CN107111784A - 用于集成语义数据处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在设备中、尤其是在自动化技术的现场设备中集成语义数据处理的方法。在此，使用用于限定语义库的通用的描述语言模板来，作为初始基础。根据本发明，所述描述语言模板增加有本体论的用于对设备的运行方式进行语义表示的内容。在此，所述本体论的类和/或子类与至少一个被分配给所述类和/或子类的特性一起从所述本体论中提取，被改造成相对应的模板声明，并且所述模板声明被插入到所述描述语言模板中。紧接着，从描述语言模板中生成一个或多个语法、优选地按照标准化数据格式“有效XML交换”（缩写为EXI）的语法，所述语法被集成在设备中。本发明的一个特别的优点在于紧凑得多的语义数据处理和数据传输。

Description

用于集成语义数据处理的方法

技术领域

本发明涉及一种用于尤其是在自动化技术的设备中集成语义数据处理的方法。

背景技术

在现有技术中公知了基于微控制器工作的现场设备或设备、例如自动化技术中或车辆中的集成传感器、执行器和控制单元。在自动化设施的复杂性升高的过程中所形成的增加的需求是，给设备配备将以结构化的并且可解释的形式的数据与语义描述一起进行处理的能力，并且因此寻求与“语义网”的原理类似的数据处理。

尤其是寻求在设备中的语义数据处理，以便使设备的开发变得容易、避免或识别在运行时的故障、以及用于通过对设备进行最优的参数化来优化自动化设施。

尤其是在高要求的信息处理领域中广泛流行的语义数据处理基于本体论来运行。所述本体论应当被理解为针对所限定的知识领域（亦称一个或多个域（Domain））的一种知识表示，其目标是以机器可读的方式交换和使用知识。本体论提供的广泛可能性是形成在所述域的类（概念（Concept））之间的特性（关系（Relation）），并且本体论提供了对于语义数据处理所需的方法。由于本体论的数据技术的强大，利用所述本体论的工作需要相对应地资源强大的计算环境。

已经做出的考虑是，将语义网的技术转用于设备的语义数据处理和其它自动化组件。但是，由于设备的资源有限，基于本体论对语义数据的处理被淘汰。尤其是，在所提及的有限的资源的情况下，将比较小的存储区域、小的通信带宽、以及资源弱的CPU或微控制器称作中央计算单元。

与此相应地“更轻的”（轻量化的）语义数据处理基于名为“资源描述框架（Resource Description Framework）”或RDF的公知的数据模型。数据模型RDF具有基于定向的图形的形式语义。数据模型的数据被建模为三元组（Tripel）。所述三元组应当被理解成一种由主语、谓语和宾语构成的基本陈述。为了存储RDF三元组，公知有在业界也被称作语义库（Semantic Repository，语义知识库）或三元组库的概念。在配备有限的存储空间供应和计算能力供应的设备中，该三元组库通常也被称为μRDF。标准化数据格式“有效XML交换（Efficient XML Interchange）”（缩写为EXI）特别适合于在设备上实现μRDF。

在现有技术中，公知有用于规定数据格式和对于数据的处理所需的方法的描述语言。一种公知的描述语言是“可扩展标记语言（Extensible Markup Language）”（缩写为XML），利用所述“可扩展标记语言”，以文本格式或明文（Plain Text）来描述在等级上结构化的数据。描述语言XML被用于在计算机系统之间不依赖于平台地交换数据。由于XML的文本属性，所述XML不仅能由机器来读入，而且能由人来读入。此外，还公知有用于描述结构并且用于限定数据类型的模板（Schemata）。这些模板基于诸如XML的描述语言并且因而也被称作描述语言模板。用于XML数据的应用的模板也被称作XML模板限定（SchemaDefinition）或XSD。

常常需要在计算机系统之间的快速的数据交换和/或快速的内部数据处理，它们不能以诸如XML的文本描述语言来实现。因而，曾提出了XML的二进制表示。这种二进制表示是上面提及的交换格式EXI，所述交换格式EXI与基于文本的XML数据相比可以更快地被处理，并且在计算机系统之间的数据交换时需要更少的传输带宽。此外，EXI的应用不仅仅限于XML的二进制表示，EXI可以作为交换格式被用于处理和传送任意的半结构化的数据。

