施 昭，曾 鵬，于海斌

(1.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016 2.中國科學(xué)院大學(xué) 計算機與控制學(xué)院，北京 100049)

0 引言

在工業(yè)制造領(lǐng)域中，信息的普及和計算機的廣泛應(yīng)用帶來了一場技術(shù)革新，生產(chǎn)制造方式已由單一品種大批量的剛性生產(chǎn)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蜻m應(yīng)外部環(huán)境變化和內(nèi)部生產(chǎn)變化的柔性生產(chǎn)模式。生產(chǎn)商不僅要擁有批量生產(chǎn)、低價格、高質(zhì)量產(chǎn)品的能力，還要擁有基于顧客個性化偏好的定制化生產(chǎn)能力[1]。為滿足這種需求，柔性制造系統(tǒng)需要具有更強的靈活性和適應(yīng)性，在沒有人類干預(yù)的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)自動快速的重配[2]。

當(dāng)前，很多大型制造生產(chǎn)線都是由可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)直接控制[3]，控制邏輯的設(shè)計是基于產(chǎn)品的制造工藝流程在PLC中編寫實現(xiàn)的。當(dāng)產(chǎn)品進行更新?lián)Q代或生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生故障時，生產(chǎn)制造系統(tǒng)需要在停產(chǎn)狀態(tài)下，對底層的設(shè)備進行重新配置和編程，在系統(tǒng)調(diào)整過程中會付出很大代價。

面向服務(wù)的方法[4]為柔性制造提供了一種可行的技術(shù)支持。Web服務(wù)[5]可以對生產(chǎn)線的硬件設(shè)備進行服務(wù)化的抽象和封裝，使得控制邏輯和控制行為的配置和管理獨立于地址空間。本體[6]作為一種近年來出現(xiàn)的知識建模和表達方法，可以在Web服務(wù)的基礎(chǔ)上，以類似于鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方式，通過工序之間的鏈接關(guān)系對制造工藝及設(shè)備布局進行表達，并通過決策優(yōu)化求解的方式對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進行在線調(diào)整。當(dāng)制造工藝或設(shè)備布局發(fā)生變化時，只需要更改工序或設(shè)備之間的局部鏈接關(guān)系，即可完成制造工藝或設(shè)備布局的重新設(shè)計，從而有效提高了控制邏輯在配置上的靈活性，降低了系統(tǒng)重新編程的代價[7]。

因此，本文提出一種基于本體的制造知識建模方法，通過本體模型對產(chǎn)品制造工藝、設(shè)備次序關(guān)系和數(shù)據(jù)屬性特征等內(nèi)容的描述，以類似于鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中鏈接關(guān)系的表達方式，提高有序結(jié)構(gòu)特征和數(shù)據(jù)屬性特征在表達上的靈活性和擴展性，并基于此分別構(gòu)建了工藝特征本體和數(shù)據(jù)屬性本體，實現(xiàn)了基于本體模型的服務(wù)匹配編排方法和情景響應(yīng)處理方法。最后，以汽車模型裝配生產(chǎn)線為實驗?zāi)M系統(tǒng)，對文中所提本體模型和方法進行了實現(xiàn)和驗證。

1 相關(guān)工作研究

在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域中，一些研究者借鑒成熟的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用面向服務(wù)的方法為資源的交互提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的通信方式，有效提高了控制邏輯設(shè)計的靈活性和適應(yīng)性，降低了生產(chǎn)制造系統(tǒng)重配的代價。

Tong等[8]提出一種基于服務(wù)智能體模型的分布式服務(wù)編排算法——面向Web服務(wù)組合的分布式規(guī)劃算法(Distributed Planning Algorithm for Web Service Composition， DPAWSC)，以低通信的代價實現(xiàn)高質(zhì)量的服務(wù)編排；芬蘭坦佩雷理工大學(xué)Puttonen等[9]提出一種使用語義Web服務(wù)管理生產(chǎn)進程的方法，通過Web服務(wù)的模塊化封裝，提高設(shè)備的可重用性和控制邏輯設(shè)計與實現(xiàn)的靈活性，并通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)本體語言(Web Ontology Language for Services, OWL-S)對Web服務(wù)性能、特征等信息的描述，提高異構(gòu)Web服務(wù)之間的交互能力，實現(xiàn)了基于預(yù)設(shè)業(yè)務(wù)過程執(zhí)行語言(Business Process Execution Language，BPEL)流程的服務(wù)自動查找、匹配和編排；新西蘭奧克蘭大學(xué)Alsafi等[1]提出一種模塊化制造系統(tǒng)快速重配方法，通過在智能體中以本體知識的方式表達制造環(huán)境來提高制造系統(tǒng)面對生產(chǎn)需求和環(huán)境變化的適應(yīng)性；葡萄牙布拉干薩理工大學(xué)Leit?o[10]提出一種使用多智能體系統(tǒng)控制和管理生產(chǎn)進程的方法，該方法通過智能體之間相互協(xié)調(diào)和合作自動完成設(shè)備的重新配置，進而提高制造系統(tǒng)的靈活性。

