基于本體技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備資源建模及管理研究

高阿曼，張 帥，趙東方，劉 屹

（金航數(shù)碼科技有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引 言

隨著智能制造和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，眾多企業(yè)采用了基于模型的技術(shù)和應(yīng)用體系來(lái)應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)變化的市場(chǎng)環(huán)境和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求，從而實(shí)現(xiàn)了提高效率、縮短周期和降低成本。而設(shè)備資源作為制造中的核心資源，是企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值的核心物質(zhì)載體，其互聯(lián)互通是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，在模型驅(qū)動(dòng)的企業(yè)中具有重要的作用。因此，如何對(duì)接入物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范管理是智能制造模式亟待解決的問(wèn)題。基于此，Sang C研究了面向柔性制造系統(tǒng)的本體建模方法，清華大學(xué)胡長(zhǎng)建等結(jié)合CAPP系統(tǒng)，借助自適應(yīng)思想和理念，定義制造資源的XML應(yīng)用，鄭立斌研究了基于Web工藝劃分的資源服務(wù)模型的描述，趙亮研究了基于本體的型號(hào)產(chǎn)品制造資源建模等。

雖然這些研究解決了設(shè)備建模的問(wèn)題，但是在智能制造模式下，同一設(shè)備模型在不同系統(tǒng)中使用，當(dāng)前研究中存在同一資源在不同系統(tǒng)中使用不同的描述術(shù)語(yǔ)、資源引用及表達(dá)不通用、未涉及物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)等問(wèn)題，導(dǎo)致模型資源難以重用和共享，進(jìn)而出現(xiàn)了模式管理混亂、調(diào)用效率低等問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，本文通過(guò)研究本體建模技術(shù)，構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)模式下信息共享的設(shè)備本體模型，使車間所有接入物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備都能夠用該模型清晰地描述自身信息和由該設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)后所產(chǎn)生的信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的統(tǒng)一接入、控制和管理。在此基礎(chǔ)上，建立設(shè)備資源統(tǒng)一管理平臺(tái)，為企業(yè)信息系統(tǒng)間設(shè)備資源數(shù)據(jù)的傳遞、流轉(zhuǎn)與共享提供了解決方案。

1 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于本體技術(shù)的設(shè)備資源建模

本體技術(shù)（Ontology）是對(duì)共享概念模型進(jìn)行的明確、形式化規(guī)范說(shuō)明，提供對(duì)某領(lǐng)域概念的共同理解，并給出概念和概念之間相互關(guān)系的明確定義，來(lái)解決該領(lǐng)域中的知識(shí)共享和重用問(wèn)題，其主要由概念（類）、屬性和實(shí)例組成。

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等手段實(shí)現(xiàn)對(duì)終端現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)感知和采集，實(shí)現(xiàn)物物相連。隨著接入技術(shù)的不斷增強(qiáng)，接入物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備越來(lái)越多，為解決物聯(lián)網(wǎng)模式下設(shè)備模型的通用性，實(shí)現(xiàn)不同類型的操作系統(tǒng)和應(yīng)用語(yǔ)言類型的計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行交換，本文遵循OWL（Web Ontology Language）本體建模標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備共享信息模型。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備資源信息共享模型的本體描述包括3個(gè)方面：第一，描述物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備本身所攜帶的信息；第二，描述由設(shè)備接入所產(chǎn)生的信息；第三，描述設(shè)備之間的相互依賴關(guān)系。基于此，本文分別從屬性信息、狀態(tài)信息、控制信息和關(guān)系信息4個(gè)方面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行建模，如圖1所示。

（1）設(shè)備屬性信息。描述設(shè)備的基本屬性及設(shè)備特有的領(lǐng)域?qū)傩浴ＴO(shè)備的基本屬性包括設(shè)備名稱、設(shè)備類型、設(shè)備型號(hào)、設(shè)備統(tǒng)一編碼和生產(chǎn)廠商等。設(shè)備的領(lǐng)域?qū)傩孕畔⑹侵覆煌愋偷脑O(shè)備所特有的屬性，可采用元數(shù)據(jù)模型描述。

（2）設(shè)備的狀態(tài)信息。描述設(shè)備的性能狀態(tài)、使用狀態(tài)、設(shè)備故障狀態(tài)等，這些信息在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下都可以動(dòng)態(tài)感知。

（3）設(shè)備的控制信息。描述設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)的訪問(wèn)控制信息，包括設(shè)備的接口信息、通信方式和描述等。通訊方式包括TCP/IP、串口通信方式，描述包括通信協(xié)議、返回值類型、參數(shù)信息等。

