基于模块化本体的制造加工服务描述研究

基于模块化本体的制造加工服务描述研究

0语义web技术制造加工的营销化严重影响了中国制造系统的运作和管理模式。各领域的全球合作制造模式显著提高了制造企业的市场响应能力，提高了制造流程的效率。有效获取制造加工的服务资源是实现面向网络化虚拟企业协同制造的基础和关键环节。然而,目前的Web服务技术如简单对象访问协议(SimpleObjectAccessProtocol,SOAP)、Web服务描述语言(WebServicesDescriptionLanguage,WSDL)和统一描述、发现和集成(UniversalDescription,DiscoveryandIntegration,UDDI)等虽然支持分布式软件组件的无缝集成,但是它们是面向语法的标准,在面对复杂的实际应用问题时,由于缺乏网络资源语义描述标准,在很大程度上仍然需要人工参与交互,如仍需要通过人工搜索选择所需的Web服务,从而导致分布式制造环境下的协同业务处理过程智能化程度不高、资源发现和管理效率低,不但限制了Web服务的可扩展性,而且大大削减了Web服务的预期经济价值。本体建模和语义Web服务技术为创建机器能处理的面向内容与过程服务的各类网络资源提供了良好的互操作基础。通过运用语义Web技术,计算机能够理解服务提供商描述的服务性质、服务能力和服务过程约束,实现自动化服务匹配与组合,从而可以将人工参与过程集成的交互量减少到最小。因此,研究基于语义Web的制造服务描述建模方法和实现技术,建立能被企业广泛接受的制造服务描述模型及其基于语义的统一信息描述标准,是实现基于语义Web的制造服务自动发现与匹配,快速、准确构建协同制造业务的首要任务。1制造服务描述的描述及其应用目前,伴随着Web应用的不断深入,呈几何级数增长的信息量使用户快速发现其所需的信息变得越来越困难。实现对Web资源内容的分析和基于语义的信息检索,已经成为计算机科学和信息技术领域的一项重要研究课题,基于语义的网络资源描述与建模技术的研究得到了广泛重视。Lee等于2000年和2006年分别提出了初始塔型语义Web层次模型和扩展的语义Web层次模型,为实现本体语义描述和本体语义推理应用提供了理论框架和实现方法。为提高异构系统的互操作性(interoperability),促进知识共享(shared)和演进(evolution),制造服务描述模型的研究也从基于信息的模型向基于知识的模型转变。近年来,支持领域知识共识、共享的本体成为基于语义Web的制造服务描述的使能技术,许多学者从不同视角和不同抽象层建立了基于本体的制造服务模型。文献从制造服务的资源构成、基本信息、功能和非功能视角描述了支持虚拟企业制造服务描述模型,实现了基于Web服务本体描述语言(WebOntologyLanguageforService,OWL-S)的模型语义描述;文献针对协同制造过程特征,建立了基于OWL-S的10个网络协同制造本体及其描述;文献建立了基于产品结构的产品、部件、零件和工序的四级分类制造服务描述模型,采用逻辑约束控制定义了制造服务匹配、制造服务链优化和制造服务合成规则。文献从基于组织结构的工厂物理制造单元视角,建立了由基本信息、制造能力、物理构成、状态信息、工装信息组成的制造资源信息模型;文献从制造任务分解视角,建立了基于逻辑制造单元和逻辑加工路线的复杂零件协同制造任务信息模型。综合研究已有文献和在线制造加工交易市场发布的各种制造服务信息现状,发现:(1)现有的研究成果在一定程度上解决了企业协同制造过程中的信息交互与共享问题。但是,Internet上发布的大量制造服务广告,不仅服务描述结构不同、语法和语义表述不同,而且服务需求方仍然需要依靠人工搜索、分析和匹配制造服务,这样既不能保证服务匹配的查全率和准确性,又不支持协同业务的快速构建。(2)目前的制造服务描述大多采用OWL-S语言实现,OWL-S可以解决标准化问题,并克服基于关键词的服务发现机制的缺陷。但是,它描述的是语义Web服务上层本体,不支持推理。实际应用中需要将其描述的制造服务转换成其下层逻辑语言描述,才能利用逻辑推理功能满足具有复杂制造加工特征约束的制造服务自动化匹配计算需求。(3)已有的制造服务信息模型缺乏对制造域知识和加工约束的逻辑关系表达能力,制约了制造服务匹配的分类和一致性检查等推理服务的实现。结合目前的研究成果和需要进一步解决的问题,本文针对机械制造加工特征,采用本体建模技术形式化表达制造加工服务的概念和知识,通过基于描述逻辑的Web本体描述语言(WebOntologyLanguageDiscriptionLogic,OWLDL)描述制造加工服务模型,并在此基础上建立制造服务模型实现机制,开发制造服务建模、自动化发现与匹配一体化应用系统原型,支持面向网络化制造的制造加工公共服务平台构建。