征求意见稿-企业研发制造资源共享 第1部分：科学仪器和生产设备信息模型

3T/BIAIMXXXX—20XX企业研发制造资源共享第1部分：科学仪器和生产设备信息模型本文件规定了科学仪器和生产设备的信息资源属性分类、信息模型属性关系、信息模型抽象关系、信息模型定义扩展、科学仪器和生产设备的OPCUA规范以及一致性映射。本文件适用于仪器设备共享平台用户对科学仪器和生产设备信息模型的建模。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T40209-2021制造装备集成信息模型通用建模规则GB/T33863.3-2017OPC统一架构第3部分：地址空间模型GB/T33863.5-2017OPC统一架构第5部分：信息模型3术语和定义GB/T40209-2021、GB/T33863.3-2017以及GB/T33863.5-2017界定的术语和定义适用于本文件。3.1信息模型informationmodel对给定的制造装备信息资源进行定义、描述和关联的组织框架。3.2属性attribute组成组件、属性集、设备的基本元素。3.3引用reference事物之间关系的表示。3.4地址空间AddressSpace作为一个容器存储了OPCUA服务器中所有设备信息、数据以及服务接口，是信息交换的基础结构。4缩略语下列缩略语适用于本文件。DI：数字量输入（DigitalInput）AI：模拟量输入（AnalogInput）DO：数字量输出（DigitalOutput）AO：模拟量输出（AnalogOutput）OPCUA：开放平台通信统一架构（OpenPlatformCommunicationUnitedArchitecture）XML：可扩展标记语言（ExtensibleMarkupLanguage）ODIR：数据信息语义描述（OntologyDataInformationRepresentation）DA：数据采集模块（DataAcquisition）A&E：报警与实践管理（AlarmandEvents）HA：高可用性模块（HighAvailability）CPS：信息物理系统（CyberPhysicalSystem）RDF：资源描述框架（ResourceDescriptionFramework）4T/BIAIMXXXX—20XXOWL：网页本体语言（WebOntologyLanguage）HMI：人机接口（HumanMachineInterface）5总体要求科学仪器和生产设备的信息建模应基于统一的本体建模原则，旨在提供完整、灵活且可互操作的仪器和设备资源描述。建模过程需要综合考虑仪器和设备的基本属性、能力、状态及配置等核心要素，并将其纳入OPCUA信息模型，以实现资源的数字化和语义化。6科学仪器信息资源属性分类本文件将科学仪器信息资源分为3类，包括静态属性、过程属性和方法组件属性，具体属性分类见表1。表1科学仪器信息资源属性分类表/7生产设备信息资源属性分类结合生产设备与仪器设备共享平台数据交换特点，本文件将生产设备信息资源分为9类，包括静态属性、过程属性、配置属性、控制器组件属性、驱动器组件属性、传感器属性、末端执行器属性、扩展组件属性、方法组件属性，具体属性分类见表2。表2生产设备信息资源属性分类表源开关、运动模式、采集指令、控制指令、执5T/BIAIMXXXX—20XX/8信息模型属性关系信息资源属性之间的关系如图1所示,仪器和设备包括组件、属性集、方法集,组件可包含属性集、子组件以及方法集,属性集由属性和子属性集组成,属性由属性元素组成。6T/BIAIMXXXX—20XX图1信息模型元素之间的关系9信息模型抽象关系科学仪器和生产设备如数控机床、机器人等是由若干部件、物理属性以及各类操作组成的，每个部件又可包含其他子部件和物理属性,因此应定义相关的信息模型元素对制造装备进行抽象和描述。