Can geocomputation save urban simulation? Throw some agents into the mixture, simmer and wait ...

There are indications that the current generation of simulation models in practical, operational uses has reached the limits of its usefulness under existing specifications. The relative stasis in operational urban modeling contrasts with simulation efforts in other disciplines, where techniques, theories, and ideas drawn from computation and complexity studies are revitalizing the ways in which we conceptualize, understand, and model real-world phenomena. Many of these concepts and methodologies are applicable to operational urban systems simulation. Indeed, in many cases, ideas from computation and complexity studies—often clustered under the collective term of geocomputation, as they apply to geography—are ideally suited to the simulation of urban dynamics. However, there exist several obstructions to their successful use in operational urban geographic simulation, particularly as regards the capacity of these methodologies to handle top-down dynamics in urban systems. This paper presents a framework for developing a hybrid model for urban geographic simulation and discusses some of the imposing barriers against innovation in this field. The framework infuses approaches derived from geocomputation and complexity with standard techniques that have been tried and tested in operational land-use and transport simulation. Macro-scale dynamics that operate from the topdown are handled by traditional land-use and transport models, while micro-scale dynamics that work from the bottom-up are delegated to agent-based models and cellular automata. The two methodologies are fused in a modular fashion using a system of feedback mechanisms. As a proof-of-concept exercise, a micro-model of residential location has been developed with a view to hybridization. The model mixes cellular automata and multi-agent approaches and is formulated so as to interface with meso-models at a higher scale

Insights on Multi-Agent Systems Applications for Supply Chain Management

In this paper, we review relevant literature on the development of multi-agent systems applications for supply chain management. We give a general picture of the state of the art, showing the main applications developed using this novel methodology for analyzing diverse problems in industry. We also analyze generic frameworks for supply chain modelling, showing their main characteristics. We discuss the main topics addressed with this technique and the degree of development of the contributions.Universidad de Sevilla V PPIT-USPiano della Ricerca Dipartimentale 2016-2018 of DICAR-UniC

Overview on agent-based social modelling and the use of formal languages

Transdisciplinary Models and Applications investigates a variety of programming languages used in validating and verifying models in order to assist in their eventual implementation. This book will explore different methods of evaluating and formalizing simulation models, enabling computer and industrial engineers, mathematicians, and students working with computer simulations to thoroughly understand the progression from simulation to product, improving the overall effectiveness of modeling systems.Postprint (author's final draft

Intelligent Autonomous Vehicles in digital supply chains: A framework for integrating innovations towards sustainable value networks

The principal objective of this research is to provide a framework that captures the main software architecture elements for developing highly customized simulation tools that support the effective integration of Intelligent Autonomous Vehicles (IAVs) in sustainable supply networks, as an emerging field in the operations management agenda. To that end, the study's contribution is fourfold including: (i) a review of software simulation tools and platforms used in assessing the performance of IAVs interlinked with sustainability ramifications in supply chain (SC) ecosystems, (ii) an integrated software framework for monitoring and assessing the sustainability performance of SCs defined by the utilisation of innovative IAVs in operations, (iii) a translation of the proposed SC framework into a corresponding software application through a robust five-stage stepwise process, and (iv) a demonstration of the developed software tool through its application on the case of an IAV system operating in a customisable warehouse model. Our analysis highlights the flexibility resulting from a decentralised software management architecture, thus enabling the dynamic reconfiguration of a SC network. In addition, the developed pilot simulation tool can assist operations managers in capturing the operational needs of facilities and assessing the performance of IAV systems while considering sustainability parameters

An Agent-based Approach for Improving the Performance of Distributed Business Processes in Maritime Port Community

