CN104615671A - 基于本体的制造能力多粒度描述框架及方法 - Google Patents

基于本体的制造能力多粒度描述框架及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于本体的制造能力多粒度描述系统，该系统包括制造能力多粒度本体描述单元，利用OWL语言对制造能力的信息进行描述；制造能力发布模块，基于制造能力多粒度描述单元选择合适的粒度模型；审核模块，用于对制造能力的粒度模型进行审核，若通过，则将新增的能力表达单元加入能力本体库中，若未通过，则返回修改意见；制造能力本体描述单元管理单元，用于对能力本体库中的各粒度的制造能力表达单元进行维护和管理。本发明进一步公开了一种基于本体的制造能力多粒度描述方法。本发明所述技术方案能够使制造能力的表达与用户查询习惯保持一致，保证了制造能力查询的准确性和全面性。

Description

基于本体的制造能力多粒度描述框架及方法
技术领域
本发明涉及云制造技术，特别是涉及基于本体的制造能力多粒度描述框架及方法。
背景技术
云制造是一种面向服务，高效低耗和基于知识的网络化制造新模式，它通过对云计算、物联网、高性能计算等技术的融合，实现了对各类制造资源和制造能力的虚拟化、服务化，并进行统一、集中的管理。云制造迎合了制造业信息化的趋势，进一步深化了企业间的交流和合作。制造能力作为云制造平台中的重要基础成员，直接影响其相关功能的实现。将制造能力以科学合理的形式表达出来是实现制造能力在云制造平台中重用、共享和组合的基础，同时制造能力表达的好坏直接影响搜索引擎返回查询结果的质量，间接影响了用户体验。制造能力的发布通常由提供方以文本的形式表达，缺乏方便计算机处理和与用户友好的统一描述模型；制造能力的构成涉及到多种制造资源，资源的某些特征量被直接用于表达制造能力的特征，这些特征量种类繁多，没有有效地结合实际的用户需求，严重影响制造能力的查找；常用的制造能力描述是针对制造能力提供者进行的，目的在于全面准确地描述出制造能力的各个方面，然而制造能力的使用者所关心的只是制造能力的某一或某些方面，制造能力表达的冗余加重了搜索匹配的负担，同时提供者与使用者对于同一种制造能力描述的粒度差异造成了查询结果不全面和不准确的问题。云制造平台作为各类制造能力的管理者和分发者，要求各制造能力能够被统一、无差异地描述，能够被计算机自动的处理和快速地定位。
因此，需要提供一种与用户需求或用户查询习惯相结合地可组合地动态的制造能力描述方法，以保证制造云中的各类资源的高效调用和合理配置，避免制造能力的重复建设，从而实现云制造平台对用户可定制需求快速响应的能力，缩短产品全生命周期，提高生产效率，创造更多的经济价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于本体的制造能力多粒度描述框架及方法，以解决现有技术人机交互能力差、由于制造能力表达的冗余而造成搜索匹配的负载，导致制造能力查找速度慢、查询结果不全面和不准确的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
基于本体的制造能力多粒度描述系统，该系统包括
制造能力多粒度本体描述单元，利用OWL语言对制造能力的信息进行描述；
制造能力发布模块，基于制造能力多粒度描述单元选择合适的粒度模型；
审核模块，用于对制造能力的粒度模型进行审核，若通过，则将新增的能力表达单元加入能力本体库中，若未通过，则向制造能力发布模块反馈修改意见；
制造能力本体描述单元管理单元，用于对能力本体库中的各粒度的制造能力表达单元进行维护和管理。
优选的，所述制造能力多粒度本体描述单元包括
制造能力划分模块，用于将制造能力划分为三个粒度；
制造能力表达模块，用于针对不同的粒度的制造能力进行表达。
优选的，所述三个粒度包括元子粒度、部件粒度和产品粒度。
优选的，所述制造能力表达模块包括
元子能力表达单元，对元子粒度的制造能力进行描述；
部件能力表达单元，对部件粒度的制造能力进行描述；
产品能力表达单元，对产品粒度的制造能力进行描述。
优选的，所述表达单元中的信息包括用户在查询过程中的常用的约束属性和体现制造能力的动态可调节性的动态属性。
优选的，所述制造能力本体描述单元管理单元包括
