WO2019185241A1 - Verfahren zur ereignisgesteuerten verteilung und ablage von prozessdaten - Google Patents

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WO2019185241A1
WO2019185241A1 PCT/EP2019/054014 EP2019054014W WO2019185241A1 WO 2019185241 A1 WO2019185241 A1 WO 2019185241A1 EP 2019054014 W EP2019054014 W EP 2019054014W WO 2019185241 A1 WO2019185241 A1 WO 2019185241A1
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WO
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process data
announcement message
message
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PCT/EP2019/054014
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English (en)
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Hubertus Hohl
Markus Sauer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/01—Protocols
    • H04L67/12—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/50—Network services
    • H04L67/55—Push-based network services
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/50—Network services
    • H04L67/56—Provisioning of proxy services
    • H04L67/562—Brokering proxy services

Definitions

  • the present disclosure relates generally to a distribution and storage of process data in process plants and process control systems, for example for real-time performance monitoring and analysis of real-time data generated by process plants and process control systems.
  • a derar tiger storage of process data - which is in particular their quasi-real-time storage in an ongoing manufacturing operations to understand, but also an archiving of maintenance data, etc. - comes for example in the field of indus rial automation technology, in production or machine tools, in diagnosis - Or Serviceunterstützungssyste men as well as in the operation and maintenance of complex compo ten, devices and systems, especially industrial or me medical equipment used.
  • Data-producing system components eg field devices - transmit their process data to data-consuming components which are intended for storage and also for later or simultaneous retrieval of data.
  • data-aware components include distributed databases, which are also referred to in the art as a cloud database or edge database.
  • Data-producing system components - in the following data generation components - comprise, for example, field devices and sensors which provide process data of a technical system continuously or at regular or unregular intervals or else sporadic process data, which occur as discrete signals, events or status messages when a technical process is performed ,
  • Such process data often accumulate in large numbers in quasi-real time and are provided with a time stamp or time stamp.
  • process data are also referred to by the terms snapshot data or snapshot data.
  • snapshot data can be retrieved based on their time stamp in the form of time series, analyzed, merged and / or visualized.
  • Another drawback is the current restriction that a data-storage initiative has to start from the data-consumption component and not be triggered by a specific event, such as the presence of a specific value in a process date or a change in certain process data.
  • the present invention has the object to provide a method which allows an event-driven storage of process data in a plurality of data components, regardless of their access interface.
  • the method according to the invention provides for an event-controlled distribution and storage of process data, which is used for exchanging messages with one for a publication / subscription service - also known in the art as
  • Publish / Subscribe Service - is set up with the participation of a news broker.
  • a news broker derives a publication with a topic or source code.
  • encoded message - eg request or response messages - to at least one component subscribed to this source identifier.
  • the method comprises the following method steps: a) in a data generation component, a process data is acquired, which was generated, for example, on the basis of a measurement or status message. This is followed by an assignment of the process date to a structured data object.
  • a data object identifier is added to the data object, which is suitable for distinguishing the data object labeled in this way from other identified data objects.
  • a system-wide unique or unique data object identifier is provided;
  • an announcement message is generated, wel che one or more data objects and a data generation component identifying source identifier ent holds.
  • the source identifier or topic of the announcement message serves in particular for determining at least one component subscribed to this source identifier;
  • At least one data consumption component receives the advertisement message published with the source identifier by the publication / subscription service
  • the data consumption component removes at least one data object contained in the announcement message from the received notification message and stores therein at least one process data item with reference to the data object identifier.
  • Such a storage means that the process data is stored component-internally or externally, usually in a structured storage environment for recording. me a variety of process data - eg database - to understand.
  • the invention solves the stated task of event-controlled distribution and storage of process data using the advantages of the publication / subscription service without the data generation component having to initiate them.
  • the invention solves the stated task, a distribution and storage on a variety of data consumption components inde pendent of their access interface to allow the fact that the distribution of the process data by an announcement message takes place in which the process data are structured on rei ner data level.
  • a data generation component does not require details about the storage modalities of the data consumption component nor knowledge or direct references to currently available data consumption components.
  • a uniform distribution of process data across different data consumption components is ensured by the uniform format of the notification message, in that the data consumption components implement the conversion of the uniform announcement message into internal database query languages and database schemata.
  • a generic subscription - i. a subscription to Announcement messages with any source identifier - is set up.
  • an optional check is made
  • FIGURE shows a schematic diagram for Dar position of the method according to the invention accompanying exchange of messages between inventively working the components.
  • the FIGURE shows an integration layer INT in which a plurality of functional components DP, DC, DR communicate in a wireless and / or wired manner.
  • the integration layer INT shown with a dashed box is to be seen in a le diglich the description serving - otherwise insignificant for the inven tion - delineation to a illustrated with a solid line box backend layer BCK, which primarily from Prozeßda memory DB for decentralized data management and data processing, for example in the sense of cloud computing.
  • At least one-in the drawing three-data generation components DP are at least temporarily communicatively connected to a message broker MB. Furthermore, at least one - in the drawing three - data consumption components DC are at least temporarily communicatively connected to the message broker MB.
  • a data generation component DP is shown immediately adjacent to a data consumption components DC to indicate that hybrid forms of functional components are conceivable, which act occasionally or constantly both as er Wegungskom component DP and as data consumption components DC.
  • the message broker MB serves as an intermediary of messages exchanged between the data generation components DP and the data consumption components DC.
  • an event-driven publication / subscription service or
  • a publish / subscribe service is set up according to which a message is distributed by one or more publishing components - publishers - to one or more subscribing components - subscribers.
  • a publication or subscription of messages is done by associating the subject or topic. Specifying an associative subject, a subscribing client communicates which message is of interest or which associative subject is subscribed to.
  • the message processor MB upon receiving a message from a publishing component, the message processor MB merely needs to check whether there is a subscriber for the subject of the particular message. If so, the message is forwarded to the subscriber (s), otherwise discarded.
