WO2016110356A1 - Verfahren zur integration einer semantischen datenverarbeitung - Google Patents

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WO2016110356A1
WO2016110356A1 PCT/EP2015/076953 EP2015076953W WO2016110356A1 WO 2016110356 A1 WO2016110356 A1 WO 2016110356A1 EP 2015076953 W EP2015076953 W EP 2015076953W WO 2016110356 A1 WO2016110356 A1 WO 2016110356A1
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data
semantic
grammar
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PCT/EP2015/076953
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Sebastian Käbisch
Daniel Peintner
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • G06F16/80—Information retrieval; Database structures therefor; File system structures therefor of semi-structured data, e.g. markup language structured data such as SGML, XML or HTML
    • G06F16/84—Mapping; Conversion

Definitions

  • the invention relates to a method for integrating a semantic data processing, in particular in devices of automation technology.
  • field devices or devices which operate on the basis of microcontrollers, such as intelligent sensors, actuators and control units in automation technology or in a vehicle.
  • microcontrollers such as intelligent sensors, actuators and control units in automation technology or in a vehicle.
  • ⁇ stead data in a structured and interpretable form to be processed together with a semantic description and thus to the principles of a "Semantic Web" analo ⁇ gen data processing desirable.
  • Semantic data processing in devices is especially aimed at facilitating engineering of the devices, avoiding or recognizing errors during operation, as well as for optimizing automation systems through optimal parameterization of the devices.
  • RDF Resource Description Framework
  • the standardized data format »Efficient XML Interchange «, EXI for short, is particularly suitable for implementing a yRDF on devices.
  • Description languages for the specification of data formats and the methods required for processing the data are known in the prior art.
  • a known descrip ⁇ description language is "Extensible Markup Language", abbreviated XML, are with which hierarchically structured data in text form or Piain text described.
  • the description language XML is used for a platform-independent exchange of data between computer systems. Due to the textual nature of XML, this is both through machines and through People readable.
  • schemes are known which are used to describe a structure and to define data types. These schemes are based on a descrip ⁇ description language such as XML and are therefore referred to as a description of language schemes.
  • a schema for using XML data is also known as XML Schema Definition or XSD.
  • the binary representation EXI develops particular advantages when used in devices. These can be set up for in-device processing of data in text-based XML format or in exchange format EXI, but these data are usually interchanged via corresponding communication interfaces based on binary data, in particular binary data in accordance with EXI specifications.
  • the binary representation EXI is particularly efficient when ei ⁇ ne EXI grammar has been defined, which best reflects a se ⁇ mantic representation or description of data.
  • This grammar is usually generated from the XML schemas explained above. The more concrete this grammar is ge ⁇ staltet - eg regarding the structure of the data content of the data, data types - the more efficient and more compact encoding of grammar as well as their implementation.
  • a semantic description of devices is not currently available in most cases. Currently, such descriptions are only tentatively in an engineering tool ad hoc defines the semantic Be ⁇ descriptions usually remain in a proprietary format only in the Engineering Tool environment.
  • the object of the invention is to provide means which generation of a grammar, in particular for use in resource-poor devices that enable a description language schema, wherein a semantic representation ei ⁇ ner of operation of the device at least partially from Minim ⁇ least a per se for resource-rich computing environments provided ontology is integrated.
  • the inventive method provides a method for integrating a semantic data processing in a device, in particular in a field device of automation technology. The following steps are carried out:
  • an existing generic description language scheme for defining a semantic depot as the starting point.
  • This descrip ⁇ advertising spoke schematic preferably based on a known data model called "Resource Description Framework" or RDF.
  • the description language scheme or scheme is suitable for implementing a triplestore or yRDF in devices equipped with a limited storage space and computing power offer, such as field devices.
  • the description language scheme is at least partially enriched with contents of an ontology for the semantic representation of an operation of the device.
  • the ontology classes are taken together with at least one of the Klas ⁇ sen associated property from the ontology, is converted into a corresponding schema declaration and this schema declaration turned ⁇ adds in the description language schema.
  • subclassOf assigns a property or relation "subClassOf" a class.
  • This by inserting at least one Schemadekla ⁇ ration description Language scheme is referred to in the description as "advanced” or “concrete” description language scheme since the integration of the device description from the ontology leads to a description language scheme that takes into account the specifics of the device any further.
  • One or more grammars are from the description locale then he testifies ⁇ , preferably EXI grammar, abbreviated according to the standardized data format "Efficient XML Interchange” wel ⁇ che integrated into the device, that are loaded as part of a control Soft ⁇ ware.
  • a particular advantage of the invention is that from the "concrete" Cardiosticiannschema a grammar can be generated, which is a much more compact seman ⁇ tables data processing and data transmission between field devices with each other or between field devices and an automation system - permitted.
  • a further advantage of the invention is that implementations of the grammar generated according to the invention take up less storage space, since it contains fewer text-based (string-based) element names (identifiers) than grammars which are not generated using a structured device description as provided by the ontology. WUR generated ⁇ .
  • the grammar according to the invention permits system-based replacement of these text-based element names by data type codes (Type Coding).
  • Type Coding data type codes
  • Fig. 2 is a schematic representation of an exemplary
  • Fig. 3 is a schematic representation of an inventively extended grammar.
  • a semantic description as a prerequisite for semantic data processing of devices such as e.g. Automation devices or field devices is currently only to be found in a rudimentary manner.
  • Current approaches envisage that semantic descriptions are only entered in an engineering phase "by hand” using an engineering tool.
