Разработка системы онтологий Интернета вещей | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 7 марта, печатный экземпляр отправим 11 марта.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Информационные технологии

Опубликовано в Молодой учёный №2 (292) январь 2020 г.

Дата публикации: 12.01.2020

Статья просмотрена: 13 раз

Библиографическое описание:

Тайшибаев Т. Б. Разработка системы онтологий Интернета вещей // Молодой ученый. — 2020. — №2. — С. 22-27. — URL https://moluch.ru/archive/292/66243/ (дата обращения: 22.02.2020).



Проект направлен на исследование и разработку инновационной предметной области Индустриальный Интернет вещей. В статье рассматриваются система структуры Индустриального Интернета вещей, связи между объектами структуры и метод визуализации знаний с помощью онтологического моделирования систем.

Использование онтологического подхода позволяет обеспечить поддержку управления проектированием, а также дальнейшим совершенствованием рассматриваемой сложной технической системы.

В работе представлена онтология индустриального интернета вещей.

Ключевые слова: Индустриальный Интернет вещей, онтология, онтологическое моделирование.

1. Введение

Промышленный сектор является основой экономического роста и повышения производительности труда в любой стране. Развитие промышленности сопровождается ростом научной и исследовательской деятельности, способствует формированию базы новых знаний и новых индустрий, появлению инноваций и изобретений внутри страны.

Мировая промышленность сегодня стоит на пороге четвертой технологической революции, с которой связывают возможности кардинальной модернизации производства и экономики, а также появление таких явлений, как: цифровое производство, экономика «совместного использования» (shared economy), коллективное потребление, «уберизация» экономики, модель облачных вычислений, распределенные сети, децентрализация управления и т. д. Технологической основой для перехода к новой экономической парадигме является Интернет Вещей.

Использование Индустриального Интернета вещей подразумевает создание комплексного решения, объединяющего информационные процессы с производственными. Это достаточно новая задача для многих компаний, и при ее решении необходимо учитывать многие факторы, включая отраслевые стандарты и процессы, технологическую безопасность и нормативно-регулятивную базу.

2. Интернет вещей.

Интернет вещей (Internet of Things, IoT) это сеть сетей, состоящих из уникально идентифицируемых объектов (вещей), способных взаимодействовать друг с другом без вмешательства человека, через IP-подключение [3]. Ключевым в этом определении является автономность устройств и их способность передавать данные самостоятельно, без участия человека.

Выделяются следующие основные сегменты Интернета Вещей:

  1. Производственный сегмент, который включает в себя внедрения в различных отраслях производства и наиболее точно подходит под определение индустриального Интернета вещей в рамках данного документа.
  2. Государственный сегмент, включающий в себя решения для повышения эффективности работы федеральных и муниципальных органов власти и обеспечения безопасности населения.
  3. Потребительский сегмент, охватывающий решения для домашних пользователей и решения по умным домам.
  4. Кросс-индустриальный сегмент, покрывающий IoT-решения, применимые во всех отраслях.

Индустриальный (часто Промышленный) Интернет Вещей (Industrial Internet of Things, IIoT) — Интернет Вещей для корпоративного / отраслевого применения — система объединенных компьютерных сетей и подключенных промышленных (производственных) объектов со встроенными датчиками и ПО для сбора и обмена данными, с возможностью удаленного контроля и управления в автоматизированном режиме, без участия человека [1].

В проекте была разработана онтология Индустриального интернета вещей.

3. Онтология

1. Онтология — явная формальная спецификация концептуализации, разделяемой группой агентов (Грубер) [6].

Здесь термин «концептуализация» означает построение концептуальной модели явлений внешнего мира путем идентификации ключевых понятий, связанных с этими явлениями, и отношений между ними. Слово «формальная» означает концептуализацию предметной области в машиночитаемом формате, понятном для компьютерных систем. Слово «явная» означает, что понятия онтологии и ограничения на их использование заданы в явном виде.

