Desarrollo de prototipo de ontología para representación del conocimiento sobre caracterización y monitoreo de amenazas del volcán Tungurahua en el cantón Baños

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS Y DE COMPUTACIÓN. DESARROLLO DE PROTOTIPO DE ONTOLOGÍA PARA REPRESENTACIÓN DEL CONOCIMIENTO SOBRE CARACTERIZACIÓN Y MONITOREO DE AMENAZAS DEL VOLCÁN TUNGURAHUA EN EL CANTÓN BAÑOS. PROYECTO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN SISTEMAS Y DE COMPUTACIÓN. FABRICIO ANDRÉS ZULES ACOSTA [email protected]. Director: Ing. Sandra P. Sánchez, MSc. [email protected] 2013.

(2) ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS Y DE COMPUTACIÓN ORDEN DE ENCUADERNACIÓN De acuerdo con lo estipulado en el Art. 17 del instructivo para la Aplicación del Reglamento del Sistema de Estudios, dictado por la Comisión de Docencia y Bienestar Estudiantil el 9 de agosto del 2000, y una vez comprobado que se han realizado las correcciones, modificaciones y más sugerencias realizadas por los miembros del Tribunal Examinador al informe del proyecto de titulación presentado por FABRICIO ANDRÉS ZULES ACOSTA. Se emite la presente orden de empastado, con fecha: Para constancia firman los miembros del Tribunal Examinador:. NOMBRE Ing. Sandra P. Sánchez.. FUNCIÓN Director Examinador Examinador. _________________________ Ing. Carlos Montenegro DECANO. FIRMA.

(3) DECLARACIÓN. Yo, Fabricio Andrés Zules Acosta, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La. Escuela. Politécnica. Nacional. puede. hacer. uso. de. los. derechos. correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. Fabricio Andrés Zules Acosta.

(4) CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Fabricio Andrés Zules Acosta, bajo mi supervisión.. Ing. Sandra P. Sánchez, MSc. DIRECTORA.

(5) AGRADECIMIENTOS A la vida por la darme la ocasión de compartir el presente trabajo;. A la Escuela Politécnica Nacional y todos sus miembros por permitir con su esfuerzo diario mi desarrollo profesional integral; A mis profesores por su paciencia y entrega que día a día me permitieron adquirir las competencias necesarias para culminar mi carrera académica; A mi tutora Sandra que ha sabido guiarme en el desarrollo de mi proyecto de titulación no solo como profesora sino como una amiga. A todas las personas que de una u otra manera contribuyeron en la culminación del presente trabajo y con él de mis sueños profesionales. Andrés.

(6) DEDICATORIA. Dedico el presente proyecto de titulación a mis padres, Fabricio y Sandra, por cumplir con sus deberes más allá de lo esperado, permitiendo desarrollarme personal y profesionalmente a plenitud. A mis hermanas, Catalina y Laura, y en general a familia por mostrarme siempre amor incondicional y apoyo continuo para cumplir con mis objetivos de vida; A mis amigos; Fabricio, Lenin y Roberto; y demás compañeros por siempre estar en los momentos difíciles y demostrar siempre un interés genuino sin esperar nada a cambio; A todas las personas que ya no están junto a mí pero que han dejado una huella indeleble en mis pensamientos y sentimientos. Andrés.

(7) ÍNDICE DE CONTENIDO. LISTA DE FIGURAS ……………………………...……………………………………… i LISTA DE TABLAS …………………………….………..…..………………...………… ii RESUMEN…………………………….…….………….………………………………… iii 1. CARACTERIZACIÓN Y MONITOREO DE AMENAZAS VOLCÁNICAS 1. 1.1. EXPLORACIÓN. DEL. CONOCIMIENTO. SOBRE. AMENAZAS. VOLCÁNICAS .................................................................................................................... 1 1.1.1. Conceptos generales sobre análisis de riesgos ................................................... 1. 1.1.1.1. Amenaza o Peligro ................................................................................................ 1. 1.1.1.2. Desastre ................................................................................................................. 2. 1.1.1.3. Riesgo ................................................................................................................... 2. 1.1.1.4. Vulnerabilidad ....................................................................................................... 2. 1.1.2. Amenazas o Peligros Volcánicos del Volcán Tungurahua ............................... 3. 1.1.2.1. Gases Volcánicos .................................................................................................. 3. 1.1.2.2. Caída de piroclásticos ........................................................................................... 3. 1.1.2.3. Flujos de lodo y escombros (lahares) .................................................................... 4. 1.1.2.4. Flujos piroclásticos (nubes ardientes) ................................................................... 4. 1.1.2.5. Flujos y domos de lava ......................................................................................... 4. 1.1.2.6. Avalanchas de escombros ..................................................................................... 5. 1.1.2.7. Sismos volcánicos ................................................................................................. 5. 1.1.3. Limitación del área geográfica ........................................................................... 5. 1.2. INFRAESTRUCTURA DE DATOS DISPONIBLE ........................................ 7. 1.2.1. Monitoreo Volcánico ........................................................................................... 8. 1.2.1.1. Vigilancia por observación ................................................................................... 8. 1.2.1.2. Vigilancia instrumental ......................................................................................... 8. 1.2.1.2.1 Monitoreo sísmico ................................................................................................ 8 1.2.1.2.2 Monitoreo de la deformación del suelo................................................................. 9.

(8) 1.2.1.2.3 Monitoreo geoquímico .......................................................................................... 9 1.2.1.2.4 Otros .................................................................................................................... 10 1.2.2. Centro Nacional de Datos ................................................................................. 10. 1.2.3. Mapa de amenazas del volcán Tungurahua .................................................... 11. 2. DISEÑO DE LA ONTOLOGÍA....................................................................... 15. 2.1. INGENIERÍA ONTOLÓGICA ....................................................................... 15. 2.1.1. Comparación de Metodologías ......................................................................... 15. 2.1.2. UPON .................................................................................................................. 15. 2.1.2.1. Flujo de Trabajo de Requerimientos ................................................................... 18. 2.1.2.1.1 Determinar el dominio de interés y el alcance .................................................... 19 2.1.2.1.2 Definir el propósito del negocio ......................................................................... 20 2.1.2.1.3 Escribir guiones gráficos ..................................................................................... 20 2.1.2.1.4 Crear el Léxico de Aplicación (AL) ................................................................... 20 2.1.2.1.5 Identificar Preguntas de competencia (CQ) ........................................................ 21 2.1.2.1.6 Identificar y priorizar Casos de Usos (UC) ......................................................... 21 2.1.2.2. Flujo de Trabajo de Análisis ............................................................................... 24. 2.1.2.2.1 Adquirir recursos de dominio y construir el Léxico de Dominio (DL) .............. 24 2.1.2.2.2 Construir el Léxico de Referencia (RL) .............................................................. 25 2.1.2.2.3 Modelar Escenario de Aplicación usando UML ................................................. 26 2.1.2.2.4 Construir el Glosario de Referencia (RG) .......................................................... 26 2.1.2.3. Flujo de Trabajo de Diseño ................................................................................. 27. 2.1.2.3.1 Modelación de Conceptos ................................................................................... 27 2.1.2.3.2 Modelación de la Jerarquía de Conceptos y Relaciones Específicas de Dominio28 2.1.2.4. Flujo de Trabajo de Implementación .................................................................. 29. 2.1.2.5. Flujo de Trabajo de Pruebas................................................................................ 30. 2.1.2.6. Ciclo UPON ........................................................................................................ 32. 2.2. ESQUEMA ONTOLÓGICO ............................................................................ 36. 2.2.1. Artefactos del Flujo de Trabajo de Requerimientos ...................................... 36. 2.2.1.1. Léxico de Aplicación (AL) ................................................................................. 36. 2.2.1.2. Preguntas de competencia (CQ) .......................................................................... 38. 2.2.1.3. Casos de Usos (UC) ............................................................................................ 39. 2.2.2. Artefactos del Flujo de Trabajo de Análisis.................................................... 44. 2.2.2.1. Léxico de Dominio (DL) .................................................................................... 44.

