基于OWL的工藝BOM本體構(gòu)建方法研究

吳 帆，鐘艷如，韋秀仙，梁毅芳，彭 娟

（1.桂林電子科技大學(xué) 廣西高校圖像圖形智能處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué) 商學(xué)院，桂林 541004）

基于OWL的工藝BOM本體構(gòu)建方法研究

吳 帆1,2，鐘艷如1,2，韋秀仙1,2，梁毅芳1,2，彭 娟1,2

（1.桂林電子科技大學(xué) 廣西高校圖像圖形智能處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué) 商學(xué)院，桂林 541004）

針對(duì)工藝物料清單在異構(gòu)系統(tǒng)上傳遞和共享困難的問題，引入網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言的形式化表示技術(shù)，研究工藝物料清單本體的構(gòu)建方法。首先在零件加工面與工藝關(guān)系的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于特征表面的工藝物料知識(shí)表示模型，通過產(chǎn)品零件加工表面與加工工藝的對(duì)應(yīng)關(guān)系，工藝步驟到生產(chǎn)資料的映射關(guān)系，將工藝知識(shí)與工藝物料信息相結(jié)合；其次借助模型構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言（Web Ontology Language， OWL）的工藝物料知識(shí)元本體模型，實(shí)現(xiàn)工藝物料清單（Bill of material，BOM）的本體構(gòu)建；最后以聯(lián)軸器為例，在protégé軟件上對(duì)聯(lián)軸器的工藝BOM進(jìn)行本體構(gòu)建，為后續(xù)的工藝BOM自動(dòng)生成、知識(shí)推理及知識(shí)庫(kù)構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

工藝；物料清單；本體；網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言

0 引言

在工業(yè)4.0的時(shí)代趨勢(shì)下，發(fā)展智能制造已成為全球制造業(yè)的目標(biāo)。然而企業(yè)智能化在管理上面臨著的問題不再限于人、機(jī)、料、法、環(huán)等方面，同時(shí)還面臨著大量數(shù)據(jù)資料的管理問題，異構(gòu)知識(shí)信息的共享傳遞正是其中之一，諸如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工藝計(jì)劃（Computer Aided Process Planning，CAPP）、企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）等系統(tǒng)都是獨(dú)立發(fā)展起來的[1]。企業(yè)知識(shí)多形式樣化，異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不兼容，甚至有些工藝物料清單文件，還得依靠人工手工錄入和傳遞[2]，這就造成了企業(yè)信息共享傳遞的滯澀形成信息孤島[3]。

BOM是ERP的核心技術(shù)文件，是各部門指導(dǎo)工作和組織計(jì)劃的基本資料及重要依據(jù)[4]。為了解決BOM信息從設(shè)計(jì)部門到工藝部門的轉(zhuǎn)換和傳遞低效的問題，梁平[5]、周圣文[6]等人以可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（eXetensible Markup Language，XML）模式的對(duì)BOM進(jìn)行存儲(chǔ)，郭春芬[7]、曲敏[8]等人，采用本體技術(shù)對(duì)工藝類知識(shí)進(jìn)行描述和管理，鐘艷如[9]、覃欲初[10]等人針對(duì)工藝公差知識(shí)進(jìn)行詳細(xì)研究，通過描述邏輯與本體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了公差類型的自動(dòng)生成與推理，促進(jìn)了工藝公差知識(shí)高效利用和共享，然而卻未將工藝領(lǐng)域知識(shí)與BOM相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝BOM的刻畫。

首先，本文在前人研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于OWL的工藝物料知識(shí)表示模型，然后，根據(jù)表示模型，采用本體形式化描述，將工藝領(lǐng)域知識(shí)與BOM相結(jié)合，構(gòu)建工藝BOM本體，以O(shè)WL文件模式，促進(jìn)設(shè)計(jì)部門到工藝部門BOM信息的高效傳遞與知識(shí)共享。

1 工藝物料知識(shí)表示模型的設(shè)計(jì)

1.1 概述

表示模型體現(xiàn)了自頂向下逐層細(xì)化的研究思路。通過對(duì)BOM文件的研究分析，將產(chǎn)品信息與工藝知識(shí)相結(jié)合，設(shè)計(jì)基于特征表面的工藝物料知識(shí)結(jié)構(gòu)表示模型，模型將產(chǎn)品零件、加工表面、工藝知識(shí)和生產(chǎn)加工所需要的生產(chǎn)資料進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)工藝BOM的本體構(gòu)建。

