OWL 을이용한공간온톨로지구현방법론의기초적연구 A Basic Study on Constructing a Space Ontology Using OWL 김성아 * Kim, Sung-Ah Abstract Information about space and activity is of interest in every phases of building design and construction. As it is not easy to reconcile material and construction viewpoints, however, existing data models could not easily apply these concepts within the CAD system. Due to the recent advances in semantic web research, ontological approach seems to promise a flexible building information modeling. More precisely, the ontology approach enables an explicit specification of conceptualizing building information so that higher levels of reasoning is possible both by human and machine agents. The author has investigated the spatial nature of buildings in order to build its formal description to be used by agents, and a general ontological model for typical building has been developed using OWL and Protégé. The OWL is introduced as a main vehicle to encode the information and knowledge about the building structures and spaces. Protégé is employed as a modeling environment in which a test case of a anonymous building is analyzed and modeled in an ontology modeling manner. Ontology modeling issues and findings are discussed, and a possible application is presented in this paper. 키워드 : 온톨로지, 웹온톨로지언어, 공간, 건물데이터모델, 프로테제 Keywords : Ontology, OWL, Space, Building Data Modeling, Protégé 1. 서론 1.1 연구의배경과목적 1) 본연구의목적은건축물의공간과관련된정보를표현함에있어서온톨로지엔지니어링의지식표현방법론을적용함으로써에이전트가 1) 건물내외부의특정장소로이동하거나, 센서를통해획득한데이터로부터공간의용도를파악하는등의다양한작업 (task) 을수행하는과정에서물리적환경의의미를추론하여지능적인의사결정을할수있는정보환경을구축함에있다. 이러한연구는발단은기존의건물공간정보표현의문제점을보완하기위하여, 시맨틱웹 (Semantic Web) 기술발전의근간이되는온톨로지 (Ontology) 를수용함으로써, 에이전트가다루는환경의구조와의미를보다유연하게기술하고이를응용할수있게되었다는기술적인배경에서이다. 특히지능형에이전트가인간의일상적인명령 으로부터구체적인작업을계획하고수행하기위해서는건물공간의구조에대한추론은물론, 인간의행위와건축물이상호작용하는지식네트워크의추론이요구된다. 온톨로지는건물환경의물리적특성외에인간과기계가해석할수있는환경의의미론적구조를정형화되고명시적인방법으로기술하는체계를제공한다. 물론과거인공지능분야의연구에서온톨로지적접근이이루어져왔으나최근시맨틱웹의연구에서제시하는다양한표준기술과응용방법은기존데이터모델링의문제점극복에대한실마리를제공하고있다. 시맨틱웹은정보통신분야외에도의학 (Musen 1992, Hahn & Schultz 2004), e-러닝 (Brase & Nejdl 2004), 전자상거래 (Ding et al. 2004), 등에서활용되고있으나건축분야에서는비교적새로운방법론이어서, 본연구는건축분야에온톨로지방법론도입의기초적연구를제공한다는의의도가지고있다고할수있다. * 성균관대건축학과부교수, 건축학박사 본연구는과학기술부의창의적연구진흥사업의지원을받는성균관대학교창의적설계추론지적교육시스템 (CREDITS) 연구센터의연구결과물이다. 1) 여기서에이전트 (agent) 는물리적환경을이용하는로봇, 또는데이터모델의인스턴스를이용하는소프트웨어에이전트모두를포함한다. 1.2 연구의방법과범위온톨로지를이용한공간정보기술방법론은물리적환경과거기에존재하는오브젝트들이인간의행위와사물에대한개념이맞물려서구성되는의미의연결관계를 大韓建築學會論文集計劃系 21 권 6 호 ( 통권 200 호 ) 2005 년 6 월 51
