虚拟网格（精选3篇）
虚拟网格 篇1
摘要：基于网格环境, 利用国内自主开发的网格中间件网格操作系统 (GOS) 构造了整车虚拟装配平台, 实现了多个主节点的互联互通和资源共享。在此基础上, 通过实例对所构造平台在整车厂商内部各部门及其零部件供应商的具体工业环境中的应用进行了验证。结果表明, 该虚拟平台可以突破地域限制和单个电脑的能力限制, 稳定有效地实现异地协同装配。
关键词：网格,协同制造,虚拟装配,汽车工业
0 引言
汽车的整车开发是一项复杂的工作, 通常需要多个部门及多个开发商之间的协作。若在设计阶段沟通不够, 将导致实际产品互相不匹配、不易装配, 需要重新设计和制造, 严重影响整车的开发周期[1]。因此, 在产品的设计阶段对各部件的可装配性进行验证已成为现代汽车设计中一个迫切需要解决的问题。虚拟装配正是在这种情况下应运而生的。
近年来, 发达国家纷纷制订了基于网络的先进制造技术发展战略, 旨在建立共享、集成、协作的产品开发模式, 进一步缩短产品开发周期, 提高产品质量, 如美国提出的“敏捷制造”战略、日本提出的“智能制造系统”研究计划、德国提出的“生产2000”战略计划等。在这些先进制造技术发展战略中, 网络化产品协同作为一种重要的支持技术, 己经引起各国研究机构和企业的广泛重视, 关于协同设计与制造的研究也己经成为各国先进制造发展战略重大研究计划中不可缺少的重要组成部分。国内很多学者和企业也正在掀起网络化设计与制造的研究与应用热潮, 如杨叔子等提出了“基于Agent的网络化制造”模式和分布式网络化制造系统[2,3];李荣彬[4]和张曙等[5]提出了一种“分散网络化生产系统”模式;Liu等[6]提出了“区域性网络化制造系统”模式等。
1 基于网格的汽车协同制造技术
1.1设计思想
现存的协同设计多由分布计算技术如DCOM、J2EE等来实现, 由于这些技术的应用程序只限于定制的静态域, 故资源共享受到静态域的限制。网络服务 (web service) 技术则仅支持点对点的事务处理, 而不支持多事务模型。网络服务和网格技术结合而成的网格服务 (grid service) 却能很好地解决这些问题, 它适应于在动态的环境中实现全部资源的共享和多方设计人员的协作交互, 适应多种通信方式 (点到点、端对端、多播等) 和通信需求 (大数据传送、流数据、组广播等) 。网格技术的共享包括计算资源、存储资源、软件资源和仪器设备等的共享, 因此, 网格服务能充分利用现有的资源, 进一步减少投资[7,8]。
1.2汽车协同制造网格的体系结构
协同制造网格是基于网格的集成化虚拟设计、分析和制造平台, 包含信息集成、过程集成和知识集成三方面的内容, 其体系结构如图1所示, 分为资源层、中间件层、服务层和应用层。资源层包括各种计算、存储、网络、软件和设计资源 (包括产品的模型库、数据库和知识库) 。中间件层采用我国自主开发的网格操作系统 (grid operation system, GOS) 及其组件[9], 其功能是屏蔽资源层中各类资源的分布、异构特性, 向服务层提供透明、一致的使用接口。中间件层也称为网格操作系统, 它同时提供用户编程接口和相应的环境, 以支持网格应用服务的开发。服务层是满足协同设计需求的具体体现, 网格应用开发工程师联合CAD/CAE/CAM工程师, 使用其提供的环境和各类工具开发相应的CAD/CAE/CAM应用服务和其他协同设计服务。应用层是基于Web的协同设计网格入口工具包, 向用户提供访问网格资源的良好交互界面、一致的使用模式和便捷的使用方法[7,8]。
1.3网格中间件
目前, 国际上流行的网格中间件有Legion和Globus Toolkit等。其中Globus最新版本GT4的开发基于开放网格服务体系OGSA和Web服务资源框架WSRF, 相应的网格Portal开发基于GT4和Gridsphere。GOS是由中国科学院计算所承担, 在Globus Toolkit基础上开发的网格操作系统软件。GOS为协同制造网格提供安全机制、节点互联、用户管理、服务管理、数据管理、批作业服务、网格门户引擎等多种功能的支持。
2 基于网格环境的汽车协同虚拟装配系统
2.1协同装配系统框架结构及实现