（4）設(shè)備關(guān)系信息。描述了設(shè)備資源單體相互依賴的關(guān)系，包括并發(fā)關(guān)系、選擇關(guān)系、前驅(qū)/后繼關(guān)系、控制關(guān)系和支持關(guān)系。其中，并發(fā)關(guān)系，表示資源A和B的使用和選擇需要同時(shí)發(fā)生；選擇關(guān)系，表示資源A和B的使用二者擇其一；前驅(qū)/后繼關(guān)系，表達(dá)了資源使用之間的先后關(guān)聯(lián)；控制關(guān)系，表示資源A的應(yīng)用對(duì)于另外一個(gè)資源B的選擇與應(yīng)用產(chǎn)生支配和決定關(guān)系；支持關(guān)系，表示資源A的使用需要另一資源B的應(yīng)用為支持。制造資源關(guān)系在不同的狀態(tài)和環(huán)境下表現(xiàn)為非唯一性，有時(shí)又同時(shí)存在多種關(guān)系。

2 基于本體技術(shù)的設(shè)備資源統(tǒng)一管理

上述設(shè)備資源信息共享模型可以通過(guò)多種建模工具實(shí)現(xiàn)，然后通過(guò)接口軟件實(shí)現(xiàn)其他系統(tǒng)對(duì)其的調(diào)用和存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源本體模型的使用和存儲(chǔ)，由于該內(nèi)容非本文研究的重點(diǎn)，在此不進(jìn)行描述。在實(shí)際生產(chǎn)中，為解決企業(yè)多種應(yīng)用系統(tǒng)之間設(shè)備信息的傳遞、流轉(zhuǎn)與共享問(wèn)題，為數(shù)字化企業(yè)提供保障，本文提出圖2所示的統(tǒng)一設(shè)備資源管理平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)備資源的統(tǒng)一管理。

圖2 基于本體技術(shù)的統(tǒng)一設(shè)備資源管理平臺(tái)框架

統(tǒng)一設(shè)備資源管理平臺(tái)包括模型構(gòu)建層、模型存儲(chǔ)層、模型調(diào)用層和系統(tǒng)應(yīng)用層4個(gè)層次。模型構(gòu)建層遵循OWL標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源本體模型的構(gòu)建，并借助建模工具實(shí)現(xiàn)模型的軟件表達(dá)。模型存儲(chǔ)層實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備資源本體模型的存儲(chǔ)，可直接使用建模工具將設(shè)備資源本體存儲(chǔ)為OWL本體文件，保留本體語(yǔ)義的完整性，也可以將OWL本體模型與數(shù)據(jù)庫(kù)表進(jìn)行映射，將設(shè)備本體存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，發(fā)揮數(shù)據(jù)庫(kù)查詢效率高等優(yōu)勢(shì)。模型調(diào)用層實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備資源本體的解析和調(diào)用，使用OWL應(yīng)用接口技術(shù)對(duì)OWL文件進(jìn)行解析調(diào)用，使用訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用程序接口技術(shù)（如JDBC、ODBC等）對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的本體模型進(jìn)行訪問(wèn)。在此基礎(chǔ)上，使用基于Web Service的應(yīng)用集成技術(shù)對(duì)功能進(jìn)行封裝，向上層系統(tǒng)提供以XML為載體的、面向服務(wù)的應(yīng)用，按照應(yīng)用系統(tǒng)的需求，將資源數(shù)據(jù)組合為XML文件返回給應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于服務(wù)的數(shù)據(jù)提取與轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)應(yīng)用層、應(yīng)用系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)處理XML文件，為各應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。同時(shí)，應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)模型的修改也同步到模型存儲(chǔ)層，使面向各個(gè)系統(tǒng)的資源同步統(tǒng)一。

通過(guò)建設(shè)設(shè)備資源統(tǒng)一管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源數(shù)據(jù)共享，使企業(yè)各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備資源數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)地保持一致，同時(shí)將應(yīng)用系統(tǒng)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的資源數(shù)據(jù)集成變?yōu)槠脚_(tái)與應(yīng)用系統(tǒng)間一對(duì)多的集成，大大提高了服務(wù)訪問(wèn)的效率。

3 總結(jié)與展望

本文研究了基于本體技術(shù)構(gòu)建設(shè)備資源的信息共享模型，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入管理、企業(yè)設(shè)備資源信息共享提供了解決方案，是建設(shè)模型企業(yè)的重要環(huán)節(jié)。該建模方法同樣適用于其他廣義的制造資源。后續(xù)本文將進(jìn)一步探索本體模型中知識(shí)在各信息系統(tǒng)中的應(yīng)用，不斷完善本體模型及管理平臺(tái)，與企業(yè)管理環(huán)境有效融合。

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