  • EXI Error XML Interchange
  • a semantic description can also be realized in resource-poor devices, which enables a "self-description" of the devices. Since there is currently no concept for a specific XML schema available in the domains of the "Semantic Web" or "Linked Data” domain, a generic approach could be chosen as a first attempt, which according to EXI conventions would be schemal-less or "schemaless”. Coding corresponds. This approach, which no XML schemas or generated therefrom EXI grammars train ⁇ round are, is difficult due to the inefficient and not very compact coding as disadvantageous.
  • the procedure according to the invention provides for a ready position of a description language schema for the definition of a semantic depot.
  • the semantic data model on the popular "Resource Description Fra mework ⁇ " or RDF Depot sees a modeling data available in semantic triples. Based on this RDF will be a description language schema - especially XML Scheme - defined, which maps a structure of the semantic triples in the description language.
  • Fig. 1 there is shown a state diagram of a generic EXI grammar as a result of generation from the above-described description language scheme. It is a deterministic automaton or deterministic finite
  • Automaton also abbreviated to DFA, represented in the circular structure depict a state.
  • Events or events in the drawing EV, cause state transitions between states shown as arrows or as a loop within the same state.
  • a final state is shown with a dop ⁇ -coupled circle.
  • the temperature sensor or moisture sensor corresponds to a subject in the respective triple
  • the measured value or "value” corresponds to a property which the temperature sensor or moisture sensor can deliver, ie a predicate, the concrete measured value, e.g. »8.4 « or »79.2 « the attribute of the triples.
  • An EXI representation of a grammar generated from this would give the following representation:
  • 00 'temperature' type resource 'Sensor' value '8.4' 0 1 'humidity' 0 1 0_ 3 '79.2' represent values of the attributes or their attribute element names. If the same attribute element name returns, a numeric identifier is used instead of the text attribute element name, for example the »0« for »sensor «. To map the attribute element names own mapping table is kept under ⁇ .
  • a numeric identifier is used instead of the property element name for data compression purposes, for example, the "0” for “type”, “1” for “resource” and “3” for "va ⁇ lue «.
  • Elements of an ontology for the semantic representation of an operation of the device are included in the description language scheme.
  • the inclusion of the ontology elements is done by integrating the appropriate schema declaration in the description language scheme.
  • a device eg field device, has a fixed functionality with certain fixed and known parameters and data.
  • a description of this operation is at least partially represented by an ontology.
  • ontology semantic Informa ⁇ tions of the ontology are displayed in the diagram declarations.
  • the extended description language scheme will be expanded to include translated "concrete" grammar.
  • This concrete Gram ⁇ matics leads in terms of efficiency and compactness of the coding to a significant increase.
  • the concrete grammar leads to the fact that a generic data property such as the property element "value" shown above does not have to be transmitted and managed at runtime in a text-based form.
  • the more concrete grammar leads to the fact that values in text-based form, eg "sensor”, can generally be avoided.
  • a grammar in particular EXI grammar
  • This grammar is integrated into the device, in particular field device. Subsequently, a more compact representation is achieved in the transmission of data and the internal semantic data processing. Furthermore, the processing of semantic data due to accelerated parsing operations is more efficient and memory consumption is greatly reduced.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an ontology for beispielhaf ⁇ th semantic representation of an operation of a device. In this ontology, two classes THN, SNS are symbolized by a circle.
  • the first SNS of the two classes or "concepts” is linked to the second THN of the two classes THN, SNS via a property sub-class or "relation" SCL, which specifies the relationship between the two classes THN, SNS.
  • SCL property sub-class or "relation” SCL, which specifies the relationship between the two classes THN, SNS.
  • SNS wei ⁇ thermore
  • This object type FLT is also called »Type « or »Range «.
  • a first class sensor SNS is associated with a second class "Thing" THN via the relationship "is subclass of" SCL.
  • the second class Thing forms a default class in ontology that forms a generic root class.
  • the relationship "is subclass of" SCL is formed from this one subclass (SNS) sensor.
  • This class SNS has a natural ⁇ economy "Value" VAL, which defines the data type FLT.
  • the data type FLT is available as a floating-point number or "float”.
  • a definition of the exemplary ontology of FIG. 2 in an ontology description language OWL or Web Ontology Language is as follows:
  • a sensor class is defined, which is a subclass of Things.
  • the sensor class has a property (Data property) "value”, which has the range "float”.
  • ⁇ / owl Class> defined as class "Sensor”, which is assigned via the relation or property "subclassOf" of the superordinate class “Thing” as subclass or subclass. In general, a subclass is also a class.
  • the »root « declaration with »RDF« and the nested »Description « declaration correspond - as in the example above - to the »Default « RDF Framework.
  • the "type” property is explicitly declared as a "type” element and provided with the statement that excluding may be assigned to classes which are defined in the ontology, namely "thing" and "sensor”.
  • This selection is implemented by declaration by means of an enumeration, more precisely an enumeration instruction.