  • the publication / subscription service is preferably provided via the Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) protocol or a variant thereof.
  • MQTT is an event-driven publish-subscribe protocol for device-to-device messaging.
  • the MQTT protocol is data-agnostic, ie not fixed to a specific data format. Both raw data of a single measured variable and complex data structures can be transmitted.
  • MQTT Machine-to-machine communication
  • IoT Internet of Things
  • the publication / subscription service via the DDS protocol (Data Distribution Service) or via the WAMP (Web Application Messaging Protocol) or via a variant or further development of these protocols.
  • DDS protocol Data Distribution Service
  • WAMP Web Application Messaging Protocol
  • the individual components DP, DC are connected to the central message broker MB under application of the MQTT protocol, the message broker MB serving as an information mediator between the data generation components DP and the data consumption components DC.
  • a component DP, DC can publish or subscribe to certain information about special message channels.
  • the individual message channels are identified by a source identifier or topic identifying the data generation component DP, wherein the message channels can be organized in a tree-shaped manner, corresponding to a plurality of structured topic entries.
  • a process data of any kind is generated, e.g. a machine status as a discrete event or a machine speed as a continuous signal.
  • process data which are also referred to as snapshot data, are acquired at specific times.
  • the acquired process data are associated with a structured data object, which is integrated into an exemplary announcement message 101 as follows: ADVERTISE (Source Identifier)
  • Source Source Identifier
  • the message type ADVERTISE corresponds to an MQTT convention for announcement messages.
  • the message type ADVERTISE-SNAPSHOT can alternatively be set up and used.
  • the illustrated announcement message 101 is identified by the source identifier "Source Identifier". This string "Source Identifier" is used for a subscription to the announcement message 101 sent by a source.
  • the source identifier does not necessarily have to match the sending data generation component DP.
  • the illustrated advertisement message 101 transmits a data object - object - in which a process data »value « - a snapshot date of a signal with numerical value indication.
  • rich - which represents a speed of 3,540 revolutions per minute - returns per minute or rpm - a powertrain of an electric vehicle - eCar Powertrain - at a specified time or timestamp with a value of 1502456656100.
  • the timestamp is given in the example above in a UNIX epoch value.
  • the data object is identified by a data object identifier
  • This data object identifier includes, for example, a timestamp of the snapshot
  • the data objects such as the exemplary data object illustrated above, comprise uniform attributes with invariable attribute types such as data object identifier ("id"), data type ("type"), name (“name”) and size unit (“unit”). ) of the data object and attributes that represent the current value or values ("value”) at the time (“timestamp”) at which the snapshot was produced.
  • id data object identifier
  • type data type
  • name name
  • unit size unit
  • the announcement message 101 sent to the message broker MB is published using the publication / subscription service.
  • this publication is by a message broker MB at least one
  • two - microkonsumkom components DC forwarded announcement message 101 represents Darge.
  • Several data consumption components DC receive this notification message 101 on the basis of an established subscription with this source identifier - here "source identifier" via the message broker MB.
  • source identifier here "source identifier"
  • Another right above the news broker MB drawn data generation component DP is shown, which sends a second announcement message 102 to the message broker MB.
  • This second announcement message 102 is on a centrally arranged and arranged on a far right data consumption component DC niegelei Tet.
  • a generic subscription is provided by the message broker MB or by the data consumption component DC. Subscribe to Announcement messages with any source identifier - set up.
  • a subscription to announcement message 101 can be set up containing the same source identifier (here "source identifier") of the announcement message 101.
  • source identifier the same source identifier
  • the latter checks whether it is "interested" in the data transmitted with the announcement message 101.
  • the subscription is set up either by the data consumption component DC or by the message broker MB.
  • the interpretation of the announcement message 101 and their processing, ie the storage of the supplied process data is asynchronous and independent on each individual data consumption component DC in cooperation with one or more of these associated process data memory DB.
  • the illustrated advertisement messages 101, 102, 103 solve respective database specific database operation
  • the mixed form shown in the drawing from the directly above a data consumption component DC adjacent drawn data generation component DP.
  • the mixed form does not occur after delivery of the second advertisement message 102, since this second announcement message 102 is used for temporary storage of the process data contained therein in a working memory (in-memory), for example for one direct processing, eg for the purpose of analyzing, fusing or visualizing the process data.
  • the data consumption component DC translates the generic ones
  • a first database-specific database operation 201 is configured as a SQL INSERT (Structured Query Language) for storage in a relational database.
  • SQL INSERT Structured Query Language
  • process data memories DB used according to the invention are not limited to backend systems for cloud computing or edge computing or persistent systems.
  • the method can be extended to any variants of data consumption components DC or process data memory DB.
  • process data can also be stored as in-memory data in process devices.
  • the storage of process data according to the invention not only enables the classical storage of process data on process data memory DB, in particular database systems, but also allows more general storage of process data in any data processing components.
  • the announcement message 101 can also be used, for example, to temporarily store snapshot data in-memory or to process, analyze, merge or visualize it directly.
  • the method according to the invention thus makes possible a transparent use of any data consumption components DC in conjunction with any associated process data memory DB.
  • a data storage takes place - with regard to the filing method and with regard to exchanged messages - on an evaluation component or on one
  • Debugging component in the same way as a data store on a complex cloud database.
  • a data consumption component DC does not need to have any knowledge about the data generation components DP currently available in the system and does not need any direct references to the data generation component DP currently available in the system.
  • the se can be dynamically added to the system or removed from the system as desired.
  • a data-consuming server must at least indirectly know each individual data-producing client - that is, even if the connection address / information is indirectly, e.g. by means of a disco- very method, in order to be able to establish a direct communication link with this requires the distribution and storage of process data invention neither details about the currently available in the system erzeu supply components DP nor direct references to the erzeu supply components DP. These can be dynamically added to the system or removed from the system as desired. Retrieving distributed snapshots does not require explicitly connecting, but only setting up appropriate subscriptions to specific data sources. As such, it alone is the responsibility of the data-consuming component DQ when and for how long it wishes to maintain subscriptions.
