基于本体语义的复杂产品可重构制造服务协同建模研究

何 焱，马 军，白卫星，谢 欢

（1. 河南城建学院 计算机科学与工程系，郑州 450002；2. 郑州轻工业学院 机电工程学院，郑州 450002）

0 引言

在经济全球化发展趋势下，由于市场竞争的加剧，企业从制造过程中获得的利润已经越来越少。将现代服务业与制造业融合，提升产品服务附加值，发展现代制造服务业成为企业新的利润增长点[1]。

现代制造服务的关键是要满足客户多样化和个性化的体验需求，但仅凭企业有限的内部资源已难以满足，必须集中发展核心竞争力，将非核心业务外包，在外部优势资源的帮助下完成制造服务。在此背景下，企业利用各自的优势来提升产品服务附加值，形成围绕整个产业链的制造服务协同增值网络[2,3]。

饶运清等应用分布式人工智能中的多Agent技术和CORBA分布式对象技术与规范，对车间各种异构制造资源进行建模和封装设计[4]。姚远等从W eb服务的角度提出了一个基于本体的制造服务知识建模方法[5]。顾寄南等提出了制造资源UDDI和WSIL相结合的联合发现机制，服务的驱动下形成动态的资源共享和应用[6]。然而制造服务协同的关键是在服务的驱动下形成动态的资源共享和应用。现有的研究以固定的资源和既定解决方案为客户提供服务，已经不能满足客户需求。如何在面向服务思想的指导下，通过服务的交互与协作来集成企业的各生产资源，帮助企业将已有而不灵活的生产系统集成起来，释放其中的信息或功能为可重用的服务与业务流程成为实现现代制造服务的热点问题。

本文通过分析制造服务协同的层次及需求特点，提出复杂产品制造服务协同本体建模机制及基于OWL的实现方法，利用面向服务架构建立复杂产品制造服务协同平台，最后以汽车零部件制造服务协同为例说明了知识共享过程。

1 可重构制造服务协同层次及服务模式

1.1 可重构制造服务协同的内涵及特点

可重构制造服务协同是围绕某种复杂产品或零部件，利用网络和制造服务协同平台，对来自企业内外的制造资源进行合理的组织、调度和优化，为用户提供各类按需制造服务的一种网络化制造新模式[7]。

可重构制造服务协同系统与传统制造系统既有共同点又有很大的区别，相比有以下区别，详见表1所示。但实际上制造服务协同是在传统制造系统的基础上进行扩展，包容了后者，又有了新的发展。

表1 制造服务协同与传统制造模式区别

1.2 可重构制造服务协同的层级划分

从产品时间维度，可重构制造服务协同可以划分为三个空间层次，即：车间层制造服务协同、企业层制造服务协同、联盟层制造服务协同。

1）车间层服务制造协同：车间是制造企业的核心部分，执行将原材料（包括半成品）转变成成品的功能。车间层制造服务协同包括：单元制造系统、独立制造岛、柔性制造单元/系统等。

2）企业层制造服务协同：企业层制造服务协同通过联系上下游企业的生产活动来满足市场需求。企业层制造协同包括：现代集成制造系统、精益生产系统、分形企业等。

3）联盟层制造服务协同：联盟层制造服务协同可看作是企业层服务制造协同在整个产业链上的动态扩展。其形式包括：企业联盟、企业集群、供应链、虚拟企业等。

2 基于本体语义的联盟层制造服务协同资源建模

2.1 制造服务协同资源的本体概念模型

当前对制造资源服务化研究主要集中于资源的发布及资源的搜索，然而，联盟层可重构制造服务协同涉及到跨组织的流程和资源整合，不同的制造资源系统采用不同的接口、功能、流程、语义，这成为制约制造服务协同发展的瓶颈，因此需要在企业间进行知识的统一建模、并使用能互相理解的知识表示语言进行通信和交互，同时确保各自的独立自治性。

要做到制造服务协同环境下的知识共享，必须使不同的应用系统对同一领域内的知识不存在二义性的理解。本体是对概念化(Conceptualization)对象的明确表示和描述，它提供了一个表达机制，在保障语义一致性的前提下将隐含的概念及概念之间的关系明晰化，从而有助于实现知识的重用和共享[8,9]。为此，从技术上建立本行业、本领域通用、标准的术语集合，对制造服务协同过程中企业成员所使用的概念和关系进行规范的知识表达。

首先建立制造服务协同资源的本体概念模型CM，采用五元组定义：

CM=（ID,Service,Property,Action，Relation)

其中：ID::=＜Address:|(URI/URL, URL,…＞制造服务单元唯一标识。URL描述所提供服务的地址，防止该服务在进入制造服务链后的冗余和不一致性。

Service::=＜Service:|(Qulity,Time,Cost)＞为制造资源服务能力集，定义制造服务单元能够实现的制造任务及其能够达到的质量、时间、费用要求

