基于本體的協(xié)同制造知識(shí)建模*

王有遠(yuǎn) 錢偉偉 張振華

(①南昌航空大學(xué)工業(yè)工程研究所，江西 南昌 330063； ②南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

隨著制造業(yè)信息化的到來，制造業(yè)面臨全球市場、資源、技術(shù)和人才的競爭。為了增強(qiáng)競爭力，企業(yè)間往往通過協(xié)同合作方式進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造。在產(chǎn)品整個(gè)生命周期中，涉及設(shè)計(jì)、制造、管理和服務(wù)等眾多學(xué)科知識(shí)，企業(yè)間面臨知識(shí)理解、共享與重用難問題，致使產(chǎn)品制造周期長、效率低。知識(shí)信息的利用水平影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率與成本，所以必須對(duì)協(xié)同制造知識(shí)信息進(jìn)行合理的建模與管理。

國內(nèi)外學(xué)者分別從不同角度對(duì)協(xié)同制造領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)研究。如王黎明[1]通過協(xié)同信息技術(shù)構(gòu)建工作平臺(tái)，形成分布的動(dòng)態(tài)的協(xié)同制造環(huán)境，滿足復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)字化制造的實(shí)施和應(yīng)用；余劍峰[2]等針對(duì)零件制造的特定工藝路線，提出了基于自適應(yīng)蟻群算法的協(xié)同制造項(xiàng)目資源優(yōu)化配置方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品制造的時(shí)間、成本和質(zhì)量的有效控制；Bless PN等[3]為了解決知識(shí)識(shí)別過程中的知識(shí)發(fā)現(xiàn)、信息集成及知識(shí)搜尋成本等問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)廣義的啟發(fā)式方案，提高了知識(shí)獲取的效率和準(zhǔn)確率，同時(shí)降低了搜索成本；Yang Jiang等[4]為了解決協(xié)同制造產(chǎn)品知識(shí)不同區(qū)域以及知識(shí)集成的優(yōu)化問題，提出了一種基于本體的知識(shí)集成框架，解決了知識(shí)不同區(qū)域的問題；趙正德[5]等通過制定協(xié)同制造任務(wù)配置管理模型、人員配置管理協(xié)同策略和人員的協(xié)同控制方法，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率；丁博[6]等為了解決不同區(qū)域、異構(gòu)制造資源的共享和集成問題，提出了一種基于細(xì)胞元本體的協(xié)同制造資源共享方法，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源的語義互操作；沈斌[7]等為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)資源共享，提出了異地協(xié)同制造中人員選擇策略和生產(chǎn)協(xié)調(diào)策略，為異地協(xié)同制造企業(yè)的建立和生產(chǎn)提供基礎(chǔ)；惠巍[8]等通過構(gòu)建出產(chǎn)品設(shè)計(jì)高度并行研發(fā)平臺(tái)的原型系統(tǒng)，減少制造單位的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

以上研究主要針對(duì)協(xié)同制造平臺(tái)構(gòu)建及資源優(yōu)化配置等方面進(jìn)行了探討，但隨著客戶需求多樣性，使得知識(shí)體系越趨龐大，企業(yè)間知識(shí)的準(zhǔn)確獲取、共享與重用難等問題日益突出。鑒于此，本文將本體理論運(yùn)用到協(xié)同制造知識(shí)建模中，提出基于本體的協(xié)同制造知識(shí)建模方法，實(shí)現(xiàn)協(xié)同制造知識(shí)共享與重用，提高知識(shí)獲取的效率及準(zhǔn)確性，同時(shí)降低了知識(shí)利用成本，最終縮短產(chǎn)品的制造周期。

1 分布式協(xié)同制造知識(shí)框架

與傳統(tǒng)的制造方式相比，分布式協(xié)同制造采用并行工作模式，具有跨區(qū)域、跨企業(yè)和平臺(tái)異構(gòu)等特點(diǎn)；由于不同企業(yè)具有不同的術(shù)語集，協(xié)同工作中容易導(dǎo)致知識(shí)理解、共享、交換困難等問題。

