3T/BIAIMXXXX—20XX企業研發制造資源共享第1部分：科學儀器和生產設備信息模型本文件規定了科學儀器和生產設備的信息資源屬性分類、信息模型屬性關系、信息模型抽象關系、信息模型定義擴展、科學儀器和生產設備的OPCUA規范以及一致性映射。本文件適用于儀器設備共享平臺用戶對科學儀器和生產設備信息模型的建模。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T40209-2021制造裝備集成信息模型通用建模規則GB/T33863.3-2017OPC統一架構第3部分：地址空間模型GB/T33863.5-2017OPC統一架構第5部分：信息模型3術語和定義GB/T40209-2021、GB/T33863.3-2017以及GB/T33863.5-2017界定的術語和定義適用于本文件。3.1信息模型informationmodel對給定的制造裝備信息資源進行定義、描述和關聯的組織框架。3.2屬性attribute組成組件、屬性集、設備的基本元素。3.3引用reference事物之間關系的表示。3.4地址空間AddressSpace作為一個容器存儲了OPCUA服務器中所有設備信息、數據以及服務接口，是信息交換的基礎結構。4縮略語下列縮略語適用于本文件。DI：數字量輸入（DigitalInput）AI：模擬量輸入（AnalogInput）DO：數字量輸出（DigitalOutput）AO：模擬量輸出（AnalogOutput）OPCUA：開放平臺通信統一架構（OpenPlatformCommunicationUnitedArchitecture）XML：可擴展標記語言（ExtensibleMarkupLanguage）ODIR：數據信息語義描述（OntologyDataInformationRepresentation）DA：數據采集模塊（DataAcquisition）A&E：報警與實踐管理（AlarmandEvents）HA：高可用性模塊（HighAvailability）CPS：信息物理系統（CyberPhysicalSystem）RDF：資源描述框架（ResourceDescriptionFramework）4T/BIAIMXXXX—20XXOWL：網頁本體語言（WebOntologyLanguage）HMI：人機接口（HumanMachineInterface）5總體要求科學儀器和生產設備的信息建模應基于統一的本體建模原則，旨在提供完整、靈活且可互操作的儀器和設備資源描述。建模過程需要綜合考慮儀器和設備的基本屬性、能力、狀態及配置等核心要素，并將其納入OPCUA信息模型，以實現資源的數字化和語義化。6科學儀器信息資源屬性分類本文件將科學儀器信息資源分為3類，包括靜態屬性、過程屬性和方法組件屬性，具體屬性分類見表1。表1科學儀器信息資源屬性分類表/7生產設備信息資源屬性分類結合生產設備與儀器設備共享平臺數據交換特點，本文件將生產設備信息資源分為9類，包括靜態屬性、過程屬性、配置屬性、控制器組件屬性、驅動器組件屬性、傳感器屬性、末端執行器屬性、擴展組件屬性、方法組件屬性，具體屬性分類見表2。表2生產設備信息資源屬性分類表源開關、運動模式、采集指令、控制指令、執5T/BIAIMXXXX—20XX/8信息模型屬性關系信息資源屬性之間的關系如圖1所示,儀器和設備包括組件、屬性集、方法集,組件可包含屬性集、子組件以及方法集,屬性集由屬性和子屬性集組成,屬性由屬性元素組成。6T/BIAIMXXXX—20XX圖1信息模型元素之間的關系9信息模型抽象關系科學儀器和生產設備如數控機床、機器人等是由若干部件、物理屬性以及各類操作組成的，每個部件又可包含其他子部件和物理屬性,因此應定義相關的信息模型元素對制造裝備進行抽象和描述。