基于本體的協同制造知識建模*

王有遠 錢偉偉 張振華

(①南昌航空大學工業工程研究所，江西 南昌 330063； ②南昌航空大學航空制造工程學院，江西 南昌 330063)

隨著制造業信息化的到來，制造業面臨全球市場、資源、技術和人才的競爭。為了增強競爭力，企業間往往通過協同合作方式進行復雜產品的設計與生產制造。在產品整個生命周期中，涉及設計、制造、管理和服務等眾多學科知識，企業間面臨知識理解、共享與重用難問題，致使產品制造周期長、效率低。知識信息的利用水平影響產品生產效率與成本，所以必須對協同制造知識信息進行合理的建模與管理。

國內外學者分別從不同角度對協同制造領域進行了相關研究。如王黎明[1]通過協同信息技術構建工作平臺，形成分布的動態的協同制造環境，滿足復雜產品數字化制造的實施和應用；余劍峰[2]等針對零件制造的特定工藝路線，提出了基于自適應蟻群算法的協同制造項目資源優化配置方法，實現對產品制造的時間、成本和質量的有效控制；Bless PN等[3]為了解決知識識別過程中的知識發現、信息集成及知識搜尋成本等問題，設計了一個廣義的啟發式方案，提高了知識獲取的效率和準確率，同時降低了搜索成本；Yang Jiang等[4]為了解決協同制造產品知識不同區域以及知識集成的優化問題，提出了一種基于本體的知識集成框架，解決了知識不同區域的問題；趙正德[5]等通過制定協同制造任務配置管理模型、人員配置管理協同策略和人員的協同控制方法，提高了企業生產效率；丁博[6]等為了解決不同區域、異構制造資源的共享和集成問題，提出了一種基于細胞元本體的協同制造資源共享方法，實現異構資源的語義互操作；沈斌[7]等為了縮短產品開發周期，實現資源共享，提出了異地協同制造中人員選擇策略和生產協調策略，為異地協同制造企業的建立和生產提供基礎；惠巍[8]等通過構建出產品設計高度并行研發平臺的原型系統，減少制造單位的生產準備時間，提高了產品的生產效率。

以上研究主要針對協同制造平臺構建及資源優化配置等方面進行了探討，但隨著客戶需求多樣性，使得知識體系越趨龐大，企業間知識的準確獲取、共享與重用難等問題日益突出。鑒于此，本文將本體理論運用到協同制造知識建模中，提出基于本體的協同制造知識建模方法，實現協同制造知識共享與重用，提高知識獲取的效率及準確性，同時降低了知識利用成本，最終縮短產品的制造周期。

1 分布式協同制造知識框架

與傳統的制造方式相比，分布式協同制造采用并行工作模式，具有跨區域、跨企業和平臺異構等特點；由于不同企業具有不同的術語集，協同工作中容易導致知識理解、共享、交換困難等問題。

1.1 分布式協同制造工作流程

在協同工作環境下，來自不同領域的專家與各企業部門或供應商對制造目標達成共識、相互信任、協調合作的基礎上，按照生產能力動態地組建新的生產單元，每個生產單元都具有人力、設備、工藝、物資和設計等資源，該生產單元通過共享知識和資源來實現任務的集成，充分利用集體智慧與軟硬件設施進行任務的落實，提高產品制造質量，加快產品面世速度。

協同制造工作過程采用并行化的工作方式，將協同制造任務轉化成一個總的目標，根據生產能力來劃分子任務，將各個子任務分配給不同的生產單元，企業可以通過權衡生產能力和生產成本，將部分子任務分配給合作的供應商，零部件由供應商組織生產；并對子任務結果進行綜合，最終形成總的解決方案。

