張成雷，王金瑩，竇光良，王 成，初豪杰，秦寶琦，齊玉瑞

（1.臨沂大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276000；2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院電氣工程博士后科研流動(dòng)站，山東淄博 255049；3.山東龍立電子有限公司，山東 臨沂 276000）

0 引言

云制造是一種基于知識(shí)和面向服務(wù)的高效低耗型網(wǎng)絡(luò)化智能制造新模式，其核心思想為“分散資源集中使用，集中資源分散服務(wù)”［1-2］。在云制造模式下，云3D 打印以云打印服務(wù)的形式進(jìn)行增材制造過(guò)程中的三維數(shù)字模型設(shè)計(jì)、服務(wù)建模、發(fā)布、搜索、發(fā)現(xiàn)、匹配、組合、交易、執(zhí)行、調(diào)度、結(jié)算、評(píng)估、維護(hù)、銷毀等，以滿足云制造服務(wù)的柔性組合與綜合效用［3］。因此，訂單任務(wù)優(yōu)化執(zhí)行過(guò)程十分注重3D 打印機(jī)資源的挖掘與服務(wù)語(yǔ)義匹配，體現(xiàn)在知識(shí)描述、智能檢索、知識(shí)發(fā)現(xiàn)、匹配與組合、訂單執(zhí)行過(guò)程監(jiān)控、訂單任務(wù)狀態(tài)跟蹤、任務(wù)異常預(yù)警以及云3D 打印服務(wù)質(zhì)量評(píng)估等各個(gè)執(zhí)行階段。在云3D 打印服務(wù)中，信息描述不僅是設(shè)備資源的形式化語(yǔ)義描述，更是潛在的敏感信息數(shù)據(jù)源，訂單任務(wù)執(zhí)行的相關(guān)信息一般以純XML 數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存儲(chǔ)［4］。因此，訂單任務(wù)的語(yǔ)義建模主要解決以下問(wèn)題：①訂單任務(wù)在優(yōu)化執(zhí)行過(guò)程中語(yǔ)義信息描述的一致性；②訂單任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中對(duì)歷史記錄進(jìn)行統(tǒng)一描述以達(dá)到語(yǔ)義知識(shí)的重用性［5］。

本體（Ontology）是近年來(lái)計(jì)算機(jī)及其相關(guān)領(lǐng)域普遍關(guān)注的一個(gè)研究對(duì)象。作為一種能在語(yǔ)義與知識(shí)層次上描述信息系統(tǒng)的概念模型建模工具，本體已被廣泛應(yīng)用于知識(shí)工程、系統(tǒng)建模、信息處理、數(shù)字圖書(shū)館、自然語(yǔ)言理解、語(yǔ)義Web 等領(lǐng)域［6］。采用領(lǐng)域本體建模的方式表達(dá)訂單任務(wù)相關(guān)語(yǔ)義信息是實(shí)現(xiàn)訂單任務(wù)語(yǔ)義描述和語(yǔ)義知識(shí)重用性的有效途徑之一。因此，有必要對(duì)云3D 打印訂單任務(wù)相關(guān)概念以及概念間的關(guān)系、函數(shù)、公理和實(shí)例進(jìn)行統(tǒng)一描述，實(shí)現(xiàn)對(duì)訂單任務(wù)的定義，進(jìn)而保證訂單任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中知識(shí)的共享和重用［7-8］。為此，本文針對(duì)云3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意設(shè)計(jì)領(lǐng)域，提出一種通用云3D 打印訂單任務(wù)本體。

