Embed Size (px)
Citation preview
UMA FERRAMENTA COMPUTACIONAL PARA O DESENVOLVIMENTO DEONTOLOGIAS EM PROCESSOS INDUSTRIAIS.
Jessica Oliveira∗, Allan R. S. Venceslau∗, Daniel Macedo∗, Raphaela Lima∗, LuizAffonso Guedes∗
∗Laboratorio de Informatica Industrial, Departamento de Engenharia de Computacao e AutomacaoUniversidade Federal do Rio Grande do Norte
Campus Universitario Lagoa Nova CEP 59078-970 - Natal/RN
Emails: [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected]
Abstract— Ontology is a formal way to represent knowledge. In the industrial field, it facilitates data acqui-sition of a specific system, these data can be analyzed and used in a great variety of applications. For large andcomplex systems, the ontology development can be arduous and very time consuming, and for that reason, it isextremely susceptible to human errors. This paper presents a computational tool that allows the user to modelthe knowledge of an industrial process graphically. The tool automatically generates the instance of ontologythat represents each device of the process, as well as relations between each one of them, represented by the userwithout the need to have the knowledge of the concepts of ontology.
Keywords— Ontology, Industrial Automation, knowledge, Software, OWL.
Resumo— A ontologia e um meio de representacao de conhecimento e, no ambito industrial, ela vem parafacilitar a aquisicao de dados de uma determinada planta. Esses dados podem ser analisados e utilizados em umagrande gama de aplicacoes. Dependendo da complexidade e tamanho do sistema modelado, o processo de obtencaoda instancia da ontologia, e demorado e custoso, sendo assim, muito susceptıvel a erros. Esse trabalho apresentauma ferramenta computacional que permite ao usuario modelar o conhecimento de um processo industrial deforma grafica. A ferramenta gera de maneira automatica a instancia da ontologia que representa cada dispositivodo processo, bem como as relacoes entre cada um deles, representado pelo usuario sem a necessidade do mesmoter conhecimento dos conceitos de ontologia.
Palavras-chave— Ontologia, Automacao Industrial, Conhecimento, Ferramenta Computacional, OWL
1 Introducao
A automacao industrial e um processo que se fezcada vez mais presente com o crescimento da in-dustria e a necessidade de otimizar a sua produ-cao, garantir a qualidade dos produtos, reduzircustos e cumprir normas de seguranca. Sendo amaquina o principal agente dessa mudanca, o su-pervisionamento de sistemas se tornou de grandeimportancia e para isso se fez necessaria a aqui-sicao de dados atraves de aparelhos de medicao,tornando indispensavel a analise e interpretacaodas informacoes para serem utilizadas da melhormaneira possıvel na melhoria do sistema.
Porem, o problema nao esta na quantidade deinformacao, mas sim em sua qualidade. Ou ainda,a grande quantidade de dados disponıvel nao etraduzida necessariamente em informacao de boaqualidade, dificultando os procedimentos de diag-nostico e localizacao de possıveis falhas por parteda equipe responsavel pela operacao dos processosindustriais (Lima et al., 2013).
A ontologia vem para facilitar esse processo derepresentacao da informacao atraves de uma lin-guagem formal, capaz de disponibilizar uma des-cricao exata do conhecimento em questao.
O uso de ontologias vem ganhando destaquena modelagem de conhecimento aplicada aos pro-cessos industriais nos ultimos anos. Uma on-tologia bem conhecida na area de engenharia
de processos quımicos e a OntoCAPE (Morbachet al., 2007), que consiste de um conjunto de mo-delos parciais interconectados hierarquicamenteorganizados atraves de varios nıveis de abstracao.Laallam e Sellami (2007) apresentam um sistemapara auxiliar a tomada de decisao em processosbaseado em ontologia. Natarajan et al. (2012) de-senvolveram uma ontologia chamada de OntoSafe,aplicada a processos de supervisao, para fornecerum gerenciamento semantico de situacoes anor-mais. Na area de gerenciamento de alarmes, te-mos o trabalho desenvolvido por Lima et al. (2013)para realizar correlacao semantica de alarmes.
O processo de desenvolvimento de uma onto-logia e iterativo, podendo ser realizado atraves dediversos metodos. Mas no geral o processo e divi-dido nas etapas de definicao das classes da ontolo-gia hierarquicamente, definicao das propriedadesde cada classes e dos valores que podem ser acei-tos. Em todos os metodos se faz necessario um co-nhecimento aprofundado em ontologias e o tempode desenvolvimento pode ser extenso, ja que mui-tos detalhes do projeto podem mudar, durante edepois do desenvolvimento, e novas analises deve-rao ser feitas, o que torna o processo cansativo ebastante susceptıvel a erros humanos.
