A semantic matching method of design requirements and service resources in cloud manufacturing environment

鬲　玲1，敬石開2，王宏君1

GE Ling1, JING Shi-kai2, WANG Hong-jun1

（1.北京神舟航天軟件技術(shù)有限公司，北京 100094；2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

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云制造環(huán)境下設(shè)計(jì)需求與服務(wù)資源的語義匹配方法

A semantic matching method of design requirements and service resources in cloud manufacturing environment

鬲玲1，敬石開2，王宏君1

GE Ling1, JING Shi-kai2, WANG Hong-jun1

（1.北京神舟航天軟件技術(shù)有限公司，北京 100094；2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

摘 要：云制造環(huán)境下，為保證用戶能夠快速準(zhǔn)確地檢索到滿足設(shè)計(jì)需求的服務(wù)資源，提出了一個(gè)基于本體的設(shè)計(jì)需求和服務(wù)資源的多層次語義匹配模型。首先，分析了云制造的需求和服務(wù)的分類，并根據(jù)分類對(duì)服務(wù)資源進(jìn)行基于本體的形式化描述。在此基礎(chǔ)上，研究了該匹配模型的三個(gè)階段：基本信息匹配、功能屬性匹配和服務(wù)質(zhì)量匹配，并給出了每個(gè)階段的相似度算法，定量描述設(shè)計(jì)需求和服務(wù)資源的匹配程度，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)針對(duì)設(shè)計(jì)需求的智能匹配。最后，通過實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：云制造；本體；設(shè)計(jì)需求；服務(wù)資源；語義匹配；匹配度

0 引言

近年來，隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的成熟，一種面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式—云制造應(yīng)運(yùn)而生。云制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)各類制造資源智能化管理和經(jīng)營(yíng)，為制造業(yè)由生產(chǎn)型向服務(wù)型轉(zhuǎn)變，提供了一種新的思路[1]。在云制造模式下，用戶能夠根據(jù)需求，隨時(shí)隨地、動(dòng)態(tài)、敏捷地使用云端制造資源池中的制造資源，充分體現(xiàn)了“分散資源集中使用，集中資源分散服務(wù)”的制造理念[2,3]。

云制造服務(wù)資源匹配是實(shí)現(xiàn)云制造的核心技術(shù)之一，它是指在云制造環(huán)境下，將用戶個(gè)性化的需求與功能多樣、種類繁多的云制造服務(wù)進(jìn)行匹配[4]，以尋求最能滿足需求的制造服務(wù)。國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)服務(wù)資源匹配進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[5]利用本體概念之間的包含關(guān)系，確定輸入輸出語句的匹配度，從而確定服務(wù)請(qǐng)求和服務(wù)資源的匹配等級(jí)（共四個(gè)等級(jí)）。此方法時(shí)效性強(qiáng)，但對(duì)于同一等級(jí)的服務(wù)匹配不能細(xì)致區(qū)分。文獻(xiàn)[6]運(yùn)用語義描述語言來定義語義距離，以實(shí)現(xiàn)近似服務(wù)匹配。因人工建立的語義距離會(huì)增大不確定性因素和工作量，所以此方法可靠性和實(shí)用性比較差。文獻(xiàn)[7]使用過程本體進(jìn)行查詢請(qǐng)求和Web服務(wù)的描述，提出一種基于過程本體的服務(wù)發(fā)現(xiàn)方法。此方法極度依賴所建立的過程模型，方法實(shí)現(xiàn)的難度較大。文獻(xiàn)[8]建立了制造工藝約束信息模型和匹配資源能力信息模型，提出一種制造資源能力對(duì)于制造工藝要求的匹配程度評(píng)價(jià)和計(jì)算方法，用以解決虛擬企業(yè)聯(lián)盟中制造資源和制造工藝的匹配問題。文獻(xiàn)[9]采用Web本體語言對(duì)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)資源進(jìn)行描述，利用擴(kuò)展UDDI的方法進(jìn)行資源的語義級(jí)別匹配。

綜合上述，當(dāng)前大多數(shù)的匹配研究都是從技術(shù)的整體角度出發(fā)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)全局的資源匹配，在資源匹配的模型、定性描述等方面研究得較為深入，但在具體的資源匹配過程、量化的匹配算法方面的研究還不夠充分，并且大部分研究方法的時(shí)效性、實(shí)用性、實(shí)現(xiàn)難易度都不能令人滿意。因此本文從產(chǎn)品研發(fā)過程中設(shè)計(jì)人員發(fā)出的設(shè)計(jì)需求入手，首先分析云制造服務(wù)資源的分類，并引入本體對(duì)云制造服務(wù)資源進(jìn)行語義描述。在此基礎(chǔ)上，建立云制造環(huán)境下需求和服務(wù)的匹配模型，從基本信息、功能屬性、服務(wù)質(zhì)量三個(gè)層次對(duì)設(shè)計(jì)需求和服務(wù)資源的匹配進(jìn)行定量研究。

