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Smart Environmental Monitoring – standardisierte Kopplung von SCADA- und GIS-Systemen

Manfred MITTLBOECK1, Bernhard VOCKNER1, Simo LUKIC1 und Simon KRANZER2 1Reseach Studios Austria – iSpace, Salzburg · manfred.mittlboeck@researchstudio.at

2Fachhochschule Salzburg

Zusammenfassung

Eine immer wichtiger werdende Komponente im Bereich der Inhalte geographischer Infra-strukturen stellt neben den klassischen Geoinformationsebenen die grenz- und Domänen übergreifende Integration von aktuellen Sensormessdaten für Informations- und Monito-ring-Systemen in den Bereichen Umweltbeobachtung, Verkehrsmanagement, Leitungs- und Gebäudetechnik und vielen weiteren Anwendungsfeldern dar. Diese Integration ist auf-grund der bestehenden, meist sehr heterogen organisierten, Messnetzarchitekturen keines-wegs trivial. Um die konkrete Nutzung von aktueller ortsbezogener Information in ver-schiedenen Anwendungsdomänen zu ermöglichen, gilt es daher, aufbauend auf etablierten domänenspezifischen technischen Schnittstellen, (geo-) semantische Brücken zu definieren, die eine verallgemeinerte Integration dieser Daten mit Raum- und Zeitbezug ermöglichen.

Ziel im Rahmen des Projektes SCADA::GIS ist es, die wechselseitige Integration von SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) System-Messdaten mit Messdaten aus Geoinformationssystemen auf breit etablierten Domänenstandards in einer standardisierten serviceorientierten technischen Infrastruktur wechselseitig zu ermöglichen.

1 Rahmenbedingungen

Die Integration verschiedener Sensordaten ist aufgrund der bestehenden meist sehr hetero-gen organisierten Messnetzarchitekturen eine entscheidende Herausforderung (RESCH et al. 2009). Im Bereich der geographischen Informationsverarbeitung unterstützt das Open Geo-spatial Consortium (OGC 2011) mit der Sensor Web Enablement Initiative (OGC SWE) (BOTTS et al. 2007) den Bereich Geo-Monitoring durch Standardisierung der Integration von Bild- und Messdaten in Geoinformationssysteme. Parallel dazu existieren auch im Bereich der Steuerungs- und Regelungstechnik eine Vielzahl an Lösungen, um Messdaten zu visualisieren und zu integrieren.

1.1 Die OPC Unified Architecture

Im Bereich der Steuerungs- und Regelungstechnik existiert eine Vielzahl an Lösungen, um Messdaten zu visualisieren und zu integrieren. Der Zusammenschluss der OPC Foundation (OPC FOUNDATION 2012) von über 400 Organisationen und Unternehmen entwickelte mit der OPC Unified Architecture (OPC UA) ein plattformunabhängiges Standardisierungs-

Strobl, J., Blaschke, T., Griesebner, G. & Zagel, B. (Hrsg.) (2013): Angewandte Geoinformatik 2013. © Herbert Wichmann Verlag, VDE VERLAG GMBH, Berlin/Offenbach. ISBN 978-3-87907-533-1. Dieser Beitrag ist ein Open-Access-Beitrag, der unter den Bedingungen und unter den Auflagen der Creative Commons Attribution Lizenz verteilt wird (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).

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Framework, das es in einer serviceorientierten Architektur ermöglicht, auf Echtzeitdaten, Historien und Events in definierter Form in SCADA Architekturen zuzugreifen.

Der OPC UA Standard wurde auf Basis einer serviceorientierten Architektur (SOA) konzi-piert und 2009 in Version 1.0 veröffentlicht. Ein entscheidender Vorteil von OPC UA ist, dass sich die Verwendung von OPC-Schnittstellen nicht länger nur auf Standort bezogene Netzwerksysteme beschränkt, wie ein Intranet, sondern mithilfe von Webdiensten (Web-services), XML und HTTP im Internet zugänglich gemacht werden kann. Die Spezifikatio-nen von OPC UA versprechen einen durchgehenden, sicheren und plattformunabhängigen Zugang zu Daten, die entweder gerade in Echtzeit erfasst werden oder aus Vorhaltespei-chern geladen werden. OPC UA stellt dazu eine komplexe skalierbare Architektur zur Ver-fügung und spezifiziert unter anderem auch den Transport der Daten und deren Datenmo-dell.

