一种基于本体的分布式制造资源模型及其构建方法

1.本发明涉及云制造领域，具体的，涉及一种基于本体的分布式制造资源模型及其构建方法。


背景技术：

2.制造资源是企业进行生产活动所必需的物质因素，同时作为云制造系统中的基本构成元素，是资源信息管理、资源调度以及信息共享的基础。因此，制造资源信息描述是否科学准确，直接关系着制造资源信息管理的难易程度和资源调度配置的效率。
3.云制造是利用物联网、云计算等技术将各类软硬制造资源、制造能力虚拟化封装后接入云平台，作为一种服务提供，实现资源集中管理、服务优选分配、过程监管、服务质量能力评估的产品制造全生命周期服务。云平台作为实现云制造的关键技术与重要媒介，承载着连接底层分布式制造资源和上层的工业软件的作用，根据不同行业提供着深度细分工业应用，主要集中于以数据预测性分析为主的资产运维优化领域，但是对于分析复杂度较高资源匹配协同的领域还需要更高的数据分析能力以及长期的工业积累。
4.然而，在云制造环境下，制造资源本身所具有的多样性、复杂性和异构性等特点，从而使得对资源的定义也多样各异，现有采用对每一类别制造资源进行分别建模，工作量大且扩展性低，同时现有的资源描述方式缺乏统一的数据标准。因此，亟需统一规范的制造资源描述以提升平台的数据分析能力。


技术实现要素：

5.针对上述技术问题，本发明提供一种基于本体的分布式制造资源模型及其构建方法，采用从一类模型中抽象出来的通用模型作为元模型，子模型继承元模型的属性，这样形成的一种多层次的继承关系，同时建立了自定义属性库，用户可以根据需求定义自定义属性，如此，增强了异构资源的可扩展性，为平台应用提供规范标准的数据。
6.本发明提供了一种基于本体的分布式制造资源模型，包括
7.制造资源属性库，包括标准属性库和自定义属性库，标准属性库用于描述制造资源的标准属性，自定义属性库用于描述根据用户需求定义的自定义属性；
8.制造资源类型层，由多种资源类型封装而成，其中每种资源类型的基本属性中的属性列表包括所述制造资源属性库的标准属性及/或自定义属性；
9.制造资源实例层，由多个资源实例封装而成，其中每个资源实例包括基本信息和属性信息，基本信息中的所属资源类型为所述制造资源类型层的一种资源类型，属性信息包括多个基于所述制造资源类型层的一种资源类型的属性列表进行赋值的属性值；以及
10.服务资源层，由多个服务资源封装而成，所述制造资源实例层的多个资源实例依据产品约束条件划分为多个服务资源，每个服务资源包括所述制造资源实例层的一个或多个资源实例。
11.较佳地，每种资源类型的基本属性除了属性列表还包括类型名称、所属根类型、类
型备注、功能标签及创建人。
12.较佳地，所述基本信息除了所属资源类型还包括实例编号和实例名称，所述属性值包括该资源实例的制造能力信息和状态信息。
13.较佳地，所述产品约束条件包括产品粒度、产品制造方式和产品类型。
14.较佳地，所述服务资源包含服务基本信息、服务信息四元组、服务质量信息、状态信息和制造资源实例列表，其中服务基本信息包括服务资源id、服务资源名称、地理位置、服务粒度；服务信息四元组包括服务对象、生产周期、服务价格、服务能力；服务质量信息包括产品合格率、交付时间、服务信誉、服务响应速度、客户评价；状态信息包括运行中、空闲、维护中、轻负荷、满负荷、超负荷；制造资源实例列表包括该服务资源的所有资源实例组合。
15.较佳地，所述服务资源包含服务基本信息、服务信息四元组、服务质量信息、状态信息和制造资源实例列表，其中服务基本信息包括服务资源id、服务资源名称、地理位置、服务粒度；服务信息四元组包括服务对象、生产周期、服务价格、服务能力；服务质量信息包括产品合格率、交付时间、服务信誉、服务响应速度、客户评价；状态信息包括运行中、空闲、维护中、轻负荷、满负荷、超负荷；制造资源实例列表包括该服务资源的所有资源实例组合。
