語義網(wǎng)格環(huán)境下虛擬組織異構產(chǎn)品信息的語義在線重組技術

簡琤峰

浙江工業(yè)大學，杭州，310023

語義網(wǎng)格環(huán)境下虛擬組織異構產(chǎn)品信息的語義在線重組技術

簡琤峰

浙江工業(yè)大學，杭州，310023

為實現(xiàn)虛擬組織異構產(chǎn)品信息的語義級交換，結合語義網(wǎng)／語義網(wǎng)格提出語義在線重組技術方法及體系架構，并在此基礎上對該體系的若干關鍵技術進行總結與分析實現(xiàn)，設計開發(fā)了基于SVG＋AJAX的語義標注可視化系統(tǒng)——LEV系統(tǒng)，以論證虛擬組織異構產(chǎn)品信息語義在線重組的可行性。

虛擬組織；語義交換；產(chǎn)品信息；在線重組

0 引言

從傳統(tǒng)的計算機集成制造、并行工程到虛擬企業(yè)、大規(guī)模定制生產(chǎn)等新一代先進制造技術，產(chǎn)品信息交換與共享一直是需要解決的首要問題。長期以來，信息交換與共享技術側重于數(shù)據(jù)本身的交換和共享的實現(xiàn)，如以基于STEP的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換發(fā)展而來的PDM、EDM，均側重于對不同異構數(shù)據(jù)的交換共享的具體實現(xiàn)技術和方法。這種技術在傳統(tǒng)的集中式環(huán)境下能夠實現(xiàn)統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換與共享，但在基于Internet的分布式環(huán)境下，由于STEP本身描述機制的特點，要實現(xiàn)信息的網(wǎng)上交換與共享，就需要耗費大量的時間和人力來解決網(wǎng)上數(shù)據(jù)接口匹配問題，以及盡可能滿足分布式環(huán)境下的動態(tài)性、臨時性以及實時性要求，這是很難做到的。

事實上，從虛擬企業(yè)模式的提出到對虛擬組織更深入的理解，尤其在近年來我國大力提倡企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新能力的形勢下，圍繞產(chǎn)品的設計、制造，要求以產(chǎn)品創(chuàng)新為核心的分布式企業(yè)之間實現(xiàn)知識級的共享和重用，傳統(tǒng)的產(chǎn)品信息表達方式和處理模式已無法適應現(xiàn)代企業(yè)的需求。產(chǎn)品信息的交換與共享已不再局限于數(shù)據(jù)內(nèi)容、格式的交換與共享，信息共享的層次已由數(shù)據(jù)共享上升為知識共享。隨著網(wǎng)格計算、語義網(wǎng)以及語義網(wǎng)格研究的興起，產(chǎn)品信息交換與共享研究層次也在不斷上升，研究內(nèi)容不斷深入。語義網(wǎng)格的研究為分布式資源運作提供了可行的空間，虛擬組織的架構為產(chǎn)品的創(chuàng)新提供了更廣闊的知識源，而語義網(wǎng)格環(huán)境下虛擬組織的產(chǎn)品信息交換與共享的研究則上升到對信息語義層次的理解、挖掘、推理創(chuàng)新層面，進而為支持產(chǎn)品創(chuàng)新能力的實現(xiàn)提供知識基礎。