2dl的组成及特点本体(ontology)概念及其理论已经在领域知识表达和Web内容处理等方面得到了广泛应用。较为公认的本体定义是Gruber于1993年提出的:本体是概念模型的形式化规范说明。由此表明,本体可用于描述独立于环境状态的可共享的概念模型。这种形式化本体不仅提高了异构系统之间的互操作性和知识共享性,还可实现自动化信息/知识处理。一个知识本体通常由概念、关系、函数、公理和实例五种类型构件来描述,它提供对相关领域知识及其相互关系的共同理解和明确定义。Brachman于1977年提出关于语义网络的描述逻辑(DescriptionLogic,DL)思想,并建立了KL-ONE(KnowledgeLanguage-ONE)系统。DL是基于对象的形式化知识表示语言,具有很强的表达能力和可判定性,能清晰地表达模型论语义和分层概念。DL由概念、角色和个体组成,DL系统由表示概念和角色的构造集、描述概念关系的术语公理集TBox、描述个体实例的断言集ABox,以及TBox和ABox的推理机制四个部分组成。描述逻辑的显著特征是具有形式化的、基于逻辑的语义以及知识推理能力(包含推理和可满足性推理)。目前常用的三个DL推理系统是FaCT++,Racer(renamedaboxandconceptexpressionresoner)和Pellet。FaCT(fastclassificationofterminologies)是英国曼切斯特大学开发的一个描述逻辑分类器;Racer是德国Franz公司开发的第一个完全支持ABox的DL系统,它可用于大规模本体推理;Pellet是美国马里兰大学MINDSWAP项目组针对OWLDL开发的本体推理器。为实现基于Web的制造服务的自动化发现与匹配,还需要采用一种计算机能理解的、支持语义推理的Web标准语言实现制造服务描述。万维网联盟(WorldWideWebConsortium,W3C)推荐的Web本体描述语言(WebOntologyLanguage,OWL)是基于DL的本体语言,它有OWLLite,OWLDL和OWLFull三个子语言。OWLLite的表达能力有限,但其推理效率高;OWLDL有较强的表达能力,并提供完备的、可判定的推理机制;OWLFull有最强的表达能力,但不支持完备推理。可见,OWLDL能够较好地兼顾知识表达能力和高效的推理效率,它不仅可以用于自动化计算本体分类层次,还可以自动化检查本体的一致性,是实现自动化制造服务匹配的良好工具。基于OWLDL的本体可以表示为五元组:其中:C表示类(class)的集合;P表示属性(property)的集合,包括对象属性(objectproperty,表示个体与个体之间关系)和数据类型属性(datatypeproperty,表示个体与数据值之间关系)两大类;I是个体(individual)的集合;A是公理(axiom)的集合,包括类公理、属性公理和实例公理;F是事实(fact)的集合,表示除公理以外的其他关系,即类与属性、类与实例、实例与实例、实例与数值之间的关系及其约束。OWLDL的形式化基础是描述逻辑,它与描述逻辑有对应关系。OWLDL描述的类、对象属性、数据类型属性、个体、数据类型和数据值分别对应于描述逻辑中的概念、角色、特征、个体、定义域和值。由此,借助描述逻辑的推理机制可以实现基于OWLDL的本体语义推理。3基于owl的制造加工服务模型3.1制造服务mfgserfige要素定义制造合作伙伴对协同制造的贡献主要源于其核心制造服务能力。制造服务商的制造服务能力主要体现在其显性制造能力和隐性制造能力两方面。显性制造能力包括制造加工技术(设备水平、加工方法、加工精度等制造系统特征)和运作管理能力(加工成本、加工时间和加工质量等服务交付能力等);隐性制造能力则通过企业社会价值来映射,如行业背景、专业特长、客户群等反映企业经验、质量保证和信誉等的信息和知识,它们是显性制造能力的价值体现和实现保障。为此,本文针对制造加工域,将制造服务定义为:制造服务提供方/需求方提供(或需要)制造加工过程和制造资源产生的制造能力的集合(显性制造能力和隐性制造能力)。其中制造企业(制造服务提供方、需求方)、制造服务和制造资源是构成制造服务描述的三要素,它们形成了制造加工服务的核心本体(如图1)。定义1制造加工服务。基于Web的制造加工服务描述由制造企业MfgSupplier、制造服务MfgService和制造资源MfgResource三元组构成(制造服务描述的基本类)。