郭 鋼 李光銳 湯華茂 董元發(fā)

重慶大學(xué)，重慶，400030

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，越來越多的主機(jī)制造企業(yè)將一些非核心業(yè)務(wù)（如零部件設(shè)計制造）外包給供應(yīng)商、設(shè)計公司去完成，而自己則專注于核心業(yè)務(wù)能力的提升。這種新產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)協(xié)同模式，在快速提升主機(jī)核心競爭力的同時，促進(jìn)了由供應(yīng)商、專業(yè)設(shè)計公司、高校、科研院所等社會資源構(gòu)成的設(shè)計服務(wù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為了實現(xiàn)主機(jī)企業(yè)與供應(yīng)商、設(shè)計公司間的設(shè)計服務(wù)關(guān)聯(lián)與協(xié)同，需要構(gòu)建一個基于互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同設(shè)計服務(wù)公共平臺，以平臺提供的懸賞設(shè)計服務(wù)、撮合設(shè)計服務(wù)、定向委托設(shè)計服務(wù)等新模式，支撐設(shè)計服務(wù)供需雙方在平臺上實現(xiàn)設(shè)計服務(wù)的交互。

在設(shè)計服務(wù)實現(xiàn)的過程中，設(shè)計服務(wù)任務(wù)是實現(xiàn)供需雙方任務(wù)協(xié)同的紐帶。作為設(shè)計服務(wù)的需求者和組織者，主機(jī)企業(yè)需要建立基于語義的設(shè)計服務(wù)任務(wù)管理模型來對設(shè)計服務(wù)過程進(jìn)行有效管理。

國內(nèi)外學(xué)者對設(shè)計服務(wù)模式和任務(wù)管理模型進(jìn)行了研究：安毅生等［1］提出了基于模糊集理論的任務(wù)管理方法，以及表示與驗證的對象化模糊Petri網(wǎng)；喬立紅等［2］建立了任務(wù)關(guān)系的時間約束網(wǎng)絡(luò)模型，給出了基于模型的線性化、實例化方法和檢測判據(jù)；周盛等［3］提出了基于活動樹的任務(wù)分解模型，實現(xiàn)了模具設(shè)計任務(wù)的自動管理；閆夢龍等［4］提出了一種基于活動狀態(tài)的分布式任務(wù)管理模型；Baxter等［5］提出了一種基于知識重用的產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計方案框架；Ma等［6］提出了一種可重構(gòu)的協(xié)同設(shè)計服務(wù)模式；Niu等［7］提出了多代理和基于工作流的Web服務(wù)管理模式；Sang等［8］提出了協(xié)同任務(wù)管理的協(xié)議設(shè)計框架。

針對產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)計服務(wù)共性需求，本文重點研究設(shè)計服務(wù)模式、基于互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計服務(wù)公共平臺體系結(jié)構(gòu)，以及基于語義的設(shè)計服務(wù)任務(wù)管理模型。

1 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)模式及任務(wù)特征

1.1 網(wǎng)上網(wǎng)下相結(jié)合的設(shè)計服務(wù)模式

由主機(jī)企業(yè)、設(shè)計服務(wù)商（供應(yīng)商、設(shè)計公司、高校）組成產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)供需鏈，在主機(jī)企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)過程中，主機(jī)企業(yè)將零部件、工裝模具等設(shè)計任務(wù)在網(wǎng)上發(fā)布給已知的設(shè)計服務(wù)商（定向委托服務(wù)），或未知的設(shè)計服務(wù)商（懸賞征集服務(wù)），當(dāng)設(shè)計服務(wù)商從網(wǎng)上獲取任務(wù)并與主機(jī)企業(yè)簽訂合約后，設(shè)計服務(wù)商便按照主機(jī)企業(yè)要求的技術(shù)、質(zhì)量和時間進(jìn)度在網(wǎng)下進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計完成后，將設(shè)計結(jié)果在網(wǎng)上提交給主機(jī)企業(yè)，主機(jī)企業(yè)進(jìn)行評審，若滿足設(shè)計要求，則與設(shè)計服務(wù)商進(jìn)行支付結(jié)算；若未達(dá)到設(shè)計要求，則要求設(shè)計服務(wù)商修改，直至達(dá)到設(shè)計要求為止。在此過程中的技術(shù)交流與沖突協(xié)商，可利用網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)公共平臺提供的三維協(xié)同視頻會議解決。由此構(gòu)成的網(wǎng)上網(wǎng)下相結(jié)合的設(shè)計服務(wù)模式如圖1所示。