能力表达单元管理模块，用于按照粒度的不同，对本体描述单元进行管理；
能力表达单元维护模块，用于用户对表达单元中的能力信息进行修改。
基于本体的制造能力多粒度描述方法，该方法的步骤包括
将制造能力划分为元子粒度、部件粒度和产品粒度；
对不同粒度的制造能力使用相应的描述单元进行描述，获得相应的能力表达单元；
根据能力表达单元选择合适的粒度模型；
对粒度模型进行审核，若审核通过，则将新增的能力表达单元加入能力本体库中，若审核未通过，则返回修改意见。
优选的，该方法进一步包括按照粒度的大小对能力表达单元进行管理及维护。
优选的，所述按照粒度的大小对本体描述单元进行管理的步骤包括
将粒度相同，并且相似的本体描述单元合并；
对本体描述单元中的非标准词汇转化为标准词汇。
优选的，所述按照粒度的大小对本体描述单元进行维护的步骤包括能力提供者根据当前能力本体库的情况，对能力描述单元进行增加、删除、修改和查阅。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案基于本体实现了制造能力中所包含的复杂知识信息的语义表达，为与需求高度相关的隐含信息的挖掘提供了支撑；通过对用户查询习惯的分析，将制造能力按照粒度进行划分，提出了相应粒度的能力表达单元，各表达单元侧重点不同，包含了用户查询时关心的主要约束，使得制造能力的表达与用户查询习惯保持一致，保证了制造能力查询的准确性和全面性；不同粒度的制造能力间包含一定的映射关系，反应了制造过程相关的工艺或装配信息，为按需定制的产品的研发提供了参考。适用于制造领域形式种类繁多，且具有模糊、多样性、动态随机、不确定等特点的制造能力描述和获取，可应用于具有大量异构资源的用户。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1示出一种基于本体的制造能力多粒度描述系统的示意图；
图2示出一种基于本体的制造能力多粒度描述方法的示意图。
具体实施方式
本发明的目的在于满足云制造平台制造能力按需配置的应用需求。云制造平台中制造能力的描述方法需要满足以下特征：集成性，即制造能力能够方便地嵌套入其他制造能力形成新的制造能力单元；可定制性，即制造能力能够根据用户需求进行组合形成为用户定制的制造能力；动态可调节性，制造能力中相关要素能够随着时间以及外界环境变化而变化。同时制造能力的描述需要与用户查询习惯相结合，并且能够支持计算机的自动处理。
因此，本文发明了一种基于本体的制造能力多粒度描述系统及方法，为用户提供不同粒度的制造能力描述模块以及方便使用的能力注册，发布和管理工具。其中描述模块充分考虑了生产加工过程中用户关心的约束和以上三个制造能力的特征，发明了多粒度的描述方式支持了制造能力的集成和定制性，同时在描述模型中引入了动态属性体现了制造能力的动态可调节性。本发明是符合云制造平台用户对制造能力的实际需求的，能够有效提升用户体验，提高云制造平台工作效率。
本发明的所述系统包括：制造能力多粒度本体描述单元，制造能力发布模块、审核模块和制造能力本体描述单元管理单元。
制造能力多粒度本体描述单元针对云制造环境中的制造能力海量，分布和异构的特点，以及通常的描述方式对于制造能力包含的信息描述不够全面而且不支持计算机的自动处理这一问题，采用本体技术按照特定的模型对制造能力进行描述，能够使得制造能力包含更多的知识，同时支持机器处理，降低人力甄别的需要，提高制造能力的可识别性和可访问性。本发明中使用本体编辑语言OWL作为制造能力的描述语言。为了有效地实现制造能力的集成与定制，本发明提出了制造能力多粒度描述框架，将制造能力划分为三个粒度：元子粒度，部件粒度和产品粒度，针对每个粒度的制造能力的特征提出了相应粒度的能力表达单元，表达单元包含了用户在查询过程中常用的约束属性，能够有效实现制造能力的定制，提高用户的查询体验，同时引入了动态属性，体现了制造能力的动态可调节性，最后采用统一的表达单元便于对制造能力进行集成，并为后续模块中对制造能力本体描述单元的处理提供便利。
制造能力发布模块和审核模块支持多用户登录与权限管理，制造能力提供方通过制造能力发布模块选择要发布的信息粒度，通过调用该粒度的对应的描述单元对该粒度进行描述，然后通过审核人员则对提交的制造能力进行审核，确保制造能力的正确性，保证系统中制造能力的质量。
