Towards a new approach for enterprise integration : the semantic modeling approach

Manufacturing today has become a matter of the effective and efficient application of information technology and knowledge engineering. Manufacturing firms’ success depends to a great extent on information technology, which emphasizes the integration of the information systems used by a manufacturing enterprise. This integration is also called enterprise application integration (here the term application means information systems or software systems). The methodology for enterprise application integration, in particular enterprise application integration automation, has been studied for at least a decade; however, no satisfactory solution has been found. Enterprise application integration is becoming even more difficult due to the explosive growth of various information systems as a result of ever increasing competition in the software market. This thesis aims to provide a novel solution to enterprise application integration. The semantic data model concept that evolved in database technology is revisited and applied to enterprise application integration. This has led to two novel ideas developed in this thesis. First, an ontology of an enterprise with five levels (following the data abstraction: generalization/specialization) is proposed and represented using unified modeling language. Second, both the ontology for the enterprise functions and the ontology for the enterprise applications are modeled to allow automatic processing of information back and forth between these two domains. The approach with these novel ideas is called the enterprise semantic model approach. The thesis presents a detailed description of the enterprise semantic model approach, including the fundamental rationale behind the enterprise semantic model, the ontology of enterprises with levels, and a systematic way towards the construction of a particular enterprise semantic model for a company. A case study is provided to illustrate how the approach works and to show the high potential of solving the existing problems within enterprise application integration

Plataforma de gestión para aplicaciones IIoT con requisitos de calidad de servicio

El contenido de los capítulos 3, 4, 5 y 6 está sujeto a confidencialidad. 82 p.La Internet Industrial de las Cosas (IIoT) plantea una serie de retos tecnológicos que suponen la motivación de esta tesis. Por una parte es necesario gestionar aplicaciones geográficamente distribuidas y muy heterogéneas en cuanto a plataformas hardware, redes y protocolos de comunicación. Por otra parte, la naturaleza de las aplicaciones es intrínsecamente dinámica, y por tanto requiere de soporte para la reconfiguración dinámica y autónoma de los sistemas. Finalmente, existen una serie de requisitos no funcionales que son claves desde un enfoque industrial y que contemplan aspectos tales como la calidad de servicio, la tolerancia a fallos o la seguridad funcional.En este contexto, desde la perspectiva de la ingeniería del software y con el objetivo de facilitar el desarrollo y soporte de aplicaciones IIoT, se ha concebido una plataforma de gestión de aplicaciones distribuidas basadas en componentes, que soporta la reconfiguración dinámica y autónoma de las mismas en base a criterios de optimización de los recursos y de calidad de servicio. La plataforma soporta una serie de paradigmas de comunicación y modelos de ejecución que abarcan una amplia tipología de aplicaciones. Para su validación, se ha diseñado y desarrollado un demostrador en el campo de los almacenes automatizados

Plataforma de gestión para aplicaciones IIoT con requisitos de calidad de servicio

El contenido de los capítulos 3, 4, 5 y 6 está sujeto a confidencialidad. 82 p.La Internet Industrial de las Cosas (IIoT) plantea una serie de retos tecnológicos que suponen la motivación de esta tesis. Por una parte es necesario gestionar aplicaciones geográficamente distribuidas y muy heterogéneas en cuanto a plataformas hardware, redes y protocolos de comunicación. Por otra parte, la naturaleza de las aplicaciones es intrínsecamente dinámica, y por tanto requiere de soporte para la reconfiguración dinámica y autónoma de los sistemas. Finalmente, existen una serie de requisitos no funcionales que son claves desde un enfoque industrial y que contemplan aspectos tales como la calidad de servicio, la tolerancia a fallos o la seguridad funcional.En este contexto, desde la perspectiva de la ingeniería del software y con el objetivo de facilitar el desarrollo y soporte de aplicaciones IIoT, se ha concebido una plataforma de gestión de aplicaciones distribuidas basadas en componentes, que soporta la reconfiguración dinámica y autónoma de las mismas en base a criterios de optimización de los recursos y de calidad de servicio. La plataforma soporta una serie de paradigmas de comunicación y modelos de ejecución que abarcan una amplia tipología de aplicaciones. Para su validación, se ha diseñado y desarrollado un demostrador en el campo de los almacenes automatizados

