基于语义的智能终端产品服务系统定制

（青岛大学 商学院，青岛 266100）

0 引言

产品服务系统（Product Service System，PSS）对增强产品使用体验和通过服务拉动产品消费具有显著作用，也是企业实施差异化战略的有效途径。国内外近年来对PSS的研究越来越多，产业界DELL等企业组织已经开展了通过官方网站进行智能终端PSS定制的实践，但可供定制的PSS配置的语义建模以及基于推理的PSS定制有关研究尚不多见，其中智能终端PSS的配置与定制方面未见到有基于语义的相关的研究。在人工智能[1]飞速发展的当下，重在语义建模和智能推理的语义网的研究与应用重新受到学术界和产业界的重视。语义网中的本体及规则层擅长定义并丰富概念之间的抽象关系，能够实现PSS配置的语义建模，进而有利于PSS配置知识的继承、重用与推理。本文主要利用网络本体语言二代（Web Ontology Language 2，OWL2）以及语义网规则语言（Semantic Web Rule Language，SWRL），借助本体编辑工具Protégé5.2及其内置推理机HermiT，对智能终端PSS的配置进行语义建模以及通过推理进行智能终端PSS定制，最后以智能手机这一智能终端设备进行实例验证。

PSS于上世纪九十年代源自北欧，Goedkoop将制造商提供的有形产品与服务商提供的无形服务市场化组合，形成能更大限度满足消费者需求的系统，由系统功能决定产品和服务所占的比重，同时比传统商业模式的环境影响更低[2]。自此，许多学者提出不同的定义，通过归纳提取出PSS具备的两个关键特征，一是将有形的产品附加无形的服务形成组合，二是形成相应的生产服务运作体系在经济和环境两方面实现价值增值。

PSS的配置方法和运作系统的资源集成等研究已具备基础，如Sheng等提出在供应商参与的前提下基于遗传算法的PSS设计方法[3]；Carreira等将Kansei（感性工学）理论应用于PSS配置[4]；陈梦月等利用故障模式相关分析工具，以故障链为对象，提出了基于用户体验的产品服务系统再设计模块识别方法[5]。产品的语义建模及其基于推理的定制已经有少量研究，如D Yang等提出利用基于本体的开发方法对工业产品进行优化配置，并以挖掘机为例进行应用验证[6]。

1 智能终端PSS配置的语义建模架构

1.1 智能终端PSS配置的语义建模语言及工具

本体最初为哲学领域的概念，旨在解释说明客观存在的抽象本质。上世纪90年代此概念被引入人工智能领域，最具代表性的定义由Gruber提出：本体是概念模型的明确的规范说明[7]。本体由类（classes）或概念（concepts）、关系（relations）、函数（functions）、公理（axioms）和实例（instances）这五个基本建模元素组成。类或概念是表达对象的集合或对研究领域内概念规范的描述；关系是指研究领域内概念间的交互作用，与表达对象的集合相对应，例如父类子类的关系（subclass-of）；函数是指一类特殊关系，具有逻辑推理作用；公理指无须证明的永真断言，作为类的属性和关系的逻辑约束；实例是指某个类中的个体，继承类的内部属性或类间关系并可有特殊性质的最小对象。

目前本体语言已有30余种，W3C总结了RDFS、DAML-ONT、OIL等早期本体语言编写经验，在此基础上于2004年推出网络本体语言 （Web Ontology Language，OWL）。OWL可以定义领域本体知识词汇的概念及其之间的关系约束，可进行严格的逻辑化语义描述，其设计目的是取代人工而让软件进行信息的自动推理。OWL2在OWL本体语言的基础上进行扩展，丰富属性的数据类型，增加新的语义表达功能，简化元本体语义约束并增强元素的注释能力等，于2012年正式作为网络本体语言被推出，旨在更有针对性对兴趣领域的知识进行明确表达、交换和推理。利用OWL2表示PSS的配置模型，即进行语义建模，能够适应PSS中类、实例等要素复杂的逻辑关系以及所需的推理能力。

