化工领域设备本体模型构建

刘树明, 万 锋, 杨 宇, 钟伟民

(华东理工大学化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室,上海 200237)



化工领域设备本体模型构建

刘树明, 万 锋, 杨 宇, 钟伟民

(华东理工大学化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室,上海 200237)

简要分析了信息物理融合系统(CPS),提出了应用本体技术进行CPS中间通信层的语义解析以及语义信息处理。对工程领域本体相关研究进行了综合分析,在此基础上介绍了本体的描述语言、开发工具以及本体建模方法。提出了化工领域设备本体框架OntoCD(Chemical Device Ontology),并以该框架为基础,采用本体描述语言OWL、本体开发工具Protégé、本体建模方法七步法,构建了化工领域设备本体模型。以苯乙烯化工流程乙苯脱氢塔设备选型为例,验证了应用化工领域设备本体模型进行语义解析的有效性。

本体; 语义解析; 七步法; 苯乙烯

随着信息技术与制造产业的不断发展,与智能制造相关的概念被不断提出,其中以德国“工业4.0”为代表,开启了智能制造的先河。“工业4.0”以信息物理融合系统CPS (Cyber-physical systems)为战略核心,将网络、通信与控制技术进行有机与深度融合,实现信息网络控制与物理资源紧密结合与协调[1],从而促进传统制造业向智能制造转型。

信息物理融合系统可以分为现实物理层、中间通信层以及信息网络层3个层次[2]。中间通信层可以通过语义信息将该系统中各个部分有机地结合起来,因此中间通信层中的语义逻辑解析功能主要解决语义解析以及语义信息处理,从而实现信息网络层和现实物理层的连接[3]。由于本体可以显式地表达领域概念模型,具有良好的概念层次结构以及对逻辑推理的有效支持,并且能从语义和知识的层次上描述信息系统的概念模型[4],所以通常采用本体作为语义解析和语义信息处理的重要工具。

石油化工领域在制造业中占有举足轻重的地位,实现化工领域的信息物理融合系统,对制造业具有重要的意义和影响。要实现化工领域各种化工设备的有机融合,首先需要构建化工领域设备本体模型以实现各种化工设备之间的语义解析和语义信息处理。因此本文从本体出发,提出了化工领域设备本体框架,并基于该框架构建化工领域设备本体模型,以苯乙烯工业流程乙苯脱氢单元塔设备选型为例,验证了应用化工领域设备本体模型进行语义解析的可行性。

1 领域本体相关研究

本体(Ontology)最初起源于哲学范畴,是对客观存在的某个系统的解释或说明,关注的是客观存在的抽象本质[5]。1997年Borstw[6]对本体概念进行补充,认为“本体是共享概念模型的形式化规范说明”。从上世纪90年代起,本体在工程领域得到了很好的应用。

在石油化工领域,Morbach等[7]创建了一个用于化工流程建模的大规模本体框架,该框架为建立化工领域设备本体提供了重要的参考依据。Natarajan等[8]复用OntoCAPE框架中的一部分,用于分布式过程系统的监管,并验证了可行性。Zhao等[9]提出了一种基于案例推理和本体的学习HAZOP专家系统PetroHAZOP,该系统可以有效地提升HAZOP专家系统的学习能力并且能够自动地实现“非常规”的HAZOP分析,将该系统应用到丙烯腈和氯乙烯的生产流程中,验证了该系统的有效性。在航空航天领域,Sanya等[10]提出了一种用于开发工程设计本体的框架,该框架强调了本体模块化思想以及在航空航天工程领域中重用工程设计本体的重要性。在电子通信领域,MAlaya等[11]提出了一种基于本体的自我配置的机器对机器(M2M)通信框架,该框架中的本体模型描述了M2M架构和M2M通信模式,有效地解决了传统M2M通信中存在的缺点,提高了M2M通信效率。本体在生物工程[12-13]、机械制造[14]等领域同样得到了很好的应用。

