CN110390020A - 语义网关的建模方法和语义网关 - Google Patents
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Abstract
根据本发明，提出了一种语义网关的建模方法，包括：各自使用不同的协议的多个设备向语义网关输入多个协议数据；语义网关分别对输入的多个协议数据进行协议分析和语法归纳，得到与多个协议数据相对应的多个协议本体实例；语义网关利用字典库与模型本体库对多个协议本体实例进行语义查询匹配，得到与多个协议本体实例相对应的多个模型本体；以及语义网关将多个模型本体进行合并来生成通用模型。
Description
技术领域
本发明涉及一种语义网关的建模方法和语义网关，通过为给定工业应用场景下的采用不同协议的多个异构设备的通信建立通用模型，能够在多个异构设备之间建立具有相同语义而具有不同表达形式的信息之间的映射，进一步，能够容易地实现异构设备之间的信息交互。
背景技术
如所周知的，传统的工业网关用于协议层的数据交换。随着智能制造技术的发展，出现了能够进行以下操作的智能网关：基于关系数据库的简单应用，收集各设备的信息存到数据库，并能对收集的数据进行简单处理，如计算统计值(均值，最大/最小值等)、数据过滤、辅助判断(报警)。
IDC统计报告显示，到2020年将有超过500亿的终端与设备联网，而到2018年，就将有50％的物联网网络将面临网络带宽的限制，40％的数据需要在网络边缘侧分析，处理和储存。工业物联网是其中非常重要的一个领域。所以新型工业网关的发展势在必行。
在我国工业系统中，由于历史原因，异构信息系统非常普遍。这导致异构信息系统间数据的互操作性低，不利于应用的开发及部署。另外随着硬件性能的大力发展，使得在边缘节点处部署基于语义的计算与推理成为可能，出现了各种各样的语义网关。
所谓语义可以简单地看作是数据所对应的现实世界中的事物所代表的概念的含义，以及这些含义之间的关系，是数据在某个领域上的解释和逻辑表示。
在语义网关中，最重要的部分是如何解决异构数据的通信、建模以及模型映射问题。许多组织提出了建模理论、方法来解决某一个领域内的异构信息通信，模型库需要根据具体应用场景需求进行维护更新，各领域间的信息系统通信则需要通信协议适配和模型映射技术来解决。另外在一些专用设备领域，不排除一些特定数据信息模型的使用，所以也需要相应策略对应。
在中国专利公开CN103839155A中，提出了一种基于语义网关的异构信息系统模型集成方法。该专利文献提供一种制造企业中基于语义网关的异构信息系统模型集成方法，包括如下步骤：按照不同信息系统建模方法建立语义网关的模型、建立语义网关相应的适配器模型、建立不同建模方法的语义网关模型之间的信息映射；企业信息系统的信息通过相应建模方法的适配器模型与相应方法的语义网关模型连接，其信息经过语义网关的映射，将信息映射到另外一种建模方法建立的语义网关模型中，另一种建模方法的语义网关模型对信息进行解析，然后通过另外一种建模方法的适配器模型将信息连接到这种建模方法建立的企业信息系统中，完成信息的集成。该专利文献从信息系统的建模层面，提出了一种语义网关集成建模结构和相应的方法，用于实现异构信息系统的信息集成。
该现有技术的专利文献提出了根据建模理论，运用建模语言、建模方法和建模工具建立语义网关模型、建立不同建模方法的语义网关模型之间的信息映射的方法，实现异构信息系统的信息集成。
但是，该异构信息系统信息集成方法不利于实际部署与应用。这是因为：多种理论、方法，再加上不同领域、不同业务的建模需求，使得在部署语义网关时需要根据具体业务需求进行建模，使得在语义网关的建模工作量繁重，不利于实际部署。
另外，在实际使用过程中，由于生产线引入新设备可能引起新模型和新映射增加，使得语义网关模型库的维护更新也不方便。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷提出了本发明。因此，本发明的目的之一是提出一种语义网关的建模方法和语义网关，通过为给定工业应用场景下的采用不同协议的多个异构设备的通信建立通用模型，能够在多个异构设备之间建立具有相同语义而具有不同表达形式的信息之间的映射，进一步，能够容易地实现异构设备之间的信息交互。