语义网规则语言（Semantic Web Rule Language，SWRL）依存于用OWL语法所构建本体同时又与其保持相对独立，能够方便地将推理规则与本体结合在一起，使本体具有更为丰富的关系表达和推理能力，用SWRL语言描述的规则还可以方便地转化为现存规则系统中的规则。SWRL规则的语法为：antecedent→consequent。作为产品设计与生产规则的重要表达方法，它被应用于基于语义的决策支持平台来协助产品的生态标签处理[9]，也被用于为装配序列规划开发基于本体的建模和推理框架[10]。在不断演变的语义Web堆栈中，SWRL可以作为本体层OWL的补充，也可以作为本体层之上的更高一层，因其依存于本体，本文将其作为本体的组成部分。

美国斯坦福大学开发的本体语言编辑工具Protégé，是一个以JAVA实现的开源本体编辑器和构建智能系统的框架，有助于各个领域的本体开发人员构建基于知识的解决方案。本研究选择Protégé5.2进行建模，它完全支持OWL2；图形化界面简单，可视化效果好；可检查本体的一致性，支持多重继承；可扩展性强，支持附加其他应用；内嵌SWRLTab提供SWRL规则和约束编辑平台；内置HermiT推理机支持OWL2和SWRL推理；输出格式多样，如OWL、RDF（S）、XML等。

1.2 智能终端PSS配置的语义架构

图1 智能终端PSS配置的四层语义架构

智能终端PSS的配置实质为可供定制的产品及服务组件的构成及约束，其语义架构旨在指导通过由智能终端通用配置知识到领域共性配置知识再到实例特有配置知识的逐层派生、扩展和集成，即通过逐层语义建模形成以本体为表现形式的语义模型，实现配置知识的重用和推理支持。据此，我们构建了图1所示的四层语义架构。

图1中，自下而上最底层为语言层（或称为元语义层），由OWL2、SWRL和其他语言如知识描述语言KDL、统一建模语言UML等构成，为整个语义架构的配置知识表示语言。第二层为通用语义层，用以形式化表达智能终端 PSS的通用配置知识，构建智能终端PSS配置的通用语义模型，包括一般性智能终端PSS的产品及服务配置有关术语、关系及其规则等，形成语义建模的结果——本体。第三层为领域语义层，用以形式化表达特定细分领域智能终端（如手机）PSS的共性术语、关系及规则等，它继承、重用并扩展通用语义层中的配置知识，为第四层提供更为具体和适用的配置知识。第四层为实例语义层，不同的组织可以根据自身业务所需在领域语义层基础上进行扩展以构建特定的智能终端（如华为手机）PSS配置本体。由此，后面三层架构自下而上大体呈现出一种1:M:M×N的树状配置知识继承和扩展架构，不同组织可以通过复用/共享、继承、扩展该架构来构建信息系统并配备推理等功能组件实现特定智能终端PSS的个性化定制。

2 智能终端PSS配置本体的构建

2.1 智能终端PSS配置的通用本体

通过对智能终端PSS配置通用知识的一般性归纳，我们构建了图2所示的智能终端PSS配置本体。其中，智能终端PSS（Smart Terminal PSS）可以分解为代表产品部分的产品包（Product Package）和代表服务部分的服务包（Service Package）两大构成要素。产品包由硬件系统（Hardware System）和软件系统（Software System）两部分组成。硬件系统可分为处理器（Processor）、存储器（Memory）、输入设备（Input Device）、输出设备（Output Device）和终端机体基本构件（Basic Component）等部分；软件系统则可分为操作系统（Operating System，OS）和应用软件（Application Software，APP）两个部分。硬件系统内部组件需要特定的端口（Port）进行连接，具备相应的功能（Function），其中硬件系统与软件系统均具备各自属性（Attribute）和各种约束（Constraint）。服务元素（Service Element）在服务商（Facilitator）的支持以及服务元素各种约束下组合为服务包。产品包可以附加各种形式的服务包以组成智能终端PSS，服务元素根据其属性附加在实体产品的各个组成部分或整体上，产品和服务要素的数量及类型可随需求变化并在领域本体中进行更具体地定义。

