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Estándares y ontologías en PLM (Madrid, 9 de marzo 2015)

P. Rosado y L. Solano

Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación

Índice

1. La empresa integrada.2. La gestión del ciclo de vida del producto (PLM).3. Aplicaciones cPDm/PLM.4. La interoperabilidad semántica basada en modelos de

información.5. La interoperabilidad semántica basada en ontologías6. Los entornos de desarrollo de ontologías.


Índice

1. La empresa integrada 2. La Gestión del ciclo de vida del producto (PLM).3. Aplicaciones cPDm/PLM (ver transparencias

presentación prof. C. Vila)4. La interoperabilidad semántica basada en modelos de

información.• Introducción al modelado de información• La iniciativa PDES/STEP• Modelos de Producto del NIST

5. La interoperabilidad semántica basada en ontologías.6. Los entornos de desarrollo de ontologías.

La gestión de los datos debe focalizarseen su significado

Una definición integrada de los datosque no debe estar orientada a laaplicación y debe ser independiente desu almacenamiento físico, …– Objetivo de un modelo de información: Definir

de forma consistente el significado yrelaciones de los datos que permita:Integrarlos, Compartirlos, Gestionar suintegridad


Introducción al Modelado de Información

Dato+

Significado= Información

Datos almacenadosMundo Real

Modelo Semántico

Técnicas de modelado:– Proporcionan:

» Un método para gestionar el modelo» Independencia de los datos» Estabilidad de datos» Expresiones precisas» Soporte para la integración

– Poseen:» Sintaxis: Los componentes estructurales o característicos de un

lenguaje y las reglas que definen sus relaciones» Semántica: El significado de los componentes sintácticos.



– Soportan propiedades estructurales:» Clasificación. Permite describir las entidades y sus relaciones» Asociación. Relaciones entre entidades que pueden existir

independientemente» Agregación. Entidad compuesta por otras entidades» Generalización. Relación entre entidades donde una es un tipo

especializado de la otra.y restricciones:» Unicidad» Dependencia existencial» Dominios» Opcionalidad.» Enumeraciones.



Elementos estructurales de la sintaxis– Clases.

La abstracción de un concepto.Dependientes/Independientes.

– Atributos.Propiedades asociadas a las entidades

– Relaciones (asociaciones). Conexiones semánticas entre las entidades.

– Especialización/Generalización (herencia).Supertipo/Subtipo

ParticipaciónExclusividad



Técnicas de modelado existentes. Éstas son múltiples y se han desarrollado desde distintos ámbitos:– Ingeniería de Sistemas, como p.e. las de IDEF (ICAM

Definition), Desarrolladas dentro del programa ICAM (Integrated Computer Aided Manufacturing):

» IDEF0. Modelado Funcional» IDEF1. Modelado de información (IDEF1-X)» IDEF3. Modelado de procesos

IDEF0, IDEF1-X han sido adoptados por el NIST (National Institute of Standard and Technology).

– Normativo, como p.e. EXPRESS (EXPRESS-G), desarrollado dentro de la norma ISO-10303.

– Ingeniería del software, como los Diagramas de clases UML, una de las múltiples técnicas UML (Unified Modeling Language).



www.idef.com


Introducción al Modelado de Información: IDEF-1X

CourseCourse-Code

InstructorInstructor-IdInstructor Type

SemesterSemester-No

StudentSoc-Sec-No

TextbookTextbook-No

Class TextSection-No (FK)Course-Code (FK)Semester-No (FK)Textbook-No (FK)

EnrollmentSection-No (FK)Course-Code (FK)Semester-No (FK)Soc-Sec-No (FK)Enrollment Type

AttendanceClass DateSection-No (FK)Course-Code (FK)Semester-No (FK)Soc-Sec-No (FK)Attendance-Status

Enrollment Type

GradeSection-No (FK)Course-Code (FK)Semester-No (FK)Soc-Sec-No (FK)

AuditSection-No (FK)Course-Code (FK)Semester-No (FK)Soc-Sec-No (FK)

OfferingCourse-Code (FK)Semester-No (FK)

Class-SectionSection-NoCourse-Code (FK)Semester-No (FK)Instructor-Id (FK)