  • This extended grammar now contains the concrete information from the ontology or from the created extended description language scheme.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Integration einer semantischen Datenverarbeitung in einem Gerät, insbesondere in einem Feldgerät der Automatisierungstechnik. Dabei wird ein generisches Beschreibungssprachenschemas zur Definition eines semantischen Depots als Ausgangsbasis verwendet. Dieses Beschreibungssprachenschemas wird erfindungsgemäß mit Inhalten einer Ontologie zur semantischen Repräsentation einer Funktionsweise des Geräts angereichert. Dabei werden Klassen und/oder Subklassen der Ontologie zusammen mit mindestens einer den Klassen und/oder Subklassen zugeordneten Eigenschaft aus der Ontologie entnommen, in eine entsprechende Schemadeklaration umgeformt und diese Schemadeklaration in das Beschreibungssprachenschema eingefügt. Aus dem Beschreibungssprachenschema wird anschließend eine oder mehrere Grammatiken erzeugt, vorzugsweise Grammatiken gemäß dem standardisierten Datenformat »Efficient XML Interchange«, abgekürzt EXI, welche im Gerät integriert werden. Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt in einer wesentlich kompakteren semantische Datenverarbeitung und Datenübertragung.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Integration einer semantischen Datenverarbeitung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration einer semantischen Datenverarbeitung insbesondere in Geräten der Automatisierungstechnik . Im Stand der Technik sind Feldgeräte bzw. Geräte bekannt, welche auf Basis von Mikrokontrollern arbeiten, beispielsweise intelligente Sensoren, Aktoren und Steuerungseinheiten in der Automatisierungstechnik oder in einem Fahrzeug. Im Zuge einer steigenden Komplexität von Automatisierungsanlagen ent- steht ein zunehmender Bedarf, Geräte mit einer Fähigkeit aus¬ zustatten, Daten in strukturierter und interpretierbarer Form zusammen mit einer semantischen Beschreibung zu verarbeiten und somit eine zu den Prinzipien eines »Semantic Web« analo¬ gen Datenverarbeitung anzustreben.
Eine semantische Datenverarbeitung bei Geräten wird insbesondere angestrebt, um ein Engineering der Geräte zu erleichtern, Fehler im Betrieb zu vermeiden oder zu erkennen, sowie zur Optimierung von Automatisierungsanlagen durch optimale Parametrierung der Geräte.
Eine insbesondere im Bereich einer anspruchsvollen Informationsverarbeitung weit verbreitete semantische Datenverarbei¬ tung wird auf Basis von Ontologien betrieben. Hierunter ist eine Wissensrepräsentation für ein definiertes Wissensgebiet, auch Domäne bzw. Domain genannt, zu verstehen, mit dem Ziel, Wissen maschinenlesbar auszutauschen und zu verwenden. Eine Ontologie bietet weitreichende Möglichkeiten, Eigenschaften (Relations) zwischen Klassen (Concepts) der Domäne zu bilden und stellt die für eine semantische Datenverarbeitung benö¬ tigten Verfahren zur Verfügung. Aufgrund einer datentechnischen Mächtigkeit von Ontologien erfordert das Arbeiten mit diesen eine entsprechend ressourcenstarke Rechenumgebung. Es sind bereits Überlegungen angestellt worden, Techniken des Semantic Web auf eine semantische Datenverarbeitung von Gerä¬ ten und andere Automatisierungskomponenten zu übertragen. Aufgrund der eingeschränkten Ressourcen von Geräten scheidet eine Verarbeitung semantischer Daten auf Basis von Ontologien jedoch aus. Unter besagten eingeschränkten Ressourcen sind insbesondere ein vergleichsweiser kleiner Speicherbereich, eine geringe Kommunikationsbandbreite, sowie eine ressourcen- schwache CPU oder Microcontroller als zentrale Recheneinheit zu nennen.
Eine demgegenüber »leichtere« (lightweight) semantische Da¬ tenverarbeitung beruht auf einem bekannten Datenmodell na- mens »Resource Description Framework« bzw. RDF. Das Datenmodell RDF weist eine formale Semantik auf, die auf gerichteten Graphen basiert. Die Daten des Datenmodells werden als Tripel modelliert. Hierunter ist eine Elementaraussage zu verstehen, welche aus Subjekt, Prädikat und Objekt besteht. Für die Speicherung von RDF Tripeln sind Konzepte bekannt, welche in der Fachwelt auch als semantisches Depot (Semantic Reposito- ry) bzw. Triplestore bezeichnet werden. In Geräten, welche mit einem begrenztem Speicherplatz- und Rechenleistungsangebot ausgestattet sind, wird dieser Triplestore üblicherweise auch als yRDF bezeichnet. Das standardisierte Datenformat »Efficient XML Interchange«, abgekürzt EXI, eignet sich in besonderer Weise für eine Implementierung eines yRDF auf Geräten . Im Stand der Technik sind Beschreibungssprachen zur Spezifikation von Datenformaten und der für eine Bearbeitung der Daten benötigten Verfahren bekannt. Eine bekannte Beschrei¬ bungssprache ist »Extensible Markup Language«, abgekürzt XML, mit welcher hierarchisch strukturierte Daten in Textform oder Piain Text beschrieben werden. Die Beschreibungssprache XML wird für einen plattformunabhängigen Austausch von Daten zwischen Rechnersystemen eingesetzt. Aufgrund der textuellen Natur von XML ist diese sowohl durch Maschinen als auch durch Menschen lesbar. Weiterhin sind Schemata bekannt, welche zur Beschreibung einer Struktur und zur Definition von Datentypen angewandt werden. Diese Schemata beruhen auf einer Beschrei¬ bungssprache wie z.B. XML und werden daher auch als Beschrei- bungssprachenschemata bezeichnet. Ein Schema zur Anwendung für XML Daten ist auch als XML Schema Definition bzw. XSD bekannt .