从本体概念被提出起,本体就在各个领域得到了广泛的研究,也有相关学者创建了具有参考意义的化工流程本体框架(OntoCAPE),以及将本体应用到石油化工领域(PetroHAZOP),但是没有构建可以应用于语义解析的化工领域设备本体模型,不利于信息物理融合系统现实物理层和信息网络层的有机结合。因此,本文提出构建化工领域设备本体模型,该本体模型可以用于实现化工领域设备之间的语义解析和语义信息处理,从而为构建化工领域信息物理融合系统奠定基础。

2 本体描述语言、开发工具以及改进的建模方法

2.1 本体描述语言

OWL是Web Ontology Language 的缩写[15],是一种可以对本体进行描述和定义的语言。针对不同的需求,OWL提供3种不同的子语言:OWL Lite、OWL DL和OWL Full。OWL Lite的本体描述能力最弱,通常用于只需要一个分类层次和简单的属性约束的本体构建;OWL DL的本体描述较强,提供了用于描述逻辑的推理功能;OWL Full的表达能力最强,但是相比于前两种子语言,OWL Full可计算性不能得到保证。综合考虑化工领域设备知识的语义表达能力及推理能力的需求,本文采用OWL DL对化工领域设备本体模型进行描述。

2.2 本体开发工具

本体开发工具又称为本体编译器,目前有各种各样的本体编译器,其中比较常用的有Protégé、Model Futures OWL、MediaWiki、Semantic Turkey、Swoop、CMap Tools以及Be Informed Suite等[16],其中基于Java的开源软件Protégé被广泛地应用。Protégé[17]本体开发工具是由斯坦福大学开发研制的本体编辑软件,具有良好的图形化用户界面,支持本体描述语言OWL。并且Protégé允许嵌入Fact++以及Pellet等推理机,可以比较方便地对本体模型进行一致性检验以及对隐式知识的推导。基于以上特点,本文选择Protégé作为本体开发工具。

2.3 本体建模方法

由于本体工程仍处于发展阶段,目前还没有成熟的理论作为本体建模方法的指导,本体构建方法都是针对具体的项目提出的[18],这就导致了各种本体建模方法的出现,一些有代表性的本体建模方法有:七步法、骨架法、METHONLOGY法、IDEF5法、TOVE法、KACTUS法、SENSUS法等[19]。

对以上本体建模方法进行综合比较可知,七步法相对于其他本体建模方法更加成熟,比较适合用于构建领域本体[20]。具体步骤主要包括以下7个阶段:确定化工领域设备本体设计目标、考虑复用现有化工领域本体的可能性、咨询化工领域专家、提取分析化工领域设备核心概念、定义设备类之间的等级体系、定义设备属性之间的分面特性以及依据具体化工流程创建设备实例。具体流程如图1所示。

3 化工领域设备本体框架OntoCD构建

3.1 化工领域设备核心概念的提取与分析

应用七步法构建化工领域设备本体模型,首先要确定化工领域设备本体模型的设计目标是为了实现信息物理融合系统中间通信层的语义解析和语义信息处理。然后咨询领域专家,并提取分析领域核心概念并构建领域核心概念术语集,按照以下原则构建领域核心概念术语集:(1)要深入了解所研究的领域,并对该领域核心概念的术语进行初步梳理;(2)根据所要构建本体的目的和规模决定领域核心概念术语集中的术语;(3)对领域术语进行分类,从而创建完整的领域核心概念术语集。

根据以上构建领域核心概念术语集的原则,在对化工领域深入了解的基础上,提取分析化工领域设备核心概念的术语,如设备以及设备的相关属性等概念术语,然后按照一定的分类标准将这些核心概念的术语进行分类,创建化工领域设备核心概念术语集,并将该术语集分成两个部分:设备核心概念术语集和设备属性核心概念术语集。

图1 七步法框图Fig.1 Structure of seven-step method

化工设备主要包括塔设备、换热设备、反应设备以及流体输送设备等。对于塔设备而言,根据塔的内件结构的不同,可以将其分为填料塔、板式塔;对于反应设备而言,按结构型式可分为釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器以及流化床反应器等[21]。具体的设备核心概念术语集如图2所示。

