Aerospace.Wikibase: Towards a Knowledge Infrastructure for Aerospace Engineering

Die Studie stellt „Aerospace.Wikibase" vor, eine auf Wikibase basierende kollaborative Wissensinfrastruktur, die mit über 700 Begriffen aus einer systematischen Literaturreview die fragmentierte Datenlandschaft der Luft- und Raumfahrttechnik überwindet, um redundante Arbeiten zu reduzieren und eine nachhaltige, offene Zusammenarbeit zu ermöglichen.

Das Wesentliche

Stellen Sie sich die Luft- und Raumfahrtindustrie wie einen riesigen, hochkomplexen Orchester vor. Jeder Musiker (Ingenieur) spielt ein fantastisches Instrument, kennt seine Partitur und beherrscht sein Fach. Doch oft spielen sie in verschiedenen Räumen, mit unterschiedlichen Notenblättern und ohne zu wissen, was der Kollege im Nachbarraum gerade übt.

Das ist das Problem, das diese Forscher aus Hannover angehen: Das Wissen ist verstreut und fragmentiert. Wenn ein Ingenieur eine geniale Lösung für ein Triebwerk findet, landet sie oft in einem geschlossenen Projektbericht oder im Kopf einer Person. Wenn das Projekt endet, ist das Wissen oft wieder weg oder schwer wiederzufinden. Das führt zu doppelten Arbeiten und verpassten Chancen.

Hier ist die Lösung, die die Autoren mit Aerospace.Wikibase entwickelt haben, erklärt mit einfachen Bildern:

1. Das Problem: Der "verwaiste Schatz"

Bisher war das Wissen in der Luft- und Raumfahrt wie eine Sammlung von privaten Tagebüchern, die in verschiedenen Tresoren liegen. Niemand darf sie sehen, und wenn der Tresorbesitzer (das Projekt) geht, bleibt das Tagebuch verschlossen. Es gibt zwar Wörterbücher (wie auf Wikipedia), aber keine lebendige Datenbank, die zeigt, wie Software, Daten und Prozesse miteinander verbunden sind.

2. Die Lösung: Ein gemeinsames "Super-Lexikon"

Die Forscher haben eine Plattform namens Aerospace.Wikibase gebaut.

• Die Analogie: Stellen Sie sich ein riesiges, digitales Lego-Set vor. Bisher hatte jeder Ingenieur nur seine eigenen Steine und baute seine eigenen kleinen Türme, die niemand sonst benutzen konnte.
• Der Wikibase-Ansatz: Sie haben einen gemeinsamen, öffentlichen Baukasten geschaffen. Jeder kann jetzt seine eigenen Lego-Steine (Wissen) in dieses riesige Regal legen. Aber das Besondere ist: Die Steine haben Verbindungsstücke.
  • Wenn Ingenieur A sagt: "Ich habe Software X benutzt, um Prozess Y zu lösen", wird das nicht nur als Text gespeichert.
  • Das System verknüpft "Software X" automatisch mit "Prozess Y".
  • Ingenieur B, der morgen ein ähnliches Problem hat, kann sofort sehen: "Aha! Jemand hat das schon mal gelöst!"

3. Wie funktioniert das? (Der "Übersetzer")

Die Forscher haben Tausende von Fachbegriffen aus alten Studien gesammelt (über 700 Begriffe zu Prozessen, Software und Daten).

• Der Trick: Sie haben diese Begriffe nicht einfach in eine Liste geschrieben. Sie haben ihnen eine persönliche ID-Karte gegeben.
• In der Datenbank heißt das: Ein Begriff ist nicht nur ein Wort, sondern ein "Ding" (ein Item), das mit anderen Dingen verbunden ist.
• Beispiel: Ein "3D-Modell" ist nicht nur ein Wort. Es ist ein Objekt, das mit "Datenformat", "Software" und "Forschungsarbeit" verknüpft ist. Das System weiß also: "Dieses Modell gehört zu dieser Software, die in diesem Papier beschrieben wurde."

4. Warum ist das sicher? (Das "Glas-Regal")

Ein großes Problem in der Luftfahrt ist die Angst, dass Firmen ihre Geheimnisse verlieren.

• Die Metapher: Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Glas-Regal in der Mitte eines Raumes. Jeder kann seine eigenen, privaten Schränke (Projekt-Daten) daneben stellen.
• Das Glas-Regal (Wikibase) enthält nur die allgemeinen Begriffe und Verbindungen (z. B. "Was ist ein Triebwerk?", "Wie funktioniert ein Sensor?").
• Niemand muss seine geheimen Baupläne ins Glas-Regal legen. Aber alle können auf das Regal zugreifen, um die Sprache zu vereinheitlichen. So können Ingenieure aus verschiedenen Firmen oder Projekten trotzdem "miteinander reden", ohne ihre Geheimnisse zu verraten.

