网络化制造领域本体知识建模的研究

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网络化制造作为一种先进制造技术与网络技术结合的先进制造模式，其核心是在网络环境下，通过企业间的资源共享、优化组合实现制造过程集成和异地协同制造。网络化制造的关键在于制造资源的表示和发现。

然而，随着网络化制造资源信息的数量和复杂程度的不断提升，企业在协作服务过程中既要共享数据和信息，也要共享知识。本体论为实现知识共享提供了有效的支持。源于哲学范畴的本体论用于描述事物存在的本质。本体有良好的概念层次结构和对逻辑推理的有效支持，并且能从语义和知识层次上描述信息系统的概念模型，被广泛地应用于知识工程、信息检索、智能信息集成、知识管理和信息安全等领域。然而有关制造领域本体开发的研究还相对比较少，而且建立一个全面和一致的制造本体模型是一个漫长而复杂的过程。

目前，在网络化制造领域中其服务资源的描述依然存在着一些不足：1)现有的资源描述侧重于静态结构，缺乏动态关系的描述；2)信息表达不易被机器识别；3)网络化制造环境下，企业间制造环境的差异造成知识理解、结构及其表达方式的差异；4)现有知识模型不能有效地支持企业间协作，缺乏协作模式的描述；5)缺乏针对动态的web服务匹配和组合的有效的支持。

网络化制造中的协同过程涉及复杂的领域知识表达与识别、关系语义定义、知识获取等三方面的问题。本文针对以上问题对基于服务的网络化制造协作机制进行了深入研究，提出了基于本体构建面向服务的企业制造资源知识模型的方法，将网络化制造本体引入到网络化制造服务中，用于解决web环境下企业服务资源的定义、描述和发现等实现资源优化配置的关键问题。

l 网络化制造领域的本体

本体作为对概念化的显式的详细说明，其核心是一个领域内公认的概念实体的有限集合，领域内的语义信息通过概念实体之间的关联关系来表达。本体的主要特性是捕获相关领域的知识，确定该领域内共同认可的词汇，从不同层次给出这些词汇和词汇间相互关系的明确定义，通过概念之间的关系很好地表达语义。

目前，比较有代表性的有：美国Stanford大学知识系统实验室给出的知识库系统中包含了一个企业本体的定义；加拿大多伦多大学的构建企业本体的研究项目T0VE实现对与企业相关的常识性问题推理演绎的功能；英国拉夫馒大学H，K．Lin等提出的MsE本体，作为企业协作过程中知识重用的中间本体；浙江大学蔡铭等针对网络化制造环境下制造资源发现技术给出了一个网络化制造本体等，但制造服务在描述方面都存在着上述的不足，缺乏对企业资源动态描述和对企业协作模式的支持。

网络化制造本体不需要对企业内部结构提供全面描述，而是侧重描述企业资源的动态变化过程，以及对外提供服务的接口以及匹配组合关系，使外界能准确、方便地获取到企业所能提供的核心资源和服务信息。本文在制造本体知识建模的过程中将服务匹配组合因素考虑其中，将企业能力刻画为一种动态过程的描述，提出面向服务的本体建模方法。

2制造本体的构建

2．1 制造服务本体建模分析

本体主要由概念和关系组成：概念表示领域中的一组或一类实体，通常用类来表示；关系描述概念之间或概念的属性之间的相互作用，如"is-a"、"is-pan-0f"等。本文将服务理念与企业协作项目的特点联系在一起，提出面向服务的制造本体模型的构建方法。虽然各个企业都不尽相同，但都有着最原始的、共同的特征。面向网络化制造服务的需求，本文以核心的6个基础类来描述制造企业内部以及企业协作间的动态联系，构建出制造服务本体模型。如图1所示，其中箭头表示这6个抽象类之间的层次和动态关系，其中Enterprise、Process和Resource主要针对制造企业内部知识模型描述，而Enterprise、Enterprise_alliance、Project和Strategy则主要面向网络服务的模型描述。

