基于語義的新產品設計服務任務管理模型

郭 鋼 李光銳 湯華茂 董元發

重慶大學，重慶，400030

0 引言

隨著我國經濟發展方式的轉變，越來越多的主機制造企業將一些非核心業務（如零部件設計制造）外包給供應商、設計公司去完成，而自己則專注于核心業務能力的提升。這種新產業鏈關聯業務協同模式，在快速提升主機核心競爭力的同時，促進了由供應商、專業設計公司、高校、科研院所等社會資源構成的設計服務產業的發展。為了實現主機企業與供應商、設計公司間的設計服務關聯與協同，需要構建一個基于互聯網的協同設計服務公共平臺，以平臺提供的懸賞設計服務、撮合設計服務、定向委托設計服務等新模式，支撐設計服務供需雙方在平臺上實現設計服務的交互。

在設計服務實現的過程中，設計服務任務是實現供需雙方任務協同的紐帶。作為設計服務的需求者和組織者，主機企業需要建立基于語義的設計服務任務管理模型來對設計服務過程進行有效管理。

國內外學者對設計服務模式和任務管理模型進行了研究：安毅生等［1］提出了基于模糊集理論的任務管理方法，以及表示與驗證的對象化模糊Petri網；喬立紅等［2］建立了任務關系的時間約束網絡模型，給出了基于模型的線性化、實例化方法和檢測判據；周盛等［3］提出了基于活動樹的任務分解模型，實現了模具設計任務的自動管理；閆夢龍等［4］提出了一種基于活動狀態的分布式任務管理模型；Baxter等［5］提出了一種基于知識重用的產品服務系統的設計方案框架；Ma等［6］提出了一種可重構的協同設計服務模式；Niu等［7］提出了多代理和基于工作流的Web服務管理模式；Sang等［8］提出了協同任務管理的協議設計框架。

針對產業鏈設計服務共性需求，本文重點研究設計服務模式、基于互聯網的設計服務公共平臺體系結構，以及基于語義的設計服務任務管理模型。

1 網絡化設計服務模式及任務特征

1.1 網上網下相結合的設計服務模式

由主機企業、設計服務商（供應商、設計公司、高校）組成產品設計服務供需鏈，在主機企業的新產品開發過程中，主機企業將零部件、工裝模具等設計任務在網上發布給已知的設計服務商（定向委托服務），或未知的設計服務商（懸賞征集服務），當設計服務商從網上獲取任務并與主機企業簽訂合約后，設計服務商便按照主機企業要求的技術、質量和時間進度在網下進行設計，設計完成后，將設計結果在網上提交給主機企業，主機企業進行評審，若滿足設計要求，則與設計服務商進行支付結算；若未達到設計要求，則要求設計服務商修改，直至達到設計要求為止。在此過程中的技術交流與沖突協商，可利用網絡化設計服務公共平臺提供的三維協同視頻會議解決。由此構成的網上網下相結合的設計服務模式如圖1所示。

圖1 網上網下相結合的設計服務模式

1.2 網絡化設計服務公共平臺體系結構

由于設計服務商分布在異地，主機企業要發布設計服務任務和有效管理任務的執行，需要一個基于互聯網的設計服務公共平臺，利用該公共平臺，設計服務的供需雙方可進行任務發布與獲取、契約達成、任務執行與過程協同、任務和技術沖突的實時消解、結果提交、評審與修改、結算與支付等。為實現設計服務的網絡化，筆者構建了一個網絡化設計服務公共平臺，該平臺采用云計算服務模式，提供IaaS（IT基礎架構即服務）、PaaS（平臺即服務）、SaaS（軟件即服務）和RaaS（資源即服務）等信息服務模式，以及懸賞、撮合、定向等設計服務及交易模式，支撐產業鏈設計服務的網絡化實現。網絡化設計服務公共平臺的N層體系結構如圖2所示。

1.3 設計服務類型、特征屬性及管理模型

主機企業外包給供應商或設計公司的設計服務任務，一般有零部件設計、模具設計等。根據零部件之間、零部件與模具之間的關聯關系，本文將網絡化設計服務任務定義為4種模型：單聯任務、多聯任務、并聯任務和混聯任務，如圖3所示。

網絡化設計服務任務的特征屬性分為5類：

（1）任務時間特征屬性：任務開始、結束時間、任務工期、緊前緊后、任務暫停、任務恢復、任務結束等。

（2）任務技術特征屬性：零部件協同開發的功能指標、性能指標、幾何結構、裝配關系等。

（3）任務的關聯特征屬性：任務間的單聯、多聯、并聯、混聯關系等。

（4）任務—資源匹配特征屬性：任務與設計資源間的約束匹配、任務—設計資源間的無約束匹配等。

（5）任務協同特征屬性：各任務在時間、內容上的協同關系等。

網絡化設計服務任務管理模型，就是建立任務特征屬性表達形式、執行管理和協同機制，并以知識和經驗方式沉淀下來，以便重復使用。網絡化設計服務任務管理模型如圖4所示，網絡化設計服務任務類型、特征屬性與協同機制表達如表1所示。表1中，Tstart表示開始時間；Tend表示結束時間；Tduration表示工期；Tpause表示暫停時間；Ksimilarity代表相似度。

