Problémafelvetés

Az épületszerkezetek területén nagyon limitáltak a számítógéppel segített tervezés lehetőségei. Nincsenek a tartószerkezet vagy az épületgépészeti tervezést segítő programokhoz mérhető megoldások. A gyakorlatban a tervezés és a dokumentálás továbbra is kézi rajzokkal (metszet és átnézeti rajzok, részletrajzok, gyártmánytervek stb.) és szöveges specifikációkkal / műleírásokkal történik. Ezen a BIM modellezés is csak igen keveset változtatott.

A nagy adathalmazokon optimalizált mesterséges intelligencia alkalmazások korában szintén probléma, hogy az épületszerkezettan területén igen kevés a jó minőségű adat amit fel lehetne használni ilyen eszközök fejlesztésére. Az épületszerkezeti tervek és az általános épületszerkezettan tudás is jórészt csak emberek által értelmezhető formában létezik.

Hiányoznak a legfontosabb épületszerkezettani fogalmak definíciói, sőt maguknak a fogalmaknak a pontos köre sem tisztázott. Hiányzik bármiféle érdemi séma az épületszerkezeti megoldások speciális kérdéseinek kódolására a digitális modellekben, ami túlmutat a generikus objektumokhoz való metaadatok hozzárendelésén. Bár megfelelő szakértelemmel és kellő mennyiségű kézi rajzzal, felirattal és szöveges dokumentummal minden szükséges információ átadható, de csak másik emberi felhasználók számára akik megfelelő szakmai tudással bírnak. A számítógépes automatizálás lehetősége nem adott.

A digitális modellekből hiányoznak a topológiai információk: az egyes szerkezeti elemek kapcsolatai. A BIM modellezés jórészt csak független térbeli elemek egymás mellé helyezéséből áll a kapcsolatok pontos definíciója nélkül. Ez az elkerülhetetlen numerikus és felhasználói modellezési hibák miatt fizikailag nem értelmezhető / hibás geometriai modelleket eredményez áthatások, hézagok, elcsúszások) melyek ellehetetlenítik az olyan algoritmusok használatát melyek igényelnék ezeket a kapcsolati információt és a hibátlan geometriát (numerikus modellezés).

Hipotézis

Az Épületszerkezettan tudománya és gyakorlata a digitális technológiák korában egyre inkább megszenvedi, hogy nem létezik egy olyan formális "nyelv" amivel többértelműségek vagy ellentmondások és implicit tudás feltételezése nélkül le lehetne írni a szerkezeti megoldásokat. Sokszor még egy szabványos általánosan elfogadott terminológia sem áll a rendelkezésünkre.

Az első hipotézisünk, hogy egy ilyen nyelv megteremtése elengedhetetlen az igazán hatékony (az "egyszerű" rajz és modell szoftvereken túlmutató) számítógéppel és a mesterséges intelligencia segített épületszerkezettani tervezés megvalósításhoz.

Nem gondoljuk, hogy a jelenlegi closed és open BIM formátumok és eszközök alkalmasak lennének erre a célra, vagy praktikusan alkalmassá tehetők lennének. Ezek az adatsémák hosszú évek alapján "szerves" módon fejlődtek ki, és eleve nem olyan módszertant követnek mely egy logikailag konzisztens, a környező diszciplínákkal interoperábilis és fenntarthatóan bővíthető rendszer kifejlesztésére irányulna. A leginkább elterjed open BIM adatséma az IFC formátum rendkívül hiányos az épületszerkezetek leírása tekintetében, fejlesztése egy rendkívül körülményes folyamat. Ezen kívül az egész szerkezete tele van olyan súlyos logikai következetlenségekkel ami erősen megkérdőjelezi, hogy igazán jó alapja lehetne valaha az épületszerkezetek számítógépes algoritmusokkal segített (mind hagyományos és mesterséges intelligence alapú) tervezésének.

A második hipotézisünk, hogy a szükséges leíró nyelvet nem a létező adatsémák alakításával hanem egy formális ontológia létrehozásával lehet legjobban megoldani a BFO felső ontológiára építve és annak elveit követve.

De mi is az hogy ontológia, és mi az a BFO?

Ontológia

Az ontológia eredetileg a metafizika (filozófia) egyik ága, de mi itt most mint egy alkalmazott információelméleti / tudás reprezentációs eszközként használjuk a kifejezést. Az internet korában mindenki és minden iparág bővelkedik az adatokban, de sajnos ez nem jelenti azt, hogy ez az adattömeg számítógépekkel is könnyen feldolgozható, átlátható konzekvens és állandó struktúrájúak, jó minőségű és ellentmondás mentes. Itt lép a képbe az ontológia, mint az egyik lehetséges módszer ennek a problémának a kezelésére.