以上研究方法借鑒了互聯(lián)網(wǎng)的思想和成熟的技術(shù)，解決了分布式控制模式中工業(yè)管理系統(tǒng)層次間網(wǎng)絡(luò)通信的緊耦合問題，提高了資源及控制邏輯關(guān)系在設(shè)計和編排方面的靈活性。然而，這些研究都是以BPEL流程對制造工藝進行描述，這種整體流程的描述方式結(jié)構(gòu)性比較強，靈活性和擴展性有限，當(dāng)產(chǎn)品的制造工藝或產(chǎn)線的設(shè)備結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，整個BPEL流程都需要進行重新設(shè)計和編譯，系統(tǒng)調(diào)整的代價非常大。

2 面向制造知識的本體建模方法

為了讓生產(chǎn)制造的有序化結(jié)構(gòu)特征在表達上具有更好的靈活性和擴展性，能夠基于產(chǎn)品特征靈活地對制造工藝流程進行自動匹配和編排，以批量化的生產(chǎn)能力完成個性化產(chǎn)品的定制化生產(chǎn)，同時促進生產(chǎn)制造系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)的理解和分析，能夠基于情景對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進行動態(tài)響應(yīng)和調(diào)整，本文提出一種面向制造知識的生產(chǎn)線本體模型架構(gòu)，使用本體建模的方法分別描述產(chǎn)品制造工藝、設(shè)備次序關(guān)系和數(shù)據(jù)屬性特征等內(nèi)容，如圖1所示。

在本體模型架構(gòu)中，本文主要集中對兩方面的生產(chǎn)制造知識內(nèi)容進行表達：①面向生產(chǎn)工藝規(guī)劃階段，對產(chǎn)品、設(shè)備、服務(wù)及有序化結(jié)構(gòu)特征(包括制造工藝流程和生產(chǎn)設(shè)備布局兩方面內(nèi)容)等內(nèi)容進行表達，并相應(yīng)地構(gòu)建了具有制造工藝特征的本體模型；②面向生產(chǎn)運行階段，對實時數(shù)據(jù)屬性內(nèi)容的表達包括物理含義、采集方式(傳感器信息)、反映對象(產(chǎn)品/設(shè)備信息)、位置信息等內(nèi)容，并相應(yīng)地構(gòu)建了面向情景響應(yīng)的數(shù)據(jù)屬性本體模型。

在系統(tǒng)維護階段(圖1中的維護時)，當(dāng)制造工藝或設(shè)備布局等有序結(jié)構(gòu)特征需要變化(如增加新工藝、增刪設(shè)備)時，通過在工藝特征本體模型中新建相應(yīng)的概念，增刪相關(guān)的本體實例，并改動實例之間的鏈接關(guān)系，然后更新本體模型，即可完成制造工藝或設(shè)備布局的重新設(shè)計。當(dāng)出現(xiàn)一些新情景時，通過在數(shù)據(jù)屬性本體模型中增加新因素的歸類和描述，并對實例進行相應(yīng)的改動，即可提高本體模型對生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性，而不需要對整個系統(tǒng)程序進行重新設(shè)計。這種方式有效提高了資源、控制邏輯關(guān)系、數(shù)據(jù)含義及領(lǐng)域知識在表達方式上的靈活性，降低了系統(tǒng)重配的代價。

2.1 具有制造工藝特征的本體模型

在生產(chǎn)制造中，產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是按照一定的工藝順序完成的，表現(xiàn)出一種結(jié)構(gòu)有序的特征，通過對多個工序進行編排，實現(xiàn)工藝的規(guī)劃和設(shè)計。當(dāng)前像BPEL流程這種對制造工藝的描述，是一種整體流程的描述方法，類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)組。這種方法連續(xù)型比較強，靈活性和擴展性有限，當(dāng)需要增加新工藝或增刪設(shè)備時，整個流程都需要進行重新設(shè)計和編排，效率非常低。相比來看，鏈表是一種非連續(xù)、非順序的存儲結(jié)構(gòu)，當(dāng)元素需要變動時，只需更改元素之間的鏈接關(guān)系，即可完成元素的添加或刪除。

因此，為了提高結(jié)構(gòu)有序特征在表達上的靈活性和擴展性，在需要增加新工藝或增刪設(shè)備時能夠快速地重新設(shè)計，本文構(gòu)建了具有制造工藝特征的本體模型，以本體實例之間的鏈接關(guān)系來表達制造工藝知識和生產(chǎn)設(shè)備布局。

不失一般性，本文簡化了實驗系統(tǒng)的復(fù)雜性，在構(gòu)建工藝特征本體時，僅考慮與生產(chǎn)制造過程直接相關(guān)的一些元素，以這些元素為例，在工藝特征本體中設(shè)定的概念和屬性關(guān)系如圖2所示。

工藝特征本體由一個六元組形式化描述為PFO=(Entity, Action, Attribute, Relation, Part, Correlation)，其中：

PFO表示工藝特征本體。

Entity為實體概念集，表示生產(chǎn)制造領(lǐng)域客觀實體的集合，Entity={Device, Service, Product}，Device為生產(chǎn)設(shè)備類，表示客觀存在的物理生產(chǎn)設(shè)備，包括加工工作站和傳送帶兩個子類；Service為服務(wù)類，表示對生產(chǎn)設(shè)備抽象和封裝所對應(yīng)的Web服務(wù)；Product為產(chǎn)品類，表示可以生產(chǎn)制造的產(chǎn)品對象。

