Integração de Dados usando Ontologias e Regras Lógicas para Automação da Certificação LEED de Projetos da Construção Civil Marcello Peixoto Baxbax.ufmg@gmail.comCristiano Geraldo Teixeira Silva- Pampulha -Belo Horizonte - Minas Gerais - Brazil
The evaluation of green constructions aims to measure the sustainability performance of buildings and is important for improving the environment that is suffering from increasing deterioration. However, most assessment tasks are still performed manually, consuming time and increasing the possibility of errors. New technologies can provide greater efficiency in the evaluation of constructions. The use of semantics technologies is an alternative for data integration and making inferences to support decision making. This work presents a proposal to integrate data and support the evaluation of a construction in terms of meeting the requirements for a "green" certification. Logical rules of the semantic web and queries on knowledge graphs will be used to generate inferences that help automate the evaluation process. The first version of this model is presented to demonstrate the application of the solution in projects, considering the integration of data and the insertion of the rules for the evaluation criteria for LEED certification. It is expected to apply other languages for inference according to the variety of evaluation criteria and the integration of these in a single solution. Resumo. A avaliação de edifícios "verdes" (sustentáveis) objetiva mensurar o desempenho em sustentabilidade das edificações e é importante para melhorar o meio ambiente em crescente deterioração. No entanto, a maioria das tarefas de avaliação ainda é realizada manualmente, consumindo tempo e aumentando a possibilidade de erros. O emprego de tecnologias semânticas é uma alternativa para integrar dados e realizar inferências no processo de tomada de decisões. Este trabalho apresenta uma proposta para integrar dados e apoiar a avaliação de uma construção quanto ao atendimento dos requisitos de uma certificação "verde". Regras lógicas da web semântica e consultas em grafos serão empregadas para gerar inferências que auxiliem a automatização do processo de avaliação. A primeira versão deste modelo é apresentada como prova de conceito para uma solução que avalia a certificação LEED de projetos.
1. Introdução
Ontologias representam um domínio de conhecimento, estabelecendo uma estrutura
com regras e critérios que regulam a combinação entre conceitos e relações no domínio.
O W3C LBD CG (Linked Building Data Community Group ) propõe ontologias que
descrevem produtos da construção civil como soluções para representar a semântica dos
dados [
Rasmussen et al. 2018
]. Na construção civil tem-se a ontologia ifcOWL BIM
(Building Information Modeling ), usada para simular um empreendimento em seu ciclo
de vida [
Baracho et al . 2017
;
Sacks et al. 2018
].
Diante do crescente uso da modelagem BIM, surge a oportunidade de utilizar seus
dados e outros relacionados ao ciclo de vida, para analisar diferentes aspectos do
empreendimento. Em um fluxo de trabalho integrado, mediado por ontologias, o
mapeamento entre os elementos da construção e outros dados de observação podem
auxiliar na análise de projetos. A preocupação com o uso de recursos e do meio
ambiente em projetos levou ao conceito de “construção verde”, cada vez mais
significativo na indústria da construção. Para obter o selo verde, a avaliação do projeto
da construção é indispensável. A avaliação tradicional, realizada manualmente, é
trabalhosa e propensa a erros [
Jiang et al. 2018
]. Portanto, avaliar uma construção para
certificar sua sustentabilidade requer métodos mais inteligentes. A representação
semântica da construção por ontologias pode permitir que os colaboradores de um
projeto obtenham informações combinadas com outras fontes, enriquecendo as análises.
Este método de representação é potencialmente vantajoso para auxiliar a certificação
por permitir inferências, integrações e consultas usando a ifcOWL e outras ontologias
integradas, um diferencial inovador diante das limitações do modelo IFC (Industry
Foundation Classes ), nativo do BIM [
Niknam & Karshenas 2017
].
