Семантический анализ описаний систем управления промышленными процессами на основе стандарта IEC 61499 с использованием онтологий Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ

УДК 004.82: 004.4'2

В. Н. Дубинин, В. В. Вяткин

СЕМАНТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОПИСАНИЙ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ НА ОСНОВЕ СТАНДАРТА IEC 61499 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОНТОЛОГИЙ1

Аннотация. Представлена Web-онтология систем управления промышленными процессами, построенных в соответствии с новым международным стандартом IEC 61499. Математической основой онтологии являются дескриптивная логика и логика хорновских дизъюнктов, а языками реализации - OWL DL и SWRL. Предлагается метод семантического анализа описаний систем управления на основе определения в онтологии так называемых «семантически правильных» классов.

Ключевые слова: стандарт IEC 61499, функциональный блок, онтология, семантический анализ, дескриптивная логика, SWRL.

Abstract. In the paper a Web-ontology of industrial process control systems based on the new international standard IEC 61499, is presented. The mathematical footing of the ontology is a combination of description logic and Horn logic, while the implementation languages are OWL DL, and SWRL, correspondingly. An approach to semantic analysis of control systems descriptions on the basis of defining in the ontology so-called “semantically right” classes is proposed. Illustrative examples are given.

Keywords: standard IEC 61499, function block, ontology, semantic analysis, description logic, SWRL.

Введение

В настоящее время в связи с появлением и внедрением в практику мультиагентных систем и развитием концепции семантического Web большое значение приобретает онтологическое представление знаний [1]. Под онтологией понимается формальное представление множества концептов внутри домена и отношений между этими концептами [1]. В одном из сценариев, пока еще мало исследованном, онтологии используются при проведении семантического анализа. В дальнейшем будем касаться только той области семантического анализа, которая относится к языкам, включая языки программирования. Следует также отметить, что семантический анализ является одной из фаз работы (традиционного) компилятора.

1 Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», № гос. регистрации НИР 01200952061.

Международный стандарт IEC 61499 [2] определяет путь для создания систем управления промышленными процессами нового поколения. Это интеллектуальные распределенные компонентно-базированные системы на основе функциональных блоков (ФБ). Функциональный блок (ФБл) является основными артефактом проектирования в стандарте IEC 61499. В данной работе рассматривается онтологический подход к описанию систем управления на основе стандарта IEC 61499 с использованием дескриптивной логики (ДЛ) [3] и логики хорновских дизъюнктов [4]. База знаний системы представления знаний (СПЗ) на основе ДЛ состоит из двух компонентов: TBox и ABox. Компонент TBox вводит терминологию, иными словами, словарь предметной области, в то время как компонент ABox содержит утверждения об именованных представителях (экземплярах) концептов в терминах словаря. Составными частями TBox являются концепты и роли.

На основе ДЛ был разработан язык Web-онтологий OWL [5], являющийся одной из основных составных частей семантического Web. Для увеличения выразительной силы в совокупности с ДЛ используется логика хорнов-ских дизъюнктов, являющаяся фрагментом логики первого порядка [4]. Хор-новские дизъюнкты могут представляться в виде правил языков логического программирования, например, Prolog [4, 6] или Datalog. В качестве языка правил в семантическом Web используется язык SWRL [7]. Для того чтобы формализм OWL DL + SWRL был разрешим, следует использовать так называемые «ДЛ-безопасные» правила (DL-safe rule [8]).

В данной работе (частично) представляется онтология систем управления промышленными процессами, построенных в соответствии с новым международным стандартом IEC 61499, и предлагается метод семантического анализа описаний систем, основанный на определении в онтологии так называемых «семантически правильных» классов. Подходы, предложенные в статье, будут демонстрироваться на примере системы ФБ (из работы [6]), приведенной на рис. 1.

2. Описание объектного каркаса онтологии

На рис. 2-5 представлен объектный каркас онтологии систем управления на основе IEC 61499 в виде интенсиональных семантических сетей [9]. На этих диаграммах концепты изображаются в виде овалов, а роли - в виде стрелок, соединяющих овалы. В дальнейшем концепты также будем называть классами, а роли - отношениями или свойствами.

