涂 凡，黃海松，姚立國

（貴州大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025）

1 引言

在我國針對(duì)制造業(yè)提出的“中國制造2025”戰(zhàn)略中，制造企業(yè)智能化是目前首要面臨的挑戰(zhàn)和問題。由于制造過程規(guī)模與制造環(huán)境的日趨復(fù)雜、隨機(jī)多變，使得生產(chǎn)過程中的信息呈現(xiàn)多源且海量的特征，致使生產(chǎn)過程中涉及的多源信息存在滯后嚴(yán)重、出錯(cuò)、信息的重用和共享困難等現(xiàn)象。文獻(xiàn)[1]為了解決制造過程實(shí)時(shí)信息采集和傳輸?shù)膯栴}，進(jìn)行了嵌入式多源制造信息感知裝置及方法的研究，文獻(xiàn)[2]提出了一種基于RFID和ZigBee技術(shù)的零件制造過程信息獲取系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了零件制造過程的監(jiān)控和管理，文獻(xiàn)[3]通過描述制造大數(shù)據(jù)的定義和特性提出了離散車間數(shù)據(jù)管理模型，構(gòu)建了制造大數(shù)據(jù)的應(yīng)用規(guī)劃，文獻(xiàn)[4]針對(duì)車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)，以車間資源、生產(chǎn)、管理等多個(gè)層次為本體，構(gòu)建整個(gè)車間領(lǐng)域本體來論述他們之間的關(guān)系。但只針對(duì)制造過程實(shí)時(shí)信息的采集、傳輸以及數(shù)據(jù)的描述、管理等問題，并沒有對(duì)制造過程多源信息間的內(nèi)部聯(lián)系進(jìn)行解析，無法解決制造過程知識(shí)的共享和重用等問題，進(jìn)而構(gòu)建數(shù)字車間的制造過程信息情境模型。本體最初起源于哲學(xué)領(lǐng)域，為不同領(lǐng)域知識(shí)在語義上的共同表達(dá)提供了統(tǒng)一的描述語言，本體是對(duì)共享概念模型的形式化和規(guī)范化的說明[5]，利用本體可以實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域制造過程信息模型的統(tǒng)一構(gòu)建和表達(dá)，實(shí)現(xiàn)制造過程信息間的共享和重用。

為解決上述存在的問題，首先給出了“情境”的定義，以離散型制造業(yè)數(shù)字車間的制造過程信息為應(yīng)用對(duì)象，分析了制造過程信息情境的構(gòu)成，結(jié)合本體論與可拓基元理論，構(gòu)建了制造過程情境信息體系和模型，用于描述制造過程信息間的內(nèi)部聯(lián)系，采用Protégé工具構(gòu)建制造過程信息的本體模型庫及關(guān)系數(shù)據(jù)庫的建模，運(yùn)用本體建模語言O(shè)WL實(shí)現(xiàn)情境信息知識(shí)的表達(dá)。

2 離散車間多源制造信息情境模型

情境（Context）也被稱為上下文，Dey博士認(rèn)為情境是指任何可以用來描述實(shí)體狀態(tài)的信息，其實(shí)體可以是人、位置、狀態(tài)或者與用戶和應(yīng)用交互相關(guān)的實(shí)體，包括用戶和應(yīng)用本身[6]。情境具有靜態(tài)性和動(dòng)態(tài)性[7]，靜態(tài)性屬于概念化領(lǐng)域知識(shí)范疇，例如，文章選取的離散數(shù)字車間制造過程中，員工的職務(wù)和技能是靜態(tài)的情境信息，而員工的位置、物料的位置與狀態(tài)、加工設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及生產(chǎn)環(huán)境的溫/濕度變化都是動(dòng)態(tài)的情境信息。對(duì)情境定義的分析與認(rèn)知，有助于對(duì)制造過程信息的模型認(rèn)知與構(gòu)建。