制造能力本体描述单元管理单元支持按粒度地对本体描述单元进行管理，包括同粒度相似本体描述单元的合并，规范化处理等功能。同时由于能力所有者自身因素影响，制造能力会发生相应的变化，该管理模块提供了面向能力所有者的相关功能操作，包括增加制造能力本体内容，删除或修改制造能力本体。由于制造能力描述的目的是能够支持用户的按需使用，因此该模块提供了面向需求方的相关功能操作，比如制造能力本体的查看。
基于本体的制造能力多粒度描述框架的实现系统是基于MyEclipse开发的,利用了protégé本体建模软件Java API和Jena推理机对制造能力本体进行描述和处理，并将处理过的OWL本体文件存储到MySQL数据库中。
下面结合附图和一组实例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于本体的制造能力多粒度描述系统，该系统包括：制造能力多粒度本体描述单元、制造能力发布模块、审核模块和制造能力本体描述单元管理单元。基于本体的制造能力多粒度描述单元面向云制造平台中的所有制造能力提供者，为不同粒度的制造能力提供相应的描述模板，降低了对制造能力本体描述的专业性要求；制造能力发布模块和审核模块允许能力提供者登陆云制造平台，填写其所拥有的制造能力并由平台管理员对其提交的信息进行审核，保证制造能力描述选择的粒度适宜、信息完整，具有可用性；制造能力本体描述单元管理单元对不同粒度的大量的制造能力描述单元进行管理，按照粒度的大小对本体描述单元进行合并、对齐等操作，控制各粒度的制造能力的质量，避免制造能力重复建设造成的冗余，同时提供表达单元查看功能，支持增、删、改、查等基本操作。
本发明进一步公开了一种基于本体的制造能力多粒度描述方法，该方法首先，利用制造能力多粒度描述单元对制造能力进行划分和抽象化，制造能力是制造过程中各类制造资源的集成和抽象，可以认为制造能力是使用制造资源使得制造过程中部分资源状态发生变化并使其具有特殊功用的一系列操作活动。从面向用户的角度来看，一系列操作产生的结果是不同的，按照结果利用制造能力划分模块对制造能力进行划分，够获得不同粒度大小的制造能力，分别为元子粒度，部件粒度和产品粒度。元子粒度是指一道工序或一项操作，比如车削等，是制造企业能够对外提供的最小单位的服务；部件粒度是企业将拥有的元子粒度的制造能力组合并相互协作形成一个完整具有流通价值的零部件的能力，是对元子粒度制造能力的集成和封装；产品粒度是指企业通过合作等方式生产出一个具有完整功能的产品的能力，产品粒度与部件粒度之间有一对多的映射关系。制造能力多粒度描述是对不同粒度的制造能力的抽象，制造能力表达模块包含了三种不同粒度的制造能力表达单元：元子能力表达单元、部件能力表达单元和产品能力表达单元：
元子能力表达单元(Atomic Capability Unit,ACU)用六元组来抽象表示：ACU＝(BasicInfo,MaterialInfo,Tools,Devices,Operators,FeatureInfo)
其中BasicInfo＝(OperationID,OperationName,Definition/Description,Provider.(Address,Contact))，即元子制造能力的ID，名称，定义/描述，能力提供者,其中能力提供者又由地址和联系方式构成。
MaterialInfo指明了该操作可加工的材料，比如钢材，PVC，木材等。
Tools＝(CuttingTools,Fixtures,Moulds,Measures)是完成操作的一些工装信息，包括刃具，夹具，模具和量具。
Devices为完成操作所需的设备信息，如某型号机床。
Operators＝(Number,AverageExperience，Certificate)指出企业中能够完成此项操作的员工人数和工作的平均年限获得的证书，其中平均年限和证书可以作为操作质量的参考。
FeatureInfo＝(GeometrySize,Precision,KeyTechnicalIndicators,AverageProductionTime,Status,AvailableVolume,Quality,Price)是元子制造能力的特征信息，其中GeometrySize表示操作可加工的大小和形状等信息，如螺旋面，椭圆柱面等。Precision包括尺寸精度，表面粗糙度等，表征操作的水平，根据不同的操作可以将精度量化为一个数值区间进行客观评价。