Описание типов функциональных блоков

В соответствии со стандартом IEC 61499 различаются три основных типа функциональных блоков (FBType): базисный, составной и сервисный интерфейсный (СИФБ). Данный факт представлен на рис. 2. Следует различать ФБл-тип и ФБл-экземпляр, именуемый в стандарте компонентным ФБл.

Описание интерфейсов

Каждый ФБ имеет интерфейс, представляющий собой набор событийных и информационных входов и выходов. Несмотря на определенную схожесть, будем различать интерфейсы ФБ-типов и компонентных ФБ. Пример интерфейса ФБл-типа приведен на рис. 1 (слева). На рис. 3 представлена семантическая сеть для определения интерфейсов ФБ-типов. Из рис. 3 видно,

что в состав интерфейса ФБл-типа входят событийные входы и выходы, входные и выходные переменные, а также сокеты ^оск^ОШВТуре) и штекеры (Р^ОШВТуре), относящиеся к адаптерам [2].

в)

Рис. 1. Пример системы ФБ: а - интерфейс ФБл-типа ALU; б - диаграмма ЕСС для ФБл-типа ALU; в - сеть ФБ

CTFBType^- —hasInterface—H^TnterfaceüfFBTyp^^

dBasicFBTyp^^ C^CompositeFBTyp^^ C^ServiceInterfaceFBType^> Рис. 2. Типы функциональных блоков

Описание базисных ФБ

Базисные ФБ являются основными в стандарте. Они включают машину состояний, управляемую событиями. Для ее представления используется диаграмма управления выполнением (диаграмма ЕСС). Диаграмма ЕСС состоит из ЕС-состояний и ЕС-переходов. С каждым ЕС-состоянием может быть связан набор ЕС-акций, каждая из которых может включать алгоритм и выходное событие. С ЕС-переходом связывается условие перехода, которое может состоять из входного события и сторожевого условия. Пример базисного ФБл приведен на рис. 1. Семантическая сеть, описывающая тип базисного ФБл, представлена на рис. 4.

СИ^ОСкеЮ^вТУре]^

Р1и§О£БВТуре

18РагЮ£1п1ег£асе 18Раг1О£1п1ег£асе

1п1ег£асеОГ-БВТуре

18РагЮЯп1ег£асе

18РагЮ£1п1ег£асе

isLinkedWithEventInput

1п1егГасеОГ-

BasicFBType

МейасеОГ-ompositeFBTy

isPartOfInterface

уре

ventInputO

FBType

^епЮириЮГ-FBType

UtputVariab1e-

OfFBType

_ isLmkedWithEvenЮutput,..— —

Event <^УапаЬ1е

Рис. 3. Определение интерфейсов ФБ-типов

BasicFBType

____________ _ (^УалаЫе^)

hasECC ^ isPartOfBasicFBтУpe ^

isPartOfBasicFBType Л

CjnternalVariabje>

isPartOfECC ^ ч____________________

I executesA1gorithm \

hasListOfECActions.

C'ECStatв^Vr V,—^-----^

Ч; XECActio_n)\

/ comesToECState \

refersT oNextEC Action

^е^ОШр^-

О^^урс 1*—

comesFromECState

1

CECTransІtІО^ I

Т--------

. . С isUsedAtComputationOf .

checksEvent ^ —г — — —

<—ж~— 1 ^ 4 ^

x'^Inpu1VaгiabTc^ x'OuputVariab1e>>ч С^Тур^1 Ч—ОГТОТурв ' у— _______________________'

Рис. 4. Определение (типов) базисных ФБ Описание составных ФБ

Составной ФБл определяется входящей в его состав сетью ФБ, включающей компонентные ФБ и связи между ними. При этом различаются событийные, информационные и адаптерные связи. На рис. 1,в приведен пример сети ФБ, входящей в состав составного ФБ, а на рис. 5 показана семантическая сеть для определения составных ФБ.

Описание конфигураций

Как следует из стандарта IEC 61499, устройства и ресурсы, входящие в состав системы, описывают абстрактную архитектуру для выполнения при-

ложений. Приложение представляет собой сеть ФБ для решения определенной задачи в области управления. Состав и взаимосвязь внутренних компонентов системы, устройства или ресурса определяют их конфигурацию. Для использования преимуществ модульного проектирования в стандарте введена типизация на уровне устройств и ресурсов. Ресурсы и устройства могут явно связываться с сегментами вычислительной сети. На рис. 6 приведен пример соотношения приложений, устройств, ресурсов и сегментов.

