Improving interoperability on industrial standards through ontologies

Abstract

Interoperability refers to the effective exchange of information and understanding to collectively pursue common objectives. System developers commonly use ontologies to enhance semantic and syntactic interoperability within this context. This work aims to evaluate the contribution of ontology in making explicit the meaning of the entities described in a Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) model and to provide an architecture that allows the representation of a P&ID in ontological knowledge bases. To understand the semantics of the P&ID entities and relations, we map each class of the P&ID to the corresponding entity of the Offshore Petroleum Production Plant Ontology (O3PO). The ontology describes the definition of each vocable associated with the axioms that clarify and regulate the meaning and utilization of this vocabulary. We intend to guarantee that the integration of P&ID with other models respects the original semantics and avoids unintended data exchanges. We follow this ontological analysis with a case study of a model that conforms to the Data Exchange in the Process Industry (DEXPI) specification, intended to provide homogeneous data interchange between CAD systems from diverse vendors. The ontological analysis of the DEXPI P&ID specification, to build a relation with a well-founded ontology, raises a set of desirable properties for a model intended for use in interoperability. While achieving technical interoperability between DEXPI P&IDs and ontologies represented in OWL is evident, we identified several challenges within the realm of semantic interoperability, specifically concerning clarity/intelligibility, conciseness, extendibility, consistency, and essence. These issues present significant hurdles to achieving seamless systems integration. Moreover, if the DEXPI standard were to evolve into a de facto standard for representing P&IDs across a broader range of domains than initially intended, these highlighted issues could potentially bottleneck its adoption and hinder its integration into different systems.

Interoperabilidade se refere à troca efetiva de informação e entendimento na busca por objetivos comuns. Neste contexto, desenvolvedores de sistemas comumente utilizam ontologias para aprimorar a interoperabilidade semântica e sintática. O objetivo deste trabalho é avaliar a contribuição da ontologia para tornar explícito o significado das entidades descritas em um modelo de Diagrama de Tubulação e Instrumentação (DTI) e fornecer uma arquitetura que permita a representação de um DTI em bases de conhecimento ontológicas. Para entender a semântica das entidades e relações do DTI, mapeamos cada classe do DTI para a entidade correspondente da Ontologia de Planta de Produção de Petróleo Offshore (O3PO). A ontologia descreve a definição de cada vocábulo associado com os axiomas que esclarecem e regulam o significado e a utilização desse vocabulário. Pretendemos garantir que a integração do DTI com outros modelos respeite a semântica original e, assim, evite trocas de dados não intencionais. Seguimos essa análise ontológica com um estudo de caso de um modelo que se conforma à especificação "Data Exchange in the Process Industry" (DEXPI), destinada a fornecer uma troca de dados homogênea entre sistemas CAD de diversos fabricantes. A análise ontológica da especificação DEXPI DTI, para construir uma relação com uma ontologia bem fundamentada, levanta um conjunto de propriedades desejáveis para um modelo destinado a ser usado na interoperabilidade. Embora a conquista da interoperabilidade técnica entre DTIs DEXPI e ontologias representadas em OWL seja evidente, diversos desafios foram identificados no âmbito da interoperabilidade semântica, especificamente em relação à clareza/inteligibilidade, concisão, extensibilidade, consistência e essência. Essas questões representam obstáculos significativos para alcançar uma integração de sistemas perfeita. Além disso, se o padrão DEXPI evoluir para um padrão de facto para a representação de DTIs em um conjunto mais amplo de domínios do que inicialmente pretendido, essas questões destacadas poderiam potencialmente atrasar sua adoção e dificultar sua integração em sistemas diferentes.