По Н. Гуарино она представляет собой логическую теорию, которая состоит из словаря терминов, образующих таксономию, их определений и атрибутов, а также связанных с ними аксиом и правил вывода [7]. По сути, онтологии отражают соглашения о единых способах построения и использования концептуальных моделей. Они выступают как удобный метод представления и повторного использования знаний, средство управления знаниями, способ обучения.

Ввиду большой сложности понятия Индустриального интернета вещей построение единственной понятной и согласованной предметной онтологии часто оказывается невозможным, поэтому на нижнем уровне наряду с предметной онтологией отдельно строятся онтологии задач и приложений, а на верхнем уровне — онтологии базовых категорий, встречающихся в разных предметных областях. Также выделяют метаонтологию («онтология онтологий»), которая включает методы и формы представления, интеграции и слияния различных онтологий.

Иерархическая система онтологий в рассматриваемом случае принимает следующий вид, рис. 1.

Рис. 1. Иерархическая система онтологий Индустриального Интернета вещей

В ней на нижнем уровне строятся онтология предметной области: промышленности, онтология задач: задачи Индустриального интернета вещей и онтология приложений, а на верхнем уровне — онтологии базовых категорий, относящихся к индустриальному интернету вещей, например, онтология интернета вещей. Согласно Дж. Сова [4], онтологии верхнего уровня описывают наиболее общие, парадигматические концептуализации, независимые от предметной области и ее задач, которые характеризуют состояние некоторого профессионального сообщества. В отличие от этого онтологии нижнего уровня носят локальный, специфический характер и непосредственно зависят от типа и ролей агентов индустриального интернета вещей, для которых они используются.

В онтологии предметной области рассматриваются понятия Индустриального интернета и их взаимосвязи между собой (Средства связи: Средства связи для сбора данных и Средства связи для передачи данных), т. е. крупнозернистые и мелкозернистые гранулы.

Онтология задач Индустриального интернета вещей содержит, например, такие задачи, как отслеживание данных промышленности, интеллектуальный анализ данных и задачи принятия решения.

Термин «метаонтология» (т. е. онтология над онтологиями) понимается как основа нисходящего онтологического проектирования. Метаонтология обеспечивает как точную математическую спецификацию онтологий, так и формальный анализ их свойств [5]. С ее помощью устанавливают соответствие между типом имеющейся информации (уровнем неопределенности) и выбираемым языком описания. Из рис.1 видно, что выбор той или иной метаонтологии непосредственно определяет состав онтологий, взаимосвязи между ними, выбор формальных моделей и языков для представления онтологий как верхнего, так и нижнего уровня. Гранулярные метаонтологии предполагают рассмотрение базовых понятий нижележащей онтологии на различных уровнях абстрактности.

Рассматривая систему онтологий в контексте онтологического инжиниринга, можно сделать вывод, что данный подход позволяет интегрировать информацию и знания из разных предметных областей, а также логически и динамически увязывать ее.

4. Структура Индустриального Интернета вещей

С точки зрения технологий, индустриальный Интернет вещей включает в себя следующие компоненты:

Устройства и датчики, способные фиксировать события, собирать, анализировать данные и передавать их по сети.

Средства связи — гетерогенная сетевая инфраструктура, объединяющая разнородные каналы связи — мобильные, спутниковые, беспроводные (Wi-Fi) и фиксированные.

Платформы для индустриального Интернета вещей от различных ИТ-поставщиков и промышленных компаний, предназначенные для управления устройствами и связью, приложениями и аналитикой. Платформы индустриального Интернета вещей, кроме всего прочего, также обеспечивают среду разработки и ИТ-безопасность решений.

Приложения и аналитическое ПО — слой программного обеспечения, отвечающий за аналитическую обработку данных, создание предсказательных моделей и интеллектуальное управление устройствами.

Системы хранения данных и сервера, способные хранить и обрабатывать большие объемы различной информации.

