Ingeniería basada en el conocimiento

La ingeniería basada en el conocimiento ( EBC ) es la aplicación de la tecnología de sistemas basados ​​en el conocimiento al ámbito del diseño de sistemas de fabricación . El proceso de diseño es inherentemente una actividad intensiva en conocimiento, por lo que gran parte del énfasis de la EBC se centra en el uso de la tecnología basada en el conocimiento para apoyar el diseño asistido por ordenador (CAD); sin embargo, las técnicas basadas en el conocimiento (por ejemplo, la gestión del conocimiento) pueden aplicarse a todo el ciclo de vida del producto .

El ámbito del diseño asistido por ordenador (CAD) siempre ha sido pionero en la adopción de técnicas de ingeniería de software utilizadas en sistemas basados ​​en el conocimiento, como la orientación a objetos y las reglas . La ingeniería basada en el conocimiento integra estas tecnologías con el CAD y otras herramientas de software de ingeniería tradicionales.

Entre los beneficios de la ingeniería basada en el conocimiento se incluyen una mejor colaboración del equipo de diseño gracias a la gestión del conocimiento, una mejor reutilización de los artefactos de diseño y la automatización de partes importantes del ciclo de vida del producto. ^{[ 1 ]}

La ingeniería basada en el conocimiento (KBE, por sus siglas en inglés) se fundamenta esencialmente en modelos de conocimiento . Un modelo de conocimiento utiliza la representación del conocimiento para representar los artefactos del proceso de diseño (así como el proceso en sí), en lugar de, o además de, las técnicas convencionales de programación y bases de datos.

Las ventajas de utilizar la representación del conocimiento para modelar tareas y artefactos de ingeniería industrial son:

• Integración mejorada. En los sistemas CAD e industriales tradicionales, cada aplicación suele tener su propio modelo, ligeramente diferente. Contar con un modelo de conocimiento estandarizado facilita la integración entre distintos sistemas y aplicaciones.
• Mayor reutilización. Un modelo de conocimiento facilita el almacenamiento y etiquetado de artefactos de diseño para que puedan encontrarse y reutilizarse fácilmente. Además, los modelos de conocimiento son más reutilizables gracias al uso de formalismos como las relaciones "es un" (clases y subclases en el paradigma orientado a objetos). Mediante la creación de subclases, resulta muy sencillo crear nuevos tipos de artefactos y procesos partiendo de una clase existente y añadiendo una nueva subclase que herede todas las propiedades y comportamientos predeterminados de su clase padre, adaptándose posteriormente según sea necesario.
• Mejor mantenimiento. Las jerarquías de clases no solo facilitan la reutilización, sino también el mantenimiento de los sistemas. Al tener una única definición de clase compartida por múltiples sistemas, se simplifican enormemente los problemas de control de cambios y coherencia.
• Mayor automatización. Las reglas de los sistemas expertos pueden capturar y automatizar la toma de decisiones que, en la mayoría de los sistemas convencionales, queda en manos de expertos humanos.

KBE puede tener un amplio alcance que abarca toda la gama de actividades relacionadas con la gestión del ciclo de vida del producto y la optimización del diseño multidisciplinario . El alcance de KBE incluye diseño, análisis ( ingeniería asistida por computadora – CAE), fabricación y soporte. En este rol integral, KBE debe cubrir un amplio rol multidisciplinario relacionado con muchas tecnologías asistidas por computadora ( CAx ). ^{[ 2 ]}

Existen dos formas principales en que se puede implementar KBE:

1. Construya modelos de conocimiento desde cero utilizando tecnología basada en el conocimiento.
2. Superponer tecnología basada en el conocimiento sobre las aplicaciones de CAD, simulación y otras aplicaciones de ingeniería existentes.

Un ejemplo temprano del primer enfoque fue la herramienta Simkit, desarrollada por Intellicorp en la década de 1980. Simkit se desarrolló sobre el Entorno de Ingeniería del Conocimiento (KEE) de Intellicorp. KEE era un entorno de desarrollo de sistemas basado en el conocimiento muy potente. KEE comenzó con Lisp y añadió marcos , objetos y reglas , así como potentes herramientas adicionales, como el razonamiento hipotético y el mantenimiento de la verdad. Simkit añadió capacidades de simulación estocástica al entorno KEE. Estas capacidades incluían un modelo de eventos, generadores de distribución aleatoria, visualización de simulaciones y más. La herramienta Simkit fue un ejemplo temprano de ingeniería basada en el conocimiento (KBE). Podía definir una simulación en términos de modelos de clases y reglas, y luego ejecutarla como una simulación convencional. Durante el proceso, la simulación podía seguir invocando reglas, demonios y métodos de objetos, lo que proporcionaba el potencial para una simulación y un análisis mucho más ricos que las herramientas de simulación convencionales.