为了实现上述目的，根据本发明，提出了一种语义网关的建模方法，包括：各自使用不同的协议的多个设备向语义网关输入多个协议数据；语义网关分别对输入的多个协议数据进行协议分析和语法归纳，得到与多个协议数据相对应的多个协议本体实例；语义网关利用字典库与模型本体库对多个协议本体实例进行语义查询匹配，得到与多个协议本体实例相对应的多个模型本体；以及语义网关将多个模型本体进行合并来生成通用模型。
优选地，所述建模方法还包括：将所生成的通用模型存储到语义网关的通用模型库。
优选地，所述多个设备是在给定工业应用场景下能够相互进行数据的交互和转换的异构设备。
优选地，所述协议本体实例是用协议数据对协议本体进行填充而得到的实例，所述协议本体包括协议的属性、方法、事件、关系。
优选地，所述语义网关利用字典库与模型本体库对多个协议本体实例进行语义查询匹配，得到与多个协议本体实例相对应的多个模型本体的步骤包括：分别将多个协议本体实例中的属性、方法、事件和关系的关键词在字典库中进行语义查询匹配，得到相同意义的一组词汇，然后与模型本体库中具有相同词汇的模型本体进行匹配，从而找到与多个协议本体实例对应的多个模型本体。
优选地，在所述通用模型中，建立了所述多个协议数据中的具有相同语义而具有不同的表达形式的多个信息之间的映射。
根据本发明，还提出了一种语义网关，包括：从各自使用不同的协议的多个设备输入多个协议数据的单元；分别对输入的多个协议数据进行协议分析和语法归纳，得到与多个协议数据相对应的多个协议本体实例的单元；利用字典库与模型本体库对多个协议本体实例进行语义查询匹配，得到与多个协议本体实例相对应的多个模型本体的单元；以及将多个模型本体进行合并来生成通用模型的单元。
发明效果
根据本发明，通过为特定工业应用场景下的采用不同协议的多个异构设备的通信建立通用模型，能够在多个异构设备之间建立具有相同语义而具有不同表达形式的信息之间的映射，进一步，能够容易地实现异构设备之间的信息交互。
附图说明
通过参考附图的详细描述，本发明的上述目的和优点将变得更清楚，其中：
图1是示出了应用了语义网关的工业信息系统的方框图。
图2是示出了根据本发明的第1实施例的基于语义网关的异构信息系统的总体方框图。
图3是示出了根据本发明的第1实施例的协议分析建模单元的构成的方框图。
图4是用于说明协议和协议本体的对应关系的示意图。
图5是示出了根据本发明的协议分析建模单元中的模型本体构建单元的构成的方框图。
图6是示出了根据本发明的第2实施例的基于语义网关的异构信息系统的总体方框图。
图7是示出了应用了语义网关的工业信息系统的具体示例的构成的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的优选实施例。在附图中，相同的元件将由相同的参考符号或数字表示。此外，在本发明的下列描述中，将省略对已知功能和配置的具体描述，以避免使本发明的主题不清楚。
图1是示出了应用了语义网关的工业信息系统的方框图。
如图1所示，在工厂中设置了语义网关113，语义网关113与工业网关105、新型传感器107、摄像头109、其他设备111、以及信息管理系统(例如MES，ERP)115可通信地连接。工业网关105与PLC(可编程逻辑控制器)103和传感器101可通信地连接。这里，新型传感器107是根据新的需求，运用新材料，新技术，新的集成方案等产生的新类型传感器，例如贴纸传感器。其他设备111是指其他的在工厂生产中可能使用的数字设备，如力矩扳手。
MES(制造执行系统)是指制造企业生产过程执行系统，是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统。ERP(企业资源计划)的核心思想是供应链管理，主要包括财务、物流、人力资源等核心模块。
另外，语义网关113还可与云117相连，从而能够进一步地对数据进行处理与分析。
在该工业信息系统中，可以通过语义网关113建立使用不同协议的异构设备的相同语义的信息之间的映射，从而实现使用不同协议的异构设备之间的信息交互和转换。语义网关113可以对其可理解的信息进行本地处理也可以传送到云端处理分析。异构设备是指其控制系统、通信接口等软硬件互不兼容的设备。这里，可以将图1中所示的与语义网关113相连的各设备假设为异构设备。
第1实施例
图2是示出了根据本发明的第1实施例的基于语义网关的异构信息系统的总体方框图。
如图2所示，本发明的第1实施例的基于语义网关的异构信息系统包括：第1设备201、第2设备203和语义网关113。所述语义网关113包括协议分析建模单元205和通用模型库207。
