維拉·拉根·薩姆帕斯·庫馬爾 阿拉·哈米斯等

內(nèi)容提要 ｜ 當(dāng)前的第四次工業(yè)革命（簡(jiǎn)稱“工業(yè)4.0”）以數(shù)據(jù)、連接、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)力，具有創(chuàng)造巨大商業(yè)機(jī)會(huì)的潛力。隨著工業(yè)4.0的到來，技術(shù)系統(tǒng)需要解決智能系統(tǒng)之間的交互問題，確保各種交互可靠與安全。在多個(gè)智能系統(tǒng)（包括人類和軟硬件）之間采用共同的語言溝通是工業(yè)4.0的一個(gè)重要方面。本體標(biāo)準(zhǔn)可通過互操作方式將智能制造的知識(shí)表述本體化和標(biāo)準(zhǔn)化，從而提供可行解決方案。本文對(duì)當(dāng)前的幾個(gè)工業(yè)4.0本體標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了介紹，闡述了工業(yè)4.0領(lǐng)域的本體標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀，并就真實(shí)場(chǎng)景下的工業(yè)4.0案例進(jìn)行了展示。

一、工業(yè)4.0 基本介紹

（一）工業(yè)4.0是什么？

“工業(yè)4.0”這個(gè)詞指的是基于最新技術(shù)進(jìn)步的第四次工業(yè)革命。除了代表信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System, CPS）概念的應(yīng)用——通常被認(rèn)為是工業(yè)4.0 的核心所在之外，它還涵蓋先進(jìn)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、嵌入式智能、數(shù)據(jù)語義標(biāo)準(zhǔn)化。

工 業(yè)4.0 發(fā) 源 于21 世 紀(jì) 前10 年 的 美國國家項(xiàng)目“智能制造領(lǐng)袖聯(lián)盟”（Smart Manufacturing Leadership Coalition）和德國國家項(xiàng)目“工業(yè)4.0”項(xiàng)目。“工業(yè)4.0”這一表述首先被ABB 和西門子等公司采用，后在行業(yè)內(nèi)普及開來。目前，工業(yè)4.0 的潛力已被證實(shí)，它無論在效率、績(jī)效，還是生產(chǎn)率上，都能將當(dāng)前工業(yè)水平推高一個(gè)層次。

工業(yè)4.0 場(chǎng)景可以在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行模擬，然后再進(jìn)行實(shí)體化，最終達(dá)到支持高度定制、精準(zhǔn)和及時(shí)物流供應(yīng)鏈，以及高效產(chǎn)品配送的目的。所有產(chǎn)品都可以在虛擬空間里模擬完成，從最小最不重要的原材料、原件，到完整的產(chǎn)品和所有與產(chǎn)品生產(chǎn)相關(guān)的機(jī)器，均是如此。因此，快速高效的數(shù)據(jù)傳播、先進(jìn)的無線通信技術(shù)（如5G）至關(guān)重要，只有如此，產(chǎn)品子系統(tǒng)才能自動(dòng)選擇最優(yōu)產(chǎn)品生產(chǎn)流程，同時(shí)與工業(yè)場(chǎng)景中的其他構(gòu)件和元素交換數(shù)據(jù)。

制造流程是工業(yè)4.0 場(chǎng)景的核心所在，而在不同設(shè)備之間，自動(dòng)機(jī)器人被廣泛地用于提高制造績(jī)效和收益。結(jié)合當(dāng)下的數(shù)據(jù)分析和識(shí)別技術(shù)，工業(yè)4.0 將帶來新的可能性，比如與工業(yè)流程中的其他系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的互操作、模塊化、分布式處理和整合等。這些可能性也正是工業(yè)4.0的核心概念所在。

（二）工業(yè)4.0技術(shù)