近年來國內(nèi)外許多研究機構已經(jīng)在不同范圍和層次中對產(chǎn)品信息交換與共享進行研究［1－3］，其中最典型的國際組織EuroSTEP長期注重于STEP產(chǎn)品數(shù)據(jù)的網(wǎng)上XML轉換表達［4］。但是由于XML本身的局限性，導致STEP轉換后帶來語義信息的損失，即這種轉換是單向不可逆的，遇到這種情況國際標準采用的是原文直譯法以保留不能解析的語義信息。目前EuroSTEP等組織一直致力于該方面的完善和補充。隨著近幾年語義Web、網(wǎng)格計算以及語義網(wǎng)格研究的深入，為實現(xiàn)網(wǎng)絡信息語義層的理解、推理提供了可能［5－6］，因此結合語義網(wǎng)格研究虛擬組織的產(chǎn)品信息具有其獨特的優(yōu)勢。針對產(chǎn)品信息語義描述共享層次的研究，當前較多地側重于產(chǎn)品信息本體研究［7－10］。STEP 采用 EXPRESS描述已經(jīng)經(jīng)過多年的應用論證，而語義Web的OWL還處于發(fā)展試驗中。拋棄當前已經(jīng)推出的STEP的EXPRESS描述或XML表達國際標準，完全采用語義Web的OWL來實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的語義表達還需要更長的時間，因為從語義描述上它沒有EXPRESS功能強大，從語法表達上它沒有現(xiàn)行的STEP XML表達國際標準嚴格，同時OWL本身缺少嚴格的數(shù)據(jù)模型作為理論基礎，它的許多地方還正在完善中。

本文從上述角度出發(fā)，在充分利用已有研究成果基礎上，尋找一條新的解決方法，既能夠滿足分布式環(huán)境下產(chǎn)品信息的知識級交換與共享，又無需類似采用RDF、OWL完全取代EXPRESS對STEP進行重新的語義描述。本文將系統(tǒng)闡述語義在線重組實現(xiàn)的思想方法及其體系架構，并論述其相關關鍵技術。

1 異構產(chǎn)品信息語義在線重組的方法及其架構

針對虛擬組織中各成員間產(chǎn)品信息交換和共享的動態(tài)性、臨時性的特點，圍繞虛擬組織的某個產(chǎn)品信息交換需求，通過產(chǎn)品語義的在線重組來實現(xiàn)產(chǎn)品信息語義交換，這種重組目的并不是為了完全取代原有產(chǎn)品信息描述方式，而是在區(qū)分語法與語義的前提下，在語法層次上對原有信息實現(xiàn)信息轉換，在語義層次上對原有語義內(nèi)容進行解釋、添加補充，或引用新的適應語義網(wǎng)格環(huán)境的語義標識和對語義補充注釋機制。它既保留原有信息的完整性并使雙向性成為可能，同時又具備了面向語義網(wǎng)格環(huán)境的知識交換和共享的功能。通過這種機制能夠根據(jù)虛擬組織的臨時需求對各網(wǎng)格節(jié)點異構產(chǎn)品信息的語義建立動態(tài)關聯(lián)，實現(xiàn)語義的自導航和重定位，從而實現(xiàn)對產(chǎn)品信息知識級的動態(tài)交換與共享。這種對語義的在線重組是動態(tài)的、實時的，也是臨時性的，稱為“虛擬重組”。

Internet為實現(xiàn)產(chǎn)品信息網(wǎng)上交換與共享提供了通用的物理平臺，解決了異地異構平臺兼容的問題，XML提供了數(shù)據(jù)層異構產(chǎn)品網(wǎng)上交換的數(shù)據(jù)格式，而結合語義網(wǎng)／語義網(wǎng)格可以提供語義層的語義交換中介。圖1所示為虛擬組織異構產(chǎn)品信息語義交換的在線重組架構。圖2所示為異構產(chǎn)品信息語義在線重組的過程。它在整體上可分為三個層次，底層為數(shù)據(jù)交換層（簡稱數(shù)據(jù)層），中間層為語義交換層（簡稱語義層），頂層為實現(xiàn)語義在線重組而提供的LEV（linked－entity visualization）語義標注功能層。

圖1 虛擬組織異構產(chǎn)品信息語義在線重組體系

圖2 異構產(chǎn)品信息語義在線重組過程

底層的數(shù)據(jù)交換是建立在XOEM（extensive object exchange model）數(shù)據(jù)模型基礎上并基于XML的異構產(chǎn)品信息網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換的。XML只是在語法上實現(xiàn)了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換表達，并沒有提供充分的語義表達方式。因此，為了實現(xiàn)對產(chǎn)品信息的語義共享和交換，需要在語義層上解決語義的描述。語義交換層是建立在數(shù)據(jù)交換層基礎上實現(xiàn)的，通過由數(shù)據(jù)模型到語義模型的映射來實現(xiàn)。與數(shù)據(jù)交換層不同的是，產(chǎn)品信息的語義在線重組并不是將異構產(chǎn)品信息語義全部進行統(tǒng)一轉換或重新描述，而是通過對原有內(nèi)容的語義部分進行解釋或引入語義標注或引入注釋機制。那么這種語義標注的具體描述方法就是我們需要實現(xiàn)的語義統(tǒng)一描述與識別的研究內(nèi)容［11］。

