基于本體語義的復雜產品可重構制造服務協同建模研究

何 焱，馬 軍，白衛星，謝 歡

（1. 河南城建學院 計算機科學與工程系，鄭州 450002；2. 鄭州輕工業學院 機電工程學院，鄭州 450002）

0 引言

在經濟全球化發展趨勢下，由于市場競爭的加劇，企業從制造過程中獲得的利潤已經越來越少。將現代服務業與制造業融合，提升產品服務附加值，發展現代制造服務業成為企業新的利潤增長點[1]。

現代制造服務的關鍵是要滿足客戶多樣化和個性化的體驗需求，但僅憑企業有限的內部資源已難以滿足，必須集中發展核心競爭力，將非核心業務外包，在外部優勢資源的幫助下完成制造服務。在此背景下，企業利用各自的優勢來提升產品服務附加值，形成圍繞整個產業鏈的制造服務協同增值網絡[2,3]。

饒運清等應用分布式人工智能中的多Agent技術和CORBA分布式對象技術與規范，對車間各種異構制造資源進行建模和封裝設計[4]。姚遠等從W eb服務的角度提出了一個基于本體的制造服務知識建模方法[5]。顧寄南等提出了制造資源UDDI和WSIL相結合的聯合發現機制，服務的驅動下形成動態的資源共享和應用[6]。然而制造服務協同的關鍵是在服務的驅動下形成動態的資源共享和應用。現有的研究以固定的資源和既定解決方案為客戶提供服務，已經不能滿足客戶需求。如何在面向服務思想的指導下，通過服務的交互與協作來集成企業的各生產資源，幫助企業將已有而不靈活的生產系統集成起來，釋放其中的信息或功能為可重用的服務與業務流程成為實現現代制造服務的熱點問題。

本文通過分析制造服務協同的層次及需求特點，提出復雜產品制造服務協同本體建模機制及基于OWL的實現方法，利用面向服務架構建立復雜產品制造服務協同平臺，最后以汽車零部件制造服務協同為例說明了知識共享過程。

1 可重構制造服務協同層次及服務模式

1.1 可重構制造服務協同的內涵及特點

可重構制造服務協同是圍繞某種復雜產品或零部件，利用網絡和制造服務協同平臺，對來自企業內外的制造資源進行合理的組織、調度和優化，為用戶提供各類按需制造服務的一種網絡化制造新模式[7]。

可重構制造服務協同系統與傳統制造系統既有共同點又有很大的區別，相比有以下區別，詳見表1所示。但實際上制造服務協同是在傳統制造系統的基礎上進行擴展，包容了后者，又有了新的發展。

表1 制造服務協同與傳統制造模式區別

1.2 可重構制造服務協同的層級劃分

從產品時間維度，可重構制造服務協同可以劃分為三個空間層次，即：車間層制造服務協同、企業層制造服務協同、聯盟層制造服務協同。

1）車間層服務制造協同：車間是制造企業的核心部分，執行將原材料（包括半成品）轉變成成品的功能。車間層制造服務協同包括：單元制造系統、獨立制造島、柔性制造單元/系統等。

2）企業層制造服務協同：企業層制造服務協同通過聯系上下游企業的生產活動來滿足市場需求。企業層制造協同包括：現代集成制造系統、精益生產系統、分形企業等。

3）聯盟層制造服務協同：聯盟層制造服務協同可看作是企業層服務制造協同在整個產業鏈上的動態擴展。其形式包括：企業聯盟、企業集群、供應鏈、虛擬企業等。

2 基于本體語義的聯盟層制造服務協同資源建模

2.1 制造服務協同資源的本體概念模型

當前對制造資源服務化研究主要集中于資源的發布及資源的搜索，然而，聯盟層可重構制造服務協同涉及到跨組織的流程和資源整合，不同的制造資源系統采用不同的接口、功能、流程、語義，這成為制約制造服務協同發展的瓶頸，因此需要在企業間進行知識的統一建模、并使用能互相理解的知識表示語言進行通信和交互，同時確保各自的獨立自治性。

要做到制造服務協同環境下的知識共享，必須使不同的應用系統對同一領域內的知識不存在二義性的理解。本體是對概念化(Conceptualization)對象的明確表示和描述，它提供了一個表達機制，在保障語義一致性的前提下將隱含的概念及概念之間的關系明晰化，從而有助于實現知識的重用和共享[8,9]。為此，從技術上建立本行業、本領域通用、標準的術語集合，對制造服務協同過程中企業成員所使用的概念和關系進行規范的知識表達。

首先建立制造服務協同資源的本體概念模型CM，采用五元組定義：

CM=（ID,Service,Property,Action，Relation)

其中：ID::=＜Address:|(URI/URL, URL,…＞制造服務單元唯一標識。URL描述所提供服務的地址，防止該服務在進入制造服務鏈后的冗余和不一致性。

Service::=＜Service:|(Qulity,Time,Cost)＞為制造資源服務能力集，定義制造服務單元能夠實現的制造任務及其能夠達到的質量、時間、費用要求