Instructor Type

Full-timeInstructor-Id (FK)

Part-timeInstructor-Id (FK)

P

Uses

HasImplemented By records

Is Used AsMatriculates In

Has

Teaches

Has

Clase

Relación (padre/hijo)

Relación de categoría

Atributos

Orientado a Objetos Diseñado para compartir modelos (SCHEMA) Centrado en definición de entidades (ENTITY) SCHEMA: Un universo de discurso con objetos que poseen un

propósito y un significado relacionado.– Los objetos declarados en un schema pueden ser compartidos.– Crea un conjunto en el que se definen:

» Entidades» Funciones» Procedimientos» Reglas» Tipos» Constantes


Introducción al Modelado de Información: EXPRESS



SCHEMA example;

TYPE co_ordinate = REAL;END_TYPE;

ENTITY point;x : co_ordinate;y : co_ordinate;z : co_ordinate;

END_ENTITY;

CONSTANTorigin : point :=point(0.0, 0.0, 0.0)

END_CONSTANT;

END_SCHEMA;

ENTITY nombre_entidad;

Atributos ….

…..

DERIVE

Atributos derivados….

WHERE

restricciones ..;

UNIQUE

Atributos

END_ENTITY;



SCHEMA top;USE FROM geom (curve, point AS node);REFERENCE FROM geom (surface);

ENTITY face;bounds : LIST[1:?] OF loop;loc : surface;

END_ENTITY;

ENTITY loopABSTRACT SUPERTYPE OF

(ONEOF(eloop,vloop));END_ENTITY;

ENTITY eloopSUBTYPE OF (loop);bound : LIST[1:?] OF edge;

END_ENTITY;

ENTITY vloopSUBTYPE OF (loop);bound : vertex;

END_ENTITY;

ENTITY vertex;loc : node;

END_ENTITY;

SCHEMA geom;

ENTITY lcs;END_ENTITY;

ENTITY surface;END_ENTITY;

ENTITY curve;END_ENTITY;

ENTITY point;END_ENTITY;

END_SCHEMA;

ENTITY edge;start_v : vertex;end_v : vertex;loc : curve;

END_ENTITY;

END_SCHEMA;


Introducción al Modelado de Información: EXPRESS-G


Introducción al Mod. de Información: Diagrama de Clases UMLClaseAsociativa

Agregación

Clase

Asociación

Especialización/Generalización

ISO/IEC 19501:2005www.iso.orgwww.uml.org


La iniciativa PDES/STEP (ISO 10303)

1980 1984

ESPRITFRANCIA

Mc Donell

ALEMANIA

1994

Product Data Exchange Definición (PDES) project– Centrado en el desarrollo de una representación de datos de producto

para soportar bases de datos compartidas y el intercambio de ficheros.– Participantes:

» IGES/PDES Organization (IPO)» PDES Incorportated» NIST National PDES testbed» ISO Committee TC184/SC4

PDES/STEP ISO 10303.– Definición interpretable por ordenador de los datos de un producto

durante su todo su ciclo de vida– Un modelo de Referencia (colección de modelos de datos)– Un formato estándar para intercambio de datos y un interfaz para la

implementación de aplicaciones (CAD, CAM, CAE, PDM)Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación

www.pdesinc.orgwww.iso.org

La iniciativa PDES/STEP(ISO 10303)


Métodos descriptivos11 EXPRESS

……

Métodos implementación21 Fichero físico

22 Operaciones SDAI23 SDAI C++

Pruebas de conformidad31 Conceptos Generales

32 Requerimientos33 Abstract Test Suites

Protocolos de aplicación201 Explicit drafting202 Associ. drafting

203 Config Control Design……..

Recursos de Aplicación101 drafting

102 Ship Structures……..

Recursos Integrados42 Geom. & Topology

43 Festures……..

INFRAESTRUCTURA MODELOS DE INFORMACION


Componentes:– Lenguaje de

modelado de datos.– Esquemas o

definiciones de datos.– Interfaces de

aplicación.– Fichero físico STEP.