頂層的LEV語義標注功能層不僅解決了產(chǎn)品信息在數(shù)據(jù)層和在語義層之間的映射，而且更為重要的是解決了產(chǎn)品信息間的語義關聯(lián)和語義導航。語義的動態(tài)關聯(lián)是指分布的異構產(chǎn)品信息之間存在的語義聯(lián)系，這種聯(lián)系是根據(jù)虛擬組織某一階段的需求建立的，同時也是動態(tài)的、臨時的。語義的自導航就是在臨時建立的語義關聯(lián)基礎上，能夠根據(jù)產(chǎn)品信息交換與共享意圖，通過對語義關聯(lián)的理解和推理自動檢索出相應的語義路徑。語義的重定位是指根據(jù)語義自導航能力，按照相應的語義路徑最終定位到實現(xiàn)產(chǎn)品信息交換與共享意圖的語義信息節(jié)點中，完成語義信息的交換共享。語義的動態(tài)關聯(lián)是產(chǎn)品信息在線重組實現(xiàn)的前提，語義的自導航是產(chǎn)品信息在線重組實現(xiàn)的過程，語義的重定位是產(chǎn)品信息在線重組的結果。

由于數(shù)據(jù)層的XML數(shù)據(jù)交換已經(jīng)在前期工作中基本解決，因此主要涉及的關鍵技術存在于語義交換層和LEV語義標注功能層。

2 關鍵技術

2.1 面向產(chǎn)品信息語義描述的語義模型

建立語義網(wǎng)格環(huán)境下面向產(chǎn)品信息語義描述的語義模型是語義在線重組研究的理論基礎。目前面向多樣化異構產(chǎn)品信息網(wǎng)上表達的數(shù)據(jù)模型均側重于數(shù)據(jù)表達的嚴格完整性，即滿足語法層次的要求，但缺乏語義信息。而語義網(wǎng)格環(huán)境的語義模型側重于語義關系的理解和推理，但是語義描述的方式在語法層次上不能滿足產(chǎn)品信息表達的嚴格完整性要求。

近年來，在有關產(chǎn)品信息語義描述的研究中，大多數(shù)是通過采用本體語言來描述產(chǎn)品信息的。最普遍的是采用OWL語言來重新定義產(chǎn)品語義本體，然后利用OWL語言的特點實現(xiàn)產(chǎn)品語義的描述和推導。國外有代表性的是wikiSTEP組織［12］，該組織主要針對產(chǎn)品信息STEP國際標準，完全采用語義Web的OWL來實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的語義表達。在當前基于本體和語義網(wǎng)的研究過程中，產(chǎn)品信息本體的定義存在較大的隨意性和不確定性。目前國內(nèi)的大多數(shù)研究中，對本體的定義本身就涉及本體的一致表達規(guī)范性問題，從而產(chǎn)生了對本體庫的管理、搜索、定位、接口、服務等一系列有待解決的問題，而產(chǎn)品數(shù)據(jù)STEP協(xié)議就不存在類似的問題。事實上STEP協(xié)議中的EXPRESS描述本身就是不夠嚴格規(guī)范的弱本體定義。OWL語言只是一種本體描述語言工具，不能提供本體的設計方法和原則，如果不能有嚴格規(guī)范的約束和定義，單靠OWL語言是無法解決上述問題的。因此研究面向產(chǎn)品信息統(tǒng)一描述的語義模型具有非?，F(xiàn)實的意義。

