李春泉，朱攀峰，何漢釗，唐海波

（桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，桂林 541004）

0 引言

云計算技術(shù)作為新一代服務(wù)計算技術(shù)，憑借其按需服務(wù)、資源虛擬化及為用戶提供多粒度多尺度的按需服務(wù)能力等特點，得到了廣泛關(guān)注與快速發(fā)展。云制造[1]是在云計算基礎(chǔ)上以“按需服務(wù)”為核心的新型網(wǎng)絡(luò)化制造模式，其利用資源虛擬化及多粒度、多尺度的訪問控制手段，面向資源共享及任務(wù)協(xié)同目標(biāo)，以分布、異構(gòu)和多控制域的資源或資源聚合為云節(jié)點，透明、簡捷、靈活地構(gòu)建開放、動態(tài)地協(xié)同工作支持環(huán)境，同時提供通用、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制造服務(wù)。

客戶需求多粒度解析是保證云制造運行的關(guān)鍵技術(shù)。在云制造中，客戶需求多樣性且貫穿整個產(chǎn)品生產(chǎn)周期，客戶需求解析的好壞直接關(guān)系客戶對服務(wù)的滿意度?？蛻粜枨笮畔⒁话闵婕爱a(chǎn)品的整體特性，包括產(chǎn)品的性能、價格、交貨期以及其他個性化需求，有些需求是模糊的，甚至是矛盾的需求，將客戶需求信息轉(zhuǎn)化為云制造系統(tǒng)所“理解”的多粒度語義調(diào)度信息是本文研究的重點。目前國內(nèi)外很多學(xué)者研究了客戶需求解析的方法。荷蘭的Hofer.A.P等人[2]根據(jù)客戶需求,在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,根據(jù)需求差異,對產(chǎn)品進(jìn)行局部、簡單的修改或變異,經(jīng)過整理、歸類后形成了“產(chǎn)品族”。加拿大的Cariaga.I等人[3]在建立用戶需求索引的基礎(chǔ)上,通過數(shù)據(jù)封裝分析(Data Envelopment Analysis, DEA)發(fā)現(xiàn)用戶對產(chǎn)品設(shè)計更改的需求。桂林電子科技大學(xué)的劉夫云等[4]提出采用語義web構(gòu)建客戶需求框架，然后以此為基礎(chǔ)采用推理機對客戶信息進(jìn)行推理，最終獲取客戶需求的方法。重慶大學(xué)的但斌等人[5]主要針對模糊的客戶需求，首先構(gòu)造模糊客戶需求本體和產(chǎn)品族實例本體，然后基于本體映射的方法，通過相似度算法，獲取準(zhǔn)確的客戶需求。西安交通大學(xué)的延鵬等人[6]提出了一種客戶需求映射方法，將客戶需求參數(shù)映射到產(chǎn)品模塊屬性參數(shù)，從而得到滿足客戶需求的產(chǎn)品配置。按需服務(wù)是云制造的主要特征，云資源提供給用戶的是多種粒度的資源屬性，云制造客戶需求解析需同時面向客戶個性化需求和云資源屬性需求。上述研究主要從產(chǎn)品整體性能出發(fā)，限定解析對象，分析客戶需求，獲得標(biāo)準(zhǔn)化的客戶需求，并未考慮資源的多粒度屬性，顯然已經(jīng)不能適應(yīng)云制造客戶服務(wù)需求解析的需求，本文針對這一問題，結(jié)合云制造多粒度、多尺度等特點，采用語義web構(gòu)建以客戶需求為目標(biāo)的多粒度云制造資源參數(shù)本體，建立一套共享的術(shù)語和信息表示結(jié)構(gòu)，減少信息轉(zhuǎn)換的難度和工作量, 為客戶需求信息提供了一個統(tǒng)一的模式，在此基礎(chǔ)上通過Jean推理機對客戶需求進(jìn)行推理，從而得到具體、規(guī)范、全面的客戶需求信息。