In the recent years, the concept of “port community” has been adopted by the maritime transport industry in order to achieve a higher degree of coordination and cooperation amongst organizations involved in the transfer of goods through the port area. The business processes of the port community supply chain form a complicated process which involves several process steps, multiple actors, and numerous information exchanges. One of the widely used applications of ICT in ports is the Port Community System (PCS) which is implemented in ports in order to reduce paperwork and to facilitate the information flow related to port operations and cargo clearance. However, existing PCSs are limited in functionalities that facilitate the management and coordination of material, financial, and information flows within the port community supply chain. This research programme addresses the use of agent technology to introduce business process management functionalities, which are vital for port communities, aiming to the enhancement of the performance of the port community supply chain. The investigation begins with an examination of the current state in view of the business perspective and the technical perspective. The business perspective focuses on understanding the nature of the port community, its main characteristics, and its problems. Accordingly, a number of requirements are identified as essential amendments to information systems in seaports. On the other hand, the technical perspective focuses on technologies that are convenient for solving problems in business process management within port communities. The research focuses on three technologies; the workflow technology, agent technology, and service orientation. An analysis of information systems across port communities enables an examination of the current PCSs with regard to their coordination and workflow management capabilities. The most important finding of this analysis is that the performance of the business processes, and in particular the performance of the port community supply chain, is not in the scope of the examined PCSs. Accordingly, the Agent-Based Middleware for Port Community Management (ABMPCM) is proposed as an approach for providing essential functionalities that would facilitate collaborative planning and business process management. As a core component of the ABMPCM, the Collaborative Planning Facility (CPF) is described in further details. A CPF prototype has been developed as an agent-based system for the domain of inland transport of containers to demonstrate its practical effectiveness. To evaluate the practical application of the CPF, a simulation environment is introduced in order to facilitate the evaluation process. The research started with the definition of a multi-agent simulation framework for port community supply chain. Then, a prototype has been implemented and employed for the evaluation of the CPF. The results of the simulation experiments demonstrate that our agent-based approach effectively enhances the performance of business process in the port community

A Review of Building Information Modeling and Simulation as Virtual Representations Under the Digital Twin Concept

Building Information Modeling (BIM) is a highly promising technique for achieving digitalization in the construction industry, widely used in modern construction projects for digitally representing facilities. Nevertheless, retains limitations in terms of representing construction operations. The digital twin concept may potentially overcome these limitations and initiate advanced digital transformation in the construction industry as it has revolutionized the product lifecycle management in the manufacturing industry. This research provides a critical review of applying digital twin in the construction industry. Altogether, 140 papers from related journals and databases were reviewed. The digital aspect of twinning consists of BIM and simulation modeling. These two techniques have been used to create virtual or digital representations of actual buildings and real-world construction processes. However, integrating and applying BIM and simulation modeling according to the digital twin concept remains to be fully studied. Comprehensive evaluations of BIM, simulation modeling, and digital twin will provide a well-defined framework for this research, to identify direction and potential for digital twin in the construction industry, thereby progressing to the next level of digitalization and improvement in construction management practice

