面向離散車間制造信息本體建模的研究

涂 凡，黃海松，姚立國

（貴州大學 現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025）

1 引言

在我國針對制造業(yè)提出的“中國制造2025”戰(zhàn)略中，制造企業(yè)智能化是目前首要面臨的挑戰(zhàn)和問題。由于制造過程規(guī)模與制造環(huán)境的日趨復雜、隨機多變，使得生產(chǎn)過程中的信息呈現(xiàn)多源且海量的特征，致使生產(chǎn)過程中涉及的多源信息存在滯后嚴重、出錯、信息的重用和共享困難等現(xiàn)象。文獻[1]為了解決制造過程實時信息采集和傳輸?shù)膯栴}，進行了嵌入式多源制造信息感知裝置及方法的研究，文獻[2]提出了一種基于RFID和ZigBee技術(shù)的零件制造過程信息獲取系統(tǒng)，實現(xiàn)了零件制造過程的監(jiān)控和管理，文獻[3]通過描述制造大數(shù)據(jù)的定義和特性提出了離散車間數(shù)據(jù)管理模型，構(gòu)建了制造大數(shù)據(jù)的應用規(guī)劃，文獻[4]針對車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)，以車間資源、生產(chǎn)、管理等多個層次為本體，構(gòu)建整個車間領域本體來論述他們之間的關系。但只針對制造過程實時信息的采集、傳輸以及數(shù)據(jù)的描述、管理等問題，并沒有對制造過程多源信息間的內(nèi)部聯(lián)系進行解析，無法解決制造過程知識的共享和重用等問題，進而構(gòu)建數(shù)字車間的制造過程信息情境模型。本體最初起源于哲學領域，為不同領域知識在語義上的共同表達提供了統(tǒng)一的描述語言，本體是對共享概念模型的形式化和規(guī)范化的說明[5]，利用本體可以實現(xiàn)多領域制造過程信息模型的統(tǒng)一構(gòu)建和表達，實現(xiàn)制造過程信息間的共享和重用。

為解決上述存在的問題，首先給出了“情境”的定義，以離散型制造業(yè)數(shù)字車間的制造過程信息為應用對象，分析了制造過程信息情境的構(gòu)成，結(jié)合本體論與可拓基元理論，構(gòu)建了制造過程情境信息體系和模型，用于描述制造過程信息間的內(nèi)部聯(lián)系，采用Protégé工具構(gòu)建制造過程信息的本體模型庫及關系數(shù)據(jù)庫的建模，運用本體建模語言OWL實現(xiàn)情境信息知識的表達。

2 離散車間多源制造信息情境模型

情境（Context）也被稱為上下文，Dey博士認為情境是指任何可以用來描述實體狀態(tài)的信息，其實體可以是人、位置、狀態(tài)或者與用戶和應用交互相關的實體，包括用戶和應用本身[6]。情境具有靜態(tài)性和動態(tài)性[7]，靜態(tài)性屬于概念化領域知識范疇，例如，文章選取的離散數(shù)字車間制造過程中，員工的職務和技能是靜態(tài)的情境信息，而員工的位置、物料的位置與狀態(tài)、加工設備的運行狀態(tài)及生產(chǎn)環(huán)境的溫/濕度變化都是動態(tài)的情境信息。對情境定義的分析與認知，有助于對制造過程信息的模型認知與構(gòu)建。

離散制造一般是指將原材料經(jīng)過機加工形成零部件，最后將零部件組裝成成品的制造模式。相對于流程工業(yè)，離散制造業(yè)的生產(chǎn)過程的各種信息、數(shù)據(jù)傳遞要復雜的多。針對離散制造數(shù)字車間制造過程中的人員、物料、生產(chǎn)環(huán)境和設備四種信息為主要研究對象，研究它們的情境因素及相互間的內(nèi)部聯(lián)系。制造過程信息情境構(gòu)成如圖1所示，主要由人員情境、物料情境、設備情境和環(huán)境情境等構(gòu)成，與之相對應的是人員信息、物料信息、設備信息和環(huán)境信息等情境信息，各情境信息由不同因素（屬性或性質(zhì)）構(gòu)成，其內(nèi)部元素間又存在著不同的關聯(lián)關系。

（1）人員情境 人員信息主要情境元素包括職務、技能和活動狀態(tài)。以車間為例，分為車間主任和車間員工，主任主要職責是對車間的整體運行情況進行把控及管理員工出勤情況，員工主要是對加工設備、物料情況的管理以及對生產(chǎn)環(huán)境變化的監(jiān)控?；顒訝顟B(tài)主要包含人員的出勤情況和他們的工作狀態(tài)，例如某員工在某臺設備上對物料進行某種加工操作等。

圖 1制造過程信息情境的構(gòu)成Fig.1 The Composition of the Manufacturing Process Information Situation

（2）物料情境 物料信息貫穿整個車間生產(chǎn)始終，依據(jù)車間生產(chǎn)計劃從采購到最終成品，物料信息都是重要而又復雜的，其中包括物料的類型、數(shù)量以及物料在加工過程中諸多狀態(tài)（原材料、半成品、成品等）和物料相關聯(lián)的人員及設備信息。物料信息通過RFID讀寫器、掃條碼掃描器等設備進行數(shù)據(jù)采集。

