領(lǐng)域本體構(gòu)建研究

王學(xué)厚

（江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌 330024）

0 引言

本體來源于希臘單詞“to be”[1-2]，最初只是哲學(xué)的一個分支，近十幾年來隨著本體研究的深入，本體已經(jīng)擴展到人工智能、計算機語言、數(shù)據(jù)庫等領(lǐng)域并得到了廣泛應(yīng)用。在計算機范疇，本體是一種共享知識庫的方法，通過框架系統(tǒng)的描述客觀存在的概念以及概念間的相互關(guān)系，定義了某個領(lǐng)域的公共詞匯表，供該領(lǐng)域的研究人員進(jìn)行共享。到目前為止對于本體還沒有統(tǒng)一的定義，美國斯坦福大學(xué)的Gruber對本體的定義得到了廣泛的認(rèn)可[3]：“本體是用來幫助程序和人共享知識的相關(guān)概念的規(guī)范描述”。領(lǐng)域本體是用于描述特定領(lǐng)域知識的一種專用本體[4-5]，構(gòu)建領(lǐng)域本體的目的是捕獲該領(lǐng)域的相關(guān)知識，確定領(lǐng)域中共同認(rèn)可的詞匯，提供對領(lǐng)域知識的共同理解，并以不同的形式化模式給出詞匯之間相互關(guān)系的定義[6]。

在車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域目前并沒有形成行業(yè)認(rèn)可的本體模型，在進(jìn)行車間業(yè)務(wù)活動建模時不同的建模人員之間由于表達(dá)習(xí)慣不同在對同一個概念進(jìn)行定義與描述時存在語義上的差異，導(dǎo)致知識很難進(jìn)行共享并且不容易被計算機理解[7-8]。為了消除車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域中的術(shù)語以及概念在語義上的歧義，便于領(lǐng)域知識的獲取、存儲與共享，本文建立了車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域本體，主要用于車間業(yè)務(wù)活動建模。

1 車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域知識模型

車間在進(jìn)行業(yè)務(wù)活動時涉及到一系列與業(yè)務(wù)活動相關(guān)的數(shù)據(jù)、狀態(tài)、處理過程等信息，這些信息是對業(yè)務(wù)活動客觀事實的反映與描述，對其進(jìn)行分析與組織后可轉(zhuǎn)換為業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域知識。本文采用概念、特征和規(guī)則的三層結(jié)構(gòu)對車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域知識進(jìn)行劃分。概念層面的知識描述了車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域中的術(shù)語、活動的屬性、操作等；特征層面的知識描述了業(yè)務(wù)活動的狀態(tài)、活動執(zhí)行過程、活動的輸入/輸出等；規(guī)則層面的知識是對業(yè)務(wù)活動執(zhí)行過程中的執(zhí)行順序、業(yè)務(wù)規(guī)則等的定義與描述。綜上所述，車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域知識包括以下幾個方面：①車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域的相關(guān)概念和術(shù)語。②業(yè)務(wù)活動的屬性、操作、執(zhí)行過程、輸入/輸出等特征。③業(yè)務(wù)活動執(zhí)行順序、業(yè)務(wù)規(guī)則等規(guī)則性知識。④業(yè)務(wù)活動的概念、術(shù)語、特征等之間的相互關(guān)系。

按照上面幾個要素對車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域知識進(jìn)行分析得到圖1中的元模型。

圖1 車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域知識元模型

圖2 車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域知識分類

在圖1元模型基礎(chǔ)上對車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域進(jìn)行綜合分析后可對其進(jìn)行如圖2中的劃分：產(chǎn)品定義知識、計劃管理知識、生產(chǎn)派工知識、動態(tài)調(diào)度知識、質(zhì)量管理知識、現(xiàn)場管理知識、制造資源管理知識、生產(chǎn)監(jiān)控知識與統(tǒng)計知識。

（1）產(chǎn)品定義知識包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)與技術(shù)要求等。產(chǎn)品定義是車間安排產(chǎn)品生產(chǎn)的基礎(chǔ)和依據(jù)，包括產(chǎn)品型號、名稱、材料牌號、圖號、尺寸要求、公差、表面粗糙度等。

