（计算机应用技术专业论文）制造网格资源信息共享技术研究.pdf

摘要 制造网格的出现，实现了地理上分散的各类制造资源的全面连通和共享， 形成了一个庞大的资源库。用户想要像使用本地资源一样方便地使用资源库中 的资源，必须有效的发现所需的资源信息。但由于不同的用户以不同的方式对 资源信息进行建模，使得用户之间不能有效地交换资源信息。针对这些问题， 本文研究了制造网格资源信息共享技术，实现了异构信息源之间的信息交换及 从异构信息源中有效获取信息的方法，最终实现了信息共享。制造网格资源信 息共享技术综合应用网格计算、本体技术和w e b 服务技术，以资源信息语义化 描述为基础，把资源信息封装为服务，根据本体概念的相似度来匹配相应的服 务，采用查询分解策略发现相关信息，是一种快速、准确的信息共享方法。 在w e b 服务体系结构基础上，结合本体技术和w e b 服务实现技术，构建了 制造网格资源信息共享框架模型，设计了该框架下的功能组件，研究了信息共 享的工作流程。 为了对制造网格资源信息的描述添加语义信息，采用了自底向上构建本体 的方法，设计了从结构化和半结构化的信息源中构建本体的规则，建立了制造 资源试验本体。采用w e b 服务技术，把制造资源信息封装为服务，利用w e b 本 体描述语言( o w l ) 使制造领域中的异构信息源在语义层次上取得描述的一致，实 现了对服务的语义描述。通过在服务注册中心引入本体提供的分类机制和w e b 服务本体语言( o w l s ) ，优化了服务的存储方式，解决了服务注册中心对语义信 息不支持的问题。 为了实现快速、高效、精确的制造资源信息的发现与匹配，对制造资源信 息发现方法进行了研究。分析了资源信息查询处理引擎的体系结构。改进了本 体中概念语义相似度的计算方法，设计了制造资源信息查询处理引擎中的查询 分解策略，通过查询分解，依据概念相似度，一步步的把全局查询分解为对底 层信息源的查询。 最后，在相关项目“制造网格资源共享服务平台”的支持下，开发了制造网 格资源信息共享原型系统，进一步验证了研究的可行性。 关键字：制造网格，本体，w e b 服务，信息共享 a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n g g r i dh a sc o n n e c t e da n ds h a r e da l lk i n d so fm a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e sw h i c hd i s p e r s e da l lo v e rt h ew o r l d ，a n di th a sc o m p o s e dah u g er e s o u r c e s l i b i fs o m e o n ew a n t st ou s et h er e s o u r c e so ft h em a n u f a c t u r i n gg r i dr e s o u r c el i b c o n v e n i e n t l yj u s t l i k el o c a l s ，i t st h ef u n d a m e n t a lt oe f f e c t i v e l yf i n dt h en e e d e d r e s o u r c e si n f o r m a t i o n s i n c ed i f f e r e n tu s e r sa d o p t e dd i f f e r e n tw a y st oc o n s t r u c t m o d u l e s ，t h e r ea r ek i n d so fi s o m e r s a l lo ft h e s eb l o c kt h ee x c h a n g ei n f o r m a t i o n a m o n gu s e r s i no r d e rt oa v o i dt h e s el i m i t a t i o n s ，w eh a v et h i sp a p e rt oe x p l o r et h e m a n u f a c t u r i n gg r i dr e s o u r c ei n f o r m a t i o ns h a r i n gm e t h o d s ，a c h i e v i n gg e t t i n gi n f o f r o mi s o m e r sa n di n f oe x c h a n g ea m o n gt h e m ，e v e n t u a l l ym a k ei n f o s h a r i n gr e a l i z e d m a n u f a c t u r i n gg r i dr e s o u r c ei n f o r m a t i o ns h a r i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h es