  • Prior art client-server based methods for storing process data require a data-consuming server to support the specific data transmission protocol of each individual data-producing client in order to process transmitted process data.
  • data-producing clients often use different protocols-for example, HTTP-based REST APIs for polling systems-resulting in uniform data transfer across various data products. rendering clients almost impossible.
  • the distribution and storage of process data according to the invention ensures uniform data processing over various data consumption components DC by supporting a uniform format of the announcement messages and of the data objects.

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Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht eine ereignisgesteuerten Verteilung und Ablage von Prozessdaten unter Anwendung eines Publish-Subscribe-Dienst, beispielsweise MQTT, und mit Beteiligung eines Message Brokers vor. In vorteilhafter Weise ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, eine dynamische Ablage von Prozessdaten-Momentaufnahmen zu realisieren, bei der von einer Datenerzeugungskomponente eine Ankündigungsnachricht ereignisgesteuert gesendet wird, nämlich dann, wenn sich Änderungen in gemessenen oder bereitgestellten Prozessdaten ergeben. Eine die Ankündigungsnachricht empfangende Datenkonsumkomponente benötigt weder Details über die im System aktuell verfügbaren Datenerzeugungskomponenten noch direkte Verweise auf die Datenerzeugungskomponenten. Das Verfahren ermöglicht so einen dynamische, ereignisgesteuerte Ablage von Prozessdaten in einem dezentralen loT Umfeld, in dem heterogene Systemkomponenten Prozessdaten auf unterschiedliche Weise produzieren, speichern und verarbeiten.

Description

Beschreibung
Verfahren zur ereignisgesteuerten Verteilung und Ablage von Prozessdaten
MBVerteilung und Ablage von Prozessdaten, insbesondere zur Verteilung und Ablage von Prozessdaten unter Verwendung eines für einen Publikations- / Abonnementdienst eingerichteten Nachrichtenmaklers .
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein eine Vertei lung und Ablage von Prozessdaten in Prozessanlagen und Pro- zessleitsystemen, beispielsweise zur Echtzeit-Leistungs- überwachung und Analytik von Echtzeitdaten, die von Prozess anlagen und Prozessleitsystemen generiert werden. Eine derar tiger Ablage von Prozessdaten - worunter insbesondere deren Quasi-Echtzeitspeicherung in einem laufenden Fertigungsbe trieb zu verstehen ist, aber auch eine Archivierung von War tungsdaten usw. - kommt beispielsweise im Bereich der indust riellen Automatisierungstechnik, bei Produktions- oder Werk zeugmaschinen, bei Diagnose- oder Serviceunterstützungssyste men sowie bei einer Bedienung und Wartung komplexer Komponen ten, Geräte und Systeme, insbesondere industrieller oder me dizinischer Anlagen zum Einsatz.
Gegenwärtige industrielle Arbeitsumgebungen sind durch eine dezentrale Datenhaltung in unterschiedlichen, verteilten Sys temkomponenten, insbesondere in sogenannten Cloud Systemen oder Edge Computing Systemen gekennzeichnet. Typischerweise übertragen datenproduzierende Systemkomponenten - z.B. Feld geräte - ihre Prozessdaten an datenkonsumierende Komponenten, welche zur Speicherung und auch zum späteren oder gleichzei tigen Abruf von Daten vorgesehen sind. Zu diesen datenkonsu mierenden Komponenten zählen dezentrale Datenbanken, auf wel che in der Fachwelt auch als eine Cloud Datenbank oder Edge Datenbank Bezug genommen wird. Datenproduzierende Systemkomponenten - im folgenden Datener zeugungskomponenten - umfassen beispielsweise Feldgeräte und Sensoren, welche kontinuierlich oder in regelmäßigen oder un regelmäßigen Zeitabständen Prozessdaten eines technischen Systems bereitstellen oder aber auch sporadische Prozessda ten, welche als diskrete Signale, Ereignisse oder Statusmel dungen bei Ausführung eines technischen Prozesses anfallen.
Derartige Prozessdaten fallen oftmals in umfangreicher Anzahl in Quasi-Echtzeit an und sind mit einem Zeitstempel bzw. Time Stamp versehen. In der Fachwelt wird auf solche Prozessdaten auch mit den Begriffen Snapshot Data bzw. Momentaufnahmedaten Bezug genommen. Derartige Momentaufnahmedaten können anhand ihres Zeitstempels in Form von Zeitreihen abgerufen, analy siert, fusioniert und/oder visualisiert werden.
Eine Verteilung zwischen Datenerzeugungskomponenten und Da tenkonsumkomponenten zur dezentralen Speicherung von Prozess daten hat aufgrund ihrer Vorteile - bezüglich Ausfallsicher heit, Skalierbarkeit etc. - in modernen industriellen Ar- beitsumgebungen bereits weite Verbreitung erfahren. Aller dings treten auch zahlreiche Nachteile dieser derzeit prakti zierten verteilten Prozessdatenhaltung hervor.
Mit einer fortschreitenden Entwicklungsgeschwindigkeit ein zelner Systemkomponenten kann eine Planung und Integration dieser Systemkomponenten nicht mehr auf Basis der aktuellen, bekannten Implementierung einzelner Systemkomponenten bewerk stelligt werden, zumal auch ein wachsender Funktionsumfang einzelner Systemkomponenten deren Integration und Zusammenar beit erschwert. Gerade in einem auch als »Industry 4.0« avi sierten Szenario mit dynamischen Peer-to-Peer-Szenarien zwi schen Systemkomponenten stoßen bekannte Mechanismen an ihre Grenzen .
