基于本體的云制造服務(wù)發(fā)現(xiàn)模式研究

楊 琛，王中杰，王世明

（1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306；2.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

基于網(wǎng)絡(luò)化制造模式的發(fā)展和云計算技術(shù)的推廣，云制造（Cloud Manufacturing, CMfg）[1]這一新的網(wǎng)絡(luò)化制造模式隨之誕生。云制造是云計算、物聯(lián)網(wǎng)、CPS、嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)化制造等高新技術(shù)交叉融合的產(chǎn)物，是云計算服務(wù)模式在制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與拓展。云制造中，涉及產(chǎn)品全生命周期的制造資源被封裝成各種制造云，以服務(wù)的形式提供虛擬的制造資源信息，通過建立制造云共享的制造資源公共服務(wù)平臺，為用戶提供按需獲取的可伸縮的制造資源云服務(wù)。

制造云包括生產(chǎn)加工云、設(shè)計云、計算云、測試云、能力云等，呈現(xiàn)分布廣、種類多、結(jié)構(gòu)異構(gòu)、管理自治和動態(tài)組合等特征。隨著制造云數(shù)量的增加，如何屏蔽異構(gòu)，快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)符合用戶需求的制造服務(wù)成為實現(xiàn)云制造開放協(xié)作和高度共享的關(guān)鍵。在云計算領(lǐng)域?qū)W者提出基于本體抽象和推理實現(xiàn)云服務(wù)發(fā)現(xiàn)[2～4]，但是并未針對云制造這一特殊的領(lǐng)域進(jìn)行分析和研究。本文針對云制造環(huán)境，利用本體技術(shù)構(gòu)建制造云，建立基于語義描述的云制造服務(wù)體系模式，利用制造云本體實現(xiàn)制造云服務(wù)的推理和匹配，幫助制造云消費者發(fā)現(xiàn)優(yōu)化的制造服務(wù)。

1 基于語義的云制造服務(wù)體系結(jié)構(gòu)

云制造面向用戶提供制造服務(wù)所需的廣義制造資源，包括生產(chǎn)加工硬件設(shè)備、軟件資源、計算資源、人力資源、管理資源以及制造能力資源等；服務(wù)消費者則通過Internet提交服務(wù)請求，按需獲取優(yōu)良的制造服務(wù)及組合。在交易過程中消費者對制造服務(wù)的需求描述通常是模糊和不完備的，制造云的封裝格式、訪問機(jī)制和描述方法也常常不一致。由此造成云服務(wù)查全率和查準(zhǔn)率均不高。為了克服歧義，解決云服務(wù)發(fā)現(xiàn)不完備的問題，本文利用本體技術(shù)，建立如圖1所示的基于語義的云制造服務(wù)體系結(jié)構(gòu)，通過制造云本體的建立、映射和推理，消除語義異構(gòu)，完成云服務(wù)發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)云制造的資源共享和知識復(fù)用。

制造資源層面向各種制造資源，通過自動感知技術(shù)獲得制造資源的關(guān)鍵信息；虛擬封裝層是實現(xiàn)云制造服務(wù)共享的基礎(chǔ)，利用本體技術(shù)對廣義制造資源抽象和封裝，完成對制造云的語義描述；云化層面向消費商和提供商，通過web對制造資源本體進(jìn)行注冊和發(fā)布，形成各種類型的制造云；云制造服務(wù)發(fā)現(xiàn)層是實現(xiàn)制造云服務(wù)搜索和組合的關(guān)鍵層，包括了對云制造服務(wù)請求解析、本體推理、云服務(wù)匹配、云服務(wù)分解和組合等，通過該層可獲得滿足消費者需求的制造云或制造云組合；云制造服務(wù)監(jiān)控層監(jiān)控整個服務(wù)過程和狀態(tài)，并完成云制造服務(wù)的評估和跟蹤，信息直接反饋給消費者和提供者以供服務(wù)參考和本體更新。

圖1 基于語義的云制造服務(wù)體系結(jié)構(gòu)

2 制造資源本體

本體源于哲學(xué)范疇，Gruber[5]指出“本體是概念化的明確的規(guī)范說明”，通過本體可以在不同的建模方法、范式、語言和軟件工具之間進(jìn)行翻譯和映射，實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的互操作和繼承。云制造中，應(yīng)用本體建立對制造資源和制造服務(wù)抽象化說明和語義描述，通過建立制造云上層服務(wù)本體和制造資源領(lǐng)域本體對云制造進(jìn)行語義描述，實現(xiàn)制造云的封裝和共享。