(9) 2.2.2.2. Léxico de Referencia (RL) .................................................................................. 47. 2.2.2.3. Diagramas UML de Clases y Actividades .......................................................... 48. 2.2.2.4. Glosario de Referencia (RG)............................................................................... 50. 2.2.3. Artefactos del Flujo de Trabajo de Diseño ...................................................... 53. 2.2.3.1. Red Semántica/Esquema Ontológico .................................................................. 53. 3. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO .......................................................... 55. 3.1. HERRAMIENTAS Y LENGUAJES ............................................................... 55. 3.1.1. Lenguaje Ontológico ......................................................................................... 55. 3.1.2. Editor Ontológico .............................................................................................. 55. 3.1.3. IDE web .............................................................................................................. 56. 3.2. COMPONENTES DEL PROTOTIPO ............................................................ 57. 3.3. PRUEBAS Y VALIDACIÓN ........................................................................... 60. 3.3.1. Calidad Práctica ................................................................................................ 60. 3.3.1.1. Fidelidad ............................................................................................................. 60. 3.3.1.2. Relevancia y Completitud ................................................................................... 61. 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................. 64. 4.1. CONCLUSIONES ............................................................................................. 64. 4.2. RECOMENDACIONES ................................................................................... 65. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... 66 ANEXOS ............................................................................................................................ 69 ANEXO A: ONTOLOGÍA EN FORMATO OWL 2.0 .................................................. 69 ANEXO B: ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD PRÁCTICA.............................. 69 ANEXO B: ESTÁNDAR IEEE 1074 ............................................................................... 69.

(10) i. LISTA DE FIGURAS. Figura 1 – Cantones de la Provincia Tungurahua.................................................................. 6 Figura 2 – Parroquias del Cantón Baños de Agua Santa ....................................................... 7 Figura 3 – Peligros Volcánicos del Volcán Tungurahua según el Centro Nacional de Datos ............................................................................................................................................. 11 Figura 4 – Mapa de Lahares, Flujos Piroclásticos y Flujos de Lava ................................... 12 Figura 5 – Mapa de Caídas de Piroclásticos y Avalanchas de escombros .......................... 13 Figura 6 – Mapa de Lahares, Flujos Piroclásticos, Flujos de Lava, Caídas de Piroclásticos y Avalanchas de escombros.................................................................................................... 14 Figura 7 – Una representación esquemática del proceso UPON ......................................... 17 Figura 8 – Flujo de Trabajo UPON y participación de ingenieros ontológicos .................. 18 Figura 9 – Caso de Uso de la Pregunta de Competencia #4 ................................................ 22 Figura 10 – Resumen del Flujo de Trabajo de requerimientos............................................ 24 Figura 11 – Proceso de construcción del Léxico de Referencia .......................................... 26 Figura 12 – Resumen del Flujo de Trabajo de análisis........................................................ 27 Figura 13 – Resumen del Flujo de Trabajo de diseño ......................................................... 29 Figura 14 – Resumen del Flujo de Trabajo de implementación .......................................... 30 Figura 15 – Resumen del Flujo de Trabajo de pruebas ....................................................... 32 Figura 16 – Resumen del proceso UPON ............................................................................ 33 Figura 17 – Diagramas de casos de uso que responden las preguntas de competencia ...... 42 Figura 18 – Agrupación y priorización de casos de uso ...................................................... 43 Figura 19 – Interfaz gráfica de la aplicación web ............................................................... 62.

(11) ii. LISTA DE TABLAS. Tabla 1- Población del Cantón Tungurahua por Parroquia ................................................... 7 Tabla 2- Cuadro comparativo de diferentes procesos con respecto al estándar IEEE 1074 16 Tabla 3- Extracto del Léxico de Aplicación ........................................................................ 21 Tabla 4- Ejemplos de Preguntas de Competencia ............................................................... 21 Tabla 5- Un extracto del Léxico de Dominio ...................................................................... 25 Tabla 6- Resumen de Flujos de trabajo y tareas. ................................................................. 34 Tabla 7- Léxico de Aplicación. ........................................................................................... 37 Tabla 8- Preguntas de competencia. .................................................................................... 38 Tabla 9- Léxico de Dominio................................................................................................ 44 Tabla 10- Intersección del Léxico de Aplicación y del Léxico de Dominio. ...................... 47 Tabla 11- Léxico de Referencia........................................................................................... 48 Tabla 12- Glosario de referencia ......................................................................................... 50.

(12) iii. RESUMEN El Proyecto de Titulación tiene como finalidad la elaboración de un prototipo de ontología para la caracterización y monitoreo de las amenazas del volcán Tungurahua en el cantón Baños de Agua Santa. Para ello el conocimiento; que fue adquirido por medio de los distintos expertos de dominio, estándares, otras ontologías y demás publicaciones; es modelado ontológicamente para dar a los datos un significado semántico. En el primer capítulo se explora el conocimiento existente acerca de las amenazas o peligros volcánicos, así como también los términos relacionados al análisis de riesgo, además se limita la zona geográfica. Posteriormente se realiza un inventario sobre las distintas fuentes de datos disponibles finalizando con el mapa de peligros generados por el volcán Tungurahua. En el segundo capítulo, luego de comparar las distintas metodologías de desarrollo ontológico, se procede a explicar la metodología UPON. Su explicación se la realiza basado en la documentación de la metodología y en el propio desarrollo de la ontología motivo de este proyecto de titulación. En el tercer capítulo se explica las herramientas y lenguajes utilizados en la implementación de la ontología. A si mismo se procede a demostrar la viabilidad y utilidad de dicho trabajo por medio de una aplicación web que usa la ontología desarrollada. En el cuarto y último capítulo se procede a describir las recomendaciones de trabajo a futuro y las conclusiones obtenidas luego de desarrollar el presente trabajo. Palabras clave: Ingeniería Ontológica. Amenazas Volcánicas. Volcán Tungurahua. UPON..

(13) iv Palabras clave: Ingeniería Ontológica. Amenazas Volcánicas..

(14) 1. 1 Caracterización y monitoreo de amenazas volcánicas 1.1 Exploración del conocimiento sobre amenazas volcánicas En 1996, Stanley Henry Kaplan promulgó dos teoremas sobre la comunicación. El primer teorema indica que el 50% de los problemas en el mundo son causados porque las personas usan la misma palabra con diferentes significados. El segundo teorema señala que el otro 50% de los problemas son causados porque las personas usan diferentes palabras con el mismo significado. (Kaplan, 1996) Tomando en cuenta estos teoremas se infiere que la mayoría de problemas, dentro del campo de la comunicación, pueden ser eliminados al construir un conjunto de términos y definiciones comunes para ser usados por los actores de la comunicación. Por ello, la importancia de definir adecuadamente los términos del dominio de las amenazas volcánicas. 1.1.1 Conceptos generales sobre análisis de riesgos 1.1.1.1 Amenaza o Peligro Según Federal Emergency Management Agency (FEMA) de los EE.UU. una amenaza es cualquier evento o condición física que tiene la potencialidad de causar muertes; lesiones; daños a la propiedad, infraestructura o al medio ambiente; pérdida de cultivos;. paralización de. negocios; en general cualquier tipo de daño o pérdida. Según John C. Pine las amenazas se pueden clasificar según su origen: (Pine, 2009). ·. Naturales.- Son todos aquellos eventos causados por las fuerzas de la naturaleza, por ejemplo huracanes, terremotos, erupciones volcánicas, derrumbes, deslaves, terremotos, incendios, etc.. ·. Tecnológicos.- Eventos causados accidentalmente por el uso de tecnologías, tales como derrames de materiales peligrosos, accidentes en plantas nucleares, cortes de energía, etc..