Managing the Hydra in integration: developing an integrated assessment tool for agricultural systems

Keywords: modelling, bio-economic, farm, simulation, ontology, knowledge management, Europe, agricultural management, database, scenario Ex-ante assessment through science-based methods can provide insight into the impacts of potential policy measures or innovations to manage complex problems (e.g. environmental pollution, climate change, or farmers’ welfare). Integrated Assessment and Modelling (IAM) is a method that supports ex-ante assessment through modelling and modelling tools. One type of IAM links models focusing on particular processes on a specific scale into model chains covering multiple scales and disciplines. To achieve an operational model chain for IAM, methodological, semantic and technical integration is required of models, data sources, indicators and scenarios. In this thesis, methodological, semantic and technical integration focuses on two case studies. The first case study is on integration within bio-economic farm models covering two hierarchical systems levels involving a small team of scientists. The second case refers to modelling European agricultural systems. In this case, the integration covers five hierarchical systems levels and different types of models were linked by a large team of about hundred scientists. In the context of these two case studies, many different integration topics and challenges have been addressed: a review of the state-of-the-art in bio-economic farm models, a generic method to define alternative agricultural activities, development of a generic bio-economic farm model, development of an integrated database for agricultural systems, linking different agricultural models and a shared definition of scenarios across disciplines, models and scales. Ultimately, elaborating the methodological, semantic and technical integration greatly contributed to the development of an integrated assessment tool for European agricultural systems. This integrated assessment tool can be used across disciplines and for multi-scale analysis, and allows the assessment of many different policy and technology changes. </p

Specification Languages for Preserving Consistency between Models of Different Languages

