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生态工业园区分散式信息管理的本体框架
摘要
本文提出了一个生态工业园区的骨架本体。采用自顶向下的概念框架，包括单元操作、过程、工厂、工业资源网络和生态工业园区五个操作层次，指导本体结构的设计。通过修改和扩展化工领域的本体（OntoCAPE），实现了各个层次的详细本体表示。基于该本体，提出了一个生态工业园区分布式信息管理框架。以新加坡Jurong岛工业园区为例，利用本体建立知识库。本文还讨论了它在支持过程建模和优化以及促进工业共生方面的潜在应用。
1.介绍
生态工业园（EIP）是一个企业集群，彼此紧密合作，与当地社区有效地共享资源，减少浪费和污染。建立生态工业园区是实现环境保护和资源节约的有效途径，是当今世界面临的两大挑战。在过去的几十年里，人们进行了大量的研究工作，并提出了一些数学编程方法来设计和优化EIP。可在文献中找到详尽的文献作品（Boix等人，2015年；Kastner等人，2015年）。目前，已报道的优化方法主要是针对单一类型网络的优化设计，如水网络集成（Leong 等人，2017；Liao 等人，2007；Tiu and Cruz，2017）、能源网络综合（Afshari 等人，2017；Nair 等人，2016；Zhang 等人，2016），材料网络集成（Cimren等人，2011年；Haslenda和Jamaludin，2011年；Tan和Aviso，2012年）。共生关系不仅存在于单一类型的资源网络中，而且同时包括不同类型的网络中。此外，资源供应的可变性应在更现实的模型中加以解决，这是固有不确定性的原因。为了理解这些问题的复杂性，需要大量的支持信息，这些信息不仅包括数据，还包括有关EIP成员的特定知识。鉴于EIP由大量相互作用的行业和组织组成，所需的支持信息具有以下特征：
1） 大容量：随着传感器的成功实现，由代表实体生成的数据不断增长。需要存储和分析这些数据，以便识别模式和趋势以及系统行为；
2） 分布式存储：本地存储和维护有关单个EIP成员的知识。信息需要在相关组织之间收集和共享；
3） 语法异质性：工程知识通常被表达和存储在多种信息媒体中，不仅包括自然语言中的文本文档，还包括数学模型、表和图、结构化工作表、链接文本文件等。不同格式的信息需要集成，以捕获系统的不同方面；
4） 语义异质性：通常，特定工程设计过程的知识由参与设计人员隐式持有，并被划分为“领域筒仓”。为了促进跨学科的交流，创造共同的理解和意义，需要共识性的知识表示。
5） 隐私：信息通常由EIP的不同利益相关者单独存储，因此信息共享虽然在技术上是可以实现的，但常常受到隐私相关问题的阻碍。如何识别和解决这些潜在的隐私问题仍然是一个重要的开放性问题。
伴随着上述挑战的是工业4.0和物联网（IoT）的持续趋势带来的机遇（Zhang等人，2017b）。在工业4.0的未来场景中，将建立一个全球网络，将工业企业的机器、工厂和仓储设施作为网络物理系统（CPS）连接起来。这些CPS将通过共享触发操作的信息，智能地促进技术组件的连接和控制。CPS将采取智能机器、智能工厂、智能供应链、智能存储设施、智能电网等多种形式。工业4.0的未来情景如图1所示。
Fig. 1. 网络空间中物理实体的虚拟表示
可见，实现工业4.0的前提是建立物理世界的虚拟表示，并在依赖实体之间建立通信框架。
在这种情况下，我们给出了捕捉EIP典型特征的不同概念的形式化表示。这种形式化表示是借助本体实现的。骨骼本体是通过调整和扩展OntoCAPE来构建的，OntoCAPE是化学工程领域的本体（Marquardt等人，2009）。“骨架”一词意味着所提出的本体应该作为EIP信息管理中本体创新的初步尝试，而不是EIP信息建模的全能和完整版本。现阶段，OntoCAPE的发展主要集中在化工活动的建模上，如交通运输和电子工程。它建立在一个概念化框架的基础上，包括五个操作层面（单元操作、过程、工厂、工业网络和生态工业园区）。本体由生态工业园区、资源网络、交通网络、化工流程系统和工厂等多个部分组成，并由OntoCAPE的其他模块，即化工流程系统和单元操作等组成。本文还讨论了这种本体表示在EIP信息管理中的潜在应用。
本文的其余部分安排如下。第2节简要回顾了现有的工程领域本体开发相关的文献，并讨论了研究空白。第3节介绍了一个EIP系统信息表示的高层建模方案。第四节提出了EIP的本体。第5节介绍了应用所提出的本体建立分散式信息管理系统，第6节的结论如下。
2.工程领域的现有本体和研究空白
