Ontology engineering framework for space systems

This work proposes an Ontology Engineering Framework (OEF) for the development and exploitation of a Space System Ontology (SSO) aimed at enabling data sharing among stakeholders throughout the entire system lifecycle. Over the past decade, Model-Based Systems Engineering (MBSE) has become increasingly adopted in space projects; however, interoperability, particularly at the system level across the full lifecycle, remains a significant challenge due to the lack of a shared vocabulary. Data reuse is also affected by the lack of semantic compatibility, especially in customersupplier relationships during product transition processes. Consequently, the definition of a common conceptual data model for space systems and systems engineering is essential to support machine-readable and processable data exchange. Recently, ontologies have gained attention due to their ability to capture the formalized definitions in a tool-independent logical language, enabling consistency checking, automated reasoning, and knowledge inference beyond what is explicitly stated. What differentiates an ontology from an application-specific data-model is that it requires explicit semantics to be understood and used across various applications, and it is shareable among all stakeholders. This enables the interoperability among software applications. Additionally, Semantic Web technologies provide an open infrastructure for intelligent agents, allowing distributed data to be interconnected through reference ontologies. The proposed OEF provides high-level guidance, including principles, best practices, and scope boundaries, to cover all shareable aspects of space systems. It supports data integration from different sources across the system lifecycle through ontologies aligned with Semantic Web technologies. To demonstrate the proposed OEF and validate the feasibility of ontology-based data sharing, a module of the space system ontology (SSO), the wiring harness ontology (WHO) was developed and validated with real satellite project data. In conclusion, the proposed OEF can serve the basis for a formal representation of space systems, promoting the interoperability among tools and promoting the reuse of engineering information. RESUMO: Este trabalho, propõe um framework de engenharia de ontologias (OEF) para o desenvolvimento e exploração de uma Ontologia de Sistemas Espaciais (SSO), visando possibilitar o compartilhamento de dados entre as partes interessadas ao longo de todo o ciclo de vida do sistema espacial. Na última década, a Engenharia de Sistemas Baseada em Modelos (MBSE) tem sido cada vez mais adotada em projetos espaciais; no entanto, a interoperabilidade, particularmente em nível de sistema ao longo de todo o ciclo de vida, permanece um desafio significativo devido à falta de um vocabulário compartilhado. A reutilização de dados também é afetada pela falta de compatibilidade semântica, especialmente nas relações cliente-fornecedor durante os processos de transição de produtos. Consequentemente, a definição de um modelo conceitual de dados comum para sistemas espaciais e engenharia de sistemas é essencial para suportar a troca de dados legíveis e processáveis por máquina. Recentemente, as ontologias ganharam destaque devido à sua capacidade de capturar as definições formalizadas em uma linguagem lógica independente da ferramenta, permitindo verificação de consistência, o raciocínio automatizado e a inferência de conhecimento além do que é explicitamente declarado. O que diferencia uma ontologia de um modelo de dados específico de uma aplicação é que a ontologia requer semântica explícita para ser compreendida e utilizada em diversas aplicações, além de ser compartilhável entre todas as partes interessadas. Isso possibilita a interoperabilidade entre aplicações de software. Adicionalmente, as tecnologias da Web Semântica oferecem uma infraestrutura aberta para agentes inteligentes, permitindo que dados distribuídos sejam interconectados por meio de ontologias de referência. O framework de engenharia de ontologias proposto fornece orientações de alto nível, incluindo princípios, melhores práticas e limites de escopo, para descrever e compartilhar cada aspecto de sistemas espaciais. Este framework suporta a integração de dados de diferentes fontes ao longo do ciclo de vida do sistema espacial. Para demonstrar o framework OEF proposto e validar a viabilidade do compartilhamento de dados baseado em ontologias, um módulo da ontologia de sistemas espaciais (SSO), a ontologia da cablagem foi desenvolvida e validada com dados reais de um projeto de satélite. Em conclusão, o framework OEF proposto pode servir de base para uma representação formal de sistemas espaciais, promovendo a interoperabilidade entre ferramentas e a reutilização de informações de engenharia.