分布式協同制造工作流程如圖1所示。

由圖1可知，處于控制端的協同制造管理系統是分布式協同工作的核心，具備必要的硬件和軟件條件，同時也包含相關的知識資源，集成了人員組織信息、資源信息、生產能力數據、協議合同信息、設備數據、物流調度、過程管理、任務分解(根據產品成熟度、生產能力、資源、物流水平)等多個功能，并在實際工作中對設計制造端進行實時監控。處于設計制造端具有各自資源(人力、設備、工藝、物資、設計)的生產單元或供應商接受控制端分配的任務計劃，執行不同類型零部件的設計、生產任務，并通過協同制造管理系統來實現數據、設計和制造等信息的共享，便于方案的及時討論與修改，最后通過產品的總裝配，達到協同制造總目標。

1.2 分布式協同制造知識本體框架

利用本體技術，對協同制造領域知識的概念和術語進行抽象表示，抽取相關概念，根據概念的層次結構、概念間的包含關系、組成關系、劃分關系建立概念模型，對這些概念及概念的約束進行明確的定義。建立形式化概念知識，便于機器處理、知識共享等[9]，極大方便了企業間的合作。其框架如圖2所示。

由圖2可知，各企業提供各自的局部本體，然后結合合作范圍內其他局部本體，產生一個集成的全局本體。這種集成的全局本體有效地整合各個企業的知識對象，提供更全面的概念和知識信息，并最終實現分布式知識的集成與共享。協同制造知識局部本體先由各個企業領域專家、生產單元的各類工程師共同完成對制造知識關系識別、定義、概念匹配、術語構造、關鍵概念及詞匯抽取等工作，通過Protégé 本體開發工具開發出制造知識局部本體；各個局部本體之間又通過特征的提取、相似度計算、映射、概念名稱合并、信息融合等步驟完成局部本體的合并，并組成制造知識全局本題庫，各合作企業利用全局本題庫知識資源開展相關工作，并對其進行定期評價與完善升級。

2 基于本體的協同制造知識建模

從基于本體的知識管理角度分析，知識建模是對相關領域知識信息進行獲取、分析、抽取并形成一系列知識集合之后，運用本體方法對不同類型的知識進行組織和描述，最后采用形式化的知識表示方法獲取知識語義信息的過程[10-13]；將協同制造知識建模分為協同制造知識的獲取(知識分類與概念抽取)，知識本體構建和基于本體的知識表示3部分內容。

2.1 協同制造知識分類與概念抽取

2.1.1 協同制造知識分類

協同制造知識涉及范圍廣泛，分類角度不同分法各異，從本體建模角度對其進行分類[14]。協同制造知識細化分類體系如下：

(1)從管理知識的子概念出發，可分為供應商信息、數字模型分發、用戶需求、業務流程重組、生產數據管理、工作流管理、營銷與控制等。

(2)從制造知識的子概念出發，可分為加工過程及控制(常用刀具、刀具材料、磨料與磨具、加工過程)、加工設備(技術性能、設備分類)、表面質量(影響因素、提高質量的措施)、夾具(工件定位、定位誤差、工件夾緊、夾具種類)、加工工藝(工藝性評價、工藝規程、工藝尺寸鏈)、裝配工藝(裝配精度、裝配工藝規程、裝配工藝性評價)和精度分析與控制(加工精度、改變的條件、控制方法)等。

2.1.2 協同制造知識概念抽取

領域知識概念抽取是本體構建重要的一步，協同制造領域知識概念是協同制作領域內具有語義的詞或短語的集合，具有3個特征：(1)概念名稱之間具有相似性。(2)表達的信息之間具有相似性。(3)概念之間的屬性具有相似性。采用加權相似度對協同制造知識概念進行計算，步驟如下[4]：

(1)概念名稱相似度計算

SC表示概念名稱相似度，計算公式如下：

(1)

(2)信息相似度計算

Sf表示信息相似度，計算公式如下：

(2)

(3)屬性相似度計算

Ss表示關系相似度，計算公式如下：

(3)

(4)加權相似度計算

(4)

其中：α、β、γ表示相似度的權重系數；α、β、γ∈(0, 1)。加權相似度為0時表示兩個概念間無任何關聯關系；加權相似度為1時表示兩個是同一個概念。

(5)相似度的權重系數計算

步驟如下：

① 構造三階決策矩陣A3如下：

CDCICN

②權重系數w的計算公式如下：

(5)

