1. ECVET Training for Operatorsof IoT-enabledSmart Buildings (VET4SBO)
2018-1-RS01-KA202-000411
Επίπεδο 3
Ενότητα 3: Υψηλής τεχνολογίας λειτουργίες και
πρακτικές συντήρησης για βιώσιμα κτίρια
Θέμα 3.2: Η σημασιολογική διαλειτουργικότητα και οι
σημασιολογικές τεχνικές για την αντιμετώπιση της
ετερογένειας των συσκευών και των δεδομένων
2. Περιγραφή
1. Θεωρίες Λογικής, ΑπαγωγικόΣυμπέρασμα (Deductive
Inference) και Δηλωτικές Γλώσσες
2. Το όραμα της σημασιολογίας σε έξυπνα κτίρια
3. Αναθεώρηση των στοιχείων παρακολούθησηςκαι ελέγχου
4. Δημιουργία μοντέλων γνώσης των "Πραγμάτων"
5. Σημασιολογικόςσχολιασμόςτων "Πραγμάτων" του κτιρίου
6. Σημασιολογική αντιστοίχιση των "Πραγμάτων" σε κτίρια
7. Σημασιολογική συλλογιστικήγια την αυτόματη διαμόρφωση
3. Θεωρίες Λογικής, Απαγωγικό Συμπέρασμα(Deductive
Inference) και Δηλωτικές Γλώσσες
Βασικές γνώσεις
Διαβάστε το σύντομο έγγραφο με το
όνομα :
GMilis-LogicTheory&Inference-v1.0
4. Το όραμα της σημασιολογίας σε έξυπνα κτίρια
Οι ανάγκες διαμόρφωσης ή επαναδιαμόρφωσης των συστημάτων ελέγχου
ανάδρασης σε μεγάλης κλίμακας συστήματα, συμπεριλαμβανομένων κτιρίων,
όπου η διαθεσιμότητα αισθητήρων, ενεργοποιητών, ελεγκτών και άλλων
λειτουργιών επεξεργασίας δεδομένων και αναλύσεων αλλάζει δυναμικά με την
πάροδο του χρόνου, μπορεί να αυτοματοποιηθεί αποτελεσματικά μέσω της
χρήσης μοντέλων γνώσης βασισμένων σε οντολογίες και τεχνικών απαγωγικής
λογικής (deductive) και συμπερασμάτων (δείτε παρακάτω).
Αυτές οι τεχνικές διευκολύνουν την αυτόματη διαχείριση πληροφοριών σχετικά με
τα στοιχεία του IoT, την αποθήκευση γνώσεων σχετικά με τη μηχανική ελέγχου
ανατροφοδότησης, καθώς και την εφαρμογή των απαραίτητων αλγορίθμων
συλλογιστικής.
5. Το όραμα της σημασιολογίας σε έξυπνα κτίρια
Αυτή η λειτουργικότητα μπορεί να προσφερθεί μέσω κατάλληλων λύσεων λογισμικού που
λειτουργούν ως συστήματα εποπτείας και αναλαμβάνει την επικοινωνία με τα εγκατεστημένα
στοιχεία, καθώς και με τους ανθρώπινους χειριστές και τις υπηρεσίες cloud, “καταλαβαίνουν”
ποιες δυνατότητες ανίχνευσης, ενεργοποίησης, επεξεργασίας και ελέγχου είναι διαθέσιμες
στο κτίριο και “σκέφτονται”, για λογαριασμό των χειριστών / μηχανικών, ώστε να
επαναρυθμίσουν κατάλληλα όλους τους βρόγχους (loops) ελέγχου ανατροφοδότησης.