In dieser Dissertation stellen wir drei Sprachen für die Entwicklung von Werkzeugen vor, welche Systemrepräsentationen während der Softwareentwicklung konsistent halten. Bei der Entwicklung komplexer informationstechnischer Systeme ist es üblich, mehrere Programmiersprachen und Modellierungssprachen zu nutzen. Dabei werden Teile des Systems mit unterschiedlichen Sprachen konstruiert und dargestellt, um verschiedene Entwurfs- und Entwicklungstätigkeiten zu unterstützen. Die übergreifende Struktur eines Systems wird beispielsweise oft mit Hilfe einer Architekturbeschreibungssprache dargestellt. Für die Spezifikation des detaillierten Verhaltens einzelner Systemteile ist hingegen eine zustandsbasierte Modellierungssprache oder eine Allzweckprogrammiersprache geeigneter. Da die Systemteile und Entwicklungstätigkeiten in Beziehung zueinander stehen, enthalten diese Repräsentationen oftmals auch redundante Informationen. Solche partiell redundanten Repräsentationen werden meist nicht statisch genutzt, sondern evolvieren während der Systementwicklung, was zu Inkonsistenzen und damit zu fehlerhaften Entwürfen und Implementierungen führen kann. Daher sind konsistente Systemrepräsentationen entscheidend für die Entwicklung solcher Systeme. Es gibt verschiedene Ansätze, die konsistente Systemrepräsentationen dadurch erreichen, dass Inkonsistenzen vermieden werden. So ist es beispielsweise möglich, eine zentrale, redundanzfreie Repräsentation zu erstellen, welche alle Informationen enthält, um alle anderen Repräsentationen daraus projizieren zu können. Es ist jedoch nicht immer praktikabel solch eine redundanzfreie Repräsentation und editierbare Projektionen zu erstellen, insbesondere wenn existierende Sprachen und Editoren unterstützt werden müssen. Eine weitere Möglichkeit zur Umgehung von Inkonsistenzen besteht darin Änderungen einzelner Informationen nur an einer eindeutigen Quellrepräsentation zuzulassen, sodass alle anderen Repräsentationen diese Information nur lesen können. Dadurch können solche Informationen in allen lesend zugreifenden Repräsentationen immer überschrieben werden, jedoch müssen dazu alle editierbaren Repräsentationsbereiche komplett voneinander getrennt werden. Falls inkonsistente Repräsentationen während der Systementwicklung nicht völlig vermieden werden können, müssen Entwickler oder Werkzeuge aktiv die Konsistenz erhalten, wenn Repräsentationen modifiziert werden. Die manuelle Konsistenthaltung ist jedoch eine zeitaufwändige und fehleranfällige Tätigkeit. Daher werden in Forschungseinrichtungen und in der Industrie Konsistenthaltungswerkzeuge entwickelt, die teilautomatisiert Modelle während der Systementwicklung aktualisieren. Solche speziellen Software-Entwicklungswerkzeuge können mit Allzweckprogrammiersprachen und mit dedizierten Konsistenthaltungssprachen entwickelt werden. In dieser Dissertation haben wir vier bedeutende Herausforderungen identifiziert, die momentan nur unzureichend von Sprachen zur Entwicklung von Konsistenthaltungswerkzeugen adressiert werden. Erstens kombinieren diese Sprachen spezifische Unterstützung zur Konsistenthaltung nicht mit der Ausdrucksmächtigkeit und Flexibilität etablierter Allzweckprogrammiersprachen. Daher sind Entwickler entweder auf ausgewiesene Anwendungsfälle beschränkt, oder sie müssen wiederholt Lösungen für generische Konsistenthaltungsprobleme entwickeln. Zweitens unterstützen diese Sprachen entweder lösungs- oder problemorientierte Programmierparadigmen, sodass Entwickler gezwungen sind, Erhaltungsinstruktionen auch in Fällen anzugeben, in denen Konsistenzdeklarationen ausreichend wären. Drittens abstrahieren diese Sprachen nicht von genügend Konsistenthaltungsdetails, wodurch Entwickler explizit beispielsweise Erhaltungsrichtungen, Änderungstypen oder Übereinstimmungsprobleme berücksichtigen müssen. Viertens führen diese Sprachen zu Erhaltungsverhalten, das oft vom konkreten Anwendungsfall losgelöst zu sein scheint, wenn Interpreter und Übersetzer Code ausführen oder erzeugen, der zur Realisierung einer spezifischen Konsistenzspezifikation nicht benötigt wird. Um diese Probleme aktueller Ansätze zu adressieren, leistet diese Dissertation die folgenden Beiträge: Erstens stellen wir eine Sammlung und Klassifizierung von Herausforderungen der Konsistenthaltung vor. Dabei diskutieren wir beispielsweise, welche Herausforderungen nicht bereits adressiert werden sollten, wenn Konsistenz spezifiziert wird, sondern erst wenn sie durchgesetzt wird. Zweitens führen wir einen Ansatz zur Erhaltung von Konsistenz gemäß abstrakter Spezifikationen ein und formalisieren ihn mengentheoretisch. Diese Formalisierung ist