Г

С^Сошро8ІЇеРВТуре^>

/ івРагЮГСотровіїеРВТуре Ьа8рВЫе1шогк У

-----КлЖеиУоГр _________

івРагЮіРВМеІшогк

СтеТур^—геґегв ТоРВТуре.

ЬавСотропепіРВ

—< --хСотропепіРВ івРагіОіРВМеІшогк

-Ьа8Іп1ег£аее‘

СЕуЄпЮи1риіОЇ-^ч.

^Сотропе^РВ^^^^сотевРготЕуепІ

еотевТоЕуепІ-

✓^ЕуЄ

уепАприЮ:

РВТуре

Е

Еуе^Соппейюп

оотевРготЕуепІ

/^ОиіриіУагіаЬІе^ч

ЧчОІ^отроп^

с Соп8іап1

isPaгtOfРBNetwoгk оотевРготУ агіаЬІе

оотевТоЕуеп

оотевТ оУ агіаЬІе;

риіУагіаЬІе-

ОЇРВТуре

-оотевРготУагіаЬІе

оотевРготУагіаЬІе isPaгtOfРBNetwoгk

(^раиаСоппесиоп^

оотевТ оУ агіаЬІе,

<InterfaceOf-^^^.

Сотроп^п^Р.В^'^

^^Х^епАприЮЇ^

Ч^отропеп^В^

^^"єтелюйриюї^

■1 ^ РВТуре_____

^О*

К^с

ІприУагіаЬІе- "Ч. ОЮотропеЛрВ,/

МриУалаЫе-

ОЇРВТуре

Іе-

, еотевР гomAdapter~

comesToAdapteг.

9

AdapterConnection

1comesРгomAdapteг

comesToAdapteг-

■±ґ' ~$оскеЮЇ- 'ч.

\^Сотропеп!рВ^^

-'ЧЕВТуре^У

Рис. 5. Определение составных ФБ

Вычислительная сеть

С егмент А Се Ш 1 гмент В 1 1 Сегмент С

Приложение 2

Устройство 1 Устройство 2

Рис. 6. Иллюстрация системных конфигураций

На рис. 7 изображена семантическая сеть для определения системных конфигураций.

ЯуМгеип

вРагКЖуДеш

1ккйе*£Г^__ Ы^ОЕу«™

-¡.нРагЮЙуь^т

.X.

]зРа[ЮЁ5>гз(ет (^М^РР1~п]Г^

............... У таряРгоге^

I \ пкыТо(_ отт [^сии гс с

¡чРагЮГОеотсе

гсГс^ТоРсУ1сеТурс (^-дн^йшсе!^ 1>е\’1се ) ^Г1 , ----------""

СретнжТ^ре

^гсйггвТ[]илМс1е47В

ЬазКсзоигсе

С-----у * ЬазксЕоигсс

РагатеТ-ег^К ¡дЕйЙОГОе-уке/ у''\ь?яйОЮт<хЧУ[>*

( 1 ^.ои»Й,^В,

йРйГЮР^йгмпгп^л^ГйРйТпКйвгты^ТЧ/ги ¡вРаПОЮорТурс

гьРагЮГОс^св / \ / д^Ксаии^Тур(Г^)/ / <^Сот рои е:Ц-КВ^>

иРйНО ГНечинпх

Ьмгвмепге* / ч»^ы«

X \ 1>,Рагс<Г>11?.еао

1нрйг(( Же.чиш иеТ уре

1

Гуре

ЬазЬБМеЛУОгк

ГВЬкФлогк

УашЫе

Рис. 7. Определение системных конфигураций

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

3. Семантический анализ описаний систем ФБ на основе дескриптивной логики

Семантический анализ описаний по своей сути сводится к определению семантически правильных конструкций в множестве синтаксически правильных. Синтаксическая правильность XML-описаний проектов стандарта IEC 61499 определяется соответствующим DTD-блоком [10], а ее проверка поддерживается существующими XML-парсерами.

