语义网格环境下虚拟组织异构产品信息的语义在线重组技术

简琤峰

浙江工业大学，杭州，310023

语义网格环境下虚拟组织异构产品信息的语义在线重组技术

简琤峰

浙江工业大学，杭州，310023

为实现虚拟组织异构产品信息的语义级交换，结合语义网／语义网格提出语义在线重组技术方法及体系架构，并在此基础上对该体系的若干关键技术进行总结与分析实现，设计开发了基于SVG＋AJAX的语义标注可视化系统——LEV系统，以论证虚拟组织异构产品信息语义在线重组的可行性。

虚拟组织；语义交换；产品信息；在线重组

0 引言

从传统的计算机集成制造、并行工程到虚拟企业、大规模定制生产等新一代先进制造技术，产品信息交换与共享一直是需要解决的首要问题。长期以来，信息交换与共享技术侧重于数据本身的交换和共享的实现，如以基于STEP的产品数据交换发展而来的PDM、EDM，均侧重于对不同异构数据的交换共享的具体实现技术和方法。这种技术在传统的集中式环境下能够实现统一的产品数据交换与共享，但在基于Internet的分布式环境下，由于STEP本身描述机制的特点，要实现信息的网上交换与共享，就需要耗费大量的时间和人力来解决网上数据接口匹配问题，以及尽可能满足分布式环境下的动态性、临时性以及实时性要求，这是很难做到的。

事实上，从虚拟企业模式的提出到对虚拟组织更深入的理解，尤其在近年来我国大力提倡企业产品创新能力的形势下，围绕产品的设计、制造，要求以产品创新为核心的分布式企业之间实现知识级的共享和重用，传统的产品信息表达方式和处理模式已无法适应现代企业的需求。产品信息的交换与共享已不再局限于数据内容、格式的交换与共享，信息共享的层次已由数据共享上升为知识共享。随着网格计算、语义网以及语义网格研究的兴起，产品信息交换与共享研究层次也在不断上升，研究内容不断深入。语义网格的研究为分布式资源运作提供了可行的空间，虚拟组织的架构为产品的创新提供了更广阔的知识源，而语义网格环境下虚拟组织的产品信息交换与共享的研究则上升到对信息语义层次的理解、挖掘、推理创新层面，进而为支持产品创新能力的实现提供知识基础。

近年来国内外许多研究机构已经在不同范围和层次中对产品信息交换与共享进行研究［1－3］，其中最典型的国际组织EuroSTEP长期注重于STEP产品数据的网上XML转换表达［4］。但是由于XML本身的局限性，导致STEP转换后带来语义信息的损失，即这种转换是单向不可逆的，遇到这种情况国际标准采用的是原文直译法以保留不能解析的语义信息。目前EuroSTEP等组织一直致力于该方面的完善和补充。随着近几年语义Web、网格计算以及语义网格研究的深入，为实现网络信息语义层的理解、推理提供了可能［5－6］，因此结合语义网格研究虚拟组织的产品信息具有其独特的优势。针对产品信息语义描述共享层次的研究，当前较多地侧重于产品信息本体研究［7－10］。STEP 采用 EXPRESS描述已经经过多年的应用论证，而语义Web的OWL还处于发展试验中。抛弃当前已经推出的STEP的EXPRESS描述或XML表达国际标准，完全采用语义Web的OWL来实现产品数据的语义表达还需要更长的时间，因为从语义描述上它没有EXPRESS功能强大，从语法表达上它没有现行的STEP XML表达国际标准严格，同时OWL本身缺少严格的数据模型作为理论基础，它的许多地方还正在完善中。

本文从上述角度出发，在充分利用已有研究成果基础上，寻找一条新的解决方法，既能够满足分布式环境下产品信息的知识级交换与共享，又无需类似采用RDF、OWL完全取代EXPRESS对STEP进行重新的语义描述。本文将系统阐述语义在线重组实现的思想方法及其体系架构，并论述其相关关键技术。

1 异构产品信息语义在线重组的方法及其架构

针对虚拟组织中各成员间产品信息交换和共享的动态性、临时性的特点，围绕虚拟组织的某个产品信息交换需求，通过产品语义的在线重组来实现产品信息语义交换，这种重组目的并不是为了完全取代原有产品信息描述方式，而是在区分语法与语义的前提下，在语法层次上对原有信息实现信息转换，在语义层次上对原有语义内容进行解释、添加补充，或引用新的适应语义网格环境的语义标识和对语义补充注释机制。它既保留原有信息的完整性并使双向性成为可能，同时又具备了面向语义网格环境的知识交换和共享的功能。通过这种机制能够根据虚拟组织的临时需求对各网格节点异构产品信息的语义建立动态关联，实现语义的自导航和重定位，从而实现对产品信息知识级的动态交换与共享。这种对语义的在线重组是动态的、实时的，也是临时性的，称为“虚拟重组”。

