基于元数据的机床装备资源轻量化建模方法*

庄培杰，尹 超，李孝斌

(重庆大学 a.机械传动国家重点实验室；b.经济与工商管理学院，重庆 400030)

0 引言

云制造是一种新兴信息技术驱动的新型智慧化制造模式[1-2]，其在资源共享方式、共享内容和服务模式方面拓宽并丰富了传统制造模式的基本内容[3-5]。但在云制造环境下，制造资源呈现出高度自治、离散分布、异质异构等特性，如何实现资源的集成共享和敏捷响应是当前越来越迫切需要解决的问题。对此，国内外学者进行了大量的研究。文献[6]提出了一种制造资源能力元描述模型，为实现高效、智能的云制造系统提供了支持；文献[7]构建了一种能促进外协加工资源快速共享和高效利用的资源集成服务模式，解决了云制造环境下外协加工资源的异构兼容性问题；文献[8]构建了一种基于Web的制造资源建模框架(RVWS)，通过该框架用户可依据资源动态属性发布、发现和获取网络化制造环境下各种计算资源和实体资源；文献[9]针对异构环境制造资源的建模问题，引入元模型建模方法从资源的基础数据、业务过程和应用扩展等不同方面对制造资源进行元模型建模；然而现有的研究主要集中在制造资源的虚拟化建模领域，对资源的集成共享和敏捷响应所需的轻量化模型等方面的研究还不够充分。

本文以机床装备资源为研究对象，结合现有研究成果提出一种基于元数据的机床装备资源轻量化建模方法；构建基于元数据的机床装备资源本体建模框架；然后建立机床装备资源元数据模型(Machine tool resources metadata model，MTR-Meta)到机床装备资源本体模型(Machine tool resources ontology model，MTR-Onto)的映射关系，同时研究机床装备资源轻量化本体语义表示方法；最后设计开发相应的机床装备资源元建模软件工具并以一实例验证所提方法的有效性。

1 云制造环境下MTRs属性构成

从机床装备资源在云制造环境下的服务业务流程来看，其属性构成包括基本属性(Basic)、状态属性(State)、访问属性(Access)、功能属性(Cabilitiy)、服务属性(Service)和交易属性(Transaction)。其中基本属性是对机床装备资源基本参数的一般性描述，主要包括机床装备资源的编号、名称、类别、所属企业名称、联系方式、工装信息等基本信息；状态属性是对机床装备资源可用状态的描述，主要包括闲置状态、未满载状态、满载状态、故障状态和已预订状态；访问属性定义了机床装备资源在云平台上提供的访问方式，包括端口地址、访问方式、通讯协议、数据格式等；功能属性是对机床装备资源服务能力的描述，主要包括加工零件类型、最大加工零件尺寸、最大加工承重量、加工精度等级、加工材料范围、加工零件合格率、加工类别等；服务属性则定义了机床装备资源提供服务的基本信息，包括服务编号、服务名称、服务内容、服务执行进度、服务质量需求、服务执行能耗等；交易属性描述了云制造环境下机床装备资源服务执行过程中的交易信息，包括交易编号、交易方式、交易费用、交易评价和交易记录等。

2 基于元数据的MTR-Onto建模框架

元数据是指描述数据及其环境的数据，具有降低数据冗余、减少信息输出缺失、降低信息异构性等特点[10]。本体是概念模型的明确规范化说明，使用本体能够为资源建模表征提供领域知识和语义信息表达，可支持资源在复杂网络环境下的敏捷响应与应用[11-12]。基于此，本文结合元数据和本体特性构建基于元数据的机床装备资源本体建模框架(Machine tool resources ontology modeling framework，MTROMF)，如图1所示。

该框架可表示为：

MTROMF={M0，M1，M2,M3}

其中，M0表示元元模型层、M1表示元模型层、M2表示模型层、M3表示实例层。M0层由资源属性语义描述信息组成，定义了资源接入的顶层数据结构，为元模型的建立提供了顶层的数据基础。M1层是M0层的实例化层，在MTROMF中，M1层主要根据建模语义元数据对机床装备资源的类别、实体、方法、属性、能力等进行精确定义；并根据所描述的属性关系，定义本体映射转换机制，构建机床装备资源本体元模型。M2层是上层元模型的实例化，基于上层元模型的资源语义本体的概念属性定义和本体转换机制，对具体资源对象进行本体转化和描述，构建其本体模型。最后，利用本体构建工具，对机床装备资源特性的具体属性值和属性关系进行映射转换，形成机床装备资源本体实例模型并对其进行语义表示。