1 云制造環(huán)境下設(shè)計(jì)需求和服務(wù)資源的匹配模型

1.1 云制造需求的分類

云制造服務(wù)資源與客戶的需求任務(wù)密切相關(guān)，按照客戶在使用平臺(tái)時(shí)的任務(wù)種類，將云制造需求分為三類，包括：云設(shè)計(jì)需求，云制造需求和云購買需求[10]。云制造需求是客戶通過給平臺(tái)提供制造加工所需的信息（工藝過程，工藝參數(shù)等），平臺(tái)返回零件或產(chǎn)品。云購買需求是指客戶通過提供產(chǎn)品信息（價(jià)格、材料等），直接在平臺(tái)上購買產(chǎn)品。云設(shè)計(jì)需求是指客戶通過提供一系列需求和指標(biāo)，如應(yīng)用環(huán)境，工作壓力，大小，使用壽命等，要求平臺(tái)提供設(shè)計(jì)說明書、3d模型或者包括參數(shù)，工藝過程等可直接制造加工的文件包。這類客戶群不需要對(duì)相關(guān)機(jī)械、產(chǎn)品研發(fā)知識(shí)很了解，僅僅需要知道滿足的工況條件以及工作任務(wù)或者外觀需求等。此類需求與服務(wù)資源的匹配度是本文研究的對(duì)象。

1.2 云制造服務(wù)資源的分類

借鑒以往對(duì)制造資源分類的研究成果，如文獻(xiàn)[8,11]，以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)資源的需求，本文將面向產(chǎn)品研發(fā)的云制造資源分為三大類，分別為：軟件資源、知識(shí)資源和人力資源。其中，軟件資源是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中用到的軟件。知識(shí)資源包含產(chǎn)品研發(fā)過程中用到的所有的非物質(zhì)技術(shù)資源。

1.3 基于本體的需求和服務(wù)匹配框架

面向產(chǎn)品研發(fā)的云制造服務(wù)匹配過程主要包含三個(gè)參與角色，需求方、服務(wù)提供方和云制造平臺(tái)，需求方和服務(wù)方分別通過云制造平臺(tái)發(fā)布自己的需求和服務(wù)，云制造平臺(tái)對(duì)用戶需求和服務(wù)資源進(jìn)行語義匹配，返回給需求方最合適的資源。面向產(chǎn)品研發(fā)的云制造服務(wù)語義匹配框架如圖1所示。該框架由兩大模塊組成，分別為產(chǎn)品研發(fā)云制造服務(wù)本體庫和云制造服務(wù)語義匹配模塊，具體分析如下：

1）產(chǎn)品研發(fā)云制造服務(wù)本體庫

針對(duì)云制造平臺(tái)上的服務(wù)功能各異、種類繁多，缺乏統(tǒng)一的定義和描述方法的現(xiàn)狀，構(gòu)建產(chǎn)品研發(fā)云制造服務(wù)本體庫，通過本體庫提供領(lǐng)域內(nèi)的共享概念知識(shí)，使需求和服務(wù)間的概念能夠在語義層次上進(jìn)行匹配。產(chǎn)品研發(fā)云制造服務(wù)本體使用OWL語言描述，能夠規(guī)范地描述領(lǐng)域概念、概念的實(shí)例、概念的屬性等。其中，屬性是包含同義詞、性能參數(shù)、作用等。如圖2所示為面向汽車零部件研發(fā)的云制造服務(wù)的頂層本體片段（因篇幅所限，只列出部分概念）。

圖1　語義匹配框架

圖2　面向汽車零部件研發(fā)的云制造服務(wù)的頂層本體

2）云制造服務(wù)語義匹配模塊

語義匹配模塊根據(jù)本體庫提供的概念語義信息，將需求描述和服務(wù)描述中對(duì)應(yīng)的信息進(jìn)行語義匹配，確定信息間的語義匹配程度。該模塊包括三個(gè)部分，服務(wù)和需求描述、語義匹配引擎、匹配結(jié)果排序。其中，語義匹配引擎是產(chǎn)品研發(fā)云制造服務(wù)語義匹配的核心部分，該引擎所執(zhí)行的語義匹配方法及具體算法將在下一節(jié)中詳細(xì)研究。

需求和服務(wù)描述需參照?qǐng)D3，規(guī)范化描述的需求單元和服務(wù)單元是語義匹配的基礎(chǔ)?；拘畔樾枨蠡蚍?wù)的名稱和同義詞；功能屬性包含需求或服務(wù)的輸入、輸出，以及條件和效果。輸入/輸出屬性主要描述服務(wù)實(shí)現(xiàn)其功能所需要哪些輸入并將產(chǎn)生哪些輸出，而條件/效果屬性描述服務(wù)能夠被執(zhí)行的前提條件是什么，執(zhí)行后將產(chǎn)生什么樣的效果。服務(wù)質(zhì)量包含了時(shí)間、成本和誠信度。

