加工制造能力的本體建模

孫東南++鄭敏利+姜云霞+付祥夫

摘要：針對加工制造資源本身的特點，從其固有屬性出發，把加工制造資源中的關鍵資源一人力資源、設備資源、知識資源，動態關聯起來，集成一體，形成新的加工制造能力定義。通過形式化描述建立加工制造能力的本體模型，定義其本體中的類、屬性及類間關系等內容。并通過運用OWL語言，利用Prot6964.3本體編輯軟件對加工制造能力的子能力一銑平面能力進行本體建模，實現其本體建模的實例驗證。

關鍵詞：加工制造能力；資源集成；形式化表達；本體建模

DOI：10.15938/j.jhust.2016.03.012

中圖分類號：TG506 文獻標志碼：A 文章編號：1007—2683（2016）03—0058—06

0引言

隨著網絡化技術日臻成熟，互聯網的發展進程在不斷加快，作為國家經濟重要支柱的制造業也受其影響，其發展與網絡的聯結變的越來越緊密。2013年，德國在漢諾威工業博覽會上正式推出“工業4.0”這一概念，“工業4.0”戰略旨在通過建立信息物理融合系統（CPS）網絡，搭建智能工廠，實現智能制造。我國國務院也于近期發布了工業4.0中國版——中國制造2025，其主旨與德國版工業4.0異曲同工，提倡智能制造，鼓勵信息化技術應用于制造業。未來制造業正在向智能化、網絡化、數字化的趨勢發展，網絡化制造時代即將到來。

在網絡化制造環境下，要實現分散制造資源的共享與集成，達到不同企業、組織間的協同設計、協同制造、協同服務，讓制造資源更充分、高效的為企業、組織所使用，對制造資源的能力的研究顯得尤為重要。加工制造能力作為一種重要的制造能力，涉及到底層加工制造資源與任務，為網絡化制造的有效實現提供基礎。要實現其在應用過程中的按需使用與流通，建立加工制造能力模型首當其沖。

對于加工制造能力方面的建模，以往的學者對其研究的很少，加之本文所提出的加工制造能力定義為一種制造資源的集成，所以借鑒制造資源建模方面的研究，進而推出加工制造能力的建模方案是切實可行的。目前對制造資源建模的研究主要采用OWL語言和基于本體的方法。涂志垚等在分析OWL語言表達特點的基礎上，把其應用到網絡化制造本體構建上，提出了一種本體構建的通用方法。賀文銳等人針對共享資源的地理和管理策略上的差異，運用OWL建模語言，構建了面向制造功能描述的資源信息模型。H.K.Lin等在支持信息自主權，允許個體的團隊成員保持自己的首選語言或信息模型的基礎上，建立了制造系統工程知識（MSE）本體模型。鄭立斌等建立了制造資源本體分類樹，提出了動態聯盟企業組合粒度信息表示方法并對基于Web工藝劃分的服務模型進行了描述。

從以往的學者研究中可以發現，其大多只是針對單一制造資源進行建模，并沒有將各種制造資源進行動態組合。本文通過分析加工制造資源本身固有屬性，有效集成人力資源、知識資源、設備資源，形成新的加工制造能力，并對其進行形式化表達，建立本體模型，為加工制造能力有效接入網絡提供了入口，便于企業、組織間對能力資源的搜索與調配。

1加工制造能力的重新定義

1.1加工制造資源概念

在制造系統中，制造資源處于系統底層，為制造任務的完成提供基本的物質供給，成為制造者從事生產加工活動的基礎。根據不同的使用范圍，制造資源分為兩大類，廣義制造資源和狹義制造資源。

廣義制造資源指在產品全生命周期中，從事一切生產活動過程中所涉及到的所有軟、硬件資源的總和。

狹義制造資源指在制造單個零件過程中，為制造過程所需要的物質資源。

加工制造資源屬于狹義制造資源，是指在制造單個零件的加工過程中，為加工任務所需要的各種資源：設備資源（機床、刀具、夾具等）、人力資源、知識資源等。

加工制造資源按照資源的屬性和用途，本文將其分為4類：①設備資源，是在車間具有具體制造能力的資源的抽象，為加工任務提供基本設備保障。主要包括機床、刀具、夾具等。②人力資源，在整個加工制造過程中，組織和調用其他資源的能動資源，本文主要指加工操作者（車工、銑工等）。③知識資源，為加工制造提供智慧輔助，以書面文件、計算機軟件等形式存在，包括書籍、國標、知識庫、實例庫等。④材料資源，為制造某種零件所提供的原材料、毛坯和成品等。

1.2加工制造能力的定義與分類

本文所提出的加工制造能力是從微觀資源的角度出發，是指加工制造資源以動態組合的方式來完成加工制造任務的過程中，其整體所發揮出的功能。具體的加工制造能力的定義如下：

加工制造能力根據某項加工要求，針對零件的幾何特征，通過人力資源（加工操作者）集成設備資源和知識資源來完成加工任務的過程中，在資源固有屬性的約束下，資源集合體（人力資源、設備資源、知識資源）在這一過程中所發揮出的相應的功能的體現。

從微觀資源角度出發，傳統對加工制造能力的定義，只是單獨考慮了資源本身（機床、刀具等）的機械加工性能，并沒有將各類加工制造資源動態聯系起來。本文所提出的加工制造能力是在加工制造過程中，抽象于底層加工制造資源（設備資源、知識資源、人力資源）的組合，為需求者提供具有高附加值的加工制造資源的組合服務和完善的資源供給方式。加工制造能力定義如圖1所示。

由于切削類加工是制造車間主要應用的加工類型，所以本文針對切削類加工制造能力資源建立加工制造能力模型。切削類加工制造能力根據加工復雜程度可分為單一切削加工制造能力和復合切削制造能力，復合加工制造能力是單一加工制造能力的疊加。單一加工制造能力按加工方式可分為車削加工能力、銑削加工能力、刨削加工能力等，再按照加工對象的幾何特征可進一步劃分成車外圓能力、車螺紋能力、銑平面能力等。復合加工制造能力可分為二維復合加工制造能力、三維復合加工制造能力和多維復合加工制造能力，根據其疊加項，還可以進一步劃分，例如二維復合加工制造能力又可分為車銑能力、鏜銑能力等，其中車銑能力是車削能力和銑削能力的組合，在圖中已由引線標出，其他復合能力類似，均已由引線標出。具體切削加工制造能力分類如圖2所示。