1.1 分布式協(xié)同制造工作流程

在協(xié)同工作環(huán)境下，來自不同領(lǐng)域的專家與各企業(yè)部門或供應(yīng)商對(duì)制造目標(biāo)達(dá)成共識(shí)、相互信任、協(xié)調(diào)合作的基礎(chǔ)上，按照生產(chǎn)能力動(dòng)態(tài)地組建新的生產(chǎn)單元，每個(gè)生產(chǎn)單元都具有人力、設(shè)備、工藝、物資和設(shè)計(jì)等資源，該生產(chǎn)單元通過共享知識(shí)和資源來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的集成，充分利用集體智慧與軟硬件設(shè)施進(jìn)行任務(wù)的落實(shí)，提高產(chǎn)品制造質(zhì)量，加快產(chǎn)品面世速度。

協(xié)同制造工作過程采用并行化的工作方式，將協(xié)同制造任務(wù)轉(zhuǎn)化成一個(gè)總的目標(biāo)，根據(jù)生產(chǎn)能力來劃分子任務(wù)，將各個(gè)子任務(wù)分配給不同的生產(chǎn)單元，企業(yè)可以通過權(quán)衡生產(chǎn)能力和生產(chǎn)成本，將部分子任務(wù)分配給合作的供應(yīng)商，零部件由供應(yīng)商組織生產(chǎn)；并對(duì)子任務(wù)結(jié)果進(jìn)行綜合，最終形成總的解決方案。

分布式協(xié)同制造工作流程如圖1所示。

由圖1可知，處于控制端的協(xié)同制造管理系統(tǒng)是分布式協(xié)同工作的核心，具備必要的硬件和軟件條件，同時(shí)也包含相關(guān)的知識(shí)資源，集成了人員組織信息、資源信息、生產(chǎn)能力數(shù)據(jù)、協(xié)議合同信息、設(shè)備數(shù)據(jù)、物流調(diào)度、過程管理、任務(wù)分解(根據(jù)產(chǎn)品成熟度、生產(chǎn)能力、資源、物流水平)等多個(gè)功能，并在實(shí)際工作中對(duì)設(shè)計(jì)制造端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。處于設(shè)計(jì)制造端具有各自資源(人力、設(shè)備、工藝、物資、設(shè)計(jì))的生產(chǎn)單元或供應(yīng)商接受控制端分配的任務(wù)計(jì)劃，執(zhí)行不同類型零部件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)任務(wù)，并通過協(xié)同制造管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)和制造等信息的共享，便于方案的及時(shí)討論與修改，最后通過產(chǎn)品的總裝配，達(dá)到協(xié)同制造總目標(biāo)。

1.2 分布式協(xié)同制造知識(shí)本體框架

利用本體技術(shù)，對(duì)協(xié)同制造領(lǐng)域知識(shí)的概念和術(shù)語進(jìn)行抽象表示，抽取相關(guān)概念，根據(jù)概念的層次結(jié)構(gòu)、概念間的包含關(guān)系、組成關(guān)系、劃分關(guān)系建立概念模型，對(duì)這些概念及概念的約束進(jìn)行明確的定義。建立形式化概念知識(shí)，便于機(jī)器處理、知識(shí)共享等[9]，極大方便了企業(yè)間的合作。其框架如圖2所示。