(15) 2. ·. Inducidos.- Eventos no accidentales que son provocados o inducidos por personas con el ánimo de causar daños, entre otros se puede mencionar actos terroristas, bombas, armas de destrucción masiva, armamento, bioquímicos.. ·. Compuestos.- Son aquellas amenazas resultantes de la combinación de los tipos de amenazas arriba descritos, un ejemplo podría ser los incendios causados por terremotos.. A pesar que se han clasificado las amenazas, el hecho que varias amenazas interactúan entre ellas provoca que la clasificación de amenazas complejas pudiera ser también compleja. 1.1.1.2 Desastre Pearce definió un desastre como cualquier evento no rutinario que excede la capacidad del. área afectada para responder e impedir pérdidas tanto humanas como materiales y mantener la estabilidad social, ecológica, política y económica de la región afectada. (Pearce, 2000) 1.1.1.3 Riesgo El riesgo de desastre es la probabilidad de ocurrencia de un evento que puede causar daño (amenaza) dentro de un periodo determinado de tiempo. Siguiendo esta interpretación de riesgo, FEMA ha descrito el riesgo de inundaciones como de 100 a 500 inundaciones por año. (Pine, 2009) Sin embargo se ha tomado su definición dentro del contexto del análisis de riesgos que lo define como la probabilidad de severidad de un impacto. 1.1.1.4 Vulnerabilidad En el contexto del análisis de la vulnerabilidad, Emergency Management Australia ha definido a la vulnerabilidad como el grado de susceptibilidad y resilencia de la comunidad y el entorno frente a las amenazas. El análisis de vulnerabilidad identifica las áreas geográficas que pueden ser afectadas por una eventual amenaza incluyendo a personas, infraestructura y entorno. (Pine, 2009).

(16) 3. 1.1.2 Amenazas o Peligros Volcánicos del Volcán Tungurahua La autoridad técnica para el seguimiento de las posibles amenazas volcánicas en el territorio nacional es el Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional (IGEPN), citado como fuente por renombradas iniciativas internacionales como el Programa Global de Vulcanismo (Global Volcanism Program) de la Institución Smithsonian. Específicamente el IGEPN ha realizado una publicación para la comunidad con todas las amenazas volcánicas del volcán Tungurahua, en las que se encuentran las siguientes ordenadas según su frecuencia (Le Pennec & Yepes, Los Peligros Volcánicos asociados con el Tungurahua, 2005): 1.1.2.1 Gases Volcánicos Los gases volcánicos son comúnmente detectados antes, durante y después de erupciones volcánicas. Los gases emitidos por el volcán Tungurahua son en general: vapor de agua, dióxido de azufre (SO2), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), que pueden acumularse en depresiones y partes bajas alcanzando concentraciones letales. Otros gases como el flúor y el azufre se adhieren a la ceniza que posteriormente produce la contaminación del suelo y aguas superficiales. Y por último los gases de la columna eruptiva se pueden mezclar con el agua atmosférica y provocar lluvias ácidas. 1.1.2.2 Caída de piroclásticos El material piroclástico es la ceniza, fragmentos de roca y piedra pómez que durante la erupción volcánica son expulsados desde el cráter en conjunto con los gases volcánicos. Mientras los fragmentos de roca y piedra pómez de gran tamaño siguen trayectorias balísticas y caen cerca del cráter, la ceniza y pequeñas partículas son llevadas por el viento afectando una mayor área. El área de impacto de esta amenaza volcánica está determinada por varias características como el volumen del material emitido, la intensidad y duración de la erupción, la dirección y la velocidad del viento y la distancia al punto de emisión. Mientras que su impacto depende principalmente del espesor del material acumulado y si este se mezcla con agua..

(17) 4. 1.1.2.3 Flujos de lodo y escombros (lahares) Los lahares son definidos como la mezcla de materiales volcánicos como rocas, piedras pómez, arena, escombros piroclásticos que son arrastrados al mezclarse con el agua que proviene de la lluvia o la fusión de la nieve del casquete glaciar. Estos flujos suelen moverse ladera abajo por los drenajes existentes hasta 100 km/h. Su impacto está determinado por el volumen de agua y de los materiales sueltos disponibles, sin embargo las personas alcanzadas por un lahar tiene muy pocas posibilidades de sobrevivir, por lo cual en una erupción volcánica se recomienda evitar los drenajes como pueden ser los fondos de las quebradas. 1.1.2.4 Flujos piroclásticos (nubes ardientes) Los flujos piroclásticos son mezclas de alta temperatura (hasta 1000 grados centígrados) de gases, ceniza y fragmentos de roca, que descienden por los flancos del volcán hasta 250 km/h. Generalmente las nubes ardientes ocurren en erupciones grandes y explosivas. Por su densidad se compone de dos elementos principales: uno inferior, muy denso, constituido por fragmentos de roca y uno superior y lateral, menos denso y de mayor volumen constituido por ceniza y gases que puede alcanzar alturas importantes alcanzando incluso relieves importantes. Son catalogadas como la amenaza más letal ya que la mayoría de personas tienen muy poca probabilidad de sobrevivir, por esta razón y porque no se puede determinar con exactitud el momento de su generación, su extensión y su tamaño, las evacuaciones se deben dar con horas e incluso días de anticipación. 1.1.2.5 Flujos y domos de lava Los flujos de lava son derrames de roca fundida que se originan cuando el magma es muy fluido y por lo tanto puede fluir por las pendientes del volcán a bajas velocidades (decenas y raramente de centenas de m/h). Las erupciones volcánicas que producen esta amenaza son poco explosivas debido a que el magma tiene bajo contenido de gases. El movimiento de los flujos de lava pueden ser predecibles debido a su baja velocidad por lo que no representan una amenaza para las vidas humanas, sin embargo pueden causar la destrucción total de infraestructura física..

(18) 5 Un domo de lava son acumulaciones de lava originados en cráteres del volcán y se forman cuando el magma es muy viscoso a diferencia de los flujos de lava. Los domos o flujos de lava pueden colapsar en volcanes con pendientes muy importantes como el Tungurahua generando pequeños flujos piroclásticos de boques y ceniza. 1.1.2.6 Avalanchas de escombros Las avalanchas de escombros son grandes deslizamientos que pueden ocurrir en un sector del volcán, producidos por la inestabilidad de los flancos del mismo. Suelen originarse por el ascenso de gran cantidad de magma en el edificio volcánico, a un sismo de gran magnitud en las cercanías del volcán, inducida por la alteración hidrotermal. Su frecuencia es muy baja, aproximadamente un evento cada varios miles de años o incluso más; sin embargo pequeñas avalanchas suelen ocurrir cada centenar de años. 1.1.2.7 Sismos volcánicos En las semanas o meses antes y durante las erupciones volcánicas pueden ocurrir microsismos en las cercanías o en el cono del volcán. Estos sismos permiten a los científicos comprender mejor los procesos magmáticos internos del volcán y predecirlos. Suelen ocurrir por la fracturación de las rocas al interior del volcán o por el movimiento del magma o de gases magmáticos en el interior del edificio volcánico (Le Pennec & Yepes, Los Peligros Volcánicos asociados con el Tungurahua, 2005). No es habitual que los sismos del volcán Tungurahua afecten a la infraestructura a pesar de ser sentidos por la población. Se catalogará este evento volcánico como amenaza volcánica (a pesar que no produce ningún impacto y es muy improbable considerando la historia eruptiva del volcán Tungurahua) por su importancia científica y porque no está descartada la posibilidad de sismos de mayor magnitud que puedan producir algún tipo de impacto. 1.1.3 Limitación del área geográfica Para la presente investigación, el cantón Baños de Agua Santa es la zona territorial en la cual se enfoca el impacto de las amenazas volcánicas citadas anteriormente. Este cantón es uno de los nueve cantones de la provincia de Tungurahua. En la figura 1, se muestran los diferentes cantones de la provincia de Tungurahua..

(19) 6. Figura 1 – Cantones de la Provincia Tungurahua (INEC, 2010). El cantón Baños de Agua Santa consta de una parroquia urbana: Baños de Agua Santa; y cuatro parroquias rurales: Lligua, Río Negro, Río Verde y Ulba; las cuales son identificadas en la figura 2..

(20) 7. Figura 2 – Parroquias del Cantón Baños de Agua Santa (INEC, 2010). Según el censo de población y vivienda del 2010 esta área comprende un total de 20.018 personas distribuidas de la forma mostrada en la tabla 1. Tabla 1- Población del Cantón Tungurahua por Parroquia Cantón. Población. %. Baños. 14.653. 73,20%. Lligua. 280. 1,40%. Río Negro. 1.246. 6,22%. Río Verde. 1.307. 6,53%. Ulba. 2.532. 12,65%. Total. 20.018. 100,00%. Realizado por el autor con los datos de (INEC, 2010). 1.2 Infraestructura de datos disponible Tomando en consideración el concepto de infraestructura como el conjunto de elementos o servicios que se consideran necesarios para el funcionamiento de una organización o para el desarrollo de una actividad (Real Academia Española) se especifica que la infraestructura de datos disponible es el conjunto de datos aprovechables para el análisis,.

