Обеспечение совместимости сенсорных систем и платформ промышленного интернета вещей

На сегодняшний день в рамках развития Интернета вещей (Internet of Things, IoT) появляется большое количество экосистем, где используются разнородные платформы IIoT, использующие различные типы сенсоров для измерений одного вида. В рамках обработки сенсорных данных платформами промышленного Интернета вещей (Industrial Internet of Things, IIoT) возникает задача повышения эффективности оказания требуемых предприятиям услуг за счет проведения обеспечения совместимости (интероперабельности) на семантическом и техническом уровнях. Это означает переход к обработке результатов измерений на основе смысла данных и контекста измерений, к примеру, в тех случаях, когда на одном объекте измерений используется несколько единиц величин.

Существующие решения в области промышленного Интернета вещей по обеспечению совместимости ограничены отсутствием решения, интегрирующего как семантические технологии, так и способы упорядочивания и нормализации исходных сведений, что не позволяет перейти к обеспечению совместимости, основанной на знаниях. Поэтому целесообразно разработать модель предметной области с применением технологий семантического анализа для обеспечения совместимости на различных уровнях.

Организационный

Сенсорная система

уровень Семантический уровень Технический уровень

Платформа промышленного Интернета вещей

Рисунок 1. Модель интероперабельности

Анализ модели и решений для обеспечения совместимости сенсорных систем и платформ IIoT

Совместимость и, в частности, семантическая совместимость платформ промышленного Интернета и сенсорных систем является частью более сложной задачи обеспечения интероперабельности систем и сетей. Эталонная модель интероперабельности была предложена в рамках стандартов ГОСТ Р 55062-2012 [1] и в новой редакции ГОСТ Р 55062-2021 [2] в виде схемы общего вида на рисунке 1.

На организационном уровне здесь определяются процедуры упорядочивания и формализации деловой стороны общения. В частности, обеспечивается согласование бизнес-целей и определяются принципы сотрудничества между субъектами, которые являются собственника-ми/операторами; далее эти аспекты детально не рассматриваются.

На техническом уровне определяется способ представления информации при передаче в телекоммуникационной среде для обеспечения взаимодействия систем; техническая интероперабельность достигается использованием стандартного стека протоколов TCP/IP, а также использованием единых технологий радиопередачи или радиодоступа RAT при организации сетевого взаимодействия. Поэтому в рамках настоящей статьи для обеспечения совместимости на техническом уровне используются формализованные сведения о технологиях радиопередачи, радиоэлектронных средствах и качестве сетевых сервисов применительно к сенсорному узлу.

Семантический уровень отражает содержательную сторону или смысл информации, которыми обмениваются сенсорная система и платформа IIoT. Семантическая интероперабельность позволяет этим системам «осознавать» контекст информации, чтобы обрабатывать смысловое содержание единообразно даже при наличии различных единиц измерения величины или, что еще более важно, при косвенных измерениях, поскольку согласно проекту рекомендаций [3], семантическая совместимость (Semantic Interoperability) может определяться как «…функ-циональная совместимость, обеспечивающая по- нимание участвующими системами смысла передаваемой информации» (конец цитаты). В связи с этим совместимость или интероперабельность далее рассматривается как способность двух или более систем обмениваться информацией с сохранением ее смыла и использовать эту информацию в едином контексте.

Управление отношениями для обеспечения семантической совместимости между различными параметрами (атрибутами) при условии сохранения особенностей структуры изделий было рекомендовано осуществлять путем создания семантической карты для использования инженерии знаний при автоматизации процесса создания модели конечных элементов посредством «инструмента реагирования на анализ конструкции» (DART) [4]. При этом каждый тип характеристик моделируется как содержащий некоторые общие семантические концепты проектирования, которые отражают общепринятые шаблоны, используемые в инженерной сфере.

Известно также решение по интероперабельности для интеграции платформ IIoT [5], где предложен метод поддержания совместимости между устройствами Интернета вещей, подключенных через интеграционную платформу IoT. В обоих случаях семантическая совместимость и, в более широком контексте, интероперабельность не могут быть реализованы в полной мере, поскольку используются подходы, где устройства не используют семантические технологии для концептуального описания измеряемых величин и единиц измерения. Следовательно, нет возможности определить меру сходства понятий для описания параметров объекта измерения, измеряемых величин и единиц измерения величин.

Также известно решение по содействию обеспечению интероперабельности доменов Интернета вещей [6], где сетевое устройство получает множество концептуальных определений, соответствующих множеству платформ устройств, а каждая из платформ устройств включает в себя по крайней мере одно устройство. В этом решении обеспечение семантической совместимости и интероперабельности также не реализовано с достаточной полнотой, поскольку в методе не применяется оценка семантического сходства данных и множества рамочных обобщенных определений для установления меры сходства параметров объекта измерений и понятий, описывающих измеряемые величины и характеристики сенсоров.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что в объеме известной информации в настоящее время отсутствует системно-программное решение по обеспечению семантической совместимости промышленного Интернета и сенсорных систем. Следовательно, научно-исследовательская работа в данном направлении актуальна.

