1. Introducción

Los efectos de la globalizacion han modificado los escenarios en los que la economía se desenvolvía. Las industrias fueron alcanzadas por este fenómeno y vieron como ventaja competitiva buscar aliados en industrias geográficamente distribuidas para colaborar en sus procesos productivos. Lograr esta colaboración implica que los sistemas de información de las industrias puedan compartir sus conocimientos y modelos de datos.

Los sistemas de información deben ser adaptados o modificados para seguir siendo útiles en estos nuevos escenarios, donde es probable que deban interactuar con otros sistemas de áreas diferentes.

La capacidad de un sistema de información (SI) para intercambiar información con otros sistemas se denomina “interoperabilidad”[²⁹]. David Chen presenta en su trabajo Enterprise Interoperability Framework [³], parte de INTEROP Network of Excellence, tres grandes categorías en los que se puede dividir la interoperabilidad. Estos son:

Este artículo se enfoca en la interoperabilidad conceptual, más precisamente en un subgrupo dentro de la misma, la interoperabilidad semántica. Esta interoperabilidad es necesaria para lograr integrar los procesos productivos entre distintas industrias de manera efectiva. Pudiendo resolver problemas que potencialmente surjan al tratar de integrar los sistemas de información, como es la existencia de múltiples definiciones para un mismo término o el uso de múltiples términos para referirse a un mismo concepto. Para compartir las conceptualizaciones de los términos involucrados es necesario utilizar técnicas, tecnologías, normas y políticas consensuadas entre los participantes.

Los estándares, son un buen punto de apoyo para llevar a cabo esta tarea. Sin embargo, existen varios estándares enfocados en la representación de conceptos de diferentes áreas de las industrias y, en general, su integración también requiere la solución de algunos problemas semánticos.

En los sistemas de información pertenecientes a la industria, donde los términos utilizados son compartidos y entendidos por los expertos, los estándares han tenido bastante aceptación para facilitar la interoperabilidad, especialmente en los que intercambian datos geométricos de productos.

Entre los estándares publicados con el propósito de resolver el problema de la interoperabilidad de los sistemas que administran los datos del ciclo de vida de producto en las industrias, se puede destacar los que presenta el comité técnico 184 subcomité 4 de la Organización Internacional de Estándares (ISO) [⁷].

A pesar que los estándares definidos por el comité mencionado buscan resolver los problemas de interoperabilidad, cuando se implementan en conjunto algunos de estos estándares se detectan potenciales problemas semánticos en el manejo de la terminología [³⁸]. Algunos ejemplos de estos problemas semánticos se introducen en la siguiente sección.

Debido a que el uso conjunto de los estándares definidos por el comité 184 subcomité 4 presenta inconsistencia semánticas, conseguir la interoperabilidad de los sistemas que los implementan representa un gran desafío [⁸]. Para superarlo este trabajo propone una red de ontologías que actúa como intermediaria entre los sistemas heterogéneos que implementan un conjunto de estándares del mencionado comité. Las ontologías que forman parte de esta red están implementadas utilizando tecnologías y lenguajes de la Web Semántica.

En particular, se ha utilizado el lenguaje OWL (Ontology Web Language) para la definición de las ontologías, SWRL (Semantic Web Rule Language) para la definición de alineaciones entre conceptos de las distintas ontologías y el lenguaje de consulta SPARQL para la recuperación de información.

El contenido de este artículo está organizado de la siguiente manera. En la sección II se introducen los trabajos relacionados que aportaron a la motivación de este artículo. La sección III describe un resumen del contexto del problema y detalla la red de ontologías propuesta, especificando la arquitectura, sus niveles, relaciones e interacción entre los componentes de esta. La sección IV, presenta una descripción de la integración de la formalización de los estándares ISO 10303-49 e IDEF3 (Integrated DEFinition for Process Description Capture Method) a la red propuesta. Finalmente, la sección V aborda las conclusiones y trabajo futuro.

2. Motivación y trabajos relacionados

Un área de investigación que ha surgido para mantener y gestionar de manera eficiente los modelos de información apuntando a mejorar el desarrollo y trabajo colaborativo entre todos los actores involucrados en la industria de la manufactura [³²] es la gestión del ciclo de vida de productos (PLM). Este área resulta un reto en la práctica de la ingeniería al ser un campo, donde distintas disciplinas intervienen en la gestión de los productos, sin mencionar el escenario en el que se desempeñan las nuevas industrias, distribuidas geográficamente. Diferentes normas coexisten para las diversas funciones de manufactura, lo que hace prácticamente imposible llegar a un acuerdo sobre la utilización de un único estándar.