e m a n t i c d e s c r i p t i o no fr e s o u r c ei n f o ，u s i n g 鲥dc o m p u t i n g ，o n t o l o g yt e c h n o l o g ya n dw e b s e r v i c et e c h n o l o g y , e n c a p s u l a t i n gt h er e s o u r c ei n f o a ss e r v i c e ，m a t c h i n gt h e s e s e r v i c e sb a s eo no n t o l o g yc o n c e p ts i m i l a r i t y , a d o p t i n gq u e r y i n ga n da n a l y s i n g a l g o r i t h mt od i s c o v e rt h er e l a t e di n f o i t i saf a s t , e x a c ti n f o r m a t i o ns h a r i n g t e c h n o l o g y b a s e do nt h ew e bs e r v i c ea r c h i t e c t u r e ，c o m b i n i n gt h eo n t o l o g yt e c h n o l o g ya n d w e bs e r v i c et e c h n o l o g y ，w ec o n s t r u c t e df r a m em o d u l eo ft h em a n u f a c t u r i n gg r i d r e s o u r c e si n f o r m a t i o ns h a r i n g ，f l l r t h e rm o r e ，w ed e s i g n e dt h ef u n c t i o n a lc o m p o n e n t a n dr e s e a r c h e dt h ew o r kf l o wo fi n f o r m a t i o ns h a r i n g i no r d e rt oa d d i n gt h es e m a n t i ci n f o r m a t i o nt od e s c r i p t i o nm a n u f a c t u r i n g 鲥d r e s o u r c e si n f o ，w eu s e dt h eo m o l o g yc o n s t r u c t i n gt e c h n o l o g yw h i c h f r o mb o t t o mt o t o p ，d e s i g n e dt h e c o n c e i v eo n t o l o g yf o r m u l af r o ms t r u c t u r e o rs e m i - s t r u c t u r e ， e s t a b l i s h e dt h em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e se x a m i n a t i o no n t o l o g y s ow ec o u l dm a k et h e d e s c r i p t i o nc o n s i s t e n tf r o md i f f e r e n tm a k i n g a r e as o u i c e ，r e a l i z i n g t h es e m a n t i c d e s c r i p t i o nt os e r v i c e t h r o u g hi m p o r t i n gt h ec l a s s i f i c a t i o nm e c h a n i s mw h i c hi s p r o v i d e db yo n t o l o g ya n do w l - s t os e r v i c er e g i s t e rc e n t e r , w eo p t i m i z e ds t o r a g e m e t h o d so fs e r v i c e ，r e s o l v e dt h es e m a n t i ci n f o sn o ts u p p o r t i n go fs e r v i c er e g i s t e r c e n t e r i i t od i s c o v e rt h em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sf l e e t l y , e f f e c t i v e l ya n da c c u r a t e l y , w e s t u d i e