ИТ-услуги по созданию решений в области индустриального Интернета, требующие знания отрасли и специфики бизнеса.

Решения по безопасности, отвечающие не только за информационную безопасность всех компонентов решения, но и за безопасность операционного процесса. В силу того, что индустриальный Интернет вещей подразумевает тесную интеграцию ИТ и производственных процессов, задача безопасности выходит за рамки обеспечения бесперебойной работы ИТ-инфраструктуры [2, 3].

5. Классы иподклассы онтологии Индустриального Интернета вещей

Онтология Индустриального Интернета вещей содержит следующие базовые концепты: физическая среда Индустриального Интернета вещей (ИИВ), интеллектуальная среда ИИВ, персонал, процессы, безопасность.

Каждый из них подразделяется на классы, каждый класс на подкласс.

Физическая среда ИИВ разделяется на: Ресурсы, Средства связи, Устройства и датчики, Центр обработки данных (ЦОД).

Ресурсы делятся на: Станки и промышленность, Сырье и материалы, Транспорт, Электроэнергия.

Средства связи делятся на: Среда передачи данных, Среда сбора данных.

Среда передачи данных: Локальные сети, Мобильная связь, Сетевые шлюзы, Спутниковая связь, Фиксированная связь.

Локальные сети: Сети идентификации, Bluetooth, Ethernet, LPWAN, WiFi, ZigBee.

Сети идентификации: NFC, RFID, WSN.

Мобильная связь: 2G, 3G, LTE.

Сетевые шлюзы: Коммутаторы, Маршрутизаторы.

Спутниковая связь: GPS, Глонасс.

Среда передачи данных: Локальные сети, Сетевые шлюзы.

Устройства и датчики: Датчики, Приводы.

Датчики: Датчики физических событий, Датчики физических характеристик, Химдатчики.

Датчики физических событий: датчики деформации, датчики местоположения.

Датчики физических характеристик: Датчики влажности, датчики давления, датчики расхода газа, датчики температуры, датчики тока, датчики уровня жидкости, датчики усиления.

Приводы: клапаны, моторы, электрические переключатели.

Центр обработки данных: Системы обработки данных, Системы хранения данных.

Системы обработки данных: BIG DATA, Облачные вычисления, Повсеместная компьютеризация.

Системы хранения данных: Виртуальное облако.

Интеллектуальная среда ИИВ: Платформы, Приложения и ПО.

Платформы: Платформа для сбора и хранения данных, Платформа для управления устройствами, Платформа для интеллектуального анализа, Производители платформ.

Производители платформ: GE, Honexwell, Microsoft, PTC, SAP.

Приложения и ПО: приложения для аналитического анализа, приложения для управления, приложения оптимизации, приложения связи.

Приложения для аналитического анализа: Интеллектуальный анализ данных, Прогнозирование, Статистический анализ.

Приложения статистического анализа: Диагностика, ПО мониторинга.

Приложения связи: Протоколы.

Протоколы: TCP/IP, IPv4, IPv6, WOT.

WOT: HTTP, Rest, URI.

Персонал: IT- поддержка, Организационный персонал.

Организационный персонал: Операторы, Персонал ПО, Управленческий персонал.

Процессы ИИВ: Отслеживание данных, Машинный интеллектуальный анализ, Принятие решения.

Отслеживание данных: Мониторинг, Сбор информации.

Машинный интеллектуальный анализ: Обработка данных.

Обработка данных: Алгоритмы.

Принятие решения: Управление объектами.

Безопасность: Безопасность систем хранения данных, Безопасность средств связи, Безопасность устройств, Кибер безопасность.

Более подробно отношения между классами и подклассами рассмотрены в онтологии, представленной на рис.2. Онтология построена в формате.owl.

Так Устройства и датчики устанавливаются на Ресурсы.

Приложения для управления установлены на Устройства и датчики.

Платформа для управления предназначена для Приложения для управления.