Barry Smith et al. definíciója szerint: "Egy Ontológia az egy reprezentációs közremek, melynek célja a valóságban előforduló dolgok, univerzális osztályok ... és kapcsolataikban lévő általános leírása, definíciók, axiómák, szabályok és megkötések segítségével". Egy ontológia egyfajta formális nyelv mely egy általános adatsémához képest rendelkezik bizonyos kritikus többlet képességekkel. Mind számítógépek mind pedig emberek számára átlátható struktúra, mely lehetőséget nyújt logikai műveletek végzésére, logikailag konzisztens reprezentációk felépítésére.

Arisztotelész ontológiája az egyik első ontológiai rendszer a filozófiából mely jól mutatja az univerzális osztályok hierarchiáját, és hogy az egyes szinteket differenciálása milyen meghatározó tulajdonságok alapján kell hogy történjen.

Egy ontológia legfontosabb elemei:

• univerzális osztályok hierarchiája (taxonómiája)
• univerzális kapcsolatok hierarchiája (taxonómiája)
• természetes nyelvi definíciók a megértéshez az emberi felhasználók számára
• formális logikai axiómatizáció, mely az algoritmikus feldolgozást lehetővé teszi

Egy ontológia egy terminológiai rendszer, nem egy adatbázis, melyet felhasználva egymással adatcserére képes adatbázisok létrehozása válik lehetségessé (még ha azokat eltérő résztvevők / szervezetek fejlesztik is).

BFO - azaz Basic Formal Ontology

Sajnos az ontológia önmagában nem egy csodafegyver mely minden körülménytől függetlenül biztosítja a fentebb leírt előnyöket. Egy ontológiát is lehet rosszul csinálni. Ha belelkesedve a saját fejünk után elindulva készítünk egy saját ontológiát a területünkre, akkor az pont ugyanazokkal a hátrányokkal fog bírni mint egy akármilyen ad-hoc adatséma. Jól illusztrálja a nehézségeket, hogy a valaha készült ontológiák túlnyomó többsége nincsen igazán használatban és nem hozta teremtett jelentősen jobb applikációkat.

Egy terület azonban ahol az ontológiák használata nagy sikert aratott a modern adat alapú biológia és genetika. A humán genom programmal, és az egyéb élőlények genom vizsgálatával, nem beszélve a csatlakozó egyéb biokémiai kutatási területekről olyan mennyiségű adat keletkezett mely emberek számára nem feldolgozható. Márpedig a legtöbb nyers eredmény természetes (emberi) nyelven írt publikációkban található, méghozzá a világ legkülönbözőbb nyelvterületeiről. Egy tudomány folyamatosan fejlődő határterületén hogyan biztosítható az eredmények átláthatósága, kereshetősége és feldolgozása, ha még a beszélt / írt szaknyelv terminológiája sem rögzített?

A Gene Ontology, mely valójában egy több ontológiából álló egységes rendszer, pont ennek a problémának az orvoslására született és aratott nagy sikert. Képzeljünk egy olyan egységes formális terminológiai rendszert mellyel minden konkrét eredmény megcímkézhető, az így létrejött adatbázisok pedig ezekkel a nyilvános és köztudott címkékkel könnyedén kereshetők és szűrhetők, függetlenül az egyes kutatók és publikációk, jelentések nyelvétől, nyelvhelyességétől és egyéni kis következetlenségeitől. Az ontológiai osztályok és kapcsolatok logikai struktúrája pedig még több flexibilitást és még több lehetőséget nyújtanak az egyes elemek közötti formális logikai összefüggések révén.

A BFO, azaz Basic Formal Ontology ennek az ontológiai műhelynek a "mellékterméke", mely a konkrét biológiai és genetikai területtől független konkrét és módszertani eredményeket foglalja magába. A legfontosabb módszertani tanulság ontológiák készítéséhez: moduláris és átjárható rendszereket kell készíteni. Sem egy ember, sem egy kutató csapat, sem akár egy egész tudomány vagy műszaki terület nem képes az egész valóságot lefedő ontológiát készíteni. Az ontológia lehatárolása fontos, de önmagában szintén nem elegendő. Fell kell tudni használni mások eredményeit, átjárhatóságat kell tudni biztosítani a határterületek ontológiai rendszereivel, stb. Ezért az ontológiáknak maguknak is egy hierarchiába kell rendeződniük: az általánostól az egyre konkrétabb felé, mindig a felsőbb szintek rendszerét megtartva és azok eredményeit felhasználva.

