Interoperabilidad semántica

La interoperabilidad semántica es la capacidad de los sistemas informáticos para intercambiar datos con un significado compartido e inequívoco. La interoperabilidad semántica es un requisito para permitir la lógica computable por máquina , la inferencia, el descubrimiento de conocimiento y la federación de datos entre sistemas de información . ^{[ 1 ]}

La interoperabilidad semántica, por lo tanto, no se limita al empaquetado de datos ( sintaxis ), sino que abarca la transmisión simultánea del significado junto con los datos ( semántica ). Esto se logra añadiendo información sobre los datos ( metadatos ) y vinculando cada elemento de datos a un vocabulario controlado y compartido . El significado de los datos se transmite junto con los datos mismos, en un " paquete de información " autodescriptivo e independiente de cualquier sistema de información. Este vocabulario compartido, junto con sus vínculos a una ontología , constituye la base y la capacidad de interpretación, inferencia y lógica automáticas.

En la década de 1960, Jacques Blois, de la Universidad Libre de Bruselas (ULB), fue pionero en la interoperabilidad semántica mediante su sistema de análisis morfológico para el proyecto DICAUTOM (1966-1971), financiado por Euratom y la CECA. Este sistema estandarizó la terminología multilingüe al reducir las formas flexionadas de las palabras a sus lemas (por ejemplo, "apprendront" a "apprendre") y vincularlas a unidades semánticas compartidas, lo que permitió la interpretación automática del significado en diferentes idiomas. Al crear una protoontología con entradas enriquecidas con metadatos, Blois anticipó el intercambio de datos y las ontologías modernas basadas en vocabulario, como se describe en su obra de 1962, Morphologie du français pour la traduction automatique, y en un informe de la ULB de 1969, del que fue coautor junto con Lydia Hirschberg, sobre un "manual de codificación del francés". Su sistema sirvió de base para EURODICAUTOM (1975), precursor de la base de datos IATE de la UE, facilitando la interoperabilidad multilingüe. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

La interoperabilidad sintáctica (véase más abajo ) es un requisito previo para la interoperabilidad semántica. La interoperabilidad sintáctica se refiere a los mecanismos de empaquetado y transmisión de datos. En el sector sanitario, HL7 se utiliza desde hace más de treinta años (antes de internet y la tecnología web) y emplea el carácter de barra vertical (|) como delimitador de datos. El estándar actual de internet para el marcado de documentos es XML , que utiliza "< >" como delimitador de datos. Estos delimitadores no aportan ningún significado a los datos, salvo su función de estructurarlos. Sin un diccionario de datos que traduzca el contenido de los delimitadores, los datos carecen de sentido. Si bien existen numerosos intentos de crear diccionarios de datos y modelos de información asociados a estos mecanismos de empaquetado, ninguno ha resultado práctico para su implementación. Esto solo ha perpetuado la continua "babelización" de los datos y la incapacidad de intercambiarlos con significado.

Desde la introducción del concepto de Web Semántica por Tim Berners-Lee en 1999, ^{[ 5 ]} ha habido un creciente interés y aplicación de los estándares del W3C (World Wide Web Consortium) para proporcionar capacidades de intercambio, federación e inferencia de datos semánticos a escala web.

La interoperabilidad sintáctica, proporcionada por estándares como XML o SQL , es un requisito previo para la comunicación semántica. Implica un formato de datos y un protocolo comunes para estructurar los datos, de modo que el procesamiento de la información sea interpretable a partir de dicha estructura. También permite la detección de errores sintácticos, lo que posibilita que los sistemas receptores soliciten el reenvío de cualquier mensaje que parezca ilegible o incompleto. No es posible la comunicación semántica si la sintaxis es ilegible o incapaz de representar los datos. Sin embargo, la información representada en una sintaxis puede, en algunos casos, traducirse con precisión a otra. Cuando es posible una traducción precisa de sintaxis, los sistemas que utilizan sintaxis diferentes también pueden interoperar con precisión. En algunos casos, la capacidad de traducir con precisión la información entre sistemas que utilizan sintaxis diferentes puede limitarse a una sola dirección, cuando los formalismos utilizados tienen distintos niveles de expresividad (capacidad para expresar información).