Το περιεχόμενο αυτού του Θέματος βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στις πρόσφατες μελέτες-
εργασίες στον τομέα IoT, σχετικά με το " SEMIoTICS : Σημασιολογικά Ενισχυμένα Συστήματα
Ελέγχου Πληροφοριών με Ενεργοποίηση IoT" (“SEMIoTICS: Semantically-Enhanced IoT-
enabled Intelligence Control Systems”) [1, 2]. Η εφαρμογή της λύσης προσθέτει ένα μεσαίο
στρώμα μεταξύ των ανθρώπινων χειριστών, π.χ. τους μηχανικούς ελέγχου και τα στοιχεία του
IoT που είναι εγκατεστημένα στο κτίριο για την παρακολούθηση και τον έλεγχο ορισμένων
ιδιοτήτων του κτιρίου.
15. Σημασιολογικός σχολιασμός των "Πραγμάτων" του
κτιρίου
Όπως έχει φανεί, όλες οι γνώσεις των δομικών στοιχείων και των στοιχείων του IoT
διαμορφώνονται σε ένα μεγάλο γράφημα. Το γράφημα περιγράφει όλους τους
θεωρούμενους τύπους στοιχείων του συστήματος ελέγχου: Δυναμική κτιρίου,
Αισθητήρες, Ενεργοποιητές, Ελεγκτές, Λειτουργίες επεξεργασίας (Λειτουργίες πριν
τον έλεγχο, μετά τον έλεγχο και τις παραμέτρους).
Ο σχεδιασμός του γραφήματος μπορεί να βασιστεί στο μοντέλο " Προφίλ
υπηρεσίας " (“Service Profile” ) του OWL-S [3], το οποίο διευκολύνει τη
μοντελοποίηση της υπηρεσίας που προσφέρεται από κάθε τύπο στοιχείου,
δηλαδή κάθε στοιχείο έχει εισόδους, εξόδους, παραμέτρους, καθώς και ορισμένες
πρόσθετες πληροφορίες για την κατηγοριοποίηση του.
16. Σημασιολογικός σχολιασμός των "Πραγμάτων" του
κτιρίου
Ο σημασιολογικόςχαρακτηρισμός των στοιχείων του συστήματος ελέγχου βασίζεται κυρίως στην οντολογία
SSN [4]. Η οντολογία SSN ορίζει τους αισθητήρες και τους ενεργοποιητές ως "Συστήματα" που
"παρατηρούν" / "ενεργούν" μια συγκεκριμένη "ιδιότητα" ενός "χαρακτηριστικού ενδιαφέροντος" του
περιβάλλοντος / κτιρίου στο οποίο είναι εγκατεστημένα. Για παράδειγμα, ένας αισθητήρας μπορεί να
μετρήσει την "θερμοκρασία" του χώρου ενδιαφέροντος "αίθουσα 1" σε ένα συγκεκριμένο κτίριο.
Η ίδια οντολογία ορίζει ότι ένα τέτοιο "Σύστημα", προκειμένου να παρέχειτην προβλεπόμενη υπηρεσία
του, εφαρμόζει μια "Διαδικασία" που έχει ορισμένες "Εισόδους" και "Εξόδους".
Οι όροι "χαρακτηριστικό ενδιαφέροντος ” (“feature of interest”) αναφέρονται σε συγκεκριμένες
"τοποθεσίες" στο κτίριο. Οι "τοποθεσίες" εδώ δεν αναφέρονται σε αναπαράσταση συντεταγμένων σε έναν
γεωγραφικόχάρτη, αλλά αναφέρονται σε τμήματα του κτιρίου και αντικείμενα στο κτίριο που αντιστοιχούν
σε ορισμένες σχετικές θέσεις. Π.χ. "Θερμάστρα 1", "αίθουσα 1" "παράθυρο1" είναι τοποθεσίες και κατ΄
επέκταση "χαρακτηριστικά ενδιαφέροντος" στο κτίριο. Προκειμένου να μοντελοποιηθούνοι σχέσεις
μεταξύ των τοποθεσιών, μπορούν να χρησιμοποιηθούνοι έννοιες του μοντέλου GeoSPARQL [5], π.χ.
“πινελιές“, “εσωτερικό“, “περιεχόμενα“, (“ touches”, “inside”, “contains”), κ.λπ.
