基于本体的制造资源建模方法研究

摘 要：分析现有制造资源模型的不足，提出一种制造资源本体建模方法。根据属性和应用的不同将制造资源分为8类，介绍本体和OWL的概念。以双列深沟球轴承为例，使用OWL建立本体模型。资源模型本体模型能很好地描述制造资源概念的语义关系，并且为企业资源共享奠定基础。

关键词关键词：制造资源； 模型； 概念； 本体； 网络本体语言

DOIDOI：10.11907/rjdk.162017

中图分类号：TP301

文献标识码：A ：1672-7800（2016）008-0004-02

0 引言

当今信息化浪潮中，以计算机技术、自动化技术和互联网技术为代表的信息技术在制造行业应用广泛。制造技术与网络技术、智能技术不断融合，制造模式呈现智能化、网络化和协作化趋势。制造业全球化使得制造企业更迫切希望加强合作，共享制造资源。不同企业采用的制造资源描述方法不完全相同，使得制造资源数据呈现出分布性、异构性、多样性、复杂性等。在企业之间共享资源的需求下，传统的制造资源模型已经不能满足如此复杂多样的数据形式，需要建立一个统一的制造资源模型。本体具有很强的表达能力，能有效描述制造资源的概念以及概念间的关系，使用本体来描述统一制造资源可以帮助达到制造资源共享。本文主要研究制造资源本体建模方法。

1 制造资源分类

制造资源可以分为狭义制造资源和广义制造资源，狭义制造资源主要指加工一个零件所需要的物质元素，是面向制造系统底层的制造资源；广义制造资源是指完成产品整个生命周期的所有生产活动的物理信息及技术要素物的总和，包括设计、制造、维护等相关活动过程中涉及的所有软硬件元素[1]。制造资源的分类是构建模型的基础，须按照统一的标准和形式进行描述，将有共同属性的资源划分为同一类别。传统制造业将制造资源简单分为人力资源和生成设备两类，在当今科技日新月异快速发展的时代，人们对制造资源的认识和理解要复杂和深刻得多。本文按照制造资源的属性和应用方式，将制造资源分为8类[2]（见图1），具体如下：①设备资源：产品生产环节中各种制造、加工和运输设备；②人力资源：生产活动中各类人员，如管理人员、操作工人和设计人员等；③软件资源：企业管理和产品设计生产过程中各类软件，如办公软件、PRO/E等；④服务资源：产品生命周期里各种相关服务，如物流服务、培训服务等；⑤知识资源：产品生命周期中涉及到的各种研究机构、专利和市场信息等；⑥计算资源：生产活动中使用的计算机等相关硬件资源；⑦物料资源：产品生命周期使用到的原材料、能源等等；⑧除上述类别外的其它资源。

2 制造资源建模方法

有研究使用状态图来描述制造资源，方法描述能力有限，没有被推广使用。面向对象的建模方法使用较多，该方法将客观世界中的事物抽象为对象，使用对象的属性来描述对象，属性的取值范围定义作为值域，用类的操作描述对象的功能[3]。基于本体的建模方法和面向对象的方法有一定相似之处，但本体更便于描述某领域中的概念和概念之间的关系，并且能够处理制造资源中具有逻辑关系的概念，所以本文采用基于本体的建模方法。

3 本体建模

3.1 本体的定义

本体（ontology）指事物本身，原来是哲学上的概念。目前被广泛认同的定义是“本体是共享概念模型的明确的形式化说明” [1]。包括以下几层含义：①共享：本体不是面向整体，其是共同认可的概念，是公认的知识的集合；②明确：本体中明确定义了使用的概念和概念的约束；③概念化：本体中的概念模型是客观世界抽象出来的，其与具体环境没有关系；④形式化：本体是计算机方便处理的。

本体可以定义为一个五元组O=（C，R，P，A，I），其中O代表本体，C（Concept或Class）表示概念或类别，R（Relations）表示关系，P（Property）表示属性，A（Axiom）表示公理，I（Instances）表示实例[2]。

