化工領域設備本體模型構建

劉樹明, 萬 鋒, 楊 宇, 鐘偉民

(華東理工大學化工過程先進控制和優化技術教育部重點實驗室,上海 200237)

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化工領域設備本體模型構建

劉樹明, 萬 鋒, 楊 宇, 鐘偉民

(華東理工大學化工過程先進控制和優化技術教育部重點實驗室,上海 200237)

簡要分析了信息物理融合系統(CPS),提出了應用本體技術進行CPS中間通信層的語義解析以及語義信息處理。對工程領域本體相關研究進行了綜合分析,在此基礎上介紹了本體的描述語言、開發工具以及本體建模方法。提出了化工領域設備本體框架OntoCD(Chemical Device Ontology),并以該框架為基礎,采用本體描述語言OWL、本體開發工具Protégé、本體建模方法七步法,構建了化工領域設備本體模型。以苯乙烯化工流程乙苯脫氫塔設備選型為例,驗證了應用化工領域設備本體模型進行語義解析的有效性。

本體; 語義解析; 七步法; 苯乙烯

隨著信息技術與制造產業的不斷發展,與智能制造相關的概念被不斷提出,其中以德國“工業4.0”為代表,開啟了智能制造的先河。“工業4.0”以信息物理融合系統CPS (Cyber-physical systems)為戰略核心,將網絡、通信與控制技術進行有機與深度融合,實現信息網絡控制與物理資源緊密結合與協調[1],從而促進傳統制造業向智能制造轉型。

信息物理融合系統可以分為現實物理層、中間通信層以及信息網絡層3個層次[2]。中間通信層可以通過語義信息將該系統中各個部分有機地結合起來,因此中間通信層中的語義邏輯解析功能主要解決語義解析以及語義信息處理,從而實現信息網絡層和現實物理層的連接[3]。由于本體可以顯式地表達領域概念模型,具有良好的概念層次結構以及對邏輯推理的有效支持,并且能從語義和知識的層次上描述信息系統的概念模型[4],所以通常采用本體作為語義解析和語義信息處理的重要工具。

石油化工領域在制造業中占有舉足輕重的地位,實現化工領域的信息物理融合系統,對制造業具有重要的意義和影響。要實現化工領域各種化工設備的有機融合,首先需要構建化工領域設備本體模型以實現各種化工設備之間的語義解析和語義信息處理。因此本文從本體出發,提出了化工領域設備本體框架,并基于該框架構建化工領域設備本體模型,以苯乙烯工業流程乙苯脫氫單元塔設備選型為例,驗證了應用化工領域設備本體模型進行語義解析的可行性。

1 領域本體相關研究

本體(Ontology)最初起源于哲學范疇,是對客觀存在的某個系統的解釋或說明,關注的是客觀存在的抽象本質[5]。1997年Borstw[6]對本體概念進行補充,認為“本體是共享概念模型的形式化規范說明”。從上世紀90年代起,本體在工程領域得到了很好的應用。

在石油化工領域,Morbach等[7]創建了一個用于化工流程建模的大規模本體框架,該框架為建立化工領域設備本體提供了重要的參考依據。Natarajan等[8]復用OntoCAPE框架中的一部分,用于分布式過程系統的監管,并驗證了可行性。Zhao等[9]提出了一種基于案例推理和本體的學習HAZOP專家系統PetroHAZOP,該系統可以有效地提升HAZOP專家系統的學習能力并且能夠自動地實現“非常規”的HAZOP分析,將該系統應用到丙烯腈和氯乙烯的生產流程中,驗證了該系統的有效性。在航空航天領域,Sanya等[10]提出了一種用于開發工程設計本體的框架,該框架強調了本體模塊化思想以及在航空航天工程領域中重用工程設計本體的重要性。在電子通信領域,MAlaya等[11]提出了一種基于本體的自我配置的機器對機器(M2M)通信框架,該框架中的本體模型描述了M2M架構和M2M通信模式,有效地解決了傳統M2M通信中存在的缺點,提高了M2M通信效率。本體在生物工程[12-13]、機械制造[14]等領域同樣得到了很好的應用。

從本體概念被提出起,本體就在各個領域得到了廣泛的研究,也有相關學者創建了具有參考意義的化工流程本體框架(OntoCAPE),以及將本體應用到石油化工領域(PetroHAZOP),但是沒有構建可以應用于語義解析的化工領域設備本體模型,不利于信息物理融合系統現實物理層和信息網絡層的有機結合。因此,本文提出構建化工領域設備本體模型,該本體模型可以用于實現化工領域設備之間的語義解析和語義信息處理,從而為構建化工領域信息物理融合系統奠定基礎。