17. Σημασιολογικός σχολιασμός των "Πραγμάτων" του
κτιρίου
Ως εκ τούτου, οι υπηρεσίες που προσφέρονται από τα στοιχεία του συστήματος ελέγχου
μπορούν να διαμορφωθούν με τρόπο σαφή ώστε να διευκολυνθεί η ηλεκτρονική επίκληση
τους, συνδυάζοντας την έννοια της "Διαδικασίας" του SSN με την έννοια "Υπηρεσία" του OWL-
S.
Για ευκολία, μπορούμε να αναφερθούμε στις εισόδους, τις εξόδους και τις παραμέτρους που
σχετίζονται με ένα στοιχείο / υπηρεσία, συλλογικά ως "τελικά σημεία" αυτού του στοιχείου /
υπηρεσίας.
Ο υιοθετούμενος τρόπος σχολιασμού / περιγραφής των στοιχείων, μας επιτρέπει να
μοντελοποιήσουμε τη γνώση για όλα τα παραγόμενα σήματα χρησιμοποιώντας τη μέθοδο
“Five Ws and one H” [6], η οποία έχει προταθεί για τη λήψη και την επικοινωνία των σωστών
πληροφοριών σχετικά με μια οντότητα σε ένα πλαίσιο αναφοράς ή λήψης αποφάσεων.
18. Σημασιολογικός σχολιασμός των "Πραγμάτων" του
κτιρίου
Μπορεί να φανεί ότι ο σημασιολογικόςχώρος σχολιασμού ορίζεται από τέσσερις διαστάσεις :
Λ ≡ 𝐿 × 𝑄 × 𝑃 × 𝑀,
Δηλαδή,ένα στοιχείο του χώρου αντιπροσωπεύεται από τις συγκεκριμένεςτιμές σε ένα διάνυσμα τεσσάρων
στοιχείων, των αντίστοιχων μεταβλητών :
• Η μεταβλητή l αντιπροσωπεύει το "χαρακτηριστικό ενδιαφέροντος"της εγκατάστασης και απαντά στην ερώτηση
"ΠΟΥ" (“WHERE”), π.χ. λαμβάνοντας τιμές από ένα σύνολο L = {γραφείο;ζώνη 1; ζώνη 2; πόρτα;, παράθυρο;
περιβάλλων; τοίχος 1; οροφή 1; θερμάστρα 1} ({office; zone 1; zone 2; door;, window; ambient;wall 1; ceiling 1;
heater 1}). Το σύνολο μπορεί να είναι το αποτέλεσμα του σχεδιασμούτου κτιρίου χρησιμοποιώντας λογισμικό
CAD. π.χ. ένα απόσπασμα ενός BIM [7].
• Η μεταβλητή q αντιπροσωπεύει την υπό μελέτη ιδιότητατου χαρακτηριστικού ενδιαφέροντοςκαι απαντάει στην
ερώτηση “ΤΙ” (“WHAT”), π.χ. λαμβάνοντας τιμές από ένα σύνολο Q = {θερμοκρασία;ενέργεια;άνοιγμα;ρυθμός
ροής; ρυθμός διήθησης; ταχύτητα του ανεμιστήρα; χρονική στιγμή} ( temperature;energy; opening; flow rate;
filtrationrate; fan speed; Time). Οι τιμές αυτού του συνόλου, καθώς και της μονάδαςμέτρησης παρακάτω,
μπορούν να ανακτηθούν από τα υπάρχοντα μοντέλα (π.χ., την τρέχουσα έκδοση ή τις μελλοντικές επεκτάσεις του
μοντέλου πληροφοριών κτιρίου [7]).