本文件定义了属性元素、属性、属性集、组件、组件集、设备、方法、方法集、引用信息模型元素,信息模型元素与制造，科学仪器和生产设备的抽象关系，如图2所示。7T/BIAIMXXXX—20XX图2信息模型抽象关系10信息模型定义扩展10.1科学仪器信息资源属性扩展在对科学仪器本体信息资源进行分类后，可归纳仪器使用过程中与科学仪器相关的任务信息，同时可将其纳入OPCUA信息模型，科学仪器的任务属性可扩展为：a)任务ID；b)任务类型；c)任务名称；d)样品名称；e)人物列表；f)任务状态；g)任务优先级；h)任务参数；i)任务时间信息；j)任务存储路径；k)任务依赖关系。10.2生产设备信息资源属性扩展在对生产设备本体信息资源进行分类后，可归纳生产过程中与生产设备相关的任务信息，同时可将其纳入OPCUA信息模型，生产设备的任务属性可扩展为：a)任务ID；b)任务类型；c)任务名称；8T/BIAIMXXXX—20XXd)物品名称；e)重量；f)任务列表；g)当前任务；h)任务存储路径；i)任务状态。11科学仪器和生产设备的OPCUA规范11.1节点模型11.1.1概述OPCUA系列标准规范由十三部分组成，内容包含地址空间、与OPC规范的衔接应用、OPCUA发现机制和聚合数据的方法，其中第一至七部分描述了OPCUA建模相关内容，包括OPCUA空间模型的结构和操作地址空间的服务。基于OPCUA的节点模型图如图3所示。图3节点模型图11.1.2节点引用OPCUA的地址空间由标准化的节点组成。如图4所示，节点根据不同用途可分为不同的节点类，这八种节点类均继承于基节点，对象、变量和方法是OPCUA中最重要的节点类。节点属性包含通用属性、对象、变量属性、方法、对象类型或者引用类型，一个节点类属于节点属性中的一个或多个。节点属性、主要节点类和节点之间的引用按照GB/T33863.3-2017、GB/T33863.5-2017的规定。说明如下：——变量节点一方面具有节点属性和引用的功能，另一方面变量节点值可以被OPCUA客户端读取、写入和订阅。按照GB/T33863.5-2017中第7章的规定。——OPCUA服务器中含有方法节点，该方法允许客户端调用并可以响应生产设备，并且具有输入和输出参数，但是OPCUA服务器中的方法节点仅可提供方法签名。按照GB/T33863.5-2017中第9章的规定。9T/BIAIMXXXX—20XX——对象节点也是OPCUA的单位之一，用来封装对象实例的数据和活动，可拥有分组管理变量、方法或者其他对象，按照GB/T33863.5-2017中第6章的规定。——引用描述两个节点之间的关系。引用不包含任何属性，但有相应的类型和连接语义，因此引用本身也具有明确的语义。图4节点继承关系11.1.3节点属性节点的通用属性主要包括显示名称、描述、浏览名称、节点类型、节点标识、写掩码、用户写掩码等，一般意义上的节点属性可按照GB/T33863.5-2017中第5章的规定，见表3。表3节点的通用属性值11.2地址空间模型地址空间模型的管理逻辑应涵盖多个层次，将分散的设备抽象成统一的逻辑节点，并通过服务接口将节点提供给客户端访问。地址空间结构如图5所示，对于地址空间的管理，应创建图中五种管理容器，各部分功能和作用说明如下：——节点管理：节点是地址空间的基本单元，应包括变量节点、方法节点、对象节点等类型。节点管理负责维护节点的组织结构及其关联关系，如父子节点的层次关系和节点的引用。节点通过唯一的NodeID进行标识，NodeID在设备管理中起到唯一性和可识别性的作用，每个设备节点被抽象为一个逻辑单元，与物理设备形成映射；——访问管理：访问管理模块负责客户端对节点的操作控制，包括读取、写入、订阅等操作。通过OPCUA协议定义的服务接口，客户端可以访问节点的属性、数据值及其状态。