ExtruOnt：インダストリー4.0システムのための製造機械のタイプを記述するためのオントロジー

Ontology 2024年05月31日

3つの要点

✔️ インダストリー4.0で製造機械の意味的記述が必要とされていますが、今のところ整備されていません。
✔️ この論文は、1つの例についてオントロジーの開発に取り組みました。
✔️ 装置のコンポーネント、空間的な接続、特徴、コンポーネントの3D表現、そして最後にこの種の機械の性能に関する指標を取得するために使用されるセンサーに関する記述を表現するためのクラスとプロパティが含まれています。

ExtruOnt: An ontology for describing a type of manufacturing machine for Industry 4.0 systems
written by Víctor Julio Ramírez-Durán, Idoia Berges, Arantza Illarramendi
[Submitted on 22 Jan 2024]
Comments: This is the accepted manuscript. The definitive, peer reviewed and edited version of this article is published in Semantic Web 11(6): 887-909 (2020)
Subjects: Artificial Intelligence (cs.AI)

code：

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概要

機械が解釈可能なコードで提供される、製造機械の意味的に豊かな記述は、インダストリー4.0シナリオで有効に用いることができます。しかし、そのような記述は明らかに欠如しています。この論文では、製造機械の一種、より正確には押出工程を行うタイプ（押出機）を記述するためのExtruOntと呼ばれるオントロジーを構築するための開発取り組みを紹介します。このオントロジーの範囲は具体的なドメインに限定されていますが、インダストリー4.0のシナリオにおける製造機械を記述するための他のオントロジーの開発のモデルとして使用することができます。ExtruOntオントロジーの用語は、押出機に関連するさまざまなタイプの情報を提供し、それらはオントロジーを構成する個別のモジュールに反映されています。したがって、押出機のコンポーネント、空間的な接続、特徴、コンポーネントの3D表現、そして最後にこの種の機械の性能に関する指標を取得するために使用されるセンサーに関する記述を表現するためのクラスとプロパティが含まれています。オントロジーの開発プロセスは、各分野の専門家との緊密な協力の下で行われました。

はじめに

製造業界では、第4次産業革命(Industry 4.0)と呼ばれる様々な取り組みと戦略が生まれています。これらの取り組みは、製品の履歴、状態、品質、特性に関するデータの収集と、そのデータを活用した製造インテリジェンスの適用を目指しています。これにより、製造業者にとって重要なビジネスチャンスが生まれています。

このような取り組みを適切に設計・実装するには、メカトロニクス、製造戦略、知識労働者、モデリング・シミュレーション・予測手法とツールの活用などの革新的な取り組みが必要とされます。

特に、モデリングの観点から見ると、アクセス可能で相互運用可能、そして再利用可能な製造機械の適切な記述が不足していることが指摘されています。そこで著者らは、押出機と呼ばれる実際の製造機械タイプの詳細な記述を提供するオントロジー、ExtruOntを開発しました。

ExtruOntオントロジーには、押出機の主要コンポーネント、それらの空間的接続、特徴、3D表現、およびこの種の機械の性能を捕捉するセンサーに関する用語が含まれています。ExtruOntは、OWL 2 Webオントロジー言語を使用して実装されており、Protégéの開発環境で構築されています。

ExtruOntは、DULオントロジー、MASONオントロジー、SAREF4INMAなどの既存のオントロジーと整合性を持っています。また、GeoSPARQL、OM、3DMOなどのオントロジーからも用語を再利用しています。

ExtruOntオントロジーの開発

ExtruOntオントロジーの開発には、NeOnメソドロジを採用しました。NeOnメソドロジは、オントロジー構築のさまざまなシナリオを考慮しており、オントロジー構築活動の詳細なガイドラインを提供しているため、ExtruOntの要件に最適だと判断しました。

ExtruOntの開発プロセスは、NeOnメソドロジの6フェーズ+マージングフェーズのウォーターフォールオントロジーネットワークライフサイクルモデルに従っています(図1)。各フェーズの概要は以下の通りです:

図1. 6フェーズ＋マージフェーズのウォーターフォール・オントロジー・ネットワークライフサイクルモデルとシナリオ、アクティビティ、ExtruOnt モジュールと一緒に示しています。

着手フェーズ

オントロジー要件定義書(ORSD)を作成し、ExtruOntの目的、範囲、コンピテンシー質問を定義しました。ORSDには、ExtruOntの目的、範囲、対象ユーザ、使用用途、機能要件(コンピテンシー質問)などが記述されています。コンピテンシー質問は5つのグループに分類されました:押出機の構成要素、構成要素間の空間的接続、構成要素の特徴、構成要素の3D表現、構成要素の性能を捕捉するセンサーに関する質問です。

再利用フェーズ

既存のオントロジーおよび非オントロジーリソースを検索し、ExtruOntの各モジュールの構築に活用しました。構成要素の記述には、文献とを、空間関係の表現にはGeoSPARQLを、特徴の記述にはOMオントロジーを、3D表現にはX3D/3DMOを、センサーの記述にはSOSA/SSNオントロジーを活用しました。

マージングフェーズ

DUL、MASON、SAREF4INMAなどの上位オントロジーとの整合性を取るためにアラインメントを行いました。ExtruOntは、これらの上位オントロジーの概念を再利用し、相互運用性を確保しています。

再設計フェーズ

非オントロジーリソースから概念モデルを抽出し、オントロジー化しました。押出機の構成要素や特徴、センサーなどについて、文献から得られた知識をオントロジーの概念として定義しました。

