工业4.0知识图谱

编者按

 

 

 

 

本篇文章来自于17th Extended Semantic Web Conference (ESWC2020) 会议。该文章提出了基于语义标注网络的结构化数据集，包含工业4.0标准、范式和框架，并给出了知识图谱在工业4.0应用的现有案例。

 

本文作者北京大学周雨奇，将对原文进行概要阐述。

 

文末提供获取文章获取方式。

 

 

 

 

 

 

摘要  近些年来，对于研究者而言，保持对所在领域最新进展的了解是最主要的事情之一。特别是在快速发展的领域，相关的工作不断增加，不断更新和推翻以前的理论和方法。举例来说，工业制造系统的数字化，称为工业4.0，目前正面临极多的标准化工作和参考方案，导致人们接受到的信息嘈杂。本文提出一个结构化的数据集，该数据集以带有语义注释知识图谱的形式来表示工业4.0的相关标准，规范和参考框架。图谱提供格式一致的带注释的指导以帮助使用者（无论是初学者还是专家）来理解如何部署工业4.0系统。本文还阐述了该图谱在不同任务要求下的适用性，展示了其目前的应用以及进展，评估了其质量。

 

01

引言

工业流程受规范和标准的驱动。工业制造的可靠性和安全性要求严格而正式的规范。ISO，IEC或ETSI等国际机构以及NIST，DIN或ANSI等国家组织都面临着这种需求。它们构成了广受认可的权威机构网络来确保标准和规范的高质量。

表1 资源总览

 

我们提出一个公开的包含的最新I40标准,参考框架以及关键需求的知识图谱。因为对于一个主题来说，其内部相互联系十分频繁，其和外部主题的关系也变化多样，因此我们选择了基于rdf的知识图谱的设计来满足I40标准和参考框架。利用图谱，我们可以检索到以下类型的信息:

 

1.在哪里可以找到关于某个主题的额外信息?

2.哪个规范最适合确保工业4.0设备之间数据交换的安全性?

3.如何找到与一个特定的与工业4.0难题的有关规范?在哪里可以找到适当指南来解决问题？

 

本工作的一个亮点是其提供了与外部数据源的关系。公开可用的信息(例如来自DBpedia的信息)帮助用户理解，让用户从其他数据源中获得更多信息，这有利于以下人群使用: 感兴趣的系统架构师来发现和学习合适的设计模式，在标准化组织工作的I40专家需要注意和观察别人工作可能带来对自己工作有益的启发，寻找最佳方法的组件开发人员寻找合适的接口和模型，系统集成开发者需要了解常见的数据模型和它们之间交互模式，机器制造商需要确保他们的数字接口的可持续性，I40初学者利用图谱来更轻松入门。

 

针对上述挑战，我们做到了以下几点:(1)开发了一个工业4.0知识图谱(I40KG)，(2)展示其维护和管理过程，(3)讨论其作为其他资源和应用基础的适用性。

I40KG有助于克服与实现有关工业4.0要求太多背景知识的障碍的愿景。

 

02

I40KG 的应用领域和其带来的冲击

本节解释I40KG的背景，描绘其发展前景，并将其与目前类似的方法进行比较。

 

2.1 现状

I40KG面临的挑战——支持新学者、领域专家和任何其他利益相关者对已发布的标准、框架和关注点建立和组织一个适当的概观，是阻碍I40的走向被广泛应用的关键障碍之一。在此介绍的工作扩展了之前为工业4.0标准创建整体本体的努力。Grangel-González等人[7]介绍了工业4.0组件的第一个本体，特别是针对资产管理模型。作为对这项工作的扩展，[6]发展了图的基本结构和模式，以及根据统一格式构建工业4.0相关标准和规范的第一种方法。这些工作介绍了标准和标准化框架概念的初始定义。Bader等人[2]提出了进一步的扩展，使用Industry 4.0参考框架和基于web的可视化服务和交互式视图增强了图谱的易用性。

I40KG是第一个应用机器可读数据互连包含I40标准化知识的文本、规范和信息资源的结构化方法。与早期的工作相比， I40KG包含的实体数量已经大大增加，从Grangel-González等人提出的不到80个扩展到超过300个实例。此外，为了允许用户过滤特定案例和利用相关实体的上下文，I40KG已经引入和实现了大量的受Industry 4.0影响的要求。

 I40KG构成了一个由相关标准、参考框架和关注点组成的机器可读资源集。因此，它包含整个工业4.0主题的可扩展表示。与更常见的文献综述相比，I40KG是一个语义丰富且可公开访问的资源，它代表了该领域在现在及以后的状态。就我们所知，目前没有可获得的类似的知识图谱或资源。

关联数据的原则，特别是通过已建立的网络技术公开访问的数据，是语义网社区的核心。我们提出的知识图谱利用了这些实践，并将以前独立的信息源与链接的开放数据云(特别是DBpedia)连接起来。因此，SemanticWeb社区可以利用知识图谱来构建和扩展I40上下文中的各种相关工作。然而，I40KG的目标用户并不局限于语义网社区。由于数字化的主要趋势影响到任何领域，特别是目前的制造业，多个社区可以从I40的工作中受益，I40中获得的启发可以辐射到智能城市、新的移动解决方案、智能家居等领域。