2 設(shè)計(jì)需求和資源服務(wù)的語義匹配實(shí)現(xiàn)流程

云制造服務(wù)語義匹配方法包含基本信息匹配、功能屬性匹配和服務(wù)質(zhì)量匹配三個(gè)階段。每層設(shè)定由用戶根據(jù)需求設(shè)定合適的閾值，并計(jì)算每層的相似度，與設(shè)置的閾值對(duì)比。相似度小于閾值的服務(wù)資源被過濾掉，并且不能進(jìn)入到下一層次的匹配。最后按照三個(gè)階段所占權(quán)重對(duì)各匹配度加權(quán)求和，獲取需求與服務(wù)的綜合匹配程度。

若產(chǎn)品研發(fā)云制造需求為Q=，產(chǎn)品研發(fā)云制造服務(wù)為P=，則設(shè)計(jì)需求與服務(wù)資源的匹配度形式化表示如下：

w1，w2，w3分別為三階段相似度的權(quán)重。滿足：

2.1 基本信息匹配

云制造服務(wù)名稱和同義詞都引用自領(lǐng)域本體中的概念，因此基本信息的匹配度可通過本體概念間相似度來度量。根據(jù)語義距離和語義相似性存在反向度量關(guān)系，可通過計(jì)算C1，C2間的語義距離來獲取概念C1，C2的相似度，如式(3)所示。

領(lǐng)域本體可被看作一個(gè)is-a類型的層次概念樹，即只存在所謂的上位/下位關(guān)系。則 C1，C2間的語義距離表示為連接它們最短路徑上的m條邊的權(quán)值w的總和（每一條邊的兩端都為父子關(guān)系），如式(4)所示：

從信息量的角度來闡述，本體概念所處層次越深，其所含的信息量越多，本文借鑒文獻(xiàn)[12]，利用父子本體概念間沒有共享的信息量來衡量父子概念間的語義距離，即：

n為父概念的直接子概念的數(shù)量，I(cip)和I(ci)分別為概念層次結(jié)構(gòu)樹中父概念cip和其子概念ci的語義信息量。而語義信息量的計(jì)算公式為：

其中p(c)為任一實(shí)例屬于本體概念c的概率。p(c)的計(jì)算本文借鑒文獻(xiàn)[13]的研究，利用領(lǐng)域本體本身作為統(tǒng)計(jì)源，根據(jù)其層次結(jié)構(gòu)來計(jì)算各概念節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)概率值。并約定：

概念root為本體根節(jié)點(diǎn)。最后對(duì)上述公式進(jìn)行代入和約簡(jiǎn)可得，概念Ci及父概念Cip的語義距離為：

概念C1，C2間的語義相似度為：

2.2 功能屬性匹配

產(chǎn)品研發(fā)云制造服務(wù)平臺(tái)的功能屬性包含輸入、輸出、條件和效果。需求P和資源Q的功能屬性綜合匹配度為各屬性匹配度的加權(quán)和（η1、η2、η3、η4為各屬性權(quán)重，如未特別強(qiáng)調(diào)，本文中的所有加權(quán)和的權(quán)重都相等），如式(10)所示。

輸入/輸出屬性引用自領(lǐng)域本體中的概念，如“設(shè)計(jì)參數(shù)”、“設(shè)計(jì)說明書”，同樣采用基于本體概念的相似度的計(jì)算方法（參考式(9)）。而條件/效果屬性中的參數(shù)是約束條件表達(dá)式，不是本體中的概念，無法使用語義相似度來衡量其匹配程度。此類約束語句主要由個(gè)體詞和謂詞組成，如：最高車速為130～150（km/h）中，個(gè)體詞為“最高車速”和“130～150（km/h）”，而“為”是謂詞。在進(jìn)行匹配運(yùn)算之前，首先要對(duì)約束語句進(jìn)行拆解，約束條件可如下表述：

云制造需求（或服務(wù)）P / E屬性約束條件={Object，Predicate，Paremeter}

第一個(gè)個(gè)體詞（Object）和謂詞（Predicate）來自于產(chǎn)品研發(fā)的云制造本體中的類、屬性、實(shí)例等，可以采用基于本體的語義相似度算法來計(jì)算匹配度（參考公式(9)）。第二個(gè)個(gè)體詞（Paremeter）為數(shù)值型約束條件，采用數(shù)值區(qū)間相似度算法。具體計(jì)算方法見公式(11)，式中使用縮寫Pa代替Paremeter。