访问管理与数据管理模块应紧密耦合，确保设备数据能够被实时访问、监控和更新；T/BIAIMXXXX—20XX——订阅管理：为了支持动态信息的传递，订阅管理模块应允许客户端订阅某些节点的变化。订阅功能支持以数据驱动的方式，及时向客户端推送设备的实时状态和关键数据。在生产设备的管理中，订阅管理应支持监控设备的运行状态，如运行异常时及时生成报警信息；——数据管理：数据管理模块负责存储和处理节点数据，包括设备的静态信息（如描述、型号）和动态数据（如运行状态、传感器值）。数据管理模块应与外部设备数据接口紧密结合，提供对数据的统一管理；——视图管理：视图管理应为客户端提供可定制的逻辑视图，允许根据不同需求访问地址空间的一部分。例如，为不同类型的设备创建单独的逻辑分组，使特定应用可以专注于某些特定功能，并结合节点的分层结构，为科学仪器和生产设备提供多维度的信息访问能力；——服务整合：地址空间模型作为核心容器，连接节点管理、数据管理、访问管理和订阅管理，应为外部系统和客户端提供统一的接口服务。针对科学仪器和生产设备，可以通过地址空间实现远程监控、预测性维护和数据分析。图5地址空间模型11.3对象模型物理设备应被抽象化为对象存储在地址空间之中。对于相同类型的设备（如多台光谱仪或多个焊接机器人），信息模型设计时应通过类型定义复用，避免重复建模。对象、变量和方法的关系如图6所示。T/BIAIMXXXX—20XX图6对象、变量和方法的关系12一致性映射12.1统一本体资源建模根据本体的构建原则、构建本体模型的指导方法，本文件规定了科学仪器和生产设备的统一本体模型，指导完成科学仪器和生产设备的统一调度管理。如图7所示，科学仪器和生产设备资源分类统一模型的本体描述主要包括基本属性类（Basis）、能力属性类（Capacity）、状态属性类（Status）和配置属性类（Configuration）。在此架构的基础上，应对各个类的详细属性分析，细化模型。说明如下：——Basis是科学仪器和生产设备的基本属性，包括科学仪器/生产设备名称、ID、IP地址等信息；——Capacity是科学仪器/生产设备可完成任务能力，对应科学仪器/生产设备功能，包括科学仪器/生产设备的结构信息structure，表示科学仪器/生产设备的物理参数模型（例如科学仪器/生产设备三维模型尺寸、机构自由度等信息）。功能和结构在任务规划过程中是任务分配的依据；——Status包括科学仪器/生产设备的任务状态、运行状态和动作状态等，在任务分配时作为科学仪器/生产设备调度的参考信息；——Configuration包括动力学模型、协作身份等配置信息，可对科学仪器/生产设备进行配置，其中evaluate表示科学仪器/生产设备的资源评价效率，为科学仪器/生产设备的调度排序、运维检测提供参考。T/BIAIMXXXX—20XX图7科学仪器和生产设备资源分类统一本体模型12.2OPCUA服务器设计规则12.2.1概述T/BIAIMXXXX—20XX科学仪器和生产设备的功能包括处理数据层组合OPCUA服务器的访问请求与数据交互，连接HMI设备以进行现场设备可视化，以及将设备包括的子部件对象模型映射到OPCUA服务器的地址空间中。同时实现控制程序对地址空间节点的读写，订阅等功能。本文件对OPCUA服务器的设计规则进行了详细描述。12.2.2OPUUA服务器初始化在设计OPCUA服务器时，应初始化服务器的配置，并指定配置属性，包括服务器创建、MDNS发现、节点存储信息、网络号和端口、节点调用生命周期、访问控制、证书验证等。服务器创建的流程如图8所示。图8创建服务器流程12.2.3OPCUA服务器运行服务器启动的流程如图9所示，服务器首先应判断状态是否可以运行，然后启动网络层的监听，并记录服务器启动时间。