基于本體語義的制造網格構建機理研究

摘 要：針對制造資源共享和協同制造的困難，提出了基于本體語義的制造網格系統的構建思路。首先定義了制造網格服務模型，以及制造網格環境中資源封裝和運行管理的基本單元——制造服務域；然后提出了基于本體語義的制造網格的體系結構及其關鍵問題；最后詳細分析了制造網格服務響應流程中基于本體語義的服務發現、制造服務域的構造以及制造網格服務的完成等活動的執行過程。

關鍵詞：制造網格服務； 制造服務域； 語義； 本體

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：1001-3695(2008)08-2289-03

Construction mechanism of manufacturing grid based on ontology semantics

ZHANG Sha-qing， LIU Qiang， ZHANG Ping， CHEN Xin

(Guangdong University of Technology， Guangzhou 510520， China)

Abstract:Aiming at the current problems in large scale information sharing and collaboration among the manufacturing cells， this paper proposed a framework for the construction of manufacturing grid based on ontology semantic. Firstly， described manu-facturing grid service model， and defined manufacturing service domain， which was the basic cell for resource encapsulation in manufacturing grid and was vital to run-time management of manufacturing grid. Then， put forward architecture and key problems of manufacturing grid based on ontology semantics. Finally， it analyzed the responsive process for manufacturing grid service based on ontology semantics in detail.

Key words：manufacturing grid service(MGS); manufacturing service domain(MSD); semantics; ontology

0 引言

制造網格（manufacturing grid，MG）是網格計算思想在制造領域內的拓展應用，其本質在于將具有分布與共享、動態與多樣性、自治性及其多重性^[1]、重用與融合性等特點的資源從其所有者手中以網格服務的形式提供給資源消費者，旨在實現制造資源的封裝和全面共享。然而，制造網格服務提供方式、服務主體、計算方式等與計算網格存在較大差異，主要體現在：a）制造網格中服務提供者（制造資源的所有者）的目標就是在激烈的市場競爭中實現自身利潤的最大化或成本的最小化，具有強烈的社會屬性。其提供服務的能力也隨所處的社會環境和經營現狀而變化，在一個服務響應周期內可能出現大幅度波動。b）服務的物理體現不一樣。計算網格或電力網格所提供的服務作為有形實體（計算能力、電力）屬于流式同質^[2]，可以精確量化，是相對實時提交的，容易形成計價體系，具備弱商業風險的特性，因而在服務過程容易完成結算，并省略了絕大多數的中間適配過程；制造網格中的服務是制造過程和制造能力的一個網格代理，具有結構復雜、服務再分、報價和核算隨動、提交物的產生過程和提交過程與網格分離等鮮明特性。c）制造網格中的計算方式從大量的數據計算、信息處理轉向信息的協同與制造實體之間的互操作。這些差異的出現使得在構建制造網格系統時應有不同的側重，特別要求有清晰的職能定位，不但要提供對制造資源的一致訪問，如制造資源注冊和搜索、制造能力描述、制造協作和聯動等內容，也要提供對制造任務立項到完成的全過程跟蹤、監控和響應，如制造任務立項、制造任務執行過程監控、制造資源調度、資金結算等內容。

另外，由于制造資源的異質、異構、異地的特性以及制造過程的復雜性，使得制造網格的資源封裝與制造網格服務的描述及發現也存在如下困難：a）雖然Web 服務資源框架（WSRF）和網格服務描述語言（GWSDL）對網格服務的具體接口方面的表達能力較為細致，但沒有提供高層的服務描述信息，缺乏服務功能、服務能力等的語義描述，所以要查找特定功能的制造網格服務只能以關鍵字匹配為主，不能使用細化、泛化、平級擴展等語義操作進行查詢，無法實現基于語義推理的智能化檢索，檢索效率不高；b）對于無形的邏輯資源（如知識資源、虛擬組織^[3]等）應該如何封裝與動態組合，封裝的粒度和層次如何，如何具體描述其服務接口；c）不能量化候選服務與用戶所查詢服務之間的符合程度。

基于以上制造網格的特點與現狀，本文對制造網格服務和制造網格構建機理進行了研究，并將本體引入制造網格系統，力圖構建一個具有語義共享的制造網格系統，著重討論了基于本體語義的制造網格服務請求與響應機制。

1 制造網格服務與制造服務域

廣義的制造包括產品整個生命周期內的全部或部分企業業務活動（如原料采購、產品設計、制造、銷售等）。

定義1 制造網格服務 由制造實體提供的制造服務、設計服務、加工服務、供應鏈/物流服務等統稱為制造網格服務。制造網格服務以制造任務為內核，包括服務能力描述、服務協議、服務質量等附屬內容。

