面向离散车间制造信息本体建模的研究

涂 凡，黄海松，姚立国

（贵州大学 现代制造技术教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025）

1 引言

在我国针对制造业提出的“中国制造2025”战略中，制造企业智能化是目前首要面临的挑战和问题。由于制造过程规模与制造环境的日趋复杂、随机多变，使得生产过程中的信息呈现多源且海量的特征，致使生产过程中涉及的多源信息存在滞后严重、出错、信息的重用和共享困难等现象。文献[1]为了解决制造过程实时信息采集和传输的问题，进行了嵌入式多源制造信息感知装置及方法的研究，文献[2]提出了一种基于RFID和ZigBee技术的零件制造过程信息获取系统，实现了零件制造过程的监控和管理，文献[3]通过描述制造大数据的定义和特性提出了离散车间数据管理模型，构建了制造大数据的应用规划，文献[4]针对车间生产管理系统，以车间资源、生产、管理等多个层次为本体，构建整个车间领域本体来论述他们之间的关系。但只针对制造过程实时信息的采集、传输以及数据的描述、管理等问题，并没有对制造过程多源信息间的内部联系进行解析，无法解决制造过程知识的共享和重用等问题，进而构建数字车间的制造过程信息情境模型。本体最初起源于哲学领域，为不同领域知识在语义上的共同表达提供了统一的描述语言，本体是对共享概念模型的形式化和规范化的说明[5]，利用本体可以实现多领域制造过程信息模型的统一构建和表达，实现制造过程信息间的共享和重用。

为解决上述存在的问题，首先给出了“情境”的定义，以离散型制造业数字车间的制造过程信息为应用对象，分析了制造过程信息情境的构成，结合本体论与可拓基元理论，构建了制造过程情境信息体系和模型，用于描述制造过程信息间的内部联系，采用Protégé工具构建制造过程信息的本体模型库及关系数据库的建模，运用本体建模语言OWL实现情境信息知识的表达。

2 离散车间多源制造信息情境模型

情境（Context）也被称为上下文，Dey博士认为情境是指任何可以用来描述实体状态的信息，其实体可以是人、位置、状态或者与用户和应用交互相关的实体，包括用户和应用本身[6]。情境具有静态性和动态性[7]，静态性属于概念化领域知识范畴，例如，文章选取的离散数字车间制造过程中，员工的职务和技能是静态的情境信息，而员工的位置、物料的位置与状态、加工设备的运行状态及生产环境的温/湿度变化都是动态的情境信息。对情境定义的分析与认知，有助于对制造过程信息的模型认知与构建。

离散制造一般是指将原材料经过机加工形成零部件，最后将零部件组装成成品的制造模式。相对于流程工业，离散制造业的生产过程的各种信息、数据传递要复杂的多。针对离散制造数字车间制造过程中的人员、物料、生产环境和设备四种信息为主要研究对象，研究它们的情境因素及相互间的内部联系。制造过程信息情境构成如图1所示，主要由人员情境、物料情境、设备情境和环境情境等构成，与之相对应的是人员信息、物料信息、设备信息和环境信息等情境信息，各情境信息由不同因素（属性或性质）构成，其内部元素间又存在着不同的关联关系。

（1）人员情境 人员信息主要情境元素包括职务、技能和活动状态。以车间为例，分为车间主任和车间员工，主任主要职责是对车间的整体运行情况进行把控及管理员工出勤情况，员工主要是对加工设备、物料情况的管理以及对生产环境变化的监控。活动状态主要包含人员的出勤情况和他们的工作状态，例如某员工在某台设备上对物料进行某种加工操作等。

图 1制造过程信息情境的构成Fig.1 The Composition of the Manufacturing Process Information Situation

（2）物料情境 物料信息贯穿整个车间生产始终，依据车间生产计划从采购到最终成品，物料信息都是重要而又复杂的，其中包括物料的类型、数量以及物料在加工过程中诸多状态（原材料、半成品、成品等）和物料相关联的人员及设备信息。物料信息通过RFID读写器、扫条码扫描器等设备进行数据采集。

（3）设备情境 设备信息是生产车间所有设备的总称，包含加工设备、监测设备、传感器设备和RFID等设备的基本属性、工作状态、位置情况和功能信息等。

（4）环境情境 环境信息指主要影响生产车间加工的环境因素，包括温度/湿度等。环境的温/湿度信息通过安装在车间的温/湿度传感器来获得。

3 基于本体的制造信息模型框架及构建

3.1 本体结构

本体可以由一个或多个顶层、领域和应用本体等抽象层次组成，其中的顶层、领域本体是帮助研究者构建和理解本体的基础。顶层本体由情境信息涉及的各种实体抽象概念组成，它作为高层本体的优势在于能为不同系统间共享同一知识数据库。当具体涉及到某一个学科领域内的相关概念和联系时即可称为领域本体。在不同学科领域里涉及到相同的概念时，由于学科领域的应用、情境的不同，表达相同概念时，概念的意义就可能大不相同。领域本体重用顶层本体的相关概念，定义相应的含义而获得具体学科领域的本体，这种可复用、继承的方式能重用已建本体中相关的概念（类）和多种描述语义，实现各学科领域模型的共享及重用[8]。多层次分层的本体模型可用数学公式描述为：

