基于本體語義的復雜產(chǎn)品可重構制造服務協(xié)同建模研究

何 焱，馬 軍，白衛(wèi)星，謝 歡

（1. 河南城建學院 計算機科學與工程系，鄭州 450002；2. 鄭州輕工業(yè)學院 機電工程學院，鄭州 450002）

0 引言

在經(jīng)濟全球化發(fā)展趨勢下，由于市場競爭的加劇，企業(yè)從制造過程中獲得的利潤已經(jīng)越來越少。將現(xiàn)代服務業(yè)與制造業(yè)融合，提升產(chǎn)品服務附加值，發(fā)展現(xiàn)代制造服務業(yè)成為企業(yè)新的利潤增長點[1]。

現(xiàn)代制造服務的關鍵是要滿足客戶多樣化和個性化的體驗需求，但僅憑企業(yè)有限的內(nèi)部資源已難以滿足，必須集中發(fā)展核心競爭力，將非核心業(yè)務外包，在外部優(yōu)勢資源的幫助下完成制造服務。在此背景下，企業(yè)利用各自的優(yōu)勢來提升產(chǎn)品服務附加值，形成圍繞整個產(chǎn)業(yè)鏈的制造服務協(xié)同增值網(wǎng)絡[2,3]。

饒運清等應用分布式人工智能中的多Agent技術和CORBA分布式對象技術與規(guī)范，對車間各種異構制造資源進行建模和封裝設計[4]。姚遠等從W eb服務的角度提出了一個基于本體的制造服務知識建模方法[5]。顧寄南等提出了制造資源UDDI和WSIL相結(jié)合的聯(lián)合發(fā)現(xiàn)機制，服務的驅(qū)動下形成動態(tài)的資源共享和應用[6]。然而制造服務協(xié)同的關鍵是在服務的驅(qū)動下形成動態(tài)的資源共享和應用?，F(xiàn)有的研究以固定的資源和既定解決方案為客戶提供服務，已經(jīng)不能滿足客戶需求。如何在面向服務思想的指導下，通過服務的交互與協(xié)作來集成企業(yè)的各生產(chǎn)資源，幫助企業(yè)將已有而不靈活的生產(chǎn)系統(tǒng)集成起來，釋放其中的信息或功能為可重用的服務與業(yè)務流程成為實現(xiàn)現(xiàn)代制造服務的熱點問題。

本文通過分析制造服務協(xié)同的層次及需求特點，提出復雜產(chǎn)品制造服務協(xié)同本體建模機制及基于OWL的實現(xiàn)方法，利用面向服務架構建立復雜產(chǎn)品制造服務協(xié)同平臺，最后以汽車零部件制造服務協(xié)同為例說明了知識共享過程。

1 可重構制造服務協(xié)同層次及服務模式

1.1 可重構制造服務協(xié)同的內(nèi)涵及特點

可重構制造服務協(xié)同是圍繞某種復雜產(chǎn)品或零部件，利用網(wǎng)絡和制造服務協(xié)同平臺，對來自企業(yè)內(nèi)外的制造資源進行合理的組織、調(diào)度和優(yōu)化，為用戶提供各類按需制造服務的一種網(wǎng)絡化制造新模式[7]。

可重構制造服務協(xié)同系統(tǒng)與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)既有共同點又有很大的區(qū)別，相比有以下區(qū)別，詳見表1所示。但實際上制造服務協(xié)同是在傳統(tǒng)制造系統(tǒng)的基礎上進行擴展，包容了后者，又有了新的發(fā)展。

表1 制造服務協(xié)同與傳統(tǒng)制造模式區(qū)別

1.2 可重構制造服務協(xié)同的層級劃分

從產(chǎn)品時間維度，可重構制造服務協(xié)同可以劃分為三個空間層次，即：車間層制造服務協(xié)同、企業(yè)層制造服務協(xié)同、聯(lián)盟層制造服務協(xié)同。

1）車間層服務制造協(xié)同：車間是制造企業(yè)的核心部分，執(zhí)行將原材料（包括半成品）轉(zhuǎn)變成成品的功能。車間層制造服務協(xié)同包括：單元制造系統(tǒng)、獨立制造島、柔性制造單元/系統(tǒng)等。

2）企業(yè)層制造服務協(xié)同：企業(yè)層制造服務協(xié)同通過聯(lián)系上下游企業(yè)的生產(chǎn)活動來滿足市場需求。企業(yè)層制造協(xié)同包括：現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)、精益生產(chǎn)系統(tǒng)、分形企業(yè)等。

3）聯(lián)盟層制造服務協(xié)同：聯(lián)盟層制造服務協(xié)同可看作是企業(yè)層服務制造協(xié)同在整個產(chǎn)業(yè)鏈上的動態(tài)擴展。其形式包括：企業(yè)聯(lián)盟、企業(yè)集群、供應鏈、虛擬企業(yè)等。

2 基于本體語義的聯(lián)盟層制造服務協(xié)同資源建模

2.1 制造服務協(xié)同資源的本體概念模型

當前對制造資源服務化研究主要集中于資源的發(fā)布及資源的搜索，然而，聯(lián)盟層可重構制造服務協(xié)同涉及到跨組織的流程和資源整合，不同的制造資源系統(tǒng)采用不同的接口、功能、流程、語義，這成為制約制造服務協(xié)同發(fā)展的瓶頸，因此需要在企業(yè)間進行知識的統(tǒng)一建模、并使用能互相理解的知識表示語言進行通信和交互，同時確保各自的獨立自治性。