Häufig sind ein schneller Datenaustausch zwischen Rechnersys- temen und/oder eine schnelle interne Datenverarbeitung erforderlich, welche mit einer textuellen Beschreibungssprache wie XML nicht zu erreichen sind. Daher wurden binäre Repräsenta¬ tionen von XML vorgeschlagen. Eine solche Binärrepräsentation ist das oben besagte Austauschformat EXI, welches im Ver- gleich zu textbasierten XML-Daten schneller zu verarbeiten ist und weniger Übertragungsbandbreite beim Datenaustausch zwischen Rechnersystemen benötigt. Eine Anwendung von EXI ist im Übrigen nicht allein auf eine Binärrepräsentation von XML beschränkt, EXI kann als Austauschformat zur Verarbeitung und Übermittlung beliebiger semistrukturierter Daten eingesetzt werden .
Die Binärrepräsentation EXI entfaltet insbesondere Vorteile bei einer Verwendung in Geräten. Diese können für eine gerät- interne Bearbeitung von Daten im textbasierten XML-Format oder auch im Austauschformat EXI eingerichtet sein, tauschen diese Daten über entsprechende Kommunikationsschnittstellen jedoch üblicherweise auf Basis von Binärdaten, insbesondere Binärdaten gemäß EXI-Spezifikationen, untereinander aus.
Die Binärrepräsentation EXI ist besonders effizient, wenn ei¬ ne EXI Grammatik definiert wurde, welche am besten eine se¬ mantische Repräsentation bzw. Beschreibung der Daten abbildet. Diese Grammatik wird üblicherweise aus den oben erläu- terten XML Schemata erzeugt. Je konkreter diese Grammatik ge¬ staltet ist - z.B. hinsichtlich der Struktur der Daten, Inhalt der Daten, Datentypen - umso effizienter und kompakter ist eine Kodierung der Grammatik sowie deren Implementierung. Eine semantische Beschreibung von Geräten ist in überwiegenden Fällen allerdings derzeit nicht verfügbar. Gegenwärtig werden solche Beschreibungen lediglich versuchsweise in einem Engineering Tool ad hoc definiert, wobei die semantischen Be¬ schreibungen üblicherweise nur in der Engineering Tool- Umgebung in einem proprietären Format verbleiben.
Demgegenüber wäre es wünschenswert, verbreitete Ontologien, z.B. aus der Automatisierungsdomäne, auch in der Implementie¬ rung bzw. im Engineering von Geräten zu nutzen.
Aufgabe der Erfindung ist es, Mittel zu schaffen, welche eine Erzeugung einer Grammatik, insbesondere zum Einsatz in res- sourcenschwachen Geräten, aus einem Beschreibungssprachenschema ermöglichen, wobei eine semantische Repräsentation ei¬ ner Funktionsweise des Geräts zumindest teilweise aus mindes¬ tens einer an sich für ressourcenstarke Rechenumgebungen vorgesehenen Ontologie integriert wird.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht ein Verfahren zur Integ- ration einer semantischen Datenverarbeitung in einem Gerät, insbesondere in einem Feldgerät der Automatisierungstechnik vor. Dabei werden folgende Schritte durchgeführt:
Bereitstellen eines Beschreibungssprachenschemas zur Defi- nition eines semantischen Depots;
Bereitstellen einer Ontologie zur semantischen Repräsentation einer Funktionsweise und/oder Daten des Geräts;
Einlesen mindestens einer Klasse mit mindestens einer die¬ sen zugeordneten Eigenschaft aus der Ontologie und Einfü- gen einer entsprechenden Schemadeklaration in das Beschreibungssprachenschema;
Erzeugung einer Grammatik aus dem Beschreibungssprachenschema; und; Integration der Grammatik im Gerät.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, ein bestehendes generisches Beschreibungssprachenschemas zur Definition eines semanti- sehen Depots als Ausgangsbasis zu verwenden. Dieses Beschrei¬ bungssprachenschema beruht vorzugsweise auf einem bekannten Datenmodell namens »Resource Description Framework« bzw. RDF. Das Beschreibungssprachenschema bzw. Schema ist geeignet, in mit einem begrenztem Speicherplatz- und Rechenleistungsange- bot ausgestatteten Geräten - wie z.B. Feldgeräten - einen Triplestore bzw. yRDF zu implementieren. Das Beschreibungs¬ sprachenschema wird erfindungsgemäß zumindest teilweise mit Inhalten einer Ontologie zur semantischen Repräsentation einer Funktionsweise des Geräts angereichert. Dabei werden Klassen der Ontologie zusammen mit mindestens einer den Klas¬ sen zugeordneten Eigenschaft aus der Ontologie entnommen, in eine entsprechende Schemadeklaration umgeformt und diese Schemadeklaration in das Beschreibungssprachenschema einge¬ fügt. Zu den Klassen zählen auch Subklassen, welche über eine Eigenschaft bzw. Relation »subClassOf« einer Klasse unterge¬ ordnet sind. Das nach Einfügung mindestens einer Schemadekla¬ ration vorliegende Beschreibungssprachenschema wird in der weiteren Beschreibung auch als »erweitertes« oder »konkretes« Beschreibungssprachenschema bezeichnet, da die Integration der Gerätebeschreibung aus der Ontologie zu einem Beschreibungssprachenschema führt, welches die Spezifika des Geräts weitergehender berücksichtigt. Aus dem Beschreibungssprachenschema werden anschließend eine oder mehrere Grammatiken er¬ zeugt, vorzugsweise Grammatiken gemäß dem standardisierten Datenformat »Efficient XML Interchange«, abgekürzt EXI, wel¬ che im Gerät integriert, d.h. als Teil einer Steuerungssoft¬ ware geladen werden.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass aus dem »konkreten« Beschreibungssprachenschema eine Grammatik erzeugt werden kann, welche eine wesentlich kompaktere seman¬ tische Datenverarbeitung und auch Datenübertragung zwischen Feldgeräten untereinander oder zwischen Feldgeräten und einem Automatisierungssystem - gestattet.