dt h em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sd i s c o v e rm e t h o d w ea n a l y z e dt h er e s o u r c ei n f o q u e r y i n ga n dd e a l i n ge n g i n ea r c h i t e c t u r e t h e n ，w ed e s i g n e d t h eq u e r y i n ga n d a n a l y s i n ga l g o r i t h mw h i c hi s u s e di nm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e si n f oq u e r y i n ga n d d e a l i n ge n g i n e a n a l y s i n g t h eq u e r y ，a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p ts i m i l a r i t y , t h e a l g o r i t h mc h a n g e si tt ot h eq u e r yo f d i f f e r e n ti n f os o u r c e s a tl a s t ，u n d e rt h ep r o j e c to f m a n u f a c t u r i n g 卵dr e s o u r c e s h a r i n gs e r v i c e p l a t f o r m ”ss u p p o r t ，w eh a v ed e v e l o p e dt h em a n u f a c t u r i n g 西dr e s o u r c ei n f o r m a t i o n s h a r i n gd e m o ns y s t e m ，a n da s s u r e dt h ef e a s i b i l i t yo f t h er e s e a r c h k e yw o r d s ：m a n u f a c t u r i n gg r i d ，o n t o l o g y ，w e bs e r v i c e ，i n f o r m a t i o ns h a r i n g i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：船导师签名：j 啦日期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 制造业是创造人类财富的重要支柱，也是国民经济和综合国力的重要体现。 随着i n t e m e t 的发展，制造业也从相对封闭的制造模式向网络化制造模式发展。 近年来，国内出台了虚拟制造、动态联盟、绿色制造、敏捷制造等很多制造模 式，这些制造模式采用不同的技术，实现相同的功能，达到共同的目的。但由 于没有统一的标准和规范，而且由于制造资源存在异构、分散、自治和动态等 特征致使应用于某种产品或某个领域的制造模式很难应用到别的产品或领域 中，这阻碍了制造模式的扩展，不符合国家的长远发展规划，同时也违背了制 造业全球化的发展趋势，在这样的背景下，制造网格( m a n u f a c t u r i n gg r i d ，m g ) 就应运而生。 网格从本质上讲是一种网络计算。网络计算是指为了把由网络连接起来的 各种自治资源和系统组合起来，以实现资源共享、协同工作和联合计算，为用 户提供基于网络的各种综合性服务。目前最有影响力的是2 0 0 1 年i a n f o s t e r 对网 格的定义，他指出，网格计算的本质是在动态的、多机构的虚拟组织中的协调 资源共享和协同解决问题【1 。2 】。网格上的资源包括计算机、集群、计算机池、仪 器、设备、传感器、存储设备、数据、软件等实体【3 】。让用户如同使用电力一样 方便的去使用通过网络连接起来的资源，实现网络资源的无缝集成、资源共享、 消除信息孤岛是网格的最终目的。 制造网格是网格技术在制造领域的应用。制造网格定义为：制造网格是实 现企业和社会资源共享和集成，支持企业群体协同运作和管理的集成支撑环境， 是基于网格和相关先进的计算机与信息技术，通过网络将分散在不同企业和社 会群体( 包括高校、研究院所、专家、中介服务机构) 中的设计、制造、管理、 信息、技术、智力和软件资源通过封装和集成，屏蔽资源的异构性和地理分布 性，以透明的方式为用户提供各类制造服务( 包括企业生产经营的一切活动) ， 使企业或者经营个体能够以请求服务的方式方便地获得所有与制造相关的服 务，能够像使用本地资源一样方便地使用封装在制造网格上的资源，实现各类 武汉理工大学硕士学位论文 资源的集成和优化。制造网格集成了产品生命周期各个阶段相关的设计制造资 源、各种流程和知识等信息，是现代集成制造系统发展的平台和支撑环境【4 矧。 