面向制造企业生产车间知识本体的构建*

史春景，郝永平，曾鹏飞

(沈阳理工大学CAD/CAM研发中心，沈阳 110159)

0 引言

在离散的制造企业中，车间生产管理系统(也被称作制造执行系统)能有效地管理生产计划和它的执行，以及管理资源和产品的制造过程。它不仅能提高制造环境中的管理效率，也能集成如 ERP、CAD、PDM等制造企业中的信息系统。

但是车间管理系统在企业运行过程中暴露出不稳定、不连续和信息交互困难等缺点［1-2］。当组织结构和业务结构发生改变，旧有模型无法反应企业的工作流和信息流的变化时，企业模型需要重构。由于基于Web的软件系统的易用性，使得Web技术成为系统开发的首选，因此Web技术将会带来大量的交互数据，并且这些数据的表示应该能被人和机器共同理解。

本体非常适合对抽象描述的表达，由于能够规范化一个或多个特定领域的概念和术语，使得本体成为领域内实体、属性、过程及其相互关系形式化描述的基础，从而为知识库的构造提供基本结构［3］。利用本体对信息和数据的表达，能满足数据含义准确，不存在歧义的要求。为此人们［4-6］构建了企业范围内的制造和工艺本体模型和系统，用于解决企业的产品制造中出现的问题。但是由于这些模型或系统本身缺少产品制造执行的功能，所以无法解决车间生产管理中信息的共享和重用等问题。

为便于车间生产管理系统与其它系统的集成和基于Web的MES软件系统开发，首先给出车间本体的知识集成框架，在此基础上分析企业生产车间领域和车间本体，构建一个比较完整的、具有明确语义的生产车间领域知识本体，提出了面向生产车间的领域本体体系和模型，用于描述车间本体中的基本概念集合和概念间关系集合。运用本体建模语言OWL实现车间知识的表达。

1 基于本体的知识集成框架

图1给出了车间本体的知识集成框架，从本体应用的全局出发，对车间本体建立及应用的优化有一定的作用。该框架描述了本体知识从形成到应用的全部过程，使得我们在使用本体时能从整体上考虑本体各个环境。该框架中的车间A领域、车间B领域及相关应用领域经过知识发现与获取形成局部本体;局部本体经过映射与合并后又会成为全局本体的一部分。全局本体存储到知识库中，供用户或者应用检索和推理使用。该框架的最主要元素如图1所示，主要包括 8个基本元素{DO，AF，LO，MM，GO，KB，QR，UA}。

图1 基于本体的知识集成框架

DO——车间领域，主要指企业内产品的制造执行有关的信息，包括制造车间的生产计划及调度、各种资源、WIP、工艺、质量和过程等。

AF——知识发现与获取。可以将领域中的有关信息、隐性知识和显性知识经过一定的算法转化成局部本体。

LO——局部本体。它是由车间领域知识产生的可共享的领域本体，也是整个企业的全局本体的一部分。

MM——本体映射与合并。通过本体的映射与合并，可以将局部本体中的概念转换成全局本体。

GO——全局本体。它是面向整个企业的本体，是由各个领域的局部本体经过处理后形成的;

KB——知识库。物理上存储本体知识的数据库，可以方便地用于知识的查询与检索。

QR——检索与推理。是用户使用最终形成的本体知识库的主要两个方面

UA——用户及应用。代表使用本体知识库的用户和应用等。

2 车间生产管理系统领域及本体结构

2.1 领域概述

车间生产管理系统，主要负责车间生产计划的执行和现场所有资源的管理和监控，在ERP与现场控制之间架起桥梁。

车间是产品生产的现场，是计划、资源等各类物流、信息流交汇的场所。对车间管理的好坏直接影响着计划的执行、订单的完成和企业的效益。

虽然车间生产管理系统有多种划分方法，但是基本上都包括工厂管理、工艺管理、质量管理和过程管理等功能［7］。

工厂管理:是生产管理的核心部分，包括生产资源管理、计划管理和维护管理等功能。

工艺管理:主要指工厂级的生产工艺管理，包括各种文档管理和过程优化等功能。

质量管理:以制造执行层的质量管理为核心，包括统计质量控制、实验室信息管理系统等。

过程管理:包括设备的监控与控制、数据采集等功能。

除了上述功能外，还应包含与企业资源计划、供应链管理、销售和服务管理、CAPP和CAD/CAM集成功能。

2.2 本体结构

本体可以存在于多个抽象层次，但一般都包括顶层本体和领域本体部分［8-9］。顶层本体是独立于领域的本体，提供了可用于异构系统的通用知识库框架，也提供了多个具体领域本体可获得的框架。由顶层本体表达的概念被确定为基本和通用概念，以确保在多领域内的一般性和表达性。顶层本体被限制于元概念、一般概念、抽象概念和哲学概念等。标准顶层概念有时也看作基础本体，或者通用本体。领域本体确定具体某一领域内的概念，从该领域角度表达这些概念和它们的关系。当相同概念存在于多个领域时，由于领域情景和假设的不同，概念表达可能有很大不同。领域本体可以扩展顶层本体所定义的概念。在领域本体开发过程中，重用已建立的本体可使人们利用已经内置于重用本体中相关概念和逻辑的丰富语义。