图1 基于元数据的MTROMF

3 MTR-Onto的构建及其语义表达

3.1 MTR-Meta到MTR-Onto的映射关系

(1)映射关系形式化表达

MTR-Meta到MTR-Onto的映射可以形式化表示为：

Map=

(1)

式中，Mc为映射关系标识符；Intput为机床装备资源元数据模型的映射参量集，其与机床装备资源语义元数据模型相对应；Output为机床装备资源本体模型的映射参量集，其与映射后的机床装备资源语义本体相对应；f为映射关系函数，可表示为：

(2)

(3)

(4)

(2)映射规则

映射规则指实现机床装备资源元数据模型到机床装备资源本体模型的映射所依据的规则。本文定义了MTR-Meta到MTR-Onto的基本映射规则，如表1所示。

3.2 机床装备资源元数据模型

云制造环境下机床装备资源元数据模型可用公式(5)表示。

(5)

式中，MTR-Meta表示机床装备资源元数据模型，Metai表示MTR-Meta的第i个元数据，代表机床装备资源的第i个属性，n表示机床装备资源的属性个数。假设B为机床装备资源的属性集，则：

∀Metai∈MTR-Meta⟹Metai∈B

(6)

表1 机床装备资源元数据模型-本体模型基本映射规则

3.3 机床装备资源语义表示方法

根据映射规则对机床装备资源进行轻量化本体语义表示，这里从基本属性、状态属性、访问属性、功能属性、服务属性和交易属性等不同维度对机床装备资源本体模型进行语义表示。

MTR-Onto={BasicMeta,StateMeta,AcessMeta,
FunctionMeta,ServiceMeta,TransactionMeta}

其中，

①BasicMeta表示机床装备资源的基本属性本体元模型，可形式化表示为：

BasicMeta={MTId,MTName,MTType,
MTCompany,MTLocation,MTTooling,AddValue}

式中，MTId表示各类机床装备资源的唯一编码；MTName为资源类别，通常分为车床、铣床、钻床等；MTCompany表示资源所属企业；MTContact表示资源所属区域；MTTooling表示资源工装信息；AddValue表示资源扩展属性值，可根据实际情况对机床装备资源的基本属性进行扩展。

②StateMeta表示机床装备资源的状态属性本体元模型，可形式化表示为：

StateMeta={Free,HalfLoad,AllLoad,Fault,Reserve}

式中，Free表示该机床装备资源处于空闲状态，此时可调用该资源进行服务；HalfLoad表示资源处于未满载状态，此时该资源的部分服务能力被占用，剩余的部分服务仍然可用；AllLoad表示资源处于满载状态，此时该资源可提供的所有服务能力均被占用；Fault表示机床装备资源处于故障状态；Reserve机床装备资源处于已被预定状态，此时该资源不接受除预定方之外的任务请求。

③AcessMeta表示机床装备资源的访问属性本体元模型，可形式化表示为：

AccessMeta={PortAddress,PortId,
PortName,PortType,Protocol,Format}

式中，PortAddress表示机床装备资源服务的访问端口地址；PortId表示机床装备资源服务访问端口的唯一编号；PortName表示机床装备资源服务访问端口的端口名；PortType表示机床装备资源服务访问端口的类型；Protocol表示机床装备资源服务访问的通讯协议，通常有TCP/IP协议、MTConnect协议等；Format表示访问该机床装备资源时所应遵循的数据格式要求。

④FunctionMeta表示机床装备资源的功能属性本体元模型，可形式化表示为：

FunctionMeta=
{PartsType,MaxSize,MaxWeight,PartsMaterial,
PartsPrecision,PartsQuality,PartsProcesstype}

式中，PartsType表示加工零件类型，如加工的零件可为轴、齿轮、钣金等；MaxSize表示机床最大加工尺寸；MaxWeight表示机床最大承重量；PartsMaterial表示机床所能提供的加工材料类型；PartsPrecision表示机床加工零件精度范围；PartsQuality表示机床在进行加工服务时能够达到的质量水平，如加工零件合格率、重大质量事故次数等；PartsProcesstype表示该机床所能提供的加工方式，通常为普通加工、精密加工和特种加工等。

⑤ServiceMeta表示机床装备资源的服务属性本体元模型，可形式化表示为：

ServiceMeta={SerId,SerName,SerDetail,
SerSchedule,SerQos,SerTime,SerEnergy}

式中，SerId表示机床装备资源服务执行的唯一编号；SerName表示机床装备资源所提供服务的名称；SerDetail表示机床装备资源所提供服务的具体内容；SerSchedule表示机床装备资源所提供服务的执行进度；SerQos表示机床装备资源所提供服务的质量需求；SerTime表示机床装备资源所提供服务的执行时间；SerEnergy表示机床装备资源所提供服务的能耗。