式中：G—多层本体中所有概念（类）的集合；gi—第i层所有概念（类）的集合；gij—第i层所有概念（类）中第j个概念（类）；Rg—本体中各概念（类）间内部联系的集合；Rg，（i-1）j，ij—第 R（i-1）i个概念（类）与第gij个概念（类）间的内部联系[9]。

根据离散车间的信息特点，在构建制造过程信息本体模型时，也采用了这种分层的思想来构建本体，更有利于多源制造信息间的信息共享和重用。

3.2 情境信息本体模型的构建

根据以上分析，在构建制造过程信息情境模型也包含了顶层本体和领域本体，其情境本体体系结构，如图2所示。

图2 制造过程信息本体体系结构Fig.2 Manufacturing Process Information Ontology Architecture

它的顶层本体主要包括人员、物料、设备、位置、状态和环境六部分。人员主要包括车间主任和员工等；在选取的某轮毂加工企业实例中，物料一般选取的是铝合金材料；设备主要包括传感器、RFID、监测设备和生产设备等，其中生产设备主要包括数字加工中心和机床等；位置分为办公室和生产车间，车间又主要分为物料存放区、物料加工区和产品存放区等；状态主要针对人员、物料和设备的，包括人员的活动状态以及物料、设备的加工状态等；环境主要考虑影响因素较大的温、湿度，它们各自又包含三个状态。

制造过程信息本体体系的建立能更为准确、快速的对本体进行构建。采用三元组形式描述制造过程信息领域本体：

式中：Cl—制造过程信息中对象概念（Class）的集合，表示制造过程信息情境实体中物料、人员、设备以及它们的子类等。

At表示领域本体模型的属性（Attribute）集合合，是对领域本体中概念进行描述，主要有功能、结构属性等，其中功能属性又包含对象属性和数据属性。At=Af∪Ab，Af=Ao∪Ad，领域本体模型中的功能、结构属性分别为Af、Ab，A0、Ad分别表示为领域本体模型中对象、数据属性的集合。

Re表示概念与概念、概念与实例、实例与实例间逻辑关系（Relation）的集合，例如 Re（Re1）=（Cl1，Cl2）表示 Cl1与 Cl2间关系为 Re1。

3.3 可拓基元的本体知识表示

将本体与可拓学基元理论相结合，来研究离散车间制造信息知识表示方法。可拓基元是物元M、关系元R和事元A的统称[10]，由对象O、特征F和量值V组成的三元组组成，表示为B=［O，F，V］。领域本体中的概念、属性、关系与物元、事元、关系元正好一一相对应，将本体与基元概念相结合下，进行以下定义：

定义4：复合元C是由物元和事元、事元和关系元、物元物元和关系元等2个或2个以上基元组合成的，在对制造信息本体进行模型构建，建立相关的推理规则来表达信息间内部联系，即可用复合元表示建立的推理规则。例如表示的是物元M1、物元M2及它们间具有的关系元R1组成的复合元C1。

在制造信息本体表示中定义相关概（类）时如下：定义机床概念物元M3：

定义A型机床与物料B间的钻孔加工关系R2：

例如定义复合元C2表示制造信息中钻孔工艺：

可理解为当RFID检测到物料在进入机床A前后，物料B在特定位置有孔，同时在相同时间段机床A处于正在加工状态，员工1在岗且位于机床A。由以上可知物料B进行了钻孔加工，通过检测精度与质量，即可知道钻孔达到要求可否，同时可以对物料B下一步工艺进行把控和提前预知。

通过对制造过程信息本体进行概念基元、属性基元、关系基元及复合元的定义及表达，同时对机床概念物元、钻孔加工关系等的举例，说明本体与基元相结合的表示方法是可行及有效的，为制造信息本体的建模提供了较大便利。

4 制造信息本体构建实例

在上文完成对制造信息知识本体的相关基元概念、属性和关系进行定义和表达后，运用本体编辑工具Protégé4.3，根据以上建立的制造过程信息本体体系结构，来构建制造过程信息本体模型类树及定义对应的属性关系。通过Protégé构建的本体模型类树及关系属性能区分不同的领域本体，表示各概念、实例间的内部联系，从而达到领域本体间的知识重用、共享的目的，其类图，如图3所示。

图 3制造过程信息本体的类图Fig.3 The Class Diagram of the Manufacturing Process Information Ontology

在该模型中Workshop Employee类和Workshop-Director类表示成Person类的子类，Environment类有Temperature类和Humidity类，同时表达了Workshop Employee类与Equipment类的子类 Production Equipment类、Material类、Status类、Environment类和Location类间的Object Property对象属性和Datatype Property数据属性关系。

4.1 属性定义

在本体通过 part-of，attribute-of，instance-of和 subclassof等属性表达本体中的类与类或其他元素之间关系的基础上，添加了has Locate、has Status、has Operate 和 has Process等对象属性，及has Temperaure、has Tumidity等数据属性，这些属性的描述语义是阐述、理解多源制造信息间关系的桥梁。其部分属性的定义，如表1所示。（用OWL语义略）。