使用第1协议的第1设备201和使用与第1协议不同的第2协议的第2设备203分别向语义网关113的协议分析建模单元205输入第1协议数据和第2协议数据。在从第1设备201和第2设备203接收到第1协议数据和第2协议数据时，协议分析建模单元205对第1协议数据和第2协议数据分别进行协议分析和语法归纳，得到相应的第1协议本体实例和第2协议本体实例，然后，利用字典库与模型本体库分别对第1协议本体实例和第2协议本体实例进行语义查询匹配，得到相应的第1模型本体和第2模型本体，然后，将第1模型本体和第2模型本体进行合并来生成通用模型，例如OWL(网络本体语言)通用模型。
之后，协议分析建模单元205可以将所生成的通用模型存储到语义网关113中的通用模型库207。存储于通用模型库207中的通用模型可以用于之后的第1设备201和第2设备203之间的信息交互和转换。
图3是示出了根据本发明的第1实施例的协议分析建模单元205的构成的方框图。
将分别来自第1设备201和第2设备203的第1协议数据和第2协议数据输入到协议分析建模单元205的协议分析单元303。
协议分析单元303从协议库301中分别找出与第1协议数据和第2协议数据对应的第1协议的规则和第2协议的规则，然后对第1协议的规则和第2协议的规则的通信协议层进行分析，分别得到第1协议数据和第2协议数据的格式、编码和信号等级(电平的高低)等数据信息，并发送到语法归纳单元305。
这里，第1设备和第2设备是在给定工业应用场景下能够相互进行数据的交互和转换的使用不同协议的异构设备。
在语法归纳单元305，分别根据第1协议的规则和第2协议的规则，对第1协议数据和第2协议数据各自的格式、编码和信号等级(电平的高低)等数据信息进行归纳，分别得到第1协议本体实例和第2协议本体实例，并发送到模型本体构建单元307。
图4是用于说明协议和协议本体的对应关系的示意图。
如图4所示，协议本体包括协议的属性、方法、事件、关系。一般来说，协议的属性有控制方法、编码方法等。协议的方法有连接、发送数据和接收数据。协议的事件有消息触发。协议的关系表示此协议与其他相关协议的层次或依赖关系(如协议嵌套)。在语法归纳单元305中，将这些属性，方法、事件和关系填入协议本体的相应部分，并用相关描述语言(如RDF(资源描述架构)、OWL等)进行表达。根据本发明，可以将协议本体用第1协议数据填充的实例称为第1协议本体实例，将协议本体用第2协议数据填充的实例称为第2协议本体实例。
返回图3进行说明。如图3所示，在模型本体构建单元307，分别将第1协议本体实例和第2协议本体实例中的属性、方法、事件和关系的关键词在字典库中进行语义查询匹配，得到相同意义的一组词汇，然后与模型本体库中具有相同词汇的模型本体进行匹配，从而找到与第1协议本体实例和第2协议本体实例对应的第1模型本体和第2模型本体。这里，所谓模型本体用于定义使用此信息模型的基本术语及其关系，以及相关规则。这里，所谓字典库是描述数据库中收集的数据类型、其格式、结构以及数据使用方式的一组信息。也可以被称为数据字典。
在模型合并单元309，对第1模型本体和第2模型本体进行合并，形成一个通用模型，例如OWL通用模型。OWL通用模型可以包括类、个体、属性和数据类型等内容。例如，第1协议数据中的信息“完成时间”与第2协议数据中的信息“结束时间”都合并到OWL通用模型的“endtime”字段。也就是，通过合并，在通用模型中，通过相同的字段建立第1协议数据的第1信息与第2协议数据中的具有相同语义而具有不同的表达形式的第2信息之间的映射。例如，通过通用模型中的“endtime”建立第1协议数据中的信息“完成时间”与第2协议数据中的信息“结束时间”之间的映射。
如上所述，根据本发明，由于建立了第1信息和第2信息之间的映射，因此在利用第1协议的第1设备和利用与第1协议不同的第2协议的第2设备之间进行通信时，能够进行数据的交互和转换。例如，能够通过语义网关来将来自第1设备的第1信息映射为来自第2设备的具有相同语义的第2信息。
图5是示出了根据本发明的协议分析建模单元中的模型本体构建单元的构成的方框图。
如图5所示，在协议本体单元501，分别将第1协议本体实例和第2协议本体实例中的属性、方法、事件和关系的关键词在字典库503中进行语义查询匹配，得到相同意义的一组词汇。然后，在语义查询匹配单元505将这一组词汇与模型本体库507中具有相同词汇的模型本体进行匹配。然后，在模型本体单元509，找到与第1协议本体实例和第2协议本体实例对应的第1模型本体和第2模型本体。