⑥TransactionMeta表示机床装备资源的交易属性本体元模型；可形式化表示为：

TransactionMeta={TransId,TransMode,
TransFee,TransCredit,TransRecord}

式中，TransId表示机床装备资源进行服务交易时的唯一交易编号；TransMode表示机床装备资源服务的交易方式，通常可分为线上交易方式、线下交易方式和混合交易方式等；TransFee表示机床装备资源服务的交易费用；TransCredit表示机床装备资源服务的交易信誉度，即用户对交易的服务评价；TransRecord表示机床装备资源服务的交易历史记录，可用于对历史服务交易的查询。

在此基础上本文选用Protégé本体建模工具(Protégé工具是W3C推荐的本体建模工具之一，其支持JAVA语言，且具有丰富的插件和良好的用户界面)对机床装备资源本体模型进行形式化表达并利用其支持的OWL-S语言对所构建的本体模型进行语义描述。

4 试验验证

4.1 机床装备资源元建模软件设计

基于以上研究，本文设计了一种机床装备资源元建模软件原型工具，该工具的功能架构如图2所示，主要包括资源获取层、元建模层、本体建模层和应用层4个功能层次。

(1)资源获取层：通过互联网和工业互联网技术的应用，识别和获取机床装备资源属性信息，并进一步存储该信息的语义元数据。

(2)元建模层：该层是元建模软件工具的核心功能层，首先依据所获取的机床装备资源信息提取相关资源属性信息，并建立MTR-Meta；然后，依据上述映射规则和映射关系，将MTR-Meta中所蕴含的资源语义信息映射到MTR-Onto中。

(3)本体建模层：该层的主要功能包括资源轻量化本体模型的构建、本体模型语义表示和基于OWL-S(Ontology Web Language for Services)的本体语义描述。

(4)应用层：该层主要实现机床装备资源本体的服务化封装，并为用户提供建模过程中的可视化应用接口。

图2 资源元建模工具功能架构

4.2 实例验证

为验证上述理论和方法的有效性和适用性，将所开发的原型工具集成到课题组前期在国家863计划项目实施过程中开发的机床装备云制造服务平台上。以某五轴联动立式加工中心(型号DMU-50)为例，具体实验步骤如下：

(1)资源注册：系统分析云制造环境下DMU-50数控加工中心资源属性信息，依据资源属性信息将DMU-50资源信息在机床装备云制造服务平台上进行注册发布。

(2)元数据提取：根据属性信息和资源分类信息，对资源元数据提取算法(图3a)的计算参数进行了配置，并利用配置后的算法对DMU-50的元数据信息进行重构。

(3)资源元数据—本体映射：利用所设计的机床装备资源本体模型构建DMU-50的本体模型，依据DMU-50在云制造环境下所提供的云服务特点配置元数据模型和本体模型映射规则，并使用云平台中的映射工具实现元数据到本体的映射，将元数据模型中蕴含的语义信息映射到本体模型中(图3b)。

(4)基于OWL-S的本体语义描述：利用本体描述语言OWL-S对所构建的DMU50本体模型进行标准化语义描述(图4a)，并将其存储在平台端的云数据库中。

(5)可视化展示：在工业互联网、信息物理融合系统(CPS)和车间制造执行系统的支持下，实现云制造环境下DMU50的物理实体与虚拟模型的连接，支持DMU50的共享集成和服务状态虚拟展示(图4b)。

(a) 元数据提取 (b) 元数据-本体映射图3 元数据-本体映射

(a) 资源语义描述 (b) 资源虚拟展示图4 资源语义描述和虚拟展示

如图5所示，本文分别分析了元数据建模、本体建模和基于元数据的本体建模方法等构建机床装备资源模型的复杂程度趋势。图中结果表明，在云制造环境下随着机床装备资源属性数量的增加，利用上述三种方法构建的机床装备资源模型的复杂程度随之增加；从总体趋势来看，基于元数据的机床装备资源本体建模受资源属性数量变化的影响较小，且当资源属性数量增多时其所构建的模型的复杂程度最低，证明了所提方法的有效性。

图5 模型复杂性变化分析

5 结束语

本文主要针对云制造环境下机床装备资源的网络化快速集成共享和敏捷响应缺乏轻量化模型支撑问题，从机床装备资源属性构成入手，结合元数据和本体特性，提出了一种基于元数据的机床装备资源轻量化建模方法，设计了基于元数据的机床装备资源本体建模框架，建立了MTR-Meta到MTR-Onto的映射关系，研究了机床装备资源轻量化本体语义表示方法；最后设计开发了机床装备资源元建模软件工具并通过具体实例应用验证了所提方法的有效性和适用性。