Uno de los problemas a los que se enfrentó Simkit fue un problema común en la mayoría de los primeros sistemas KBE desarrollados con este método: los entornos basados ​​en conocimiento Lisp proporcionan capacidades muy potentes de representación y razonamiento del conocimiento ; sin embargo, lo hicieron a costa de enormes requisitos de memoria y procesamiento que pusieron a prueba los límites de las computadoras de la época. Simkit podía ejecutar simulaciones con miles de objetos y realizar análisis muy sofisticados sobre ellos. Sin embargo, las simulaciones industriales a menudo requerían decenas o cientos de miles de objetos, y Simkit tenía dificultades para escalar a tales niveles. ^{[ 3 ]}

La segunda alternativa para desarrollar KBE se ilustra con la suite de productos CATIA . CATIA comenzó con productos para CAD y otras aplicaciones tradicionales de ingeniería industrial y les añadió capacidades basadas en el conocimiento; por ejemplo, su módulo KnowledgeWare. ^{[ 4 ]}

KBE se desarrolló en la década de 1980. Formó parte de la ola inicial de inversión en inteligencia artificial para empresas que impulsó los sistemas expertos. Al igual que estos, se basó en los avances más avanzados de la tecnología de la información corporativa de la época , como los PC , las estaciones de trabajo y las arquitecturas cliente-servidor . Estas mismas tecnologías también facilitaron el crecimiento del software CAx y CAD . El CAD tendía a impulsar las tecnologías de vanguardia e incluso a llevarlas más allá de sus límites actuales. ^{[ 5 ]} El mejor ejemplo de esto fue la programación orientada a objetos y la tecnología de bases de datos , que fueron adaptadas por el CAD cuando la mayoría de los departamentos de tecnología de la información corporativa estaban dominados por bases de datos relacionales y programación procedimental . ^{[ 6 ]}

Al igual que los sistemas expertos, KBE sufrió un declive durante el invierno de la IA . ^{[ 7 ]} Asimismo, como con los sistemas expertos y la tecnología de inteligencia artificial en general, hubo un renovado interés en Internet. En el caso de KBE, el interés fue quizás más fuerte en el comercio electrónico entre empresas y en las tecnologías que facilitan la definición de vocabularios y ontologías estándar de la industria para productos manufacturados .

La web semántica es una extensión de los estándares de la World Wide Web propuestos por Tim Berners-Lee . Se trata de una Internet basada en el conocimiento, construida sobre ontologías , objetos y tecnologías de marcos que también fueron tecnologías facilitadoras para la KBE. Las tecnologías importantes para la web semántica son XML , RDF y OWL . ^{[ 8 ]} La web semántica tiene un excelente potencial para la KBE, y las ontologías y proyectos de KBE constituyen un área importante para la investigación actual. ^{[ 9 ]}

La gestión del ciclo de vida del producto (PLM) es la gestión del proceso de fabricación de cualquier industria que produzca bienes. Puede abarcar todo el ciclo de vida del producto, desde la generación de la idea hasta la implementación, la entrega y la eliminación. KBE en este nivel abordará problemas de producto de naturaleza más genérica que CAx . Un área natural de énfasis es el proceso de producción; sin embargo, la gestión del ciclo de vida puede cubrir muchos más problemas como la planificación empresarial, el marketing, etc. Una ventaja de usar KBE es obtener los servicios de razonamiento automatizado y gestión del conocimiento de un entorno basado en el conocimiento integrados con las muchas necesidades diversas pero relacionadas de la gestión del ciclo de vida. KBE respalda los procesos de decisión involucrados con la configuración, los intercambios, el control, la gestión y una serie de otras áreas, como la optimización .

CAx se refiere al ámbito de las herramientas informáticas para el análisis y el diseño. CAx abarca múltiples dominios. Algunos ejemplos son el diseño asistido por ordenador de piezas fabricadas, software, la arquitectura de edificios, etc. Si bien cada dominio específico de CAx presenta problemas y artefactos muy diferentes, todos comparten problemas comunes, como la gestión de la colaboración de profesionales altamente cualificados, el diseño y la reutilización de artefactos complejos, etc.

En esencia, KBE amplía, desarrolla e integra el dominio CAx, comúnmente conocido como Diseño Asistido por Computadora (CAD). En este sentido, KBE es análogo a la Ingeniería de Software Basada en el Conocimiento (KBSE) , que extendió el dominio de la Ingeniería de Software Asistida por Computadora con herramientas y tecnología basadas en el conocimiento. Lo que KBSE representó para el software y CASE, KBE lo representa para los productos manufacturados y CAD.