Приложения для статистического анализа данных предназначено для датчиков.

Устройства и датчики передают данные в среду сбора данных.

Среда передачи данных передает данные на Устройства и датчики, на Виртуальное облако, Операторам.

Протоколы стандартизируют Средства связи.

Платформа для сбора и хранения данных включает в себя Протоколы.

Платформа интеллектуального анализа данных включает в себя Приложения для аналитической обработки данных.

Платформа для сбора и хранения данных предназначена для Центра обработки данных.

Приложения для аналитической обработки данных предназначено для Системы обработки данных.

Системы обработки данных работает с данными из Виртуального облака.

IT- поддержка сопровождает Интеллектуальную среду ИИВ.

Персонал ТО сопровождает Физическую среду ИИВ [3].

финиш16.png

Рис. 2. Онтология Индустриального Интернета вещей

6. Заключение

В статье рассмотрен онтологический подход для построения и визуализации системы Индустриального Интернета вещей. Система онтологий позволяет обеспечивать поддержку управления проектированием, а также в дальнейшем совершенствование сложной технической системы, такой как Индустриальный Интернет вещей.

Литература:

1. Индустриальный Интернет вещей [электронный ресурс]. — Режим доступа: http://json.tv/ict_telecom_analytics_view.ru, свободный. — Загл. с экрана.

2. Индустриальный Интернет вещей перспективы российского рынка [электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.rostelecom.ru, свободный. — Загл. с экрана.

3. Росляков А. В. Интернет вещей// Известия РАН: Теория и системы управления. — 2015. — № 5. — С. 75–88.

4. Sowa J. F. Top-Level Ontological Categories// International Journal of Human-Computer Studies. — 1995. — Vol.43, № 5–6. — P. 669–685.

5. Тарасов В. Б. Инжиниринг предприятий и организационные онтологии// Инжиниринг предприятий и управление знаниями. Сборник научных трудов XVIII-й научно-практической конференции (ИП&УЗ, Москва, МЭСИ, 21–24 апреля 2015 г.). — М.: МЭСИ, 2015. — С.25–41.

6. Gruber T. R. A Translation Approach to Portable Ontologies// Knowledge Acquisition. — 1993. –Vol.5, № 2. — P. 199–220.

7. Guarino N. Formal Ontology, Conceptual Analysis and Knowledge Representation // International Journal of Human-Computer Studies. — 1995. — Vol.43. — № 5–6. — P. 625–640.

Основные термины (генерируются автоматически): Индустриальный Интернет вещей, Средство связи, онтология, приложение, датчик, Интернет Вещей, нижний уровень, предметная область, WOT, система обработки данных.


Похожие статьи

Система IIoT как эффективный инструмент развития...

Актуальность выбранной темы обусловлена постепенным внедрением и развитием цифровой экономики. В статье рассмотрены и приведены особенности и уязвимые места системы IIoT. Ключевые слова: индустриальный интернет, промышленный интернет вещей...

Промышленный интернет | Статья в журнале «Молодой ученый»

Рассмотрены основные перспективы развития промышленного интернета и Интернета вещей. Описаны текущие возможности использования цифровых технологий на различных машинах и устройствах.

Интернет вещей как основа для умных приложений

Интернет вещей (ИВ) — технология и перспективное направление развитие рынка, основанное на соединении предметов повседневного пользования между собой. ИВ позволяет создать экосистему умных приложений и услуг...

Основные понятия, проблемы и тенденции развития IoE и IoT

Вещи — это материальные объекты, которые соединены с Интернетом и друг с другом. Эти устройства воспринимают и собирают больше данных, становясь чувствительными к контексту и предоставляя больше объективной информации, оказывая тем самым поддержку как людям...

Интернет Вещей: новый этап коммерциализации достижений...

В настоящее время прогресс и его роль в жизни людей стремительно увеличивает свои темпы. Нас окружают множество объектов, соединённых с помощью компьютерной сети. Это всевозможные устройства от IP-телевизоров до датчиков артериального давления...