Action為行為概念集，表示生產(chǎn)制造過程中操作行為的集合，只包含操作概念一種類型。操作類表示生產(chǎn)設(shè)備具體的操作行為類型，以存在于Web服務(wù)中的操作方式實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的控制。

Attribute為屬性概念集，表示客觀實體具有的一些屬性特征，包括制造工藝、產(chǎn)品特征、設(shè)備的生產(chǎn)商等概念，其中：制造工藝類表示生產(chǎn)設(shè)備具有的工藝類型，包括傳送、裝配、螺紋連接、打磨、檢測等子類；產(chǎn)品特征類表示生產(chǎn)對象的特征信息，包括車型、型號和顏色3個子類；設(shè)備生產(chǎn)商類表示設(shè)備的出廠屬性信息。

Relation為概念之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系集，表示除了層次結(jié)構(gòu)關(guān)系和自相關(guān)關(guān)系以外的其他所有屬性關(guān)系，形式化表示為C1，C2，r，其中：C1，C2?Entity∪Action∪Attribute，r表示概念之間的屬性關(guān)系。

Part為概念之間的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系集，表示父類和子類之間的關(guān)系，在工藝特征本體中用is_a關(guān)系表示。

Correlation為概念的自相關(guān)關(guān)系集，包括傳送帶類的自相關(guān)關(guān)系和操作類的自相關(guān)關(guān)系兩種類型，形式化表示為Correlation={CorreDe,CorreOp}，其中：CorreDe表示設(shè)備類的自相關(guān)關(guān)系，形式化表示為Device1，Device2，cd，Device1，Device2?Device，cd表示傳送帶類之間has_prior_conveyor和has_next_conveyor兩種自相關(guān)關(guān)系;CorreOp表示操作類的自相關(guān)關(guān)系，形式化表示為Operation1，Operation2，co，Operation1，Operation2?Operation，co表示操作之間的自相關(guān)關(guān)系has_prior_operation和has_next_operation。

2.2 面向情景響應(yīng)的數(shù)據(jù)屬性本體模型

在生產(chǎn)制造運行過程中，面向情景的響應(yīng)和處理，是在不停產(chǎn)的情況下，基于生產(chǎn)線上設(shè)備的狀態(tài)及其變化，對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進行自動響應(yīng)和調(diào)整，以保證生產(chǎn)過程的順利進行，情景響應(yīng)和處理的依據(jù)是對感知數(shù)據(jù)的理解和分析。數(shù)據(jù)屬性，即描述數(shù)據(jù)特征的數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)分析和處理的關(guān)鍵。目前，很多系統(tǒng)架構(gòu)對數(shù)據(jù)屬性的描述，都是基于具體應(yīng)用而定制化設(shè)計的，由此帶來兩方面的局限性：①異構(gòu)性的問題[11-13]，不但影響了跨域數(shù)據(jù)之間的相互理解，而且增加了跨域間數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用開發(fā)的難度，很難實現(xiàn)資源間的交互協(xié)同和數(shù)據(jù)的共享融合；②數(shù)據(jù)智能性的問題，數(shù)據(jù)的物理意義和應(yīng)用范圍有限，很難實現(xiàn)共享和重用。

為了解決數(shù)據(jù)屬性描述異構(gòu)的問題，同時進一步提高數(shù)據(jù)的智能性，本文構(gòu)建了一種數(shù)據(jù)屬性本體，使得數(shù)據(jù)屬性獨立于具體應(yīng)用而存在，以提高數(shù)據(jù)的可重用性和智能性。數(shù)據(jù)屬性本體中設(shè)定的概念和屬性關(guān)系如圖3所示。

數(shù)據(jù)屬性本體由一個五元組形式化描述為DAO=(Data, Context, DataAttribute, ConRelation, AttRelation)，其中：

DAO表示數(shù)據(jù)屬性本體。

Data為數(shù)據(jù)概念集，表示生產(chǎn)制造過程中所有生成的數(shù)據(jù)集合，包括設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)、庫存數(shù)據(jù)等。

Context為數(shù)據(jù)的上下文特征概念集，表示生產(chǎn)數(shù)據(jù)的上下文特征信息，形式化表示為Context={Meaning, Sensor, Device, Location, Product, Time},其中：Meaning為物理意義類，表示數(shù)據(jù)的物理含義；Sensor為傳感器類，表示數(shù)據(jù)被采集的方式和載體；Device為生產(chǎn)設(shè)備類，表示數(shù)據(jù)反映的采集對象；Location為位置類，表示數(shù)據(jù)的空間屬性信息；Product為產(chǎn)品類，表示數(shù)據(jù)的服務(wù)對象信息；Time為時間類，表示數(shù)據(jù)的時間屬性信息。

DataAttribute為數(shù)據(jù)的屬性特征概念集，表示生產(chǎn)數(shù)據(jù)本身的一些屬性和參數(shù)信息，包括采集頻率、數(shù)據(jù)格式、物理單位等方面的內(nèi)容。