김성아 정의함으로써가능하다. 본논문은공간온톨로지구현에있어서기본적인건축공간의구조와상호관계를정의하는데초점을맞추며다음과같은단계로진행된다. ⅰ. 건물공간모델링의개념과요구에대한고찰 ⅱ. 온톨로지의개념과구현방법론에대한고찰, 특히웹온톨로지언어를이용한의미기술에대한기초적연구 ⅲ. 대상건축물의내부공간과구성체계에대한온톨로지디자인 ⅳ. Protégé 를이용한온톨로지구축과 JESS를이용한활용방안제시본연구는구체적인기능유형에따른건물공간구조의정의보다는일반적인건축물의기능적공간을분석하고이를온톨로지모델로구축하는문제에초점을맞춘다. 따라서임의의건축물을온톨로지구현대상으로하였고공간의기능은학교건물에서나타나는일반적인실들을사례로하였다. 2. 건물공간의개념화공간은우리가물질세계를지칭할때사용하는기본적인개념들중의하나이다. 우리가일상적으로이해하는공간이라는개념은매우자명해보이지만일단이를정형화하려고하면많은논란의소지를가진다 (Ekholm & Fridqvist 1997). 공간은어떤물체들사이의비어있음 (emptiness) 으로서, 그물체들의존재여부에종속적일수있지만한편으로는어떤물체의내재된속성 ( 예 : 속이비어있는구체 ) 이기도하다. 건축공간은물리적실체를가지지않는개념으로서솔리드 (solid) 한컴포넌트, 예를들어벽체와슬래브에의해둘러싸여 (enclosed) 형성되는종속적인 ( 파생적인 ) 요소 (dependent or derivative concept) 이다. 그림 1. 종속적성격과내재된속성으로서의공간그럼에도불구하고건축설계의본질은공간의구축에있으므로물리적실체보다더중요한실체로서인지되는경우가많다. 건축설계는많은경우구체적인벽체의형상이나재질과관계없이공간의구성으로시작하여, 어떤시점에서공간의경계선 (boundary) 이자연스럽게솔리드 (solid) 로변환되는디자인프로세스를밟는다. 따라서공간을단순히벽체들의상호관계에의해파생되는종속적 인개념으로모델링하는방식은특히개념설계를제대로지원하기위한건축 CAD 시스템과같은경우큰문제점을내포한다. 즉, 공간은존재론적인관점에서파악되는추상적인개념인동시에건축물을구성하는단위이자물리적인건축요소들에의해형성되는실체이다. 이러한복잡성으로인해건축분야에서엔지니어링적인접근만으로공간정보를다루려는시도는본능적인저항에부딪쳐왔다고할수있다. 일반적인건물데이터모델 (building data model) 은건물을공간 (Space) 과구조체 (Structure) 또는컴포넌트 (Component) 의위계적구성체로취급하고있다 (Björk 1992; Eastman 1995). 공간중심의관점에서보면하나의건물은건물전체 (Building) 로부터층 (Story), 그리고각층의개개의실 (Room) 에이르기까지모든요소를공간으로보고, 건물은이들공간의위계적인추상체계 (abstraction system) 로볼수도있다. 이보다는복합적으로공간과구조체의위계적인추상체계로정의할수도있다. 후자의경우하나의건물은하나이상의층 ( 공간 ) 과외벽 ( 구조체 ) 로구성되고층은하나이상의실 ( 공간 ) 또는호 ( 공간 ) 와호간벽체 ( 구조체 ) 로조직되는구성체계를가진다고볼수있다. 이러한기존의모델 (Björk 1992; 김억외 1999) 은건축물을공간또는컴포넌트의위계로분해하는객체제향적방법을사용하고있으나온톨로지기반모델링은개체들간의관계에중점을두며더나아가여기에의미구조와관계의제약조건을기술함으로써보단복잡한의미의프로세싱이가능하다. 3. 온톨로지의도입 3.1 온톨로지의정의온톨로지는어떤개념체계에대한정형화된명세 (explicit specification) 이다 (Gruber 1993). 보다구체적으로온톨로지는어떤도메인을구성하는개념들과그개념들이서로가지는관계를인간은물론기계 ( 즉컴퓨터 ) 가이해하고처리할수있는정형화된수단으로표현한것이다. 이를이용하여어떤추론기 (reasoner) 가개념들의관계를파악하고지능적인판단과처리를할수있다. 온톨로지방법론이기존의 AI와구별되는점은온톨로지발전의배경에웹 (world wide web) 의발전이있기때문이다. 온톨로지는웹이궁극적으로지향하는 semantic web을구현하는수단이된다 (Berners-Lee et al. 2001). 하나의온톨로지는논의대상의도메인에서사용되는개념들에대한정형화되고명시적인기술, 즉클래스 (Classes) 또는개념 (Concepts) 과그러한개념들의특성이나속성을기술하는프로퍼티들 (Properties, Slots, Roles), 그리고그프로퍼티에대한제약조건 (Facets, Role Restrictions) 들로정의된다 (Noy & McGuinness 2001). 온톨로지구축을위하여다양한도구언어들이제 52 大韓建築學會論文集計劃系 21 권 6 호 ( 통권 200 호 ) 2005 년 6 월
