CN117369375A - 自动化工程中的系统集成 - Google Patents

Abstract

提供了用于集成自动化工程软件工具或子系统的系统和方法。在一个方面，提供了一种由集成子系统执行的用于将多个自动化工程子系统集成到聚合系统中的方法，该方法包括：使用至少一个本体模型来将第一所述自动化工程子系统与第二所述自动化工程子系统进行接口。因此，促进了子系统的互操作性。

Description

自动化工程中的系统集成

技术领域

本发明涉及用于使用至少一个本体模型将自动化工程子系统集成到聚合系统中的系统和方法。

背景技术

模块化自动化系统领域中的模块化类型包(Modular Type Package，MTP)标准为模块和编配系统之间的互操作性创建了框架，从而允许以模块化的方式对工业过程工厂进行工程处理。这些优势通过被称为PEA(Process Equipment Assembly，工艺设备装配)的预制和经过良好测试的模块来实现，其可以很容易地以不同的组合被放在一起，从而可以实现不同的配方。从过程工程阶段到自动化工程阶段再到操作阶段，促进这些任务的各种软件工具是可用的。但是这些工具缺乏互操作性，这阻碍了它们协助工程师执行过程和自动化工程工作流程的能力。

发明内容

因此需要系统和方法来集成自动化工程软件工具或子系统。在本发明的第一方面，提供了一种由集成子系统执行的用于将多个自动化工程子系统集成到聚合系统中的方法，该方法包括使用至少一个本体模型将第一所述自动化工程子系统与第二所述自动化工程子系统进行接口。

自动化工程子系统可以包括硬件和/或软件子系统，其被配置为在设计和/或操作工业过程工厂、特别是模块化工业过程工厂的过程中协助用户。子系统可以包括用于在过程和自动化工程(process and automation engineering，P&AE)即P&AE子系统中使用的一个或多个子系统。子系统可以被配置为协助用户执行以下中的一个或多个：模块选择；模块配置/参数化；流水线/拓扑设计；编配设计；模块/流水线优化；流水线/工厂操作。在下文描述的非限制性示例中，自动化工程子系统被描述为(软件)工具或应用。多个自动化工程子系统可以包括不同的或异构的子系统，这些子系统可以驻留在不同的操作系统上，使用不同的硬件，提供不同的功能性，使用不同的存储或数据库，使用不同的计算机语言，和/或使用不同的日期和时间格式。特别地，每个子系统可以使用它自己的术语或数据模型，这些术语或数据模型至少部分地与其它子系统的术语或数据模型不一致，或者至少部分地无法被其它子系统理解。多个自动化工程子系统本身可能缺乏互操作性。

多个自动化工程子系统可以形成用于在工厂的设计、自动化和/或操作的多个方面协助用户的子系统组合(套件或组)。特别地，该组合可以被配置为在用于在工业自动化系统的上下文中的过程工程、自动化工程和/或控制工程中使用的特定工作流程期间协助用户。

工作流程可以是P&AE工作流程。该工作流程可以包括与以下中的一个或多个相关的步骤：模块选择；模块配置/参数化；工厂拓扑设计，特别是将模块布置到流水线中；编配设计；模块/流水线优化；流水线/工厂操作。“工作流程”意指一种结构化且可重复的活动模式，通过将资源系统地组织成变换材料、提供服务和/或处理信息的过程来实现。P&AE工作流程例如可以包括过程工程阶段、自动化工程阶段和操作阶段中的一个或多个。该方法因此可以包括执行这样的工作流程的一个或多个步骤的另外步骤。还可以提供一种执行这样的工作流程的方法，包括第一方面的方法。

为了将多个自动化工程子系统集成到聚合系统中，该方法因此可以包括使用至少一个本体模型来将第一所述自动化工程子系统与第二所述自动化工程子系统进行接口。

使用至少一个本体模型来将子系统进行接口可以包括将从第一所述自动化工程子系统获得的输出数据转换成第二所述自动化工程子系统可用的输入数据。从第一所述自动化工程子系统获得的输出数据可以包括第一所述自动化工程子系统本地的术语。第二所述自动化工程子系统可用的输入数据可以包括第二所述自动化工程子系统本地的术语。(两个或更多子系统可能使用相同的术语。然而，彼此使用不同术语的至少两个子系统的存在使得映射/转换成为必需，因为否则它们无法彼此进行接口/通信)。因此，将输出数据转换成输入数据可以包括使用至少一个本体模型将第一所述自动化工程子系统本地的术语转换成第二所述自动化工程子系统本地的术语。更具体地，转换可以包括将第一所述自动化工程子系统本地的术语转换成通用本体的术语，以及将通用本体的术语转换成第二所述自动化工程子系统本地的术语。将输出数据转换成输入数据可以包括使用一个或多个映射或链接，如本文别处所述。

集成系统因此被配置为将自动化工程子系统集成到聚合系统中。集成可以包括系统集成。也就是说，集成可以包括将不同的组件子系统汇集到聚合系统中，即协作的子系统的聚合使得聚合系统能够递送总体功能。集成可以包括促进子系统进行互操作以便作为系统、作为协调的整体一起起作用。