(21) 8 alojado en cualquier formato y dispositivo de almacenamiento. De esta manera se cita varios recursos: 1.2.1 Monitoreo Volcánico El monitoreo volcánico es el proceso de registro de cambios físicos y químicos del sistema magmático a largo plazo, para tratar de predecir cualquier amenaza causada en una eventual erupción volcánica. Estos cambios se pueden registrar tanto por observación visual o instrumentalmente. (Le Pennec & Yepes, Los Peligros Volcánicos asociados con el Tungurahua, 2005) 1.2.1.1 Vigilancia por observación Es la que se da normalmente por la población ya que los cambios en la actividad del volcán pueden ser detectados por los sentidos. Sin embargo este monitoreo puede ser reforzado por tecnologías de la información como el uso de imágenes satelitales o sistemas de seguimiento de incidentes como Desinventar (Corporación OSSO, 2012) o el Centro Nacional de Datos (EPN, Instituto Geofísico EPN - Centro Nacional de Datos, 2011). El OVT cuenta con una cámara de video telemétrica a tiempo real para las observaciones al volcán desde el sur occidente, cerca de Bayushig. 1.2.1.2 Vigilancia instrumental La vigilancia instrumental consiste en utilizar instrumentos de medición, sensibles y especializados, para detectar cambios físico-químicos que generalmente son imperceptibles por los sentidos humanos. Entre los instrumentos especializados que cuenta el IGEPN para el monitoreo instrumental del volcán Tungurahua, pertenecientes al Observatorio Volcánico Tungurahua (OVT), establecido desde septiembre de 1999, se encuentran los siguientes (EPN, Observatorio del Volcán Tungurahua (OVT), 2010): 1.2.1.2.1 Monitoreo sísmico El monitoreo sísmico es la detección de las vibraciones del suelo (sismos). Los instrumentos de medición especializados en su detección son los sismómetros. El volcán Tungurahua frecuentemente tiene sismos del tipo: Volcano-Tectónicos (VT) que corresponden a la formación o propagación de fracturas o fallas y permiten estudiar la.

(22) 9 estructura interna del volcán; Sismos de Largo Período (LP) que corresponden al movimiento de gases magmáticos o magma dentro del edificio; Tremor volcánico que corresponde a una vibración de larga duración asociada al movimiento o a la salida de gases a altas presiones; y sismos híbridos que presentan varios tipos de señales sísmicas. Para el monitoreo sísmico el OVT cuenta con los siguientes instrumentos (EPN, Observatorio del Volcán Tungurahua (OVT), 2010): ·. Siete estaciones con sismómetros verticales de 1Hz ubicados en los flancos del volcán.. ·. Cinco sismómetros de banda ancha CMG-40T 60 seg-50Hz tres componentes.. ·. Un sismómetro Lenartz 5 seg-50 Hz, tres componentes.. ·. Cinco micrófonos para infrasonido.. 1.2.1.2.2 Monitoreo de la deformación del suelo Es la detección de cambios en la topografía del edificio volcánico. Existen diferentes métodos para medir esta deformación, pero en el caso del volcán Tungurahua se usan principalmente dos: La distaciometría electrónica o EDM que se basa en la medida de la distancia horizontal entre una base fija y un punto reflector que se encuentra en el edificio volcánico. Y la inclinometría electrónica que mide los cambios en la pendiente del cono volcánico. Para este fin el OVT cuenta con cinco bases que controlan cinco líneas de medición en el caso del EDM y tres inclinómetros ubicados en estaciones cercanas al volcán Tungurahua. Además se cuenta con cuatro GPS de doble frecuencia. 1.2.1.2.3 Monitoreo geoquímico El monitoreo geoquímico consiste en determinar cambios en la composición química de las fumarolas y de las fuentes termales. Estos cambios pueden estar relacionados con el movimiento o el ascenso del magma bajo un volcán. En el caso de las mediciones de las fumarolas, y debido a su dificultad y peligrosidad se utiliza un Espectrómetro de Correlación (COSPEC), que determina la concentración de SO2 en la columna de emisión. Otro de los instrumentos de medición con los que cuenta el OVT con tres Espectroscopios de Absorción Óptica Diferencial (DOAS) fijas y una móvil que a diferencia del COSPEC permiten el monitoreo de gases volcánicos en tiempo real. Además se cuenta con una.

(23) 10 estación de espectroscopia Infrarroja-Transformada de Fourier (FTIR) móvil que mide tasas relativas de emisión de diferentes gases. También se cuenta con la información proporcionada por el Instrumento de Monitorización de Ozono (OMI) a través de satélites operados por la NASA, que permite obtener imágenes de la emisión y dispersión de SO2. 1.2.1.2.4 Otros Para el monitoreo de los Lahares se cuenta con un pluviómetro y siete estaciones telemétricas. Además para poder conocer, entre otros parámetros, la dirección y velocidad del viento en el sector occidental del volcán, la temperatura, presión, humedad relativa y nivel de precipitación; se cuenta con una estación meteorológica ubicada cerca de Humbaló, estos datos son importantes para la alerta de caída de ceniza y el cálculo de concentración de gases. En adición se poseen 20 recipientes (cenizómetros) destinados para el monitoreo de caída de ceniza. Por último cuentan con una cámara infrarroja, una termocupla, un termómetro láser y un equipo de observación visual: visor nocturno, binoculares, cámara fotográfica de gran alcance, cámara de video. 1.2.2 Centro Nacional de Datos El Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional, en un esfuerzo por documentar y centralizar la información acerca de los volcanes del Ecuador, ha creado el Centro Nacional de Datos (EPN, Instituto Geofísico EPN - Centro Nacional de Datos, 2011). La aplicación web en donde se publica la información está dividida en 3 secciones: Datos, Gráficos y Mapas, de las cuales Gráficos y Mapas aún se encuentran en construcción. En la sección de Datos se encuentra el Origen de los Eventos, Fases, Estaciones, Volcanes, Peligros y Eventos Volcánicos. La sección de Gráficos tiene el objetivo de graficar las mediciones realizadas por los instrumentos de monitoreo y la sección de Mapas está totalmente sin construir. A continuación, en la figura 3, se presenta la interfaz web del Centro Nacional de Datos..

(24) 11. Figura 3 – Peligros Volcánicos del Volcán Tungurahua según el Centro Nacional de Datos http://apps.igepn.edu.ec/cnd/ (Instituto Geofísico - EPN, 2011). 1.2.3 Mapa de amenazas del volcán Tungurahua El Instituto Geográfico de la Escuela Politécnica Nacional ha elaborado varios mapas graficando las áreas geográficas que pudieran ser afectadas por diferentes amenazas volcánicas, anotando incluso la intensidad de estos eventos. Las figuras 4, 5 y 6; se muestran varios de estos mapas..

(25) 12. Figura 4 – Mapa de Lahares, Flujos Piroclásticos y Flujos de Lava (Le Pennec, y otros, 2005 pág. 118).

(26) 13. Figura 5 – Mapa de Caídas de Piroclásticos y Avalanchas de escombros (Le Pennec, y otros, 2005 pág. 119).

(27) (Instituto Geofísico - EPN, 2008). Figura 6 – Mapa de Lahares, Flujos Piroclásticos, Flujos de Lava, Caídas de Piroclásticos y Avalanchas de escombros. 14.

(28) 15. 2 Diseño de la ontología 2.1 Ingeniería ontológica 2.1.1 Comparación de Metodologías Existen diferentes metodologías y procesos para el desarrollo de ontologías, cada una de ellas alcanzando diferentes objetivos. Luego de comparar las principales, tomando para ello los parámetros del estándar de procesos IEEE 1074, se ha escogido el Unified Process for ONtology building (UPON), porque se valora en mayor medida el cumplimiento total de los procesos de desarrollo y la documentación. Sin embargo para otros proyectos con diferentes objetivos podrían usarse otras metodologías, por lo cual se adjunta en la Tabla el cuadro comparativo. 2.1.2 UPON El Unified Process for ONtology building se basa en el Proceso Unificado enfocado al desarrollo de ontologías de larga escala (2 o más subdominios). Dentro de los objetivos que persigue UPON se encuentran (De Nicola, Missikoff, & Navigli, 2008): ·. La reducción del tiempo y costo en la producción de ontologías de dominio de larga escala, proveyendo también útiles líneas guía para pequeñas ontologías.. ·. Aumento de la calidad de las ontologías producidas gracias a la validación progresiva de resultados intermedios.. ·. Creación de una configuración metodológica donde las dos clases de expertos: Ingenieros de Conocimiento (EC) y Expertos del Dominio (ED), son explícitamente identificados.. ·. Identificación clara de las actividades, con roles y responsabilidades de los diferentes expertos.. ·. Producción de resultados intermedios que pueden ser fácilmente disponibles a los usuarios de las aplicaciones basadas en ontologías. (Por ejemplo búsqueda semántica).

