莊培杰，尹 超，李孝斌

(重慶大學(xué) a.機(jī)械傳動國家重點實驗室；b.經(jīng)濟(jì)與工商管理學(xué)院，重慶 400030)

0 引言

云制造是一種新興信息技術(shù)驅(qū)動的新型智慧化制造模式[1-2]，其在資源共享方式、共享內(nèi)容和服務(wù)模式方面拓寬并豐富了傳統(tǒng)制造模式的基本內(nèi)容[3-5]。但在云制造環(huán)境下，制造資源呈現(xiàn)出高度自治、離散分布、異質(zhì)異構(gòu)等特性，如何實現(xiàn)資源的集成共享和敏捷響應(yīng)是當(dāng)前越來越迫切需要解決的問題。對此，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[6]提出了一種制造資源能力元描述模型，為實現(xiàn)高效、智能的云制造系統(tǒng)提供了支持；文獻(xiàn)[7]構(gòu)建了一種能促進(jìn)外協(xié)加工資源快速共享和高效利用的資源集成服務(wù)模式，解決了云制造環(huán)境下外協(xié)加工資源的異構(gòu)兼容性問題；文獻(xiàn)[8]構(gòu)建了一種基于Web的制造資源建?？蚣?RVWS)，通過該框架用戶可依據(jù)資源動態(tài)屬性發(fā)布、發(fā)現(xiàn)和獲取網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下各種計算資源和實體資源；文獻(xiàn)[9]針對異構(gòu)環(huán)境制造資源的建模問題，引入元模型建模方法從資源的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)過程和應(yīng)用擴(kuò)展等不同方面對制造資源進(jìn)行元模型建模；然而現(xiàn)有的研究主要集中在制造資源的虛擬化建模領(lǐng)域，對資源的集成共享和敏捷響應(yīng)所需的輕量化模型等方面的研究還不夠充分。

本文以機(jī)床裝備資源為研究對象，結(jié)合現(xiàn)有研究成果提出一種基于元數(shù)據(jù)的機(jī)床裝備資源輕量化建模方法；構(gòu)建基于元數(shù)據(jù)的機(jī)床裝備資源本體建模框架；然后建立機(jī)床裝備資源元數(shù)據(jù)模型(Machine tool resources metadata model，MTR-Meta)到機(jī)床裝備資源本體模型(Machine tool resources ontology model，MTR-Onto)的映射關(guān)系，同時研究機(jī)床裝備資源輕量化本體語義表示方法；最后設(shè)計開發(fā)相應(yīng)的機(jī)床裝備資源元建模軟件工具并以一實例驗證所提方法的有效性。

1 云制造環(huán)境下MTRs屬性構(gòu)成

從機(jī)床裝備資源在云制造環(huán)境下的服務(wù)業(yè)務(wù)流程來看，其屬性構(gòu)成包括基本屬性(Basic)、狀態(tài)屬性(State)、訪問屬性(Access)、功能屬性(Cabilitiy)、服務(wù)屬性(Service)和交易屬性(Transaction)。其中基本屬性是對機(jī)床裝備資源基本參數(shù)的一般性描述，主要包括機(jī)床裝備資源的編號、名稱、類別、所屬企業(yè)名稱、聯(lián)系方式、工裝信息等基本信息；狀態(tài)屬性是對機(jī)床裝備資源可用狀態(tài)的描述，主要包括閑置狀態(tài)、未滿載狀態(tài)、滿載狀態(tài)、故障狀態(tài)和已預(yù)訂狀態(tài)；訪問屬性定義了機(jī)床裝備資源在云平臺上提供的訪問方式，包括端口地址、訪問方式、通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)格式等；功能屬性是對機(jī)床裝備資源服務(wù)能力的描述，主要包括加工零件類型、最大加工零件尺寸、最大加工承重量、加工精度等級、加工材料范圍、加工零件合格率、加工類別等；服務(wù)屬性則定義了機(jī)床裝備資源提供服務(wù)的基本信息，包括服務(wù)編號、服務(wù)名稱、服務(wù)內(nèi)容、服務(wù)執(zhí)行進(jìn)度、服務(wù)質(zhì)量需求、服務(wù)執(zhí)行能耗等；交易屬性描述了云制造環(huán)境下機(jī)床裝備資源服務(wù)執(zhí)行過程中的交易信息，包括交易編號、交易方式、交易費用、交易評價和交易記錄等。

2 基于元數(shù)據(jù)的MTR-Onto建模框架

元數(shù)據(jù)是指描述數(shù)據(jù)及其環(huán)境的數(shù)據(jù)，具有降低數(shù)據(jù)冗余、減少信息輸出缺失、降低信息異構(gòu)性等特點[10]。本體是概念模型的明確規(guī)范化說明，使用本體能夠為資源建模表征提供領(lǐng)域知識和語義信息表達(dá)，可支持資源在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的敏捷響應(yīng)與應(yīng)用[11-12]?；诖?，本文結(jié)合元數(shù)據(jù)和本體特性構(gòu)建基于元數(shù)據(jù)的機(jī)床裝備資源本體建?？蚣?Machine tool resources ontology modeling framework，MTROMF)，如圖1所示。

