郭建文 李運培 丘楊楓 許楚濱

(1.東莞理工學院 機械工程學院，廣東東莞 523808;2.湖南大學 機械與運載工程學院，湖南長沙 410082)

隨著日益激烈的市場競爭和制造業(yè)的全球化趨勢，設備維護能力日益成為決定企業(yè)核心競爭力的重要因素［1］。e－維護［2］作為新興的設備維護模式，能夠利用網絡和信息技術整合企業(yè)合作伙伴的核心維護能力，集成企業(yè)間有價值的維護活動，通過維護資源的集成配置和維護流程的優(yōu)化管理實現(xiàn)維護效益的最大化。維護知識是結構化的經驗和信息，也包含專家的獨特見解，其核心價值在于提高維護決策的質量。從提高設備e－維護工作效能出發(fā)，維護知識資源需要在維護節(jié)點間高效共享和集成［3］。

維護知識服務建模是實現(xiàn)e－維護知識資源共享和集成的基礎。其的實現(xiàn)是采用計算機可理解的模型來對設備維護知識進行服務化的表示和描述、組織及存儲，實現(xiàn)知識的共享和重用，從而提高知識的價值。相關的學者對維護知識資源建模進行研究:文獻［4］將企業(yè)、設備制造商等各個實體中的故障診斷信息和資源定義為網格服務節(jié)點，構建了一個基于網格技術的遠程故障診斷系統(tǒng)。文獻［5］將基于模型的故障診斷算法封裝成網格服務，支持飛機發(fā)動機的遠程診斷與維護;文獻 ［6－7］設計了Web服務(Web Services)體系下的e－維護 (診斷)系統(tǒng)及維護數(shù)據(jù)和信息的訪問控制接口。上述研究成果能夠有效實現(xiàn)維護資源的服務化表達，但考慮到e－維護知識資源所具有的分布性、信息模糊性以及維護決策的復雜性等因素，為了提高知識服務查找匹配的準確率和查全率，需要建立基于統(tǒng)一技術標準的知識資源模型，使得知識資源便捷地發(fā)布，并被有效檢索，同時能夠向用戶展示知識內涵語義［8］。

隨著研究的進展，相關學者提出了語義Web服務［9］的概念。語義web服務通過建立一種具有語義支持的Web Service模型，使得分布式環(huán)境中的資源能夠高效發(fā)現(xiàn)、自動集成。語義服務的理論基礎是Web Service、本體和語義Web。Web Services［10］的目標是構筑通用的與平臺無關、語言無關的技術層，使得各種不同平臺之上的應用依靠這個技術層來實施彼此的連接和集成。本體［11］能夠以一種明確的、形式化的方式來表示領域知識，提供共享的、精確定義的術語源;語義Web［12］可以為Web Service添加語義信息，并進一步構建公共的概念體系 (本體)，在此基礎上建立推理機制，以彌補Web Service在知識表達和推理方面的不足，促進資源的進一步共享。

針對當前e－維護環(huán)境下知識服務建模研究的不足，本文提出了基于語義的e－維護知識服務模型，從維護知識資源、知識服務功能、知識服務的訪問和知識服務的狀態(tài)監(jiān)控四個方面來對知識資源進行建模，并利用擴展的Web服務本體描述語言 (Web Ontology Language for Service，OWL－S)來實現(xiàn)服務的語義建模。最后介紹該模型在某e－維護平臺中的應用。

1 e－維護知識服務模型

e－維護知識服務是將e－維護平臺中的企業(yè)或者組織內部的各種知識資源通過服務化的封裝后所形成的，具有完成1個維護目標、解決1個維護問題或做出1個維護決策功能的實體。結合e－維護的分布式協(xié)作、動態(tài)分工等特點，e－維護知識資源建模具有以下的要求:

1)知識服務模型應該采用統(tǒng)一、開放的技術，對知識各種資源進行標準化封裝，能為后續(xù)的知識服務發(fā)現(xiàn)、應用等提供支持。

2)知識服務模型應該支持靜態(tài)信息和動態(tài)信息相結合的描述模型，既能反映知識資源內容的靜態(tài)特性，又能反映分布環(huán)境下知識資源的動態(tài)特性。

