焊接生产信息共享架构的设计与实现

原建伟，何玉辉，王 坤

（陕西工业职业技术学院信息工程学院，陕西咸阳 712000）

信息技术的发展影响着制造业的变革，新型信息技术的不断发展与成熟，进一步加速了这种变革。云制造是一种利用网络和云制造服务平台，按用户需求组织网上制造资源，为用户提供各类按需制造服务的网络化制造新模式［1］。云制造已经成为目前集成制造的一种延伸和发展，成为将来集成化制造的一个趋势，并能够将生产制造的各个环节通过互联网甚至是移动互联网集成在一起。云制造与云计算技术存在一定意义上的关联，云计算是基于互联网资源（IT 基础设施、平台、软件等）以按需、易扩展方式获取的技术［2］，而云制造则是将这一概念扩展至制造业，将各种生产过程中的资源纳入这个新体系之中。焊接生产是制造业中一个非常重要的制造环节，近些年焊接生产的信息化程度不断提高，从焊工信息管理系统到焊接工艺管理系统再到焊接专家系统，种类众多。另一方面，焊接设备的不断发展也促使设备的信息化发展，一些焊接设备已经能够支持网络功能，并且具备实现焊接工艺的网络化管理与监控的条件，对焊接质量控制和提高焊接制造过程中的敏捷性具有重要意义［3－5］。焊接生产是一个复杂的工艺体系，从委托工艺评定、制定工艺规程、委托热处理到委托检验等，将会涉及到不同的部门或企业。对于一些中小企业来说，外协加工是不可避免的一项业务，即使一些大型企业也一样存在分公司或不同部门之间的业务协作关系。探讨如何合理利用外协加工资源，优化配置，提高外协资源的利用率，降低资源使用成本是有意义的。云制造思想的提出，为求解复杂制造问题、制造与服务资源共享及开展大规模协同制造提供了可能，为制造企业更广泛和更优化地选择和利用外协加工资源提供了一条更好的思路［6－7］。在资源共享和虚拟化过程中，寻找一种能够将焊接生产过程中的信息资源规范化并实现跨平台访问的技术，是将焊接生产过程纳入到云制造体系之中的基础。

目前，通过计算机或网络实施焊接过程信息管理，通常采用数据库存储的方式，使用的数据库种类各异［8－10］，在不同数据库之间实现共享存在很多问题。对于云制造体系而言，工业过程的监控、信息融合、网络化制造方面的具体实施往往需要构建在以数据为驱动的模型上［11］，因此本文研究使用OWL语言设计焊接生产过程信息描述框架，并在异构数据库之间实现数据与信息的交换，从而在云制造过程中创建一个信息资源的规范化平台。

1 网络本体语言OWL

OWL（web ontology language）是网络本体语言的简称，由W3C在RDF／RDFS基础上结合DAML＋OIL 增加了描述类和属性的词汇，用于对本体进行语义描述，具有丰富的本体语言表达能力和推理能力［12－13］。OWL包含3种子语言：OWL Lite，OWL DL，OWL Full，每种子语言可以针对不同需求。从语法角度讲，OWL Lite最为简单，适于简单的层次和定义；OWL DL 描述能力更强，适于建立描述逻辑，并可以自动推理而在实际应用中使用较多；OWL Full有完全自由的RDF 语法，因此表达能力也最强，但因过于复杂却很少采用，本文使用OWL DL对焊接过程中产生的信息进行定义和描述，根据焊接过程中产生的信息特点，使用OWL语言中的Class（类）、SubClassOf（子类）和Property（属性）等概念构建焊接信息相关本体。

2 工艺信息共享架构的设计与实现

在现代焊接生产过程建立企业间的合作和协作非常普遍。在此过程中产生的信息包含各种工艺文件以及焊接过程中的一些附加信息，如焊接接头质量，焊接缺陷特征信息等。这个过程中涉及到的工艺文档种类较多，用于不同阶段，有着不同的使用目的，不同企业对这些信息的制定和表述存在着差异，同样在信息化过程中的存储技术和方式也有很大的差别。目前，在集成化、协作化的生产环境下，在生产过程中以保留企业自己的信息存储与表示方式为基础，建立在不同企业之间、工艺信息之间进行交换的公共桥梁是实现云制造的关键技术。