OWL 을이용한공간온톨로지구현방법론의기초적연구 시되어왔으나본연구에서는현재 W3C의표준으로자립잡고있는웹온톨로지언어 (OWL) 을이용한다. 3.2 웹온톨로지언어 (OWL) 의정의웹온톨로지언어 ( 이하 OWL) 는 DAML+OIL 1) 에기반한차세대온톨로지구현표준언어이다. DAML + OIL은기존의 RDF와 RDF 스키마 2) 가역관계, union, intersection 등의주요관계를지원하는표현력을결여함에따른모델링요소확장 강화요구에서개발되었다. 이 DAML + OIL을기반으로클래스 (class) 와프로퍼티 (property) 의개념및그들사이의관계가보다명료하게정의되도록정리한온톨로지언어가 OWL이다. OWL은 OWL-Lite, OWL-DL 그리고 OWL-Full의세가지종류로나뉜다. OWL-Lite는단순한클래스위계와제약조건 (constraint) 표현에이용되는반면, OWL-Full은언어자체의결정가능성이나전산적완전성 (computational integrity) 을보장하기보다는언어의표현력에중점을두는경우를의도한것이다. OWL-DL은표현력에있어서두언어의중간쯤에해당되지만, 가장구별되는특성은서술논리 (Description Logic) 에기반했다는점이다. 서술논리는자동추론을가능하게한다. 즉, 클래스위계를자동적으로계산하고온톨로지가 OWL-DL의규칙을준수하는지를체크할수있다 3). 본연구에서는 OWL-DL을사용하였다. 3.3 OWL의구성체계 OWL 명제는클래스의구성원 (members) 들에관한사실과구성원들간의관계를기술하며, 이러한명제의집합으로이루어진온톨로지는구문적으로정의되지않은사실의논리적유추를가능하게한다 4). OWL 온톨로지는클래스 (classes), 프로퍼티 (properties), 그리고개체 (individual) 들로구성되며, 보다정확히는다음과같은요소들을포함하고있다. - 클래스간의택소노미 (taxonomy) 관계 - 데이터프로퍼티, 즉클래스의요소인속성값에관한기술 - 객체프로퍼티, 즉클래스요소간의관계기술 - 클래스들의인스턴스 - 속성들의인스턴스 (1) 택소노미 OWL에서 owl:thing은모든개체 (individuals) 를담고있는집합 (set) 을표현한다. 모든클래스는 owl:thing의서브클래스이다. 즉 owl:thing은최상위클래스에해당된다. 따라서건물공간온톨로지에있어서다른클래스의하위개념이아닌건물 (Building), 서브시스템 (SubSystem), 1) DAML+OIL, http://www.w3.org/tr/daml+oil-reference 2) RDF, http://www.w3.org/rdf/ 3) OWL-Full 은자동추론이불가능하다 4) 이는온톨로지에의한지식표현의핵심적특성이다. 공간 (Space), 컴포넌트 (Component) 등의클래스조차도모두 owl:thing의서브클래스이다. OWL 온톨로지에서클래스는개체 (individuals) 들이속하는집합 (sets that contain individuals) 이다, OWL에서는형식화된 ( 수학적인 ) 서술을통해서클래스의구성원이되기위한조건을정확하게기술하여표현한다. 여기서클래스들간에는상위클래스 (superclass) 와하위클래스 (subclass) 의위계관계가성립하는데이를택소노미 (taxonomy) 라고한다. 서브클래스는상위클래스를특화 (specialize) 한것이며논리학또는인공지능분야에서는서브클래스가상위클래스에 ' 포섭된다 '(subsumed) 라고한다 ( 유석인 1998). 예를들어건물컴포넌트 (BuildingComponent) 라는클래스와창호 (Window) 라는클래스와의관계에서창호는건물컴포넌트의서브클래스이다. 이는 모든창호는건물컴포넌트이다 라는뜻이된다. 즉창호의구성원은건물컴포넌트의구성원도되는것이며, 창호에속한다면그것이건물컴포넌트임을묵시적으로나타낸다 또는논리적으로 창호는건물컴포넌트에포섭된다 (subsumed) 라고할수있다. 이러한상위클래스-서브클래스관계는 OWL-DL의추론기 (reasoner) 에의해자동적으로계산될수있다. 