直接將XOEM模型和OWL匹配是比較困難的。因為OWL是屬于本體論的范疇，側重于推理，其約束表達能力極強；而XOEM模型側重于數(shù)據(jù)的描述，且描述能力強，而約束表達能力極弱。可以通過添加OWL標簽來彌補XOEM模型的缺陷。對于模型的不一致，我們需要通過中間的過渡橋梁來解決?？紤]到XOEM模型可用有向圖表示，因此我們可以建立類似RDF簡單數(shù)據(jù)模型的模式有向圖，將XOEM模型有向圖轉換成該模式有向圖，同時將OWL模式轉換到該模式有向圖中，從而實現(xiàn)了XOEM和OWL有機結合即所謂的XOEM＋OWL，圖3顯示了其結構關系。表1和表2分別給出了二者相對應的XOEM＋OWL模式圖表達關系。

圖3 XOEM＋OWL的結構關系

表1 XOEM→XOEM＋OWL模式圖

表2 OWL→XOEM＋OWL模式圖

我們在原有研究成果中提出的數(shù)據(jù)模型——基于帶根連通有向圖的數(shù)據(jù)模型即可擴展對象交換模型XOEM［13］的基礎上，引入OWL語義標注，提出了基于XOEM＋OWL的統(tǒng)一的產(chǎn)品知識表達語義模型［14］，研究了XOEM＋OWL模型的模式圖表達定義。數(shù)據(jù)層遵循原有的數(shù)據(jù)模型XOEM實現(xiàn)STEP數(shù)據(jù)轉換，語義層通過OWL語義標注引入STEP語義，數(shù)據(jù)層與語義層之間通過XOEM＋OWL模型內(nèi)的映射匹配約束建立關聯(lián)。根據(jù)XOEM＋OWL，針對數(shù)據(jù)層的STEP數(shù)據(jù)模式圖和語義層的OWL模式圖，分別給出了相應的匹配表達方法。最后研究二者之間的映射匹配約束關系的表達，給出了匹配系數(shù)的表達式。由此實現(xiàn)了對任何產(chǎn)品信息的數(shù)據(jù)表達和語義描述均規(guī)范于統(tǒng)一的XOEM＋OWL模型內(nèi)，根據(jù)該模型我們可以得到統(tǒng)一的基元，利用對基元的控制操作來實現(xiàn)對產(chǎn)品信息語義的在線重組。

2.2 基于XOEM＋OWL的異構產(chǎn)品信息語義描述

由于產(chǎn)品信息的XML表達的語義局限性，使得許多研究者先后采用RDF、OWL等來描述STEP產(chǎn)品信息，他們的思路類似于STEP采用XML數(shù)據(jù)表達，均是嘗試用RDF或OWL來取代EXPRESS進行描述。這種方法的局限性在于：不同于數(shù)據(jù)格式的轉換，OWL的語義描述方法多種，對同一種產(chǎn)品信息，可以采用多種不同的OWL方式來描述其內(nèi)部語義，即使是同一種OWL語言描述也難以規(guī)范對語義理解的一致性。因此企圖只通過OWL的描述來實現(xiàn)對產(chǎn)品信息的統(tǒng)一語義描述是困難的，這也是目前這些研究難以再進一步深入的原因。事實上將產(chǎn)品信息的數(shù)據(jù)表達和語義描述有機結合在一起研究能夠有效解決這個問題。

從上述思路出發(fā)，在研究已取得的面向產(chǎn)品信息統(tǒng)一描述的語義模型的研究成果基礎上，我們提出了基于XOEM＋OWL的異構產(chǎn)品信息統(tǒng)一描述方法與實現(xiàn)技術，研究了數(shù)據(jù)層和語義層實現(xiàn)的統(tǒng)一關聯(lián)方法。數(shù)據(jù)層遵循原有的數(shù)據(jù)模型XOEM實現(xiàn)STEP數(shù)據(jù)轉換，語義層通過OWL語義標注引入STEP語義，數(shù)據(jù)層與語義層之間通過XOEM＋OWL模型內(nèi)的映射匹配約束建立關聯(lián)。對于二者關聯(lián)的媒介，我們設計了語義基元，因此我們研究的產(chǎn)品信息語義描述所組成的單元就是語義基元，它建立在XOEM＋OWL的基礎上，實現(xiàn)了STEP模式與OWL模式的關聯(lián)映射。表3所示為語義基元內(nèi)部二者映射關系表達式。