2 本體描述語言、開發工具以及改進的建模方法

2.1 本體描述語言

OWL是Web Ontology Language 的縮寫[15],是一種可以對本體進行描述和定義的語言。針對不同的需求,OWL提供3種不同的子語言:OWL Lite、OWL DL和OWL Full。OWL Lite的本體描述能力最弱,通常用于只需要一個分類層次和簡單的屬性約束的本體構建;OWL DL的本體描述較強,提供了用于描述邏輯的推理功能;OWL Full的表達能力最強,但是相比于前兩種子語言,OWL Full可計算性不能得到保證。綜合考慮化工領域設備知識的語義表達能力及推理能力的需求,本文采用OWL DL對化工領域設備本體模型進行描述。

2.2 本體開發工具

本體開發工具又稱為本體編譯器,目前有各種各樣的本體編譯器,其中比較常用的有Protégé、Model Futures OWL、MediaWiki、Semantic Turkey、Swoop、CMap Tools以及Be Informed Suite等[16],其中基于Java的開源軟件Protégé被廣泛地應用。Protégé[17]本體開發工具是由斯坦福大學開發研制的本體編輯軟件,具有良好的圖形化用戶界面,支持本體描述語言OWL。并且Protégé允許嵌入Fact++以及Pellet等推理機,可以比較方便地對本體模型進行一致性檢驗以及對隱式知識的推導。基于以上特點,本文選擇Protégé作為本體開發工具。

2.3 本體建模方法

由于本體工程仍處于發展階段,目前還沒有成熟的理論作為本體建模方法的指導,本體構建方法都是針對具體的項目提出的[18],這就導致了各種本體建模方法的出現,一些有代表性的本體建模方法有:七步法、骨架法、METHONLOGY法、IDEF5法、TOVE法、KACTUS法、SENSUS法等[19]。

對以上本體建模方法進行綜合比較可知,七步法相對于其他本體建模方法更加成熟,比較適合用于構建領域本體[20]。具體步驟主要包括以下7個階段:確定化工領域設備本體設計目標、考慮復用現有化工領域本體的可能性、咨詢化工領域專家、提取分析化工領域設備核心概念、定義設備類之間的等級體系、定義設備屬性之間的分面特性以及依據具體化工流程創建設備實例。具體流程如圖1所示。

3 化工領域設備本體框架OntoCD構建

3.1 化工領域設備核心概念的提取與分析

應用七步法構建化工領域設備本體模型,首先要確定化工領域設備本體模型的設計目標是為了實現信息物理融合系統中間通信層的語義解析和語義信息處理。然后咨詢領域專家,并提取分析領域核心概念并構建領域核心概念術語集,按照以下原則構建領域核心概念術語集:(1)要深入了解所研究的領域,并對該領域核心概念的術語進行初步梳理;(2)根據所要構建本體的目的和規模決定領域核心概念術語集中的術語;(3)對領域術語進行分類,從而創建完整的領域核心概念術語集。

根據以上構建領域核心概念術語集的原則,在對化工領域深入了解的基礎上,提取分析化工領域設備核心概念的術語,如設備以及設備的相關屬性等概念術語,然后按照一定的分類標準將這些核心概念的術語進行分類,創建化工領域設備核心概念術語集,并將該術語集分成兩個部分:設備核心概念術語集和設備屬性核心概念術語集。

圖1 七步法框圖Fig.1 Structure of seven-step method

化工設備主要包括塔設備、換熱設備、反應設備以及流體輸送設備等。對于塔設備而言,根據塔的內件結構的不同,可以將其分為填料塔、板式塔;對于反應設備而言,按結構型式可分為釜式反應器、管式反應器、塔式反應器、固定床反應器以及流化床反應器等[21]。具體的設備核心概念術語集如圖2所示。

設備的屬性主要包含描述屬性、靜態屬性以及動態屬性等幾個方面核心概念的術語。具體的設備屬性核心概念術語集如圖3所示。

圖2 化工設備核心概念術語集框圖Fig.2 Core concept terminology of chemical device

圖3 化工設備屬性核心概念術語集框圖Fig.3 Core concept terminology of chemical device property

3.2 構建化工領域本體框架OntoCD

在構建完化工領域設備核心概念術語集的基礎上,構建化工領域設備本體框架OntoCD,主要框架示意圖如圖4所示。該化工領域設備本體框架主要由Class、Property和Individual三部分組成[22]。