（2）計劃管理知識包括任務(wù)接收、月計劃管理、批次計劃管理、詳細(xì)作業(yè)計劃管理等。計劃管理是連接企業(yè)生產(chǎn)計劃與車間計劃的橋梁，負(fù)責(zé)接收企業(yè)生產(chǎn)計劃并進(jìn)行分解，生成可指導(dǎo)生產(chǎn)的車間月計劃、批次計劃與詳細(xì)作業(yè)計劃，同時為績效考核、節(jié)點控制等提供依據(jù)。

（3）生產(chǎn)派工知識包括派工單生成與下發(fā)與派工修改。生產(chǎn)派工在車間計劃生成后將計劃下發(fā)到車間現(xiàn)場進(jìn)行生產(chǎn)，派工方式包括派工到設(shè)備、派工到人員等，同時當(dāng)計劃發(fā)生變化后，負(fù)責(zé)對派工結(jié)果進(jìn)行修改。

（4）動態(tài)調(diào)度知識包括外協(xié)管理、批次拆分與合并、任務(wù)掛起與終止等。動態(tài)調(diào)度對生產(chǎn)現(xiàn)場異常情況的處理，保證生產(chǎn)順利進(jìn)行，包括異常處理規(guī)則、任務(wù)臨時更改規(guī)則、設(shè)備更換規(guī)則等。

（5）質(zhì)量管理知識包括檢驗信息管理、不合格品處理等。質(zhì)量管理負(fù)責(zé)采集產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的質(zhì)量信息，包括首檢、三檢、終檢等，還包括對不合格品判定標(biāo)準(zhǔn)與處理方式，包括讓步接收、返修、報廢等。

（6）現(xiàn)場管理知識包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、中轉(zhuǎn)區(qū)管理。現(xiàn)場管理是對生產(chǎn)過程中的領(lǐng)活、完工等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對產(chǎn)品臨時中轉(zhuǎn)區(qū)進(jìn)行管理，是工時統(tǒng)計、績效考核、生產(chǎn)監(jiān)控等的重要數(shù)據(jù)來源。

（7）制造資源管理知識包括工藝管理、圖紙管理、設(shè)備管理、人員管理、工裝管理等。制造資源管理對制造過程中需要用到的資源進(jìn)行管理，包括這些資源的數(shù)量、狀態(tài)、位置等，保證資源的可用性以確保生產(chǎn)過程順利進(jìn)行。

（8）生產(chǎn)監(jiān)控知識包括任務(wù)監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、人員監(jiān)控等。生產(chǎn)監(jiān)控是車間管理層獲得現(xiàn)場生產(chǎn)情況的重要手段，在對現(xiàn)場管理中采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與匯總后以圖表等形式展現(xiàn)給管理人員。

（9）統(tǒng)計知識是對車間生產(chǎn)情況、成本、質(zhì)量信息等的匯總，包括年度、季度、月度生產(chǎn)統(tǒng)計、質(zhì)量信息統(tǒng)計、成本統(tǒng)計、能耗統(tǒng)計等以及在統(tǒng)計過程中用到的規(guī)則與算法等。

2 車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域本體元模型

車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域本體是對車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域知識的建模與描述，可以作為業(yè)務(wù)領(lǐng)域知識的獲取與存儲工具。本文以活動為粒度對車間業(yè)務(wù)活動本體進(jìn)行劃分，對車間生產(chǎn)及管理過程中涉及的活動以及活動進(jìn)行的過程進(jìn)行分析后從概念類、屬性、關(guān)系、屬性約束四個方面建立了圖3中的本體元模型，在元模型中：

（1）概念類是對車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域中類的定義，定義了領(lǐng)域中的術(shù)語概念。概念類包括活動、事件、資源、規(guī)則?；顒邮穷I(lǐng)域本體的基本粒度，是對車間為了完成某個特定目標(biāo)而進(jìn)行的業(yè)務(wù)活動的定義；在業(yè)務(wù)活動實現(xiàn)過程中需要進(jìn)行一系列操作，事件提供對這些操作的定義；資源是對活動與事件完成過程中涉及到的實體的定義，例如零件、圖紙、工藝等；在完成活動與事件的過程中需要遵守相應(yīng)的業(yè)務(wù)規(guī)則與約束，規(guī)則提供對這些業(yè)務(wù)規(guī)則與約束的定義。