A pesar que los estándares, buscan consensuar las conceptualizaciones de los términos utilizados y proveer modelos de soporte en un determinado dominio, en el caso de las industrias que manejan modelos de productos informatizados buscan poder implementarse y uno de los objetivos es resolver los problemas de interoperabilidad. Mas aún, los estándares pueden servir como base para generar modelos que faciliten la integración con distintas tecnologías [¹⁴].

No obstante, como se ha mencionado en la sección anterior, cuando se implementan en conjunto estándares pueden provocar potenciales problemas semánticos [³⁸].

Los términos, específicos de distintas áreas, pueden presentar ambigüedades en su conceptualización, debido a la falta de un consenso sólido entre los expertos que desarrollan los estándares. En particular, los problemas que se hallaron tras un análisis de estos estándares son los siguientes:

Ejemplos de los problemas señalados anteriormente pueden verse reflejados en las tablas 1, 2 y 3.

La Tabla 1 muestra las diferentes definiciones que se especifican para el término Recurso que se presentan en los estándares ISO 15531-1, ISO 18629-1, ISO 10303-239 e ISO 10303-232. Este término al poseer múltiples definiciones puede generar ambigüedades en su interpretación, produciendo inconvenientes en las implementaciónes de los modelos en los sistemas de gestión del ciclo de vida de producto.

La Tabla 2, muestra un ejemplo de otras tres definiciones de términos importantes como son las de Recurso, Proceso y Producto. Dichas definiciones señalan que tanto Recurso como Producto son el resultado de un Proceso, mientras que Proceso es definido como un procedimiento particular que puede producir un Producto, una propiedad o aspecto de éste. Lo que llevaría a razonar que un Recurso es una propiedad o aspecto del Producto o que un Recurso es un Producto.

La Tabla 3 señala, como tres términos distintos (Recurso, Producto e Información de Producto) poseen la misma definición, pudiendo ocasionar que los actores infieran que estos términos son equivalentes.

No cabe duda que la estandarización ha ayudado a mejorar la interoperabilidad, al menos a nivel sintáctico en varios dominios. Sin embargo, las normas relativas a la representación semántica de la información son mucho más difíciles de acordar. Por esta razón, las ontologías han tenido gran apoyo por parte de la academia como una posible herramienta para facilitar la reutilización e intercambio del conocimiento entre los distintos sistemas de una industria sin ambigüedad [²⁷].

A su vez, el World Wide Web Consortium (W3C) creó la iniciativa de la Web Semántica, la cual tuvo como objetivo desarrollar estándares y tecnologías para que los sistemas de información puedan ser capaces de entender más información de la Web soportando la integración de datos, navegación, y automatización de tareas [²⁰]. Dentro de esta iniciativa fue propuesto el lenguaje OWL (Ontology Web Language) [²³]. A partir de la aparición del lenguaje OWL, la academia empezó a aprovechar sus capacidades para resolver problemas como la interoperabilidad semántica entre sistemas heterogéneos distribuidos como se presenta en este trabajo.

La definición de modelos de producto basados en ontologías para dar soporte a los sistemas PLM es un área específica de investigación en el que este trabajo se enfoca. La academia ha ido desarrollando gran cantidad de aportes a esta temática, tratando de dar solución al problema de la interoperabilidad semántica y reutilización de las bases de conocimiento que están involucradas en las diferentes etapas de desarrollo de productos.

Lin y Harnding [²¹], presentan un modelo semántico para dar soporte a los sistemas de fabricación de productos y diseño usando tecnologías de la Web Semántica, codificando este modelo en OWL para generar un moderador para reusar e intercambiar información en un entorno empresarial distribuido. Yang et al. [³⁷] proponen una ontología de configuración de producto de dominio general, a partir de la cual se pueden derivar modelos de configuración de productos de dominio específicos. Esto permite la reutilización del conocimiento y facilita el proceso de modelado de la configuración de producto.