16.较佳地，所述制造资源属性库、所述制造资源类型层、所述制造资源实例层及所述服务资源层构成所述基于本体的分布式制造资源模型的静态资源模型，所述基于本体的分布式制造资源模型还包括动态资源模型，所述动态资源模型包括：采集模块，用于采集车间的动态数据；传输模块，用于传输所述动态数据；处理模块，用于处理从所述传输接口接收的动态数据；以及存储模块，用于存储经处理模块处理的数据，并与所述静态资源模型中的数据进行融合。
17.本发明还提出了一种基于本体的分布式制造资源模型的构建方法，包括以下步骤：
18.步骤一、构建制造资源属性库，即
19.搜集制造资源的标准属性建立标准属性库，
20.及根据用户需求定义的自定义属性建立自定义属性库；
21.步骤二，构建制造资源类型层，即
22.将多种资源类型的基本属性映射存储到数据库中，其中基本属性中的属性列表包括所述制造资源属性库的标准属性及/或自定义属性，及
23.将多个资源类型封装成所述制造资源类型层；
24.步骤三，构建制造资源实例层，即
25.基于所述制造资源类型层的多种资源类型构建多个资源实例，其中每个资源实例的基本信息中的所属资源类型为所述制造资源类型层的一种资源类型，每个资源实例的属性信息包括所述制造资源类型层的一种资源类型的属性列表，
26.对属性列表中的每个属性赋予属性值，及
27.将多个资源实例封装成所述制造资源实例层；
28.步骤四，构建服务资源层，即
29.将所述制造资源实例层的多个资源实例依据产品约束条件划分为多个服务资源，其中每个服务资源包括所述制造资源实例层的一个或多个资源实例，及
30.将多个服务资源封装成所述服务资源层。
31.较佳地，所述步骤一中的搜集制造资源的标准属性建立标准属性库包括：采用mysql数据库建立标准属性库；采用jdbc技术关联mysql数据库实现对标准属性的读取；及采用java web技术将存储在mysql数据库中的标准属性实现获取并显示。
32.较佳地，所述步骤二构建制造资源类型层具体包括：多种资源类型所具有的基本属性通过java实体类映射存储到mysql数据库中，所述基本属性包括类型名称、所属根类型、类型备注、功能标签、属性列表及创建人；及通过选择所述属性列表，将多种资源类型封装为所述制造资源类型层。
33.较佳地，所述步骤一、所述步骤二、所述步骤三及所述步骤四构成所述基于本体的分布式制造资源模型的静态资源模型构建方法，所述基于本体的分布式制造资源模型的构建方法还包括动态资源模型构建方法，所述动态资源模型构建方法包括：数据采集客户端采集车间的动态数据；kafka传输接口将采集的动态数据传输至数据处理模块；数据处理模块从kafka数据包中解析需求的资源信息，并进行定义和类型转换；以及将处理后的数据存储至hdfs数据库，并与所述静态资源模型中的数据进行融合。
34.与现有技术相比，本发明提出的基于本体的分布式制造资源模型及其构建方法具有以下优点：
35.(1)采用本体语言将制造资源描述成资源-属性-值这样三元组的形式，通过这样的方式可以很好的描述制造资源的属性。并可通过xml schema editor将其转化为xml语言，以便与资源管理平台的数据交换。
36.(2)采用资源管理平台对资源实例进行注册和管理，相比于手动的本体实例化数据填充，提升了封装效率。此外，采用元模型和子模型，形成一种多层的继承关系：制造资源类型层继承制造资源属性库中的属性，制造资源实例层继承了制造资源类型层，并对其进行数据填充，服务资源层又是对不同的资源实例进行整合与封装。
37.(3)采用可扩展的建模方法，具体可表现为两个方面，一方面，标准的资源属性库不是静态库，而需要不断地更新和维护。另一方面，用户也可以根据个性化需求自定义属性。同时自定义属性也对标准属性库具有正反馈作用，对于频繁使用的自定义属性，可将其添加到标准属性库中。
38.(4)融入动态属性，可以实时反应制造资源的状态，有利于提高本体实例对制造设备状态表征的准确性和有效性。
附图说明
39.图1为本发明一种实施例的基于本体的分布式制造资源模型的结构图；
40.图2为本发明一种实施例的基于本体的分布式制造资源模型的制造资源属性库的属性结构树图；
41.图3为图2对应的数据模型图；
42.图4为本发明一种实施例的基于本体的分布式制造资源模型的制造资源类型层的属性结构树图；
43.图5为图4对应的数据模型图；