制造网格的核心思想是制造资源的共享和协作，制造网格的目的是有效地 将各种来自不同领域、企业、组织和个体的资源整合起来。通过制造网格提供 的服务，用户能够像今天获取网络信息一样方便的获取各种制造资源。在制造 网格的支持下，建立面向企业的专业制造要求的专业应用系统，用来协调企业 的设计，制造和相关事物。 制造网格是一个虚拟网络，其物理基础还是i n t e m e t ，通过i n t e m e t 来整合所 有制造及相关资源，实现制造资源的无缝集成和透明访问，彻底解决制造资源 的共享问题。 随着制造网格技术研究的深入和应用的普及，制造网格中存储的资源信息 在数量上将急剧增加，信息的形式将多样化和无组织化，信息的主题将复杂化。 如果没有一种好的信息共享方式，人们势必继续为网络时代感受到的“信息过 剩”和“知识贫乏”问题继续困扰。 此外，近年来随着w e b 应用的迅速发展，w e b 应用面临着自动化及语义保 持的问题。在2 0 0 1 年t i mb e m e r s l e e 在文献 7 中提出了语义w e b 。语义w e b 通过给w e b 上的资源信息添加上拥有明确定义的语义，使计算机不仅能够处理 信息，还能够理解它所处理的内容，从而使得计算机之间以及计算机与人类能 更好的协调合作。对于用户提交的应用请求，如何根据语义信息执行分布在w e b 上的相关服务，并自动的进行服务切换，是语义w 曲被提出的动机所在【8 】。使 机器可以存取w - e b 信息，并实现处理的自动化是语义w e b 的目标【9 】。同时，语 义w e b 的相关标准和技术不断涌现，支撑技术的到了快速发展。如：r d f s t l 0 j 、 o n t o l o g y t l l l 、o w l s t l 2 】等。在w 曲应用中有效利用本体论，可以在一定程度上 实现语义w e b 信息处理的自动化，提高w e b 搜索的准确性、提高w e b 服务的质 量。 本文针对当前制造网格资源信息共享中存在的效率低下，集成度不高，不 能解决语义异构等问题，利用语义w e b 技术所具有的计算机可理解、可处理、 可以很好的解决当前制造网格中资源信息缺乏语义的问题等特征。探索将语义 w e b 技术应用于制造网格中，研究制造网格资源信息共享的关键技术及实现过 程。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 制造网格研究现状 制造网格作为近几年的研究热点，得到了众多国内外学者的关注。国外学 者r o b i n g 认为未来的制造将会以更加集成化和协同的方式进行。r o b i n g 基于 计算网格的五层协议结构提出了制造网格的五层协议结构，针对制造网格中的 建模问题，定义了制造网格的两层模型，并给出了一个简单的基于g f o b u s 的原 型实现。目前，国外学者对制造网格的研究还不多见，而较多的是业界将计算 网格技术应用于制造领域，整合制造企业的计算资源，满足现代复杂产品设计 对超高计算处理能力的需求，如由美国国防部下属的国防先进研究计划处 ( d e f e n c ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y d a r p a ) 。制造业中，首先进行网格 应用的是美国国家航空航天局( n a t i o n a la s r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ， n a s a ) 和美国自然科学基金会( t h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n , n s f ) 的联合研 究计划信息动力格网( i n f o r m a t i o np o w e rg r i d ，i p g ) ，i p g 计划是支持网络化制造 中设计仿真活动的网格技术应用，其目的是建立一个完全分布式的计算资源和 数据资源的管理环境，以支持大型科学和工程问题的异地协同，重点解决由不 同研究小组开发的地域分布的单元仿真器之间的资源和应用集成问题【l3 1 。波音、 福特等公司都在尝试用网格技术进行复杂的仿真与设计，除此之外，爱立信、 日立、宝马等也都已经开始构造和试用内部网格【i 引。 国内，在制造网格理论方面，清华大学的范玉顺教授对制造网格的定义进 行了研究，指出制造网格是现代集成制造哲理和敏捷制造模式在网络化经济环 境下的一种具体物化形式，是对传统制造模式的扬弃与创新【1 4 。7 】。西北工业大 学的敬石开博士从制造资源共享和提供服务的角度定义了制造网格，同时对制 造网格自身的多个特性也进行了详细的阐述【l 引。在制造网格的体系结构方面， 范玉顺教授提出了包括网络层、单元与基础协议层、资源封装层、网格中间件 层、使能层、应用层、入口层、企业协同层的多层次结构模型【1 4 。1 。刀。上海大学 的刘丽兰博士基于快速制造资源提出了快速制造网格的四层体系结构【1 8 珈】。山 东大学的孟祥旭教授等基于o g s a 提出的面向服务的架构【2 。广东工业大学的 陈庆新教授提出了由下至上的四层模具制造网格系统结构【2 引。西北工业大学的 和延立博士提出了四层协同制造网格结构【2 3 1 。