CN112689804B - 将技术设施的资产的数据集成到平台中的方法、数字平台和计算机程序产品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于将技术设施的资产的数据集成到平台(CB)中的方法，其中首先为领域特定的技术设施的资产借助本体来定义通用模型(AM、VM)并识别包括与资产相关的信息的通用数据源。随后将已识别的通用数据源的数据分配给预定义的通用模型。随后为专用设施选择资产并将相应的通用模型导入平台(CB)。随后配置专用设施的数据源，从而能基于专用设施的数据源针对选定的资产迭代地并在运行时以该设施的专用数据填充通用模型(AM、CM)。通过以专用数据填充通用模型，将用于选定的资产的实例(AI、CI)形成并存储在平台中。现在能在平台中轻松配置资产实例，使任何应用程序都能经由编程接口可靠地访问资产实例及其数据。
Description
技术领域
本发明涉及用于将技术设施的资产的数据集成到平台中的方法以及相应的平台。本发明还涉及能被直接加载到数字计算机的内部存储器中的计算机程序产品。
背景技术
工业设施的寿命周期一般为20至60年。通常在多个阶段中逐渐构建设施，其中涉及可能是内部和外部合作伙伴或服务提供商的不同参与者。每个利益相关者带来或使用不同的软件工具和技术以计划、配置、控制、管理和监视技术设施的相应的被称为“资产”的设施部件或运行机构。
术语“资产”主要用于过程工业、例如化学、制药、石化以及食品和饮料工业。设施部件层上的资产例如是现场设备、机器、旋转和静态机器部件、计算机硬件或软件、例如运行程序或用户程序。资产的整个寿命周期通常包括计划、工程、采购、调试、运营、更换和处置的阶段。术语“资产管理”经常由任务和目标限定，例如在整个寿命周期期间的信息的生成和提供、尤其是有关资产健康的过程和预测、资产使用和维护的组织以及整个资产管理的信息。为了提高可靠性和效率、减少更换需求并通过扩大技术设施的使用来增加价值，资产的标识、资产历史、运行经济的数据和技术数据通常特别令人关注。
为了避免设施或设施部件的会导致巨大损失并在某些情况下导致处罚的计划外停机，现在工厂设施中的大部分投资用于设施的现代化改造。
但是，用于技术设施的资产的维护或服务的当前可用解决方案通常会有很多问题。解决方案大多只针对单个资产，而不考虑其场景(Kontext)。资产通常由不同的提供者制造，使得了解资产的权限、产生的数据和错误预测只能由不同的提供者提供。加载(onboarding)、也就是在运行之前的资产配置通常在这些应用中手动实现，这引起耗费以及时间和错误。预测资产异常运行所需的信息需要附加的测量，这些测量通常不存在于技术设施的控制系统中。这需要附加的工程化和必要时的控制系统的重新配置，这既要花钱又要承担不可预计的风险。此外很难保持异构数据库的一致和更新。
因此，期望基于所有可用数据来优化工业设施的维护。如果确保所有现有资产的全部功能，则可以确保可靠和有效的运行。由此能实现产量增加以及必要时更好的过程分析。因此需要合并和匹配来自不同来源的数据，以使需要这些不同数据的应用程序能更好地工作。专用于资产特定的应用程序尤其应该具有分析资产所需的可用数据。
从US 2013/0282190 Al已知用于配置和管理电厂的资产的系统和方法。从基于技术设施的模型的列表出发，选择资产并定义至少部分选定的资产之间的层级关系。然后基于资产选择和预定义的关系来生成资产配置数据。
发明内容
本发明的目的是提供有效和全面地访问技术设施内的资产的不同数据并有效加工数据的方法和合适的系统，以确保资产的改善的数据分析和改善的寿命周期管理。
该目的通过一种本发明的用于将技术设施的资产的数据集成到统一平台中的方法来实现。该目的还通过本发明的数字平台来实现。该目的还通过本发明的计算机程序产品来实现。