集成可以包括执行子系统的水平和/或垂直集成。

为了执行垂直整合，整合子系统可以被配置为将各种子系统的本地术语转换成本体模型的术语，如本文别处所述。这可以包括将子系统的本地术语映射到通用本体。更具体地说，“垂直集成”意指跨本体模型、特定工具的(面向对象编程)代码和该工具的数据库(例如，它的关系数据库或图形数据库)中的一个或多个的集成。

为了执行水平集成，集成子系统可以被配置为用作专用子系统，其被专门用于使用本体模型来促进其它子系统之间的通信。其它子系统因此可以与集成子系统进行接口，即直接与集成子系统通信。集成子系统可以被配置为通过将到一个子系统的接口转换成到另一个子系统的接口来在子系统之间进行接口。集成子系统可以被配置为转换子系统之间的通信。集成系统被配置为在子系统之间交换数据或将它们链接在一起。集成系统可以被配置为执行子系统之间的中介。集成子系统可以被配置为充当子系统之间的中间人或代理人。集成子系统可以被配置为将在其它子系统中发生的事件通知子系统。集成子系统可以被配置为将在一个子系统中所做的数据改变传播到其它子系统。集成子系统可以被配置为充当子系统之间的总线。集成子系统可以被配置为代表其它子系统来与外部系统通信。集成子系统可以被配置为从外部系统产生的前端事件和/或将底层子系统的数据和接口暴露给外部系统。集成可以包括将数据变换成公共数据格式。由集成子系统所实现的任意接口、转换或通信功能性都可以保留原始的语义。新的子系统可以通过将它们接口到集成子系统(例如，通过将它们映射到本体模型并创建对应的API)而被集成到聚合系统中。

备选地，集成子系统可以被描述为集成层、促进层、促进和集成层(facilitationand integration layer，FIL)。任何这样的层都可以被描述为这样的语义层。在以下示例中，集成子系统被描述为语义促进和集成层或“SemFIL”。

本体模型可以包括由各种自动化工程子系统所使用的术语以及它们之间的关系的形式语义表示，并且可选地还包括概念/术语的属性以及它们之间的关系。每个子系统都可以使用它自己的术语、词汇或词典。这可以通过本地本体、本地数据模型或本地树来表示，它们对该子系统或该子系统旨在操作在其中的域(即，域本体)而言是本地的。术语“本地本体”和“域本体”在一些情况下可以互换使用。对照而言，本体模型表示全局的、公共的或上层的本体，它扩展到多个工具和/或域。因此，“全局”意指本体至少包括与要被覆盖的工作流程和过程相关的内容(并且因此关于其是全面的/整体的)，但是不一定是所有可以想到的内容。本地/域数据模型可以是任意类型的信息模型，只要它的概念可以链接到上层本体。本体模型中的术语可以表示概念。与概念或类一样，本体模型可以包括一个或多个属性、注释或个体。具体的个体可以形成基于本体的知识图的一部分。本体模型可以明确地指定子系统的术语的语义。通用本体可以在异构子系统之间被共享。以这种方式，可以通过使用通用本体作为中间语在子系统之间转换术语来实现互操作性。本体模型可以包括单个本体，或者可以包括多个不同的子本体。例如，本体模型可以包括至少一个过程子本体，该过程子本体包括一个或多个工业过程的表示，或者描述过程工厂的一般概念。过程子本体可以表示工业过程中涉及的输入、输出、约束、材料和排序信息中的一个或多个。本体模型可以包括至少一个域本体，其表示与特定感兴趣域(例如，P&AE域)相关的概念，诸如化学工程或电力工程。本体模型可以包括至少一个与需求分析或意图建模相关的子本体，以对工厂所有者的意图进行建模(例如“我打算分离石油和天然气”)。本体模型还可以包括一个或多个开源本体作为子本体，诸如OntoCAPE。本体模型可以根据结构化和/或分层排序的词汇来定义概念及其相互关系。本体模型可以根据一个或多个公理来定义这些术语/概念之间的相互关系或依赖关系。本体模型可以是手动和/或自动可扩展的。

真实实例数据可以被链接到本体模型(即上层本体)中的概念，以创建知识图。另外地或备选地，真实实例数据可以被链接到本地或域本体。

可以以计算机可解释的格式提供本体模型。可以以诸如本体网络语言(OWL)之类的用于创作本体的语言或任意语义序列化/格式(例如RDF)来指定本体模型。

可以获得或定义一个或多个映射，其将不同子系统的术语直接彼此映射。一个或多个映射可以将子系统的术语映射到本体模型，其从而间接地将子系统的术语彼此映射。映射可以包括保留语义的映射。在子系统包括使用面向对象编程语言所创建的软件的情况下，映射可以包括一个或多个对象关系映射(ORM)。映射可以包括一个或多个扩展的对象关系映射，也就是说，ORM扩展为包括到本体模型的映射。特别地，软件代码中的对象类可以被映射到本体模型中的概念，类的属性可以被映射到本体模型中的属性，并且对象的实例可以被映射到本体模型中的个体。以这种方式，与OOP中的类相关联的方法扩展了本体模型的功能性。例如，本体中的概念“模块/PEA”——鉴于它被映射到OOP中的对应类——也具有OOP类的方法，因此对该方法的访问(例如，“模块/PEA.execute()”)被启用。更具体地说：概念“模块/PEA”可以具有实例“反应模块”，并且关联的类可以具有方法“heat()”，它可以在任意给定的实例数据上经由API而启用对反应模块的访问和heat()方法的执行，经由垂直映射跨越本体模型、OOP和关系数据库的边界并且经由水平映射跨越工具。此外，元类和注释以及其它抽象功能性(诸如OOP中的方法)可经由映射跨越水平和垂直边界而使得可用。映射可以手动地进行定义，例如由领域专家来进行定义。另外地或备选地，例如使用基于规则的算法，可以自动获得或定义映射。例如，映射可以通过应用规则来获得，所述规则检索或解析分散在相关数据(例如OPC UA的数据模型)内的语义描述，用公共概念对这些语义描述进行分类，并将分类后的概念归入到语义本体语言中的正式数据表示中。

