基于本體的制造資源建模方法研究

羅俊麗

摘 要：分析現(xiàn)有制造資源模型的不足，提出一種制造資源本體建模方法。根據(jù)屬性和應(yīng)用的不同將制造資源分為8類，介紹本體和OWL的概念。以雙列深溝球軸承為例，使用OWL建立本體模型。資源模型本體模型能很好地描述制造資源概念的語義關(guān)系，并且為企業(yè)資源共享奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：制造資源； 模型； 概念； 本體； 網(wǎng)絡(luò)本體語言

DOIDOI：10.11907/rjdk.162017

中圖分類號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ：1672-7800（2016）008-0004-02

0 引言

當(dāng)今信息化浪潮中，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的信息技術(shù)在制造行業(yè)應(yīng)用廣泛。制造技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)不斷融合，制造模式呈現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化和協(xié)作化趨勢(shì)。制造業(yè)全球化使得制造企業(yè)更迫切希望加強(qiáng)合作，共享制造資源。不同企業(yè)采用的制造資源描述方法不完全相同，使得制造資源數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出分布性、異構(gòu)性、多樣性、復(fù)雜性等。在企業(yè)之間共享資源的需求下，傳統(tǒng)的制造資源模型已經(jīng)不能滿足如此復(fù)雜多樣的數(shù)據(jù)形式，需要建立一個(gè)統(tǒng)一的制造資源模型。本體具有很強(qiáng)的表達(dá)能力，能有效描述制造資源的概念以及概念間的關(guān)系，使用本體來描述統(tǒng)一制造資源可以幫助達(dá)到制造資源共享。本文主要研究制造資源本體建模方法。

1 制造資源分類

制造資源可以分為狹義制造資源和廣義制造資源，狹義制造資源主要指加工一個(gè)零件所需要的物質(zhì)元素，是面向制造系統(tǒng)底層的制造資源；廣義制造資源是指完成產(chǎn)品整個(gè)生命周期的所有生產(chǎn)活動(dòng)的物理信息及技術(shù)要素物的總和，包括設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)等相關(guān)活動(dòng)過程中涉及的所有軟硬件元素[1]。制造資源的分類是構(gòu)建模型的基礎(chǔ)，須按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和形式進(jìn)行描述，將有共同屬性的資源劃分為同一類別。傳統(tǒng)制造業(yè)將制造資源簡(jiǎn)單分為人力資源和生成設(shè)備兩類，在當(dāng)今科技日新月異快速發(fā)展的時(shí)代，人們對(duì)制造資源的認(rèn)識(shí)和理解要復(fù)雜和深刻得多。本文按照制造資源的屬性和應(yīng)用方式，將制造資源分為8類[2]（見圖1），具體如下：①設(shè)備資源：產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)中各種制造、加工和運(yùn)輸設(shè)備；②人力資源：生產(chǎn)活動(dòng)中各類人員，如管理人員、操作工人和設(shè)計(jì)人員等；③軟件資源：企業(yè)管理和產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中各類軟件，如辦公軟件、PRO/E等；④服務(wù)資源：產(chǎn)品生命周期里各種相關(guān)服務(wù)，如物流服務(wù)、培訓(xùn)服務(wù)等；⑤知識(shí)資源：產(chǎn)品生命周期中涉及到的各種研究機(jī)構(gòu)、專利和市場(chǎng)信息等；⑥計(jì)算資源：生產(chǎn)活動(dòng)中使用的計(jì)算機(jī)等相關(guān)硬件資源；⑦物料資源：產(chǎn)品生命周期使用到的原材料、能源等等；⑧除上述類別外的其它資源。

2 制造資源建模方法

有研究使用狀態(tài)圖來描述制造資源，該方法描述能力有限，沒有被推廣使用。面向?qū)ο蟮慕７椒ㄊ褂幂^多，該方法將客觀世界中的事物抽象為對(duì)象，使用對(duì)象的屬性來描述對(duì)象，屬性的取值范圍定義作為值域，用類的操作描述對(duì)象的功能[3]。基于本體的建模方法和面向?qū)ο蟮姆椒ㄓ幸欢ㄏ嗨浦帲倔w更便于描述某領(lǐng)域中的概念和概念之間的關(guān)系，并且能夠處理制造資源中具有邏輯關(guān)系的概念，所以本文采用基于本體的建模方法。

3 本體建模

3.1 本體的定義

本體（ontology）指事物本身，原來是哲學(xué)上的概念。目前被廣泛認(rèn)同的定義是“本體是共享概念模型的明確的形式化說明” [1]。包括以下幾層含義：①共享：本體不是面向整體，其是共同認(rèn)可的概念，是公認(rèn)的知識(shí)的集合；②明確：本體中明確定義了使用的概念和概念的約束；③概念化：本體中的概念模型是客觀世界抽象出來的，其與具體環(huán)境沒有關(guān)系；④形式化：本體是計(jì)算機(jī)方便處理的。

