面向語義的制造服務(wù)構(gòu)建技術(shù)

吳晶晶，孔慶華，徐克林

（同濟大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海201804）

目前網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造方式的研究大多是建立面向網(wǎng)絡(luò)化制造的資源模型及其應(yīng)用平臺[1－2]，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和尋找制造所需的資源.但除了制造資源，在選擇協(xié)作伙伴時，還應(yīng)考慮其完成任務(wù)時間、完成質(zhì)量等綜合制造能力.以上多方因素的全面組合表達是有待研究的問題.

制造資源及制造能力的信息化建模是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的集成、共享的基礎(chǔ)，制造服務(wù)是有效的實現(xiàn)途徑 之 一[3].面 向 服 務(wù) 架 構(gòu)（service－oriented architecture，SOA）及Web服務(wù)的一系列技術(shù)標準提供了一個與實現(xiàn)平臺、實現(xiàn)語言無關(guān)的松耦合集成支撐環(huán)境[4－5]，可實現(xiàn)服務(wù)的描述、服務(wù)發(fā)布和訪問.Web服務(wù)是實現(xiàn)制造資源及制造能力封裝和共享的重要使能技術(shù).文獻[6]利用 Web服務(wù)技術(shù)對制造資源進行封裝，研究了制造資源的共享和集成等關(guān)鍵技術(shù).文獻[7]提出了基于制造資源封裝的工作中心服務(wù)化技術(shù)、基于知識集成的制造執(zhí)行鏈構(gòu)建方法.上述研究面對的共同問題是：在制造資源的表達中如何融入制造服務(wù)的功能屬性、服務(wù)質(zhì)量屬性；如何完整全面地表達制造服務(wù)；如何解決由于Web service在功能和語義方面的表達不足所導(dǎo)致的制造服務(wù)的匹配與合成中服務(wù)的查全率、查準率低的問題.

制造服務(wù)的建模是制造服務(wù)發(fā)布、匹配和選擇以及基于制造服務(wù)的協(xié)同制造優(yōu)化運行的基礎(chǔ).本文結(jié)合面向服務(wù)架構(gòu)和Web服務(wù)思想將綜合制造能力以制造服務(wù)的形式提供，具體從制造服務(wù)的基本信息、服務(wù)類別、功能、資源構(gòu)成、關(guān)聯(lián)制造任務(wù)、訪問、狀態(tài)和服務(wù)質(zhì)量對制造服務(wù)進行了形式化定義，并采用擴展的 Web服務(wù)本體描述語言（Web ontology language for service，OWL－S）對制造服務(wù)模型進行了描述實現(xiàn).在此基礎(chǔ)上，建立了基于語義面向服務(wù)的協(xié)同制造平臺框架.

1 制造服務(wù)的形式化定義

在Web服務(wù)環(huán)境下協(xié)同制造，企業(yè)將自身提供的制造資源和制造能力以制造服務(wù)的方式展現(xiàn)，與協(xié)作伙伴圍繞特定的市場需求建立動態(tài)聯(lián)盟，并通過標準的協(xié)議和技術(shù)進行業(yè)務(wù)過程的協(xié)同.制造服務(wù)（manufacturing service，MS）是在面向服務(wù)架構(gòu)的協(xié)同制造環(huán)境中利用網(wǎng)絡(luò)和IT技術(shù)將制造資源、制造過程涉及的操作和制造能力進行封裝并提供接口以供調(diào)用，是具有一定粒度的制造功能實體.

協(xié)同制造過程中的系統(tǒng)集成情況復(fù)雜，主要表現(xiàn)在：集成內(nèi)容的多樣性，既包含簡單的數(shù)據(jù)和信息集成，也包含企業(yè)內(nèi)部及企業(yè)之間的應(yīng)用集成和過程集成；集成對象的多樣性，既包含企業(yè)內(nèi)部異構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)、制造過程相關(guān)的設(shè)備資源，也包含協(xié)作企業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)以及企業(yè)之間的公共支撐平臺.