可以使用数据库存储和检索映射。可以为每个子系统提供一个数据库。数据库可以包括关系数据库(或表)和图形数据库中的一个或多个。

集成子系统可以包括用于与每个其它子系统进行接口的一个或多个转换器。转换器可以被配置为在每个子系统的术语(例如本地本体)和本体模型的术语(例如通用本体)之间进行转换。转换器可以执行如本文别处所述的转换。转换器可以被配置为使用本文别处所述的映射来执行转换。

该方法可以包括结合本体模型来利用一种或多种语义技术。该方法可以包括使用本体模型来使用语义技术执行验证、查询、仿真和分析中的一个或多个。该方法可以包括使用本体模型来执行一种或多种语义技术，包括：语义表示的编码/解码；知识图的创建；概念的自动识别；信息和意义提取；语义数据集成；和归类/分类。下面描述另外的语义技术。

该方法还可以包括使用语义推理器(备选地，可描述为推理引擎、规则引擎或推理器)来确定本体模型(即，其概念和/或关系)和/或与之关联的数据(例如相关知识图中的数据)的一致性和/或完整性。例如，该方法可以包括使用语义推理器来分类或重定义(re-parent)数据。该方法可以包括使用语义推理器从本体模型(例如从它的概念和公理)推断逻辑结果。为此目的，可以指定推断规则，例如借助于本体语言和/或描述逻辑语言。语义推理器可以被配置为使用一阶谓词逻辑来执行推理，例如通过前向链接和反向链接来执行推断。语义推理器可以被配置为确定本体是否一致、识别概念之间的包含关系等等。一致性检查可以周期性地、连续地或响应于新信息/数据的输入而被执行。例如，新反应器的进入可以指示需要PID控制器。

该方法可以包括创建模块化工业过程工厂或其任意组件的(语义)数字孪生。例如，过程工厂数字孪生可以通过正式描述过程工厂意图来创建，例如通过语义描述例如以下项中的一个或多个：哪些输入/输出被处理、以何种顺序、由哪些模块、适用或需要考虑哪些约束、管控它的规则是什么、如何触发警报等，然后描述可以如何实现预期设置(过程工厂拓扑和功能性)的自动化(同样具有上述特征性，诸如警报、限制、I/O等)以及控制或调度。与手动使用现有工具来设置数字孪生的组件对照而言，本文所描述的方法和系统促进并集成了整个工作流程，允许将组件放在一起以形成(更)整体的数字孪生。过程工厂数字孪生也可以经由本文别处所述的API而是可访问的。数字孪生允许描述、编辑、建模、仿真、分析和/或调查相应的过程工厂及其组件及其相关数据的过程工程、自动化工程和/或操作。

集成子系统可以经由任何适当的方式来与其它子系统进行接口，例如一个或多个应用编程接口(API)。

该方法还可以包括使用子系统、聚合系统或另一系统中的至少一个来执行以下动作中的一个或多个：模块选择；模块配置/参数化；流水线/拓扑设计；编配设计；模块/流水线优化；流水线/工厂操作；流水线中的瓶颈检测；流水线中的KPI优化；工作流程协助；提示用户在工作流程协助期间处理相关概念；时间序列数据分析；工业过程工厂数字孪生的时间序列数据分析；数据分析；用于过程工厂监测和维护计划的数据分析；用于过程工厂监测和维护计划的本体控制的、数据驱动的诊断数据分析；模块、流水线或工厂的仿真；参数校准；本体控制的基于仿真数据的过程工厂参数校准；针对本体的正式验证。

第一方面的方法可以是计算机实现的。

根据第二方面，提供了一种被配置为执行第一方面的方法的计算系统。计算系统可以实现集成子系统、聚合系统和/或其任意一个或多个其它子系统，如本文所述。

根据第三方面，提供了一种包括指令的计算机程序(产品)，该指令在由计算系统执行时使得计算系统能够或使该计算系统执行第一方面的方法。

根据第四方面，提供了一种包括指令的计算机可读介质，该指令在由计算系统执行时使得计算系统能够或使该计算系统执行第一方面的方法。计算机可读介质可以是暂时性的或非暂时性的、易失性的或非易失性的。

