工业4.0 资产管理壳学习笔记（ 6）-管理壳细节

Posted 2023-03-01 姚家湾

         本文是“资产管理壳细节 Part1的读书笔记。

          <Details_of_the_Asset_Administration_Shell_Part1_V3.pdf>

    要真正了解工业4.0 的管理壳，绕不开认真地读这篇文章。老实说， 第一次读这个文本会发现什么都明白，就是不知道有什么用场。其实学习信息模型基本上都是如此的，当手脚架拆除之后，人们难以理解金字塔是如何构造出来的。 标准应该具备完整性。信息模型能够应对所有的场景。特别是I4.0 管理壳模型更加强调语义的规范。增加了许多关于语义定义的单元。

          管理壳模型能够使用JSON，AML和OPC UA 来描述。上述文章的内容比较难懂，可以和OPC UA 发布了OPC 30270 OPC UA AA规格文件的文本结合起来一起阅读。

子模型

工业4.0 的概念是希望所有的资产都具有一个管理壳，并且管理壳能够对资产进行全过程，全方位的管理。比如要管理机械特征，控制特征，能源特征，安全特征，要管理设计阶段的文档，图纸，又要管理运行过程中的安装，维护文档。总之，管理壳包罗万象。

  那么管理壳是怎么做到的呢？这就是子模型。每个管理壳包含了多个子模型。一个子模型针对资产的一个方面的特征。

可能的子模型如下：

 这些子模型尽量符合相关的标准。这些国际标准有些在国外已经使用了许多年。如果之前我们并没有使用这些标准，现在结合管理壳来使用的话，会比较复杂和辛苦。许多的概念，术语，数据规范需要构建相应的字典数据库。这是一项非常巨大的工程。达成共识，被厂商认可更难。笔者的看法是尽可能地简化，实现AAS模型的子集，必要的数据规范可以做出嵌入式数据规范。当AAS技术普及时再制定相关的标准。

分层结构

        工业4.0 管理壳(下面简称AAS）信息模型不完全是分层结构的模型。对象之间有交叉的引用，并且还有通过标识符（ID） 引用。但是，我们仍然可以使用分层结构来构建管理壳模型。应为分层结构能够方便地使用图形化设计方式。交叉引用可以使用额外的参数配置。

         每个管理壳由多个子管理壳组成，每个子管理壳内部包含了多个子管理壳单元。

5.4 标识（Identifiers）

        在智能制造领域中，不同的单元需要有一个唯一的标识（unique identification），正因为如此，标识（Identifiers）是形式化描述管理壳的基本单元。至少下面这些单元需要标识：

• 资产管理壳
• 资产
• 子模型实例和模板
• 在外部仓库中的属性定义和概念描述（ECLASS 或者 IEC CDD）

标识的作用

• 在管理壳中唯一地区分各个子单元
• 让单元与外部定义和模板

          例如子模型模板，属性定义。让管理壳的数据和功能单元注入语义。

标识的类型

IRDI - ISO29002-5, ISO IEC 6523 和 ISO IEC 11179-6

IRI – IRI (Rfc 39871 ) 或者遵循 RFC 39862的URI 和 URL 

专用 - 内部专用标识 UUIDs/GUIDs

5.7 元模型

        在该文中，管理壳信息模型是使用UML图形方式和模板方式描述的。在第8 章才讲述了如何将AAS 的内容打成一个AAS 包（AASX Package） 。在工程设计过程中，人们通过AASX Package 来交换工程文件，AASX 包是一个压缩包。关于UML 模板的介绍在附录C。

例如：UML 图形

 模板

 公共属性

在AAS 建模过程中，使用一些公共的特征。它们包括：

Extensions (HasExtensions)

可引用属性（Referable）

     元模型使用两个属性来区分不同的单元（Referable和identifiable） Referable是通过idshort 来引用，而identifiable通过标识符来区分。

可标识属性（identifiable）

模板或者实例属性（HasKind）

一个枚举类型。

管理信息属性（Administrative Information Attributes）

语义id 属性（HasSemantics）

指向一个语义定义的ID

限定属性（Qualifier Attributes）

限定属性，例如液位值，增加最大最小值

数据规范（HasDataSpecification）

    一个元素可以通过数据规范来扩展，所谓数据规范模板就是一组额外的特征，比如单位，符号等等。

       

 管理壳

特征

从何导出（derivedFrom）

       包括一个Identable，或者包含一个数据规范

资产信息

子模型

由此可见，子模型主要由子模型单元构成。 

子模型单元属性（submodelElement Attribute）

大约有9种子类型单元，数据单元又分为6种。如下图所示：

公共属性

数据单元值，比如字符串。

           每一个子模型单元都有一个语义定义（(semanticId）它可以是指向一个外部的语义定义（ECLASS 或者IEC CDD 特征定义），也可以引用指向概念描述（ConceptDescription），我看到的例子中，将概念描述放置在一个子模型中。

