網(wǎng)絡(luò)化制造領(lǐng)域本體知識建模的研究

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網(wǎng)絡(luò)化制造作為一種先進(jìn)制造技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)制造模式，其核心是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通過企業(yè)間的資源共享、優(yōu)化組合實現(xiàn)制造過程集成和異地協(xié)同制造。網(wǎng)絡(luò)化制造的關(guān)鍵在于制造資源的表示和發(fā)現(xiàn)。

然而，隨著網(wǎng)絡(luò)化制造資源信息的數(shù)量和復(fù)雜程度的不斷提升，企業(yè)在協(xié)作服務(wù)過程中既要共享數(shù)據(jù)和信息，也要共享知識。本體論為實現(xiàn)知識共享提供了有效的支持。源于哲學(xué)范疇的本體論用于描述事物存在的本質(zhì)。本體有良好的概念層次結(jié)構(gòu)和對邏輯推理的有效支持，并且能從語義和知識層次上描述信息系統(tǒng)的概念模型，被廣泛地應(yīng)用于知識工程、信息檢索、智能信息集成、知識管理和信息安全等領(lǐng)域。然而有關(guān)制造領(lǐng)域本體開發(fā)的研究還相對比較少，而且建立一個全面和一致的制造本體模型是一個漫長而復(fù)雜的過程。

目前，在網(wǎng)絡(luò)化制造領(lǐng)域中其服務(wù)資源的描述依然存在著一些不足：1)現(xiàn)有的資源描述側(cè)重于靜態(tài)結(jié)構(gòu)，缺乏動態(tài)關(guān)系的描述；2)信息表達(dá)不易被機器識別；3)網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下，企業(yè)間制造環(huán)境的差異造成知識理解、結(jié)構(gòu)及其表達(dá)方式的差異；4)現(xiàn)有知識模型不能有效地支持企業(yè)間協(xié)作，缺乏協(xié)作模式的描述；5)缺乏針對動態(tài)的web服務(wù)匹配和組合的有效的支持。

網(wǎng)絡(luò)化制造中的協(xié)同過程涉及復(fù)雜的領(lǐng)域知識表達(dá)與識別、關(guān)系語義定義、知識獲取等三方面的問題。本文針對以上問題對基于服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造協(xié)作機制進(jìn)行了深入研究，提出了基于本體構(gòu)建面向服務(wù)的企業(yè)制造資源知識模型的方法，將網(wǎng)絡(luò)化制造本體引入到網(wǎng)絡(luò)化制造服務(wù)中，用于解決web環(huán)境下企業(yè)服務(wù)資源的定義、描述和發(fā)現(xiàn)等實現(xiàn)資源優(yōu)化配置的關(guān)鍵問題。

l 網(wǎng)絡(luò)化制造領(lǐng)域的本體

本體作為對概念化的顯式的詳細(xì)說明，其核心是一個領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的概念實體的有限集合，領(lǐng)域內(nèi)的語義信息通過概念實體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系來表達(dá)。本體的主要特性是捕獲相關(guān)領(lǐng)域的知識，確定該領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的詞匯，從不同層次給出這些詞匯和詞匯間相互關(guān)系的明確定義，通過概念之間的關(guān)系很好地表達(dá)語義。

目前，比較有代表性的有：美國Stanford大學(xué)知識系統(tǒng)實驗室給出的知識庫系統(tǒng)中包含了一個企業(yè)本體的定義；加拿大多倫多大學(xué)的構(gòu)建企業(yè)本體的研究項目T0VE實現(xiàn)對與企業(yè)相關(guān)的常識性問題推理演繹的功能；英國拉夫饅大學(xué)H，K．Lin等提出的MsE本體，作為企業(yè)協(xié)作過程中知識重用的中間本體；浙江大學(xué)蔡銘等針對網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下制造資源發(fā)現(xiàn)技術(shù)給出了一個網(wǎng)絡(luò)化制造本體等，但制造服務(wù)在描述方面都存在著上述的不足，缺乏對企業(yè)資源動態(tài)描述和對企業(yè)協(xié)作模式的支持。