Linguagens de regras como SWRL (Semantic Web Rule Language ) e SPIN (SPARQL
Inferencing Notation )1 são usadas, em diferentes soluções, para representar o
conhecimento e o raciocínio automático. Possuem alta expressividade e são de fácil
entendimento, desempenhando papel relevante em muitas áreas, incluindo a construção
civil [
Ma et al. 2014
]. Este trabalho visa contribuir para investigar a adoção de
tecnologias semânticas para proporcionar maior eficiência na avaliação de projetos de
edificações. Para tanto, pretende-se elaborar uma ontologia a ser aplicada na avaliação
de uma construção com relação à sua certificação verde, LEED (Leadership in Energy
and Environmental Design ). Aplicando-se regras lógicas e consultas em grafos
espera-se apoiar a análise de especialistas neste contexto.
Na Seção 2 do artigo apresenta-se os trabalhos relacionados, a Seção 3 descreve o
método usado e Seção 4 explicita a modelagem inicial experimental do protótipo de
uma abordagem de integração de dados usando ontologias e inferências para automação
da certificação LEED de projetos da construção civil. Finalmente, a Seção 5 sintetiza as
conclusões.
1 Disponível em: http://spinrdf.org/
2. Trabalhos Relacionados
É possível encontrar pesquisadores que investigaram interdependências
multidisciplinares para o projeto de edifícios verdes com foco na otimização
computacional e colaboração na elaboração do projeto [Azhar et al. 2011;
Geyer 2012
;
Hong et al. 2019
]. Identifica-se também estudos recentes relacionados ao uso de
ontologias para identificar materiais e realizar análises automatizadas de características
da construção para certificação verde.
Zhang et al. (2019
) abordam a utilização de
ontologia com regras SWRL para inferir a pontuação em tempo real de projetos verdes,
integrado a um ambiente informatizado de comunicação social. Nesta mesma linha de
pesquisa,
Jiang et al. (2018
) apresentam uma ontologia com utilização de regras SRWL.
Os resultados experimentais demonstraram que a base de conhecimento BIM pode
servir para a sustentabilidade da construção, bem como o compartilhamento,
manutenção e aquisição de conhecimento entre os diferentes participantes do projeto.
Também pode-se observar em
Xu et al. (2019
) que a utilização da inferência ontológica
para um item de avaliação permite pesquisar aspectos que necessitam de melhorias na
edificação e ajuda os gerentes de projeto a usar os dados BIM.
As pesquisas acima não abordam a integração com dados abertos para análise do
entorno, nem a aplicação de inferências para análises quantitativas, pontos-chave deste
projeto. Nossa proposta busca modelar relações mais complexas para a análise de
certificação verde.
3. Metodologia
Um modelo conceitual simplificado será desenvolvido, envolvendo as ontologias
ifcOWL, SimpleBIM, BOT e BIMSO, para armazenar dados de um projeto construtivo
em BIM. A certificação LEED proverá critérios para avaliar os projetos representados
no modelo [
Leed 2014
].
Dicionários semânticos de dados [
Rashid et al. 2020
] produzirão grafos e integrarão,
por meio de ontologias, dados externos sobre o entorno de uma edificação com os dados
internos do projeto.
Os conjuntos de dados serão inseridos em um triplestore para realização das consultas e
inferências em SPARQL2. Consultas de dados espaciais, baseadas em GeoSPARQL3,
fornecerão inferências para o critério de localização e transporte. Uma consulta final
apresentará o resultado das inferências sobre as pontuações obtidas para a certificação.
De posse do modelo elaborado, esta proposta será validada com outros projetos
construtivos em BIM e dados abertos tabulares sobre o entorno, obtidos no site da
prefeitura de Belo Horizonte4.
2 https://www.w3.org/TR/sparql11-overview/
3 https://www.ogc.org/standards/geosparql
4 Disponível em: http://bhmap.pbh.gov.br/
4. Modelagem inicial
Uma ontologia simplificada foi criada contemplando os dados necessários para a análise
de critérios para certificação LEED. A Figura 1 exibe as classes utilizadas para
organizar os materiais e as zonas de um projeto construtivo, bem como os critérios a
serem pontuados.