Рассмотрим в качестве примера представление «синтаксического» знания об информационной связи. Информационная связь описывается в стандарте IEC 61499 с помощью следующего синтаксического правила (в виде РБНФ):

data_conn ::=

( fb_instance_name '.' output_variable_name | input_variable_name)

'TO' fb_instance_name '.' input_variable_name ';'

| fb_instance_name '.' output_variable_name 'TO' output_variable_name ';'

Для упрощения в приведенном выше правиле data_conn не указаны входные и выходные переменные адаптера-штекера.

Онтологическое описание информационных связей только с помощью рангов и доменов отношений comesFromVariable и comesToVariable (рис. 5) было бы не совсем точным. В этом случае в множество связей DataConnection входила бы связь между входными и выходными переменными оболочки, что не является правильным. Более точно синтаксические знания, заложенные в правиле data_conn, могут быть представлены следующей аксиомой в виде формулы ДЛ типа SROIQ:

DataConnection Е Connection П (=1 comesFromVariable.OutputVariable-OfComponentFB U =1 comesFromVaraible.InputVariableOfFBType LI =1 comes-FromVaraible.Constant) П =1 comesToVariable. InputVariableOfComponentFB) U (=1 comesFromVariable.OutputVariableOfComponentFB П =1 comesToVariable. OutputVariableOfFBType

Следует отметить, что в данную формулу введено описание часто используемой на практике связи между константой и входной переменной компонентного ФБл, которое разработчиками стандарта почему-то не было включено в правило data_conn.

Предлагается метод семантического анализа онтологических описаний систем управления на основе ФБ, основанный на использовании определения так называемых «семантически правильных» классов. Семантически правильный класс строится на основе соответствующего базового «синтаксически правильного» класса, но при этом в его определение включаются дополнительные семантические свойства и ограничения, полученные из анализа текста стандарта или практики его использования. Сама техника проведения семантического анализа сводится к обычной процедуре классификации, осуществляемой штатной системой рассуждений (reasoner). После проведения классификации производится сравнение множеств экземпляров, отнесенных как к базовому классу, так и к его семантически правильному аналогу. Равенство данных множеств свидетельствует о семантической корректности описания, а неравенство - о наличии ошибки в описании. Локализация ошибки

сводится к поиску в базовом классе экземпляров, не отнесенных к семантически правильному классу, и их дополнительной (ручной) проверке.

Для примера рассмотрим семантически правильный класс Rightlnput-VariableOfFBType. Этот класс представляет корректно описанные и корректно использованные входные переменные оболочек (типов) ФБ и определяется следующей аксиомой в виде формулы ДЛ типа SROIQ:

RightInputVariableOfFBType = InputVariableOfFBType П (=1 isPartOf-Interface. InterfaceOfBasicFBType П 3 isUsedAtComputationIn. (Algorithm LI GuardCondition)) LI (=1 isPartOfInterface. InterfaceOfCompositeFBType П 3originatesDataConnection. DataConnection) П 3isLinkedWithEventInput.Event-Input

В соответствии с формульным описанием этого класса: 1) правильная входная переменная оболочки ФБл относится к классу входных переменных оболочек ФБ; 2) переменная должна быть связана WITH-связью хотя бы с одним событийным входом; 3) должно быть верно одно из двух утверждений:

- в случае базисного ФБл она хоть один раз используется в вычислениях каких-либо алгоритмов или сторожевых условий;

- в случае составного ФБл она начинает хотя бы одну информационную дугу.

Для представления корректных событийных входов компонентных ФБ (класс RightEventInputOfComponentFB) может использоваться следующая аксиома:

RightEventInputOfComponentFB =

EventInputOfComponentFB П 3finishesEventConnection. EventConnection

Для тестирования разработанной онтологии был создан ряд баз фактов Abox, одна из которых представляла систему из двух ФБ типа ALU (рис. 1). При этом экземплярам класса EventInputOfComponentFB были даны имена alu1.init, alu1.add, alu1.sub, alu2.init, alu2.add и alu2.sub. В качестве примера ниже приводится описание экземпляра alu1.add на языке системы Protégé [11]:

isPartOfInterface alu1.Interface

finishesEventConnection alu2.cnf_to_alu1.add_connection

finishesEventConnection alu2.inito_to_alu1.add_connection

В результате классификации из всего множества событийных входов компонентных ФБ (в виде экземпляров) к правильным были отнесены все экземпляры, за исключением alu1.sub и alu2.add, поскольку к соответствующим входам не подведена ни одна событийная связь. В принципе это не является ошибкой, но может служить предупреждением.