在上述汽车协同制造网格平台系统基础上, 协同虚拟装配系统的框架结构如图2所示。通过GOS, 网格资源层中各类资源的分布、异构特性得以屏蔽, 该系统可以向服务层提供透明的使用接口。协同仿真用户管理、数据管理、工作界面管理、工程管理及仿真设置与启动直接依赖GOS平台运行。
在上述系统框架的基础上, 渲染服务器、仿真服务器、数据服务器及主控服务器等组成一个协同虚拟制造网格, 并直接与Internet相连, 分布于不同位置的用户可以加入这个网格, 实现协同虚拟装配, 如图3所示。
2.2协同装配流程
协同装配过程分如下7步进行。
(1) 整车商和部件商用户登录该系统。整车商作为发起人和协同装配的管理者, 负责用户审批和用户注册数据的修改。其他设计者需通过网络向整车商申请帐号, 只有通过审批后才能获得参加协同装配的权限。
(2) 仿真数据文件处理。这一过程是协同虚拟装配仿真开始前的数据准备阶段。首先, 部件商需将各个部件的CAD文件上传给整车商, 或者上传到公共服务器由整车商下载。然后, 整车商将这些部件CAD文件整合转换制成符合虚拟装配环境的初始化装配信息文件, 并分发给各个部件商。
(3) 整车商启动协同虚拟装配联盟。
(4) 服务注册与授权。整车商将资源提供方的资源部署到网格环境内, 并授权相关用户使用。资源提供方的资源为虚拟装配与协同仿真所需的软硬件资源。
(5) 用户加入, 即协同虚拟装配用户加入协同虚拟装配联盟。程序启动后, 用户端出现虚拟装配场景并马上被联盟的虚拟装配场景同步, 这时用户可以开始进行虚拟装配或通过文本消息与其他装配者进行交流。
(6) 各用户在仿真应用系统中进行协同仿真。此时, 整个联盟中的所有用户都在同一个虚拟环境中进行装配。整车商组织和协调各用户按装配顺序进行虚拟装配操作, 各虚拟装配用户按照各自的角色将零部件安装到位, 用户间的交流可通过互相发送或广播文本消息的方式进行。装配过程中, 零部件的装配路径和所有的动态干涉都被系统记录下来。每个用户都可以暂停协同, 并回放刚才自己和其他用户进行的操作, 以利于检查和确认发现的问题。
(7) 装配完成后, 整车商通知协同虚拟装配用户退出, 同时生成仿真过程评审报告。
3 虚拟装配系统中的关键技术
3.1快速碰撞检测技术
整车中的零部件数量多, 且各零部件、子系统间的装配关系及空间位置十分复杂。因此, 在虚拟装配中对各零部件的碰撞检测十分重要, 其算法的效率直接关系到干涉检查及场景渲染的效率, 对系统的实用性产生影响。到目前为止, 碰撞检测算法大致可分为3种:第1种是基于固定时间片长度的碰撞检测算法, 第2种是基于一个时间片长度的碰撞检测算法, 第3种是基于可变时间片长度的碰撞检测算法。包围盒方法主要用于第一类碰撞检测, 它最大的好处是可以实现快速碰撞检测, 在证明两个物体并不相交时是非常有效的。考虑到本系统中主要是进行各零部件的静态、动态干涉检查, 同时考虑检测效率, 因此, 本系统采用包围盒算法进行碰撞检测。
该算法的关键为搜索最佳方向并确定该方向上的包围盒最小尺寸。该算法在实际应用中假设新的碰撞总是在接近上一次碰撞的多边形处发生, 因此检测中首先测试上次碰撞的位置, 同时缓存相关信息以供本次使用。
3.2并行渲染技术
组成整车的零部件数量众多, 现有的三维渲染引擎如OpenGL和Direct3D等都是基于三角面片进行渲染的, 当模型的三角面片数超过百万时, 普通的图形显示卡的渲染能力不足, 一般需要调用大型图形工作站, 但各部件供应商未必有这个条件。在本系统中, 采用了我们合作单位开发的基于PC集群的并行渲染技术[10], 它以OpenGL为基础, 利用高速局域网的PC集群在大数据量处理、复杂计算等方面具有的能力强、可扩展性好等特点, 构造基于通用PC集群和高速局域网的并行渲染系统。
4 实例验证
以荣威750为例, 对协同装配过程进行验证, 验证内容包括装配过程的干涉情况和装配顺序的验证。
图4所示为汽车协同装配仿真应用系统拓扑结构, 整车商和各部件供应商通过网络互联, 进行协同装配。整车商负责整车设计并将各个部件的设计要求通知给各个部件商, 并对整个协同装配项目进行管理;分布在各个地区的部件商根据整车商的要求负责具体的部件设计, 他们同时参与到此协同仿真项目中;由上海超级计算中心提供超级计算机作为网格服务器, 给项目运行提供强大的计算支持。