44.图6为本发明一种实施例的基于本体的分布式制造资源模型的制造资源实例层的属性结构树图；
45.图7为图6对应的数据模型图；
46.图8为本发明一种实施例的基于本体的分布式制造资源模型的动态资源模型的构建流程图；
47.图9为本发明一种实施例的基于本体的分布式制造资源模型的动态资源模型的构建方法及注册管理平台的流程图。
具体实施方式
48.为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
49.下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
50.本发明提出一种基于本体的分布式制造资源模型及其构建方法，如图1所示，所述基于本体的分布式制造资源模型包括三层结构，第一层是制造资源类型层，附带制造资源属性库，制造资源属性库包括标准属性库和自定义属性库；中间层是制造资源实例层；第三层为服务资源层。下面结合图2～7分别介绍每一层的具体定义和实现方式。
51.附带层：制造资源属性库
52.制造资源属性库包括标准属性库和自定义属性库，标准属性库用于描述制造资源的标准属性，自定义属性库用于描述根据用户需求定义的自定义属性。制造资源属性库用于构建下述的制造资源类型层。
53.如图2所示，制造资源属性库用于描述属性自身的信息，属性包括属性名称、属性标识符、属性类型、属性值类型和属性值单位。标准属性库是由网络化协同制造系统的平台方规定的标准，作用在系统的全局域，企业用户只需在标准属性库中选择所需的属性来定义制造资源类型层即可。自定义属性库弥补标准属性库中无企业用户所需属性的不足，自定义属性库只属于创建该属性的企业用户，同时也可用于标准属性库的更新。虽然属性库在概念上分为两种，但是二者底层的描述模型是一致的。
54.如图3所示，将图形化的属性结构树转换为属性的数据模型。attri表示属性本身；attriname表示属性名称；attriidentifier表示属性唯一标识符，在后续关于属性的数据信息操作中主要以属性的标识符为操作对象；attritype表示属性类型，包括静态属性和动态属性；valuetype表示属性值的数据类型，valueunit表示属性值的单位，如mm、μm、r/min等，并用mysql根据这些属性建立属性库。
55.对应模型的构建方法为：步骤一、构建制造资源属性库，即搜集制造资源的标准属性建立标准属性库，及根据用户需求定义的自定义属性建立自定义属性库。具体而言，据调研后所搜集的制造资源的标准属性，采用mysql数据库建立制造资源标准属性库，之后采用jdbc技术关联mysql数据库以实现对标准属性的读取，最后采用java web技术将存储在mysql数据库中的标准属性获取并显示到资源管理平台上，供企业用户构建制造资源类型时的选择使用。
56.第一层：制造资源类型层
57.制造资源类型层由多种资源类型封装而成，其中每种资源类型的基本属性中的属性列表包括所述制造资源属性库的标准属性及/或自定义属性。每种资源类型的基本属性
除了属性列表还包括类型名称、所属根类型、类型备注、功能标签及创建人。
58.如图4所示，制造资源类型层的属性结构树，制造资源类型层本身也是对象，同样由自身应具备的属性来描述。其使用集合语言形式化描述制造资源类型模型，包括类型名称、所属根类型、类型备注、功能标签、属性列表、创建人六种属性信息，完整的构建一个制造资源类型模型。其中属性列表中的属性继承自制造资源属性库，包括资源属性库中继承的标准属性，以及用户自定义的属性。此模型作为一类制造资源的模板，方便之后的实例化数据填充。
59.如图5所示，制造资源类型层的数据模型。mrt(manufacturing resource type)表示制造资源类型。typename表示类型名称；roottype表示该资源类型所属的根类型；note表示类型的备注信息；functiontag表示资源类型的功能标签，用于标记该资源类型执行何种功能；attributelist表示该类型具有的属性列表，属性来自于标准属性库和自定义属性库，并将这些属性其作为一个制造资源类型模板，在mysql数据库中表示。