KeyTechnicalIndicators指除精度外一些能够表征操作能力水平的一些常用概念。以上均为静态的能力特征。AverageProductionTime指完成一项操作需要的平均加工时间，如今制造市场对企业在时间方面的要求十分严格，因此生产时长是一项重要的参考指标。Status表述该能力目前状态，比如空闲，满载荷使用中等。AvailebleVolume表示目前该能力可以完成作业的数量，与Status具有一定的对应关系。Quality为操作能力的质量，一般由客户打分以及系统根据以往生产案例等信息综合给出。Price为能力拥有者的报价，根据市场等因素变化。
部件能力表达单元(Component Capability Unit,CCU)用五元组来抽象表述：
CCU＝(BasicInfo,Designers,FunctionInfo,FeatureInfo,ACUSet)
其中BasicInfo＝(ID,Name,Type,Provider.(Address,Contact))指明了部件的ID编号，名称，类型以及提供者的相关信息。
Designers＝(Engineer.Number,Engineer.Specialty,Technologist.Number,Technologist.Specialty)包含工程师和工艺师的数量和专业信息，反映了企业的部件研发能力。
FunctionInfo＝(ApplicationField.Product,Function/Purpose,WorkEnvironment)指出了部件的应用领域，即主要被使用在哪些产品上，部件的主要作用和工作环境。
FeatureInfo＝(Material,GeometrySize,KeyTechnicalIndicators,Standard,AverageProductionTime,Status,AvailableVolume,Quality,Price),即部件的材质，外观信息，其他的关键技术指标，执行标准，平均生产时长，能力状态，生产容量，质量和价格。平均生产时长，能力状态，生产容量，质量和价格为动态属性，其含义与ACU中动态属性相同。
ACUSet为生产该零部件所需要的相关能力集合，集合中相应能力的顺序反应了零部件生产的工序信息或装配信息，为新的类似部件的设计提供了参考。
产品能力表达单元(Product Capability Unit,PCU)用五元组来抽象表达：PCU＝(BasicInfo,Designers,FunctionInfo,FeatureInfo,OtherUSet)
其中BasicInfo＝(Name,Provider.(Address,Contact))指明了部件的名称以及提供者的相关信息。
Designers＝(Engineer.Number,Engineer.Specialty,Expert.Number,Expert.Specialty)包含工程师和专家的数量和专业信息，反映了企业的产品研发能力。
FunctionInfo＝(ApplicationField,Function/Purpose,WorkEnvironment)指出了产品的应用领域，即主要被使用在哪些领域，产品的主要作用和工作环境。
FeatureInfo＝(Material,GeometrySize,ProductionCapacity,AverageProductionTime,Standard,KeyTechnicalIndicators),即产品的材质，外观信息，其他的关键技术指标，符合标准，平均生产时长，状态，生产容量，质量和价格，其中后五项属性为动态属性。
OtherUSet为生产部件所需要的部件能力的集合，其中集合中部件能力的顺序反应了产品的装配信息，为新产品的设计提供了参考。
能力提供者登陆云制造平台后，利用能力发布模块选择发布制造能力信息，根据制造能力多粒度描述单元提供的描述模板选择合适的粒度模型，填写信息，提交给平台管理员审核。平台管理员通过审核模块对提交的能力信息进行审核，审核制造能力的粒度选择是否恰当，信息填写是否完整，审核通过后将新增的能力单元加入能力本体库中，未通过则返回修改意见。下文以单列深沟球轴承为例，指出了制造能力粒度表达模型的选取以及不同粒度层之间的关联关系。