操作顺序按照2.2节介绍的虚拟装配流程进行, 整车商和部件商的运行界面如图5所示。
装配完成后, 生成仿真过程评审报告, 报告包含零部件装配情况信息、干涉情况截图等, 如图6所示。整车商和部件商可以根据装配评审报告, 结合虚拟装配过程中发现的问题进行商讨并对装配的可行性给出最终的判断。在此过程中, 各方只需提供准确的CAD模型, 而不用制造物理样机, 且各方人员完全可以在不同的地区进行操作, 大大节省了时间并降低了成本。
5 结束语
本文介绍了汽车协同制造网格技术, 及在此基础上开发的协同装配系统。以荣威750的应用为样本进行了协同装配检验。实例证明, 通过网格技术, 各合作单位的资源得以有效利用, 突破了地域限制和单机计算能力的限制。此外, 本系统具有良好的可视性和可操作性, 能够准确地预判在实际装配过程中可能出现的问题并自动形成评审报告, 为整车商及各部件商能在设计阶段就发现问题并及时修正提供了良好的指导。
参考文献
[1]郑太雄.虚拟装配理论与方法研究[D].重庆:重庆大学, 2003.
[2]吴波, 胡春华, 陈维, 等.基于多自治体的制造系统集成[J].华中理工大学学报, 1996, 24 (9) :25-27.
[3]胡春华, 吴波, 杨叔子.基于多自主体的分布式智能制造系统研究[J].中国机械工程, 1998, 9 (7) :54-57.
[4]李荣彬.分散网络化生产系统的背景和设想[J].工厂建设与设计, 1997 (5) :40-43.
[5]张曙, 林德生.可持续发展的生产模式-分散网络化生产系统[J].中国机械工程, 1998, 9 (2) :68-71.
[6]Liu F, Yin C, Liu S.Regional Nerworked Manufac-turing System[J].Chinese Journal of MechanicalEngineering (English Edition) , 2000 (13) :97-103.
[7]李治, 金先龙, 姜恺, 等.协同设计网格及其关键技术[J].上海交通大学学报, 2005, 39 (12) :1950-1954.
[8]Li Z, Jin X, Cao Y, et al.Conception and Implemen-tation of a Collaborative Manufacturing Grid[J].In-ternational Journal of Advanced ManufacturingTechnology, 2007, 34:1224-1235.
[9]杨华, 朱骥, 陆忠华, 等.基于GOS的国家网格集成环境及应用实例开发[J].计算机应用研究, 2007 (2) :196-198.
[10]韦乃琨.面向复杂产品的分布式协同虚拟装配关键技术研究[D].上海:上海交通大学, 2008.
虚拟网格 篇2
Petri网理论是研究和模拟系统并行发生、次序发生或循环发生的理想工具。网格任务调度问题从特征上分析具有并行性和异步性,采用Petri网描述网格任务调度问题具有相当的优势。
本文建立了网格虚拟联盟模型的随机Petri网模型,并进行建模分析,进行有效的性能评价。
1 随机petri网
给P/T网的每个变迁相关联一个实施速率,得到的模型就是随机Petri网SPN(Stochastic Petri Net)。
定义1:连续时间随机Petri网SPN=(S,T;F,W,M0,λ),其中(S,T;F,W,M0)是一个P/T系统,λ={λ1,λ2,…,λm}是变迁平均实施速率集合。
2 网格虚拟联盟模型
虚拟联盟组织结构
通过分析,可以给出一个虚拟联盟组织结构。如图1所示。
这个模型主要完成以下方面的功能:1)资源注册到虚拟联盟中,通知网格系统中相应的管理者有关该资源的信息;2)系统中各层之间可以进行信息传递;3)用户在各自的站点将任务提交给本地的子联盟,便于用户对任务提交和执行情况进行监控。用户提出的大多数资源请求任务均能在一定范围内得到满足,即资源分配的大多数任务在本地的几个子联盟内完成,少量资源需要调用远程子联盟内的资源。
图2给出了网格资源管理的虚拟联盟内部的组织结构,从上至下分别为:用户层、管理层与资源层。用户层用于提交服务需求;管理层用于资源匹配和任务调度;资源层用于资源的注册、注销及资源的组织。