Figura 1. Ontologia simplificada
Dados abertos tabulares, com coordenadas geométricas padronizadas pela OGC5, de
meios de transportes, trajetos e parques foram convertidos em RDF. Diante das opções
para conversão de dados tabulares para RDF [
Ding et al. , 2011
; Jeremy et al. , 2015;
Rashid et al. , 2020
], optou-se pela ferramenta sdd2rdf6 que permite a inserção de
conceitos implícitos e apresenta um nível abstrato para simplificar o mapeamento. O
grafo RDF gerado contém a formalização dos dados e favorece a integração para
consulta sobre locais da cidade por dados espaciais.
A utilização de regras lógicas é uma solução para automatizar a avaliação dos critérios
LEED. Uma vez que os dados BIM são integrados a outros, optou-se pela linguagem
SPARQL para centralizar as inferências. Como exemplo de conversão de regras lógicas
SWRL para inferências em SPARQL, adota-se aqui o critério que avalia a instalação de
uma área de bicicletas, calculada sobre a quantidade de unidades do edifício. A regra (1)
foi criada no Protégé para esta avaliação.
sebim:BicycleFacility(?w)^sebim:Material(?m)^sebim:hasMaterialClassification(?m,
sebim:RackBike) ^ sebim:value(?m, ?n) ^ swrlb:greaterThanOrEqual(?n, 4) ->
sebim:score(?w, 1)
(1)
O INSERT (2) apresenta a conversão com a criação de uma tripla inferida no conjunto
de dados, direcionando a pontuação à classe correspondente ao critério de instalação
para bicicletas.
5 https://www.ogc.org/standards/geosparql
6 https://github.com/tetherless-world/SemanticDataDictionary
As consultas para análises sobre o entorno, como a análise do acesso a pontos de ônibus
(3), exigem a utilização de funções GeoSPARQL.
INSERT {?w <http://www.semanticweb.org/SEBIM#score> "1"^^xsd:decimal }
WHERE {
?build rdf:type sebim:Terrain.
?build geo:asWkt ?pb.
?build ?x ex:Busstation.
?bus ?y ex:Geometria.
?bus geo:asWKT ?pl.
?w rdf:type sebim:QualityTransport.
FILTER (geof:distance(?pb, ?fpl, uom:metre) <= 800)
}
INSERT {?w <http://www.semanticweb.org/SEBIM#score> "1"^^xsd:decimal }
WHERE {
?m rdf:type sebim:Material.
?m sebim:hasMaterialClassification sebim:RackBike.
?m sebim:value ?n.
?w rdf:type sebim:BicycleFacility.
FILTER (?n > 4).
}
Este primeiro modelo ainda não contempla todos os critérios para avaliação de uma
nova construção para certificação. O próximo passo é enriquecer a ontologia
simplificada apresentada, anotar para ontologias outros dados abertos tabulares, realizar
novas inferências e apresentar os resultados ao usuário final em um protótipo.
5. Considerações Finais
O modelo preliminar apresenta a viabilidade no emprego das tecnologias semânticas
para automatizar a avaliação das construções para certificação LEED. Integrar dados
BIM com outros dados abertos sobre o entorno, bem como aplicar consultas em grafos
são tarefas em andamento na pesquisa atual. A abordagem de novas tecnologias para
avaliação de construção verde visa compensar a inexperiência e a energia limitada
dedicadas ao processo de análise, reduzindo o tempo e os erros.
Novas experimentações proporcionarão o refinamento das consultas para a
implementação de um sistema eficiente para automação de certificação LEED. Além
disso, espera-se que aplicações similares possam favorecer à automação na avaliação de
projetos construtivos como autorização de construção nas prefeituras, entre outras
avaliações que exigem análises complexas e a interoperabilidade de diferentes fontes de
dados.
Referências
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for sustainable design and LEED rating analysis. Automation in Construction, v. 20,
p. 217–224.
(2)
(3)
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, R. M. A., Pereira Junior, M. L., Almeida M.
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2017
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Internet das Coisas e Modelagem da Informação da Construção (BIM): Estudo Exploratório e a Inter-relação entre as Tecnologias
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Ding
, L.; Lebo, T.; Erickson, J.; Difranzo, D.; Williams, G; Li, X.; Michaelis, J.; Graves, A.; Zheng, J.; Shangguan, Z.; Flores, J.
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