Sao poucas as ferramentas que facilitam o de-senvolvimento de uma ontologia de forma a tornaresse processo menos cansativo e mais eficiente. Nogeral, esses softwares nao possuem uma interface
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
1645
amigavel, alem de ser necessario o conhecimentoaprofundado do conceito de ontologia.
O objetivo desse artigo e apresentar uma fer-ramenta, capaz de modelar o conhecimento de umprocesso industrial de maneira simples e rapida.O software apresenta uma interface intuitiva, quepermite ao usuario modelar cada componente dosistema e as relacoes entre eles atraves de uma re-presentacao em diagrama de blocos. Apos todoo sistema ter sido modelado, a aplicacao gera deforma automatica a instancia da ontologia que re-presenta o conhecimento desse sistema, sem a ne-cessidade do usuario conhecer os conceitos de on-tologia. O sistema e desenvolvido e mantido pelosautores.
Uma vez que o conhecimento do processo in-dustrial encontra-se estruturado em uma ontolo-gia, a mesma pode ser reaproveitada por outrasaplicacoes para que novas analises sejam feitasno processo, obtendo assim informacoes que antesnao eram observadas com tanta facilidade. Comoexemplo de aplicacoes que podem utilizar esse co-nhecimento estruturado na ontologia pode-se ci-tar gerenciamento de alarmes, avaliacao econo-mica e analise de confiabilidade do sistema (Limaet al., 2013).
O restante do trabalho esta dividido da se-guinte forma: a secao 2 apresenta uma visao geralsobre ontologias e como elas sao utilizadas na areada automacao industrial; a secao 3 apresenta aferramenta desenvolvida para a construcao de on-tologias em processos industriais; na secao 4 umestudo de caso e realizado para ilustrar o manu-seio da ferramenta; e finalmente na secao 5 saoapresentadas as conclusoes e indicacao de traba-lhos futuros.
2 Ontologia para automacao industrial
Uma ontologia pode ser definida como sendo umaespecificacao de uma conceituacao (Gruber, 1995),isto e, uma descricao de conceitos e relacoes queexistem em um domınio de interesse (Sowa, 2000).Assim, uma ontologia estabelece um vocabulariocomum sobre um dado domınio de conhecimentopara uma comunidade que se interesse pelo mesmo(de Almeida Falbo, 1998).
Para se desenvolver uma ontologia e neces-sario definir um conjunto de elementos que po-dem ser divididos em: classe, propriedade e res-tricao (Noy e Mcguinness, 2001). Alem disso, elapode ser escrita em uma linguagem formal, for-necendo uma descricao precisa do conhecimento.O padrao mais recente de linguagens para ontolo-gias e o OWL (Ontology Web Language) (Horridgeet al., 2004), desenvolvido no ambito do W3C-World Wide Web Consortium para descrever clas-ses e as relacoes existentes entre elas, alem depossibilitar que essas classes sejam reutilizadas ouherdadas.
Usar ontologias para criar aplicacoes permitesolucionar algumas deficiencias encontradas narepresentacao do conhecimento de um domınio,principalmente pelo fato de ser compartilhavel eindependente de aplicacao, podendo ser reutili-zada em diversos sistemas.
2.1 Ontologia para modelagem de processos in-dustriais - ONTOAUT
Esse trabalho baseia-se na ontologia OntoAutpara modelar parte do conhecimento presente nosprocessos industriais, disponibilizando uma re-presentacao unica do conhecimento (Lima et al.,2013).
A OntoAut e uma ontologia concebida com oobjetivo de modelar o domınio de plantas de pro-cessos industriais, de modo a dar suporte a apli-cacoes de automacao industrial, como deteccao defalhas, diagnostico de anomalias, e monitoramentointeligente de processos.
A OntoAut define os principais conceitos ne-cessarios para representar a maior variedade deelementos presentes em um processo industrial.Os principais conceitos definidos nessa ontologiaestao ilustrados na Figura 1 e sao descritos a se-guir:
• IndustrialProcess: representa o conceito doum processo industrial.
