面向網(wǎng)絡(luò)化制造服務(wù)的本體知識建模研究

摘 要：針對目前網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下，服務(wù)描述、發(fā)現(xiàn)過程中語義信息動態(tài)表達不足的問題，從Web服務(wù)的角度提出了一個基于本體的制造服務(wù)知識建模方法，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建制造本體模型，最后給出服務(wù)模糊匹配的評定方法。重點研究解決了制造服務(wù)過程中不同對象間的信息交流、數(shù)據(jù)交換和知識資源重用三個問題，有效地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)制造環(huán)境下資源共享與優(yōu)化配置，為語義Web的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造服務(wù)平臺的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化制造; Web服務(wù); 制造本體; 知識建模; 領(lǐng)域建模

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：10013695(2008)09276203

Research on ontologybased knowledge modeling of network manufacturing services

YAO Yuan， ZHANG Quan， HU Qingxi， YOU Fei

(Rapid Manufacturing Engineering Center， Shanghai University， Shanghai 200444， China)

Abstract:The lacking of semantic expression is a bottleneck of currently Web service based Internetbased manufacturing solution. It is not easy to dynamic discover appropriate services from different service providers. This paper put forward a method of ontologybased knowledge modeling. It combined Web service with network manufacturing service and constructed the servicedriven manufacturing ontology model by applying the method. The evaluation method of approximate service matchmaking is also developed， and the case is given to demonstrate mentioned above. The study solves three problems during the course of manufacturing service， which were communication between different roles，data exchange and reuse of knowledge resource. The share and the configuration optimization of distributed manufacturing resources were realized in the network manufacturing environment. It lays the foundation for the construction of the semantic Webbased collaborative manufacturing service platform.

Key words：network manufacturing; Web service; manufacturing ontology; knowledge modeling; domain modeling

網(wǎng)絡(luò)化制造作為先進制造技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的制造模式，核心是通過企業(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)鍵是資源的表示和搜索。隨著網(wǎng)絡(luò)化制造資源信息量不斷增加、信息表達的復(fù)雜程度不斷提升，企業(yè)在完成協(xié)作過程中既要實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享，也要實現(xiàn)知識的共享。本體論的出現(xiàn)為知識共享提供了有效的支持。源于哲學(xué)范疇的本體論(ontology)用于描述事物存在的本質(zhì)^[1]。本體是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^[2]。然而有關(guān)制造知識本體的研究還相對較少，而且建立一個全面、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：a）現(xiàn)有的表達方法大多側(cè)重于靜態(tài)結(jié)構(gòu)；b）信息表達不易被機器識別；c）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)及其表達方式的差異；d）現(xiàn)有知識模型不能有效地支持企業(yè)間協(xié)作；e）針對動態(tài)的Web服務(wù)組合、協(xié)作缺少有效的支持。

網(wǎng)絡(luò)化制造的協(xié)同過程涉及復(fù)雜的領(lǐng)域知識表達與識別、關(guān)系語義定義、知識獲取三方面的問題。本文針對以上問題對面向網(wǎng)絡(luò)化制造服務(wù)的協(xié)作機制進行了深入研究，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。

1 網(wǎng)絡(luò)化制造領(lǐng)域的本體

自Neches等人在計算機科學(xué)領(lǐng)域首次引入本體概念后^[1]，其研究、開發(fā)和應(yīng)用日益受到人們的重視。本體模型的核心是一個領(lǐng)域內(nèi)公認的概念實體的有限集合，領(lǐng)域內(nèi)公認的語義信息通過概念實體間的關(guān)聯(lián)關(guān)系來表達^[3]。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)共同認可的詞匯，從不同層次給出這些詞匯間相互關(guān)系的明確定義，通過概念間的關(guān)系表達語義。