Ein zunehmendes Problem derzeit eingesetzter Verfahren zur dezentralen Ablage von Prozessdaten besteht darin, dass die Prozessdaten oftmals an getrennte, unbekannte und unkoordi- nierte Datenkonsumkomponenten zu verteilen und abzulegen sind und dort zum dezentralen Abruf in Form von Zeitreihen über beliebige Zeiträume dauerhaft zur Verfügung zu stellen.
Weiterhin nachteilig ist eine derzeitige Einschränkung, dass eine Initiative zur Datenablage von der Datenkonsumkomponente ausgehen muss und nicht etwa durch ein bestimmtes Ereignis - etwa einem Vorliegen eines bestimmten Werts in einem Pro zessdatum oder einer Veränderung in bestimmten Prozessdaten - auszulösen ist.
Schließlich sind derzeitige Verfahren zur Ablage von Prozess daten durch die Tatsache eingeschränkt, dass in der Datenkon sumkomponente eine jeweilige Zugriffsschnittstelle - z.B. Application Programming Interface bzw. API - jeder abgefrag ten Datenerzeugungskomponente implementiert sein muss, um Prozessdaten von einer jeweils unterschiedlichen Datenerzeu gungskomponente beziehen zu können. Angesichts mannigfaltiger Varianten von Datenerzeugungskomponenten ist eine einheitli che Datenabfrage über verschiedene Datenerzeugungskomponenten hinweg schwierig bis unmöglich.
Die vorliegende Erfindung ist demgegenüber vor die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu schaffen, welches eine ereignisge steuerten Ablage von Prozessdaten in einer Vielzahl von Da tenkonsumkomponenten unabhängig von deren Zugriffsschnitt stelle ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht eine ereignisgesteuerte Verteilung und Ablage von Prozessdaten vor, welche für einen Austausch von Nachrichten mit einem für einen Publikations- / Abonnementsdienst - in der Fachwelt auch als
Publish/Subscribe Service bekannt - unter Beteiligung eines Nachrichtenmaklers eingerichtet ist. Ein solcher Nachrichten makler leitet eine mit einem Topic bzw. Quellenkennung publi- zierte Nachricht - z.B. Anfrage- oder Antwortnachrichten - an mindestens eine auf diese Quellenkennung abonnierte Komponen te weiter. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrens schritte : a) in einer Datenerzeugungskomponente wird ein Prozessdatum erfasst, welches beispielsweise aufgrund einer Messung oder Statusmeldung generiert wurde. Daraufhin erfolgt eine Zuordnung des Prozessdatums zu einem strukturierten Daten objekt. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass ei nige oder mehrere Prozessdaten - beispielsweise Parameter, Messwerte und deren Identifikationsdatum - in einem kom plexen Datenobjekt integriert werden. Dem Datenobjekt wird des Weiteren eine Datenobj ektkennung hinzugefügt, welche geeignet ist, das so gekennzeichnete Datenobjekt von ande ren gekennzeichneten Datenobjekten zu unterscheiden. Vor zugsweise ist eine systemweit einzigartige bzw. eindeutige Datenobj ektkennung vorgesehen;
b) Anschließend wird eine Ankündigungsnachricht erzeugt, wel che eines oder mehrere Datenobjekte sowie eine die Daten erzeugungskomponente identifizierende Quellenkennung ent hält. Die Quellenkennung bzw. Topic der Ankündigungsnach richt dient insbesondere zur Bestimmung mindestens einer auf diese Quellenkennung abonnierte Komponente;
c) Die Ankündigungsnachricht wird an den Nachrichtenmakler übertragen und von diesem anhand ihrer Quellenkennung pu bliziert;
d) Mindestens eine Datenkonsumkomponente empfängt die mit der Quellenkennung anhand des Publikations- / Abonnementdienst publizierte Ankündigungsnachricht ;
e) Die Datenkonsumkomponente entnimmt der empfangenen Ankün digungsnachricht mindestens ein in der Ankündigungsnach richt enthaltenes Datenobjekt und legt das darin enthalte ne mindestens eine Prozessdatum mit Bezug auf die Datenob jektkennung ab. Unter einer solchen Ablage ist eine kompo nenteninterne oder -externe Speicherung des Prozessdatums, meist in einer strukturierten Speicherumgebung zur Aufnah- me einer Vielzahl von Prozessdaten - z.B. Datenbank - zu verstehen .
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe, eine Verteilung und Ablage von Prozessdaten ereignisgesteuert zu gestalten unter Nutzung der Vorteile des Publikations- / Abonnementsdiensts , ohne dass die Datenerzeugungskomponente diese initiieren muss .
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe, eine Verteilung und Ablage auf einer Vielzahl von Datenkonsumkomponenten unabhän gig von deren Zugriffsschnittstelle zu ermöglichen dadurch, dass der die Verteilung der Prozessdaten durch eine Ankündi gungsnachricht erfolgt, in welcher die Prozessdaten auf rei ner Datenebene strukturiert sind. Eine Datenerzeugungskompo nente benötigt weder Details über die Ablagemodalitäten der Datenkonsumkomponente noch Kenntnis oder direkte Verweise auf aktuell verfügbare Datenkonsumkomponenten. Eine einheitliche Verteilung von Prozessdaten über verschiedene Datenkonsumkom ponenten hinweg ist durch das einheitliche Format der Ankün digungsnachricht gewährleistet, indem die Datenkonsumkompo nenten die Umsetzung der einheitlichen Ankündigungsnachricht in interne Datenbankanfragesprachen und Datenbankschemata vornehmen .
