焊接生產信息共享架構的設計與實現

原建偉，何玉輝，王 坤

（陜西工業職業技術學院信息工程學院，陜西咸陽 712000）

信息技術的發展影響著制造業的變革，新型信息技術的不斷發展與成熟，進一步加速了這種變革。云制造是一種利用網絡和云制造服務平臺，按用戶需求組織網上制造資源，為用戶提供各類按需制造服務的網絡化制造新模式［1］。云制造已經成為目前集成制造的一種延伸和發展，成為將來集成化制造的一個趨勢，并能夠將生產制造的各個環節通過互聯網甚至是移動互聯網集成在一起。云制造與云計算技術存在一定意義上的關聯，云計算是基于互聯網資源（IT 基礎設施、平臺、軟件等）以按需、易擴展方式獲取的技術［2］，而云制造則是將這一概念擴展至制造業，將各種生產過程中的資源納入這個新體系之中。焊接生產是制造業中一個非常重要的制造環節，近些年焊接生產的信息化程度不斷提高，從焊工信息管理系統到焊接工藝管理系統再到焊接專家系統，種類眾多。另一方面，焊接設備的不斷發展也促使設備的信息化發展，一些焊接設備已經能夠支持網絡功能，并且具備實現焊接工藝的網絡化管理與監控的條件，對焊接質量控制和提高焊接制造過程中的敏捷性具有重要意義［3－5］。焊接生產是一個復雜的工藝體系，從委托工藝評定、制定工藝規程、委托熱處理到委托檢驗等，將會涉及到不同的部門或企業。對于一些中小企業來說，外協加工是不可避免的一項業務，即使一些大型企業也一樣存在分公司或不同部門之間的業務協作關系。探討如何合理利用外協加工資源，優化配置，提高外協資源的利用率，降低資源使用成本是有意義的。云制造思想的提出，為求解復雜制造問題、制造與服務資源共享及開展大規模協同制造提供了可能，為制造企業更廣泛和更優化地選擇和利用外協加工資源提供了一條更好的思路［6－7］。在資源共享和虛擬化過程中，尋找一種能夠將焊接生產過程中的信息資源規范化并實現跨平臺訪問的技術，是將焊接生產過程納入到云制造體系之中的基礎。

目前，通過計算機或網絡實施焊接過程信息管理，通常采用數據庫存儲的方式，使用的數據庫種類各異［8－10］，在不同數據庫之間實現共享存在很多問題。對于云制造體系而言，工業過程的監控、信息融合、網絡化制造方面的具體實施往往需要構建在以數據為驅動的模型上［11］，因此本文研究使用OWL語言設計焊接生產過程信息描述框架，并在異構數據庫之間實現數據與信息的交換，從而在云制造過程中創建一個信息資源的規范化平臺。

1 網絡本體語言OWL

OWL（web ontology language）是網絡本體語言的簡稱，由W3C在RDF／RDFS基礎上結合DAML＋OIL 增加了描述類和屬性的詞匯，用于對本體進行語義描述，具有豐富的本體語言表達能力和推理能力［12－13］。OWL包含3種子語言：OWL Lite，OWL DL，OWL Full，每種子語言可以針對不同需求。從語法角度講，OWL Lite最為簡單，適于簡單的層次和定義；OWL DL 描述能力更強，適于建立描述邏輯，并可以自動推理而在實際應用中使用較多；OWL Full有完全自由的RDF 語法，因此表達能力也最強，但因過于復雜卻很少采用，本文使用OWL DL對焊接過程中產生的信息進行定義和描述，根據焊接過程中產生的信息特點，使用OWL語言中的Class（類）、SubClassOf（子類）和Property（屬性）等概念構建焊接信息相關本體。

2 工藝信息共享架構的設計與實現

在現代焊接生產過程建立企業間的合作和協作非常普遍。在此過程中產生的信息包含各種工藝文件以及焊接過程中的一些附加信息，如焊接接頭質量，焊接缺陷特征信息等。這個過程中涉及到的工藝文檔種類較多，用于不同階段，有著不同的使用目的，不同企業對這些信息的制定和表述存在著差異，同樣在信息化過程中的存儲技術和方式也有很大的差別。目前，在集成化、協作化的生產環境下，在生產過程中以保留企業自己的信息存儲與表示方式為基礎，建立在不同企業之間、工藝信息之間進行交換的公共橋梁是實現云制造的關鍵技術。