本體（Ontology）最早是由亞里士多德在“存在論”中提出的哲學(xué)概念，隨著人工智能的發(fā)展，本體在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域被定義為“共享概念模型的明確形式化規(guī)范說明[11]”。它最突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的信息共享、應(yīng)用集成、語(yǔ)義互操作及知識(shí)重用[12]。

W3C（World Wide Web Consortium）最初為了定義和實(shí)例化Web本體，設(shè)計(jì)了本體描述語(yǔ)言O(shè)WL，它由RDF語(yǔ)言和RDF(S)語(yǔ)言發(fā)展而來，其語(yǔ)法格式延續(xù)了RDF/XML的語(yǔ)法格式，使得非專業(yè)人員也能讀懂OWL的代碼。protégé軟件是由斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究中心，基于Java語(yǔ)言開發(fā)的本體編輯工具，是語(yǔ)義網(wǎng)本體構(gòu)建的核心開發(fā)工具，支持OWL、RDF(S)、XML及DAML+OIL等本體語(yǔ)言[12]。本文將采用Protégé軟件來實(shí)現(xiàn)工藝BOM元本體模型的構(gòu)建。

1.2 表示模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

模型設(shè)計(jì)由4個(gè)層次構(gòu)成，自上而下分別為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層、加工表面層、加工工藝層、生產(chǎn)資料層，如下圖1所示。其中A為裝配體，PK為零件，k=1，2，…，k；Sn(Pk)為零件Pk的第n個(gè)加工特征表面，n=1，2，…，n；同理m=1，2，…，m；PrS1·i為加工工藝，i=1，2，…，i；Mj為工藝加工的生產(chǎn)資料，j=1，2，…，j。

通過裝配體到零件的裝配約束關(guān)系，零件加工特征表面加工工藝關(guān)系，以及零件工藝到加工所需生產(chǎn)資料的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將零部件信息、加工工藝信息與工藝生產(chǎn)資料信息相互鏈接，形成一個(gè)整體模型，進(jìn)一步對(duì)工藝知識(shí)、工藝物料知識(shí)進(jìn)行整合管理。

圖1 工藝物料知識(shí)表示模型

1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層

表示模型的第一層是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層，它主要表示產(chǎn)品層次結(jié)構(gòu)以及零件之間的裝配約束關(guān)系，該層除了反映產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)關(guān)系還主要承載著產(chǎn)品零件的主要設(shè)計(jì)信息，以及BOM中裝配體及零件的基本屬性，同時(shí)依據(jù)其零部件的裝配約束關(guān)系呈現(xiàn)其產(chǎn)品的零部件結(jié)構(gòu)樹，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層中裝配體可以看成是由一個(gè)或多個(gè)零件，按照一定的裝配約束關(guān)系組成的集合，同時(shí)如零件的材質(zhì)、原材料的基本尺寸等都將為模型后面的加工工藝層及生產(chǎn)資料層的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

零件自身信息包括設(shè)計(jì)零件的基本尺寸等，除此之外還有與其相關(guān)的物料屬性，如：層次號(hào)（level）、物料編號(hào)（material Number）、圖號(hào)（drawing Number）、零件名稱（part Name）、來源（source）、數(shù)量（amount）、材質(zhì)（material）、備注（remarks） 8種，這些屬性信息源于BOM文件，是對(duì)零件工藝知識(shí)以及BOM知識(shí)進(jìn)行本體描述的重要依據(jù)。

2）加工表面層

加工表面層是知識(shí)表示模型的第二層，其主要作用在于分析零件所需加工的表面，將作為下一層工藝加工層的重要支柱。對(duì)零件進(jìn)行工藝分析確定零件加工工藝路線，除了需要考慮零件本身毛坯的材質(zhì)、尺寸以及現(xiàn)有生產(chǎn)條件外，還需要考慮零件加工表面的形狀類型以及粗糙度、精度的要求，不同的加工特征表面能夠采取不同的加工工藝方案，而精度的要求除了對(duì)工藝加工方式的影響外，更多的是在是否考慮需要進(jìn)行粗加工、半精加工和精加工上的劃分。