Die Kompaktheit der Datenverarbeitung gestattet eine schnel- lere semantische Datenverarbeitung. Andererseits führt diese Kompaktheit auch zu kleineren Datenpaketgrößen, welche die Wahrscheinlichkeit reduzieren, dass ein Datenpaket im Falle eines Datenpaketverlusts erneut gesendet werden muss (Re¬ Transmission) . Diese vorteilhafte Reduzierung von
Re-Transmissions hat einen positiven Einfluss auf die Netz¬ auslastung in einer Kommunikation mehrerer Feldgeräte untereinander oder zwischen Feldgeräten und einem Automatisierungssystem. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Implementierungen der erfindungsgemäß erzeugten Grammatik weniger Speicherplatz beanspruchen, da diese weniger textbasierte (string based) Elementnamen (Identifier) enthält als Grammatiken, welche nicht unter Anwendung einer strukturierten Ge- rätebeschreibung, wie sie die Ontologie liefert, erzeugt wur¬ den. Die erfindungsgemäße Grammatik gestattet systembedingt einen Ersatz dieser textbasierten Elementnamen durch Datentypkodierungen (Type Coding) . Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Das Compu¬ terprogramm wird in einem Prozessor eines Bereitstellungsrechners, insbesondere einem Engineeringsystem zur Entwicklung einer Feldgerät-internen Software, abgearbeitet, welcher mit der Abarbeitung das Verfahren ausführt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt : Fig. 1 ein Zustandsdiagramm einer Grammatik zur Definition eines semantischen Depots;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften
Ontologie zur semantischen Repräsentation einer Funktionsweise des Geräts und;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß erweiterten Grammatik.
Eine semantische Beschreibung als Voraussetzung einer semantischen Datenverarbeitung von Geräten wie z.B. Automatisierungsgeräten oder Feldgeräten ist derzeit lediglich ansatzweise anzutreffen. Derzeitige Ansätze sehen vor, semantische Beschreibungen erst in einer Engineering Phase »per Hand« mittels eines Engineering Tools einzugeben.
Auf Basis der binären Repräsentation »Efficient XML Inter- change«, abgekürzt EXI, kann eine semantische Beschreibung auch in ressourcenschwachen Geräten realisiert werden, die eine »Selbstbeschreibung« der Geräte ermöglicht. Da in den Domänen des »Semantic Web« oder »Linked Data« Domäne derzeit kein Konzept für ein konkretes XML Schema zur Verfügung steht, könnte in einem ersten Anlauf ein generischer Ansatz gewählt werden, der gemäß EXI-Konventionen einer schemalosen bzw. »schemaless« Kodierung entspricht. Dieser Ansatz, dem keine XML Schemata bzw. daraus erzeugte EXI Grammatiken zug¬ rundeliegen, erweist sich aufgrund der wenig effizienten und wenig kompakten Kodierung als nachteilig.
Das erfindungsgemäße Vorgehen sieht demgegenüber eine Bereit Stellung eines Beschreibungssprachenschemas zur Definition eines semantischen Depots vor.
Das auf dem bekannten Datenmodell »Resource Description Fra¬ mework« bzw. RDF semantische Depot sieht eine Modellierung von Daten in semantischen Tripels vor. Auf Basis dieses RDF wird ein Beschreibungssprachenschema - insbesondere XML Schema - definiert, welches eine Struktur der semantischen Triples in der Beschreibungssprache abbildet. Im Folgenden wird ein beispielhaftes Beschreibungssprachenschema in der Beschreibungssprache XML dargestellt:
<!— root —>
<xs:element name=" DF">
<xs : complexType>
<xs : sequence>
<xs:element ref="rdf :Description" maxOccurs="unbounded"/>
</xs : sequence>
</xs : complexType>
</xs : element>
<!— subject -->
<xs:element name="Description">
<xs : complexType>
<xs : sequence>
<!— property —>
<xs:any maxOccurs="unbounded" namespace="##any" processContents="lax" </xs : sequence>
<xs : attribute name="about" type="xs:anyURI" use="required"/>
</xs : complexType>
</xs : element>
Die Deklaration: <xs : complexType> definiert einen komplexen Typ, welcher hier einen Zustandsau tomaten implementiert. Die »root« Deklaration mit »RDF« und der geschachtelten »Description«-Deklaration entspricht dem »Default« RDF Framework.
Die Deklaration: <xs:any maxOccurs="unbounded" namespace="##any" processContents="lax"/> ist vorgesehen, um beliebige zu einer Laufzeit auftretende »Property«-Elemente kodieren zu können.
In Fig. 1 ist ein Zustandsdiagramm einer generischen EXI Grammatik als Ergebnis einer Erzeugung aus dem oben bezeichneten Beschreibungsspracheschemas dargestellt. Dabei ist ein deterministischer Automat bzw. Deterministic Finite
Automaton, abkürzend auch DFA, dargestellt, in dem kreisförmige Gebilde einen Zustand abbilden. Ereignisse bzw. Events, in der Zeichnung EV, verursachen pfeilförmig dargestellte Zu- standsübergänge zwischen Zuständen oder auch als Loop innerhalb des gleichen Zustands. Ein Endzustand ist mit einer dop¬ pelten Kreislinie dargestellt.
Die oben bezeichnete Deklaration:
<xs:element name=" DF"> führt dabei zu einer in der mittleren Ebene dargestellten RDF Grammar und die oben bezeichnete Deklaration
<xs:element name="Description"> führt dabei zu einer in der obersten Ebene dargestellten Des- cription Grammar. Eine Root Grammar auf der untersten Ebene stellt den Startpunkt einer Grammatik dar.