3 网格虚拟联盟模型的Petri网模型
定义2:第k个区域资源服务目录中的第i个局部资源服务目录的任务申请者所对应的随机Petri网(SPN)是一个6元组TSPNki=(Pki,Tki,Fki,Wki,Dki,Mki),其中,
Pki={Pki j|j=1,2,…,10}是位置的有限集合;
Tki={Tki j|j=1,2,…,6}是变迁的有限集合;
Fki属于(Pki×Tki)∪(Tki×Pki)的弧的有限集合;
Wki={λi|λ=1,2,…,6}是变迁实施速率的集合;
Mki0为初始标识;
Dki={(RTki,DTki)∪(ETki,CTki)∪(Mki,TAki)},其中RTki与DTki分别是任务的到达时间与截止期限,ETki是任务在各机器上估计执行时间矩阵,CTki是任务在机器与局部资源目录、与区域资源目录以及区域资源目录之间进行全局资源协同的估计通信时间矩阵,Mki是资源的状态信息,TAki是(子)任务完成的状态信息。
类似于定义2,资源注册模块、局部资源目录管理者模块、任务请求与局部资源目录进行匹配模块、区域资源目录管理者模块分别对应的随机Petri网(SPN)为:RSPNki,LSPNki,MSPNki,ASPNki。
定义3:设网格计算系统有n个区域资源目录,第k个区域资源目录有m个局部资源目录,则整个系统所对应的共享合成随机Petri网(SPN),即:
根据上述定义,网格虚拟联盟模型的合成图如图3所示。
图中任务申请模块TSPNki的位置与变迁的说明见表1。
下面按照功能和过程对此模型进行说明:
1)资源注册模块(为用户提供了三个接口:P1、P10、P11,其中P1为多入口,可同时接受多个资源的注册请求。),它的功能是用于资源的注册。
2)任务申请模块(为用户提供了一个接口:P1,其中P1为多入口),它的功能主要用于任务请求的提交。
3)局部资源目录管理者模块(为用户提供了三个接口:P1、P9、P10,其中P1为多入口),它主要用于局部资源目录的管理,它可以处理资源的注销和资源信息的注册添加、修改等维护操作。
4)任务请求与局部资源目录进行匹配模块(为用户提供了一个接口:P6,其中P6为多出口),它的功能用于:将任务对资源的请求与局部资源目录中的资源进行匹配,并返回结果。
5)区域资源目录管理者模块(为用户提供了两个接口:P7、P8,其中P8为多出口),它的功能是:接受局部资源目录处理不了的任务请求,如果此区域资源目录能为任务请求寻求到合适的服务;如果不能为任务寻求到合适的服务,则需要与其它区域资源目录进行全局的资源协同。
4 性能分析
定义4:设RTT(SPN)=(V,E)是SPN的可达任务树,其构造算法如下:
(1)RTT垂直分成m1+m2+…+mn+n+z+1个区域,其中mk是第k个局部区域中机器的个数,n是局部区域的个数,z是区域的个数,1是负责资源协同的区域。
(2)设V={M0},E={φ},M0标记为“新”;
(3)如果V中不存在“新”的结点,则算法结束;否则,执行(4);
(4)在V中选择一个“新”的标识M,做以下工作:
1)在标识M下,对于使能的每一个与任务相关的变迁Ti,做以下工作:
(1)在标识M下,Ti发生后,通过计算弧函数得到新的标识M';
(2)如果M'不属于V,则:
(a)V=V+{M'},将M'标记为“新”;
(b)如果Ti符合{T19,T27,T34}中的一个条件,则将M'放到对应的局部区域中;
(c)如果Ti符合{T17,T21}中的一个条件,则将M'放到局部区域所属的区域中;
(d)如果Ti符合T20的条件,则将M'放到全局资源协同的区域中;
(e)如果Ti符合T36的条件,则为任务提供所需的服务;
(3)E=E+{M,M'},并将{M,M'}标记为“Ti/TAj”,若Ti=T36,则再附加标记“[t]”,其中t为任务TAj(或其子任务)在某台机器上的执行时间;
(4)将M'标记为“[c]”,其中c为当前时刻;
2)如果在标识M'下,某一任务执行完毕,则将M'标记为“端点”。
3)删除M中的“新”,然后转到(3)。