本体工程是一个强大的基于计算机的信息建模和管理工具，旨在以一种正式和明确的方式对物理世界进行概念化（Gruber，1993）。术语“形式”是指编码的知识可以被机器容易地处理，而术语“显式”则意味着所使用的概念类型及其使用的约束被显式地定义；这就确保数据和信息共享的语义的精确性达成了共识。换句话说，本体为知识系统化提供了基础。在过去的十年中，本体工程已经发展成为一个自己的科学领域，在知识表示、信息集成等方面有着广泛的应用（Marquardt等人，2009）。
根据“概念化主题”，本体可分为若干类别，包括顶级本体、领域本体、任务本体和应用本体（Gomez-Perez等人，2006）。顶级本体定义独立于任何特定领域或问题的通用概念。领域本体捕获了专业领域的一般知识，这些知识与广泛的任务和应用程序相关。因此，它在各自的领域中是普遍适用的（高度可重用的）。任务本体（或方法本体）反映了可应用于不同专业领域的一般问题解决方法。可见，领域本体和任务本体的可重用性目标是互补的。应用本体为特定的应用程序提供所需的概念。
为了以计算机可处理的形式实现本体，已经创建了一组本体语言。其中，基于web的本体语言（也称为本体标记语言）是最新的。它旨在在万维网上发布和共享本体。基于web的本体语言基于现有的标记语言：XML（扩展标记语言）和RDF（资源描述格式）。XML是专门用来存储和传输带有上下文信息标签的数据的。RDF是一个基于XML语法开发的方案。它将语义编码为三元组（主谓对象），并使用IRI（国际化资源标识符）指定信息资源。示例RDF代码如图2所示。
Fig. 2. 将名为Empire Burlesque的CD的信息编码为三元组（主谓对象）并使用国际化资源标识符（IRIs）标识资源.
本体工程作为一种先进的知识建模和信息管理方法，近十年来受到了广泛的关注（Davies等人，2006）。在本体的发展方面，特别是在工程领域，已有大量的研究报道。
化工领域本体
Mizoguchi等人。（2000）和Mizoguchi（2001）开发了一个包含领域本体和任务本体两个子本体的植物本体。领域本体对具有不变特征和外观的植物实体（如植物设备、材料和材料属性）进行建模，而任务本体则包含对其属性依赖于上下文的植物组件的描述。随后，功能本体（Kitamura and Mizoguchi，2003）作为植物本体的补充本体被开发出来。功能本体从不同的角度（结构、功能、行为）描述工程构件，并定义分解的方面之间的关系。这两种本体的结合使工业装置中的设备、材料和操作活动及其功能的建模成为可能。Batres和Naka（2000）以及Batres等人（2002）发展了一个本体框架，称为多维形式主义（MDF），它规定了对植物、过程和产品的知识的形式化描述。MDF是多个相互关联的子本体的集合，从结构、行为和操作的角度排列工厂、过程和产品的信息、活动和工具。PRONTO是一个为供应链运作的产品相关信息管理开发的本体，由（Gimeacute;nez等人，2008；Vegetti等人，2005；2011）提出。它可以用来支持分布式产品数据管理系统的构建。Batres等人。（2007）提出了一种基于时间线的四维数据建模方法，以及基于ISO 15926的化工厂高级本体，该本体描述了活动、物理量、拓扑等一般概念。随后，针对化学过程工程（Marquardt et al.，2009；Morbach et al.，2007）开发了一个称为Onto-CAPE的大型本体，其中考虑了该领域的主要工程活动（化工厂的设计、施工和操作）。它涵盖了生命周期中大多数工程活动过程的概念化。OntoCAPE广泛用于化工过程系统建模以及过程系统工程软件平台开发（Brandt et al.，2008；Natarajan et al.，2012；Yang et al.，2008）。
社会技术系统的领域本体
Van Dam（2009）和Van Dam等人。（2012）提出了一个社会技术系统的收费学，从两个角度描述该系统，即技术人工物的物理网络和参与者的社会网络。定义了连接物理网络和社会网络的关系。通过遵循建模规则，对复杂的社会技术基础设施系统进行建模，包括炼油厂供应链、电力系统和公共交通系统。同一研究小组还采用了开发的智能运输系统控制本体（Van Dam等人，2004年）、复杂系统的效率分析（Van Dam等人，2006b）、跨模式货运枢纽位置规划（Sirikijpanichkul等人，2007年；Van Dam等人，2007年）、道路异常情况管理供应链（Van Dam等人，20 08；20 09）、电力基础设施控制的多代理系统（Chappin等人，2007；Van Dam等人，2006a）和能源及运输基础设施（Van Dam和Lukszo，2006）。