工業(yè)4.0（也即智能工廠）以對(duì)制造業(yè)流程的完全創(chuàng)新或徹底變革為基礎(chǔ)，包括一系列自動(dòng)化、數(shù)據(jù)交換和智能技術(shù)，如虛擬企業(yè)、云制造和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。物聯(lián)網(wǎng)又被稱為萬物互聯(lián)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）概念的出現(xiàn)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在美國通用汽車公司的應(yīng)用也代表著工業(yè)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)的正式應(yīng)用落地。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)來自供應(yīng)商、客戶和工廠，經(jīng)過評(píng)估之后才被用于實(shí)際生產(chǎn)。越來越多的新技術(shù)正在不斷投入應(yīng)用，如數(shù)據(jù)分析、智能傳感器、云計(jì)算和新一代機(jī)器人。在其影響下，經(jīng)過調(diào)整、優(yōu)化或?qū)崟r(shí)設(shè)置的靈活生產(chǎn)系統(tǒng)得以出現(xiàn)和應(yīng)用。

傳統(tǒng)工業(yè)依賴ISA-95 標(biāo)準(zhǔn)1ISA-95 是企業(yè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)集成國際標(biāo)準(zhǔn)，由儀表、系統(tǒng)和自動(dòng)化協(xié)會(huì)（ISA）在1995 年投票通過。——譯者注，該標(biāo)準(zhǔn)很好地定義了五層自動(dòng)化結(jié)構(gòu)。機(jī)器層（即現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如傳感器和制動(dòng)器）位于最底層，通過數(shù)據(jù)或模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)與控制層之間的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，例如可編程邏輯控制器（the Programmable Logic Controller）。單元層面的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)（Supervisor Control and Data Acquisition systems）遠(yuǎn)程執(zhí)行控制任務(wù)。流程控制層的制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution Systems）允許用戶執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)，如產(chǎn)品排程。頂層的企業(yè)資源規(guī)劃（Enterprise Resource Planning）或工廠操作管理層允許進(jìn)行管理性匯報(bào)，與其他系統(tǒng)共享制造數(shù)據(jù)，如訂單狀態(tài)等。

第四次工業(yè)革命代表著一種新范式的出現(xiàn)。借助網(wǎng)絡(luò)—實(shí)體自動(dòng)化技術(shù)，傳感器直接向云端傳遞數(shù)據(jù)，云端則實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，提供監(jiān)督、控制和優(yōu)化服務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)從集中式工業(yè)向分散式工業(yè)的轉(zhuǎn)變。因此，工業(yè)4.0 的靈活生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)既需要公司之間的水平整合，又需要將網(wǎng)絡(luò)中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)垂直傳遞給本地生產(chǎn)系統(tǒng)的各個(gè)終端服務(wù)節(jié)點(diǎn)。這一新興技術(shù)的最終目標(biāo)是改善工作環(huán)境，提高生產(chǎn)效率、速度、準(zhǔn)確性、再現(xiàn)性、可靠性、靈活性和競(jìng)爭(zhēng)力。在接下來的幾年里，這些技術(shù)將能替代現(xiàn)有的制造流程，使得大規(guī)模定制化、快速生產(chǎn)、高品質(zhì)、高生產(chǎn)效率和良好決策成為可能。

值得注意的是，一方面，得益于新技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)器可快速適應(yīng)客戶的具體要求和其他額外制造要求，因此小批量產(chǎn)品也可以在維持合理成本的情況下，適用規(guī)模化定制技術(shù)。另一方面，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的供應(yīng)鏈可加快制造流程，預(yù)計(jì)將交付速度提高120%，將產(chǎn)品推向市場(chǎng)的速度提高70%。工業(yè)4.0 技術(shù)旨在提高產(chǎn)品質(zhì)量，大幅降低報(bào)廢品或缺陷產(chǎn)品返工的成本。工業(yè)4.0 中的預(yù)測(cè)性維護(hù)和自修復(fù)技術(shù)旨在保證工廠正常運(yùn)行，確保生產(chǎn)率。借助于工業(yè)4.0 技術(shù)，個(gè)人和企業(yè)可共享產(chǎn)品、服務(wù)和經(jīng)驗(yàn)，促成全新的“共享經(jīng)濟(jì)”模式。決策者則可利用工廠和交叉市場(chǎng)數(shù)據(jù)，及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)工廠需求和市場(chǎng)趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)、響應(yīng)和調(diào)整。一些預(yù)測(cè)表明，2019 年，智能工廠技術(shù)帶來的全球市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)629.8 億美元，到2022 年，可達(dá)748 億美元。