網(wǎng)絡(luò)化制造本體不需要對企業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供全面描述，而是側(cè)重描述企業(yè)資源的動態(tài)變化過程，以及對外提供服務(wù)的接口以及匹配組合關(guān)系，使外界能準(zhǔn)確、方便地獲取到企業(yè)所能提供的核心資源和服務(wù)信息。本文在制造本體知識建模的過程中將服務(wù)匹配組合因素考慮其中，將企業(yè)能力刻畫為一種動態(tài)過程的描述，提出面向服務(wù)的本體建模方法。

2制造本體的構(gòu)建

2．1 制造服務(wù)本體建模分析

本體主要由概念和關(guān)系組成：概念表示領(lǐng)域中的一組或一類實體，通常用類來表示；關(guān)系描述概念之間或概念的屬性之間的相互作用，如"is-a"、"is-pan-0f"等。本文將服務(wù)理念與企業(yè)協(xié)作項目的特點聯(lián)系在一起，提出面向服務(wù)的制造本體模型的構(gòu)建方法。雖然各個企業(yè)都不盡相同，但都有著最原始的、共同的特征。面向網(wǎng)絡(luò)化制造服務(wù)的需求，本文以核心的6個基礎(chǔ)類來描述制造企業(yè)內(nèi)部以及企業(yè)協(xié)作間的動態(tài)聯(lián)系，構(gòu)建出制造服務(wù)本體模型。如圖1所示，其中箭頭表示這6個抽象類之間的層次和動態(tài)關(guān)系，其中Enterprise、Process和Resource主要針對制造企業(yè)內(nèi)部知識模型描述，而Enterprise、Enterprise_alliance、Project和Strategy則主要面向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的模型描述。

1)Enterprise類。企業(yè)是制造服務(wù)的提供者，也是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的協(xié)作者。Enterprise類是制造本體模型的主體，是其中的樞紐部分。企業(yè)發(fā)布其相關(guān)的服務(wù)，擁有自己的資源、獨立的工藝流程；企業(yè)也會是某個制造協(xié)會、行業(yè)聯(lián)盟或固定協(xié)作伙伴關(guān)系中的一員。Enterprise類在制造服務(wù)本體框架中提供了一個完整的方式來詳細(xì)描述制造服務(wù)，并從Enterprise類拓展出去，將各個類緊密聯(lián)系在一起。

2)Process類。是對某個制造服務(wù)過程的詳細(xì)描述，包括制造能力以及協(xié)同制造任務(wù)中的需求，以便為協(xié)同制造策略促發(fā)企業(yè)聯(lián)盟形成，進(jìn)行制造服務(wù)選擇時提供參考。例如設(shè)計、制造、檢查、包裝和運輸流程等，其中每個部分都是Process類的子類(owl：subclassof)。各子類之間也定義了一些相對的關(guān)系或定理，如質(zhì)量檢測流程類Qos_process是其他子類(Test_process class ∩ Customer_acceptance_process class)的交集(owl：intersection Of)，該類的定義表明產(chǎn)品質(zhì)量的保證不僅僅需要通過質(zhì)量檢測過程，還必須滿足客戶對質(zhì)量的特殊要求。

3)Resource類。描述制造服務(wù)企業(yè)所擁有的的資源信息，包括資源的屬性、狀態(tài)和觸發(fā)方式等。資源可以在整合服務(wù)級別中作為一個基本單元，或者在某個企業(yè)中占有基礎(chǔ)地位。在下節(jié)中將會給出詳細(xì)的定義和說明。

4)Enterprise_alliance類。描述一個動態(tài)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟或者松散的合作聯(lián)盟。在web環(huán)境下，虛擬企業(yè)聯(lián)盟通常是根據(jù)電子商務(wù)的合作關(guān)系，行業(yè)內(nèi)的協(xié)作關(guān)系或者服務(wù)組合優(yōu)化結(jié)果構(gòu)建，其生命周期一般為整個服務(wù)響應(yīng)周期。聯(lián)盟內(nèi)各企業(yè)間在協(xié)作期間共享資源、信息，協(xié)同完成服務(wù)項目。

5)Project類。在網(wǎng)絡(luò)制造環(huán)境中，每一個服務(wù)請求都會映射為一個工程或者一個制造項目，即Project。工程／項目是企業(yè)聯(lián)盟形成或服務(wù)匹配組合操作的觸發(fā)器。通過Project類的支持，所有不規(guī)范的服務(wù)請求都會轉(zhuǎn)換成項目規(guī)劃的描述，與企業(yè)內(nèi)部項目描述相匹配，以便任務(wù)分解、服務(wù)重組的執(zhí)行。