4. Семантический анализ описаний систем ФБ на основе правил SWRL

Следует отметить, что не все семантически правильные классы могут быть выражены с помощью только ДЛ. В этом случае для повышения описательных возможностей ДЛ полезно использовать правила языка SWRL [7]. В качестве примера кратко рассмотрим следующее семантическое свойство (положение), явно не прописанное в стандарте, но согласующееся со стандар-

том и используемое на практике. Согласно этому положению при распределении связанных в приложении ФБ на разные ресурсы связь между ними разрывается и взаимодействие этих ФБ производится через коммуникационные ФБ (вид СИФБ) (рис. 8,а). При распределении же ФБ на один и тот же ресурс основным требованием является эквивалентность типов ФБл приложения и соответствующему ему ФБл ресурса (рис. 8,б). При развертывании системы ФБ связь между ФБ приложения мигрирует в связь между соответствующими ФБ ресурса (рис. 8,б).

Приложение р.

а і і Ь

Р; Приложение р.

Отображение

Ресурс Я

б)

Рис. 8. Распределение функциональных блоков приложения: а - на разные ресурсы; б - на один и тот же ресурс

Введем класс RightApplEventConnection, описывающий семантически правильные событийные связи в приложении в соответствии с двумя ситуациями, представленными выше:

RightApplEventConnectюn= RightApplEventConnection1 Ы RightAp-plEventConnection2

Поскольку представление сложных ситуаций в виде правил является в ряде случаев задачей нетривиальной, в качестве промежуточной формы представления знаний предлагается использование графов запросов [9]. Граф запроса наглядно описывает ситуацию в виде некоторой семантической сети, узлами которой являются переменные. Эти переменные, так же как и в правиле SWRL, будем предварять знаком вопроса (?). Дугами в графе запроса являются отношения между соответствующими классами, представляющими интерес. Граф запроса для ситуации, представленной на рис. 8,а, приведен на рис. 9. Ограничениями по переменным в этом случае являются ?Ь1^?Ь2 и ?г1^?г2.

Можно считать, что граф запросов представляет антецедент (тело) правила SWRL. Правило SWRL (в виде хорновского дизъюнкта), построенное на основе графа запросов на рис. 9, приведено на рис. 10. Данное правило служит для вычисления класса RightApplEventConnection1.

Граф запроса для ситуации о распределении ФБ на один и тот же ресурс, приведен на рис. 11, а соответствующее SWRL-правило - на рис. 12.

Ь

а

Ь

а

FBInstanceRef

FBNetwork

0 refersToUnfoldedF^^ isPartOfFBNetwork^ w1 mapsFrom

' isPartOfFBNetwork

FBInstanceRef

A, - /TXComponentFB / Л ComponentF^-^eferSToUnfoldedFB

—I ?b1 1—^ /hasFBNetwork / ?Ь2 V* mapsFrom

refersToFBTyp^ .^^/hasInterface /______J , T + f—v J

FBTvne^ ± м hasInterfac^W Mapping

FBTyp6/ InterfaceOf- /S referST°FB^eFBTypeM W "

Application Г?x2 J InterfaceOf- ^ Vх

BNetwork ™psTo

InterfaceOf-ComponentFB I 9x1 J

map?To , ,U , . 4^

FBResourceRef^^N ^'T'lsPartOfFBNetwork

I ?u3 ) ' isPartOfInterface \ isPartOfInterface /Г f Л

refersToFBType t-^EventOutputOfA EventInputOf- \ refersToFBType

refe^mfoldcdiB \ ^o1 ^m^mentm \ ComponentF^S Г refersToUifoldedFB

c-----------------------------------------------------------------------entFW ?ьз j n. / _\.л J f^/\ j_

FBResourceRef

hasNamecomesFromEven^ comesToEvent V?b4 /^omponentFB

hasInterface

An

V hasInterface

String V V V?nyString

EventConnection

InterfaceOf-

ComponentFB

InterfaceOf-

Comp<mentFB^^ T E ,O , ,Of hasName '

isPartOfFBNetwork isPartOfInterface hafame EventInputOf- E^^uO- .