目前，美國Stanford大學(xué)知識系統(tǒng)實驗室給出的本體庫中包含了企業(yè)本體的定義^[4]；加拿大多倫多大學(xué)構(gòu)建企業(yè)本體的研究項目TOVE實現(xiàn)了對與企業(yè)相關(guān)常識性問題推理演繹的功能^[5]；英國拉夫堡大學(xué)H.K. Lin等人提出的MSE本體，作為企業(yè)協(xié)作過程中知識重用的中間本體^[6]；浙江大學(xué)蔡銘等人^[7]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，但這些本體模型均存在著上述不足，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)化制造本體無須對企業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供全面描述，須側(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就將服務(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。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。面向網(wǎng)絡(luò)化制造服務(wù)的需求，本文以六個基礎(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)建制造服務(wù)本體模型。如圖1所示，箭頭表示這六個抽象類間的層次和動態(tài)關(guān)系。其中enterprise、process、resource主要針對制造企業(yè)內(nèi)部知識模型描述，而enterprise_alliance、project、strategy則主要面向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的模型描述。說明如下：

a)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。企業(yè)類是制造本體模型的主體，是其中的樞紐部分。企業(yè)發(fā)布相關(guān)的服務(wù)；企業(yè)擁有自己的資源、獨立的工藝流程；企業(yè)也是協(xié)會、行業(yè)聯(lián)盟中的成員。企業(yè)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描述制造服務(wù)，并從企業(yè)類拓展出去，將各個類緊密聯(lián)系在一起。

b)Process類。工藝流程類通常是對某個制造服務(wù)過程的詳細描述，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，進行制造服務(wù)選擇提供參考。例如設(shè)計、制造、檢查、包裝、運輸流程等。其中每個部分都是流程類的子類(owl:subclass of)。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）。該類的定義表示：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。

c)Resource類。資源類描述制造服務(wù)提供商所擁有制造資源信息，包括資源的屬性、狀態(tài)、觸發(fā)方式等。資源在整合服務(wù)級別中作為一個基本單元，或在某個企業(yè)中占有基礎(chǔ)地位。

d)Enterprise_alliance類。它是一個動態(tài)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟或松散的合作聯(lián)盟。在Web環(huán)境下，虛擬企業(yè)聯(lián)盟通常根據(jù)電子商務(wù)的合作關(guān)系、行業(yè)內(nèi)的協(xié)作關(guān)系或服務(wù)組合優(yōu)化結(jié)果構(gòu)建。其全生命周期一般為整個服務(wù)響應(yīng)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。企業(yè)聯(lián)盟類是一個動態(tài)的過程類，是高級的組合服務(wù)形式，在服務(wù)過程中得到期望的協(xié)作組合，獲得更好的服務(wù)質(zhì)量，起到資源配置優(yōu)化的作用。

e)Project類。在網(wǎng)絡(luò)制造環(huán)境中，每一個服務(wù)請求都映射為一個工程或制造項目，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。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，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。

f)Strategy類。服務(wù)策略類主要用來完成基于語義描述和數(shù)據(jù)流的制造服務(wù)的發(fā)現(xiàn)與匹配，優(yōu)化、合成協(xié)同制造服務(wù)。服務(wù)策略控制著動態(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)地聯(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，在流程中獲取相互的聯(lián)系；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。

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

2.2 制造實體的知識表達

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行表達，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，通過進一步細化，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(chǔ)類進一步完善模型定義和表述。本節(jié)以資源類為例，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(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CIMOSA^[8]、FDM and MISSION等^[9，10]。本文對資源實體的知識表達強調(diào)了企業(yè)間的協(xié)作方式，突出了對資源動態(tài)狀態(tài)變化以及觸發(fā)機制的表述，改變了側(cè)重靜態(tài)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)表達方式，如圖2所示。

定義1 資源類(resource)，表示為一個三元組resource={attribute，value，f}。其中：attribute= {a1，…，an}，是資源屬性的集合；value={v1，…，vm}，是資源屬性值的集合；f: Attr→ρ(value)，是資源的屬性到其值域上的一個映射。

資源的屬性可進一步細分為靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性。

2.22 定義資源狀態(tài)

靜態(tài)資源描述，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，表示為一個三元組：

ResStaticAtt = {ResBaseProperty， ResAbilitySet，ResRelationSet }。

動態(tài)資源描述，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，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， 這些變化導(dǎo)致了資源狀態(tài)的變遷。

Res_Trans資源狀態(tài)的變遷，資源狀態(tài)的變遷與服務(wù)操作有關(guān)。整體收斂性的方法，對于初值的選擇沒有苛刻的要求。

定義2 狀態(tài)觸發(fā)機制的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，即事件觸發(fā)、選擇觸發(fā)、任務(wù)觸發(fā)和信息觸發(fā)。