6)Strategy類。主要用來支持基于語義描述和數(shù)據(jù)流的制造服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、匹配、優(yōu)化、合成等操作。strategy類控制著動態(tài)企業(yè)聯(lián)盟的構(gòu)建，通過資源、工藝流程的匹配，以及服務(wù)組合算法的優(yōu)化，將相關(guān)企業(yè)動態(tài)的聯(lián)系在一起，構(gòu)建面向服務(wù)的虛擬企業(yè)聯(lián)盟．該聯(lián)盟的全生命周期從服務(wù)請求開始到服務(wù)完成結(jié)束。服務(wù)策略與工藝流程以及資源在制造本體模型中是緊密相關(guān)、相互影響的。資源需要工藝流程的操作和控制，并在流程中獲取相互的聯(lián)系、組合起來；服務(wù)策略通過比較、選擇，去組合、控制工藝流程，并通過資源的優(yōu)化配置更新工藝流程的選擇(如圖l所示)。

該本體模型層級將制造服務(wù)的各個環(huán)節(jié)有機的融合在一起，清晰地描述了其間的動態(tài)關(guān)系，并為企業(yè)協(xié)作模式的建立提供了有力的支持。

 2．2 制造實體的知識表達(dá)

網(wǎng)絡(luò)化制造本體中所涉及的內(nèi)容概括為三種抽象類型進(jìn)行表達(dá)，即概念實體、概念屬性以及概念間關(guān)系，在此基礎(chǔ)上根據(jù)制造領(lǐng)域特點，通過進(jìn)一步細(xì)化，增加語義信息，并疊加公理定義，形成具有復(fù)雜語義關(guān)系、支持推理的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在本體模型構(gòu)架的基礎(chǔ)上，需要對制造實體的每個部分進(jìn)行知識表達(dá)。因為類屬性是用于描述類區(qū)別于其他類的特性，制造實體的知識表達(dá)即是對上述的各個基礎(chǔ)類進(jìn)一步的完善模型定義和表述的過程。本節(jié)以Resource類為例，詳細(xì)給出本體的定義和描述。

2．2．1定義資源描述

資源是企業(yè)服務(wù)能力的一個重要組成部分，在許多其他構(gòu)架體系中都被定義為一項基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，如CIM0SA、FDM和MISSl0N等。本文對資源實體的知識表達(dá)強調(diào)了企業(yè)間的協(xié)作方式，突出對資源動態(tài)狀態(tài)變化以及觸發(fā)機制的表述，改變了側(cè)甭靜態(tài)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)表達(dá)方式，如圖2所示。

定義l Resource類。表示為一個三元組Resource={Attribute，Value，f}，其中。Attribute={a1，…，an}，是資源的屬性的集合；Value={v1，…，vm}，是資源的屬性值的集合；Value={v1，…，是資源的屬性到其值域上的一個映射。資源的屬性可以進(jìn)一步細(xì)分為靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性。

2. 2. 2定義資源狀態(tài)

1)靜態(tài)資源。在資源的整個生命期內(nèi)，取值保持不變的屬性稱為該資源的靜態(tài)屬性，可以用一個三元組來表示:ResStaticAtt={ResBaseProperty , ResAbilitySet , ResRelationSet}。

2)動態(tài)資源。在資源生命期的不同階段，可能會取不同值的屬性稱為該資源的動態(tài)屬性，主要涉及到資源在整個服務(wù)過程中的狀態(tài)和狀態(tài)的變化情況，用一個二元組表示:ResDynamicAttr={Res_State , Res_Trans }，其中:Res_State表示對于一種資源r，在其生命期的一個具體時刻T，其所有動態(tài)屬性的取值刻畫了r在T時刻的狀態(tài)。資源的狀態(tài)刻畫在某種環(huán)境下某個時刻，資源動態(tài)屬性向量的取值，隨著條件的改變，資源動態(tài)屬性的取值也會發(fā)生改變，這些變化就導(dǎo)致了資源狀態(tài)的變遷。