2.1 设计思路

实现不同企业之间数据共享架构的基础是统一的数据交换规则和处理方法，OWL 良好且丰富的描述能力为这一基础提供了最基本的支持。通过构建合理的数据交换模型，可以实现精确转换，基于XSLT 的跨平台转换描述模板实现对OWL 数据的显示，整体设计思路如图1所示。

图1 设计思路Fig.1 Design idea

2.2 数据交换模型

在数据转换过程中，需要有一套预先定义过的语法和语义规则需要根据这些规则对规则表达式进行语法和语义分析，并在执行过程中根据规则表达式实现转换。转换规则是对目标字段而言，每个目标字段对应一个规则。假定目标字段为Df，则Df的产生依赖于一个或多个数据源字段，称这些数据源字段为Sf，规则即一个函数表达式，见式（1）：

数据交换模型源于对已有数据的特征进行抽象，是已有数据库体的形式框架，在交换模型中数据交换模块是其核心，如图2所示。数据交换模块的作用是将源数据和目标数据表示成相应的数据文档和结构文档，并消除类型异构、语义异构、长度异构、精度异构、度量异构和联系异构等。

图2 数据转换模型Fig.2 Model of data transition

2.3 转换规则

数据转换到OWL时已经转换成文本，所以，在转换前后必须通过转换规则记录源数据与目标数据的结构信息。转换规则本质上是对2个体系中存在的各种异构进行融合，通过这种融合能使数据顺利地传递。

1）语义转换规则

2个系统在数据转换过程中，首先要解决的是语义转换，即对专业术语定义需要遵循统一的规则。就焊接工艺评定而言，很多术语在不同企业中的使用是有差别的，如“焊接工艺评定委托书”一词在有的企业就可能被称为“焊接工艺评定委托单”。对于焊接方法，有的称为“施焊技术”，因此需要在转换规则中将此类术语建立起对应关系。

OWL中提供类和属性之间的等价关系（owl：equivalentClass；owl：equivalentProperty），这在将2种本体组合在一起时非常有用。通过这种等价关系能够说明一个本体中的某个类或者属性与另一个本体中的某个类或者属性是等价的。

以下描述是采用等价属性对焊接方法术语进行定义，说明“焊接方法”和“施焊技术”具有相同意义，都是焊接方法的术语。

2）类型转换规则

不同数据库系统对数据类型的定义不同，不仅仅是名称的差别，还包括存储字节和精度的不同，因此需要构建一个转换规则实现双向准确转换。以常用Access和SQL Server之间的转换为例介绍转换规则的制订。

这两种数据库的数据类型存在一定差别，一种情况是对同一种数据类型的名称上存在不同，另一种情况是SQL Server中有一些Access没有的数据类型。对于前一种情况，通过OWL 的equivalent－Property将两种数据库中同一种数据类型或相近数据类型建立起等价关系。后一种情况使用有条件的等价关系，在创建等价关系时，根据存储字节或者表述范围创建包含转换限定条件的等价关系，图3是系统在对2种不同数据库中相同或相似数据类型进行转换示意图。

图3 数据转换Fig.3 Data transition

如表1中所示进行对比的数据类型，主要是名称不同，存储字节与表示范围都一致，对于这些类型比较容易实现转换，只需要建立起等价属性即可。其中有一对较为特殊的数据类型需要特殊处理，Access中的Boolean 表示布尔型数据，在SQL Server中并没有完全与其对应的数据类型，因此采用Bit与其对应，Bit类型存储值为1或0的数据也接受1和0以外的整数值，但总是将其解释为1，故可以将1等价于True，0等价于False。

表1 相同或相似数据类型Tab.1 Same and similar data type

下面部分代码表示Access 中的Boolean 与SQL Server中Bit之间的转换。

对于存在范围差异的数据类型，处理起来较为复杂。这种差异表现在2个方面，一是存储字节的差别，一是定义范围的差别。表2中显示在Access中Decimal类型与SQL Server中的Decimal类型的存储字节不同，从SQL Server中的存储数据转换到Access中就有可能出现超出表示范围的可能。另外，用于记录时间和日期的数据类型在不同数据库体系中存在差异最多，即使存储位数相同，可能表述的日期范围也存在不同，因此针对这类数据的转换需要采用较为复杂的转换方式。根据这些数据类型的特点，除了建立等价关系之外，还需定义一个规则类Rules，在其下定义子类Comparesign，该子类用于定义取值范围，并通过规则建立不同范围数据的有效性验证。