The resource-event-agent ontology as a foundation for business modeling

In de praktijk zijn bedrijfsinformatiesystemen—zoals een boekhoudsysteem, een voorraadbeheersysteem, een kostprijscalculatiesysteem, een ordermanagementsysteem — onderdeel van een veel grotere informatieverwerkende omgeving. Bijgevolg is het volgens Moody en Shanks onnuttig om bedrijfsinformatiesystemen los van elkaar te bekijken. In [MS03] stellen en tonen ze aan dat het beschouwen van informatiesystemen binnen deze bredere context cruciaal is voor het verkrijgen van kwaliteitsvolle informatiesystemen. Daarom voegen zijn ‘integratie’toe aan een lijst van reeds bestaande kwaliteitsfactoren voor het ontwerpen van informatiesystemen. Met integratie bedoelen ze de mate waarin de onderliggende infrastructuurmodellen van verschillende bedrijfsinformatiesystemen met elkaar overeenstemmen, wat de samenwerking tussen en het uitwisselen en hergebruik van data door deze systemen moet vergemakkelijken. Bij het ontwerpen van een informatiesysteem starten we met een conceptueel ontwerp. Zo’n conceptueel ontwerp stelt het beoogde informatiesysteem voor zonder details die specifiek zijn voor de gekozen technologie — zoals een webpagina, een database, software — te tonen. Een conceptueel model focust dus op het voorstellen van een conceptuele oplossing voor een bestaand probleem nog voor de technologische oplossing wordt ontworpen. Hoewel zo’n conceptueel model slechts een deel van de uiteindelijke oplossing voorstelt, stelt het de essentie van de oplossing voor—die dan eventueel in verschillende technologie¨en tegelijk kan worden uitgewerkt. Omdat deze oplossing essentieel is, moet een conceptueel model aan een reeks kwaliteitsparameters voldoen. Zo moet een conceptueel model een zo eenvoudig mogelijke maar toch volledige oplossing bieden voor een probleem. Ook moet de oplossing, voorgesteld in het conceptueel model, verstaanbaar zijn voor anderen dan de ontwerpers—bijvoorbeeld de programmeurs die de praktijkoplossing uitwerken of de klant die het systeem besteld heeft en zal gebruiken. Vaak probeert men ook te bereiken dat een systeem flexibel is, waarmee men bedoelt dat de oplossing rekening houdt met mogelijke veranderingen in de omgeving — zonder in te gaan tegen wat als gangbaar wordt beschouwd binnen de bredere informatieverwerkende omgeving of zonder moeilijk te verwezenlijken te zijn binnen het vooropgestelde budget en de beoogde planning. Zonder deze kwaliteitsfactoren uit het oog te verliezen, focussen we in deze doctoraatsthesis op de integratie van informatiesysteemontwerpen, die door Moody en Shanks werd voorgesteld en waarvan zij substanti¨ele voordelen aantoonden. Aangezien er vele verschillende soorten conceptuele modellen bestaan, kiezen wij er in deze thesis twee specifieke soorten uit, namelijk conceptuele datamodellen en simulatiemodellen. We kiezen datamodellen omdat zij een van de meest essenti¨ele soorten conceptuele modellen voorstellen. Conceptuele datamodellen stellen immers de basis van elke informatiesysteem voor. Bijgevolg is de keuze voor of het ontwerp van een datamodel een van de meest cruciale stappen in het ontwerp van een informatiesysteem die invloed heeft op o.a. de uiteindelijke kost van het project, de flexibiliteit van het resulterende systeem, de klantentevredenheid en de integratie met andere (bestaande) informatiesystemen. Waar conceptuele datamodellen ons toelaten een ontwerp te maken voor de data die in informatiesystemen worden bijgehouden over de huidige toestand en historiek van een voor ons relevant deel van de realiteit, laten simulatiemodellen ons toe een ontwerp — dat met potenti¨ele toekomstige situaties kan omgaan — te formuleren van een voor ons relevant deel van een omgeving. Samen laten conceptuele data- en simulatiemodellen ons dus toe het verleden, heden en de toekomst van een voor ons relevant deel van de realiteit voor te stellen. In deze thesis is dat relevant deel van de realiteit de bedrijfseconomische context. Aangezien deze bedrijfseconomische context dynamisch — en dus inherent onstabiel — is met steeds wijzigende en slechts gedeeltelijk gespecificeerde systeemvereisten — wat flexibiliteit vereist — is een speciale aanpak noodzakelijk. Deze aanpak heet ‘Design Science’ [HMJR04] en houdt ook rekening met hoe succesvolle informatiesysteemontwerpen afhankelijk zijn van de cognitieve en sociale vaardigheden