Auf Basis dieser aus dem des oben gezeigten Beschreibungs¬ sprachenschema zur Definition eines semantischen Depots erzeugten generischen Grammatik können nun beliebige semantische Beschreibungen mit dieser generischen Grammatik abgebildet werden. Z.B. können folgende Triples
<RDF>
<Description about= ' temperature ' > <type resource= ' sensor ' />
<value>8.4< /value>
< /Description>
<Description about= 'humidity'>
<type resource= ' sensor ' />
<value> 79.2< /value>
vorgesehen werden, welche eine strukturierte Darstellung ei- nes Temperatursensors und eines Feuchtigkeitssensors definie¬ ren .
Der Temperatursensor oder Feuchtigkeitssensor entspricht in dem jeweiligen Triple einem Subjekt, der Messwert bzw. »Va- lue« entspricht einer Eigenschaft, die der Temperatursensor oder Feuchtigkeitssensor liefern kann, also einem Prädikat, der konkrete Messwert, oben z.B. »8.4« oder »79.2« dem Attribut des Triples. Eine EXI-Repräsentation einer daraus erzeugten Grammatik würde folgende Repräsentation ergeben:
00 ' temperature ' type resource 'Sensor' value '8.4' 0
1 'humidity' 0 1 0 3 '79.2'
Die im Folgenden unterstrichenen Ziffern
00 'temperature' type resource 'Sensor' value '8.4' 0_
1 'humidity' 0 1 0 3 '79.2' stellen die Bit-basierten Ereigniskodes (Event Codes) aus der Grammatik gemäß Fig. 1 dar, siehe dort beispielsweise die Er¬ eignisse (Events bzw. »EV«) EV(00), EV(0) und EV(1).
Die im Folgenden unterstrichenen Fragmente:
00 'temperature' type resource 'Sensor' value '8.4' 0 1 'humidity ' 0 1 0_ 3 ' 79.2 ' stellen Werte der Attribute bzw. deren Attribut-Elementnamen dar. Falls der gleiche Attribut-Elementname wiederkehrt, wird aus Gründen der Datenkompression ein numerischer Identifier anstatt des textuellen Attribut-Elementnamens verwendet, hier beispielsweise die »0« für »Sensor«. Für die Abbildung der Attribut-Elementnamen wird eine eigene Mappingtabelle unter¬ halten .
Die im Folgenden unterstrichenen Fragmente:
00 ' temperature ' type resource 'Sensor' value '8.4' 0
1 'humidity' 0 1 0 3 '79.2' stellen die Werte der (neuen) Property-Elementnamen dar.
Falls der gleiche Property-Elementname wiederkehrt, wird aus Gründen der Datenkompression ein numerischer Identifier anstatt des Property-Elementnamens verwendet, hier beispiels- weise die »0« für »type«, »1« für »resource« und »3« für »va¬ lue« .
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, eine weitere Konkretisie¬ rung der aus dem oben gezeigten Beschreibungssprachenschema zu erzeugenden Grammatik dahingehend herbeizuführen, indem
Elemente einer Ontologie zur semantischen Repräsentation einer Funktionsweise des Geräts in das Beschreibungssprachenschema aufgenommen werden. Die Aufnahme der Ontologie- Elemente erfolgt durch Integration entsprechender Schemade- klaration in das Beschreibungssprachenschema.
Ein Gerät, z.B. Feldgerät hat eine feste Funktionsweise mit bestimmten festen und bekannten Parametern und Daten. Eine Beschreibung dieser Funktionsweise ist zumindest teilweise durch eine Ontologie abgebildet. Auf Basis der Beschreibung dieser Ontologie werden erfindungsgemäß semantischen Informa¬ tionen der Ontologie in Schemadeklarationen abgebildet. Das so erweiterte Beschreibungssprachenschema wird in eine erwei- terte, »konkrete« Grammatik übergeführt. Diese konkrete Gram¬ matik führt hinsichtlich Effizienz und Kompaktheit der Kodierung zu einer deutlichen Steigerung. Beispielsweise führt die konkrete Grammatik dazu, dass eine generische Dateneigen- schaff wie oben gezeigte Property-Element »value« zur Lauf¬ zeit nicht in eine textbasierte Form übertragen und verwaltet werden muss. Im Allgemeinen führt die konkretere Grammatik dazu, dass Werte in textbasierter Form, z.B. »sensor« generell vermieden werden können.
Der bisher bestehende Einsatz einer Ontologie für Validie¬ rungszwecke wird also erfindungsgemäß erweitert mit einem vorteilhaften Einsatz der Ontologie zur Erzeugung einer konkreten Grammatik, welche zu einer effizienten Datenverarbei- tung führt.
Folgende Informationen können aus semantischen Informationen der Ontologie in Schemadeklarationen abgebildet werden: - RDF Framework (Elemente/Attribute wie RDF, Description, about, type, etc.);
- Eigenschaften, insbesondere »Data Properties« und »Object Properties« inklusive deren Bezeichner bzw. Elementnamen;
- Verwendeten Datentypen der Eigenschaften;
- Namen der Klassen; und/oder;
- Namensräume.