為了更好地實現(xiàn)對上述制造資源的組織，支持制造任務(wù)的協(xié)調(diào)運行，需要采用制造服務(wù)這種規(guī)范化的方式對制造資源進行封裝，即以制造服務(wù)的方式對制造資源進行建模和設(shè)置，屏蔽制造資源的構(gòu)成細節(jié)，并通過標準的接口描述制造資源所能提供的能力.下面給出制造服務(wù)MS的形式化定義.

定義1 制造服務(wù) MS：：＝（BasicInformation，Catagory，F(xiàn)unction，Resoure，Manufacturing Task，Access，Status，QoS，Other Attribute）。其 中：Information為制造服務(wù)的基本信息；Category為制造服務(wù)的類別；Function為制造服務(wù)的功能；Resource為制造服務(wù)的資源；Manufacturing Task為制造服務(wù)須完成的制造任務(wù)；Access為制造服務(wù)的訪問；Status為制造服務(wù)業(yè)務(wù)狀態(tài)；QoS為制造服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量；Other Attribute為其他擴展參數(shù).從服務(wù)化的制造資源的形式化定義中可以看出，制造服務(wù)MS由多元組構(gòu)成，每個組成部分從不同的角度對制造服務(wù)的特性進行描述.制造服務(wù)構(gòu)成如圖1所示.

圖1 制造服務(wù)構(gòu)成Fig.1 Construction of manufacturing service

定義2 制造服務(wù)基本信息MS Basic Information＝（ID，Name，Description，Provider，Location，Tel，Url，Other Information）.其中：ID是制造服務(wù)的編號；Name是制造服務(wù)的名稱；Description是制造服務(wù)的簡要描述；Provider是制造服務(wù)的提供者；Location是制造服務(wù)的位置；當服務(wù)的提供者為企業(yè)時，Tel是提供服務(wù)企業(yè)的聯(lián)系方式；Url是服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)地址；Other Information是其他需要說明的信息.這些服務(wù)基本屬性的描述可以支持集成過程中基于關(guān)鍵字和字符串的匹配.例如，＊型號劍桿織機制造服務(wù)可描述為（“UDDI2036－0021”，“劍桿織機生產(chǎn)制造服務(wù)”，“提供劍桿織機整機及零部件生產(chǎn)制造”，“中國紡織機械股份有限公司”，“上海楊浦區(qū)＊＊＊路”，“021－＊＊＊＊＊＊＊＊”，“http：∥www.＊＊＊＊＊＊.com”，｛｝）.

定義3 制造服務(wù)類別 MS Category＝（Data，Information，Application，Business Flow，Device Logic，Material Logic，Other Category）.其中：Data是數(shù)據(jù)類型的制造服務(wù)；Information是信息類型的制造服務(wù)；Application是應(yīng)用系統(tǒng)類型制造服務(wù)；Device Logic是設(shè)備資源抽象后所能提供的制造服務(wù)；Material Logic是物料資源抽象后所能提供的制造服務(wù).根據(jù)服務(wù)提供者的不同把制造服務(wù)分成數(shù)據(jù)、信息、功能和流程等類型.

定義4 制造服務(wù)功能 MS Function＝（FC，I，O，P，E，Other ExtendF）.上式是對制造服務(wù)能夠提供的功能進行語義描述，它由功能分類FC、輸入I、輸出O、前提條件P和預(yù)期結(jié)果E這5個子元素構(gòu)成.其中，F(xiàn)代表制造服務(wù)的制造功能，可以是一或多個制造功能的集合，即F＝｛f1，f2，……，fn｝.FC為制造服務(wù)功能的分類，通過對不同類型制造服務(wù)能力的不同參數(shù)描述，可以使制造服務(wù)請求和制造服務(wù)匹配更具有目標性.I為制造服務(wù)功能的輸入，O為制造服務(wù)功能的輸出，P為制造服務(wù)功能執(zhí)行的前提條件，E為制造服務(wù)功能執(zhí)行的預(yù)期結(jié)果.每個制造服務(wù)功能的輸入、輸出、執(zhí)行的前提條件、執(zhí)行的預(yù)期結(jié)果都可以包含一到多個元素.制造服務(wù)功能包含的5個子元素采用本體概念表示，是制造服務(wù)請求和制造服務(wù)進行語義匹配的基礎(chǔ).制造服務(wù)請求和制造服務(wù)主要通過制造功能進行匹配.因此，制造服務(wù)功能的描述影響匹配的準確性.