3)知識服務模型應該具備機器可理解和處理的語義信息，在語法和語義上都能準確地表達資源服務所具備的功能，從而增強服務檢索的智能性和檢索結果的準確性。

針對上述的需求，本文建立了圖1所示的基于語義設備e－維護知識服務模型。

圖1 基于語義的e－維護知識服務模型

模型包括維護知識資源類、知識服務功能類、知識服務訪問類和知識服務狀態(tài)類組成。維護知識資源類是實現(xiàn)知識服務功能的物理實體，封裝了維護知識資源的物理屬性;知識服務功能類封裝了知識服務的屬性、能力等信息;知識服務訪問類主要對如何訪問知識服務和訪問知識服務時的標準與協(xié)議進行封裝，以使得外部應用能夠順利訪問服務;知識服務狀態(tài)類包括服務及服務所依賴的實體資源的狀態(tài)的收集，是實現(xiàn)知識資源狀態(tài)動態(tài)監(jiān)測的基礎。

模型具體采用語義Web服務模型來實現(xiàn)。其建模則采用知識服務本體對知識服務的內容、功能和服務質量進行描述，使知識服務具有機器能夠理解的語義內容，并支持服務發(fā)現(xiàn)、組合等智能推理和對web服務調用接口、調用格式、使用協(xié)議等信息的詳細描述。

2 模型的形式化定義

為了規(guī)范化知識服務的內容，首先對知識服務進行形式化的描述。知識服務可以表示為六元組:

KSResource是維護知識資源信息類，主要用于描述知識資源的屬性及功能，其描述方法是采用筆者在文獻 ［3］中提出的維護知識空間模型來表示。

KSInformation是基本信息類，是對知識服務的基本信息進行描述，幫助用戶了解知識服務的主要內容，可以表示為:KGSInformation=(KSID，KSName，KSDescription，KSProvider，KGSContact，KGSBiex)。其中，KSID是系統(tǒng)為知識服務分配的、在知識范圍內的唯一標識符;KSName是知識服務的名稱;KSDescription是知識服務功能的描述;KSProvider是知識服務的提供者;KSContact是知識服務提供者的聯(lián)系方式;KGSBiex是知識服務信息的拓展，可以根據(jù)知識服務的具體需要進行擴展集。

KSFunction是知識服務功能信息類，主要描述知識服務的功能特征信息。KSFunction可以描述為六元組:KGSFunction=(Category，DFunction，Input，Output，Precondition，Effect)。Category表示知識服務范疇，反映知識服務的功能類別，根據(jù)具體的應用領域定義。DFunction是服務的領域功能集合，反映知識服務能夠實現(xiàn)的領域功能，不同類別的服務具有不同的領域功能構成，領域功能的概念采用維護知識概念本體［3］表示。Input是使用服務所需要輸入的參數(shù)集合。Outpus是服是執(zhí)行完后能夠提供的輸出參數(shù)集合。Precondition是執(zhí)行服務所需要滿足的前提條件，采用邏輯表達式來表示。Effect是執(zhí)行服務后造成的影響。一個KGSFunction描述的例子為:Category={“故障案例推理服務}，DFunction={活動能力=維護支持”;方法能力=“案例推理”;對象能力=“汽輪機”;狀態(tài)能力=“轉速上升”;問題能力=“調節(jié)閥故障”}，Input={“一級振動”，“二級振動”，“三級振動”，“四級振動”，“五級振動”，“進氣溫度”，“排氣溫度”，“油壓”，“油溫”，“轉速”}，Output={“案例文件”}，Precondition= {}，Effec={}。

KSQoS描述了知識服務的非領域功能屬性指標。。KSQoS可以表示為由一組與該服務質量參數(shù)相關聯(lián)的度量指標構成的集合。KGSQoS指標可以分為通用指標、特有指標、個性化指標三類。通用指標主要是服務的性能、可靠性、可用性、費用等方面信息;特有指標是針對不同類型的服務所特有的評價指標，例如，維護專家服務中的學歷、年齡、職稱等;個性化指標是對用戶專門提出的特殊要求而臨時建立的評價指標。例如，某知識服務的QoS信息可表示為 (響應時間≤2h，質量等級=優(yōu)秀，聲譽=0.9)。

KGSState描述了知識資源服務的狀態(tài)信息。KGSState=(ServiceState，TaskState，EXState)其中，ServiceState為知識服務當前的狀態(tài)，由可用和不可用兩種狀態(tài)組成;TaskState=(ID，State)為知識服務用戶任務的執(zhí)行情況，ID為任務的標識，State為任務執(zhí)行的情況，如未執(zhí)行、執(zhí)行中、暫停等;EXState為服務的擴展狀態(tài)信息。

KSAcess描述了訪問服務的相關信息。KSAcess=(Protocols，MFormat，TransferMode，Address)。其中，Protocols是服務訪問的協(xié)議，MFormat是服務訪問的消息格式，TransferMode為服務傳輸方式，Address為服務訪問地址。例如，某KSAcess描述為 (SOAP，WSDL，HTTP，http://222.240.198.34/service/faultdiagnosis)，表示采用SOAP為訪問協(xié)議、WSDL為消息格式、HTTP為傳輸方式、http://222.240.198.34/service/faultdiagnosis為訪問地址。

