Semantic Interoperability NATO RTO IST-075 / RTG-034. Vahid Mojtahed FOI, Swedish Defence Research Agency Dept. of Decision Support Systems

Transkript

1 Semantic Interoperability NATO RTO IST-075 / RTG-034, Swedish Defence Research Agency Dept. of Decision Support Systems

2 Interoperability The ability of two or more systems or components to exchange information and to use the information that has been exchanged (IEEE). The ability of systems, units, or forces to provide services to and accept services from other systems, units, or forces, and to use the services so exchanged to enable them to operate effectively together (DoD) 2

3 Levels of interoperability Charles Morris (1938) divides interoperability into three components: Syntactic Interoperability deals with interoperable structures. Semantic Interoperability deals with the interoperability of a common shared meaning. Pragmatic Interoperability deals with the external constraints on the system. It takes into account the level of granularity needed for common understanding and the complexity or difficulty required to achieve a certain level of interoperability. 3

4 Levels of IS interoperability (LISI US DoD) 4

5 Levels of IS interoperability (LISI US DoD) 5

6 The Layers of Coalition Interoprability [Tolk 2003] The four lower levels of the model deal with technical interoperability. The knowledge/awareness level provides a transition between technical interoperability and organizational interoperability, which is represented by the top four levels. 6

7 Levels of Conceptual Interoperability Model (LCIM) [Tolk 2003] Level 5 - Conceptual Level - Common world view (epistemology) - Common view of interrelations between elements Level 4 - Pragmatic/Dynamical level - Information and its use and application (i.e. knowledge) Level 3 - Semantic Level - Data & context (i.e. information) - Common reference models for unambiguous meaning of data Level 2 - Syntactical Level - Standardized data formats (i.e. protocols) Level 1 - Technical Level - Physical connectivity (bits and bytes) 7

8 Social/ Kulturell Tro, förväntningar, åtaganden, kontrakt, lagar och regler Kognitiva domänen Människan Pragmatisk Tolka avsikter, kommunikation, konversation Kognitiva domänen Semantisk Innebörd, utsagor Kognitiva domänen Syntaktisk Formell struktur, språk Meddelandesyntax Teknik Empirisk Mönster, form, brus Protokoll Fysisk Signaler, fysiska skillnader Nätverk Interoperabilitetstrappan [HKV 2006] 8

9 HKV beskriver SI-nivån som: Vid denna interoperabilitetsnivå börjar övergången från tekniska system till människan (kognitiva system). Här måste överenskommelser om meddelandets semantik göras. Semantik handlar om innebörden av data (informationen) i meddelandet. Här måste relationen mellan olika dataelement i meddelandet specificeras och bindande sammanhang för en lyckad tolkning definieras. Hämtat från HKV beteckning :66709, WS 2: Tema interoperabilitet, våren

10 FM Ark definierar SI som Möjligheten för system, förband, eller militära styrkor att tillhandahålla tjänster och acceptera tjänster från andra system, förband, eller militära styrkor samt att använda de utväxlade tjänsterna på ett sådant sätt att de kan operera tillsammans på ett effektivt sätt. 10

11 Semantic interoperability definition Semantic Interoperability is the ability of two or more computer systems to exchange information and have the meaning of that information accurately and automatically interpreted by the receiving system (Wikipedia). Semantic interoperability is about how to achieve mutual understanding of interchanged data, that is share a model of what the data represent. (Ercim) The ability of two independent programs with reasoning capability to arrive at the same conclusions from the same data (Patrick Cassidy) 11

12 Påstående: handlar ytterst om att undvika missförstånd. Konsekvens: Mål: SI är en grundförutsättning för förmågan att kunna delta i internationella operationer tillsammans med andra allierade styrkor. En arkitektur som möjliggör kommunikation utan missförstånd 12

13 NATOs problem Nato har problem med att få en förbättrad interoperabilitet mellan medlemsländernas olika ledningssystem. C3- processen involverar många aktörer som skiljer sig åt på flera sätt: olika organisationer från olika NATO- och icke NATOnationer. olika typer av organisationer, såsom NATO-avdelningar, NATO-styrkor, militära enheter, kommersiella organisationer, media, etc. olika militära högkvarter och enheter, från olika försvarsgrenar och i olika ledningsgrader. 13

14 NATOs insatser NATO har initierat flera arbeten på senare tid för att kunna förstå problemet bättre. Nedan finns några exempel: NATO RTO IST-028 TG-010 on Coalition Information Interoperability IST Workshop on Information Exchange for Coalition Operations NATO RTO SCI Symposium on Architectures for Network-Centric Operations. (SCI - Systems Concepts and Integration) NATO RTO IST-075 RTG-034 on "Semantic Interoperability" 14

15 Members & Schedule IST-075 RTG-034 Nations: BEL, CAN, DEU, ESP, GBR, ITA, NDL, NOR, SWE Organization: NC3A, NURC (NATO Undersea Research Centre) Leading nation: DEU Duration: Three years ( ) Security Level: NATO unclassified, Open to PfP Meetings: (ET) Paris (FRA) Jul 06 (TG) Rome (ITA) Feb 07 (TG) Quebec (CAN) Jun 07 Brussels (BEL) Nov 07 Madrid (ESP) Mar 08 Stockholm (SWE) Jul 08 Workshop: TBD Spring 2008 Symposium: TBD Sep