3) Res_Trans。對于資源r，其狀態(tài)的變遷可以表示資源r狀態(tài)的屬性取值從Vi變到Vj，即C( Vi,Vj) o資源狀態(tài)的變遷與服務(wù)操作有關(guān)，對于初值的選擇沒有苛刻的要求。我們通過定義下面不同的觸發(fā)關(guān)系，來反映服務(wù)操作對資源狀態(tài)變遷的影響。

定義2狀態(tài)觸發(fā)機制，其映射值為一個四元組，Trigger={Event_trigger,Select trigger,Task_trigger,Information_trigger}，分別指四種狀態(tài)變更的觸發(fā)方式:事件觸發(fā)、選擇觸發(fā)、任務(wù)觸發(fā)和信息觸發(fā)。

1)事件觸發(fā)(Event_trigger,EVT)，變遷C的發(fā)生依賴于外部的觸發(fā)的事件Ev。則稱C為事件依賴于Ev;

2)選擇觸發(fā)(Select_trigger,SLT)，如果資源變遷C1，C2滿足Select( C1)=Select( C2 )，則稱C2選擇依賴于C1，選擇觸發(fā)是對稱的，所以C1選擇依賴于C2；

3)任務(wù)觸發(fā)(Task_trigger, TST )，如果如果資源變遷C1，Cz滿足PostTast(C1)=PreTast(C2)，則稱C2任務(wù)依賴于C1，TST定義了狀態(tài)變遷發(fā)生的必然的前后順序關(guān)系;

4)信息觸發(fā)(Information_trigger, INT )，如果變遷C的觸發(fā)，依賴于其他資源:到達(dá)某個狀態(tài)或者進(jìn)行某個狀態(tài)變化的信息反饋，則稱C信息依賴于r。

本文最后通過擴(kuò)展0WL-s，完成上述本體的描述，使其包含網(wǎng)絡(luò)化制造領(lǐng)域的相關(guān)概念、關(guān)系、規(guī)則，從而構(gòu)造出制造服務(wù)本體。OWL-S是使用0WL語言定義的一種web服務(wù)上層本體，在這里就不詳細(xì)敘述。

3 應(yīng)用實例

快速制造技術(shù)隸屬先進(jìn)制造技術(shù)。隨著市場需求的提升、快速制造服務(wù)自身的發(fā)展，多家制造企業(yè)聯(lián)合提供不同專業(yè)的、甚至跨領(lǐng)域的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)成為必然的趨勢。"快速制造網(wǎng)絡(luò)綜合服務(wù)平臺"是將快速成型、快速模具、三維重建、缺損骨重建等有機結(jié)合的綜合服務(wù)平臺。在該平臺中引入制造服務(wù)本體模型，有效地將涉及到的各項服務(wù)模塊統(tǒng)一定義、描述，實現(xiàn)服務(wù)的匹配和組合，從而構(gòu)建作為企業(yè)間優(yōu)化資源、協(xié)同服務(wù)的中介平臺，對外提供統(tǒng)一的協(xié)同服務(wù)。目前，制造本體模型的功能已經(jīng)得到初步的驗證，如圖3所示。雖然具體服務(wù)的接口、協(xié)議的定義還在進(jìn)一步完善當(dāng)中，但服務(wù)描述、查詢、關(guān)系匹配功能已經(jīng)得以實現(xiàn)。

4結(jié)語

Web服務(wù)提供的解決異構(gòu)企業(yè)應(yīng)用的集成方案，迎合了網(wǎng)絡(luò)化制造協(xié)作的技術(shù)需求，促進(jìn)了新的網(wǎng)絡(luò)化制造模式的產(chǎn)生。而本體論為制造服務(wù)提供了一個優(yōu)良的語義支持，使得制造服務(wù)系統(tǒng)可以深層次地理解知識，進(jìn)而實現(xiàn)主動服務(wù)。本文融合上述兩種技術(shù)對面向網(wǎng)絡(luò)制造服務(wù)的本體模型構(gòu)建進(jìn)行了研究，對于有效解決網(wǎng)絡(luò)化制造過程中服務(wù)語義信息表達(dá)不足的問題，滿足網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下的制造服務(wù)需求，是非常必要的，也很有價值的。（萬方數(shù)據(jù)）