根据本公开，因此提供了用于促进模块化工业过程工厂的语义数字孪生的系统和方法(例如，工具和工作流程)。

许多其它益处与本文所描述的主题相关联，特别是在节省时间和成本方面。使用本文所描述的系统和方法，每个应用及其相应的数据和知识模型可以保持分离，例如松散耦合但是相互链接，从而遵循IIoT知识和应用解耦的最佳实践。应用和组合可能仍然符合所有相关的外部标准(例如VDI 2658等)或语言/词汇(SysML等)。无需对应用进行内部更改：本文所描述的系统和方法是“非侵入性”的。不需要改造现有的应用或组合，并且因此，在映射方面只涉及最少的转换工作，其可以迭代地进一步可扩展。语义技术(例如，查询、推理等)和数据的垂直集成得到促进，特别是在不是从一开始就以完全基于本体模型的方式进行开发的现有的应用组合中得到促进。数据驱动的分析应用在许多用例场景中得到了简化。本质上透明的本体增强了数据驱动的高级分析的可解释性，从而增强了其可信度。在P&AE域中，完全自动化的潜力至少部分地通过本文所描述的系统和方法来实现，从某种意义上说，允许系统能够在没有任意形式的外部控制的情况下在现实世界环境中长时间操作。通过垂直映射的技术和水平映射的子系统，诸如意图制定和提取、流水线生成、针对所选标准的优化、执行、测试等等之类的工作流程的步骤可以被自动化。本文所描述的主题、特别是借助于本体的水平和垂直集成，促进了FAIR数据原理(数据和工具的可查找性、可访问性、互操作性和可复用性)。

如本文中所使用的术语“系统”或“子系统”可以指代被配置为执行本文所描述的任何操作的硬件、固件和/或软件。软件可以被体现为记录在至少一个暂时性或非暂时性计算机可读存储介质上的软件包、代码、指令、指令集和/或数据。固件可以被体现为硬编码在存储器设备(例如，非易失性存储器设备)中的代码、指令或指令集和/或数据。术语“(子)系统”、“工具”和“引擎”可以互换使用。

“模块化工业过程工厂”可以至少包括“编配层”和“模块层”。编配层可以包括“监督控制系统”，其可以由“分布式控制系统”提供。模块层包括多个“模块”，每个模块由配置文件(例如模块类型包或MTP)来描述。在MTP标准的上下文中的模块可以被描述为过程设备配件或PEA。每个模块可以包括执行针对该模块的控制逻辑(自动化逻辑)的控制器。每个模块可以提供一个或多个封装的过程功能，被称为服务，诸如混合、回火或加热，这些功能可以由监督控制系统来进行编配。这些模块经由编配层而被集成到工厂中。通过以正确的方式控制服务，编配层确保模块一起工作以满足工厂的要求。编配层和模块层中的实体之间的通信可以经由使用例如OPC UA协议(OPC统一架构)的架构网络来发生。

“功能模块”是指为模块化自动化系统的硬件模块提供控制配置的软件模块。

如本文中所使用的，术语“获得”可以包括例如从另一系统、设备或过程而接收；经由与用户的交互而接收；从存储装置或存储器中加载或检索；使用传感器或其它数据采集设备进行测量或捕获。

如本文中所使用的，术语“确定”涵盖各种各样的动作，并且可以包括例如计算(calculating)、运算(computing)、处理、推导、调查、查找(例如，在表格、数据库或其它数据结果中查找)、确认等等。此外，“确定”可以包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等等。此外，“确定”可以包括解决、选择、挑选、建立等等。

不定冠词“一”或“一个”不排除复数。此外，除非另有说明或从上下文中清楚指向单数形式，本文中所使用的冠词“一”和“一个”一般应被解释为意指“一个或多个”。

除非另有说明或从上下文中清楚，否则本文中所使用的短语“A、B和C中的一个或多个”、“A、B和C中的至少一个”和“A、B和/或C”旨在意指所列项目中的一个或多个的所有可能排列。也就是说，短语“A和/或B”意指(A)、(B)或(A和B)，而短语“A、B和/或C”意指(A)、(B)，(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或(A、B和C)。

术语“包括”不排除其它的元件或步骤。此外，术语“包括”、“包含”、“具有”等在本文中可以互换使用。

本发明可以单独或组合地包括一个或多个方面、示例或特征，无论是以该组合还是单独地被具体公开。上述任一方面的任意可选特征或子方面酌情适用于其它任意方面。

本发明的这些和其它方面将从下文描述的实施例中变得显而易见并参考下文描述的实施例来进行阐述。

附图说明

现在将仅通过示例的方式参考附图来给出详细描述，其中：

图1图示了用于设计和操作工业模块化过程工厂的典型工程工作流程以及包括在工作流程中使用的工具的应用组合；

图2图示了根据本公开的语义促进和集成层在经由公共本体模型水平集成应用组合的工具中的作用；

图3图示了语义促进和集成层在垂直集成通用本体模型、特定工具的(面向对象编程)代码和该工具的数据库中的作用；和

图4图示了根据本文所公开的系统和方法可以使用的计算系统。

具体实施方式

图1图示了用于设计和操作工业模块化过程工厂的典型过程和自动化工程(P&AE)工作流程100，以及包括在工作流程100中使用的工具的P&AE应用组合200。工作流程100开始于过程工程阶段102，其中用户10使用基于意图的工程(IBE)工具202来执行意图建模、意图形式化和抽象服务模块表示。用户10可以是工程师或工厂操作员。IBE工具202输出一个或多个规范，这些规范用作下一阶段的输入。在自动化工程阶段104中，用户10使用模块选择和流水线生成工具202为工厂生成一个或多个过程流水线。同一工具202可以被用来执行优化和/或参数调整。模块选择和流水线生成工具202输出描述工厂过程拓扑的一个或多个规范以用作编配设计的输入。用户10然后使用编配设计工具206来配置工厂的编配层。编配设计工具206允许用户操纵模块和工厂拓扑、定义警报等。在此阶段后，工业工厂被配置为执行所设计的过程。在其中模块包括功能模块(FM)的一个示例中，预先存在的工厂可以被配置为通过如下操作来执行过程：使用编配设计工具206来创建功能模块的实例并将实例导出到工厂的分布式控制系统(DCS)。最后，在操作阶段106中，流水线执行工具208被用于过程流水线的自动调度和执行。将理解的是，如图1中所描绘的工作流程100和组合200仅出于说明的目的而被提供，并且可以提供其它步骤和其它工具来代替所描绘的步骤和工具，或者可以提供其它步骤和其它工具以及所描绘的步骤和工具。