5. Das Ergebnis: Ein lebendiges Nervensystem

Die Plattform ist jetzt online und enthält bereits fast 15.000 "Knotenpunkte" (Begriffe) und über 37.000 Verbindungen.

• Es ist wie ein Nervensystem für die Branche. Wenn ein Ingenieur einen neuen Begriff erfindet, kann er ihn dort einfügen, und das System wächst mit.
• Es ist unabhängig von einzelnen Projekten. Selbst wenn ein großes Forschungsprojekt endet, bleibt das Wissen im System erhalten – wie ein Baum, der weiterwächst, auch wenn die Gärtner wechseln.

Fazit

Die Autoren sagen im Grunde: "Wir brauchen keine neuen Geheimtore, sondern eine gemeinsame Sprache."

Mit Aerospace.Wikibase haben sie eine Infrastruktur geschaffen, die es Ingenieuren erlaubt, ihr Wissen nachhaltig zu teilen, ohne Angst zu haben, ihre Firmengeheimnisse zu verlieren. Es ist der erste Schritt, um aus vielen isolierten Inseln eine große, zusammenhängende Landkarte zu machen, auf der die Zukunft der Luft- und Raumfahrt leichter zu navigieren ist.

Kurz gesagt: Sie haben das "Wikipedia für die technische Sprache der Luft- und Raumfahrt" gebaut, aber mit einer intelligenten Struktur, die zeigt, wie alles miteinander zusammenhängt.

Technische Zusammenfassung

Hier ist eine detaillierte technische Zusammenfassung des Papers „Aerospace.Wikibase: Towards a Knowledge Infrastructure for Aerospace Engineering" auf Deutsch:

1. Problemstellung

Die Luft- und Raumfahrttechnik ist durch komplexe Systeme und fortschrittliche Forschung gekennzeichnet, leidet jedoch unter einer stark fragmentierten Wissensinfrastruktur. Trotz des Potenzials für flexible Datenwiederverwendung bestehen erhebliche Lücken in Bezug auf Interoperabilität, Standardisierung und die Einhaltung der FAIR-Prinzipien (Findability, Accessibility, Interoperability, Reusability).

• Aktueller Zustand: Wissen ist oft nicht formalisiert, sondern verteilt auf menschliche Ressourcen, Berichte und direkte Kommunikation. Es fehlt an offenen, kollaborativen Wissensdatenbanken für diesen Sektor.
• Herausforderung: Bestehende Systeme sind oft projektgebunden und werden nach Projektende stillgelegt. Zudem gibt es eine Kluft zwischen domänenspezifischen Ingenieuren und Wissensingenieuren. Die Branche ist stark reguliert und neigt dazu, Wissen zu isolieren, um Wettbewerbsvorteile zu sichern, was den Austausch behindert.
• Ziel: Es wird eine nachhaltige, projektunabhängige Infrastruktur benötigt, die es Ingenieuren ermöglicht, Wissen offen zu teilen und zu kuratieren, ohne Projektdaten zu gefährden.

2. Methodik

Die Autoren entwickelten Aerospace.Wikibase, eine dedizierte Wikibase-Instanz (basierend auf der Open-Source-Software Wikibase, ähnlich wie Wikidata), um diese Lücke zu schließen. Der Ansatz gliedert sich in zwei Hauptschritte:

A. Datenerfassung und Modellierung

• Datenquelle: Es wurden Daten aus einer systematischen Literaturübersicht (Systematic Literature Review) wiederverwendet, die über 700 domänenspezifische Begriffe und deren Zusammenhänge identifiziert hatte.
• Semantisches Modell: Ein Datenmodell wurde entwickelt, um diese Daten zu strukturieren. Es basiert auf der Forschungsfrage: „Welcher Luft- und Raumfahrtprozess wird mit welcher Software, welchen Daten, in welchem Format und mit welchem Schema durchgeführt?"
• Ontologie-Integration: Das Modell integriert Klassen aus bestehenden Ontologien:
  • Process: Aus der Basic Formal Ontology (BFO).
  • Software: Aus der Software Ontology.
  • Data item / Data format: Aus der Information Artifact Ontology (IAO).
  • Contribution: Eine neue Klasse für wissenschaftliche Publikationen (inspiriert vom Open Research Knowledge Graph, ORKG).
• Relationen: Es wurden Relationen wie has process, has software, has data item, mentions und has part definiert, um Entitäten zu verknüpfen. Zudem wurden Annotationseigenschaften für Aliase, Quellen und die Ausrichtung an Wikidata-URIs eingeführt.