在制造网格的资源建模方面：清 华大学的王爱民博士研究了面向制造网格应用的虚拟企业的组织模型【2 4 】。在制 武汉理工大学硕士学位论文 造网格的资源调度方面：刘丽兰博士等建立了基于服务质量的群决策模糊层次 分析模型【2 5 - 2 6 。武汉理工大学数字制造湖北省重点实验室深入研究了制造资源 的建模与共享、协同制造网格平台、制造网格资源优选评估等问题 2 7 - 2 9 】。 总的来说，将网格技术扩展到制造领域，开展基于网格技术的制造网络理 论、技术、方法等方面的研究，在目前仍处于起步阶段。针对制造网格资源信 息的发现、调度、集成等方面的研究不多。 1 2 2 信息共享现状 信息共享是一个传统的研究领域，信息共享的目的是为了有效收集现有信 息，消除信息孤岛，实现不同信息使用者之间的协同。信息共享的手段是数据 集成，信息共享自被提出来就引起了国内外众多专家学者的关注，先后经历了： 物化法、虚拟视图法等方法【3 0 l 。随着对该领域研究的不断深入，新的技术和理 论不断加入进来，用以解决传统信息共享技术无法解决的语义异构问题。其中 w e b 服务和本体技术与本文的研究直接相关。 ( 1 ) 基于本体的信息共享 国外基于本体的信息共享研究始于2 0 世纪9 0 年代，最初本体只是作为一个 共享的词汇库或是一个领域模型应用到信息共享中的。s i m s 3 1 】是该领域内早期 研究的重要成果。y i g a la r e n s 等人构建了一个全局本体，并从多个数据源中收 集相关信息。在s i m s 中，本体可以看作是一个层级结构的术语集合，被用来描 述信息资源的内容、数据模型、查询语言等。每个数据源都被关联到这个全局 本体，因此系统清楚地了解哪种信息存储在哪个信息源中。此外，这个全局本 体还被用来辅助用户构造查询式，s i m s 的用户接口允许用户查看本体的结构和 内容。但是，s i m s 中的全局本体更像是一个领域模型，对本体的应用不够深入。 d i e t e rf e n s e l 等人将本体技术运用于w e b 信息集成领域，设计并实现了 o n t o b r o k e r l 3 2 】，面向网络信息资源提供本体的代理服务，实现基于本体的信息集 成与概念检索。但是，o n t o b r o k e r 也存在一些不足之处，如人工为网页添加语义 注释是十分费时费力的。 e m e n a 和a s h e t h 等人开发了一个原型系统o b s e r v e r 3 3 】，并提出了一种 “松散关联 的方法，即通过不同本体中词汇的关联实现本体间的协同工作， 为信息共享提供基础。o b s e r v e r 的特点在于，每个用户都关联到一个用户本 体，用该本体中的词汇构造查询式并提交给系统。同时，每个局部本体都与用 户本体建立了一一对应的语义关联，所以可以通过用户本体的桥梁作用实现局 4 武汉理工大学硕士学位论文 部本体间的映射，从而减小了匹配难度。但是，在o b s e r v e r 中，本体间的映 射是通过词汇的同义、近义关系完成的，而词汇间的关系只能近似地代表语义 关系，所以查询结果往往不够精确。 由c a r a g e a 等人开发的i n d u s t 3 4 】同样是多本体方法的一个应用实例。和 o b s e r v e r 一样，i n d u s 也为每个用户提供一个属于自己的用户本体。不同的 是，用户可以使用本体编辑器来修改默认的用户本体，使之更符合自己的观点 和视角。但是，该系统对用户要求较高，用户需要对特定领域内的知识有一定 程度的了解，否则无法较好地定义自己的用户本体及相应的匹配规则。 h w a c h e 和t h s c h o l z 等人针对基于映射规则的中间件技术提出了一种新的 集成方法，支持自动生成规范的映射规则，并实现了一个原型系统m e c o - t a f 3 5 1 。 不来梅大学的u b b ov i s s e r 和h e i n e rs t u c k e n s c h m i d t 等人为了实现信息系统 间的协同工作开发了b u s t e r 3 6 】。b u s t e r 针对信息共享中三个层次的信息异 构，即语法级、结构级、语义级，提出了一种全面的解决方案。 近年来，国内基于本体的信息共享的研究有中国人民解放军国防科学技术大 学的“基于o m o l o g y 语义信息的半结构化数据管理方法研究”和大连海事大学 的“分布式智能异构数据集成支持系统的研究”。国防科技大学的张英朝、张维 明等人从解决信息网格语义异构问题出发，设计了一种基于本体的信息网格全 局视图构建方法h o g v c a c 3 7 】。大连海事大学的李冠宇和刘海滨实现了异构信 息在概念层次上的共享，开发了一个原型系统并进行了简单的测试【3 8 1 。他们的 研究成果虽然没有提高查询速度，但查准率和查全率方面都有不同程度的提高。 南京航空航天大学的谢强和刘文斌结合本体技术与企业信息集成，重点研究 了：本体映射与本体进化。提出了一种基于语义的本体映射方法，解决了本体 间映射缺乏语义关联的问题【”j 。 