Aus dem so mit den semantischen Informationen der Ontologie erweiterten Beschreibungssprachenschemas zur Definition eines semantischen Depots wird dann eine Grammatik, insbesondere EXI-Grammatik, erzeugt. Diese Grammatik wird in das Gerät, insbesondere Feldgerät, integriert. Im Anschluss wird bei der Übertragung von Daten und der internen semantischen Datenverarbeitung eine kompaktere Darstellung erreicht. Desweiteren wird die Bearbeitung der semantischen Daten aufgrund beschleunigter Parsing-Vorgänge effizienter und der Speicherverbrauch stark reduziert. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaf¬ ten Ontologie zur semantischen Repräsentation einer Funktionsweise eines Geräts. In dieser Ontologie sind zwei Klassen THN, SNS durch einen Kreis symbolisiert. Die erste SNS der beiden Klassen bzw. »Concepts« ist mit der zweiten THN der beiden Klassen THN, SNS über eine Eigenschaft sub-class bzw. »Relation« SCL verknüpft, welche die Beziehung zwischen beiden Klassen THN, SNS angibt. Für die erste Klasse SNS ist wei¬ terhin eine Eigenschaft VAL bzw. »Property« definiert, welche einem Datentyp FLT zugeordnet ist. Dieser Objekttyp FLT wird auch als »Type« oder »Range« bezeichnet.
Die vorangegangene strukturelle Beschreibung der beispielhaf¬ ten Ontologie wird im Folgenden mit ihren konkreten Elementen beschrieben. Einer ersten Klasse Sensor SNS ist über die Beziehung »ist Subklasse von« SCL einer zweiten Klasse »Thing« THN zugeordnet. Die zweite Klasse Thing bildet eine in der Ontologie von vorneherein vorgesehene (Default) Klasse welche eine generische Wurzelklasse bildet. Durch die Beziehung »ist Subklasse von« SCL wird aus dieser eine Unterklasse (Sub Class) Sensor SNS gebildet. Diese Klasse SNS hat eine Eigen¬ schaft »Value« VAL, welche den Datentyp FLT definiert. Der Datentyp FLT liegt als Gleitkommazahl bzw. »Float« vor.
Eine Definition der beispielhaften Ontologie gemäß Fig. 2 in einer Ontologiebeschreibungssprache OWL bzw. Web Ontology Language lautet wie folgt:
<owl: Class rdf:about="Thing" />
<owl: Class rdf : about=" Sensor">
<rdfs : subClassOf rdf : resource="Thing"/>
</owl:Class>
<owl : DatatypeProperty rdf : about="value">
<rdfs : domain rdf : resource="Sensor" />
<rdfs : ränge rdf : resource=" float" />
</owl : DatatypeProperty> In diesem Ausschnitt der Ontologiebeschreibungssprache zur Definition der Ontologie gemäß Fig. 2 wird eine Sensor-Klass definiert, welche eine Sub-Klasse von Things ist. Die Sensor Klasse hat eine Eigenschaft (Data property) »value«, welche den Range »float« hat.
Die Klasse »Thing« wird durch die Zeile <owl:Class rdf:about="Thing" /> definiert, die Klasse »Sensor« wird durch das Fragment:
<owl:Class rdf : about=" Sensor">
<rdfs : subClassOf rdf : resource="Thing"/>
</owl:Class> als Klasse »Sensor« definiert, welche über die Relation bzw. Eigenschaft »subclassOf« der übergeordneten Klasse »Thing« als Sub-Klasse bzw. Unterklasse zugeordnet ist. Im Allgemei¬ nen ist auch eine Sub-Klasse eine Klasse.
Aus der Ontologie bzw. der Ontologiebeschreibungssprache wer den die Klassen und Subklassen zusammen mit diesen zugeordne ten Eigenschaft aus der Ontologie eingelesen und entsprechen de Schemadeklarationen in das folgende erweiterte Beschrei¬ bungssprachenschema eingefügt.
<!— root —>
<xs:element name=" DF">
<xs : complexType>
<xs : sequence>
<xs:element ref="rdf :Description" maxOccurs="unbounded"/> </xs : sequence>
</xs : complexType>
</xs : element> <!— su ject -->
<xs:element name="Description">
<xs : complexType>
<xs : sequence>
<!—property —>
<xs:element ref="rdf :type"/>
<xs:element name="value" type="xs : float" />
</xs : sequence>
<xs : attribute name="about" type="xs:anyURI" use="required"/> </xs : complexType>
</xs : element>
<xs:element name="type" type="rdf : classes"
<xs : simpleType name="classes">
<xs : restriction base="xs : string">
<xs : enumeration value="Sensor" />
<xs : enumeration value="Thing"/>
</xs : restriction>
</xs : simpleType>
Die »root« Deklaration mit »RDF« und der geschachtelten »Des cription«-Deklaration entspricht - wie im Beispiel oben - dem »Default« RDF Framework.
Ein wesentlicher Unterschied des hier gezeigten erweiterten Beschreibungssprachenschema zum obigen Beschreibungssprachen Schema liegt darin, dass das erweiterte Beschreibungsspra¬ chenschema nun konkrete Eigenschaften bzw. Properties wie »type« und »value« aus der Ontologie in die »Description« Schemadeklaration von Elementen eingefügt sind.
Die Eigenschaft »type« wird als »type« Element ausdrücklich deklariert und mit der Anweisung versehen, dass ausschließ- lieh Klassen zugewiesen werden dürfen, welche in der Ontolo- gie definiert sind, nämlich »Thing« und »Sensor«.
<xs:element name="type" type="rdf : classes"
<xs : simpleType name="classes">
<xs : restriction base="xs : string">
<xs : enumeration value="Sensor" />
<xs : enumeration value="Thing"/>
</xs : restriction>
</xs : simpleType>
Diese Auswahl wird durch Deklaration mithilfe einer Auf- Zählung, genauer gesagt Enumerationsanweisung, umge- setzt .