1 云制造資源本體框架

1.1 云制造資源類型

云制造資源指涉及制造行業(yè)的一切活動和產(chǎn)品生命周期的物理資源（如加工設(shè)備、計算設(shè)備、數(shù)據(jù)文檔）和信息資源（如設(shè)備能力信息、信譽評價、領(lǐng)域知識）的總稱[7]。云資源具有多樣性、異構(gòu)性、分布性、抽象性和自主性等[8]特點，其資源構(gòu)成如表1所示。從客戶需求出發(fā)并根據(jù)云制造資源的特點，云資源的語義描述需保證以下要求。

1）關(guān)聯(lián)性：云資源應(yīng)具有語義信息和領(lǐng)域知識含義，滿足資源匹配、調(diào)度、搜索、異構(gòu)資源間的融合與重構(gòu)等要求。

2）唯一性：同類資源的語義描述有且僅有唯一的描述。

3）一致性：保證新加入資源能被準(zhǔn)確的描述且與現(xiàn)有資源描述不沖突。

表1 云制造資源構(gòu)成

綜上所述，以客戶需求為中心的云制造資源的描述需要很強的信息表達(dá)能力和邏輯推理能力，本文采用Web Ontology Language（OWL）描述云制造資源本體框架，OWL是W3C推薦的語義互聯(lián)網(wǎng)中本體描述語言的標(biāo)準(zhǔn)[9]，以資源建?？蚣軜?biāo)準(zhǔn)(RDFS)作為概念模型框架[10]，采用描述邏輯(DescriPtion Logic DL)進(jìn)行服務(wù)過程中的邏輯關(guān)系表達(dá)和關(guān)系推理,可形象化的將無序數(shù)據(jù)變?yōu)橛嬎銠C“理解”的有序知識，具有很強的信息表達(dá)能力和邏輯推理能力。

1.2 多粒度云制造資源本體框架

根據(jù)云資源的分類及特點，設(shè)定云資源基本描述模型（P、C、T）, Property為資源的屬性，包含云資源名稱、性能、功能及組成部分等信息；Cost為該資源的成本；Time為制造該資源的時間。如圖1所示為云制造資源本體框架，對云資源進(jìn)行多粒度分解，將資源分解至制造過程中云平臺所能提供的最小制造元（即云平臺能提供的最小制造能力），最小制造元隨著云平臺的制造能力而改變。云制造本體建模過程[11]如下。

1）定義云資源類及層次關(guān)系。從資源分解中抽出類及層次的關(guān)系。其中，類對應(yīng)本體體系中的class；對象對應(yīng)本體體系中的Instance 或Individual。

2）定義云資源類之間的關(guān)系。主要是聚合關(guān)系，對應(yīng)本體體系中的Object Property。

3）定義云資源屬性。包括資源的名稱、值、功能以及其他。對應(yīng)本體體系中的Datetype Property。

圖1 云制造資源本體框架

2 基于Jean推理機的客戶需求分析

2.1 Jean 推理機

Jean由HP Labs開發(fā)的基于Java的開放源代碼語義web工具包[12]，為解析和推理owl本體提供推理引擎，針對云制造客戶服務(wù)需求可進(jìn)行以下兩種推理：1）云資源類推理。主要推理云資源之間類的包含、不相交、等價等關(guān)系以及云資源本體的一致性檢查。2）云資源屬性推理。資源屬性與資源類之間的關(guān)系以及資源屬性間的包含關(guān)系。

根據(jù)云制造資源構(gòu)成的特點以及客戶需求的特點，按照J(rèn)ean Rules編寫以下推理規(guī)則：

Rule1: (?a owl:hasPart ?b)(?a owl:isPartOf ?c)-＞(?b owl:isPartOf ?c)

Rule2: (?a owl:isPart ?b) (?b owl:isPart ?a)-＞(?aowl:istantamountOf ?b)

Rule3: (?aowl:istantamountOf ?b) (?bowl:istantamountOf ?c)-＞ (?aowl:istantamountOf ?c)

Rule4: (?a owl:hasPart ?b)(?b owl:hasPart ?c)-＞(?a owl:hasPart ?c)

Rule5: (?a owl:hasProperty ?b) (?b owl:hasProperty ?c)-＞ (?a owl:hasProperty ?c)