(29) Cyc. Usdhold and King. Gruninger and Fox Kactus. METHON TOLOGY SENSUS. On To Knowledge. UPON. Proceso de administración del proyecto. Iniciación del proyecto p + Monitoreo y control del proyecto p p + Administración de la calidad de la p ontología Exploración de p conceptos Proceso de predesarrollo Identificación de + sistemas Requerimientos p + + + + + + Proceso Proceso de Diseño + p + p + orientado al desarrollo Implementación + + + + + p + + desarrollo de Instalación la ontología Operación Proceso de Soporte postdesarrollo Mantenimiento p p p Retiro Adquisición de Conocimiento + + p + + Verificación y validación + + + + Proceso Administración de la configuración + integral de la ontología Documentación + + p + Entrenamiento p Modificado de (Corcho, et al., 2002 p. 48) y (De Nicola, y otros, 2008 pág. 274) Nomenclatura: -, no soportado; +, soportado; p, parcialmente soportado.. Característica. Tabla 2- Cuadro comparativo de diferentes procesos con respecto al estándar IEEE 1074. 16.

(30) 17 UPON siguiendo el enfoque del Proceso Unificado (UP) es iterativo. Consta de ciclos donde cada uno de ellos genera eventualmente una versión incremental (extendida y detallada) de la ontología obtenida en ciclos previos. Cada ciclo se forma de cuatro Fases: Comienzo, Elaboración, Construcción y Transición. Cada Fase se divide a su vez en Iteraciones compuesta de cinco Flujos de Trabajo: Requerimientos, Análisis, Diseño, Implementación y Pruebas. Dependiendo de los resultados deseados cada Ciclo puede tener tantas Fases como se deseen, como también cada Fase puede tener tantas iteraciones como se requieran. En la figura 7, se muestra el esquema del proceso UPON.. Figura 7 – Una representación esquemática del proceso UPON Modificado por el Autor desde (De Nicola, y otros, 2008 pág. 259). Dependiendo de la Fase a la que pertenece la Iteración, los involucrados concentran su esfuerzo más en unos Flujos de Trabajo que en otros, alcanzando así la realización de tareas en paralelo. Como se indicó anteriormente los principales involucrados en el proyecto según UPON son los Experto de Dominio y el Ingeniero del Conocimiento que tienen diferentes involucramientos en el transcurso del proyecto. El Experto del Dominio toma el control de los Flujos de Trabajo de Requerimientos y Análisis mientras que el Ingeniero del Conocimiento se enfoca en el Diseño, Implementación y Pruebas. Cabe indicar que al.

(31) 18 finalizar el Flujo de Trabajo de Pruebas el Experto del Dominio retoma el liderazgo para constatar que la ontología cumple con los requerimientos iniciales del proyecto. En la figura 8, se presenta el diagrama de esfuerzo e involucramiento de los actores.. Figura 8 – Flujo de Trabajo UPON y participación de ingenieros ontológicos Modificado por el Autor desde (De Nicola, y otros, 2008 pág. 260). Cada uno de los flujos de trabajo tiene un conjunto de Tareas, Entradas y Salidas como también la determinación del grado de participación de los involucrados en el proyecto de construcción de la ontología. 2.1.2.1 Flujo de Trabajo de Requerimientos En este Flujo de Trabajo se especifica las necesidades semánticas y los objetivos de la ontología desde el punto de vista del usuario. Teniendo como componentes de entrada las entrevistas con los expertos del dominio y documentos específicos de aplicación se tienen que cumplir las siguientes tareas:.

(32) 19 2.1.2.1.1 Determinar el dominio de interés y el alcance El Dominio de interés es la porción de realidad que se modelará en la ontología. Una vez reconocido el dominio o sub-dominios de interés se podrá delimitar su alcance, identificando los conceptos más importantes que se desee representar. Tomando como ejemplo el caso de estudio propuesto, éste se compone de los siguientes sub-dominios: ·. Caracterización de las Amenazas del volcán Tungurahua; y. ·. Monitoreo de Amenazas del volcán Tungurahua.. Considerando los principales conceptos caracterizados en el capítulo uno, se puede determinar el alcance del proyecto, formalizando un conjunto de Compromisos Ontológicos. Los Compromisos Ontológicos son sentencias que permiten la correlación entre un lenguaje y algo que puede ser llamado ontología. De esta manera se tienen los siguientes compromisos ontológicos:. ·. Amenaza es un concepto, el cual clasifica un evento que causa algún daño.. ·. Desastre es un parámetro, el cual clasifica un daño extenso.. ·. Riesgo es la probabilidad de algún daño. ·. Vulnerabilidad es una cualidad del entorno, que determina el daño.. ·. Gases volcánicos es un proceso relacionado con gases.. ·. Material piroclástico es ceniza, fragmentos de roca y piedra pómez.. ·. Caída de piroclásticos es un proceso relacionado con elementos sólidos, expulsados por el volcán.. ·. Lahar es un proceso relacionado con elementos sólidos y agua.. ·. Nubes ardientes es un proceso relacionado con elementos sólidos y gases.. ·. Flujos y domos de lava es un proceso relacionado con elementos sólidos fundidos.. ·. Avalanchas de escombros es un proceso relacionado con elementos sólidos que se deslizan por un sismo.. ·. Un sismo volcánico es un proceso relacionado con el movimiento del firmamento..

(33) 20 2.1.2.1.2 Definir el propósito del negocio Es la identificación del escenario que motiva la realización de la ontología, sus posibles usos y clases de usuarios que se tienen como meta. El propósito de negocio de la ontología es proveer una mejor comprensión del dominio de interés al público en general. Un posible uso de la ontología, que se desarrollará como parte de las pruebas en el presente trabajo, es la realización de un muy sencillo Sistema de Información Geográfica (GIS) que graficará las diferentes amenazas generadas por el volcán Tungurahua dentro del cantón baños. Un Sistema de Información Geográfico es un sistema computacional que permite la entrada, salida, análisis y manipulación de los datos tanto espaciales como no espaciales que estén relacionados con la geografía de un lugar. (Delaney & Van Niel, 2007) 2.1.2.1.3 Escribir guiones gráficos El objeto de esta actividad es modelar el conjunto de actividades a realizarse, dentro del contexto y situaciones específicas del escenario dado. Este modelamiento se lo puede hacer de manera narrativa de la siguiente forma:. ·. El usuario (cliente) envía una solicitud de información al personal sobre los eventos que pueden ocurrir en un área delimitada, el personal turístico le informa sobre las diferentes amenazas y le instruye sobre las acciones a seguir (p.ej. evacuar) para precautelar el bienestar personal del usuario.. 2.1.2.1.4 Crear el Léxico de Aplicación (AL) Para crear el léxico de aplicación se procede a recolectar la terminología usada por los expertos de dominio y documentos específicos de aplicación. Para este fin se pueden utilizar herramientas automáticas de extracción de conocimiento, tales como OPENNLP ( The Apache Software Foundation, 2010), TextToOnto (Lavin, 2009), Text2Onto (Voelker, 2011). En la tabla 3 se muestra un extracto del Léxico de Aplicación realizado a partir del análisis de las fuentes de datos de los Expertos de Dominio, provenientes del IG-EPN..