假设一个网格计算系统有两个区域(虚拟联盟)组成,第一个区域由两个局部区域(子联盟)组成;其中假设机器M11,M12分别代表了一个局部区域。第二个区域由一个局部区域组成;假设机器M21代表了这个局部区域。现有3个独立任务TA111、TA121、TA211分别在3台机器上提交,3个任务又分别由多个具有相互依赖关系的子任务组成,它们的DAG如图4所示。表2给出了这些任务的到达时刻、截止期限、估计执行时间及估计通信时间。
注:CT1指机器与局部资源目录通信;CT2与区域资源目录通信;CT3指全局资源协同时间;
分析:
(1)从表2得知,任务TA111、TA121、TA211在本局部区域内均不能在其截止期限内完成,因此需要向上提交。从图5可以看出,TA111在本区域内完成,其中子任务1、2在机器M11上执行,子任务3在机器M12上执行。在TA121通过全局资源协同在区域2的机器M21上执行。TA211被分配到区域1中,其中子任务1、3被分配在机器M11上执行,子任务2、4被分配在机器M12上执行。
(2)从图5可以得出,M11执行所有任务所用时间之和time1=40+30+60+65=195,M12执行所有任务所用时间之和time2=37+58+45=140,M21执行所有任务所用时间之和time3=162。
(3)从图5还可以看出,可达任务图有3个端点:M127、M132、M134,标注在它们后面的数字分别为96、254、296,这3个数字分别为任务TA111、TA121、TA211的完成时刻,所以整个系统完成三个任务所用的调度时间为:max{96,254,296}=296。
5 结束语
本文提出了一个网格虚拟联盟的Petri网模型用于网格任务的调度和资源的管理,它包含资源申请注册、任务请求、资源注销、局部资源目录和区域资源目录等几个部分。网格虚拟联盟模型能够很好地描述网格任务调度和资源管理的特征,同时也能有效地进行性能的评价。
网格虚拟联盟模型的研究还在进行中,下一步的工作主要集中于以下几个方面:1)资源注册成功后,关于资源组织排序、优化的研究;2)用户或任务提交请求后,有关服务自主性的研究;3)在单个资源不满足需求的情况下,有关资源组合或服务合成的研究;4)对此模型进行进一步的系统性能分析;5)缩短任务调度完成时间。
参考文献
[1]吴哲辉.Petri网导论[M].北京:机械工业出版社,2006.
[2]林闯.随机Petri网和系统性能评价[M].北京:清华大学出版社,2005
[3]王涛.网格资源自治管理和任务自主调度的设计与实现[D].西安:西北工业大学,2005.
[4]韩耀军.网格计算资源调度方案及其Petri网建模与分析[J].系统仿真学报,2006,18(4):824-828.
虚拟网格 篇3
从传统的计算机集成制造、并行工程到虚拟企业、大规模定制生产等新一代先进制造技术,产品信息交换与共享一直是需要解决的首要问题。长期以来,信息交换与共享技术侧重于数据本身的交换和共享的实现,如以基于STEP的产品数据交换发展而来的PDM、EDM,均侧重于对不同异构数据的交换共享的具体实现技术和方法。这种技术在传统的集中式环境下能够实现统一的产品数据交换与共享,但在基于Internet的分布式环境下,由于STEP本身描述机制的特点,要实现信息的网上交换与共享,就需要耗费大量的时间和人力来解决网上数据接口匹配问题,以及尽可能满足分布式环境下的动态性、临时性以及实时性要求,这是很难做到的。
事实上,从虚拟企业模式的提出到对虚拟组织更深入的理解,尤其在近年来我国大力提倡企业产品创新能力的形势下,围绕产品的设计、制造,要求以产品创新为核心的分布式企业之间实现知识级的共享和重用,传统的产品信息表达方式和处理模式已无法适应现代企业的需求。产品信息的交换与共享已不再局限于数据内容、格式的交换与共享,信息共享的层次已由数据共享上升为知识共享。随着网格计算、语义网以及语义网格研究的兴起,产品信息交换与共享研究层次也在不断上升,研究内容不断深入。语义网格的研究为分布式资源运作提供了可行的空间,虚拟组织的架构为产品的创新提供了更广阔的知识源,而语义网格环境下虚拟组织的产品信息交换与共享的研究则上升到对信息语义层次的理解、挖掘、推理创新层面,进而为支持产品创新能力的实现提供知识基础。
