ExtruOnt——为工业 4.0 系统描述制造机械类型的本体

概述

论文地址 :https://arxiv.org/abs/2401.11848
原文地址:https://ai-scholar.tech/articles/ontology/ExtruOnt

在工业 4.0 应用场景中,以机器可解释代码提供的、语义丰富的制造机械描述可以得到有效利用。然而,目前显然还缺乏这样的描述。本文介绍了构建本体(名为 ExtruOnt)的开发工作,该本体用于描述一种制造机械,更确切地说,是一种执行挤压工艺(挤压机)的制造机械。虽然本体的范围仅限于一个具体领域,但它可以作为一个模型,用于开发其他本体,以描述工业 4.0 场景中的制造机械。ExtruOnt 本体中的术语指的是与挤压机相关的不同类型信息,它们反映在构成本体的各个模块中。因此,本体包含的类和属性代表了对挤压机组件、空间连接、特征、组件的三维表示法以及用于获取此类机器性能指标的传感器的描述。本体论的开发过程是与相关领域的专家密切合作完成的。

介绍

被称为第四次工业革命(工业 4.0)的制造业出现了各种倡议和战略。这些举措旨在收集有关产品历史、状况、质量和特性的数据,并应用制造智能来利用这些数据。这为制造商创造了重要的商机。

要正确设计和实施这些举措,就必须在机电一体化、制造战略、知识型员工以及建模、模拟和预测方法与工具的使用方面做出创新努力。

特别是从建模的角度来看,我们发现缺乏对可访问、可互操作和可重复使用的制造机器的适当描述。因此,作者开发了本体 ExtruOnt,详细描述了一种名为挤压机的真实制造机器类型。

ExtruOnt 本体论包含挤压机主要部件的术语、它们的空间连接、特征、三维表示法和传感器,可捕捉这类机器的性能。开发环境中构建的。

ExtruOnt 与 DUL 本体、MASON 本体和 SAREF4INMA 等现有本体一致。它还重复使用了 GeoSPARQL、OM 和 3DMO 等本体中的术语。

相关研究

在文献中可以找到多个与制造业相关的本体。这些本体的定义目的各不相同,描述了与制造业相关的不同类型信息。

PSL 本体包含表示制造流程的基本概念。活动、活动发生、时间点和对象等概念被定义为制造流程的基本要素。

MASON 本体论是一种高级本体论,用于表示制造领域的核心概念(产品、流程和资源)。它定义了产品、制造操作和制造资源的基本类别。

SIMPM 本体论是一种高级本体论,用于模拟制造流程规划的基本约束条件。它包含与制造活动、资源、时间和聚合相关的概念。

MaRCO 本体论定义了制造资源的功能。定义的类代表单一功能(如固定、切割)和复杂功能(如取放、移动和释放)。

MSDL 本体可用于描述制造服务。它包括制造服务、提供商、制造能力、制造资源和制造流程等概念。

P-PSO 本体论考虑了制造领域的三个方面:物理、技术和控制。本体定义了组件、操作和控制器等概念。

OntoSTEP 本体论主要用于描述产品的几何信息。它可以描述产品的形状、尺寸和位置。

MCCO 本体侧重于产品生命周期设计和生产领域之间的互操作性。它包括制造流程、制造设施、制造资源和特征等概念。

SAREF4INMA 本体旨在促进与工业标准的互操作性。其中定义了制造设备、工厂、产品和材料类别等概念。

其中一些本体包含通用的工业机械概念,但需要进一步专业化和特征化,以详细描述和描述特定的工业机械类型;ExtruOnt 本体就是为此目的而建立的。

开发 ExtruOnt 本体论

在开发 ExtruOnt 本体时,我们选择了 NeOn 方法,因为该方法考虑到了本体构建的不同情况,并为本体构建活动提供了详细的指导原则,这些原则被认为非常适合 ExtruOnt 的要求。

ExtruOnt 的开发过程遵循 NeOn 方法论的 6 阶段 + 合并阶段瀑布式本体网络生命周期模型(图 1)。每个阶段的概述如下:…

图 1:使用 ExtruOnt 模块显示的 6 阶段 + 合并阶段瀑布式本体网络生命周期模型和场景、活动。

发射阶段

本体需求规范(ORSD)的制定是为了确定 ExtruOnt 的目的、范围和能力问题。 ORSD 描述了 ExtruOnt 的目的、范围、目标用户、预期用途和功能要求(能力问题)。能力问题分为五组:关于挤压机组件的问题、组件之间的空间连接、组件的特征、组件的三维表示法和捕捉组件性能的传感器。