Recursos Integrados (Series 4X-5X):– Son los modelos básicos, como p.e.:

» Part 41. Fundamental of Product description and support» Part 42. Geometric and Topological representation» Part 43. Representation structures» Part 47. Shape Variation Tolerances

Protocolos de Aplicación (Series 2XX). La representación de los datos del producto en el contexto específico de una aplicación.– Posee los siguientes componentes:

» Descripción de la funcionalidad (AAM) SADT IDEF0» Modelo de referencia (ARM) EXPRESS-G» Modelo con recursos integrados (AIM)» Unidades de funcionalidad (UoF).» Abstract Test Suite asociado (3xx)



– Ejemplos de protocolos de aplicación:» Part 203. Configuration controlled 3D designs of mechanical parts and

assemblies.» Part 214. Core data for automotive mechanical design process» Part 219. Dimensional inspection information exchange» Part 224.Mechanical product definition for process plans using machining features» Part 238. Application interpreted model for computer numeric controllers» Part 240. Process plans for machined products.» Part 239. Product LifeCycle Support (PLCS)

– STEP Application Suites:» Manufacturing Suite.» Process Plant Suite» Electrical/Electronics Suite» Systems Engineering» Engineering Analisis Core Model» Product Life Cycle Support (PLCS)


www.steptools.com


La iniciativa PDES/STEP:Manufacturing Suite

AP 240 Machined PartAP 223 Cast PartAP 229 Forged Part


Toda la información para la fabricación de una pieza:

• Materiales necesarios• Geometría de la pieza• Dimensiones y Tolerancias• Datos administrativos.

Machining Features. Ejemplos:• Boss• Pocket• Hole• Slot• Protusion• Step• Planar_face• Revolved_feature• Thread

La iniciativa PDES/STEP: STEP AP 224)


Perfil (profile) Camino (path) Orientación

La iniciativa PDES/STEP: STEP AP 224


Pieza (Part Shape)Material de partida (Base Shape)

• Implicita• Explicita• Representación con superficies

frontera (BRep)

La iniciativa PDES/STEPSTEP AP 224


La iniciativa PDES/STEP: STEP AP 224

ISO 10303-239:2004 PLCS Iniciativa conjunta gobierno-industria (PLCS Inc.) para

desarrollar normas con mecanismos para el intercambioseguro de la información requerida para el servicio posventaen proyectos y productos complejos y de alto valor.

A partir de 2004, el trabajo de PLCS Inc. fue continuado porOASIS (Organization for the Advancement of StructuredInformation Standard)

PLCS está basado en una extensión de STEP PDMSchema

STEP PDM Schema. Un conjunto de requisitos comunes yAP de STEP en los dominios del diseño y desarrollo depiezas y conjuntos electromecánicos


La iniciativa PDES/STEP:Product Lifecycle Support (PLCS)

www.plcs.orgwww.oasis-open.org



Modelo de información integrado que cubre las áreas


AP 214. Core data for automotive mechanical design processes AP 212. Electrotechnical design and installation. AP 203 Configuration controlled 3D designs of mechanical parts and assemblies. AP 232. Technical data packaging core information and exchange


El NIST ha establecido una estructura de modelado de información delproducto que contempla cuatro componentes principales (paquetes UML). Lasrelaciones de dependencia entre los paquetes indican que existen ciertasrelaciones de asociación o de generalización entre las clases presentes en losdiferentes paquetes.

Modelos de producto del NIST

Core Product Model (CPM) Un modelo de producto genérico desarrollado en UML CPM está basado en el artefacto y la constitución (agregación)

del artefacto por una función (requerimientos de necesidad decliente y/o ingeniería), una forma (geometría y material) y uncomportamiento (como el artefacto implementa su función)

En las etapas iniciales de diseño, la función posibilita elrazonamiento sobre los requerimientos del producto. En lasetapas post-diseño, cuando la forma ya no cambia, sucomportamiento puede ser modelado, observado, ….


Modelos de producto del NIST

Modelo de Producto. (NIST)


Modelo de Producto. (STEP)

No trata adecuadamente:– Las relaciones entre

diferentes definiciones deproducto para el mismoproducto.

– El proceso de cambio,incluyendo las razones delos cambios.

