基于語(yǔ)義的e－維護(hù)知識(shí)服務(wù)模型

郭建文 李運(yùn)培 丘楊楓 許楚濱

(1.東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808;2.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082)

隨著日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和制造業(yè)的全球化趨勢(shì)，設(shè)備維護(hù)能力日益成為決定企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素［1］。e－維護(hù)［2］作為新興的設(shè)備維護(hù)模式，能夠利用網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)整合企業(yè)合作伙伴的核心維護(hù)能力，集成企業(yè)間有價(jià)值的維護(hù)活動(dòng)，通過(guò)維護(hù)資源的集成配置和維護(hù)流程的優(yōu)化管理實(shí)現(xiàn)維護(hù)效益的最大化。維護(hù)知識(shí)是結(jié)構(gòu)化的經(jīng)驗(yàn)和信息，也包含專家的獨(dú)特見(jiàn)解，其核心價(jià)值在于提高維護(hù)決策的質(zhì)量。從提高設(shè)備e－維護(hù)工作效能出發(fā)，維護(hù)知識(shí)資源需要在維護(hù)節(jié)點(diǎn)間高效共享和集成［3］。

維護(hù)知識(shí)服務(wù)建模是實(shí)現(xiàn)e－維護(hù)知識(shí)資源共享和集成的基礎(chǔ)。其的實(shí)現(xiàn)是采用計(jì)算機(jī)可理解的模型來(lái)對(duì)設(shè)備維護(hù)知識(shí)進(jìn)行服務(wù)化的表示和描述、組織及存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的共享和重用，從而提高知識(shí)的價(jià)值。相關(guān)的學(xué)者對(duì)維護(hù)知識(shí)資源建模進(jìn)行研究:文獻(xiàn)［4］將企業(yè)、設(shè)備制造商等各個(gè)實(shí)體中的故障診斷信息和資源定義為網(wǎng)格服務(wù)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建了一個(gè)基于網(wǎng)格技術(shù)的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)。文獻(xiàn)［5］將基于模型的故障診斷算法封裝成網(wǎng)格服務(wù)，支持飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的遠(yuǎn)程診斷與維護(hù);文獻(xiàn) ［6－7］設(shè)計(jì)了Web服務(wù)(Web Services)體系下的e－維護(hù) (診斷)系統(tǒng)及維護(hù)數(shù)據(jù)和信息的訪問(wèn)控制接口。上述研究成果能夠有效實(shí)現(xiàn)維護(hù)資源的服務(wù)化表達(dá)，但考慮到e－維護(hù)知識(shí)資源所具有的分布性、信息模糊性以及維護(hù)決策的復(fù)雜性等因素，為了提高知識(shí)服務(wù)查找匹配的準(zhǔn)確率和查全率，需要建立基于統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的知識(shí)資源模型，使得知識(shí)資源便捷地發(fā)布，并被有效檢索，同時(shí)能夠向用戶展示知識(shí)內(nèi)涵語(yǔ)義［8］。

隨著研究的進(jìn)展，相關(guān)學(xué)者提出了語(yǔ)義Web服務(wù)［9］的概念。語(yǔ)義web服務(wù)通過(guò)建立一種具有語(yǔ)義支持的Web Service模型，使得分布式環(huán)境中的資源能夠高效發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)集成。語(yǔ)義服務(wù)的理論基礎(chǔ)是Web Service、本體和語(yǔ)義Web。Web Services［10］的目標(biāo)是構(gòu)筑通用的與平臺(tái)無(wú)關(guān)、語(yǔ)言無(wú)關(guān)的技術(shù)層，使得各種不同平臺(tái)之上的應(yīng)用依靠這個(gè)技術(shù)層來(lái)實(shí)施彼此的連接和集成。本體［11］能夠以一種明確的、形式化的方式來(lái)表示領(lǐng)域知識(shí)，提供共享的、精確定義的術(shù)語(yǔ)源;語(yǔ)義Web［12］可以為Web Service添加語(yǔ)義信息，并進(jìn)一步構(gòu)建公共的概念體系 (本體)，在此基礎(chǔ)上建立推理機(jī)制，以彌補(bǔ)Web Service在知識(shí)表達(dá)和推理方面的不足，促進(jìn)資源的進(jìn)一步共享。