3.2 本体描述语言OWL

网络本体语言（Web Ontology Language，OWL）是由W3C提出的一种本体描述语言，OWL基于XML/RDF等标准，并且与其它多种本体兼容，具有很强的语义表达和推理能力。另外，OWL可以利用流行的本体描述工具protégé来描述制造资源本体，使用非常方便。OWL定义了3种表达能力不同的子语言：OWL Full、OWL DL和OWL Lite，其中OWL Full的表达和推理能力最强，OWL DL适中，OWL Lite最弱。OWL DL中的DL指的是描述逻辑（Description Logic），其知识库是基于知识表示的一阶谓词逻辑的可判定子集。而DL与OWL之间有着对应关系，如DL中用于描述概念关系的公理集Tbox和描述个体实例的断言公理集Abox分别对应着OWL中的公理和事实，DL中的概念和角色分别对应OWL中的类和属性[3]。OWL DL已经能够完成制造资源本体需要的语义表达和推理服务，因此OWL DL已经成为制造资源表达的首选语言。不作特殊说明情况下，以下提到的OWL语言均是指OWL DL语言。

3.3 本体建模步骤

本体建立主要包括以下几个步骤：①明确资源本体要覆盖领域的范围；②收集资源本体领域范围内的知识（定义、术语、属性及关系），并对制造资源概念划分类别与层次，形成资源本体框架，使用本体建模语言对本体形式化描述[1]；③初步评价构建本体模型的一致性、完备性和清晰性；④检验和完善本体模型[4]。

4 OWL实例描述

4.1 机械零件分类

本文以机械零件资源为例构建一个基于OWL的资源本体，如图2所示。第一层次：按照机械零件的功能、用途分为模具行业零件、能源机械零件和机械标准件等；第二层次：按照机械标准件的属性和功能分为传动件、紧固件、轴承和法兰等；第三层次：将轴承功能及工作原理分为滚动轴承和滑动轴承；第四层次：将滚动轴承的结构特性分为推力球轴承、深沟球轴承和向心轴承等。如此划分层次清晰，结构完整，便于下一步概念本体模型的构建。

4.2 制造资源概念本体模型构建

制造资源属性是描述其概念本体的重要信息，根据资源的属性特征抽象出描述制造资源的概念信息。图3是双列深沟滚动轴承的属性信息图，可将其属性进行分类，以更清晰描述概念。图4描述了双列深沟滚动轴承的属性和部分概念间的关系。

4.3 基于OWL的表示实例

以“双列深沟球轴承”为例，基于OWL描述制造资源的方法。

（1）定义双列深沟球轴承类

上面代码用subClassOf表示继承关系[5]，这里描述“双列滚动轴承”是“深沟球轴承”的子类，二者有继承关系，图形上看是一种层次结构。

（2）定义数据属性。

以上代码用DtatypeProperty表示了“生产厂商”是“双列深沟球轴承”的一个属性，其数据类型为string。

5 结语

本文按照制造资源的属性和应用方式，将制造资源分为8类，简要分析了制造资源的几种建模方式，指出基于本体的建模方式的优势。介绍了网络本体语言OWL，并以机械零件中的双列深沟球轴承为例，使用OWL构建本体模型。建立的本体模型能有效描述制造资源，为优化企业内部资源结构以及企业间共享制造资源奠定了良好的基础。

参考文献参考文献：

[1] 魏军英， 钟佩思， 郭春芬，等.基于OWL的制造资源本体建模[J].山东科技大学学报：自然科学版， 2011， 30（1）：58-61.

[2] 朱李楠.云制造环境下资源建模及其匹配方法研究[D].杭州：浙江工业大学， 2014.

[3] 党亚洲.基于本体的机械零件资源库语义检索研究与应用[D].乌鲁木齐：新疆大学， 2015.

[4] 胡祥萍.云制造环境下基于语义的制造资源建模与管理研究[D].北京：北京交通大学， 2013.

[5] 袁庆霓.基于网络化制造环境的制造资源共享服务语义关键技术研究[D].成都：西南交通大学， 2010.