– La decisiones tomadas ysus razones.

– Las conexiones físicasentre los componentes.

Open Assembly Model (OAM). Extensión del CPM El objetivo de OAM es aportar una representación estándar y un

protocolo de intercambio para la información de montaje y detolerancias.

Incorpora información sobre relaciones de montaje(AssemblyAssociation) y la composición de componentes (part-of).

Un AssemblyAssociation es la agregación de una o másArtifactAssociation



Índice

1. La empresa integrada 2. La Gestión del ciclo de vida del producto (PLM).3. Aplicaciones cPDm/PLM4. La interoperabilidad semántica basada en modelos de

información.5. La interoperabilidad semántica basada en ontologías.

• Introducción a las ontologías.• Tipos de ontologías

6. Los entornos de desarrollo de ontologías.

Concepto, Ontologías vs. Modelos de Información Una ontología es una forma de entender el mundo (comunicación). Facilita interacciones entre datos presentados en formatos diferentes. Se sitúa a un nivel superior al de los sistemas de información. Permite

capturar conocimiento, que puede ser compartido y reutilizado para diversos propósitos y aplicaciones relativas a su dominio de interés.

Permite efectuar razonamientos en base a la información que contiene dicha ontología.

Tiene mayor riqueza expresiva que los modelos de información (p. e., respecto a las restricciones).


Introducción a las ontologías

Justificación Asegurar una

interpretación inequívoca de la semántica.

Evitar problemas de comunicación (términos sinónimos y homónimos).



Definiciones (para ontologías explícitas) ‘Una ontología es un conjunto de términos, acompañados de la

especificación de su significado expresada en un lenguaje formal’.

– (Los formalismos tienen una sintaxis rigurosa para la representación de conceptosque asegura una interpretación inequívoca de su semántica).

‘Una ontología es una descripción formal de las entidades dentro de undominio dado, con las propiedades que tienen, las relaciones en las queparticipan, las restricciones a las que están sujetas, y los patrones decomportamiento que exhiben’.



Elementos de una ontología implementada/explícita.– Clases: entidades que representan abstracciones de la realidad.– Predicados: entidades que representan propiedades de las clases y

relaciones entre ellas.– Axiomas: fórmulas correctamente construidas en un lenguaje formal

que proporcionan restricciones en la interpretación semántica de lasentidades de la ontología.

– Individuos: Instancias de las clases (pertenecen a las clases).

Intension y extension de una ontologíaIntension (o estructura): clases, predicados y axiomasExtension (o contenido): individuos e instancias de las relaciones.



Lógica. Disciplina que estudia los principios del razonamiento,basado en abstracciones del mundo real, y que permite obtenerconclusiones utilizando unos operadores que dependerán del tipo delógica empleada.

Lógica proposicional (o lógica de orden cero): se basa en unaabstracción de la realidad compuesta únicamente de hechos.– Permite realizar inferencias lógicas sobre proposiciones complejas, a partir de

otras proposiciones simples, pero sin tener en cuenta la estructura interna de estasúltimas, únicamente su valor de verdad (V/F).

Ejemplo de un argumento de lógica proposicional:1. p o q2. No p3. Por lo tanto, q



Lógica de primer orden (o lógica de predicados) utiliza unaabstracción del mundo en la que existen hechos, objetos y relacionesentre ellos.– Estudia la inferencia en lenguajes de primer orden (lenguajes formales con

cuantificadores que alcanzan sólo a variables de individuo, y con predicados, queexpresan propiedades y relaciones cuyos argumentos son individuos o variablesde individuo).

Cuantificadores: Universal (∀); Existencial (∃). Individuo: expresión que hace referencia a una entidad determinada; mordaza, m Variable de individuo: no hace referencia a un individuo determinado; utillaje, U(x) Predicado: expresión que puede conectarse con otras expresiones.

– Propiedad. La mordaza es un utillaje; U(m)– Relación: La pieza se fija en la mordaza; F(p,m)

Ejemplo: Todos los utillajes son recursos; x (Ux → Rx)



Clasificación basada en tres criterios– Especificidad: ontologías de dominio, core y genéricas– Propósito: ontologías de aplicación y de referencia– Expresividad: ontologías light-weight y heavy-weight

Criterios no independientes: una ontología de aplicación sería también de dominio y light-weight, mientras que una ontología de referencia sería genérica y heavy-weight.