Generalmente se considera imposible crear una ontología única que contenga representaciones de todos los términos utilizados en cada aplicación, debido a la rápida aparición de nuevos términos o a la asignación de nuevos significados a los ya existentes. Sin embargo, aunque es imposible prever todos los conceptos que un usuario pueda desear representar en un ordenador, existe la posibilidad de encontrar un conjunto finito de representaciones conceptuales "primitivas" que puedan combinarse para crear los conceptos más específicos que los usuarios necesiten para cualquier conjunto de aplicaciones u ontologías. Contar con una ontología base (también llamada ontología superior ) que contenga todos esos elementos primitivos proporcionaría una base sólida para la interoperabilidad semántica general y permitiría a los usuarios definir cualquier término nuevo que necesiten utilizando el inventario básico de elementos de la ontología, y que dichos términos recién definidos sean interpretados correctamente por cualquier otro sistema informático capaz de interpretar la ontología base. Si el número de dichas representaciones conceptuales primitivas es finito o si se expandirá indefinidamente es una cuestión que se encuentra en investigación activa. Si es finita, entonces una ontología base estable, adecuada para respaldar una interoperabilidad semántica precisa y general, puede evolucionar después de que una ontología base inicial haya sido probada y utilizada por una amplia variedad de usuarios. Actualmente, ninguna ontología base ha sido adoptada por una comunidad amplia, por lo que dicha ontología base estable aún está por llegar.

Un malentendido recurrente en las discusiones sobre semántica es la confusión entre palabras y significados. Los significados de las palabras cambian, a veces rápidamente. Sin embargo, un lenguaje formal, como el utilizado en una ontología, puede codificar los significados (semántica) de los conceptos de forma inmutable. Para determinar el significado de una palabra (o término en una base de datos , por ejemplo), es necesario etiquetar cada representación de concepto fijo en una ontología con la(s) palabra(s) o término(s) que puedan referirse a ese concepto. Cuando varias palabras se refieren al mismo concepto (fijo) en un lenguaje, se habla de sinonimia ; cuando una palabra se usa para referirse a más de un concepto, se habla de ambigüedad .

La ambigüedad y la sinonimia son factores que dificultan enormemente la comprensión del lenguaje por parte de las computadoras. El uso de palabras para referirse a conceptos (el significado de las palabras utilizadas) es muy sensible al contexto y a la finalidad de muchos términos legibles por humanos. El uso de ontologías para apoyar la interoperabilidad semántica consiste en proporcionar un conjunto fijo de conceptos cuyos significados y relaciones son estables y pueden ser acordados por los usuarios. La tarea de determinar qué términos se utilizan en qué contextos (cada base de datos constituye un contexto diferente) se separa entonces de la tarea de crear la ontología y debe ser asumida por el diseñador de la base de datos, el diseñador de un formulario de entrada de datos o el desarrollador de un programa de comprensión del lenguaje. Cuando cambia el significado de una palabra utilizada en un contexto interoperable, para preservar la interoperabilidad es necesario cambiar el puntero al o los elementos de la ontología que especifican el significado de esa palabra.

Un lenguaje de representación del conocimiento puede ser suficientemente expresivo para describir matices de significado en campos bien definidos. Existen al menos cinco niveles de complejidad en estos lenguajes.

Para datos semiestructurados generales se puede utilizar un lenguaje de propósito general como XML. ^{[ 6 ]}

Para muchas tareas pueden ser necesarios lenguajes que posean toda la potencia de la lógica de predicados de primer orden .

Los lenguajes humanos son altamente expresivos, pero se consideran demasiado ambiguos para permitir la interpretación precisa deseada, dado el nivel actual de la tecnología del lenguaje humano . Los sistemas de atención médica de interoperabilidad semántica aprovechan los datos de manera estandarizada al desglosar y compartir información. Por ejemplo, dos sistemas ahora pueden reconocer terminología y símbolos de medicamentos. Los sistemas de atención médica de interoperabilidad semántica aprovechan los datos de manera estandarizada al desglosar y compartir información. Por ejemplo, dos sistemas ahora pueden reconocer terminología, símbolos de medicamentos y otros matices mientras intercambian datos automáticamente, sin intervención humana.