例如，（｛“＊型號劍桿織機設(shè)計”，“客戶需求”，“設(shè)計文檔”，“設(shè)計工具、設(shè)計人員”，“設(shè)計模型、EBOM（electric bill of material）”，（）｝……｛“＊型號劍桿織機零部件生產(chǎn)加工”，“原材料”，“＊型號劍桿織機零部件”，“生產(chǎn)加工工具、生產(chǎn)加工人員”，“＊型號劍桿織機零部件合格品”，（）｝，｛“＊型號劍桿織機總裝”，“＊型號劍桿織機零部件”，“＊型號劍桿織機成品”，“裝配工具、裝配人員”，“＊型號劍桿織機合格品”，（）｝）描述了＊型號劍桿織機頂級制造服務(wù)功能，包括了設(shè)計服務(wù)功能、生產(chǎn)加工服務(wù)功能、總成裝配等制造服務(wù)子功能.

根據(jù)文獻[8]給出的不同類型制造能力描述信息，生產(chǎn)加工服務(wù)功能又可按照生產(chǎn)加工類型進一步細分為產(chǎn)品型制造服務(wù)功能、零件型制造服務(wù)功能和工序型制造服務(wù)功能.結(jié)合本文應(yīng)用企業(yè)的生產(chǎn)情況，得到產(chǎn)品型、零件型和工序型制造服務(wù)功能分別如圖2所示.

定義5 制造服務(wù)資源MS Resource＝（Category，Basic Information，Used Information，Using Information，Other Extend Attitude）.其中Category表示制造資源所屬類別；Basic Information是制造資源的基本屬性集，包括資源編號、資源名稱、資源功能描述、資源技術(shù)參數(shù)集等，如設(shè)備資源包括設(shè)備編號、設(shè)備名稱、型號、工作行程、工作臺尺寸等信息；Used Information描述了制造資源的歷史使用檔案；Using Information是制造資源描述了在執(zhí)行制造服務(wù)過程中實時變化的信息，包括資源狀態(tài)信息和當前任務(wù)進展信息.Basic Information和Used Information均采用制造資源本體庫的知識進行描述.制造服務(wù)的資源構(gòu)成描述了制造服務(wù)所擁有的制造資源，主要有設(shè)備、工具、人員、知識等有形和無形資源.例如，＊型號劍桿織機主傳動軸的數(shù)控車削工序服務(wù)執(zhí)行中使用的數(shù)控車床的可形式化表達為（｛“40S”，“數(shù)控車床”，“根據(jù)數(shù)控程序進行車削”，“尺寸精度：5級”｝，｛“設(shè)備故障率”，“維修時間”，“維修記錄”｝，｛“設(shè)備狀態(tài)：正?！?，“任務(wù)完成率：30%”，“任務(wù)進度：正常”｝）.

定義6 制造服務(wù)關(guān)聯(lián)任務(wù) MS Manufacturing Task＝（ID，Name，P Start Time，P End Time，F(xiàn) Start Time，F(xiàn) End Time，Comment，Other Extend Attitude）.每個制造服務(wù)都是為了完成某一制造任務(wù)或子任務(wù)而建立的.上式描述了制造服務(wù)所需完成的制造任務(wù)隊列，包括任務(wù)編號、任務(wù)名稱、任務(wù)執(zhí)行情況和任務(wù)評價等信息.主傳動軸的數(shù)控車削制造服務(wù)所對應(yīng)的任務(wù)可形式化定義為（“任務(wù)編號：T20100102031”，“任務(wù)名稱：主傳動軸的數(shù)控車削”，“計劃開始時間：20100103”，“計劃完工時間：20100103”，“實際開始時間：20100103”，“實際完工時間：20100104”，“是否完工：是”，“評價：拖期”）.