ComponentFB ^т^лелЯБ \ isPartOfInterface isPartOfFBNetwork

Of-r?oX ^ ?o3 ^ /?-^ EventInputOf-

comesFromEven^V?^ ComponentFB

^ 1 • r> „-./-NfT * с isPartOfInterface

comesFromEvent \ isPartOfInterface

—4 \ 1 \ InterfaceOf- /*“*4 /'''“'NcomesToEvent

EventConnectio^?c^ (JxyComponentF^?x^ ^ ?c3 ^--EventConnection

isPartOfFBNetwork ..

hasInterface hasInterface

EventOutputOf-ComponentFB

‘ comesT

FBNetwork

isPartOfFBNetwork

ComponentFB /?Ь^ ^ТЬб! ComponentFB

isPartOfFBNetwork^^^ V-/'''“ isPartOfFBNetwork'

FBNetwork

hasFBNetwork refersToFBType refersToFBType^^ hasFBNetwork

Resource I

Resource

(Р) ^ бГТ')

SeгviceInterfaceFBType ServiceInterfaceFBType

Рис. 9. Граф запроса для ситуации о распределении ФБ на разные ресурсы

EventConnection(?cl) л comesFromEvent(?cl,?ol) л comesToEvent(?cl,?il) л Application(?al) л hasFBNetwork(?a1,?w1) л isPaгtOfFBNetwoгk(?c1,?w1) л isPaг-tOfInteгface(?o1,?x1) л hasInterface(?b1,?x1) л isPartOfFBNetwork(?b1,?w1) л has-Name(?o1,?n1) л refersToFBType(?b1,?t1) л Mapping(?m1) л mapsFгom(?m1,?u1) л mapsTo(?m1,?u3) л гefeгsToUnfoldedFB(?u1,?b1) л гefeгsToUnfoldedFB(?u3,?b3) л гefeгsToFBType(?b3, ?t1) л hasInteгface(?b3,?x3) л isPartOfFBNetwoгk(?b3,?w2) л Re-source(?r1) л hasFBNetwoгk(?г1,?w2) л isPartOfFBNetwoгk(?c2,?w2) л isPartOfFBNet-woгk(?b5,?w2) л EventConnection(?c2) л comesFromEvent(?c2,?o2) л comesTo-Event(?c2,?i3) л isPartOfInteгface(?i3,?x5) л hasInteгface(?b5,?x5) л isPartOfInter-face(?o2,?x3) л hasName(?o2,?n1) л SeгviceInteгfaceFBType(?t3) л гefeгsToFB-Type(?b5,?t3) л isPaгtOfInteгface(?i1,?x2) л hasInteгface(?b2,?x2) л isPaгtOfFBNet-work(?b2,?w1) л hasName(?i1,?n2) л гefeгsToFBType(?b2,?t2) л Марр^(?ш2) л maps-Fгom(?m2,?u2) л mapsTo(?m2,?u4) л гefeгsToUnfoldedFB(?u2,?b2) л refersToUnfold-edFB(?u4,?b4) л гefeгsToFBType(?b4, ?t2) л hasInteгface(?b4,?x4) л isPaгtOfFBNet-woгk(?b4,?w3) л Resouгce(?г2) л hasFBNetwoгk(?г2,?w3) л isPartOfFBNet-woгk(?c3,?w3) л isPartOfFBNetwoгk(?b6,?w3) л EventConnection(?c3) л comesFгom-Event(?c3,?o3) л comesToEvent(?c3,?i2) л isPaгtOfInteгface(?o3,?x6) л hasInteг-face(?b6,?x6) л isPaгtOfInteгface(?i2,?x4) л hasName(?i2,?n2) л ServiceInter-faceFBType(?t4) л гefeгsToFBType(?b6,?t4) л DifferentFrom(?b1,?b2) л Diffeгent-Fгom(?г1,?г2) ^ RightApplEventConnection1(?c1)