要做到制造服務協(xié)同環(huán)境下的知識共享，必須使不同的應用系統(tǒng)對同一領域內(nèi)的知識不存在二義性的理解。本體是對概念化(Conceptualization)對象的明確表示和描述，它提供了一個表達機制，在保障語義一致性的前提下將隱含的概念及概念之間的關系明晰化，從而有助于實現(xiàn)知識的重用和共享[8,9]。為此，從技術上建立本行業(yè)、本領域通用、標準的術語集合，對制造服務協(xié)同過程中企業(yè)成員所使用的概念和關系進行規(guī)范的知識表達。

首先建立制造服務協(xié)同資源的本體概念模型CM，采用五元組定義：

CM=（ID,Service,Property,Action，Relation)

其中：ID::=＜Address:|(URI/URL, URL,…＞制造服務單元唯一標識。URL描述所提供服務的地址，防止該服務在進入制造服務鏈后的冗余和不一致性。

Service::=＜Service:|(Qulity,Time,Cost)＞為制造資源服務能力集，定義制造服務單元能夠?qū)崿F(xiàn)的制造任務及其能夠達到的質(zhì)量、時間、費用要求

Property::=＜property set＞ 為制造服務單元屬性集，描述服務單元的基本信息，如設備參數(shù)、狀態(tài)信息、地域信息、歸屬信息和歷史信息等

Action::=＜ Action set:| (…)，…)＞是服務方法集，描述制造服務單元對于服務對象所提供的制造方法。如機械加工或非機械加工方法等。

Relation::=＜Relation set＞為制造服務單元關系集合，定義制造服務單元之間的關聯(lián)約束，并通過其動態(tài)構建制造服務鏈的高層語義表達。

2.2 制造服務協(xié)同資源模型的本體語義

在制造服務協(xié)同資源本體概念模型CM的基礎下，制造服務協(xié)同資源模型的本體語義以概念結(jié)構圖的形式加以組織。

如圖1所示，圖中每個概念節(jié)點都具有一個CM本體概念的所有語義。根據(jù)CM本概念模型規(guī)定，上下概念節(jié)點之間形成父子繼承關系(Is-a關系)。此外，概念節(jié)點還可以根據(jù)實例化關系（Iscase-of）具有概念屬性節(jié)點。這樣，概念及概念屬性節(jié)點之間通過語義關系聯(lián)系起來，制造服務協(xié)同資源模型就是利用這些本體語義關系來表達其內(nèi)在的知識。

一個實例化的制造服務協(xié)同資源模型本體語義結(jié)構圖例子如圖2所示，從中可知，對于同一制造服務協(xié)同資源實例的信息，即使分布在不同地域，通過本體結(jié)構圖中仍然可以保持語義上的關聯(lián)和唯一性，這就為跨地域的制造服務協(xié)同提供了統(tǒng)一、一致的制造資源表達機制。

圖1 制造服務協(xié)同資源模型的本體語義

圖2 制造服務協(xié)同資源本體語義模型的實例化

3 聯(lián)盟層制造服務協(xié)同平臺

3.1 應用背景分析

隨著汽車市場競爭的日趨激烈，整車廠對零部件產(chǎn)品的需求逐步向全球采購、系統(tǒng)配套、模塊化供應的方向發(fā)展[10]。為了應對這種潮流，汽車零部件企業(yè)必須快速、有效地與世界范圍內(nèi)的客戶、制造商、分銷商和供應商共享信息并協(xié)同作業(yè)，并與整車廠相互交流以及在動態(tài)基礎上與大量參與者協(xié)作，同步或超前開發(fā)相應的零部件。

因此，傳統(tǒng)制造方式下制造資源表達方式已無法適應需求，協(xié)同企業(yè)各部門之間，各個企業(yè)之間需要知識級的共享和重用機制。

3.2 聯(lián)盟層制造服務協(xié)同平臺的應用

在汽車配件研發(fā)過程中，需要同整車廠進行汽車配件的產(chǎn)品知識交互，并協(xié)調(diào)上下游制造企業(yè)之間的生產(chǎn)協(xié)同關系，以便對制造服務協(xié)同的汽車配件進行產(chǎn)品定型和生產(chǎn)調(diào)度。

如圖3所示，某汽車零配件企業(yè)建立了網(wǎng)絡化協(xié)同制造服務平臺，借助該平臺的制造服務鏈本體語義建模工具，構建了面向知識共享的汽車配件制造服務單元本體語義模型。

圖4所示為針對汽車傳動軸協(xié)同制造建立的制造服務單元，制造服務單元構建成功后，各協(xié)作企業(yè)可以使用平臺所提供的制造服務協(xié)同管理工具，進行制造服務過程、工藝文檔等信息的無縫集成和知識共享，完成汽車配件制造服務協(xié)同過程。

圖3 汽車配件制造服務鏈本體語義建模

圖4 汽車配件制造服務單元的知識共享

4 結(jié)論

為保證復雜產(chǎn)品制造的高效、低成本，企業(yè)需要尋求能滿足需求的外協(xié)進行制造協(xié)同。本文分析并總結(jié)了可重構制造服務協(xié)同生產(chǎn)模式的內(nèi)涵及特點，劃分了可重構制造服務協(xié)同的層次，重點研究了聯(lián)盟層制造服務協(xié)同環(huán)境下，制造服務資源的本體語義建模及其OWL實現(xiàn)方法，針對汽車配件廠面向整車企業(yè)的制造服務協(xié)同，建立了汽車制造服務協(xié)同平臺。實踐表明，基于該平臺可以有效地實現(xiàn)制造服務資源在聯(lián)盟層制造服務協(xié)同中基于知識的共享和重用。

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