基于OWL的工藝BOM本體構建方法研究

吳 帆，鐘艷如，韋秀仙，梁毅芳，彭 娟

（1.桂林電子科技大學 廣西高校圖像圖形智能處理重點實驗室，桂林 541004；2.桂林電子科技大學 商學院，桂林 541004）

基于OWL的工藝BOM本體構建方法研究

吳 帆1,2，鐘艷如1,2，韋秀仙1,2，梁毅芳1,2，彭 娟1,2

（1.桂林電子科技大學 廣西高校圖像圖形智能處理重點實驗室，桂林 541004；2.桂林電子科技大學 商學院，桂林 541004）

針對工藝物料清單在異構系統上傳遞和共享困難的問題，引入網絡本體語言的形式化表示技術，研究工藝物料清單本體的構建方法。首先在零件加工面與工藝關系的基礎上，設計了基于特征表面的工藝物料知識表示模型，通過產品零件加工表面與加工工藝的對應關系，工藝步驟到生產資料的映射關系，將工藝知識與工藝物料信息相結合；其次借助模型構建基于網絡本體語言（Web Ontology Language， OWL）的工藝物料知識元本體模型，實現工藝物料清單（Bill of material，BOM）的本體構建；最后以聯軸器為例，在protégé軟件上對聯軸器的工藝BOM進行本體構建，為后續的工藝BOM自動生成、知識推理及知識庫構建奠定基礎。

工藝；物料清單；本體；網絡本體語言

0 引言

在工業4.0的時代趨勢下，發展智能制造已成為全球制造業的目標。然而企業智能化在管理上面臨著的問題不再限于人、機、料、法、環等方面，同時還面臨著大量數據資料的管理問題，異構知識信息的共享傳遞正是其中之一，諸如計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）、計算機輔助工藝計劃（Computer Aided Process Planning，CAPP）、企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）等系統都是獨立發展起來的[1]。企業知識多形式樣化，異構系統數據結構不兼容，甚至有些工藝物料清單文件，還得依靠人工手工錄入和傳遞[2]，這就造成了企業信息共享傳遞的滯澀形成信息孤島[3]。

BOM是ERP的核心技術文件，是各部門指導工作和組織計劃的基本資料及重要依據[4]。為了解決BOM信息從設計部門到工藝部門的轉換和傳遞低效的問題，梁平[5]、周圣文[6]等人以可擴展標記語言（eXetensible Markup Language，XML）模式的對BOM進行存儲，郭春芬[7]、曲敏[8]等人，采用本體技術對工藝類知識進行描述和管理，鐘艷如[9]、覃欲初[10]等人針對工藝公差知識進行詳細研究，通過描述邏輯與本體技術，實現了公差類型的自動生成與推理，促進了工藝公差知識高效利用和共享，然而卻未將工藝領域知識與BOM相關聯，實現對工藝BOM的刻畫。

首先，本文在前人研究的基礎上設計基于OWL的工藝物料知識表示模型，然后，根據表示模型，采用本體形式化描述，將工藝領域知識與BOM相結合，構建工藝BOM本體，以OWL文件模式，促進設計部門到工藝部門BOM信息的高效傳遞與知識共享。

1 工藝物料知識表示模型的設計

1.1 概述

表示模型體現了自頂向下逐層細化的研究思路。通過對BOM文件的研究分析，將產品信息與工藝知識相結合，設計基于特征表面的工藝物料知識結構表示模型，模型將產品零件、加工表面、工藝知識和生產加工所需要的生產資料進行關聯，實現工藝BOM的本體構建。

本體（Ontology）最早是由亞里士多德在“存在論”中提出的哲學概念，隨著人工智能的發展，本體在計算機科學領域被定義為“共享概念模型的明確形式化規范說明[11]”。它最突出的優點是能夠實現真正意義上的信息共享、應用集成、語義互操作及知識重用[12]。

W3C（World Wide Web Consortium）最初為了定義和實例化Web本體，設計了本體描述語言OWL，它由RDF語言和RDF(S)語言發展而來，其語法格式延續了RDF/XML的語法格式，使得非專業人員也能讀懂OWL的代碼。protégé軟件是由斯坦福大學醫學院研究中心，基于Java語言開發的本體編輯工具，是語義網本體構建的核心開發工具，支持OWL、RDF(S)、XML及DAML+OIL等本體語言[12]。本文將采用Protégé軟件來實現工藝BOM元本體模型的構建。