Die durch OPC UA definierte Systemarchitektur basiert auf einem Client-Server-Modell, in dem sowohl mehrere Clients, mehrere Server als auch kombinierte Server/Client-Teilneh-mer partizipieren können. Hauptaufgabe des OPC UA Frameworks ist die Überwachung und Manipulation von Sensoren und Aktuatoren aus Systemen wie etwa Produktionsanla-gen, Haussteuerungen oder speicherprogrammierbaren Steuerungen. Folgende Abbildung zeigt eine typische OPC UA Architektur bestehend aus einem Client, einem Server und einer kombinierten Komponente.

Abb. 1: OPC UA Architektur (nach OPC FOUNDATION 2012)

Um einen offenen, generischen Zugang zu den in OPC UA transportierten Informationen zu gewährleisten, wurde in OPC UA ein integriertes Adress- und Objektmodell definiert. Die-ses erlaubt neben der aktiven Abfrage von Informationen auch eine ereignisgesteuerte Übermittlung von zeitbasierten Daten.

Zur Codierung der Daten steht entweder ein Binärformat oder ein XML-Format zur Verfü-gung. Die Übermittlung erfolgt dabei wahlweise über TCP/IP oder ein Webservice (SOAP).

1.2 Die OGC Sensor Web Enablement Initiative

Im Bereich der geographischen Informationsverarbeitung unterstützt das Open Geospatial Consortium mit der Sensor Web Enablement Initiative (OGC SWE)1 den Bereich Geo-Monitoring durch Standardisierung der Integration von Bild- und Messdaten in Geoinfor-

1 http://www.opengeospatial.org/ogc/markets-technologies/swe

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mationssysteme, mit dem Ziel, alle Sensortypen und Repositories über das Web auffindbar, zugänglich und nutzbar zu machen. Die derzeitigen SWE-Standards enthalten dazu Spezifi-kationen für Messdatenkodierung und -bereitstellung, Plattformbeschreibungen, aber auch Mechanismen für Alerting und Sensorsteuerung (BOTTS et al. 2007). Der Sensor Observa-tion Service (SOS) ermöglicht es, in „naher Echtzeit“ nach Observation und Measurement (OGC O&M – ON/EN/ISO 19156) georeferenzierte und harmonisierte Messinformation (stationär bzw. mobil) über das Internet in Geoinformations- und Analysesysteme einzu-binden.

2 Das SCADA::GIS Konzept

Der in diesem Paper vorgestellte Ansatz setzt auf die konsequente Anwendung offener, von etablierten Institutionen wie W3C, OASIS, OGC (OGC SWE) und OPC Foundation getra-genen Standards, um nahzeitliche Sensormessdaten (near-real-time) Messungen der An-wendungsdomänen SCADA und GIS wechselseitig in einer SOA zugänglich zu machen. Das Konzept definiert die technische und semantische Kopplung von Sensormessdaten aus den Anwendungsbereichen SCADA und GIS mit dem Ziel, über die Gliederungskriterien Raum, Zeit und Kontext die wechselseitige Integration in intelligente (Geoinformations-) IT-Infrastrukturen zu ermöglichen.

2.1 Integration von SCADA und GIS Messdaten

Bisherige Integrationsbestrebungen von SCADA- und GIS-Systemen (MODI et al 2007, HOOVER & BRADLEY 2007, DE NEUVILLE & SOMMEREYNS 2007) fokussierten durchwegs auf die Entwicklung von proprietärer Middleware zur Übersetzung verschiedener Protokol-le in klar abgegrenzten Anwendungsfällen.

