基于本体技术的物联网设备资源建模及管理研究

高阿曼，张 帅，赵东方，刘 屹

（金航数码科技有限责任公司，北京 100028）

0 引 言

随着智能制造和物联网的快速发展，众多企业采用了基于模型的技术和应用体系来应对动态变化的市场环境和产业发展的要求，从而实现了提高效率、缩短周期和降低成本。而设备资源作为制造中的核心资源，是企业创造价值的核心物质载体，其互联互通是实现智能制造的基础，在模型驱动的企业中具有重要的作用。因此，如何对接入物联网的设备进行统一规范管理是智能制造模式亟待解决的问题。基于此，Sang C研究了面向柔性制造系统的本体建模方法，清华大学胡长建等结合CAPP系统，借助自适应思想和理念，定义制造资源的XML应用，郑立斌研究了基于Web工艺划分的资源服务模型的描述，赵亮研究了基于本体的型号产品制造资源建模等。

虽然这些研究解决了设备建模的问题，但是在智能制造模式下，同一设备模型在不同系统中使用，当前研究中存在同一资源在不同系统中使用不同的描述术语、资源引用及表达不通用、未涉及物联网感知数据等问题，导致模型资源难以重用和共享，进而出现了模式管理混乱、调用效率低等问题。

为解决上述问题，本文通过研究本体建模技术，构建了物联网模式下信息共享的设备本体模型，使车间所有接入物联网的设备都能够用该模型清晰地描述自身信息和由该设备接入网络后所产生的信息，从而实现对设备的统一接入、控制和管理。在此基础上，建立设备资源统一管理平台，为企业信息系统间设备资源数据的传递、流转与共享提供了解决方案。

1 物联网环境下基于本体技术的设备资源建模

本体技术（Ontology）是对共享概念模型进行的明确、形式化规范说明，提供对某领域概念的共同理解，并给出概念和概念之间相互关系的明确定义，来解决该领域中的知识共享和重用问题，其主要由概念（类）、属性和实例组成。

物联网环境下，通过网络传感技术、数据采集技术和嵌入式系统技术等手段实现对终端现场运行状态信息的实时感知和采集，实现物物相连。随着接入技术的不断增强，接入物联网的设备越来越多，为解决物联网模式下设备模型的通用性，实现不同类型的操作系统和应用语言类型的计算机之间进行交换，本文遵循OWL（Web Ontology Language）本体建模标准构建了物联网设备共享信息模型。

物联网设备资源信息共享模型的本体描述包括3个方面：第一，描述物联网设备本身所携带的信息；第二，描述由设备接入所产生的信息；第三，描述设备之间的相互依赖关系。基于此，本文分别从属性信息、状态信息、控制信息和关系信息4个方面对物联网设备进行建模，如图1所示。

（1）设备属性信息。描述设备的基本属性及设备特有的领域属性。设备的基本属性包括设备名称、设备类型、设备型号、设备统一编码和生产厂商等。设备的领域属性信息是指不同类型的设备所特有的属性，可采用元数据模型描述。

（2）设备的状态信息。描述设备的性能状态、使用状态、设备故障状态等，这些信息在物联网环境下都可以动态感知。

（3）设备的控制信息。描述设备接入物联网的访问控制信息，包括设备的接口信息、通信方式和描述等。通讯方式包括TCP/IP、串口通信方式，描述包括通信协议、返回值类型、参数信息等。

（4）设备关系信息。描述了设备资源单体相互依赖的关系，包括并发关系、选择关系、前驱/后继关系、控制关系和支持关系。其中，并发关系，表示资源A和B的使用和选择需要同时发生；选择关系，表示资源A和B的使用二者择其一；前驱/后继关系，表达了资源使用之间的先后关联；控制关系，表示资源A的应用对于另外一个资源B的选择与应用产生支配和决定关系；支持关系，表示资源A的使用需要另一资源B的应用为支持。制造资源关系在不同的状态和环境下表现为非唯一性，有时又同时存在多种关系。

