用于基于本体论匹配设备数据模型的方法和设备与流程

本发明涉及根据权利要求1或3的前序部分的方法以及涉及根据权利要求13的前序部分的用于执行所述方法的自动化设备，如现场设备或网关。

背景技术：

一开始提到的类型的方法和设备由DE 10 2008 008 500 B3已知。描述了一种用于基于配置信息来计算机支持地配置技术系统的方法，其中，预给定用于一般性地描述所述技术系统的行为的多个样本。配置信息在此作为众多样本中的一个或多个样本存在的以及给存在的样本的可变部分分配值的条件来建模。基于本体论来描述样本以及配置信息并且借助“推理机”由本体论得出如下结论：将众多样本中的哪些样本用于配置信息以及给这些样本的可变部分分配哪些值。

在Datta Soumya Kanti等人所著的文章“Smart M2M gateway based architecture for M2M device and endpoint management（用于M2M设备和端点管理的基于智能M2M网关的架构”（2014年，物联网IEEE国际会议）中描述一种基于智能M2M-网关的架构，该架构能够实现：处理大数目的不同的M2M设备和M2M端点。该架构不仅与ETSI兼容而且与oneM2M-标准建议兼容。在使用CoRE Link-Format（受限的RESTful环境链路格式）的情况下描述M2M设备和M2M端点的资源和属性。

Zhang Quan Dui和其他人的文章“Ontology-based fast device configuration in 3D-configuration Software（3D配置软件中的基于本体论的快速设备配置）”（2009年，智能人机系统和控制论IEEE国际会议）致力于配置软件中的3D-用户界面，其中，用户界面应是接近现实的和用户友好的。借助用户界面应尽可能现实地显示工业领域中的设备状态。为此，提出基于本体论的快速的通过附加语义信息到设备模型的配置方法。

WO 2016/110356 Al涉及在设备、尤其自动化技术的现场设备中整合语义的数据处理。在此，使用一般性的用于定义语义库的描述语言模式作为基础。借助本体论的内容来丰富描述语言模式以便语义地表示设备的功能方式。在此，本体论的类和/或子类连同配属给类和/或子类的至少一个特性从本体论中得出，并且被转换成相应的模板申明并且将模板申明插入到描述语言模式中。

根据现有技术，接着由描述语言模式产生一个或多个语法、优选根据经标准化的数据格式“Efficient XML Interchange（高效XML互换）”（缩写EXI）的语法，所述语法被整合在设备中。由此应实现更紧凑的语义的数据处理和数据传输。

根据现有技术，将这样的数据处理一次性地实现在设备中。根据现有技术没有设置：使语义的数据处理匹配于不同的目标域，以便可以在无耗费的匹配的情况下将该设备应用在不同的域中。

技术实现要素：

由此出发，本发明基于以下任务：扩展一开始提到的类型的方法和设备，使得可以使设备数据模型灵活地匹配于不同的自动化域，从而可以跨系统地理解和处理由设备提供的数据的语义和结构。

根据本发明，通过权利要求1或权利要求3的特征来解决所述任务。

根据本发明，借助在源设备中实现的处理单元基于本体论自动地将语义的和/或本体论的信息插入到所述源设备的设备数据模型中以便产生至少一个经扩展的设备数据模型。

替代地，可以借助处理单元基于本体论来自动地变换源设备的设备数据模型以便产生至少一个经变换的设备数据模型。

通过所述源设备为目标域的目标设备提供所述至少一个经扩展的设备数据模型或经变换的设备数据模型。

因为在设备中实现用于匹配或转换设备数据模型的处理单元，所以可以将所述设备灵活地并且在无大的编程耗费的情况下用于不同的目标域。通过根据本发明的方法能够实现应用，其中，可以跨域地由每个其他系统使用、理解和处理数据。

应用例如是在“物联网”“工业4.0”以及“主机-域/业务线（LoB）-解决方案”领域中的任意域的终端设备之间的通信。

尤其是，通过根据本发明的方法显著简化了将第三提供商的设备和系统整合到现有的自动化域中以及显著简化了将制造商的设备整合到第三提供商的系统或客户特定的系统中。

所述方法尤其包括以下方法步骤：

- 提供本体论作为目标域的域特定的本体论和/或作为经标准化的本体论，

- 将设备数据或设备数据模型以及域特定的本体论或经标准化的本体论加载到处理单元中，

- 通过基于语义规则、本体论规则和/或域特定的和/或经标准化的本体论模型分析所述设备数据或所述设备数据模型来产生语义信息，

- 通过将所述语义信息插入到所述设备数据模型中来产生经扩展的设备数据模型，和/或

- 将所述设备数据模型变换成域特定的设备数据模型或经标准化的数据模型，以及

- 通过源设备提供经扩展的、域特定的设备数据模型，经变换的、域特定的设备数据模型和/或经变换的、经标准化的数据模型。

根据一种优选的方法途径规定，通过通信模块提供经扩展的设备数据模型或经变换的设备数据模型，在所述通信模块中实现协议（ECP=增强通信协议）如OPC UA，所述协议具有显示经扩展的或复杂的数据模型的能力，尤其可以显示等级数据或经结构化的且复杂的结构和对象。由此开创一种可能性：目标域的目标设备可以访问数据模型。