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der ab hängigen Patentansprüche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf einer Datenkonsumkomponente zunächst ein generisches Abonnement - d.h. ein Abonnement auf Ankündi gungsnachrichten mit beliebiger Quellenkennung - eingerichtet ist. Nach Empfang einer Ankündigungsnachricht mit einer be liebigen Quellenkennung erfolgt eine optionale Prüfung
- insbesondere anhand mindestens eines der Nachricht entnom menen Datenobjektes oder dessen Datenobj ektkennung - ob die Datenkonsumkomponente an einem weiteren Bezug von Ankündi gungsnachrichten mit dieser Quellenkennung interessiert ist. Besteht ein derartiges Interesse, erfolgt in einem zweiten Schritt eine Einrichtung eines Abonnements für künftige An kündigungsnachrichten, welche die Quellenkennung der bezoge nen Ankündigungsnachricht enthalten.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur ein schematisches Diagramm zur Dar stellung eines das erfindungsgemäße Verfahren begleitenden Austauschs von Nachrichten zwischen erfindungsgemäß arbeiten den Komponenten.
Die FIG zeigt eine Integrationsschicht INT, in der mehrere Funktionskomponenten DP,DC,DR in drahtloser und/oder drahtge bundener Weise kommunizieren. Die mit einem gestrichelten Kasten dargestellte Integrationsschicht INT ist in einer le diglich der Beschreibung dienenden - ansonsten für die Erfin dung unwesentlichen - Abgrenzung zu einer mit einem mit durchgezogener Linie gezeichneten Kasten dargestellten Ba- ckend-Schicht BCK zu sehen, welche vornehmlich aus Prozessda tenspeicher DB zur dezentralen Datenhaltung und Datenverar beitung, etwa im Sinne eines Cloud Computing, besteht.
Innerhalb der Integrationsschicht INT sind mindestens eine - in der Zeichnung drei - Datenerzeugungskomponenten DP mit einem Nachrichtenmakler MB zumindest zeitweilig kommunikativ verbunden. Weiterhin sind mindestens eine - in der Zeichnung drei - Datenkonsumkomponenten DC zumindest zeitweilig mit dem Nachrichtenmakler MB kommunikativ verbunden. In der Zeichnung ist eine Datenerzeugungskomponenten DP unmittelbar benachbart zu einer Datenkonsumkomponenten DC dargestellt um anzudeuten, dass auch Mischformen von Funktionskomponenten denkbar sind, welche fallweise oder ständig sowohl als Datenerzeugungskom ponente DP als auch als Datenkonsumkomponenten DC agieren.
Der Nachrichtenmakler MB dient als Vermittler von zwischen den Datenerzeugungskomponenten DP und den Datenkonsumkompo nenten DC ausgetauschten Nachrichten. Im Nachrichtenmakler MB oder optional auch in Datenerzeu gungskomponenten DP und den Datenkonsumkomponenten DC ist ein ereignisgesteuerter Publikations-/Abonnementdienst bzw.
Publish/Subscribe Service eingerichtet, gemäß dem eine Nach richtenverteilung von einer oder mehreren publizierenden Kom ponenten - Publishers - an einen oder mehrere abonnierende Komponenten - Subscriber - erfolgt. Eine Publikation oder ein Abonnement von Nachrichten erfolgt anhand eines assoziieren den Betreffs bzw. Topic. Unter Angabe eines assoziierenden Betreffs teilt ein abonnierender Client mit, an welchen Nach richten Interesse besteht bzw. welcher assoziierende Betreff abonniert wird. In der einfachsten Betriebsart muss der Nach richtenmakler MB beim Erhalt einer Nachricht von einer publi zierenden Komponente lediglich prüfen, ob es für den Betreff der jeweiligen Nachricht einen Abonnenten gibt. Falls ja, wird die Nachricht an den oder die Abonnenten weitergeleitet, andernfalls verworfen.
Der Publikations- / Abonnementdienst wird vorzugweise über das MQTT-Protokoll (Message Queuing Telemetry Transport) oder einer Variante davon bereitgestellt. MQTT ist ein ereignisge steuertes Publish-Subscribe-Protokoll für einen Nachrichten austausch zwischen Geräten. Das Protokoll MQTT ist datenag- nostisch, also nicht auf ein bestimmtes Datenformat festge legt. Es können sowohl Rohdaten einer einzelnen Messgröße als auch komplexe Datenstrukturen übertragen werden.
Eine Datenübermittlung mittels MQTT gewährleistet eine hohe Zuverlässigkeit, welche insbesondere bei Sensornetzwerken, bei einer Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M sowie beim »Internet der Dinge«) zum Einsatz kommt. Beim »Internet der Dinge« oder auch IoT (Internet of Things) sind die beteilig ten kommunizierenden Geräte üblicherweise stets online und kommunizieren laufend untereinander.
Gemäß alternativen Ausgestaltungen der Erfindung wird der Publikations- / Abonnementdienst über das DDS-Protokoll (Data Distribution Service) oder über das WAMP (Web Application Messaging Protocol) bzw. über einer Variante oder Weiterbil dung dieser Protokolle bereitgestellt.
In der vorliegenden Ausgestaltung sind die einzelnen Kompo nenten DP,DC mit dem zentralen Nachrichtenmakler MB unter An wendung des MQTT-Protokolls verbunden, wobei der Nachrichten makler MB als Informationsvermittler zwischen den Datenerzeu gungskomponenten DP und den Datenkonsumkomponenten DC dient. Eine Komponente DP,DC kann bestimmte Informationen über spe zielle Nachrichtenkanäle publizieren oder abonnieren. Die einzelnen Nachrichtenkanäle werden über eine die Datenerzeu gungskomponente DP identifizierende Quellenkennung bzw. Topic bezeichnet, wobei die Nachrichtenkanäle baumförmig organi siert sein können, entsprechend einer Mehrzahl an struktu rierten Topic-Einträgen .
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren mit Darstel lung eines Austauschs von Nachrichten zwischen den Komponen ten DP,DC und dem zentralen Nachrichtenmakler MB anhand der Zeichnung erläutert.