圖1 網(wǎng)上網(wǎng)下相結(jié)合的設(shè)計服務(wù)模式

1.2 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)公共平臺體系結(jié)構(gòu)

由于設(shè)計服務(wù)商分布在異地，主機(jī)企業(yè)要發(fā)布設(shè)計服務(wù)任務(wù)和有效管理任務(wù)的執(zhí)行，需要一個基于互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計服務(wù)公共平臺，利用該公共平臺，設(shè)計服務(wù)的供需雙方可進(jìn)行任務(wù)發(fā)布與獲取、契約達(dá)成、任務(wù)執(zhí)行與過程協(xié)同、任務(wù)和技術(shù)沖突的實時消解、結(jié)果提交、評審與修改、結(jié)算與支付等。為實現(xiàn)設(shè)計服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化，筆者構(gòu)建了一個網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)公共平臺，該平臺采用云計算服務(wù)模式，提供IaaS（IT基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)）、PaaS（平臺即服務(wù)）、SaaS（軟件即服務(wù)）和RaaS（資源即服務(wù)）等信息服務(wù)模式，以及懸賞、撮合、定向等設(shè)計服務(wù)及交易模式，支撐產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)計服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)公共平臺的N層體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 設(shè)計服務(wù)類型、特征屬性及管理模型

主機(jī)企業(yè)外包給供應(yīng)商或設(shè)計公司的設(shè)計服務(wù)任務(wù)，一般有零部件設(shè)計、模具設(shè)計等。根據(jù)零部件之間、零部件與模具之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，本文將網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)任務(wù)定義為4種模型：單聯(lián)任務(wù)、多聯(lián)任務(wù)、并聯(lián)任務(wù)和混聯(lián)任務(wù)，如圖3所示。

網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)任務(wù)的特征屬性分為5類：

（1）任務(wù)時間特征屬性：任務(wù)開始、結(jié)束時間、任務(wù)工期、緊前緊后、任務(wù)暫停、任務(wù)恢復(fù)、任務(wù)結(jié)束等。

（2）任務(wù)技術(shù)特征屬性：零部件協(xié)同開發(fā)的功能指標(biāo)、性能指標(biāo)、幾何結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系等。

（3）任務(wù)的關(guān)聯(lián)特征屬性：任務(wù)間的單聯(lián)、多聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)關(guān)系等。

（4）任務(wù)—資源匹配特征屬性：任務(wù)與設(shè)計資源間的約束匹配、任務(wù)—設(shè)計資源間的無約束匹配等。

（5）任務(wù)協(xié)同特征屬性：各任務(wù)在時間、內(nèi)容上的協(xié)同關(guān)系等。

網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)任務(wù)管理模型，就是建立任務(wù)特征屬性表達(dá)形式、執(zhí)行管理和協(xié)同機(jī)制，并以知識和經(jīng)驗方式沉淀下來，以便重復(fù)使用。網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)任務(wù)管理模型如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)任務(wù)類型、特征屬性與協(xié)同機(jī)制表達(dá)如表1所示。表1中，Tstart表示開始時間；Tend表示結(jié)束時間；Tduration表示工期；Tpause表示暫停時間；Ksimilarity代表相似度。

2 基于語義的設(shè)計服務(wù)任務(wù)管理模型

2.1 基于語義的設(shè)計服務(wù)任務(wù)管理模型

新產(chǎn)品設(shè)計是一次性工作，在新產(chǎn)品設(shè)計過程中要不斷地創(chuàng)建設(shè)計任務(wù)、分解設(shè)計任務(wù)，再外包設(shè)計任務(wù)、匹配設(shè)計服務(wù)資源和任務(wù)執(zhí)行管理等復(fù)雜過程。針對這一復(fù)雜過程，本文提出了基于語義的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)任務(wù)管理模型，如圖5所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)公共平臺體系結(jié)構(gòu)