此外，本体被应用于鹿特丹-里因蒙德产业集群，并开发了一个基于代理的模型来说明工业基础设施演化模型的设计（Nikolic等人，2006）。Cecelja等人。（Cecelja等人，2015；Trokanas等人，2015）开发了一个电子共生本体，用于促进EIP中的工业共生。通过对EIP中的资源和技术进行建模，说明它们的本体能够在EIP中提供显著的二氧化碳排放和废物减少效果。还报告了子系统的其他本体工作，如电力系统（Kuuml;egrave;K，2015；Kuuml;egrave;K和Arslan，2014）和运输系统（Gregor等人，2016；Houda等人，2010）。此外，本体也被证明是解决信息融合过程中隐私相关问题的有用工具，这将是增强实用性的一个重要特性（Sacco和Passant，2011）。
在已有的本体研究成果中，对产业集群系统的建模和表示方法的研究较少。现有的本体致力于EIP系统，而不是一般地处理复杂系统的一个或两个方面，例如供应链或电力系统。为了捕获系统的复杂性，本文提出了一个高维、高分辨率的EIP系统本体。提出了一种基于本体的模型，通过扩展本体视图，将实体连接在一个结构良好的层次网络中。它力求从最底层的单元操作层，到工业过程层，到制造工厂层，到工业共生层，最后到整个工业园区层，对工业系统进行建模。为了实现这一目标，人们从不同的角度看待这一制度。建模过程从个体单元操作开始，单元操作被认为是化工生产的基本要素。在这个层次上，单元操作被详细描述，包括几何结构、建筑材料、功能性、设计参数、安装位置、与环境的连接等。因此，化学过程被修改，然后在工厂中表示。化学过程的描述包括有关其子组分和整个过程性质的一些基本信息，如所需的原材料、能耗、总吞吐量、设计能力等。这同样适用于工厂和任何更高层次系统（资源网络、资源网络、工业控制系统和工业控制系统）的建模，（工业园区），跳过有关其要素系统的详细信息，同时反映整个系统的属性。此外，来自不同建模层次的模型被很好地连接起来，这样较低层次的详细模型可以顺利地插入较高层次的模型。然而，有必要强调的是，本体开发从来不是一次性的工作，因为人类对世界的认知不断发展，新的应用需求总是不断涌现；一旦出现新的应用案例，本体框架就应该足够灵活，以适应新应用的修改和扩展情境。从这个意义上说，本文提出的本体并不是作为最终的框架。相反，我们将其视为EIP信息管理中本体创新的初步尝试。本文主要研究与化学工程活动有关的信息。提出的本体涉及化工概念，并在此基础上定义了其他领域的相关概念，如电力系统和交通网络的概念，具体结构将在第3节和第4节讨论。
3.EIP信息建模的层次结构框架
本节介绍了指导EIP信息建模的概念框架。概念框架是本体的另一个抽象层次。它描述了构建本体的视角及其内容，以及本体模块之间的链接。概念框架如图3所示。
Fig. 3. EIP中信息建模和管理的层次结构框架
它提供了一种在EIP中组织实体的方法（Pan et al.，2016；Zhang et al.，2017a；Zhou et al.，2017）。
最上层是整个工业园区的代表。对生态工业园区的地理位置、总体资源（水、能源、材料）消耗、废物（水、能源、材料）及污染物排放、反映系统行为的数学模型等进行了总体描述。这些信息的潜在应用可能是让EIP调控器查询EIP的一般操作状态。第4.1节给出了公园层的详细本体建模。
从顶部开始的第二层表示EIP中的核心工程子系统。主要包括资源网（水网、能源网、物资网）及其配套工程系统，如电力系统、交通系统。指定网络参与者及其在网络中的角色（无论是源、汇还是两者）。这些信息被用作系统设计和调度的相应优化模型的输入。该层所包含的知识有助于工业资源网络的形成和优化。
在第三层描述了网络参与者之间的连接性，第三层是居住在EIP中的植物的集合。工厂被表示为一组制造过程。规定了工厂级信息，如工厂所有权、位置、原材料要求、产品/副产品规范和废物排放。这些信息可能有助于化工厂向智能化工厂的数字化发展。
第四层是对生产过程的描述，包括描述过程的参数行为及其经济和环境性能的数学模型，这可能有助于生产过程的自动化。
第五层反映了机组运行的知识，包括机械设计参数、运行条件、描述机组参数行为、经济和环境性能的数学模型，以及反映材料/能量相互依赖的物理联系。值得注意的是
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