用于将工业标准规范转换成至少一个经实例化的规则的方法和设备
文献发布时间：2024-04-18 20:02:40
技术领域
所公开的实施例总体上涉及工业自动化控制系统的领域。具体而言，所公开的实施例涉及用于将工业标准规范转换成用于修改工业自动化控制系统的信息模型的至少一个规则的计算机实现的方法和设备。
背景技术
工业自动化控制系统被设计为捕捉真实世界的仪器数据(例如传感器数据)并实时地促使响应，同时可靠且安全地运行。为了确保工业自动化控制系统中涉及到的各组件的无缝交互，这些组件需要符合工业标准。
符合现行的工业标准对于在工业自动化控制系统中运行或控制工业自动化控制系统的各组件的通信和软件技术行为尤其必要。近来，包括使用语义信息模型在内的语义网技术在阐明这些组件的通信方面发挥了主导作用。
在寻求使工业自动化控制系统不仅能够传递或消费数据而且能够表达数据含义方面，信息建模是一个关键概念。虽然这个想法还远未在全球实现，但语义网社区已制定了工业自动化标准，例如RDF、RDFS、OWL、SPARQL等，以及用来有效创建、存储和查询信息模型的大量工具。
在旨在供人们阅读的规范文档中阐述了工业自动化标准。这些与自动化控制系统和组件的语义相关的规范文档通常包含数千页的文本信息。一些标准化机构还提供机器可读的信息模型片段供下载和在软件开发项目中使用，目的是简化工业自动化标准的符合标准的实施。然而，这样的机器可读片段仅表示实施示例，其无法构成符合标准的实施。
换言之，这些规范完全以文本格式定义，旨在供人类阅读，特别是针对作为目标群体的语义专家，这意味着只有语义专家能够理解这些规范并使用他们的教导来实施为给定工业自动化系统定制的语义规则。目前还没有从工业自动化标准文档提取信息并以有意义的方式对这些信息进行形式化的自动化方法。
此外，在工业自动化控制系统中实施工业自动化标准需要用于理解和使用语义描述的语义专业知识以及特定工业自动化控制系统的工艺技能。因此，对于没有编码或修改正式语义规则的专门知识的工艺工程师来说，即使是将组件车载(onboard)到工业自动化控制系统中的配置也是具有挑战性的。
因此，在本领域中需要为给定工业自动化系统定制的语义规则的符合标准的实施，由此，实施过程至少部分地脱离在概念上理解当前标准规范文档的大量语料库的负担。
此外，在本领域中需要重复使用现有的符合标准的语义规则模式，使得能够在不需要理解或重新编码底层语义描述的情况下进行修改。
此外，在本领域中需要支持工艺工程师在不具备编码语义描述的特定知识的情况下配置用于车载或维护工业自动化控制系统的组件。
发明内容
本实施例涉及一种用于将工业标准规范转换成一个或多个经语义约束的规则的方法。这些规则符合该工业标准，并且可用于修改工业自动化控制系统的信息模型。该方法包括以下步骤：
a)将与工业标准规范相关的至少一个文本语料库加载到存储器中；
b)由语义处理模块对文本语料库进行语义处理，以标识一个或多个文本规则块并提取所述文本规则块中的至少一个；
c)由分类模块将文本规则块分类到多个规则类别中，以获得经分类的文本规则块；
d)由映射模块向经分类的文本规则块分配至少一个规则模板，其中，所述分配至少由分配给经分类的文本规则块的所述规则类别之一来驱动；以及
e)由实例化模块实例化按照工业自动化控制系统的信息模型的约束改编的规则模板，以获得经实例化的规则。
根据一个实施例，实例化所述规则模板的步骤d)可包括或可后接以下步骤：
e1)由实例化模块向用户呈现按照信息模型的所述约束改编的规则模板的可编辑表示；
e2)由实例化模块接收来自用户的至少一个输入以形成经修改的规则模板；以及
e3)由实例化模块接收用户结束所述实例化的动作的输入。
根据一个实施例，将所述至少一个规则模板分配给经分类的文本规则块的步骤d)可包括或可后接以下步骤：
d1)由映射模块向用户呈现分配给经分类的文本规则块的规则模板的可编辑表示，用于可选地接收来自用户的修改；以及
d2)由映射模块接收用户结束所述分配的动作的输入。