1 相關(guān)研究

云3D 打印服務(wù)建模是對(duì)云制造模式下各類3D 打印服務(wù)的特征進(jìn)行抽象分析，進(jìn)而給出云3D 打印資源與功能的統(tǒng)一抽象描述模型。國(guó)內(nèi)外研究成果表明，目前主要采用本體OWL 語(yǔ)言對(duì)服務(wù)資源領(lǐng)域中的類、屬性、關(guān)系等進(jìn)行定義描述，從而建立云3D 打印服務(wù)的本體模型。例如，Mi?chell 等［9］提出一種增材制造能力建模方法；李長(zhǎng)春等［10］構(gòu)建了基于Arena 的3D 打印云制造服務(wù)平臺(tái)；姜月娟等［11］針對(duì)集散制造模式的理念、定義以及生產(chǎn)組織模式，提出一種基于3D 打印的網(wǎng)絡(luò)化集散制造新模式；康玲等［12］為解決加工資源發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出一種基于本體語(yǔ)義的加工資源匹配方法，并構(gòu)建了加工任務(wù)與加工資源的功能結(jié)，以及屬性約束和服務(wù)狀態(tài)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了信息模型與加工資源發(fā)現(xiàn)框架；Wang 等［13］考慮到半導(dǎo)體最終測(cè)試行業(yè)的運(yùn)營(yíng)復(fù)雜且受多資源約束，提出一種基于模糊商業(yè)規(guī)則抽取的模糊知識(shí)資源分配模型；Luo 等［14］為實(shí)現(xiàn)制造能力的共享與流通，提出一種云制造系統(tǒng)制造能力多維信息建模與描述方法；Chen 等［15］針對(duì)制造能力和制造資源的自動(dòng)化管理問(wèn)題，提出一種對(duì)等自管理節(jié)點(diǎn)的協(xié)作體系結(jié)構(gòu)；Xie等［16］提出一種信息資源服務(wù)與云制造關(guān)聯(lián)的語(yǔ)義模型，利用語(yǔ)義鏈接實(shí)現(xiàn)資源服務(wù)云的自動(dòng)化集成與分布式更新；Sikos 等［17］針對(duì)幾何基元的全面覆蓋與語(yǔ)言表達(dá)能力問(wèn)題，提出基于本體的三維模型索引和基于內(nèi)容的視頻檢索方法；Trappey 等［18］提出一種基于本體的專利概念分析生物醫(yī)學(xué)3D 打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)；Uthayan 等［19］提出一種將本體查詢與關(guān)鍵詞搜索相結(jié)合的關(guān)鍵詞匹配索引系統(tǒng)；Paolucci 等［20］提出一種基于OWL-S 的服務(wù)匹配算法；Kim等［21］提出一種改進(jìn)關(guān)鍵字匹配的語(yǔ)義搜索方法；李成海等［22］在服務(wù)資源屬性描述的基礎(chǔ)上，提出基本屬性分類描述模型進(jìn)行云制造服務(wù)搜索與匹配；李穎新等［23］提出一種云制造環(huán)境下基于用戶行為的個(gè)性化知識(shí)服務(wù)方法；Syeda等［24］提出基于語(yǔ)義與本體匹配的搜索服務(wù)知識(shí)庫(kù)；李孝斌等［25］為解決機(jī)床裝備資源屬性特征問(wèn)題，提出一種基于語(yǔ)義本體的機(jī)床裝備資源描述框架。

目前3D 打印云制造的研究主要集中在云服務(wù)形式化描述、信息模型以及關(guān)鍵技術(shù)方面，云3D 打印服務(wù)建模尚處于初級(jí)階段。針對(duì)云制造環(huán)境下3D 打印訂單資源的異質(zhì)異構(gòu)、動(dòng)態(tài)演化、高度自治等特性，以及網(wǎng)絡(luò)化集成、服務(wù)化封裝和供需智能匹配等需求，提出并構(gòu)建了一種基于語(yǔ)義服務(wù)建模本體的3D 打印訂單資源描述框架，并對(duì)支持該框架實(shí)現(xiàn)的元數(shù)據(jù)本體的表示方法、資源服務(wù)化封裝等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

2 基于多維度特征的訂單任務(wù)分類與分析

當(dāng)從多個(gè)角度研究某一事物時(shí)，被研究的事物稱為實(shí)體，研究角度則為多維度。云3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短、個(gè)性化需求多、專業(yè)程度高，單一維度難以實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中服務(wù)資源統(tǒng)一、完整的描述。

2.1 基于多維度特征的云打印訂單分類

在借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，將其開(kāi)發(fā)服務(wù)資源分為硬件資源、軟件資源、計(jì)算資源、物料資源、人力資源和制造知識(shí)資源六大類［26］，具體見(jiàn)圖1。

（1）硬件資源。指云3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)云制造服務(wù)過(guò)程中涉及到的三維反求設(shè)備、3D 打印設(shè)備、計(jì)算設(shè)備、試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備、移動(dòng)終端設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等硬件，如三維掃描儀、3D 打印機(jī)、計(jì)算機(jī)/平板/手機(jī)、移動(dòng)硬盤(pán)等。

（2）軟件資源。指云3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)云制造服務(wù)過(guò)程中涉及到的各款軟件等，主要分為軟件工具和軟件系統(tǒng)，軟件工具指AutoCAD、SolidWorks、Inventor、CA?TIA 等輔助開(kāi)發(fā)工具軟件，軟件系統(tǒng)指PDM、CAPP 等。