二进制表示EXI尤其是在设备中使用时发挥出优点。所述设备可以被设立用于在设备内部处理以基于文本的XML格式或也以交换格式EXI的数据，但是通常基于二级制数据、尤其是按照EXI规范的二进制数据来通过相对应的通信接口使这些数据彼此交换。

当已经限定了对语义表示或数据的描述进行最好地映射的EXI语法时，二进制表示EXI是特别有效的。所述语法通常从上面阐述的XML模板中生成。该语法例如关于数据结构、数据内容、数据类型被构造得越具体，对语法的编码及其实现就越有效并且越紧凑。

不过，设备的语义描述目前在大多数情况下是不可用的。目前，这种描述仅仅尝试性地以开发工具（Engineering Tool）特别地（ad hoc）予以限定，其中语义描述通常只以专有格式留在开发工具环境中。

与此相应地，值得期望的是，将例如来自自动化领域的流行的本体论用在设备的实现或开发中。

发明内容

本发明的任务是，提供一种装置，所述装置使得能够从描述语言模板中生成语法，尤其是用来在资源弱的设备中使用，其中至少部分地根据至少一个本身被设置用于资源强的计算环境的本体论来集成对设备的运行方式的语义表示。

该任务通过具有专利权利要求1的特征的方法来解决。

根据本发明的方法规定了一种用于在设备中、尤其是在自动化技术的现场设备中集成语义数据处理的方法。在此，执行下列步骤：

- 提供描述语言模板，用来限定语义库；

- 提供本体论，用来对设备的运行方式和/或数据进行语义表示；

- 从本体论将至少一个类与至少一个被分配给所述类的特性一起读入，并且将相对应的模板声明插入到描述语言模板中；

- 从描述语言模板中生成语法；并且

- 将语法集成在设备中。

根据本发明规定，使用现有的用于限定语义库的通用的描述语言模板，作为初始基础。该描述语言模板优选地基于名为“资源描述框架”或RDF的公知的数据模型。描述语言模板或模板适合于在配备有有限存储空间供应和计算能力供应的设备（诸如现场设备）中实现三元组库或μRDF。根据本发明，描述语言模板至少部分地增加有本体论的用于对设备的运行方式进行语义表示的内容。在此，本体论的类与至少一个被分配给所述类的特性一起从本体论中提取，被改造成相对应的模板声明，并且所述模板声明被插入到所述描述语言模板中。如下子类也属于所述类，所述子类通过特性或关系（Relation）“是...的子类（subClassOf）”而从属于一个类。在插入至少一个模板声明之后存在的描述语言模板在后续的描述中也被称作“经扩展的”或“具体的”描述语言模板，因为来自本体论的设备描述的集成导致更深入地考虑到设备的规范的语言描述模板。紧接着，从描述语言模板中生成一个或多个语法、优选地按照标准化数据格式“有效XML交换”（缩写为EXI）的语法，所述语法集成在设备中地、也就是说作为控制软件的部分地被加载。

本发明的一个特别的优点在于，可以从“具体的”描述语言模板中生成语法，该语法允许紧凑得多的语义数据处理，并且也允许现场设备彼此之间或者现场设备与自动化系统之间的数据传输。

数据处理的紧凑性允许更快的语义数据处理。另一方面，该紧凑性也导致更小的数据包大小，所述更小的数据包大小降低了数据包在数据包丢失的情况下必须重新被发送（重传（Re-Transmissions））的概率。重传的所述有利的减少对在多个现场设备彼此之间或者现场设备与自动化系统之间的通信方面的网络充分利用有积极作用。

本发明的另一优点在于，根据本发明所生成的语法的实现要求更少的存储空间，因为所述语法比如下语法包含更少的基于文本（基于字符串（string based））的要素名称（标识符（Identifier）），所述语法不曾在应用结构化的设备描述（如其提供本体论的那样）的情况下生成。根据本发明的语法受系统制约地允许通过数据类型编码（类型编码（TypeCoding））来替代这些基于文本的要素名称。

此外，该任务还通过具有专利权利要求12的特征的计算机程序产品来解决。计算机程序在供应计算机的处理器、尤其是用于研发现场设备内部软件的开发系统中被运行，所述计算机程序随着所述运行而实施该方法。