2.1 上層服務(wù)本體

OWL - S (Web Ontology Language for Services)是Web服務(wù)的上層本體語言[6]，用于描述任一Web服務(wù)。定義Service類對應(yīng)每個Web服務(wù)，并通過3個子類實現(xiàn)Web服務(wù)具體描述說明：服務(wù)概要類(ServiceProfi le)描述服務(wù)基本信息；服務(wù)模型類(ServiceModel)定義具體實現(xiàn)過程；服務(wù)細(xì)節(jié)類(ServiceGrounding)說明訪問方式。云制造中，提供按需的云能力服務(wù)是核心，因此利用OWL-S建立云制造服務(wù)本體，通過對云制造服務(wù)的語義描述，有利于云制造服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、調(diào)用、互操作、組合、執(zhí)行和監(jiān)控，達(dá)到云制造服務(wù)的共享。

定義1 在制造云上層服務(wù)本體中，對類Service進(jìn)行拓展，將制造云服務(wù)定義為一個MC_Service類，其服務(wù)本體模型定義為：

MC_Service={MC_ServiceProfile, MC_ServiceModel, MC_ServiceGrounding}。

其中，MC_ServiceProfi le描述云制造服務(wù)概要，面向消費者提供云制造服務(wù)的基本信息，包括制造任務(wù)、制造對象、制造實施條件和服務(wù)質(zhì)量等。

MC_ServiceModel描述云制造服務(wù)過程，即服務(wù)具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)。根據(jù)OWL-S定義MC_Service有原子過程和組合過程兩類process，即對應(yīng)云制造中原子制造服務(wù)和復(fù)雜制造服務(wù)。原子服務(wù)是不能再分解的制造服務(wù)；復(fù)雜制造服務(wù)是指可以進(jìn)一步細(xì)分為小粒度復(fù)雜或原子服務(wù)的制造服務(wù)。在云制造服務(wù)發(fā)現(xiàn)過程中可以通過過程控制策略來實現(xiàn)云服務(wù)的分解和組合。

MC_ServiceGrounding描述如何獲得云制造服務(wù)，即云能力提供者的訪問地址、獲取方式、通信形式等。

2.2 領(lǐng)域本體

云制造領(lǐng)域本體是對廣義制造資源的抽象和規(guī)范化說明，根據(jù)制造資源分類法和制造過程知識，并結(jié)合專家意見，建立了領(lǐng)域本體描述模型。

定義2 云制造領(lǐng)域本體模型（Model of Domain Ontology in Cloud Manufacturing，MDOCM）定義為6元組：

MDOCM={MC_Task, MC_Resource, MC_Object, MC_Enterprise, MC_Qos, MC_Knowled ge}。

其中，MC_Task是制造服務(wù)類型的抽象，比如生產(chǎn)加工、設(shè)計仿真、物流裝配等制造服務(wù)。

MC_Resource定義了廣義的制造資源類：制造資源和制造能力。制造資源中包括軟件、硬件、機(jī)床、工藝裝備等；制造能力是制造過程中提供的一種能力服務(wù)，比如生產(chǎn)加工服務(wù)、仿真服務(wù)、管理服務(wù)、設(shè)計服務(wù)、物流服務(wù)等。

MC_Object是制造對象，包括整機(jī)、零部件、材質(zhì)等。

MC_Enterprise是制造節(jié)點/企業(yè)，描述了制造企業(yè)的基本信息。

MC_Qos是云制造服務(wù)質(zhì)量，包括服務(wù)成本、服務(wù)時間、服務(wù)質(zhì)量、服務(wù)狀態(tài)等。

MC_Knowledge是云制造知識，包括成功交易的云制造服務(wù)基本信息、生產(chǎn)加工工藝、制造服務(wù)控制策略等。

通過建立本體的描述模型，利用斯坦福大學(xué)開發(fā)的Protégé4本體建模工具，實現(xiàn)了云制造上層服務(wù)本體和領(lǐng)域本體的復(fù)合本體。

3 基于本體的云制造服務(wù)發(fā)現(xiàn)

云制造服務(wù)的發(fā)現(xiàn)過程是通過對服務(wù)請求和云制造平臺現(xiàn)有制造云解析與匹配的過程。根據(jù)基于本體的云服務(wù)匹配方法[7,8]，并為了利于云制造中服務(wù)的動態(tài)發(fā)現(xiàn)和資源共享，本文提出了基于本體的云制造服務(wù)發(fā)現(xiàn)模型，如圖2所示。

1）服務(wù)請求進(jìn)行查詢之前必須先完成語義擴(kuò)展,獲得服務(wù)請求文本，并基于云制造復(fù)合本體生成擴(kuò)展后的規(guī)范服務(wù)請求文本。由于消費商通常不是領(lǐng)域?qū)＜遥瑢τ谥圃鞓I(yè)的專業(yè)知識了解并不充分，對制造服務(wù)的描述不明確和規(guī)范，所以需要根據(jù)云制造復(fù)合本體實現(xiàn)任務(wù)的語義擴(kuò)展和信息規(guī)范描述。

