需的推理能力。

語義網(wǎng)規(guī)則語言（Semantic Web Rule Language，SWRL）依存于用OWL語法所構(gòu)建本體同時又與其保持相對獨立，能夠方便地將推理規(guī)則與本體結(jié)合在一起，使本體具有更為豐富的關(guān)系表達(dá)和推理能力，用SWRL語言描述的規(guī)則還可以方便地轉(zhuǎn)化為現(xiàn)存規(guī)則系統(tǒng)中的規(guī)則。SWRL規(guī)則的語法為：antecedent→consequent。作為產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)規(guī)則的重要表達(dá)方法，它被應(yīng)用于基于語義的決策支持平臺來協(xié)助產(chǎn)品的生態(tài)標(biāo)簽處理[9]，也被用于為裝配序列規(guī)劃開發(fā)基于本體的建模和推理框架[10]。在不斷演變的語義Web堆棧中，SWRL可以作為本體層OWL的補(bǔ)充，也可以作為本體層之上的更高一層，因其依存于本體，本文將其作為本體的組成部分。

美國斯坦福大學(xué)開發(fā)的本體語言編輯工具Protégé，是一個以JAVA實現(xiàn)的開源本體編輯器和構(gòu)建智能系統(tǒng)的框架，有助于各個領(lǐng)域的本體開發(fā)人員構(gòu)建基于知識的解決方案。本研究選擇Protégé5.2進(jìn)行建模，它完全支持OWL2；圖形化界面簡單，可視化效果好；可檢查本體的一致性，支持多重繼承；可擴(kuò)展性強(qiáng)，支持附加其他應(yīng)用；內(nèi)嵌SWRLTab提供SWRL規(guī)則和約束編輯平臺；內(nèi)置HermiT推理機(jī)支持OWL2和SWRL推理；輸出格式多樣，如OWL、RDF（S）、XML等。

1.2 智能終端PSS配置的語義架構(gòu)

圖1 智能終端PSS配置的四層語義架構(gòu)

智能終端PSS的配置實質(zhì)為可供定制的產(chǎn)品及服務(wù)組件的構(gòu)成及約束，其語義架構(gòu)旨在指導(dǎo)通過由智能終端通用配置知識到領(lǐng)域共性配置知識再到實例特有配置知識的逐層派生、擴(kuò)展和集成，即通過逐層語義建模形成以本體為表現(xiàn)形式的語義模型，實現(xiàn)配置知識的重用和推理支持。據(jù)此，我們構(gòu)建了圖1所示的四層語義架構(gòu)。

圖1中，自下而上最底層為語言層（或稱為元語義層），由OWL2、SWRL和其他語言如知識描述語言KDL、統(tǒng)一建模語言UML等構(gòu)成，為整個語義架構(gòu)的配置知識表示語言。第二層為通用語義層，用以形式化表達(dá)智能終端 PSS的通用配置知識，構(gòu)建智能終端PSS配置的通用語義模型，包括一般性智能終端PSS的產(chǎn)品及服務(wù)配置有關(guān)術(shù)語、關(guān)系及其規(guī)則等，形成語義建模的結(jié)果——本體。第三層為領(lǐng)域語義層，用以形式化表達(dá)特定細(xì)分領(lǐng)域智能終端（如手機(jī)）PSS的共性術(shù)語、關(guān)系及規(guī)則等，它繼承、重用并擴(kuò)展通用語義層中的配置知識，為第四層提供更為具體和適用的配置知識。第四層為實例語義層，不同的組織可以根據(jù)自身業(yè)務(wù)所需在領(lǐng)域語義層基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展以構(gòu)建特定的智能終端（如華為手機(jī)）PSS配置本體。由此，后面三層架構(gòu)自下而上大體呈現(xiàn)出一種1:M:M×N的樹狀配置知識繼承和擴(kuò)展架構(gòu)，不同組織可以通過復(fù)用/共享、繼承、擴(kuò)展該架構(gòu)來構(gòu)建信息系統(tǒng)并配備推理等功能組件實現(xiàn)特定智能終端PSS的個性化定制。