表3 語義基元內(nèi)部映射關系表達式

Cos（sc，oc）是由兩個不同層次的衡量系數(shù)計算組成的：元素級匹配（ElementMatch）和語義級匹配（OWLMatch）。元素級匹配側重于XOEM＋OWL模型基元的數(shù)據(jù)級層次相似度，而語義級匹配側重于基元的語義級層次相似度。Cos（sc，oc）的計算公式如下：

式中，wsc和woc分別為元素級匹配和語義級匹配相對應的權重系數(shù)；ElementMatch和OWLMatch分別為元素級匹配和語義級匹配的值。

在具體實現(xiàn)過程中，我們針對STEP Part21數(shù)據(jù)文件進行研究并設計了相應的基元。產(chǎn)品數(shù)據(jù)的表達依然是遵循XOEM模型并采用規(guī)范統(tǒng)一的XML數(shù)據(jù)來描述的［15］。我們通過對STEP Part21的實例進行設計來構造語義基元，語義基元間通過ID進行聯(lián)系，從而不會影響到現(xiàn)有的STEP XML數(shù)據(jù)表達。但與現(xiàn)有的STEP XML數(shù)據(jù)表達區(qū)別的是，對實例ID的處理是通過引入語義標注來關聯(lián)相應的OWL語義描述信息［16］。對于語義描述，可通過自我解釋和語義標注兩種途徑生成相應的OWL語義描述信息。對于XML數(shù)據(jù)層和OWL語義層的關聯(lián)，在自我解釋途徑中，依靠當前已有的研究成果，按照STEP協(xié)議進行OWL描述，此時會產(chǎn)生相應的OWL語義描述信息。此外，語義標注途徑給用戶提供了對語義關聯(lián)的對象及其語義內(nèi)容進行動態(tài)增加、修改、刪除的功能。產(chǎn)品信息的語義統(tǒng)一描述不僅是只針對類似STEP Part21文件級的產(chǎn)品信息，而且可以處理任何級別的跨平臺異構產(chǎn)品信息。因此，單純靠自我解釋途徑是不夠的，語義標注是一種有效的補充方法。

2.3 異構產(chǎn)品信息在線語義標注

產(chǎn)品信息的網(wǎng)上動態(tài)關聯(lián)是實現(xiàn)產(chǎn)品信息網(wǎng)上共享的重要手段。通過這種動態(tài)關聯(lián)為多樣化異構產(chǎn)品信息之間的溝通建立了新的聯(lián)系橋梁，并且能夠根據(jù)需要進行動態(tài)的調整改變。

要實現(xiàn)異構產(chǎn)品信息的在線語義標注，關鍵在于如何將異構產(chǎn)品信息語義關聯(lián)信息可視化［17］。由于基于XOEM＋OWL的異構產(chǎn)品信息統(tǒng)一描述是通過我們設計的語義基元實現(xiàn)的，因此我們以語義基元為基本對象，重點研究了語義基元之間語義關聯(lián)信息的可視化。可以將語義基元間的語義關聯(lián)轉換成實體鏈接關系（linked entity），表4列出了二者的匹配關系。

表4 LEV語義關聯(lián)匹配關系

2.4 語義描述實例

以圓的描述為例，圖4為其STEP XML Schema初始的數(shù)據(jù)描述實例。根據(jù)表1可得到STEP的XML模式圖（圖5），采用OWL進行語義描述時，根據(jù)表2可得到相應的OWL模式圖（圖6），遵循XOEM＋OWL模型，可以看出兩種模式的有向圖基本趨于一致，也基本實現(xiàn)了數(shù)據(jù)層和語義層的有效匹配。在此基礎上，根據(jù)表4，得到其相應的LEV數(shù)據(jù)描述，LEV系統(tǒng)通過分析LEV數(shù)據(jù)描述來展示相應的可視化結果。