圖3 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)任務(wù)關(guān)聯(lián)模型

圖4 任務(wù)特征屬性描述與任務(wù)管理模型

基于語義的設(shè)計服務(wù)任務(wù)管理模型的核心思想是：用語義元數(shù)據(jù)來描述設(shè)計服務(wù)任務(wù)的特征屬性及任務(wù)之間的關(guān)系，使設(shè)計服務(wù)任務(wù)的信息交互過程具有明確定義的語義，使人和機(jī)器都能共同理解，減少歧義；使用本體來組織設(shè)計服務(wù)項目，管理領(lǐng)域內(nèi)的共享知識和概念，并對已有的任務(wù)和資源進(jìn)行語義標(biāo)注；采用基于邏輯推理的方式來實現(xiàn)對知識的智能查詢和有效利用，提高設(shè)計服務(wù)知識的重用和自動化管理水平。

表1 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)任務(wù)類型、特征屬性與協(xié)同機(jī)制表達(dá)

圖5 基于語義的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)任務(wù)管理模型

2.2 設(shè)計服務(wù)任務(wù)本體的定義

本體的概念來源于哲學(xué)領(lǐng)域，是關(guān)于世界本身的存在及其本質(zhì)的問題。在計算機(jī)科學(xué)和信息系統(tǒng)中，本體是表達(dá)特殊知識領(lǐng)域的形式化語言，是對同一領(lǐng)域內(nèi)共享概念及其關(guān)系明確的形式化定義。所謂本體，Gruber指出“本體是概念模型的明確的規(guī)范說明”。

定義1 任務(wù)本體：設(shè)計服務(wù)任務(wù)本體是一個六元組OT＝（CT，RT，HT，F(xiàn)T，XT，IT），其中，CT表示任務(wù)及相關(guān)概念的集合；RT表示CT中概念之間的關(guān)系集合，定義為n維笛卡兒積的子集，RT?CT×CT，包括任務(wù)的串行、并行關(guān)系，任務(wù)與設(shè)計對象、設(shè)計資源、企業(yè)部及供應(yīng)商之間的關(guān)系等；HT表示關(guān)系的層次關(guān)系；FT、XT、IT分別表示函數(shù)集合、公理集合和概念的實例集合。

設(shè)計服務(wù)任務(wù)的本體功能是捕獲設(shè)計服務(wù)管理領(lǐng)域的共有知識，確定該領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的術(shù)語，給出這些術(shù)語及術(shù)語之間關(guān)系的明確的規(guī)范化的形式化說明，以強(qiáng)化對這些知識的共同理解。

2.3 基于描述邏輯的形式化語義

本文采用描述邏輯SHOIN（D）對網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)任務(wù)進(jìn)行建模，并將任務(wù)模型轉(zhuǎn)換為OWL DL本體描述語言進(jìn)行描述，以實現(xiàn)基于語義的任務(wù)管理。描述邏輯是一種基于對象的知識表示的形式化，也叫概念表示語言或術(shù)語邏輯。它是一階謂詞邏輯的可判定子集，具有合適定義的語義，并且具有很強(qiáng)的表達(dá)能力。SHOIN（D）是在基本描述邏輯ALC的基礎(chǔ)上允許關(guān)系具有傳遞性（記為S），加入逆屬性構(gòu)詞R-（記為I），加入屬性包括公理R?S的（記為H）絕對數(shù)量約束≥nR和≤nR（記為N）和數(shù)據(jù)類型屬性（記為D），以及允許通過個體的枚舉來定義的類｛a｝（記為O）。ALC是最小命題封閉的描述邏輯。ALC語法遞歸定義如下：

定義2 ALC語法：令NC為原子概念集，NR為原子關(guān)系集，則ALC概念描述定義為：

（2）如果C和D 是ALC概念，且R∈NR，則表達(dá)式┐C，C∩D，C∪D，?R.C 和?R.C 是ALC概念。

定義3 SHOIN（D）語義：語義是對概念描述內(nèi)容的語義解釋，如SHOIN（D）是對四元組I＝（ΔI，ΔD，·I，·D）的解釋，其中ΔI、ΔD代表論域的對象和數(shù)據(jù)類型的非空集合，ΔI∩ΔD＝?，·I、·D為解釋函數(shù)；設(shè)VC、VIP、VDP、VD、VI、VDV分別為可數(shù)且兩兩不相交的原子概念與對象屬性、數(shù)據(jù)類型屬性、數(shù)據(jù)類型、個體和數(shù)據(jù)類型值，解釋函數(shù)·I和·D數(shù)將每個A∈VC映射為ΔI的子集，記作AI；將每個數(shù)據(jù)類型D∈VD映射為ΔD的子集，記作DD；將每個對象屬性R∈VIP映射為ΔI×ΔI的子集，記作RI；將每個數(shù)據(jù)類型屬性U∈VDP映射為ΔI×ΔD的子集，記作UI。