Далее предполагается, что для оценки меры оценки семантической совместимости используются решения, предложенные в [7], максимальные значения которых применяются для формирования правил логического вывода, рассматриваемых далее в рамках разработки онтологии.

Разработка модели семантической совместимости сенсорных систем и платформ промышленного Интернета вещей

Исследование и разработка модели проведены на основе анализа доступных источников информации [8–10]. Используются концепты как термины глоссария согласно имеющимся определениям [11; 12]. Эти же термины используются для описания классов. В целом описание термина в модели можно рассматривать как семантическую аннотацию концепта онтологии.

Исследование и разработка классов объектов и связей между классами для модели семантической совместимости производятся для формирования концептуального подхода к обеспечению не только совместимости, но и интероперабельности на семантическом и техническом уровне [13]. Это необходимо, чтобы разработанную модель можно было использовать как в рамках разработки предметной онтологии [14], так и для разработки спецификации интерфейса к системе промышленного Интернета. Далее модели классов будут использованы при разработке общей семантической модели по обеспечению интероперабельности сенсорных данных и платформ IIoT. В целом разработка общей модели интероперабельности осуществляется с учетом положений ПНСТ 423-2020 в рамках многоуровневой архитектуры IIoT и с учетом технологий радиопередачи, как показано на рисунке 2.

Необходимость учета технологий радиопередачи связана с анализом стабильности приема-передачи, надежности доставки сенсорных данных и покрытия сенсорными полями заданной территории или объекта измерения. Домен бизнеса предназначен для поддержки «сквозных» процессов и операций систем IIoT вместе с их целевыми бизнес-функциями. Домен приложения представляет собой множество функций, которые реализуют логику отдельных приложений для

Уровень функциональных областей (доменов)
	Домен бизнеса	Информационный домен	Домен приложений	Домен управления

Уровень функциональной совместимости
	Семантическая совместимость	Синтаксическая совместимость	Транспортная совместимость	Поведенческая совместимость

Уровень приложений CIP

Уровень обработки данных	Уровень функций		Уровень решений
Компоненты задач CIP
Сущности CIP

Уровень служб и сервисов

Служба	Служба	Служба	Служба
управления	адаптивного	адаптации	конфигуриро
QoS	восприятия	параметров	вания сенсоров

			Уровень	Р*	?сурсов _____
	Датчик (Сенсор)		Узел НоТ		Канал связи		Антенна

Рисунок 2. Архитектура модели интероперабельности IIoT с учетом технологий радиопередачи выполнения бизнес-функций. Информационный домен включает сбор, анализ, упорядочивание, нормализацию и предоставление данных прочим доменам, причем необязательно в реальном масштабе времени. Домен управления обеспечивает получение сенсорной информации, обеспечение коммуникации между объектами IIoT, возможность абстрактного представления физических и виртуальных ресурсов для создания контекста обработки, в рамках которого понятен смысл данных, моделирование поведения ресурсов путем интерпретации их поведения. В рамках модели интероперабельности контур системы охватывает домен управления и информационный домен.

Функциональная совместимость в рамках модели определяет степень или меру, которая характеризует возможность успешного взаимодействия различных компонентов рассмотренных выше доменов в рамках систем промышленного IIoT. В рамках настоящей статьи рассматриваются семантическая совместимость, а также транспортная совместимость в части используемых технологий радиопередачи на уровне сети ближнего действия для подключения сенсоров и сенсорных устройств к шлюзу на уровне сети.

Уровень приложений совместной обработки информации CIP включает уровни обработки

Рисунок 3. Экземпляры концепта «Датчик» в онтологии

данных, на уровне функций и уровень решений. Эти уровни поддерживаются компонентами задач CIP с учетом сценариев использования IIoT. Для определения субъектов и объектов сценариев используется описание/моделирование сущностей, которые соответствуют уровню ресурсов. Семантическая совместимость относится к любому из рассматриваемых уровней, сценариев и решений.

Для обеспечения семантической совместимости и в более широком смысле интероперабельности предлагается обеспечить возможность двухсторонней коммуникации между службой адаптивного восприятия и службой конфигурирования сенсоров. Для этого предлагается модифицировать запрос и изменить структуру примитивов на уровне параметров сущностей совместной обработки информации CIP. Запрос от сущности CIP, обозначенной ADSENSINGRequestorID для применения адаптивного восприятия результата измерений целевого сенсора TargetSensorID c учетом семантической совместимости для узла с идентификатором ADSENSINGTargetID , будет иметь вид:

ADSENSING – APPLY.request {

ADSENSINGRequestorID

ADSENSINGTargetID

ADSENSINGTargetSensorID

ADSENSINGSensorPARSEMList {...