由圖2可知，各企業(yè)提供各自的局部本體，然后結(jié)合合作范圍內(nèi)其他局部本體，產(chǎn)生一個(gè)集成的全局本體。這種集成的全局本體有效地整合各個(gè)企業(yè)的知識(shí)對(duì)象，提供更全面的概念和知識(shí)信息，并最終實(shí)現(xiàn)分布式知識(shí)的集成與共享。協(xié)同制造知識(shí)局部本體先由各個(gè)企業(yè)領(lǐng)域?qū)＜摇⑸a(chǎn)單元的各類工程師共同完成對(duì)制造知識(shí)關(guān)系識(shí)別、定義、概念匹配、術(shù)語構(gòu)造、關(guān)鍵概念及詞匯抽取等工作，通過Protégé 本體開發(fā)工具開發(fā)出制造知識(shí)局部本體；各個(gè)局部本體之間又通過特征的提取、相似度計(jì)算、映射、概念名稱合并、信息融合等步驟完成局部本體的合并，并組成制造知識(shí)全局本題庫，各合作企業(yè)利用全局本題庫知識(shí)資源開展相關(guān)工作，并對(duì)其進(jìn)行定期評(píng)價(jià)與完善升級(jí)。

2 基于本體的協(xié)同制造知識(shí)建模

從基于本體的知識(shí)管理角度分析，知識(shí)建模是對(duì)相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)信息進(jìn)行獲取、分析、抽取并形成一系列知識(shí)集合之后，運(yùn)用本體方法對(duì)不同類型的知識(shí)進(jìn)行組織和描述，最后采用形式化的知識(shí)表示方法獲取知識(shí)語義信息的過程[10-13]；將協(xié)同制造知識(shí)建模分為協(xié)同制造知識(shí)的獲取(知識(shí)分類與概念抽取)，知識(shí)本體構(gòu)建和基于本體的知識(shí)表示3部分內(nèi)容。

2.1 協(xié)同制造知識(shí)分類與概念抽取

2.1.1 協(xié)同制造知識(shí)分類

協(xié)同制造知識(shí)涉及范圍廣泛，分類角度不同分法各異，從本體建模角度對(duì)其進(jìn)行分類[14]。協(xié)同制造知識(shí)細(xì)化分類體系如下：

(1)從管理知識(shí)的子概念出發(fā)，可分為供應(yīng)商信息、數(shù)字模型分發(fā)、用戶需求、業(yè)務(wù)流程重組、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理、工作流管理、營銷與控制等。

(2)從制造知識(shí)的子概念出發(fā)，可分為加工過程及控制(常用刀具、刀具材料、磨料與磨具、加工過程)、加工設(shè)備(技術(shù)性能、設(shè)備分類)、表面質(zhì)量(影響因素、提高質(zhì)量的措施)、夾具(工件定位、定位誤差、工件夾緊、夾具種類)、加工工藝(工藝性評(píng)價(jià)、工藝規(guī)程、工藝尺寸鏈)、裝配工藝(裝配精度、裝配工藝規(guī)程、裝配工藝性評(píng)價(jià))和精度分析與控制(加工精度、改變的條件、控制方法)等。

2.1.2 協(xié)同制造知識(shí)概念抽取

領(lǐng)域知識(shí)概念抽取是本體構(gòu)建重要的一步，協(xié)同制造領(lǐng)域知識(shí)概念是協(xié)同制作領(lǐng)域內(nèi)具有語義的詞或短語的集合，具有3個(gè)特征：(1)概念名稱之間具有相似性。(2)表達(dá)的信息之間具有相似性。(3)概念之間的屬性具有相似性。采用加權(quán)相似度對(duì)協(xié)同制造知識(shí)概念進(jìn)行計(jì)算，步驟如下[4]：

(1)概念名稱相似度計(jì)算

SC表示概念名稱相似度，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)信息相似度計(jì)算

Sf表示信息相似度，計(jì)算公式如下：

(2)

(3)屬性相似度計(jì)算

Ss表示關(guān)系相似度，計(jì)算公式如下：

(3)

(4)加權(quán)相似度計(jì)算

(4)

其中：α、β、γ表示相似度的權(quán)重系數(shù)；α、β、γ∈(0, 1)。加權(quán)相似度為0時(shí)表示兩個(gè)概念間無任何關(guān)聯(lián)關(guān)系；加權(quán)相似度為1時(shí)表示兩個(gè)是同一個(gè)概念。

