(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 108459574 A(43)申请公布日 2018.08.28
(21)申请号 201810259251.X(22)申请日 2018.03.27
(71)申请人 重庆邮电大学
地址 400065 重庆市南岸区黄桷垭崇文路2
号(72)发明人 耿道渠 文艺 王平 高岐
付信帅 张成云 夏雪 刘奇林 杜一峰 (74)专利代理机构 北京同恒源知识产权代理有
限公司 11275
代理人 赵荣之(51)Int.Cl.
G05B 19/418(2006.01)
权利要求书2页 说明书4页 附图3页
(54)发明名称
一种基于语义与OPC UA的现场设备信息管理系统(57)摘要
本发明涉及一种基于语义与OPC UA的现场设备信息管理系统，属于语义网与工业物联网的结合领域。该系统的整体架构包括感知层、网络层、语义层和应用层。感知层包括底层现场设备与OPC UA服务器。网络层包括OPC UA访问的各种网络系统。语义层包括OPC UA设备信息获取端、设备信息管理领域知识本体模型、设备信息语义化标注模块、语义推理和查询模块、本体数据库和语义规则文件。应用层包括设备运行状态管理模块、设备操作人员管理模块、设备台账管理模块、设备备件管理模块、设备保养管理模块、设备维修管理模块。本发明的优点：实现了异构设备信息的语义集成，通过语义推理及查询可得到领域内较为丰富的语义知识，满足该系统的各个功能模块需求。
CN 108459574 ACN 108459574 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于语义与OPC UA的现场设备信息管理系统，其特征在于：该系统的整体架构包括感知层、网络层、语义层和应用层；
所述感知层包括底层不同地点、不同网络、不同生产厂商的现场设备与用于过程控制的对象链接和嵌入技术统一体系架构(Object Linking and Embedding for Process Control UnifiedArchitecture,OPC UA)服务器，通过OPC UA服务器对底层现场设备运行状态信息进行实时采集；
所述网络层包括OPC UA访问的各种网络系统；所述语义层包括OPC UA设备信息获取端、设备信息管理领域知识本体模型、设备信息语义化标注模块、语义推理和查询模块、本体数据库和语义规则文件；其中，所述OPC UA设备信息获取端是对现场设备的运行状态信息进行获取，为下一步设备信息语义化标注提供实时数据；所述设备信息化管理领域知识本体模型是设备信息化管理领域共享概念模型的形式化规范说明；所述设备信息语义化标注模块是将OPC UA设备信息获取端获取的状态信息转换为RDF语义数据，再通过设备本体与设备操作人员本体将语义数据属性进行扩展；所述语义推理和查询模块用于处理应用层的查询和推理请求；所述本体数据库用于存放设备相关的本体模型和语义数据；所述语义规则文件用于存放与设备管理所需推理相关的规则；
所述应用层包括设备运行状态管理模块、设备操作人员管理模块、设备台账管理模块、设备备件管理模块、设备保养管理模块、设备维修管理模块；其中，所述设备运行状态管理模块是对设备运行状态进行监测，通过设定参数的上下限对设备的异常状态进行报警，自动记录设备运行参数和停机时间；所述设备操作人员管理模块提供全体设备操作人员的基本情况，实现分类查询，按条件查询；所述设备台账管理模块是指对设备的编号、设备类型、型号规格、制造厂商、设备用途、出厂编号日期、启用时间和使用年限基本信息进行添加、删除和查询管理，以便在需要时能迅速与厂家取得联系，将设备的各类原始信息进行信息化管理，使设备信息查询工作方便快捷，并为设备全生命周期的管理提供基础数据；所述设备备件管理模块分为备件台帐管理和出入库管理两部分，备件台帐管理是管理备件的基本信息，出入库管理是对备件的存储、使用和库存数量进行管理和记录；所述设备保养管理模块是根据每台设备各自的运行状况，自动提醒何时应该进行何种维护，设备维护记录是在数据库中记录保持整洁、及时察看、做好润滑和防腐防漏设备维护工作的相关信息；所述设备维修管理模块是通过对设备的检查，修理和更换己经磨损、腐蚀的零件或部件，修复由于正常或不正常原因而引起的设备故障，使设备的性能得到恢复，设备维修记录是记录设备维修过程中的维修时间、维修部件和损坏原因信息，自动进行维修任务提醒，详细记录设备维修过程中的各类信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于语义与OPC UA的现场设备信息管理系统，其特征在于：所述不同网络包括现场总线网络、6LoWPAN网络和802.15.4网络。