表2 存在差异数据类型Tab.2 Diversity data type

子类Comparesign 定义属性（LT，GTE，GT，LTE，EQ，NEQ）用于对数据以及数据范围进行比较，从而确定两种数据类型的范围是否在同一个区域，以及判断具体存储数据是否存在超出范围。图4中ADValue和SDValue建立等价关系，用于转换数据，SDmin属性通过建立规则实现对SDValue转换至ADValue时数据范围的验证。

2.4 数据转换

图4 数据等价关系Fig.4 Equivalence of data

目前可用于处理RDF（S），OWL的推理接口有Jess，Racer，Jena等。Jena是较为常用的处理工具之一，它是一种用来构建语义Web应用的Java框架，它提供了有关操作RDF，RDF（S）和OWL 的接口方法以及基于规则的推理引擎编程环境，可以动态实现对传统数据的访问及推理，输出某些处理结果［14－16］。类 型 转 换 规 则 前 期 使 用Protege 进 行 创建，并创建转换规则。Jena中推理子系统提供了基于规则的推理机实现推理功能。Jena通过Model－Factory实现访问推理机制，首先根据已创建的规则注册推理机（Reasoner Register），把推理机和需要进行查询推理的本体绑定在一起，得到进行检索的模型对象（InfGraph），最后借助Ontology API和Model API对已建立的模型对象进行操作和处理，通过对概念的推理，完成基于语义的信息检索及数据转换，转换流程如图5所示。

图5 转换流程Fig.5 Transition flow

2.5 样式转换

通过数据转换平台，企业之间建立起统一的数据交换体系。在这种情况下，各企业之间依然可以利用原有的系统使用数据和显示工艺信息，但通用的显示接口可以更好地实现信息交换与企业合作。OWL本质上是采用XML书写，因此，使用XSLT 对其进行查询和显示。在转换过程中，XSLT 使用XPath定义源文档时可匹配一个或多个预定义模板的部分。当找到所匹配的内容时，XSLT 会将源文档的匹配部分转换为结果文档。预定义模板灵活多样，可以根据不同企业需求创建符合企业规范的预定义模板，所以同一工艺可以适应不同企业的工艺单样式，很好地实现企业间工艺信息共享的目的。图6中2 个表格是基于同一个OWL 的工艺文件并经过不同XSLT 转换后显示出来的结果。2 个XSLT 文件分别按照不同企业的工艺文件样式进行制作。

图6 经过XSLT 转换的工艺卡Fig.6 Technology card based on XSLT

根据以上设计思想与转换框架对2家相关企业焊接工艺信息进行共享和融合。2家企业存在生产依托关系，A 企业为B 企业焊接生产某零件，该零件焊接工艺较为复杂。两企业都部分或全部实现生产工艺的信息化建设，有实现资源共享的基础，但系统各自建设，存在差别。首先分析两企业的焊接过程管理信息化与底层数据库构成，在此基础上设计转换规则，并进一步根据各企业相关文件样式设计XSLT 文件对转换后的数据进行显示。

3 结 论

针对目前焊接制造过程中协作企业间信息转换与共享存在的问题，提出以OWL 表述焊接工艺信息的思路，对不同企业的焊接生产过程数据库系统进行转换。开发了基于Jena的转换程序与相关转换规则，并根据企业不同需求，采用XSLT 进行不同模板样式的转换。转换结果精度高，数据安全性好，证明了该方法具有良好的可行性和较高的推广价值。

／References：

［1］ 李伯虎，张霖，王时龙，等.云制造——面向服务的网络化制造新模式［J］.计算机集成制造系统，2010，16（1）：1－7.LI Bohu，ZHANG Lin，WANG Shilong，et al.Cloud manufacture：A new service－oriented networked manufacturing model［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2010，16（1）：1－7.

［2］ 赵晖，邢攀科，秦乐乐，等.基于“云计算”的人力资源档案信息决策支持系统的研究［J］.河北工业科技，2013，30（2）：73－76.ZHAO Hui，XING Panke，QIN Lele，et al.Study on human resources file management support system based on cloud computing［J］.Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2013，30（2）：73－76.