離散制造一般是指將原材料經(jīng)過機(jī)加工形成零部件，最后將零部件組裝成成品的制造模式。相對(duì)于流程工業(yè)，離散制造業(yè)的生產(chǎn)過程的各種信息、數(shù)據(jù)傳遞要復(fù)雜的多。針對(duì)離散制造數(shù)字車間制造過程中的人員、物料、生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備四種信息為主要研究對(duì)象，研究它們的情境因素及相互間的內(nèi)部聯(lián)系。制造過程信息情境構(gòu)成如圖1所示，主要由人員情境、物料情境、設(shè)備情境和環(huán)境情境等構(gòu)成，與之相對(duì)應(yīng)的是人員信息、物料信息、設(shè)備信息和環(huán)境信息等情境信息，各情境信息由不同因素（屬性或性質(zhì)）構(gòu)成，其內(nèi)部元素間又存在著不同的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（1）人員情境 人員信息主要情境元素包括職務(wù)、技能和活動(dòng)狀態(tài)。以車間為例，分為車間主任和車間員工，主任主要職責(zé)是對(duì)車間的整體運(yùn)行情況進(jìn)行把控及管理員工出勤情況，員工主要是對(duì)加工設(shè)備、物料情況的管理以及對(duì)生產(chǎn)環(huán)境變化的監(jiān)控?；顒?dòng)狀態(tài)主要包含人員的出勤情況和他們的工作狀態(tài)，例如某員工在某臺(tái)設(shè)備上對(duì)物料進(jìn)行某種加工操作等。

圖 1制造過程信息情境的構(gòu)成Fig.1 The Composition of the Manufacturing Process Information Situation

（2）物料情境 物料信息貫穿整個(gè)車間生產(chǎn)始終，依據(jù)車間生產(chǎn)計(jì)劃從采購到最終成品，物料信息都是重要而又復(fù)雜的，其中包括物料的類型、數(shù)量以及物料在加工過程中諸多狀態(tài)（原材料、半成品、成品等）和物料相關(guān)聯(lián)的人員及設(shè)備信息。物料信息通過RFID讀寫器、掃條碼掃描器等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（3）設(shè)備情境 設(shè)備信息是生產(chǎn)車間所有設(shè)備的總稱，包含加工設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備、傳感器設(shè)備和RFID等設(shè)備的基本屬性、工作狀態(tài)、位置情況和功能信息等。

（4）環(huán)境情境 環(huán)境信息指主要影響生產(chǎn)車間加工的環(huán)境因素，包括溫度/濕度等。環(huán)境的溫/濕度信息通過安裝在車間的溫/濕度傳感器來獲得。

3 基于本體的制造信息模型框架及構(gòu)建

3.1 本體結(jié)構(gòu)

本體可以由一個(gè)或多個(gè)頂層、領(lǐng)域和應(yīng)用本體等抽象層次組成，其中的頂層、領(lǐng)域本體是幫助研究者構(gòu)建和理解本體的基礎(chǔ)。頂層本體由情境信息涉及的各種實(shí)體抽象概念組成，它作為高層本體的優(yōu)勢(shì)在于能為不同系統(tǒng)間共享同一知識(shí)數(shù)據(jù)庫。當(dāng)具體涉及到某一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)概念和聯(lián)系時(shí)即可稱為領(lǐng)域本體。在不同學(xué)科領(lǐng)域里涉及到相同的概念時(shí)，由于學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用、情境的不同，表達(dá)相同概念時(shí)，概念的意義就可能大不相同。領(lǐng)域本體重用頂層本體的相關(guān)概念，定義相應(yīng)的含義而獲得具體學(xué)科領(lǐng)域的本體，這種可復(fù)用、繼承的方式能重用已建本體中相關(guān)的概念（類）和多種描述語義，實(shí)現(xiàn)各學(xué)科領(lǐng)域模型的共享及重用[8]。多層次分層的本體模型可用數(shù)學(xué)公式描述為：

式中：G—多層本體中所有概念（類）的集合；gi—第i層所有概念（類）的集合；gij—第i層所有概念（類）中第j個(gè)概念（類）；Rg—本體中各概念（類）間內(nèi)部聯(lián)系的集合；Rg，（i-1）j，ij—第 R（i-1）i個(gè)概念（類）與第gij個(gè)概念（類）間的內(nèi)部聯(lián)系[9]。

根據(jù)離散車間的信息特點(diǎn)，在構(gòu)建制造過程信息本體模型時(shí)，也采用了這種分層的思想來構(gòu)建本體，更有利于多源制造信息間的信息共享和重用。

3.2 情境信息本體模型的構(gòu)建

根據(jù)以上分析，在構(gòu)建制造過程信息情境模型也包含了頂層本體和領(lǐng)域本體，其情境本體體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 制造過程信息本體體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Manufacturing Process Information Ontology Architecture