第2实施例
尽管以上以两个采用不同协议的设备为例对本发明进行了说明，但显而易见的是，本发明并不局限于此，在对两个以上的采用不同协议的异构设备进行协议分析和建模时，本发明同样能够适用。例如，本发明同样适用具有三个设备的情况。
图6是示出了根据本发明的第2实施例的基于语义网关的异构信息系统的总体方框图。
如图6所示，本发明的第2实施例的基于语义网关的异构信息系统包括：第1设备601、第2设备603、第3设备609和语义网关113。所述语义网关113包括协议分析建模单元605和通用模型库607。
使用第1协议的第1设备601、使用与第1协议和第3协议不同的第2协议的第2设备603、以及使用与第1协议和第2协议不同的第3协议的第3设备609分别向语义网关113的协议分析建模单元605输入第1协议数据、第2协议数据和第3协议数据。在从第1设备601、第2设备603、以及第3设备609接收到第1协议数据、第2协议数据和和第3协议数据时，协议分析建模单元605对第1协议数据、第2协议数据和第3协议数据分别进行协议分析和语法归纳，得到相应的第1协议本体实例、第2协议本体实例和第3协议本体实例，利用字典库与模型本体库分别对第1协议本体实例、第2协议本体实例和第3协议本体实例进行语义查询匹配，得到相应的第1模型本体、第2模型本体和第3模型本体，然后，将第1模型本体、第2模型本体和第3模型本体进行合并来生成通用模型，例如OWL(网络本体语言)通用模型。
然后，协议分析建模单元605将所生成的通用模型存储到语义网关113中的通用模型库607。存储于通用模型库607中的通用模型可以用于之后的第1设备601、第2设备603、以及第3设备609之间的信息交互和转换。
由于根据本发明的第2实施例的其他协议分析和建模操作与根据本发明的第1实施例类似，因此在此省略其详细描述。
根据上述的本发明的第2实施例，通过合并，在通用模型中，通过相同的字段建立具有相同语义而具有不同的表达形式的第1协议数据的第1信息、第2协议数据的第2信息和第3协议数据的第3信息之间的映射。由于建立了第1信息、第2信息、第3信息之间的映射，因此在第1设备、第2设备之间和第3设备之间进行通信时，能够进行数据的交互和转换。
另外，根据本发明，可以按需自动配置通用模型库，无需人为配置，减少建模工作量。
下面，对基于本发明的构成的具体示例进行描述。
图7是示出了应用了语义网关的工业信息系统的具体示例的构成的示意图。
如图7所示，一个真实的工厂信息系统中存在opc-ua(开放式平台通信-统一体系结构)协议及信息模型，温度传感器通过CoAP协议(受限应用协议)与语义网关连接。该语义网关使用基于GRAI信息模型的ERP系统和IDEF1X信息模型的MES系统。
此工业应用场景的目的为实现排产生产某个产品。协议库中包含CoAP协议、OPC-UA协议以及TCP/IP协议规则。在该场景下，包括分别使用这些协议的不同设备。
作为示例，用于建立模型本体的字典库中包含：若干类及词汇，例如：生产类(即，跟产品生产有关系的一类词汇)的子类“order”下有词汇：“加工计划单”、“工单”。另外，子类“endtime”下有词汇：“结束时间”、“完成时间”。如下表1所示：
表1
作为示例，模型本体库中的模型1中包含实体“工单”及其属性“开始时间”、“完成时间”和“加工数量”，还包含时间表示的规则。模型2中包含实体“加工计划单”及其属性“开始时间”、“结束时间”、“数量”和“备注”，也包含时间表示的规则。如下表2所示：
表2
在本场景下，MES设备(使用IDEF1X信息模型的设备)下达工单(第1协议数据)，如下表3所示：
表3
ERP设备(使用GRAI信息模型的设备)会下达相应的加工计划单(第2协议数据)。如下表4所示：
表4
当将第1协议数据和第2协议数据输入根据本发明的语义网关，会生成合并了分别与工单和加工计划单对应的第1模型本体和第2模型本体的一个通用模型，具体如下所示。
由第1模型本体映射后生成的OWL通用模型：
由第2模型本体映射后生成的OWL通用模型：
合并后的OWL通用模型如下：
如上所述，通过通用模型中的“endtime”建立了第1排产计划单中的“完成时间”与第2排产计划单中的“结束时间”的映射。
