Esquemas de representación ontológica para la integración...
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Esquemas de representación ontológica para la integración de datos en los sistemas de información de planta
Fernando Roda
Es tan i s l ao Musu l i n
Mar ta Basua ldo
Grupo de Informática Aplicada a la Ingeniería de ProcesosCentro Internacional Franco Argentino de Ciencias de la Información y de Sistemas
www.cifasis-conicet.gov.ar
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DOMINIO DE APLICACIÓN
Plantas químicas de grandes dimensiones
Procesos Continuos
SIP � SISTEMAS DE INFORMACIÓN DE PLANTA
Son sistemas distribuidos compuestos por muchos subsistemas que interactúanentre si. Poseen una arquitectura en capas.
RTUsRTUsPID PID DCSDCS
MESMES
RTUsRTUs
Sensores Sensores
PID PID
OPCOPC
ERPERP
HMIHMI
DCSDCS
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SIP – PROBLEMAS - OBJETIVOS
�Falta de integración y consistencia de los datos.
�Alta dependencia en los expertos del proceso.
�Altos niveles de acoplamiento en las aplicaciones.
La lógica del negocio permanece embebida en los módulos de los programas
El conocimiento generado por el SIP debe ser gestionado eficientementepara poder soportar:
1. PROCESOS
2. CONTROL CONVENCIONAL
3. CONTROL AVANZADO
4. SUPERVISIÓN DE LA PRODUCCIÓN
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ENFOQUE PROPUESTO
“Incorporación de una capa semántica como metacontenido
de los subsistemas operacionales”
PLANO DE CONOCIMIENTO
PLANO DE DATOSPLANO DE DATOS
PLANO DE PROCESOS
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BASE DE CONOCIMIENTO
Representación Formal
ONTOLOGÍAS
“An explicit specification of a conceptualization”
COMPONENTES:
�Conceptos (Individuos - Clases)(Individuos - Clases)
�Relaciones
�Axiomas - Reglas
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INTEGRACIÓN DE DATOS BASADO EN ONTOLOGÍAS
�Utilizar bases de conocimiento para combinar datos de y/o informaciónde fuentes heterogéneas.
SEMANTIC MEDIATION APROACH
ENFOQUES SEMANTIC MEDIATION APROACH
�Explotar las capacidades de razonamiento para soportar las tareas de control y supervisión.las tareas de control y supervisión.
�Mejor aprovechamiento de la información distribuida.�Procesamiento en Tiempo Real
DESAFIODESAFIO � Capturar la semántica y no sólo el vocabulario técnico
(REUTILIZACION del conocimiento en diferentes casos de estudio)
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REPRESENTACIÓN DEL CONOCIMIENTO
ÁREAS DE DOMINIO
ONTOLOGÍA
�133 clases
�77 propiedades
(objetos/datos)
�279 axiomas
CONTROL
EVENTOS
EQUIPOS
ÁREAS DE DOMINIO
ONTOLOGÍA
EVENTOS
ÁREAS DE DOMINIO
ONTOLOGÍA
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LENGUAJESLENGUAJES
TECNOLOGÍA DE IMPLEMENTACIÓN
OWL 2 �
CONSTRUCTORCONSTRUCTOR
Protégé 4.1
OWL 2 �
SWRL
RAZONADORRAZONADORPellet 2
"The Semantic Web is an extension of the current web in which information is given well-defined meaning, better enabling computers and people to work in cooperation."
-- Tim Berners-Lee
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CONFIGURACIÓN DE EQUIPOS
ISA-95Define la terminología para la integración de los sistemas de gestión en la capa de la empresa con los sistemas de control de la capa de planta.
ISA-S88
WORK
CENTER
ISA95 SCOPE
LEVEL 3 – 4
COMMON OBJECTS
ENTERPRISE
SITE
AREA
PROCESS
CELL
PRODUCTION
UNIT
PRODUCTION
LINE
STORAGE
ZONEWORK
CENTER
ISA95 SCOPE
LEVEL 3 – 4
COMMON OBJECTS
ENTERPRISE
SITE
AREA
PROCESS
CELL
PRODUCTION
UNIT
PRODUCTION
LINE
STORAGE
ZONE
ISA-S88•Para procesos batch•Posee una especificación másdetallada de los sistemas de control
ISAISA--95/ISA95/ISA--S88.S88.