• Equipment : consiste nos elementos que po-dem fazer alguma transformacao fısica ou quı-mica nos fluidos que circulam pela planta,como por exemplo: torres, vasos, tanques,forno, bombas, etc.
• Pipe: sao condutos fechados destinados aotransporte de fluidos. As tubulacoes sao cons-tituıdas de tubos de tamanhos padronizados,colocados em serie.
• Instrument : consiste em um elemento de au-tomacao e instrumentacao que podem estarconectados a equipamentos da planta, comopor exemplo: atuadores, controladores, sen-sores e transmissores.
• Alarm: sinalizacao visual e/ou sonora queidentificam a ocorrencia de um problema quedeve ser percebido com rapidez.
• Acessory : entidade que representa qualqueroutro componente que nao seja um equipa-mento, uma tubulacao, um instrumento ouum alarme.
• RawMaterial : entidade utilizada para repre-sentar as possıveis materias primas utilizadasnos processos industriais.
• Utility : entidade utilizada para representaras possıveis utilidades usadas nos processosindustriais, como por exemplo, vapor e agua.
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
1646
Figura 1: Principais classes da OntoAut.
Devido a variedade de dispositivos que podemestar presentes em uma planta industrial, houve anecessidade de se criar subclasses para que senso-res, controladores ou ate mesmo trocadores de ca-lor, por exemplo, pudessem ser representados pelaontologia. Esses equipamentos foram modeladoscomo subclasses de Instrument e Equipment, demodo a refinar a abstracao. A Figura 2 apresentaalgumas das subclasses modeladas.
Alem de definir as classes e subclasses neces-sarias para se modelar um processo industrial, aOntoAut tambem define quais propriedades os in-divıduos destas classes necessitariam ter. Uma dasmais importantes e o identificador unico para cadacomponente da planta. Essa propriedade foi de-nominada de hasIdentifier.
Como em instrumentacao industrial os ins-trumentos e equipamentos possuem tags, criou-se uma propriedade denominada de hasTag, quee subpropriedade da propriedade hasIdentifier.Alem disso, incluiu-se uma propriedade a mais de-nominada de hasDescription, para permitir descri-cao textual do componente. A Tabela 1 apresentaalgumas propriedades definidas pela OntoAut.
3 Ferramenta Computacional
Esse artigo tratara de uma ferramenta intituladaOWLBlockDiagram, visando facilitar o desenvol-vimento de instancias da ontologia que descrevemum determinado sistema, o que tem grande apli-cabilidade na industria e outros setores. Esse soft-ware se encontra em desenvolvimento pelos auto-res, e e desenvolvido fazendo uso da linguagem deprogramacao Java.
Dentre as suas principais funcionalidades estaa de carregar um arquivo .owl da ontologia dedomınio que contem informacoes sobre todos oscomponentes do sistema e suas propriedades, bemcomo a hierarquia desses elementos. Uma vez quea ontologia de domınio e carregada, o programadisponibiliza essas informacoes para o usuario deforma grafica, como pode ser visto na zona demar-cada pela letra A, na Figura 3. Cada componentee uma folha da arvore e sao representados por blo-
Figura 2: Algumas subclasses das classe Instru-ment e Equipment.
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
1647
Tabela 1: Algumas propriedades da OntoAut.
Propriedade Domınio -> Tipo do Dado Descricao
hasIdentifier (Component) -> (string) Armazena o valor do identificador do componente.
hasTag (Instrument, Equipment, Alarm) ->(string)
Armazena o valor da TAG do instrumento, equipa-mento ou alarme. Herda da propriedade hasIden-tifier.
hasOrder (Instrument,Serpentine) -> (int) Identifica ordem em que um instrumento ou ser-pentina aparece no componente.
hasValue (Indicator, Sensor, Alarm) -> (float) Armazena o valor atribuıdo a um indicador, sensorou alarme
hasAlarm (Sensor, Controller) -> (Alarm) Conjunto de alarmes associados ao instrumento.
hasController (Actuator) -> (Controller) Representa o controlador associado ao atuador.
sendSignal (Sensor) -> (Controller) Representa o controlador para o qual o sensor enviainformacao.
cos de cores diferentes para que os elementos doprocesso sejam melhor diferenciados pelo usuario.Isso facilita o entendimento e visualizacao da on-tologia descritiva. O programa tambem permiteconfigurar as propriedades de cada elemento.