（3）設備情境 設備信息是生產(chǎn)車間所有設備的總稱，包含加工設備、監(jiān)測設備、傳感器設備和RFID等設備的基本屬性、工作狀態(tài)、位置情況和功能信息等。

（4）環(huán)境情境 環(huán)境信息指主要影響生產(chǎn)車間加工的環(huán)境因素，包括溫度/濕度等。環(huán)境的溫/濕度信息通過安裝在車間的溫/濕度傳感器來獲得。

3 基于本體的制造信息模型框架及構(gòu)建

3.1 本體結(jié)構(gòu)

本體可以由一個或多個頂層、領域和應用本體等抽象層次組成，其中的頂層、領域本體是幫助研究者構(gòu)建和理解本體的基礎。頂層本體由情境信息涉及的各種實體抽象概念組成，它作為高層本體的優(yōu)勢在于能為不同系統(tǒng)間共享同一知識數(shù)據(jù)庫。當具體涉及到某一個學科領域內(nèi)的相關概念和聯(lián)系時即可稱為領域本體。在不同學科領域里涉及到相同的概念時，由于學科領域的應用、情境的不同，表達相同概念時，概念的意義就可能大不相同。領域本體重用頂層本體的相關概念，定義相應的含義而獲得具體學科領域的本體，這種可復用、繼承的方式能重用已建本體中相關的概念（類）和多種描述語義，實現(xiàn)各學科領域模型的共享及重用[8]。多層次分層的本體模型可用數(shù)學公式描述為：

式中：G—多層本體中所有概念（類）的集合；gi—第i層所有概念（類）的集合；gij—第i層所有概念（類）中第j個概念（類）；Rg—本體中各概念（類）間內(nèi)部聯(lián)系的集合；Rg，（i-1）j，ij—第 R（i-1）i個概念（類）與第gij個概念（類）間的內(nèi)部聯(lián)系[9]。

根據(jù)離散車間的信息特點，在構(gòu)建制造過程信息本體模型時，也采用了這種分層的思想來構(gòu)建本體，更有利于多源制造信息間的信息共享和重用。

3.2 情境信息本體模型的構(gòu)建

根據(jù)以上分析，在構(gòu)建制造過程信息情境模型也包含了頂層本體和領域本體，其情境本體體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 制造過程信息本體體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Manufacturing Process Information Ontology Architecture

它的頂層本體主要包括人員、物料、設備、位置、狀態(tài)和環(huán)境六部分。人員主要包括車間主任和員工等；在選取的某輪轂加工企業(yè)實例中，物料一般選取的是鋁合金材料；設備主要包括傳感器、RFID、監(jiān)測設備和生產(chǎn)設備等，其中生產(chǎn)設備主要包括數(shù)字加工中心和機床等；位置分為辦公室和生產(chǎn)車間，車間又主要分為物料存放區(qū)、物料加工區(qū)和產(chǎn)品存放區(qū)等；狀態(tài)主要針對人員、物料和設備的，包括人員的活動狀態(tài)以及物料、設備的加工狀態(tài)等；環(huán)境主要考慮影響因素較大的溫、濕度，它們各自又包含三個狀態(tài)。

制造過程信息本體體系的建立能更為準確、快速的對本體進行構(gòu)建。采用三元組形式描述制造過程信息領域本體：

式中：Cl—制造過程信息中對象概念（Class）的集合，表示制造過程信息情境實體中物料、人員、設備以及它們的子類等。

At表示領域本體模型的屬性（Attribute）集合合，是對領域本體中概念進行描述，主要有功能、結(jié)構(gòu)屬性等，其中功能屬性又包含對象屬性和數(shù)據(jù)屬性。At=Af∪Ab，Af=Ao∪Ad，領域本體模型中的功能、結(jié)構(gòu)屬性分別為Af、Ab，A0、Ad分別表示為領域本體模型中對象、數(shù)據(jù)屬性的集合。

Re表示概念與概念、概念與實例、實例與實例間邏輯關系（Relation）的集合，例如 Re（Re1）=（Cl1，Cl2）表示 Cl1與 Cl2間關系為 Re1。

3.3 可拓基元的本體知識表示

將本體與可拓學基元理論相結(jié)合，來研究離散車間制造信息知識表示方法?？赏鼗俏镌狹、關系元R和事元A的統(tǒng)稱[10]，由對象O、特征F和量值V組成的三元組組成，表示為B=［O，F(xiàn)，V］。領域本體中的概念、屬性、關系與物元、事元、關系元正好一一相對應，將本體與基元概念相結(jié)合下，進行以下定義：

定義4：復合元C是由物元和事元、事元和關系元、物元物元和關系元等2個或2個以上基元組合成的，在對制造信息本體進行模型構(gòu)建，建立相關的推理規(guī)則來表達信息間內(nèi)部聯(lián)系，即可用復合元表示建立的推理規(guī)則。例如表示的是物元M1、物元M2及它們間具有的關系元R1組成的復合元C1。