它的頂層本體主要包括人員、物料、設(shè)備、位置、狀態(tài)和環(huán)境六部分。人員主要包括車間主任和員工等；在選取的某輪轂加工企業(yè)實(shí)例中，物料一般選取的是鋁合金材料；設(shè)備主要包括傳感器、RFID、監(jiān)測設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)備等，其中生產(chǎn)設(shè)備主要包括數(shù)字加工中心和機(jī)床等；位置分為辦公室和生產(chǎn)車間，車間又主要分為物料存放區(qū)、物料加工區(qū)和產(chǎn)品存放區(qū)等；狀態(tài)主要針對(duì)人員、物料和設(shè)備的，包括人員的活動(dòng)狀態(tài)以及物料、設(shè)備的加工狀態(tài)等；環(huán)境主要考慮影響因素較大的溫、濕度，它們各自又包含三個(gè)狀態(tài)。

制造過程信息本體體系的建立能更為準(zhǔn)確、快速的對(duì)本體進(jìn)行構(gòu)建。采用三元組形式描述制造過程信息領(lǐng)域本體：

式中：Cl—制造過程信息中對(duì)象概念（Class）的集合，表示制造過程信息情境實(shí)體中物料、人員、設(shè)備以及它們的子類等。

At表示領(lǐng)域本體模型的屬性（Attribute）集合合，是對(duì)領(lǐng)域本體中概念進(jìn)行描述，主要有功能、結(jié)構(gòu)屬性等，其中功能屬性又包含對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)屬性。At=Af∪Ab，Af=Ao∪Ad，領(lǐng)域本體模型中的功能、結(jié)構(gòu)屬性分別為Af、Ab，A0、Ad分別表示為領(lǐng)域本體模型中對(duì)象、數(shù)據(jù)屬性的集合。

Re表示概念與概念、概念與實(shí)例、實(shí)例與實(shí)例間邏輯關(guān)系（Relation）的集合，例如 Re（Re1）=（Cl1，Cl2）表示 Cl1與 Cl2間關(guān)系為 Re1。

3.3 可拓基元的本體知識(shí)表示

將本體與可拓學(xué)基元理論相結(jié)合，來研究離散車間制造信息知識(shí)表示方法?？赏鼗俏镌狹、關(guān)系元R和事元A的統(tǒng)稱[10]，由對(duì)象O、特征F和量值V組成的三元組組成，表示為B=［O，F(xiàn)，V］。領(lǐng)域本體中的概念、屬性、關(guān)系與物元、事元、關(guān)系元正好一一相對(duì)應(yīng)，將本體與基元概念相結(jié)合下，進(jìn)行以下定義：

定義4：復(fù)合元C是由物元和事元、事元和關(guān)系元、物元物元和關(guān)系元等2個(gè)或2個(gè)以上基元組合成的，在對(duì)制造信息本體進(jìn)行模型構(gòu)建，建立相關(guān)的推理規(guī)則來表達(dá)信息間內(nèi)部聯(lián)系，即可用復(fù)合元表示建立的推理規(guī)則。例如表示的是物元M1、物元M2及它們間具有的關(guān)系元R1組成的復(fù)合元C1。

在制造信息本體表示中定義相關(guān)概（類）時(shí)如下：定義機(jī)床概念物元M3：

定義A型機(jī)床與物料B間的鉆孔加工關(guān)系R2：

例如定義復(fù)合元C2表示制造信息中鉆孔工藝：

可理解為當(dāng)RFID檢測到物料在進(jìn)入機(jī)床A前后，物料B在特定位置有孔，同時(shí)在相同時(shí)間段機(jī)床A處于正在加工狀態(tài)，員工1在崗且位于機(jī)床A。由以上可知物料B進(jìn)行了鉆孔加工，通過檢測精度與質(zhì)量，即可知道鉆孔達(dá)到要求可否，同時(shí)可以對(duì)物料B下一步工藝進(jìn)行把控和提前預(yù)知。

通過對(duì)制造過程信息本體進(jìn)行概念基元、屬性基元、關(guān)系基元及復(fù)合元的定義及表達(dá)，同時(shí)對(duì)機(jī)床概念物元、鉆孔加工關(guān)系等的舉例，說明本體與基元相結(jié)合的表示方法是可行及有效的，為制造信息本體的建模提供了較大便利。