In einer Datenerzeugungskomponente DP wird ein Prozessdatum beliebiger Art generiert, z.B. ein Maschinenstatus als dis kretes Ereignis oder eine Maschinendrehzahl als kontinuierli ches Signal. Für kontinuierliche vorliegende Signale werden zu bestimmten Zeitpunkten Prozessdaten erfasst, welche auch als Momentaufnahmedaten bezeichnet werden.
Die erfassten Prozessdaten werden einem strukturierten Daten objekt zugeordnet, welches in eine beispielhafte Ankündi gungsnachricht 101 wie folgt integriert wird: ADVERTISE (Source Identifier)
{
id: 56fb3f57-5d5f-44a6-99cb-0b0484306965,
source: Source Identifier,
timestamp: 1502456656100,
obj ect :
{
id: 731cdc9b-4554-4ad0-a746-5fblcbla7f03, type: NumericalSignal ,
name : eCar Powertrain Speed,
unit: rpm,
value: 3540,
},
}
Der Nachrichtentyp ADVERTISE entspricht dabei einer MQTT- Konvention für Ankündigungsnachrichten. Um optional einen Charakter von Momentaufnahme-Prozessdaten zu verdeutlichen, kann alternativ der Nachrichtentyp ADVERTISE-SNAPSHOT einge richtet und verwendet werden.
Die dargestellte Ankündigungsnachricht 101 wird über die bei spielhafte Quellenkennung »Source Identifier« identifiziert. Diese Zeichenkette »Source Identifier« wird für ein Abonne ment auf die von einer Quelle gesendeten Ankündigungsnach richt 101 verwendet. Die Quellenkennung muss dabei nicht not wendigerweise mit der sendenden Datenerzeugungskomponente DP übereinstimmen. Unter Anwendung einer in der Quellenkennung bzw. Topic möglichen baumförmigen Organisation von MQTT- Nachrichtenkanälen kann mit Hilfe von entsprechend struktu rierten Quellenkennungen eine Differenzierung von Datenquel len erreicht werden.
Die dargestellte Ankündigungsnachricht 101 übermittelt ein Datenobjekt - object - in dem ein Prozessdatum »value« - ein Momentaufnahmedatum eines Signals mit numerischem Wertebe- reich - bekanntgemacht wird, welches eine Drehzahl von 3.540 Umdrehungen pro Minute - Returns per Minute bzw. rpm - eines Antriebsstrangs eines Elektrofahrzeugs - eCar Powertrain - zu einem angegebenen Zeitpunkt bzw. Zeitstempel mit einem Wert von 1502456656100 repräsentiert. Der Zeitstempel ist im obi gen Beispiel in einem UNIX-Epochenwert angegeben.
Das Datenobjekt wird durch eine Datenobj ektkennung
56fb3f57-5d5f-44a6-99cb-0b0484306965
eindeutig identifiziert oder zumindest von anderen Datenob jekten unterscheidbar gestaltet. Diese Datenobj ektkennung um fasst beispielsweise einen Zeitstempel der Momentaufnahme
- also den Zeitpunkt der Erfassung des Prozessdatums - eine eindeutige Identifizierung der Datenquelle sowie Objektdaten, auf die sich die Momentaufnahme bezieht.
Die Datenobjekte - wie das oben dargestellte exemplarische Datenobjekt - umfassen innerhalb der Ankündigungsnachricht 101 einheitliche Attribute mit unveränderlichen Attributtypen wie Datenobj ektkennung (»id«) , Datentyp (»type«), Name (»na- me«) und Größeneinheit (»unit«) des Datenobjekts sowie Attri bute, die den oder die aktuellen Werte (»value«) darstellen zum Zeitpunkt (»timestamp«) , an dem die Momentaufnahme produ ziert wurde. Diese einheitlichen Attribute mit unveränderli chen Werten werden vorzugsweise auch systemweit, also auch bei weiteren Ankündigungsnachrichten 102,103 beibehalten.
Die an den Nachrichtenmakler MB zugestellte Ankündigungsnach richt 101 wird unter Anwendung des Publikations- / Abonne- mentsdiensts publiziert. In der Zeichnung ist diese Publika tion durch eine vom Nachrichtenmakler MB an mindestens eine
- oder, wie zeichnerisch dargestellt, zwei - Datenkonsumkom ponenten DC weitergeleitete Ankündigungsnachricht 101 darge stellt. Mehrere Datenkonsumkomponenten DC erhalten diese An kündigungsnachricht 101 aufgrund eines eingerichteten Abonne ments mit dieser Quellenkennung - hier »Source Identifier« über den Nachrichtenmakler MB zugestellt. In der Zeichnung ist eine weitere rechts oberhalb des Nach richtenmaklers MB gezeichnete Datenerzeugungskomponente DP dargestellt, welche eine zweite Ankündigungsnachricht 102 an den Nachrichtenmaklers MB sendet. Diese zweite Ankündigungs nachricht 102 wird an eine mittig angeordnete sowie an eine ganz rechts angeordnete Datenkonsumkomponente DC weitergelei tet .
Für die in der Zeichnung dargestellte, unmittelbar über einer Datenkonsumkomponente DC benachbart gezeichnete Datenerzeu gungskomponente DP ist eine dritte Ankündigungsnachricht 103 dargestellt, welche über den Nachrichtenmakler MB an eine ganz rechts angeordnete Datenkonsumkomponenten DC weiterge leitet wird. Aufgrund der bereits erläuterten Mischform die ser Funktionskomponente ist deren Datenkonsumkomponente DC auch ein Zustellungsendpunkt der zweiten Ankündigungsnach richt 102.
Um eine Zustellung der Ankündigungsnachrichten an eine Mehr zahl von Datenkonsumkomponenten DC zu gewährleisten, welche zuvor kein Abonnement auf eine Quellenkennung eingerichtet haben, ist gemäß einer Ausgestaltung vorgesehen, seitens des Nachrichtenmaklers MB oder seitens der Datenkonsumkomponente DC ein generisches Abonnement - d.h. ein Abonnement auf An kündigungsnachrichten mit beliebiger Quellenkennung - einzu richten .