La interoperabilidad semántica puede distinguirse de otras formas de interoperabilidad al considerar si la información transferida tiene, en su forma comunicada, todo el significado necesario para que el sistema receptor la interprete correctamente, incluso cuando los algoritmos utilizados por el sistema receptor son desconocidos para el sistema emisor. Consideremos el envío de un número:

Si esa cifra se refiere a la suma de dinero que una empresa le debe a otra, implica alguna acción u omisión por parte tanto de quienes la envían como de quienes la reciben.

Puede interpretarse correctamente si se envía en respuesta a una solicitud específica y se recibe en el momento y formato esperados. Esta interpretación correcta no depende únicamente del número en sí, que podría representar prácticamente cualquier tipo de medición cuantitativa, sino que depende estrictamente de las circunstancias de la transmisión. Es decir, la interpretación depende de que ambos sistemas esperen que los algoritmos del otro sistema utilicen el número exactamente en el mismo sentido, y depende además de todo el conjunto de transmisiones que precedieron a la transmisión del número en sí.

Por el contrario, si el sistema transmisor desconoce cómo otros sistemas utilizarán la información, es necesario un acuerdo común sobre cómo aparecerá la información con un significado específico (de entre muchos posibles) en una comunicación. Para una tarea particular, una solución es estandarizar un formulario, como una solicitud de pago; dicha solicitud tendría que codificar, de forma estandarizada, toda la información necesaria para su evaluación, como: el agente que debe el dinero, el agente al que se le debe el dinero, la naturaleza de la acción que origina la deuda, los agentes, bienes, servicios y demás participantes en dicha acción; el momento de la acción; el importe adeudado y la moneda en la que se calcula la deuda; el plazo de pago; la forma de pago exigida; y otra información. Cuando dos o más sistemas han acordado cómo interpretar la información de dicha solicitud, pueden lograr la interoperabilidad semántica para ese tipo específico de transacción . Para lograr una interoperabilidad semántica en general, es necesario proporcionar formas estandarizadas de describir el significado de muchas más cosas que las simples transacciones comerciales, y el número de conceptos cuya representación debe ser consensuada asciende, como mínimo, a varios miles.

Cómo lograr la interoperabilidad semántica en escenarios que van más allá de unos pocos restringidos es actualmente objeto de investigación y debate. Para el problema de la interoperabilidad semántica general, se requiere una ontología base ( ontología superior ) lo suficientemente completa como para definir conceptos para ontologías más especializadas en múltiples dominios. En la última década, se han desarrollado más de diez ontologías base, pero ninguna ha sido adoptada aún por una amplia base de usuarios.

La necesidad de una única ontología integral que abarque todo el espectro para dar soporte a la interoperabilidad semántica puede evitarse diseñando la ontología base común como un conjunto de conceptos básicos ("primitivos") que pueden combinarse para crear las descripciones lógicas de los significados de los términos utilizados en ontologías de dominio locales o bases de datos locales. Esta táctica se basa en el principio de que:

Si:

(1) se acuerdan los significados y el uso de los elementos ontológicos primitivos en la ontología fundacional, y (2) los elementos ontológicos en las ontologías de dominio se construyen como combinaciones lógicas de los elementos en la ontología fundacional, 

Entonces:

Los significados previstos de los elementos de la ontología de dominio pueden calcularse automáticamente mediante un razonador de lógica de primer orden (FOL), por cualquier sistema que acepte los significados de los elementos en la ontología de base y que disponga tanto de la ontología de base como de las especificaciones lógicas de los elementos en la ontología de dominio. 

Por lo tanto:

Cualquier sistema que desee interoperar con precisión con otro sistema solo necesita transmitir los datos que se van a comunicar, además de cualquier descripción lógica de los términos utilizados en esos datos que se hayan creado localmente y que no estén ya en la ontología base común. 

Esta táctica limita la necesidad de un acuerdo previo sobre los significados únicamente a los elementos de la ontología común de la Ontología Fundamental (AF). Según diversas consideraciones, esto podría requerir menos de 10 000 elementos (tipos y relaciones). Sin embargo, para facilitar la comprensión y el uso, un mayor número de elementos de la ontología, con detalles y especificaciones adicionales, puede ayudar a localizar con precisión en la AF la ubicación de conceptos de dominio específicos o a añadirlos.