對定義2中由構(gòu)造算子構(gòu)成的概念，解釋函數(shù)賦于其定義的解釋為

2.4 設(shè)計服務(wù)任務(wù)的語義元數(shù)據(jù)定義

2.4.1 時間特征屬性定義

令術(shù)語DTask表示設(shè)計任務(wù)，hasTime為時間特征屬性，則任務(wù)的開始時間特征屬性定義如下：

任務(wù)的結(jié)束時間特征屬性定義如下：

任務(wù)的工期特征屬性定義如下：

2.4.2 技術(shù)特征屬性定義

將設(shè)計服務(wù)任務(wù)的技術(shù)特征屬性分為功能參數(shù)、性能參數(shù)、幾何結(jié)構(gòu)、裝配尺寸、材料及公差等參數(shù)特征。

令hasTechParameter為技術(shù)特征屬性，則功能特征屬性hasFunction定義如下：

其中，F(xiàn)unction表示產(chǎn)品功能概念。

性能特征屬性hasPerformance定義如下：

其中，Performance表示產(chǎn)品性能。

2.4.3 關(guān)聯(lián)特征屬性定義

令HSTask、SCTask、MSTask分別表示主機(jī)廠、零部件供應(yīng)商及模具供應(yīng)的設(shè)計任務(wù)。

令hasSingleConn表示任務(wù)之間的單連關(guān)系，則

令hasMultiConn表示任務(wù)之間的多連關(guān)系，則

2.4.4 資源特征屬性定義

設(shè)計資源是指設(shè)計人員、供應(yīng)商及經(jīng)過勞動創(chuàng)造的各種模型和信息（如產(chǎn)品三維模型、零部件二維圖紙、測試報告、評審報告、評價報告及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計規(guī)范等）。令hasResource表示任務(wù)的資源特征屬性，DResource表示設(shè)計資源，則

2.4.5 協(xié)同特征屬性定義

任務(wù)的協(xié)同特征屬性表現(xiàn)為任務(wù)之間的串行關(guān)系、并行關(guān)系及任務(wù)的緊前和緊后關(guān)系。

令 hasSerialTask、hasParallelTask、hasP-recedence和hasSuccessor分別表示串行任務(wù)、并行任務(wù)、緊前任務(wù)及緊后任務(wù)關(guān)系，則

2.4.6 任務(wù)的輸入輸出特征屬性定義

設(shè)計服務(wù)任務(wù)除了具有以上特征屬性外，還具有設(shè)計輸入和設(shè)計輸出特征屬性，令hasInput、hasOutput分別表示設(shè)計輸入和設(shè)計輸出，則

3 應(yīng)用實例

3.1 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)公共平臺及應(yīng)用過程

基于語義的設(shè)計服務(wù)任務(wù)管理模型在“網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)公共平臺”（以下簡稱“平臺”）上得到了成功應(yīng)用?！捌脚_”采用設(shè)計任務(wù)管理方式，對主機(jī)廠與供應(yīng)商之間的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)任務(wù)進(jìn)行管理。主機(jī)廠通過“平臺”制定項目計劃、分解設(shè)計任務(wù)、發(fā)布設(shè)計任務(wù)、對設(shè)計任務(wù)執(zhí)行進(jìn)行監(jiān)控和管理。供應(yīng)商通過“平臺”進(jìn)行任務(wù)協(xié)商、接收任務(wù)、提交設(shè)計結(jié)果?！捌脚_”的主要功能及導(dǎo)航界面如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)公共平臺導(dǎo)航界面

由于不同設(shè)計任務(wù)的設(shè)計對象不一樣，設(shè)計任務(wù)具有不同的設(shè)計參數(shù)，“平臺”能夠很好地描述設(shè)計任務(wù)的共同屬性，但卻很難描述設(shè)計任務(wù)動態(tài)變化的設(shè)計參數(shù)。同時，設(shè)計任務(wù)在分解及執(zhí)行過程中往往需要查詢和重用以往的知識和經(jīng)驗。因此，“平臺”的項目模塊采用基于語義的設(shè)計服務(wù)任務(wù)管理模式以解決上述問題。下面以某主機(jī)廠某款摩托車的前照燈設(shè)計服務(wù)為例進(jìn)行闡述。