클래스는개념 (concept) 이라고도표현되는데보다정확히정의하자면클래스는개념의구체적인표현이다. OWL에서서브클래스는필요조건을암시한다. 즉, 창호가건물컴포넌트의서브클래스라는것은모든창호의인스턴스는예외없이건물컴포넌트의인스턴스라는것을의미한다. 또는그것이창호라면이는또한건물컴포넌트이기도하다는것을암시한다. (2) 프로퍼티 OWL 프로퍼티에는객체형프로퍼티 (Object Property) 와데이터형프로퍼티 (Datatype Property) 가있다. 객체형프로퍼티는개체와개체를연결하며데이터형프로퍼티는개체를 XML 스키마데이터형이나 RDF 상수에연결시킨다. 즉, 객체형프로퍼티는클래스요소들간의관계를, 데이터형프로퍼티는클래스요소가취해야하는데이터의형식과값을기술한다. 예를들어 hasobject 관계는객체형프로퍼티로서이는공간 (Space) 클래스요소와오브젝트 (Object) 클래스요소와의관계를기술한다. 반면 volume 은데이터형프로퍼티로서이는공간클래스요소의체적에대한값과형식 ( 예를들어 real값 ) 을나타낸다. 프로퍼티 (properties) 는개체들간의관계로서두개체를연결한다. 이러한관계는역관계 (inverse relation) 를가질수있다. 예를들면공간 (Space) 과사물 (Object) 의개체들은서로 contains와 iscontainedin이라는관계들에의해연결되면이들관계는서로역관계이다. 프로퍼티는프로퍼티특성을통해서더욱복잡한의미를표현할수있게한다. 어떤주어진개체에대하여그 大韓建築學會論文集計劃系 21 권 6 호 ( 통권 200 호 ) 2005 년 6 월 53
김성아 프로퍼티로연결될수있는개체가하나밖에없을경우기능적프로퍼티 (functional property) 라고한다. 예를들어개구부 (Opening) 과벽체 (Wall) 사이에는 belongsto와같은프로퍼티를생각할수있다. 개구부는단하나의벽에만속할수있으므로 belongsto는개구부인스턴스가하나의개체에만연결되는기능적프로퍼티이다. belongsto의역프로퍼티 (inverse property) 에해당되는 hasopening의경우하나의벽체에여러개의개구부가있을수있으므로기능적프로퍼티가아니다. 그러나층 (Story) 과그층의슬래브 (slab) 의경우, 서로 hasslab와 isslabof 관계의역관계를가지며, isslabof는기능적프로퍼티이므로 hasslab는역기능적프로퍼티 (inverse functional property) 이다. 프로퍼티는추이적인프로퍼티 (transitive) 와대칭적인 (symmetric) 프로퍼티가존재한다. 추이적인프로퍼티의대표적인것으로는 partof 프로퍼티가있다. 예를들어 A 와 B가 partof 관계로연결되어있고 B와 C가 PartOf 관계로연결되어있다면 A와 C사이에도 partof 관계가성립하는경우이다. 한편, a와 b가 p의관계가성립하고 b 와 a도 p의관계가성립한다면이는대칭프로퍼티이다. 예를들어개구부 oa와개구부ob가동일한벽체 w와 isopeningof 관계로연결되어있다면 oa와 ob는 hassibling 관계로연결하는것이가능한데, 이는전형적인대칭프로퍼티에해당된다. 어떤프로퍼티가추이적이라면역프로퍼티도반드시추이적이다. 또한추이적인프로퍼티는기능적프로퍼티가될수없다. 프로퍼티관계의주체가되는개체가속한클래스는도메인 (Domain) 이라고하며대상이되는개체가속하는클래스의범위를범위 (Range) 라고한다. 범위는여러개의클래스들로구성될수도있는데이경우프로퍼티의범위는클래스들의합집합 (union) 으로표현된다. 5) 그림 2는본연구에서사용된 Protégé의 Ontoviz 플러그인을이용하여표현된온톨로지그래프이다. 슬래브 (Slab) 나벽체 (Wall) 는공간과공간을수직적으로또는수평적으로분리하는 Divider 클래스의서브클래스로서 isa 관계에의해연결된다. 반면 Opening( 개구부 ) 이나 VertHole( 슬래브에속한수직개구부 ) 는공간과공간을연결하는 Connector 클래스의서브클래스로 isa 관계에의해연결되어있다. 이러한 isa 관계는객체형프로퍼티가아니라 OWL 택소노미에의해서구성되는관계이다. 한편 Divider와 Connector는서로 hasopening 관계와 isopeningof 관계로연결된다. Divider는 0 또는하나이상의 Opening을가질수있으며 ( 그림에서 hasopening* 로표현 ), 반면 Connector는항상하나의 Divider에만속 5) 본연구에서온톨로지모델링도구로사용된 Protégé 에서프로퍼티는슬롯 (Slot) 이라는명칭으로사용되며서술논리에서는역할 (Role), 그리고 UML 과같은객체지향적개념에서는관계 (Relation) 라고불린다. 