Metodología de interoperabilidad basada en un lenguaje de representación unificado

Abstract

Introducción Con el desarrollo de sistemas complejos y la capacidad de las compañías de trabajar en distintos entornos, incluso en distintas ubicaciones geográficas, la cadena de suministros se ha convertido en una red, debido a la cantidad de actores que actualmente se involucran en los distintos procesos de ingeniería de sistemas. Este nuevo contexto, implica la necesidad de procesamiento de múltiples tipos de información con el propósito de llevar a cabo una cooperación eficaz entre las distintas fuentes de conocimiento. Contar con la capacidad de entender todo el conocimiento generado en un determinado entorno de producción es un desafío en sí mismo, considerando la gran cantidad de herramientas y conocimiento que fluye durante todo el proceso, la diversidad de formatos de información, protocolos de acceso a esta información así como el ecosistema de tecnologías que conforman cualquier proceso industrial, representa una necesidad vigente y sobre todo muy compleja, es necesario sobrepasar no solamente las barreras tecnológicas que permitan la comunicación entre las fuentes de información sino también contar con un entendimiento semántico del conocimiento, para mejorar la eficiencia en los procesos. En otras palabras, los sistemas como fabricas o plantas, constan de varios miles de activos, que a menudo son proporcionados por diferentes organizaciones. Estos activos interactúan entre sí para actuar como un sistema unificado. Para ello, los dispositivos y sistemas involucrados deben contar con la capacidad de intercambiar y utilizar mutuamente la información que se ha intercambiado. Una de las dificultades a las que se enfrentan las organizaciones es la falta de este intercambio y utilización de información, con el propósito de gestionar y progresar en sus respectivas actividades. Motivación Uno de los aspectos claves de la estrategia digital de la Comisión Europea es la interoperabilidad. Según un comunicado de febrero de 2020 sobre la estrategia del futuro digital de la Unión Europea (UE), la interoperabilidad es esencial para un mayor aprovechamiento de los datos. El comunicado dice literalmente que “Una estrategia reforzada de interoperabilidad de los gobiernos de la UE programada para fines de 2021 será una acción clave para garantizar la coordinación y estándares comunes para servicios y flujos de datos seguros y sin fronteras del sector público". En vista de lo anterior, las investigaciones realizadas sobre mejoras en la interoperabilidad están alineadas con la visión de la UE. Adicionalmente, los problemas de interoperabilidad pueden representar costes económicos muy fuertes en las diferentes industrias, por ejemplo, el Departamento Industria y Comercio de los Estados Unidos de América en 2004, estimó que problemas de interoperabilidad representaron un coste de US 15.8 billones. The West Health Institute en 2013 estimó perdidas potenciales de US 30 billones por año, debido a problemas de interoperabilidad en segmentos del Healthcare en Estados Unidos de América. En 2015 PwC estimó que Salud Digital podría ahorrarse 99 billones en costes a la European Union Gross Domestic Product con mejoras en la interoperabilidad. Otra de las motivaciones a contribuir con las mejoras en la interoperabilidad obedece a la necesidad industrial que nace del hecho de que el desarrollo de la actividad industrial implica el uso de una variedad de herramientas en sus procesos, para gestionar grandes cantidades de datos de ingeniería que se generan a lo largo del ciclo de su actividad. Las herramientas individuales suelen estar diseñadas para realizar tareas de ingeniería específicas y se basan en formatos de datos específicos. Esto genera problemas al intentar automatizar tareas de ingeniería que no son compatibles con una herramienta en particular y que requieren datos de varias herramientas. Por lo tanto, lograr un entendimiento entre las distintas herramientas que intervienen en los procesos de las organizaciones, contribuyen a incrementar las posibilidades de automatización de los procesos, estos procesos pueden involucrar trabajo colaborativo de múltiples dominios de la información. Finalmente, el Consejo Internacional en Ingeniería de Sistemas (INCOSE) que es una organización dedicada al desarrollo de la ingeniería de sistemas tanto a nivel académico como profesional, mediante el workshop Future of Systems Engineering (FuSE), definió los conceptos, Inteligencia Artificial para Ingeniería de Sistemas (AI4SE) e ingeniería de sistemas para inteligencia artificial (SE4AI) para describir una evolución que está teniendo lugar en la comunidad de ingeniería de sistemas, en donde el entendimiento en los datos es fundamental. Asimismo, Systems Engineering Research Center(SERC1) presenta una visión a cinco (5) años que refleja la evolución en la ingeniería de sistemas en la que se adoptará un enfoque basado en la integración, interoperabilidad, enlaces semánticos , entre otros, como un camino para alcanzar procesos de ingeniería aumentados. Hipótesis 1. Mediante una representación unificada de conocimiento es posible mejorar la interoperabilidad. 