4 制造信息本體構(gòu)建實(shí)例

在上文完成對(duì)制造信息知識(shí)本體的相關(guān)基元概念、屬性和關(guān)系進(jìn)行定義和表達(dá)后，運(yùn)用本體編輯工具Protégé4.3，根據(jù)以上建立的制造過程信息本體體系結(jié)構(gòu)，來構(gòu)建制造過程信息本體模型類樹及定義對(duì)應(yīng)的屬性關(guān)系。通過Protégé構(gòu)建的本體模型類樹及關(guān)系屬性能區(qū)分不同的領(lǐng)域本體，表示各概念、實(shí)例間的內(nèi)部聯(lián)系，從而達(dá)到領(lǐng)域本體間的知識(shí)重用、共享的目的，其類圖，如圖3所示。

圖 3制造過程信息本體的類圖Fig.3 The Class Diagram of the Manufacturing Process Information Ontology

在該模型中Workshop Employee類和Workshop-Director類表示成Person類的子類，Environment類有Temperature類和Humidity類，同時(shí)表達(dá)了Workshop Employee類與Equipment類的子類 Production Equipment類、Material類、Status類、Environment類和Location類間的Object Property對(duì)象屬性和Datatype Property數(shù)據(jù)屬性關(guān)系。

4.1 屬性定義

在本體通過 part-of，attribute-of，instance-of和 subclassof等屬性表達(dá)本體中的類與類或其他元素之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，添加了has Locate、has Status、has Operate 和 has Process等對(duì)象屬性，及has Temperaure、has Tumidity等數(shù)據(jù)屬性，這些屬性的描述語義是闡述、理解多源制造信息間關(guān)系的橋梁。其部分屬性的定義，如表1所示。（用OWL語義略）。

表1 屬性定義與擴(kuò)展Tab.1 Attribute Definition and Extension

4.2 定義多源信息間的關(guān)系

將Protégé生成的制造過程信息本體模型轉(zhuǎn)化為本體映射文件OWL語言，儲(chǔ)存到構(gòu)建的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，從而達(dá)到本體知識(shí)重用、共享的目的。下述OWL描述片段只是截取了制造過程信息本體模型的部分描述語義，表達(dá)的語義是人員、物料、設(shè)備和環(huán)境等概念的定義以及相互之間的關(guān)系定義。

4.3 制造過程信息本體庫的構(gòu)建

采用多張表法將用OWL語言描述的本體模型映射到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)。多張表法儲(chǔ)存過程是在制造過程信息本體中為不同概念類單獨(dú)建立一張表，同時(shí)每張表采取三元表形式，表中屬性列儲(chǔ)存該類所有屬性的屬性值及其定義域，實(shí)現(xiàn)了屬性與實(shí)例的相互映射。制造過程信息數(shù)據(jù)模型建立邏輯結(jié)構(gòu)流程圖，如圖4所示。

圖4 制造過程信息數(shù)據(jù)模型構(gòu)建流程圖Fig.4 Manufacturing Process Information Data Model Construction Flow Chart

制造過程信息領(lǐng)域本體關(guān)系數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建過程是將制造過程信息本體模型的概念內(nèi)容根據(jù)以Jena平臺(tái)建立相應(yīng)推理規(guī)則和對(duì)應(yīng)的映射規(guī)則，儲(chǔ)存到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，通過上文編寫的OWL為本體描述語言，采用URI（統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符）來標(biāo)識(shí)本體中不同的概念、屬性等。由構(gòu)建的關(guān)系數(shù)據(jù)庫來儲(chǔ)存制造過程信息領(lǐng)域本體中概念、實(shí)例之間的關(guān)系。制造過程信息本體庫表結(jié)構(gòu)圖模型（圖略）。

5 結(jié)束語

從情境概念內(nèi)涵出發(fā)，以離散型制造業(yè)數(shù)字車間的制造過程信息為應(yīng)用對(duì)象，研究制造過程信息情境的情境因素。根據(jù)離散車間的信息特點(diǎn)，將可拓基元理論與本體相結(jié)合對(duì)制造過程多源信息進(jìn)行知識(shí)化表示，構(gòu)建了面向制造過程信息的本體模型，闡述了制造過程信息本體庫存儲(chǔ)方法，并對(duì)制造過程信息關(guān)系數(shù)據(jù)庫行了建模，解決了離散制造業(yè)數(shù)字車間生產(chǎn)過程的信息多源且復(fù)雜，導(dǎo)致易出現(xiàn)滯后嚴(yán)重、易出錯(cuò)、信息的重用和共享困難等問題。同時(shí)提出的本體與基元結(jié)合的表示方法為知識(shí)表示方法提供了一種新思路。

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