PRoduct ONTOlogy (PRONTO) es una ontología para modelado de dominio de producto, que permite manejar de manera eficiente las variantes de productos. Se enfoca en la jerarquía estructural de productos. Esta jerarquía es una herramienta que permite manejar la información asociada con las múltiples recetas o procesos disponibles para producir un producto en particular o un conjunto de productos similares [³⁵]. Una extensión de PRONTO ha sido propuesta en [¹¹] donde describen las bases para un sistema de administración distribuida de datos de producto (DPDM), con la idea manejar información de producto usando dos tipos de jerarquías: una jerarquía de abstracción y una jerarquía estructural.

OntoSTEP [¹⁵] es una ontología desarrollada a partir de la transformación del Estándar para el Intercambio de Datos de Modelo de Producto (STEP) usando OWL. Aunque el estándar es utilizado para la representación geométrica de productos, los autores extendieron la definición del modelo más allá de los conceptos geométricos con el agregado del modelo de producto básico (Core Product Model) y el modelo abierto de ensamblado (Open Assembly Model).

Onto-PDM [²⁴] está enfocado en la conceptualización, fusión y reuso de conocimiento embebido en estándares existentes para datos técnicos de producto (ISO 10303) y datos de sistemas ERP/MES (IEC 62264). Esta propuesta tiene como fin definir una ontología formal de producto para alcanzar la interoperabilidad de aplicaciones empresariales, centradas en el desarrollo y producción de productos.

SPIKE es un enfoque basado en ontología para intercambiar información del ciclo de vida de producto entre distintos sistemas PLM. La idea no está limitada a estos sistemas, sino también intenta ser útil para los Planificadores de Recurso Empresarial (ERP) [²], pero no incluyen sistemas de Diseño Asistidos por Computadora (CAD) o que manejen datos tridimensionales. Otras propuestas han sido presentadas que incluyen la interoperabilidad entre sistemas: CAD y Administradores de Datos de Producto (PDM) [²⁶]; PDM y ERP [²⁵]; ERP y MES [³³].

La propuesta presentada en [²⁶] convierte los modelos hechos en sistemas CAD en una Lista de Materiales Ingenieriles (EBOM) independiente del sistema usado, para luego poder usarse en sistemas PDM. Se encuentra limitado por el uso de la tecnología, por lo que no pueden propagar eventos de modificación causados en uno u otro sistema en un mismo modelo.

En [²⁵] se introduce un marco de trabajo en el que se usan estándares abiertos para lograr transferir datos de producto entre sistemas PDM a ERP o viceversa. Sin embargo, la implementación carece de funciones esenciales como la administración de diversos productos y la propagación de los cambios.

El enfoque propuesto en [³³] está basado en la coincidencia de conceptos de distintas ontologías de Producto que fueron desarrolladas con el uso de estándares. Sin embargo, el mismo no describe implementaciónes funcionales.

Otros enfoques limitan su alcance a un dominio de aplicación particular, desde telecomunicaciones [⁵], procesos de negocios [³⁰] e industria de procesos [¹³, ²²], productos a base de inyección de plástico [⁶], versionado de productos [³¹], hasta la industria del software [¹⁹].

Sin embargo, ninguna de estas contribuciones ha encontrado suficiente aceptación en la práctica industrial [³⁶]. Un posible motivo es el hecho de que varias industrias ya tienen implementados sistemas que se basan en los estándares del mencionado comité, y la adopción de alguna de las propuestas presentada en los párrafos previos, implicaría modificaciones importantes en sus sistemas. Teniendo en cuenta esta situación, la presente propuesta busca formalizar los estándares del comité mencionado e integrarlos en una red de ontologías que permita la interoperabilidad semántica.

En [⁹] se identifican algunos problemas semánticos de un conjunto de estándares pertenecientes a la ISO TC184/SC4 y se provee una primera arquitectura de alto nivel como propuesta para resolver los problemas de interoperabilidad semántica entre sistemas heterogéneos que implementan estos estándares. La propuesta presentada en dicho trabajo es extendida en el presente trabajo mediante la definición más detallada de los niveles propuestos. En particular se define un mecanismo para la incorporación de nuevos estándares a la red. Asimismo, la aplicación de la propuesta en un caso de estudio es también presentada en este artículo. En la siguiente sección se describe la propuesta.