（三） 工業(yè)4.0面臨的挑戰(zhàn)

工業(yè)4.0 為新工業(yè)革命打開了大門。要了解工業(yè)4.0 的影響和挑戰(zhàn)，了解它如何不同程度地影響人類的生活，就要了解工業(yè)革命的演化史，了解工業(yè)革命是如何發(fā)生，技術(shù)是如何演變的。第一次技術(shù)革命爆發(fā)于英國，時(shí)值18 世紀(jì)晚期，以蒸汽機(jī)的發(fā)明和新的機(jī)械生產(chǎn)設(shè)施的引入為標(biāo)志。第二次工業(yè)革命爆發(fā)于19 世紀(jì)，電、化工和汽車工程取得快速發(fā)展。第三次工業(yè)革命以電子和航天部門的快速發(fā)展為標(biāo)志，信息機(jī)技術(shù)系統(tǒng)和自動(dòng)化生產(chǎn)得以廣泛應(yīng)用。

第四次工業(yè)革命發(fā)源于信息物理系統(tǒng)的使用，以新一代智能制造集成技術(shù)的發(fā)展為重點(diǎn)，尋求不同工業(yè)領(lǐng)域規(guī)劃和應(yīng)用的優(yōu)化，如石油和天然氣、采礦、能源、鋼材生產(chǎn)、建筑、航空、汽車、電力、化工、過程工程等行業(yè)。此外，虛擬生產(chǎn)概念被認(rèn)為是模型生產(chǎn)的核心所在，旨在實(shí)現(xiàn)零缺陷。

工業(yè)4.0 的驅(qū)動(dòng)力是經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速和持續(xù)數(shù)字化，主要表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)、生產(chǎn)和服務(wù)行業(yè)，例如銀行、電信、旅游和保險(xiǎn)等。同時(shí)，工業(yè)4.0 也整合了通信技術(shù)（如云、物聯(lián)網(wǎng)）和智能工業(yè)技術(shù)（如新一代智能代理、機(jī)器人物聯(lián)網(wǎng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)）的新趨勢(shì)。

盡管工業(yè)4.0 前景廣闊，但是這一領(lǐng)域的參與者也面臨一系列挑戰(zhàn)，從人機(jī)交互到數(shù)據(jù)分析等不一而足。無線通信也是工業(yè)4.0 的重要影響因素之一。目前，5G 網(wǎng)絡(luò)仍在研發(fā)之中，其他無線技術(shù)需同時(shí)存在，因此必須考慮多網(wǎng)絡(luò)共存的解決方案。此外，在集成信息物理系統(tǒng)的背景下，需要理解數(shù)據(jù)的異構(gòu)性和互操作性；在基于代理的生態(tài)系統(tǒng)中，明確的交流、高效的協(xié)作與合作將必不可少。所以，在整個(gè)工業(yè)環(huán)境中，用于智能制造的信息和數(shù)據(jù)應(yīng)遵循統(tǒng)一的語義標(biāo)準(zhǔn)。

本體標(biāo)準(zhǔn)是工業(yè)4.0 各技術(shù)伙伴獲取和共享公共知識(shí)的強(qiáng)大解決方案，例如語境即服務(wù)平臺(tái)（Context-as-a-Service platforms）。事 實(shí) 上，本體標(biāo)準(zhǔn)旨在使領(lǐng)域知識(shí)清晰明了，消除模糊性，使機(jī)器語言合理，促進(jìn)機(jī)器與人之間以及機(jī)器與機(jī)器之間的知識(shí)共享。此外，工業(yè)4.0 的本體標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以業(yè)務(wù)為中心，促進(jìn)客戶和合伙伙伴之間的合作，同時(shí)也滿足本體、自主機(jī)器人的需求。此外，本體標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)利用現(xiàn)有本體來分析和再利用領(lǐng)域知識(shí)。