ConRelation為數(shù)據(jù)的上下文關(guān)系集，表示數(shù)據(jù)的上下文屬性關(guān)系，形式化表示為Cd，Cc，Rdc，Cd?Data，Cc?Context，Rdc表示數(shù)據(jù)的上下文關(guān)系，Rdc={who, where, what, when, do what, how},其中：who表示與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品信息屬性，關(guān)聯(lián)的是概念集Context中的產(chǎn)品類；where表示數(shù)據(jù)的空間屬性，關(guān)聯(lián)的是概念集Context中的位置類；what表示數(shù)據(jù)的物理意義屬性，關(guān)聯(lián)的是概念集Context中的物理意義類；when表示數(shù)據(jù)的時間屬性，關(guān)聯(lián)的是概念集Context中的時間類；do what表示數(shù)據(jù)的采集對象屬性，關(guān)聯(lián)的是概念集Context中的生產(chǎn)設(shè)備類；how表示數(shù)據(jù)的采集方式和載體屬性，關(guān)聯(lián)的是概念集Context中的傳感器類。

AttRelation為數(shù)據(jù)屬性的關(guān)系集，表示數(shù)據(jù)的特征屬性信息，形式化表示為Cd，Ca，Rda，其中：Cd?Data，Ca?DataAttribute，Rda表示數(shù)據(jù)的特征屬性信息關(guān)系。

3 基于本體模型的服務(wù)匹配和編排方法

服務(wù)匹配和編排是在制造工藝規(guī)劃階段為了實現(xiàn)某個生產(chǎn)目的，將多個工序服務(wù)編排成一個序列，以指導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。本文設(shè)計的基于制造工藝特征本體的服務(wù)匹配和編排方法，是為了以批量化的生產(chǎn)能力實現(xiàn)個性化產(chǎn)品的定制化生產(chǎn)。對于不同的產(chǎn)品，該方法可以基于選定的產(chǎn)品或所設(shè)產(chǎn)品的特征，編排出不同的制造工藝流程和生產(chǎn)路徑，為后續(xù)多品種產(chǎn)品的混流生產(chǎn)提供支撐。這樣的方式，具有了更強的靈活性。

在服務(wù)匹配和編排方法的設(shè)計和實現(xiàn)過程中，本文借鑒遞歸算法的思想和原理，采用深度優(yōu)先的搜索方式，以決策優(yōu)化求解的過程，實現(xiàn)基于產(chǎn)品特征的服務(wù)匹配和編排。服務(wù)匹配和編排算法的實現(xiàn)如圖4所示。

將高氨氮滲瀝液原水完全汽化后的冷凝液作為本實驗的原水，塔底燒瓶保留約1/3體積水樣，開始加熱后，塔頂冷凝器開啟全回流，待精餾過程穩(wěn)定后開始緩慢進料，首次實驗控制回流比為4∶1，采出的氨水進行收集。記錄實驗過程中塔底燒瓶料液溫度和塔頂冷凝溫度，記錄各段運行狀況。實驗結(jié)束前需確保塔底殘液氨氮含量≤300 mg/L，塔頂液氨濃度≥10%。實驗結(jié)束后，分別對原水、塔底殘液、采出液氨和吸收液進行水質(zhì)分析。以上述試驗為模板，考察不同回流比對精餾的影響。

首先，軟件系統(tǒng)從工藝特征本體中獲取產(chǎn)品及產(chǎn)品特征信息展現(xiàn)給用戶，以進行產(chǎn)品的選擇和產(chǎn)品特征的設(shè)定。然后，軟件系統(tǒng)從工藝特征本體中獲取起始服務(wù)和起始操作，分別加載入服務(wù)序列和操作序列中，并分別設(shè)定為當(dāng)前服務(wù)和當(dāng)前操作。其中：起始服務(wù)表示產(chǎn)品生產(chǎn)過程的起始位置，由具體生產(chǎn)線上生產(chǎn)設(shè)備的剛性連接關(guān)系預(yù)先設(shè)定；起始操作表示產(chǎn)品制造工藝的起始工序操作，由產(chǎn)品的制造工藝流程預(yù)先設(shè)定。

進一步，軟件系統(tǒng)基于工藝特征本體中的服務(wù)和操作有序關(guān)系，搜索下一服務(wù)和下一操作，選定符合產(chǎn)品特征信息的下一操作，并對下一服務(wù)的個數(shù)進行分析和判斷。其中，服務(wù)的有序關(guān)系是根據(jù)具體生產(chǎn)線中設(shè)備的剛性連接關(guān)系在工藝特征本體模型中預(yù)先設(shè)定，操作的有序關(guān)系是基于產(chǎn)品的制造工藝流程在工藝特征本體模型中預(yù)先設(shè)定。

如果下一服務(wù)只有一個服務(wù)，說明實際物理系統(tǒng)在此處只存在一條可移動的路徑，則將下一服務(wù)替換為當(dāng)前服務(wù)，并在服務(wù)序列中插入該服務(wù)，然后根據(jù)服務(wù)的有序關(guān)系，繼續(xù)重復(fù)上述服務(wù)搜索和判斷過程。在將下一服務(wù)替換為當(dāng)前服務(wù)之后，還需要對當(dāng)前服務(wù)是否存在工序操作進行判斷。如果存在工序操作，則需要對存在的工序操作逐個進行搜索，然后與之前選定的下一操作進行比較，判斷是否存在匹配的工序操作。如果存在，則將匹配的工序操作插入操作序列中，根據(jù)產(chǎn)品特征信息搜索并設(shè)定下一操作；如果當(dāng)前服務(wù)不存在工序操作或不存在與下一操作匹配的工序操作，則什么也不做。