圖4 STEP XMLSchema描述

圖5 基于XOEM＋OWL的STEP XML模式圖

圖6 基于XOEM＋OWL的STEP OWL模式圖

3 基于SVG＋AJAX的語義標注可視化系統(tǒng)——LEV設計與實現(xiàn)

根據(jù)上述方法，我們設計與實現(xiàn)了異構產(chǎn)品信息語義關系可視化系統(tǒng)——LEV［18］。該系統(tǒng)完全基于瀏覽器的跨平臺功能，采用SVG實現(xiàn)二維矢量圖形的顯示，采用AJAX實現(xiàn)異步數(shù)據(jù)的傳輸與保存，支持多用戶并行操作。系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了可視化功能，同時提供多用戶在線并行修改創(chuàng)建語義關聯(lián)的功能，語義基元的在線重組可以通過該系統(tǒng)進行擴充。

系統(tǒng)特色主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）語義設計功能。該系統(tǒng)不僅提供了語義關系可視化功能，同時提供了語義在線標注功能，通過對Entity的編輯修改實現(xiàn)對語義基元屬性的構建，通過對Link的編輯修改實現(xiàn)對語義基元間的語義關聯(lián)。此外，該系統(tǒng)的一大特色在于語義匹配、擴展和檢索功能強大。

（2）系統(tǒng)操作功能。對系統(tǒng)圖形對象的操作，不僅可以控制某個圖形對象，而且可以控制與該圖形對象所有語義關聯(lián)的圖形對象進行同步操作。這種功能便于我們觀察所有相關語義的Entity對象間的關系。

（3）支持異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟⑿泄δ?。系統(tǒng)支持多用戶并行地對系統(tǒng)圖形對象進行操作，同時支持基于AJAX的異步數(shù)據(jù)傳遞，有效解決了并行操作的數(shù)據(jù)不一致問題。

4 結束語

針對虛擬組織分布式企業(yè)環(huán)境下當前產(chǎn)品信息網(wǎng)上交換與共享研究所存在的問題，提出了結合語義網(wǎng)／語義網(wǎng)格異構產(chǎn)品信息語義在線重組的方法。該方法在滿足了產(chǎn)品信息語義交換和共享前提下，能夠根據(jù)虛擬組織的特點實現(xiàn)動態(tài)的、臨時的、實時的語義交換與共享。因此本研究具有一定的新穎性和先進性，具有較強的現(xiàn)實指導意義。需要說明的是，研究并未深入處理針對三維產(chǎn)品幾何數(shù)據(jù)隱含語義的挖掘和關聯(lián)。當前大多數(shù)系統(tǒng)對于三維幾何造型的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，其語義關系是由系統(tǒng)本身額外附加語義約束完成的，在實現(xiàn)異構系統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換過程中，產(chǎn)品語義約束信息由于系統(tǒng)的不一致導致附加語義約束信息理解不一致，從而造成附加語義信息在數(shù)據(jù)交換過程中損失，這是后續(xù)研究需要解決的問題。

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Heterogeneous Product Information Semantic Online Reconstruction under the Virtual Organization Semantic Grid Environment

Jian Chengfeng
Zhejiang University of Technology，Hangzhou，310023

In order to realize semantic exchange among the heterogeneous product information of a virtual organization，on－line semantic reorganization method was put forward with the semantic web and semantic grid.On the basis of the methodology and the system architecture，its key technologies were studied and implemented.SVG plus AJAX－based semantic annotation visualization system－LEV was designed and developed，which proves feasibility of heterogeneous product information online semantic reorganization in the virtual organization.

virtual organization；semantic exchange；product information；on－line reconstruction

TP393

1004—132X（2011）01—0054—06

2010—04—06

國家自然科學基金資助項目（60603087）；浙江省科技廳資助項目（2009C320076）

（編輯 郭 偉）

簡琤峰，男，1973年生。浙江工業(yè)大學計算機學院副教授、博士。主要研究方向為CAD／PDM、Web智能技術。