2 基于語義的設計服務任務管理模型

2.1 基于語義的設計服務任務管理模型

新產品設計是一次性工作，在新產品設計過程中要不斷地創建設計任務、分解設計任務，再外包設計任務、匹配設計服務資源和任務執行管理等復雜過程。針對這一復雜過程，本文提出了基于語義的網絡化設計服務任務管理模型，如圖5所示。

圖2 網絡化設計服務公共平臺體系結構

圖3 網絡化設計服務任務關聯模型

圖4 任務特征屬性描述與任務管理模型

基于語義的設計服務任務管理模型的核心思想是：用語義元數據來描述設計服務任務的特征屬性及任務之間的關系，使設計服務任務的信息交互過程具有明確定義的語義，使人和機器都能共同理解，減少歧義；使用本體來組織設計服務項目，管理領域內的共享知識和概念，并對已有的任務和資源進行語義標注；采用基于邏輯推理的方式來實現對知識的智能查詢和有效利用，提高設計服務知識的重用和自動化管理水平。

表1 網絡化設計服務任務類型、特征屬性與協同機制表達

圖5 基于語義的網絡化設計服務任務管理模型

2.2 設計服務任務本體的定義

本體的概念來源于哲學領域，是關于世界本身的存在及其本質的問題。在計算機科學和信息系統中，本體是表達特殊知識領域的形式化語言，是對同一領域內共享概念及其關系明確的形式化定義。所謂本體，Gruber指出“本體是概念模型的明確的規范說明”。

定義1 任務本體：設計服務任務本體是一個六元組OT＝（CT，RT，HT，FT，XT，IT），其中，CT表示任務及相關概念的集合；RT表示CT中概念之間的關系集合，定義為n維笛卡兒積的子集，RT?CT×CT，包括任務的串行、并行關系，任務與設計對象、設計資源、企業部及供應商之間的關系等；HT表示關系的層次關系；FT、XT、IT分別表示函數集合、公理集合和概念的實例集合。

設計服務任務的本體功能是捕獲設計服務管理領域的共有知識，確定該領域內共同認可的術語，給出這些術語及術語之間關系的明確的規范化的形式化說明，以強化對這些知識的共同理解。

2.3 基于描述邏輯的形式化語義

本文采用描述邏輯SHOIN（D）對網絡化設計服務任務進行建模，并將任務模型轉換為OWL DL本體描述語言進行描述，以實現基于語義的任務管理。描述邏輯是一種基于對象的知識表示的形式化，也叫概念表示語言或術語邏輯。它是一階謂詞邏輯的可判定子集，具有合適定義的語義，并且具有很強的表達能力。SHOIN（D）是在基本描述邏輯ALC的基礎上允許關系具有傳遞性（記為S），加入逆屬性構詞R-（記為I），加入屬性包括公理R?S的（記為H）絕對數量約束≥nR和≤nR（記為N）和數據類型屬性（記為D），以及允許通過個體的枚舉來定義的類｛a｝（記為O）。ALC是最小命題封閉的描述邏輯。ALC語法遞歸定義如下：

定義2 ALC語法：令NC為原子概念集，NR為原子關系集，則ALC概念描述定義為：

（2）如果C和D 是ALC概念，且R∈NR，則表達式┐C，C∩D，C∪D，?R.C 和?R.C 是ALC概念。

定義3 SHOIN（D）語義：語義是對概念描述內容的語義解釋，如SHOIN（D）是對四元組I＝（ΔI，ΔD，·I，·D）的解釋，其中ΔI、ΔD代表論域的對象和數據類型的非空集合，ΔI∩ΔD＝?，·I、·D為解釋函數；設VC、VIP、VDP、VD、VI、VDV分別為可數且兩兩不相交的原子概念與對象屬性、數據類型屬性、數據類型、個體和數據類型值，解釋函數·I和·D數將每個A∈VC映射為ΔI的子集，記作AI；將每個數據類型D∈VD映射為ΔD的子集，記作DD；將每個對象屬性R∈VIP映射為ΔI×ΔI的子集，記作RI；將每個數據類型屬性U∈VDP映射為ΔI×ΔD的子集，記作UI。

對定義2中由構造算子構成的概念，解釋函數賦于其定義的解釋為

2.4 設計服務任務的語義元數據定義

2.4.1 時間特征屬性定義

令術語DTask表示設計任務，hasTime為時間特征屬性，則任務的開始時間特征屬性定義如下：

任務的結束時間特征屬性定義如下：

任務的工期特征屬性定義如下：

2.4.2 技術特征屬性定義

將設計服務任務的技術特征屬性分為功能參數、性能參數、幾何結構、裝配尺寸、材料及公差等參數特征。

令hasTechParameter為技術特征屬性，則功能特征屬性hasFunction定義如下：

其中，Function表示產品功能概念。

性能特征屬性hasPerformance定義如下：

其中，Performance表示產品性能。

2.4.3 關聯特征屬性定義

令HSTask、SCTask、MSTask分別表示主機廠、零部件供應商及模具供應的設計任務。

令hasSingleConn表示任務之間的單連關系，則

令hasMultiConn表示任務之間的多連關系，則

2.4.4 資源特征屬性定義

設計資源是指設計人員、供應商及經過勞動創造的各種模型和信息（如產品三維模型、零部件二維圖紙、測試報告、評審報告、評價報告及技術標準、設計規范等）。令hasResource表示任務的資源特征屬性，DResource表示設計資源，則