60.对应模型的构建方法为：
61.步骤二，构建制造资源类型层，即
62.将多种资源类型的基本属性映射存储到数据库中，其中基本属性中的属性列表包括所述制造资源属性库的标准属性及/或自定义属性，及
63.将多个资源类型封装成所述制造资源类型层。
64.具体而言，多种资源类型所具有的基本属性(如类型名称、所属根类型、类型备注、功能标签等)通过java实体类映射存储到mysql数据库中，同时通过选择标准属性库中的属性(属性列表)，将制造资源类型封装为一个完整模板，方便之后的实例化数据填充。
65.中间层：制造资源实例层
66.制造资源实例层由多个资源实例封装而成，其中每个资源实例包括基本信息和属性信息，基本信息中的所属资源类型为所述制造资源类型层的一种资源类型，属性信息包括多个基于所述制造资源类型层的一种资源类型的属性列表进行赋值的属性值。
67.制造资源实例层用实例继承所属资源类型的所有属性列表，并对属性列表中的每个属性赋予属性值，因为属性列表包含着该资源实例的制造能力信息、状态信息等。因此，制造资源实例模型包括基本信息和属性信息(属性值列表信息)，基本信息又可细化为实例编号、实例名称、所属资源类型等信息。
68.如图6所示，制造资源实例层的最重要特点是实例继承所属资源类型的所有属性列表，并对属性列表中的每个属性赋予属性值，因为属性列表包含着该资源实例的制造能力信息、状态信息等。因此，制造资源实例层包括基本信息和属性值列表信息，基本信息又可细化为资源实例编号、资源实例名称、所属资源类型、备注信息等信息，由此得出制造资源实例的属性结构树。
69.如图7所示，制造资源实例的数据模型。mri(manufacturing resource instance)表示制造资源实例。instancenum表示资源实例编号；instancename表示资源实例名称；resourcetype表示该实例所属的资源类型；note表示实例的备注信息；attributevaluelist表示属性值列表。
70.对应模型的构建方法为：
71.步骤三，构建制造资源实例层，即
72.基于所述制造资源类型层的多种资源类型构建多个资源实例，其中每个资源实例的基本信息中的所属资源类型为所述制造资源类型层的一种资源类型，每个资源实例的属性信息包括所述制造资源类型层的一种资源类型的属性列表，
73.对属性列表中的每个属性赋予属性值，及
74.将多个资源实例封装成所述制造资源实例层；
75.具体而言，制造资源实例也同样有一些用以区别的基本信息(如实例编号、实例名称、所属资源类型)和从所属资源类型上继承的属性信息，这两者作为一个制造资源实例模板的完整表述。之后对其属性进行数据填充，以完整的描述制造资源实例。
76.第三层：服务资源层
77.服务资源层由多个服务资源封装而成，所述制造资源实例层的多个资源实例依据产品约束条件划分为多个服务资源，每个服务资源包括所述制造资源实例层的一个或多个资源实例。
78.服务资源将服务于一类产品的各类制造资源实例归属于同一个集合，其利用封装的思想将这样的一个集合封装为一个服务资源。产品约束条件包括产品粒度、产品制造方式和产品类型，采用产品约束条件对其进行约束。
79.服务资源包含服务基本信息、服务信息四元组、服务质量信息、状态信息和制造资源实例列表，其中服务基本信息包括服务资源id、服务资源名称、地理位置、服务粒度；服务信息四元组包括服务对象、生产周期、服务价格、服务能力；服务质量信息包括产品合格率、交付时间、服务信誉、服务响应速度、客户评价；状态信息包括运行中、空闲、维护中、轻负荷、满负荷、超负荷；制造资源实例列表包括该服务资源的所有资源实例组合。服务资源的数据模型通过json数据流存储到数据库中。
80.对应模型的构建方法为：
81.步骤四，构建服务资源层，即
82.将所述制造资源实例层的多个资源实例依据产品约束条件划分为多个服务资源，其中每个服务资源包括所述制造资源实例层的一个或多个资源实例，及
83.将多个服务资源封装成所述服务资源层。