(34) 21 Tabla 3- Extracto del Léxico de Aplicación Ceniza. Lava. Kilómetros. Agua. Magma. Eruptivo. Espesor. Sector. Material. Sismo de Largo Periodo. Volcán. Lodo. Roca. Occidental. Cono. Explosivo. Largo. Bajo. Nivel. Volumen. Realizado por el Autor con el soporte de TextToOnto sobre las publicaciones oficiales del IG-EPN 2.1.2.1.5 Identificar Preguntas de competencia (CQ) Las preguntas de competencia son preguntas conceptuales que la ontología debe ser capaz de contestar. Son identificadas por medio de las entrevistas a los Expertos del Dominio y el intercambio de ideas con los usuarios finales. Estas preguntas serán usadas posteriormente en el Flujo de Trabajo de Pruebas para evaluar que los Compromisos Ontológicos hayan sido cumplidos tanto en cobertura como en su nivel de detalle. En la tabla 4 se muestra algunas preguntas de competencia realizadas para el caso de estudio propuesto. Tabla 4- Ejemplos de Preguntas de Competencia CQ1. ¿Qué es un Flujo Piroclástico?. CQ2. ¿Qué áreas pueden ser afectadas por Flujos Piroclásticos?. CQ3. ¿Qué áreas pueden ser afectadas por Flujos Piroclásticos de peligro menor?. CQ4. ¿Qué áreas pueden ser afectadas por Flujos Piroclásticos de peligro intermedio?. CQ5. ¿Qué áreas pueden ser afectadas por Flujos Piroclásticos de peligro mayor?. CQ6. ¿Qué es una avalancha de Escombros?. Realizado por el Autor 2.1.2.1.6 Identificar y priorizar Casos de Usos (UC) De acuerdo al UML un modelo de caso de uso contiene un número determinado de casos de uso que sirven de base para especificar el uso esperado de la ontología. En el.

(35) 22 contexto de las ontologías, los casos de uso corresponden a la ruta del conocimiento por medio de la ontología, seguido por el logro de las operaciones y contestación de las Preguntas de Competencia. Los casos de uso en esta etapa únicamente son identificados y priorizados para ser detallados en los Flujos de Trabajo de análisis y diseño. En la figura 9 se ejemplifica un caso de uso relacionado con una pregunta de competencia 4.. Figura 9 – Caso de Uso de la Pregunta de Competencia #4 Realizado por el Autor Una vez realizada la identificación de los casos de uso, por medio de su diagramación, se procede a priorizarlos. Para ello se pueden usar distintas estrategias de priorización que toman en cuenta diferentes factores como: costo, valor, beneficio, riesgo, limitaciones por dependencias, valor de negocio, esfuerzo y recursos. Es generalizado el análisis de los factores costo-valor propuesto por Joachim Karlsson y Kevin Ryan (1997). Con el análisis costo-valor se determina el costo de cada requerimiento y su valor para el negocio. Con este análisis se prioriza en primer lugar los requerimientos con mayor valor para el negocio y menor costo de resolución..

(36) 23 Para decidir las valoraciones de cada requerimiento se puede tener un enfoque relativo o absoluto. La estrategia costo-beneficio de Karlsson usa originalmente el Analytic Hierarchy Process (AHP) como método de toma de decisiones con un enfoque de valoración relativo, lo que quiere decir que su valoración es realizado tomando en cuenta el resto de requerimientos. Otros métodos para la toma de decisiones son por ejemplo: Hierarchy AHP, Minimal Spanning Tree, Bubblesort, Binary Search Tree y Priority Groups. Cabe indicar que se puede seleccionar y/o combinar varios métodos de toma de decisiones para ajustarlos a las dimensiones y prioridades de cada proyecto. Adicionalmente, se tiene otras estrategias de priorización que pueden analizar diferentes factores. Entre ellas se tienen: 1. “Software Engineering Risk: Understanding and Management” (SERUM) 2. “Value Oriented Prioritation Method” (VOP) 3. “EVOLVE” 4. “Quality Function Deployment” (QFD) 5. “Planning game” (PG) 6. “Planning Game combinado con AHP” (PGcAHP) 7. “PROMETHEE” 8. “100-point method” (100P) llamado también ”Cumulative voting” 9. “MoSCoW Method” 10. “Numeral Assignment” En la presente investigación se ha combinado el análisis de costo-valor junto a Priority Groups. De esta manera se ha agrupado de forma general varios casos de uso, con costo de implementación y valor de beneficio similar. En la figura 10 se resumen las actividades realizadas en este Flujo de Trabajo, sus artefactos de entrada y de salida, y el grado de participación de los involucrados..

(37) 24. Figura 10 – Resumen del Flujo de Trabajo de requerimientos Modificado por el Autor desde (De Nicola, y otros, 2008 pág. 261). 2.1.2.2 Flujo de Trabajo de Análisis Este Flujo de Trabajo tiene por objetivo refinar y estructurar los requerimientos identificados en el Flujo de Trabajo de Requerimientos. Los Compromisos Ontológicos son ampliados, reusando recursos externos existentes como: Documentos, Estándares u Otras Ontologías. Se forma el Léxico de Referencia (RL) obtenido al enriquecer el Léxico de Aplicación (AL) por medio de un Léxico de Dominio (DL) más general. Para finalizar este Flujo de Trabajo se produce el Glosario de Referencia (RG) añadiendo definiciones a los términos del Léxico de Referencia. Las siguientes tareas son descritas en este Flujo de Trabajo: 2.1.2.2.1 Adquirir recursos de dominio y construir el Léxico de Dominio (DL) El Léxico de Dominio es construido recolectando la terminología usada en el dominio de interés, principalmente se extrae esta terminología analizando recursos documentales existentes tales como: Reportes, Manuales Técnicos, Glosarios, Estándares, Tesauros (Lista jerarquizada de palabras que denominan a los conceptos), Léxicos computacionales heredados y ontologías disponibles..

(38) 25. En el caso de la presente investigación se ha considerado de gran importancia a la ontología de Monitoreo de Amenazas para la Valoración y Evaluación de Riesgos (MONITOR) (INTERREG IIIB Cadses, 2010), Semantic Web for Earth and Environmental Terminology de la NASA (SWEET) (Jet Propulsion Laboratory, California Institude of Technology, NASA, 2011) y las publicaciones de W3C Geospatial Incubator Group (W3C, 2010). En la tabla 5 se muestra un extracto del léxico de dominio. Tabla 5- Un extracto del Léxico de Dominio Risk. Place. Hazard. Analysis. Disaster. Management. Data. Process. Inform. Plan. Flood. Vulnerability. Quality. Water. Mitigation. Impact. Emergency. Land. System. Relevant place. Realizado por el Autor con términos de MONITOR, SWEET, W3C, entre otros. 2.1.2.2.2 Construir el Léxico de Referencia (RL) El Léxico de referencia es construido fusionando selectivamente el Léxico de Aplicación y el Léxico de Dominio. En el proceso de fusión se definen tres áreas principales: La primera área corresponde a la intersección de ambos Léxicos mientras que las dos restantes son los elementos disjuntos del Léxico de Aplicación y del Léxico de Dominio. Posteriormente el Léxico de Referencia es construido incluyendo todos los términos del área de intersección y de aquellos elementos de las áreas disjuntas que los usuarios y los Expertos de Dominio consideren esenciales. En la figura 11 se procede a graficar el procedimiento de creación del léxico de referencia..

(39) 26. Figura 11 – Proceso de construcción del Léxico de Referencia Modificado por el Autor desde (De Nicola, y otros, 2008 pág. 264). 2.1.2.2.3 Modelar Escenario de Aplicación usando UML En esta actividad se modela el escenario de aplicación, agregando los diagramas de Clase y de Actividad a los diagramas de casos de uso, realizados en el Marco de Trabajo de Requerimientos. Con estos diagramas posteriormente se podrá validar la ontología ya que todas las clases, actores y actividades deben tener su correspondiente concepto en la ontología. 2.1.2.2.4 Construir el Glosario de Referencia (RG) En este paso se creará una primera versión del glosario. Usando el Léxico de Referencia en conjunto con definiciones informales, escritas con sentencias en lenguaje natural. En la figura 12 se resumen las actividades realizadas en este Flujo de Trabajo, sus artefactos de entrada y de salida, como también el grado de participación de los involucrados..