本文件定義了屬性元素、屬性、屬性集、組件、組件集、設備、方法、方法集、引用信息模型元素,信息模型元素與制造，科學儀器和生產設備的抽象關系，如圖2所示。7T/BIAIMXXXX—20XX圖2信息模型抽象關系10信息模型定義擴展10.1科學儀器信息資源屬性擴展在對科學儀器本體信息資源進行分類后，可歸納儀器使用過程中與科學儀器相關的任務信息，同時可將其納入OPCUA信息模型，科學儀器的任務屬性可擴展為：a)任務ID；b)任務類型；c)任務名稱；d)樣品名稱；e)人物列表；f)任務狀態；g)任務優先級；h)任務參數；i)任務時間信息；j)任務存儲路徑；k)任務依賴關系。10.2生產設備信息資源屬性擴展在對生產設備本體信息資源進行分類后，可歸納生產過程中與生產設備相關的任務信息，同時可將其納入OPCUA信息模型，生產設備的任務屬性可擴展為：a)任務ID；b)任務類型；c)任務名稱；8T/BIAIMXXXX—20XXd)物品名稱；e)重量；f)任務列表；g)當前任務；h)任務存儲路徑；i)任務狀態。11科學儀器和生產設備的OPCUA規范11.1節點模型11.1.1概述OPCUA系列標準規范由十三部分組成，內容包含地址空間、與OPC規范的銜接應用、OPCUA發現機制和聚合數據的方法，其中第一至七部分描述了OPCUA建模相關內容，包括OPCUA空間模型的結構和操作地址空間的服務。基于OPCUA的節點模型圖如圖3所示。圖3節點模型圖11.1.2節點引用OPCUA的地址空間由標準化的節點組成。如圖4所示，節點根據不同用途可分為不同的節點類，這八種節點類均繼承于基節點，對象、變量和方法是OPCUA中最重要的節點類。節點屬性包含通用屬性、對象、變量屬性、方法、對象類型或者引用類型，一個節點類屬于節點屬性中的一個或多個。節點屬性、主要節點類和節點之間的引用按照GB/T33863.3-2017、GB/T33863.5-2017的規定。說明如下：——變量節點一方面具有節點屬性和引用的功能，另一方面變量節點值可以被OPCUA客戶端讀取、寫入和訂閱。按照GB/T33863.5-2017中第7章的規定。——OPCUA服務器中含有方法節點，該方法允許客戶端調用并可以響應生產設備，并且具有輸入和輸出參數，但是OPCUA服務器中的方法節點僅可提供方法簽名。按照GB/T33863.5-2017中第9章的規定。9T/BIAIMXXXX—20XX——對象節點也是OPCUA的單位之一，用來封裝對象實例的數據和活動，可擁有分組管理變量、方法或者其他對象，按照GB/T33863.5-2017中第6章的規定。——引用描述兩個節點之間的關系。引用不包含任何屬性，但有相應的類型和連接語義，因此引用本身也具有明確的語義。圖4節點繼承關系11.1.3節點屬性節點的通用屬性主要包括顯示名稱、描述、瀏覽名稱、節點類型、節點標識、寫掩碼、用戶寫掩碼等，一般意義上的節點屬性可按照GB/T33863.5-2017中第5章的規定，見表3。表3節點的通用屬性值11.2地址空間模型地址空間模型的管理邏輯應涵蓋多個層次，將分散的設備抽象成統一的邏輯節點，并通過服務接口將節點提供給客戶端訪問。地址空間結構如圖5所示，對于地址空間的管理，應創建圖中五種管理容器，各部分功能和作用說明如下：——節點管理：節點是地址空間的基本單元，應包括變量節點、方法節點、對象節點等類型。節點管理負責維護節點的組織結構及其關聯關系，如父子節點的層次關系和節點的引用。節點通過唯一的NodeID進行標識，NodeID在設備管理中起到唯一性和可識別性的作用，每個設備節點被抽象為一個邏輯單元，與物理設備形成映射；——訪問管理：訪問管理模塊負責客戶端對節點的操作控制，包括讀取、寫入、訂閱等操作。通過OPCUA協議定義的服務接口，客戶端可以訪問節點的屬性、數據值及其狀態。