針對(duì)以上特點(diǎn)，本文從本體的角度對(duì)工業(yè)4.0 進(jìn)行了探討，同時(shí)滿足數(shù)據(jù)語義一致性和標(biāo)準(zhǔn)化的強(qiáng)制要求。我們的目標(biāo)是明確領(lǐng)域知識(shí)，幫助工業(yè)4.0 從業(yè)者開發(fā)連貫、高效的系統(tǒng)。本文的貢獻(xiàn)在于提出工業(yè)4.0 本體視角，并對(duì)工業(yè)4.0 自主機(jī)器人予以重點(diǎn)關(guān)注。

二、工業(yè)4.0 本體標(biāo)準(zhǔn)

（一）工業(yè)4.0本體標(biāo)準(zhǔn)框架

本體標(biāo)準(zhǔn)是一種對(duì)知識(shí)表達(dá)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的正式概念模型，為概念和關(guān)系提供定義，以互操作的方式捕捉某一領(lǐng)域的知識(shí)。一方面，工業(yè)4.0/工廠4.0/智能制造包括一些與業(yè)務(wù)服務(wù)相關(guān)的概念，涵蓋項(xiàng)目管理、組織管理、客戶滿意度管理、風(fēng)險(xiǎn)管理和虛擬操作的自動(dòng)化，如開單、票務(wù)、提供建議和決策輔助等。另一方面，還包括一些與生產(chǎn)服務(wù)相關(guān)的概念，包括制造流程的抽象化，如生產(chǎn)管理、生產(chǎn)合規(guī)、資源重構(gòu)、決策支持和鏈條流程的智能自動(dòng)化，如裝配、拆卸、包裝、運(yùn)輸、系統(tǒng)診斷、產(chǎn)品控制、安全控制和安全檢查。

過去10 年，一些特定工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)生了本體標(biāo)準(zhǔn)，如航空、航天、建筑、鋼材生產(chǎn)、化工、石油、能源、電子等領(lǐng)域。一些具體制造流程也應(yīng)用了一些本體標(biāo)準(zhǔn)，如包裝、流程工程、流程合規(guī)、風(fēng)險(xiǎn)管理、安全管理、客戶反饋分析、組織管理、項(xiàng)目管理、產(chǎn)品開發(fā)、維護(hù)、資源重構(gòu)、產(chǎn)品排程。關(guān)注某些服務(wù)和制造概念的本體標(biāo)準(zhǔn)也已出現(xiàn)，如票務(wù)、信息流動(dòng)、信息安全和數(shù)據(jù)集合。

最近提出的兩大本體標(biāo)準(zhǔn)框架或?qū)⒏采w智能制造的廣泛領(lǐng)域。因此，程海波等人提出一種生產(chǎn)線模型，涵蓋5 個(gè)本體，即設(shè)備本體（如機(jī)器概念）、過程本體（不同技術(shù)設(shè)備所執(zhí)行的不同操作）、參數(shù)本體（如服務(wù)質(zhì)量概念）、產(chǎn)品本體（產(chǎn)品信息等）、基礎(chǔ)本體（集成其他四項(xiàng)本體，定義概念規(guī)則）。格雷戈里·恩格爾（Gregory Engel）等人提出了批處理流程裝置的三層本體：第一層，也稱應(yīng)用層，包含各項(xiàng)操作；第二層，也稱域名層，指的是架構(gòu)；第三層，也稱上層，指的是用以描述通用系統(tǒng)特征和關(guān)系的上層本體模型。