圖3 車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域本體元模型

（2）屬性表示車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域中概念類的屬性集合，是對概念屬性與特征的定義與描述。屬性主要包括以下幾個方面：①概念的固有屬性或內(nèi)在屬性；②概念的外部屬性如名稱、描述等；③概念的組成部分。

（3）關(guān)系表示概念類之間、概念類與屬性之間的關(guān)系，包括 part-of，instance-of，attribute-of，kindof四種基本關(guān)系，part-of表示概念類之間整體與部分的關(guān)系，例如活動由事件組成，兩者間的關(guān)系即為part-of；instance-of表示概念實例與概念類之間的關(guān)系；attribute-of表示一個概念是另外一個概念的屬性，例如活動名稱、活動描述與活動之間的關(guān)系就是attribute-of；kind-of表示概念間的繼承關(guān)系。在實際本體建模中可不局限于這四種關(guān)系，根據(jù)實際情況可以定義新的關(guān)系以滿足實際情況需要。

（4）屬性約束表示在車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域中屬性的約束條件，例如屬性的取值范圍、取值類型、個數(shù)等。

3 車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域本體構(gòu)建

根據(jù)車間業(yè)務(wù)活動知識的分析與建立的業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域本體元模型，本文在采集到的車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域知識基礎(chǔ)上建立了車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域本體。車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域本體的建立過程如圖4所示。

本體建立過程分為以下五個步驟：

（1）獲取領(lǐng)域知識。基于已有領(lǐng)域本體與領(lǐng)域知識，在領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c下獲取車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域的知識，對已有領(lǐng)域本體與知識的重用能夠提高知識獲取的效率，減少知識獲取工作量。

（2）確定術(shù)語。在收集得到的領(lǐng)域知識基礎(chǔ)上，對領(lǐng)域中的概念進(jìn)行列舉，并將概念的性質(zhì)和屬性定義為術(shù)語。術(shù)語的獲取是車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域本體構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

圖4 業(yè)務(wù)活動本體建立過程

（3）確定本體中的類以及類之間的關(guān)系。確定本體中的類的過程即為領(lǐng)域中的術(shù)語給出明確的定義的過程，本體中類與類之間的關(guān)系即術(shù)語間的相互關(guān)系，關(guān)系可分為概念類之間的關(guān)系與概念類與屬性間的關(guān)系兩種。

（4）確定類的特征或?qū)傩?。對類的屬性進(jìn)行定義，從各方面對類的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，并確定屬性的取值范圍、取值類型以及個數(shù)等。

（5）建立本體。采用Protégé作為工具建立車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域本體。在Protégé的圖形用戶界面中可以可視化地進(jìn)行屬性和實例的創(chuàng)建、修改和維護(hù)等操作；同時Protégé還提供了可擴展的API接口，外部應(yīng)用程序可以方便地與本體知識庫相連；可以使用包括 RDF、OIL、DAML、DAML+OIL 和 OWL 等語言構(gòu)建本體，并支持?jǐn)?shù)據(jù)庫存儲。OWL為定義概念、表達(dá)概念的屬性及其相互關(guān)系提供了統(tǒng)一的語言基礎(chǔ)，因此采用OWL進(jìn)行本體描述。

4 結(jié)束語

在車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域目前并沒有形成行業(yè)認(rèn)可的本體模型，導(dǎo)致車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域中的術(shù)語以及概念在語義上存在歧義。為解決此問題，本文構(gòu)建了車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域本體，主要用于車間業(yè)務(wù)活動建模。首先采用概念、特征和規(guī)則的三層結(jié)構(gòu)對車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域知識進(jìn)行劃分，通過對車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域知識進(jìn)行分析得到車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域知識元模型；在元模型基礎(chǔ)上對車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域進(jìn)行綜合分析后，對車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域知識進(jìn)行劃分；從概念類、屬性、關(guān)系、屬性約束四個方面建立了車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域本體元模型；最后根據(jù)車間業(yè)務(wù)活動知識的分析與建立的業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域本體元模型，構(gòu)建了車間業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域本體，論述了本體建立過程。

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