針對(duì)當(dāng)前e－維護(hù)環(huán)境下知識(shí)服務(wù)建模研究的不足，本文提出了基于語(yǔ)義的e－維護(hù)知識(shí)服務(wù)模型，從維護(hù)知識(shí)資源、知識(shí)服務(wù)功能、知識(shí)服務(wù)的訪問(wèn)和知識(shí)服務(wù)的狀態(tài)監(jiān)控四個(gè)方面來(lái)對(duì)知識(shí)資源進(jìn)行建模，并利用擴(kuò)展的Web服務(wù)本體描述語(yǔ)言 (Web Ontology Language for Service，OWL－S)來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)的語(yǔ)義建模。最后介紹該模型在某e－維護(hù)平臺(tái)中的應(yīng)用。

1 e－維護(hù)知識(shí)服務(wù)模型

e－維護(hù)知識(shí)服務(wù)是將e－維護(hù)平臺(tái)中的企業(yè)或者組織內(nèi)部的各種知識(shí)資源通過(guò)服務(wù)化的封裝后所形成的，具有完成1個(gè)維護(hù)目標(biāo)、解決1個(gè)維護(hù)問(wèn)題或做出1個(gè)維護(hù)決策功能的實(shí)體。結(jié)合e－維護(hù)的分布式協(xié)作、動(dòng)態(tài)分工等特點(diǎn)，e－維護(hù)知識(shí)資源建模具有以下的要求:

1)知識(shí)服務(wù)模型應(yīng)該采用統(tǒng)一、開放的技術(shù)，對(duì)知識(shí)各種資源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，能為后續(xù)的知識(shí)服務(wù)發(fā)現(xiàn)、應(yīng)用等提供支持。

2)知識(shí)服務(wù)模型應(yīng)該支持靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息相結(jié)合的描述模型，既能反映知識(shí)資源內(nèi)容的靜態(tài)特性，又能反映分布環(huán)境下知識(shí)資源的動(dòng)態(tài)特性。

3)知識(shí)服務(wù)模型應(yīng)該具備機(jī)器可理解和處理的語(yǔ)義信息，在語(yǔ)法和語(yǔ)義上都能準(zhǔn)確地表達(dá)資源服務(wù)所具備的功能，從而增強(qiáng)服務(wù)檢索的智能性和檢索結(jié)果的準(zhǔn)確性。

針對(duì)上述的需求，本文建立了圖1所示的基于語(yǔ)義設(shè)備e－維護(hù)知識(shí)服務(wù)模型。

圖1 基于語(yǔ)義的e－維護(hù)知識(shí)服務(wù)模型

模型包括維護(hù)知識(shí)資源類、知識(shí)服務(wù)功能類、知識(shí)服務(wù)訪問(wèn)類和知識(shí)服務(wù)狀態(tài)類組成。維護(hù)知識(shí)資源類是實(shí)現(xiàn)知識(shí)服務(wù)功能的物理實(shí)體，封裝了維護(hù)知識(shí)資源的物理屬性;知識(shí)服務(wù)功能類封裝了知識(shí)服務(wù)的屬性、能力等信息;知識(shí)服務(wù)訪問(wèn)類主要對(duì)如何訪問(wèn)知識(shí)服務(wù)和訪問(wèn)知識(shí)服務(wù)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議進(jìn)行封裝，以使得外部應(yīng)用能夠順利訪問(wèn)服務(wù);知識(shí)服務(wù)狀態(tài)類包括服務(wù)及服務(wù)所依賴的實(shí)體資源的狀態(tài)的收集，是實(shí)現(xiàn)知識(shí)資源狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。