Un ejemplo se puede tomar de la experiencia de Boeing. El programa 777 asumió el reto de tener un avión definido digitalmente. Esto requirió una inversión en sistemas, bases de datos y estaciones de trabajo a gran escala para el diseño y el análisis de ingeniería. Dada la magnitud del trabajo computacional necesario, KBE se introdujo, por así decirlo, mediante un plan de pago por uso. Básicamente, esta técnica consistía en demostrar los beneficios y, posteriormente, obtener más trabajo (piénsese en la ingeniería ágil). En el caso del 777, el proyecto llegó a un punto en el que las influencias en los cambios en la fase inicial del flujo de diseño/construcción (cargas) podían recalcularse durante un fin de semana para permitir su evaluación por los procesos posteriores. Según fuera necesario, los ingenieros participaban para finalizar y aprobar el trabajo. Al mismo tiempo, CAx permitió cumplir con tolerancias más estrictas. Con el 777, KBE tuvo tanto éxito que los programas posteriores lo aplicaron en más áreas. Con el tiempo, las instalaciones de KBE se integraron en la plataforma CAx y forman parte habitual de la operación. ^{[ 10 ]}

Una de las tecnologías basadas en el conocimiento más importantes para la ingeniería basada en el conocimiento (KBE) es la gestión del conocimiento . Las herramientas de gestión del conocimiento admiten un repositorio de amplio espectro, es decir, un repositorio que puede admitir diferentes tipos de artefactos de trabajo: dibujos y notas informales, grandes tablas de bases de datos, objetos multimedia e hipertexto, etc. La gestión del conocimiento proporciona diversas herramientas de apoyo grupal para ayudar a las distintas partes interesadas a colaborar en el diseño e implementación de productos. También proporciona herramientas para automatizar el proceso de diseño (por ejemplo, reglas) y para facilitar la reutilización. ^{[ 11 ]}

El desarrollo de aplicaciones basadas en el conocimiento (KBE) se refiere a los requisitos para identificar, capturar, estructurar, formalizar y, finalmente, implementar el conocimiento. Muchas plataformas KBE diferentes solo admiten la etapa de implementación, que no siempre es el principal cuello de botella en el proceso de desarrollo de KBE. Para limitar el riesgo asociado con el desarrollo y el mantenimiento de las aplicaciones KBE, es necesario contar con una metodología apropiada para gestionar el conocimiento y mantenerlo actualizado. Como ejemplo de dicha metodología KBE, el proyecto europeo MOKA, "Metodología y herramientas orientadas a aplicaciones basadas en el conocimiento", propone soluciones que se centran en las etapas de estructuración y formalización, así como en los vínculos con la implementación. ^{[ 12 ]}

Una alternativa a MOKA es utilizar métodos generales de ingeniería del conocimiento que se han desarrollado para sistemas expertos en todas las industrias ^{[ 13 ]} o utilizar metodologías generales de desarrollo de software como el Proceso Unificado de Rational o los métodos ágiles .

Dos cuestiones críticas para los lenguajes y formalismos utilizados en la EBC son:

• Programación basada en el conocimiento frente a programación procedimental
• Estandarización frente a sistemas propietarios

• Sistemas basados ​​en el conocimiento
• Ingeniería del conocimiento
• Gestión del conocimiento
• Optimización del diseño multidisciplinario

• Cuestiones prácticas de la IA (1994) - Switlik, JM (basado en el proyecto ICAD)
• McGoey, Paul (2011) Guía del autoestopista para: Ingeniería basada en el conocimiento en la industria aeroespacial (y otras industrias)
• Ingeniería Alcyon: Introducción a la ingeniería basada en el conocimiento
• Un sistema KBE para el diseño de modelos de túnel de viento mediante componentes de conocimiento reutilizables.
• Boletín informativo de ASME
• ASME celebra su 125 aniversario.
  • COE Newsnet 02/07 Cómo podrían relacionarse los paradigmas de la computación con la educación basada en el conocimiento
  • Foro de debate sobre las mejores prácticas de KBE en COE Newsnet
• KE-works ingeniería del conocimiento : una empresa que introduce aplicaciones de KBE en la industria - Vídeo explicativo de KBE
• Claves para el éxito con técnicas basadas en el conocimiento - Documento SAE número 2008-01-2262
• Ingeniería basada en el conocimiento en la realización de productos : un documento técnico presentado sobre KBE en el dominio PLM.
• Tecnologías del conocimiento : un libro electrónico gratuito de Nick Milton que incluye un capítulo que describe la EBC (Capítulo 3, en coautoría con G. La Rocca de la TU Delft).