（3）計(jì)算資源。指云3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)云制造服務(wù)過(guò)程中各種計(jì)算所需的資源，如高性能計(jì)算中心等。

（4）物料資源。指云3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)云制造服務(wù)過(guò)程中涉及到的有一定品種和質(zhì)量要求的物資［27］。

（5）人力資料。指云3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)云制造服務(wù)過(guò)程中涉及到的人力規(guī)劃要求，主要包括管理人員、工程技術(shù)人員、工人等。

（6）制造知識(shí)資源。指云3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)云制造服務(wù)過(guò)程中涉及到的人才、技術(shù)資源和數(shù)據(jù)庫(kù)等，如領(lǐng)域?qū)＜摇＠?、?biāo)準(zhǔn)、流程知識(shí)等。

2.2 云3D 打印訂單資源多維度特征分析

Fig.1 Service resource classification diagram of innovative new product development of cloud 3D printing圖1 云3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)服務(wù)資源分類圖

為滿足不同層次和不同業(yè)務(wù)階段的需求，從概括特征維、產(chǎn)品全生命周期管理特征維、功能特征維、性能特征維、表征特征維、應(yīng)用客戶評(píng)價(jià)特征維和商務(wù)特征維7 個(gè)維度對(duì)云3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)服務(wù)資源的特征進(jìn)行概括［28］，具體如圖2 所示。

（1）概括特征維指云3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中服務(wù)資源的基本特征、分類特征和屬性特征。

（2）產(chǎn)品全生命周期管理特征維指云3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中涉及的3D 打印樣品點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、三維反求、三維CAD 建模設(shè)計(jì)、分層切片處理、仿真分析等業(yè)務(wù)［29］。

（3）功能特征維指對(duì)云3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)服務(wù)資源的用途進(jìn)行定義，包括功能描述、服務(wù)速度、輸入輸出與前提條件和后置服務(wù)等，如LOM 成型加工功能特征維的輸入為“打印材料”，處理為“3D 打印加工”，輸出為“三維零件”。

（4）性能特征維指實(shí)現(xiàn)云3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)服務(wù)資源功能的各種技術(shù)指標(biāo)或限制條件，如3D 打印機(jī)的基層厚度、基線寬度、材料用量、外圍線數(shù)等［30］。

（5）表征特征維用于描述服務(wù)資源的基本信息，包括服務(wù)名稱、服務(wù)簡(jiǎn)介、服務(wù)提供商信息、服務(wù)類別等。

（6）應(yīng)用客戶評(píng)價(jià)特征維指客戶對(duì)服務(wù)資源的評(píng)價(jià)，主要包括服務(wù)質(zhì)量、服務(wù)態(tài)度和物流服務(wù)等［31］。

Fig.2 Mapping of multidimensional feature based on C3DP order resources圖2 云3D 打印創(chuàng)新創(chuàng)意新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)服務(wù)資源多維度特征圖

（7）商務(wù)特征維指云3D 打印服務(wù)資源具有商務(wù)特征，主要包括交易類別、計(jì)價(jià)方式、優(yōu)惠選擇等。

3 云3D 打印訂單任務(wù)通用本體構(gòu)建

3.1 知識(shí)本體目標(biāo)

在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，云3D 打印服務(wù)的調(diào)用、匹配與組合均需要進(jìn)行統(tǒng)一的語(yǔ)義描述［32］。OWL-S 可用于描述Web服務(wù)，從3 個(gè)方面定義服務(wù)的語(yǔ)義，由3 個(gè)相關(guān)子本體實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

Fig.3 Diagram of service ontology in OWL-S圖3 OWL-S 中的服務(wù)本體圖

在最簡(jiǎn)單的情況下，本體只描述概念的分類層次結(jié)構(gòu)（也稱為概念樹(shù)）。在復(fù)雜情況下，本體可以在概念分類層次的基礎(chǔ)上加入一組合適的關(guān)系、公理、規(guī)則表示概念之間的其他關(guān)系［33］。因此，本體可表示為：

式中，C表示概念。本體中的概念是廣義上的概念C={c1,c2}，除了包括一般意義上的概念外，還包括任務(wù)、功能、行為、策略、推理過(guò)程等。本體中的這些概念通常按照一定的關(guān)系形成一個(gè)分類層次結(jié)構(gòu)。