Property::=＜property set＞ 为制造服务单元属性集，描述服务单元的基本信息，如设备参数、状态信息、地域信息、归属信息和历史信息等

Action::=＜ Action set:| (…)，…)＞是服务方法集，描述制造服务单元对于服务对象所提供的制造方法。如机械加工或非机械加工方法等。

Relation::=＜Relation set＞为制造服务单元关系集合，定义制造服务单元之间的关联约束，并通过其动态构建制造服务链的高层语义表达。

2.2 制造服务协同资源模型的本体语义

在制造服务协同资源本体概念模型CM的基础下，制造服务协同资源模型的本体语义以概念结构图的形式加以组织。

如图1所示，图中每个概念节点都具有一个CM本体概念的所有语义。根据CM本概念模型规定，上下概念节点之间形成父子继承关系(Is-a关系)。此外，概念节点还可以根据实例化关系（Iscase-of）具有概念属性节点。这样，概念及概念属性节点之间通过语义关系联系起来，制造服务协同资源模型就是利用这些本体语义关系来表达其内在的知识。

一个实例化的制造服务协同资源模型本体语义结构图例子如图2所示，从中可知，对于同一制造服务协同资源实例的信息，即使分布在不同地域，通过本体结构图中仍然可以保持语义上的关联和唯一性，这就为跨地域的制造服务协同提供了统一、一致的制造资源表达机制。

图1 制造服务协同资源模型的本体语义

图2 制造服务协同资源本体语义模型的实例化

3 联盟层制造服务协同平台

3.1 应用背景分析

随着汽车市场竞争的日趋激烈，整车厂对零部件产品的需求逐步向全球采购、系统配套、模块化供应的方向发展[10]。为了应对这种潮流，汽车零部件企业必须快速、有效地与世界范围内的客户、制造商、分销商和供应商共享信息并协同作业，并与整车厂相互交流以及在动态基础上与大量参与者协作，同步或超前开发相应的零部件。

因此，传统制造方式下制造资源表达方式已无法适应需求，协同企业各部门之间，各个企业之间需要知识级的共享和重用机制。

3.2 联盟层制造服务协同平台的应用

在汽车配件研发过程中，需要同整车厂进行汽车配件的产品知识交互，并协调上下游制造企业之间的生产协同关系，以便对制造服务协同的汽车配件进行产品定型和生产调度。

如图3所示，某汽车零配件企业建立了网络化协同制造服务平台，借助该平台的制造服务链本体语义建模工具，构建了面向知识共享的汽车配件制造服务单元本体语义模型。

图4所示为针对汽车传动轴协同制造建立的制造服务单元，制造服务单元构建成功后，各协作企业可以使用平台所提供的制造服务协同管理工具，进行制造服务过程、工艺文档等信息的无缝集成和知识共享，完成汽车配件制造服务协同过程。

图3 汽车配件制造服务链本体语义建模

图4 汽车配件制造服务单元的知识共享

4 结论

为保证复杂产品制造的高效、低成本，企业需要寻求能满足需求的外协进行制造协同。本文分析并总结了可重构制造服务协同生产模式的内涵及特点，划分了可重构制造服务协同的层次，重点研究了联盟层制造服务协同环境下，制造服务资源的本体语义建模及其OWL实现方法，针对汽车配件厂面向整车企业的制造服务协同，建立了汽车制造服务协同平台。实践表明，基于该平台可以有效地实现制造服务资源在联盟层制造服务协同中基于知识的共享和重用。

[1] 祁国宁.四大压力催生制造服务[J].中国制造业信息化.2009,2:5-6.

[2] Huang C Y.Distributed Manufacturing ExecutionSystems:A W ork flow Perspective[J].Journal o f Intelligent Manufacturing,2002,13(6): 485-497.

[3] 淮斌,杨海成.武器装备协同制造链构建研究[J].制造业自动化,2012,34(6):75-78.

[4] 饶运清,朱传军,张超勇,等.支持网络化制造的车间资源集成与执行系统[J].计算机集成制造系统,2003,9(12):1120-1125.

[5] 姚远, 张权,胡庆夕, 尤飞.面向网络化制造服务的本体知识建模研究[J].计算机应用研究,2008,25(9):2762-2764.

[6] 郑立斌,顾寄南.网络制造资源发现机制的研究[J].机械设计与制造,2011,(4):242-243.

[7] 马军,薛晓飞,罗国富,李宏伟.基于A gen t的可重构协同制造服务链建模及其应用研究.机械科学与技术,2012,31(10):1654-1659.

[8] Z.H. Deng,S.W.Tang, M.Y. Zhang.“Overview o f Ontology”,Universitatis Pekinensis, Acta Scientiamm Naturalium, 2002, 38(5): 730-737.

[9] OWL Web Ontology Language Overview[EB/OL], http://www.w3.org/TR/2004/REC-ow l-features-00402102,2004.

[10] 于辉,陈飞平.基于供应链协同的汽车制造企业入厂物流模式选择[J].系统工程理论与实践,2011,31(7):1231-1239.