這些本體標(biāo)準(zhǔn)為該領(lǐng)域帶來了一些進(jìn)步，但是其涵蓋范圍和基本詞匯表仍然很有限。對(duì)整個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化將是一項(xiàng)巨大工作，在接下來的一個(gè)章節(jié)中我們介紹了目前的一些標(biāo)準(zhǔn)化成果。

（二）工業(yè)4.0的本體標(biāo)準(zhǔn)

1. 基本現(xiàn)狀

工業(yè)4.0 十分依賴機(jī)器人代理，而在智能制造中，機(jī)器人代理不斷演化，已經(jīng)能執(zhí)行主要的操作活動(dòng)，并能與人類操作員、客戶和不同的分布式合作伙伴進(jìn)行溝通，因此，知識(shí)標(biāo)準(zhǔn)化是工業(yè)4.0 面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，應(yīng)及時(shí)快速地予以解決，以避免問題大規(guī)模累積，影響后期發(fā)展。工業(yè)4.0 的本體標(biāo)準(zhǔn)化工作建立在IEEE 1872-2015 機(jī)器人和自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)本體（IEEE 1872-2015 Standard Ontologies for Robotics and Automation）的基礎(chǔ)之上，提出了一系列關(guān)于機(jī)器人和自動(dòng)化（Robotics and Automation, R&A）領(lǐng)域的本體標(biāo)準(zhǔn)——可與現(xiàn)有工業(yè)4.0 領(lǐng)域的一些特有本體概念進(jìn)行合并，從而擴(kuò)展到工業(yè)4.0領(lǐng)域，具體如下。

機(jī)器人和自動(dòng)化核心本體（Core Ontology for Robotics and Automation, CORA）：在IEEE 1872-2015 機(jī)器人和自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)本體的范疇內(nèi)，CORA 是機(jī)器人本體的核心本體。核心本體指的是一個(gè)領(lǐng)域（如機(jī)器人）的通用概念。以CORA為例，它定義了機(jī)器人（Robot）、機(jī)器人組（Robot Group）和機(jī)器人系統(tǒng)（Robotic System）等概念。CORA 的作用是充當(dāng)機(jī)器人和自動(dòng)化領(lǐng)域其他專門化本體的基礎(chǔ)，它們是在IEEE P1872.1 和P1872.2 標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)展出來的，重點(diǎn)關(guān)注機(jī)器人任務(wù)表述（Robot Task Representation）和自主機(jī)器人（Autonomous Robotics）表述的標(biāo)準(zhǔn)化。此外，它還確定了一組基本本體所應(yīng)擁有的標(biāo)準(zhǔn)，有助于機(jī)器人開發(fā)人員和其他本體學(xué)家創(chuàng)建關(guān)于機(jī)器人的模型。

自主機(jī)器人本體（Autonomous Robotics,ROA）：ROA 定義了自主機(jī)器人的基礎(chǔ)概念。ROA 提供行為、功能、目標(biāo)和任務(wù)概念的定義，重新利用一些本體概念，如建議上層合并本體（Suggested Upper Merged Ontology, SUMO）的上層本體，CORA 核心本體和一些專門化的本體，如時(shí)空可視化本體（Spatio-Temporal Visual Ontology）。

機(jī)器人架構(gòu)本體（Ontology for Robotic Architecture, ORArch）：ORArch 闡述了與硬件和軟件相關(guān)的概念，以及如何在混合架構(gòu)描述中表述這些概念。此外，ROA 旨在允許人們描述同一個(gè)機(jī)器人的多個(gè)架構(gòu)觀點(diǎn)，結(jié)合了硬件和軟件設(shè)備。

頂層概念是頂層本體的一部分。本體將現(xiàn)實(shí)分為三種，分別是持久實(shí)體、永久實(shí)體和抽象實(shí)體。持久和永久與時(shí)間有關(guān)，而抽象實(shí)體與時(shí)間無關(guān)。永久實(shí)體包含時(shí)間部分，如過程和事件，而持久實(shí)體不包含時(shí)間部分，如物理和社會(huì)對(duì)象。抽象實(shí)體是形式實(shí)體，如邏輯實(shí)體和數(shù)字實(shí)體。