近年来国内外许多研究机构已经在不同范围和层次中对产品信息交换与共享进行研究[1,2,3],其中最典型的国际组织EuroSTEP长期注重于STEP产品数据的网上XML转换表达[4]。但是由于XML本身的局限性,导致STEP转换后带来语义信息的损失,即这种转换是单向不可逆的,遇到这种情况国际标准采用的是原文直译法以保留不能解析的语义信息。目前EuroSTEP等组织一直致力于该方面的完善和补充。随着近几年语义Web、网格计算以及语义网格研究的深入,为实现网络信息语义层的理解、推理提供了可能[5,6],因此结合语义网格研究虚拟组织的产品信息具有其独特的优势。针对产品信息语义描述共享层次的研究,当前较多地侧重于产品信息本体研究[7,8,9,10]。STEP采用EXPRESS描述已经经过多年的应用论证,而语义Web的OWL还处于发展试验中。抛弃当前已经推出的STEP的EXPRESS描述或XML表达国际标准,完全采用语义Web的OWL来实现产品数据的语义表达还需要更长的时间,因为从语义描述上它没有EXPRESS功能强大,从语法表达上它没有现行的STEP XML表达国际标准严格,同时OWL本身缺少严格的数据模型作为理论基础,它的许多地方还正在完善中。
本文从上述角度出发,在充分利用已有研究成果基础上,寻找一条新的解决方法,既能够满足分布式环境下产品信息的知识级交换与共享,又无需类似采用RDF、OWL完全取代EXPRESS对STEP进行重新的语义描述。本文将系统阐述语义在线重组实现的思想方法及其体系架构,并论述其相关关键技术。
1 异构产品信息语义在线重组的方法及其架构
针对虚拟组织中各成员间产品信息交换和共享的动态性、临时性的特点,围绕虚拟组织的某个产品信息交换需求,通过产品语义的在线重组来实现产品信息语义交换,这种重组目的并不是为了完全取代原有产品信息描述方式,而是在区分语法与语义的前提下,在语法层次上对原有信息实现信息转换,在语义层次上对原有语义内容进行解释、添加补充,或引用新的适应语义网格环境的语义标识和对语义补充注释机制。它既保留原有信息的完整性并使双向性成为可能,同时又具备了面向语义网格环境的知识交换和共享的功能。通过这种机制能够根据虚拟组织的临时需求对各网格节点异构产品信息的语义建立动态关联,实现语义的自导航和重定位,从而实现对产品信息知识级的动态交换与共享。这种对语义的在线重组是动态的、实时的,也是临时性的,称为“虚拟重组”。
Internet为实现产品信息网上交换与共享提供了通用的物理平台,解决了异地异构平台兼容的问题,XML提供了数据层异构产品网上交换的数据格式,而结合语义网/语义网格可以提供语义层的语义交换中介。图1所示为虚拟组织异构产品信息语义交换的在线重组架构。图2所示为异构产品信息语义在线重组的过程。它在整体上可分为三个层次,底层为数据交换层(简称数据层),中间层为语义交换层(简称语义层),顶层为实现语义在线重组而提供的LEV(linked-entity visualization)语义标注功能层。
底层的数据交换是建立在XOEM(extensive object exchange model)数据模型基础上并基于XML的异构产品信息网进行数据交换的。XML只是在语法上实现了统一的数据交换表达,并没有提供充分的语义表达方式。因此,为了实现对产品信息的语义共享和交换,需要在语义层上解决语义的描述。语义交换层是建立在数据交换层基础上实现的,通过由数据模型到语义模型的映射来实现。与数据交换层不同的是,产品信息的语义在线重组并不是将异构产品信息语义全部进行统一转换或重新描述,而是通过对原有内容的语义部分进行解释或引入语义标注或引入注释机制。那么这种语义标注的具体描述方法就是我们需要实现的语义统一描述与识别的研究内容[11]。
顶层的LEV语义标注功能层不仅解决了产品信息在数据层和在语义层之间的映射,而且更为重要的是解决了产品信息间的语义关联和语义导航。语义的动态关联是指分布的异构产品信息之间存在的语义联系,这种联系是根据虚拟组织某一阶段的需求建立的,同时也是动态的、临时的。语义的自导航就是在临时建立的语义关联基础上,能够根据产品信息交换与共享意图,通过对语义关联的理解和推理自动检索出相应的语义路径。语义的重定位是指根据语义自导航能力,按照相应的语义路径最终定位到实现产品信息交换与共享意图的语义信息节点中,完成语义信息的交换共享。语义的动态关联是产品信息在线重组实现的前提,语义的自导航是产品信息在线重组实现的过程,语义的重定位是产品信息在线重组的结果。