制造企业MfgSupplier所属行业(industry)、客户(customer)、产品(product)及其制造服务质量MSQos等特征,显示了其领域专长和社会价值。本文的制造服务MfgService本体概念化产品制造加工的所有服务项目及其服务指标,包括制造加工特征MfgProcess和制造加工能力MfgCapcbility。制造资源MfgResource本体描述支持某项制造服务的工作站WorkStation、机床Machine和刀具Tool等资源组合。只有对本体内的概念(类)和角色(属性)进行描述逻辑的形式化定义和描述,推理器才可能对制造服务描述进行自动分类与匹配。在OWL本体描述中,有至少一个充要条件的概念是一个可定义概念。根据图1的制造加工服务核心本体MfgService,MfgSupplier和MfgResource及其蕴含的关系可知,制造服务MfgService是一类服务Service的抽象概念,且任何一项制造服务MfgService不能独立存在,它需要至少一个制造服务企业MfgSupplier提供,以及至少一个制造资源MfgResource使能,反之亦然。因此,基于描述逻辑的制造服务MfgService的概念定义如下:同理,制造企业(服务提供商)MfgSupplier和制造资源MfgResource的概念定义如下:式(2)定义表明,制造企业MfgSupplier是一个提供一些制造服务MfgService的服务执行者,其蕴含的概念是:如果某个企业是MfgSupplier的个体,则它一定提供一些MfgService,反之任何满足提供MfgService条件的企业一定是MfgSupplier的一个个体。同理,式(3)表明制造资源MfgResource是一个支持一些制造加工服务MfgService的服务资源实体,反之亦然。图2所示为本文定义的制造加工服务核心本体模型的OWLDL描述片断。3.2制造加工服务核心概念为实现制造服务描述的可扩展性需求,本文将(2)制造服务描述模型分为核心和可扩展两部分。图1中的制造企业、制造资源和制造服务构成了制造加工服务的核心概念。制造加工服务可扩展描述部分,则由不同制造服务企业提供的体现制造服务全过程的制造加工特征、制造能力和制造资源三个实例集组成。3.2.1roces的扩展描述模型制造加工是制造服务的核心内容,任何一项制造加工服务都与至少一个加工过程相关联。制造加工本体用于表示某个制造服务商提供的制造加工过程特征和约束,它应具有可扩展性,以便描述不同制造加工过程的制造特征。本文以机械加工描述为例,机械加工是一种用加工机械对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。为概括和描述机械加工基本方式(车、钻、铣、刨、磨等)的共性特征和差异,定义任何一个机械加工过程由输入、加工和输出三元组构成,其本体的形式化描述为:定义2制造加工。图3所示为制造加工(MfgProcess)本体模型的部分描述。输入Input和输出Output分别表示待加工和已加工的物料及其类别,可以通过具体的加工物料(材料、毛坯和/或零件)及其状态加以特化描述。根据狭义机械加工定义,加工(Machining)是用车床、铣床、钻床、磨床等专用机械设备制作零件的过程。一般来说,加工过程伴随着机床和刀具产生各种加工运动、加工件几何变形及其性能改善。加工运动包括切削运动和进给运动;加工件几何特征包括平面、圆柱面和螺纹等;性能改善主要指对加工件的热处理方式,包括特殊处理和普通处理等。因此,Machining是对加工功能的详细描述,可以通过引入MfgProcess类的实例进一步扩展。由上述分析可知,一个制造加工MfgProcess是满足至少有一个输入Input、一个输出Output和一项加工的制造加工服务:另外,如果某个制造加工服务是Machining类的成员,则它一定是一种MfgService,并且该Machining需要至少一台机床和一种刀具,对加工对象(材料、毛坯和/或零件)进行材料切削、压力加工(加工过程需要产生加工运动(MachiningMotion))和/或热处理加工(实现加工件性能改变(PropertyModification)),从而获得所需的几何变形(GeometryModification)。本文定义Machining应至少满足以下hasProcess属性的全称约束闭包公理:上述研究表明,通过“输入—加工—输出”三元组和“加工运动—几何变形—性能改善”三元组的两层制造加工本体可扩展描述模型,提供对大量不同制造加工过程的个性化描述。制造加工本体的OWLDL描述片段如图4所示。3.2.2制造企业制造能力的定义文献给出了物理制造单元制造能力描述模型,文献在此基础上给出了产品、零件和工序各层的能力定义。