优选地，将语义信息以语义-元数据-点形式插入到设备数据模型中。语义-元数据-点参考源设备的设备数据模型中的数据点——在所述数据点中存储有配属给语义的真实值，或者描述结构点，所述结构点显示数据的等级结构。语义-元数据-点也可以更准确地描述结构点，例如通过测量设备的测量数据信息的分组或者关于以下位置的准确信息：在哪里检测数据。

优选地，在通过客户端-设备或客户端-软件访问所述经扩展的设备数据模型时提供语义-元数据-点。在调用语义-元数据-点之后通过源设备的设备数据源提供配属给所述语义-元数据-点的真实值。

一种替代的方法的特征在于，通过具有所述语义-元数据-点的语义-元数据-视图连同设备-数据-视图提供经扩展的设备数据模型，其中，通过语义-元数据-参考使所述语义-元数据-点参考设备数据。

优选地，在设备数据或所述设备数据模型变化时自动地将所述语义-元数据-点插入到所述经扩展的设备数据模型中，由此，简化该应用。所述变化优选涉及结构变化或数据点的添加或去除。

优选通过所述源设备的设备数据源来提供所述设备数据的配属给所述语义-元数据-点的真实值。

通过所述处理单元基于所述域特定的本体论的本体论-模型和/或本体论-规则来执行所述设备数据模型的变换。也存在以下可能性：产生经标准化的设备数据模型，然后由经标准化的设备数据模型可以产生或导出另外的、域特定的设备数据模型。

所述方法的一种另外的特征在于，根据问询，将所述语义-和/或本体论-信息嵌入到由所述源设备发送的网络协议消息中。

此外，本发明涉及一种设备、尤其是自动化设备、如现场设备，其具有数据处理单元和设备数据源，所述设备数据源具有根据设备数据模型的设备数据。

根据本发明，在所述设备中实现处理单元，所述处理单元被构造用于，基于本体论将语义的和/或本体论的信息自动地插入到所述设备数据模型中和/或变换和提供所述设备数据模型。

根据一种优选的实施方式，所述处理单元在输入侧通过接口与所述设备数据源耦合并且在输出侧具有通信模块，所述通信模块具有客户端/服务器接口用于提供通过语义的和/或本体论的信息扩展的设备数据模型。在所述客户端/服务器接口中实现协议、优选增强通信协议、如OPC UA，其具有显示不同的数据模型的能力。

优选地，所述处理单元可以通过管理界面通过加载语义规则、本体论规则和/或本体论模型来配置。由此，能够实现：提供一个或多个本体论模型以及语义的或本体论的规则收集。该加载可以在本地通过存储介质、如USB棒或远程地例如通过网络服务来进行。

所述设备可以构造为现场设备或网关。

根据本发明规定，要么在构造为数据源的设备、如现场设备中要么在构造为数据宿的设备、诸如网关中实施或实现用于匹配设备数据模型的方法。在数据宿中进行实现的情况下，将设备数据和/或设备模型加载到数据宿中并且通过处理单元来处理。

附图说明

本发明的另外的细节、优点和特征不仅由权利要求、从权利要求得出的特征单独地和/或组合地得出，而且从由以下对附图的描述中得出的优选的实施例得出。其中：

图1示出一种具有用于基于本体论产生经扩展的、域特定的设备数据模型的处理单元的现场设备的示意图；

图2示出用于通过插入语义的元数据来产生经扩展的设备数据模型的第一方法途径的示意图，所述第一方法途径借助参考将语义的元数据与设备数据关联；

图3示出用于实施根据图2的第一方法途径的通信图；

图4示出用于通过显示设备数据-视图和语义-元数据-视图来产生经扩展的、域特定的设备数据模型的第二方法途径的示意图；

图5示出用于基于本体论产生一个经变换的、域特定的设备数据模型的第三方法途径的示意图；

图6示出用于基于经标准化的数据模型产生多个经变换的、域特定的设备数据模型的第四方法途径的示意图；

图7示出用于实施根据图5和6的方法途径的通信图；

图8示出用于将语义的和/或本体论的元数据嵌入到待在设备之间交换的消息中的示意图；以及

图9示出用于实施根据图8的方法的通信图。

具体实施方式

图1纯示意性地示出设备SD、尤其自动化设备、如现场设备，在所述设备中实现用于分析和匹配或转换在设备数据源DDS中存储的设备数据模型DDM的处理单元SOE。处理单元SOE通过接口API与设备数据源DDS、如数据存储器或在设备上运行的程序、应用程序或逻辑电路来耦合。该接口被构造用于能够将设备数据DD或设备数据模型DDM加载到处理单元SOE中。处理单元SOE可以通过设备数据源的接口API直接访问设备数据源或者可以通过自身的接口API与设备的程序或逻辑电路关联，从而设备程序或设备逻辑电路可以访问处理单元SOE的所需的调用。