根据本发明的、用于将技术设施的资产的数据集成到平台中的方法的特征在于，首先为领域特定的技术设施的资产借助于本体(Ontologien)来定义通用模型并识别包括与资产相关的信息的通用数据源。随后将已识别的通用数据源的数据分配给预定义的通用模型。随后为专用设施选择资产并将相应的通用模型导入到平台中。随后配置专用设施的数据源，从而能基于专用设施的数据源针对选定的资产迭代地并在运行时以该设施的专用数据填充通用资产模型。通过以专用数据填充通用模型，将用于选定的资产的实例形成并存储在平台中。现在能在平台中轻松配置资产实例，以使任何应用程序都能经由编程接口可靠地访问资产实例及其数据。
术语“通用”在此表示通常的或一般适用的。例如，泵的通用资产模型应包含泵的全面说明，其中由模型检测泵的通常特性或与阀相关的信息以及存在于这些特性与信息之间的关联。
术语“专用”在此涉及专用的技术设施，虽然在通用模型中对阀门进行了一般性描述(具有截止装置、执行器、位置调节器)，但是所考虑的专用设施中的阀门具有特定标记(标签)和适用于特定行业(例如炼油厂、造纸厂、燃煤发电厂)的所考虑的设施的专用功能：截止装置是工厂Y的阀门，执行器是工厂P的压电驱动器，而调节器是工厂Z的PID调节器。
本发明的优点在于，基于在开始时形成的通用资产模型和/或连接模型，可以将来自不同制造商的资产的、存储在大量不同的系统中的数据有效且容易地集成到共同的平台中。一旦存在资产实例，数据便是协调的并易于进一步处理。应用程序现在可以经由可编程界面轻松访问协调的资产数据，以便可以将其用于任何评估和分析。在平台中进行这种有效的数据集成还具有另一个优势，即其特别适用于云应用。根据本发明设计的平台、特别是云平台形成了在资产的整个寿命周期上的多样化全面分析的基础。此外使新资产在技术设施中的加载变得更加容易和优化，因为通用资产模型在创建后仅必须填充设施的专用数据且必须形成用于待新整合的资产的相应实例且必须将其存储在平台中。因此显著减少了整合资产的开销。
在本发明的一个有利的设计方案中，首先将专用设施的静态数据分配给通用模型，并且随后分配动态数据，其中，静态数据从设施工程化系统、维护管理系统或具有技术设施的不随时间改变的数据的数据存储器获得，并且动态数据从控制系统、诊断系统、过程数据管理系统或具有技术设施的过程值、测量值、诊断数据、维护数据和其他随时间改变的数据的数据存储器获得。这种措施的优点在于，当通用模型已经填充了静态数据时，集成动态数据变得更加容易。
在本发明的另一个有利的设计方案中，用于资产的通用模型包括至少一个描述资产的结构和行为的模型，和/或包括表征资产在整个系统中的连接并且适用于配置设施的动态数据源的模型。通用模型包含的方面越多，资产描述就越广泛、准确和精确。此外，可以通过不同的模型更好地描述资产的某些特性。例如，在该实施例中可以最优地映射资产的静态和动态行为。
有利地，任何应用程序都能经由访问层访问平台的资产的数据和实例。由此可以在平台提供商的场景中设计访问，这表现了极大的灵活性。在本发明的一个特别有利的变体实施方案中，在访问平台的数据时，接入搜索器，通过搜索器可以更容易地访问所选资产的相关数据，并且尤其可以为每个资产执行场景特定的搜索。这还导致高度的用户友好性，并且平台的用户可以更快地接收需要的信息。
附图说明
接下来参照附图更详细地描述和阐述本发明。图1示意性地示出了根据本发明的设计方案的、用于集成数据的基础设施的框图。
具体实施方式
图1示出了本发明的设计方案的功能框图，其允许集成来自技术设施的不同资产的数据。该技术设施可以是例如化学、制药、石化或食品和饮料工业中的过程工业的设施。设施还包括石油或天然气工业或发电的设施以及制造业的设施。这些技术设施主要通过自动化系统进行控制和监视。
根据本发明的系统可以例如实现为具有软件组件的软件平台的形式。平台CB在最上层级中包括访问层AL(access layer)。访问层提供了用于应用程序编程API的接口(application programing interface)，以用于访问必要的数据。API是程序部件，平台CB可将其用于其他程序以与系统连接。例如，可能存在用于阀门监视应用程序的API，其可以询问位于功能位置XYZ的、特定制造商A制造的所有阀门。AL层不是静态的，如果有必要根据应用程序要求生成新的领域特定的API，则AL层可以动态扩展。另外，可以自动生成基于AM的AL层API。此外，访问层AL可以包括以常规方式设计的搜索器SM，并且允许平台的用户执行针对资产的场景特定的搜索。