T/BIAIMXXXX—20XX图9服务器启动流程12.3本体模型与信息模型映射12.3.1模型概念映射规则本文件定义了基于本体的信息模型向基于OPCUA的信息模型的转化规则，模型概念映射规则如下：a)描述本体共同特征资源的类被抽象为OPCUA建模规则中的基节点；b)描述两个类实例间的关系被抽象为OPCUA建模规则中的引用；c)所有本体类的属性均转化为OPCUA中的对象类型，所有属性类型为变量的都转化为OPCUA中的变量类型，所有属性类型为方法的都转化为OPCUA中的方法；d)所有本体中属性的约束可转化为OPCUA中的视图；e)类中的一个特定实例的对象和变量分别为OPCUA中的对象和变量。本体资源模型通常通过OWL或RDF等格式表达，映射为OPCUA的信息模型应执行以下操作：——语义转换：将本体模型中的类与属性转换为OPCUA的节点及其特性。例如，类被映射为对象类型，类之间的关系被映射为引用；——约束表达：本体中的约束关系，如属性值范围或依赖关系，映射为OPCUA中的视图，以层次化表达相关资源；——动态节点生成：根据本体中实例的动态变化，实时更新OPCUA地址空间中的节点对象和变量，确保设备资源状态的同步。12.3.2模型信息映射规则基于本体的信息模型可以对科学仪器/生产设备资源属性等信息进行语义表达，科学仪器和生产设备OPCUA的信息模型映射到本体模型的ODIR模型参数说明如下：a)Server表示OPCUA某节点所在的服务器地址。在客户端连接多个服务器的情况下，根据Server值，可以唯一确认属性值归属的科学仪器/生产设备；b)NodeID表示OPCUA服务器地址空间中的节点ID号。节点与NodeID一一对应,根据NodeID,可以确定服务器地址空间中的节点的位置；T/BIAIMXXXX—20XXc)DisplayName表示地址空间中的节点在客户端的展示名称；d)DataType表示地址空间中节点变量值的数据类型；e)Value表示地址空间中节点变量的数据值；f)Time表示地址空间中节点值产生的时间；g)StatusCode表示地址空间中节点的状态。在科学仪器/生产设备的运行过程中，基于OPCUA协议生成的数据需要转换为本体模型以支持语义推理，并需完成以下操作：——数据语义化：将OPCUA的节点数据（如变量值和状态信息）映射为本体中的属性值，并根据NodeID及Server属性，生成语义化资源描述；——关系更新：依据OPCUA引用结构更新本体模型中的实体关系，例如实时反映设备组件间的交互状态；——多源数据融合：从多个OPCUA服务器获取的设备数据，通过本体模型整合为统一的语义图谱，以支持跨系统资源的语义分析。12.3.3OPCUA到本体的设备信息映射流程OPCUA模型信息映射为本体设备信息的流程框架如图10所示，具体如下：a)设计OPCUA信息模型，首先应基于科学仪器或生产设备的功能和资源特性，构建一个层次化的模型，全面描述设备及其资源的属性。设计过程包括：1)定义XML-Nodeset文件：该文件用于定义设备信息模型的结构，并指定每台设备的服务器地址（Server）以便唯一标识设备所属的服务器；2)节点ID分配：为每个节点分配唯一的NodeID，确保节点在OPCUA服务器的地址空间中具有唯一标识；3)属性名称设置：为每个节点通过DisplayName指定直观的属性名称；4)数据类型定义：根据设备特性设置节点的DataType，描述节点变量值的数据类型（如整数、浮点型、字符串等）。b)信息模型实例化，设计完成的OPCUA信息模型需加载到OPCUA服务器中实例化，服务器根据模型动态创建地址空间，并映射模型中各节点的层次关系。具体流程如下：1)创建服务器地址空间：服务器根据模型定义动态创建地址空间，并设置节点之间的层次关系；2)实时数据更新：在服务器运行时，节点的变量值（Value）应实时更新，以反映设备的运行状态；3)时间戳记录：每次数据更新时，系统会自动记录更新时间戳（Time），确保数据的时效性；4)状态标识：每个节点的状态（StatusCode）通过状态码标识（如“正常”、“警告”或“故障”），为后续语义分析提供支持。