3. Red de ontología propuesta

En esta sección se discute el contexto, propósito, la arquitectura y términos involucrados en la Red de Ontología multinivel, la cual servirá para resolver el problema de la interoperabilidad semántica entre distintos sistemas de información que soportan las diferentes fases del ciclo de vida del producto. Implementando múltiples niveles que comprenden términos que representan desde lo general hasta el último que integra las formalizaciones en OWL de los estándares publicados por el comité técnico 184 subcomité 4 de la Organización Internacional de Estándares.

Se comenzará describiendo la arquitectura que soporta la red de ontología, los niveles y propósitos de estos.

Adicionalmente se introduce el método de verificación e implementación de esta arquitectura y las tecnologías utilizadas.

3.1. Arquitectura multinivel

La figura 1 esquematiza la red de ontologías propuesta, la misma actúa como mediador entre los diferentes sistemas industriales. Este enfoque garantiza que la propuesta abarque un gran espectro de acción sobre distintos dominios de aplicación y a través de las etapas del ciclo de vida de producto. Es importante mencionar que, la propuesta sirve no solo para resolver la interoperabilidad entre sistemas que emplean los estándares de comité antes mencionado, sino para todos aquellos sistemas que implementen algún tipo de vocabulario, modelo o estándar que pueda ser formalizado por una ontología en OWL.

Fig. 1 Interoperabilidad Semántica mediante la Red de Ontología 

La arquitectura de la red de ontología (Figura 2), consta de varios niveles. Cada una de estas capas tiene un alcance, refiriéndose al detalle que va refinando los términos más importantes del ciclo de producto, ya sea de manera general o específica a un estándar, modelo o vocabulario. Los niveles de la red son los siguientes:

• ◼ Nivel Principal (Core Level): define un conjunto de términos considerados como claves en toda industria de manufactura.

• ◼ Nivel de Refinamiento (Refinement Level): contiene ontologías modulares que especifican un conjunto de términos comunes a varios estándares, que permiten refinar los conceptos definidos en la capa superior.

• ◼ Capa de Alineamiento (Inter-middle Alignment Level): proporcióna las reglas de inferencia necesarias para igualar los términos introducidos en el nivel intermedio e inferior.

• ◼ Nivel de Estándares (Standards Level): agrupa un conjunto de ontologías que formalizan cada uno de los estándares y/o partes de estándares que por medio de reglas definidas en la capa de alineamiento permite la interoperabilidad entre las formalizaciones presentes en este nivel.

Fig. 2 Arquitectura de Tres Niveles de la Red de Ontologías Propuesta 

3.1.1. Descripción del nivel principal

En la Figura 3, se observa el esquema conceptual del nivel principal “Core Level”. Compuesta por una ontología que especifica cuatro términos: Process, Product, Resource y Enterprise. Estos términos son considerados por Zhao et al. [³⁹], Lin y Harding [²¹], Chungoora et al. [⁴] y Usman et al. [³⁴] como principales de toda industria de manufactura. A su vez, la figura señala las relaciones entre los términos y los estándares que los definen.

Fig. 3 Esquema conceptual del nivel principal 

Se decidió asociar los términos Product y Process a causa de la definición de Process en ISO 10303-49 [¹⁶], la cual enuncia: “Un procedimiento particular para hacer algo que involucra uno o más pasos u operaciones. El proceso puede producir un producto, una propiedad de un producto o un aspecto de un producto”.

El término Process aparece relacionado a Enterprise en los estándares ISO 15531 [¹⁸] e ISO 18629 [¹⁷]. Ambos estándares describen a Process como: “Conjunto de actividades involucrando varias entidades empresariales que están organizadas con un propósito”. Asimismo, Enterprise es definido en ISO 100303-239, como una o más organizaciones con un conjunto de metas y objetivos para ofrecer productos y/o servicios.

3.1.2. Descripción del Nivel de Refinamiento

El nivel de refinamiento posee cuatro ontologías individuales, que llamamos módulos. Los módulos tienen como función, especificar los términos que se ven fuertemente relacionados con los introducidos en el primer nivel, es decir, Process, Product, Resource y Enterprise, extendiendo así, sus definiciones en la arquitectura.