模型具體采用語(yǔ)義Web服務(wù)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。其建模則采用知識(shí)服務(wù)本體對(duì)知識(shí)服務(wù)的內(nèi)容、功能和服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行描述，使知識(shí)服務(wù)具有機(jī)器能夠理解的語(yǔ)義內(nèi)容，并支持服務(wù)發(fā)現(xiàn)、組合等智能推理和對(duì)web服務(wù)調(diào)用接口、調(diào)用格式、使用協(xié)議等信息的詳細(xì)描述。

2 模型的形式化定義

為了規(guī)范化知識(shí)服務(wù)的內(nèi)容，首先對(duì)知識(shí)服務(wù)進(jìn)行形式化的描述。知識(shí)服務(wù)可以表示為六元組:

KSResource是維護(hù)知識(shí)資源信息類，主要用于描述知識(shí)資源的屬性及功能，其描述方法是采用筆者在文獻(xiàn) ［3］中提出的維護(hù)知識(shí)空間模型來(lái)表示。

KSInformation是基本信息類，是對(duì)知識(shí)服務(wù)的基本信息進(jìn)行描述，幫助用戶了解知識(shí)服務(wù)的主要內(nèi)容，可以表示為:KGSInformation=(KSID，KSName，KSDescription，KSProvider，KGSContact，KGSBiex)。其中，KSID是系統(tǒng)為知識(shí)服務(wù)分配的、在知識(shí)范圍內(nèi)的唯一標(biāo)識(shí)符;KSName是知識(shí)服務(wù)的名稱;KSDescription是知識(shí)服務(wù)功能的描述;KSProvider是知識(shí)服務(wù)的提供者;KSContact是知識(shí)服務(wù)提供者的聯(lián)系方式;KGSBiex是知識(shí)服務(wù)信息的拓展，可以根據(jù)知識(shí)服務(wù)的具體需要進(jìn)行擴(kuò)展集。

KSFunction是知識(shí)服務(wù)功能信息類，主要描述知識(shí)服務(wù)的功能特征信息。KSFunction可以描述為六元組:KGSFunction=(Category，DFunction，Input，Output，Precondition，Effect)。Category表示知識(shí)服務(wù)范疇，反映知識(shí)服務(wù)的功能類別，根據(jù)具體的應(yīng)用領(lǐng)域定義。DFunction是服務(wù)的領(lǐng)域功能集合，反映知識(shí)服務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)的領(lǐng)域功能，不同類別的服務(wù)具有不同的領(lǐng)域功能構(gòu)成，領(lǐng)域功能的概念采用維護(hù)知識(shí)概念本體［3］表示。Input是使用服務(wù)所需要輸入的參數(shù)集合。Outpus是服是執(zhí)行完后能夠提供的輸出參數(shù)集合。Precondition是執(zhí)行服務(wù)所需要滿足的前提條件，采用邏輯表達(dá)式來(lái)表示。Effect是執(zhí)行服務(wù)后造成的影響。一個(gè)KGSFunction描述的例子為:Category={“故障案例推理服務(wù)}，DFunction={活動(dòng)能力=維護(hù)支持”;方法能力=“案例推理”;對(duì)象能力=“汽輪機(jī)”;狀態(tài)能力=“轉(zhuǎn)速上升”;問(wèn)題能力=“調(diào)節(jié)閥故障”}，Input={“一級(jí)振動(dòng)”，“二級(jí)振動(dòng)”，“三級(jí)振動(dòng)”，“四級(jí)振動(dòng)”，“五級(jí)振動(dòng)”，“進(jìn)氣溫度”，“排氣溫度”，“油壓”，“油溫”，“轉(zhuǎn)速”}，Output={“案例文件”}，Precondition= {}，Effec={}。