西北大学吴江和李亚红设计了一种基于语义的异构信息共享架构并实现了 原型系统，运用w e bs e r v i c e 技术整合电信运营企业中多个独立运行的信息系统， 解决了存在的语义异构问题1 4 0 1 。但是，该原型系统的数据源比较单一，均为关 系型数据库。 电子科技大学的罗惠琼与史军强采用了传统的m e d i a t o r w r a p p e r 体系结 构，应用单本体方法，将一个全局本体引入其中，作了相应的改进，实现了基 于本体的w e b 信息共享【4 1 1 。 ( 2 ) 基于本体的信息共享方法 武汉理工大学硕士学位论文 本体技术应用于信息集成领域，产生了几种基于本体的信息集成方法。目 前应用本体技术进行信息集成主要有三种方法：单本体方法、多本体方法和混 合方法 4 2 埘】。 1 ) 单本体方法 单个本体提供一个全局本体，给出共享词汇集对语义进行说明。所有的信 息源都和这个全局本体相关。当所有的信息源在一个领域里被集成，提供了 个统一的视图时，单本体方法就解决了集成问题。但是如果一个信息源在领域 内存在不同的视图时，也就是说提供了另一个级别的粒度，这时发现最小的本 体承诺( o n t o l o g yc o m m i t m e n t ) 就变得很困难了。并且单本体易受信息源改变的 影响，由于信息的改变，将导致全局本体的改变和对其他信息源之间映射的改 变。多本体方法的产生克服了这个缺点。 2 ) 多本体方法 在多本体方法中，每个信息源由它自己的本体来描述多本体的优点是每个 源本体不需要和其他的信息源相关而形成自己的本体，在信息源发生增改和删 除时，本体的结构改动很小。缺点是由于不存在统一的全局本体，从而同其他 信息源之间难以比较。 3 ) 混合本体的方法 为了克服单本体和多本体的缺点，产生了一种混合本体方法。和多本体的 方法相似，每个信息源由它自己的本体来描述语义。但是为了使每个源本体之 间能够相互比较，在最上层建了一个共享的词汇集，共享的词汇集包含了领域 内基本的术语。因为每一个源本体的术语是建立在原语的基础上，这样术语之 间的比较就变得简单。混合方法的优点是很容易增加一个新的信息源，不需要 对映射和共享的词汇集做过多的改动，并且能够支持本体进化。 ( 3 ) 语义与本体的关系 传统的信息共享中，信息的表示方法大多是基于语法的，很少考虑语义， 这直接导致了用户查询的查全率和查准率不高。用户在查询时希望得到与其给 出的语义条件相关的所有信息。这是传统信息共享中所不能做到的。在基于本 体的信息共享中，本体技术是其应用的重要技术，我们需要考虑到信息的语义 表示问题，因此必须研究语义与本体关系。信息共享框架要实现基于语义的信 息共享实现机器对语义的理解。因此，必须分析本体和语义的关系。 根据文献 4 4 中对语义和本体之间的关系，用以下几点说明： 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 概念是人类长期以来在实践的基础上，在某行业内约定俗成的符号与现 实世界之间的一种映射关系。因此常常出现一词多义或者多词一义现象； 2 ) 现实中的概念不作改变，很难被机器或者应用程序所理解。也就难以将 符号向现实世界进行映射； 3 ) 要实现对语义的理解，需要有一个完备的符号系统来实现概念和现实世 界的对应或者映射； 4 ) 在机器表示中，语义是通过概念向现实世界进行映射的，从这个角度来 看，本体是机器语义理解的最小单位； 5 ) 人们希望能够对资源进行语义上的查询，即需要系统能根据信息资源所 具有的资源语义进行融合后提交给用户，这就要求相关的查询机制是基于本体 的。 ( 4 ) 基于语义的w e b 服务描述语言 随着w e b 服务应用的发展，w e b 服务面临着语义保持的问题，为了表示语 义信息，d a m l l 4 5 1 扩充了w s d l 4 6 1 。它是基于语义w 曲的服务描述语言，建立 在x m l 和r d f 的基础上，为机器读取提供了读取数据以及对数据进行解释和 推理的能力。使得面向人的w e b 转到了语义w e b 47 | 。在w e b 服务中有效利用本 体技术，可以实现语义w e b 信息处理的自动化。w e b 服务本体语言( w e bo n t o l o g y l a n g u a g ef o rs e r v i c e s ，o w l s ) 是美国国防部高级计划研究署( d e f e n s ea d v a n c e d r e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y , d a r p a ) 组织既d a m l s 之后推出的新一代本体语言。 它提供了一个描述服务的本体，从s e r v i c ep r o f i l e 、s e r v i c em o d l e 和s e r v i c e g r o u n d i n g 三个方面分别描述了该w 曲服务能做什么、如何完成服务功能和如何 调用该服务。由于o w l s 与服务的其他规范( 如w s d l ) 以及本体的标准语言 兼容性好。因此，o w l s 作为语义w e b 服务描述标准已经的到了认可。 