应用组合200中的工具202-208中的至少一些彼此分离并且具有它们自己的知识和信息模型以及自己的语言规范。这些工具不能交换信息和数据，并且不能彼此通信和相互影响。这些工具合作并进一步处理彼此的信息和数据将是有益的，以便充分利用优化、高级分析和仿真的潜力，导致更加自主的工厂。

根据本公开，提供了基于本体的系统和方法以促进此类P&AE应用组合中的工具之间的互操作性。在下面的公开中，这些通过语义促进和集成层(SemFIL)300来体现，它促进了工具之间的交互、知识和数据的交换以及工作流程中的步骤之间的通信，以便集成各种工具和它们的异构数据。

图2图示了SemFIL 300在水平集成应用组合中的各种工具中的作用。SemFIL 300提供通用本体302，通用本体302用作经由SemFIL 300将各种工具202-208彼此链接的中间语。每个个体工具202-208垂直集成到SemFIL 300中如图2中被图示为多个垂直链接210。由SemFIL 300提供的公共语言因此使得能够经由SemFIL 300在工具202-208之间进行通信，从而通过水平链接212提供如图2中所图示的水平集成。由SemFIL 300提供的公共底层本体302因此促进了松散连接的基于本体的工具组合。每个工具可以可选地具有它自己的数据库214，例如关系数据库。每个工具可以可选地具有它自己的本地数据模型或本体216，其可以在数据库214中被表示。所示的各种数据模型216可以彼此不同、完整或不完整、兼容或不兼容。这些数据模型216汇集在通用本体302中。P&AE组合200中的工具(包括未来的另外应用)保持单独可操作，但是能够经由SemFIL 300而彼此通信以一致地交换数据。

图3图示了SemFIL 300在垂直集成本体模型302、特定工具202-208的(面向对象编程或OOP)代码以及该工具的数据库中的作用。以这种方式，SemFIL 300汇集了不同的技术或范例，即本体建模、面向对象编程和关系数据库。这个示例中的SemFIL 300包括本体模型302以及关系数据库304。关系数据库304可以至少部分地与工具数据库214中的一个或多个重叠。SemFIL 300的组件通过应用编程接口(API)306而被暴露给应用组合200。可以提供本体编辑器308来创建和编辑本体模型302。可以提供语义推理器310来执行语义推理。

在经由扩展对象关系映射(ORM)所示出的非限制性示例中，实现上面提及的数据和概念的垂直集成。也就是说，本体模型302、每个工具202-208的面向对象编程代码、以及关系数据库或表304经由1:1:1映射而彼此连接。“扩展”意指对象关系映射(其通常是指数据库中的数据与OOP中的类实例之间的1:1映射)被扩展为包括到本体模型的进一步映射以形成1:1:1映射。本体模型302中的概念直接映射到工具202-208的代码中具有方法的类，并且这些进而又直接映射到关系数据库304中的列。类似地，本体模型302中的属性映射到代码中的类的属性，它映射到关系数据库304中的关系，而本体模型302中的个体映射到代码中的(OOP类的)实例、以及数据库304中的行。因此使用SemFIL 300而存在命名空间、概念、说明符和关系的映射和链接。使用这种已扩展的对象关系映射使得能够遵守从应用生态系统中解耦(语义)知识模型的最佳实践，这有利于在例如模块化工业工厂的信息系统(诸如数字孪生)中实现数据管理(存储、可访问性、可查找性、共享和使用)。

根据本公开，因此提供了本体302(用于促进分开的工具与可能分开的数据模型的水平松散耦合，如图2中所示)与基于本体的已扩展的对象关系1:1:1映射的结合。这两种方法的结合(甚至针对面向对象程序代码和关系数据库，本体的结合以水平和垂直地进行作用以定义信息模型)使得广泛的语义技术(诸如语义推理、知识传播、语义查询、数据/知识发现和可访问性、语义推断等)能够被应用于工具202-208的组合和可用的(异构)数据的整体。语义查询、推理和匹配的示例包括：“get all function modules with heatingstirring functionality”(获取所有具有加热搅拌功能性的功能模块)或“if conti-process then no batch features available”(如果连续处理则无批处理功能可用)。语义查询可以使用例如SPARQL或其它查询语言，例如，其允许过滤链接到其它概念的概念实例(例如，针对嵌套查询)，或者过滤具有特定属性或注释的概念实例(例如，用于识别某一类中的实示例集：获取当前未维护的所有具有加热功能性的模块-假设“未维护”是可以被指派给模块实例的属性)。