文献将几何加工能力、加工规格范围、可加工材料和生产率作为B2B(businesstobusiness)协同下的主要制造过程能力因素。由于每个制造过程都有不同的制造能力属性集合,即使是同一制造过程,不同制造商对其制造能力的描述也不相同。此处要描述的制造能力以体现加工设备制造功能的加工能力为核心(狭义的),不包括制造企业的非功能性制造服务能力(通过3.2.4节制造企业本体描述),如制造质量保证体系等。针对加工机床的制造能力,并根据制造合作伙伴选择初期对制造企业核心制造能力的评价需求,本文的制造加工能力MfgCapability包括可加工零件或材料的种类、重量、尺寸、加工精度和表面光洁度等指标,具体有生产率(Rate)、加工方法(MachiningMethod)、加工精度(MachiningPrecision)、可加工零件重量(PartWeight)、可加工零件规格(PartSize)、可加工几何特征(Geometry)、可加工零件类型(PartType)和可加工材料类型(MaterialType)。制造加工能力本体形式化定义如下:定义3制造加工能力。其中…为可扩展加工能力描述。可扩展制造加工能力本体模型如图5所示,限于篇幅,制造加工能力本体的OWLDL描述从略。3.2.3制造资源模型构建任何制造加工过程一定由一个或多个具有一定加工过程能力的制造资源使能。有关制造资源模型开发和研究的文献很多,本文采用美国国家标准与技术研究院(NationalInstituteofStandardTechnology,NIST)提出的制造资源信息建模标准。制造资源描述应具有可扩展性,本文仅从与制造加工直接相关的机床和刀具入手构建制造资源本体,不列出更详细的资源类,服务商可以在此基础上根据制造加工特征建立可扩展的制造资源模型。制造资源本体的形式化定义如下:定义4制造资源。本文将制造资源分为机床MachineTool和刀具装配ToolAssembly,…为可扩展资源。制造资源本体的部分描述如图6所示。一台机床(MachineTool)是一个制造资源(MfgResource),它可进行人工加工或数控加工,用于执行材料切割或材料切削操作,加工精度可达到一定的定位精度、形状精度和/或尺寸精度,即制造服务提供方/需求方可以针对不同制造服务需求,在上述机床定义框架上对机床实例进行更详细地定义或简化定义。该描述框架不仅可以具体描述机床主轴的工作特征,还可以补充描述机床使用的刀具类型。限于篇幅,制造资源本体的OWLDL描述从略。3.2.4制造服务质量msqos上述制造加工、制造加工能力和制造资源本体描述了制造服务企业的制造加工综合能力,体现了其显性制造能力。而制造服务企业的显性运作管理能力(加工成本、加工时间和加工质量等服务交付能力等)以及体现企业社会价值贡献的隐性制造能力(行业背景、专业特长、客户群等),也是客户制造服务采购的重要评价指标。因此,制造企业本体除要描述企业所属行业、产品特征、地理位置和基本联系信息外,还要描述所能提供的非功能性制造服务———制造服务质量(MSQoS)。MSQoS包括加工成本(Cost)、加工时间(Time)、服务支持(SptService)、系统支持(SptSystem)和制造评价(MfgEvaluation)等。其中服务支持SptService可以提供计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)/计算机辅助工程(ComputerAidedEngineering,CAE)建模、包装、货运等附加服务项目;系统支持SptSystem是用于辅助制造加工完成的一些支持系统,如质量控制(QualityControl,QC)、生产过程控制(ProductionProcessControl,PPC)系统等;制造评价(MfgEvaluation)是指企业在接受该服务后给出的综合评价,包括交货的及时性、信誉以及成本和质量等综合性主观评价。制造企业本体的形式化定义如下:定义5制造企业。受篇幅限制,制造企业本体的OWLDL描述从略。4制造加工服务的主要模型的应用4.1基于ms的制造服务匹配本文在制造加工公共服务与管理关键技术研究与应用的区域科技发展计划课题支持下,开发了由制造服务统一描述(MS描述模板及相应的OWL-DL描述生成器)、制造服务发现(MS发布与注册中心)和制造服务匹配(MS匹配器)组成的一体化制造服务“连接”原型系统(ManufacturingServiceConnectionSystem,MS-CS)。