訪問管理與數據管理模塊應緊密耦合，確保設備數據能夠被實時訪問、監控和更新；T/BIAIMXXXX—20XX——訂閱管理：為了支持動態信息的傳遞，訂閱管理模塊應允許客戶端訂閱某些節點的變化。訂閱功能支持以數據驅動的方式，及時向客戶端推送設備的實時狀態和關鍵數據。在生產設備的管理中，訂閱管理應支持監控設備的運行狀態，如運行異常時及時生成報警信息；——數據管理：數據管理模塊負責存儲和處理節點數據，包括設備的靜態信息（如描述、型號）和動態數據（如運行狀態、傳感器值）。數據管理模塊應與外部設備數據接口緊密結合，提供對數據的統一管理；——視圖管理：視圖管理應為客戶端提供可定制的邏輯視圖，允許根據不同需求訪問地址空間的一部分。例如，為不同類型的設備創建單獨的邏輯分組，使特定應用可以專注于某些特定功能，并結合節點的分層結構，為科學儀器和生產設備提供多維度的信息訪問能力；——服務整合：地址空間模型作為核心容器，連接節點管理、數據管理、訪問管理和訂閱管理，應為外部系統和客戶端提供統一的接口服務。針對科學儀器和生產設備，可以通過地址空間實現遠程監控、預測性維護和數據分析。圖5地址空間模型11.3對象模型物理設備應被抽象化為對象存儲在地址空間之中。對于相同類型的設備（如多臺光譜儀或多個焊接機器人），信息模型設計時應通過類型定義復用，避免重復建模。對象、變量和方法的關系如圖6所示。T/BIAIMXXXX—20XX圖6對象、變量和方法的關系12一致性映射12.1統一本體資源建模根據本體的構建原則、構建本體模型的指導方法，本文件規定了科學儀器和生產設備的統一本體模型，指導完成科學儀器和生產設備的統一調度管理。如圖7所示，科學儀器和生產設備資源分類統一模型的本體描述主要包括基本屬性類（Basis）、能力屬性類（Capacity）、狀態屬性類（Status）和配置屬性類（Configuration）。在此架構的基礎上，應對各個類的詳細屬性分析，細化模型。說明如下：——Basis是科學儀器和生產設備的基本屬性，包括科學儀器/生產設備名稱、ID、IP地址等信息；——Capacity是科學儀器/生產設備可完成任務能力，對應科學儀器/生產設備功能，包括科學儀器/生產設備的結構信息structure，表示科學儀器/生產設備的物理參數模型（例如科學儀器/生產設備三維模型尺寸、機構自由度等信息）。功能和結構在任務規劃過程中是任務分配的依據；——Status包括科學儀器/生產設備的任務狀態、運行狀態和動作狀態等，在任務分配時作為科學儀器/生產設備調度的參考信息；——Configuration包括動力學模型、協作身份等配置信息，可對科學儀器/生產設備進行配置，其中evaluate表示科學儀器/生產設備的資源評價效率，為科學儀器/生產設備的調度排序、運維檢測提供參考。T/BIAIMXXXX—20XX圖7科學儀器和生產設備資源分類統一本體模型12.2OPCUA服務器設計規則12.2.1概述T/BIAIMXXXX—20XX科學儀器和生產設備的功能包括處理數據層組合OPCUA服務器的訪問請求與數據交互，連接HMI設備以進行現場設備可視化，以及將設備包括的子部件對象模型映射到OPCUA服務器的地址空間中。同時實現控制程序對地址空間節點的讀寫，訂閱等功能。本文件對OPCUA服務器的設計規則進行了詳細描述。12.2.2OPUUA服務器初始化在設計OPCUA服務器時，應初始化服務器的配置，并指定配置屬性，包括服務器創建、MDNS發現、節點存儲信息、網絡號和端口、節點調用生命周期、訪問控制、證書驗證等。服務器創建的流程如圖8所示。圖8創建服務器流程12.2.3OPCUA服務器運行服務器啟動的流程如圖9所示，服務器首先應判斷狀態是否可以運行，然后啟動網絡層的監聽，并記錄服務器啟動時間。