B. Implementierung und Datenimport

• Technologie-Stack: Die Instanz wurde auf einer dedizierten Wikibase.Cloud-Instanz bereitgestellt.
• Mapping: Die OWL-Konstrukte des Datenmodells wurden auf das Wikibase-Modell abgebildet (Klassen → Items, Individuen → Items mit instance of, Objekt-Eigenschaften → Wikibase-Eigenschaften).
• Automatisierter Import: Ein Python-Skript unter Verwendung von rdflib (zum Parsen) und WikibaseIntegrator (zum Importieren) führte den Datenimport durch.
• Qualitätssicherung:
  • Der Import bot eine idempotente Ausführung (Wiederholungen führen nicht zu Duplikaten).
  • Automatisierte SPARQL-Abfragen überprüften nach jedem Batch die Datenqualität (fehlende Labels, Duplikate, verwaiste Klassen).
  • Fehlerbehandlung bei Datenbank-Blockaden oder API-Timeouts wurde implementiert.

3. Wichtige Beiträge

1. Überblick: Eine Analyse des Status quo von Wissensinfrastrukturen in der Luft- und Raumfahrt, die den Mangel an offenen, kollaborativen Lösungen aufzeigt.
2. Datenmodell: Ein explizites, auf einer systematischen Literaturübersicht basierendes Datenmodell, das Prozesse, Software und Daten in der Luft- und Raumfahrt formalisiert.
3. Infrastruktur: Die Implementierung von Aerospace.Wikibase als offene, persistente und erweiterbare Wissensinfrastruktur.
4. Workflow: Ein erprobter Workflow für den automatisierten Import und die Qualitätskontrolle von Ontologiedaten in Wikibase.

4. Ergebnisse

Die resultierende Instanz Aerospace.Wikibase enthält:

• Datenvolumen: Insgesamt 14.886 Knoten (Nodes), die 37.897 Tripel bilden.
• Struktur: Davon sind 8.202 Knoten IRIs (65%) und 6.660 Literale (45%).
• Domänenspezifische Entitäten: Das System enthält über 700 spezifische Begriffe (Klassen und Instanzen) sowie tausende Relationen (Eigenschaften).
• Vergleichbarkeit: Mit fast 1.000 Seiten liegt die Instanz im 13. Perzentil aller Wikibase-Instanzen nach Seitenanzahl.
• Datenqualität: Durch die SPARQL-basierte Validierung wurde sichergestellt, dass die Hierarchien korrekt importiert wurden und die Daten konsistent sind.

5. Bedeutung und Diskussion

• Flexibilität vs. Stabilität: Wikibase bietet eine flexible Umgebung, die es Ingenieuren erlaubt, Wissen zu modellieren, ohne sich mit den strengen Konventionen von Wikidata vertraut machen zu müssen. Gleichzeitig bleibt die Infrastruktur unabhängig von einzelnen Projekten und Institutionen.
• Kollaboration: Die Plattform ermöglicht es, private Systeme über eine öffentlich kuratierte Terminologie zu verknüpfen. Sie dient als universeller Knotenpunkt, der die Zusammenarbeit über Organisationsgrenzen hinweg fördert, ohne vertrauliche Projektdaten preiszugeben.
• Nachhaltigkeit: Im Gegensatz zu projektgebundenen Lösungen bietet diese Infrastruktur eine dauerhafte Basis für den Wissensaustausch, die auch nach Ende von Förderprojekten (wie AGILE, SE²A) weiterbesteht.
• Zukunftsaussichten: Die Autoren sehen die Notwendigkeit, dass zentrale Institutionen (wie NASA, DLR, AIAA) oder einzelne Ingenieure diese Infrastruktur nutzen, um die Wissensbasis zu erweitern. Die technische Hürde ist genommen; die Herausforderung liegt nun in der kulturellen Akzeptanz und der aktiven Nutzung durch die Community.

Fazit: Das Paper demonstriert, dass durch die Kombination von systematischer Literaturrecherche, semantischer Modellierung und der Wikibase-Technologie eine funktionierende, offene Wissensinfrastruktur für die Luft- und Raumfahrt geschaffen werden kann, die Redundanzen reduziert und die FAIR-Prinzipien fördert.