卡内基梅隆大学的p a o l u c c i 等人在文献 4 8 中提出了将基于o w l s 的描述 引入u d d i 机制的w 曲服务发现模型，利用软件a g e n t 实现w e b 服务的语义匹 配以及语义w e b 服务发现集成开发环境。 综合以上国内外对信息共享研究和w 曲服务在信息共享中的应用，我们发 现，本体之于信息共享的作用中，“明确语义内容”得到深入的研究和广泛的实 现，而“信息组织框架和“实现语义推理 虽然也有所研究与实现，但是仍 有较大空间值得我们深入。至于“作为查询模型 这项作用，只在少数系统中 得到了应用，未获得广泛的研究。而w e b 服务可有效的组织“信息组织框架” 武汉理工大学硕士学位论文 并且作为“查询模型。因此，结合本体和w e b 服务技术是有效解决信息共享的 一个可行的方案。 1 3 研究意义及内容 1 3 1 研究意义 制造网格把网格上制造企业的制造资源组织起来，形成了制造网格资源库。 但是，这个资源库是以虚拟的形式存在的，制造资源实际上仍然分布在各个自 治的企业之中。对于制造网格的用户来说，需要用不同的方法从不同的制造资 源中获取信息，这个信息获取过程过于繁琐。用户希望能够用单一标准方法访 问多个信息源的数据。对于制造网格的开发人员来说，在开发新的应用时需要 访问现有的多个信息源，开发人员希望通过单一的标准接口访问这些信息源。 这样，既可以减少软件开发的复杂程度，提高效率，又可以简化系统的使用。 同时，制造网格始终处于一种变化的状态之中，不同企业的新的资源信息 层出不穷，不断更新变化。制造网格必须跟踪企业资源信息的变化，保持同步 更新。因此，如何构造一个适应于未来企业发展的信息基础设施，使处于不同 地域、不同操作平台、不同数据格式、不同商业运作模式、不同组织形式的企 业实现核心技术的共享，是制造网格必须解决的一个热点问题。因此，在分析 制造网格上不同企业间资源信息存在的各种异构问题的基础上，提出制造网格 资源信息共享技术研究，以帮组用户快速准确的找到自己需要的资源，为推动 制造网格的发展具有重要意义。 1 3 2 研究内容 从国内外对资源信息共享的研究可以看出，信息共享的过程涉及到语义异 构、平台异构、模式异构等问题，并且要解决共享后系统的完整性和实时性等 问题。目前国内外对平台异构、模式异构等已有较好的解决方案。但是，在语 义异构方面的研究仍有可改进的地方，如仅仅以本体作为解决语义异构的方案 在解决信息共享框架和查询模型等方面还有一定的局限性。 因此，本文结合制造网格资源共享服务平台的开发实施过程，具体研究以 下五个方面的内容： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 制造网格资源信息共享框架 扩展面向服务架构，引入制造资源本体，构建出支持语义的w e b 服务系统 框架模型，并研究其工作流程。 ( 2 ) 制造资源本体的构建 研究制造资源的分类机制，结合本体的构建方法和技术，利用本体建模工 具建立制造资源本体，为资源信息的描述提供语义概念基础。 ( 3 ) 信息的封装 研究基于o w l s 的服务描述机制，在制造资源本体的支持下，达到制造资 源的语义描述一致的效果，实现资源信息的封装。 ( 4 ) 信息的查询分解 查询分解是信息共享过程中关键的一步，查询分解算法直接关系到信息发 现效率的高低。因此，在研究信息查询的基础环境查询处理引擎的体系结 构和工作过程的基础上，进一步研究查询分解算法。 ( 5 ) 原型系统的开发 在理论研究的基础上，研究原型系统的开发过程和方法，通过原型系统验 证理论的可行性。 1 4 课题来源 本文的研究工作，得到以下项目的支持： ( 1 ) 国家自然科学基金重大国际合作项目“网络为基础下的数字制造环境新 理论与新技术研究( n o ：5 0 6 2 0 1 3 0 4 4 1 ) ( 2 ) 国家科技部国际科技合作项目：“基于多智能体的数字制造基本理论与 关键技术研究”( 2 0 0 6 d f a 7 3 1 8 0 ) ( 3 ) 武汉市软件产业发展专项资金项目“制造网格资源共享服务平台”( 武 信发【2 0 0 7 18 号) ( 4 ) 湖北省自然科学基金“制造网络中资源服务挖掘基础理论与关键技术 研究批准文号2 0 0 7 a b a 2 1 8 。 9 武汉理1 丁大学硕士学位论文 2 1 框架结构 第2 章资源信息共享框架 2 1 1 框架的协议架构 从技术角度看，信息共享经历了两大阶段。第阶段以t c p i p 为标志，实 现的是内容上的低成本协同，通过t c p i p 协议，各种计算机系统屏蔽了硬件， 实现了不同操作系统的互联。第二阶段以x m l 为标志，实现的是应用上的低成 本协同，通过x m l ，各种应用系统可以实现在语法层次上的互联。不同的发展 阶段和应用，实现了不同层次上的信息共享。文献 4 9 给出了如图2 - 1 所示的 信息共享的层次。该层次图类似i s o7 层网络协议栈，我们称为信息共享协议 栈。 