Property::=＜property set＞ 為制造服務單元屬性集，描述服務單元的基本信息，如設備參數、狀態信息、地域信息、歸屬信息和歷史信息等

Action::=＜ Action set:| (…)，…)＞是服務方法集，描述制造服務單元對于服務對象所提供的制造方法。如機械加工或非機械加工方法等。

Relation::=＜Relation set＞為制造服務單元關系集合，定義制造服務單元之間的關聯約束，并通過其動態構建制造服務鏈的高層語義表達。

2.2 制造服務協同資源模型的本體語義

在制造服務協同資源本體概念模型CM的基礎下，制造服務協同資源模型的本體語義以概念結構圖的形式加以組織。

如圖1所示，圖中每個概念節點都具有一個CM本體概念的所有語義。根據CM本概念模型規定，上下概念節點之間形成父子繼承關系(Is-a關系)。此外，概念節點還可以根據實例化關系（Iscase-of）具有概念屬性節點。這樣，概念及概念屬性節點之間通過語義關系聯系起來，制造服務協同資源模型就是利用這些本體語義關系來表達其內在的知識。

一個實例化的制造服務協同資源模型本體語義結構圖例子如圖2所示，從中可知，對于同一制造服務協同資源實例的信息，即使分布在不同地域，通過本體結構圖中仍然可以保持語義上的關聯和唯一性，這就為跨地域的制造服務協同提供了統一、一致的制造資源表達機制。

圖1 制造服務協同資源模型的本體語義

圖2 制造服務協同資源本體語義模型的實例化

3 聯盟層制造服務協同平臺

3.1 應用背景分析

隨著汽車市場競爭的日趨激烈，整車廠對零部件產品的需求逐步向全球采購、系統配套、模塊化供應的方向發展[10]。為了應對這種潮流，汽車零部件企業必須快速、有效地與世界范圍內的客戶、制造商、分銷商和供應商共享信息并協同作業，并與整車廠相互交流以及在動態基礎上與大量參與者協作，同步或超前開發相應的零部件。

因此，傳統制造方式下制造資源表達方式已無法適應需求，協同企業各部門之間，各個企業之間需要知識級的共享和重用機制。

3.2 聯盟層制造服務協同平臺的應用

在汽車配件研發過程中，需要同整車廠進行汽車配件的產品知識交互，并協調上下游制造企業之間的生產協同關系，以便對制造服務協同的汽車配件進行產品定型和生產調度。

如圖3所示，某汽車零配件企業建立了網絡化協同制造服務平臺，借助該平臺的制造服務鏈本體語義建模工具，構建了面向知識共享的汽車配件制造服務單元本體語義模型。

圖4所示為針對汽車傳動軸協同制造建立的制造服務單元，制造服務單元構建成功后，各協作企業可以使用平臺所提供的制造服務協同管理工具，進行制造服務過程、工藝文檔等信息的無縫集成和知識共享，完成汽車配件制造服務協同過程。

圖3 汽車配件制造服務鏈本體語義建模

圖4 汽車配件制造服務單元的知識共享

4 結論

為保證復雜產品制造的高效、低成本，企業需要尋求能滿足需求的外協進行制造協同。本文分析并總結了可重構制造服務協同生產模式的內涵及特點，劃分了可重構制造服務協同的層次，重點研究了聯盟層制造服務協同環境下，制造服務資源的本體語義建模及其OWL實現方法，針對汽車配件廠面向整車企業的制造服務協同，建立了汽車制造服務協同平臺。實踐表明，基于該平臺可以有效地實現制造服務資源在聯盟層制造服務協同中基于知識的共享和重用。

[1] 祁國寧.四大壓力催生制造服務[J].中國制造業信息化.2009,2:5-6.

[2] Huang C Y.Distributed Manufacturing ExecutionSystems:A W ork flow Perspective[J].Journal o f Intelligent Manufacturing,2002,13(6): 485-497.

[3] 淮斌,楊海成.武器裝備協同制造鏈構建研究[J].制造業自動化,2012,34(6):75-78.

[4] 饒運清,朱傳軍,張超勇,等.支持網絡化制造的車間資源集成與執行系統[J].計算機集成制造系統,2003,9(12):1120-1125.

[5] 姚遠, 張權,胡慶夕, 尤飛.面向網絡化制造服務的本體知識建模研究[J].計算機應用研究,2008,25(9):2762-2764.

[6] 鄭立斌,顧寄南.網絡制造資源發現機制的研究[J].機械設計與制造,2011,(4):242-243.

[7] 馬軍,薛曉飛,羅國富,李宏偉.基于A gen t的可重構協同制造服務鏈建模及其應用研究.機械科學與技術,2012,31(10):1654-1659.

[8] Z.H. Deng,S.W.Tang, M.Y. Zhang.“Overview o f Ontology”,Universitatis Pekinensis, Acta Scientiamm Naturalium, 2002, 38(5): 730-737.

[9] OWL Web Ontology Language Overview[EB/OL], http://www.w3.org/TR/2004/REC-ow l-features-00402102,2004.

[10] 于輝,陳飛平.基于供應鏈協同的汽車制造企業入廠物流模式選擇[J].系統工程理論與實踐,2011,31(7):1231-1239.