unabhängig davon wie Konsistenzdurchsetzungen letztendlich realisiert werden. Mit dem vorgestellten Ansatz wird Konsistenz immer anhand von beobachteten Editieroperationen bewahrt, um bekannte Probleme zur Berechnung von Übereinstimmungen und Differenzen zu vermeiden. Schließlich stellen wir drei neue Sprachen zur Entwicklung von Werkzeugen vor, die den vorgestellten, spezifikationsgeleiteten Ansatz verfolgen und welche wir im Folgenden kurz erläutern. Wir präsentieren eine imperative Sprache, die verwendet werden kann, um präzise zu spezifizieren, wie Modelle in Reaktion auf spezifische Änderungen aktualisiert werden müssen, um Konsistenz in eine Richtung zu erhalten. Diese Reaktionssprache stellt Lösungen für häufige Probleme bereit, wie beispielsweise die Identifizierung und das Abrufen geänderter oder korrespondierender Modellelemente. Außerdem erreicht sie eine uneingeschränkte Ausdrucksmächtigkeit, indem sie Entwicklern ermöglicht, auf eine Allzweckprogrammiersprache zurückzugreifen. Eine zweite, bidirektionale Sprache für abstrakte Abbildungen kann für Fälle verwendet werden, in denen verschiedene Änderungsoperationen nicht unterschieden werden müssen und außerdem die Erhaltungsrichtung nicht immer eine Rolle spielt. Mit dieser Abbildungssprache können Entwickler Bedingungen deklarieren, die ausdrücken, wann Modellelemente als konsistent zueinander angesehen werden sollen, ohne sich um Details der Überprüfung oder Durchsetzung von Konsistenz bemühen zu müssen. Dazu leitet der Übersetzer automatisch Durchsetzungscode aus Überprüfungen ab und bidirektionalisiert Bedingungen, die für eine Richtung der Konsistenthaltung spezifiziert wurden. Diese Bidirektionalisierung basiert auf einer erweiterbaren Menge von komponierbaren, operatorspezifischen Invertierern, die verbreitete Round-trip-Anforderungen erfüllen. Infolgedessen können Entwickler häufig vorkommende Konsistenzanforderungen konzise ausdrücken und müssen keinen Quelltext für verschiedene Konsistenthaltungsrichtungen, Änderungstypen oder Eigenschaften von Modellelementen wiederholen. Eine dritte, normative Sprache kann verwendet werden, um die vorherigen Sprachen mit parametrisierbaren Konsistenzinvarianten zu ergänzen. Diese Invariantensprache übernimmt Operatoren und Iteratoren für Elementsammlungen von der Object Constraint Language (OCL). Außerdem nimmt sie Entwicklern das Schreiben von Quelltext zur Suche nach invariantenverletzenden Elementen ab, da Abfragen, welche diese Aufgaben übernehmen, automatisch anhand von Invariantenparametern abgeleitet werden. Die drei Sprachen können in Kombination und einzeln verwendet werden. Sie ermöglichen es Entwicklern, Konsistenz unter Verwendung verschiedener Programmierparadigmen und Sprachabstraktionen zu spezifizieren. Wir stellen auch prototypische Übersetzer und Editoren für die drei Konsistenzspezifikationssprachen vor, welche auf dem Vitruvius-Rahmenwerk für Multi-Sichten-Modellierung basieren. Mit diesem Rahmenwerk werden Änderungen in textuellen und graphischen Editoren automatisch beobachtet, um Reaktionen auszulösen, Abbildungen durchzusetzen und Invarianten zu überprüfen. Dies geschieht indem der von unseren Übersetzern erzeugte Java-Code ausgeführt wird. Außerdem haben wir für alle Sprachen, die in dieser Dissertation vorgestellt werden, folgende theoretischen und praktischen Eigenschaften evaluiert: Vollständigkeit, Korrektheit, Anwendbarkeit, und Nutzen. So zeigen wir, dass die Sprachen ihre vorgesehenen Einsatzbereiche vollständig abdecken und analysieren ihre Berechnungsvollständigkeit. Außerdem diskutieren wir die Korrektheit jeder einzelnen Sprache sowie die Korrektheit einzelner Sprachmerkmale. Die operatorspezifischen Invertierer, die wir zur Bidirektionalisierung von Abbildungsbedingungen entwickelt haben, erfüllen beispielsweise immer das neu eingeführte Konzept bestmöglich erzogener Round-trips. Dieses basiert auf dem bewährten Konzept wohlerzogener Transformationen und garantiert, dass übliche Round-trip-Gesetze erfüllt werden, wann immer dies möglich ist. Wir veranschaulichen die praktische Anwendbarkeit mit Fallstudien, in denen Konsistenz erfolgreich mit Hilfe von Werkzeugen erhalten wurde, die in den von uns vorgestellten Sprachen geschrieben wurden. Zum Schluss diskutieren wir den potenziellen Nutzen unserer Sprachen und vergleichen beispielsweise Konsistenthaltungswerkzeuge die in zwei Fallstudien realisiert wurden. Die Werkzeuge, die mit der Reaktionssprache entwickelt wurden, benötigen zwischen 33% und 71% weniger Zeilen Quelltext als funktional gleichwertige Werkzeuge, die mit in Java oder dem Java-Dialekt Xtend entwickelt wurden