根据一个实施例，至少一个规则模板可包括以下之一：
-基数规则；
-数据类型规则；
-域范围规则；
-属性规则；
-值规则；
-复制规则；
-针对类型的实例规则；
-子类型规则；
-范围/访问规则；和/或
-双向属性规则。
根据一个实施例，至少一个规则模板和/或至少一个经实例化的规则可由用形状约束语言(“SHACL”)表达的形状模板来表达。
根据一个实施例，修改工业自动化控制系统的信息模型可包括以下步骤：
-在工业自动化控制系统的至少一个服务器的存储空间内查询该信息模型；
-指派该信息模型的地址空间；以及
-将经实例化的规则加载到该信息模型的所指派的地址空间中。
根据一个实施例，工业自动化控制系统的至少一个组件可以是自动化控制服务器或工业装置。
根据一个实施例，信息模型可以被组织在图数据库或知识图中。
根据一个实施例，信息模型可以是中央或分散的数据库，用于托管知识人工制品、特别是称为数字孪生的知识人工制品。
本实施例还涉及一种用于将工业标准规范转换成至少一个经实例化的规则的设备，所述经实例化的规则用于修改工业自动化控制系统的至少一个组件的信息模型，该方法包括以下步骤：
a)存储器，用于加载有与工业标准规范相关的至少一个文本语料库；
b)语义处理模块，用于对文本语料库进行语义处理，以标识一个或多个文本规则块并提取所述文本规则块中的至少一个；
c)分类模块，用于将文本规则块分类到多个规则类别中，以获得经分类的文本规则块；
d)映射模块，用于将至少一个规则模板分配给经分类的文本规则块，其中，所述分配至少由分配给经分类的文本规则块的所述规则类别之一来驱动；以及
e)实例化模块，用于实例化按照工业自动化控制系统的信息模型的约束改编的规则模板，以获得经实例化的规则。
机器可读介质可以由能够以非瞬态格式托管数据的存储装置或其他设备来提供。在一个示例中，存储在机器可读介质上或以其他方式在机器可读介质上提供的信息可以代表指令，诸如指令本身或可从中导出指令的格式。可从中导出指令的该格式可包括源代码、编码指令(例如，以压缩或加密形式)、打包指令(例如，分成多个包)等。
机器可读介质中代表指令的信息可以由处理电路处理成用来实施本文讨论的任何操作的指令。例如，从信息导出指令(例如，由处理电路处理信息)可包括编译(例如，从源代码、目标代码等)、解译、加载、组织(例如动态或静态链接)、编码、解码、加密、解密、打包、解包或以其他方式操纵信息以成为指令。
附图说明
从结合附图考虑的下面对优选实施例的描述中，本实施例的目的以及进一步的优点将变得更加明显和易于理解，在附图中：
图1描绘了用于描述根据一个实施例的示例性过程的流程图；以及
图2示出了根据一个实施例的实例化模块的示例性用户界面。
具体实施方式
公开了用于将工业标准规范转换成至少一个经实例化的规则的方法。目前，诸如OPC UA或IEC标准(如IEC 61850)等的工业自动化标准是在旨在供人类阅读的规范文档中阐明的。这些与自动化控制系统和组件的语义相关的规范文档通常包含数千页的文本信息。规范文档是以旨在供人类阅读的文本格式定义的。
国际电工委员会(IEC)的IEC 61850标准描述了工业自动化领域中保护和控制技术的通用传输协议。该系列标准包括针对自动化系统、功能和装置以及针对以保护、监测、控制和测量为目的的信息交换的通用规范。
OPC UA(开放平台通信统一架构)是OPC基金会的工业标准协议，用于独立于制造商的通信，目的是特别是在过程自动化中交换工业数据。工业标准协议OPC UA定义了独立于制造商的信息模型和工业自动化控制系统组件之间的通信，目的是特别是在过程自动化中交换工业数据。OPC UA通过多种独立于领域和特定于领域的语义以文档和信息模型的形式定义语义，以便使得能够实现工业机器之间的互操作性。
这些标准规范文档通常包含数千页的文本信息。例如，仅OPC UA核心规范就包含大约一千页的信息。此外，OPC UA还定义了配套规范，以进一步为越来越多的特定领域定义特定于领域的语义。目前有28个配套规范可用，并且这个数字每年都在大幅增加。