图7从面向应用的角度描述了基于语义的MS-CS体系结构,系统采用基于多Agent系统(Multi-AgentSystem,MAS)的JADE(JavaAgentdevelopmentframework)开发框架,通过制造服务供应Agent、制造服务采购Agent、制造服务黑板Agent和制造服务黄页A-gent四个软件代理实现制造服务自动化发现与匹配。在该系统中,制造服务供应商可以通过制造服务供应Agent向“制造服务注册与发布中心”(简称中心)的制造服务黄页Agent(JADE环境下称为目录生成器DF)注册一项或多项制造服务供应信息。制造服务采购商可以通过制造服务采购Agent向中心的制造服务黑板Agent发布制造服务需求信息。黄页Agent和黑板Agent分别根据供需双方的制造服务特征对发布/注册的制造服务进行分类。黄页Agent根据制造服务采购Agent的搜索条件列出满足制造服务请求的制造服务初始匹配列表(合作意向阶段的服务发现)。在制造服务采购Agent从黄页中选出符合制造需求的服务后,便向制造服务供应Agent请求获取满足服务要求的制造加工服务详细描述(用于制造加工过程需求匹配)。制造服务供应Agent从MS知识库中调出相应的OWL制造服务详细描述,提交给MS匹配器(如图7)。MS匹配器实现对供需双方的MS本体模型特征提取及其MS语义相似度计算和匹配推理,并输出大于某一语义相似度水平的制造服务列表。由此,制造服务采购Agent可以从中选择相似度最高或次高的制造服务(综合考虑制造成本和时间限制等因素)。4.2制造服务描述制造服务供应商/采购商都是普通用户,不可能使用像Protégé这类专业工具来描述其制造服务。然而普通用户用文字描述的制造服务具有多样性和动态性,表达的内容往往也是模糊的和不规范的,由此形成了对制造服务描述分析和匹配的瓶颈。因此,规范化制造服务描述是实现制造服务自动化发现与匹配的关键环节,制造服务描述的规范化是指对制造服务的描述格式和内容表达进行的形式化规划。OWLDL制造加工服务描述的生成与应用框架如图8所示。根据本文提出的“二层—三元组”制造服务描述模型,建立制造服务描述模板,提供普通用户通过人机交互规范化描述采购/供应的制造服务。实际制造加工过程和制造资源等详细加工要求需要在服务供需双方合作意向确立后交互,双方合作意向阶段(服务初始匹配)可以对加工服务类型、加工件、待加工坯料、成品参数和主要质量指标要求给予描述。以某公司齿轮制造加工服务采购为例,该公司请求机加工服务,需要用材料为40Cr的合金钢锻件(服务输入)加工规格为直径200mm、厚度150mm、模数3.5、齿数65的斜齿轮200件(服务输出),满足6-5-5制造精度等级并进行调质处理(加工过程特征),并优先选择天津或河北地区的制造服务商。此制造服务采购需要发布的服务描述可以用以下描述逻辑表达:MfgServicemyRequest≡MfgService.Machining∩isProvidedBy.MfgSupplier.LocationAt:(Tianjin∪HeBei)∩hasUsageAmount.200∩hasMfgProcess.{hasInput.(hasMaterial.40Cr∩hasStock.forging)∩hasOutput.(hasPartType.BevelGears)∩hasProcess.(PropertyModification.true)∩hasMfgCapability.(hasPartSize.(Dimensions.43×43×20mm∩Modulus.3.5∩GearNum.63∩Thickness.150mm∩Diam.200mm)∩hasDimensionPrecision.6-5-5)}。服务采购商通过制造服务描述模板输入的是基于关系数据库的齿轮制造加工服务请求信息。本文通过图8中“基于OWLDL的MS描述生成器”实现将普通用户个体的服务描述转换为OWLDL制造服务描述文件(.owl)。MS描述生成器解析关系数据模式及其元组集数据模型中蕴含的语义(实体间关系结构、数据完整性约束和业务规则知识等),并将其映射为OWL本体模型,形成基于OWLDL的制造服务描述文件(.owl),以便计算机理解制造服务描述的语义,进而实现自动化服务发现与匹配推理。实现方法是:通过Java2平台标准版(Java2platformStandardEdition,J2SE)平台上的java.sql包中DriverManager类的getConnection()方法连接数据库,由DatabaseMetadata接口的getAttributes(),getPrimaryKeys(),getImportedKeys()和getColumns()等方法获取数据库模式等信息。然后根据数据模型—本体模型映射规则,以及本文定义的制造服务概念之间的约束公理,通过调用