Las Figuras 4, 5, 6 y 7 ilustran los diagramas que corresponden a cada uno de los módulos de la capa de refinamiento de la arquitectura. Es preciso remarcar que estos módulos no se encuentran aislados, sino que se relacionan por medio del término del nivel principal, como se puede apreciar en las figuras. Esto permite mantener el contexto de las conceptualizaciones de los términos involucrados, es decir, que cada módulo únicamente integra términos referentes al término con el que se relaciona del nivel principal.

Fig. 4 Términos del Módulo Process 

Fig. 5 Términos Pertenecientes al Módulo Product 

Fig. 6 Términos del Módulo Resource 

Fig. 7 Términos Pertenecientes al Módulo Enterprise 

Los términos seleccionados para integrar cada módulo son los que con frecuencia son mencionados a lo largo de los estándares publicados por el ISO TC184/SC4. Además, se puede mencionar la existencia de relaciones binarias entre términos de diferentes módulos por medio de propiedades que se encuentran enunciadas en los estándares, este es el caso de Process_Material.

El módulo del término Process, que se muestra en la Figura 4 incluye los términos Natural_Process, Artificial_Process. Estos dos términos participan de la definición de Product en los estándares ISO 8000, ISO 10303, ISO 13584, ISO 15531, ISO 15926, ISO 18629. En la Figura 4, se observa que el término Procedure materializa al término Process, de acuerdo con su definición en ISO 10303. Una Process_Activity es un paso u operación que forma parte de un Process y Procedure_Activity es una ejecución específica de un Process_Activity. El recurso requerido para ejecutar un Process_Activity se denomina Process_Material. El conjunto de procesos necesarios para fabricar un producto, están vinculados por medio de un Process_Plan, el cual se ejecuta en una Process_Plant.

En la Figura 5 se presenta el diagrama que corresponde al módulo del término Product. En dicha figura se observa los términos Instruction, Fact, y Concept como especializaciones de Product Information. El término Instruction describe información sobre cómo hacer o cómo usar algo, mientras que Fact es la información atómica del producto y Concept es la noción o idea acerca del mismo.

En el estándar ISO 10303-1, se mencionan dos definiciones para el término Product, una de ellas es la misma para Product Information. En la propuesta se introduce el concepto Product_Information al módulo de Product y se lo asocia al concepto mediante la relación, definedBy. Se observa en la figura que también aparecen en el diagrama los términos Substance y Thing como subsunción del término Product. Esta decisión se fundamenta en que los estándares ISO 8000, ISO 10303, ISO 13584, ISO 15531, ISO 15926 y ISO 18629, definen a Product como una cosa o sustancia producida por un proceso natural o artificial.

El módulo que refina el término Resource se introduce en la Figura 6. Según ISO 10303-49, un Resource está definido por sus comportamientos y capacidades, por lo que se asocia con los términos Behaviour y Capability. Asimismo, forman parte del módulo los términos Tool, Equip, y Device, que los estándares ISO 15531 e ISO 18629 describen como recursos.

Otros estándares, agregan más términos a esta relación de subsunción del término Resource, como, por ejemplo: Procees_Material y Product_Material. Según ISO 10303-227, el primer término, define el material usado o transportado por una actividad de proceso. En tanto, el segundo término, se refiere, de acuerdo con el ISO 10303-235, al objeto físico que fue fabricado según una especificación y del cual se puede fabricar otro producto. Teniendo en cuenta esto, se define una relación de subsunción entre ”Material2 los términos Product_Material, Process_Material y Raw_Material.

El módulo del término Enterprise (Figura 7), es refinado usando el modelo de manufactura de cuatro niveles presente en [³⁹]. Este modelo representa los niveles en los cuales un proceso o plan de proceso puede ser ejecutado e incluye desde la organización hasta las estaciones de trabajo. Una estación de trabajo, Station, es donde se realiza un trabajo en especial. El término Cell es un grupo de operaciones relacionadas en el flujo de producción, mientras que Shop es el área donde se lleva a cabo la producción, y Factory es el lugar donde se encuentran esas áreas de producción. A su vez, Enterprise está compuesta por un conjunto de Factory.

3.1.3. Descripción del Nivel de Estándares

En el nivel de estándares se agrupan las diferentes ontologías, implementadas en OWL, que formalizan los estándares, que van a interoperar, algunos de los cuales se encuentran mencionados previamente en las Tablas 1, 2 y 3. Es importante mencionar que también se pueden incorporar otros tipos de modelos de datos de producto que no pertenezcan a los estándares publicados por el ISO TC184/SC4.