圖4 OntoCD主要框架示意圖Fig.4 Main structure of OntoCD

(1) 類(Class)。從語義上講,類是對現實世界中某些對象集合的抽象,表示具有共同屬性的個體的集合。根據化工領域設備核心術語集可知OntoCD Class包含設備類(Device Class)和設備描述類(DeviceDescription Class)。

(2) 屬性(Property)。從語義上講,屬性通常是指類之間的相互關系,主要包括Object Property和Data Property。根據化工領域核心概念的術語集可知OntoCD Property包括物質屬性(Substance Property)、控制屬性(Control Property)以及設備自身固有的幾何屬性(Geometrical Property)。

(3) 實例(Individual)。從語義上講,實例就是類的具體對象,主要是指針對實例層的某一具體對象的抽象描述。由于OntoCD Class分為設備類(Device Class)和設備描述類(DeviceDescription Class),因此,按照對應的Class可以將OntoCD Individual分為Device Individual和Device Description Individual。

4 構建化工領域設備本體模型

4.1 類層的構建

在OntoCD框架的基礎上,根據化工領域設備核心概念術語集,由上到下逐層構建化工領域設備本體模型。在Protégé的Classes中創建 ChemicalDevice Class作為化工領域設備本體的頂層類。為了對化工設備進行描述,需要構建一個DeviceDescription Class對Device Class進行描述,因此建立Device Class和DeviceDescription Class兩個類作為ChemicalDevice Class的子類。將Device Class分為5個設備大類,分別是:Heat Exchanger、Reactor、FluidTransfer、Tower、Reservoir。接著對化工領域設備本體模型中的每個設備大類進行細分。根據以上分類原則得到化工領域設備本體模型中Device Class的層次結構如圖5所示。

DeviceDescription Class與設備的屬性有直接關系,根據化工領域設備核心概念術語集可知,設備的屬性主要包含設備信息、能量信息以及運行狀態等幾個方面,因此從這幾方面構建DeviceDescription Class,得到的層次結構如圖6所示。

4.2 屬性層的構建

OWL有兩種主要屬性類型:Object Property和Data Property,其中Object Property通常用于表示實例之間的關系,Data Property通常用于表示對象具有的數據屬性。根據化工領域設備核心概念術語集可知在化工領域設備本體中,對于設備的描述主要從描述屬性、靜態屬性和動態屬性等幾個方面進行,因此得到Object Property如表1所示,Data Property如表2所示。

表1 部分對象屬性

4.3 實例層的構建

化工領域設備本體模型中的實例是Device Class的具體實現,如圖7所示,以苯乙烯工業流程中的烷基化反應器為例,R101是烷基化反應設備的具體實現,因此,它擁有烷基化反應器所包含的某些屬性,如發生烷基化反應。同時,由于R101是類的一個具體實現,所以該實例還擁有自己特有的屬性,例如:容積是15 m3、規格型號為1300xL10150以及材質是SA516Gr70等。

圖5 設備類的層次結構Fig.5 Hierarchical structure of device classes

圖6 設備描述類的層次結構Fig.6 Hierarchical structure of descriptive device classes

數據屬性定義域值域備注hasMaterialDeviceString材質hasMediumDeviceString介質hasVolumeDeviceFloat容積hasReactorInnerDiameterDeviceFloat反應器內徑

圖7 設備實例示意圖Fig.7 Configure of device individuals

5 仿真實例

以苯乙烯工業流程塔設備選型為例,在Protégé軟件中結合SWRL規則描述語言以及Pellet推理機,進行化工領域設備本體模型的應用仿真。

苯乙烯工業流程生產裝置主要由烷基化單元、乙苯精餾單元、乙苯脫氫單元和苯乙烯精餾4個單元組成。其中乙苯脫氫單元包括了汽提塔、吸收塔以及解析塔,乙苯脫氫單元塔設備選型的正確與否直接關系到苯乙烯工業流程的生產結果,因此以苯乙烯工業流程乙苯脫氫單元塔設備選型為例,驗證化工領域設備本體模型的語義解析能力。