2.4.5 協同特征屬性定義

任務的協同特征屬性表現為任務之間的串行關系、并行關系及任務的緊前和緊后關系。

令 hasSerialTask、hasParallelTask、hasP-recedence和hasSuccessor分別表示串行任務、并行任務、緊前任務及緊后任務關系，則

2.4.6 任務的輸入輸出特征屬性定義

設計服務任務除了具有以上特征屬性外，還具有設計輸入和設計輸出特征屬性，令hasInput、hasOutput分別表示設計輸入和設計輸出，則

3 應用實例

3.1 網絡化設計服務公共平臺及應用過程

基于語義的設計服務任務管理模型在“網絡化設計服務公共平臺”（以下簡稱“平臺”）上得到了成功應用?！捌脚_”采用設計任務管理方式，對主機廠與供應商之間的網絡化設計服務任務進行管理。主機廠通過“平臺”制定項目計劃、分解設計任務、發布設計任務、對設計任務執行進行監控和管理。供應商通過“平臺”進行任務協商、接收任務、提交設計結果?！捌脚_”的主要功能及導航界面如圖6所示。

圖6 網絡化設計服務公共平臺導航界面

由于不同設計任務的設計對象不一樣，設計任務具有不同的設計參數，“平臺”能夠很好地描述設計任務的共同屬性，但卻很難描述設計任務動態變化的設計參數。同時，設計任務在分解及執行過程中往往需要查詢和重用以往的知識和經驗。因此，“平臺”的項目模塊采用基于語義的設計服務任務管理模式以解決上述問題。下面以某主機廠某款摩托車的前照燈設計服務為例進行闡述。

3.1.1 設計服務任務定義

將摩托車前照燈設計任務分解為前照燈外觀創意設計任務和前照燈結構設計任務。采用描述邏輯SHOIN（D）定義的設計服務任務如下：

令任務HeadlampAspect表示主機廠承擔的前照燈外觀設計任務，任務HeadlampStruc表示某供應商承擔的前照燈結構設計任務，其形式化描述如下：

若令a表示主機廠承擔的前照燈外觀設計任務，b表示供應商承擔的前照燈結構設計任務，則

定義任務之間的單聯任務及并行任務關系為：

3.1.2 設計服務任務描述

通過Protégé構建設計服務任務本體，對設計服務任務進行明確化、顯示化定義，設計服務本體的部分OWL DL描述如圖7所示。

圖7 基于OWL DL的設計服務任務本體

3.1.3 設計服務任務分解及語義標注

基于語義的設計服務任務分解就是利用設計服務任務本體中已有的任務概念來構建任務實例。本文通過OntoMat對“平臺”中的任務進行語義標注，擴展設計任務屬性描述，將設計服務任務管理的知識和經驗沉淀下來以便重用。設計服務任務分解的OWL描述如圖8所示。

圖8 基于OWL DL描述的任務分解

3.1.4 設計服務資源配置及語義查詢

設計服務資源配置是指將合適的設計資源分配給合適的設計任務，以最小的資源耗費設計出最合適的產品。設計服務資源配置涉及設計人員、供應商及產品模型等的查詢與匹配。因此，“平臺”中將資源配置及查詢轉換為基于描述邏輯的推理。如為某設計任務T≡DTask∩?hasObject.P選擇合適供應商的程序為：首先針對其任務選擇合適對象，然后將對象條件轉化為本體知識庫中已有的查詢實例a，使得a：S成立，S的定義為：

本文通過SPARQL對設計服務任務本體進行查詢，查詢過程如圖9所示。

圖9 基于SPARQL的資源配置查詢

3.2 系統的實現原理

“平臺”采用EJB技術，以 Weblogic為中間件，使用Oracle數據庫，基于三層體系技術架構實現。其中，基于語義的網絡化設計服務任務管理模塊采用Protégé構建設計服務任務本體，通過OntoMat對設計任務進行語義標注，以Pellet 2.0為推理機，通過SPARQL查詢語言實現基于語義的查詢及推理，實現原理如圖10所示。

圖10 基于語義的設計服務任務管理實現原理

4 結束語

基于語義的網絡化設計服務任務管理模型，旨在建立新產品設計服務模式、設計服務任務管理模型，開發網絡化設計服務公共平臺，并采用語義元數據對設計服務任務特征屬性及任務與任務的關聯關系進行描述，將任務分解、任務分配及任務管理的知識和經驗明確化、顯示化，從而提高已有設計服務知識和經驗的利用效率，提高網絡化設計服務任務的管理水平。

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