Pa1為需求的數(shù)值區(qū)間約束，Pa2為服務(wù)資源的數(shù)值區(qū)間約束。當(dāng)且僅當(dāng)Object匹配度超過給定閾值，且Predicate 精準(zhǔn)匹配時(shí)，才對(duì)Paremeter進(jìn)行相似度計(jì)算，三者加權(quán)求和作為整條語句的匹配度。需求P和資源Q 的P/E屬性約束條件相似度可參考式(12)。

表1　設(shè)計(jì)需求A和服務(wù)資源B、C的具體描述

2.3 服務(wù)質(zhì)量匹配

服務(wù)質(zhì)量匹配是云制造服務(wù)資源中的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，參數(shù)包括服務(wù)的時(shí)間、成本、誠信度。這類指標(biāo)主要是數(shù)值參量，計(jì)算參考數(shù)值匹配算法，如式(13)所示。

如，當(dāng)服務(wù)的時(shí)間和成本低于需求所要求的時(shí)間和成本，則匹配度為1，反之為0。同樣的，需求P和資源Q的服務(wù)質(zhì)量的綜合匹配度為各指標(biāo)匹配度的加權(quán)和。

3 實(shí)例驗(yàn)證

結(jié)合汽車零部件產(chǎn)品研發(fā)云制造服務(wù)平臺(tái)，對(duì)以上方法的可行性和有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。下表分別列出了設(shè)計(jì)需求A和服務(wù)資源B、服務(wù)資源C的具體描述。并設(shè)定各層次的匹配閾值分別為0.75，0.7，0.65，權(quán)重分別為0.2，0.6，0.2。

采用本文的匹配方法，對(duì)上述需求和資源進(jìn)行匹配。以A、B為例。

第一階段是基本信息匹配。同義詞統(tǒng)一為無，因此只需要對(duì)名稱進(jìn)行匹配，采用基于本體的概念相似度的匹配方法。如圖4所示為變速器領(lǐng)域的本體片段，（用來運(yùn)算的本體模型一般為4～5層，以待匹配的兩個(gè)概念中的較深層次作為最底層）。圖中本體概念旁邊的分?jǐn)?shù)為實(shí)例屬于該概念的概率，或者是該概念出現(xiàn)的概率，父子概念連線上的數(shù)據(jù)表示權(quán)重或者是兩個(gè)概念間的語義距離（具體算法參考式(8)，其中“傳動(dòng)系”為根節(jié)點(diǎn)，它的出現(xiàn)概率為1，語義信息量為0。以此類推。

由式(9)可得：

第二階段是功能屬性匹配。輸入輸出均來自于本體概念，采用基于本體的概念相似度的匹配方法，結(jié)果為完全匹配，均為1。條件效果匹配首先對(duì)約束語句進(jìn)行分解，得到{Object，Predicate，Paremeter}。其中對(duì)象和謂詞精準(zhǔn)匹配，對(duì)Paremeter采用數(shù)值區(qū)間相似度算法，以此加權(quán)求和獲得整個(gè)約束語句的匹配度。僅以條件1為例，可得：

圖4　變速器領(lǐng)域本體片段

對(duì)所有的功能屬性（輸入、輸出、條件、效果），加權(quán)求和可得：

第三階段，服務(wù)質(zhì)量匹配度為：

最后，加權(quán)求和，A、B綜合匹配度為：

根據(jù)描述信息，結(jié)合各層次的匹配方法，計(jì)算A、C各層次的匹配度。結(jié)果如表2所示，服務(wù)資源B匹配度大于服務(wù)資源C，并得出了具體的匹配度，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

表2　匹配結(jié)果

4 結(jié)論

基于云制造設(shè)計(jì)任務(wù)和資源服務(wù)的匹配需求，提出云制造服務(wù)多層次匹配算法。在分析云制造服務(wù)類型的基礎(chǔ)上，利用本體描述語言對(duì)云制造服務(wù)進(jìn)行語義描述，建立了云制造需求與資源服務(wù)的匹配模型。并將模型的匹配過程分為基本信息匹配、功能屬性匹配和服務(wù)質(zhì)量匹配三個(gè)階段，給出了每一層的具體匹配內(nèi)容和相似度算法。試驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠有效區(qū)分不同云制

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作者簡(jiǎn)介：鬲玲（1988 -），女，陜西延安人，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)橹R(shí)管理和云制造。

基金項(xiàng)目：北京市工程實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新能力建設(shè)項(xiàng)目：面向高端裝備制造業(yè)的云制造技術(shù)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）：汽車及模具產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)計(jì)制造協(xié)同服務(wù)平臺(tái)研發(fā)與應(yīng)用（2013AA040605）

收稿日期：2015-11-02

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)01-0137-05