3.根据权利要求1所述的一种基于语义与OPC UA的现场设备信息管理系统，其特征在于：所述语义化标注所需要描述的属性包括设备基本信息、设备状态信息、设备维修信息、设备保养信息、设备故障信息、设备操作人员信息和设备备件基本信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于语义与OPC UA的现场设备信息管理系统，其特征在于：所述OPC UA访问的各种网络系统包括：以太网、LAN和工业以太网。
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权 利 要 求 书
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5.根据权利要求1所述的一种基于语义与OPC UA的现场设备信息管理系统，其特征在于：所述设备运行状态信息是通过OPC UA设备信息获取端对OPC UA服务器地址空间中的现场设备相关节点信息进行获取的。
6.根据权利要求1所述的一种基于语义与OPC UA的现场设备信息管理系统，其特征在于：在所述语义推理和查询模块中，语义推理是基于语义规则进行推理，语义查询是使用RDF的标准查询语言SPARQL进行查询。
7.根据权利要求3所述的一种基于语义与OPC UA的现场设备信息管理系统，其特征在于：所述设备备件的基本信息包括备件编号、名称、型号规格、适合设备及型号，所述设备操作人员的基本信息包括员工工号、姓名、所属部门和员工操作权限基本信息。
8.根据权利要求1所述的一种基于语义与OPC UA的现场设备信息管理系统，其特征在于：所述设备相关的RDF语义数据和本体模型存储于语义图形数据库中。
9.根据权利要求1所述的一种基于语义与OPC UA的现场设备信息管理系统，其特征在于：所述制造厂商信息包括厂家地址、电话、邮编、帐号和开户银行信息。
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说 明 书
一种基于语义与OPC UA的现场设备信息管理系统
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技术领域
[0001]本发明属于语义网和工业物联网的结合领域，涉及一种基于语义与OPCUA的现场设备信息管理系统。
背景技术
[0002]在传统的工业过程控制中，为了实现对底层设备的状态采集，往往要针对每个种类的现场设备开发对应的驱动程序来访问该类设备，不同种类的设备之间使用不同的驱动程序，由于企业使用的现场设备种类繁多，这样便不能满足实际的工作需要，不但使整个系统的开发变得复杂繁琐，而且使开发周期延长，开发效率降低。因此，需要建立一套被业界所接受的数据交换标准来规范驱动程序的开发以解决开发中的这一瓶颈问题。[0003]在制造资源中，设备是人员和物料的结合点，是具体的物化中心。设备管理系统承担着管理车间生产制造设备的任务。设备管理需要通过数据采集进行数据交流，获取底层的数据信息，对设备进行计划性的保养和维修用以保证设备的正常运转。同时，设备管理系统可以向其它系统提供与设备相关的数据支持，对其它系统起着促进、保障和制约作用，直接影响企业的生产与经营活动。随着制造行业的发展，企业对设备管理将提出更高的要求。发明内容
[0004]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于语义与OPCUA的现场设备信息管理系统，以解决在数据交换过程中缺少互操作性，在工厂级各种设备之间缺少一个统一标准接口，在软件和硬件之间存在异构性而形成系统信息和用户之间的“信息孤岛”问题；设备生产状态信息延时、错误问题；设备基本信息、保养记录信息、维修记录信息等关联表的复杂设计问题。实现现场设备状态信息实时采集以及设备状况信息智能化管理。[0005]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006]一种基于语义与OPCUA的现场设备信息管理系统，该系统的整体架构包括感知层、网络层、语义层和应用层；
[0007]所述感知层包括底层不同地点、不同网络、不同生产厂商的现场设备与OPCUA服务器，通过OPCUA服务器对底层现场设备运行状态信息进行实时采集；[0008]所述网络层包括OPCUA访问的各种网络系统；[0009]所述语义层包括OPCUA设备信息获取端、设备信息管理领域知识本体模型、设备信息语义化标注模块、语义推理和查询模块、本体数据库和语义规则文件；其中，所述OPC UA设备信息获取端是对现场设备的运行状态信息进行获取，为下一步设备信息语义化标注提供实时数据；所述设备信息化管理领域知识本体模型是设备信息化管理领域共享概念模型的形式化规范说明；所述设备信息语义化标注模块是将OPC UA设备信息获取端获取的状态信息转换为RDF语义数据，再通过设备本体与设备操作人员本体将语义数据属性进行扩展；所述语义推理和查询模块用于处理应用层的查询和推理请求；所述本体数据库用于存放设备相关的本体模型和语义数据；所述语义规则文件用于存放与设备管理所需推理相关的规