這個(gè)本體的主要部分在于對(duì)物理實(shí)體和虛擬實(shí)體的區(qū)分。物理實(shí)體是日常生活中用到的物件。虛擬實(shí)體是運(yùn)行的計(jì)算設(shè)備產(chǎn)生出來的。計(jì)算設(shè)備是執(zhí)行可計(jì)算函數(shù)的實(shí)體。虛擬實(shí)體包括與軟件運(yùn)行相關(guān)的典型實(shí)體（如進(jìn)程、線程、組件、對(duì)象和過程）和其他虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)體。

該本體還從CORA 中引入了機(jī)器人概念。我們介紹了一些概念（和公理化），如Artifact，以使其含義與CORA/SUMO 保持一致。

ORArch 包括描述和情景（descriptions and situations，DnS）本體，用以描述機(jī)器人架構(gòu)。DnS 無需二級(jí)語言也可對(duì)描述進(jìn)行表述。它包括兩個(gè)主要概念，即描述（Description）和情景（Situation）?！扒榫啊敝傅氖且环N類似于集合的實(shí)體，它將那些應(yīng)該放在一起考慮的實(shí)體聚集在一起。例如，機(jī)器人工廠或機(jī)器人導(dǎo)航場(chǎng)景?！扒榫啊睗M足一個(gè)或多個(gè)描述?！懊枋觥笔菍?duì)情景元素進(jìn)行分類的概念和角色。對(duì)工廠的描述可定義A 類產(chǎn)品和B 類產(chǎn)品概念。對(duì)機(jī)器人場(chǎng)景的描述可定義目標(biāo)、障礙等概念，對(duì)不同情景下的目標(biāo)和區(qū)域進(jìn)行區(qū)分。值得注意的是，概念實(shí)例與構(gòu)成本體本身的概念是不同的。以移動(dòng)機(jī)器人（Mobile Robot）為例，它可能是CORA 某個(gè)子類別的本體，例如機(jī)器人，或機(jī)器人類型的一個(gè)實(shí)例。這兩個(gè)實(shí)體是不同的。在ORArch 中，我們認(rèn)為機(jī)器人架構(gòu)的概念包含兩個(gè)方面，既可以指給定構(gòu)造機(jī)器人的組件選擇，也可以指可能出現(xiàn)在不同機(jī)器人中的架構(gòu)模型或架構(gòu)描述。這兩個(gè)概念包含概念（機(jī)器人架構(gòu)）觀點(diǎn)和（機(jī)器人架構(gòu)）描述。

工 業(yè)4.0 本 體（Ontology for Industry 4.0,O4I4）：O4I4 致力于工業(yè)4.0 特定領(lǐng)域的概念，通過重新利用CORA、ROA 和ORArch 本體概念為智能制造中的機(jī)器人領(lǐng)域創(chuàng)造本體標(biāo)準(zhǔn)。值得一提的是，CORA 將SUMO 作為上層本體。但是，按照本體標(biāo)準(zhǔn)化的要求，在P1872.2 中，SUMO 應(yīng)是頂層本體的備選項(xiàng)。原因之一是，一些IEEE1872 的用戶希望將CORA 用作其他頂層本體。而SUMO 對(duì)于定制化項(xiàng)目來說，也過大和過于復(fù)雜。O4I4 的目標(biāo)是成為關(guān)注業(yè)務(wù)的本體標(biāo)準(zhǔn)，因此我們開始選擇一個(gè)最低限度的頂層本體來支持我們的研究。此類頂層本體可有可無，但如果需要，也應(yīng)能輕松地映射其他頂層本體。

