基于文本-語義相似度的云制造資源功能匹配

張志穎，任 越

(河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401)

1 引言

制造業(yè)是區(qū)別發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家的重要因素，是國民經(jīng)濟(jì)中的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，制造業(yè)是工業(yè)大國的基石，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)科技再創(chuàng)新高，提高國民生活水平，推進(jìn)社會(huì)和諧穩(wěn)定等方面發(fā)揮著不可替代的作用[1]。隨著國家經(jīng)濟(jì)的迅速增長，云計(jì)算思想的興起，傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)展的道路變得越來越窄，與此同時(shí)，以云制造為代表的智能裝備正在為傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式帶來革命式的產(chǎn)業(yè)變革[2]。云制造是通過先進(jìn)的信息技術(shù)、制造技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將分散的各種制造資源集中到云制造平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理，定期為制造業(yè)提供實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的云制造資源產(chǎn)品服務(wù)。很多企業(yè)開始利用云制造資源功能，整合制造資源，實(shí)現(xiàn)跨類別資源共享與高效利用，從而促進(jìn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，走向全球產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈高端市場[3]。

文獻(xiàn)[4]為了降低制造資源的浪費(fèi)，提出了云制造平臺(tái)資源需求的高效匹配策略，使用戶可以在云制造資源池內(nèi)精確地搜索到需要的資源，首先，借用云計(jì)算思想，利用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源高度共享，再利用Hierarchical Clustering層次聚類算法對云制造資源池內(nèi)資源分層管理，形成多個(gè)云制造資源窩，其次，提取出與客戶需求相似資源窩的信息，作為優(yōu)選資源窩，最后，通過云制造資源的計(jì)算資源、軟件資源與信息資源三個(gè)方面對優(yōu)選資源窩進(jìn)行匹配，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于云制造平臺(tái)資源需求的高效匹配策略與傳統(tǒng)匹配相比，具有更高精度和更高效率的優(yōu)點(diǎn)；文獻(xiàn)[5]針對云制造資源的海量、復(fù)雜、異構(gòu)等特點(diǎn)，提出了一種基于i-NSGA-Ⅱ-JG算法的云制造資源服務(wù)組合優(yōu)選匹配方法，研究了其云制造體系結(jié)構(gòu)、雙層資源模型、資源云服務(wù)模型的匹配參數(shù)，并以i-NSGA-Ⅱ-JG算法的云制造體系架構(gòu)為基礎(chǔ)，在云制造端建立面向資源基本屬性的語義模型，詳細(xì)分析其中云制造服務(wù)與云制造資源平臺(tái)的邏輯層次與邏輯關(guān)系，得出結(jié)合云制造服務(wù)語義的匹配方法，通過實(shí)例分析驗(yàn)證了基于OWL-S的云制造服務(wù)語義匹配方法可實(shí)施性。

基于以上研究背景，本文將文本-語義相似度應(yīng)用到云制造資源功能匹配中，計(jì)算了云制造資源的文本-語義相似度，結(jié)合云制造資源功能匹配流程，實(shí)現(xiàn)了云制造資源的功能匹配，提高云制造資源功能匹配性能。

2 云制造資源功能匹配方法設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)建云制造資源本體

云制造資源在功能匹配過程中，不僅僅要對資源信息進(jìn)行制造，更要分類云制造資源，進(jìn)一步搭建起云制造資源服務(wù)本體模型，提煉出云制造資源的概念和概念特征之間的關(guān)系，對云制造資源服務(wù)本體模型搭建起到關(guān)鍵性作用[6]，從基本實(shí)際需求出發(fā)，腳踏實(shí)地的在本體構(gòu)件流程中不斷進(jìn)行分析及驗(yàn)證，逐步對本體進(jìn)行完善，多研究已經(jīng)成型本體并借鑒其經(jīng)驗(yàn)去更好地完成云制造資源本體的構(gòu)建。構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 云制造資源服務(wù)本體構(gòu)建流程圖