3 知識服務語義建模的實現(xiàn)

要使計算機能夠理解和處理知識服務，需要采用基于標準的語義服務描述語言對知識服務進行建模實現(xiàn)。OWL－S［13］是基于OWL的一種描述Web服務屬性及其功能標記的本體論語言。OWL－S使用OWL構建了一個上層本體，描述了與Web服務相關的屬性、能力等，以便于服務的自動發(fā)現(xiàn)、匹配、調用、組合以及監(jiān)控等，能夠使Web服務成為計算機可理解的實體。

OWL－S的組成如圖2所示。OWL－S主要用類ServiceProfile、ServiceModel和ServiceGrounding來描述服務的語義。服務輪廓 (ServiceProfile)描述服務是干什么的。ServiceProfile給出了服務的基本信息，服務提供者可以用它描述服務的功能。服務模型 (ServiceModel)描述服務是如何工作的。服務定位 (ServiceGrounding)給出了服務執(zhí)行的具體規(guī)范，如訪問協(xié)議，消息格式和端口等。簡單地說，ServiceProfile描述服務的主要內容，是服務搜索和匹配的依據(jù);ServiceModel描述服務是如何工作。

圖2 OWL－S的組成

OWL－S是通用的Web服務描述本體，沒有考慮到具體應用需求。本文根據(jù)知識服務模型特點，建立圖3所示的基于擴展OWL－S的知識服務本體來支持知識服務的語義建模。知識服務本體主要由繼承OWL－S中相應本體類組成，說明如下:

1)KService是知識服務本體中的主類，繼承OWL－S的Service類，通過KServiceGrounding，KServiceModel和KServiceProfile類來表述知識服務的內容。

2)KServiceModel繼承了OWL－S的ServiceModel類，描述了知識服務的過程模型。KServiceModel主要通過與MKRProcess類 (繼承了ServiceModel的Process類)關聯(lián)，來對過程模型進行詳細的描述。MKRProcess描述服務公開的操作、操作間的關系以及操作對應的IOPRS。

3)KServiceGrounding類繼承了OWL－S的ServiceGrounding類，主要是對知識服務接口的描述，包括具體參數(shù)、消息協(xié)議等。

4)KServiceGrounding類是服務功能語義描述和匹配的基礎，其組成與知識網格形式化定義中的KServiceGrounding元組對應。

圖3 基于擴展OWL－S的知識服務本體模型

4 模型的應用

依據(jù)上述的研究，筆者構建了維護知識服務注冊組件某e－維護聯(lián)盟［3］的知識服務的建模工作。圖4是某汽輪機故障診斷知識服務注冊的界面。圖5是汽輪機故障診斷知識服務注冊后生成的文件 (片段)。文件中定義了服務ID為“TURBINE_FAULT_DIAGNOSIS_SERVICE”、KServiceProfile的描述文件為“TURBINE_FAULT_DIAGNOSIS_PROFILE”、KServiceGrounding的描述文件為“TURBINE_FAULT_DIAGNOSIS_PROC－MOD”、KServiceGrounding的描述文件為“TURBINE_FAULT_DIAGNOSIS_GROUNDING”。KServiceProfile的描述文件中定義了服務的名稱為“StorageQueryInfoService”。KSFunction的Input類包括“進氣溫度”、“排氣溫度”等，DFunction的Capability元素包含“故障診斷”、“汽輪機”等。從該文件可看出，該服務采用案例推理的方法，能夠實現(xiàn)汽輪機調節(jié)閥的故障診斷推理。

圖4 知識服務本體實例 (片段)

圖5 知識服務本體實例 (片段)

5 結語

設備e－維護作為新興的設備維護組織模式，能有效提升企業(yè)的設備維護水平。維護知識若能在e－維護平臺中有效集成和共享，將有助于聯(lián)盟的持續(xù)發(fā)展和維護工作的高效執(zhí)行。維護知識服務建模是實現(xiàn)e－維護知識資源共享和集成的基礎。為此，本文提出了基于語義的e－維護知識資源服務模型，并采用形式化語言對知識服務模型進行規(guī)范化描述，在此基礎上通過用擴展的OWL－S對知識服務模型進行了語義建模實現(xiàn)。基于模型構建的知識服務注冊組件已在某石e－維護平臺中初步試用。本文的研究能夠為e－維護的知識共享提供實踐經驗。

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