할수있다 (isopeningof 로표현 ). Connector는 2개의공간을연결하는속성을가지고있다 (connects*). 그림 2. 프로퍼티의사례 (3) 인스턴스인스턴스Individuals 또는 Instances) 란논의대상도메인의사물또는개념 (objects) 을표현하는것이다. OWL 에서는인스턴스명의유일성 (Unique Name Assumption) 을가정하지않으며따라서두개의다른이름이실제로는동일한개체를가리킬수있다. 예를들면 홍길동교수연구실 과 room_#21423' 은동일한실을가리키는개체명일경우이다. 따라서 OWL에서는개체가서로다르거나같음을반드시명시적으로제시해야한다. (4) 프로퍼티제약에의한인스턴스표현존재한정사 (existential quantifier) 를이용하여 hasslab Slab hasslab관계를표현하면 Slab의구성원과적어도하나와연결되는모든개체들을지칭한다. 예를들어본연구에서제시하는 Story( 층 ) 의경우는 hasslab 관계로 Slab를취하는유일한클래스이므로 hasslab Slab Story 이다. 그러나한정사는실제로기술되고있는클래스의익명적인상위클래스를기술하는것으로서보다정확히기술하자면 hasslab Slab Story 이다. 또한, 어떤회의실 (Meetngroom) 이 hasobject 라는관계에의해 MeetingTable을취하고있다면 ( 이는어떤방에 MeetingTable이있다면그방은회의실이될가능성이있다는것으로해석할수있다 ) hasobject MeetingTable은실제로회의실의상위클래스인 Room이나그외 hasobject 관계에의해 MeetingTable을가지는모든것 ( 예를들면, MeetingTable은연구실에있을수도있다 ) 에해당되는것이다. 즉 hasobject MeetingTable 은 MeetingTable을 (hasobject 관계에의해 ) 적어도하나가지는모든인스턴스이다. 이러한프로터티제약 (restriction) 은모든 hasobject 관계가반드시회의실에만해당하지않음을의미한다. 또한이러한표현을통해어떤에이전트 ( 로봇 ) 가센서를통해서어떤실에놓인물체를 MeetingTable로파악했을때그실이회의실이거나그외 MeetingTable을가질수있는가능한모든실에대한확률적인추측을할수있다. 물론이러한확률치는 54 大韓建築學會論文集計劃系 21 권 6 호 ( 통권 200 호 ) 2005 년 6 월
OWL 을이용한공간온톨로지구현방법론의기초적연구 온톨로지를통해서표현될수도있지만, 다른외적인수단 6) 을이용하여표현될수도있다. 특정클래스의구성원에만프로퍼티를제한하기위해서는전체 (universal) 제약을사용해야한다. 예를들어 hasslab Slab 는 hasslab관계에의한관계는모두 Slab의구성원에만연결되는개체를기술한다. 예를들어 Story는 Slab 외엔다른클래스의멤버를 hasslab 관계로연결하지않는다. 또한제한된도메인에서우리는 화장실의경우반드시변기를가지지만욕조, 변기, 세면대를동시에가지면욕실일수밖에없다 라는지식을표현하기위하여, hasobject ToiletBowl 은결국욕실이나화장실을포함하는상위클래스를나타내고, hasobject (Bahtub ToiletBowl Lavatory) 는욕실을가리킴을표현할수있다. 4. 공간의온톨로지화 4.1 기본적문제건물공간에대한기본적인개념을그려보면우선건물과공간이가지는관계를생각할수있다. 이는하나의건물을무엇의집합으로보느냐의문제이다. 앞서논의한것처럼건물자체를공간의특수한형태, 즉서브클래스로보고건물을구성하는층이나실도모두공간의서브클래스로정의할수있다. 이러한경우공간 (Space) 는재귀적으로다른공간을포함하거나다른공간에포함되는관계로개념화할수있다. 이러한개념화는실제로공간 중심의개념설계를지원하는시스템에서는유용하다. 프로덕트중심의시스템에서는이보다는컴포넌트중심의개념화가유용하다. 두번째는공간과공간을구성하는요소와의관계이다. 이는직관적으로는건물공간과외피, 혹은실공간과벽체와의관계를생각할수있다. 이러한문제는단순히공간이벽체의존재에종속적인가, 또는벽체와관계없이존재하는개념인가라는두가지사유에서연구할수있지 만, 한편으로는시스템수행효율의관점에서, 인지되지는않지만개념적인요소를도입할필요를고려할수있다. 이점에대해서는 4.2절에서다룬다. 공간과관련된세번째의내용은공간과공간을사용하는사용자와의관계에관한것이다. 공간은필연적으로기능을담는용기로서인간의행위와밀접한관계를가진다. 어떤공간이강연장이라는명칭을부여받는것은내재적인속성에의한것일수도, 임의적인부여에의한것일수도있다. 미지의공간의용도와의미에대한지식을전혀가지지않고있는에이전트가어떤공간을감지하고 그공간이강연장이다 라고파악하기위해서는우선그공간이가지는물리적인크기와구조를통한추론이필요하다. 