84.上述的制造资源属性库、制造资源类型层、制造资源实例层及服务资源层构成基于本体的分布式制造资源模型的静态资源模型，本发明所述的基于本体的分布式制造资源模型还包括动态资源模型，相应地，上述的步骤一、步骤二、步骤三及步骤四构成基于本体的分布式制造资源模型的静态资源模型构建方法，基于本体的分布式制造资源模型的构建方法还包括动态资源模型构建方法。
85.如图8所示，动态资源模型包括：采集模块，用于采集车间的动态数据；传输模块，用于传输所述动态数据；处理模块，用于处理从所述传输接口接收的动态数据；以及存储模块，用于存储经处理模块处理的数据，并与所述静态资源模型中的数据进行融合。动态资源模型构建方法包括：数据采集客户端采集车间的动态数据；kafka传输接口将采集的动态数据传输至数据处理模块；数据处理模块从kafka数据包中解析需求的资源信息，并进行定义和类型转换；以及将处理后的数据存储至hdfs数据库，并与所述静态资源模型中的数据进行融合。
86.具体而言，本发明的动态资源总体录入框架通过数据采集客户端，获取车间动态
数据，利用kafkaproducerapi传输接口实现数据的多点传输(基于topic和consumer group设计模式)，并结合采集模板快发起边缘计算，进行数据实时处理。经过工业数据处理模块的数据存放至计算机hdfs数据库，进行持久化。
87.请继续参考图9，图9为本发明一种实施例的基于本体的分布式制造资源模型的动态资源模型的构建方法及注册管理平台的流程图。本发明通过本体建模语言owl(web ontology language，web本体语言)构建的制造资源虚拟化模型，是按照w3c规定的rdf资源描述框架对制造资源进行表述。rdf将知识表示成资源—属性—值这样的三元组形式，采用rdf三元组的形式可以很好的描述资源，便于构建本体模型。此外，其可以转化为xml语言，增强了原来的本体知识数据的可应用范围，便于与数据库数据进行连接、传递。
88.结合资源概念和分层关系，利用了prot
égé
(斯坦福桥大学开发的本体建模工具)构建了制造资源的本体结构模型，可以清晰的展示各类资源的属性和关系，利用prot
égé
将上述结构模型转化成为了资源本体描述模型的owl文本格式输出，以便实现资源本体的多样化应用。采用xml schema editor工具将上述资源本体描述模型转化为了xml格式输出。
89.需要说明的是，mysql数据库是指存储上述所述的资源属性、资源类型模板、资源属性类型实例、服务资源的关系型数据库。制造资源终端注册管理界面的功能是通过调用底层数据库对制造资源类型进行注册管理等操作。数据采集客户端是基于车间数据特点设计的一种多源异构设备统一数据采集的系统，支持多台设备并发采集、高效传输及数据存储等功能，以满足高效的数据采集需求。
90.如图9所示，首先对制造资源的进行分类，完善其功能表征的属性定义，如基本属性、功能属性。结合资源分类的结果，对不同资源本体模型进行分类并建模分析。构建其形式化描述集合，并对资源属性和数据类型进行定义。利用prot
égé
和xml schema editor构建资源本体描述的层级模型，导出资源本体描述模板(owl、xml)。最后，利用java web相关技术，结合mysql数据库实现资源注册的终端开发，提升封装效率。
91.综上所述，本发明提出的基于本体的分布式制造资源模型及其构建方法，采用本体语言描述制造资源的属性便于与资源管理平台的数据交换，采用元模型和子模型形成一种多层的继承关系，包括制造资源类型层继承制造资源属性库中的属性，制造资源实例层继承制造资源类型层，并对其进行数据填充，服务资源层对不同的资源实例进行整合与封装，此外制造资源属性库还增加了自定义属性库，如此，不仅增强了制造资源模型构建的动态化和可扩展性，而且提升了封装效率，为平台应用提供规范标准的数据。
92.本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。此外，上面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。