KSQoS描述了知識(shí)服務(wù)的非領(lǐng)域功能屬性指標(biāo)。。KSQoS可以表示為由一組與該服務(wù)質(zhì)量參數(shù)相關(guān)聯(lián)的度量指標(biāo)構(gòu)成的集合。KGSQoS指標(biāo)可以分為通用指標(biāo)、特有指標(biāo)、個(gè)性化指標(biāo)三類。通用指標(biāo)主要是服務(wù)的性能、可靠性、可用性、費(fèi)用等方面信息;特有指標(biāo)是針對(duì)不同類型的服務(wù)所特有的評(píng)價(jià)指標(biāo)，例如，維護(hù)專家服務(wù)中的學(xué)歷、年齡、職稱等;個(gè)性化指標(biāo)是對(duì)用戶專門提出的特殊要求而臨時(shí)建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)。例如，某知識(shí)服務(wù)的QoS信息可表示為 (響應(yīng)時(shí)間≤2h，質(zhì)量等級(jí)=優(yōu)秀，聲譽(yù)=0.9)。

KGSState描述了知識(shí)資源服務(wù)的狀態(tài)信息。KGSState=(ServiceState，TaskState，EXState)其中，ServiceState為知識(shí)服務(wù)當(dāng)前的狀態(tài)，由可用和不可用兩種狀態(tài)組成;TaskState=(ID，State)為知識(shí)服務(wù)用戶任務(wù)的執(zhí)行情況，ID為任務(wù)的標(biāo)識(shí)，State為任務(wù)執(zhí)行的情況，如未執(zhí)行、執(zhí)行中、暫停等;EXState為服務(wù)的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)信息。

KSAcess描述了訪問(wèn)服務(wù)的相關(guān)信息。KSAcess=(Protocols，MFormat，TransferMode，Address)。其中，Protocols是服務(wù)訪問(wèn)的協(xié)議，MFormat是服務(wù)訪問(wèn)的消息格式，TransferMode為服務(wù)傳輸方式，Address為服務(wù)訪問(wèn)地址。例如，某KSAcess描述為 (SOAP，WSDL，HTTP，http://222.240.198.34/service/faultdiagnosis)，表示采用SOAP為訪問(wèn)協(xié)議、WSDL為消息格式、HTTP為傳輸方式、http://222.240.198.34/service/faultdiagnosis為訪問(wèn)地址。

3 知識(shí)服務(wù)語(yǔ)義建模的實(shí)現(xiàn)

要使計(jì)算機(jī)能夠理解和處理知識(shí)服務(wù)，需要采用基于標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)義服務(wù)描述語(yǔ)言對(duì)知識(shí)服務(wù)進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)。OWL－S［13］是基于OWL的一種描述Web服務(wù)屬性及其功能標(biāo)記的本體論語(yǔ)言。OWL－S使用OWL構(gòu)建了一個(gè)上層本體，描述了與Web服務(wù)相關(guān)的屬性、能力等，以便于服務(wù)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、匹配、調(diào)用、組合以及監(jiān)控等，能夠使Web服務(wù)成為計(jì)算機(jī)可理解的實(shí)體。

OWL－S的組成如圖2所示。OWL－S主要用類ServiceProfile、ServiceModel和ServiceGrounding來(lái)描述服務(wù)的語(yǔ)義。服務(wù)輪廓 (ServiceProfile)描述服務(wù)是干什么的。ServiceProfile給出了服務(wù)的基本信息，服務(wù)提供者可以用它描述服務(wù)的功能。服務(wù)模型 (ServiceModel)描述服務(wù)是如何工作的。服務(wù)定位 (ServiceGrounding)給出了服務(wù)執(zhí)行的具體規(guī)范，如訪問(wèn)協(xié)議，消息格式和端口等。簡(jiǎn)單地說(shuō)，ServiceProfile描述服務(wù)的主要內(nèi)容，是服務(wù)搜索和匹配的依據(jù);ServiceModel描述服務(wù)是如何工作。

圖2 OWL－S的組成

OWL－S是通用的Web服務(wù)描述本體，沒(méi)有考慮到具體應(yīng)用需求。本文根據(jù)知識(shí)服務(wù)模型特點(diǎn)，建立圖3所示的基于擴(kuò)展OWL－S的知識(shí)服務(wù)本體來(lái)支持知識(shí)服務(wù)的語(yǔ)義建模。知識(shí)服務(wù)本體主要由繼承OWL－S中相應(yīng)本體類組成，說(shuō)明如下:

1)KService是知識(shí)服務(wù)本體中的主類，繼承OWL－S的Service類，通過(guò)KServiceGrounding，KServiceModel和KServiceProfile類來(lái)表述知識(shí)服務(wù)的內(nèi)容。

2)KServiceModel繼承了OWL－S的ServiceModel類，描述了知識(shí)服務(wù)的過(guò)程模型。KServiceModel主要通過(guò)與MKRProcess類 (繼承了ServiceModel的Process類)關(guān)聯(lián)，來(lái)對(duì)過(guò)程模型進(jìn)行詳細(xì)的描述。MKRProcess描述服務(wù)公開的操作、操作間的關(guān)系以及操作對(duì)應(yīng)的IOPRS。

3)KServiceGrounding類繼承了OWL－S的ServiceGrounding類，主要是對(duì)知識(shí)服務(wù)接口的描述，包括具體參數(shù)、消息協(xié)議等。

4)KServiceGrounding類是服務(wù)功能語(yǔ)義描述和匹配的基礎(chǔ)，其組成與知識(shí)網(wǎng)格形式化定義中的KServiceGrounding元組對(duì)應(yīng)。

圖3 基于擴(kuò)展OWL－S的知識(shí)服務(wù)本體模型

4 模型的應(yīng)用

依據(jù)上述的研究，筆者構(gòu)建了維護(hù)知識(shí)服務(wù)注冊(cè)組件某e－維護(hù)聯(lián)盟［3］的知識(shí)服務(wù)的建模工作。圖4是某汽輪機(jī)故障診斷知識(shí)服務(wù)注冊(cè)的界面。圖5是汽輪機(jī)故障診斷知識(shí)服務(wù)注冊(cè)后生成的文件 (片段)。文件中定義了服務(wù)ID為“TURBINE_FAULT_DIAGNOSIS_SERVICE”、KServiceProfile的描述文件為“TURBINE_FAULT_DIAGNOSIS_PROFILE”、KServiceGrounding的描述文件為“TURBINE_FAULT_DIAGNOSIS_PROC－MOD”、KServiceGrounding的描述文件為“TURBINE_FAULT_DIAGNOSIS_GROUNDING”。KServiceProfile的描述文件中定義了服務(wù)的名稱為“StorageQueryInfoService”。KSFunction的Input類包括“進(jìn)氣溫度”、“排氣溫度”等，DFunction的Capability元素包含“故障診斷”、“汽輪機(jī)”等。從該文件可看出，該服務(wù)采用案例推理的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的故障診斷推理。

圖4 知識(shí)服務(wù)本體實(shí)例 (片段)

圖5 知識(shí)服務(wù)本體實(shí)例 (片段)

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)備e－維護(hù)作為新興的設(shè)備維護(hù)組織模式，能有效提升企業(yè)的設(shè)備維護(hù)水平。維護(hù)知識(shí)若能在e－維護(hù)平臺(tái)中有效集成和共享，將有助于聯(lián)盟的持續(xù)發(fā)展和維護(hù)工作的高效執(zhí)行。維護(hù)知識(shí)服務(wù)建模是實(shí)現(xiàn)e－維護(hù)知識(shí)資源共享和集成的基礎(chǔ)。為此，本文提出了基于語(yǔ)義的e－維護(hù)知識(shí)資源服務(wù)模型，并采用形式化語(yǔ)言對(duì)知識(shí)服務(wù)模型進(jìn)行規(guī)范化描述，在此基礎(chǔ)上通過(guò)用擴(kuò)展的OWL－S對(duì)知識(shí)服務(wù)模型進(jìn)行了語(yǔ)義建模實(shí)現(xiàn)?；谀Ｐ蜆?gòu)建的知識(shí)服務(wù)注冊(cè)組件已在某石e－維護(hù)平臺(tái)中初步試用。本文的研究能夠?yàn)閑－維護(hù)的知識(shí)共享提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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