van de mensen die deze systemen gebruiken, ontwikkelen en ontwerpen. Om deze flexibiliteit en sociale en cognitieve vaardigheden te ondersteunen, gebruiken we een ontologie als basis voor het ontwerpen van de conceptuele dataen simulatiemodellen in deze doctoraatsthesis. Zo’n ontologie is een gedeelde beschrijving van het probleemdomein (bijvoorbeeld de bedrijfseconomische realiteit). Dat deze beschrijving gedeeld wordt, ondersteunt de sociale en cognitieve vaardigheden van de groep mensen die een informatiesysteem ontwerpt, omdat de beschrijving kan gebruikt worden als een referentiekader voor deze groep mensen. Daarenboven kan dit delen ervoor zorgen dat de beschrijving hergebruikt en verbeterd wordt bij opeenvolgende projecten door verschillende groepen. Dit hergebruik van de beschrijving van het probleemdomein ondersteunt dan impliciet de integratie tussen verschillende projecten, aangezien ze gebaseerd zijn op (verschillende delen van) dezelfde probleembeschrijving. De ontologie die wij in deze thesis hoofdzakelijk hanteren is de Resource- Event-Agent (REA) ontologie. Deze ontologie werd begin jaren ’80 ontwikkeld voor boekhoudinformatiesystemen, met het oog op een gedeelde dataomgeving waarin boekhouders en niet-boekhouders informatie delen over dezelfde economische gebeurtenissen — zoals aankopen, verkopen, productie. De ‘Resources’ beschrijven de producten (i.e. goederen en diensten) die verhandeld en geproduceerd worden. De ‘Events’ beschrijven de gebeurtenissen die de voorraden van deze producten veranderen. Bijvoorbeeld, een verkoop van producten vermindert de voorraad van de verkoper en vermeerdert de voorraad van de aankoper. De ‘Agents’ beschrijven de economische actoren die de goederen en diensten produceren, verkopen en aankopen. Ondertussen werd de REA-ontologie al gebruikt als basis voor boekhoudinformatiesystemen en een ISO open-edi standaard [ISO07] voor het uitwisselen van elektronische bedrijfsdocumenten, als methode voor het onderwijzen van boekhoudinformatiesystemen en nog veel meer. [GLP08] In het eerste hoofdstuk van datamodelsectie gebruiken we de REA- en UFOontologie om conceptuele datamodellen te structureren en af te bakenen zodat ze makkelijker te interpreteren zijn, voornamelijk door onervaren systeemontwerpers. De UFO (i.e. Unified Foundational Ontology) is een ontologie die speciaal werd ontworpen om conceptuele modellen te duiden. [BGHS+05] Van de gestructureerde conceptuele datamodellen wordt verwacht dat ze onervaren ontwerpers helpen conceptuele datamodellen te maken die compleet zijn en geen overbodige onderdelen bevatten. Onvolledige modellen en overbodige onderdelen zijn immers de meest voorkomende fouten die onervaren ontwerpers maken. De gestructureerde datamodellen die aan de onervaren ontwerpers worden aangeboden zijn patronen waarvan al bewezen is dat ze waardevolle oplossingen zijn voor bepaalde problemen binnen een specifieke context. Door deze patronen te structureren volgens de REA- en UFO-ontologie wordt de ontwerper verwacht sneller de overbodige en ontbrekende delen van een patroon te kunnen identificeren, naargelang van het probleem dat hij wenst op te lossen. Door de aangeboden structuur kan de ontwerper ook op zoek naar ontbrekende delen van zijn oplossing in andere patronen, die hij dan kan integreren in zijn bestaande onvolledige oplossing. Dit integreren van patronen heeft twee voordelen. Ten eerste wordt de integratie tussen systemen die (delen) van dezelfde patronen bevatten vergemakkelijkt, ten tweede wordt de kwaliteit van de modellen die werden gemaakt door onervaren informatiesysteemontwerpers verhoogd. In het tweede hoofdstuk van de datamodelsectie gebruiken we de REA-ontologie als basis voor het ontwikkelen van een conceptueel referentiedatamodel dat geschikt is om zowel productie- als transactiedata van verschillende handelspartners voor te stellen. Dat het datamodel data van verschillende handelspartners tegelijkertijd kan voorstellen, heeft als gevolg dat de integratie tussen de bedrijfssystemen van deze handelspartners sterk vergemakkelijkt wordt. Zowel het integreren van de verschillende informatiesystemen van elke individuele handelspartner (bijvoorbeeld verkoopsysteem en voorraadbeheer) als het integreren van informatiesystemen van verschillende handelspartners (bijvoorbeeld een aankoopsysteem met een verkoopsysteem) worden vergemakkelijkt. Het voorstellen