在本文中借鑒產(chǎn)品幾何規(guī)范（Geometrical Product Specification，CPS）中對(duì)幾何面的分類，即GPS中的七個(gè)恒定類如表1所示，任何幾何體模型或每個(gè)零件都可以看成是由數(shù)個(gè)特征表面圍成的閉合幾何體，這些特征幾何面以其自由度及擬合導(dǎo)出要素劃分為Spherical（球面）、Cylindrical（圓柱面）、Planar（平面）、Helical（螺旋面）、Revolute（旋轉(zhuǎn)面）、Prismatic（棱柱面）、Complex（復(fù)雜面）。除了以下七種特征表面外，在實(shí)際加工工藝分析中還需要考慮是否為實(shí)體加工，在的成型過程中，部分實(shí)體加工的工藝會(huì)有一定的差異，例如內(nèi)孔的加工，在特征表面中可以將其劃分為圓柱面的特征表面加工，但在工藝分析中若為實(shí)體加工則必須優(yōu)先進(jìn)行鉆孔工序。

3）加工工藝層

表示模型的第三層是加工工藝層，表示零件生產(chǎn)加工工藝約束關(guān)系，對(duì)產(chǎn)品每個(gè)零件進(jìn)行工藝分析，提取工藝約束關(guān)系，為最后零件加工時(shí)所需生產(chǎn)資料的調(diào)度統(tǒng)計(jì)做準(zhǔn)備，同時(shí)加工工藝層也是構(gòu)建實(shí)際生產(chǎn)的工藝類本體的基礎(chǔ)。工藝知識(shí)管理雖然在早年就被提起，但是由于其工藝種類的復(fù)雜性，工藝知識(shí)領(lǐng)域存在大量的顯性和隱性知識(shí)，加上企業(yè)的知識(shí)形式多樣化，表達(dá)方式不統(tǒng)一、不規(guī)范，致使工藝知識(shí)共享困難。

為此在加工工藝以七個(gè)恒定類的基礎(chǔ)上，受限于文章篇幅僅以零件的切削加工為主要研究對(duì)象，對(duì)常規(guī)的切削加工工藝知識(shí)歸納總結(jié)如表2所示，通過表中關(guān)系約束簡(jiǎn)化工藝知識(shí)的復(fù)雜性，同時(shí)為之后的本體形式化描述對(duì)相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的提取奠定基礎(chǔ)。

在工藝分析中工藝路線的確定中，除了需要考慮車間實(shí)際的生產(chǎn)加工條件，和加工表面類型外，同時(shí)還需要對(duì)加工面的精度進(jìn)行考慮，同樣的加工表面類型會(huì)有不同的加工精度要求，需要采取不同的加工策略，如表3所示，得出常用切削加工工藝與精度約束關(guān)系表，將加工工藝與加工精度相關(guān)聯(lián)，為之后工藝知識(shí)的提取以及工藝知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建以及知識(shí)推理奠定基礎(chǔ)。

表1 GPS中的七個(gè)恒定類

表2 加工特征表面切削加工約束關(guān)系

工藝約束關(guān)系中主要包含了我們?cè)谏a(chǎn)過程中所參與的工藝相關(guān)步驟及工藝知識(shí)，如：毛坯清理（Blank Clean）、切削加工（Machining）、檢驗(yàn)（Test）、裝配（Assemble）等工藝步驟，以及在實(shí)際工藝中所采用的“其他加工”等步驟（如：倒角、工件調(diào)轉(zhuǎn)、工件裝卸、特種加工等），在切削加工中主要涉及常規(guī)的加工方式有車削（Turning）、銑削（Milling）、刨削（Planing）、插削（Slotting）、磨削（Grinding）、鉆孔（Drilling）、鉸孔（Reaming）、鏜削（Boring）、拉削（Broaching）、切割（Cutting）、齒/渦輪加工（Teeth/Turbine Machining）、加工中心（Machining Center）、鉗工（Bench Worker）等。

4）生產(chǎn)資料層

表示模型的最后一層為生產(chǎn)資料層。BOM在企業(yè)的不同部門和產(chǎn)品的不同階段具有不同的信息表示，建立不同BOM之間的邏輯聯(lián)系和映射轉(zhuǎn)換是制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)、制造和管理的關(guān)鍵，BOM間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換如圖2所示[13]。產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)部門主要反映產(chǎn)品零件的名稱、數(shù)量等產(chǎn)品屬性，而在工藝設(shè)計(jì)部門所編制的工藝BOM更多反映的是產(chǎn)品工藝屬性：工序號(hào)（processNumber）、工序名稱（processName）、工序內(nèi)容（content）、設(shè)備（device）、刀具（cutter）、夾具（tong）、量具（measuringtool）等。