1.2 表示模型結構的設計

模型設計由4個層次構成，自上而下分別為產品結構層、加工表面層、加工工藝層、生產資料層，如下圖1所示。其中A為裝配體，PK為零件，k=1，2，…，k；Sn(Pk)為零件Pk的第n個加工特征表面，n=1，2，…，n；同理m=1，2，…，m；PrS1·i為加工工藝，i=1，2，…，i；Mj為工藝加工的生產資料，j=1，2，…，j。

通過裝配體到零件的裝配約束關系，零件加工特征表面加工工藝關系，以及零件工藝到加工所需生產資料的對應關系，將零部件信息、加工工藝信息與工藝生產資料信息相互鏈接，形成一個整體模型，進一步對工藝知識、工藝物料知識進行整合管理。

圖1 工藝物料知識表示模型

1）產品結構層

表示模型的第一層是產品結構層，它主要表示產品層次結構以及零件之間的裝配約束關系，該層除了反映產品的結構關系還主要承載著產品零件的主要設計信息，以及BOM中裝配體及零件的基本屬性，同時依據其零部件的裝配約束關系呈現其產品的零部件結構樹，產品結構層中裝配體可以看成是由一個或多個零件，按照一定的裝配約束關系組成的集合，同時如零件的材質、原材料的基本尺寸等都將為模型后面的加工工藝層及生產資料層的構建奠定基礎。

零件自身信息包括設計零件的基本尺寸等，除此之外還有與其相關的物料屬性，如：層次號（level）、物料編號（material Number）、圖號（drawing Number）、零件名稱（part Name）、來源（source）、數量（amount）、材質（material）、備注（remarks） 8種，這些屬性信息源于BOM文件，是對零件工藝知識以及BOM知識進行本體描述的重要依據。

2）加工表面層

加工表面層是知識表示模型的第二層，其主要作用在于分析零件所需加工的表面，將作為下一層工藝加工層的重要支柱。對零件進行工藝分析確定零件加工工藝路線，除了需要考慮零件本身毛坯的材質、尺寸以及現有生產條件外，還需要考慮零件加工表面的形狀類型以及粗糙度、精度的要求，不同的加工特征表面能夠采取不同的加工工藝方案，而精度的要求除了對工藝加工方式的影響外，更多的是在是否考慮需要進行粗加工、半精加工和精加工上的劃分。

在本文中借鑒產品幾何規范（Geometrical Product Specification，CPS）中對幾何面的分類，即GPS中的七個恒定類如表1所示，任何幾何體模型或每個零件都可以看成是由數個特征表面圍成的閉合幾何體，這些特征幾何面以其自由度及擬合導出要素劃分為Spherical（球面）、Cylindrical（圓柱面）、Planar（平面）、Helical（螺旋面）、Revolute（旋轉面）、Prismatic（棱柱面）、Complex（復雜面）。除了以下七種特征表面外，在實際加工工藝分析中還需要考慮是否為實體加工，在的成型過程中，部分實體加工的工藝會有一定的差異，例如內孔的加工，在特征表面中可以將其劃分為圓柱面的特征表面加工，但在工藝分析中若為實體加工則必須優先進行鉆孔工序。

3）加工工藝層

表示模型的第三層是加工工藝層，表示零件生產加工工藝約束關系，對產品每個零件進行工藝分析，提取工藝約束關系，為最后零件加工時所需生產資料的調度統計做準備，同時加工工藝層也是構建實際生產的工藝類本體的基礎。工藝知識管理雖然在早年就被提起，但是由于其工藝種類的復雜性，工藝知識領域存在大量的顯性和隱性知識，加上企業的知識形式多樣化，表達方式不統一、不規范，致使工藝知識共享困難。

為此在加工工藝以七個恒定類的基礎上，受限于文章篇幅僅以零件的切削加工為主要研究對象，對常規的切削加工工藝知識歸納總結如表2所示，通過表中關系約束簡化工藝知識的復雜性，同時為之后的本體形式化描述對相關領域知識的提取奠定基礎。