2. Mediante la posibilidad de tener un mecanismo de interoperabilidad se puede mejorar la selección de artefactos. 3. Mediante la posibilidad de tener un mecanismo de interoperabilidad se puede mejorar el descubrimiento de trazas. Objetivos Los objetivos de la presente tesis doctoral se han dividido en dos partes, por un lado, el objetivo general, donde se presenta de forma resumida el alcance de la investigación presentada en la tesis y la segunda parte que corresponde a los objetivos específicos, en donde se detallan los objetivos que se pretenden alcanzar. Generales Proponer una metodología de interoperabilidad basada en una representación unificada del conocimiento aplicable a cualquier fuente de información. Específicos • Determinar los niveles selección de artefactos basados en un mecanismo de interoperabilidad. • Determinar los niveles de descubrimiento de traza basados en un mecanismo de interoperabilidad. • Estudiar, analizar y valorar los marcos de interoperabilidad disponibles. • Proponer un lenguaje de representación de conocimientos que permita la representación unificada de cualquier fuente de información. • Desarrollar y reutilizar la tecnología necesaria para procesar los elementos de conocimiento. • Realizar pruebas y validaciones a los componentes implementados para determinar la validez de la metodología propuesta. • Difundir el conocimiento generado y las tecnologías implementadas en las comunidades científicas e Industriales. Definición de métodos para la interoperabilidad en procesos de ingeniería La idea que subyace en el marco de interoperabilidad definido en esta tesis consiste en crear un entorno neutral que permita realizar transformaciones de cualquier fuente de información a este entorno neutral y viceversa. Este entorno neutral debe contar con capacidades de gestión de contenido y operaciones. En un entorno normal se deben crear conexiones de un origen hacia un destino y viceversa, por cada conexión entre herramientas es decir que, si se tienen 4 herramientas A,B,C,D, en un entorno normal debería existir componentes de conectividad de A hacia B y viceversa (2 conexiones), de A hacia C y viceversa, de A hacia D y viceversa, y así con cada herramienta. Sin embargo, con el marco propuesto la conectividad será únicamente desde A hacia N (neutral) y automáticamente se tendrá conectividad con todas las herramientas que estén integrados con el entorno neutral. La diferencia principal radica en el costo de agregar una nueva herramienta a este entorno, bajo el marco propuesto, la integración de una Herramienta E, implica únicamente el desarrollo de dos conectores, es decir desde la Herramienta D hacia el entorno neutral y desde el entorno neutral hacia la herramienta. Esto reduce considerablemente los costes de integración de nuevas fuentes de información al entorno. Para un entorno normal el coste de agregar una nueva herramienta e interconectarla con los demás sería de n(n-1) número de conectores. Arquitectura Conceptual La arquitectura conceptual de los conectores SRL con sus respectivas capas, consiste en las siguientes cuatro (4) capas: 1. Información fuente. 2. Modelos SRL. 3. Especificación SRL. 4. Interpretación de modelos SRL. Dentro de estas capas, se enmarcan los elementos que deberán proporcionar los mecanismos para representar de forma auto contenida el conocimiento de las distintas fuentes de información sobre las que se desarrollarán los conectores SRL. La capa información fuente se refiere al conocimiento contra el que se pretende interoperar, se constituyen todas aquellas fuentes de información, es decir la realidad, el contenido en sus formatos y protocolos originales, por ejemplo, los archivos slx de Simulink, o los archivos rpy de Rhapsody. Cualquier información independiente del formato, que se considere relevantes dentro de los procesos de ingeniería, conforma esta realidad que debe ser modelada. Este modelado se lleva a cabo siempre y cuando el conocimiento a modelar pueda ser accedido, ya sea a nivel de application programming interfaces (APIs) o incluso haciendo procesos de interpretación semántica sobre los archivos originales que almacenan la información. En la capa Modelos SRL, se muestran