2.1 設計思路

實現不同企業之間數據共享架構的基礎是統一的數據交換規則和處理方法，OWL 良好且豐富的描述能力為這一基礎提供了最基本的支持。通過構建合理的數據交換模型，可以實現精確轉換，基于XSLT 的跨平臺轉換描述模板實現對OWL 數據的顯示，整體設計思路如圖1所示。

圖1 設計思路Fig.1 Design idea

2.2 數據交換模型

在數據轉換過程中，需要有一套預先定義過的語法和語義規則需要根據這些規則對規則表達式進行語法和語義分析，并在執行過程中根據規則表達式實現轉換。轉換規則是對目標字段而言，每個目標字段對應一個規則。假定目標字段為Df，則Df的產生依賴于一個或多個數據源字段，稱這些數據源字段為Sf，規則即一個函數表達式，見式（1）：

數據交換模型源于對已有數據的特征進行抽象，是已有數據庫體的形式框架，在交換模型中數據交換模塊是其核心，如圖2所示。數據交換模塊的作用是將源數據和目標數據表示成相應的數據文檔和結構文檔，并消除類型異構、語義異構、長度異構、精度異構、度量異構和聯系異構等。

圖2 數據轉換模型Fig.2 Model of data transition

2.3 轉換規則

數據轉換到OWL時已經轉換成文本，所以，在轉換前后必須通過轉換規則記錄源數據與目標數據的結構信息。轉換規則本質上是對2個體系中存在的各種異構進行融合，通過這種融合能使數據順利地傳遞。

1）語義轉換規則

2個系統在數據轉換過程中，首先要解決的是語義轉換，即對專業術語定義需要遵循統一的規則。就焊接工藝評定而言，很多術語在不同企業中的使用是有差別的，如“焊接工藝評定委托書”一詞在有的企業就可能被稱為“焊接工藝評定委托單”。對于焊接方法，有的稱為“施焊技術”，因此需要在轉換規則中將此類術語建立起對應關系。

OWL中提供類和屬性之間的等價關系（owl：equivalentClass；owl：equivalentProperty），這在將2種本體組合在一起時非常有用。通過這種等價關系能夠說明一個本體中的某個類或者屬性與另一個本體中的某個類或者屬性是等價的。

以下描述是采用等價屬性對焊接方法術語進行定義，說明“焊接方法”和“施焊技術”具有相同意義，都是焊接方法的術語。

2）類型轉換規則

不同數據庫系統對數據類型的定義不同，不僅僅是名稱的差別，還包括存儲字節和精度的不同，因此需要構建一個轉換規則實現雙向準確轉換。以常用Access和SQL Server之間的轉換為例介紹轉換規則的制訂。

這兩種數據庫的數據類型存在一定差別，一種情況是對同一種數據類型的名稱上存在不同，另一種情況是SQL Server中有一些Access沒有的數據類型。對于前一種情況，通過OWL 的equivalent－Property將兩種數據庫中同一種數據類型或相近數據類型建立起等價關系。后一種情況使用有條件的等價關系，在創建等價關系時，根據存儲字節或者表述范圍創建包含轉換限定條件的等價關系，圖3是系統在對2種不同數據庫中相同或相似數據類型進行轉換示意圖。

圖3 數據轉換Fig.3 Data transition

如表1中所示進行對比的數據類型，主要是名稱不同，存儲字節與表示范圍都一致，對于這些類型比較容易實現轉換，只需要建立起等價屬性即可。其中有一對較為特殊的數據類型需要特殊處理，Access中的Boolean 表示布爾型數據，在SQL Server中并沒有完全與其對應的數據類型，因此采用Bit與其對應，Bit類型存儲值為1或0的數據也接受1和0以外的整數值，但總是將其解釋為1，故可以將1等價于True，0等價于False。