3.1.1 設(shè)計服務(wù)任務(wù)定義

將摩托車前照燈設(shè)計任務(wù)分解為前照燈外觀創(chuàng)意設(shè)計任務(wù)和前照燈結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)。采用描述邏輯SHOIN（D）定義的設(shè)計服務(wù)任務(wù)如下：

令任務(wù)HeadlampAspect表示主機(jī)廠承擔(dān)的前照燈外觀設(shè)計任務(wù)，任務(wù)HeadlampStruc表示某供應(yīng)商承擔(dān)的前照燈結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)，其形式化描述如下：

若令a表示主機(jī)廠承擔(dān)的前照燈外觀設(shè)計任務(wù)，b表示供應(yīng)商承擔(dān)的前照燈結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)，則

定義任務(wù)之間的單聯(lián)任務(wù)及并行任務(wù)關(guān)系為：

3.1.2 設(shè)計服務(wù)任務(wù)描述

通過Protégé構(gòu)建設(shè)計服務(wù)任務(wù)本體，對設(shè)計服務(wù)任務(wù)進(jìn)行明確化、顯示化定義，設(shè)計服務(wù)本體的部分OWL DL描述如圖7所示。

圖7 基于OWL DL的設(shè)計服務(wù)任務(wù)本體

3.1.3 設(shè)計服務(wù)任務(wù)分解及語義標(biāo)注

基于語義的設(shè)計服務(wù)任務(wù)分解就是利用設(shè)計服務(wù)任務(wù)本體中已有的任務(wù)概念來構(gòu)建任務(wù)實例。本文通過OntoMat對“平臺”中的任務(wù)進(jìn)行語義標(biāo)注，擴(kuò)展設(shè)計任務(wù)屬性描述，將設(shè)計服務(wù)任務(wù)管理的知識和經(jīng)驗沉淀下來以便重用。設(shè)計服務(wù)任務(wù)分解的OWL描述如圖8所示。

圖8 基于OWL DL描述的任務(wù)分解

3.1.4 設(shè)計服務(wù)資源配置及語義查詢

設(shè)計服務(wù)資源配置是指將合適的設(shè)計資源分配給合適的設(shè)計任務(wù)，以最小的資源耗費設(shè)計出最合適的產(chǎn)品。設(shè)計服務(wù)資源配置涉及設(shè)計人員、供應(yīng)商及產(chǎn)品模型等的查詢與匹配。因此，“平臺”中將資源配置及查詢轉(zhuǎn)換為基于描述邏輯的推理。如為某設(shè)計任務(wù)T≡DTask∩?hasObject.P選擇合適供應(yīng)商的程序為：首先針對其任務(wù)選擇合適對象，然后將對象條件轉(zhuǎn)化為本體知識庫中已有的查詢實例a，使得a：S成立，S的定義為：

本文通過SPARQL對設(shè)計服務(wù)任務(wù)本體進(jìn)行查詢，查詢過程如圖9所示。

圖9 基于SPARQL的資源配置查詢

3.2 系統(tǒng)的實現(xiàn)原理

“平臺”采用EJB技術(shù)，以 Weblogic為中間件，使用Oracle數(shù)據(jù)庫，基于三層體系技術(shù)架構(gòu)實現(xiàn)。其中，基于語義的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)任務(wù)管理模塊采用Protégé構(gòu)建設(shè)計服務(wù)任務(wù)本體，通過OntoMat對設(shè)計任務(wù)進(jìn)行語義標(biāo)注，以Pellet 2.0為推理機(jī)，通過SPARQL查詢語言實現(xiàn)基于語義的查詢及推理，實現(xiàn)原理如圖10所示。

圖10 基于語義的設(shè)計服務(wù)任務(wù)管理實現(xiàn)原理

4 結(jié)束語

基于語義的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)任務(wù)管理模型，旨在建立新產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)模式、設(shè)計服務(wù)任務(wù)管理模型，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)公共平臺，并采用語義元數(shù)據(jù)對設(shè)計服務(wù)任務(wù)特征屬性及任務(wù)與任務(wù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行描述，將任務(wù)分解、任務(wù)分配及任務(wù)管理的知識和經(jīng)驗明確化、顯示化，從而提高已有設(shè)計服務(wù)知識和經(jīng)驗的利用效率，提高網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計服務(wù)任務(wù)的管理水平。

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