2）為了能實現(xiàn)基于語義的搜索，需要請求文本通過云服務(wù)解析器，根據(jù)服務(wù)本體的MC_ServiceProfi le類將請求文本的服務(wù)目標(biāo)、對象、質(zhì)量等信息進(jìn)行解析，并存入解析文本中。

3）解析后的請求文本進(jìn)行服務(wù)逐級匹配，實現(xiàn)服務(wù)發(fā)現(xiàn)。匹配過程如下：首先通過MC_Knowledge類中的服務(wù)本體描述進(jìn)行服務(wù)匹配，搜索平臺中是否已有成功案例，如果結(jié)果是“YES”,則直接調(diào)用知識類中的服務(wù)組合，并輸出云服務(wù)信息給消費者，否則，進(jìn)入匹配下一階段。

4）云服務(wù)匹配器包括3層匹配：云服務(wù)目標(biāo)、云服務(wù)質(zhì)量和云服務(wù)過程匹配。匹配成功的云服務(wù)輸出給消費商。首先匹配器對云服務(wù)目標(biāo)進(jìn)行匹配，包括制造任務(wù)、制造對象等信息進(jìn)行匹配，發(fā)現(xiàn)能夠完成制造服務(wù)請求任務(wù)的服務(wù)本體；然后對服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行匹配，包括服務(wù)水平、制造規(guī)模、服務(wù)價格等。符合質(zhì)量要求的服務(wù)本體被選出進(jìn)行服務(wù)過程匹配，檢查是否復(fù)合制造服務(wù)的制造過程要求。匹配合格的服務(wù)本體被選中，按照匹配度高低次序輸出給消費者進(jìn)行優(yōu)化選擇。通過多層匹配手段可以保證服務(wù)較高的查準(zhǔn)率。

圖2 云制造服務(wù)發(fā)現(xiàn)模型

5）利用本體推理技術(shù)，對制造服務(wù)進(jìn)行推理。（1）根據(jù)制造過程將某一云制造服務(wù)請求分解為設(shè)計云服務(wù)、仿真云服務(wù)、生產(chǎn)加工云服務(wù)、物流云服務(wù)和管理云服務(wù)等不同的制造服務(wù)過程，通過分解獲得不同的云服務(wù)；（2）根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)或制造工藝等制造知識，對無法匹配的云服務(wù)進(jìn)行推理，分解為多個粒度更小的制造云以供選擇。通過云制造服務(wù)的本體推理，可以提高服務(wù)的查全率。

6）通過匹配器和推理器獲得的多個制造云，在云服務(wù)器中進(jìn)行組合。最終可以獲得分解后的制造云服務(wù)組合結(jié)果輸出，完成制造服務(wù)。

4 應(yīng)用

本文基于面向某集團(tuán)企業(yè)的復(fù)雜產(chǎn)品云制造系統(tǒng)中的生產(chǎn)加工云能力服務(wù)進(jìn)行了原型系統(tǒng)開發(fā)，原型系統(tǒng)開發(fā)基于 Protégé4+OWLPlugin 實現(xiàn)復(fù)合制造資源本體，利用語義推理工具Jena實現(xiàn)服務(wù)語義推理，平臺采用MyEclips開發(fā)軟件，java 語言開發(fā)實現(xiàn)。原型系統(tǒng)驗證了本文提出的基于語義的云制造服務(wù)能有效地實現(xiàn)分布制造服務(wù)的共享和協(xié)作。

圖3是運行截圖。其中，(a)是云服務(wù)請求不確定的情況下，通過語義推理獲得云制造制平臺已有的云制造任務(wù)名，并按照服務(wù)需求獲得適當(dāng)?shù)姆?wù)查詢結(jié)果；（b）為當(dāng)復(fù)雜任務(wù)無法根據(jù)任務(wù)名獲得匹配的服務(wù)時，可通過任務(wù)分解和服務(wù)組合獲得制造云組合查詢結(jié)果。

圖3 系統(tǒng)運行圖

5 結(jié)論

本文探討了基于本體的云制造體系結(jié)構(gòu)，基于服務(wù)本體和領(lǐng)域本體的云制造復(fù)合本體的建立，提出了基于語義的服務(wù)發(fā)現(xiàn)模式，并表示云制造服務(wù)的發(fā)現(xiàn)過程，并且基于某企業(yè)的復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)加工系統(tǒng)實現(xiàn)了一個基于本體的服務(wù)搜索發(fā)現(xiàn)原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是對消費者的請求進(jìn)行了語義擴(kuò)展和規(guī)范，支持用戶的模糊查詢，并利用多層匹配和服務(wù)本體推理完成云制造服務(wù)的發(fā)現(xiàn)，提高了查全率和查準(zhǔn)率。

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