デザイン

モジュール化によりオントロジーの開発、再利用、メンテナンスが容易になります。また、ORSD分析から得られた5つの次元に沿ったアプローチに適合します。そのため、ExtruOntは5つのモジュールで構成されています。このモジュール化アプローチにより、ExtruOntは柔軟性と拡張性に優れたオントロジーとなっています。各モジュールは独立して開発、再利用、メンテナンスが可能で、新しい製造機械タイプのオントロジー開発にも活用できます。

実装フェーズ

OWL 2 DLで記述し、Protégéで実装しました。ExtruOntは、5つのモジュールで構成されています。

メンテナンス

メンテナンスフェーズは現在進行中です。エラーが検出された場合は、ウォーターフォールオントロジーネットワークライフサイクルモデルに従い、設計フェーズに戻って修正を行います。このようなメンテナンスプロセスにより、ExtruOntは常に最新の状態に保たれ、製造業界の変化に柔軟に対応できるようになっています。また、ドメイン専門家との継続的な協力により、ExtruOntの機能拡張や改善も行われています。

このように、ExtruOntの開発プロセスは、NeOnメソドロジのガイドラインに沿って進められ、既存のオントロジーやドメイン知識を最大限に活用しながら、ExtruOntの各モジュールが設計・実装されました。この開発プロセスにより、ExtruOntは、押出機ドメインを適切にカバーし、設計品質の高いオントロジーとして実現されています。

ExtruOntオントロジーのモジュール

ExtruOntオントロジーは、押出機の詳細な記述を提供するために、5つのモジュールで構成されています。これらのモジュールは、押出機の様々な側面を表現するために設計されています。

図2. 他のドメイン・オントロジーからの用語の再利用を示す ExtruOnt オントロジー図

components4ExtruOnt

このモジュールは、押出機の主要な構成要素を表現しています。具体的には、ドライブシステム、フィードシステム、スクリュー/バレル/加熱システム、ヘッド/ダイアセンブリ、制御システムなどの概念が含まれています。これらの部品間の関係は、PartOfオントロジーデザインパターンを使用して定義されています。また、このモジュールは、SAREF4INMAのProductEquipment、MASONのMachine-toolなどの上位オントロジーとの整合性を持っています。

図3. 押出機の構成部品。

spatial4ExtruOnt

このモジュールは、押出機の構成要素間の空間的な関係を表現しています。RCC8関係などの標準的な空間関係に加えて、カスタムの空間関係プロパティも定義されています。これらの空間関係の表現には、GeoSPARQLオントロジーが活用されています。また、DULのPhysicalObjectとの整合性も確保されています。

図7. RCC5とRCC8の関係。

OM4ExtruOnt

このモジュールは、押出機の構成要素の特徴を表現しています。具体的には、寸法、動作条件、生産性などの情報が含まれています。これらの特徴の表現には、OMオントロジーの一部が再利用されています。

図11. 特徴モータ電圧の測定値の定義例

3D4ExtruOnt

このモジュールは、押出機の構成要素の3Dモデルと位置情報を表現しています。3DMOオントロジーが再利用されることで、押出機の詳細な3D表現が可能になっています。

図13. 押出機の構成部品の3D表示。

sensors4ExtruOnt

このモジュールは、押出機の性能を捕捉するセンサーとその観測データを表現しています。SOSA/SSNオントロジーが再利用されており、押出機ドメインの特徴が追加されています。

図15. センサーに関連するいくつかのクラスとプロパティを示すsensors4ExtruOntモジュールの抜粋。

これらのモジュールは、既存のオントロジーを最大限に活用しつつ、押出機ドメインの特徴を適切に表現できるよう設計されています。このモジュール化アプローチにより、ExtruOntは柔軟性と拡張性に優れたオントロジーとなっています。

評価

ドメインカバレッジと設計品質の2つの観点から評価を行いました。ドメインカバレッジについては、文献資料を網羅的に分析し、ExtruOntがカバーできる範囲を確認しました。設計品質については、オントロジーメトリクス、一般的な設計ピットフォールの検出、および開発プロセス中に定義された評価基準の適用などの手法を使用しました。また、3種類のステークホルダー(エクストルージョン機械メーカーのR&Dディレクター、IBDSプロバイダー、オントロジー専門家)による評価も行いました。

結論

本論文では、Industry 4.0シナリオにおける製造機械の詳細な記述を提供するExtruOntオントロジーを紹介しました。ExtruOntは、押出機と呼ばれる特定の製造機械タイプの物理的表現と、そのセンサーから収集されるデータを記述するためのリファレンスモデルを提供します。ExtruOntは、押出機の構成要素、それらの空間的接続、特徴、3D表現、およびこの種の機械の性能を捕捉するセンサーに関する情報を含んでいます。オントロジー開発プロセスは、ドメイン専門家との緊密な協力の下で行われました。ExtruOntの主な貢献は、再利用性、空間接続の表現力、およびオントロジーベースシステムへの適用です。ExtruOntは、他の製造機械タイプのオントロジー開発の基盤として活用できるほか、オントロジーベースの視覚的クエリシステムやレコメンデーションシステムの開発にも活用できます。今後の課題としては、メンテナンスの継続と、ExtruOntをコアとするソフトウェアアーティファクトの開発が挙げられます。

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友安昌幸 (Masayuki Tomoyasu): JDLA G検定2020#2, E資格2021#1 データサイエンティスト協会 DS検定日本イノベーション融合学会　DX検定エキスパート合同会社アミコ・コンサルティング CEO

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