대부분의오피스공간의경우실기능이처 6) 예를들어 Baysian Network 는개념들간의확률적인인과관계를그래프화하여추론하는환경을제공한다. 음부터부여되는것이아니고사용자가필요에따라기능을부여한다. 따라서공간을특정기능공간의서브클래스로구현하기보다는특정기능 (function) 에관련되는공간의내재적특성 (intrinsic peroperties) 과공간사용주체의행위 (activity) 와기능과의관계를온톨로지화하는것이온톨로지모델링관점에서바람직할것이다. 4.2 공간개념의온톨로지화본연구에서공간은건물의내부공간 (IntSpace) 과외부공간 (ExtSpace) 로구분된다. 외부공간의구체적인정의는보류한채, 내부공간은건물의구체적인실공간 (Room) 으로서정의된다. 높이가일정한내부공간을가정하여 2차원만고려했을때, 그리고문제를단순화하기위하여곡률을가진벽체나비정형의벽체는고려하지않았을때기본적으로생각할수있는내부공간의형상조건은적어도 3개이상의벽체에의해서둘러싸여야한다는것이다. 즉, isenclosedby(intspace, Wall). 여기서 Wall은공간의종류에따라내벽일수도있고, 외벽일수도있다. 외부공간은어떤건물을중심으로보았을때역시벽체에의해경계가형성되는개념 ( 객체 ) 이다. 즉외부공간은모두외벽에의해둘러싸인다. isenclosedby(extspace, ewall). 그림 3. 공간, 벽체, 개구부의관계그림 3에서내부공간 (IntSpace) 는인지적으로벽체들에의해둘러싸이는볼륨으로표현된다. 개구부 (Opening) 은벽체에포함된컴포넌트로인지되며, 창호 (Window) 도마찬가지이다. 개구부는공간과공간을연결 (connects) 하는속성을가지고있으며창호는공간과공간을가시성 (visibility) 관계로연결한다. 외부공간과내부공간이 connects 관계로연결되는개구부를포함하고있는벽체는외벽이며, 내부공간과내부공간을연결하는개구구가포함되는벽체는내벽이된다. 여기에서벽체는본질적으로두개의공간 (Space) 을분리하는분리자 (Divider) 로서하나의벽체가두개의공간과 isenclosedby 관계에의해연결되는것은특정공 大韓建築學會論文集計劃系 21 권 6 호 ( 통권 200 호 ) 2005 년 6 월 55
김성아 간을벽체와의관계에의해서추출하려고할때추가적인추론을요구한다는점에서문제가있다. 따라서벽체에의해직접공간이둘러싸이는관계보다는공간과벽체를매개하는경계면 (Boundary Surface) 의개념이도입된다 ( 그림 4). 그림2의다이어그램에서보듯이공간은 relspc2divider라는관계에의해벽체나슬래브와같은분리자와연결되고있다. 연구의초기단계에서모든벽체는실제시공된형상과는관계없이다른벽체와교차하는경우그교차점을기준으로별개의벽체로분리하여항상단일선분을유지하도록하였고각단일벽체에두개씩의경계면이종속되는것으로모델링하였다. 즉벽체는각각두개의경계면을가지고있고연결된면 (surface) 이형성하는일종의다각형이공간을형성하게된다. 따라서공간은 2차원적으로보았을때는경계면들에의해 relspc2divider 관계로연결되는개념으로서내부공간의경우그러한경계면이적어도 3개이상되어야하며 외부공간의경우그러한제약이없다 라고정의하는것이효율적이다. 외부공간은일반적인경우특정건물의밖에존재하는공간으로서특정한경계면이없거나해당건물의관점에서볼때건물의외벽의바깥쪽경계면들에의해싸이는공간이다. - 공간은다각형또는곡선을포함한폐곡선의형태를 extrude 한볼륨, 또는 ( 그러한방식으로표현되지않는비정형적인형상의경우 ) boundary representation 에의해표현되는볼륨이다. 그러한볼륨의각면 (facet) 은공간과 relspc2divider 관계에의해연결된다. - 벽체는일반적으로시공된형상을그대로반영한것을하나의단위로한다. 벽체볼륨의각면 (facet) 은공간과연결됨과동시에 relspc2divider 에의해벽체와연결된다. 이렇게구현된공간과벽체, 그리고개구부등의요소들간의관계는요소들간의관계를위계적이아닌나열적데이터구조 (flat data structure) 로만듦으로서이를사용하는시스템에서운용이용이하고표현에융통성을가질수있다는장점이있다. IFC 모델등에서도개구부를벽체의하위컴포넌트로모델링하지않고대등한솔리드컴포넌트로정의하며, 개구부를구성하는문짝과같은요소도 Filler 라는개념으로별도의클래스화함으로서동일한효과를도모하고있다고사료된다. 즉, 벽체가 CAD시스템의그래픽환경에서 3차원모델로표현될때관련된인스턴스정보들을추출하여벽체로부터개구부의볼륨을보이드 (void) 화하여벽체형상을표현하고여기에문짝의형상들을추가함으로서벽체의완성된표현을하는것이다. 