(40) 27. Figura 12 – Resumen del Flujo de Trabajo de análisis Modificado por el Autor desde (De Nicola, y otros, 2008 pág. 263). 2.1.2.3 Flujo de Trabajo de Diseño En este flujo de trabajo se da una estructura ontológica a cada una de las entradas determinadas en el Glosario de Referencia. Para estructurar ontológicamente los términos se comienza organizándolos de acuerdo a jerarquías conceptuales, estructurándolos con atributos y axiomas, e identificando sus relaciones. 2.1.2.3.1 Modelación de Conceptos Cada concepto es caracterizado asociándolo a una clase. Para este fin se mantiene la asociación realizada por MONITOR que a su vez se basa en la clasificación de la Ontología DOLCE (Institute of Cognitive Sciences and Technologies, 2011) (Descriptive Ontology for Linguistic and Cognitive Engineering) cuyas categorías principales son (Masolo, Borgo, Gangemi, Guarino, Oltramari, & Schneider, 2003): ·. Endurant.- Filosóficamente son aquellas entidades presentes en el tiempo.. ·. Perdurant.- Filosóficamente son aquellas entidades que transcurren en el tiempo.. ·. Quality.- Son características que un Endurant o alguna sección de un Perdurant pueden poseer en un tiempo específico..

(41) 28. 2.1.2.3.2 Modelación de la Jerarquía de Conceptos y Relaciones Específicas de Dominio En este Flujo de Trabajo se organiza los conceptos jerárquicamente e introduce formalmente sus relaciones. Para organizar jerárquicamente los conceptos primero se debe organizarlos en una jerarquía taxonómica de acuerdo a la generalización de las relaciones. La organización puede realizarse siguiente 3 enfoques diferentes: 1. Top-Down.- De lo general a lo particular. 2. Bottom-up.- De lo particular a lo general. 3. Middle-out.- Es un enfoque combinado de los anteriores. En este se encuentran primero los conceptos destacados (ubicados usualmente en el área intermedia) y entonces se los generalizan y especializan. En este trabajo se aplica el enfoque Middle-out partiendo desde el concepto de amenazas para generalizarlos en las categorías DOLCE y especializarlos en cada una de las amenazas que el volcán Tungurahua podría generar. En un posterior momento la taxonomía resultante es ampliada con otras relaciones como parte-de y dominio-específico. Al finalizar este flujo de trabajo se obtiene una red semántica representada mediante diagramas de clases UML. En la figura 13 se resumen las actividades realizadas en este Flujo de Trabajo, sus artefactos de entrada y de salida, y el grado de participación de los involucrados..

(42) 29. Figura 13 – Resumen del Flujo de Trabajo de diseño Modificado por el Autor desde (De Nicola, y otros, 2008 pág. 267). 2.1.2.4 Flujo de Trabajo de Implementación El propósito de este flujo de trabajo es codificar la ontología en un lenguaje formal. En el caso de la presente investigación se usará OWL, desarrollado por The World Wide Web Consortium (W3C) la principal comunidad internacional de estándares abiertos para la web (World Wide Web Consortium (W3C), 2012). La elección ha sido motivada principalmente por la gran aceptación del estándar dentro de la comunidad, además de cumplir con el principal requerimiento de poder modelar el conocimiento con el suficiente detalle. En la figura 14 se resumen las actividades realizadas en este Flujo de Trabajo, sus artefactos de entrada y de salida, y el grado de participación de los involucrados..

(43) 30. Figura 14 – Resumen del Flujo de Trabajo de implementación Modificado por el Autor desde (De Nicola, y otros, 2008 pág. 270). 2.1.2.5 Flujo de Trabajo de Pruebas Este flujo de trabajo asegura la calidad de la ontología. De acuerdo al autor de UPON una ontología debería ser evaluada con respecto a cuatro características (De Nicola, Missikoff, & Navigli, 2008): 1. Calidad Sintáctica.- Determina si la ontología ha sido escrita siguiendo un estilo formal. 2. Calidad. Semántica.-. Verifica. que. la. ontología. no. posea. conceptos. contradictorios o un mal modelamiento. 3. Calidad Práctica.- Comprueba el contenido de la ontología y su utilidad para los usuarios, independientemente de su sintaxis o semántica. 4. Calidad Social.- Es reflejada por la cantidad de ontologías que la enlazan y extienden, desarrolladas por comunidades externas a las del autor. Sin embargo este flujo de trabajo solo se encarga de verificar la calidad semántica y práctica de la ontología, puesto que la calidad sintáctica es verificada en el flujo de.

(44) 31 trabajo de implementación mientras es codificada y la calidad social solo es verificable una vez que la ontología ha sido publicada a otros grupos de ingenieros de conocimiento y expertos del dominio externos al entorno del desarrollador original. Para verificar la ausencia de contradicciones en la ontología se usan razonadores que comprueban la consistencia de la ontología. Otras características además de la ausencia de contradicciones es el buen uso del modelamiento, evitando ciclos en la jerarquía de especializaciones, y conservando la disyunción entre las clases y las propiedades. La calidad práctica a su vez posee tres características: 1. Fidelidad.- La fidelidad es medida comprobando que la ontología en realidad cubra el dominio fijado como objetivo. Para este fin se verifican las fuentes de referencias que fueron usadas en la descripción de los términos. 2. Relevancia.- La relevancia se verifica cuando los requerimientos han sido correctamente implementadas en la ontología. Para comprobar la relevancia se realizan 2 clases de pruebas: a. El objetivo de esta prueba es la cobertura de la ontología sobre el dominio de aplicación. De esta manera el experto de dominio puede modelar una aplicación de software. b. El objetivo de esta prueba son las Preguntas de Competencia que deben ser contestadas usando el contenido de la ontología. 3. Completitud.- La completitud es donde se verifica que todos los requerimientos sean efectivamente satisfechos, incluyendo todas las restricciones del problema. Esto se logra verificando los objetivos del dominio. En la figura 15 se resumen las actividades realizadas en este Flujo de Trabajo, sus artefactos de entrada y de salida, y el grado de participación de los involucrados..

(45) 32. Figura 15 – Resumen del Flujo de Trabajo de pruebas Modificado por el Autor desde (De Nicola, y otros, 2008 pág. 271). 2.1.2.6 Ciclo UPON En esta sección se resume todo el ciclo UPON en la figura 16 y tabla 6..

(46) 33. Figura 16 – Resumen del proceso UPON Modificado por el Autor desde (De Nicola, y otros, 2008 pág. 273).

(47) Análisis. Requerimientos. TRABAJO. FLUJO DE. KE. DE. PARTICIPACIÓN TAREAS. Recursos. externos. existentes. realizados. Conocimiento (KE), RG. actividades. por. el. Ingeniero. UML;. 3. Modelar Escenario de la Aplicación usando. 2. Construir Léxico de Referencia (RL);. Léxico de Dominio (DL);. 1. Adquirir recursos del dominio y construir el. 6. Identificar y priorizar Casos de Usos (UC).. 5. Identificar Preguntas de competencia (CQ);. de 4. Construir el Glosario de Referencia (RG).. Salidas: DL, RL, Diagramas UML de clases y de. (Documentos, estándares, otras ontologías), AL.. Entradas:. Trabajo.. ontología identificados en el anterior Flujo de. Refinar y estructurar los requerimientos de la. Salidas: AL, CQ, UC.. (DE), documentos específicos de aplicación.. y el 1. Determinar el dominio de interés y el alcance; conocimiento desde el punto de vista del usuario 2. Definir el propósito del negocio; que será codificado en la ontología. 3. Escribir guiones gráficos; Entradas: Entrevistas con Expertos del Dominio 4. Crear el Léxico de Aplicación (AL);. OBJETIVO. Especificar las necesidades semánticas. Tabla 6- Resumen de Flujos de trabajo y tareas.. 34.

(48) Salidas: Ontología OWL comprobada.. Entradas: Ontología OWL.. formal (OWL).. Codificar la ontología en un lenguaje riguroso y. Salidas: Ontología OWL.. Entradas: Red semántica / Ontología.. formal (OWL).. Codificar la ontología en un lenguaje riguroso y. Salidas: Red semántica / Ontología.. Entradas: RG, Diagramas UML.. Realizado por el autor con la información contenida en (De Nicola, y otros, 2008). Pruebas. Implementación. Diseño. del RG.. Estructurar como ontología el conjunto de entradas jerarquías. de. conceptos. 3. Contestar Preguntas de Competencia (CQ).. 2. Verificar cobertura;. 1. Comprobar consistencia;. 2. Formalizar la ontología.. 1. Seleccionar un lenguaje formal;. relaciones específicas del dominio.. 2. Modelar. 1. Modelar conceptos; y. 35.