③ 最大特征值λmax的計算公式如下：

(6)

④ 一致性檢驗

例如：A概念集合(零件、類型、毛坯、種類、名稱、材料、強度、尺寸、圖號)；B概念集合(材料、硬度、類型、毛坯、質量、產品、代號、數量、零件)，通過計算得Sc=4/(9+9-4)=0.286，Sf=(9×9)/(92+92-9×9)=1，Ss=(9×9)/(92+92-9×9)=1,α=0.542,β=0.298,λ=0.161，S=αSc+βSf+γSs=0.286×0.542+0.298×1+0.161×1=0.614，加權相似度為0.614，可抽取(零件類型、零件質量、零件名稱、零件圖號、產品代碼、數量、毛坯種類、毛坯質量、毛坯尺寸、材料類型、材料強度、材料硬度)等領域概念。

2.2 協同制造知識的OWL描述及屬性定義

采用Protégé開發軟件，通過輸入結構化或半結構化的實體概念和屬性信息，從而得出本體化和語義化的知識模型并基于此模型進行語義推理。利用Protégé集成的OWL插件對協同制造知識進行OWL本體的開發，主要分為三步：首先，創建類和類的層次結構；其次，定義類的屬性和屬性約束；最后，構建類的個體。使用Protégé 5.0開發的制造知識類和類的層次結構如圖3所示。

制造知識概念術語OWL描述的部分本體片段如下所示：

……

屬性通常被用以說明類以及個體的某些共同或專有特征。一個屬性包含一個二元關系。在OWL中存在兩種類型的屬性：對象屬性和數據類型屬性，分別描述類的對象之間的關系和類的對象與數據類型值之間的關系[15]。對象屬性用owl：ObjectProperty定義，并用rdfs：domain和rdfs：range指明它的定義域和值域。

制造知識的部分屬性定義如下：

CCJR=(AC(姓名，性別，出生年月，聯系方式，…)AR(熟悉的信息))；

CGCS=(AC(成功制定的生產方案，失敗案例，最佳案例，…)AR(產生來源))；

其中:CCJR表示創建人(領域專家)的知識屬性集；CGCS表示工程師的知識屬性集。

通過OWL語言描述其對象屬性關系為：

3 應用實例分析

航空發動機制造是一個極其復雜的系統工程，具有多學科、多進程和多方案選擇等特點。以航空發動機制造為例對其知識概念術語進行分類，可表示為：

航空發動機制造知識包括：科學知識(機械制圖學、工程材料學、機械制造工藝學(加工工藝、裝配工藝、夾具設計)、摩擦學、熱力學、結構力學、機械振動學、聲學、計算機科學)、經濟學、環境學等多個學科。

航空發動機制造知識概念術語OWL描述片段如下：

…

航空發動機制造知識部分屬性定義如下：

CKXZS=(AC(知識類型，學科分支，主要內容，…)AR(包含學科))；

CGCCL=(AC(材料編號，材料名稱，材料性能，…)AR(所屬學科))；

GJXZD=(AC(振動類型，振動強度，振動時間，…)AR(所屬學科))；

其中，CKXZS、CGCCL、CJXZD分別代表科學知識屬性集、工程材料知識屬性集、振動知識屬性集。

航空發動機制造知識部分屬性定義OWL描述如下：

由于OWL約束公理具有只對特定的類和屬性進行約束，并對其他非特定建模對象約束少等優點，所以應用OWL約束公理定義本體模型可以達到更完整更名確的目的。本文僅將約束公理應用于航空發動機制造知識，并對其概念進行形式化表示，其中部分概念形式化表示為：