Internet为实现产品信息网上交换与共享提供了通用的物理平台，解决了异地异构平台兼容的问题，XML提供了数据层异构产品网上交换的数据格式，而结合语义网／语义网格可以提供语义层的语义交换中介。图1所示为虚拟组织异构产品信息语义交换的在线重组架构。图2所示为异构产品信息语义在线重组的过程。它在整体上可分为三个层次，底层为数据交换层（简称数据层），中间层为语义交换层（简称语义层），顶层为实现语义在线重组而提供的LEV（linked－entity visualization）语义标注功能层。

图1 虚拟组织异构产品信息语义在线重组体系

图2 异构产品信息语义在线重组过程

底层的数据交换是建立在XOEM（extensive object exchange model）数据模型基础上并基于XML的异构产品信息网进行数据交换的。XML只是在语法上实现了统一的数据交换表达，并没有提供充分的语义表达方式。因此，为了实现对产品信息的语义共享和交换，需要在语义层上解决语义的描述。语义交换层是建立在数据交换层基础上实现的，通过由数据模型到语义模型的映射来实现。与数据交换层不同的是，产品信息的语义在线重组并不是将异构产品信息语义全部进行统一转换或重新描述，而是通过对原有内容的语义部分进行解释或引入语义标注或引入注释机制。那么这种语义标注的具体描述方法就是我们需要实现的语义统一描述与识别的研究内容［11］。

顶层的LEV语义标注功能层不仅解决了产品信息在数据层和在语义层之间的映射，而且更为重要的是解决了产品信息间的语义关联和语义导航。语义的动态关联是指分布的异构产品信息之间存在的语义联系，这种联系是根据虚拟组织某一阶段的需求建立的，同时也是动态的、临时的。语义的自导航就是在临时建立的语义关联基础上，能够根据产品信息交换与共享意图，通过对语义关联的理解和推理自动检索出相应的语义路径。语义的重定位是指根据语义自导航能力，按照相应的语义路径最终定位到实现产品信息交换与共享意图的语义信息节点中，完成语义信息的交换共享。语义的动态关联是产品信息在线重组实现的前提，语义的自导航是产品信息在线重组实现的过程，语义的重定位是产品信息在线重组的结果。

由于数据层的XML数据交换已经在前期工作中基本解决，因此主要涉及的关键技术存在于语义交换层和LEV语义标注功能层。

2 关键技术

2.1 面向产品信息语义描述的语义模型

建立语义网格环境下面向产品信息语义描述的语义模型是语义在线重组研究的理论基础。目前面向多样化异构产品信息网上表达的数据模型均侧重于数据表达的严格完整性，即满足语法层次的要求，但缺乏语义信息。而语义网格环境的语义模型侧重于语义关系的理解和推理，但是语义描述的方式在语法层次上不能满足产品信息表达的严格完整性要求。

近年来，在有关产品信息语义描述的研究中，大多数是通过采用本体语言来描述产品信息的。最普遍的是采用OWL语言来重新定义产品语义本体，然后利用OWL语言的特点实现产品语义的描述和推导。国外有代表性的是wikiSTEP组织［12］，该组织主要针对产品信息STEP国际标准，完全采用语义Web的OWL来实现产品数据的语义表达。在当前基于本体和语义网的研究过程中，产品信息本体的定义存在较大的随意性和不确定性。目前国内的大多数研究中，对本体的定义本身就涉及本体的一致表达规范性问题，从而产生了对本体库的管理、搜索、定位、接口、服务等一系列有待解决的问题，而产品数据STEP协议就不存在类似的问题。事实上STEP协议中的EXPRESS描述本身就是不够严格规范的弱本体定义。OWL语言只是一种本体描述语言工具，不能提供本体的设计方法和原则，如果不能有严格规范的约束和定义，单靠OWL语言是无法解决上述问题的。因此研究面向产品信息统一描述的语义模型具有非常现实的意义。