Tipos de ontologías

Estructura de niveles ontológicos Upper ontologies (ontologías de base, foundational

ontologies o genéricas): definen conceptosaplicables a la mayoría o a todos los dominios.Abordan ámbitos muy generales y se dedican enúltima instancia a facilitar el entendimiento mutuoy la interoperabilidad entre personas y máquinas.

Core ontologies: definen conceptos compartidospor varios dominios similares o relacionados.

Ontologías de dominio: contienen conceptosespecíficos a un dominio particular de interés.

Ontologías de aplicación: especializan losconceptos de una ontología de dominio convariantes específicas para una aplicación concreta.


Tipos de ontologías

DOLCEDescriptive Ontology for Linguistic and Congnitive Engineering

Propósito: dar soporte al diseño de ontologías de dominio. Características:

– Sesgo cognitivo, pretende captar las categorías ontológicas que subyacen enel lenguaje natural humano y en el sentido común.

– En DOLCE se representa el mundo como es percibido por los humanos enlugar de como se ve desde la perspectiva de las teorías científicas.

Implementaciones:– DUL (DOLCE UltraLite)


Ontologías de Base


Ontologías de Base (DOLCE)

Endurant. Entidad en la que todas sus partes esenciales están presentes en todomomento en el que la entidad está presente. Un endurant está en el tiempo, existe enel tiempo y puede genuinamente cambiar en el tiempo.

Perdurant. Entidad que está presente solo parcialmente en cualquier momentoque está presente. (Solamente algunas de sus partes genuinas, que son partestemporales, están presentes cuando la entidad está presente). Un perdurant sucede enel tiempo, y no cambia en el tiempo.

Quality. Entidad que es inherente a otra entidad. Las qualities pertenecen siemprea un particular, que puede ser incluso otra quality.

Abstract. Entidad que no tiene ninguna quality espacial ni temporal y que no esuna quality. Por ejemplo, las regions.

En una ontología concreta, los particulars son individuos, o instancias dedeterminadas clases, que serán los universals de dicha ontología.


Ontologías de Base (DOLCE)

PSL (Process Specification Language) Propósito: PSL se desarrolló con el objetivo de crear un lenguaje

de representación de procesos común para todas las aplicaciones defabricación. Posteriormente, se propuso para la representación deprocesos en general, y actualmente ocupa un lugar destacado entrelas ontologías de proceso.

La norma ISO 18629:2004 recoge tanto la definición del lenguaje,como la especificación de la ontología establecida con dicholenguaje.

Metodología (para la construcción de la ontología): se basa en laidentificación de intuiciones relacionadas con los procesos de fabricación que seformalizan mediante definiciones y axiomas escritos en una lógica de primer ordenque asegura una semántica desarrollada rigurosamente.


Ontologías Core

Organización Módulos interpedendientes

construidos a partir de un núcleo que captura los conceptos primitivos de alto nivel inherentes a la especificación de procesos.

Cada módulo refina este núcleo capturando conjuntos de conceptos propios de un área particular relacionada con la especificación de procesos.

Concebida para ir creciendo,manteniendo las dependenciaslógicas entre los módulos (PSL-core).


Ontologías Core (PSL)

El propósito de PSL-core es transformar en axiomas un conjunto deprimitivas semánticas intuitivas que es adecuado para describir procesosbásicos: Hay cuatro tipos de entidades requeridas para el razonamiento sobre

procesos: activities, activity occurrences, timepoints y objects. Las actividades pueden tener múltiples realizaciones y puede darse el

caso de actividades que nunca ocurran. Los puntos en el tiempo están ordenados linealmente, adelante hacia

el futuro y a la inversa hacia el pasado. Las realizaciones y los objetos están asociados con puntos en el

tiempo únicos, que marcan el inicio y el final de la realización o delobjeto.



