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(duì)加工制造資源本身的特點(diǎn)，從其固有屬性出發(fā)，把加工制造資源中的關(guān)鍵資源一人力資源、設(shè)備資源、知識(shí)資源，動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)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(guān)系等內(nèi)容。并通過運(yùn)用OWL語言，利用Prot6964.3本體編輯軟件對(duì)加工制造能力的子能力一銑平面能力進(jìn)行本體建模，實(shí)現(xiàn)其本體建模的實(shí)例驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：加工制造能力；資源集成；形式化表達(dá)；本體建模

DOI：10.15938/j.jhust.2016.03.012

中圖分類號(hào)：TG506 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007—2683（2016）03—0058—06

0引言

隨著網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)日臻成熟，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)程在不斷加快，作為國家經(jīng)濟(jì)重要支柱的制造業(yè)也受其影響，其發(fā)展與網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)結(jié)變的越來越緊密。2013年，德國在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式推出“工業(yè)4.0”這一概念，“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略旨在通過建立信息物理融合系統(tǒng)（CPS）網(wǎng)絡(luò)，搭建智能工廠，實(shí)現(xiàn)智能制造。我國國務(wù)院也于近期發(fā)布了工業(yè)4.0中國版——中國制造2025，其主旨與德國版工業(yè)4.0異曲同工，提倡智能制造，鼓勵(lì)信息化技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)。未來制造業(yè)正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的趨勢(shì)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化制造時(shí)代即將到來。

在網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下，要實(shí)現(xiàn)分散制造資源的共享與集成，達(dá)到不同企業(yè)、組織間的協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同制造、協(xié)同服務(wù)，讓制造資源更充分、高效的為企業(yè)、組織所使用，對(duì)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(wù)，為網(wǎng)絡(luò)化制造的有效實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。要實(shí)現(xiàn)其在應(yīng)用過程中的按需使用與流通，建立加工制造能力模型首當(dāng)其沖。

對(duì)于加工制造能力方面的建模，以往的學(xué)者對(duì)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(jìn)而推出加工制造能力的建模方案是切實(shí)可行的。目前對(duì)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(dá)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，把其應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)化制造本體構(gòu)建上，提出了一種本體構(gòu)建的通用方法。賀文銳等人針對(duì)共享資源的地理和管理策略上的差異，運(yùn)用OWL建模語言，構(gòu)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(quán)，允許個(gè)體的團(tuán)隊(duì)成員保持自己的首選語言或信息模型的基礎(chǔ)上，建立了制造系統(tǒng)工程知識(shí)（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(dòng)態(tài)聯(lián)盟企業(yè)組合粒度信息表示方法并對(duì)基于Web工藝劃分的服務(wù)模型進(jìn)行了描述。

從以往的學(xué)者研究中可以發(fā)現(xiàn)，其大多只是針對(duì)單一制造資源進(jìn)行建模，并沒有將各種制造資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)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(shí)資源、設(shè)備資源，形成新的加工制造能力，并對(duì)其進(jìn)行形式化表達(dá)，建立本體模型，為加工制造能力有效接入網(wǎng)絡(luò)提供了入口，便于企業(yè)、組織間對(duì)能力資源的搜索與調(diào)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(tǒng)中，制造資源處于系統(tǒng)底層，為制造任務(wù)的完成提供基本的物質(zhì)供給，成為制造者從事生產(chǎn)加工活動(dòng)的基礎(chǔ)。根據(jù)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(chǎn)品全生命周期中，從事一切生產(chǎn)活動(dòng)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(gè)零件過程中，為制造過程所需要的物質(zhì)資源。

加工制造資源屬于狹義制造資源，是指在制造單個(gè)零件的加工過程中，為加工任務(wù)所需要的各種資源：設(shè)備資源（機(jī)床、刀具、夾具等）、人力資源、知識(shí)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(shè)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(wù)提供基本設(shè)備保障。主要包括機(jī)床、刀具、夾具等。②人力資源，在整個(gè)加工制造過程中，組織和調(diào)用其他資源的能動(dòng)資源，本文主要指加工操作者（車工、銑工等）。③知識(shí)資源，為加工制造提供智慧輔助，以書面文件、計(jì)算機(jī)軟件等形式存在，包括書籍、國標(biāo)、知識(shí)庫、實(shí)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(fā)，是指加工制造資源以動(dòng)態(tài)組合的方式來完成加工制造任務(wù)的過程中，其整體所發(fā)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(jù)某項(xiàng)加工要求，針對(duì)零件的幾何特征，通過人力資源（加工操作者）集成設(shè)備資源和知識(shí)資源來完成加工任務(wù)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(shè)備資源、知識(shí)資源）在這一過程中所發(fā)揮出的相應(yīng)的功能的體現(xiàn)。

從微觀資源角度出發(fā)，傳統(tǒng)對(duì)加工制造能力的定義，只是單獨(dú)考慮了資源本身（機(jī)床、刀具等）的機(jī)械加工性能，并沒有將各類加工制造資源動(dòng)態(tài)聯(lián)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(shè)備資源、知識(shí)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(wù)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(yīng)用的加工類型，所以本文針對(duì)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(jù)加工復(fù)雜程度可分為單一切削加工制造能力和復(fù)合切削制造能力，復(fù)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(duì)象的幾何特征可進(jìn)一步劃分成車外圓能力、車螺紋能力、銑平面能力等。復(fù)合加工制造能力可分為二維復(fù)合加工制造能力、三維復(fù)合加工制造能力和多維復(fù)合加工制造能力，根據(jù)其疊加項(xiàng)，還可以進(jìn)一步劃分，例如二維復(fù)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(biāo)出，其他復(fù)合能力類似，均已由引線標(biāo)出。具體切削加工制造能力分類如圖2所示。