A los modelos de datos integrados en este último nivel se definen un conjunto de reglas de inferencia, definidas en el lenguaje de reglas semánticas (SWRL) para establecer una correspondencia con los términos definidos en el nivel de refinamiento. Este conjunto de reglas de inferencias es tratado como una capa intermedia, que provee el enlace entre los niveles de refinamiento y de estándares.

En la subsección siguiente se describe el como se llevo a cabo la implmentación de la red de ontologías y que tecnologías se han utilizado.

4. Caso de estudio

En esta sección se presenta un caso de estudio, en el cual se pone a prueba la red de ontología mostrando su alcance, validez y utilidad mediante la incorporación del estándar ISO 10303-49 y el lenguaje de modelado de procesos IDEF3 a la red propuesta.

En la Figura 8 se muestra un esquema genérico, ilustrando el rol y la función de mediador que ejerce la red de ontología entre los dos sistemas que implementan cada uno de los modelos. A partir de estos sistemas se obtendrán los individuos que poblarán las diferentes ontologías que tienen la red propuesta. Uno de los sistemas basado en IDEF3 y el otro adhiere al estándar ISO 10303-49.

Fig. 8 Componentes del Caso de Estudio 

Como primer paso para lograr la integración semántica de estos dos sistemas, es necesaria la creación e instanciación de las ontologías que formalicen los conceptos de IDEF3 y de ISO 10303-49, que serán incorporadas al nivel inferior de la red. Asimismo, es necesario la definición de un componente de alineamiento entre estas nuevas ontologías agregadas al nivel inferior y los conceptos pertenecientes a los otros niveles de la red propuesta.

El estándar ISO 10303 parte 49 define la estructura para especificar: relaciones entre los procesos, la efectividad de un proceso, las propiedades de un proceso, los recursos necesarios para el proceso, las propiedades del recurso, la representación del proceso, la representación del recurso, y la relación del proceso con los productos.

La Tabla 5 y la Figura 9 ilustran la definición de algunos términos más importantes pertenecientes a ISO 10303-49 y sus relaciones. Los términos listados en dicha tabla no son todos los términos definidos por la norma, pero son los empleados en esta sección para mostrar la interacción de las ontologías integradas.

Fig. 9 Fragmento de ISO 10303-49 

La Tabla 6, muestra un extracto de tres reglas que han sido definidas para alcanzar la interoperabilidad entre el módulo del estándar ISO 10303-49, formalizado en una ontología OWL, que ha sido incorporada previamente en el último nivel de la red, con las otras ontologías de la red propuesta. Estas reglas describen cómo los individuos del módulo pueden ser inferidos, con la ayuda de un razonador, como individuos de los conceptos de los diferentes niveles de la red de ontologías.

La regla cuyo nombre es R_Process específica que si X es un individuo en la población del concepto product_definition_process, entonces, X es un individuo de la entidad Process en el nivel principal. La regla R_Resource detalla que si X es un action_resource_requirement y está relacionado con Y, a través de la propiedad operation, entonces, X es un Process_Material, término presente en el nivel de refinamiento. Dado que el concepto Process_Material es una especialización de la clase Resource (Fig. 6), X es también instancia de dicha clase. Asimismo, el individuo Y del tipo characterized_action_definition es definido como instancia de tipo Process_Activity. Estas instancias definen actividades atómicas que hacen uso de los recursos en un proceso. Finalmente, la regla R_Process_Activity puntualiza que si X es un process_product_association y está relacionado con un individuo Y de la entidad product_definition_process por la propiedad process_product_association_process, entonces, X es un Process_Activity e Y es el equivalente a Process relacionados, a través de la propiedad composedby en la red de ontologías.

Por otra parte, IDEF3 es un lenguaje de modelado de procesos de negocios, captura de restricciones, requerimientos de cada acción involucrada en el sistema incluyendo su temporalidad.

El término, unidad de comportamiento (UOB), en IDEF3, hace referencia al bloque que representa una actividad. Múltiples bloques de actividades se relacionan entre sí mediante los enlaces temporales (TemporalLink) con asociaciones que pueden especificarse para determinar si una actividad es predecesora o sucesora a una anexada con esta última.