Se agregaron los instrumentos WORK
UNITS
BATCH PRODUCTION
UNIT UNITWORK
CELL
STORAGE
UNIT
EQUIPMENT
CONTROL
INSTRUMENT
CONTINUOUS
PRODUCTION
REPETITIVE OR DISCRETE
PRODUCTION
STORAGE ACTIVITIES
ISA88
SCOPE
WORK
UNITS
BATCH PRODUCTION
UNIT UNITWORK
CELL
STORAGE
UNIT
EQUIPMENT
CONTROL
INSTRUMENT
CONTINUOUS
PRODUCTION
REPETITIVE OR DISCRETE
PRODUCTION
STORAGE ACTIVITIES
ISA88
SCOPE
Se agregaron los instrumentos que se enlazan a los sistemasde control.
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CONFIGURACIÓN DE EQUIPOS
�Jerarquía de agregación sin primitivas en OWL.
�Jerarquía de propiedades transitivas
ActuatorInstrument
MasurementInstrument
Instrument
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SISTEMAS DE CONTROL
�La clase ControlElement engloba todos los conceptos relacionados al control
CONTROL SYSTEM
CONTROL LOOPS
El sistema de control es un conjunto de lazos de control distribuidos en el proceso en base a objetivos específicos de éste.
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SISTEMAS DE CONTROL
CONTROL CLÁSICOCONTROL CLÁSICO CONTROL EN CASCADACONTROL EN CASCADA
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�Los sistemas de control quedan vinculados a los equipos por intermedio de los instrumentos (Sensores / Actuadores)
�Una cadena de propiedades establece a que centro de trabajo (Work Unit) pertenecen los sistemas de control.
SISTEMAS DE CONTROL
pertenecen los sistemas de control.
:hasControlSystem rdf:type owl:ObjectProperty ; owl:inverseOf :isControlSystemOf ;owl:propertyChainAxiom(:hasWorkUnit :hasEquipment :hasInstrument :UsedBy :isControlLoopOf).
:hasControlSystem rdf:type owl:ObjectProperty ; owl:inverseOf :isControlSystemOf ;owl:propertyChainAxiom(:hasWorkUnit :hasEquipment :hasInstrument :UsedBy :isControlLoopOf).
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SISTEMAS DE CONTROL
�InnerLoop es una clase definida con el axioma de equivalencia:
ControlLoop and (usedAsActuatorBy some ControlLoop)ControlLoop and (usedAsActuatorBy some ControlLoop)
�De esta forma el razonador puede clasificar automáticamente cada lazo
ControlLoop and (usedAsActuatorBy some ControlLoop)ControlLoop and (usedAsActuatorBy some ControlLoop)
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EVENTOS DE PLANTA
�La clase Event captura todos las mediciones realizadas por los dispositivos de planta.
inversa de hasProperty<hasMeasuredProperty / hasManipulatedProperty>
Las variables son representadas por categorías disjuntas.
<AllDisjointClasses>
�Propiedades del proceso
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EVENTOS DE PLANTA
�Los desvíos se encuentran asociados a
una variable y a una Guide Word.
�El estándar IEC 61882:2002 propone una serie de términos generalespara clasificarlas.
Palabras reservadas utilizadas en el estudio de HAZOP.
para clasificarlas.
�Las Guide Words son representadas mediante una herencia múltiple
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EVENTOS DE PLANTA
�Reglas SWRL permiten especificar las condiciones para establecer si un Evento representa un Desvío.