c)从OPCUA服务器读取地址空间并生成OWLFull，在实例化后的服务器中，客户端通过OPCUA协议连接到服务器，读取其地址空间中的所有节点及其相关属性（如DisplayName、Value、Time、StatusCode等），读取的节点信息将依据预定义的映射规则转换为OWLFull格式；d)OWLFull存储到QuadStore中，QuadStore中的条目包括Server和NodeID信息，这些信息帮助明确节点数据的来源，最终确保与原始OPCUA模型的映射关系明确且可追溯；e)定义并执行SPARQL转换规则，根据目标本体的结构，定义SPARQL转换规则，将QuadStore中的OWLFull表示转换为目标本体模型（如ODIR模型）。过程包括：1)模型映射：根据OPCUA模型结构和目标本体结构的映射规则，将OPCUA节点与本体模型中的实体和关系对应；2)语义转换：将节点的DisplayName、Value、StatusCode等信息转化为目标本体中的语义表达，以确保转换后的模型精确反映领域特定信息；f)生成目标本体并存储，执行SPARQL转换规则后，QuadStore中的目标本体模型将：1)保留OPCUA信息模型的语义结构：生成的本体模型应能够保留OPCUA信息模型的原始语义结构；T/BIAIMXXXX—20XX2)扩展领域特定语义：本体模型应加入如设备性能指标、故障诊断信息等领域特定的语义信息，以便于设备的智能管理和分析。g)访问生成的本体并进行推理，用户通过SPARQL查询语言访问生成的目标本体模型，并基于设备信息的语义描述获取有价值的数据。过程包括：1)查询本体数据：用户通过查询如DisplayName等属性，获取特定节点的当前值或设备状态；2)结合时间与状态分析：通过结合Time和StatusCode，用户可以推断设备是否需要维护或是否出现故障；3)推理和智能分析：利用推理引擎，可以根据本体模型推导新的语义关系，例如设备间的协作关系，或通过设备数据发现潜在的故障模式。图10OPCUA到本体的模型信息映射12.3.4本体到OPCUA的设备信息映射流程从本体信息模型映射回OPCUA信息模型的流程框架如图11所示，具体如下：a)定义本体信息模型，本文件规定本体信息模型通过OWL语义格式描述，符合科学仪器和生产设备系统特征的本体信息模型包括定义各类设备属性、功能、状态和结构信息等：1)模型定义：应确定本体模型的类和属性，并为每个类和属性定义适当的语义关系（例如设备、传感器、执行器等类别，以及其属性如状态、控制参数等）；2)创建OWL模型：使用OWL表示设备和系统的本体结构，明确每个组件的关系、功能和数据类型。b)本体模型实例化，本体模型定义后，需要实例化以形成具象的设备数据。本体实例化过程如1)实例化本体：加载本体信息并实例化，如根据设备的实际配置，填充设备、传感器、执行器等实体的实例数据；2)创建属性实例：每个设备实例需要对应其在本体中的属性值，如状态、任务、工作模式c)从本体模型到OPCUA模型的转换，将本体中的设备和属性信息转化为OPCUA节点信息。映射规则的定义应将本体模型中的类、属性、实体等与OPCUA模型中的对象、变量和方法进行一一映射：1)节点创建：为每个本体实例创建OPCUA节点，节点应根据本体模型的类和实例定义生成；2)属性映射：本体中的属性（如设备状态、参数设置等）映射为OPCUA的变量节点；3)关系映射：本体中定义的类关系和层次结构应转换为OPCUA的引用形式，以建立不同节点间的层次和关联。T/BIAIMXXXX—20XXd)创建OPCUA信息模型，定义映射规则后，利用OPCUA规范的