Construcción de una ontología de seguridad de procesos químicos mediante Protégé 5

Abstract

Este proyecto consta de dos productos: el primero es esta memoría, y el segundo se trata de un archivo llamado Chemical Process Safety Ontology codificado en lenguaje OWL (Lenguaje de Ontologías Web). El objetivo del proyecto es la creación de una ontología de seguridad de procesos, lo cual es una manera alternativa a los libros y manuales tradicionales que se pueden encontrar en
formato físico o digital para reunir conocimientos. Las ontologías son herramientas que se han empezado a utilizar recientemente para agrupar, clasificar y crear relaciones entre conceptos e ideas de un mismo dominio, la seguridad de procesos químicos en este caso. Las ontologías no pueden sustituir por sí sólas a los formatos tradicionalmente utilizados para la adquisición de conocimiento, pero son parte fundamental para la evolución desde la Web actual a la Web semántica. La Web semántica es, según el W3C (World Wide Web Consortium) el futuro de la Web, construída bajo unos principios y estándares que permitirán el uso de aplicaciones “inteligentes” con una capacidad de búsqueda de conocimiento mucho más capacitada, eficiente y automatizada que la que se puede lograr a partir de la
Web actual. La Web actual, por el contrario está llena de errores de código y se encuentra carente de cualquier tipo de regulación en cuanto a la forma de representación de la información puesto que se centra en crear sitios web atractivos a la vista y en una interpretación correcta por parte de las personas, no de ningún agente de software. Para lograr esta migración W3C ha promovido el desarrollo de herramientas y lenguajes de marcado para crear unas bases sólidas que permitan un desarrollo gradual de la compleja infraestructura que sustente la Web semántica. Algunos de los mayores logros de este
desarrollo son URI (Uniform Resource Identifier), XML (eXtended Markup Language) y RDF (Resource Description Framework). Estos logros son el paso previo al lenguaje de las ontologías OWL. OWL cuenta con la capacidad de definir conceptos de manera inequívoca gracias al sistema
de direccionamiento de recursos de URI, crear una red de conocimiento elevadamente estructurada e interrelacionada con las capacidades de XML, y la posibilidad de
complementar cada parte de esta estructura y relaciones con la adición de metadatos que facilita RDF. Para simplificar un proceso que parece complicado y pensado para especialistas en códigos informáticos se ha desarrollado Protégé 5. Se trata de una interfaz bastante sencilla capaz de crear el código necesario para cumplir con todos los requisitos que W3C requiere para crear conocimiento interpretable por máquinas. Este programa es el que se utiliza en este proyecto para la creación de la ontología de seguridad de procesos químicos. Una vez introducido el contexto en el que aparecen y se desarrollan las ontologías es importante conocer una definición precisa de qué son: Una ontología es una especificación formal y explícita de una conceptualización compartida (Gruber, 1993). Esta frase es posteriormente explicada término a término (Uschold, 1996): Conceptualización: modelo abstracto de un fenómeno, que puede ser visto como un conjunto de reglas informales que restringen su estructura. Por lo general se expresa como conjunto de conceptos, entidades, atributos, procesos, definiciones, interrelaciones. Formal: organización teórica de términos y relaciones usados como herramienta para el análisis de los conceptos de un dominio. Compartida: captura conocimiento consensual que es aceptado por una comunidad. Explícita: se refiere a la especificación de los conceptos y a las restricciones sobre estos. A la definición se le añaden sus objetivos (McGinness, 2001): Compartir entendimiento común de la estructura del conocimiento, entre personas o
agentes de software. Permitir reutilizar el dominio de conocimiento. Permitir separar conocimiento de dominio del conocimiento operacional. Analizar el conocimiento del dominio. La finalidad de las ontologías es compartir entendimiento de algún dominio de interés entre personas, sistemas de software y organizaciones. Todo esto está orientado a evitar ambigüedad, esfuerzos improductivos, errores, malentendidos y lograr así un manejo específico, reutilizable y confiable del conocimiento. Para crear ontologías existen métodos sistemáticos como Methontology con su consiguiente ciclo de vida, sin embargo todas las metodologías deben tener algo en cuenta: · No existe una manera única y correcta de modelar un dominio. · El desarrollo ontológico es un proceso iterativo. · Los conceptos de la ontología deberán reflejar lo más fielmente posible a los objetos y relaciones del dominio. La creación de ontologías requiere conocer cómo funciona OWL y, en este caso, el programa Protégé 5. Cualquier persona que se inicia en la creación de ontologías con
Protégé acaba encontrando el “manual de pizzas” que introduce los elementos fundamentales de cualquier ontología y la descripción del manejo de Protégé 4 con un
ejemplo sencillo de un catálogo de pizzas. Este proyecto además proporciona una actualización con Protégé 5 de las secciones más relevantes del manual. Los elementos
fundamentales de cualquier ontología construída con OWL son: · Individuos: Los individuos representan objetos en el dominio de interés. · Propiedades: Las propiedades son relaciones binarias entre individuos, por lo que enlazan dos individuos entre ellas. Estas propiedades pueden ser funcionales, transitivas o simétricas. Clases: Las clases en OWL son interpretadas como sets que contienen individuos. Las clases deben ser organizadas dentro de jerarquías de subclases y superclases, a lo que se conoce como taxonomía. En la Ilustración 1 aparece un sencillo ejemplo de cómo se conectan estos elementos para crear información: la clase Ingredientes contiene una serie de elementos como Queso. Por otra parte, la clase Pizza contiene otros individuos como Vegetariana y Barbacoa.