如果下一服務(wù)包含多個服務(wù)，說明實際物理系統(tǒng)在此處存在多條分支路徑，則繼續(xù)判斷這些服務(wù)中是否存在終點服務(wù)，即生產(chǎn)線上成品的下線位置，該服務(wù)也是根據(jù)具體生產(chǎn)線中設(shè)備的剛性連接關(guān)系在工藝特征本體模型中預(yù)先設(shè)定。多分支路徑的類型分為兩種：①終點位置前的分支，分支的目的是為了判斷產(chǎn)品的工藝流程是否執(zhí)行完畢，對執(zhí)行完和沒執(zhí)行完的產(chǎn)品進行分流處理；②生產(chǎn)過程中的分支，通過分支路徑降低產(chǎn)品生產(chǎn)堵塞的概率。

如果分支路徑類型屬于前者，則對產(chǎn)品的操作序列進行分析，判斷操作序列是否設(shè)定完畢。如果設(shè)定完畢，則在服務(wù)序列中加入終點服務(wù)，并進行保存，等待其他服務(wù)序列都生成完畢以后，再以可視化的方式將服務(wù)序列結(jié)果展現(xiàn)給用戶；否則服務(wù)序列加入非終點服務(wù)，繼續(xù)服務(wù)和操作的分析和判斷。

如果分支路徑類型屬于后者，則通過循環(huán)將這些服務(wù)逐個替換為當(dāng)前服務(wù)，分別插入服務(wù)序列中，形成多個并行的服務(wù)序列，然后對每個服務(wù)序列分別重復(fù)上述的服務(wù)搜索和判斷的過程，直到每個服務(wù)序列設(shè)定完畢為止。

4 基于本體模型的情景響應(yīng)處理方法

基于本體模型的情景響應(yīng)處理方法，是在生產(chǎn)制造運行階段對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進行監(jiān)控和管理，當(dāng)出現(xiàn)生產(chǎn)計劃或設(shè)備異常等變化時，生產(chǎn)制造系統(tǒng)在不停產(chǎn)的情況下，以生產(chǎn)線上設(shè)備狀態(tài)及變化為依據(jù)，對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進行自動響應(yīng)和調(diào)整。其中，產(chǎn)品的生產(chǎn)路徑不是按照預(yù)先設(shè)定好的路徑，而是在可選擇的所有路徑中，根據(jù)當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)和變化，由生產(chǎn)制造系統(tǒng)自主決定和選擇。

在情景響應(yīng)處理方法的實現(xiàn)過程中，本文使用多線程技術(shù)實現(xiàn)多產(chǎn)品的并行生產(chǎn)，使用線程同步技術(shù)解決服務(wù)調(diào)用沖突和服務(wù)狀態(tài)同步更新沖突等問題。情景響應(yīng)和處理算法的實現(xiàn)如圖5所示。

首先，軟件系統(tǒng)從生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)庫中獲取需要生產(chǎn)的產(chǎn)品訂單信息，展現(xiàn)給用戶進行訂單選取。然后，軟件系統(tǒng)對服務(wù)進行初始化，檢測服務(wù)庫中每個硬件設(shè)備的服務(wù)狀態(tài)，并判斷當(dāng)前產(chǎn)線是否能夠正常生產(chǎn)。如果存在異常情況，則進行自動處理，再重復(fù)初始化的檢測過程。

在不存在異常情況的條件下，軟件系統(tǒng)通過多線程技術(shù)和線程同步技術(shù)，為待生產(chǎn)的每一個產(chǎn)品開啟一個線程，進行多產(chǎn)品的并行生產(chǎn)。在生產(chǎn)過程中，對于每一個要生產(chǎn)的產(chǎn)品，軟件系統(tǒng)首先檢測起始服務(wù)的狀態(tài)，如果為busy則一直等待；如果為idle，則從產(chǎn)品訂單信息中獲取相應(yīng)的服務(wù)序列和操作序列，觸發(fā)起始服務(wù)操作，并對生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)庫中的服務(wù)狀態(tài)進行同步更新。

在產(chǎn)品開始生產(chǎn)以后，產(chǎn)品沿著服務(wù)序列不斷移動，并對相應(yīng)的服務(wù)狀態(tài)進行更新。對于產(chǎn)品的每一次移動，軟件系統(tǒng)都需要檢測產(chǎn)品所在的服務(wù)是否存在工序操作及是否與要執(zhí)行的操作匹配，如果存在工序操作且匹配，則觸發(fā)相應(yīng)設(shè)備的服務(wù)行為，并等待工序操作執(zhí)行完成的事件通知。如果不存在工序操作或操作不匹配，軟件系統(tǒng)則沿著服務(wù)序列檢測下一個服務(wù)的狀態(tài)，如果為idle，則判斷下一個服務(wù)是否為終點服務(wù)，具體過程將在下面描述；如果為busy，則對產(chǎn)品所有的服務(wù)序列進行檢測，判斷是否存在其他可以移動的服務(wù)序列，如果存在下一個服務(wù)狀態(tài)為idle的服務(wù)序列，則自動調(diào)整服務(wù)序列，然后沿著新的服務(wù)序列移動。如果不存在其他可移動的服務(wù)序列，則等待，直到服務(wù)狀態(tài)變?yōu)閕dle時繼續(xù)重復(fù)上述過程。