該框架可表示為：

MTROMF={M0，M1，M2,M3}

其中，M0表示元元模型層、M1表示元模型層、M2表示模型層、M3表示實例層。M0層由資源屬性語義描述信息組成，定義了資源接入的頂層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為元模型的建立提供了頂層的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。M1層是M0層的實例化層，在MTROMF中，M1層主要根據(jù)建模語義元數(shù)據(jù)對機(jī)床裝備資源的類別、實體、方法、屬性、能力等進(jìn)行精確定義；并根據(jù)所描述的屬性關(guān)系，定義本體映射轉(zhuǎn)換機(jī)制，構(gòu)建機(jī)床裝備資源本體元模型。M2層是上層元模型的實例化，基于上層元模型的資源語義本體的概念屬性定義和本體轉(zhuǎn)換機(jī)制，對具體資源對象進(jìn)行本體轉(zhuǎn)化和描述，構(gòu)建其本體模型。最后，利用本體構(gòu)建工具，對機(jī)床裝備資源特性的具體屬性值和屬性關(guān)系進(jìn)行映射轉(zhuǎn)換，形成機(jī)床裝備資源本體實例模型并對其進(jìn)行語義表示。

圖1 基于元數(shù)據(jù)的MTROMF

3 MTR-Onto的構(gòu)建及其語義表達(dá)

3.1 MTR-Meta到MTR-Onto的映射關(guān)系

(1)映射關(guān)系形式化表達(dá)

MTR-Meta到MTR-Onto的映射可以形式化表示為：

Map=

(1)

式中，Mc為映射關(guān)系標(biāo)識符；Intput為機(jī)床裝備資源元數(shù)據(jù)模型的映射參量集，其與機(jī)床裝備資源語義元數(shù)據(jù)模型相對應(yīng)；Output為機(jī)床裝備資源本體模型的映射參量集，其與映射后的機(jī)床裝備資源語義本體相對應(yīng)；f為映射關(guān)系函數(shù)，可表示為：

(2)

(3)

(4)

(2)映射規(guī)則

映射規(guī)則指實現(xiàn)機(jī)床裝備資源元數(shù)據(jù)模型到機(jī)床裝備資源本體模型的映射所依據(jù)的規(guī)則。本文定義了MTR-Meta到MTR-Onto的基本映射規(guī)則，如表1所示。

3.2 機(jī)床裝備資源元數(shù)據(jù)模型

云制造環(huán)境下機(jī)床裝備資源元數(shù)據(jù)模型可用公式(5)表示。

(5)

式中，MTR-Meta表示機(jī)床裝備資源元數(shù)據(jù)模型，Metai表示MTR-Meta的第i個元數(shù)據(jù)，代表機(jī)床裝備資源的第i個屬性，n表示機(jī)床裝備資源的屬性個數(shù)。假設(shè)B為機(jī)床裝備資源的屬性集，則：

?Metai∈MTR-Meta?Metai∈B

(6)

表1 機(jī)床裝備資源元數(shù)據(jù)模型-本體模型基本映射規(guī)則

3.3 機(jī)床裝備資源語義表示方法

根據(jù)映射規(guī)則對機(jī)床裝備資源進(jìn)行輕量化本體語義表示，這里從基本屬性、狀態(tài)屬性、訪問屬性、功能屬性、服務(wù)屬性和交易屬性等不同維度對機(jī)床裝備資源本體模型進(jìn)行語義表示。

MTR-Onto={BasicMeta,StateMeta,AcessMeta,
FunctionMeta,ServiceMeta,TransactionMeta}

其中，

①BasicMeta表示機(jī)床裝備資源的基本屬性本體元模型，可形式化表示為：

BasicMeta={MTId,MTName,MTType,
MTCompany,MTLocation,MTTooling,AddValue}

式中，MTId表示各類機(jī)床裝備資源的唯一編碼；MTName為資源類別，通常分為車床、銑床、鉆床等；MTCompany表示資源所屬企業(yè)；MTContact表示資源所屬區(qū)域；MTTooling表示資源工裝信息；AddValue表示資源擴(kuò)展屬性值，可根據(jù)實際情況對機(jī)床裝備資源的基本屬性進(jìn)行擴(kuò)展。