配置本体中，不同构成要素间存在三种通用的约束关系，即存在型约束RC（Require Constraint）、不相容约束IC（Incompatible Constraint）和等价型约束EC（Engagement Constraint），可归为关系间约束（Inter Constraint）。其中，由A到B的RC约束表示若组件A需要，则组件B必须存在，反之不成立；由A到B的IC约束为若组件A存在，则组件B不存在，反之成立；由A到B或由B到A的EC约束为组件A与组件B同时存在为一整体，不可单独存在。除此之外，约束中还包括功能约束（Func_Constraint）、内部约束（Intra_Constraint）和外部约束（External_constraint）。其中，内部约束可以分为基数约束（Cardinality_Constraint）、必要约束（Essential_Constraint）和可选约束（Optional_Constraint）。外部约束包括：端口约束（Port_Constraint）；不兼容约束（Incompatible_Constraint），即生产商或服务商的规格要求对内部构件或服务元素的约束，例如华为对APP的要求不能用IOS平台的APP，移动与联通等其他电信运营商不能兼容；需求约束（Requirement_Constraint），即来自用户的特定需求。

图2 智能终端PSS配置本体

2.2 智能手机PSS配置的领域与实例本体

在继承智能终端PSS配置本体的基础上，将智能手机的硬件和软件系统构件以及相关服务进行分析整合，定义智能手机领域相关类、属性及类间关系，由此引入智能手机配置的领域知识对智能终端PSS配置本体进行扩展，形成智能手机PSS配置本体（领域本体）。进而，企业组织面向自己的品牌手机需要对智能手机配置本体进行扩展和具体化，派生出配置实例本体。其递进关系如图3所示。

据此，构建了图4中各Class及其关系部分所表示的智能手机PSS配置本体，其中，Processor、Output_Device、Input_Device、Memory、Basic_Component、Software_System和Service_Package等为来自智能终端PSS配置本体中的类。智能手机PSS配置本体继承智能终端PSS配置本体并融合智能手机特有的产品与服务概念及其相互关系和约束。如，针对智能手机的服务主要分为保险服务、维修服务、基础型服务以及消费型服务四种服务包。其中，保险种类多样，多集中于部分零件（如碎屏险）和整机质保，并涉及理赔服务；维修服务包括远程诊断和预约维修服务；基础型服务包括咨询服务、分期付款和以旧换新等；消费型服务主要针对配件及通信两个方面，根据客户需求配置符合手机整体功能的配件（如钢化膜、拍照稳定器等）和通信套餐包（如语音、流量等）。

进而，基于华为系列智能手机通常采用的部件型号和结构，将服务整合加入后，形成如图4中各Instance及其关系部分所表示的华为手机PSS配置本体，即一个智能手机配置实例本体。Instance继承所属Class的属性并被扩展了特殊属性，属性被赋予属性值，形成华为手机PSS配置知识库，在此基础上可以构建信息系统并支持基于用户需求推理的个性化定制。

图3 基于智能终端PSS配置的通用本体构建领域本体和实例本体的递进关系

图4 智能手机PSS配置本体（含领域本体和实例本体）

3 智能终端PSS定制

3.1 本体编辑

采用本体编辑工具Protégé5.2对以上各层配置本体进行编辑，形成了图5所示的类（Class）与实例（Instance）关系图。本体中的各构成要素经过表1所示的编码后，形成OWL2语法的配置语义模型库，其中含有具有继承和扩展关系的三个相对独立的智能终端PSS配置本体、智能手机PSS配置本体和华为手机PSS配置本体，以便支持在任何一层上进行知识共享和重用。模型库共有79个OWL2类（Class）、82个OWL2实例（Instance）和418个OWL2属性（Property）。