在產(chǎn)品移動和生產(chǎn)的過程中，當(dāng)下一個服務(wù)的狀態(tài)為idle時，需要判斷下一服務(wù)是否是終點服務(wù)，如果不是終點服務(wù)，則重復(fù)上述過程；否則需要判斷產(chǎn)品的所有操作是否執(zhí)行完畢，如果執(zhí)行完畢，則說明產(chǎn)品已經(jīng)生產(chǎn)完成，然后將產(chǎn)品移動到終點服務(wù)位置，等待向產(chǎn)品庫中進行轉(zhuǎn)移。如果工序操作沒有執(zhí)行完畢，則自動調(diào)整服務(wù)序列，繼續(xù)執(zhí)行。

在產(chǎn)品并行生產(chǎn)過程中，當(dāng)出現(xiàn)生產(chǎn)計劃變化或其他異常情況(移動堵塞或設(shè)備故障)時，軟件系統(tǒng)會從設(shè)備服務(wù)中接收事件通知，然后基于生產(chǎn)過程的有序特征和服務(wù)狀態(tài)信息進行分析和判斷，自動對變化進行智能化響應(yīng)和調(diào)整，以保證產(chǎn)品生產(chǎn)的順利進行。

5 支持本體知識的軟件平臺設(shè)計與實現(xiàn)

5.1 物理實驗?zāi)M平臺

在實際應(yīng)用場景中，本文選擇汽車模型裝配生產(chǎn)線(如圖6)作為實驗對象，實現(xiàn)并驗證本文所提本體模型和方法的有效性和應(yīng)用價值。本文設(shè)計了兩個實驗場景：①在制造工藝規(guī)劃階段，基于工藝特征本體，實現(xiàn)面向個性化產(chǎn)品的服務(wù)發(fā)現(xiàn)、匹配和編排，自動生成符合產(chǎn)品特征的制造工藝流程和生產(chǎn)路徑；②在產(chǎn)品生產(chǎn)運行階段，當(dāng)生產(chǎn)線出現(xiàn)堵塞或生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)故障時，生產(chǎn)制造系統(tǒng)能夠基于本體模型，以生產(chǎn)線上的設(shè)備狀態(tài)為依據(jù)，在不停產(chǎn)的情況下自主地對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進行自動快速的調(diào)整，保證生產(chǎn)過程順利進行。

汽車模型裝配生產(chǎn)線主要由傳送帶設(shè)備和加工工作站設(shè)備兩種類型的機器設(shè)備構(gòu)成。傳送帶設(shè)備負責(zé)產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的移動操作，加工工作站設(shè)備負責(zé)產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的裝配加工操作。

在裝配生產(chǎn)過程中，本文面向多品種產(chǎn)品的并行生產(chǎn)為不同產(chǎn)品提供定制化的制造工藝流程，以批量生產(chǎn)的能力完成個性化產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。本文一共設(shè)定了12種可生產(chǎn)的產(chǎn)品，包括3種車型，每種車型設(shè)定3種型號，而某些型號可包含2種顏色。為了避免真實生產(chǎn)過程中涉及的一些與實驗?zāi)康臒o關(guān)內(nèi)容帶來的復(fù)雜性，本文對制造工藝流程進行了簡化，只包括底盤裝配、底盤校準(zhǔn)、車殼裝配、車殼校準(zhǔn)、擋風(fēng)玻璃裝配、車門玻璃裝配、擋風(fēng)玻璃打磨、車門玻璃打磨、車頂行李架裝配等工序操作，并以上述工序操作的順序作為制造工藝流程完成產(chǎn)品的生產(chǎn)。

5.2 面向自動化生產(chǎn)線的系統(tǒng)框架

在明確實驗場景和功能需求后，本文構(gòu)建了一種基于制造工藝特征的自動化生產(chǎn)線本體管理及服務(wù)編排系統(tǒng)框架，作為軟件模擬系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)框架的構(gòu)成及功能模塊間的交互如圖7所示。

(1)本體管理模塊 為其他模塊提供所需要的制造信息和知識。在服務(wù)匹配和編排過程中，該模塊為服務(wù)編排模塊提供所需要的產(chǎn)品、設(shè)備、服務(wù)及生產(chǎn)制造有序化特征等信息，為個性化產(chǎn)品的生產(chǎn)路徑和制造工藝的編排提供依據(jù)。在情景響應(yīng)處理過程中，該模塊為服務(wù)執(zhí)行模塊提供所需要的生產(chǎn)制造信息，為多產(chǎn)品的并行生產(chǎn)和生產(chǎn)過程的自動調(diào)整提供依據(jù)。