本體可以定義為一個(gè)五元組O=（C，R，P，A，I），其中O代表本體，C（Concept或Class）表示概念或類別，R（Relations）表示關(guān)系，P（Property）表示屬性，A（Axiom）表示公理，I（Instances）表示實(shí)例[2]。

3.2 本體描述語言O(shè)WL

網(wǎng)絡(luò)本體語言（Web Ontology Language，OWL）是由W3C提出的一種本體描述語言，OWL基于XML/RDF等標(biāo)準(zhǔn)，并且與其它多種本體兼容，具有很強(qiáng)的語義表達(dá)和推理能力。另外，OWL可以利用流行的本體描述工具protégé來描述制造資源本體，使用非常方便。OWL定義了3種表達(dá)能力不同的子語言：OWL Full、OWL DL和OWL Lite，其中OWL Full的表達(dá)和推理能力最強(qiáng)，OWL DL適中，OWL Lite最弱。OWL DL中的DL指的是描述邏輯（Description Logic），其知識(shí)庫是基于知識(shí)表示的一階謂詞邏輯的可判定子集。而DL與OWL之間有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，如DL中用于描述概念關(guān)系的公理集Tbox和描述個(gè)體實(shí)例的斷言公理集Abox分別對(duì)應(yīng)著OWL中的公理和事實(shí)，DL中的概念和角色分別對(duì)應(yīng)OWL中的類和屬性[3]。OWL DL已經(jīng)能夠完成制造資源本體需要的語義表達(dá)和推理服務(wù)，因此OWL DL已經(jīng)成為制造資源表達(dá)的首選語言。不作特殊說明情況下，以下提到的OWL語言均是指OWL DL語言。

3.3 本體建模步驟

本體建立主要包括以下幾個(gè)步驟：①明確資源本體要覆蓋領(lǐng)域的范圍；②收集資源本體領(lǐng)域范圍內(nèi)的知識(shí)（定義、術(shù)語、屬性及關(guān)系），并對(duì)制造資源概念劃分類別與層次，形成資源本體框架，使用本體建模語言對(duì)本體形式化描述[1]；③初步評(píng)價(jià)構(gòu)建本體模型的一致性、完備性和清晰性；④檢驗(yàn)和完善本體模型[4]。

4 OWL實(shí)例描述

4.1 機(jī)械零件分類

本文以機(jī)械零件資源為例構(gòu)建一個(gè)基于OWL的資源本體，如圖2所示。第一層次：按照機(jī)械零件的功能、用途分為模具行業(yè)零件、能源機(jī)械零件和機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件等；第二層次：按照機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件的屬性和功能分為傳動(dòng)件、緊固件、軸承和法蘭等；第三層次：將軸承功能及工作原理分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承；第四層次：將滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)特性分為推力球軸承、深溝球軸承和向心軸承等。如此劃分層次清晰，結(jié)構(gòu)完整，便于下一步概念本體模型的構(gòu)建。

4.2 制造資源概念本體模型構(gòu)建

制造資源屬性是描述其概念本體的重要信息，根據(jù)資源的屬性特征抽象出描述制造資源的概念信息。圖3是雙列深溝滾動(dòng)軸承的屬性信息圖，可將其屬性進(jìn)行分類，以更清晰描述概念。圖4描述了雙列深溝滾動(dòng)軸承的屬性和部分概念間的關(guān)系。

4.3 基于OWL的表示實(shí)例

以“雙列深溝球軸承”為例，基于OWL描述制造資源的方法。

（1）定義雙列深溝球軸承類

上面代碼用subClassOf表示繼承關(guān)系[5]，這里描述“雙列滾動(dòng)軸承”是“深溝球軸承”的子類，二者有繼承關(guān)系，圖形上看是一種層次結(jié)構(gòu)。

（2）定義數(shù)據(jù)屬性。

以上代碼用DtatypeProperty表示了“生產(chǎn)廠商”是“雙列深溝球軸承”的一個(gè)屬性，其數(shù)據(jù)類型為string。

5 結(jié)語

本文按照制造資源的屬性和應(yīng)用方式，將制造資源分為8類，簡(jiǎn)要分析了制造資源的幾種建模方式，指出基于本體的建模方式的優(yōu)勢(shì)。介紹了網(wǎng)絡(luò)本體語言O(shè)WL，并以機(jī)械零件中的雙列深溝球軸承為例，使用OWL構(gòu)建本體模型。建立的本體模型能有效描述制造資源，為優(yōu)化企業(yè)內(nèi)部資源結(jié)構(gòu)以及企業(yè)間共享制造資源奠定了良好的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：陳福時(shí)）