在输出侧，处理单元SOE通过另外的接口API与具有客户端/服务器-接口的通信模块CM耦合，在所述客户端/服务器-接口中实现通信协议ECP（ECP-增强通信协议）、诸如OPC UA，所述通信协议具有以下能力：显示所产生的不同的数据模型，可以例如通过外部的客户端-设备CD或外部的客户端-软件CSW借助服务器-客户端-连接或按照“发布/订阅-方法”来访问所述数据模型。

处理单元SOE可通过管理界面MI配置，其中，可以通过管理界面MI、根据域特定的本体论来导入、导出、定义、分配和/或更新语义规则SR、本体论规则OR和/或本体论模型OM。本体论作为目标域的、域特定的本体论来提供。基于所提供的本体论配置处理单元SOE。优选地，将规则和/或模型存储在设备SD的未进一步示出的内部存储器或数据库中，使得可以通过处理单元SOE在运行期间访问所述规则和/或模型。也存在以下可能性：可以在运行期间更新和/或改变在未进一步示出的存储器中存储的规则和模型。

通信模块CM的接口API与设备数据源DDS耦合，使得所参考的数据值可以被提供给通信模块CM或者被查询或者内部的数据结构可以被给出。

处理单元SOE被构造用于将基于语义规则SR和/或本体论规则OR的语义的和/或本体论的信息SMP插入到设备数据模型DDM中和/或用于基于本体论模型OM变换设备数据模型DDM。

图2纯示意性地示出第一方法途径。设备数据DD或设备数据模型DDM被加载到处理单元SOE中并且被分析。在分析时，分析设备数据DD的或设备数据模型DDM的语义、语法和结构并且将其与域特定的本体论的语义、语法和结构进行比较。基于源域和目标域之间的数据模型的不同的语义和结构，在考虑语义的和/或本体论的规则SR、OR的情况下产生语义的信息SMP并且将其添加至设备数据模型DDM，使得产生经扩展的、域特定的设备数据模型EDM。

在通信模块CM中提供源设备SD的经扩展的设备数据模型EDM，其中，通过处理单元SOE将所产生的语义的和/或本体论的信息作为语义-元数据-点SMP来插入。在通信模块CM中提供如此产生的经扩展的设备数据模型EDM用于目标域的外部设备CD、CSW的访问。

图3示出在图2中示出的将语义的元数据SMP静态地添加到设备数据模型DDM中的方法的通信序列。

通过管理界面MI可以产生、安装并且配置设备数据源DDS。此外，通过管理界面MI初始化处理单元SOE，也即提供或加载语义规则SR、本体论规则OR以及本体论模型OM。

在设备SD启动之后，在通信模块CM中显示设备数据DD或设备数据模型DDM。然后将设备数据模型DDM加载到处理单元SOE中，并且，在处理单元SOE中基于语义规则SR分析设备数据模型DDM。在分析设备数据模型DDM时产生语义信息并且将语义信息以语义-元数据-点SMP形式添加至设备数据模型DDM，使得在通信模块CM中显示或提供经扩展的设备数据模型EDM。

借助客户端-设备CD或客户端-软件CSW，可以彻底搜寻经扩展的设备数据模型EDM的结构。由通信模块ECP将数据发送回给客户端-设备CD，所述数据包含语义-元数据-点SMP。数据点可以通过客户端-设备CD的读取过程来问询/读入，其中，通过通信模块ECP读取设备数据源DDS中数据点的真实值。设备数据源DDS发送数据点的真实值，所述真实值与语义-元数据-点SMP一起被发送回给客户端-设备CD。

图4示意性地示出第二方法，据此，通过语义-元数据-视图提供语义信息。

根据该方法，在通信模块CM中显示经扩展的设备数据模型EDM，所述经扩展的设备数据模型包括设备-数据-视图DDV以及语义-元数据-视图SMV。基于语义规则SR借助处理单元SOE产生语义-元数据-视图SMV并且在通信模块CM中显示语义-元数据-视图SMV。

设备数据DD和语义-元数据SMP之间的配属通过语义-元数据-参考SMR来进行，所述语义-元数据-参考分别参考设备数据DD。

图5a）示出根据本发明的用于基于域特定的本体论模型OM将源域SDO的设备数据模型SDM的显示转换或变换成目标域TDO的目标数据模型TDM的方法的第三实施方式，所述域特定的本体论模型具有用于定义和提供本体论规则OR的、本体论的规则定义ORD。