实际应用的本体结构有多种形式，一般也都有多个层，每个层都是本体的抽象，上一层都是下一层的更高级抽象，这样形成为倒立的树形，或者网形。因此，顶层本体使用时存在两种方式:自顶向下和自底向上。两种方法各有优点;前者把顶层本体用作领域本体中派生概念的基础;领域本体设计者可以利用内置于顶层本体的知识和经验;并且顶层本体的使用提供了所要构建的理论框架。后一种方法中，本体设计者将新的或者存在的领域本体与顶层本体相映射，这种方法也能利用内置于顶层本体的知识，但所期望的映射有很大难度，因为可能存在不一致的缘故。当然还可以将两种方法结合使用。

车间本体就是车间生产管理系统领域内的领域本体，也是企业本体的有机组成部分。

3 车间本体模型的构建

3.1 车间本体元模型

本体表达首先要确定领域中的概念以及这些概念之间关系，而确定元数据将有利于车间本体体系的建立。图2为车间本体的元数据模型，是车间数据经过提取后得到的模型。矩形表示本体的元数据，而箭头表示元数据之间的关系。组织由部门组成，并且拥有自己的目标和策略;组织中的业务由各个流程实现，每个流程由一到多个活动组成，每个活动同样由一到多个步骤组成;组织策略优化流程，部门中的员工执行活动;活动需要资源完成;组织目标产程的任务由员工完成，这需要拥有相应的技能和职权。

图2 车间本体元模型

车间资源是执行所有制造任务的基础，应当成为本体表达的主要方面。车间流程决定各类车间业务的执行能力，通过本体对流程以及流程相关内容的准确表达更有利于流程的高效运行和重构。文档通常是记录车间各类信息不可缺少的载体，需要对它进行追踪和表达。有效地表达员工的职务和技能对利用车间的资源有重要意义，所以通过本体对权限的表达可以规范员工对资源的操作，提高资源的利用效率。

3.2 车间本体体系的构建

由以上分析可知，领域本体体系结构需要有多个层次，一般包括顶层本体和领域本体;顶层本体可以参见文献［10］，而基于车间的领域本体可由上图的分析得到。由此构建了面向车间的领域本体体系如图3所示。

图3 车间本体体系结构

它的抽象层主要包括资源、流程、文档和权限等四部分。车间资源主要包括设备、工具、在制品(产品)和物料等;车间业务流程有许多，这里列出的只是其中的部分;文档除了企业规范、目标和策略外，还有生产计划、产品说明等等;访问权限是针对个人能力和系统安全的，主要包括人员、职权、权限和能力等。

车间本体体系的建立为本体语言在领域表达和应用提供强有力支持。

4 本体构建实例

下面以车间流程中生产计划与调度模块为例，说明基于本体的车间信息构建过程和知识表达方法。表1描述了本体知识表达的层次。第一层是抽象层，它描述了本体所要表达的类、关系、属性等，并且确定本体概念层所表示的内容;第二层是概念层，它将抽取车间中具体的概念，如人员、设备、工具、文件等;第三层是实例层，它将概念层中定义的概念实例化，就是对概念属性赋值，添加附加条件。

表1 本体表达层次

生产计划与调度模块是整个车间生产管理的核心部分，它包括生产计划和调度两个子模块。生产计划子模块根据企业下达的总体生产计划，通过CAPP获取生产该产品所需要的资源(包括人员、设备、工具、在制品等)来查询车间的生产能力，然后编制出日、周或月生产计划。生产调度子模块根据车间生产计划，结合车间日历和调度算法，得到各加工中心的具体作业调度情况。图4为生产计划与调度模块的Owl组成图，图中椭圆表示类，箭头表示类之间的关系。

图4 生产计划与调度的OWL组成图

下面仅就生产计划子模块的业务功能用Owl进行本体描述。要实现车间的生产计划编制主要需要Plan和Action这两个类(如图5)。类Plan通过调用Action来获取车间可用资源的情况和能力。

图5 Plan和Action类的类图

用Owl表示如下:

1)定义Action类

表达的语义是刀具具有 ActionID、Description、Status等数据属性，也拥有对象属性 AddResource、GetResource，用于关联 Resource类，这样就建立了Action类与Resource类之间的关系。Plan类调用Action类获得资源。

2)定义Plan类

由于用OWL描述车间领域本体模型比较庞大，本文只给出Protégé件对图5所示生产计划的部分描述，截取其中的描述片段进行说明，可用类似方法构造其它部分。Protégé件还可以实现OWL概念及其关系在数据库中的自动存贮，以实现本体概念的重用和共享，不再赘述。

5 结束语

本体是共享和重用概念模型的明确形式化规范说明，面向车间管理系统的领域本体是车间生产管理过程的知识化描述。本体可以很好地促进车间知识的共享和重用，也能方便地解决MES系统与其它系统之间的知识管理和信息交换，在一定程度上有效地解决了系统之间信息孤岛问题。本文根据生产车间的业务特点，构建了面向生产车间的本体模型，解决了MES系统的信息共享、重用和集成问题。但是目前本体开发缺少统一的方法和标准，本体的研究方向应是本体的设计和评价;提出统一而全面的方法体系，制定详细的指标将是未来的研究重点。

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［3］邵伟平，郝永平，刘永贤，等.基于分布式约束满足的产品配置研究［J］.东北大学学报(自然科学版)，2007(1):105－108.

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［5］朱文博，李爱平，刘雪梅.基于本体的冲压工艺知识表示方法研究［J］.中国机械工程，2006，17(6):616－620.

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［10］Salim K.Semy;Mary K.Pulvermacher;Leo J.Obrst.Towards the Use of an Upper Ontology for U.S.Government and U.S.Military Domains:An Evaluation.http://www.mitre.org/work/tech-papers/techpapers-04/04-0603/04-1175.pdf，September 2004.