制造網格服務需要規范化表示，可以基于OGSA框架定義的service對象模型進行擴展，如圖1所示。

GridService等接口繼承自計算網格中的網格服務。制造能力、制造網格服務質量、標價與結算、提供商及其成熟度與市場信譽等作為制造網格服務的外部接口，將被作為注冊屬性。服務集成、服務聚合與分解、等價與替換等外協接口被制造網格服務的提供過程所使用。

MGS中內嵌了制造網格服務請求與響應機制，可以觸發制造網格服務響應流程，并依附流程維持服務的生命線。

定義2 制造服務域 擁有制造能力、能提供制造網格服務的制造實體的抽象。制造服務域是網格中虛擬組織的一階實體，是對制造設備、制造單元、制造部門、制造企業、制造聯盟、人力資源、制造知識等廣義制造資源及其聚合的抽象化和虛擬化，使得制造服務的集合可以像單個單元一樣工作。

制造服務域內部組織結構包括如下基本部分：

a)服務響應流程引擎。該引擎的作用是驅動制造網格服務的提供過程。

b)服務實例容器/項目管理容器。處于生命周期內的制造網格服務實例需要有其生存環境，服務的提供在制造服務域以制造項目的形式組織實施。

c)制造服務/制造能力/制造資源映射表。制造服務以制造能力為內核，通?？梢栽谥圃旃に?、制造資源、技術水平、設備狀態等方面形成對制造服務的表征和制造服務質量的鑒定。

d)商務中心。形成制造網格服務的報價體系，建立結算中心，處理日常合同和協議等事項。

e)資源中心。負責制造項目實施過程中的人力、知識、技術、設備等資源的調度與均衡工作。

f)集成中心。在制造網格服務提供的過程中，多個服務之間的聚合和集成往往需要多個制造服務域的有機組合，從而滿足虛擬組織的需要。集成中心承擔制造服務域的擴張和嵌入，其中擴張主要在于各制造服務域的資源整合和統一調度。

制造服務域有游離態、瞬態聯盟和穩態聯盟三種生存狀態，如圖2所示。

游離態（天然的生存態）是一種基態，是組成瞬態聯盟和穩態聯盟的基礎。隨著制造網格服務的執行和完成，制造服務域的生存態也在三種生存態之間進行轉換。聯盟態制造服務域的構建以盟主召集的形式進行，以盟主負責制方式運行。瞬態聯盟的生命周期取決于制造網格服務響應流程的時間跨度，它是短暫的、單實例的聯盟。穩態聯盟是游離態的一種高級形式，兩者在同一時期可能承擔多項制造網格服務提供的任務，它們是具有固定組織結構和層次的、多實例的聯盟。因此在制造服務域內，必須進行制造項目的實例管理以及受限資源的分攤管理。

2 基于本體語義的制造網格體系結構及其關鍵問題

2.1 體系結構

定義3 本體 一個本體是一個共享概念化模型的形式化和顯式的說明規范。概念化模型表示現實世界中被研究客體的抽象;顯式意味著概念類型的使用及使用的約束有明確的定義；形式化是指本體應該是機器可以理解的，即計算機應能解釋信息提供的語義;共享表明本體描述的知識是被團體共同認可的，而不僅僅是個體觀點的表達^[4]。

目前，面向制造的領域本體的研究成果主要有TOVE^[5]、STEP^[6]、PSL^[7]等。然而，制造網格在資源和應用方面比其他網格(計算網格、數據網格、信息網格等)更具多樣性與復雜性，要構建具有工業標準的制造領域本體，并將之映射為制造網格服務本體是一項極其復雜的任務。本文只給出制造網格服務本體模型的一般框架。

定義4 制造網格服務本體模型

MGSO=(CP， SP， Is/Os， QoS)

其中：CP為服務公共屬性，即所有服務都必須有的屬性描述，如服務ID、服務名稱、服務提供者ID、服務提供者名稱、服務功能、服務價格、服務分類、服務訪問方式、資源指針(服務使用的資源指定)、服務提供者分類、聯系方式、服務創建日期、版本等；SP為服務專有屬性，指具體的服務所特有的屬性，如服務執行的前提條件、使用服務時的通信加密要求與身份認證等；Is/Os為輸入/輸出接口集合，輸入/輸出參數所使用的數據大都采用常見的數據類型，Is可表示為輸入參數和數據類型的集合，Os可表示為輸出參數和數據類型的集合；QoS為服務質量，它是制造網格服務可用性與可靠性評價的重要指標，主要是指制造網格服務的非功能屬性，即可用性、可訪問性、完整性、性能、可靠性、安全性^[8]。