16 Objectives To exploit experiences on knowledge based procedures, tools and standards To define a best practice for the development, integration, harmonization and fusion of Ontologies. To provide the key pointers for a NATO s best practice for the approach to semantic interoperability. To identify and describe solutions for semantic interoperability problems that are important in the longer term. To show that some of these solutions were practicable, by means of a proofof-concept demonstration, simulation or modelling as appropriate. 16

17 Motivation Interoperability between heterogeneous C4I systems is fundamentally important for the conduct of coalition operations. Ontologies as a means to facilitate semantic interoperability between command and control information systems, simulation systems or knowledge sources at various levels of abstraction. In the Medium-term, harmonization among analogue national efforts and definition of best practices, even common tools or models, could reduce costs and time to create knowledge based systems in NATO nations. In the Long-term, autonomous and automatized systems will require semantic and pragmatic interoperability. 17

18 Outputs and Progress Explore the Ontology field, gaining knowledge and defining a Best Practices for the Life Cycle of Ontologies to support semantic interoperability. How to bring more formal machine-interpretable conceptual models (ontologies)? Identifies the limitations of knowledge based methods / ontologies. Suggests for which kind of applications it makes sense to use knowledge based systems. Defines taxonomy, data model and the levels of completeness of an Ontology. Defines the purposes, properties, degree of abstraction of ontologies on various levels Defines how to build, model, map, maintain, dynamically manipulate an ontology Describes inferring rules that could be used on an ontology Defines how to align / fuse / integrate / prune / reuse / graft existing ontologies Describes tools including their qualities and application areas and make suggestions. 18

19 Outputs and Progress Study and analyze national and organizational initiatives, specially in the military field, for instance comparing JC3IEDM implementations in three different countries Proof-of-concept demonstration for knowledge based semantic interoperability using Ontologies Deliverables Workshop Spring-2008 Symposium Sep-2009 Final report Q1/2010 Possible lecture series 2010 Recommendations to both NATO and civil standards bodies may also be a result from this work 19

20 What IST-075 job is all about Underlying/explicit Data Model A Existing system B C Common Data Model (JC3IEDM-like approach) D Ontology-based semantic interoperability Upper ontologies Common/shared ontologies B Underlying/explicit Data Model A Existing system E Implicit/derived Ontology Exposure F Interpretation Common area/space/knowledge/understanding Shared Truth Ontology operations: pruning and grafting merging/fusion mapping/adaptation Exposure F Interpretation E Implicit/derived Ontology 20

21 Vad är en ontologi? En formell beskrivning av en värld skall vara maskinläsbar skall beskriva en väl avgränsad del av verkligheten Vocabulary + Structure = Taxonomy Taxonomy Relations, limitations and rules + = Ontology A formal, explicit specification of a shared conceptualization 21

22 Varför behövs ontologi? Ger semantik/mening till beskrivningar av världen Fångar de viktiga egenskaperna hos domänen i form av koncept, axiom, regler och relationer Är språk- och representationsoberoende Möjliggör avancerade operationer på information Möjliggör översättningar och jämförelser mellan olika typer av modeller 22

23 Verksamhet på Huvuduppgift: samverka i forskningsgruppen NATO IST- 075/RTG-034 Upprätthålla och utveckla en svensk kompetensgrupp inom området Semantisk Interoperabilitet, vilket är avgörande för: hur efterfrågade vi kommer att vara inom NATO-samarbetet samt i vilken mån vi kan tillgodogöra oss det resultat som produceras där Fokus på ontology engineering och ontologifusion (Ty dessa är kärnan i både arkitekturen och styrande dokument från IST-075) 23

24 Pågående arbete Både militär och civil forskning har genomförts inom detta område Vi studerar för tillfället två civila europeiska forskningsprojekt Dessa projekt är: On-To-Knowledge [ SEKT (Semantically-Enabled Knowledge Technologies) [ Valet motiveras av att: båda projekten syftar till att nyttiggöra ontologier för att höja nivån på semantisk interoperabilitet mellan heterogena system dessa är representativa för en stor mängd forskning inom området: deltagande forskare är väl etablerade Projektdokumentationen tillgänglig och omfattande. 24

25 Arbetsmetodiken Identifiera konkreta detaljer i arkitekturen i de båda EU-projekten (en förteckning över enheter och egenskaper som är centrala för ett kommunikationssystem baserat på en ontologisk ansats) Identifiera krav på den tilltänkta SI-arkitekturen som kan utläsas ur NATO gruppens dokumentation Matcha dessa för att få fram en lista över adekvata arkitekturdetaljer för fördjupningsarbete 25

26 Slutsatser Ontologi (Gemensam begreppsmodell) är ett nödvändigt verktyg för SI En arkitektur behövs för att dra maximal nytta från ontologier Teknologier, verktyg, best practices är omogna, men läget förbättras snabbt Behövs samarbete nationellt och internationellt 26

27 Frågor? 27