图5 Protégé中智能手机PSS类间关系

表1 Class、Instance和Property的OWL2编码实例

模型库中，主要的约束有4类：一是硬件配置约束，如选择RAM为6G，部分芯片则无法使运行效果达到最优；二是系统兼容约束，如电池容量是否支持芯片工作；三是功能需求约束，即手机功能模块与软硬件之间配置关系约束，如AI摄像功能要求NPU芯片必须存在且摄像头必须为同侧双摄像头；四是外部服务约束，这源自选择相应软硬件所配备的可选服务不同，如智能手机产品总价处于某一范围时可配备一定折扣的整机保修服务。

表2 SWRL规则编码实例

另外，为实现OWL2无法完成的复杂推理，模型库中往往还需附加语义规则，可通过Protégé5.2中的SWRLTab插件实现SWRL规则的编辑。表2所示规则表示产品包的总价格p若处于（1000，3000]、（3000，5000]或（5000，7000]等区间，则相应得到1年、2两年或3年有效期的免费整机质保服务。在所有规则配置结束后，需要由推理机（如Protégé5.2内置的HermiT推理机）检查规则一致性，否则可能无法运行出正确结果。

3.2 华为手机PSS定制

企业组织的模型库构建完成后，便具备了描述特定范围PSS（如华为手机）构成语义（如Software_System由OS和App构成）、各要素可供选配的值（如ROM有32G、64G、128G和256G可供选择）、各种约束和有关规则的能力。用户可据此以OWL2文件的形式表达其定制需求，即通过OWL2语言对模型库中实例本体的所有或部分构成要素明确其具体值或取值范围，形成用户定制需求文件。进而，本体推理机基于用户定制需求文件的限定值进行模型库推理，完成实例本体的具体化，即生成能够满足用户所有需求的唯一结果实例（各构成要素的取值唯一），或多个结果实例集合（表现为部分构成要素的取值不唯一），实现用户定制。该过程在产业化应用时，通常会通过开发专业的网络化信息系统实现（比DELL的官方网站更加智能的定制系统），作为学术研究，本文仍然通过Protégé并以局部PSS构成要素定制进行可行性验证和应用展示。

以华为手机PSS定制为例，基于模型库中的类和属性定义用户需求（Customization Requirement），分别对服务包和产品包的定制需求进行语义描述，通过与模型库的本体推理得到用户定制结果实例，定制结果以“Property+Instance”表示。如图6所示，选择流量包与语音包时，根据“内存容量不小于128G，royal blue颜色且外观尺寸不大于5.5寸，相机不少于两个摄像头且相机像素大于800万”的产品需求和“流量大于3G且价格低于20元，语音时长大于等于1000分钟且价格不高于30元”的服务需求，推理得到定制结果（Huawei_CR_LF），Huawei_CR_LF的产品和服务配置详细结果如表3所示。

图6 部分用户定制需求及推理结果

表3 Huawei_CR_LF定制结果列表

4 结束语

PSS的出现为企业组织提供了新的运营模式，人工智能领域的语义网相关研究能够为PSS的智能化定制发挥积极作用。本文基于语义网构建了智能终端PSS配置的四层语义架构，通过OWL2语言实现了智能终端PSS配置的语义模型形式化，并利用SWRL对本体添加了较为复杂的规则。通过华为手机PSS定制实例验证了模型库的可行性和适用性。智能终端PSS涉及大量的产品和服务配置选项，利用本体推理较大程度的降低了配置过程中的复杂性，保障了配置结果的一致性。企业组织可以利用Eclipse等开发平台进行界面可视化，通过重用、继承、扩展该架构来构建信息系统并配备推理等功能组件，形成智能终端PSS个性化定制平台。