由于数据层的XML数据交换已经在前期工作中基本解决,因此主要涉及的关键技术存在于语义交换层和LEV语义标注功能层。
2 关键技术
2.1 面向产品信息语义描述的语义模型
建立语义网格环境下面向产品信息语义描述的语义模型是语义在线重组研究的理论基础。目前面向多样化异构产品信息网上表达的数据模型均侧重于数据表达的严格完整性,即满足语法层次的要求,但缺乏语义信息。而语义网格环境的语义模型侧重于语义关系的理解和推理,但是语义描述的方式在语法层次上不能满足产品信息表达的严格完整性要求。
近年来,在有关产品信息语义描述的研究中,大多数是通过采用本体语言来描述产品信息的。最普遍的是采用OWL语言来重新定义产品语义本体,然后利用OWL语言的特点实现产品语义的描述和推导。国外有代表性的是wikiSTEP组织[12],该组织主要针对产品信息STEP国际标准,完全采用语义Web的OWL来实现产品数据的语义表达。在当前基于本体和语义网的研究过程中,产品信息本体的定义存在较大的随意性和不确定性。目前国内的大多数研究中,对本体的定义本身就涉及本体的一致表达规范性问题,从而产生了对本体库的管理、搜索、定位、接口、服务等一系列有待解决的问题,而产品数据STEP协议就不存在类似的问题。事实上STEP协议中的EXPRESS描述本身就是不够严格规范的弱本体定义。OWL语言只是一种本体描述语言工具,不能提供本体的设计方法和原则,如果不能有严格规范的约束和定义,单靠OWL语言是无法解决上述问题的。因此研究面向产品信息统一描述的语义模型具有非常现实的意义。
直接将XOEM模型和OWL匹配是比较困难的。因为OWL是属于本体论的范畴,侧重于推理,其约束表达能力极强;而XOEM模型侧重于数据的描述,且描述能力强,而约束表达能力极弱。可以通过添加OWL标签来弥补XOEM模型的缺陷。对于模型的不一致,我们需要通过中间的过渡桥梁来解决。考虑到XOEM模型可用有向图表示,因此我们可以建立类似RDF简单数据模型的模式有向图,将XOEM模型有向图转换成该模式有向图,同时将OWL模式转换到该模式有向图中,从而实现了XOEM和OWL有机结合即所谓的XOEM+OWL,图3显示了其结构关系。表1和表2分别给出了二者相对应的XOEM+OWL模式图表达关系。
我们在原有研究成果中提出的数据模型———基于带根连通有向图的数据模型即可扩展对象交换模型XOEM[13]的基础上,引入OWL语义标注,提出了基于XOEM+OWL的统一的产品知识表达语义模型[14],研究了XOEM+OWL模型的模式图表达定义。数据层遵循原有的数据模型XOEM实现STEP数据转换,语义层通过OWL语义标注引入STEP语义,数据层与语义层之间通过XOEM+OWL模型内的映射匹配约束建立关联。根据XOEM+OWL,针对数据层的STEP数据模式图和语义层的OWL模式图,分别给出了相应的匹配表达方法。最后研究二者之间的映射匹配约束关系的表达,给出了匹配系数的表达式。由此实现了对任何产品信息的数据表达和语义描述均规范于统一的XOEM+OWL模型内,根据该模型我们可以得到统一的基元,利用对基元的控制操作来实现对产品信息语义的在线重组。
2.2 基于XOEM+OWL的异构产品信息语义描述
由于产品信息的XML表达的语义局限性,使得许多研究者先后采用RDF、OWL等来描述STEP产品信息,他们的思路类似于STEP采用XML数据表达,均是尝试用RDF或OWL来取代EXPRESS进行描述。这种方法的局限性在于:不同于数据格式的转换,OWL的语义描述方法多种,对同一种产品信息,可以采用多种不同的OWL方式来描述其内部语义,即使是同一种OWL语言描述也难以规范对语义理解的一致性。因此企图只通过OWL的描述来实现对产品信息的统一语义描述是困难的,这也是目前这些研究难以再进一步深入的原因。事实上将产品信息的数据表达和语义描述有机结合在一起研究能够有效解决这个问题。