Mit der geo-semantischen Erweiterung von in SCADA organisierten Messdaten wird ein neuer standardisierter Ansatz gewählt, diese Sensorik-Messungen über die Brücke OPC UA nach OGC SOS in Geoinformationssysteme zu integrieren. Im Gegenzug erfolgt über die-selbe logische Brücke die Einbindung von Umweltmessdaten aus OGC SOS − OPC UA Schnittstelle für die weitere Verwertung in SCADA-Systemen.

Diese generalisierte lose Kopplung von SCADA- und GIS-Messdaten ermöglicht es, SCADA-Information über standardisierte Schnittstellen durch PULL (HTTP) und PUSH (W3C WebSockets) in effizienter und nachhaltiger Form automatisch in GI-Systeme zu integrieren und diese dort weiter zu verarbeiten und z. B. in Online-Webmaps mit absoluter Positionierung zu visualisieren und mit anderen räumlichen Informationsebenen zu kombi-nieren. Umgekehrt können Umweltmessungen (z. B. Klima- und Wetterparameter) direkt in SCADA-Systeme eingebunden und für SCADA-Steuerungsprozesse verwendet werden.

3 Semantische Annotierung von SCADA Messdaten

Für die Umsetzung dieser Strategie ist es notwendig, den in der SCADA-Domäne breit anerkannten SOA Standard OPC UA (OPC FOUNDATION 2009) ‚geo-semantisch‘ mit be-

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schreibenden Metadaten zu ergänzen und mit dem OGC Sensor Observation Service (SOS) (NA & PRIEST 2007) plattformunabhängig an GI-Systeme zu koppeln.

Um Informationen aus SCADA Systemen mit Geoinformationen zu verknüpfen, also eine syntaktische und strukturelle Interoperabilität festzulegen (OGC 2012), muss zwischen den beiden domänenspezifischen Datenmodellen eine Übersetzung mit einer Erweiterung um die Komponenten Raum und Kontext durchgeführt werden. Diese Transformation kann beispielsweise durch eine Überführung und Erweiterung zwischen den OPC UA Vorgaben (Binär bzw. XML) und dem OGC SOS Schema erreicht werden

SCADA-Informationen werden dazu um die Parameter der absoluten und relativen Positio-nierung der Sensormesswerte in Raum und Zeit kombiniert und ergänzt um Meta-Informationen wie Herkunft, Qualität, Gültigkeit etc. Dazu gilt es, ein um diese Faktoren ergänztes, verallgemeinertes Schemaprofil für eine serviceorientierte SCADA-Austausch-schnittstelle wie z. B. OPC UA festzulegen (Abb. 2 und 3).

Abb. 2: Systemarchitektur SCADA::GIS Integration

Die geo-semantische Erweiterung der SCADA-Information umfasst dabei die

raum-zeitliche Positionierung absolut (verpflichtend): x,y,z,t, relative räumliche Positionierung (optional): relative Höhe, Orientierung und Neigung, Inhaltliche Definition und Beschreibung (verpflichtend): Qualität, Gültigkeit und Be-

schreibung (Sensoreinheit, Unit Of Measurement etc.) für die gemessenen Phänomene.

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4 Das SCADA::GIS Anwendungsschema

Im Rahmen des FFG Bridge Forschungsprojektes SCADA::GIS wird mit der geo-semantischen Erweiterung von in SCADA organisierten Messdaten ein neuer Ansatz ge-wählt, Messwerte dieser Sensorik über die Brücke OPC UA nach OGC SOS in Geoinfor-mationssysteme zu integrieren semantisch harmonisiert und technisch standardisiert zu ermöglichen. Vergleichbar zur Annotierung von OGC Schemata (OGC 2012) erfolgte die Definition eines verallgemeinerten Anwendungsschemas für in situ und mobile Messdaten auf den Ebenen der

Service-Metadaten (Service-Identifikation, Service Provider Information), Datenmodelle und der Sensor-Systembeschreibung, Beschreibung der eigentlichen SCADA:Messdaten im OPC-UA Service.