En la práctica, junto con la FO centrada en representaciones de conceptos primitivos, es probable que también se utilice un conjunto de ontologías de extensión de dominio para la FO, con elementos especificados mediante los elementos de la FO. Estas extensiones preexistentes facilitarán la creación de ontologías de dominio al proporcionar a los elementos existentes el significado deseado y reducirán la probabilidad de errores al utilizar elementos que ya han sido probados. Las ontologías de extensión de dominio pueden ser lógicamente inconsistentes entre sí, y esto debe determinarse si se utilizan diferentes extensiones de dominio en cualquier comunicación.

También se está investigando si el uso de una ontología base única puede evitarse mediante técnicas de mapeo sofisticadas entre ontologías desarrolladas de forma independiente.

La importancia práctica de la interoperabilidad semántica ha sido medida por varios estudios que estiman el costo (en eficiencia perdida) debido a su falta. Un estudio, ^{[ 7 ]} centrado en la eficiencia perdida en la comunicación de información sanitaria, estimó que se podrían ahorrar 77.800 millones de dólares anuales mediante la implementación de un estándar de interoperabilidad eficaz en ese ámbito. Otros estudios, del sector de la construcción ^{[ 8 ]} y de la cadena de suministro de la fabricación de automóviles, ^{[ 9 ]} estiman costos superiores a los 10.000 millones de dólares anuales debido a la falta de interoperabilidad semántica en esos sectores. En total, estas cifras pueden extrapolarse para indicar que se pierden más de 100.000 millones de dólares anuales debido a la falta de un estándar de interoperabilidad semántica ampliamente utilizado solo en Estados Unidos.

Todavía no se ha realizado un estudio sobre cada ámbito político que podría ofrecer grandes ahorros al aplicar estándares de interoperabilidad semántica. Para ver qué ámbitos políticos pueden beneficiarse de la interoperabilidad semántica, consulte « Interoperabilidad » en general. Algunos ejemplos son la administración electrónica , la sanidad, la seguridad y muchos más. La UE también creó el Centro Europeo de Interoperabilidad Semántica en junio de 2007.

La transformación digital ofrece enormes beneficios, ya que permite a las organizaciones ser más eficientes, flexibles y ágiles a la hora de responder a los cambios en las condiciones operativas y empresariales. Esto implica la necesidad de integrar datos y servicios heterogéneos en toda la organización. La interoperabilidad semántica aborda la necesidad de una comprensión compartida del significado y el contexto.

Para respaldar esta iniciativa, un grupo de expertos interorganizacional, integrado por ISO/IEC JTC1, ETSI, oneM2M y W3C, colabora con AIOTI para acelerar la adopción de tecnologías semánticas en el IoT. Recientemente, el grupo publicó dos informes conjuntos sobre interoperabilidad semántica, titulados respectivamente «Soluciones semánticas para el IoT: una perspectiva para desarrolladores» y «Hacia estándares de interoperabilidad semántica basados ​​en ontologías». Esto se produce tras el éxito del informe anterior sobre «Interoperabilidad semántica para la Web de las Cosas».

Fuente:

“Soluciones de IoT semánticas: una perspectiva para desarrolladores”

“Hacia estándares de interoperabilidad semántica basados ​​en ontologías”.

Esto se produce tras el éxito del anterior informe técnico sobre "Interoperabilidad semántica para la Web de las Cosas".

https://www.w3.org/blog/2019/10/aioti-iso-iec-jtc1-etsi-onem2m-and-w3c-collaborate-on-two-joint-white-papers-on-semantic-interoperability-targeting-developers-and-standardization-engineers/

• Integración de datos
• gestión de la semántica empresarial
• Interoperabilidad , un concepto más general.
• Alineación de ontologías
• Computación semántica
• UDEF , Marco de Elementos de Datos Universales

• Glosario de ONTACWG Otras definiciones de interoperabilidad semántica
• Guía MMI: Lograr la interoperabilidad semántica