Nach einem Bezug der Ankündigungsnachricht 101 aufgrund eines generischen Abonnements kann in einem optionalen Schritt im Publikations- / Abonnementdienst ein Abonnement auf Ankündi gungsnachricht 101 eingerichtet werden, welche die gleiche Quellenkennung - hier »Source Identifier« - der Ankündigungs nachricht 101 enthalten. Nach Empfang der Ankündigungsnach richt 101 durch eine Ankündigungsnachricht DC prüft diese, ob Sie an den mit der Ankündigungsnachricht 101 übermittelten Daten »interessiert« ist. Das Abonnement wird entweder durch die Datenkonsumkomponente DC oder durch den Nachrichtenmakler MB eingerichtet. Die Interpretation der Ankündigungsnachricht 101 und deren Bearbeitung, also die Ablage der mitgelieferten Prozessdaten, erfolgt asynchron und unabhängig auf jeder einzelnen Daten konsumkomponente DC in Zusammenarbeit mit einem oder mehreren dieser zugeordneten Prozessdatenspeicher DB.
Die dargestellten Ankündigungsnachrichten 101,102,103 lösen jeweilige datenbankspezifische Datenbankoperation
201,202,203, welche von der jeweiligen Datenkonsumkomponente DC an einen dieser zugeordneten oder zuordenbaren Prozessda tenspeicher DB angewiesen wird. Eine Ausnahme bildet die in der Zeichnung dargestellte Mischform aus der unmittelbar über einer Datenkonsumkomponente DC benachbart gezeichnete Daten erzeugungskomponente DP. In der Datenkonsumkomponente DC die ser Mischform erfolgt nach Zustellung der zweiten Ankündi gungsnachricht 102 keine datenbankspezifische Datenbankopera tion, da diese zweite Ankündigungsnachricht 102 für eine Zwi schenspeicherung der darin enthaltenen Prozessdaten in einem Arbeitsspeicher (In-Memory) verwendet wird, um diese bei spielsweise für eine direkte Verarbeitung, z.B. zum Zweck ei ner Analyse, Fusionierung oder Visualisierung der Prozessda ten, vorzusehen.
Die Datenkonsumkomponente DC übersetzt die generischen
- insbesondere datenbankagnostische - Datenobjekte der Ankün digungsnachricht 101 in eine jeweilige datenbankspezifische Datenbankoperation 201,202,203 unter Einsatz des jeweils spe zifischen Datenbankschemas und führt diese aus. Beispielswei se ist eine erste datenbank-spezifische Datenbankoperation 201 als SQL-INSERT (Structured Query Language) zur Speiche rung in einer relationalen Datenbank gestaltet.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Prozessdatenspeicher DB sind nicht auf Backend-Systeme zum Cloud Computing bzw. Edge Com puting oder persistierende Systeme begrenzt. Das Verfahren ist auf beliebige Varianten von Datenkonsumkomponenten DC bzw. Prozessdatenspeicher DB erweiterbar. So können bei- spielsweise Prozessdaten auch als In-Memory-Daten in Prozess geräten abgelegt werden. Der erfindungsgemäße Ablage von Pro zessdaten ermöglicht mit anderen Worten nicht nur das klassi sche Ablegen von Prozessdaten auf Prozessdatenspeicher DB, insbesondere Datenbanksystemen, sondern gestattet auch einen allgemeinere Ablage von Prozessdaten in beliebigen datenve rarbeitenden Komponenten. Die Ankündigungsnachricht 101 kann z.B. auch dazu verwendet werden, Momentaufnahmedaten In- Memory zwischenzuspeichern oder direkt zu verarbeiten, zu analysieren, zu fusionieren oder zu visualisieren .
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit einen trans parenten Einsatz beliebiger Datenkonsumkomponenten DC im Zu sammenspiel mit beliebig zugeordneten Prozessdatenspeicher DB. Beispielsweise erfolgt eine Datenablage - bezüglich des Ablageverfahrens und bezüglich ausgetauschter Nachrichten - auf einer Auswertungskomponente oder auf einer
Debuggingkomponente in identischer Weise wie eine Datenablage auf einer komplexen Cloud-Datenbank .
Im Folgenden werden einige Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den bislang eingesetzten Client-Server- basierten Verfahren zur statischen Ablage von Prozessdaten gegenübergestellt .
Bei einer aus dem Stand der Technik bekannten statischen Ab lage werden Prozessdaten entweder übermittelt, sobald sie an fallen (»Pushing«) oder werden von der Datenkonsumkomponente in regelmäßigen Zeitabständen abgefragt (»Polling«) . Bei bei den statischen Ablageverfahren ist dazu jedes Mal ein Aufbau einer neuen Kommunikationsverbindung erforderlich. Um bei ei nem Polling-Verfahren keine Prozessdaten zu verlieren, muss die datenproduzierende Client diese Zwischenspeichern. Ver bindungen oder Anfragen müssen »auf Verdacht hin« in regelmä ßigen Abständen aufgebaut bzw. abgesetzt werden, um Kenntnis von Datenänderungen zu erlagen, was unnötigen Netzverkehr und Belastung der datenproduzierenden Clients verursacht. Um bei einer Pushing-Übertragung keine Prozessdaten, etwa bei einem temporärem Verbindungsabbruch, zu verlieren, muss der daten produzierende Client diese Zwischenspeichern. Demgegenüber erfolgt die erfindungsgemäße Verteilung und Ablage von Pro zessdaten dezentral, verteilt, und auf reiner Datenebene.