즉표현 (representation) 은데이터모델을사용하는애플리케이션 (application) 에서상황에따라다이나믹하게표현한다는구현철학이다. 그림 4. 경계면의개념 이러한모델링의문제점은공간분할에서큰의미가없는가변적인파티션이일반벽체와교차할경우에도실제로는하나의벽체를여러개의벽체와그벽체에부속된경계면을파생시키는것과, 이로인한모델의거대화및활용의어려움. 또한실제인지되는벽체의특성과의괴리가커지는점등을들수있다. 또한벽체에종속된개구부 (Opening) 나창호 (Window) 에대한경계면의개념등이모호해진다. 또한 IFC 모델과같은표준 AEC 교환모델 (IAI 1999) 의방식과도호환되지않는문제점을가진다. 따라서본연구에서정의한공간과벽체와다음과같은관계에의해서연결된다. - 우선공간은벽체에의해서직접둘러싸이지않고벽체와독립적으로존재하는개념이다. 이는공간에실체적인의미를부여하고, 공간의개념을설계초기단계에서부터지원가능하게한다. 그림 5. 공간클래스의세분화그림 5는건물내부공간의모델링에서고려되는다른관점의문제를표현하고있다. 하나의실 (Room) 을예로들때공간은벽체와슬래브에의해둘러싸이는 ( 정확히는그벽체들과의경계면에의해형성되는 ) 볼륨이다. 그러나거주자가아닌엔지니어나건물관리자의관점에서하나의실공간은내부공간뿐만아니라천정 (Ceiling) 과슬래브사이의공간, 경우에따라서는바닥 (Floor) 과슬래브사이의공간도표현되어야한다. 이들공간 ( 그림 5에서 ServSpace로표현 ) 의도입은엔지니어링관점에서의 56 大韓建築學會論文集計劃系 21 권 6 호 ( 통권 200 호 ) 2005 년 6 월
OWL 을이용한공간온톨로지구현방법론의기초적연구 건물공간온톨로지가결코간단한일이아님을보여주는일례이다. 또한설계자가 ( 기능적 ) 공간으로정의하였으나벽체없이또는기둥들에의해분리된공간으로정의된경우물리적으로연결된하나의공간이지만기능적으로별개인두개의인접공간을연결해주는연결자로서가상벽 (VirtDivider) 이라는개념을도입한다 ( 그림 6). 이는연결자 (Connector) 의서브클래스로정의한다. 가상벽은온톨로지모델측면에서흥미로운특성을가진요소이다. 그이유는가상벽은그이름이암시하듯이기능적으로는연결자의서브클래스이지만형상표현및개념적으로는분리자 (Divider) 의속성을가진다. 따라서분리자와경계면이서로연결되는 relspc2divider 관계를이용하여경계면에연결되며, 형상적특성은분리자처럼벽체의형상을가지되 visible= false라는속성을정의된다. 가상벽개념을도입함으로써공간연결관계와같은추론에있어서 connects 관계만을추적함으로써추론할수있다 ( 그림 8). 그림 6. 가상벽의개념 그림 7. 공간-행위-오브젝트의관계 5. 온톨로지의응용그림 8과그림 9는본연구의환경온톨로지를이용한공간추론사례를보여준다. Java 기반의규칙추론 (rule inferencing) 도구인 JESS를이용하여 OWL파일을파싱하고, 여기에서분리된공간을연결하는 (connects 관계 ) 에의해연결되는공간들로부터공간연결관계그래프를생성하고이로부터특정공간사이의네비게이션경로를추출하여이를그래픽환경에표현하는방법을취하고있다. 공간연결관계의추론은건물공간지식추론에있어서매우기본적인것이라고할수있다. 또한이러한추론은 OWL과같은고수준의온톨로지가아니라공간토폴로지를표현하는그래프데이터구조에의해서쉽게연산가능할것이다. 온톨로지이용의잠재적가능성은선언된지식으로부터추론된지식을추출해낼수있으며, 불완전한모델을통해서접근가능하다는것이다. 연구초기단계의건물공간온톨로지는건물은여러개의서브시스템으로이루어지고서브시스템중에서층 (Story) 이공간들로구성되며공간은구체적인실들로세분화되는방식을취하였다. 그러나실공간의기능은많은경우내재적이라기보다는일시적으로부여된임의의속성일가능성이많으며 (temporal relations), 특히실공간의부여된기능에대한정보가전혀없는상태에서에이전트가센서데이터로부터파악된오브젝트등의특성에따라공간의기능을추론해내야하는연구의특성상다음과같은공간-행위-오브젝트관계를도출하였다. 즉, 행위 (Activity) 는관련된오브젝트가있다 (Activity Association). 따라서일단의오브젝트인스턴스들로부터가능한행위의클래스가파악되며, 공간은 hasobjects 관계에의해오브젝트를가짐으로써에이전트는공간에속한오브젝트들로부터공간의기능 (function) 을추론한다. 이로써어떤일단의오브젝트들로부터가능한행위가추론되며그로부터그오브젝트들을가지고있는공간의기능에대한추론을수행한다 ( 그림 7). 그림 8. JESS 와그래픽환경을연결한공간연결관계추론가시화의사례 1 大韓建築學會論文集計劃系 21 권 6 호 ( 통권 200 호 ) 2005 년 6 월 57