2 基于本体技术的设备资源统一管理

上述设备资源信息共享模型可以通过多种建模工具实现，然后通过接口软件实现其他系统对其的调用和存储，从而实现设备资源本体模型的使用和存储，由于该内容非本文研究的重点，在此不进行描述。在实际生产中，为解决企业多种应用系统之间设备信息的传递、流转与共享问题，为数字化企业提供保障，本文提出图2所示的统一设备资源管理平台架构进行设备资源的统一管理。

图2 基于本体技术的统一设备资源管理平台框架

统一设备资源管理平台包括模型构建层、模型存储层、模型调用层和系统应用层4个层次。模型构建层遵循OWL标准实现设备资源本体模型的构建，并借助建模工具实现模型的软件表达。模型存储层实现对设备资源本体模型的存储，可直接使用建模工具将设备资源本体存储为OWL本体文件，保留本体语义的完整性，也可以将OWL本体模型与数据库表进行映射，将设备本体存储到数据库中，发挥数据库查询效率高等优势。模型调用层实现对设备资源本体的解析和调用，使用OWL应用接口技术对OWL文件进行解析调用，使用访问数据库的应用程序接口技术（如JDBC、ODBC等）对数据库中的本体模型进行访问。在此基础上，使用基于Web Service的应用集成技术对功能进行封装，向上层系统提供以XML为载体的、面向服务的应用，按照应用系统的需求，将资源数据组合为XML文件返回给应用系统，实现基于服务的数据提取与转换。系统应用层、应用系统主要负责处理XML文件，为各应用系统提供数据。同时，应用系统对模型的修改也同步到模型存储层，使面向各个系统的资源同步统一。

通过建设设备资源统一管理平台，实现设备资源数据共享，使企业各个系统的设备资源数据可以实时地保持一致，同时将应用系统之间点对点的资源数据集成变为平台与应用系统间一对多的集成，大大提高了服务访问的效率。

3 总结与展望

本文研究了基于本体技术构建设备资源的信息共享模型，为物联网设备接入管理、企业设备资源信息共享提供了解决方案，是建设模型企业的重要环节。该建模方法同样适用于其他广义的制造资源。后续本文将进一步探索本体模型中知识在各信息系统中的应用，不断完善本体模型及管理平台，与企业管理环境有效融合。

主要参考文献

［1］饶有福.基于模型的企业(MBE)在航空业的实践与发展［J］.航空制造技术,2015(18).

［2］Sang C.A Methodology for Creating A Virtual Model for A Flexible Manufacturing System［J］.Department of Industrial Information and System Engineer,2005(5).

［3］胡长建,郑力,李志忠,等.基于XML的自适应网络化制造资源管理系统［J］.机械科学与技术,2003(2).

［4］郑立斌,顾寄南,代亚荣.基于本体的制造资源建模［J］.机械设计与研究,2009(5).

［5］赵亮.基于本体的型号产品制造资源建模［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学,2009.

［6］房杰,刘威,乔立红.基于本体面向服务的统一制造资源管理［J］.成组技术与生产现代化,2008(3).

［7］刘佩云.基于本体的物联网设备共享信息模型的研究与实现［D］.北京：北京邮电大学,2013.

［8］Studer B，Fensel D．Knowledge Engineering：Principles and Methods［J］.Data and Knowledge Engineering,1998(1).

［9］赵欣.物联网发展现状及未来发展的思考［J］.计算机与网络,2012(3).

［10］王向前,张宝隆,李慧宗.本体研究综述［J］.情报杂志,2016(6).

［11］吴林.基于本体及语义网技术的物联网中间件应用研究［D］.西安：西安电子科技大学,2011.

［12］熊大红.基于本体的农业物联网信息智能管理机制研究［D］.长沙：湖南农业大学,2013.

［13］查晓颖.基于本体的物联网设备资源描述模型构建分析［J］.网络安全技术与应用,2017(12).

［14］周华.基于本体的物联网环境上下文感知技术研究及应用［D］.南京：南京航空航天大学,2011.

［15］甘健侯.基于本体与物联网的冶金炼焦过程语义化及建模应用研究［D］.昆明：昆明理工大学,2016.