工业组件或机器使用这些标准应满足的诸如语义和规则等的信息都定义在这些规范中。只有专家才能理解和使用它们。目前还没有从工业标准文档中提取这种有价值的信息并以有意义的方式对其进行形式化的自动化方法。
迄今为止，从工业标准文档进行语义形式化或规则验证都是以繁琐耗时的方式人工完成的。此外，只有对标准有深入了解的专家才能在给定自动化控制系统的信息模型中实施标准。此外，需要大量的时间和精力来自动化基于工业标准的信息模型的验证过程。首先，标准中以文本格式定义的规则必须由专家确定。之后，这些规则必须使用机器可理解的语言来形式化。
因此，必须针对经形式化的规则验证现有的信息模型。这一过程异常艰辛，因为标准繁多，有数千页的规范。
此外，标准规范可补充有应用示例或附带的规范文档，就像OPC UA标准的附带规范一样。尽管这些配套规范是特定于领域的，但特定的配套规范对于特定领域可能是强制性的。因此，上述过程可能需要针对多种配套规范重复进行。
在OPC UA的情况下，OPC UA专家必须人工标识基本规范中的规则，并且语义专家必须使用验证工具以标准化语义网语言来形式化所标识的规则的一部分，所述验证工具用于针对一组条件验证基于图的OPC UA数据。
下面描述的示例性实施例旨在至少部分地自动化这个冗长且劳动密集的过程，从而使其更加高效。
图1中示出了用于将工业标准规范转换成至少一个经实例化的规则的示例性方法的流程图。
在步骤S1，将属于工业标准规范的至少一个文本语料库CPS加载到分配给语义处理模块(未示出)的存储器(未示出)中。文本语料库CPS可以包括与诸如OPC UA或IEC标准(例如IEC 61850)等工业标准相关的文本格式的规范。将人类可读的文本语料库CPS以机器可读的方式加载到存储器中，或者如果必要的话，使用包括扫描和OCR(光学字符识别)技术的文档数字化技术从纸质文档呈现为机器可读的。
在步骤S2，由语义处理模块(未示出)对该一个或多个文本语料库CPS进行语义处理，以标识一个或多个文本规则块TRB并提取所述文本规则块TRB中的至少一个。用户UR2，特别是语义专家UR2，可以参与审查所提取的且经分类的文本规则块的过程。
步骤S2包括由语义处理模块(未示出)对工业标准规范的一个或多个文本语料库CPS进行语义处理，以标识一个或多个文本规则块TRB并提取所述文本规则块TRB中的至少一个。
根据一些实施例，工业标准核心规范可以是指配套规范，并且反之亦然。核心规范中定义的特定于领域的词汇和/或语义在一个或多个配套规范中使用，而一个或多个配套规范可以另外定义它们自己的特定于领域的词汇和/或语义。为了处理这种类型的交叉或动态关系情况，该处理可以动态地标识不止一个文本语料库(例如，包括核心规范和一个或多个配套规范)中的特定于领域的信息，以便在语义处理期间或“在运行中”向文本语料库CPS之一添加所标识的特定于领域的信息。
在一个示例性实施例中，规范内的非结构化数据可以由提取模块访问。提取服务可以解析非结构化数据，同时还将源文档与非结构化数据相关联。经解析的非结构化数据可发送到捕捉模式，然后发送到一个或多个商业、开源或定制开发的转换组件，所述转换组件能够从非结构化文本中提取各条数据、确定一节的主题、从整个文档中提取一节文本、匹配姓名和地址以及其他文本和数据处理活动。
为了动态标识规范文档中的特定于领域的信息并在提取过程中向一个或多个文本语料库添加特定于领域的信息，提取的数据可以与已经由可选的捕获模式提取的数据相结合。
在一个示例性实施例中，语义处理模块的提取算法用当前或先前的标准规范文本语料库来训练，并针对其结果(即该步骤S2最终推断出的文本规则块TRB)来检查或训练。提取的文本规则块TRB可以由语义专家UR2专家审查，就关于提取过程的质量进行判断，并用于改进提取过程的算法。
在一个示例性实施例中，工业标准规范的规范内的规则可以由语义专家UR2人工标识、分类和形式化。这些经形式化的规则可以用作训练提取算法或简单地将人工选择的规则与通过根据本实施例的方法提取和/或分类的规则进行比较的黄金标准。