1)Enterprise类。企业是制造服务的提供者，也是网络服务的协作者。Enterprise类是制造本体模型的主体，是其中的枢纽部分。企业发布其相关的服务，拥有自己的资源、独立的工艺流程；企业也会是某个制造协会、行业联盟或固定协作伙伴关系中的一员。Enterprise类在制造服务本体框架中提供了一个完整的方式来详细描述制造服务，并从Enterprise类拓展出去，将各个类紧密联系在一起。

2)Process类。是对某个制造服务过程的详细描述，包括制造能力以及协同制造任务中的需求，以便为协同制造策略促发企业联盟形成，进行制造服务选择时提供参考。例如设计、制造、检查、包装和运输流程等，其中每个部分都是Process类的子类(owl：subclassof)。各子类之间也定义了一些相对的关系或定理，如质量检测流程类Qos_process是其他子类(Test_process class ∩ Customer_acceptance_process class)的交集(owl：intersection Of)，该类的定义表明产品质量的保证不仅仅需要通过质量检测过程，还必须满足客户对质量的特殊要求。

3)Resource类。描述制造服务企业所拥有的的资源信息，包括资源的属性、状态和触发方式等。资源可以在整合服务级别中作为一个基本单元，或者在某个企业中占有基础地位。在下节中将会给出详细的定义和说明。

4)Enterprise_alliance类。描述一个动态网络联盟或者松散的合作联盟。在web环境下，虚拟企业联盟通常是根据电子商务的合作关系，行业内的协作关系或者服务组合优化结果构建，其生命周期一般为整个服务响应周期。联盟内各企业间在协作期间共享资源、信息，协同完成服务项目。

5)Project类。在网络制造环境中，每一个服务请求都会映射为一个工程或者一个制造项目，即Project。工程／项目是企业联盟形成或服务匹配组合操作的触发器。通过Project类的支持，所有不规范的服务请求都会转换成项目规划的描述，与企业内部项目描述相匹配，以便任务分解、服务重组的执行。

6)Strategy类。主要用来支持基于语义描述和数据流的制造服务的发现、匹配、优化、合成等操作。strategy类控制着动态企业联盟的构建，通过资源、工艺流程的匹配，以及服务组合算法的优化，将相关企业动态的联系在一起，构建面向服务的虚拟企业联盟．该联盟的全生命周期从服务请求开始到服务完成结束。服务策略与工艺流程以及资源在制造本体模型中是紧密相关、相互影响的。资源需要工艺流程的操作和控制，并在流程中获取相互的联系、组合起来；服务策略通过比较、选择，去组合、控制工艺流程，并通过资源的优化配置更新工艺流程的选择(如图l所示)。

该本体模型层级将制造服务的各个环节有机的融合在一起，清晰地描述了其间的动态关系，并为企业协作模式的建立提供了有力的支持。

 2．2 制造实体的知识表达

网络化制造本体中所涉及的内容概括为三种抽象类型进行表达，即概念实体、概念属性以及概念间关系，在此基础上根据制造领域特点，通过进一步细化，增加语义信息，并叠加公理定义，形成具有复杂语义关系、支持推理的网状结构。在本体模型构架的基础上，需要对制造实体的每个部分进行知识表达。因为类属性是用于描述类区别于其他类的特性，制造实体的知识表达即是对上述的各个基础类进一步的完善模型定义和表述的过程。本节以Resource类为例，详细给出本体的定义和描述。

2．2．1定义资源描述

资源是企业服务能力的一个重要组成部分，在许多其他构架体系中都被定义为一项基础结构，如CIM0SA、FDM和MISSl0N等。本文对资源实体的知识表达强调了企业间的协作方式，突出对资源动态状态变化以及触发机制的表述，改变了侧甭静态结构的传统表达方式，如图2所示。