②StateMeta表示機(jī)床裝備資源的狀態(tài)屬性本體元模型，可形式化表示為：

StateMeta={Free,HalfLoad,AllLoad,Fault,Reserve}

式中，F(xiàn)ree表示該機(jī)床裝備資源處于空閑狀態(tài)，此時可調(diào)用該資源進(jìn)行服務(wù)；HalfLoad表示資源處于未滿載狀態(tài)，此時該資源的部分服務(wù)能力被占用，剩余的部分服務(wù)仍然可用；AllLoad表示資源處于滿載狀態(tài)，此時該資源可提供的所有服務(wù)能力均被占用；Fault表示機(jī)床裝備資源處于故障狀態(tài)；Reserve機(jī)床裝備資源處于已被預(yù)定狀態(tài)，此時該資源不接受除預(yù)定方之外的任務(wù)請求。

③AcessMeta表示機(jī)床裝備資源的訪問屬性本體元模型，可形式化表示為：

AccessMeta={PortAddress,PortId,
PortName,PortType,Protocol,Format}

式中，PortAddress表示機(jī)床裝備資源服務(wù)的訪問端口地址；PortId表示機(jī)床裝備資源服務(wù)訪問端口的唯一編號；PortName表示機(jī)床裝備資源服務(wù)訪問端口的端口名；PortType表示機(jī)床裝備資源服務(wù)訪問端口的類型；Protocol表示機(jī)床裝備資源服務(wù)訪問的通訊協(xié)議，通常有TCP/IP協(xié)議、MTConnect協(xié)議等；Format表示訪問該機(jī)床裝備資源時所應(yīng)遵循的數(shù)據(jù)格式要求。

④FunctionMeta表示機(jī)床裝備資源的功能屬性本體元模型，可形式化表示為：

FunctionMeta=
{PartsType,MaxSize,MaxWeight,PartsMaterial,
PartsPrecision,PartsQuality,PartsProcesstype}

式中，PartsType表示加工零件類型，如加工的零件可為軸、齒輪、鈑金等；MaxSize表示機(jī)床最大加工尺寸；MaxWeight表示機(jī)床最大承重量；PartsMaterial表示機(jī)床所能提供的加工材料類型；PartsPrecision表示機(jī)床加工零件精度范圍；PartsQuality表示機(jī)床在進(jìn)行加工服務(wù)時能夠達(dá)到的質(zhì)量水平，如加工零件合格率、重大質(zhì)量事故次數(shù)等；PartsProcesstype表示該機(jī)床所能提供的加工方式，通常為普通加工、精密加工和特種加工等。

⑤ServiceMeta表示機(jī)床裝備資源的服務(wù)屬性本體元模型，可形式化表示為：

ServiceMeta={SerId,SerName,SerDetail,
SerSchedule,SerQos,SerTime,SerEnergy}

式中，SerId表示機(jī)床裝備資源服務(wù)執(zhí)行的唯一編號；SerName表示機(jī)床裝備資源所提供服務(wù)的名稱；SerDetail表示機(jī)床裝備資源所提供服務(wù)的具體內(nèi)容；SerSchedule表示機(jī)床裝備資源所提供服務(wù)的執(zhí)行進(jìn)度；SerQos表示機(jī)床裝備資源所提供服務(wù)的質(zhì)量需求；SerTime表示機(jī)床裝備資源所提供服務(wù)的執(zhí)行時間；SerEnergy表示機(jī)床裝備資源所提供服務(wù)的能耗。

⑥TransactionMeta表示機(jī)床裝備資源的交易屬性本體元模型；可形式化表示為：

TransactionMeta={TransId,TransMode,
TransFee,TransCredit,TransRecord}

式中，TransId表示機(jī)床裝備資源進(jìn)行服務(wù)交易時的唯一交易編號；TransMode表示機(jī)床裝備資源服務(wù)的交易方式，通?？煞譃榫€上交易方式、線下交易方式和混合交易方式等；TransFee表示機(jī)床裝備資源服務(wù)的交易費用；TransCredit表示機(jī)床裝備資源服務(wù)的交易信譽度，即用戶對交易的服務(wù)評價；TransRecord表示機(jī)床裝備資源服務(wù)的交易歷史記錄，可用于對歷史服務(wù)交易的查詢。

在此基礎(chǔ)上本文選用Protégé本體建模工具(Protégé工具是W3C推薦的本體建模工具之一，其支持JAVA語言，且具有豐富的插件和良好的用戶界面)對機(jī)床裝備資源本體模型進(jìn)行形式化表達(dá)并利用其支持的OWL-S語言對所構(gòu)建的本體模型進(jìn)行語義描述。

4 試驗驗證

4.1 機(jī)床裝備資源元建模軟件設(shè)計

基于以上研究，本文設(shè)計了一種機(jī)床裝備資源元建模軟件原型工具，該工具的功能架構(gòu)如圖2所示，主要包括資源獲取層、元建模層、本體建模層和應(yīng)用層4個功能層次。