在工藝分析中工藝路線的確定中，除了需要考慮車間實際的生產加工條件，和加工表面類型外，同時還需要對加工面的精度進行考慮，同樣的加工表面類型會有不同的加工精度要求，需要采取不同的加工策略，如表3所示，得出常用切削加工工藝與精度約束關系表，將加工工藝與加工精度相關聯，為之后工藝知識的提取以及工藝知識庫的構建以及知識推理奠定基礎。

表1 GPS中的七個恒定類

表2 加工特征表面切削加工約束關系

工藝約束關系中主要包含了我們在生產過程中所參與的工藝相關步驟及工藝知識，如：毛坯清理（Blank Clean）、切削加工（Machining）、檢驗（Test）、裝配（Assemble）等工藝步驟，以及在實際工藝中所采用的“其他加工”等步驟（如：倒角、工件調轉、工件裝卸、特種加工等），在切削加工中主要涉及常規的加工方式有車削（Turning）、銑削（Milling）、刨削（Planing）、插削（Slotting）、磨削（Grinding）、鉆孔（Drilling）、鉸孔（Reaming）、鏜削（Boring）、拉削（Broaching）、切割（Cutting）、齒/渦輪加工（Teeth/Turbine Machining）、加工中心（Machining Center）、鉗工（Bench Worker）等。

4）生產資料層

表示模型的最后一層為生產資料層。BOM在企業的不同部門和產品的不同階段具有不同的信息表示，建立不同BOM之間的邏輯聯系和映射轉換是制造企業實現協同設計、制造和管理的關鍵，BOM間數據轉換如圖2所示[13]。產品設計開發部門主要反映產品零件的名稱、數量等產品屬性，而在工藝設計部門所編制的工藝BOM更多反映的是產品工藝屬性：工序號（processNumber）、工序名稱（processName）、工序內容（content）、設備（device）、刀具（cutter）、夾具（tong）、量具（measuringtool）等。

表3 加工精度等級與工藝約束關系

這些屬性所反映的信息是表示模型第三層，生產資料層所攜帶的。在分析了前三層的約束關系之后，提取各個零部件在加工生產過程中所涉及到的生產資料，為之后工藝BOM的本體構建奠定基礎。

圖2 BOM轉換示意圖

2 工藝BOM本體的構建

工藝BOM的本體主要涉及到兩個領域方面的知識：一是與物料清單領域的相關知識；另一個是產品工藝領域的相關知識。通過表示模型對該兩個領域的知識進行了收集整理和歸納，將兩個領域的知識相結合，從而為構建領域類本體建立基礎。

通過表示模型獲取構建本體領域知識后，將對本體的類以及屬性進行創建。類的設置有三大部分，分別是表示BOM基本信息的BOM類（BOM Classes）；產品零件信息相關的產品產品裝配體類（Assembly）以及與生產工藝相關的工藝類（Process），通過分析研究把所有的類及其他的層次結構關系進行組織，其樹狀結構如圖3所示，其中Part、Feature Surfaces、Surface Precision分別表示零件、加工表面、特征表面和表面精度。

圖3 工藝BOM類及層次關系

BOM領域知識與工藝領域知識相結合進行本體構建的過程中，無論是產品自身物料信息，還是工藝上所涉及的物料內容，都會在軟件界面中以屬性欄中內容信息的方式清晰呈現，便于工作人員的查閱、修改。構建的本體屬性分為兩大類，即用來表示類中二元關系的關系（Object Properties），以及用來表示一個類固有特性的數據屬性（Datety Properties），在本體中所設置屬性關系及層次結構及含義如圖4所示，has-Reflect表示反映關系即BOM反映產品或工藝相關屬性信息，has-ACR表示具有零件間裝配約束關系或，has-Surfaces表示零件具有加工表面或零件與實際表面的構成關系關系，has-Process具有表示工藝關系，Sub-Of表示具有子類或子屬性。