在一个非限制性示例中，诸如“意图”、“要求”、“限制”和“服务”之类的概念可以链接到本体，工程师可以使用本体来定义意图和服务等。此外，各个服务的I/O和参数都链接到本体(并且可选地相应地也链接到其知识图)，以使得可以选择最佳模块，或者模块参数或系统警报可以自动被设置，这些被链接到限制、要求或KPI，或者被链接到本体或知识图的其它元素。

此外，数据可以(与映射一起或映射分开)被存储在一个或多个关系数据库(RDB)或简单表中(取决于相应的应用处理数据的方式)。与简单表类似，在RDB中，数据可以被存储在列和行中，可以被存储在两个或更多维度中。列规范可能与概念相关，并且行可以表示关于这些概念的实例的数据。在这样的RDB的一部分描述了反应模块的规范的一个非限制性示例中，概念描述了“罐的最大容量”、“最低温度”、“最高温度”、“最大压力”、“I/O容量”，而行包含此类反应模块的具体实例数据：例如，第1行，“我的大反应模块”，最大容量为“50L”，最小/最大温度为“-200℃/+500℃”，最大压力为“2000bar”，并且I/O容量为“每秒2L”。第2行描述了另一个反应模块“我的中型反应模块”，最大容量为“30L”，最小/最大温度为“-100℃/+300℃”，最大压力为“2000bar”，并且I/O容量为“0.5L每秒”。第3行描述了另一个反应模块“我的小反应模块”，最大容量为“10L”，最小/最大温度为“-100℃/+300℃”，最大压力为“1000bar”，并且I/O容量为“0.1L每秒”。这个RDB中的列规范分别映射到本体模型中的概念和OOP中的类。行(即，实例的特征)分别映射到本体相关的知识图中的实例和OOP中的实例。因此，RDB可以使用OOP的上下文中的算法/方法(例如，经由Python和SQLAlchemy)或者经由本体模型(例如，经由Python和owlready2)来进行访问/操作/更新/扩展等。例如，可以将一个新的行输入到RDB中(从而创建一个新实例——在上面的示例中——一个反应模块)，或者可以通过创建相应的OOP类的一个新实例而经由OOP中的代码(即以编程方式)或者经由创建/添加实例到基于本体的知识图来实现相同的目的。

因此，垂直集成由本体模型302中的概念(其中抽象概念可以具有真实实例化和具体数据值)、面向对象编程代码中的对象/类(其中这些类的实例化包含相应的实例数据)以及关系数据库304中的列(其中表格的行包含相应的数据点及其相应的值)之间定义的映射来提供。

API 306允许访问本体模型302及其关系、应用代码及其方法、以及数据库304的内容。API 306可以包括用于语义查询、数据检索等的功能性。API被配置为不仅在工具(或它们相应的代码)之间进行接口，而且从外部实体到本体模型、OOP代码或给定工具的RDB进行接口。对于API，这意味着可以实现从第一工具到第二工具的每个本体模型、代码和关系数据库的接口，从而实现了第一工具和第二工具的所有所述组件之间的访问/通信/交换。在这个意义上说，API可以被描述为通用(或可参数化)API。

再次参见图1，由SemFIL 300执行的用于对工具202-208进行集成的算法包括使用本体模型302将每个工具与工作流程100中使用的下一个工具进行接口。在一个非限制性示例中，该算法包括以下操作：-

1.使用IBE工具202从工厂所有者的自然语言意图中提取和形式化意图信息。例如，意图可以被表述为“process x-y-z initial educts into a-b-c product,whileminimizing energy costs,and maximizing parallelism”(将x-y-z初始产物加工成a-b-c产品，同时最小化能源成本并最大化并行性)。

2.SemFIL 300将意图映射到本体模型302，从而获得预期过程工厂设置的形式化语义描述，例如整体I/O、功能性、KPI等。

3.SemFIL 300将形式化语义描述映射到模块选择和流水线生成工具204的本地(流水线生成器)本体，并触发该工具204生成(即，设计)模块的流水线，以用于将初始产物逐步变换到最终产品。

4.SemFIL 300将所生成的模块流水线映射到本体模型，并从那里映射到编配设计工具206的本地本体，以这种形式将所生成的模块流水线导入到编配设计工具206中。

5.使用编配设计工具206来执行例如模块工程和/或拓扑工程以进行生成(即设计工厂拓扑)。另外的步骤可以取决于工厂设计。

本公开设想了本文所描述的系统和方法的许多用例。在这些用例中，(经由基于本体的垂直1:1:1ORM映射)数据与本体模型相关并且(经由基于本体的水平松散耦合)可在整个200种工具组合中访问。在用例中，本体透明地定义了概念及其相互关系和属性，这些知识可以自动被应用于相应的链接数据。至少设想了以下用例：-

-过程工厂流水线中的瓶颈检测；

-过程工厂流水线中的KPI优化(例如，能源成本)；

-上下文感知的工作流程向导，即GUI工具，其允许用户为其它P&AE工具提供基于本体的、数据驱动的支持。例如，当使用编配设计工具206适配HMI时，向导可能会从本体中识别出名为“警报”的概念接下来应该被添加或编辑，该概念被链接到“HMI”概念，并且因此可以提示用户注意它；

-针对本体的形式验证。在一个非限制性示例中，该方法包括基于在本体中定义的概念和关系来防止用户输入不正确的数据(例如，控制上限/下限)、不正确的信息/材料流(最大容量、阈值、瓶颈等)；