Eine Datenkonsumkomponente DC muss keinerlei Wissen über die im System aktuell verfügbaren Datenerzeugungskomponenten DP besitzen und benötigt auch keine direkten Verweise auf die im System aktuell verfügbaren Datenerzeugungskomponente DP. Die se können nach Belieben dynamisch ins System hinzugefügt oder aus dem System entfernt werden.
Während bei im Stand der Technik bekannten Client-Server- basierten Verfahren zur Ablage von Prozessdaten ein datenkon sumierender Server jeden einzelnen datenproduzierenden Client zumindest indirekt kennen muss - also selbst wenn die Verbin- dungsadresse/-information indirekt, z.B. mittels eines Disco- very-Verfahrens , bezogen wurde - um mit diesem eine direkte Kommunikationsverbindung aufbauen zu können, erfordert die erfindungsgemäße Verteilung und Ablage von Prozessdaten weder Details über die im System aktuell verfügbaren Datenerzeu gungskomponenten DP noch direkte Verweise auf die Datenerzeu gungskomponenten DP. Diese können nach Belieben dynamisch ins System hinzugefügt oder aus dem System entfernt werden. Der Abruf verteilt produzierter Momentaufnahmen erfordert keine explizite Verbindungsaufnahme, sondern nur das Einrichten von entsprechenden Abonnements auf spezifische Datenquellen. Da bei liegt es alleine in der Verantwortung der datenkonsumie renden Komponente DQ, wann und wie lange sie Abonnements auf rechterhalten möchte.
Im Stand der Technik bekannte Client-Server-basierte Verfah ren zur Ablage von Prozessdaten muss ein datenkonsumierender Server das spezifische Datenübertragungsprotokoll jedes ein zelnen datenproduzierenden Clients unterstützen, um übermit telte Prozessdaten verarbeiten zu können. Zudem verwenden da tenproduzierende Clients häufig unterschiedliche Protokolle - z.B. HTTP-basierte REST APIs für Polling-Systeme - was eine einheitliche Datenübertragung über verschiedene datenprodu- zierende Clients nahezu unmöglich macht. Demgegenüber gewähr leistet die erfindungsgemäße Verteilung und Ablage von Pro zessdaten eine einheitliche Datenverarbeitung über verschie dene Datenkonsumkomponenten DC hinweg, indem ein einheitli- ches Format der Ankündigungsnachrichten sowie der Datenobjek te unterstützt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur ereignisgesteuerten Verteilung und Ablage von Prozessdaten, unter Verwendung eines für einen Publikati- ons- / Abonnementdienst eingerichteten Nachrichtenmaklers (MB), das Verfahren umfassend folgende Schritte:
a) in einer Datenerzeugungskomponente (DP) , Erfassung mindes tens eines Prozessdatums und Zuordnung des mindestens ei nes Prozessdatums zu einem strukturierten Datenobjekt, das Datenobjekt enthaltend eine von anderen Datenobjekten un terscheidbare Datenobj ektkennung;
b) in der Datenerzeugungskomponente (DP) , Erzeugung einer An kündigungsnachricht (101), die Ankündigungsnachricht (101) umfassend mindestens das eine oder mehrere Datenobjekte sowie eine die Datenerzeugungskomponente (DP) identifizie rende Quellenkennung;
c) Übertragung der Ankündigungsnachricht (101) an den Nach richtenmakler (MB) und Publikation der Ankündigungsnach richt (101) anhand Ihrer Quellenkennung durch den Nach richtenmakler (MB) ;
d) Empfang der mit der Quellenkennung publizierten Ankündi gungsnachricht (101) durch eine auf ein Abonnement von An kündigungsnachrichten (101) mit dieser Quellenkennung ein gerichtete Datenkonsumkomponente (DC) ;
e) in der Datenkonsumkomponente (DC) , Entnahme mindestens ei nes in der Ankündigungsnachricht (101) enthaltenen Daten objekts und Ablage des darin enthaltenen mindestens einen Prozessdatums mit Bezug auf die Datenobj ektkennung .
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch fol gende Verfahrensschritt d) ersetzende Verfahrensschritte: dl) Empfang der mit der Quellenkennung publizierten Ankündi gungsnachricht (101) durch eine auf ein Abonnement von Ankündigungsnachrichten (101) eingerichtete Datenkonsum komponente (DC) ;
d2) Einrichtung eines Abonnements für Ankündigungsnachrich ten (101), welche die Quellenkennung der Ankündigungs nachricht enthalten.
3. Verfahren nach einem der vorgenannten Patentansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Prozessdaten Momentaufnahmeda ten sind, welche zusammen mit einem Zeitstempel erfasst wer den .
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Patentansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das strukturierte Datenobjekt ein heitliche Attribute mit unveränderlichen Attributtypen wie:
- Datenobj ektkennung;
- Datentyp; und/oder;
- Name des Datenobjekts;
enthält .
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Patentansprüche, da durch gekennzeichnet, dass der Publikations- /
Abonnementdienst unter Verwendung eines Message Queuing Telemetry Transport-Protokolls bzw. MQTT oder einer Variante davon implementiert ist.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Publikations- / Abonnementdienst unter Verwendung eines Data Distribution Service-Protokolls bzw. DDS oder einer Variante davon imple mentiert ist.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Publikations- / Abonnementdienst unter Verwendung eines Web Application Mes saging Protocol bzw. WAMP oder einer Variante davon implemen tiert ist.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Patentansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Prozessdaten seitens der Da tenkonsumkomponente (DC) in einem Prozessdatenspeicher (DB) abgelegt werden.
9. Verfahren nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessdatenspeicher (DB) als
- nicht-flüchtiger Speicher in Rechnersystemen;
- flüchtiger Speicher in Rechnersystemen;
- rechnersystem-interne Datenbank;
- rechnersystem-externe Datenbank; und/oder;
- extern zugreifbare Datenbank;
ausgestaltet ist.
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WO2018033293A1 (de) * 2016-08-19 2018-02-22 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur assoziation von clients

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