回收阶段

我们搜索了现有的本体论和非本体论资源,并将其用于构建 ExtruOnt 的每个模块。文献和用于描述组件,GeoSPARQL 用于表示空间关系,OM 本体用于描述特征,X3D/3DMO 用于三维表示,SOSA/SSN 本体用于描述传感器。

合并阶段

与 DUL、MASON、SAREF4INMA 等高级本体论保持一致。ExtruOnt 重用了这些高级本体论中的概念,以确保互操作性。

重新设计阶段

从非本体资源中提取概念模型,并将其转换为本体。文献中有关挤出机组件、特征和传感器的知识被定义为本体概念。

设计

模块化有利于本体的开发、重用和维护。它还符合 ORSD 分析得出的五个维度的方法。因此,ExtruOnt 由五个模块组成。这种模块化方法使 ExtruOnt 成为一个灵活、可扩展的本体。每个模块都可以独立开发、重复使用和维护,并可用于开发新制造机器类型的本体。

实施阶段

ExtruOnt 以 OWL 2 DL 编写,用 Protégé 实现,由五个模块组成。

维护

维护阶段目前正在进行中。如果发现错误,将根据瀑布本体网络生命周期模型在设计阶段进行修正。这一维护过程可确保 ExtruOnt 与时俱进,灵活应对制造业的变化。与领域专家的持续合作也确保了 ExtruOnt 的增强和改进。

因此,ExtruOnt 的开发过程遵循了 NeOn 方法论的指导方针,ExtruOnt 的每个模块都是在最大限度地利用现有本体论和领域知识的基础上设计和实施的。通过这一开发过程,ExtruOnt 成为了一个充分覆盖挤压机领域并具有高质量设计的本体。

ExtruOnt 本体论的模块。

ExtruOnt 本体由五个模块组成,用于详细描述挤压机。这些模块旨在表示挤压机的不同方面。

图 2:ExtruOnt 本体图显示了对其他领域本体术语的重复使用。

组件4ExtruOnt

本模块介绍挤压机的主要组件。具体来说,它包括驱动系统、喂料系统、螺杆/机筒/加热系统、机头/模具组件和控制系统等概念。这些组件之间的关系是使用 PartOf 本体设计模式定义的。该模块还与 SAREF4INMA 的 ProductEquipment 和 MASON 的 Machine-tool 等更高层次的本体一致。

图 3. 挤压机的组件。

spatial4ExtruOnt

该模块表示挤压机组件之间的空间关系:除了 RCC8 关系等标准空间关系外,还定义了自定义空间关系属性。GeoSPARQL 本体用于表示这些空间关系。此外,还确保了与 DUL 的物理对象(PhysicalObject)的一致性。

图 7. RCC5 和 RCC8 之间的关系。

OM4ExtruOnt

该模块表示挤压机组件的特性。具体来说,它包含有关尺寸、运行条件和生产率的信息。在表示这些特征时,重新使用了 OM 本体的部分内容。

图 11:电机特性电压测量值定义示例。    

3D4ExtruOnt

该模块表示挤压机部件的三维模型和位置;3DMO 本体论被重新使用,以实现挤压机的详细三维表示。

图 13:挤压机部件的三维表示法。

传感器4外部

该模块表示捕捉挤压机性能的传感器及其观测数据;重新使用了 SOSA/SSN 本体,并添加了挤压机领域的特征。

图 15. sensors4ExtruOnt 模块节选,显示了与传感器有关的一些类和属性。

这些模块旨在充分利用现有本体,同时确保挤压机领域的特征得到充分体现。这种模块化方法使 ExtruOnt 成为一个灵活、可扩展的本体。

评价与总结

评估从两个方面进行:领域覆盖和设计质量。在领域覆盖方面,对文献资料进行了全面分析,以确定 ExtruOnt 的覆盖范围。在设计质量方面,使用了本体度量、常见设计陷阱检测和开发过程中定义的评估标准应用等方法。三类不同的利益相关者(ExtruOnt 机器制造商的研发主管、IBDS 提供商和本体论专家)也进行了评估。
本文介绍了 ExtruOnt 本体论,该本体论对工业 4.0 场景中的制造机器进行了详细描述。ExtruOnt 提供了一种名为挤压机的特定制造机器类型的物理表示,以及一种用于描述从其传感器收集的数据的参考模型。ExtruOnt 包含有关挤压机组件、其空间连接、特征、三维表示和传感器的信息,这些信息可以捕捉到这类机器的性能。ExtruOnt 的主要贡献在于可重用性、空间连接的代表性以及对基于本体的系统的应用。以及开发基于本体的可视化查询和推荐系统的基础。未来的挑战包括持续维护和开发以 ExtruOnt 为核心的软件产品。

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