表3 加工精度等級(jí)與工藝約束關(guān)系

這些屬性所反映的信息是表示模型第三層，生產(chǎn)資料層所攜帶的。在分析了前三層的約束關(guān)系之后，提取各個(gè)零部件在加工生產(chǎn)過程中所涉及到的生產(chǎn)資料，為之后工藝BOM的本體構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

圖2 BOM轉(zhuǎn)換示意圖

2 工藝BOM本體的構(gòu)建

工藝BOM的本體主要涉及到兩個(gè)領(lǐng)域方面的知識(shí)：一是與物料清單領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)；另一個(gè)是產(chǎn)品工藝領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)。通過表示模型對(duì)該兩個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)進(jìn)行了收集整理和歸納，將兩個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)相結(jié)合，從而為構(gòu)建領(lǐng)域類本體建立基礎(chǔ)。

通過表示模型獲取構(gòu)建本體領(lǐng)域知識(shí)后，將對(duì)本體的類以及屬性進(jìn)行創(chuàng)建。類的設(shè)置有三大部分，分別是表示BOM基本信息的BOM類（BOM Classes）；產(chǎn)品零件信息相關(guān)的產(chǎn)品產(chǎn)品裝配體類（Assembly）以及與生產(chǎn)工藝相關(guān)的工藝類（Process），通過分析研究把所有的類及其他的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行組織，其樹狀結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中Part、Feature Surfaces、Surface Precision分別表示零件、加工表面、特征表面和表面精度。

圖3 工藝BOM類及層次關(guān)系

BOM領(lǐng)域知識(shí)與工藝領(lǐng)域知識(shí)相結(jié)合進(jìn)行本體構(gòu)建的過程中，無論是產(chǎn)品自身物料信息，還是工藝上所涉及的物料內(nèi)容，都會(huì)在軟件界面中以屬性欄中內(nèi)容信息的方式清晰呈現(xiàn)，便于工作人員的查閱、修改。構(gòu)建的本體屬性分為兩大類，即用來表示類中二元關(guān)系的關(guān)系（Object Properties），以及用來表示一個(gè)類固有特性的數(shù)據(jù)屬性（Datety Properties），在本體中所設(shè)置屬性關(guān)系及層次結(jié)構(gòu)及含義如圖4所示，has-Reflect表示反映關(guān)系即BOM反映產(chǎn)品或工藝相關(guān)屬性信息，has-ACR表示具有零件間裝配約束關(guān)系或，has-Surfaces表示零件具有加工表面或零件與實(shí)際表面的構(gòu)成關(guān)系關(guān)系，has-Process具有表示工藝關(guān)系，Sub-Of表示具有子類或子屬性。

圖4 工藝BOM屬性及層次關(guān)系

在對(duì)屬性進(jìn)行了定義域和值域的限定之后，即完成了領(lǐng)域類本體的構(gòu)建，最后依據(jù)設(shè)定的類與屬性及其約束關(guān)系，得到基于OWL的工藝BOM元本體模型如圖5所示。

圖5 基于本體的工藝BOM元本體模型

3 實(shí)例研究

最后文章通過以聯(lián)軸器工藝BOM為實(shí)例，在研究調(diào)查中獲取了零件圖紙、工藝說明書、工藝卡片以及在工藝編制階段所使用到的物料清單，作為我們構(gòu)建本體實(shí)例的重要材料，最后在protégé軟件中構(gòu)建本體。如圖6所示，protégé中創(chuàng)建的本體類以及相應(yīng)的OWLViz圖。

圖7為BOM Classes中聯(lián)軸器實(shí)例個(gè)體BOM ListHead的屬性內(nèi)容展示，在屬性欄中主要承載了聯(lián)軸器工藝BOM的表頭信息，如BOM名稱“CouplerProcessBOM”、BOM編制者“David”等，同樣在相應(yīng)的BOMClasses類下的ProcessBOM、ProductBOM中會(huì)呈現(xiàn)相應(yīng)的聯(lián)軸器工藝BOM、產(chǎn)品BOM的相關(guān)信息。