由圖1可以看出，根據(jù)云制造資源本體構(gòu)建流程，分析了云制造資源本體構(gòu)建的具體操作，具體步驟如下所示：

步驟一：明確云制造資源本體的使用規(guī)則

首先要進(jìn)行宏觀定義云制造領(lǐng)域里的一些概念，明確日后使用云制造資源本體即將面臨的以及要嘗試去解決的問題有哪些。

步驟二：篩選現(xiàn)有資源本體

對現(xiàn)有的云制造資源本體進(jìn)行分析比對，查看是否能夠找到滿足當(dāng)下資源的已有的成型云制造資源本體。

步驟三：云制造資源主體概念匯總

羅列出云制造資源里高頻率詞語，并且整理成與之呼應(yīng)的概念集合體。

步驟四：分類及定義

首先針對眾多云制造資源服務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)分類歸納，并且對分好的類別的屬性給予明確定義[7]。例如對車床的分類及定義要從以下方面入手：物體名稱、種類、具體型號(hào)、精準(zhǔn)度以及操作臺(tái)的大小等。云制造資源類比之間的相互關(guān)系有輔助關(guān)系、控制關(guān)系等。

步驟五：評價(jià)云制造資源本體的性質(zhì)

采用清晰的、統(tǒng)一的、完善的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)建的云制造資源本體進(jìn)行檢驗(yàn)和評價(jià)，看其是否與實(shí)際需求相符。如果與現(xiàn)實(shí)需求偏差太大，就對本體概念重新定義。

步驟六：搭建最終的資源本體模型

在構(gòu)建云制造資源本體模型中要使用owl-s進(jìn)行描述[8]。無需具體地對資源概念和概念之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行描述，抽象意義上描述就可以。

在確定云制造資源范圍的基礎(chǔ)上，將云制造資源的概念進(jìn)行抽象化，通過定義類別與屬性之間的關(guān)系，構(gòu)建了云制造資源本體模型。

2.2 計(jì)算云制造資源的文本-語義相似度

由于每一個(gè)云制造資源屬性的物理意義都是不同的，為了便于對比云制造資源的功能，需要先對云制造資源進(jìn)行歸一化處理[9]，處理函數(shù)為

(1)

(2)

云制造資源屬性可以分為正向?qū)傩院头聪驅(qū)傩?，正向?qū)傩钥梢岳檬?2)計(jì)算，反向?qū)傩钥梢岳檬?1)計(jì)算。

對云制造資源進(jìn)行歸一化處理之后，得到一個(gè)多維功能匹配向量，通過向量對比計(jì)算云制造資源文本屬性與語義屬性之間的相似度[10]，假設(shè)兩個(gè)多維向量表示為

C=(C1，C2，…，Cn)

(3)

C′=(C′1，C′2，…，C′n)

(4)

圖2描述了向量C與向量C′在空間中的位置關(guān)系。

圖2 兩個(gè)向量的位置關(guān)系

根據(jù)兩個(gè)向量的位置關(guān)系可以看出，向量夾角和模的關(guān)系是影響向量之間關(guān)系的主要因素，當(dāng)兩個(gè)向量的模的大小接近時(shí)，兩者的相似度越高，當(dāng)兩個(gè)向量的夾角越小時(shí)，兩者的相似度越高。

計(jì)算云制造資源文本向量與語義向量之間的相似度，公式為

(5)

Sim(RQ，SQ)=γ×SimRQ+δ×SimSQ

(6)

利用處理函數(shù)對云制造資源進(jìn)行歸一化處理，得到一個(gè)多維功能匹配向量，根據(jù)文本向量和語義向量的位置關(guān)系，分析影響向量之間關(guān)系的主要因素，計(jì)算了云制造資源文本向量與語義向量之間的相似度。

2.3 云制造資源功能匹配的實(shí)現(xiàn)

云制造資源功能匹配是指在功能信息方面實(shí)現(xiàn)包含輸入匹配、輸出匹配，前提與效果等的匹配[12]。輸入、輸出兩個(gè)詞是對云資源的功能進(jìn)行的描述，要查看資源的輸入和輸出能否匹配成，可以采用計(jì)算兩者的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)的相匹配程度來確定。通過云制造中資源相關(guān)定義和特征之間的轉(zhuǎn)換能夠得出輸入輸出的參數(shù)，所以說云制造功能匹配的實(shí)質(zhì)是定義詞語匹配和特征參數(shù)匹配。