Abb. 3: Definiertes SCADA::GIS Anwendungsschema

Die, für diese Erweiterung notwendige Formalisierung wurde im Rahmen des Projektes in einem übergreifenden XML-Schema für SCADA-Messungs-Metainformationen über OPC-UA formalisiert, abgestimmt mit den Schemadefinitionen der OGC SWE Enablement Ini-tiative. Die verallgemeinerte XSLT Transformation von OGC SOS 2.0 DescribeSensor und GetObservation Requests und nach OGC SOS mit den Transactional Requests für OGC SOS 2.0 InsertSensor und InsertObservation eröffnet die Möglichkeit der eindeutigen geo-semantischen Kopplung der harmonisierten dieser GIS und SCADA Anwendungsstandards für near-real-time Sensormessungen.

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5 Zusammenfassung

Die Standardisierung und geo-semantische Erweiterung eröffnet die Möglichkeit, SCADA-Messdaten direkt in eine Geodateninfrastruktur zu integrieren, in Geoportalen auffindbar, sowie in Geoinformationssystemen analysierbar und visualisierbar zu machen.

Diese generalisierte lose Kopplung von SCADA- und GIS-Messdaten ermöglicht es, SCADA-Information mit standardisierten Schnittstellen in effizienter und nachhaltiger Form automatisch in GI-Systeme zu integrieren und diese dort weiter zu verarbeiten.

Um die Qualität der Suchergebnisse („Discovery“) bei einer großen Menge an Sensoren raum-zeitlich optimal sicherzustellen, werden im nächsten Forschungsabschnitt neue Kon-zepte einer räumlich erweiterten graphenorientierten Anfragesprache (GeoSPARQL –

LOPEZ 2010) getestet und hinsichtlich ihrer domänenübergreifenden Anwendbarkeit für SCADA::GIS Discovery-Lösungsansätze untersucht.

Literatur

BOTTS, M., PERCIVALL, G., REED, C. & AND DAVIDSON, J. (Hrsg.) (2007), OGC® Sensor Web Enablement: Overview and High Level Architecture. http://www.opengeospatial.org, OpenGIS White Paper OGC 07-165, Version 3, 28. Dezember 2007 (15.01.2013).

KOHLMANN, M. (2009), Standardisierte Steuerung von ortsabhängigen Sensormesssyste-men. Diplomarbeit FH Salzburg, Mai 2009.

LOPEZ, X. (2010), GeoSPARQL – A geographic query language for RDF data. A proposal for an OGC Draft Candidate Standard. http://www.ogcnetwork.net/system/files/Spatial_SPARQL_Lopez.pdf (15.01.2013).

MODI, R., MENON, R. & PANWAR, R. (2007), A Multifaceted Approach to GIS-SCADA Integration. ESRI International User Conference 2007, San Diego, CA USA, 18. – 27. Juni 2007.

NA, A. & PRIEST, M. (Hrsg.) (2007), Sensor Observation Service. http://www.opengeospatial.org, OpenGIS Implementation Standard OGC 06-009r6, Version 1.0, 26. Oktober 2007 (13.01.2013).

OGC (2012), Semantic Annotations in OGC Standards. Category: OGC® Best Practice v2.0. http://www.opengeospatial.org/node/1790 (16.04.2013).

OPC FOUNDATION (2012), OPC Unified Architecture – Specification Part 1: Overview and Concepts Release 1.02. http://www.opcfoundation.org/DownloadFile.aspx?CM=3&RI=931&CU=1 (16.04.2013).

RESCH, B., MITTLBOECK, M., GIRARDIN, F., BRITTER, R. & RATTI, C. (2009), Live Geogra-phy − Embedded Sensing for Standardised Urban Environmental Monitoring. Interna-tional Journal on Advances in Systems and Measurements, 2 (2&3), 156-167.