设备的属性主要包含描述属性、静态属性以及动态属性等几个方面核心概念的术语。具体的设备属性核心概念术语集如图3所示。

图2 化工设备核心概念术语集框图Fig.2 Core concept terminology of chemical device

图3 化工设备属性核心概念术语集框图Fig.3 Core concept terminology of chemical device property

3.2 构建化工领域本体框架OntoCD

在构建完化工领域设备核心概念术语集的基础上,构建化工领域设备本体框架OntoCD,主要框架示意图如图4所示。该化工领域设备本体框架主要由Class、Property和Individual三部分组成[22]。

图4 OntoCD主要框架示意图Fig.4 Main structure of OntoCD

(1) 类(Class)。从语义上讲,类是对现实世界中某些对象集合的抽象,表示具有共同属性的个体的集合。根据化工领域设备核心术语集可知OntoCD Class包含设备类(Device Class)和设备描述类(DeviceDescription Class)。

(2) 属性(Property)。从语义上讲,属性通常是指类之间的相互关系,主要包括Object Property和Data Property。根据化工领域核心概念的术语集可知OntoCD Property包括物质属性(Substance Property)、控制属性(Control Property)以及设备自身固有的几何属性(Geometrical Property)。

(3) 实例(Individual)。从语义上讲,实例就是类的具体对象,主要是指针对实例层的某一具体对象的抽象描述。由于OntoCD Class分为设备类(Device Class)和设备描述类(DeviceDescription Class),因此,按照对应的Class可以将OntoCD Individual分为Device Individual和Device Description Individual。

4 构建化工领域设备本体模型

4.1 类层的构建

在OntoCD框架的基础上,根据化工领域设备核心概念术语集,由上到下逐层构建化工领域设备本体模型。在Protégé的Classes中创建 ChemicalDevice Class作为化工领域设备本体的顶层类。为了对化工设备进行描述,需要构建一个DeviceDescription Class对Device Class进行描述,因此建立Device Class和DeviceDescription Class两个类作为ChemicalDevice Class的子类。将Device Class分为5个设备大类,分别是:Heat Exchanger、Reactor、FluidTransfer、Tower、Reservoir。接着对化工领域设备本体模型中的每个设备大类进行细分。根据以上分类原则得到化工领域设备本体模型中Device Class的层次结构如图5所示。

DeviceDescription Class与设备的属性有直接关系,根据化工领域设备核心概念术语集可知,设备的属性主要包含设备信息、能量信息以及运行状态等几个方面,因此从这几方面构建DeviceDescription Class,得到的层次结构如图6所示。

4.2 属性层的构建

OWL有两种主要属性类型:Object Property和Data Property,其中Object Property通常用于表示实例之间的关系,Data Property通常用于表示对象具有的数据属性。根据化工领域设备核心概念术语集可知在化工领域设备本体中,对于设备的描述主要从描述属性、静态属性和动态属性等几个方面进行,因此得到Object Property如表1所示,Data Property如表2所示。

表1 部分对象属性

4.3 实例层的构建

化工领域设备本体模型中的实例是Device Class的具体实现,如图7所示,以苯乙烯工业流程中的烷基化反应器为例,R101是烷基化反应设备的具体实现,因此,它拥有烷基化反应器所包含的某些属性,如发生烷基化反应。同时,由于R101是类的一个具体实现,所以该实例还拥有自己特有的属性,例如:容积是15 m3、规格型号为1300xL10150以及材质是SA516Gr70等。

图5 设备类的层次结构Fig.5 Hierarchical structure of device classes

图6 设备描述类的层次结构Fig.6 Hierarchical structure of descriptive device classes

数据属性定义域值域备注hasMaterialDeviceString材质hasMediumDeviceString介质hasVolumeDeviceFloat容积hasReactorInnerDiameterDeviceFloat反应器内径

图7 设备实例示意图Fig.7 Configure of device individuals

5 仿真实例

以苯乙烯工业流程塔设备选型为例,在Protégé软件中结合SWRL规则描述语言以及Pellet推理机,进行化工领域设备本体模型的应用仿真。

苯乙烯工业流程生产装置主要由烷基化单元、乙苯精馏单元、乙苯脱氢单元和苯乙烯精馏4个单元组成。其中乙苯脱氢单元包括了汽提塔、吸收塔以及解析塔,乙苯脱氢单元塔设备选型的正确与否直接关系到苯乙烯工业流程的生产结果,因此以苯乙烯工业流程乙苯脱氢单元塔设备选型为例,验证化工领域设备本体模型的语义解析能力。