2 智能終端PSS配置本體的構(gòu)建

2.1 智能終端PSS配置的通用本體

通過對智能終端PSS配置通用知識的一般性歸納，我們構(gòu)建了圖2所示的智能終端PSS配置本體。其中，智能終端PSS（Smart Terminal PSS）可以分解為代表產(chǎn)品部分的產(chǎn)品包（Product Package）和代表服務(wù)部分的服務(wù)包（Service Package）兩大構(gòu)成要素。產(chǎn)品包由硬件系統(tǒng)（Hardware System）和軟件系統(tǒng)（Software System）兩部分組成。硬件系統(tǒng)可分為處理器（Processor）、存儲器（Memory）、輸入設(shè)備（Input Device）、輸出設(shè)備（Output Device）和終端機(jī)體基本構(gòu)件（Basic Component）等部分；軟件系統(tǒng)則可分為操作系統(tǒng)（Operating System，OS）和應(yīng)用軟件（Application Software，APP）兩個部分。硬件系統(tǒng)內(nèi)部組件需要特定的端口（Port）進(jìn)行連接，具備相應(yīng)的功能（Function），其中硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)均具備各自屬性（Attribute）和各種約束（Constraint）。服務(wù)元素（Service Element）在服務(wù)商（Facilitator）的支持以及服務(wù)元素各種約束下組合為服務(wù)包。產(chǎn)品包可以附加各種形式的服務(wù)包以組成智能終端PSS，服務(wù)元素根據(jù)其屬性附加在實體產(chǎn)品的各個組成部分或整體上，產(chǎn)品和服務(wù)要素的數(shù)量及類型可隨需求變化并在領(lǐng)域本體中進(jìn)行更具體地定義。

配置本體中，不同構(gòu)成要素間存在三種通用的約束關(guān)系，即存在型約束RC（Require Constraint）、不相容約束IC（Incompatible Constraint）和等價型約束EC（Engagement Constraint），可歸為關(guān)系間約束（Inter Constraint）。其中，由A到B的RC約束表示若組件A需要，則組件B必須存在，反之不成立；由A到B的IC約束為若組件A存在，則組件B不存在，反之成立；由A到B或由B到A的EC約束為組件A與組件B同時存在為一整體，不可單獨存在。除此之外，約束中還包括功能約束（Func_Constraint）、內(nèi)部約束（Intra_Constraint）和外部約束（External_constraint）。其中，內(nèi)部約束可以分為基數(shù)約束（Cardinality_Constraint）、必要約束（Essential_Constraint）和可選約束（Optional_Constraint）。外部約束包括：端口約束（Port_Constraint）；不兼容約束（Incompatible_Constraint），即生產(chǎn)商或服務(wù)商的規(guī)格要求對內(nèi)部構(gòu)件或服務(wù)元素的約束，例如華為對APP的要求不能用IOS平臺的APP，移動與聯(lián)通等其他電信運(yùn)營商不能兼容；需求約束（Requirement_Constraint），即來自用戶的特定需求。

圖2 智能終端PSS配置本體

2.2 智能手機(jī)PSS配置的領(lǐng)域與實例本體

在繼承智能終端PSS配置本體的基礎(chǔ)上，將智能手機(jī)的硬件和軟件系統(tǒng)構(gòu)件以及相關(guān)服務(wù)進(jìn)行分析整合，定義智能手機(jī)領(lǐng)域相關(guān)類、屬性及類間關(guān)系，由此引入智能手機(jī)配置的領(lǐng)域知識對智能終端PSS配置本體進(jìn)行擴(kuò)展，形成智能手機(jī)PSS配置本體（領(lǐng)域本體）。進(jìn)而，企業(yè)組織面向自己的品牌手機(jī)需要對智能手機(jī)配置本體進(jìn)行擴(kuò)展和具體化，派生出配置實例本體。其遞進(jìn)關(guān)系如圖3所示。