最終在Protégé中會(huì)生成一份OWL格式的文件，BOM的信息在文件中以O(shè)WL數(shù)據(jù)的形式表示，如下兩段代碼1所示，OWL文件格式能被計(jì)算機(jī)直接識(shí)別讀取，與傳統(tǒng)的BOM文件相比，OWL提供的RDF/XML語(yǔ)法對(duì)BOM的知識(shí)信息進(jìn)行表示，非專業(yè)編程人員同樣也能輕易理解其表達(dá)含義，計(jì)算機(jī)可以輕易的對(duì)信息進(jìn)行維護(hù)、存取，這極大的促進(jìn)了產(chǎn)品物料信息在跨部門跨系統(tǒng)間順暢傳遞以及知識(shí)有效共享。同時(shí)只需經(jīng)過簡(jiǎn)單的Java解析即可進(jìn)行數(shù)據(jù)形式轉(zhuǎn)換，直接導(dǎo)入Access、MySQL等數(shù)據(jù)庫(kù)或知識(shí)庫(kù)中。

圖6 protégé中類及OWLViz圖

圖7 聯(lián)軸器實(shí)例個(gè)體BOM ListHead

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要針對(duì)工藝BOM的本體構(gòu)建的問題進(jìn)行研究。將本體形式化描述技術(shù)引入物料清單領(lǐng)域，通過對(duì)BOM領(lǐng)域類知識(shí)以及工藝類知識(shí)的研究分析，設(shè)計(jì)了工藝BOM的結(jié)構(gòu)表示模型，科學(xué)合理的構(gòu)建了工藝BOM的本體，針對(duì)由于不同部門不同系統(tǒng)所導(dǎo)致的物料信息數(shù)據(jù)的異構(gòu)問題，提供了一種行之有效的解決方式，以促進(jìn)產(chǎn)品物料信息跨部門跨系統(tǒng)的順暢傳遞。接下來將進(jìn)一步的研究其本體知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建，將工藝知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榧s束規(guī)則，通過推理機(jī)對(duì)知識(shí)規(guī)則進(jìn)行智能推理，最終實(shí)現(xiàn)工藝BOM的自動(dòng)生成，推進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品信息的自動(dòng)化、智能化管理。

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圖3 仿真運(yùn)行結(jié)果

表1 運(yùn)行時(shí)間（秒）

比較復(fù)雜或數(shù)據(jù)規(guī)模較大的企業(yè)，往往不是關(guān)心得到計(jì)劃問題的最優(yōu)解，而是在合理時(shí)間內(nèi)獲得問題的優(yōu)化滿意解。

經(jīng)過不斷仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明模型可處理印刷企業(yè)縱多約束下的柔性復(fù)雜生產(chǎn)過程，滿足排產(chǎn)目標(biāo)，獲得問題的優(yōu)化解。在產(chǎn)能充足條件下，模型可獲得優(yōu)化解。在產(chǎn)能不夠情況下，在設(shè)定的運(yùn)行時(shí)間到達(dá)時(shí)將自動(dòng)終止運(yùn)行。依據(jù)終止原因，可增大產(chǎn)能即增加班組數(shù)或者松弛模型約束，如松弛模型緊急程度較低的訂單的交貨期約束，重新運(yùn)行模型，獲得排產(chǎn)問題的優(yōu)化解。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出的基于約束規(guī)劃的印刷計(jì)劃排產(chǎn)模型在滿足企業(yè)交貨期的前提下，以縮短平均生產(chǎn)周期和減少車間在制品庫(kù)存為目標(biāo)。充分考慮了印刷企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)過程中班組、設(shè)備、作息、產(chǎn)品、柔性工藝等狀況，采用虛擬設(shè)備添加至設(shè)備模型，簡(jiǎn)化委外工序處理。以虛擬活件添加到產(chǎn)品模型，將多活件組裝的裝訂工序轉(zhuǎn)化為單活件處理的方式，簡(jiǎn)化模型，減少約束。經(jīng)仿真驗(yàn)證所建立的模型可有效處理印刷企業(yè)縱多約束與印刷特有的生產(chǎn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，可滿足印刷企業(yè)的需求。

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Research on the construction of bill of material ontology based on Web ontology language

WU Fan1,2, ZHONG Yan-ru1,2, WEI Xiu-xian1,2, LIANG Yi-fang1,2, PENG Juan1,2

TP182

A

1009-0134(2016)12-0038-06

2016-08-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61562016）；廣西區(qū)國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2014GXNSFDA118039）；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJ1502301）

吳帆（1990 -），男，廣西灌陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和本體智能推理。