API的配置可以在单独的软件组件C中实现。这里存放着应用程序App1到AppN、以及控制对单个资产的数据的访问的所谓的资产浏览器(Asset Explorer)AE。典型的资产特定的应用程序可帮助技术设施的维护人员监视资产、例如阀门、泵或电动机。组件C经由一个或多个接口S与主干连接。
除了访问层AL之外，根据本发明的平台CB还包括不同的数据模型，基于这些数据模型可以表征技术设施的资产。这些模型应以机器可解释的形式建模资产的实体、类型和关系。本体用于定义这些模型。在计算机科学中，本体主要表示用语言学方法表达的一组概念及其在特定主题领域之间的关系。因此，所谓的“资产模型”AM通常用于对技术设施的资产(例如本领域的硬件组件)进行建模。“资产模型”AM是资产(例如阀门、泵等)的标准化的数据模型，其从语义上表示和定义资产的所有相关属性/性质(包括它们之间的关系)。它结合了来自各种数据源的相关信息，例如来自技术设施功能计划的静态信息、动态信息(例如来自维护管理系统)和动态数据(例如测量值或诊断数据)。资产模型基于过程工业的国际标准、例如IEC 51756、DEXPI、NAMUR-MTP等。
该实施例中的软件平台CB还包括所谓的“连接模型”CM，连接模型包含资产的“数据”连接。在连接模型CM中仅包含来自不同数据源的动态数据、例如来自不同控制系统或档案的诊断数据和/或过程数据。
通用模型AM和CM可以例如以OWL(网络本体语言)格式(OWL＝Web OntologyLanguage)创建。
为了更好地理解，对于阀的资产示例性地示出模型定义MD(附图)。模型定义MD可以在平台CD外部执行。在此变体设计方案中，首先编译阀系统的结构信息，并创建阀系统的全面描述：
·阀门是用于关闭或控制流体流量的构件。
·阀系统至少由一个锁止机构或关闭部件(通常称为阀门)、执行机构以及位置调节器组成。
·其布置在技术设施内部的具有特定坐标x，y，z的位置。
·传感器与阀门连接：传感器的测量变量在此例如可以是在阀门上游和下游受阀门影响的管线的流量。可以测量流体的温度。
·指示器(标识)也可以表示阀状态(布尔变量：0＝停止运行，1＝完整功能)。
·其可以表示其他诊断(工作时间、磨损)或计算出的KPI(调节精度)。(KPI＝keyperformance indicator(表现指示))。
例如，可以使用“统一建模语言”(UML)这种编程语言来记录此类信息，在某种意义上，UML定义了对建模非常重要的大多数术语的标识符，并定义了这些术语之间的可能关系。
在另一个变体设计方案中，标准也可以用于模型定义。这些标准是资产结构及其关系的通用模板，可以对不同资产反复使用。理想情况下，用于资产的标准有不同的变体，因此仅需根据特定资产的要求进行调整。
现在，已经根据所描述的或另外合适的算法将资产的结构及其所有术语以及这些术语之间的关系记录为概念模型，随后将其转移到语义环境中并创建本体。例如，可以用“网络本体语言”(OWL)实现。
OWL是一种语义网络(Web)语言，可以表示关于事物、事物组以及事物之间关系的复杂知识。由于OWL是基于计算机逻辑的语言，因此OWL中表达的知识可以被其他计算机程序使用，例如验证该知识的一致性或显式地表达隐式知识。
OWL可用于描述域的先前已编译和结构化的术语(在此是与阀系统相关的术语)及其关系，其方式使其他软件可以处理该含义，即理解这些术语。
通过创建本体，完成了资产的通用模型(AM)及其连接(连接模型CM)的定义。
在下一步骤中，识别通用的相关数据源(图中的数据源DS)。此外，识别出要分配给相应的通用数据源的数据(图中的数据映射DM)。这些步骤也可以在外部(平台CB外部)执行。在该实施例中，主要是技术设施的控制系统的数据库或具有工程数据的数据库的问题，该工程数据包含用于设施的设计和结构的所有设施信息、其硬件和软件以及电气信息。相关数据源还包括ERP系统(企业资源计划，enterprise resource planning)、MES系统(制造执行系统，manufacturing execution system)、CMMS系统(计算机维护管理系统，computerized maintenance management system，维护管理软件)或PDM系统(产品数据管理系统)，其将产品定义的、代表性的和提出的数据作为产品开发的结果进行存储和管理，并且在产品寿命周期的后续阶段提供这些数据。也可以考虑与传感器和具有其相应数据的监视算法有关的诊断工具和数据库。