航空發動機振動實驗≡學科類∩Restriction(?包含于學科·振動學)∩Restriction(?實驗內容(正弦振動∪隨機振動∪…))。

航空發動機制造知識≡產品制造知識∩Restriction(?涉及科學知識(機械制圖學∪工程材料學∪機械制造工藝學(加工工藝∪裝配工藝∪夾具設計)∪熱力學(工程熱力學)∪摩擦學∪結構力學∪機械振動學∪聲學∪計算機科學∪…))∩Restriction(涉及環境知識(環境學))∩Restriction(涉及經濟知識(經濟學))。

針對航空發動機振動試驗，建立了兩個Object_Property 屬性，分別為INCLUDED_IN_THE_DISCIPLINE_OF(包含于學科)和HAS_TEST_CONTENTS(實驗內容)。其OWL屬性約束如圖4所示。因篇幅所限，其余類相關屬性約束可采用相同方法進行構建。

航空發動機制造知識的約束公理OWL描述片段為：

……

當制造過程中有協同需要時，生產單元(供應商)便向協同制造管理系統發送請求，請求中包含主要知識信息、資源信息和任務分配信息等，協同制造管理系統通過網絡介質向其他生產單元(供應商)發送協同邀請，符合要求的生產單元(供應商)接受邀請后進入同樣的生產工作環境，與發出請求的生產單元(供應商)實時交互信息，協同完成相應的制造任務。

4 結語

本文從協同制造知識的表示、共享和重用角度出發，通過詳細分析協同制造的特點，提出了基于本體的協同制造知識建模方法。該方法可以有效解決企業間協同制造知識理解、知識共享和重用問題，縮短產品生產周期，提高生產效率，同時也為企業間協同制造知識的集成提供語義基礎和邏輯模型，可實現企業間協同制造異構系統之間的語義互操作需要。

[1]王黎明. 協同制造技術在大型飛機研發中的應用[J]. 航空制造技術, 2008 (1): 56-59.

[2]余劍峰, 李原, 于海山,等. 基于自適應蟻群算法的協同制造項目資源優化配置[J]. 計算機集成制造系統, 2008, 14(3): 576-580.

[3]Bless PN, Klabjan D, Chang SY . Heuristics for automated knowledge source integration and service composition[J].Computers and Operations Research , 2008, 35(4):1292-1314.

[4]Jiang Yang， Peng Gaoliang， Liu Wenjian. Research on ontology-based integration of product knowledge for collaborative manufacturing [J]. Int J Adv Manuf Technol, 2010, 49 (9-12):1209-1221.

[5]趙正德, 趙郁亮, 楊立朝. 協同制造的配置管理和協同控制[J]. 上海大學學報：自然科學版, 2009, 15(2):175-180.

[6]丁博, 孫立鐫. 基于細胞元本體的協同制造資源共享[J]. 計算機集成制造系統, 2010, 16(5):964-973.

[7]沈斌, 王文杰, 華剛. 異地協同制造的研究[J]. 機械設計, 2001, 18(10):4-6.

[8]惠巍, 金哲珠, 胡保華,等. 基于產品成熟度的設計制造高度并行研發模式[J].航空制造技術,2016(23): 136-141.

[9]甘健候, 姜躍, 夏幼明. 本體方法及其應用[M]. 北京: 科學出版社, 2011.

[10]Lai L F. A knowledge engineering approach to knowledge management[J]. Information Sciences, 2007, 177(19): 4072-4094.

[11]王小磊,楊育,楊潔,等.協同產品創新設計中基于層次知識匹配的沖突消解研究[J].中國機械工程, 2010，21(20):2488-2495.

[12]羅樂,張曉冬,李英姿,等.面向協同產品開發的設計主體模型及應用[J].中國機械工程, 2009，20(3):320-326.

[13]鄒靈浩,郭東明,高航,等.一種新的面向協同產品開發的訪問控制模型[J].中國機械工程, 2009，20(20):2457-2460.

[14]王珂, 廖文和, 郭宇,等. 基于任務結構的產品設計知識模型研究[J].中國機械工程,2008,19(3): 308-313.

[15]王有遠, 王發麟, 樂承毅,等. 基于本體的多設計團隊協同產品設計知識建模[J]. 中國機械工程, 2012, 23(22): 2720-2725.