T/BIAIMXXXX—20XX圖9服務器啟動流程12.3本體模型與信息模型映射12.3.1模型概念映射規則本文件定義了基于本體的信息模型向基于OPCUA的信息模型的轉化規則，模型概念映射規則如下：a)描述本體共同特征資源的類被抽象為OPCUA建模規則中的基節點；b)描述兩個類實例間的關系被抽象為OPCUA建模規則中的引用；c)所有本體類的屬性均轉化為OPCUA中的對象類型，所有屬性類型為變量的都轉化為OPCUA中的變量類型，所有屬性類型為方法的都轉化為OPCUA中的方法；d)所有本體中屬性的約束可轉化為OPCUA中的視圖；e)類中的一個特定實例的對象和變量分別為OPCUA中的對象和變量。本體資源模型通常通過OWL或RDF等格式表達，映射為OPCUA的信息模型應執行以下操作：——語義轉換：將本體模型中的類與屬性轉換為OPCUA的節點及其特性。例如，類被映射為對象類型，類之間的關系被映射為引用；——約束表達：本體中的約束關系，如屬性值范圍或依賴關系，映射為OPCUA中的視圖，以層次化表達相關資源；——動態節點生成：根據本體中實例的動態變化，實時更新OPCUA地址空間中的節點對象和變量，確保設備資源狀態的同步。12.3.2模型信息映射規則基于本體的信息模型可以對科學儀器/生產設備資源屬性等信息進行語義表達，科學儀器和生產設備OPCUA的信息模型映射到本體模型的ODIR模型參數說明如下：a)Server表示OPCUA某節點所在的服務器地址。在客戶端連接多個服務器的情況下，根據Server值，可以唯一確認屬性值歸屬的科學儀器/生產設備；b)NodeID表示OPCUA服務器地址空間中的節點ID號。節點與NodeID一一對應,根據NodeID,可以確定服務器地址空間中的節點的位置；T/BIAIMXXXX—20XXc)DisplayName表示地址空間中的節點在客戶端的展示名稱；d)DataType表示地址空間中節點變量值的數據類型；e)Value表示地址空間中節點變量的數據值；f)Time表示地址空間中節點值產生的時間；g)StatusCode表示地址空間中節點的狀態。在科學儀器/生產設備的運行過程中，基于OPCUA協議生成的數據需要轉換為本體模型以支持語義推理，并需完成以下操作：——數據語義化：將OPCUA的節點數據（如變量值和狀態信息）映射為本體中的屬性值，并根據NodeID及Server屬性，生成語義化資源描述；——關系更新：依據OPCUA引用結構更新本體模型中的實體關系，例如實時反映設備組件間的交互狀態；——多源數據融合：從多個OPCUA服務器獲取的設備數據，通過本體模型整合為統一的語義圖譜，以支持跨系統資源的語義分析。12.3.3OPCUA到本體的設備信息映射流程OPCUA模型信息映射為本體設備信息的流程框架如圖10所示，具體如下：a)設計OPCUA信息模型，首先應基于科學儀器或生產設備的功能和資源特性，構建一個層次化的模型，全面描述設備及其資源的屬性。設計過程包括：1)定義XML-Nodeset文件：該文件用于定義設備信息模型的結構，并指定每臺設備的服務器地址（Server）以便唯一標識設備所屬的服務器；2)節點ID分配：為每個節點分配唯一的NodeID，確保節點在OPCUA服務器的地址空間中具有唯一標識；3)屬性名稱設置：為每個節點通過DisplayName指定直觀的屬性名稱；4)數據類型定義：根據設備特性設置節點的DataType，描述節點變量值的數據類型（如整數、浮點型、字符串等）。b)信息模型實例化，設計完成的OPCUA信息模型需加載到OPCUA服務器中實例化，服務器根據模型動態創建地址空間，并映射模型中各節點的層次關系。具體流程如下：1)創建服務器地址空間：服務器根據模型定義動態創建地址空間，并設置節點之間的層次關系；2)實時數據更新：在服務器運行時，節點的變量值（Value）應實時更新，以反映設備的運行狀態；3)時間戳記錄：每次數據更新時，系統會自動記錄更新時間戳（Time），確保數據的時效性；4)狀態標識：每個節點的狀態（StatusCode）通過狀態碼標識（如“正常”、“警告”或“故障”），為后續語義分析提供支持。