定義7 制造服務(wù)訪問 MS Access＝（Access Protocols，Interface Format，Transfer Protocols，Service Address，Other Extend）.其 中：Access Protocols為服務(wù)訪問協(xié)議；Interface Format為服務(wù)接口描述；Transfer Protocols為服務(wù)傳輸協(xié)議；Url為服務(wù)的網(wǎng)址.制造服務(wù)訪問MS Access對制造服務(wù)的訪問方式進行了規(guī)定和描述.例如，＊型號劍桿織機生產(chǎn)制造服務(wù)訪問的形式化定義為（“SOAP”，“WSDL”，“HTTP”， “http： ∥172.16.42.100：8080／portal／index ＿default.jsp？Language＝Chinese”，｛｝）.

定義8 制造服務(wù)狀態(tài) MS Status＝（MS ID，MS Running Status，MS Execution Status，Load Status，Other Extend）.

制造服務(wù)狀態(tài)信息給出了服務(wù)運行狀態(tài)及該服務(wù)相關(guān)聯(lián)制造負荷的變化情況.式中：MS ID為制造服務(wù)的編號；MS Running Status為制造服務(wù)當前的運行狀態(tài)；MS Execution Status為制造服務(wù)的執(zhí)行情況；Load Status為制造負荷狀態(tài)，即制造服務(wù)對應(yīng)的物理實體在某一時間段內(nèi)的承載能力.例如，＊型號劍桿織機主傳動軸的數(shù)控車削工序服務(wù)狀態(tài)為（“UDDI 2036－0021”，“正?！?，“完工率：40%”，“滿負荷”）.

定義9 制造服務(wù)質(zhì)量 MS QoS＝（Quality，Time，Cost，Capability，Other Extend Attitude）.其中：MS QoS是制造服務(wù)的質(zhì)量評價信息，是服務(wù)請求者在調(diào)用和執(zhí)行該服務(wù)后給出的評價，評價的結(jié)果供服務(wù)匹配時從候選服務(wù)集中選擇最優(yōu)服務(wù)作參考；Quality是所提供服務(wù)的質(zhì)量；Time是制造服務(wù)對需求的響應(yīng)時間；Cost是服務(wù)成本；Capability是制造服務(wù)性能.以上每個屬性都用本體進行描述.例如，主傳動軸生產(chǎn)制造服務(wù)的QoS可表示為（“In Time”，“Satisfy”，“5000RMB”，“Excellent”，｛｝）.

2 制造服務(wù)的擴展OWL－S描述實現(xiàn)

在上述制造服務(wù)的規(guī)范化定義的基礎(chǔ)上，需要進一步采用基于語義的語言對制造服務(wù)進行描述實現(xiàn)，以便計算機能識別處理制造服務(wù)同時解決制造服務(wù)的語義二義性問題.

制造服務(wù)是Web服務(wù)在制造領(lǐng)域的特定實現(xiàn).為了增加對 Web服務(wù)的語義描述信息，將本體（ontology）引入了Web服務(wù)，對語義Web服務(wù)進行描 述.OWL－ S（Web ontology language for services）即網(wǎng)絡(luò)本體服務(wù)語言，由DAML－S發(fā)展而來，是用OWL語言描述的Web服務(wù)的本體規(guī)范.OWL－S通過1組規(guī)范的知識本體來描述服務(wù)，并將該本體劃分為3個組成部分：①服務(wù)簡檔（service profile）：描述服務(wù)能提供什么.它給出1組信息，以便服務(wù)查詢代理用來判斷服務(wù)是否適合它的要求.② 服務(wù)模型（process model）：描述服務(wù)如何工作.它描述了服務(wù)執(zhí)行時發(fā)生些什么及具體的邏輯執(zhí)行順序.③ 服務(wù)基點（service grounding）：描述如何訪問服務(wù).它描述服務(wù)訪問的協(xié)議、消息格式、端口等.