此外，在O4I4 本體標(biāo)準(zhǔn)中，計(jì)算服務(wù)（Computable Service）指的是捕捉過程概念的計(jì)算設(shè)備操作，在這些過程概念中，一個(gè)代理必須計(jì)算一項(xiàng)外部請(qǐng)求（可能的輸入）并交付相應(yīng)結(jié)果（輸出）。但是，計(jì)算服務(wù)只能在代理能夠執(zhí)行該服務(wù)（包括物理計(jì)算設(shè)備的可用性）的情況下存在。因此，計(jì)算服務(wù)從請(qǐng)求者開始被服務(wù)的那一刻開始存在，而不是從代理被請(qǐng)求的那一刻開始。值得指出的是，從計(jì)算科學(xué)角度來看，計(jì)算服務(wù)是一種服務(wù)。將來還可以開發(fā)其他種類的服務(wù)來涵蓋與機(jī)器人服務(wù)相關(guān)的概念。

2. 本體標(biāo)準(zhǔn)圖譜

綜上所述，使用正式模型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)包括：（1）機(jī)器人概念的標(biāo)準(zhǔn)詞匯開發(fā)；（2）自主機(jī)器人功能本體的開發(fā)；（3）以函數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的關(guān)系驗(yàn)證；（4）工業(yè)4.0 應(yīng)用對(duì)已開發(fā)詞匯和本體的利用。

這種設(shè)計(jì)擁有兩大好處。一方面，學(xué)者可以清晰地對(duì)該主題的概念進(jìn)行討論，從而為該主題的進(jìn)一步研究和調(diào)查鋪平道路。另一方面，行業(yè)從業(yè)者可以使用這些本體來概念化現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景。實(shí)際上，工業(yè)4.0 框架內(nèi)考慮的每個(gè)場(chǎng)景都包括相互交流和合作的不同實(shí)體，本體標(biāo)準(zhǔn)的主要作用就是促成上述交流，如第三部分所示。

三、工業(yè)4.0 場(chǎng)景

（一）智能快速成型場(chǎng)景

在工業(yè)4.0 中，3D 打印制造是智能工廠的關(guān)鍵賦能技術(shù)之一。該技術(shù)又被稱為快速成型、數(shù)字技術(shù)、固體成像、自由形狀制造、分層制造和激光成型等。其過程包括在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)構(gòu)建原型或工作模型，以幫助創(chuàng)建和測(cè)試各種設(shè)計(jì)的特性、創(chuàng)意、概念、功能，以及特定情況下的結(jié)果和性能。如今，人們對(duì)更快速定制生產(chǎn)的需求和期望不斷增加，希望企業(yè)能借助這種技術(shù)交付更多產(chǎn)品和產(chǎn)品變體的快速原型，在當(dāng)?shù)啬酥寥驅(qū)I(yè)產(chǎn)品和已停產(chǎn)部件進(jìn)行生產(chǎn)支持。在快速成型技術(shù)的幫助下，企業(yè)有望快速且有效地交付組件和完整產(chǎn)品，減少庫存和多余運(yùn)輸。

在智能快速成型場(chǎng)景中，顧客通過網(wǎng)頁服務(wù)將預(yù)先確定好的要求發(fā)送給制造設(shè)備。此要求包含智能快速成型設(shè)備所生產(chǎn)部件的規(guī)格，客戶上傳的數(shù)字模型或從在線數(shù)字模型庫中選擇的數(shù)字模型，以及所需的材料、顏色和數(shù)量。然后，客戶的要求被解析，發(fā)給快速成型單元，該單元生成或檢索實(shí)體模型，并將其發(fā)送給創(chuàng)建3D物理模型的制造建模師。緊接著，啟動(dòng)后處理（如表面修整），并創(chuàng)建最終原型，再通過物流4.0技術(shù)（如聯(lián)網(wǎng)卡車、地面/空中自動(dòng)交通工具）交付給客戶。此外，客戶還能夠跟蹤從收到請(qǐng)求到最終原型交付的所有制造步驟。