A partir da arvore de elementos, o usuariopode selecionar um bloco e arrasta-lo ate a areade trabalho, mostrada na zona demarcada pelaletra B, na Figura 3, onde pode conecta-lo a ou-tros blocos que representam os elementos do sis-tema. Representando, assim, toda a ligacao entreos componentes atraves de um diagrama de blo-cos. A Figura 3 apresenta uma parte do sistemada unidade de tratamento DEA, que sera melhorexplanada na secao 4. Cada elemento desse es-quema tem propriedades especıficas, inerentes aoseu tipo e ao tipo dos componentes da sua hierar-quia. Essas informacoes sao obtidas a partir daontologia de domınio e podem ser configuradas najanela de propriedades de cada bloco, como mos-trado na Figura 4, que apresenta as propriedadesdo bloco cham001, do exemplo da Figura 3.
O programa ainda possibilita a configuracaode cada conexao entre os elementos. Essa conexaodescreve a modelagem do fluxo que a informacao,material ou energia seguem ao longo do sistema,rotulando as entradas e saıdas dos blocos.
Com base nos dados configurados pelo usua-rio e coletados da ontologia de domınio, de formasimples e pratica, pode-se obter uma representa-cao grafica do sistema em questao e gerar de modoautomatico uma instancia da ontologia que des-creve formalmente o sistema.
A instancia e apresentada na aba de codigofonte, como mostrado na Figura 5, na zona demar-cada pela letra C, onde vemos um trecho da ins-tancia da ontologia equivalente ao diagrama mos-trado na Figura 3. Sem o auxılio de uma ferra-menta grafica, o processo de obtencao dessa ins-tancia seria mais complexo e demorado, alem deestar bem mais susceptıvel a erros humanos.
O programa tambem apresenta funcionalida-des basicas de salvar e abrir a instancia da onto-
Figura 4: Tela de configuracoes.
logia em um arquivo .owl. Como se percebe naFigura 5, os arquivos .owl sao formatados em umXML. Sendo assim, os mesmos podem ser utiliza-dos por qualquer outra aplicacao que desejar. Issopermite que outras aplicacoes sejam desenvolvidaspara processar o conhecimento do processo indus-trial modelado na ontologia em questao e extrairinformacoes que antes nao eram perceptıveis facil-mente.
4 Estudo de caso
Como estudo de caso, e detalhado o esquema deum forno industrial, equipamento importante nasrefinarias e industrias petroquımicas. Sua princi-pal finalidade e, atraves de uma grande quanti-dade de energia proveniente da queima de com-bustıvel, aquecer o fluido que passa por uma ser-pentina. Esse processo viabiliza as operacoes dedestilacao, craqueamento, entre outros.
O forno e principalmente composto por: ca-mara de combustao (onde ha a queima de com-
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
1648
A
B
Figura 3: Tela principal com o diagrama de blocos do estudo de caso.
C
Figura 5: Tela principal do software com destaque na instancia da ontologia gerada automaticamente.
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
1649
Figura 6: Exemplo de um forno industrial.
bustıvel); secao de radiacao (semelhante a camarade combustao, onde os tubos sao diretamente ex-postos a radiacao da chama); secao de conveccao(os tubos nao sao expostos diretamente a radia-cao da chama. Eles entram em contato com osgases quentes vindos da camara de combustao);serpentina (conjunto de tubos consecutivos atra-ves dos quais o fluido passa dentro do forno nas se-coes de radiacao e conveccao); chamine(montadaacima da camara de combustao, e responsavelpela tiragem e descarga dos gases) (Moore e Mo-ore, 1945; Dawe et al., 2000). A Figura 6 ilustraum exemplo de forno industrial com duas camarasde combustao.
Utilizando o software aqui proposto, pode-se facilmente modelar o forno industrial, utili-zando a ontologia ONTAUT, descrita na sessao2.1. A Figura 3 ilustra parte dessa modelagem. Oforno001 e um indivıduo da classe Kiln, ligado aum indivıduo da classe Chimney, ha quatro indivı-duos da classe Pass (passo1A, passo2A, passo3Ae passo4A), ha dois indivıduos da classe Camara(cam001 e cam002). Cada indivıduo Camara serelaciona com dois indivıduos da classe Serpen-tine (serp001,serp002,serp003 e serp004). O fornose relaciona com suas conexoes pela propriedadehasComponent, e cada componente se relacionacom o forno pela propriedade isComponent.