c)從OPCUA服務器讀取地址空間并生成OWLFull，在實例化后的服務器中，客戶端通過OPCUA協議連接到服務器，讀取其地址空間中的所有節點及其相關屬性（如DisplayName、Value、Time、StatusCode等），讀取的節點信息將依據預定義的映射規則轉換為OWLFull格式；d)OWLFull存儲到QuadStore中，QuadStore中的條目包括Server和NodeID信息，這些信息幫助明確節點數據的來源，最終確保與原始OPCUA模型的映射關系明確且可追溯；e)定義并執行SPARQL轉換規則，根據目標本體的結構，定義SPARQL轉換規則，將QuadStore中的OWLFull表示轉換為目標本體模型（如ODIR模型）。過程包括：1)模型映射：根據OPCUA模型結構和目標本體結構的映射規則，將OPCUA節點與本體模型中的實體和關系對應；2)語義轉換：將節點的DisplayName、Value、StatusCode等信息轉化為目標本體中的語義表達，以確保轉換后的模型精確反映領域特定信息；f)生成目標本體并存儲，執行SPARQL轉換規則后，QuadStore中的目標本體模型將：1)保留OPCUA信息模型的語義結構：生成的本體模型應能夠保留OPCUA信息模型的原始語義結構；T/BIAIMXXXX—20XX2)擴展領域特定語義：本體模型應加入如設備性能指標、故障診斷信息等領域特定的語義信息，以便于設備的智能管理和分析。g)訪問生成的本體并進行推理，用戶通過SPARQL查詢語言訪問生成的目標本體模型，并基于設備信息的語義描述獲取有價值的數據。過程包括：1)查詢本體數據：用戶通過查詢如DisplayName等屬性，獲取特定節點的當前值或設備狀態；2)結合時間與狀態分析：通過結合Time和StatusCode，用戶可以推斷設備是否需要維護或是否出現故障；3)推理和智能分析：利用推理引擎，可以根據本體模型推導新的語義關系，例如設備間的協作關系，或通過設備數據發現潛在的故障模式。圖10OPCUA到本體的模型信息映射12.3.4本體到OPCUA的設備信息映射流程從本體信息模型映射回OPCUA信息模型的流程框架如圖11所示，具體如下：a)定義本體信息模型，本文件規定本體信息模型通過OWL語義格式描述，符合科學儀器和生產設備系統特征的本體信息模型包括定義各類設備屬性、功能、狀態和結構信息等：1)模型定義：應確定本體模型的類和屬性，并為每個類和屬性定義適當的語義關系（例如設備、傳感器、執行器等類別，以及其屬性如狀態、控制參數等）；2)創建OWL模型：使用OWL表示設備和系統的本體結構，明確每個組件的關系、功能和數據類型。b)本體模型實例化，本體模型定義后，需要實例化以形成具象的設備數據。本體實例化過程如1)實例化本體：加載本體信息并實例化，如根據設備的實際配置，填充設備、傳感器、執行器等實體的實例數據；2)創建屬性實例：每個設備實例需要對應其在本體中的屬性值，如狀態、任務、工作模式c)從本體模型到OPCUA模型的轉換，將本體中的設備和屬性信息轉化為OPCUA節點信息。映射規則的定義應將本體模型中的類、屬性、實體等與OPCUA模型中的對象、變量和方法進行一一映射：1)節點創建：為每個本體實例創建OPCUA節點，節點應根據本體模型的類和實例定義生成；2)屬性映射：本體中的屬性（如設備狀態、參數設置等）映射為OPCUA的變量節點；3)關系映射：本體中定義的類關系和層次結構應轉換為OPCUA的引用形式，以建立不同節點間的層次和關聯。T/BIAIMXXXX—20XXd)創建OPCUA信息模型，定義映射規則后，利用OPCUA規范的