據(jù)此，構(gòu)建了圖4中各Class及其關(guān)系部分所表示的智能手機(jī)PSS配置本體，其中，Processor、Output_Device、Input_Device、Memory、Basic_Component、Software_System和Service_Package等為來自智能終端PSS配置本體中的類。智能手機(jī)PSS配置本體繼承智能終端PSS配置本體并融合智能手機(jī)特有的產(chǎn)品與服務(wù)概念及其相互關(guān)系和約束。如，針對智能手機(jī)的服務(wù)主要分為保險服務(wù)、維修服務(wù)、基礎(chǔ)型服務(wù)以及消費(fèi)型服務(wù)四種服務(wù)包。其中，保險種類多樣，多集中于部分零件（如碎屏險）和整機(jī)質(zhì)保，并涉及理賠服務(wù)；維修服務(wù)包括遠(yuǎn)程診斷和預(yù)約維修服務(wù)；基礎(chǔ)型服務(wù)包括咨詢服務(wù)、分期付款和以舊換新等；消費(fèi)型服務(wù)主要針對配件及通信兩個方面，根據(jù)客戶需求配置符合手機(jī)整體功能的配件（如鋼化膜、拍照穩(wěn)定器等）和通信套餐包（如語音、流量等）。

進(jìn)而，基于華為系列智能手機(jī)通常采用的部件型號和結(jié)構(gòu)，將服務(wù)整合加入后，形成如圖4中各Instance及其關(guān)系部分所表示的華為手機(jī)PSS配置本體，即一個智能手機(jī)配置實例本體。Instance繼承所屬Class的屬性并被擴(kuò)展了特殊屬性，屬性被賦予屬性值，形成華為手機(jī)PSS配置知識庫，在此基礎(chǔ)上可以構(gòu)建信息系統(tǒng)并支持基于用戶需求推理的個性化定制。

圖3 基于智能終端PSS配置的通用本體構(gòu)建領(lǐng)域本體和實例本體的遞進(jìn)關(guān)系

圖4 智能手機(jī)PSS配置本體（含領(lǐng)域本體和實例本體）

3 智能終端PSS定制

3.1 本體編輯

采用本體編輯工具Protégé5.2對以上各層配置本體進(jìn)行編輯，形成了圖5所示的類（Class）與實例（Instance）關(guān)系圖。本體中的各構(gòu)成要素經(jīng)過表1所示的編碼后，形成OWL2語法的配置語義模型庫，其中含有具有繼承和擴(kuò)展關(guān)系的三個相對獨立的智能終端PSS配置本體、智能手機(jī)PSS配置本體和華為手機(jī)PSS配置本體，以便支持在任何一層上進(jìn)行知識共享和重用。模型庫共有79個OWL2類（Class）、82個OWL2實例（Instance）和418個OWL2屬性（Property）。

圖5 Protégé中智能手機(jī)PSS類間關(guān)系

表1 Class、Instance和Property的OWL2編碼實例

模型庫中，主要的約束有4類：一是硬件配置約束，如選擇RAM為6G，部分芯片則無法使運(yùn)行效果達(dá)到最優(yōu)；二是系統(tǒng)兼容約束，如電池容量是否支持芯片工作；三是功能需求約束，即手機(jī)功能模塊與軟硬件之間配置關(guān)系約束，如AI攝像功能要求NPU芯片必須存在且攝像頭必須為同側(cè)雙攝像頭；四是外部服務(wù)約束，這源自選擇相應(yīng)軟硬件所配備的可選服務(wù)不同，如智能手機(jī)產(chǎn)品總價處于某一范圍時可配備一定折扣的整機(jī)保修服務(wù)。