圖4 工藝BOM屬性及層次關系

在對屬性進行了定義域和值域的限定之后，即完成了領域類本體的構建，最后依據設定的類與屬性及其約束關系，得到基于OWL的工藝BOM元本體模型如圖5所示。

圖5 基于本體的工藝BOM元本體模型

3 實例研究

最后文章通過以聯軸器工藝BOM為實例，在研究調查中獲取了零件圖紙、工藝說明書、工藝卡片以及在工藝編制階段所使用到的物料清單，作為我們構建本體實例的重要材料，最后在protégé軟件中構建本體。如圖6所示，protégé中創建的本體類以及相應的OWLViz圖。

圖7為BOM Classes中聯軸器實例個體BOM ListHead的屬性內容展示，在屬性欄中主要承載了聯軸器工藝BOM的表頭信息，如BOM名稱“CouplerProcessBOM”、BOM編制者“David”等，同樣在相應的BOMClasses類下的ProcessBOM、ProductBOM中會呈現相應的聯軸器工藝BOM、產品BOM的相關信息。

最終在Protégé中會生成一份OWL格式的文件，BOM的信息在文件中以OWL數據的形式表示，如下兩段代碼1所示，OWL文件格式能被計算機直接識別讀取，與傳統的BOM文件相比，OWL提供的RDF/XML語法對BOM的知識信息進行表示，非專業編程人員同樣也能輕易理解其表達含義，計算機可以輕易的對信息進行維護、存取，這極大的促進了產品物料信息在跨部門跨系統間順暢傳遞以及知識有效共享。同時只需經過簡單的Java解析即可進行數據形式轉換，直接導入Access、MySQL等數據庫或知識庫中。

圖6 protégé中類及OWLViz圖

圖7 聯軸器實例個體BOM ListHead

4 結束語

本文主要針對工藝BOM的本體構建的問題進行研究。將本體形式化描述技術引入物料清單領域，通過對BOM領域類知識以及工藝類知識的研究分析，設計了工藝BOM的結構表示模型，科學合理的構建了工藝BOM的本體，針對由于不同部門不同系統所導致的物料信息數據的異構問題，提供了一種行之有效的解決方式，以促進產品物料信息跨部門跨系統的順暢傳遞。接下來將進一步的研究其本體知識庫的構建，將工藝知識轉變為約束規則，通過推理機對知識規則進行智能推理，最終實現工藝BOM的自動生成，推進企業產品信息的自動化、智能化管理。

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圖3 仿真運行結果

表1 運行時間（秒）

比較復雜或數據規模較大的企業，往往不是關心得到計劃問題的最優解，而是在合理時間內獲得問題的優化滿意解。

經過不斷仿真試驗驗證，結果表明模型可處理印刷企業縱多約束下的柔性復雜生產過程，滿足排產目標，獲得問題的優化解。在產能充足條件下，模型可獲得優化解。在產能不夠情況下，在設定的運行時間到達時將自動終止運行。依據終止原因，可增大產能即增加班組數或者松弛模型約束，如松弛模型緊急程度較低的訂單的交貨期約束，重新運行模型，獲得排產問題的優化解。

4 結束語

提出的基于約束規劃的印刷計劃排產模型在滿足企業交貨期的前提下，以縮短平均生產周期和減少車間在制品庫存為目標。充分考慮了印刷企業的實際生產過程中班組、設備、作息、產品、柔性工藝等狀況，采用虛擬設備添加至設備模型，簡化委外工序處理。以虛擬活件添加到產品模型，將多活件組裝的裝訂工序轉化為單活件處理的方式，簡化模型，減少約束。經仿真驗證所建立的模型可有效處理印刷企業縱多約束與印刷特有的生產產品結構，可滿足印刷企業的需求。

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Research on the construction of bill of material ontology based on Web ontology language

WU Fan1,2, ZHONG Yan-ru1,2, WEI Xiu-xian1,2, LIANG Yi-fang1,2, PENG Juan1,2

TP182

A

1009-0134(2016)12-0038-06

2016-08-10

國家自然科學基金資助項目（61562016）；廣西區國家自然科學基金重點項目（2014GXNSFDA118039）；重慶市教委科學技術研究項目（KJ1502301）

吳帆（1990 -），男，廣西灌陽人，碩士研究生，研究方向為產品數據管理和本體智能推理。