在制造信息本體表示中定義相關概（類）時如下：定義機床概念物元M3：

定義A型機床與物料B間的鉆孔加工關系R2：

例如定義復合元C2表示制造信息中鉆孔工藝：

可理解為當RFID檢測到物料在進入機床A前后，物料B在特定位置有孔，同時在相同時間段機床A處于正在加工狀態(tài)，員工1在崗且位于機床A。由以上可知物料B進行了鉆孔加工，通過檢測精度與質(zhì)量，即可知道鉆孔達到要求可否，同時可以對物料B下一步工藝進行把控和提前預知。

通過對制造過程信息本體進行概念基元、屬性基元、關系基元及復合元的定義及表達，同時對機床概念物元、鉆孔加工關系等的舉例，說明本體與基元相結(jié)合的表示方法是可行及有效的，為制造信息本體的建模提供了較大便利。

4 制造信息本體構(gòu)建實例

在上文完成對制造信息知識本體的相關基元概念、屬性和關系進行定義和表達后，運用本體編輯工具Protégé4.3，根據(jù)以上建立的制造過程信息本體體系結(jié)構(gòu)，來構(gòu)建制造過程信息本體模型類樹及定義對應的屬性關系。通過Protégé構(gòu)建的本體模型類樹及關系屬性能區(qū)分不同的領域本體，表示各概念、實例間的內(nèi)部聯(lián)系，從而達到領域本體間的知識重用、共享的目的，其類圖，如圖3所示。

圖 3制造過程信息本體的類圖Fig.3 The Class Diagram of the Manufacturing Process Information Ontology

在該模型中Workshop Employee類和Workshop-Director類表示成Person類的子類，Environment類有Temperature類和Humidity類，同時表達了Workshop Employee類與Equipment類的子類 Production Equipment類、Material類、Status類、Environment類和Location類間的Object Property對象屬性和Datatype Property數(shù)據(jù)屬性關系。

4.1 屬性定義

在本體通過 part-of，attribute-of，instance-of和 subclassof等屬性表達本體中的類與類或其他元素之間關系的基礎上，添加了has Locate、has Status、has Operate 和 has Process等對象屬性，及has Temperaure、has Tumidity等數(shù)據(jù)屬性，這些屬性的描述語義是闡述、理解多源制造信息間關系的橋梁。其部分屬性的定義，如表1所示。（用OWL語義略）。

表1 屬性定義與擴展Tab.1 Attribute Definition and Extension

4.2 定義多源信息間的關系

將Protégé生成的制造過程信息本體模型轉(zhuǎn)化為本體映射文件OWL語言，儲存到構(gòu)建的關系數(shù)據(jù)庫中，從而達到本體知識重用、共享的目的。下述OWL描述片段只是截取了制造過程信息本體模型的部分描述語義，表達的語義是人員、物料、設備和環(huán)境等概念的定義以及相互之間的關系定義。

4.3 制造過程信息本體庫的構(gòu)建

采用多張表法將用OWL語言描述的本體模型映射到關系數(shù)據(jù)庫中存儲。多張表法儲存過程是在制造過程信息本體中為不同概念類單獨建立一張表，同時每張表采取三元表形式，表中屬性列儲存該類所有屬性的屬性值及其定義域，實現(xiàn)了屬性與實例的相互映射。制造過程信息數(shù)據(jù)模型建立邏輯結(jié)構(gòu)流程圖，如圖4所示。

圖4 制造過程信息數(shù)據(jù)模型構(gòu)建流程圖Fig.4 Manufacturing Process Information Data Model Construction Flow Chart

制造過程信息領域本體關系數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建過程是將制造過程信息本體模型的概念內(nèi)容根據(jù)以Jena平臺建立相應推理規(guī)則和對應的映射規(guī)則，儲存到關系數(shù)據(jù)庫中，通過上文編寫的OWL為本體描述語言，采用URI（統(tǒng)一資源標識符）來標識本體中不同的概念、屬性等。由構(gòu)建的關系數(shù)據(jù)庫來儲存制造過程信息領域本體中概念、實例之間的關系。制造過程信息本體庫表結(jié)構(gòu)圖模型（圖略）。

5 結(jié)束語

從情境概念內(nèi)涵出發(fā)，以離散型制造業(yè)數(shù)字車間的制造過程信息為應用對象，研究制造過程信息情境的情境因素。根據(jù)離散車間的信息特點，將可拓基元理論與本體相結(jié)合對制造過程多源信息進行知識化表示，構(gòu)建了面向制造過程信息的本體模型，闡述了制造過程信息本體庫存儲方法，并對制造過程信息關系數(shù)據(jù)庫行了建模，解決了離散制造業(yè)數(shù)字車間生產(chǎn)過程的信息多源且復雜，導致易出現(xiàn)滯后嚴重、易出錯、信息的重用和共享困難等問題。同時提出的本體與基元結(jié)合的表示方法為知識表示方法提供了一種新思路。

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