van productieen transactiedata van verschillende handelspartners wordt verwezenlijkt door zowel het perspectief van de individuele handelspartners als het perspectief van een onafhankelijke derde partij expliciet in het datamodel te integreren. Door deze keuze is het datamodel geschikt om volledige waardesystemen voor te stellen. Zo’n waardesysteem bestaat uit de transacties tussen handelspartners in een waardenetwerk of toeleveringsketen (supply chain) en de bedrijfsprocessen die elk van deze handelspartners uitvoert. In het derde en laatste hoofdstuk van de datamodelsectie gebruiken we het conceptuele datamodel dat werd voorgesteld in het tweede hoofdstuk om een toepassing te ontwikkelen die het mogelijk maakt historische, huidige en toekomstige product- en geldstromen te volgen in een waardesysteem. Het gekozen voorbeeld toont hoe akkerbouwgewassen worden gebruikt voor humane consumptie en veevoeder. De dierlijke producten worden dan weer gebruikt voor humane consumptie en samen met de landbouwgewassen verwerkt in consumentenproducten. De excrementen vloeien terug naar de akkerbouw. Het beschreven waardesysteem toont hoe goederen- en geldstromen kunnen worden gevolgd bij transacties tussen handelspartners (bijvoorbeeld akkerbouwer en voedermolen) en hoe goederenstromen kunnen worden gevolgd doorheen de productieprocessen van deze handelspartners (bijvoorbeeld het verwerken van akkerbouwgewassen van verschillende herkomst in een lading veevoer). Bovendien toont de ontwikkelde toepassing dat diezelfde data kunnen worden gebruikt om de transacties tussen handelspartners weer te geven (bijvoorbeeld een akkerbouwer die graan verkoopt aan een voedermolen en daarvoor een vergoeding ontvangt). Diezelfde informatie kan dan ook gebruikt worden om geldstromen in kaart te brengen zoals gebeurt met de goederenstromen. Daarenboven wordt gedemonstreerd hoe niet alleen huidige en gewezen, maar ook hoe toekomstige transacties en goederen- en geldstromen in kaart kunnen worden gebracht (o.a. aan de hand van contracten en productieschema’s). In de levensmiddelenindustrie hebben dergelijke systemen voor het traceren van huidige en gewezen goederenstromen al hun nut bewezen wanneer gecontamineerde voedingstoffen werden aangetroffen of getransporteerd vee ziek bleek. Aan de mogelijkheden van dergelijke traceringsystemen voegen wij toe dat niet enkel de bron van de besmetting, maar ook het doel van de goederen en de geldstromen, kan worden ge¨ıdentificeerd. Hierdoor kunnen we de economische gevolgen van zo’n besmetting inschatten aan de hand van contracten en productieschema’s. Met de beschikbare informatie kunnen dan eventueel noodscenario’s worden uitgewerkt om de economische gevolgen van zo’n besmetting te beperken. Ook in andere sectoren kan zo’n traceringssysteem nuttig zijn. Zo kan het in kaart brengen van een volledig waardenetwerk voorkomen dat namaakgoederen in de reguliere handel terechtkomen, of dat geldstromen uit de reguliere economie worden gebruikt om illegale activiteiten wit te wassen of te financieren. Waar het tweede en derde hoofdstuk van de datamodelsectie REA-gebaseerde datamodellen voor de integratie van de informatiesystemen van handelspartners voorstellen, bevat de simulatiemodelsectie REA-gebaseerde simulatiemodelelementen die het toelaten bedrijfsprocesmodellen over bedrijfsgrenzen heen met elkaar te integreren zodat ook simulatiemodellen voor volledige waardesystemen kunnen worden ontwikkeld. De hoofdstukken in de datamodelsectie bevatten dus geen bedrijfsprocesmodellen, maar superstructuren die het mogelijk maken bedrijfsprocesmodellen te hergebruiken en te integreren over de grenzen van de onderneming heen. Daarenboven werden deze superstructuren zo ontworpen dat ze ook als zelfstandige elementen van simulatiemodellen voor transacties tussen handelspartners kunnen worden gebruikt. Dit betekent dan wel dat men abstractie maakt van de bedrijfsprocessen die deze transacties ondersteunen. Het eerste hoofdstuk van de simulatiemodelsectie analyseert de mogelijke configuraties (bijvoorbeeld eerst betalen dan halen, eerst halen dan betalen) voor transacties tussen handelspartners en de manier waarop deze configuraties de interne structuur van een bedrijf be¨ınvloeden. In deze analyse wordt er vooral gekeken naar het vermogen van een bedrijf om zijn activiteiten te financieren met het krediet dat handelspartners verlenen (bijvoorbeeld de betalingstermijn op facturen, voorschotten). De structuren in dit hoofdstuk worden voorgesteld als Petri-net gebaseerde workflowmodellen. Deze workflowmodellen laten toe te evalueren of een gegeven sequentie van transacties externe financiering (bijvoorbeeld een banklening) vereist of niet. Door de verschillende configuraties voor een sequentie van transacties te evalueren kan men de meest optimale (bijvoorbeeld diegene die zo min mogelijk externe financiering vereist) selecteren. Het tweede hoofdstuk van de simulatiemodelsectie bouwt voort op de modellen in het voorgaande hoofdstuk om ook statistische analyses van deze verschillende configuraties mogelijk te maken. In deze analyses hoeft men dus niet meer te vertrekken van een gegeven sequentie van transacties, maar kan men ook onzekerheid en variatie in rekening brengen. Door de REA-elementen toe te voegen aan simulatiemodelelementen, worden de capaciteiten van de huidige generatie statistische simulatiemodellen uitgebreid van het analyseren van logistieke processen naar het analyseren van volledige bedrijfsmodellen met inbegrip van de financi¨ele parameters en resultaten. In tegenstelling tot de workflowmodellen in het eerste hoofdstuk van de simulatiemodelsectie, hebben de statistische simulatiemodellen een gelaagde opbouw. De bovenste laag modelleert de transacties tussen bedrijven, de middelste laag modelleert de interne financi¨ele structuur van bedrijven en de onderste laag bevat bedrijfsprocesmodellen voor individuele bedrijfsprocessen. De gelaagde opbouw laat ons toe zowel de individuele lagen te simuleren als bedrijfsprocesmodellen in interne structuurmodellen te integreren en deze dan weer in transactiemodellen te integreren. In deze thesis ontwikkelen we dus een benadering voor het ontwikkelen en integreren van modellen binnen een bedrijfseconomische context. Deze benadering houdt in dat we conceptuele modellen ontwikkelen vanuit en toetsen aan een bedrijfseconomische ontologie. De bedrijfseconomische ontologie die we in deze thesis gebruiken is de REA-ontologie. Deze thesis toont aan dat de REA-ontologie geschikt is als basis voor het ontwikkelen en integreren van zowel conceptuele datamodellen als simulatiemodellen binnen een bedrijfseconomische context. Door het gebruik van deze benadering zouden we de bedrijfswereld niet enkel moeten kunnen uitrusten met robuustere datamodellen voor de bedrijfsinformatiesystemen die ze dagdagelijks gebruiken, maar ook met krachtigere beslissingsondersteunende hulpmiddelen die hen voorzien van de informatie die ze nodig hebben voor het evalueren en voorspellen van de prestaties van hun bedrijf. Die informatie kan dan zowel van financi¨ele (bijvoorbeeld winstmarges) als operationele (bijvoorbeeld wachttijden) aard zijn. Het evalueren kan gebeuren op basis van de data die zijn opgeslagen in de bedrijfsinformatiesystemen en het voorspellen kan gebeuren door het genereren van hypothetische data in simulatiemodellen voor toekomstige bedrijfsprocessen en omgevingsomstandigheden

An ontology supported risk assessment approach for the intelligent configuration of supply networks

As progress towards globalisation continues, organisations seek ever better ways with which to configure and reconfigure their global production networks so as to better understand and be able to deal with risk. Such networks are complex arrangements of different organisations from potentially diverse and divergent domains and geographical locations. Moreover, greater focus is being put upon global production network systems and how these can be better coordinated, controlled and assessed for risk, so that they are flexible and competitive advantage can be gained from them within the market place. This paper puts forward a reference ontology to support risk assessment for product-service systems applied to the domain of global production networks. The aim behind this is to help accelerate the development of information systems by way of developing a common foundation to improve interoperability and the seamless exchange of information between systems and organisations. A formal common logic based approach has been used to develop the reference ontology, utilising end user information and knowledge from three separate industrial domains. Results are presented which illustrate the ability of the approach, together with areas for further work