表1 属性定义与扩展Tab.1 Attribute Definition and Extension

4.2 定义多源信息间的关系

将Protégé生成的制造过程信息本体模型转化为本体映射文件OWL语言，储存到构建的关系数据库中，从而达到本体知识重用、共享的目的。下述OWL描述片段只是截取了制造过程信息本体模型的部分描述语义，表达的语义是人员、物料、设备和环境等概念的定义以及相互之间的关系定义。

4.3 制造过程信息本体库的构建

采用多张表法将用OWL语言描述的本体模型映射到关系数据库中存储。多张表法储存过程是在制造过程信息本体中为不同概念类单独建立一张表，同时每张表采取三元表形式，表中属性列储存该类所有属性的属性值及其定义域，实现了属性与实例的相互映射。制造过程信息数据模型建立逻辑结构流程图，如图4所示。

图4 制造过程信息数据模型构建流程图Fig.4 Manufacturing Process Information Data Model Construction Flow Chart

制造过程信息领域本体关系数据库的构建过程是将制造过程信息本体模型的概念内容根据以Jena平台建立相应推理规则和对应的映射规则，储存到关系数据库中，通过上文编写的OWL为本体描述语言，采用URI（统一资源标识符）来标识本体中不同的概念、属性等。由构建的关系数据库来储存制造过程信息领域本体中概念、实例之间的关系。制造过程信息本体库表结构图模型（图略）。

5 结束语

从情境概念内涵出发，以离散型制造业数字车间的制造过程信息为应用对象，研究制造过程信息情境的情境因素。根据离散车间的信息特点，将可拓基元理论与本体相结合对制造过程多源信息进行知识化表示，构建了面向制造过程信息的本体模型，阐述了制造过程信息本体库存储方法，并对制造过程信息关系数据库行了建模，解决了离散制造业数字车间生产过程的信息多源且复杂，导致易出现滞后严重、易出错、信息的重用和共享困难等问题。同时提出的本体与基元结合的表示方法为知识表示方法提供了一种新思路。

［1］张映锋，赵曦滨.一种基于物联技术的制造执行系统实现方法与关键技术［J］.计算机集成制造系统，2012，18（12）：2634-2642．（Zhang Ying-feng，Zhao Xi-bin.Implementing method and key technology for Io T-based manufacturing execution systems［J］.Computer Integrated Manufacturing System，2012，18（12）：2634-2642.）

［2］张应红，李彩林，梁俊强.一种零件制造过程信息获取系统：中国，2013-20458774.X［P］.2014-01-08.（Zhang Ying-hong，Li Cai-lin，Liang Jun-qiang.An information acquisition systemforpartsmanufacturingprocess：China，201320458774.X［P］.2014-01-08.）

［3］陈伟兴，李少波，黄海松.离散制造物联过程数据主动感知及管理模型［J］.计算机集成制造系统，2016，22（1）：166-176.（Chen Wei-xing，Li Shao-bo，Huang Hai-song.Active perception and management model for manufacturing data in discrete IOMT-based process［J］.Computer Integrated Manufacturing System，2016，22（1）：166-176.）

［4］史春景，郝永平.面向制造业生产车间知识本体的构建［J］.组合机床与自动化加工技术，2012（6）：108-112.（Shi Chun-jing，Hao Yong-ping.Construction of Knowledge Ontology of Production Workshop in Manufacturing Enterprises［J］.Modular Machine Tool&Automatic Manufacturing Technique，2012（6）：108-112.）

［5］STUDER R，BENJAMINS V R，FENSEL D.Knowledge Management and Electronic Commerce［M］.Berlin，Germany：Springer-verlag，2001：12-13.

［6］DEY A K，ABOWD G D，SALLBER D.A conceptual framework and a toolkit for supporting the rapid prototyping of context-aware Application［J］.Journal of Human Computer Interaction，2001，16（2）：97-166.

［7］余平，管珏琪，徐显龙.情境信息及其在智慧学习资源推荐中的应用研究［J］.电化教育研究，2016（2）：54-61.（Yu Ping，Guan Jue-qi，Xu Xian-long.A Study of Context Information and its Applications in the Recommendation of Smart Learning Resources［J］.E-education Research，2016（2）：54-61.）

［8］张峰，薛惠锋，徐源.基于本体的航天产品性能样机协同建模方法［J］.计算机集成制造系统，2016，22（8）：1887-1899.（Zhang Feng，Xue Hui-feng，Xu Yuan.Collaborative modeling method of performance prototype for aerospace products based on ontology［J］.Computer Integrated Manufacturing System，2016，22（8）：1887-1899.）

［9］JODA H，BENI V，WILLEMS A.Modified primers for rapid and direct electrochemical analysis of coeliac disease associated HLA alleles［J］.Biosensors and Bioelectronics，2015，73（11）：64-70.

［10］赵燕伟，苏楠.可拓设计［M］.北京：科学出版社，2010.（Zhao Yan-wei，Su Nan.Extension Design［M］.Beijing：Science Press，2010.）