(1)資源獲取層：通過互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，識別和獲取機(jī)床裝備資源屬性信息，并進(jìn)一步存儲該信息的語義元數(shù)據(jù)。

(2)元建模層：該層是元建模軟件工具的核心功能層，首先依據(jù)所獲取的機(jī)床裝備資源信息提取相關(guān)資源屬性信息，并建立MTR-Meta；然后，依據(jù)上述映射規(guī)則和映射關(guān)系，將MTR-Meta中所蘊含的資源語義信息映射到MTR-Onto中。

(3)本體建模層：該層的主要功能包括資源輕量化本體模型的構(gòu)建、本體模型語義表示和基于OWL-S(Ontology Web Language for Services)的本體語義描述。

(4)應(yīng)用層：該層主要實現(xiàn)機(jī)床裝備資源本體的服務(wù)化封裝，并為用戶提供建模過程中的可視化應(yīng)用接口。

圖2 資源元建模工具功能架構(gòu)

4.2 實例驗證

為驗證上述理論和方法的有效性和適用性，將所開發(fā)的原型工具集成到課題組前期在國家863計劃項目實施過程中開發(fā)的機(jī)床裝備云制造服務(wù)平臺上。以某五軸聯(lián)動立式加工中心(型號DMU-50)為例，具體實驗步驟如下：

(1)資源注冊：系統(tǒng)分析云制造環(huán)境下DMU-50數(shù)控加工中心資源屬性信息，依據(jù)資源屬性信息將DMU-50資源信息在機(jī)床裝備云制造服務(wù)平臺上進(jìn)行注冊發(fā)布。

(2)元數(shù)據(jù)提?。焊鶕?jù)屬性信息和資源分類信息，對資源元數(shù)據(jù)提取算法(圖3a)的計算參數(shù)進(jìn)行了配置，并利用配置后的算法對DMU-50的元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行重構(gòu)。

(3)資源元數(shù)據(jù)—本體映射：利用所設(shè)計的機(jī)床裝備資源本體模型構(gòu)建DMU-50的本體模型，依據(jù)DMU-50在云制造環(huán)境下所提供的云服務(wù)特點配置元數(shù)據(jù)模型和本體模型映射規(guī)則，并使用云平臺中的映射工具實現(xiàn)元數(shù)據(jù)到本體的映射，將元數(shù)據(jù)模型中蘊含的語義信息映射到本體模型中(圖3b)。

(4)基于OWL-S的本體語義描述：利用本體描述語言O(shè)WL-S對所構(gòu)建的DMU50本體模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化語義描述(圖4a)，并將其存儲在平臺端的云數(shù)據(jù)庫中。

(5)可視化展示：在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、信息物理融合系統(tǒng)(CPS)和車間制造執(zhí)行系統(tǒng)的支持下，實現(xiàn)云制造環(huán)境下DMU50的物理實體與虛擬模型的連接，支持DMU50的共享集成和服務(wù)狀態(tài)虛擬展示(圖4b)。

(a) 元數(shù)據(jù)提取 (b) 元數(shù)據(jù)-本體映射圖3 元數(shù)據(jù)-本體映射

(a) 資源語義描述 (b) 資源虛擬展示圖4 資源語義描述和虛擬展示

如圖5所示，本文分別分析了元數(shù)據(jù)建模、本體建模和基于元數(shù)據(jù)的本體建模方法等構(gòu)建機(jī)床裝備資源模型的復(fù)雜程度趨勢。圖中結(jié)果表明，在云制造環(huán)境下隨著機(jī)床裝備資源屬性數(shù)量的增加，利用上述三種方法構(gòu)建的機(jī)床裝備資源模型的復(fù)雜程度隨之增加；從總體趨勢來看，基于元數(shù)據(jù)的機(jī)床裝備資源本體建模受資源屬性數(shù)量變化的影響較小，且當(dāng)資源屬性數(shù)量增多時其所構(gòu)建的模型的復(fù)雜程度最低，證明了所提方法的有效性。

圖5 模型復(fù)雜性變化分析

5 結(jié)束語

本文主要針對云制造環(huán)境下機(jī)床裝備資源的網(wǎng)絡(luò)化快速集成共享和敏捷響應(yīng)缺乏輕量化模型支撐問題，從機(jī)床裝備資源屬性構(gòu)成入手，結(jié)合元數(shù)據(jù)和本體特性，提出了一種基于元數(shù)據(jù)的機(jī)床裝備資源輕量化建模方法，設(shè)計了基于元數(shù)據(jù)的機(jī)床裝備資源本體建?？蚣?，建立了MTR-Meta到MTR-Onto的映射關(guān)系，研究了機(jī)床裝備資源輕量化本體語義表示方法；最后設(shè)計開發(fā)了機(jī)床裝備資源元建模軟件工具并通過具體實例應(yīng)用驗證了所提方法的有效性和適用性。