表2 SWRL規(guī)則編碼實例

另外，為實現(xiàn)OWL2無法完成的復(fù)雜推理，模型庫中往往還需附加語義規(guī)則，可通過Protégé5.2中的SWRLTab插件實現(xiàn)SWRL規(guī)則的編輯。表2所示規(guī)則表示產(chǎn)品包的總價格p若處于（1000，3000]、（3000，5000]或（5000，7000]等區(qū)間，則相應(yīng)得到1年、2兩年或3年有效期的免費(fèi)整機(jī)質(zhì)保服務(wù)。在所有規(guī)則配置結(jié)束后，需要由推理機(jī)（如Protégé5.2內(nèi)置的HermiT推理機(jī)）檢查規(guī)則一致性，否則可能無法運(yùn)行出正確結(jié)果。

3.2 華為手機(jī)PSS定制

企業(yè)組織的模型庫構(gòu)建完成后，便具備了描述特定范圍PSS（如華為手機(jī)）構(gòu)成語義（如Software_System由OS和App構(gòu)成）、各要素可供選配的值（如ROM有32G、64G、128G和256G可供選擇）、各種約束和有關(guān)規(guī)則的能力。用戶可據(jù)此以O(shè)WL2文件的形式表達(dá)其定制需求，即通過OWL2語言對模型庫中實例本體的所有或部分構(gòu)成要素明確其具體值或取值范圍，形成用戶定制需求文件。進(jìn)而，本體推理機(jī)基于用戶定制需求文件的限定值進(jìn)行模型庫推理，完成實例本體的具體化，即生成能夠滿足用戶所有需求的唯一結(jié)果實例（各構(gòu)成要素的取值唯一），或多個結(jié)果實例集合（表現(xiàn)為部分構(gòu)成要素的取值不唯一），實現(xiàn)用戶定制。該過程在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用時，通常會通過開發(fā)專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)實現(xiàn)（比DELL的官方網(wǎng)站更加智能的定制系統(tǒng)），作為學(xué)術(shù)研究，本文仍然通過Protégé并以局部PSS構(gòu)成要素定制進(jìn)行可行性驗證和應(yīng)用展示。

以華為手機(jī)PSS定制為例，基于模型庫中的類和屬性定義用戶需求（Customization Requirement），分別對服務(wù)包和產(chǎn)品包的定制需求進(jìn)行語義描述，通過與模型庫的本體推理得到用戶定制結(jié)果實例，定制結(jié)果以“Property+Instance”表示。如圖6所示，選擇流量包與語音包時，根據(jù)“內(nèi)存容量不小于128G，royal blue顏色且外觀尺寸不大于5.5寸，相機(jī)不少于兩個攝像頭且相機(jī)像素大于800萬”的產(chǎn)品需求和“流量大于3G且價格低于20元，語音時長大于等于1000分鐘且價格不高于30元”的服務(wù)需求，推理得到定制結(jié)果（Huawei_CR_LF），Huawei_CR_LF的產(chǎn)品和服務(wù)配置詳細(xì)結(jié)果如表3所示。

圖6 部分用戶定制需求及推理結(jié)果

表3 Huawei_CR_LF定制結(jié)果列表

4 結(jié)束語

PSS的出現(xiàn)為企業(yè)組織提供了新的運(yùn)營模式，人工智能領(lǐng)域的語義網(wǎng)相關(guān)研究能夠為PSS的智能化定制發(fā)揮積極作用。本文基于語義網(wǎng)構(gòu)建了智能終端PSS配置的四層語義架構(gòu)，通過OWL2語言實現(xiàn)了智能終端PSS配置的語義模型形式化，并利用SWRL對本體添加了較為復(fù)雜的規(guī)則。通過華為手機(jī)PSS定制實例驗證了模型庫的可行性和適用性。智能終端PSS涉及大量的產(chǎn)品和服務(wù)配置選項，利用本體推理較大程度的降低了配置過程中的復(fù)雜性，保障了配置結(jié)果的一致性。企業(yè)組織可以利用Eclipse等開發(fā)平臺進(jìn)行界面可視化，通過重用、繼承、擴(kuò)展該架構(gòu)來構(gòu)建信息系統(tǒng)并配備推理等功能組件，形成智能終端PSS個性化定制平臺。