鑒于OWL－S在描述語義Web服務(wù)時的無二義性特點，可采用OWL－S來描述制造服務(wù)的基本信息、類別、功能、資源構(gòu)成、關(guān)聯(lián)制造任務(wù)、訪問等屬性.同時由于適用于語義Web服務(wù)的OWL－S無法描述制造服務(wù)的動態(tài)信息，采用可擴展標記語言XML（eXtensible markup language，XML）對制造服務(wù)的動態(tài)信息和制造資源的動態(tài)特性進行描述，該擴展的OWL－S可滿足制造服務(wù)的動態(tài)性、消除異構(gòu)性的實現(xiàn)需求，具體構(gòu)成模型如圖3所示.

圖3 制造服務(wù)的擴展OWL－S描述模型Fig.3 Extended OWL － S description for manufacturing service

在制造服務(wù)的擴展OWL－S描述方法中，服務(wù)簡檔描述了制造服務(wù)的基本信息、類別、功能和QoS，服務(wù)模型實現(xiàn)了制造服務(wù)功能和過程，服務(wù)基點支持制造服務(wù)訪問的實現(xiàn)，具體描述如下：

服務(wù)簡檔－基本信息代碼片段

服務(wù)簡檔－功能代碼片段

服務(wù)模型代碼片段

基點代碼片段

本文采用XML文檔對標準OWL－S進行擴展，制造服務(wù)的資源、關(guān)聯(lián)制造任務(wù)的動態(tài)信息用XML文檔來描述，再根據(jù)制造服務(wù)的資源、關(guān)聯(lián)制造任務(wù)的動態(tài)信息生成制造服務(wù)狀態(tài)信息，并形成XML文檔.三者的來源信息可從ERP，MES等制造信息系統(tǒng)獲取，并且描述中都包含了制造服務(wù)ID，從而與對應(yīng)的制造服務(wù)相關(guān)聯(lián)，具體實現(xiàn)如下：

制造服務(wù)的資源的動態(tài)信息代碼片段

關(guān)聯(lián)制造任務(wù)動態(tài)信息代碼片段

制造服務(wù)狀態(tài)信息代碼片段

3 原型系統(tǒng)及實現(xiàn)

基于上述制造服務(wù)的構(gòu)建方法，開發(fā)了基于語義面向服務(wù)的協(xié)同制造平臺原型系統(tǒng).平臺原型系統(tǒng)采用以“服務(wù)總線－服務(wù)”為核心的多層企業(yè)應(yīng)用框架，強調(diào)了企業(yè)內(nèi)部服務(wù)的開發(fā)部署與管理控制，能夠有效支持企業(yè)業(yè)務(wù)過程的快速重構(gòu).

3.1 平臺總體框架

該協(xié)同制造平臺主要由以下幾個部分構(gòu)成（圖4）：應(yīng)用門戶系統(tǒng)、綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)、協(xié)同服務(wù)平臺、支持語義的企業(yè)服務(wù)總線、應(yīng)用平臺、系統(tǒng)支撐層.協(xié)同服務(wù)平臺是服務(wù)運行時平臺，它連接來自應(yīng)用或客戶的服務(wù)請求和企業(yè)內(nèi)、外部的服務(wù)提供，管理和控制著服務(wù)的運行，并指導(dǎo)系統(tǒng)協(xié)同工作.它是提供基于語義SOA功能的核心區(qū)，由制造服務(wù)提供代理、支 持 語 義 的 UDDI（universal description，discovery and integration）注冊中心、語義操作中心、服務(wù)請求代理、服務(wù)匹配選擇、服務(wù)組合、CM（collaborative manufacturing）本體庫等模塊構(gòu)成.支持語義的企業(yè)服務(wù)總線是支持協(xié)同制造平臺集成的運行基礎(chǔ)環(huán)境，提供消息通信通道，企業(yè)內(nèi)部的各類應(yīng)用以及跨企業(yè)的分布式資源通過企業(yè)服務(wù)總線提供的連接器和適配器可以訪問所需求的資源和信息系統(tǒng).企業(yè)應(yīng)用平臺包括了SCM（supply chain management）、 CRM（custom relationship management）、ERP（enterprise resource plan）、CAD（computer aided design）、CAPP（computer aided process plan）、PDM（product data management）、PCS（process control system）等應(yīng)用系統(tǒng).公共支撐平臺包括了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、ICT技術(shù)（information communication technology）基礎(chǔ)設(shè)施和構(gòu)件庫，建立在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之上，是協(xié)同制造平臺的技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)和運行基礎(chǔ)環(huán)境.