Получив приведенный запрос, узел ADSENSINGTargetID проверяет свои возможности по адаптации к требуемым единицам измерения величины. В случае положительного исхода проверки он осуществляет конфигурацию датчика (сенсора) ADSENSINGTargetSensorID таким образом, что показания датчика будут не только связаны с событиями внешней среды, но и будут интерпретироваться согласно установленным семантическим связям между атрибутами класса датчика на платформе промышленного Интернета вещей, службой конфигурирования сенсоров и службой адаптации параметров. Для этого предлагается использовать параметр ADSENSINGSensorPARSEMList, который, например, содержит список значений единиц величин, которые будут присвоены результатам измерений в рамках анализа семантической совместимости

Следовательно, результаты работы датчика температур могут интерпретироваться в зависимости от установленного семантического соответствия параметров по сочетанию ключевых концептов {сенсор ≡ датчик, температура ≡ нагревание, температура ≡ градусы Цельсия, температура ≡ Фаренгейт, градусы Цельсия ≡ град. Цельсия = °С, Фаренгейт = °F}, где знак = означает установленное соответствие концептов или экземпляров концептов [14].

Онтологический подходк обеспечению совместимости

Программное обеспечение для реализации онтологического подхода к обеспечению семантической совместимости между сенсорными системами и платформой IIoT разработано с помощью свободного программного обеспечения Protégé [15].

На рисунке 3 с учетом классов модели и связей между ними представлено описание концепта «Датчик» и приведен возможный перечень экземпляров этого концепта.

Рисунок 4. Правило логического вывода (на примере АЦП)

Также в модели есть правила логического вывода, учтена возможность поддержки минимум 3 классов сетевого обслуживания. Концепт «Датчик» связан отношением «является частью» с концептом «Узел IIoT», который является средством сбора, обработки и передачи данных.

Концепт «Узел IIoT» рассматривается как объект со свойствами радиоэлектронного средства (РЭС), поэтому для обеспечения совместимости и полноты описания РЭС в модели предлагается 17 атрибутов, которыми характеризуется каждый экземпляр концепта, а именно:

• 1.    Функция узла IIoT.

• 2.    Сценарий использования (шлюз или оконечный узел).

• 3.    Обозначение узла IIoT.

• 4.    Интерфейсы датчиков/сенсоров.

• 5.    Интерфейсы радиосетей малого радиуса действия.

• 6.    Интерфейсы сетей доступа.

• 7.    Поддерживаемые протоколы IIoT.

• 8.    Интерфейсы транспортной сети.

• 9.    Количество портов сети доступа.

• 10.    Количество портов транспортной сети.

• 11.    Тип процессора (контроллера).

• 12.    Операционная система.

• 13.    Поддерживаемое приложение IIoT.

• 14.    Протоколы информационной безопасности.

• 15.    Эквивалентная изотропно излучаемая мощность.

• 16.    Емкость аккумулятора.

• 17.    Тип антенны.

На рисунке 4 приведена форма записи правила для анализа семантической совместимости на примере наличия у датчика {«аналогово-цифрового преобразователя» ≡ АЦП} для платформы промышленного Интернета.

На рисунке 4 знак «?» представляет собой символ для обозначения свойств или имени переменной. Обозначения «Датчик», «Выход датчика», «Антенна», «Область измерения» есть обозначения классов, которые можно также рассматривать как идентификаторы унарного предиката. В свою очередь обозначения (?ацп), (?выход_дат-чика), (?Антенна), (?Область_измерения), (?Объ-ект_измерения) обозначают имена переменных,

Query (class expression)

АЦП value "16"

Execute Add Io ontoiogy

Query results

Superclasses (2 of 2)

• Выход датчика

♦ Owl Thing

Instances (tOoi 10)

♦ ADxRSOMBBto

♦ 0MG16O

♦ llGD2№TR

♦ MAX44OLN

♦ MPU-6555

♦ SEN113O2P

♦ TLI497QCWZ5T4XVMA1

♦ 7115012BE1Q00XUMA

♦ V!.53uOOtVOW ♦ VL53L1CXV0Fy

Рисунок 5. Результат работы правила вывода которые обозначают индивидуальные объекты классов. Представленное правило означает, что по семантическому признаку платформой IIoT запрашивается только совместимость датчика с запрошенным признаком (запросом) «АЦП16», и получен перечень таких совместимых датчиков из онтологии на рисунке 5.

Разработанные правила использованы для концептов онтологии, для которых мера семантической близости концептов в запросе от платформы IIoT (например «АЦП16») максимальна согласно [7].

Заключение

Разработана общая модель для обеспечения семантической совместимости сенсорных систем и платформ IIoT. Модель разработана, принимая во внимание общую модель интероперабельности, с детализацией до экземпляров классов модели и связей между ними, с учетом правил логического вывода и с поддержкой детального описания сенсорного узла IIoT как радиоэлектронного средства.

Публикация подготовлена при поддержке гранта Президента Российской Федерации (договор № 487-м от 30.12.2020 г.).