R代表關(guān)系，表示概念之間的一類關(guān)系R={r1,r2}，例如概念之間的subclass-of（子類）關(guān)系、part-of（部分）關(guān)系等。一般情況下，可以用關(guān)系R：C1×C2× …Cn表示概念C1、C2……Cn之間存在n元關(guān)系R。

F表示函數(shù)，是一種特殊的關(guān)系，如約束F={Oid,Odm}，其中第n個(gè)元素Cn相對(duì)于前面n-1 個(gè)元素是唯一確定的，函數(shù)可用F:C1×C2× …Cn-1→Cn表示。

A表示公理，概念或概念之間的關(guān)系所滿足的公理是一些永真式。

I表示實(shí)例，即某類概念所指的具體實(shí)體。

3.2 本體映射信息模型

本體映射指3D 打印機(jī)工作任務(wù)本體和云3D 打印訂單任務(wù)實(shí)例本體，以及訂單、任務(wù)、3D 打印本體與云3D 打印訂單任務(wù)實(shí)例本體之間存在的語(yǔ)義上的概念關(guān)聯(lián)。圖4 為云3D 打印訂單任務(wù)信息模型本體之間的映射關(guān)系。

Fig.4 Mapping relationship diagram between sub-ontology of the order task圖4 訂單任務(wù)子本體之間的映射關(guān)系圖

為解決本體系統(tǒng)間信息共享以及信息模型間的語(yǔ)義異構(gòu)問(wèn)題，在分析本體映射技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，提出基于本體的信息模型自動(dòng)映射方法。該方法將信息模型轉(zhuǎn)換為本體后，通過(guò)動(dòng)態(tài)適應(yīng)的多策略本體中概念之間的映射關(guān)系獲得子本體，并按照映射模塊與本體語(yǔ)義信息進(jìn)行匹配，獲取映射結(jié)果（實(shí)例本體）［18］。

3.3 云3D 打印訂單任務(wù)初始本體構(gòu)建

以Protégé3.4.7 為建模工具，結(jié)合云3D 打印訂單任務(wù)的信息模型，在graphviz-2.38 的支持下，構(gòu)建云3D 打印訂單任務(wù)初始本體，具體如圖5 所示。其中，橢圓表示本體概念，實(shí)線箭頭表示概念間的層次關(guān)系，虛線箭頭表示概念間的非層次關(guān)系。

云3D 打印實(shí)例信息是云3D 打印訂單任務(wù)交易過(guò)程中整個(gè)交易信息的完整表示，是3D 打印機(jī)元件和三維模型的上位本體。實(shí)例知識(shí)本體模型包括組成云打印的3D 打印機(jī)元件集合信息｛3DPo'｝、三維模型信息3DMo'、3D 打印機(jī)元件與三維模型的關(guān)聯(lián)信息Rel，定義為IKo，表示為：

式中，｛3DPo'｝包括3D 打印機(jī)元件的數(shù)量Nps、3D 打印機(jī)元件的類型Tps等；3DMo'與三維本體模型類似；Rel包括3D 打印機(jī)元件與三維模型之間的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系Lmr。圖6為3D 打印機(jī)的三維模型實(shí)例知識(shí)本體所包含的信息。

3.4 云3D 打印訂單任務(wù)語(yǔ)義特征空間

語(yǔ)義特征（Semantic Feature）是語(yǔ)言單位之間相互聯(lián)系或區(qū)別的語(yǔ)義要素，很大程度上制約著語(yǔ)言單位相互組合的可能性以及組合方式，反映了語(yǔ)言單位的組織形式與現(xiàn)實(shí)世界的相對(duì)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上將本體O::={C,R,F,A,I}轉(zhuǎn)化為一個(gè)語(yǔ)義特征空間，其中包含了本體O中所有的最小語(yǔ)義特征［34］。

Fig.5 Initial ontology model of cloud 3D printing order task圖5 云3D 打印訂單任務(wù)初始本體模型

Fig.6 Schematic diagram of instance knowledge ontology圖6 實(shí)例知識(shí)本體示意圖

構(gòu)建云3D 打印語(yǔ)義特征空間的方法具體如下：

（1）搜索關(guān)鍵詞集的特征向量表示。一般認(rèn)為原始問(wèn)題描述中的關(guān)鍵詞能直接反映開(kāi)發(fā)人員的需要，因此設(shè)計(jì)問(wèn)題最終被轉(zhuǎn)換成向量Vq，表示為：