塔设备的选型主要考虑以下因素:塔径、操作弹性、污浊液体、真空操作、具有腐蚀性的物料以及存在两液相的场合等[21]。如表3所示。使用SWRL规则描述语言对表3中的塔设备选型因素进行规则上的描述,利用Pellet推理机对结合了SWRL规则描述语言的化工领域设备本体模型进行语义解析和知识推理。如在前期规划设计时,对苯乙烯工业流程乙苯脱氢单元汽提塔、吸收塔以及解析塔分别有如下要求:汽提塔中的操作弹性为70%～90%,主要介质(内/釜)含芳烃的水;吸收塔的主要介质(内/釜)脱氢尾气/多乙苯残油;解析塔的主要介质(内/釜)水、多乙苯/多乙苯,真空操作。

首先通过信息网络层将该要求传递给中间通信层,然后中间通信层应用化工领域设备本体模型对以上要求进行语义解析,得到的解析结果如图8所示。从该图可知解析后的汽提塔的要求是:具有腐蚀性的物料True、真空操作Null、操作弹性True、存在两液相的场合False、污浊液体False;吸收塔的要求是:具有腐蚀性的物料True、真空操作Null、操作弹性Null、存在两液相的场合True、污浊液体False;解析塔的要求是:具有腐蚀性的物料True、真空操作True、操作弹性Null、存在两液相的场合True、污浊液体False。最后利用Pellet推理机对解析后的要求进行SWRL规则匹配,得到现实物理层中可以满足苯乙烯工业流程乙苯脱氢单元汽提塔、吸收塔以及解析塔要求的塔型分别是筛板塔、填料塔以及填料塔,塔设备选型最终列表图如图9所示。

图8 解析结果图Fig.8 Configure of analytical results

图9 塔设备选型列表图Fig.9 Configure of tower equipment selection table

通过以上应用仿真,验证了化工领域设备本体模型的语义解析能力,证实了应用化工领域设备本体模型作为化工领域信息物理融合系统中间通信层的可行性。

6 结束语

信息物理融合系统作为“工业4.0”的战略核心,对促进传统制造业向智能制造转型具有极其重要的作用。化工领域在制造业中占有举足轻重的地位,实现化工领域的信息物理融合系统,对制造业具有重要的意义和影响。要实现化工领域信息物理融合系统,必须构建化工领域设备本体模型以实现中间通信层的语义解析和语义信息处理,从而将该系统的各个部分进行有机结合。

本文以OntoCD框架为基础,应用七步法构建化工领域设备本体模型。首先对化工领域设备核心概念进行分析描述,形成化工领域设备核心概念术语集;然后依次扩展化工领域设备本体模型中设备类和设备属性,直到获得构建该本体模型所需要的设备类和设备属性;接着,按照一定的关系和属性确定设备类和设备属性各自的从属关系,以及设备类自身约束条件;之后应用本体开发工具Protégé构建化工领域设备本体模型;最终以苯乙烯工业流程乙苯脱氢单元塔设备选型为例,验证了应用化工领域设备本体模型进行语义解析的可行性。为了增强化工领域设备本体模型的自适应性,需要对化工领域设备相关内容进行更加全面详尽地了解,以便增添和细化化工领域设备本体模型中相应的设备类和设备属性,从而丰富化工领域设备本体模型。

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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

国家科技支撑计划项目(2015BAF22B02)；国家自然科学基金优秀青年基金(61422303)；上海市"科技创新行动计划"研发平台建设项目(13DZ2295300)；上海市人才发展资金;中央高校基本业务费专项资金

刘树明(1991-)，男，硕士生，研究方向为化工过程建模优化。 E-mail：lsm004@163.com

钟伟民，E-mail：wmzhong@ecust.edu.cn

TQ050.1

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