领域本体构建研究

王学厚

（江西洪都航空工业集团有限责任公司，江西 南昌 330024）

0 引言

本体来源于希腊单词“to be”[1-2]，最初只是哲学的一个分支，近十几年来随着本体研究的深入，本体已经扩展到人工智能、计算机语言、数据库等领域并得到了广泛应用。在计算机范畴，本体是一种共享知识库的方法，通过框架系统的描述客观存在的概念以及概念间的相互关系，定义了某个领域的公共词汇表，供该领域的研究人员进行共享。到目前为止对于本体还没有统一的定义，美国斯坦福大学的Gruber对本体的定义得到了广泛的认可[3]：“本体是用来帮助程序和人共享知识的相关概念的规范描述”。领域本体是用于描述特定领域知识的一种专用本体[4-5]，构建领域本体的目的是捕获该领域的相关知识，确定领域中共同认可的词汇，提供对领域知识的共同理解，并以不同的形式化模式给出词汇之间相互关系的定义[6]。

在车间业务活动领域目前并没有形成行业认可的本体模型，在进行车间业务活动建模时不同的建模人员之间由于表达习惯不同在对同一个概念进行定义与描述时存在语义上的差异，导致知识很难进行共享并且不容易被计算机理解[7-8]。为了消除车间业务活动领域中的术语以及概念在语义上的歧义，便于领域知识的获取、存储与共享，本文建立了车间业务活动领域本体，主要用于车间业务活动建模。

1 车间业务活动领域知识模型

车间在进行业务活动时涉及到一系列与业务活动相关的数据、状态、处理过程等信息，这些信息是对业务活动客观事实的反映与描述，对其进行分析与组织后可转换为业务活动领域知识。本文采用概念、特征和规则的三层结构对车间业务活动领域知识进行划分。概念层面的知识描述了车间业务活动领域中的术语、活动的属性、操作等；特征层面的知识描述了业务活动的状态、活动执行过程、活动的输入/输出等；规则层面的知识是对业务活动执行过程中的执行顺序、业务规则等的定义与描述。综上所述，车间业务活动领域知识包括以下几个方面：①车间业务活动领域的相关概念和术语。②业务活动的属性、操作、执行过程、输入/输出等特征。③业务活动执行顺序、业务规则等规则性知识。④业务活动的概念、术语、特征等之间的相互关系。

按照上面几个要素对车间业务活动领域知识进行分析得到图1中的元模型。

图1 车间业务活动领域知识元模型

图2 车间业务活动领域知识分类

在图1元模型基础上对车间业务活动领域进行综合分析后可对其进行如图2中的划分：产品定义知识、计划管理知识、生产派工知识、动态调度知识、质量管理知识、现场管理知识、制造资源管理知识、生产监控知识与统计知识。

（1）产品定义知识包括产品数据与技术要求等。产品定义是车间安排产品生产的基础和依据，包括产品型号、名称、材料牌号、图号、尺寸要求、公差、表面粗糙度等。

（2）计划管理知识包括任务接收、月计划管理、批次计划管理、详细作业计划管理等。计划管理是连接企业生产计划与车间计划的桥梁，负责接收企业生产计划并进行分解，生成可指导生产的车间月计划、批次计划与详细作业计划，同时为绩效考核、节点控制等提供依据。

（3）生产派工知识包括派工单生成与下发与派工修改。生产派工在车间计划生成后将计划下发到车间现场进行生产，派工方式包括派工到设备、派工到人员等，同时当计划发生变化后，负责对派工结果进行修改。

（4）动态调度知识包括外协管理、批次拆分与合并、任务挂起与终止等。动态调度对生产现场异常情况的处理，保证生产顺利进行，包括异常处理规则、任务临时更改规则、设备更换规则等。

（5）质量管理知识包括检验信息管理、不合格品处理等。质量管理负责采集产品生产过程中的质量信息，包括首检、三检、终检等，还包括对不合格品判定标准与处理方式，包括让步接收、返修、报废等。

（6）现场管理知识包括现场数据采集、中转区管理。现场管理是对生产过程中的领活、完工等数据进行采集，并对产品临时中转区进行管理，是工时统计、绩效考核、生产监控等的重要数据来源。

（7）制造资源管理知识包括工艺管理、图纸管理、设备管理、人员管理、工装管理等。制造资源管理对制造过程中需要用到的资源进行管理，包括这些资源的数量、状态、位置等，保证资源的可用性以确保生产过程顺利进行。

（8）生产监控知识包括任务监控、设备监控、人员监控等。生产监控是车间管理层获得现场生产情况的重要手段，在对现场管理中采集到的生产数据进行分析与汇总后以图表等形式展现给管理人员。