-工业过程工厂数字孪生的可解释时间序列数据分析(例如，根据本体中的概念和关系触发警报)。在这里，本体和关系数据库及其映射可以使用注释，注释例如标记具有用于时间序列数据的存储的时间序列数据库(TSDB)。在其中经由本体将过程链接到其属性、临界阈值或限制等的一个非限制性示例中，当测量到的时间序列数据过高/过低时(无需在工具中对此进行明确编程)，可能会触发警报。警报甚至可以有一个伴随的解释性特征，它告诉用户该警报被触发是因为时间序列值x、y、z相对于本体(和/或其底层图形表示)中的允许值而言太高；

-用于过程工厂监测和维护计划的本体控制的、数据驱动的诊断数据分析；

-本体控制的基于仿真数据的过程工厂参数校准(例如，用于与物理资产的交互)，以使得用户可以拥有包括工程过程的仿真的数字孪生，从而仿真和真实的物理资产经由它们与本体的链接来进行比较，从而允许偏差管理或重新校准等。

本文所描述的系统和方法提供了流线型和自动化的(朝向自主的)工作流程(朝向拓扑和控制的意图)。因此，不需要纸张，不需要文件交换。相反，处理是经由本体而自动进行的：用户不需要知道它。异构信息/数据不是问题。来自P&AE的信息无需在工程处理之后被丢弃，而是改为在整个工厂生命周期中被保留，并相应地扩展本体。本文所描述的工具可以向用户呈现建议(例如，通过图中的关系)。例如，一旦用户定义了HMI，该工具可能会提示相应的需要/合适的警报。当在编配设计工具中适配HMI时，该工具可以基于本体中“警报”概念和“HMI”概念之间的链接来建议接下来应该添加/编辑警报。基于KG的P&AE工作流程上下文感知。

类似地，例如，在ChemRef中，经由化学过程与其属性、临界阈值或限制之间的链接，当测量到的时间序列数据变得太高/太低时(无需将其明确编程到工具中)，可能会触发警报。警报可以有一个解释性特征，它告诉用户该警报被触发是因为时间序列值x、y、z相对于相应化学过程的建议参数(在本体和其底层图形表示)中定义的允许值集而言太高/太低。

一般而言，本文所描述的系统和方法可以在偏离某些模式时向用户提供提示，同样具有基于解释性图形的特征。

本文所描述的系统和方法可以提供本体控制的基于仿真数据的过程工厂参数校准(例如，用于与物理资产的交互)，以使得用户可以拥有包括工程过程的仿真的数字孪生，并且仿真和真实的物理资产经由它们与本体的链接来进行比较，从而允许偏差管理或重新校准。基于本体中定义的关系/相关性，系统和方法可以防止用户输入不正确的信息(控制上限/下限)、不正确的信息流或材料流(最大容量、阈值、瓶颈等)。换句话说，系统和方法可以实现针对本体的形式验证。

最后，通过启用语义推理，一旦输入新信息/数据，系统和方法就可以提供关于一致性的连续自同步推理。例如，在意欲使用新反应器的情况下，可能会识别对PID控制器的需要，或者在添加新的液位输送器的情况下，可能会确定这不能连接到一个或多个其它组件。

可以设想本文所描述的系统和方法的许多变体。例如，可以使用图形数据库取代关系数据库。

图4图示了根据本文所公开的系统和方法可以使用的示例性计算系统400。计算系统400可以形成任意的台式计算机、膝上型计算机、服务器或基于云的计算系统的一部分或包括任意的台式计算机、笔记本电脑、服务器或基于云的计算系统。计算系统400包括至少一个处理器402，处理器402执行存储在存储器404中的指令。例如，指令可以是用于实现被描述为由本文所描述的一个或多个组件执行的功能性的指令，或者是用于实现本文所描述的一种或多种方法的指令。处理器402可以通过系统总线406访问存储器404。除了存储可执行指令之外，存储器404还可以存储会话输入、被指派给会话输入的分数等。

计算系统400另外还包括处理器402可通过系统总线406访问的数据存储库408。数据存储库408可以包括可执行指令、日志数据等。计算系统400还包括输入接口410，其允许外部设备与计算系统400通信。例如，输入接口410可以被用来接收来自外部计算机设备、来自用户等的指令。计算系统400还包括输出接口412，其将计算系统系统400与一个或多个外部设备进行接口。例如，计算系统400可以通过输出接口412显示文本、图像等。

预期经由输入接口410和输出接口412来与计算系统400通信的外部设备可以被包括在提供用户可以与之交互的基本上任意类型的用户界面的环境中。用户界面类型的示例包括图形用户界面、自然用户界面等等。例如，图形用户界面可以接受来自使用诸如键盘、鼠标、遥控器等等之类的输入设备的用户的输入，并在诸如显示器之类的输出设备上提供输出。此外，自然用户界面可以使得用户能够以不受诸如键盘、鼠标、遥控器等等之类的输入设备强加的约束的方式来与计算系统400交互。相反，自然用户界面可以依赖于语音识别、触摸和手写笔识别、屏幕上和屏幕附近的手势识别、空中手势、头部和眼睛跟踪、语音和话音、视觉、触摸、手势、机器智能等等。

