網(wǎng)絡化制造領域本體知識建模的研究

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網(wǎng)絡化制造作為一種先進制造技術與網(wǎng)絡技術結合的先進制造模式，其核心是在網(wǎng)絡環(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)絡化制造的關鍵在于制造資源的表示和發(fā)現(xiàn)。

然而，隨著網(wǎng)絡化制造資源信息的數(shù)量和復雜程度的不斷提升，企業(yè)在協(xié)作服務過程中既要共享數(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。源于哲學范疇的本體論用于描述事物存在的本質。本體有良好的概念層次結構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域。然而有關制造領域本體開發(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雜的過程。

目前，在網(wǎng)絡化制造領域中其服務資源的描述依然存在著一些不足：1)現(xiàn)有的資源描述側重于靜態(tài)結構，缺乏動態(tài)關系的描述；2)信息表達不易被機器識別；3)網(wǎng)絡化制造環(huán)境下，企業(yè)間制造環(huán)境的差異造成知識理解、結構及其表達方式的差異；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服務匹配和組合的有效的支持。

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

l 網(wǎng)絡化制造領域的本體

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

目前，比較有代表性的有：美國Stanford大學知識系統(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；加拿大多倫多大學的構建企業(yè)本體的研究項目T0VE實現(xiàn)對與企業(yè)相關的常識性問題推理演繹的功能；英國拉夫饅大學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；浙江大學蔡銘等針對網(wǎng)絡化制造環(huán)境下制造資源發(fā)現(xiàn)技術給出了一個網(wǎng)絡化制造本體等，但制造服務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)絡化制造本體不需要對企業(yè)內部結構提供全面描述，而是側重描述企業(yè)資源的動態(tài)變化過程，以及對外提供服務的接口以及匹配組合關系，使外界能準確、方便地獲取到企業(yè)所能提供的核心資源和服務信息。本文在制造本體知識建模的過程中將服務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，提出面向服務的本體建模方法。

2制造本體的構建

2．1 制造服務本體建模分析

本體主要由概念和關系組成：概念表示領域中的一組或一類實體，通常用類來表示；關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，提出面向服務的制造本體模型的構建方法。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)絡化制造服務的需求，本文以核心的6個基礎類來描述制造企業(yè)內部以及企業(yè)協(xié)作間的動態(tài)聯(lián)系，構建出制造服務本體模型。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)關系，其中Enterprise、Process和Resource主要針對制造企業(yè)內部知識模型描述，而Enterprise、Enterprise_alliance、Project和Strategy則主要面向網(wǎng)絡服務的模型描述。

1)Enterprise類。企業(yè)是制造服務的提供者，也是網(wǎng)絡服務的協(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)布其相關的服務，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)作伙伴關系中的一員。Enterprise類在制造服務本體框架中提供了一個完整的方式來詳細描述制造服務，并從Enterprise類拓展出去，將各個類緊密聯(lián)系在一起。

2)Process類。是對某個制造服務過程的詳細描述，包括制造能力以及協(xié)同制造任務中的需求，以便為協(xié)同制造策略促發(fā)企業(yè)聯(lián)盟形成，進行制造服務選擇時提供參考。例如設計、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系或定理，如質量檢測流程類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)品質量的保證不僅僅需要通過質量檢測過程，還必須滿足客戶對質量的特殊要求。

3)Resource類。描述制造服務企業(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級別中作為一個基本單元，或者在某個企業(yè)中占有基礎地位。在下節(jié)中將會給出詳細的定義和說明。

4)Enterprise_alliance類。描述一個動態(tài)網(wǎng)絡聯(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)電子商務的合作關系，行業(yè)內的協(xié)作關系或者服務組合優(yōu)化結果構建，其生命周期一般為整個服務響應周期。聯(lián)盟內各企業(yè)間在協(xié)作期間共享資源、信息，協(xié)同完成服務項目。

5)Project類。在網(wǎng)絡制造環(huán)境中，每一個服務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)范的服務請求都會轉換成項目規(guī)劃的描述，與企業(yè)內部項目描述相匹配，以便任務分解、服務重組的執(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)盟的構建，通過資源、工藝流程的匹配，以及服務組合算法的優(yōu)化，將相關企業(yè)動態(tài)的聯(lián)系在一起，構建面向服務的虛擬企業(yè)聯(lián)盟．該聯(lián)盟的全生命周期從服務請求開始到服務完成結束。服務策略與工藝流程以及資源在制造本體模型中是緊密相關、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

網(wǎng)絡化制造本體中所涉及的內容概括為三種抽象類型進行表達，即概念實體、概念屬性以及概念間關系，在此基礎上根據(jù)制造領域特點，通過進一步細化，增加語義信息，并疊加公理定義，形成具有復雜語義關系、支持推理的網(wǎng)狀結構。在本體模型構架的基礎上，需要對制造實體的每個部分進行知識表達。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即是對上述的各個基礎類進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)服務能力的一個重要組成部分，在許多其他構架體系中都被定義為一項基礎結構，如CIM0SA、FDM和MISSl0N等。本文對資源實體的知識表達強調了企業(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，改變了側甭靜態(tài)結構的傳統(tǒng)表達方式，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。資源的屬性可以進一步細分為靜態(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，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)的變遷與服務操作有關，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)關系，來反映服務操作對資源狀態(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:到達某個狀態(tài)或者進行某個狀態(tài)變化的信息反饋，則稱C信息依賴于r。

本文最后通過擴展0WL-s，完成上述本體的描述，使其包含網(wǎng)絡化制造領域的相關概念、關系、規(guī)則，從而構造出制造服務本體。OWL-S是使用0WL語言定義的一種web服務上層本體，在這里就不詳細敘述。

3 應用實例

快速制造技術隸屬先進制造技術。隨著市場需求的提升、快速制造服務自身的發(fā)展，多家制造企業(yè)聯(lián)合提供不同專業(yè)的、甚至跨領域的專業(yè)網(wǎng)絡服務成為必然的趨勢。"快速制造網(wǎng)絡綜合服務平臺"是將快速成型、快速模具、三維重建、缺損骨重建等有機結合的綜合服務平臺。在該平臺中引入制造服務本體模型，有效地將涉及到的各項服務模塊統(tǒng)一定義、描述，實現(xiàn)服務的匹配和組合，從而構建作為企業(yè)間優(yōu)化資源、協(xié)同服務的中介平臺，對外提供統(tǒng)一的協(xié)同服務。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。雖然具體服務的接口、協(xié)議的定義還在進一步完善當中，但服務描述、查詢、關系匹配功能已經(jīng)得以實現(xiàn)。

4結語

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