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则；
所述应用层包括设备运行状态管理模块、设备操作人员管理模块、设备台账管理
模块、设备备件管理模块、设备保养管理模块、设备维修管理模块；其中，所述设备运行状态管理模块是对设备运行状态进行监测，通过设定参数的上下限对设备的异常状态进行报警，自动记录设备运行参数和停机时间；所述设备操作人员管理模块提供全体设备操作人员的基本情况，实现分类查询，按条件查询；所述设备台账管理模块是指对设备的编号、设备类型、型号规格、制造厂商、设备用途、出厂编号日期、启用时间和使用年限基本信息进行添加、删除和查询管理，以便在需要时能迅速与厂家取得联系，将设备的各类原始信息进行信息化管理，使设备信息查询工作方便快捷，并为设备全生命周期的管理提供基础数据；所述设备备件管理模块分为备件台帐管理和出入库管理两部分，备件台帐管理是管理备件的基本信息，出入库管理是对备件的存储、使用和库存数量进行管理和记录；所述设备保养管理模块是根据每台设备各自的运行状况，自动提醒何时应该进行何种维护；设备维护记录是在数据库中记录保持整洁、及时察看、做好润滑和防腐防漏设备维护工作的相关信息；所述设备维修管理模块是通过对设备的检查，修理和更换己经磨损、腐蚀的零件或部件，修复由于正常或不正常原因而引起的设备故障，使设备的性能得到恢复，设备维修记录是记录设备维修过程中的维修时间、维修部件和损坏原因信息，自动进行维修任务提醒，详细记录设备维修过程中的各类信息。[0011]进一步，所述不同网络包括现场总线网络、6LoWPAN网络、802.15.4网络等。[0012]进一步，语义化标注所需要描述的属性包括设备基本信息、设备状态信息、设备维修信息、设备保养信息、设备故障信息、设备操作人员信息和设备备件基本信息。[0013]进一步，所述OPC UA访问的各种网络系统包括：以太网、LAN、工业以太网等。[0014]进一步，所述设备运行状态信息是通过OPC UA设备信息获取端对OPC UA服务器地址空间中的现场设备相关节点信息进行获取的。[0015]进一步，在所述语义推理和查询模块中，语义推理是基于语义规则进行推理，语义查询是使用RDF的标准查询语言SPARQL进行查询。[0016]进一步，所述设备备件的基本信息包括备件编号、名称、型号规格、适合设备及型号。所述设备操作人员的基本信息包括员工工号、姓名、所属部门和员工操作权限基本信息。
[0017]进一步，所述设备相关的RDF语义数据和本体模型存储于语义图形数据库中。[0018]进一步，所述制造厂商信息包括厂家地址、电话、邮编、帐号和开户银行信息。[0019]本发明的有益效果在于：本发明将现场设备数据信息提升到语义层面，实现了数据到信息到知识的转变，能够以一种机器可理解的形式实现设备信息管理服务。利用OPC UA保证了自动化控制应用程序和区域系统设备之间的互用，为工业控制领域提供了一种标准的数据访问机制，它能够将来自不同地点、不同网络、不同生产厂商的设备数据信息进行有效集成，降低了管理难度和业务实现难度。同时利用语义网技术，使用本体对现场设备及其管理相关领域的概念知识和层次关系进行语义描述，经过语义化标注、语义推理及语义查询可得到领域内较为丰富的语义知识。将两者进行结合可实现设备信息的智能化管理服务。
[0010]
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附图说明
[0020]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
[0021]图1为本发明基于语义与OPC UA的现场设备信息管理系统架构图；[0022]图2为本发明中现场设备集成实时数据采集结构图；[0023]图3为本发明中OPC UA设备信息获取的软件结构图；[0024]图4为本发明中设备管理系统功能模块划分图。
具体实施方式
[0025]下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。[0026]如图1所示，基于语义与OPC UA的现场设备信息管理系统架构图，该架构图包括以下几个部分：[0027](1)感知层。感知层包括底层不同地点、不同网络、不同生产厂商的现场设备与OPC UA服务器，可通过OPC UA服务器对底层现场设备进行集成并对设备运行状态信息进行实时采集、传输，不同网络包括现场总线网络、6LoWPAN网络、802.15.4网络等。[0028](2)网络层。网络层包括OPC UA访问的各种网络系统，包括：以太网、LAN、工业以太网等，将采集到的设备状态信息经网络层的各种网络系统传输到上层。[0029](3)语义层。