本文通過擴展OWL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OWL語言定義的一種Web服務(wù)上層本體，在此就不詳細敘述。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 服務(wù)匹配方法

基于制造本體模型的概念層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出基于距離的服務(wù)相似度計算方法。服務(wù)相似度sim(si，sj)，參照建立本體時定義的概念實體、概念屬性、概念間關(guān)系以及本體實例關(guān)鍵字描述等，給出服務(wù)間的相似程度。服務(wù)描述在相應(yīng)的屬性概念實體上可以找到對應(yīng)的節(jié)點，節(jié)點間通過屬性概念間層次、關(guān)系相互連接，節(jié)點間的距離是節(jié)點間相似程度最直接的體現(xiàn)，節(jié)點間距離越大的節(jié)點其相似程度越小，節(jié)點間距離越小的節(jié)點其相似程度越大。

本文結(jié)合上述服務(wù)匹配模型，參考WordNet計算詞匯對應(yīng)節(jié)點距離的方法，給出服務(wù)相似度定義如下：

sim(si，sj)=(α×(li+lj))/((d(si，sj)+α)×

max(｜li-lj｜，1))×β(ki，kj)

其中：li，lj分別為si，sj所處的層次；d(si，sj)為兩詞匯在同類語義項構(gòu)成的樹狀結(jié)構(gòu)中對應(yīng)節(jié)點間的距離；α為相似度是0.5時si，sj之間的距離；β(ki，kj)為服務(wù)描述關(guān)鍵字匹配指數(shù)。

β(ki，kj)=fi×（1/h）∑hh=1lgPr[ki]Pr[kj]

其中：fi 表示關(guān)鍵字ki在服務(wù)請求描述中出現(xiàn)的頻率；Pr[ki]、Pr[kj]表示關(guān)鍵字ki、kj在服務(wù)描述si、sj中表達的信息量，如果該詞出現(xiàn)過h次，取均值。

系統(tǒng)實現(xiàn)通過比較服務(wù)請求與服務(wù)描述之間的相似度，尋找到匹配的服務(wù)，這里沒有考慮到其他優(yōu)化參數(shù)對服務(wù)查詢、匹配影響。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

快速制造技術(shù)隸屬先進制造技術(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)。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)束語

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，進而實現(xiàn)主動服務(wù)。本文融合上述兩種技術(shù)對開發(fā)網(wǎng)絡(luò)制造服務(wù)系統(tǒng)進行嘗試，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。

參考文獻：

［1］NECHES R F， FININ R， GRUBER R，et al.Enabling technology for knowledge sharing[J].AI Magazine， 1991，12(3):3656.

［2］鄧志鴻，唐世渭，張銘，等. Ontology研究綜述[J]. 北京大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2002，38(5):730738.

［3］高鵬，林蘭芬，蔡銘，等. 基于本體映射的產(chǎn)品配置模型自動獲取[J]. 計算機集成制造系統(tǒng)， 2003，9(9):810816.

［4］Alien. Enterpriseontology[EB/OL].(2003): http://wwwkslsvc.stanford.edu.

［5］GRUNINGER M， FOX M S. Methodology for the design and evaluation of ontologies[C]//Workshop on Basic Ontological Issues in Knowledge Sharing， IJCAI95. Montreal:[s.n.]， 1995.

［6］LIN H K， HARDING J A， SHAHBAZ M. Manufacturing system engineering ontology for semantic interoperability across extended project teams[J].International Journal of Production Research， 2004，42(24):50995118.

［7］蔡銘，林蘭芬，董金祥. 制造資源智能檢索系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2004，16(4):542548.

［8］KOSANKE K， VERMADAT F， ZELM M. CIMOSA: enterprise engineering and integration[J].Computers In Industry，1999，40:8397.

［9］HARDING J，YU A. Informationcentred enterprise design supported by a factory data model and data warehousing[J].Computers in Industry，1999，40:2336.

［10］HARDING J， POPPLEWELL A， COOK D A. A manufacturing system engineering moderator:an aid for multidiscipline project teams[J].International Journal of Production Research，2003，41:19731986.

［11］吳健，吳朝暉，李瑩，等. 基于本體論和詞匯語義相似度的Web服務(wù)發(fā)現(xiàn)[J]. 計算機學(xué)報， 2005，4(4):595602