本发明的其它的设计方案是从属专利权利要求的主题。

附图说明

在下文，依据附图进一步阐述本发明的其它实施例和优点。在此：

图1示出了用于限定语义库的语法的状态图；

图2示出了用于对设备的运行方式进行语义表示的示例性的本体论的示意图；以及

图3示出了根据本发明扩展的语法的示意图。

具体实施方式

语义描述作为设备（诸如自动化设备或现场设备）的语义数据处理的前提目前仅能在早期遇到。目前的方案规定，在开发阶段才借助于开发工具“手动地”输入语义描述。

基于二进制表示“有效XML交换”（缩写为EXI），也可以在资源弱的设备中实现语义描述，所述语义描述能够实现设备的“自描述”。因为目前在“语义网”的域或“链接数据（Linked Data）”域中不提供用于具体的XML模板的概念，所以在首次启动时可能会选择通用方案，所述通用方案按照EXI协议对应于无模板或“schemaless”的模板。不基于XML模板或从中生成的EXI语法的所述方案由于不那么有效并且不那么紧凑的编码而被证明为不利的。

与此相应地，根据本发明的处理方式规定提供描述语言模板，用来限定语义库。

在公知的数据模型“资源描述框架”或RDF上的语义库规定以语义三元组对数据进行建模。基于该RDF，限定了描述语言模板、尤其是XML模板，所述描述语言模板以描述语言来映射语义三元组的结构。在下文，以描述语言XML来示出示例性的描述语言模板：

声明：

限定了复杂的类型，所述复杂的类型这里实现了状态自动机。具有“RDF”和嵌套的“描述”声明的“根”声明对应于“缺省”RDF框架。

声明：

被设置，以便可以对在运行时间出现的任意的“属性（Property）”要素进行编码。

在图1中示出了通用EXI语法的状态图，作为从上面描述的描述语言模板中生成的结果。在此，示出了确定性自动机或确定性有限自动机（Deterministic FiniteAutomaton）（也缩写为DFA），在所述确定性自动机或确定性有限自动机中圆形的图像映射状态。事件或Events（在图中为EV）导致在状态之间的或者在相同的状态之内作为循环的箭头形地示出的状态转变。最终状态用双圆周线来示出。

上面描述的声明：

在此导致在中间的层内示出的RDF语法（RDF Grammar），而上面描述的声明：

在此导致在最上面的层内示出的描述语法（Description Grammar）。在最下面的层上的根语法（Root Grammar）是语法的起点。

现在，基于从上面示出的用于限定语义库的描述语言模板中生成的所述通用语法，可以用该通用语法来映射任意的语义描述。例如，可以设置下列三元组：

所述三元组限定了温度传感器和湿度传感器的结构化的表示。

温度传感器或湿度传感器在相应的三元组中对应于主语，测量值或“Value”对应于温度传感器或湿度传感器可以提供的特性、即谓语，具体的测量值、在上面例如“8.4”或“79.2”对应于三元组的属性。

从中生成的语法的EXI表示会得出下列表示：

00 'temperature（温度）' type resource 'Sensor' value '8.4' 01 'humidity（湿度）' 0 1 0 3 '79.2'

在下文加下划线的编号

00 'temperature' type resource 'Sensor' value '8.4' 01 'humidity' 0 1 0 3'79.2'

是来自按照图1的语法的基于位的事件编码（Event Codes），在那里例如参见事件（Events或“EV”）EV(00)、EV(0)和EV(1)。

在下文加下划线的片段：

00 'temperature' type resource 'Sensor' value '8.4' 01 'humidity' 0 1 0 3'79.2'

是属性的值或所述属性的属性要素名称。如果相同的属性要素名称重复出现，则出于数据压缩的原因使用数值标识符而不是文本属性要素名称，这里例如针对“Sensor（传感器）”使用“0”。为了映射属性要素名称而维护自己的映射表。

在下文加下划线的片段：

00 'temperature' type resource 'Sensor' value '8.4' 01 'humidity' 01 0 3'79.2' ...