19. Σημασιολογικός σχολιασμός των "Πραγμάτων" του
κτιρίου
• Η μεταβλητή p αντιπροσωπεύει το ρόλο του σήματος / μεταβλητήςστη διαμόρφωση του
συστήματος ελέγχου και απαντά στην ερώτηση "ΓΙΑΤΙ" (“WHY”), π.χ. λαμβάνοντας τιμές από ένα
σύνολο P = {κατάσταση; κατάσταση μέτρησης ; απόφαση ελέγχου;διαταραχή; τιμή αναφοράς;
τοπολογία εγκατάστασης; ρύθμιση; αύξηση ; μείωση} ({state; stateMeasurement;controlDecision;
disturb; referenceValue; plantTopology; regulate; increase; decrease}). Αυτές οι τιμές δίνονται κατά
τη στιγμή του σχολιασμού του στοιχείου, είτε επιλέγονται χειροκίνητααπό τον μηχανικό / τεχνικό ή
αυτόματα με τη λήψη των πληροφοριώναπό το διαδίκτυο.
• Η μεταβλητή m αντιπροσωπεύει τη μονάδα μέτρησηςτου χαρακτηριστικού, όπου ισχύει, και
απαντά στην ερώτηση "ΠΩΣ" (“HOW”), π.χ. λαμβάνοντας τιμές από ένα σύνολο M= {Κελσίου;
Φαρενάιτ; κιλοβάτ; χιλιόγραμμαανά δευτερόλεπτο; ποσοστό} (Celsius; Fahrenheit; kWatt;
kilogramsPerSecond; Percentage).
Η ερώτηση " ΠΟΙΟΣ" απαντάται ρητά μέσω της σύνδεσης των τελικών σημείων με συγκεκριμένα
στοιχεία, ενώ το ερώτημα"ΠΟΤΕ" δεν εμπίπτει στο πεδίο εφαρμογήςπου μας αφορά εδώ.
20. Σημασιολογικός σχολιασμός των "Πραγμάτων" του
κτιρίου
Η λειτουργία σημασιολογικούσχολιασμούορίζεται ως:
λ . : A ↦ Λ
όπου:
• Το Α είναι το σύνολο όλων των τελικών σημείων των στοιχείων του συστήματος
ελέγχου
• Το Λ είναι ο χώρος σχολιασμού(διάνυσμα τεσσάρων στοιχείων) ο οποίος έχει οριστεί
νωρίτερα
21. Σημασιολογικός σχολιασμός των "Πραγμάτων" του
κτιρίου
Η είσοδος στο σχήμα μπορεί να είναι το
"γραφείο"σε βαθμούς «Κελσίου» και δηλώνει
ένα σημείο στο χώρο, όπως :
y1
c = {𝑙: 𝑜𝑓𝑓𝑖𝑐𝑒, 𝑞: 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑒,
𝑝: 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑒𝑀𝑒𝑎𝑠𝑢𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡, 𝑚: 𝐶𝑒𝑙𝑠𝑖𝑢𝑠}
Με τον ίδιο τρόπο, οι σημασιολογικοί
σχολιασμοίτου παραδείγματοςεξόδου και
παραμέτρου είναι :
u1
c
= {𝑙: ℎ𝑒𝑎𝑡𝑒𝑟, 𝑞: 𝑓𝑙𝑜𝑤 𝑟𝑎𝑡𝑒,
𝑝: 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝐷𝑒𝑐𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛, 𝑚: 𝐾𝑔/𝑠}
ζ1
c = {𝑙: 𝑑𝑜𝑜𝑟, 𝑞: 𝑜𝑝𝑒𝑛𝑖𝑛𝑔,
𝑝: 𝑏𝑢𝑖𝑙𝑑𝑖𝑛𝑔 𝑡𝑜𝑝𝑜𝑙𝑜𝑔𝑦, 𝑚: %}
Ένα στοιχείο συστήματος ελέγχου με ένα παράδειγμα
σημασιολογικούμοντέλου εισόδου, εξόδου και παραμέτρου
24. Σημασιολογική αντιστοίχιση των "Πραγμάτων" σε
κτίρια
Η λειτούργία σημασιολογικής αντιστοίχισης ορίζεται ως:
ρ: Λ × Λ ↦ {⊤, ⊥}
Είσοδος: ένα ζευγάρι των σημασιολογικών σχολιασμών (Εξόδου-Εισόδου)
Για παράδειγμα :
ρ( office; temperature; stateMeasurement; Celsius , {{office; temperature;
stateMeasurement; any{office; temperature; stateMeasurement; any}) = ⊤
Οι μετασχηματισμοί μπορούν επίσης να συμβούν μέσω "σημασιολογικών
κανόνων" για απαγωγικά συμπεράσματα (π.χ., σχέσεις μεταξύ τοποθεσιών)
32. Σημασιολογική συλλογιστική για την αυτόματη
διαμόρφωση
Παραδείγματα σημασιολογικών
αντιστοιχιών μεταξύ των στοιχείων και των
επακόλουθων διαμορφώσεων του
συστήματος ελέγχου θερμοκρασίας.
Υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τρόποι με τους
οποίους τα στοιχεία του IoT πρέπει να
χρησιμοποιηθούν για την επίτευξη των
στόχων ελέγχου.
Ένας άνθρωπος από μόνος του δεν θα ήταν
σε θέση να εντοπίσει όλες τις πιθανές λύσεις
χωρίς την υποστήριξη του συστήματος
σημασιολογικής συλλογιστικής.
33. Πηγές
[1] Milis, George, Panayiotou, Christos, & Polycarpou, Marios. (2017). Semantically-Enhanced Online Configuration of Feedback
Control Schemes. IEEE Transactions on Cybernetics. http://doi.org/10.1109/TCYB.2017.2680740
[2] Milis, George, Panayiotou, Christos, & Polycarpou, Marios. (2017). SEMIoTICS: Semantically-enhanced IoT-enabled Intelligent
Control Systems. IEEE Internet of Things Journal, (Special Issue IoT Feedback Control). http://doi.org/10.5281/zenodo.1053854
[3] D. Martin, M. Burstein, J. Hobbs, O. Lassila, D. McDermott, S. McIlraith, S. Narayanan, M. Paolucci, B. Parsia, T. Payne, E. Sirin, N.
Srinivasan, and K. Sycara. (2004) OWL-S: Semantic Markup for Web Services. Accessed: 2017-07-24. [Online]. Available:
https://www.w3.org/Submission/OWL-S/
[4] A. Haller, K. Janowicz, S. Cox, D. L. Phuoc, K. Taylor, M. Lefrançois, R. Atkinson, R. García-Castro, J. Lieberman, and C. Stadler.
Semantic Sensor Network Ontology. Accessed: 2017-07-24. [Online]. Available: https://www.w3.org/TR/vocab-ssn/
[5] GeoSPARQL - A Geographic Query Language for RDF Data. Accessed: 2017-07-24. [Online]. Available:
http://www.opengeospatial.org/standards/geosparql
[6] C. Griths and M. Costi, GRASP : the solution. Cardi, UK: Proactive Press, 2011.
[7] D. Conover, D. Crawley, S. Hagan, D. Knight, C. Barnaby, C. Gulledge, R. Hitchcock, S. Rosen, B. Emtman, G. Holness, D. Iverson,
M. Palmer, and C.Wilkins, An Introduction to Building Information Modeling (BIM) - A Guide for ASHRAE Members. Amer. Soc. of
Heating, Refrig. and Air-Cond. Eng., 2009.
…και οι πηγές μέσα στα πιο πάνω
34. Αποποίηση ευθύνης
Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το πρόγραμμα VET4SBO, επισκεφτείτε την ιστοσελίδατου έργου στη
διεύθυνση https://smart-building-operator.euή επισκεφτείτε μας στο https://www.facebook.com/Vet4sbo.
Κατεβάστε την εφαρμογή για φορητές συσκευές στη διεύθυνση:
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.vet4sbo.mobile.
Το έργο αυτό (2018-1-RS01-KA202-000411) χρηματοδοτείταιμε την υποστήριξη της Ευρωπαϊκής Επιτροπής
(Erasmus+ Programme). Η δημοσίευσηαυτή αντικατοπτρίζει μόνο τις απόψεις του δημιουργού και η Επιτροπή δεν
μπορεί να θεωρηθεί υπεύθυνη για οποιαδήποτε χρήση των πληροφοριών που περιέχονται σε αυτήν.