直接将XOEM模型和OWL匹配是比较困难的。因为OWL是属于本体论的范畴，侧重于推理，其约束表达能力极强；而XOEM模型侧重于数据的描述，且描述能力强，而约束表达能力极弱。可以通过添加OWL标签来弥补XOEM模型的缺陷。对于模型的不一致，我们需要通过中间的过渡桥梁来解决。考虑到XOEM模型可用有向图表示，因此我们可以建立类似RDF简单数据模型的模式有向图，将XOEM模型有向图转换成该模式有向图，同时将OWL模式转换到该模式有向图中，从而实现了XOEM和OWL有机结合即所谓的XOEM＋OWL，图3显示了其结构关系。表1和表2分别给出了二者相对应的XOEM＋OWL模式图表达关系。

图3 XOEM＋OWL的结构关系

表1 XOEM→XOEM＋OWL模式图

表2 OWL→XOEM＋OWL模式图

我们在原有研究成果中提出的数据模型——基于带根连通有向图的数据模型即可扩展对象交换模型XOEM［13］的基础上，引入OWL语义标注，提出了基于XOEM＋OWL的统一的产品知识表达语义模型［14］，研究了XOEM＋OWL模型的模式图表达定义。数据层遵循原有的数据模型XOEM实现STEP数据转换，语义层通过OWL语义标注引入STEP语义，数据层与语义层之间通过XOEM＋OWL模型内的映射匹配约束建立关联。根据XOEM＋OWL，针对数据层的STEP数据模式图和语义层的OWL模式图，分别给出了相应的匹配表达方法。最后研究二者之间的映射匹配约束关系的表达，给出了匹配系数的表达式。由此实现了对任何产品信息的数据表达和语义描述均规范于统一的XOEM＋OWL模型内，根据该模型我们可以得到统一的基元，利用对基元的控制操作来实现对产品信息语义的在线重组。

2.2 基于XOEM＋OWL的异构产品信息语义描述

由于产品信息的XML表达的语义局限性，使得许多研究者先后采用RDF、OWL等来描述STEP产品信息，他们的思路类似于STEP采用XML数据表达，均是尝试用RDF或OWL来取代EXPRESS进行描述。这种方法的局限性在于：不同于数据格式的转换，OWL的语义描述方法多种，对同一种产品信息，可以采用多种不同的OWL方式来描述其内部语义，即使是同一种OWL语言描述也难以规范对语义理解的一致性。因此企图只通过OWL的描述来实现对产品信息的统一语义描述是困难的，这也是目前这些研究难以再进一步深入的原因。事实上将产品信息的数据表达和语义描述有机结合在一起研究能够有效解决这个问题。

从上述思路出发，在研究已取得的面向产品信息统一描述的语义模型的研究成果基础上，我们提出了基于XOEM＋OWL的异构产品信息统一描述方法与实现技术，研究了数据层和语义层实现的统一关联方法。数据层遵循原有的数据模型XOEM实现STEP数据转换，语义层通过OWL语义标注引入STEP语义，数据层与语义层之间通过XOEM＋OWL模型内的映射匹配约束建立关联。对于二者关联的媒介，我们设计了语义基元，因此我们研究的产品信息语义描述所组成的单元就是语义基元，它建立在XOEM＋OWL的基础上，实现了STEP模式与OWL模式的关联映射。表3所示为语义基元内部二者映射关系表达式。

表3 语义基元内部映射关系表达式

Cos（sc，oc）是由两个不同层次的衡量系数计算组成的：元素级匹配（ElementMatch）和语义级匹配（OWLMatch）。元素级匹配侧重于XOEM＋OWL模型基元的数据级层次相似度，而语义级匹配侧重于基元的语义级层次相似度。Cos（sc，oc）的计算公式如下：

式中，wsc和woc分别为元素级匹配和语义级匹配相对应的权重系数；ElementMatch和OWLMatch分别为元素级匹配和语义级匹配的值。

在具体实现过程中，我们针对STEP Part21数据文件进行研究并设计了相应的基元。产品数据的表达依然是遵循XOEM模型并采用规范统一的XML数据来描述的［15］。我们通过对STEP Part21的实例进行设计来构造语义基元，语义基元间通过ID进行联系，从而不会影响到现有的STEP XML数据表达。但与现有的STEP XML数据表达区别的是，对实例ID的处理是通过引入语义标注来关联相应的OWL语义描述信息［16］。对于语义描述，可通过自我解释和语义标注两种途径生成相应的OWL语义描述信息。对于XML数据层和OWL语义层的关联，在自我解释途径中，依靠当前已有的研究成果，按照STEP协议进行OWL描述，此时会产生相应的OWL语义描述信息。此外，语义标注途径给用户提供了对语义关联的对象及其语义内容进行动态增加、修改、删除的功能。产品信息的语义统一描述不仅是只针对类似STEP Part21文件级的产品信息，而且可以处理任何级别的跨平台异构产品信息。因此，单纯靠自我解释途径是不够的，语义标注是一种有效的补充方法。