Para representar la divergencia o convergencia de los procesos, se utilizan las uniones o cruces. Estas pueden ser de ejecución en paralelo (AndJunction) o alternativo (OrJunction o XORJunction). Así también, las ramificaciones de los caminos de ejecución pueden ser asincrónicas o sincrónicas. Los UOB pueden interactuar con objetos que pueden ser entradas (InputObject) o salidas (OutputObject) de los nodos de procesos.

Como bien se ha presentado en la sección anterior, la red de ontología para poder incorporar nuevas adaptaciones funcionales necesita de una transformación del modelo a una ontología codificada en OWL y de un conjunto de reglas definidas en SWRL.

En la Tabla 7 se muestran las entidades que están involucradas en el caso de estudio por parte del sistema basado en IDEF3 y las entidades de la red de ontologías que serán empleadas en la conformación de las reglas para la alineación.

Una vez obtenida la adaptación del modelo IDEF3, se importa la ontología a la red y se procede a generar las reglas SWRL empleadas para lograr el alineamiento entre los términos de la ontología que formaliza IDEF3 y los conceptos ya definidos en la red. La Tabla 8, ilustra algunas de estas reglas.

La regla R_UOB, señala que, si existe un individuo X que es instancia de UOB entonces, X es instancia de Process_Activity. Se observa también en la mencionada tabla las reglas R_Input y R_Output para los objetos de entrada y salida, respectivamente, de las UOB de IDEF3. R_Input especifica que, si X es un individuo de la entidad Input_Object e Y es un UOB asociados por la propiedad IDEF3_to, entonces, X es un Process_Material que se encuentra relacionado con la propiedad usedBy con un individuo de la entidad Process_Activity. Por último, la regla R_Output especifica que, si X es un Output_Object e Y un UOB, estos dos términos se asocian por la propiedad IDEF3_from, entonces, X es un individuo del término Product_Material relacionado con un individuo Y que es un Process_Activity, por la propiedad generatedBy.

El ejemplo elegido para este caso es el proceso de agregado de ingredientes para la producción de pasta dental en gel.

Como se observa en la figura 10, el mismo es representado utilizando los conceptos de IDEF3 y, como se verá más adelante en esta sección, será consultado mediante los conceptos de ISO 10303-49. Este proceso consta de 4 operaciones: Add Water, Add Fillers, Add Stabilizers y Add Soium Fluoride. Estas operaciones son representadas por UOBs en IDEF3. Add Fillers y Add Stabilizers son operaciones que se realizan en paralelo caracterizadas por el uso del conector And. Por último, las operaciones se unen mediante un conector And y termina con la última unidad llamada Add Sodium Fluoride, la cual entrega un objeto salida para la siguiente etapa, llamado Mixture al proceso React del plan de proceso de fabricación de la pasta dental.

Fig. 10 Ejemplo del subproceso “Add Ingredients Operation”del proceso principal “Make Gel Toothpaste.^en IDEF3 

La Figura 11 muestra diferentes vistas capturadas del editor Protege. En particular, se observan: la vista de instancias correspondiente a la entidad Input Object (parte izquierda de la figura); la vista de descripción de individuo (parte superior derecha); y la vista de aserción de propiedades de objetos. En estas dos últimas vistas, se puede visualizar en fuente negrita los tipos definidos de manera explícita. En tanto, los tipos que son inferidos, cuando se activa un razonador, en fuente normal con un sombreado color amarillo.

Fig. 11 Individuos del Caso de Estudio en Protege 

Las tres vistas que se presentan corresponden a la definición del individuo Filler, el cual ha sido definido explícitamente como un Input_Object e inferido como un individuo del tipo action_resource_requirement y Process_Material, estos dos últimos términos mencionados son conceptos definidos en el estándar 10303-49 y la red propuesta, respectivamente. Asimismo, se observa que la propiedad de objeto usedBy que asocia Filler con la instancia Add_Fillers es inferida. La figura mencionada muestra como individuos definidos en IDEF3, pueden ser tratados como conceptos del estándar ISO 10303-49 y de la red de ontologías.