在定义了通用资产和连接模型并识别了具有其分配的数据的通用数据源之后，将模型AM和CM以及分配的数据导入I到平台CB中，只要之前描述的步骤在平台外执行。为此目的，实现了所谓的“数据摄取服务”(DIS)，其例如允许将大量数据“流式传输”到数据存储器或云平台中。数据流以实时或堆栈(批量)的方式连续到达数据存储或平台。这种数据获取服务还可以帮助确定数据源的优先级，验证单个数据和多个数据以及将数据转发到预定目标。例如，可以在选择某种资产(在此为阀门)之后执行导入I。为了选择资产，在平台CB中提供了输入掩码。通用模型AM和CM可以存储在平台CB的内存组件(＝数据存储器)或程序库中。
随后，对专用设施(＝要分析其资产的设施)的数据源进行配置，以能够基于该专用设施的数据源针对选定的资产迭代地并在运行时以该设施的专用数据填充通用模型。模型AM和CM的“填充”是通过数据映射引擎DME实现的，该引擎是平台CB的一个组件，其将要分析的专用设施的专用数据分配给通用模型AM和CM。
在将专用设施的数据源中的数据分配给资产模型时，还将使用基于W3C标准的语义网络工具。为此的例子是W3C标准R2RML-RDB-RDF映射语言。
对于此实施例中的阀监视，从以下数据源分配数据是有利的：
·工程模型中管道方案图的相关信息，
·来自工程师站PCS7的设施拓扑和网络信息，
·来自CMMS系统(例如SAP系统)的服务和维护数据。
通常，可以在技术设施的静态和动态数据源之间进行区分。设施的静态数据源(plant data sources)PDS-stat提供设施仪表数据、设施计划数据、制造数据等，并且主要来自设施工程化系统、维护管理系统或具有技术设施的不随时间改变的数据的数据存储器。设施的动态数据源PDS-dyn提供运行数据、传感器数据、诊断数据等，并且主要来自技术设施的控制系统或诊断系统、过程数据管理系统或带有技术设施的过程值、测量值、诊断数据、维护数据和其他随时间改变的数据的数据存储器。
通过配置专用数据源DSC(数据源配置)并且将静态和动态数据分配给相应的专用数据源DSM(数据源映射)，填充通用模型AM和CM并形成实例。
术语“实例”表示特定的对象。在面向对象编程(OOP)中，对象表示专用数据类型或特定类(也称为“对象类型”)的实例。对象是对象类型的特定表现形式(“实例”)，是在运行时生成的，被称为实例化。如果像在本实施例中那样定义了资产“阀门”的通用模型并且现在用专用设施(例如化学工业中的设施)的数据填充了该模型，则资产“阀门”代表类别或对象类型，并且工厂W在设施中的专用位置处具有截止阀门、杠杆和流量控制的进气阀是一个特别的特征并因此是资产实例。
这些实例、资产实例AI和连接实例CI存储在平台CB的相应数据存储器(＝存储组件)中。借助于平台CB内的独立组件INST能够以这种方式配置平台中的实例，使得任何应用程序App1、App2或AppN都能经由编程接口API访问资产实例AI或CI及其数据。
尽管已经通过优选的实施例详细地说明和描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例。本领域技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的情况下得出各种变化方案。
Claims (9)
1.一种用于将技术设施的资产的数据集成到平台中的方法，
其特征在于，
-为领域特定的技术设施的资产借助于本体来定义通用模型，其中，所述通用模型包括至少一个描述所述资产的结构和行为的模型和表征所述资产在整个系统中的连接的模型，并且识别通用数据源，所述通用数据源包含与所述资产相关的信息，并且将已识别的所述通用数据源的数据分配给预定义的所述通用模型，