Finalmente se ha definido la propiedad tieneIngrediente para relacionar los distintos elementos. Se ha creado mediante el esquema de la ilustración la información: Pizza tiene Ingrediente Ingrediente, Vegetariana tiene Ingrediente Queso. Para completar la información que ofrecen estas relaciones aparecen otros elementos como some, only, value… que aportan información adicional a la relación. Por ejemplo: Pizza tiene Ingrediente some (algún) Ingrediente, está informando de que cualquier elemento de la clase pizza tiene al menos (relación existencial a través del elemento some) un ingrediente. Hasta este punto se ha hablado de la importancia de las ontologías en torno a la Web semántica, qué son, cómo pueden crearse y desarrollarse, y cuáles son sus elementos más importantes. A partir de este punto lo necesario es conocer el dominio que se va a representar en la ontología, es decir, la seguridad de procesos químicos. La seguridad de procesos químicos aúna un conocimiento multidisciplinar de distintas ramas técnicas, científicas y legislativas. Reúne conceptos acerca de tecnología química, control de procesos, sustancias peligrosas, métodos de evaluación de riesgos, leyes, normativas, estándares de seguridad, etc. Su fin es capacitar a las personas y sistemas encargados de la seguridad de procesos químicos para minimizar el riesgo de accidente, mitigar al máximo los daños y actuar adecuadamente en caso de emergencia. La seguridad de procesos puede dividirse en dos grandes disciplinas: · Higiene y salud laboral o Sustancias peligrosas y tóxicas. Combustión, ácidos, corrosión, etiquetado, rutas de entrada y eliminación de tóxicos, etc. o Sustancias explosivas e inflamables. El fuego, sustancias inflamables, tipos de explosiones, técnicas de prevención, fuentes de ignición, etc. o Seguridad e higiene en el ambiente laboral. Límites de exposición,
condiciones de trabajo (ventilación, ruido), normativas, prevención de riesgos laborales, etc. o Almacenamiento de recipientes a presión. o Gestión de residuos tóxicos. Procedimienos, legislación, etc. o Riesgos ambientales · Seguridad de procesos o Capas de protección. Prevención y mitigación de accidentes o Modelos de emisión y dispersión. Escape de líquidos y gases, previsión de su
dispersión y alcance, etc. o Gestión de alarmas como capa de protección o Importancia de la gestión del factor humano en la seguridad o Análisis de riesgos. Concepto de riesgo, reducción de riesgos, técnicas de análisis de riesgos, etc. o Prevención en el sistema de control. Sistemas instrumentado de seguridad, sistemas de protección de alta integridad o Cuantificación de riesgos o Mitigación activa. Válvulas de seguridad, discos de ruptura, sistema de antorcha o Mitigación pasiva. Elementos de contención, zonas de almacenamiento o Instalaciones de fuego y gas. Red contra incendios, detección de gases tóxicos e inflamables, etc. o Planes de emergencia. La gran cantidad de conceptos y conocimiento proveniente de diferentes disciplinas complica el manejo, comprensión y difusión de esta información. Por otra parte hay muchas relaciones tipo causa y efecto que requieren cierta dedicación, tiempo de un gran volumen de documentos para recoger. La ontología de procesos químicos creada en este proyecto pretende crear una herramienta que simplifique algunos de estos problemas. Su objetivo será servir de apoyo a los manuales, libros y normativas que se recomienden para casos específicos, aportando una red de conceptos clasificados e interconectados por relaciones explícitamente definidas. La Ilustración 2 muestra el resultado final es de una base de conocimiento con 513 clases o conceptos (círculos azules), 80 propiedades de objeto distintas (líneas) encargadas de relacionar clases, 70 de tipo dato (en verde) dando información adicional a algunos conceptos y 58 individuos que refuerzan o complementan algunas de las clases y
conceptos. Esta es la parte a la que se ha dedicado más tiempo y trabajo debido a la recopilación de información, síntesis, clasificación e investigación acerca de las relaciones entre los distintos conceptos y disciplinas. A continuación se utilizará un ejemplo para aclarar la información que se puede obtener de cualquiera de los conceptos principales de la ontología: Para mostrar la capacidad de la ontología para reordenar y reconstruir el conocimiento se muestra el siguiente ejemplo con el concepto GHS. En la Ilustración 3 (izquierda) se representa el conocimiento concentrado del término GHS (Globally Harmonized System), en el cual aparece su descripción junto con la bibliografía. Por otra parte, aunque no se hubiese incluído una descripción, por las relaciones con otros conceptos aparecen otros muchos
datos acerca del concepto: - Es un tipo de SafetyStandard (estándar de seguridad) - Define un riesgo físico o químico - Es complementado por CLP (Labeling and Packaging of Chemicals) - La OSHA (Occupational Safety and Health Administration) lo promueve - REACH (Regulation for Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) también lo promueve - Promueve la identificación de substancias. La Ilustración 3 (derecha) muestra gráficamente cómo el término GHS queda contextualizado por una serie de relaciones con los conceptos citados anteriormente, y cómo además estos cuentan con sus propios contextos. Es así como empieza a apreciarse el funcionamiento de la base de conocimiento relaizada en esta ontología. En el capítulo 5 se describe cómo esta ontología ha logrado crear completos contextos
conceptuales del dominio de la seguridad de procesos químicos en los que cada concepto se encuentra rodeado y relacionado por otros conceptos creando una compleja red de conocimiento.