Рис. 10. Правило SWRL для вычисления правильных событийных связей в приложении (случай распределения ФБ на разные ресурсы)

РВІ^апсеКеГ

FBNetwork

геіїггвТоипіїзШедРВ у—■'ч ^е^То'Ші'оМедга FBInstanceRef

V isPartOfFBNetwork^^ ?wl \4■isPartOfFBNetwo^/'^

/?b^ComponentF^^У ComponentF^^^^ ^ ?и2

-—,V_../hasInterface /hasFBNetwork У"-^

„ refersToFBType чт / hasInterface —< X .

maPSІF0mT / Of А ( /Сл Л. refersToFBType mapsFrom

InterfaceOf- (?хі) (?aU InterfaceOf- Ч^FBType

у Applicatio^\?XУ Mapping

isPartOfInterface EventInputOf- /

ComponentF^^ ?И)/ m;

/ _i£FBResourceRef

isPartOfInterface"

EventOutputOf-ComponentFB

comesToEvent

refersToFBType

0

mapsTo

FBResourceRef^-'v

refersToUnfoldedFB EventConnection / refersToUnfoldedFB

Res0urce isPartOfFBNetwork iSPartOfFBNetW0rk

к refersToFBType comesFromEvent

\ ComponentFB ( ?‘^1 ] ComponentFB

V

у— refers

FBNetwork

hasFBNetwoгk-

Рис. 11. Граф запроса для ситуации о распределении ФБ на один и тот же ресурс

EventConnection(?cl) л comesFromEvent(?cl,?ol) л comesToEvent(?cl,?il) л Application(?al) л hasFBNetwork(?al,?wl) л isPartOfFBNetwork(?cl,?wl) л isPar-tOfInterface(?ol,?xl) л hasInterface(?bl,?xl) л isPartOfFBNetwork(?bl,?wl) л гє'єтс-ToFBType(?bl,?tl) л Mapping(?ml) л mapsFrom(?ml,?ul) л mapsTo(?ml,?u3) л гє'єг-sToUnfoldedFB(?ul,?bl) л refersToUnfoldedFB(?u3,?b3) л refersToFBType(?b3, ?tl) л isPartOíFBNetwork(?b3,?w2) л Resource(?r) л hasFBNetwork(?r,?w2) л isPartOfInter-face(?il,?x2) л hasInteríace(?b2,?x2) л isPartOíFBNetwork(?b2,?wl) л 1^6^^-FBType(?b2,?t2) л Mapping(?m2) л mapsFBFrom(?m2,?b2) л mapsFBTo(?m2,?b4) л refersToUnfoldedFB(?u2,?b2) л refersToUnfoldedFB(?u4,?b4) л refersToFBType(?b4, ?t2) л isPartOíFBNetwork(?b4,?w2) ^ RightApplEventConnection2(?cl)

Рис. 12. Правило SWRL для вычисления правильных событийных связей в приложении (случай распределения ФБ на один и тот же ресурс)

Следует отметить, что для повышения эффективности вычислений и упрощения отладки (следуя модульному принципу) приведенные правила можно было бы разбить на несколько правил меньшей размерности. Однако в данном случае разбиение правила на модули для иллюстративных целей большого смысла не имеет.

5. Система семантического анализа проектов ІЕС 61499

На основе разработанного выше подхода предлагается структура программных средств для семантического анализа проектов стандарта ШС 61499. Основными компонентами системы являются:

1) терминологический словарь Tbox, относящийся к стандарту ШС

61499;

2) транслятор XML-описания ФБ в OWL/SWRL-представление, включающее кроме словаря Tbox и правил SWRL также соответствующую базу фактов АЬ0х;

3) интерфейсная программа, осуществляющая взаимодействие с системой рассуждений (ризнер) и пользователем (рис. 13).

Рис. 13. Система семантического анализа проектов IEC 61499 на основе онтологий

В качестве системы рассуждений можно выбрать свободно распространяемый ризнер Pellet [12]. Он поддерживает ДЛ типа SROIQ и язык SWRL с «ДЛ-безопасной» семантикой. Интерфейсной программой на первый случай может служить система Protégé [11]. Разработка собственной интерфейсной программы с использованием OWL API позволит более эффективно организовать вычисления.