在处理单元SOE中基于本体论规则OR分析源域SDO的设备数据模型SDM并且将其变换成目标域TDO的目标数据模型TDM。通过该变换，不仅实现设备数据的语义转换而且实现设备数据的结构转换，使得在完全的转换之后在目标域TDO中不再包含语义-元数据-点SMP。经扩展的或经转换的目标数据模型TDM关于语义和结构不同于源数据模型SDM，其中，语义-元数据-点SMP仅仅间接地包含在经扩展的或经转换的模型中，视在目标域TDO中是否包含或定义元数据-描述而定。

从在图5b中示出的数据结构可以得出，不仅实现语义的完全转换而且实现数据结构的完全转换。在目标数据模型TDM中以名称“T”和单位“℃”示出在源数据模型中表示的具有名称“温度”和单位开尔文“K”的测量值。

图6a）示出一种用于将源数据模型SDM变换成一个或多个目标数据模型TDM1、TDM2、TDM3的另外的替代的根据本发明的方法，所述一个或多个目标数据模型代表待支持的不同的域-数据模型TDOl、TDO2、TDO3。在所述方法中，将源数据模型SDM变换成经标准化的数据模型NDM。在处理单元SOE中基于经标准化的本体论模型NOM和/或经标准化的数据模型NDM分析和变换源数据模型SDM。经标准化的数据模型NDM然后可以通过简单的方式转换成一个或多个域特定的数据模型的TDOl、TDO2、TDO3作为目标数据模型。

经标准化的模型事先在系统设计时被定义或者可以是已经存在的域-模型。为此，开发或定义从被支持的不同的域-模型的变换和到被支持的不同的域-模型的变换。到经标准化的域-模型的变换以及到特殊的目标域TDO/TDM的变换由语义规则SR、本体论规则OR、本体论模型OM或者它们的组合组成。

为了由两个不同的域-模型导出变换或经标准化的数据模型NDM，需要由专家提供的技术诀窍或智能。规则和/或变换SR、OR、OM的定义以及经标准化的数据模型NDM被创建并且由处理单元SOE应用。

变换或经标准化的数据模型NDM的求取也可以例如借助人工智能自动地在设备上或者远程地通过例如云服务如IBM-Watson来进行。人工智能也可以在设备上的AI/KI芯片上实现。

替代地存在以下可能性：将设备数据模型SDO直接变换成目标数据模型TDO1、TDO2、TDO3。但是，必须对于每个变换存储规则手册（Regelwerk）或本体论。

图6B示出相应的数据结构，其中，将源设备的数据结构关于语义和结构变换成经标准化的数据模型并且基于经标准化的数据模型可以执行多个另外的、域特定的变换以便产生经变换的数据模型TDM1、TDM2、TDM3。

图7示出根据图5和6的基于本体论规则OR的变换方法的通信序列。

在设备SD启动之后，借助处理单元SOE根据本体论规则OR来分析和变换设备数据模型SDM。经变换的目标数据模型TDM在通信模块CM中显示并且与目标域TDO一致，在所述目标域中应使用经变换的目标数据模型TDM。

在通过目标域中的目标设备的客户端-设备CD或客户端-软件CSW访问经变换的目标数据模型TDM时，可以彻底搜寻经变换的数据模型TDM的结构。由通信模块CM发送回数据，所述数据包含结构点/对象点SP。通过结构点/对象点SP可以调取设备数据源DDS中具有真实值的变量形式的数据点DP。从设备数据源DDS向通信模块CM发送数据点-值。通过通信模块CM提供具有值的变量连同相应的语义-元数据-信息SMI。

图8和9示出另一种替代的方法，其中，根据调取（“On demand：根据要求”）将语义的元数据嵌入到由源设备SD传送给目标设备TD的网络协议消息NPM中，如在图8b中示出的那样。尤其将语义-元数据-点SMP附加至所谓的协议-消息-体PMB中的设备数据，所述设备数据与协议-消息-头PMH一起被嵌入在网络协议消息NPM中。

图9示出在客户端-设备CD或客户端-软件CSW与设备SD之间的通信序列，其中，由客户端-设备对通信模块SCP、ECP提出数据点DP的问询。通信模块SCP、ECP对设备数据源DDS提出问询。通过处理单元SOE基于语义的和本体论的规则SR、OR分析被问询的数据点，其中，产生语义-元数据-点SMP，所述语义-元数据-点被添加至所述数据点上，如这在图8b）中在协议-消息-体PMB中示出的那样。在进行问询的客户端-设备CD中示出所述数据点和所产生的语义-元数据-点SMP。