数据单元（DataElement)

特征（Property)

是一种数据单元，包含了简单数据类型。

多语言特征（MultiLanguageProperty）

value 特征实例的值，这类特征应该是字符串类型的。数据类型LangStringSet。

valueId 指向唯一ID 的引用。

区间值（Range）

  指定了一个值的范围，即取值的最小值和最大值。包含了三个属性        

文件（AASFileType）

包含了两个属性

        Value -为文件的名称和路径

        contentType-文件内容类型 可以是扩展名

可以可选的属性：FileType 对象

操作（Operation）

       该子模型单元封装了一个OPC UA 的Method。还可以包括一个指向概念描述的引用。

语义定义

相比于其它的信息模型，在AAS 模型中更加重视语义的定义。

管理壳模型的描述方式

在这篇文章中，采用了中性的方法（UML） 来描述AAS 模型。在实际应用中，不同的阶段会将AAS模型转换成为某一种信息模型。例如AutomationML，JSON和OPC UA 。

•   工程设计阶段使用AutomationML
•    系统运营阶段使用OPC UA
•    与IT 系统接口时使用JSON

在AASX Package Explore 软件中，能够Export AML ，JSON 和OPCUA 的文本格式。

OPC 30270  -管理壳OPCUA 模型

       OPC UA  于2021 年6月份提出了《OPC 30270: Industry 4.0 Asset Administration Shell》。使用OPC UA 信息模型完全能够描述AAS 元模型。

    在AAS 的规范中，使用UAObject ，UAVariable，UAMethod 和Reference 来描述AAS 的元模型。需要注意的是：

1 AAS 中的某些Reference 类型，需要使用OPCUA 的Object 建模

2 AAS 中的某些属性使用OPC UA 中的结构化数据类型来描述。（也就是说，Variable 中可能包含结构数据单元。

AAS 元模型的图形化建模和模板

这是笔者做的一些工作。

按照IDTA 的建议，AASX 模型建模的方法大致是：

          使用AASX Package Explore 软件来构建AASX 模型。然后导出AML ，OPC UA 的模型文本。在其它软件中使用该模型。但是事情好像并不简单，比如导出的OPC UA 模型进一步导入到OPC UA 服务器平台上，与其它软件结合时，仍然有很大的编程的工作量。我们正在寻找一种基于图形和组件化的设计方法来构建AAS 的信息模型，并且能够与其它OPC UA 服务结合，比如IEC61499 运行时。

为了实现这个目标，我们做了如下工作：

在IDE 开发工具中，内部直接使用OPC UA 的Node模型 。

为AAS 元模型建立了基于OPCUA 的模板。模板与模型的差别是，模板是基于分层结构的。AAS ，SubModel ，SubModel 和SubModelElement 都是嵌套的。模板中包含了嵌入式子模型的模板。这种模板便于在OPC UA 服务器中实现实例化与部署。

下面是一个例子：

<Model Type="AASPropertyType">
<UAObject BrowseName="AASPropertyType" DisplayName="AASPropertyType" Type="AASPropertyType" Reference="HasComponent">
<UAVariable  BrowseName="Value" DisplayName="Value" Type="PropertyType" DataType="BaseDataType" Reference="HasProperty">
        <Value>0</Value> 
</UAVariable>
<UAVariable BrowseName="ValueType" DisplayName="ValueType" Type="PropertyType" DataType="AASValueTypeDataType" Reference="HasProperty">
        <Value>Int32</Value>
</UAVariable>
<UAObject BrowseName="ValueId" DisplayName="ValueId" Type="AASReferenceType" Reference="HasComponenet">
            <UAVariable BrowseName="Keys" DisplayName="Keys" Type="PropertyType"  DataType="AASKeyDataType[]" Reference="HasComponent">
                <UAVariable BrowseName="AASKeyDataType" DisplayName="AASKeyDataType"  Type="AASKeyDataType"  DataType="Structure" Reference="HasComponent"> 
                    <UAVariable BrowseName="Local" DisplayName="Local" Type="Local"   DataType="Bool" Reference="HasComponent"></UAVariable>
                    <UAVariable BrowseName="Value" DisplayName="Value" Type="Value"   DataType="String" Reference="HasComponent"></UAVariable>
                </UAVariable>
            </UAVariable>
            <References>
            <Reference Type="AASReference"></Reference>
            <Reference Type="HasDictionaryEntry"></Reference>
            </References>
</UAObject>
</UAObject>
</Model>