语义层包括OPC UA设备信息获取端、设备信息管理领域知识本体模型、设备信息语义化标注模块、语义推理和查询模块、本体数据库和语义规则文件。其中OPC UA设备信息获取端使用德国Unified Automation公司提供的基于Java的开发工具包OPC UA SDK，该开发工具包建立在UA通信栈之上，可减少开发工作量。设备信息管理领域知识本体模型使用TopBraid Composer本体建模软件构建，定义了现场设备管理领域知识共享概念模型的形式化规范说明。设备信息语义化标注模块是将OPC UA设备信息获取端获取的状态信息转换为RDF语义数据，再通过设备本体与设备操作人员本体将语义数据属性进行扩展。语义推理和查询模块用于处理应用层的查询和推理请求。使用AllegroGraph图形数据库作为本体数据库并且用来存储RDF语义数据。[0030](4)应用层。应用层包括设备运行状态管理模块、设备操作人员管理模块、设备台账管理模块、设备备件管理模块、设备保养管理模块、设备维修管理模块。设备运行状态管理模块通过语义化标注和语义推理来实现；设备操作人员管理模块通过本体描述和语义查询来实现；设备台账管理模块通过本体描述和语义查询来实现；设备备件管理模块通过本体描述和语义查询来实现；设备保养管理模块通过语义推理、语义查询和本体实例更新来实现；设备维修管理模块通过语义推理、语义查询和本体实例更新来实现。
[0031]上述现场设备信息管理架构中设备信息管理领域知识本体模型包括如下几个本体属性模型：[0032](1)设备基本信息本体属性包括:设备ID、设备名称、设备型号、设备系统、所属部门ID、生产厂家、购买口期、随机技术资料ID、设备长、设备宽、设备高、主轴转速范围、定位精度等。[0033](2)设备状态信息包括的基本数据属性有:设备ID、设备名称、设备状态、当前加工
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零件号、加工开始时间、加工结束时间等。[0034](3)设备故障信息本体属性包括:故障序号、设备ID、故障部位、故障原因、故障开始时间、故障结束时间、报修人ID、报修人姓名、备注等。[0035](4)设备保养信息本体属性包括:维护序号、设备ID、维护类型、维护内容、维护日期、维护开始时间、维护结束时间、维护人ID、维护人姓名、录入日期、录入人ID、录入人姓名、备注等。[0036](5)设备维修信息本体属性包括:维修序号、设备ID、维修原因、维修类型、维修日期、维修开始时间、维修结束时间、维修人ID、维修人姓名、录入日期、录入人ID、录入人姓名、备注等。[0037](6)设备操作人员信息本体属性包括：员工工号、姓名、性别、所属部门、电话、邮件、家庭住址、员工操作权限等。[0038](7)设备备件基本信息本体属性包括：备件编号、名称、型号规格、适合设备及型号等。
[0039]如图2所示为现场设备集成实时数据采集的结构图，OPC UA将直接来自于设备层的现场数据和设备信息通过OPC UA服务器转换为支持OPC UA协议的数据，从而实现数据通信的一致性。OPC UA服务器与现场设备之间通过现场总线、6LoWPAN网络、802.15.4网络、工业以太网等进行连接。[0040]如图3所示为OPC UA设备信息获取的软件结构图，OPC UA设备信息获取端通过使用OPC基金会提供的软件开发工具包(SDK)和UA通信栈实现了彼此之间的通信。OPC UA软件开发工具包(SDK)建立在UA栈之上，目的是减少UA应用程序的开发工作。OPC UA客户端SDK提供的功能主要包括以下内容：[0041](1)提供包括通信基于UA TCP和SOAP/HTTP的OPC UA通信，如作为客户端进行连接操作；[0042](2)提供安全模型功能，如签名、加密等；[0043](3)提供浏览地址空间，读、写节点属性，订阅数据改变和属性等相关服务的接口。[0044]如图4所示为设备管理系统功能模块划分图，根据基于语义与OPC UA的现场设备信息管理的系统分析，从功能上划分为六大功能模块，分别为设备运行状态管理模块、设备操作人员管理模块、设备台账管理模块、设备备件管理模块、设备保养管理模块、设备维修管理模块。系统中的各个功能模块具有相对的独立性，能完成其指定的功能，同时各个模块之间又能通过数据库中的数据信息紧密的联系在一起，构成完整的设备信息管理系统。[0045]上述的处理实施方法均按照模块化处理原则进行，最大限度地保障了各个功能模块的稳定运行。本说明书中未做详细探讨的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
[0046]最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
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