从上述思路出发,在研究已取得的面向产品信息统一描述的语义模型的研究成果基础上,我们提出了基于XOEM+OWL的异构产品信息统一描述方法与实现技术,研究了数据层和语义层实现的统一关联方法。数据层遵循原有的数据模型XOEM实现STEP数据转换,语义层通过OWL语义标注引入STEP语义,数据层与语义层之间通过XOEM+OWL模型内的映射匹配约束建立关联。对于二者关联的媒介,我们设计了语义基元,因此我们研究的产品信息语义描述所组成的单元就是语义基元,它建立在XOEM+OWL的基础上,实现了STEP模式与OWL模式的关联映射。表3所示为语义基元内部二者映射关系表达式。
Cos(sc,oc)是由两个不同层次的衡量系数计算组成的:元素级匹配(ElementMatch)和语义级匹配(OWLMatch)。元素级匹配侧重于XOEM+OWL模型基元的数据级层次相似度,而语义级匹配侧重于基元的语义级层次相似度。Cos(sc,oc)的计算公式如下:
式中,wsc和woc分别为元素级匹配和语义级匹配相对应的权重系数;ElementMatch和OWLMatch分别为元素级匹配和语义级匹配的值。
在具体实现过程中,我们针对STEP Part21数据文件进行研究并设计了相应的基元。产品数据的表达依然是遵循XOEM模型并采用规范统一的XML数据来描述的[15]。我们通过对STEP Part21的实例进行设计来构造语义基元,语义基元间通过ID进行联系,从而不会影响到现有的STEP XML数据表达。但与现有的STEP XML数据表达区别的是,对实例ID的处理是通过引入语义标注来关联相应的OWL语义描述信息[16]。对于语义描述,可通过自我解释和语义标注两种途径生成相应的OWL语义描述信息。对于XML数据层和OWL语义层的关联,在自我解释途径中,依靠当前已有的研究成果,按照STEP协议进行OWL描述,此时会产生相应的OWL语义描述信息。此外,语义标注途径给用户提供了对语义关联的对象及其语义内容进行动态增加、修改、删除的功能。产品信息的语义统一描述不仅是只针对类似STEP Part21文件级的产品信息,而且可以处理任何级别的跨平台异构产品信息。因此,单纯靠自我解释途径是不够的,语义标注是一种有效的补充方法。
2.3 异构产品信息在线语义标注
产品信息的网上动态关联是实现产品信息网上共享的重要手段。通过这种动态关联为多样化异构产品信息之间的沟通建立了新的联系桥梁,并且能够根据需要进行动态的调整改变。
要实现异构产品信息的在线语义标注,关键在于如何将异构产品信息语义关联信息可视化[17]。由于基于XOEM+OWL的异构产品信息统一描述是通过我们设计的语义基元实现的,因此我们以语义基元为基本对象,重点研究了语义基元之间语义关联信息的可视化。可以将语义基元间的语义关联转换成实体链接关系(linked entity),表4列出了二者的匹配关系。
2.4 语义描述实例
以圆的描述为例,图4为其STEP XML Schema初始的数据描述实例。根据表1可得到STEP的XML模式图(图5),采用OWL进行语义描述时,根据表2可得到相应的OWL模式图(图6),遵循XOEM+OWL模型,可以看出两种模式的有向图基本趋于一致,也基本实现了数据层和语义层的有效匹配。在此基础上,根据表4,得到其相应的LEV数据描述,LEV系统通过分析LEV数据描述来展示相应的可视化结果。
3 基于SVG+AJAX的语义标注可视化系统——LEV设计与实现
根据上述方法,我们设计与实现了异构产品信息语义关系可视化系统——LEV[18]。该系统完全基于浏览器的跨平台功能,采用SVG实现二维矢量图形的显示,采用AJAX实现异步数据的传输与保存,支持多用户并行操作。系统不仅实现了可视化功能,同时提供多用户在线并行修改创建语义关联的功能,语义基元的在线重组可以通过该系统进行扩充。
系统特色主要表现在以下几个方面:
(1)语义设计功能。该系统不仅提供了语义关系可视化功能,同时提供了语义在线标注功能,通过对Entity的编辑修改实现对语义基元属性的构建,通过对Link的编辑修改实现对语义基元间的语义关联。此外,该系统的一大特色在于语义匹配、扩展和检索功能强大。
(2)系统操作功能。对系统图形对象的操作,不仅可以控制某个图形对象,而且可以控制与该图形对象所有语义关联的图形对象进行同步操作。这种功能便于我们观察所有相关语义的Entity对象间的关系。
(3)支持异步数据传输的并行功能。系统支持多用户并行地对系统图形对象进行操作,同时支持基于AJAX的异步数据传递,有效解决了并行操作的数据不一致问题。
4 结束语