（9）统计知识是对车间生产情况、成本、质量信息等的汇总，包括年度、季度、月度生产统计、质量信息统计、成本统计、能耗统计等以及在统计过程中用到的规则与算法等。

2 车间业务活动领域本体元模型

车间业务活动领域本体是对车间业务活动领域知识的建模与描述，可以作为业务领域知识的获取与存储工具。本文以活动为粒度对车间业务活动本体进行划分，对车间生产及管理过程中涉及的活动以及活动进行的过程进行分析后从概念类、属性、关系、属性约束四个方面建立了图3中的本体元模型，在元模型中：

（1）概念类是对车间业务活动领域中类的定义，定义了领域中的术语概念。概念类包括活动、事件、资源、规则。活动是领域本体的基本粒度，是对车间为了完成某个特定目标而进行的业务活动的定义；在业务活动实现过程中需要进行一系列操作，事件提供对这些操作的定义；资源是对活动与事件完成过程中涉及到的实体的定义，例如零件、图纸、工艺等；在完成活动与事件的过程中需要遵守相应的业务规则与约束，规则提供对这些业务规则与约束的定义。

图3 车间业务活动领域本体元模型

（2）属性表示车间业务活动领域中概念类的属性集合，是对概念属性与特征的定义与描述。属性主要包括以下几个方面：①概念的固有属性或内在属性；②概念的外部属性如名称、描述等；③概念的组成部分。

（3）关系表示概念类之间、概念类与属性之间的关系，包括 part-of，instance-of，attribute-of，kindof四种基本关系，part-of表示概念类之间整体与部分的关系，例如活动由事件组成，两者间的关系即为part-of；instance-of表示概念实例与概念类之间的关系；attribute-of表示一个概念是另外一个概念的属性，例如活动名称、活动描述与活动之间的关系就是attribute-of；kind-of表示概念间的继承关系。在实际本体建模中可不局限于这四种关系，根据实际情况可以定义新的关系以满足实际情况需要。

（4）属性约束表示在车间业务活动领域中属性的约束条件，例如属性的取值范围、取值类型、个数等。

3 车间业务活动领域本体构建

根据车间业务活动知识的分析与建立的业务活动领域本体元模型，本文在采集到的车间业务活动领域知识基础上建立了车间业务活动领域本体。车间业务活动领域本体的建立过程如图4所示。

本体建立过程分为以下五个步骤：

（1）获取领域知识。基于已有领域本体与领域知识，在领域专家的参与下获取车间业务活动领域的知识，对已有领域本体与知识的重用能够提高知识获取的效率，减少知识获取工作量。

（2）确定术语。在收集得到的领域知识基础上，对领域中的概念进行列举，并将概念的性质和属性定义为术语。术语的获取是车间业务活动领域本体构建的关键环节之一。

图4 业务活动本体建立过程

（3）确定本体中的类以及类之间的关系。确定本体中的类的过程即为领域中的术语给出明确的定义的过程，本体中类与类之间的关系即术语间的相互关系，关系可分为概念类之间的关系与概念类与属性间的关系两种。

（4）确定类的特征或属性。对类的属性进行定义，从各方面对类的组成结构进行描述，并确定属性的取值范围、取值类型以及个数等。

（5）建立本体。采用Protégé作为工具建立车间业务活动领域本体。在Protégé的图形用户界面中可以可视化地进行属性和实例的创建、修改和维护等操作；同时Protégé还提供了可扩展的API接口，外部应用程序可以方便地与本体知识库相连；可以使用包括 RDF、OIL、DAML、DAML+OIL 和 OWL 等语言构建本体，并支持数据库存储。OWL为定义概念、表达概念的属性及其相互关系提供了统一的语言基础，因此采用OWL进行本体描述。

4 结束语

在车间业务活动领域目前并没有形成行业认可的本体模型，导致车间业务活动领域中的术语以及概念在语义上存在歧义。为解决此问题，本文构建了车间业务活动领域本体，主要用于车间业务活动建模。首先采用概念、特征和规则的三层结构对车间业务活动领域知识进行划分，通过对车间业务活动领域知识进行分析得到车间业务活动领域知识元模型；在元模型基础上对车间业务活动领域进行综合分析后，对车间业务活动领域知识进行划分；从概念类、属性、关系、属性约束四个方面建立了车间业务活动领域本体元模型；最后根据车间业务活动知识的分析与建立的业务活动领域本体元模型，构建了车间业务活动领域本体，论述了本体建立过程。

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