(49) 36. 2.2 Esquema ontológico El esquema ontológico o red semántica según UPON es equivalente a la ontología codificada posteriormente en el Flujo de Trabajo de Implementación. El esquema ontológico es el artefacto obtenido en el Flujo de Trabajo de Diseño y es representado con un conjunto de diagramas de clases UML usando generalización (is-a), agregación (partof) y asociación. En esta sección se detalla todos los artefactos de salida obtenidos en los Flujos de Trabajo de Requerimientos, Análisis y Diseño. Al final se tiene el esquema ontológico o red semántica, único artefacto del Flujo de Trabajo de Diseño, y que será codificado posteriormente. 2.2.1 Artefactos del Flujo de Trabajo de Requerimientos 2.2.1.1 Léxico de Aplicación (AL) El Léxico de Aplicación fue elaborado extrayendo la terminología usada en los documentos del dominio específico y de la página web oficial del IGEPN. Los documentos usados fueron: 1. “Los Peligros Volcánicos asociados con el Tungurahua” de Le Pennec, Jean-Luc; Yepes, Hugo. (2005) 2. “Tungurahua Volcano” de Le Pennec, Jean-Luc; Hall, Minard; Robin, Claude; Bartomioli, Edgardo. (2006) 3. “Depósitos de caída de ceniza producidos durante las erupciones del volcán Tungurahua” de Troncoso, Liliana; Le Pennec, Jean-Luc; Jaya, Diego; Vallee, Amaud; Mothes, Patricia; Arrais, Santiado. (2006) Los términos seleccionados bajo el criterio de mayor frecuencia fueron 113, enumerados en la tabla 7..

(50) 37 Tabla 7- Léxico de Aplicación. Ceniza. Lava. Kilómetros. Agua. Magma. Eruptivo. Espesor. Sector. Material. Sismo de Largo Periodo. Volcán. Lodo. Roca. Occidental. Cono. Explosivo. Largo. Bajo. Nivel. Volumen. Zona. Actividad. Color. Columna. Colapso. Vapor. Magnitud. Tremor. Nube. Mapa. Activo. Interior. Altura. Pueblo. Tremor Volcánico. Erupción. Peligro. Fase. Lago. Evento. Gas. Equipo. Domo. Ciudad. Amplitud. Hora. Sistema. Cumbre. Capa. Onda. Radioactivo. Cima. Azufre. Columna Eruptiva. Tungurahua. Sismos Híbridos. Calor. Olor. Masa. Longitud. Latitud. Vulcanología. Aire. GPS. Fuerza. Área. Leve. Moderado. Probabilidad. Superficie. Muestreo. Temperatura. Estación. Tipo de Volcán. Fuerte. Distancia. Fundido. Sensor. Quebrada. Ríos. Explosividad. Fuego. Episodio. Terreno.

(51) 38. Piedra. Elevación. Sismo Volcano-Tectónico. Centímetro. Fecha. Estado. Arena. Fragmentos. Amenaza. Peligro. Desastre. Riesgo. Vulnerabilidad. Gases Volcánicos. Caída de Piroclásticos. Lahares. Flujos Piroclásticos. Nubes Ardientes. Flujos de Lava. Avalanchas de escombros. Sismos Volcánicos. Provincia. Parroquia. Monitoreo. Geo localización. Domos de Lava Cantón. Flujos de Lodo y Escombros. Profundidad. Realizado por el Autor 2.2.1.2 Preguntas de competencia (CQ) Para crear las siguientes preguntas de competencia se han considerado los elementos del dominio que la ontología debería contener para que un usuario pueda adquirir los conocimientos deseados. En la tabla 8 se enumera cada una de las preguntas de competencia. Tabla 8- Preguntas de competencia. CQ1. ¿Qué es un Flujo Piroclástico?. CQ2. ¿Qué áreas pueden ser afectadas por Flujos Piroclásticos?. CQ3. ¿Qué áreas pueden ser afectadas por Flujos Piroclásticos de peligro menor?. CQ4. ¿Qué áreas pueden ser afectadas por Flujos Piroclásticos de peligro intermedio?. CQ5. ¿Qué áreas pueden ser afectadas por Flujos Piroclásticos de peligro mayor?. CQ6. ¿Qué es una Avalancha de escombros?. CQ7. ¿Qué áreas pueden ser afectadas por Avalanchas de escombros?. CQ8. ¿Qué áreas pueden ser afectadas por Avalanchas de escombros de 1 kilómetro cúbico?. CQ9. ¿Qué áreas pueden ser afectadas por Avalanchas de escombros de varios kilómetros cúbicos?.

(52) 39 CQ10 ¿Qué áreas pueden ser afectadas por ceniza? CQ11 ¿Qué áreas pueden ser afectadas por ceniza de 1 milímetro de espesor? CQ12 ¿Qué áreas pueden ser afectadas por ceniza de 10 milímetros de espesor? CQ13 ¿Qué áreas pueden ser afectadas por alguna amenaza? CQ14 ¿Qué áreas pueden ser afectadas por alguna amenaza relacionada con agua? CQ15 ¿Qué áreas pueden ser afectadas por alguna amenaza relacionada con gases? CQ16 ¿Qué áreas pueden ser afectadas por alguna amenaza relacionada con elementos sólidos? CQ17 ¿Qué áreas pueden ser afectadas por alguna amenaza relacionada con lava? CQ18 ¿Qué amenazas pueden afectar un punto geográfico determinado? CQ19 ¿Qué amenazas pueden afectar un área geográfica determinada? CQ20 ¿Qué áreas son seguras?. Realizado por el Autor 2.2.1.3 Casos de Usos (UC) En la figura 17 se presentan los diagramas de casos de uso que contestan a las preguntas de competencia. Una vez que se tienen identificados todos los casos de uso se procede a realizar su priorización..

(53) 40.

(54) 41.

(55) 42. Figura 17 – Diagramas de casos de uso que responden las preguntas de competencia Realizado por el Autor Luego de identificar los casos de uso, estos fueron agrupados y priorizados en los conjuntos mostrados en la figura 18..

(56) 43. Figura 18 – Agrupación y priorización de casos de uso Realizado por el Autor Cabe indicar que según el principio de Pareto; el cual suele ser relacionado con la administración del tiempo, ingeniería de software y administración de amenazas, entre otros; el 80% de los requerimientos suelen necesitar el 20% del tiempo estimado para todo el proyecto y el 20% de los requerimientos necesitan el 80% del tiempo total. Es en este momento donde se puede determinar el alcance del prototipo de la ontología y el número de ciclos a realizarse al desarrollar con UPON. Considerando que los casos de uso identificados son 23, y que el 80% corresponde a 18 casos de uso, se delimita el prototipo a los 3 primeros grupos. El último grupo, el de mayor costo y menor beneficio, será parte de.

(57) 44 las recomendaciones para un trabajo complementario futuro que desarrolle una versión incremental basada en la ontología aportada por la presente investigación. 2.2.2 Artefactos del Flujo de Trabajo de Análisis 2.2.2.1 Léxico de Dominio (DL) El Léxico de Dominio fue elaborado extrayendo la terminología usada en las fuentes relacionadas con el dominio. Las fuentes usadas más relevantes fueron: 1. “Natural hazards analysis: reducing the impact of disasters” de Pine, John C. (2009) 2. Ontología de Monitoreo de Amenazas para la Valoración y Evaluación de Riesgos (MONITOR 2009) (INTERREG IIIB Cadses, 2010) 3. Semantic Web for Earth and Environmental Terminology de la NASA (SWEET 2006) (Jet Propulsion Laboratory, California Institude of Technology, NASA, 2011) 4. Publicaciones de W3C Geospatial Incubator Group (W3C, 2010). Los términos seleccionados fueron 198, los cuales están enumerados en la Tabla 9. Tabla 9- Léxico de Dominio. Risk. Place. Hazard. Analysis. Relevant place. Disaster. Management. Data. Process. Inform. Plan. Flood. Vulnerability. Quality. Water. Mitigation. Impact. Emergency. Land. System. Assessment. Desicion. Development. Range. Level. Risk Management. Event. Response. Responsability. Building. Domain. State. Station. Nature. Hazard Mitigation. Environment. Institution. Figure. Emergency Management. Time.