2.3 异构产品信息在线语义标注

产品信息的网上动态关联是实现产品信息网上共享的重要手段。通过这种动态关联为多样化异构产品信息之间的沟通建立了新的联系桥梁，并且能够根据需要进行动态的调整改变。

要实现异构产品信息的在线语义标注，关键在于如何将异构产品信息语义关联信息可视化［17］。由于基于XOEM＋OWL的异构产品信息统一描述是通过我们设计的语义基元实现的，因此我们以语义基元为基本对象，重点研究了语义基元之间语义关联信息的可视化。可以将语义基元间的语义关联转换成实体链接关系（linked entity），表4列出了二者的匹配关系。

表4 LEV语义关联匹配关系

2.4 语义描述实例

以圆的描述为例，图4为其STEP XML Schema初始的数据描述实例。根据表1可得到STEP的XML模式图（图5），采用OWL进行语义描述时，根据表2可得到相应的OWL模式图（图6），遵循XOEM＋OWL模型，可以看出两种模式的有向图基本趋于一致，也基本实现了数据层和语义层的有效匹配。在此基础上，根据表4，得到其相应的LEV数据描述，LEV系统通过分析LEV数据描述来展示相应的可视化结果。

图4 STEP XMLSchema描述

图5 基于XOEM＋OWL的STEP XML模式图

图6 基于XOEM＋OWL的STEP OWL模式图

3 基于SVG＋AJAX的语义标注可视化系统——LEV设计与实现

根据上述方法，我们设计与实现了异构产品信息语义关系可视化系统——LEV［18］。该系统完全基于浏览器的跨平台功能，采用SVG实现二维矢量图形的显示，采用AJAX实现异步数据的传输与保存，支持多用户并行操作。系统不仅实现了可视化功能，同时提供多用户在线并行修改创建语义关联的功能，语义基元的在线重组可以通过该系统进行扩充。

系统特色主要表现在以下几个方面：

（1）语义设计功能。该系统不仅提供了语义关系可视化功能，同时提供了语义在线标注功能，通过对Entity的编辑修改实现对语义基元属性的构建，通过对Link的编辑修改实现对语义基元间的语义关联。此外，该系统的一大特色在于语义匹配、扩展和检索功能强大。

（2）系统操作功能。对系统图形对象的操作，不仅可以控制某个图形对象，而且可以控制与该图形对象所有语义关联的图形对象进行同步操作。这种功能便于我们观察所有相关语义的Entity对象间的关系。

（3）支持异步数据传输的并行功能。系统支持多用户并行地对系统图形对象进行操作，同时支持基于AJAX的异步数据传递，有效解决了并行操作的数据不一致问题。

4 结束语

针对虚拟组织分布式企业环境下当前产品信息网上交换与共享研究所存在的问题，提出了结合语义网／语义网格异构产品信息语义在线重组的方法。该方法在满足了产品信息语义交换和共享前提下，能够根据虚拟组织的特点实现动态的、临时的、实时的语义交换与共享。因此本研究具有一定的新颖性和先进性，具有较强的现实指导意义。需要说明的是，研究并未深入处理针对三维产品几何数据隐含语义的挖掘和关联。当前大多数系统对于三维几何造型的产品数据，其语义关系是由系统本身额外附加语义约束完成的，在实现异构系统产品数据交换过程中，产品语义约束信息由于系统的不一致导致附加语义约束信息理解不一致，从而造成附加语义信息在数据交换过程中损失，这是后续研究需要解决的问题。

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Heterogeneous Product Information Semantic Online Reconstruction under the Virtual Organization Semantic Grid Environment

Jian Chengfeng
Zhejiang University of Technology，Hangzhou，310023

In order to realize semantic exchange among the heterogeneous product information of a virtual organization，on－line semantic reorganization method was put forward with the semantic web and semantic grid.On the basis of the methodology and the system architecture，its key technologies were studied and implemented.SVG plus AJAX－based semantic annotation visualization system－LEV was designed and developed，which proves feasibility of heterogeneous product information online semantic reorganization in the virtual organization.

virtual organization；semantic exchange；product information；on－line reconstruction

TP393

1004—132X（2011）01—0054—06

2010—04—06

国家自然科学基金资助项目（60603087）；浙江省科技厅资助项目（2009C320076）

（编辑 郭 伟）

简琤峰，男，1973年生。浙江工业大学计算机学院副教授、博士。主要研究方向为CAD／PDM、Web智能技术。