(5)相似度的權(quán)重系數(shù)計(jì)算

步驟如下：

① 構(gòu)造三階決策矩陣A3如下：

CDCICN

②權(quán)重系數(shù)w的計(jì)算公式如下：

(5)

③ 最大特征值λmax的計(jì)算公式如下：

(6)

④ 一致性檢驗(yàn)

例如：A概念集合(零件、類型、毛坯、種類、名稱、材料、強(qiáng)度、尺寸、圖號(hào))；B概念集合(材料、硬度、類型、毛坯、質(zhì)量、產(chǎn)品、代號(hào)、數(shù)量、零件)，通過計(jì)算得Sc=4/(9+9-4)=0.286，Sf=(9×9)/(92+92-9×9)=1，Ss=(9×9)/(92+92-9×9)=1,α=0.542,β=0.298,λ=0.161，S=αSc+βSf+γSs=0.286×0.542+0.298×1+0.161×1=0.614，加權(quán)相似度為0.614，可抽取(零件類型、零件質(zhì)量、零件名稱、零件圖號(hào)、產(chǎn)品代碼、數(shù)量、毛坯種類、毛坯質(zhì)量、毛坯尺寸、材料類型、材料強(qiáng)度、材料硬度)等領(lǐng)域概念。

2.2 協(xié)同制造知識(shí)的OWL描述及屬性定義

采用Protégé開發(fā)軟件，通過輸入結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的實(shí)體概念和屬性信息，從而得出本體化和語義化的知識(shí)模型并基于此模型進(jìn)行語義推理。利用Protégé集成的OWL插件對(duì)協(xié)同制造知識(shí)進(jìn)行OWL本體的開發(fā)，主要分為三步：首先，創(chuàng)建類和類的層次結(jié)構(gòu)；其次，定義類的屬性和屬性約束；最后，構(gòu)建類的個(gè)體。使用Protégé 5.0開發(fā)的制造知識(shí)類和類的層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

制造知識(shí)概念術(shù)語OWL描述的部分本體片段如下所示：

……

屬性通常被用以說明類以及個(gè)體的某些共同或?qū)Ｓ刑卣鳌Ｒ粋€(gè)屬性包含一個(gè)二元關(guān)系。在OWL中存在兩種類型的屬性：對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)類型屬性，分別描述類的對(duì)象之間的關(guān)系和類的對(duì)象與數(shù)據(jù)類型值之間的關(guān)系[15]。對(duì)象屬性用owl：ObjectProperty定義，并用rdfs：domain和rdfs：range指明它的定義域和值域。

制造知識(shí)的部分屬性定義如下：

CCJR=(AC(姓名，性別，出生年月，聯(lián)系方式，…)AR(熟悉的信息))；

CGCS=(AC(成功制定的生產(chǎn)方案，失敗案例，最佳案例，…)AR(產(chǎn)生來源))；

其中:CCJR表示創(chuàng)建人(領(lǐng)域?qū)＜?的知識(shí)屬性集；CGCS表示工程師的知識(shí)屬性集。

通過OWL語言描述其對(duì)象屬性關(guān)系為：

3 應(yīng)用實(shí)例分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有多學(xué)科、多進(jìn)程和多方案選擇等特點(diǎn)。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造為例對(duì)其知識(shí)概念術(shù)語進(jìn)行分類，可表示為：

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造知識(shí)包括：科學(xué)知識(shí)(機(jī)械制圖學(xué)、工程材料學(xué)、機(jī)械制造工藝學(xué)(加工工藝、裝配工藝、夾具設(shè)計(jì))、摩擦學(xué)、熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、機(jī)械振動(dòng)學(xué)、聲學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué))、經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境學(xué)等多個(gè)學(xué)科。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造知識(shí)概念術(shù)語OWL描述片段如下：