Para inferir nuevos conocimientos y hacer uso de la red de ontologías y sus individuos, es posible generar distintas preguntas. Dichas preguntas pueden ser representadas mediante lenguajes de consulta. Es posible utilizar el lenguaje SPARQL sobre un SPARQL endpoint o utilizar el lenguaje Description Logic en la pestaña DL en Protege. El uso de este mecanismo sobre la red de ontologías demuestra su usabilidad.

Como ejemplo considere las Figuras 12 y 13. La Figura 12, presenta una consulta ingresada en la pestaña DL de Protege que retorna las instancias del término Resource.

Fig. 12 Individuos representantes del término “Resource.^a través de una consulta DL 

En esta figura es posible ver como el individuo Filler, que ha sido definido explícitamente como instancia de Input Object (Figura 11) es inferido como una instancia de Resource (término del nivel principal de la red de ontologías).

En tanto, la Figura 13 presenta los individuos obtenidos como resultado de una consulta SPARQL que corresponde a la formalización de la pregunta de competencia: “¿Qué recursos necesita el proceso ‘Add Ingredient’?”. Es posible ver en dicha figura una lista de individuos del tipo Resource, necesarios para el proceso denominado Add Ingredient.

Fig. 13 Resultado de la ejecución de pregunta de competencia “¿Qué recursos necesita el proceso ‘Add_Ingredient’?” 

En esta última sección hemos presentado la incorporación a la red propuesta de dos modelos de datos de productos, permitiendo que ambos modelos interoperen. Los dos modelos en cuestión son, uno basado en el estándar ISO 10303-49 del comité técnico 184 subcomité y el otro del lenguaje de modelado IDEF3 y es posible observar que la interoperbilidad es alcanzada por medio de la red de ontologías pudiendo ésta inferir las clases a las cuales las instancias pertenecen y permitiendo dar respuesta a las preguntas de competencia planteadas en la tabla 4. La respuesta a una de estas preguntas para el caso de estudio propuesto se muestra en la figura 13.

5. Conclusión

Este trabajo presenta una red de ontologías multinivel, como solución al problema de interoperabilidad de sistemas heterogéneos que implementan los estándares del comité 184 subcomité 4 de la Organización Internacional de Estándares.

La ventaja principal de esta red, además de permitir interoperar con modelos implementados del mencionado comité de la ISO puede ser extendida y usada para otros estándares y modelos de información. Esto se logra agregando la formalización del modelo requerido y las reglas necesarias para el alineamiento de las ontologías participantes. Pudiendo servir esta red de ontologías como mediador entre sistemas heterogéneos. Por esta razón los sistemas informáticos que se encuentren en cada industria no necesitarán efectuar cambios en su estructura. Solo se requeriria la formalización de los modelos de datos utilizando OWL y la definición de las correspondiente reglas de inferencia con términos de la red.

Se mostró la división de la estructura de la red. El nivel principal posee cuatro términos que representan los conceptos considerados por varios autores como más importantes en el dominio. El nivel de refinamiento detalla la conceptualización de los términos del nivel principal haciendo uso de términos presentes en diversos estándares involucrados en este proyecto. El nivel de refinamiento, a través de reglas y un motor de inferencia alcanza un alineamiento con el nivel de estándares. El nivel de estándares posee las adaptaciones de los estándares, modelos o vocabularios para su uso en la red y lograr la interoperabilidad semántica entre los mismos.

Por último, se describió un caso de estudio, en el que se presenta un ejemplo usando dos adaptaciones de estándares, la primera perteneciente al estándar IDEF3 y la segunda al ISO 10303-49 publicada por el ISO TC184/SC4. En el caso de estudio se puntualiza la versatilidad de la propuesta pudiendo alcanzar la interoperabilidad semántica entre los dos modelos mencionados.

Esta red muestra ser de gran utilidad no tan solo para los sistemas industriales especializados a los que les ofrece la posibilidad de adaptar los modelos de información al estándar que requieran para la representación de información, sino que también puede proveer información no específica para sistemas y áreas que necesiten solo un panorama general o un modelo de datos reducido con la información de las capas superiores de la red.

Los próximos pasos serán continuar con la implementación de módulos y estándares, validar la propuesta mediante su aplicación a múltiples casos. Por otra parte, se procederá a la definición de una aplicación que, basada en la red de ontologías propuesta, permita la interoperabilidad de sistemas de PLM en un entorno real.