Заключение

В данной работе предложен подход к описанию систем ФБ стандарта IEC 61499 на основе дескриптивной логики и логики хорновских дизъюнктов. На основе предложенного подхода с использованием языков OWL DL и SWRL, а также инструментальной системы Protégé разработана онтология систем управления, построенных в соответствии со стандартом IEC 61499. Данная Web-онтология может считаться разделяемым ресурсом и быть размещена в сети Интернет для общего пользования. Предложенный метод семантического анализа описаний систем управления, построенных в соответствии со стандартом IEC 61499, позволяет выявить семантические ошибки в описании на ранних стадиях проектирования, что сокращает общее время проектирования системы. В работе также предложена структура системы семантического анализа проектов IEC 61499 на основе Web-онтологий.

Направлением дальнейших исследований является расширение онтологии за счет включения в нее описания функционирования систем ФБ с учетом моделей их выполнения.

Список литературы

1. Гаврилова, Т. А. Базы знаний интеллектуальных систем / Т. А. Гаврилова, В. Ф. Хорошевский. - СПб. : Питер, 2000. - 384 с.

2. International Standard IEC 61499. Function blocks for industrial-process measurement and control systems. Part 1: Architecture / International Electrotechnical Commission. -Geneva, 2005. - 111 p.

3. The Description Logic Handbook: Theory, Implementation, and Applications / F. Baader [et al.]. - Cambridge University Press. - 2003. - 574 р.

4. Люггер, Дж. Ф. Искусственный интеллект: стратегии и методы решения сложных проблем : пер. с англ. / Дж. Ф. Люгер. - М. : Изд. дом «Вильямо, 2003. -864 с.

5. W3C Консорциум. Язык Web-онтологий OWL [Электронный ресурс]. - URL: http://www.w3.org/2004/0WL/.

6. Dubinin, V. Using Prolog for Modelling And Verification of IEC 61499 Function Blocks and Applications / V. Dubinin, V. Vyatkin, H.-M. Hanisch // 11th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA 2006), Proceedings. - Prague, Czech Republic, 2006. - P. 774-781.

7. SWRL: A Semantic Web Rule Language. W3C Member Submission, 2004. [Электронный ресурс]. - URL: http://www.w3.org/Submission/SWRL/.

8. Motik, В. Query answering for OWL DL with rules / В. Motik, U. Sattler, R. Studer // Journal of Web Semantics. - 2005. - № 3 (1). - P. 41-60.

9. Робототехнические комплексы. Искусственный интеллект. Робототехника и гибкие автоматизированные производства : в 9-ти кн. Кн. 6. Техническая имитация интеллекта : учеб. пособие для втузов / В. М. Назаретов, Д. П. Ким ; под ред. И. М. Макарова. - М. : Высшая школа, 1986. - 144 с.

10. International Standard IEC 61499. Function blocks for industrial-process measurement and control systems. Part 2: Software tool requirements / International Electrotechnical Commission. - Geneva, 2005. - 41 p.

11. Protégé [Электронный ресурс]. - URL: http://protege.stanford.edu.

12. Pellet - an open-source Java OWL DL reasoner [Электронный ресурс]. - URL: http://pellet.owldl.com/.

Дубинин Виктор Николаевич

кандидат технических наук, доцент, кафедра вычислительной техники, Пензенский государственный университет

E-mail: [email protected]

Вяткин Валерий Владимирович доктор технических наук, профессор, факультет электронных и компьютерных наук, Оклендский университет (г. Окленд, Новая Зеландия)

E-mail: [email protected]

DubininViktor Nikolaevich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of computer engineering,

Penza State University

Vyatkin Valery Vladimirovich Doctor of engineering sciences, professor, department of electronics and computer science, Oakland University (Oakland, New Zealand)

УДК 004.82: 004.4'2 Дубинин, В. Н.

Семантический анализ описаний систем управления промышленными процессами на основе стандарта IEC 61499 с использованием онтологий / В. Н. Дубинин, В. В. Вяткин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 3 (15). - С. 3-15.