表1 相同或相似數據類型Tab.1 Same and similar data type

下面部分代碼表示Access 中的Boolean 與SQL Server中Bit之間的轉換。

對于存在范圍差異的數據類型，處理起來較為復雜。這種差異表現在2個方面，一是存儲字節的差別，一是定義范圍的差別。表2中顯示在Access中Decimal類型與SQL Server中的Decimal類型的存儲字節不同，從SQL Server中的存儲數據轉換到Access中就有可能出現超出表示范圍的可能。另外，用于記錄時間和日期的數據類型在不同數據庫體系中存在差異最多，即使存儲位數相同，可能表述的日期范圍也存在不同，因此針對這類數據的轉換需要采用較為復雜的轉換方式。根據這些數據類型的特點，除了建立等價關系之外，還需定義一個規則類Rules，在其下定義子類Comparesign，該子類用于定義取值范圍，并通過規則建立不同范圍數據的有效性驗證。

表2 存在差異數據類型Tab.2 Diversity data type

子類Comparesign 定義屬性（LT，GTE，GT，LTE，EQ，NEQ）用于對數據以及數據范圍進行比較，從而確定兩種數據類型的范圍是否在同一個區域，以及判斷具體存儲數據是否存在超出范圍。圖4中ADValue和SDValue建立等價關系，用于轉換數據，SDmin屬性通過建立規則實現對SDValue轉換至ADValue時數據范圍的驗證。

2.4 數據轉換

圖4 數據等價關系Fig.4 Equivalence of data

目前可用于處理RDF（S），OWL的推理接口有Jess，Racer，Jena等。Jena是較為常用的處理工具之一，它是一種用來構建語義Web應用的Java框架，它提供了有關操作RDF，RDF（S）和OWL 的接口方法以及基于規則的推理引擎編程環境，可以動態實現對傳統數據的訪問及推理，輸出某些處理結果［14－16］。類 型 轉 換 規 則 前 期 使 用Protege 進 行 創建，并創建轉換規則。Jena中推理子系統提供了基于規則的推理機實現推理功能。Jena通過Model－Factory實現訪問推理機制，首先根據已創建的規則注冊推理機（Reasoner Register），把推理機和需要進行查詢推理的本體綁定在一起，得到進行檢索的模型對象（InfGraph），最后借助Ontology API和Model API對已建立的模型對象進行操作和處理，通過對概念的推理，完成基于語義的信息檢索及數據轉換，轉換流程如圖5所示。

圖5 轉換流程Fig.5 Transition flow

2.5 樣式轉換

通過數據轉換平臺，企業之間建立起統一的數據交換體系。在這種情況下，各企業之間依然可以利用原有的系統使用數據和顯示工藝信息，但通用的顯示接口可以更好地實現信息交換與企業合作。OWL本質上是采用XML書寫，因此，使用XSLT 對其進行查詢和顯示。在轉換過程中，XSLT 使用XPath定義源文檔時可匹配一個或多個預定義模板的部分。當找到所匹配的內容時，XSLT 會將源文檔的匹配部分轉換為結果文檔。預定義模板靈活多樣，可以根據不同企業需求創建符合企業規范的預定義模板，所以同一工藝可以適應不同企業的工藝單樣式，很好地實現企業間工藝信息共享的目的。圖6中2 個表格是基于同一個OWL 的工藝文件并經過不同XSLT 轉換后顯示出來的結果。2 個XSLT 文件分別按照不同企業的工藝文件樣式進行制作。

圖6 經過XSLT 轉換的工藝卡Fig.6 Technology card based on XSLT

根據以上設計思想與轉換框架對2家相關企業焊接工藝信息進行共享和融合。2家企業存在生產依托關系，A 企業為B 企業焊接生產某零件，該零件焊接工藝較為復雜。兩企業都部分或全部實現生產工藝的信息化建設，有實現資源共享的基礎，但系統各自建設，存在差別。首先分析兩企業的焊接過程管理信息化與底層數據庫構成，在此基礎上設計轉換規則，并進一步根據各企業相關文件樣式設計XSLT 文件對轉換后的數據進行顯示。

3 結 論

針對目前焊接制造過程中協作企業間信息轉換與共享存在的問題，提出以OWL 表述焊接工藝信息的思路，對不同企業的焊接生產過程數據庫系統進行轉換。開發了基于Jena的轉換程序與相關轉換規則，并根據企業不同需求，采用XSLT 進行不同模板樣式的轉換。轉換結果精度高，數據安全性好，證明了該方法具有良好的可行性和較高的推廣價值。

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