是（新的）属性要素名称的值。如果相同的属性要素名称重复出现，则出于数据压缩的原因使用数值标识符而不是属性要素名称，这里例如针对“type（类型）”使用“0”、针对“resource（资源）”使用“1”并且针对“value（值）”使用“3”。

现在，根据本发明规定：如下地导致要从上面示出的描述语言模板中生成的语法的进一步的具体化，其方式是，将用于对设备的运行方式进行语义表示的本体论的要素列入到描述语言模板中。本体论要素的列入通过将相对应的模板声明集成到描述语言模板中来实现。

设备（例如现场设备）具有固定的运行方式，所述固定的运行方式具有确定的固定的并且已知的参数和数据。对该运行方式的描述至少部分地由本体论来映射。按照本发明，基于所述本体论的描述，本体论的语义信息以模板声明来映射。这样扩展的描述语言模板被转变为经扩展的、“具体的”语法。所述具体的语法在编码的效率和紧凑性方面导致明显的提高。例如，所述具体的语法导致：通用数据特性（如上面所示出的属性要素“value”）在运行时不必以基于文本的形式来传输和管理。一般而言，所述具体的语法导致：以基于文本的形式的值、例如“sensor”一般可以被避免。

因此，根据本发明，本体论用于生效目的的迄今为止存在的应用以本体论的用于生成具体的语法的有利的应用来扩展，所述具体的语法导致有效的数据处理。

下列信息可以根据本体论的语义信息以模板声明来映射：

- RDF框架（要素/属性，如RDF、描述（Description）、关于（about）、类型（type），等等）；

- 特性、尤其是“数据属性”和“对象属性”，包括它们的标识符或要素名称在内；

- 所述特性的所使用的数据类型；

- 类的名称；和/或

- 名称空间。

接着，从这样以本体论的语义信息来扩展的用于限定语义库的描述语言模板中生成语法、尤其是EXI语法。该语法被集成到设备、尤其是现场设备中。紧接着，在传输数据和内部语义数据处理时实现更紧凑的表示。此外，语义数据的处理由于被加速的解析过程而变得更有效，并且存储器使用被大大减少。

图2示出了用于对设备的运行方式进行语义表示的示例性的本体论的示意图。在该本体论中，通过圆圈象征性地表现两个类THN、SNS。所述两个类或“概念”中的第一类SNS与所述两个类THN、SNS中的第二类THN通过特性子类（sub-class）或“关系（Relation）”SCL相关联，所述特性说明了两个类THN、SNS之间的关系。此外，针对第一类SNS，限定了特性VAL或“属性”，所述特性VAL或“属性”被分配给数据类型FLT。该对象类型FLT也称作“类型（Type）”或“范围（Range）”。

在下文，所述示例性的本体论的之前的结构性描述用所述本体论的具体的要素来描述。第一类传感器（Sensor）SNS通过关系“为...的子类”SCL被分配给第二类“事物（Thing）” THN。第二类事物形成在本体论中从一开始就设置的（缺省）类，所述（缺省）类形成了通用根类。通过关系“为...的子类”SCL，从所述关系中形成子类（Sub Class）传感器SNS。该类SNS具有特性“值（Value）”VAL，所述“值（Value）”VAL限定了数据类型FLT。数据类型FLT作为浮点数或“Float（浮点数类型）”存在。

以本体论描述语言OWL或网络本体论语言（Web Ontology Language）对按照图2的示例性的本体论的限定的内容如下：

在用于限定按照图2的本体论的本体论描述语言的所述部分中，限定了如下传感器类，所述传感器类是事物的子类。传感器类具有特性（数据属性（Data property））“value（值）”，所述特性（数据属性（Data property））“value（值）”具有范围“float（浮点数类型）”。

类“事物”由如下行

来限定，类“传感器”由如下片段：

作为类“传感器”来限定，所述类“传感器”作为Sub-Klasse或子类通过关系或特性“是...的子类（subclassOf）”被分配给上级类“事物”。一般而言，子类也是类。

根据本体论或本体论描述语言，将类和子类与分配给所述类和子类的特征一起从本体论中读入，并且将相对应的模板声明插入到下列经扩展的描述语言模板中。

具有RDF和嵌套的“描述”声明的“根（root）”声明如在上面的例子中那样对应于“缺省”RDF框架。

这里所示出的经扩展的描述语言模板与上面的描述语言模板的重要的区别在于：经扩展的描述语言模板、现在具体的特性或属性（如“type（类型）”和“value（值）”）从本体论中插入到要素的“描述”模板声明中。