Cada classe possui propriedades especıficas ouherdadas, com seus respectivos domınios e tipos dedados. Como mostrado na Figura 4, a janela deconfiguracoes de propriedades lista todas as pro-priedades do respectivo indivıduo, que podem serclassificadas com relacao ao seu domınio: objetoou dado. As propriedades do primeiro tipo pos-suem uma lista dos elementos do diagrama de blo-cos que se adequam ao tipo de objeto da proprie-dade, ou uma caixa de texto no caso de proprieda-des que recebem um dado como atributo, como aspropriedades hastag e hasDescription, por exem-plo.
5 Conclusao
A ontologia pode ser utilizada em diferentes areas,como na economia, no gerenciamento de alarmese no calculo da confiabilidade de um sistema, porexemplo. A sua importancia no ambito industrialnao pode ser negada. Nesse trabalho foi apresen-tada uma ferramenta computacional capaz de mo-delar um processo industrial, representando todoseu conhecimento em uma ontologia.
Essa ferramenta possui uma interface amiga-vel, disponibilizando para o usuario recursos paraque o mesmo possa estruturar o conhecimento deum processo industrial sem a necessidade de co-nhecer os conceitos de ontologia. Uma vez mo-delado o processo, a instancia da ontologia querepresenta o sistema e gerado de maneira auto-matica pela ferramenta. Essa instancia pode serutilizada por outras aplicacoes para que novas in-formacoes sobre o processo sejam extraıdas.
Portanto, a ferramenta apresentada nesse ar-tigo se mostra de fundamental relevancia, pois fa-cilita, de modo evidente, a obtencao de instanciada ontologia de um dado sistema.
Para validar o uso da ferramenta, foi apresen-tado um exemplo de modelagem de um sistema detratamento DEA.
Atualmente a ferramenta ainda se apresentano estado de desenvolvimento, portanto, muitosdetalhes precisam ser acertados, como o estudoda ergonomia do software, por exemplo, que visaproporcionar uma melhor experiencia ao usuarioao utilizar a aplicacao. Outra funcionalidade emdesenvolvimento e a de agrupar um conjunto deblocos desejado em um novo bloco. Isso possibilitaa representacao dos componentes do sistema demaneira hierarquica, facilitando a modelagem doprocesso pelo usuario.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CENPES-Petrobras e aCAPES, pelo suporte financeiro e a UFRN pela in-fraestrutura de suporte ao desenvolvimento destetrabalho.
Referencias
Dawe, R., Lucas, A. e of Petroleum (Great Bri-tain), I. (2000). Modern petroleum techno-logy, number v. 1 in Modern Petroleum Te-chnology, Wiley.
de Almeida Falbo, R. (1998). IntegraA§A£ode Conhecimento em um Ambiente de De-senvolvimento de Software, PhD thesis,COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
Gruber, T. (1995). Toward principles for the de-sign of ontologies used for knowledge sharing,
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
1650
International Journal Human-Computer Stu-dies 43: 907–928.
Horridge, M., Knublauch, H., Rector, A., Stevens,R. e Wroe, C. (2004). A practical guide tobuilding owl ontologies using the protege-owlplugin and co-ode tools edition 1.0, Univer-sity of Manchester .
Laallam, F. Z. e Sellami, M. (2007). Gas turbineontology for the industrial processes, Journalof Computer Science 3(2): 113.
Lima, R., Leitao, G., Guedes, L., Melo, J. eDuarte, A. (2013). Semantic alarm corre-lation based on ontologies, Emerging Tech-nologies Factory Automation (ETFA), 2013IEEE 18th Conference on, pp. 1–4.
Moore, B. J. e Moore, B. (1945). Industrial kilnand oven. US Patent 2,375,317.
Morbach, J., Yang, A. e Marquardt, W. (2007).Ontocape-a large-scale ontology for chemicalprocess engineering, Engineering Applicati-ons of Artificial Intelligence 20(2): 147 – 161.Special Issue on Applications of Artificial In-telligence in Process Systems Engineering.
Natarajan, S., Ghosh, K. e Srinivasan, R. (2012).An ontology for distributed process supervi-sion of large-scale chemical plants, Compu-ters & Chemical Engineering 46(0).
Noy, N. F. e Mcguinness, D. L. (2001). Ontologydevelopment 101: A guide to creating yourfirst ontology, Technical report.
Sowa, J. F. (2000). Knowledge Representation:Logical, Philosophical, and ComputationalFoundation, Computer Science Series, Bro-oks/Cole.
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
1651