Relaciones básicas (PSL-core):



Alta expresividad (Representación de Planes No Lineales)



Occurrence tree El ‘occurrence tree’ de una actividad, representa todo lo que puede suceder durante la ejecución de dicha actividad, incluyendo realizaciones que no forman parte de esa actividad, y que pueden ocurrir entre las realizaciones de las subactividades declaradas explícitamente como parte de la actividad.

PPDRC(Product and Processes Development Resource Capabilities ontology)

Objetivo: Soportar cualquier actividad de planificación involucradaen el procesos de desarrollo integrado de nuevos productos(especialmente en entornos colaborativos desplegados en el contextode una empresa OKP virtual).


Ontologías de Dominio

Clases y relaciones de la ontología


Ontologías de Dominio (PPDRC)

MIRC(Manufacturing and Inspection Resource Capability ontology)

Objetivo: Especialización de PPDRC. Asegurar la adecuación delos planes de proceso de mecanizado e inspección integrados, enrelación a los requisitos dimensionales y geométricos exigidos a laspiezas, a través de una ontología centrada en las capacidades de losrecursos, que soporte la selección, asignación de estos recursos a lasactividades (de preparación y operación) del plan, y su posteriorvalidación


Ontologías de Aplicación

Taxonomía: Recursos, Activity Types y Regions


Ontologías de Aplicación (MIRC)


Índice

1. La empresa integrada.2. La gestión del ciclo de vida del producto (PLM).3. Aplicaciones cPDm/PLM.4. La interoperabilidad semántica basada en modelos de

información.5. La interoperabilidad semántica basada en ontologías.6. Los entornos de desarrollo de ontologías.

• Lenguajes• Herramientas para el desarrollo e implementación de

ontologías

KIF (Knowledge Interchange Format).– Lenguaje utilizado para la especificación de ontologías.– Es un lenguaje lógico matemático basado en una lógica de primer

orden, con una gran expresividad semántica que permite, porejemplo, establecer relaciones n-arias.


Lenguajes

OWL (Web Ontology Language)– Diseñado para publicar y compartir datos usando ontologías en la

web, y para ser usado en aplicaciones que procesan el contenidode la información.

– OWL soporta la combinación booleana de clases y permitedeclarar propiedades como transitivo o inversa de otra propiedad;los axiomas de OWL permiten establecer restricciones decardinalidad o de propiedades para la especificación de clases; ytambién se pueden aplicar restricciones a las instancias de lasclases y a las propiedades que relacionan a las instancias.

– Tiene tres sub-lenguajes de diferente expresividad y complejidad:OWL Lite, OWL DL (OWL Description Logic) y OWL Full.


Lenguajes

SWRL (Semantic Web Rules Language) La utilización de reglas mediante SWRL compensa en parte las

limitaciones expresivas de OWL.

– Ejemplo: beginsAt(?x, ?in) , endsAt(?x, ?fin) -> before(?in, ?fin)


Lenguajes

Editores de ontologías (Protégé) Utiliza las sintaxis OWL y SWRL Prestaciones para el diseño y utilización de ontologías Extensibilidad Fusión y alineamiento de ontologías Interfaz de usuario y formato de fichero de salida personalizables Capacidad para integrar otras aplicaciones Permite la construcción de ontologías de dominio (definir clases, jerarquías

de clase, propiedades, restricciones para el valor de las propiedades, relaciones entre clases y las propiedades de estas relaciones.

Incluye operadores lógicos (intersección, unión y negación) y soporta el uso de razonadores.


Herramientas

Razonadores (Pellet): La funcionalidad principal de los razonadores consiste en clasificar

los conceptos de la ontología estableciendo relaciones de tiposubclase y superclase (mantener la jerarquía), y en detectar erroreslógicos que indiquen fallos de modelado (consistencia de laontología: declaraciones y definiciones coherentes entre sí).

Pueden (a través de queries) devolver ejemplos de objetos quecumplen unas restricciones definidas o realizar las comprobacionespara determinar la veracidad de una suposición.

SPARQL es uno de los lenguajes de queries utilizados parainterrogar ontologías.


Herramientas

estándares y ontologías en plm · » idef0. modelado funcional ... a partir de 2004, el trabajo...

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