在随后的步骤S3，由分类模块(未示出)将文本规则块TRB分类为多个规则类别中的一个或多个，以便获得经分类的文本规则块CTB。
根据一个实施例，提供一个或多个规则类别，其中，一个或多个规则类别用于工业标准中的约束或规则的分类。这些规则类别可以是预先定义的，并且可以包括：
-基数规则；
-数据类型规则；
-域范围规则；
-属性规则；
-值规则；
-复制规则；
-针对类型的实例规则；
-子类型规则；
-范围/访问规则；和/或
-双向属性规则。
工业标准中定义的大多数规则可以分类为如上所示的一个或多个规则类别。例如，诸如“机器人可具有最少1个轴且最多6个轴”的由标准中的文本段落表达的文本规则块TRB属于如上所示的规则类别“基数规则”，因为该规则验证机器人的轴的基数。
类似地，诸如“节点的标识符应为URI数据类型”的由标准中的文本段落表达的文本规则块TRB是属于规则类别“数据类型规则”的规则，因为它限制了数据类型。
在步骤S3，将由前一步骤S2提取的一个或多个文本规则块TRB分类到这些规则类别中，以获得经分类的文本规则块CTB。
将提取的文本规则块TRB输入到分类算法中，该分类算法将文本规则块TRB分类到一个或多个规则类别中。以这种方式对工业标准中的规则进行分类为类别。所得到的经分类的文本规则块CTB可以由判断分类质量的语义专家UR2进行审查。专家UR2的判断结论然后可以用于进一步改进分类算法。
在步骤S4，将至少一个规则模板RLT分配给至少一个经分类的文本规则块CTB。由映射模块(未示出)进行的这种分配可以至少由分配给经分类的文本规则块CTB的所述规则类别之一来驱动。此外，该分配可以包括由用户UR1分配给至少一个经分类的文本规则块CTB的规则模板RLT的建议。与第二用户UR2不同，第一用户UR1不必是语义专家。第一用户UR1可以是例如没有特殊语义知识的工艺工程师。
将规则模板RLT分配给经分类的文本规则块CTB实现了构成本实施例的基于模板的方法。如后文将解释的，这种基于模板的方法特别有助于大大简化和加速对规则进行形式化的过程。经形式化的规则可意味着这些规则能够被机器解释和处理。如果信息模型作为输入给出，那么使用经形式化的规则可以自动验证信息模型。
对于如上所述的至少一个规则类别，可以提供一个或多个经形式化的规则模板RLT。规则模板RLT可以是预定义的。规则模板RLT可以由语义专家来预定义。
诸如SHACL(形状约束语言)或shEx(形状表达式)之类的语义网语言可用于对规则模板RLT进行形式化。在替代实施例中，也可以通过程序来对规则模板RLT进行形式化和验证，例如使用诸如Python等的编程语言。
下面的部分展示了一个用于验证上面示出的基数规则的SHACL形状(sharp)模板。该SHACL形状模板可以是由语义专家针对该类别预定义的：
前面的示例声明了符合形状targetClass的节点必须具有属性sh:path，该属性参考一路径，该路径以参考、更确切地说是占位符
下面的部分展示了用于验证上面示出的数据类型规则的SHACL形状模板：
前面的示例声明了符合形状targetClass的节点必须符合数据类型属性sh:datatype，该属性的特定属性值以名为
基于分配给经分类的文本规则块CTB的规则类别，可以将一个或多个规则模板RLT自动分配给经分类的文本规则块CTB。所得到的规则模板RLT是经形式化的规则模板。
在步骤S5，由实例化模块(未示出)实例化规则模板RLT，以最终获得经实例化的规则IRL。在实例化过程中，实例化模块按照工业自动化控制系统的信息模型的约束来改编规则模板RLT，以获得经实例化的规则IRL。
在替代实施例中，这些经形式化的规则模板RLT可以以可视格式呈现给用户。该用户界面适合于满足用户UR1的技能，用户UR1可能不熟悉理解上面所示的SHACL形状模板中制定的经形式化的规则模板。
在该替代实施例中，通过由实例化模块定义的用户界面向用户UR1呈现按照信息模型的所述约束改编的规则模板的可编辑表示。实例化模块因此接收来自用户UR1的至少一个输入，以形成经修改的规则模板RLT，并且最终接收用户结束实例化的输入。