特性“type（类型）”明确地被声明为“type（类型）”要素，并且配备有如下指令：仅仅允许指派在本体论中限定的类、即“事物（Thing）”和“传感器（Sensor）”。

所述选择通过借助于枚举的、更准确地说枚举指令的声明来实现。

类似地明确的声明针对另一特性“value（值）”来进行，所述特性“value（值）”类似于本体论（在那里在片段数据类型属性（Fragment DatatypeProperty）中）作为基于浮点数类型的要素来声明：

一般而言，数据类型（即除了浮点数类型（如Float）之外也包括布尔型（Boolean）、整数型（Integer）等等）的声明从本体论中被引用到模板声明中。

现在，按照图3，从所述经扩展的描述语言模板中生成根据本发明扩展的语法。现在，所述经扩展的语法包含来自本体论或来自所制订的经扩展的描述语言模板的具体的信息。

在层“描述语法（Description Grammar）”中设置两个状态“type（类型）”和“value（值）”，用来映射语义信息。

现在，在将已经在上面阐述的用于限定温度传感器和湿度传感器的语义描述：

映射到经扩展的语法时，得出下列EXI表示：

00 'temperature' 0 '8.4' 1 'humidity' 0 '79.2' ...

这里易于直接理解的是，所述EXI表示比上面所示出的两行的EXI表示紧凑得多，所述两行的EXI表示是在不结合本体论的情况下规定了通用语法的应用的。这清楚地表明利用本发明的装置来实现的编码的优秀的紧凑性。

通用要素（如“type（类型）”和“value（值）”）现在不再存在，而是间接地包含在语法中。此外，已知的类名称（如“Sensor（传感器）”）可以通过枚举映射被映射在描述语言模板中，使得只须传输所述类名称的枚举值，所述枚举值可以在编程层被用于处理。在下文通过下划线强调的0对应于枚举值“Sensor（传感器）”）：

00 'temperature' 0 '8.4' 1 'humidity' 0 '79.2' ...。

根据本发明的一个设计方案，应用EXI的混合方案。该方案不仅允许根据一个或多个本体论制订经扩展的语法，但是状态“xs:any（xs:任何）”同时还可以保留在这种语法中，以便对其它也许还未知的本体论进行编码。为了确保状态“xs:any”保留在语法中，如下声明：

保留在用于限定语义库的描述语言模板中。借此确保了：可以对在运行时间出现的任意的“属性”要素进行编码。

Claims (12)

1.一种用于在设备中、尤其是在自动化技术的现场设备中集成语义数据处理的方法，所述方法包括下列步骤：

- 提供描述语言模板，用来限定语义库；

- 提供本体论，用来对所述设备的运行方式和/或数据进行语义表示；

- 从所述本体论将至少一个类与至少一个被分配给所述类的特性一起读入，并且将相对应的模板声明插入到所述描述语言模板中；

- 从所述描述语言模板中生成语法；并且

- 将所述语法集成在所述设备中。

2.根据专利权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述本体论中读入特性数据属性和/或对象属性。

3.根据前述专利权利要求之一所述的方法，其特征在于，从所述本体论中读入所述特性的所使用的数据类型。

4.根据前述专利权利要求之一所述的方法，其特征在于，从所述本体论中读入至少一个名称空间。

5.根据前述专利权利要求之一所述的方法，其特征在于，从所述本体论中读入类和/或子类的至少一个标识符。

6.根据前述专利权利要求之一所述的方法，其特征在于，多个类和/或子类借助于枚举指令被插入到描述模板声明中。

7.根据前述专利权利要求之一所述的方法，其特征在于，数据类型的声明在所述本体论中以所述模板声明来引用。

8.根据前述专利权利要求之一所述的方法，其特征在于，在所述描述语言模板设置声明“xs:any”，用来对其它本体论进行编码。

9.根据前述专利权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述语法按照名称为有效XML交换、缩写为EXI的标准化数据格式来编码。

10.根据前述专利权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述描述语言模板按照名称为可扩展标记语言、缩写为XML的标准化数据格式来描述。

11.根据前述专利权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述描述语言模板基于名称为资源描述框架、缩写为RDF的数据模型。

12.一种计算机程序产品，其具有用于当所述计算机程序产品在提供计算机上进行实施时执行根据前述权利要求之一所述的方法的装置。