会话层对话( 互操作) 通信层消息( 通信活动) 内容层逻辑、规贝j j ( e b x m l ) 本体层共享词汇( u d d i ，r d f ) 语义层 语法层表达( x m l ，i d l ，h t m l ) 语法层 网络协议层消息传输( h r r p ，s m t p ) 传输层数据传输( t c p i p ) 图2 - 1 信息共享协议栈 协议栈的第七层是会话层，通过对话和互操作协议，定义了系统之间的消 息互操作的规范，它可以是简单的请求响应模式，也可能是复杂的招投标方式； 第六层是通信活动层，定义了标准的、与应用无关的方法，在系统之间传递基 于语义的消息：第五层是内容层，通过谓词逻辑或附加的限制，描述消息的实 际内容；第四层是本体层，适用于某个特定问题域的共享词库，它定义了相关 的术语、描述及其关系；第三层是语法层，它定义了内容的表述规则，是所有 语义层的基础。语法层可选用的技术包括x m l 和w e b 服务等。x m l 是一种元 标记语言，根据预定义的语法，人和程序都能理解。由x m l 表示的简单对象访 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 问协议( s i m p l eo b j e c ta c c e s sp r o t o c o l ，s o a p ) 是一种轻量级的对象访问协议， s o a p 是基于h t t p 、s m t p 等网络协议，它可以轻松地穿越防火墙。信息共享 协议栈的最下面两层分别对应i s o 七层协议的第七层与第六层。 2 1 2 框架的体系结构 因为w e b 服务的核心支撑技术是：x m l 、s o a p 、w s d l 、u d d i 以及 扩展的协议栈，所以w e bs e r v i c e s 可提供网络服务，可跨语言、跨平台、跨操作 系统并能容易穿越防火墙【5 0 】。混合本体的方法克服了单本体和多本体法的不足， 所以本文采用混合本体的方法来解决语义异构问题，采用w e b 服务技术解决语 法异构的问题。结合信息共享协议栈设计了信息共享架构的层次结构，框架系 统的框图见图2 - 2 。 内容层锄 本体层筒 语法脑 网络协议p 穹h r r p s m t p 传输层o = = t c p i p 啼请求 应答 图2 - 2 信息共享架构层次 该框架共分为三层，分别为信息源层、信息共享服务层和用户接口层，功能 如下： ( 1 ) 信息源层。信息源层是系统的最底层，同时也是整个系统的基础，主 要包括各个分布、异构信息源。底层信息的传输依靠信息共享协议栈的传输层 和网络协议进行传输，基于h t t p 的协议可轻易穿越防火墙，实现跨系统信息 传递。 ( 2 ) 信息共享服务层。该层是异构信息源实现共享的核心，对应于信息共 武汉理工大学硕士学位论文 享协议栈的内容层、本体层和语法层。负责从上一层接收查询请求。并根据己 有的服务注册信息将请求分解成针对不同信息源的子请求，产生查询执行方案， 按照执行方案调用服务。并将调用结果以统一的模式传递给上一层。该层四个 基本组成部分的主要功能如下： 本体库：包括全局本体、局部本体、全局本体和局部本体以及局部本体 和对应信息源之间的关系。包含所有信息源的通用语义模型。该语义模型规定 了待集成各信息源的数据对象的模式和数据的语义，从用户查询处理、全局数 据视图的定义、各信息源局部数据视图的定义、信息源描述的生成到基于领域 知识的信息检索与匹配，可以说本集成系统的各个环节都要以本体库中的本体 为指导，是实现语义查询的关键。 查询处理器：查询处理器是本系统的核心，查询处理器包含查询处理、 服务发现与发布、服务调用、结果处理等模块，查询处理器结构图见图2 3 ，其 中查询处理模块根据全局本体信息，分析用户查询接口发来的查询条件包含的 概念及其依赖关系，得到相关本体的属性信息，并根据全局本体和局部本体的 相似度，把全局查询分解为多个带语义信息的子查询，传递给服务发现与发布 模块；在接收到返回结果时，把返回结果以统一的模式返回给用户接口层。 服务发现与发布模块把u d d i 注册中心中的所有服务提供的语义信息与查 询处理模块得到的语义条件进行语义匹配，根据语义匹配算法得出匹配结果集， 然后使用某种选择策略选择合适的服务；在服务发布时，把包装器送来的服务 参照局部本体的语义进行描述，然后把服务注册到服务注册中心。 服务调用模块根据选取的各个服务所需的查询输入要求进行查询重写即把 用户的查询条件传递给服务的输入条件，并通过服务绑定进行服务调用，完成 所需信息的抽取工作。 由于一个查询可能涉及到多个信息源，各个信息源之间的模式都不尽相同， 所以抽取的结果也可能有多种模式的x m l 文档，因此，查询处理器还需要结果 处理模块对这些结果集数据文档进行处理，生成一个完整的查询结果。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 又直坷处理器j 、j，7 l 令 伞厍j 、 结果处理 全局本体 注 彳卜 t ， 。j jj 册 i ：z k ；白 k 坷 l 一 由 -局部本体h 局部本体 心 ，i 服务发现与发布卜 8 1 服务调用 l ， 、 图2 3 查询处理器结构与运行机制 服务注册中心：根据包装器提交的服务描述对服务进行注册；负责将查 询处理器传递过来的查询请求与具体服务对应。如果查询请求与注册的服务相 匹配，则将提供有关服务细节的服务接口信息返回给查询处理器。如果没