在替代实施例中，用户UR1可以提供将规则模板RLT分类为经形式化的规则模板的附加输入。
图2中示出了根据一个实施例的实例化模块的用户界面。用户UR1可以使用常规输入字段(例如字符串或整数输入字段、确认按钮、下拉菜单、复选框等)而不是使用诸如SHACL之类的形式化语言来实例化要借助于所示用户界面进行实例化的基数规则。如图2所示，提供针对规则模板的名称和描述的输入字段以进行输入或修改。此外，可定义错误消息，在输入不正确的自变数的情况下会返回该错误消息。
使用所示的用户界面，可以根据以下经实例化的基数规则的示例来实例化基数规则模板：
前面的经实例化的基数规则的示例展示了实例化的效果：未经实例化的基数规则的前面的示例的参考(已在<尖括号>中注明)现在被解析，以利于经实例化的值，例如：
sh:path ia:nodeId
而不是：
sh:path
前面的示例声明了符合OPC UA协议中ObjectType形状的节点必须符合属性sh:minCount(其值必须符合最小计数或minCount 1)和属性sh:maxCount(其值必须符合最大计数或maxCount6)。符合此形状的节点还必须具有属性sh:message，其为字符串“对于ObjectType节点，nodeId是强制性的”。
综上，基于模板的方法允许以最少的用户干预或用户输入来有效地标识工业标准文档中的规则并提取、分类、实例化和形式化这些规则。预定义的规则模板可以由专家创建，并且可以用于形式化，而仍然允许用户参与控制和/或监测过程。
除了转换工业标准规范之外，实施例还可以用于促进为特定工业自动化控制系统定制的规则的实施。如果工艺工程师打算为特定于工业自动化控制系统的信息模型创建定制规则，则实施例能够有助于这一意图，因为工艺工程师可以简单地用自然语言或人类可读格式制定特定规则。使用这些实施例，可以转换人类可读规则，以传递合适的规则模板，该规则模板可以被容易地形式化、实例化并用于修改信息模型。
随着OPC基金会和其他子组织近年来开发了越来越多的OPC UA配套规范，本实施例有助于快速提取和形式化先前以人类可读自然语言制定的规则。
这些实施例不容易出错，因为根据所描述的实施例，人类可能会参与检查和/或协助过程的循环。此外，根据所描述的实施例的过程不容易出错，因为它不仅仅依赖于人类和可能容易出错的提取，尽管人类专家和/或用户可能总是参与到影响或控制过程的循环中。
验证可以广泛应用于多个工业标准，这确保信息模型符合标准，并最终确保工业机器之间的互操作性，这进而支持工业自动化本身的进步。
虽然图1中图示了实施示例性方法的示例方式，但是图1中图示的元件、过程和/或装置中的一个或多个可以被组合、分割、重新排列、省略、删除和/或以任何其他方式实施。
此外，示例语义处理模块、示例分类模块、示例映射模块和/或示例实例化模块可以由硬件、软件、固件和/或硬件、软件和/或固件的任意组合来实施。
因此，例如，示例语义处理模块、示例分类模块、示例映射模块和/或示例实例化模块中的任何一个都可以由一个或多个模拟或数字电路、逻辑电路、可编程处理器、可编程控制器、图形处理单元、数字信号处理器、专用集成电路、可编程逻辑器件和/或现场可编程逻辑器件来实施。
应当理解，所附权利要求中列举的元素和特征可以以不同的方式进行组合，以产生同样落入本发明范围内的新权利要求。因此，尽管下面所附的从属权利要求仅从属于单个独立或从属权利要求，但是应当理解，这些从属权利要求可以替代地从属于任何前面或后面的权利要求，无论是独立权利要求还是从属权利要求，并且这样的新组合应当理解为形成本说明书的一部分。
虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，可以对所描述的实施例进行许多改变和修改。因此，旨在将前述描述视为说明性的而非限制性的，并且应当理解，实施例的所有等同物和/或组合旨在包括在本描述中。