modelos, lo cual constituyen representaciones formales obtenidas de la interpretación semántica de las fuentes de conocimiento que se encuentran en el nivel de las fuentes de información. Dentro de la capa Especificación SRL, están los elementos de SRL, que constituyen todos los componentes necesarios para representar conocimientos, la posibilidad de formalizar una representación que exprese la semántica, la sintaxis y la pragmática del conocimiento obtenido de un proceso de interpretación semántica y posterior representación de la información fuente. La interpretación de modelos SRL, se realiza mediante Mappeable Elements, que son los elementos que gobiernan como se utiliza la simbología disponible en la Especificación SRL. Es decir, son los componentes responsables de generar la representación del conocimiento, éstos, permiten crear los modelos de forma estándar, garantizan que el tipo de conocimiento se represente de la misma forma, independientemente de su fuente. Implementación de métodos para la interoperabilidad en procesos de ingeniería Para la implementación de los métodos para la interoperabilidad en procesos de ingeniería, se presentan los siguientes componentes: 1. las APIs ofrecidas por los fabricantes de las herramientas. Las funcionalidades de estas APIs, han de condicionar las características de los conectores. 2. La implementación tecnológica del conector, esta implementación consiste en un componente que será el responsable de la lectura del modelo de objetos de la herramienta fuentes, posterior a la lectura del conocimiento, el componente denominado “Mappeable Elements” es el componente encargado de generar los grafos semánticos representados con el modelo de clases de SRL. 3. Un componente que realiza una transformación de SRL a RSHP el cual es un metamodelo de representación de conocimientos que está soportado por las APIs de Computer Aided Knowledge Environment(CAKE), CAKE ofrece servicios nativos de indexación, recuperación, trazabilidad gestión de la configuración, transformación entre otros. Los componentes descritos anteriormente permiten hacer la lectura, escritura y ejecución de operaciones delegadas entre herramientas. Conclusiones Se comprobó que el marco de interoperabilidad propuesto en esta tesis ofrece la posibilidad de contar con un mecanismo de interoperabilidad entre distintas fuentes de información, dicho mecanismo mejora las capacidades de interoperabilidad, ofreciendo la posibilidad no solo de realizar intercambios de conocimiento sino también proporcionando la posibilidad de invocar operaciones disponibles en las fuentes de conocimiento. Fue posible comprobar el marco propuesto mejora las capacidades de reutilización del conocimiento para distintos artefactos de ingeniería, considerando casos en los que los procesos de una organización requieren la interacción entre distintos artefactos del sistema, la reutilización de conocimientos se vuelve un factor clave para optimizar los procesos, esto, aunado a la posibilidad de contar con un repositorio de conocimientos y con servicios nativos de indexación y recuperación de artefactos, permiten la consolidación de un entorno colaborativo. Se pudo corroborar que contar con una representación unificada del conocimiento, mejora las capacidades de desarrollo de algoritmos de descubrimiento de traza, entre otras cosas debido a que para determinar la similitud entre elementos se considera la semántica de los mismos y no comparaciones textuales. Fue posible analizar, las distintas alternativas existentes para el desarrollo de interoperabilidad, se encontraron propuestas para diversos dominios, y con diferentes enfoques, se hizo una valoración de las diferentes propuestas disponibles, y se concluyó que la alternativa propuesta podría ser complementaria a muchos de los marcos de interoperabilidad, sobre todo en lo referente a la interoperabilidad semántica. Durante el desarrollo de esta tesis, se realizaron publicaciones en congresos, revistas indexadas, contribuciones en proyectos nacionales y regionales. Adicionalmente el marco propuesto en esta tesis se ha integrado en forma de múltiples conectores a distintas fuentes de información, en las herramientas de The Reuse Company (TRC). Fue posible comprobar que la presente tesis, propone una arquitectura conceptual, así como también una arquitectura tecnológica sobre en herramientas que actualmente están siendo comercializadas en la industria, y que apoyan procesos de ingeniería de sistemas en varios dominios, como ser aeroespacial, automotriz, entre otros. También, se presenta una metodología iterativa para el desarrollo de conectores SRL, en donde se detallan los procesos, entradas, salidas y herramientas.