式中，Wqi為搜索詞集q中詞元i的特征權(quán)重，Woi為搜索詞i 與原始關(guān)鍵詞的本體關(guān)系權(quán)重。

（2）索引知識(shí)的特征向量表示。知識(shí)域權(quán)重指對(duì)索引知識(shí)的不同描述內(nèi)容賦予不同的權(quán)重，每個(gè)描述內(nèi)容對(duì)應(yīng)一個(gè)域權(quán)重Wk，Wk越大，該索引知識(shí)的描述內(nèi)容越重要［35］。引入知識(shí)域權(quán)重后，索引知識(shí)最終被轉(zhuǎn)換成向量Vd，表示為：

式中，Wdi為索引知識(shí)d中第i個(gè)詞元的特征權(quán)重，為第i 個(gè)詞元出現(xiàn)在索引知識(shí)d 的mi個(gè)資源描述域中所得到的知識(shí)域權(quán)重，Wkj為索引知識(shí)第j 個(gè)描述內(nèi)容的域權(quán)重，mi為第i 個(gè)詞元出現(xiàn)在知識(shí)索引d 中域的個(gè)數(shù)。

4 案例分析

基于語(yǔ)義描述的方法，本文在面向新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的云3D打印服務(wù)通用本體建模上進(jìn)行應(yīng)用［36］。圖7 為3D 打印機(jī)的本體建模與語(yǔ)義描述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證圖例。

首先應(yīng)用分層抽樣（Stratified sampling）方法，對(duì)300 份文檔進(jìn)行屬性約簡(jiǎn)的云打印訂單分類處理。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)知識(shí)本體的術(shù)語(yǔ)頻率并構(gòu)建技術(shù)功效文檔矩陣。在分析多維度特征后選擇25 個(gè)術(shù)語(yǔ)，其訂單資源特征取值如表1 所示。

Table 1 Attribute classification using feature of C3DP orders表1 云3D 打印訂單分類屬性特征

其次對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使各指標(biāo)處于同一數(shù)量級(jí)，做歸一化處理后進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，具體樣本數(shù)據(jù)如表2 所示。

Table 2 Part of sample data normalization表2 歸一化處理后的部分樣本數(shù)據(jù)

然后進(jìn)行特征聚類計(jì)算，在此基礎(chǔ)上選取100 個(gè)文檔作為訓(xùn)練樣本，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使各訂單任務(wù)的詳細(xì)屬性信息指標(biāo)處于同一數(shù)量級(jí)，做歸一化處理后進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，具體樣本數(shù)據(jù)如表3 所示。

Table 3 Part of sample data in the term document matrix表3 術(shù)語(yǔ)文檔矩陣的部分樣本數(shù)據(jù)

最后創(chuàng)建云3D 打印服務(wù)的本體。為比較各個(gè)信息指標(biāo)的性能，引用基于訂單分類的任務(wù)分配策略作為比較對(duì)象，在云制造模式的云3D 打印訂單任務(wù)執(zhí)行運(yùn)作模型下對(duì)訂單信息進(jìn)行過(guò)程約束，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分類與特征聚合處理。在云3D 打印服務(wù)平臺(tái)設(shè)備資源本體元描述模型的基礎(chǔ)上，對(duì)絲材擠出熱熔成型（FDM）類3D 打印機(jī)進(jìn)行語(yǔ)義描述，構(gòu)建該子類資源的描述模型，具體如圖8 所示。

Fig.8 FDM 3D printer sematic description model圖8 FDM 類3D 打印機(jī)語(yǔ)義描述模型

5 結(jié)語(yǔ)

本文在分析云制造環(huán)境下3D 打印訂單任務(wù)屬性特征的基礎(chǔ)上，提出并構(gòu)建了一種基于語(yǔ)義服務(wù)建模本體的3D打印訂單資源描述框架，并對(duì)支持該框架的3D 打印訂單資源元數(shù)據(jù)本體表示方法、訂單資源服務(wù)封裝等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性和可行性。

云打印服務(wù)是文印服務(wù)與“云”概念的有機(jī)結(jié)合，其核心思想是通過(guò)Internet 網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)分散的打印資源聯(lián)絡(luò)起來(lái)，全面打造互聯(lián)互通的打印云網(wǎng)絡(luò)，為客戶提供自助打印服務(wù)，云3D 打印也是在這種背景下被提出來(lái)的。基于本文研究結(jié)果，后續(xù)將圍繞3D 打印訂單資源服務(wù)化封裝工具、資源組合優(yōu)化、云3D 打印服務(wù)動(dòng)態(tài)協(xié)作調(diào)度等方面展開(kāi)探討。