在這一場(chǎng)景中，各實(shí)體之間的信息和資源交換成為了系統(tǒng)取得佳績(jī)的關(guān)鍵，本體標(biāo)準(zhǔn)方法可促進(jìn)這種信息交換，比如利用一些確定的概念，如可計(jì)算函數(shù)、計(jì)算設(shè)備操作和計(jì)算服務(wù)等。此外，O4I4 本體的使用也有助于統(tǒng)一流程中所需的屬性，有助于機(jī)器和客戶之間的清晰溝通和信息傳遞。

（二）無人機(jī)的優(yōu)質(zhì)交付場(chǎng)景

工業(yè)4.0 的另一項(xiàng)重要元素是高效優(yōu)質(zhì)的交付。讓我們來考慮一下以下場(chǎng)景：操作員必須通過無人機(jī)監(jiān)督貨物交付，并為不同的交付任務(wù)分配不同的無人機(jī)。這些無人機(jī)擁有故障檢測(cè)系統(tǒng)，可檢測(cè)無人機(jī)性能是否異常，并及時(shí)通知操作員?；谶@些信息，操作員需判斷哪些無人機(jī)可以繼續(xù)運(yùn)行，哪些需要返回維修。操作員的判斷需要大量專業(yè)知識(shí)，保證判斷精確和快速。但這也可能會(huì)妨礙非專業(yè)業(yè)務(wù)采用無人機(jī)，如披薩外賣。

本體標(biāo)準(zhǔn)方法可在很多方面助益此類人機(jī)交互系統(tǒng)，幫助業(yè)務(wù)快速增長(zhǎng)。例如，ROA 本體為任務(wù)、功能、行為以及時(shí)空關(guān)系等提供了正式概念。不僅可以幫助機(jī)器人清晰地將自身狀況傳遞給操作員，還可以幫助操作員更好地做出決策。事實(shí)上，通過自動(dòng)推理，機(jī)器人系統(tǒng)還能帶來更有意義、更簡(jiǎn)單的信息。例如，故障無人機(jī)擁有在狹窄空間（如走廊）運(yùn)送包裹的功能，當(dāng)其發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低時(shí)，它的行為會(huì)出現(xiàn)一些變化，比如軌跡發(fā)生了微小卻突然的變化。在非智能系統(tǒng)中，操作員必須獨(dú)立檢查無人機(jī)的這些行為是否與所設(shè)計(jì)的機(jī)器人功能相匹配，并決定是否讓其返回維修。操作員的知識(shí)和工作量至關(guān)重要，但這種操作也可能會(huì)出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。在機(jī)器人架構(gòu)本體的幫助下，系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)不穩(wěn)定行為進(jìn)行分類，并推斷其是否達(dá)到了運(yùn)送披薩的設(shè)計(jì)要求。然后，系統(tǒng)可將這些信息直接推送給用戶，減輕操作員處理低級(jí)別警報(bào)信號(hào)的負(fù)擔(dān)，幫助操作員確定最佳行動(dòng)方案，提高操作員的感知能力。

四、結(jié) 語

在工業(yè)4.0 環(huán)境中，機(jī)器人代理已是不可逆轉(zhuǎn)的潮流，因此，開發(fā)可互操作的通信模型顯得至關(guān)重要。在這種情況下，智能制造領(lǐng)域需要一個(gè)清晰的、基于語義的知識(shí)表述，以確保人機(jī)協(xié)作的連貫和高效。本體標(biāo)準(zhǔn)可為第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵概念描述提供可行方案。本文介紹了工業(yè)4.0 本體的現(xiàn)狀，回顧了該領(lǐng)域中現(xiàn)有的本體框架和本體標(biāo)準(zhǔn)化工作，呈現(xiàn)了一些工業(yè)4.0 的場(chǎng)景，旨在提高從業(yè)者對(duì)工業(yè)4.0 本體標(biāo)準(zhǔn)使用潛力的認(rèn)知。