RAZONAMIENTO PARA DETECCIÓN AUTOMÁTICA DE DESVIOSRAZONAMIENTO PARA DETECCIÓN AUTOMÁTICA DE DESVIOS
�El razonador también clasifica automáticamente los Eventos y Desvíos activos
hasPossibleDeviation(?e, ?g), hasLowerSpecificationValue(?g, ?lv),hasUpperSpecificationValue(?g, ?hv),hasValue(?e, ?v), greaterThanOrEqual(?v, ?lv),lessThanOrEqual(?v, ?hv) ��
isRecognizedAsDeviation(?e, ?g)
hasPossibleDeviation(?e, ?g), hasLowerSpecificationValue(?g, ?lv),hasUpperSpecificationValue(?g, ?hv),hasValue(?e, ?v), greaterThanOrEqual(?v, ?lv),lessThanOrEqual(?v, ?hv) ��
isRecognizedAsDeviation(?e, ?g)
Propiedad inferidas por el razonador. ?e: Evento ?g: Desvío
�El razonador también clasifica automáticamente los Eventos y Desvíos activos
Event and(isRecognizedAsDeviation some Deviation)Event and(isRecognizedAsDeviation some Deviation)
Deviation and (hasAssociatedEvent some DeviatedEvent)
AXIOMAS DE EQUIVALENCIAAXIOMAS DE EQUIVALENCIA SUBCLASES DEFINIDASSUBCLASES DEFINIDAS
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EJEMPLO DE APLICACIÓN � REACTOR CSTR
Reactor de mezcla completa de agitado
continuo con camisa refrigerante
LC
L.SP
L.PV
LC1FC
F.SP
V.OP
F.PV
V.f
LC2
Fmeter
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EJEMPLO DE APLICACIÓN � REACTOR CSTR
�Se generaron las instancias que representan el modelo de la planta
�Práctica W3C � Separar conceptos de Instancias
2 archivos de instancias:Datos Estables: Equipos - Control
Datos Dinámicos: Eventos
� Esto permite implementar un razonamiento incrementalrazonamiento incremental� Esto permite implementar un razonamiento incrementalrazonamiento incremental
↑ Performance
Razonamiento en línea. Luego de cada actualización de la KB
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PRUEBAS DE RAZONAMIENTO
3,1 seg.Razonamiento
INTEL i7Razonamiento
completo 8 Gb RAM
VERIFICACIÓN DE CONSISTENCIA
“LC1 se encontraba vinculado a un Centro de Trabajo Erróneo”
INFERENCIAS
EXPLOTACIÓN DEL CONOCIMIENTO
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2) INFERENCIAS
�Deducciones para un evento del sensor Fmeter
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3) EXPLOTACIÓN DEL CONOCIMIENTO
LENGUAJE DE CONSULTALENGUAJE DE CONSULTA
�W3C
�Rica sintaxis
�Soportado por muchos motores de consulta
Se utilizó OWL3 QueryTab � Protégé� Pellet
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3) EXPLOTACIÓN DEL CONOCIMIENTO
�El motor de consulta realiza inferencia por equiparación
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CONCLUSIONES
�Se desarrollo una ontología siguiendo un enfoque dirigido por el
conocimiento.
�Conceptos propios de la ingeniería de procesos fueron implementados con éxito utilizando los estándares propuestos por W3C.con éxito utilizando los estándares propuestos por W3C.
�Se obtuvo una conceptualización correcta para un reactor CSTR.
�El razonamiento fue aprovechado para:
�Los tiempos de razonamiento son compatibles con un procesamiento en tiempo real.
- Clasificación de los lazos de control- Detección automática de desvíos - Verificación de consistencia
tiempo real.
TRABAJOS FUTUROS
�Conceptualización de patrones temporales - Tendencias.
�Diseño de la infraestructura - Estrategias para poblar la KB.
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Esquemas de representación ontológica para la integración de datos en los sistemas de información de planta
Fernando Roda
¿PREGUNTAS?
Grupo de Informática Aplicada a la Ingeniería de ProcesosCentro Internacional Franco Argentino de Ciencias de la Información y de Sistemas
Fernando Roda
Estanislao Musulin
Marta Basualdo
www.cifasis-conicet.gov.ar