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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.
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 (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
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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.
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Introducción al Modelado de Información
– 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.
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Introducción al Modelado de Información
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
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Introducción al Modelado de Información
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).
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Introducción al Modelado de Información
www.idef.com
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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
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Introducción al Modelado de Información: EXPRESS
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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;
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Introducción al Modelado de Información: EXPRESS
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;
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Introducción al Modelado de Información: EXPRESS-G
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Introducción al Mod. de Información: Diagrama de Clases UMLClaseAsociativa
Agregación
Clase
Asociación
Especialización/Generalización
ISO/IEC 19501:2005www.iso.orgwww.uml.org
Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación
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)
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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
La iniciativa PDES/STEP(ISO 10303)
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)
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La iniciativa PDES/STEP(ISO 10303)
– 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)
La iniciativa PDES/STEP(ISO 10303)
www.steptools.com
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La iniciativa PDES/STEP:Manufacturing Suite
AP 240 Machined PartAP 223 Cast PartAP 229 Forged Part
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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)
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Perfil (profile) Camino (path) Orientación
La iniciativa PDES/STEP: STEP AP 224
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Pieza (Part Shape)Material de partida (Base Shape)
• Implicita• Explicita• Representación con superficies
frontera (BRep)
La iniciativa PDES/STEPSTEP AP 224
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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
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La iniciativa PDES/STEP:Product Lifecycle Support (PLCS)
www.plcs.orgwww.oasis-open.org
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La iniciativa PDES/STEP:Product Lifecycle Support (PLCS)
Modelo de información integrado que cubre las áreas
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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
La iniciativa PDES/STEP:Product Lifecycle Support (PLCS)
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, ….
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Modelos de producto del NIST
Modelo de Producto. (NIST)
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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
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Modelo de Producto. (NIST)
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Modelo de Producto. (NIST)
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).
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Introducción a las ontologías
Justificación Asegurar una
interpretación inequívoca de la semántica.
Evitar problemas de comunicación (términos sinónimos y homónimos).
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Introducción a las ontologías
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’.
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Introducción a las ontologías
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.
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Introducción a las ontologías
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
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Introducción a las ontologías
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)
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Introducción a las ontologías
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.
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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.
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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)
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Ontologías de Base
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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.
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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.
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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).
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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.
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Ontologías Core (PSL)
Relaciones básicas (PSL-core):
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Ontologías Core (PSL)
Alta expresividad (Representación de Planes No Lineales)
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Ontologías Core (PSL)
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).
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Ontologías de Dominio
Clases y relaciones de la ontología
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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
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Ontologías de Aplicación
Taxonomía: Recursos, Activity Types y Regions
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Ontologías de Aplicación (MIRC)
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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.
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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.
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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)
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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.
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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.
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Herramientas