另外，虽然被图示为单个系统，但是应当理解，计算系统400可以是分布式系统。因此，例如，若干设备可以通过网络连接进行通信并且可以共同执行被描述为由计算系统400执行的任务。

本文所描述的各种功能可以以硬件、软件或其任意组合来实现。如果以软件来实现，则功能可以作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码被存储或传输。计算机可读介质包括计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是能够被计算机访问的任意可用存储介质。作为示例而非限制，这样的计算机可读存储介质可以包括FLASH存储介质、RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备或其它任意的可以被用来以指令或数据结构的形式携带或存储期望程序代码并且可以被计算机访问的介质。本文中所使用的磁盘和光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光光盘(BD)，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘通常用激光光学地再现数据。此外，传播信号可以被包括在计算机可读存储介质的范围内。计算机可读介质还包括通信介质，通信介质包括促进将计算机程序从一个地方传送到另一个地方的任意介质。例如，连接可以是一种通信介质。例如，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或者诸如红外线、无线电和微波之类的无线技术从网站、服务器或其它远程源传输软件，那么同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或者诸如红外线、无线电和微波之类的无线技术都被包括在通信介质的定义中。以上的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

备选地或另外地，可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑组件来执行本文所描述的功能性。例如但不限于，可以使用的说明性类型的硬件逻辑组件包括现场可编程门阵列(FPGA)、程序专用集成电路(ASIC)、程序专用标准产品(ASSP)、系统级芯片系统(SOC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。

申请人在此独立地公开了本文所描述的每个个体特征以及两个或更多此类特征的任意组合，只要这样的特征或组合能够在本领域技术人员的公知常识的基础上基于本说明书整体来实施，而不管这些特征或特征的组合是否解决了本文所公开的任何问题并且不限于权利要求的范围。申请人指出，本发明的各方面可以由任何这样的单独特征或特征的组合组成。

必须注意，参考不同类别描述了本发明的实施例。具体而言，一些示例是参考方法描述的，而其它示例是参考装置描述的。然而，本领域的技术人员从说明书中将会了解到，除非另有说明，除了属于一个类别的特征的任意组合之外，涉及不同类别的特征之间的任意组合也被认为被本申请所公开。但是，所有特征可以进行组合以提供协同效应，而不仅仅是特征的简单总和。

虽然本发明已经在附图和前面的描述中被详细说明和描述，但是这样的说明和描述被认为是示例性的而不是限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员可以理解和实现所公开实施例的其它变体。

在互不相同的从属权利要求中列举了某些措施这一事实并不表明不能有利地使用这些措施的组合。

权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种由集成子系统执行的用于将多个自动化工程子系统集成到聚合系统中的计算机实现的方法，所述方法包括：使用至少一个本体模型来将第一所述自动化工程子系统与第二所述自动化工程子系统接口。

2.根据权利要求1所述的方法，其中使用所述至少一个本体模型来将所述子系统接口包括：将从第一所述自动化工程子系统获得的输出数据转换成第二所述自动化工程子系统可用的输入数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其中从第一所述自动化工程子系统获得的所述输出数据包括第一所述自动化工程子系统本地的术语；其中第二所述自动化工程子系统可用的所述输入数据包括第二所述自动化工程子系统本地的术语；并且其中将所述输出数据转换成所述输入数据包括：使用所述至少一个本体模型将第一所述自动化工程子系统本地的所述术语转换成第二所述自动化工程子系统本地的所述术语。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述转换包括：将第一所述自动化工程子系统本地的所述术语转换成通用本体的术语，以及将所述通用本体的所述术语转换成第二所述自动化工程子系统本地的所述术语。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述本体模型包括由各种自动化工程子系统使用的术语以及术语之间的关系的形式语义表示。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中一个或多个映射将所述子系统的术语映射到所述本体模型。

7.根据权利要求6所述的方法，其中至少一个所述子系统包括使用面向对象的编程语言创建的软件代码，其中所述一个或多个映射包括一个或多个对象-关系映射。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述一个或多个映射将所述软件代码内的对象的类映射到所述本体模型内的概念。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述一个或多个映射将所述软件代码内的类的属性映射到所述本体模型中的属性。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的方法，其中所述一个或多个映射将所述软件代码中的对象的实例映射到所述本体模型中的个体。

11.根据权利要求6-10中任一项所述的方法，其中使用至少一个关系数据库、至少一个图形数据库或使用二者来存储所述一个或多个映射。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：使用所述本体模型来使用语义技术执行验证、查询、仿真和分析中的一个或多个。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：执行以下中的一个或多个：模块选择；模块配置/参数化；模块流水线/拓扑设计；编配设计；模块/流水线优化；流水线/工厂操作；流水线中的瓶颈检测；流水线中的KPI优化；工作流程协助；提示用户在工作流程协助期间处理相关概念；时间序列数据分析；工业过程工厂数字孪生的时间序列数据分析；数据分析；用于过程工厂监测和维护计划的数据分析；用于过程工厂监测和维护计划的本体控制的、数据驱动的诊断数据分析；模块、流水线或工厂的仿真；参数校准；本体控制的基于仿真数据的过程工厂参数校准；针对本体的正式验证。

14.一种计算系统，所述计算机系统被配置为执行权利要求1-13中任一项所述的方法。

15.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质包括指令，所述指令在由计算系统执行时使所述计算系统执行权利要求1-13中任一项所述的方法。