［3］ 黄坚，崔志方，皮佑国.基于网络控制的焊接知识管理系统［J］.电焊机，2009，39（9）：34－37.HUANG Jian，CUI Zhifang，PI Youguo.Research on welding knowledge management system based on network control［J］.Electic Welding Machine，2009，39（9）：34－37.

［4］ 王雷，李震，刘志虎，等.基于信息素的制造系统动态协调研究［J］.河北科技大学学报，2014，35（4）：318－323.WANG Lei，LI Zhen，LIU Zhihu，et al.Research on pheromone－based dynamic coordination for manufacturing system［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2014，35（4）：318－323.

［5］ DORIGO M，BONABEAU E，THERAULAZ G.Ant algorithms and stigmergy［J］.Future Generation Computer Systems，2000，16（8）：851－871.

［6］ 尹胜，尹超，刘飞，等.云制造环境下外协加工资源集成服务模式及 语 义 描 述［J］.计 算 机 集 成 制 造 系 统，2011，17（3）：525－532.YIN Sheng，YIN Chao，LIU Fei，et al.Outsourcing resources integration service mode and semantic description in cloud manufacturing environment［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2011，17（3）：525－532.

［7］ 朱志明，纪圣儒，周雪珍，等.基于ASP.NET 的B／S模式焊接工艺文档编制与管理系统开发［J］.电焊机，2006，36（5）：36－40.ZHU Zhiming，JI Shengru，ZHOU Xuezhen，et al.Development of design and management system for welding process documents with Browser／Server mode based on ASP.NET［J］.Electic Welding Machine，2006，36（5）：36－40.

［8］ GOEL V，LIAO T W，LEE S K.A shielded metal arc welding expert system［J］.Computers in Industry，1993（2）：121－129.

［9］ 郭正华，温聪灵，郭吉萍.真空电子束焊CAPP系统的研究［J］.热加工工艺，2010，39（5）：118－120.GUO Zhenghua，WEN Congling，GUO Jiping.Study on CAPP system of vacuum electron beam welding［J］.Hot Working Technology，2010，39（5）：118－120.

［10］ 刘兆甲，张文明，焦万才，等.焊接工艺查询与管理系统设计［J］.电焊机，2008，38（1）：17－19.LIU Zhaojia，ZHANG Wenming，JIAO Wancai，et al.Design of querying and managing system for welding technology［J］.Electic Welding Machine，2008，38（1）：17－19.

［11］ 陈华伟，刘国平，涂海宁，等.数据驱动的制造系统快速建模技术［J］.河北科技大学学报，2014，35（6）：504－511.CHEN Huawei，LIU Guoping，TU Haining，et al.Data－driven rapid modeling of manufacturing system［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2014，35（6）：504－511.

［12］ SIDDIQUI F，ALAM M A.Web ontology language design and related tools：A survey［J］.Journal of Emerging Technologies in Web Intelligence，2011，13（1）：47－59.

［13］ 宋岚，黄兆华.基于本体的语义推理研究［J］.华东交通大学学报，2007，24（2）：78－81.SONG Lan，HUANG Zhaohua.Study of semantic reasoning based on ontology［J］.Journal of East China Jiaotong University，2007，24（2）：78－81.

［14］ 柳亚琴，温彩玲，余雪丽，等.RDF 在语义Web知识表示中的作用［J］.太原理工大学学报，2006，37（2）：146－149.LIU Yaqin，WEN Cailing，YU Xueli，et al.Studying on RDF’s role in knowledge representation on the semantic Web［J］.Journal of Taiyuan Univserty of Technology，2006，37（2）：146－149.

［15］ 何来坤，缪健美，刘礼芳，等.基于Ontology与Jena的研究综述［J］.杭 州 师 范 大 学 学 报（自 然 科 学 版），2013，12（5）：467－473.HE Laikun，MIAO Jianmei，LIU Lifang，et al.Overview of Ontology and Jena［J］.Journal of Hangzhou Normal University（Nature Sciences Edition），2013，12（5）：467－473.

［16］ 谭月辉，肖冰，陈建泗，等.Jena推理机制及应用研究［J］.河北省科学院学报，2009，26（4）：14－17.TAN Yuehui，XIAO Bing，CHEN Jiansi，et al.The suvery of Jena’s reasoning and applying［J］.Journal of the Hebei Academy of Sciences，2009，26（4）：14－17.