-随后为专用设施选择资产，并且将相应的所述通用模型导入到所述平台中，
-为选定的资产和所述选定的资产的通用模型经由用于交换静态数据和动态数据的接口配置所述专用设施的数据源，从而基于所述专用设施的数据源针对选定的资产来迭代地并且在运行时利用所述专用设施的专用数据填充所述通用模型，
-通过利用所述专用数据填充所述通用模型，将用于选定的资产的资产实例和连接实例形成并且存储在所述平台中，
-借助于组件在所述平台中配置用于选定的资产的实例，以使应用程序能够经由访问层(AL)并经由编程接口访问用于选定的资产的实例和所述选定的资产的数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过数据映射引擎(DME)填充所述通用模型，所述数据映射引擎(DME)将待分析的所述专用设施的静态数据和动态数据分配给相应的所述通用模型。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，首先将所述专用设施的静态数据分配给所述通用模型，并且随后分配动态数据，其中，所述静态数据从设施工程化系统、维护管理系统或具有所述技术设施的不随时间改变的数据的数据存储器获得，并且所述动态数据从控制系统、诊断系统、过程数据管理系统或具有所述技术设施的过程值、测量值、诊断数据、维护数据和其他随时间改变的数据的数据存储器获得。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在访问所述平台的数据时，接入搜索器(SM)，借助于所述搜索器(SM)为每个资产执行场景特定的搜索。
5.一种数字平台，用于集成技术设施的资产的数据，
-具有接口，所述接口用于导入为专用设施的选定的资产预定义的通用模型，其中，为领域特定的技术设施的资产借助于本体来预先定义通用模型，其中，所述通用模型包括至少一个描述所述资产的结构和行为的模型和表征所述资产在整个系统中的连接的模型，并且其中，识别通用数据源，所述通用数据源包含与所述资产相关的信息，并且将已识别的所述通用数据源的数据分配给预定义的所述通用模型，
-具有访问层(AL)，所述访问层(AL)设计为，使得任何应用程序都能经由编程接口访问所述平台，
-具有另外的接口，所述另外的接口用于交换专用的技术设施的任何数据源的静态数据和动态数据，
-具有组件，所述组件设计用于为选定的资产和所述选定的资产的通用模型配置所述技术设施的数据源，从而基于所述技术设施的数据源针对选定的资产来迭代地并且在运行时利用所述技术设施的专用数据填充用于选定的资产的所述通用模型，
其中，通过利用所述专用数据填充所述通用模型，将用于选定的资产的资产实例和连接实例形成并且存储在所述平台中，以及
-其中，借助于组件在所述平台中配置用于选定的资产的实例，以使任何应用程序都能访问用于选定的资产的实例和所述选定的资产的数据。
6.根据权利要求5所述的数字平台，其中，还设有数据映射引擎(DME)，所述数据映射引擎(DME)用于将专用的所述技术设施的静态数据和动态数据分配给相应的所述通用模型。
7.根据权利要求5或6所述的数字平台，其中，所述技术设施的数据源包括设施工程化系统、维护管理系统或具有所述技术设施的不随时间改变的数据的数据存储器，或者所述技术设施的数据源包括控制系统、诊断系统、过程数据管理系统或具有所述技术设施的过程值、测量值、诊断数据、维护数据和其他随时间改变的数据的数据存储器。
8.根据权利要求5或6所述的数字平台，其中，所述访问层(AL)包括用于为每个资产执行场景特定的搜索的搜索器(SM)。
9.一种具有计算机程序的存储介质，所述计算机程序能被加载到数字计算机的内部存储器中，并且所述计算机程序包括软件代码段，当在计算机上运行所述计算机程序时，利用所述软件代码段执行根据权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。
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