Контекстно ориентированный фреймворк для «умного города»...

Интернет Вещей обычно разделяют на промышленный и потребительский.

Интернет вещей (ИВ) — технология и перспективное направление развитие рынка, основанное на соединении

Wit предоставляет API и панель управления для общей настройки диалогов и сущностей.

Интернет вещей. Принципы, технологии, перспективы развития

Интернет вещей не может обеспечить унифицированную систему защиты безопасности и является уязвимой к

Чтобы Интернет вещей обрел популярность у обычных пользователей, нужно разработать

Интернет вещей — это новый этап эволюционного развития Интернета.

Применение облачных технологий в системах умного дома

2. Интернет вещей и облачные вычисления. В настоящее время большинство устанавливаемых систем умного дома не обладают функцией удаленного управления через Интернет. Между тем мобильные устройства с постоянным доступом к сети стали сегодня обыденным явлением...

Волоконно-оптические системы передачи и интернет вещей

В данной статье рассматривается волоконно-оптических систем передач и Интернет вещей в качестве одного из десяти направлений информационных технологий. Ключевые слова:IoE, IoNT, DWDM, ВОСП, ITU-T, ССОП, NGN, QoS. Актуальность темы.

Похожие статьи

Система IIoT как эффективный инструмент развития...

Актуальность выбранной темы обусловлена постепенным внедрением и развитием цифровой экономики. В статье рассмотрены и приведены особенности и уязвимые места системы IIoT. Ключевые слова: индустриальный интернет, промышленный интернет вещей...

Промышленный интернет | Статья в журнале «Молодой ученый»

Рассмотрены основные перспективы развития промышленного интернета и Интернета вещей. Описаны текущие возможности использования цифровых технологий на различных машинах и устройствах.

Интернет вещей как основа для умных приложений

Интернет вещей (ИВ) — технология и перспективное направление развитие рынка, основанное на соединении предметов повседневного пользования между собой. ИВ позволяет создать экосистему умных приложений и услуг...

Основные понятия, проблемы и тенденции развития IoE и IoT

Вещи — это материальные объекты, которые соединены с Интернетом и друг с другом. Эти устройства воспринимают и собирают больше данных, становясь чувствительными к контексту и предоставляя больше объективной информации, оказывая тем самым поддержку как людям...

Интернет Вещей: новый этап коммерциализации достижений...

В настоящее время прогресс и его роль в жизни людей стремительно увеличивает свои темпы. Нас окружают множество объектов, соединённых с помощью компьютерной сети. Это всевозможные устройства от IP-телевизоров до датчиков артериального давления...

Контекстно ориентированный фреймворк для «умного города»...

Интернет Вещей обычно разделяют на промышленный и потребительский.

Интернет вещей (ИВ) — технология и перспективное направление развитие рынка, основанное на соединении

Wit предоставляет API и панель управления для общей настройки диалогов и сущностей.

Интернет вещей. Принципы, технологии, перспективы развития

Интернет вещей не может обеспечить унифицированную систему защиты безопасности и является уязвимой к

Чтобы Интернет вещей обрел популярность у обычных пользователей, нужно разработать

Интернет вещей — это новый этап эволюционного развития Интернета.

Применение облачных технологий в системах умного дома

2. Интернет вещей и облачные вычисления. В настоящее время большинство устанавливаемых систем умного дома не обладают функцией удаленного управления через Интернет. Между тем мобильные устройства с постоянным доступом к сети стали сегодня обыденным явлением...

Волоконно-оптические системы передачи и интернет вещей

В данной статье рассматривается волоконно-оптических систем передач и Интернет вещей в качестве одного из десяти направлений информационных технологий. Ключевые слова:IoE, IoNT, DWDM, ВОСП, ITU-T, ССОП, NGN, QoS. Актуальность темы.

Задать вопрос