利用制造能力本体描述单元管理单元对系统中提交的各粒度的制造能力表达单元进行维护和管理，制造能力本体描述单元管理模块能够按照粒度的大小对本体描述单元进行管理，如将相似度高的粒度相同的本体描述单元进行合并，将本体描述单元中的非标准词汇转化为标准词汇等，以控制各粒度的制造能力的质量，避免制造能力重复建设造成的冗余，同时提供表达单元查看功能，支持增、删、改、查等基本操作，允许能力提供者自行对其提交的能力信息进行维护。
综上所述，本发明所述技术方案基于本体实现了制造能力中所包含的复杂知识信息的语义表达，为与需求高度相关的隐含信息的挖掘提供了支撑；通过对用户查询习惯的分析，将制造能力按照粒度进行划分，提出了相应粒度的能力表达单元，各表达单元侧重点不同，包含了用户查询时关心的主要约束，使得制造能力的表达与用户查询习惯保持一致，保证了制造能力查询的准确性和全面性；不同粒度的制造能力间包含一定的映射关系，反应了制造过程相关的工艺或装配信息，为按需定制的产品的研发提供了参考。适用于制造领域形式种类繁多，且具有模糊、多样性、动态随机、不确定等特点的制造能力描述和获取，可应用于具有大量异构资源的用户。
显然，本发明的上述实施示例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.基于本体的制造能力多粒度描述系统，该系统包括
制造能力多粒度本体描述单元，利用OWL语言对制造能力的信息进行描述；
制造能力发布模块，基于制造能力多粒度描述单元选择合适的粒度模型；
审核模块，用于对制造能力的粒度模型进行审核，若通过，则将新增的能力表达单元加入能力本体库中，若未通过，则向制造能力发布模块反馈修改意见；
制造能力本体描述单元管理单元，用于对能力本体库中的各粒度的制造能力表达单元进行维护和管理。
2.根据权利要求1所述的制造能力多粒度描述系统，其特征在于，所述制造能力多粒度本体描述单元包括
制造能力划分模块，用于将制造能力划分为三个粒度；
制造能力表达模块，用于针对不同的粒度的制造能力进行表达。
3.根据权利要求2所述的制造能力多粒度描述系统，其特征在于，所述三个粒度包括元子粒度、部件粒度和产品粒度。
4.根据权利要求3所述的制造能力多粒度描述系统，其特征在于，所述制造能力表达模块包括
元子能力表达单元，对元子粒度的制造能力进行描述；
部件能力表达单元，对部件粒度的制造能力进行描述；
产品能力表达单元，对产品粒度的制造能力进行描述。
5.根据权利要求4所述的制造能力多粒度描述系统，其特征在于，所述表达单元中的信息包括用户在查询过程中的常用的约束属性和体现制造能力的动态可调节性的动态属性。
6.根据权利要求1所述的制造能力多粒度描述系统，其特征在于，所述制造能力本体描述单元管理单元包括
能力表达单元管理模块，用于按照粒度的不同，对本体描述单元进行管理；
能力表达单元维护模块，用于用户对表达单元中的能力信息进行修改。
7.基于本体的制造能力多粒度描述方法，其特征在于，该方法的步骤包括
将制造能力划分为元子粒度、部件粒度和产品粒度；
对不同粒度的制造能力使用相应的描述单元进行描述，获得相应的能力表达单元；
根据能力表达单元选择合适的粒度模型；
对粒度模型进行审核，若审核通过，则将新增的能力表达单元加入能力本体库中，若审核未通过，则返回修改意见。
8.根据权利要求7所述的制造能力多粒度描述系统，其特征在于，该方法进一步包括按照粒度的大小对能力表达单元进行管理及维护。
9.根据权利要求8所述的制造能力多粒度描述系统，其特征在于，所述按照粒度的大小对本体描述单元进行管理的步骤包括
将粒度相同，并且相似的本体描述单元合并；
对本体描述单元中的非标准词汇转化为标准词汇。
10.根据权利要求8所述的制造能力多粒度描述系统，其特征在于，所述按照粒度的大小对本体描述单元进行维护的步骤包括能力提供者根据当前能力本体库的情况，对能力描述单元进行增加、删除、修改和查阅。
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