由于如上所述建立了第1排产计划单中的“完成时间”与第2排产计划单中的“结束时间”的映射，在ERP设备与MES设备进行数据交换和转换时，能够将第1排产计划单中的“完成时间”转换为第2排产计划单中的“结束时间”。这里，作为示例，“结束时间”字段格式为“xxxx.xx.xx：xx：xx”，“完成时间”字段格式为“xxxx/xx/xx/xx：xx”，如：2017.12.02：15：30-＞2017/12/02/15：30。
根据本发明的工厂异构信息系统，在进行信息模型层面的语义集成的同时，提供了动态建模的方式，缩短部署周期，能够快速应对工厂的信息化改造。
另外，需要指出的是，本公开的技术可以硬件和/或软件(包括固件、微代码等)的形式来实现。另外，本公开的技术可以采取存储有指令的计算机可读介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可供指令执行系统(例如，一个或多个处理器)使用或者结合指令执行系统使用。在本公开的上下文中，计算机可读介质可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，计算机可读介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。计算机可读介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘(HDD)；光存储装置，如光盘(CD-ROM)；存储器，如随机存取存储器(RAM)或闪存；和/或有线/无线通信链路。
以上列举了若干具体实施例来详细阐明本发明，这些个例仅用于说明本发明的原理及其实施方法，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员还可以做出各种变形和改进。因此，本发明不应由上述实施例来限定，而应由所附权利要求及其等价物来限定。
Claims (7)
1.一种语义网关的建模方法，包括：
各自使用不同的协议的多个设备向语义网关输入多个协议数据；
语义网关分别对输入的多个协议数据进行协议分析和语法归纳，得到与多个协议数据相对应的多个协议本体实例；
语义网关利用字典库与模型本体库对多个协议本体实例进行语义查询匹配，得到与多个协议本体实例相对应的多个模型本体；以及
语义网关将多个模型本体进行合并来生成通用模型。
2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于还包括：
将所生成的通用模型存储到语义网关的通用模型库。
3.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，
所述多个设备是在给定工业应用场景下能够相互进行数据的交互和转换的异构设备。
4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，
所述协议本体实例是用协议数据对协议本体进行填充而得到的实例，
所述协议本体包括协议的属性、方法、事件、关系。
5.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，
所述语义网关利用字典库与模型本体库对多个协议本体实例进行语义查询匹配，得到与多个协议本体实例相对应的多个模型本体的步骤包括：
分别将多个协议本体实例中的属性、方法、事件和关系的关键词在字典库中进行语义查询匹配，得到相同意义的一组词汇，然后与模型本体库中具有相同词汇的模型本体进行匹配，从而找到与多个协议本体实例对应的多个模型本体。
6.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，
在所述通用模型中，建立了所述多个协议数据中的具有相同语义而具有不同的表达形式的多个信息之间的映射。
7.一种语义网关，包括：
从各自使用不同的协议的多个设备输入多个协议数据的单元；
分别对输入的多个协议数据进行协议分析和语法归纳，得到与多个协议数据相对应的多个协议本体实例的单元；
利用字典库与模型本体库对多个协议本体实例进行语义查询匹配，得到与多个协议本体实例相对应的多个模型本体的单元；以及
将多个模型本体进行合并来生成通用模型的单元。
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