Autor: GONZÁLEZ GERPE, Salvador

Título: Representación y agregación semántica de gemelos digitales

Fecha: 2025

Materia: ---

Escuela: E.T.S DE INGENIEROS INFORMÁTICOS

Departamento: INTELIGENCIA ARTIFICIAL

Acceso electrónico: https://oa.upm.es/92205/

Director/a(s):

• Director/a: GARCÍA CASTRO, Raúl
• Director/a: POVEDA VILLALÓN, María

Resumen: The increasing complexity of systems of digital twins exposes a gap: the absence of a formal semantic framework for interoperability. This deficiency creates interconnected challenges, beginning with a representation problem due to the lack of a computable model for the widely-accepted five-dimensional digital twin architecture. This, in turn, leads to an aggregation problem, where composing heterogeneous digital twins becomes an ad-hoc, non-scalable process focused on structure rather than knowledge. The aggregation of semantic knowledge then introduces an unavoidable validation problem to ensure the integrity of the resulting knowledge, a task for which existing tools exhibit fundamental implementation or syntactic biases. The general objective of this thesis is to establish a formal and integrated framework for the representation, aggregation, and semantic validation of heterogeneous digital twins, holistically addressing this entire chain of challenges. To achieve this, two main contributions are developed. To solve the representation and aggregation problems, the WoTDT ontology is presented. It is a formal semantic framework that provides a computable structure for the five-dimensional architecture by strategically reusing open W3C standards (such as WoT and DCAT) to ensure interoperability. Its applicability is demonstrated through its instantiation in the real-world use case of the COGITO European project. To address the consequent validation problem, the SHACLINT method is proposed for integrating SHACL validation constraints. This method operates at a purely semantic level, relying exclusively on ontologies and their formal alignments to overcome the biases of existing tools. The reliability of SHACLINT is quantitatively validated using benchmarks from the Ontology Alignment Evaluation Initiative. In synergy, these contributions establish a semantically founded cycle for the creation of systems of digital twins, covering from their formal description to the validation of their aggregated knowledge, thus proposing a framework for knowledge integration that advances the state of the art. RESUMEN La creciente complejidad de los sistemas de gemelos digitales revela una limitación: la ausencia de un marco semántico formal para la interoperabilidad. Esta carencia genera desafíos interconectados, comenzando con un problema de representación debido a la falta de un modelo computable para la arquitectura de cinco dimensiones de los gemelos digitales. Esto, a su vez, conduce a un problema de agregación, donde la composición de gemelos digitales heterogéneos se convierte en un proceso ad-hoc y no escalable, centrado en la estructura en lugar del conocimiento. La agregación de conocimiento semántico introduce entonces un ineludible problema de validación para garantizar la integridad del conocimiento resultante, una tarea para la cual las herramientas existentes presentan sesgos de implementación o sintácticos. El objetivo general de esta tesis consiste en establecer un marco formal e integrado para la representación, agregación y validación semántica de gemelos digitales heterogéneos, abordando de forma holística esta cadena de desafíos. Para ello, se desarrollan dos contribuciones principales. Para resolver los problemas de representación y agregación, se presenta la ontología WoTDT. Es un marco semántico formal que dota de una estructura computable a la arquitectura de cinco dimensiones mediante la reutilización estratégica de estándares abiertos del W3C (como WoT y DCAT) para garantizar la interoperabilidad. Su aplicabilidad se demuestra a través de su exitosa instanciación en el caso de uso del proyecto europeo COGITO. Para abordar el consecuente problema de validación, se propone el método SHACLINT para la integración de restricciones de validación SHACL. Este método opera a un nivel puramente semántico, basándose exclusivamente en las ontologías y sus alineamientos formales para superar los sesgos de las herramientas existentes. La fiabilidad de SHACLINT se valida cuantitativamente mediante benchmarks de la Ontology Alignment Evaluation Initiative. En sinergia, estas contribuciones establecen un ciclo semánticamente fundamentado para la creación de sistemas de gemelos digitales, que abarca desde su descripción formal hasta la validación de su conocimiento agregado, proponiendo así un marco para la integración de conocimiento que avanza el estado de la cuestión.