Eine ähnlich ausdrückliche Deklaration erfolgt für die weite¬ re Eigenschaft »value« welche analog zur Ontologie - dort im Fragment DatatypeProperty - als float-basiertes Element de¬ klariert wird:
<xs:element name="value" type="xs : float" />
In allgemeiner Weise wird die Deklaration eines Datentyps also neben Gleitkommazahlentypen wie Float auch Boolean, Integer usw. - aus der Ontologie in die Schemadeklaration übernommen .
Aus diesem erweiterten Beschreibungssprachenschema wird nun eine erfindungsgemäß erweitert Grammatik gemäß Fig. 3 er¬ zeugt. Diese erweiterte Grammatik beinhaltet nun die konkrete Information aus der Ontologie bzw. aus dem erstellten erweiterten Beschreibungssprachenschema .
In der Ebene »Description Grammar« sind zwei Zustände »type« und »value« zur Abbildung der semantischen Informationen vorgesehen . Bei einer Abbildung der bereits oben erläuterten semantischen Beschreibungen zur Definition eines Temperatursensors und ei¬ nes Feuchtigkeitssensors:
<RDF>
<Description about= ' temperature ' >
<type resource= ' sensor ' />
<value>8.4< /value>
< /Description>
<Description about= 'humidity'>
<type resource= ' sensor ' />
<value> 79.2< /value>
auf die erweiterte Grammatik ergibt sich nunmehr folgende EXI -Repräsentation :
00 'temperature' 0 '8.4' 1 'humidity' 0 '79.2'
Hier ist unmittelbar einsichtig, dass die EXI-Repräsentation wesentlich kompakter ist als die oben gezeigte zweizeilige EXI-Repräsentation, welche eine Anwendung der generischen Grammatik ohne Einbindung der Ontologie vorsah. Dies demons- friert anschaulich die überlegene Kompaktheit der mit den Mitteln der Erfindung erzielten Kodierung.
Generische Elemente wie »type« und »value« sind nun nicht mehr vorhanden, sondern indirekt in der Grammatik enthalten. Weiterhin können bekannten Klassennamen wie »Sensor« durch eine Enumerationabbildung im Beschreibungssprachenschema ab¬ gebildet werden, so dass nur deren Enumerationwert übetragen werden muss, welcher auf Programmierebene für die Bearbeitung verwendet werden kann. Die im Folgenden durch Unterstreichung hervorgehobene 0 entspricht dem den Enumerationwert »Sen¬ sor«) :
00 'temperature' 0 '8.4' 1 'humidity' 0 '79.2' Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Hybridansatz von EXI angewandt. Dieser Ansatz erlaubt sowohl eine Erstel¬ lung einer erweiterten Grammatik aus einer oder mehrerer Ontologien, gleichzeitig kann aber der Zustand »xs:any« in einer solchen Grammatik verbleiben, um weitere, eventuell noch unbekannte, Ontologien zu kodieren. Um den Verbleib des Zustand »xs:any« in der Grammatik zu gewährleisten, verbleibt die Deklaration:
<xs:any maxOccurs="unbounded" namespace="##any" processContents="lax"/> in der Beschreibungssprachenschemas zur Definition eines se¬ mantischen Depots. Damit bleibt gewährleistet, dass beliebige zu einer Laufzeit auftretende »Property«-Elemente kodiert werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Integration einer semantischen Datenverarbeitung in einem Gerät, insbesondere in einem Feldgerät der Automatisierungstechnik, umfassend folgende Schritte:
Bereitstellen eines Beschreibungssprachenschemas zur De¬ finition eines semantischen Depots;
Bereitstellen einer Ontologie zur semantischen Repräsentation einer Funktionsweise und/oder Daten des Geräts; - Einlesen mindestens einer Klasse zusammen mit mindestens einer diesen zugeordneten Eigenschaft aus der Ontologie und Einfügen einer entsprechenden Schemadeklaration in das BesehreibungssprachenSchema ;
Erzeugung einer Grammatik aus dem Beschreibungssprachen- Schema; und;
Integration der Grammatik im Gerät.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Ontologie die Eigenschaften Data Properties und/oder Object Properties eingelesen werden.
3. Verfahren nach einem der vorgenannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Ontologie verwendete Da¬ tentypen der Eigenschaften eingelesen werden.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Ontologie mindestens ein Namensraum eingelesen wird.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Ontologie mindestens ein Bezeichner der Klassen und/oder Subklassen eingelesen wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Patentansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass mehrere Klassen und/oder Subklas¬ sen mittels einer Enumerationsanweisung in eine Description Schemadeklaration eingefügt werden.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Deklaration eines Datentyps in der Ontologie in der Schemadeklaration übernommen wird.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Deklaration »xs:any« im Be¬ schreibungssprachenschema zur Kodierung weiterer Ontologien vorgesehen ist.
9. Verfahren nach einem der vorgenannten Patentansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Grammatik gemäß einem standar disierten Datenformat namens Efficient XML Interchange, abge kürzt EXI, kodiert ist.
10. Verfahren nach einem der vorgenannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschreibungssprachenschema gemäß einem standardisierten Datenformat namens Extensible Markup Language, abgekürzt XML, beschrieben ist.
11. Verfahren nach einem der vorgenannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschreibungssprachenschema auf einem Datenmodell namens Resource Description Framework, abgekürzt RDF, beruht.
12. Computerprogrammprodukt mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wenn das Computerprogrammprodukt an einem Bereitstellungsrechner zur Ausführung gebracht wird.
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