云制造資源輸入功能與輸出功能的相似度匹配關(guān)系可以定義公式為

(7)

式中，RRI表示云制造資源輸入功能的第i個(gè)參量，RPI表示云制造資源輸出功能的第i個(gè)參量，n表示輸入功能和輸出功能的全部數(shù)值。

根據(jù)輸入功能與輸出功能中的數(shù)值參量匹配，計(jì)算RRI與RPI之間的相似度。

將輸入功能與輸出功能中的數(shù)值參量匹配定義公式為

(8)

定義云制造資源輸入功能與輸出功能的匹配度公式為

Ih(RR，RP)=α1Me(RR，RP)+α2Mt(RR，RP))

(9)

其中匹配是對不同情況的描述進(jìn)行的松弛計(jì)算，與精準(zhǔn)的IO匹配不同的是，并沒有針對匹配情況的好壞有一個(gè)具體評判標(biāo)準(zhǔn)。因此以上匹配為成功匹配，其它情況都被定義為匹配失敗。

計(jì)算了云制造資源的功能匹配度，定義為

Fh(RR，RP)=α1Ih(RR，RP)+α2(RR，RP)

(10)

基于以上步驟，設(shè)計(jì)了云制造資源功能匹配流程，如圖3所示。

圖3 云制造資源功能匹配流程圖

由圖3可知，構(gòu)建云制造資源本體，計(jì)算云制造資源的文本-語義相似度，通過從輸入輸出匹配和前提效果匹配兩個(gè)方面，計(jì)算了云制造資源功能之間的相似度，實(shí)現(xiàn)云制造資源功能的匹配。

3 實(shí)驗(yàn)對比分析

為了驗(yàn)證基于文本-語義相似度的云制造資源功能匹配方法的性能，采用文獻(xiàn)[4]的云制造資源功能匹配方法和文獻(xiàn)[5]的云制造資源功能匹配方法與其進(jìn)行對比，測試了云制造資源功能匹配效率和匹配精度，結(jié)果如下。

三種云制造資源功能匹配方法的匹配效率測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 云制造資源功能匹配效率對比結(jié)果

從圖4的結(jié)果可以看出，隨著云制造資源質(zhì)量的提升，云制造資源功能匹配效率越來越高，基于文本-語義相似度的云制造資源功能匹配方法在進(jìn)行功能匹配時(shí)的效率是最高的，原因是該方法通過計(jì)算云制造資源文本和語義之間的相似度，提高了云制造資源的質(zhì)量；文獻(xiàn)[4]的云制造資源功能匹配方法在進(jìn)行功能匹配時(shí)的效率是最低的，說明基于文本-語義相似度的云制造資源功能匹配方法可以加快云制造資源功能匹配速度，保證云制造資源功能匹配的實(shí)時(shí)性。

三種云制造資源功能匹配方法的匹配精度測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同方法云制造資源功能匹配精度對比結(jié)果

從圖5的結(jié)果可以看出，采用基于文本-語義相似度的云制造資源功能匹配方法在進(jìn)行功能匹配時(shí)，匹配精度是最高的，說明該方法可以有效保證云制造資源在功能上的相似度，減少了云制造資源在功能匹配時(shí)的計(jì)算量，提高了云制造資源的功能匹配性能。

4 結(jié)束語

本文提出了基于文本-語義相似度的云制造資源功能匹配，在構(gòu)建云制造資源本體的基礎(chǔ)上，計(jì)算了云制造資源的文本-語義相似度，結(jié)合云制造資源功能匹配流程，實(shí)現(xiàn)了云制造資源的功能匹配。結(jié)果顯示，該匹配方法可以有效提高云制造資源的功能匹配性能。云制造資源功能匹配還在不斷發(fā)展中，各種匹配方法逐步開發(fā)，需不斷根據(jù)智慧文本-語義相似度的發(fā)展對匹配方法優(yōu)化，從而真正準(zhǔn)確的為云制造資源功能提供依據(jù)。

對于未來的研究，可以充分考慮匹配方法不同特征，并依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行全新度量。