A BFO mint ontológia egy legfelsőbb szintű, mely minden konkrét területtől független osztályokat és kapcsolatokat tartalmaz, mely azóta ISO szabvánnyá is vált:ISO/IEC 21838-2:2021 Information technology Top-level ontologies (TLO) Part 2: Basic Formal Ontology (BFO).

A kutatás célja

A kutatás célja egy prototípus nyelv alapjainak megteremtése, mely képes az épületszerkezetek a számítógépek számára is egyértelmű leírására, és így a számítógéppel segített épületszerkezettani tervezés előmozdítására. Nem célunk, és nem is lennénk képesek, a jelenlegi BIM rendszereknek alternatívát képezni, hanem egy kiegészítő technológiát akarunk létrehozni egy speciális területre.

Az Épületszerkezettan önmagában is egy hatalmas terület, mely más szakági területeivel áthatásban van (tartószerkezet tervezés, épületgépészet, anyagtan stb.). Ezért a fent említett alapelveknek megfelelően nem egy mindent lefedő de szubjektív és szeparált, hanem egy moduláris és a megfelelő szakmai csoportok által mélyíthető rendszert szeretnénk kialakítani.

Módszertan

A kutatási program alapja a különböző ontológia fejlesztő módszerek (első sorban a BFO), felső ontológiák és a műszaki területeknél releváns felsőbb szintű (de nem legfelsőbb) referencia ontológiák megismerése (pl. Common Core Ontologies, Industrial Ontologies Foundry, stb.).

A kutatás fontos része a létező releváns / határos domén (építés, épületszerkezetek) ontológiák, terminológiák és hasonló rendszerek megismerése és értékelése az épületszerkezetek ontológiai rendszerében történő esetleges felhasználhatóság szempontjából. A teljesség igénye nélkül:

• BTO - Building Topology Ontology
• BIMSO - BIM Shared Ontology
• E-Cognos
• SIMULTAN
• DICO - Digital Construction Ontologies

Fotos lépés lesz annak az ontológiai környezetnek a meghatározása melybe az új ontológia csatlakozni akar majd. Ez a szakirodalom megismerésén túl az adott ontológiai kutatócsoportok megismerését és kapcsolatok kiépítését is jelenti.

Mindeközben pedig megpróbáltuk lehatárolni azon legfontosabb osztályokat és kapcsolatokat melyeknek egy épületszerkezet ontológiában helyet kell kapjanak a felső szinten. Vagy mint saját új elemek, vagy felsőbb vagy környező ontológiákból importálva.

Szintén célunk a proto ontológiára épülő egyszerű számítógépes applikációk létrehozása, melyekkel tesztelni és demonstrálni lehet a rendszer működését és hasznosságát az épületszerkezetek számítógéppel segített tervezésében.

BCON - Building Construction (proto) Ontology

Mindezek alapján létrehoztunk egy kisméretű "proof of concept" proto ontológiát: BCON, azaz Building Construction Ontology. Ez a proto ontológia a BFO-hoz igazodik mint legfelső ontológia, de egyelőre nem hoz döntést, hogy milyen alacsonyabb szintű általános ontológiai rendszer része legyen. Ahol az épületszerkezettan tárgyánál általánosabb elemeket is tartalmaz, ott jelzi, hogy ezeket a későbbiekben nem kívánja önmaga definiálni, hanem egy alkalmas rendszerből átvenni.

A proto ontológia alapos ismertetéséhez elengedhetetlen legalább a BFO ontológia ismerete. Mivel erre itt nincs mód, ezért csak felsorolás szerűen a proto ontológia legfontosabb területei:

• Materiális entitások - Épületek, Épületszerkezeti objektumok, termékek, építőanyagok, materiális valósággal rendelkező csatlakozási felületek (nem pusztán elvi síkok) és rendszerek
• Funkciók - azon funkciók amelyek betöltésére az épületszerkezeti rendszereket létrehozzuk
• Kvalitások és Diszpozíciók - az épületszerkezeti materiális entitások tulajdonságai és diszpozíciói
• Folyamatok - az épületszerkezetek életciklusának folyamatai, beleértve az építés, működés, átalakítás / felújítás és potenciálisan a bontás folyamatai
• Információs entitások - az épületszerkezettan területén használt olyan információs entitások, melyek leíró kapcsolatban vannak valós szerkezetekkel (pl. klasszifikációs rendszerek, stb.)

A Proto ontológiai itt érhető el.