(2)服務(wù)編排模塊 在制造工藝規(guī)劃階段，該模塊基于產(chǎn)品特征、制造工藝知識及有序結(jié)構(gòu)特征等信息，編排出符合個性化產(chǎn)品特征的生產(chǎn)路徑和制造工藝流程，并以訂單的形式通過數(shù)據(jù)管理模塊保存在生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)庫中。

(3)數(shù)據(jù)管理模塊 為其他模塊提供所需要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和訂單信息。在服務(wù)編排以后，該模塊將產(chǎn)品的生產(chǎn)信息以訂單的形式保存在生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)庫中;在生產(chǎn)運行前，該模塊為服務(wù)執(zhí)行模塊提供產(chǎn)品的訂單信息，供用戶自主選擇;在情景響應(yīng)處理的過程中，該模塊與服務(wù)管理模塊進行周期性交互，對服務(wù)狀態(tài)進行一致性檢測。

(4)服務(wù)執(zhí)行模塊 用于對產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程進行監(jiān)控和管理。在生產(chǎn)運行前，該模塊通過數(shù)據(jù)管理模塊獲取產(chǎn)品訂單信息，并展現(xiàn)給用戶進行選擇。然后，該模塊通過服務(wù)管理模塊對設(shè)備服務(wù)進行初始化操作，在不存在異常的情況下，通過多線程技術(shù)進行多產(chǎn)品并行生產(chǎn)。在情景響應(yīng)處理過程中，該模塊通過數(shù)據(jù)分析和處理，自動生成相應(yīng)的服務(wù)操作行為，并通過服務(wù)管理模塊執(zhí)行相應(yīng)的設(shè)備操作。當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)堵塞或設(shè)備出現(xiàn)故障時，該模塊以生產(chǎn)線上的設(shè)備狀態(tài)和變化為依據(jù)，基于工藝特征本體中獲取的制造工藝信息和設(shè)備布局信息，對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進行動態(tài)響應(yīng)和調(diào)整。

(5)服務(wù)管理模塊 用于對服務(wù)庫中的服務(wù)進行調(diào)用、操作、維護和管理。在生產(chǎn)運行前，該模塊對生產(chǎn)線設(shè)備的狀態(tài)進行檢測，判斷是否可以正常生產(chǎn)。在情景響應(yīng)處理過程中，該模塊控制設(shè)備進行相應(yīng)的工序操作，并通過不斷獲取的服務(wù)狀態(tài)信息對生產(chǎn)設(shè)備進行實時監(jiān)控。

(6)數(shù)據(jù)處理模塊 用于對語義化的實時感知數(shù)據(jù)和異常狀況進行分析，并發(fā)送給服務(wù)執(zhí)行模塊進行處理。

(7)語義標(biāo)注模塊 在情景響應(yīng)處理的過程中，語義標(biāo)注模塊對產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)進行語義化標(biāo)注，基于特定的應(yīng)用賦予數(shù)據(jù)相應(yīng)的語義含義，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

5.3 系統(tǒng)運行及方法驗證

在汽車模型裝配生產(chǎn)線的軟件實驗?zāi)M平臺中，服務(wù)匹配和編排的軟件界面如圖8所示。針對產(chǎn)品的個性化特征，軟件系統(tǒng)會基于工藝特征本體模型中實例之間的鏈接關(guān)系，編排出符合個性化產(chǎn)品的生產(chǎn)路徑和工藝流程，為后續(xù)個性化產(chǎn)品的生產(chǎn)過程提供依據(jù)。本文在服務(wù)匹配和編排的過程中設(shè)定并保存了9種類型的產(chǎn)品，作為后續(xù)生產(chǎn)運行的產(chǎn)品對象。

與面向單一品種產(chǎn)品的傳統(tǒng)制造工藝相比，本文提出的服務(wù)匹配和編排方法是面向多樣化的個性產(chǎn)品，制造工藝流程和產(chǎn)品生產(chǎn)路徑根據(jù)產(chǎn)品或產(chǎn)品特征的設(shè)定，基于工藝特征本體自動生成。當(dāng)增加新工藝或增刪設(shè)備時，傳統(tǒng)方式需要在企業(yè)資源管理系統(tǒng)中從制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Executive System，MES)層到設(shè)備層都進行相應(yīng)更改，同時在PLC編程環(huán)境中對設(shè)備控制信號進行重新連接和配置，系統(tǒng)在調(diào)整過程中會付出很大代價。而基于本體模型的方法，只需要增刪相關(guān)的本體實例，并改動本體實例之間的鏈接關(guān)系，然后對本體進行更新，即可完成制造工藝或設(shè)備布局的重新設(shè)計。圖9所示為一個設(shè)備布局有序化結(jié)構(gòu)鏈接關(guān)系改動的具體示例。當(dāng)因為生產(chǎn)過程變化或傳送帶_05出現(xiàn)故障而需要添加一個新設(shè)備，以此增加一條從傳送帶_04到傳送帶_07的新路徑時，原有的工藝特征本體不用進行任何改變，只需要在“傳送帶”概念下相應(yīng)地增加一條新的實例傳送帶_aa，并設(shè)定傳送帶_aa與傳送帶_04和傳送帶_07之間的鏈接關(guān)系(如圖9中虛線箭頭)，即可完成設(shè)備布局的重新設(shè)計。這種方式可以有效降低系統(tǒng)重新配置的代價。