塔設備的選型主要考慮以下因素:塔徑、操作彈性、污濁液體、真空操作、具有腐蝕性的物料以及存在兩液相的場合等[21]。如表3所示。使用SWRL規則描述語言對表3中的塔設備選型因素進行規則上的描述,利用Pellet推理機對結合了SWRL規則描述語言的化工領域設備本體模型進行語義解析和知識推理。如在前期規劃設計時,對苯乙烯工業流程乙苯脫氫單元汽提塔、吸收塔以及解析塔分別有如下要求:汽提塔中的操作彈性為70%～90%,主要介質(內/釜)含芳烴的水;吸收塔的主要介質(內/釜)脫氫尾氣/多乙苯殘油;解析塔的主要介質(內/釜)水、多乙苯/多乙苯,真空操作。

首先通過信息網絡層將該要求傳遞給中間通信層,然后中間通信層應用化工領域設備本體模型對以上要求進行語義解析,得到的解析結果如圖8所示。從該圖可知解析后的汽提塔的要求是:具有腐蝕性的物料True、真空操作Null、操作彈性True、存在兩液相的場合False、污濁液體False;吸收塔的要求是:具有腐蝕性的物料True、真空操作Null、操作彈性Null、存在兩液相的場合True、污濁液體False;解析塔的要求是:具有腐蝕性的物料True、真空操作True、操作彈性Null、存在兩液相的場合True、污濁液體False。最后利用Pellet推理機對解析后的要求進行SWRL規則匹配,得到現實物理層中可以滿足苯乙烯工業流程乙苯脫氫單元汽提塔、吸收塔以及解析塔要求的塔型分別是篩板塔、填料塔以及填料塔,塔設備選型最終列表圖如圖9所示。

圖8 解析結果圖Fig.8 Configure of analytical results

圖9 塔設備選型列表圖Fig.9 Configure of tower equipment selection table

通過以上應用仿真,驗證了化工領域設備本體模型的語義解析能力,證實了應用化工領域設備本體模型作為化工領域信息物理融合系統中間通信層的可行性。

6 結束語

信息物理融合系統作為“工業4.0”的戰略核心,對促進傳統制造業向智能制造轉型具有極其重要的作用。化工領域在制造業中占有舉足輕重的地位,實現化工領域的信息物理融合系統,對制造業具有重要的意義和影響。要實現化工領域信息物理融合系統,必須構建化工領域設備本體模型以實現中間通信層的語義解析和語義信息處理,從而將該系統的各個部分進行有機結合。

本文以OntoCD框架為基礎,應用七步法構建化工領域設備本體模型。首先對化工領域設備核心概念進行分析描述,形成化工領域設備核心概念術語集;然后依次擴展化工領域設備本體模型中設備類和設備屬性,直到獲得構建該本體模型所需要的設備類和設備屬性;接著,按照一定的關系和屬性確定設備類和設備屬性各自的從屬關系,以及設備類自身約束條件;之后應用本體開發工具Protégé構建化工領域設備本體模型;最終以苯乙烯工業流程乙苯脫氫單元塔設備選型為例,驗證了應用化工領域設備本體模型進行語義解析的可行性。為了增強化工領域設備本體模型的自適應性,需要對化工領域設備相關內容進行更加全面詳盡地了解,以便增添和細化化工領域設備本體模型中相應的設備類和設備屬性,從而豐富化工領域設備本體模型。

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Model of Chemical Domain Device Ontology Constructing

LIU Shu-ming, WAN Feng, YANG Yu, ZHONG Wei-min

(Key Laboratory of Advanced Control and Optimization for Chemical Processes,Ministry of Education,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

By analyzing the cyber-physical systems (CPS),this paper proposes a method to deal with semantic parsing and semantic information processing of middle communication layer in CPS.The framework of chemical domain device ontology——OntoCD (Chemical Device Ontology) is constructed,and then the OWL (ontological description language),protégé (ontological development tool) and seven-step method (ontology modeling methods) are used to build the model of chemical domain device ontology.Finally,it is verified from the example of tower equipment selection of ethylbenzene dehydrogenation in styrene chemical process that the semantic parsing is effective for device ontology model in chemical industry.

ontology; semantic parsing; seven-step method; styrene

1006-3080(2017)03-0404-07

10.14135/j.cnki.1006-3080.2017.03.017

2016-10-27

國家科技支撐計劃項目(2015BAF22B02)；國家自然科學基金優秀青年基金(61422303)；上海市"科技創新行動計劃"研發平臺建設項目(13DZ2295300)；上海市人才發展資金;中央高校基本業務費專項資金

劉樹明(1991-)，男，碩士生，研究方向為化工過程建模優化。 E-mail：lsm004@163.com

鐘偉民，E-mail：wmzhong@ecust.edu.cn

TQ050.1

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