김성아 그림 9. JESS 와그래픽환경을연결한공간연결관계추론가시화의사례 2 6. 결론본연구는건물공간구조와관련된의미를온톨로지화하였고, 이를위하여건축물의주요요소들에대한구조적의미와상호관련성을온톨로지적관점에서고찰하였다. 건축공간은물리적인실체를가지지않지만건축설계에있어서설계초기단계에서부터실체로서취급되는개념으로서, 단순히건물부재에종속되는개념으로만모델링하기에는어려움이있다. 따라서본연구에서는건물공간이벽체등의건물구성요소와가지는상호관계를유연성과효율성을고려하여온톨로지화하였다. 특히, 온톨로지의디자인프로세스를통해서건물공간이건물을구성하는다양한컴포넌트와상호관련되는의미를 Protégé를이용하여온톨로지를구현하였으며 rule inferencing 도구인 JESS 응용프로그램을통해서이온톨로지가활용될수있는기본적인사례를제시하였다. 본연구는본연구는추후온톨로지의행위및오브젝트온톨로지와의통합을통한추가적인구현을통해서계속보완될것이다. elearning", Staab, S. & Studer, R. (eds.) Handbook on Ontologies, Springer, 200 6. Ding, Y, Fensel, D., Klein, M., Omelayenko, B., & Shulten, E., "The ROle of Ontology in ecommerce", Staab, S. & Studer, R. (eds.) Handbook on Ontologies, Springer, 200 7. Eastman C. M. & Siabiris A., "A generic building product model incorporating building type information", Automation in Construction, Vol.3, No.4, pp. 283-304, 1995 8. Ekholm, A. & Fridqvist, S., "Concepts of space in computer based product modeling and design", in Proc. of the 15th ECAADE Conference, Vienna, Sep. 17-20, 1997. 9. Gruber, T.R., "A Translation Approach to Portable Ontology Specification", Knowledge Acquisition 5, pp. 199-220, 1993 10. Hahn, U. & Schultz, S., "Building a Very Large Ontology from a Media Thesauri", Staab, S. & Studer, R. (eds.) Handbook on Ontologies, Springer, 2004 11. IAI, IFC Release 2.0 Specifications. International Alliance for Interoperability, 1999 12. Musen, M.A., "Dimensions of knowledge sharing and reuse", Computers and Biomedical Research, 25, pp. 435-467, 1992 13. Noy, N. & McGuinness, D.L. (2001). Ontology development 101: A guide to creating your first ontology. Retrieved December 23, 2004 from http://protege.stanford.edu/ publications/ontology_devel opment/ontology101-noy-mcguinness.html ( 接受 : 2005. 3. 31) 참고문헌 1. 김억, 최진원, 김성아, 객체지향가변모델개념을적용한주택설계자동화에관한연구, 대한건축학회논문집, 15권 5호, 1999 2. 유석인, 인공지능원론, 교학사, 1998 3. Björk, B-C., "A Conceptual Model of Spaces, Space Boundaries and Enclosing Structures", Automation in Construction, Vol.1, No.3, pp. 193-214, 1992 4. Berners-Lee, T., J. Hendler, and O. Lassila. The Semantic Web. Scientific American, 2001. 5. Brase, J. & Nejdl, W., "Ontology and Metadata for 58 大韓建築學會論文集計劃系 21 권 6 호 ( 통권 200 호 ) 2005 년 6 월