在生產(chǎn)運行過程中，首先選定1個訂單進行生產(chǎn)，訂單的默認生產(chǎn)路徑是“起點-1-2-3-4-5-6-9-12-11-10-13-14-15-16-17-18-19-終點”，在每個工作站位置根據(jù)產(chǎn)品特征完成相應(yīng)的工序操作;然后，又分別選定3個訂單和9個訂單進行生產(chǎn)。

在3個訂單的生產(chǎn)情景中選定order3,order6,order8 3個訂單，按照這3個訂單的順序進行生產(chǎn)。在生產(chǎn)過程中，當(dāng)order3移動到傳送帶9的位置時，由于執(zhí)行工序操作的時間較長，造成后面訂單堵塞，此時系統(tǒng)自動對order8的服務(wù)序列(即生產(chǎn)路徑)進行調(diào)整，將order8移到傳動帶8處完成工序操作，如圖10所示。服務(wù)執(zhí)行前產(chǎn)品訂單的生產(chǎn)順序是order3→order6→order8，服務(wù)執(zhí)行完成時，產(chǎn)品訂單順序變?yōu)閛rder3→order8→order6。

傳統(tǒng)的面向單一品種產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，產(chǎn)品的生產(chǎn)路徑和制造工藝是預(yù)先設(shè)定好的，無法以批量化的生產(chǎn)能力完成個性化產(chǎn)品的生產(chǎn)，而且應(yīng)對異常情況的規(guī)則也是預(yù)先設(shè)定好的，不具有自主的情景響應(yīng)能力。相比之下，本文設(shè)計的情景響應(yīng)處理方法中，產(chǎn)品的生產(chǎn)路徑不是預(yù)先設(shè)定好的，而是在可選擇的所有路徑中，根據(jù)當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)和變化，由生產(chǎn)制造系統(tǒng)自主決定和選擇。當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)堵塞或設(shè)備出現(xiàn)故障時，生產(chǎn)路徑的調(diào)整不是依賴預(yù)先設(shè)定好的規(guī)則，而是由生產(chǎn)制造系統(tǒng)基于當(dāng)前的情景進行調(diào)整。

多訂單并行生產(chǎn)過程中，在相同生產(chǎn)條件下，產(chǎn)品生產(chǎn)路徑的自動調(diào)整并非一成不變，而是基于情景由軟件系統(tǒng)自主決定。9個訂單的生產(chǎn)情景中是按照order1～order9順序進行生產(chǎn)，在生產(chǎn)過程出現(xiàn)堵塞時，生產(chǎn)制造系統(tǒng)會基于當(dāng)前的情景自主決定對產(chǎn)品生產(chǎn)路徑的調(diào)整。例如，同樣是9個訂單的生產(chǎn)，生產(chǎn)制造系統(tǒng)有時不會調(diào)整order5，則order5從傳送帶4移動到傳送帶5的位置上，而有時會對order5的生產(chǎn)路徑進行調(diào)整，則order5將從傳送帶4移動到傳送帶7的位置上，如圖11所示。因此，在全部訂單并行生產(chǎn)完成以后，訂單的順序分別為1-3-2-6-4-7-9-5-8和1-3-5-2-6-4-9-7-8，這種不同的自動調(diào)整過程，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)在情景響應(yīng)決策方面的自主性。

6 結(jié)束語

本文提出一種面向制造知識的生產(chǎn)線本體模型架構(gòu)，構(gòu)建了一種工藝特征本體模型和一種數(shù)據(jù)屬性本體模型，并實現(xiàn)了基于本體模型的服務(wù)匹配和編排方法以及情景響應(yīng)處理方法。其中，工藝特征本體模型是以實例之間的鏈接關(guān)系表達制造工藝知識和生產(chǎn)設(shè)備布局，進而提高制造工藝編排的靈活性，并為生產(chǎn)制造過程的自動調(diào)整提供依據(jù)；服務(wù)匹配和編排方法是一個決策優(yōu)化求解的過程，其后續(xù)通過算法改進可以進一步提高服務(wù)編排的效率；數(shù)據(jù)屬性本體模型使得數(shù)據(jù)屬性獨立于具體應(yīng)用而存在，不但提高了數(shù)據(jù)屬性在表達方式上的靈活性，而且提高了數(shù)據(jù)的可重用性和適用范圍；情景響應(yīng)處理方法是根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)和變化自主調(diào)整產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，進一步提高了生產(chǎn)制造系統(tǒng)的適應(yīng)性和面向情景的自主決策。在實際應(yīng)用場景中，本文以汽車模型裝配生產(chǎn)線為實驗?zāi)M系統(tǒng)，驗證了本文提出的本體模型和方法在提高生產(chǎn)制造系統(tǒng)靈活性和適應(yīng)性方面的價值，并實現(xiàn)了以批量化的生產(chǎn)能力完成個性化產(chǎn)品的定制化生產(chǎn)。

本文提出的本體模型和方法，在生產(chǎn)制造系統(tǒng)智能性和自主性方面只是初步探索，在一些技術(shù)細節(jié)方面還有很多值得深入研究的地方。