定义l Resource类。表示为一个三元组Resource={Attribute，Value，f}，其中。Attribute={a1，…，an}，是资源的属性的集合；Value={v1，…，vm}，是资源的属性值的集合；Value={v1，…，是资源的属性到其值域上的一个映射。资源的属性可以进一步细分为静态属性和动态属性。

2. 2. 2定义资源状态

1)静态资源。在资源的整个生命期内，取值保持不变的属性称为该资源的静态属性，可以用一个三元组来表示:ResStaticAtt={ResBaseProperty , ResAbilitySet , ResRelationSet}。

2)动态资源。在资源生命期的不同阶段，可能会取不同值的属性称为该资源的动态属性，主要涉及到资源在整个服务过程中的状态和状态的变化情况，用一个二元组表示:ResDynamicAttr={Res_State , Res_Trans }，其中:Res_State表示对于一种资源r，在其生命期的一个具体时刻T，其所有动态属性的取值刻画了r在T时刻的状态。资源的状态刻画在某种环境下某个时刻，资源动态属性向量的取值，随着条件的改变，资源动态属性的取值也会发生改变，这些变化就导致了资源状态的变迁。

3) Res_Trans。对于资源r，其状态的变迁可以表示资源r状态的属性取值从Vi变到Vj，即C( Vi,Vj) o资源状态的变迁与服务操作有关，对于初值的选择没有苛刻的要求。我们通过定义下面不同的触发关系，来反映服务操作对资源状态变迁的影响。

定义2状态触发机制，其映射值为一个四元组，Trigger={Event_trigger,Select trigger,Task_trigger,Information_trigger}，分别指四种状态变更的触发方式:事件触发、选择触发、任务触发和信息触发。

1)事件触发(Event_trigger,EVT)，变迁C的发生依赖于外部的触发的事件Ev。则称C为事件依赖于Ev;

2)选择触发(Select_trigger,SLT)，如果资源变迁C1，C2满足Select( C1)=Select( C2 )，则称C2选择依赖于C1，选择触发是对称的，所以C1选择依赖于C2；

3)任务触发(Task_trigger, TST )，如果如果资源变迁C1，Cz满足PostTast(C1)=PreTast(C2)，则称C2任务依赖于C1，TST定义了状态变迁发生的必然的前后顺序关系;

4)信息触发(Information_trigger, INT )，如果变迁C的触发，依赖于其他资源:到达某个状态或者进行某个状态变化的信息反馈，则称C信息依赖于r。

本文最后通过扩展0WL-s，完成上述本体的描述，使其包含网络化制造领域的相关概念、关系、规则，从而构造出制造服务本体。OWL-S是使用0WL语言定义的一种web服务上层本体，在这里就不详细叙述。

3 应用实例

快速制造技术隶属先进制造技术。随着市场需求的提升、快速制造服务自身的发展，多家制造企业联合提供不同专业的、甚至跨领域的专业网络服务成为必然的趋势。"快速制造网络综合服务平台"是将快速成型、快速模具、三维重建、缺损骨重建等有机结合的综合服务平台。在该平台中引入制造服务本体模型，有效地将涉及到的各项服务模块统一定义、描述，实现服务的匹配和组合，从而构建作为企业间优化资源、协同服务的中介平台，对外提供统一的协同服务。目前，制造本体模型的功能已经得到初步的验证，如图3所示。虽然具体服务的接口、协议的定义还在进一步完善当中，但服务描述、查询、关系匹配功能已经得以实现。

4结语

Web服务提供的解决异构企业应用的集成方案，迎合了网络化制造协作的技术需求，促进了新的网络化制造模式的产生。而本体论为制造服务提供了一个优良的语义支持，使得制造服务系统可以深层次地理解知识，进而实现主动服务。本文融合上述两种技术对面向网络制造服务的本体模型构建进行了研究，对于有效解决网络化制造过程中服务语义信息表达不足的问题，满足网络化制造环境下的制造服务需求，是非常必要的，也很有价值的。（万方数据）