…

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造知識(shí)部分屬性定義如下：

CKXZS=(AC(知識(shí)類型，學(xué)科分支，主要內(nèi)容，…)AR(包含學(xué)科))；

CGCCL=(AC(材料編號(hào)，材料名稱，材料性能，…)AR(所屬學(xué)科))；

GJXZD=(AC(振動(dòng)類型，振動(dòng)強(qiáng)度，振動(dòng)時(shí)間，…)AR(所屬學(xué)科))；

其中，CKXZS、CGCCL、CJXZD分別代表科學(xué)知識(shí)屬性集、工程材料知識(shí)屬性集、振動(dòng)知識(shí)屬性集。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造知識(shí)部分屬性定義OWL描述如下：

由于OWL約束公理具有只對(duì)特定的類和屬性進(jìn)行約束，并對(duì)其他非特定建模對(duì)象約束少等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用OWL約束公理定義本體模型可以達(dá)到更完整更名確的目的。本文僅將約束公理應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造知識(shí)，并對(duì)其概念進(jìn)行形式化表示，其中部分概念形式化表示為：

航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)≡學(xué)科類∩Restriction(?包含于學(xué)科·振動(dòng)學(xué))∩Restriction(?實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(正弦振動(dòng)∪隨機(jī)振動(dòng)∪…))。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造知識(shí)≡產(chǎn)品制造知識(shí)∩Restriction(?涉及科學(xué)知識(shí)(機(jī)械制圖學(xué)∪工程材料學(xué)∪機(jī)械制造工藝學(xué)(加工工藝∪裝配工藝∪夾具設(shè)計(jì))∪熱力學(xué)(工程熱力學(xué))∪摩擦學(xué)∪結(jié)構(gòu)力學(xué)∪機(jī)械振動(dòng)學(xué)∪聲學(xué)∪計(jì)算機(jī)科學(xué)∪…))∩Restriction(涉及環(huán)境知識(shí)(環(huán)境學(xué)))∩Restriction(涉及經(jīng)濟(jì)知識(shí)(經(jīng)濟(jì)學(xué)))。

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，建立了兩個(gè)Object_Property 屬性，分別為INCLUDED_IN_THE_DISCIPLINE_OF(包含于學(xué)科)和HAS_TEST_CONTENTS(實(shí)驗(yàn)內(nèi)容)。其OWL屬性約束如圖4所示。因篇幅所限，其余類相關(guān)屬性約束可采用相同方法進(jìn)行構(gòu)建。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造知識(shí)的約束公理OWL描述片段為：

……

當(dāng)制造過程中有協(xié)同需要時(shí)，生產(chǎn)單元(供應(yīng)商)便向協(xié)同制造管理系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求，請(qǐng)求中包含主要知識(shí)信息、資源信息和任務(wù)分配信息等，協(xié)同制造管理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)向其他生產(chǎn)單元(供應(yīng)商)發(fā)送協(xié)同邀請(qǐng)，符合要求的生產(chǎn)單元(供應(yīng)商)接受邀請(qǐng)后進(jìn)入同樣的生產(chǎn)工作環(huán)境，與發(fā)出請(qǐng)求的生產(chǎn)單元(供應(yīng)商)實(shí)時(shí)交互信息，協(xié)同完成相應(yīng)的制造任務(wù)。

4 結(jié)語

本文從協(xié)同制造知識(shí)的表示、共享和重用角度出發(fā)，通過詳細(xì)分析協(xié)同制造的特點(diǎn)，提出了基于本體的協(xié)同制造知識(shí)建模方法。該方法可以有效解決企業(yè)間協(xié)同制造知識(shí)理解、知識(shí)共享和重用問題，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)也為企業(yè)間協(xié)同制造知識(shí)的集成提供語義基礎(chǔ)和邏輯模型，可實(shí)現(xiàn)企業(yè)間協(xié)同制造異構(gòu)系統(tǒng)之間的語義互操作需要。

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