圖4 協(xié)同制造平臺體系結(jié)構(gòu)Fig.4 Architecture of collaborative manufacturing platform

3.2 制造服務(wù)運作的機制和流程實現(xiàn)

在上述協(xié)同制造平臺中，制造服務(wù)運作的機制和流程實現(xiàn)如下：

（1）制造服務(wù)提供者在協(xié)同服務(wù)平臺進行服務(wù)提交，平臺的服務(wù)提供代理模塊描述其提供的制造服務(wù)，語義操作中心對制造服務(wù)進行語義標注.

（2）協(xié)同服務(wù)平臺的服務(wù)發(fā)布模塊將制造服務(wù)發(fā)布到UDDI注冊中心.

（3）制造服務(wù)請求者在協(xié)同服務(wù)平臺提交服務(wù)需求，平臺的服務(wù)請求代理和語義操作中心進行處理并生成服務(wù)請求的語義描述.

（4）協(xié)同服務(wù)平臺的服務(wù)匹配模塊對服務(wù)請求和UDDI注冊中心的在冊制造服務(wù)進行匹配，計算制造服務(wù)匹配度和語義相似度，將匹配度大于或等于設(shè)定閾值的制造服務(wù)放入候選制造服務(wù)集中.

（5）制造服務(wù)選擇模塊調(diào)用相關(guān)選擇算法并結(jié)合服務(wù)請求者的QoS需求對候選制造服務(wù)集中的服務(wù)進行選擇，獲取滿意的制造服務(wù)并組合成制造服務(wù)鏈反饋給服務(wù)請求者進行服務(wù)的綁定和調(diào)用.

3.3 應(yīng)用案例

依托同濟大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所現(xiàn)有資源開發(fā)的系統(tǒng)已應(yīng)用于中國紡織機械股份有限公司紡機裝備的協(xié)同制造生產(chǎn).系統(tǒng)主要由協(xié)同服務(wù)平臺、支持語義的企業(yè)服務(wù)總線、公共支撐平臺和應(yīng)用門戶系統(tǒng)構(gòu)成，提供協(xié)作企業(yè)的服務(wù)請求提交、服務(wù)描述、服務(wù)發(fā)布、服務(wù)發(fā)現(xiàn)及服務(wù)組合等平臺功能，基于該平臺某紡機裝備主要零部件協(xié)同制造的實現(xiàn)如圖5和圖6所示.

4 結(jié)語

提出了適用于協(xié)同制造的語義制造服務(wù)形成方法，對制造服務(wù)進行形式化定義并用擴展OWL－S語言予以描述實現(xiàn).與已有的研究工作相比，文中所提方法增強了制造服務(wù)的語義性，有助于制造服務(wù)的匹配、選擇和合成，滿足用戶的個性化綜合查詢需求.現(xiàn)有研究偏重于將面向服務(wù)技術(shù)應(yīng)用在汽車制造等朝陽產(chǎn)業(yè)，與此不同，本文以紡織機械制造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)為應(yīng)用背景，針對其現(xiàn)狀需求提出可行性資源整合架構(gòu)，構(gòu)建了原型系統(tǒng)并在實際生產(chǎn)中進行了實施應(yīng)用.基于制造服務(wù)模型的協(xié)同制造平臺可實現(xiàn)協(xié)同制造過程中企業(yè)內(nèi)外設(shè)備、物料、信息等軟硬件資源的松散耦合和快速集成.通過紡織機械制造企業(yè)的應(yīng)用實例驗證了所提方法和原型系統(tǒng)的可行性.

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