Rule6: (?a owl:isDisjoint ?b) (?a owl:isPart ?c)-＞(?b owl:isDisjoint ?c)

將上述規(guī)則導(dǎo)入Jean推理機，同時將云制造資源中的概念本體（指圖1中的云制造、云資源、屬性等概念本體）存儲為Cloud Manufacturing.owl，把實例本體存儲為Cloud Manufacturing.rdf（此處導(dǎo)入本體為圖4的LED驅(qū)動板的本體），具體代碼如圖2所示。

Rule1為資源間的屬于關(guān)系；Rule2與Rule3為均資源間的等價的推理關(guān)系；Rule4為資源之間的包含傳遞關(guān)系；Rule5為資源屬性的傳遞關(guān)系；Rule6為資源之間的類屬關(guān)系。由輸出可知：1） PCB-Material的子類資源全部輸出；2） PCBMaterial隱藏屬性經(jīng)推理機變?yōu)镻CB的屬性。

2.2 系統(tǒng)流程圖

現(xiàn)構(gòu)造云制造服務(wù)需求解析系統(tǒng)流程圖，如圖4所示，客戶通過平臺用戶界面提交服務(wù)需求，首先通過任務(wù)處理器查詢知識庫，如果有同樣的任務(wù)需求結(jié)果在知識庫中，則直接輸出任務(wù)解析結(jié)果；如果沒有則繼續(xù)通過推理機模塊對任務(wù)進(jìn)行推理解析，推理所得結(jié)果返回給客戶以及存儲到查詢知識庫中，領(lǐng)域?qū)＜彝ㄟ^API接口輸入資源本體。

圖2 推理功能部分代碼

圖3 云制造服務(wù)需求系統(tǒng)流程圖

3 試驗驗證

本文以產(chǎn)品LED驅(qū)動板為例，通過MyEclipse JAVA開發(fā)軟件將云制造資源本體域和對應(yīng)的規(guī)則庫與Jean包連接，并在云制造演示平臺進(jìn)行了實驗驗證。圖4為protégé軟件構(gòu)建的LED驅(qū)動板實例本體（該軟件是斯坦福大學(xué)基于Java語言開發(fā)的開放源代碼的本體編輯軟件，擁有友好的界面以及提供大量的知識模型架構(gòu)用于創(chuàng)建、可視化、操縱各種表現(xiàn)形式的本體，支持插件和基于JAVA的API擴展）。此處LED驅(qū)動板分解為PCB尺寸大小、PCB板材、孔徑、線寬以及其他組成部分。各個制造元存在“父子”和“兄弟”的關(guān)系，“父子”之間存在傳遞關(guān)系，而“兄弟”之間存在互斥關(guān)系。

用戶在需求界面輸入如下需求：1）造價低廉2）產(chǎn)品規(guī)格小；3）線距為0.2mm，經(jīng)推理分析后得到準(zhǔn)確規(guī)范的客戶需求如圖5所示，可以看出客戶提出的模糊、矛盾的信息被轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、全面的語義信息，取得了較好的結(jié)果。1）經(jīng)推理得出如下產(chǎn)品組合；2）經(jīng)推理采用PCB雙面板且線寬采用最小的0.254mm來節(jié)約體積；3）與云制造平臺所能提供的最小線距出現(xiàn)矛盾，修改為0.2mm，其他為客戶未提出的產(chǎn)品制造信息。

圖4 LED驅(qū)動板本體

圖5 客戶服務(wù)需求解析輸出界面

4 結(jié)束語

本文重點研究了云制造服務(wù)需求多粒度解析方法：從客戶需求出發(fā)，以云制造資源為目標(biāo)構(gòu)建了客戶需求本體框架，在此基礎(chǔ)上通過Jean推理機對客戶需求進(jìn)行解析，最終獲得了多粒度客戶需求信息。該方法較好的解決了網(wǎng)絡(luò)制造中因客戶需求解析不準(zhǔn)確而導(dǎo)致任務(wù)失敗的問題，為云制造的運行，提供了有效的解決機制。

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