加工制造能力的本体建模

孙东南++郑敏利+姜云霞+付祥夫

摘要：针对加工制造资源本身的特点，从其固有属性出发，把加工制造资源中的关键资源一人力资源、设备资源、知识资源，动态关联起来，集成一体，形成新的加工制造能力定义。通过形式化描述建立加工制造能力的本体模型，定义其本体中的类、属性及类间关系等内容。并通过运用OWL语言，利用Prot6964.3本体编辑软件对加工制造能力的子能力一铣平面能力进行本体建模，实现其本体建模的实例验证。

关键词：加工制造能力；资源集成；形式化表达；本体建模

DOI：10.15938/j.jhust.2016.03.012

中图分类号：TG506 文献标志码：A 文章编号：1007—2683（2016）03—0058—06

0引言

随着网络化技术日臻成熟，互联网的发展进程在不断加快，作为国家经济重要支柱的制造业也受其影响，其发展与网络的联结变的越来越紧密。2013年，德国在汉诺威工业博览会上正式推出“工业4.0”这一概念，“工业4.0”战略旨在通过建立信息物理融合系统（CPS）网络，搭建智能工厂，实现智能制造。我国国务院也于近期发布了工业4.0中国版——中国制造2025，其主旨与德国版工业4.0异曲同工，提倡智能制造，鼓励信息化技术应用于制造业。未来制造业正在向智能化、网络化、数字化的趋势发展，网络化制造时代即将到来。

在网络化制造环境下，要实现分散制造资源的共享与集成，达到不同企业、组织间的协同设计、协同制造、协同服务，让制造资源更充分、高效的为企业、组织所使用，对制造资源的能力的研究显得尤为重要。加工制造能力作为一种重要的制造能力，涉及到底层加工制造资源与任务，为网络化制造的有效实现提供基础。要实现其在应用过程中的按需使用与流通，建立加工制造能力模型首当其冲。

对于加工制造能力方面的建模，以往的学者对其研究的很少，加之本文所提出的加工制造能力定义为一种制造资源的集成，所以借鉴制造资源建模方面的研究，进而推出加工制造能力的建模方案是切实可行的。目前对制造资源建模的研究主要采用OWL语言和基于本体的方法。涂志垚等在分析OWL语言表达特点的基础上，把其应用到网络化制造本体构建上，提出了一种本体构建的通用方法。贺文锐等人针对共享资源的地理和管理策略上的差异，运用OWL建模语言，构建了面向制造功能描述的资源信息模型。H.K.Lin等在支持信息自主权，允许个体的团队成员保持自己的首选语言或信息模型的基础上，建立了制造系统工程知识（MSE）本体模型。郑立斌等建立了制造资源本体分类树，提出了动态联盟企业组合粒度信息表示方法并对基于Web工艺划分的服务模型进行了描述。

从以往的学者研究中可以发现，其大多只是针对单一制造资源进行建模，并没有将各种制造资源进行动态组合。本文通过分析加工制造资源本身固有属性，有效集成人力资源、知识资源、设备资源，形成新的加工制造能力，并对其进行形式化表达，建立本体模型，为加工制造能力有效接入网络提供了入口，便于企业、组织间对能力资源的搜索与调配。

1加工制造能力的重新定义

1.1加工制造资源概念

在制造系统中，制造资源处于系统底层，为制造任务的完成提供基本的物质供给，成为制造者从事生产加工活动的基础。根据不同的使用范围，制造资源分为两大类，广义制造资源和狭义制造资源。

广义制造资源指在产品全生命周期中，从事一切生产活动过程中所涉及到的所有软、硬件资源的总和。

狭义制造资源指在制造单个零件过程中，为制造过程所需要的物质资源。

加工制造资源属于狭义制造资源，是指在制造单个零件的加工过程中，为加工任务所需要的各种资源：设备资源（机床、刀具、夹具等）、人力资源、知识资源等。

加工制造资源按照资源的属性和用途，本文将其分为4类：①设备资源，是在车间具有具体制造能力的资源的抽象，为加工任务提供基本设备保障。主要包括机床、刀具、夹具等。②人力资源，在整个加工制造过程中，组织和调用其他资源的能动资源，本文主要指加工操作者（车工、铣工等）。③知识资源，为加工制造提供智慧辅助，以书面文件、计算机软件等形式存在，包括书籍、国标、知识库、实例库等。④材料资源，为制造某种零件所提供的原材料、毛坯和成品等。

1.2加工制造能力的定义与分类

本文所提出的加工制造能力是从微观资源的角度出发，是指加工制造资源以动态组合的方式来完成加工制造任务的过程中，其整体所发挥出的功能。具体的加工制造能力的定义如下：

加工制造能力根据某项加工要求，针对零件的几何特征，通过人力资源（加工操作者）集成设备资源和知识资源来完成加工任务的过程中，在资源固有属性的约束下，资源集合体（人力资源、设备资源、知识资源）在这一过程中所发挥出的相应的功能的体现。

从微观资源角度出发，传统对加工制造能力的定义，只是单独考虑了资源本身（机床、刀具等）的机械加工性能，并没有将各类加工制造资源动态联系起来。本文所提出的加工制造能力是在加工制造过程中，抽象于底层加工制造资源（设备资源、知识资源、人力资源）的组合，为需求者提供具有高附加值的加工制造资源的组合服务和完善的资源供给方式。加工制造能力定义如图1所示。

由于切削类加工是制造车间主要应用的加工类型，所以本文针对切削类加工制造能力资源建立加工制造能力模型。切削类加工制造能力根据加工复杂程度可分为单一切削加工制造能力和复合切削制造能力，复合加工制造能力是单一加工制造能力的叠加。单一加工制造能力按加工方式可分为车削加工能力、铣削加工能力、刨削加工能力等，再按照加工对象的几何特征可进一步划分成车外圆能力、车螺纹能力、铣平面能力等。复合加工制造能力可分为二维复合加工制造能力、三维复合加工制造能力和多维复合加工制造能力，根据其叠加项，还可以进一步划分，例如二维复合加工制造能力又可分为车铣能力、镗铣能力等，其中车铣能力是车削能力和铣削能力的组合，在图中已由引线标出，其他复合能力类似，均已由引线标出。具体切削加工制造能力分类如图2所示。