擬構建的基于本體語義的制造網格模型如圖3所示。

該模型分為網格門戶、應用層、語義轉換層、網格資源管理層、網格資源實體層五個邏輯層次。制造網格門戶為用戶使用制造網格資源提供必要的接口，包括用戶直接使用制造網格服務的圖形界面、命令行界面等。這套接口將制造網格內部結構和操作的復雜性隱藏起來，方便用戶對制造網格服務的使用，也為制造網格應用開發預留接口，網格門戶內部嵌入制造網格運行管理系統，進行跨層次的管理。應用層定義了制造網格的應用模式與應用系統。語義轉換層負責用戶與制造網格間的語義轉換，避免了用戶與網格資源實體層的直接交互，用戶不必關注資源的形式和位置，網格資源實體層的任何變化對用戶來說都是透明的。網格資源管理層負責管理各個分布異構的網格系統節點及其與用戶之間的交流，通過屏蔽制造網格基礎設施中服務的分布、異構特性，消除語義沖突，為用戶提供透明的基于語義的服務，從而對用戶的應用形成一個虛擬的同構環境。網格資源管理層主要包括安全機制、注冊注銷機制、刷新機制、資源管理和服務調度。網格資源實體層是網格的最底層，由網絡硬件、智能通信平臺、制造網格資源節點、節點的領域本體組成^[9]。

2.2 關鍵問題

以上只是給出了基于本體語義的制造網格的邏輯結構模型，仍有許多關鍵問題需要深入研究，主要包括：

a）參照定義4，構建面向制造領域的具有工業標準的服務本體。

b）制造網格服務建設與管理方面：

(a)制造網格服務的經濟模型^[10]及其實現工具的開發與管理；

(b)制造網格服務的語義注冊、注銷，以及動態維護機制、運行期管理機制。

(c)制造網格服務智能分解與聚合機制。

c）制造服務域建設與管理方面：

(a)制造服務域基礎信息以及用戶、角色、權限管理；

(b)制造服務域管理接口定義與管理機制，包括商務接口、分布式流程管理接口、協同項目管理接口；

(c)制造服務域的擴展運算與多制造服務域資源整合機制；

(d)制造服務/制造服務域映射、制造服務域代理機制。

3 基于本體語義的制造網格服務響應流程

基于本體語義的制造網格服務響應流程大致可以分為三個步驟： a）制造網格服務請求與發現；b）制造服務域的構造；c）制造網格服務的執行。

如圖4所示，步驟a）是制造網格服務響應的關鍵，它以終端用戶提交的制造網格服務請求為驅動，通過在語義制造網格服務本體倉庫(semantic manufacturing grid service ontology repository， SMGSOR)中執行多維度的語義匹配，得到在SMGSOR中注冊了語義性能的網格服務（若用戶提交的服務請求復雜度較大，制造網格應用系統自動將用戶服務請求（制造任務）分解為若干子服務請求，則需要兩個或多個網格服務才能滿足用戶需求），并將之映射為制造網格服務倉庫(manufacturing grid service repository，MGSR)中的制造網格服務。

基于本體語義的制造網格服務發現主要通過度量服務相似度來實現，主要包括詞匯語義相似度、服務屬性相似度、參量相似度、結構相似度這幾種方式^[8]。詞匯語義相似度simLexical(S1，S2)計算詞語間的距離，可以通過計算詞匯在本體樹狀結構中相應節點間的距離或描述詞匯的義原間的距離來實現。服務屬性相似度simProperties(S1，S2)參照建立制造網格服務本體時定義的概念實體、概念屬性、概念間的關系等，給出服務屬性間的相似度。上下位關系、整體部分關系、同義/反義關系等語義關系是語義細化、語義泛化、語義平級擴展等操作的基礎，使語義外延和語義聯想等檢索算法得以實現。參量相似度simParameter(S1，S2)對可供度量的參量，如輸入參數、輸出參數、服務質量參數等進行相似度計算。輸入/輸出參數的相似程度可以從語義、類型和數值考察；服務質量參數一般從數值上進行比較。結構相似度simStructure(S1，S2)對制造網格服務本體的結構進行比較，用層次遞歸比較或相互映射等方法給出相似^[11]。

定義5 制造網格服務間的相似度

simParameter(S1，S2)、simStructure(S1，S2)的分析與計算詳見文獻[8，11，12]。

步驟b）將制網格服務映射為制造服務域，形成面向制造網格服務的瞬態緊耦合聯盟，聯盟的資源管理納入一個獨立的管理域范疇。步驟c）對用戶服務請求（制造任務）的執行則采用制造項目的形式進行組織與管理，有利于形成資源對項目的映射，便于進行進度跟蹤、資源調度、成本核算、績效考核等條目的實施。項目最終的產出物可能是產品、設計方案或圖紙、采購訂單、物流調度等形式，需要備有網絡交付、外部提交等多種交付方式。

4 結束語

本文結合網格技術和本體概念，構建了一種服務驅動的制造網格系統，提出了基于本體語義的制造網格系統的一般框架及其服務響應流程，并初步分析了制造網格系統構建中的一些關鍵問題。

制造網格是新生的事物，將本體語義與制造網格相融合，還有很多方面有待繼續深入研究，特別是網格環境下各類異購制造資源的統一封裝和能力表征，以及具有工業標準的制造領域本體的構建將是研究的重點。

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