KNOWLEDGE MODELING OF AGILE PROCESSES IN HEALTHCARE SYSTEMS DEVELOPMENT

Requirements on healthcare software products are becoming more and more complicated and software systems of today are characterized by increasing complexity and size. Therefore, software systems can no longer be developed feasibly without the processes supported by appropriate methods. We propose a method for configuration and modification of agile processes behind healthcare products development based on gathered knowledge and formal modeling. Our approach allows to support and optimize the processes with formal methods of modeling and machinelearning based simulations

Ontology–based Representation of Simulation Models

Ontologies have been used in a variety of domains for multiple purposes such as establishing common terminology, organizing domain knowledge and describing domain in a machine-readable form. Moreover, ontologies are the foundation of the Semantic Web and often semantic integration is achieved using ontology. Even though simulation demonstrates a number of similar characteristics to Semantic Web or semantic integration, including heterogeneity in the simulation domain, representation and semantics, the application of ontology in the simulation domain is still in its infancy. This paper proposes an ontology-based representation of simulation models. The goal of this research is to facilitate comparison among simulation models, querying, making inferences and reuse of existing simulation models. Specifically, such models represented in the domain simulation engine environment serve as an information source for their representation as instances of an ontology. Therefore, the ontology-based representation is created from existing simulation models in their proprietary file formats, consequently eliminating the need to perform the simulation modeling directly in the ontology. The proposed approach is evaluated on a case study involving the I2Sim interdependency simulator

Iterchanging Discrete Event Simulationprocess Interaction Modelsusing The Web Ontology Language - Owl

Discrete event simulation development requires significant investments in time and resources. Descriptions of discrete event simulation models are associated with world views, including the process interaction orientation. Historically, these models have been encoded using high-level programming languages or special purpose, typically vendor-specific, simulation languages. These approaches complicate simulation model reuse and interchange. The current document-centric World Wide Web is evolving into a Semantic Web that communicates information using ontologies. The Web Ontology Language OWL, was used to encode a Process Interaction Modeling Ontology for Discrete Event Simulations (PIMODES). The PIMODES ontology was developed using ontology engineering processes. Software was developed to demonstrate the feasibility of interchanging models from commercial simulation packages using PIMODES as an intermediate representation. The purpose of PIMODES is to provide a vendor-neutral open representation to support model interchange. Model interchange enables reuse and provides an opportunity to improve simulation quality, reduce development costs, and reduce development times

Discrete-Event Simulation Data Transformation: A Model-Driven Data Integration Approach

Achieving a smooth production system is a complex process that requires the use of commercial discrete event simulation (DES) tools to provide a high flexibility production process, for instance the use of simulation modelling to model a production system. These tools require high levels of cooperation to work together because they are not designed to be integrated and hardly share their data. This research aims to integrate DES tools applied by different manufacturing systems in order to enable them to share their data. This thesis presents data integration from a simulation model point of view because it views data integration between different DES tools models as key steps towards system integration. A new approach has been developed which is called a Model-Driven Data Integration Approach (MDDI), so named because the integration involves the combination of data from different DES tools model sources. The effectiveness of this data integration approach has been demonstrated in a case study undertaken for DES design of a phone production line in the manufacturing industry. However, the application of the MDDI is not limited to this case study: it can also be used for other system and applications. The MDDI approach was tested and evaluated on the basis of this case study. These test cases simulated how the data integration based on different DES tools’ models react to the process of data sharing as they occur in the manufacturing production line. The result is that the MDDI approach best maintains data consistency and integrity and can be adopted by different industries

A Framework for Executable Systems Modeling

Systems Modeling Language (SysML), like its parent language, the Unified Modeling Language (UML), consists of a number of independently derived model languages (i.e. state charts, activity models etc.) which have been co-opted into a single modeling framework. This, together with the lack of an overarching meta-model that supports uniform semantics across the various diagram types, has resulted in a large unwieldy and informal language schema. Additionally, SysML does not offer a built in framework for managing time and the scheduling of time based events in a simulation. In response to these challenges, a number of auxiliary standards have been offered by the Object Management Group (OMG); most pertinent here are the foundational UML subset (fUML), Action language for fUML (Alf), and the UML profile for Modeling and Analysis of Real Time and Embedded Systems (MARTE). However, there remains a lack of a similar treatment of SysML tailored towards precise and formal modeling in the systems engineering domain. This work addresses this gap by offering refined semantics for SysML akin to fUML and MARTE standards, aimed at primarily supporting the development of time based simulation models typically applied for model verification and validation in systems engineering. The result of this work offers an Executable Systems Modeling Language (ESysML) and a prototype modeling tool that serves as an implementation test bed for the ESysML language. Additionally a model development process is offered to guide user appropriation of the provided framework for model building

Disaster Data Management in Cloud Environments

Facilitating decision-making in a vital discipline such as disaster management requires information gathering, sharing, and integration on a global scale and across governments, industries, communities, and academia. A large quantity of immensely heterogeneous disaster-related data is available; however, current data management solutions offer few or no integration capabilities and limited potential for collaboration. Moreover, recent advances in cloud computing, Big Data, and NoSQL have opened the door for new solutions in disaster data management. In this thesis, a Knowledge as a Service (KaaS) framework is proposed for disaster cloud data management (Disaster-CDM) with the objectives of 1) facilitating information gathering and sharing, 2) storing large amounts of disaster-related data from diverse sources, and 3) facilitating search and supporting interoperability and integration. Data are stored in a cloud environment taking advantage of NoSQL data stores. The proposed framework is generic, but this thesis focuses on the disaster management domain and data formats commonly present in that domain, i.e., file-style formats such as PDF, text, MS Office files, and images. The framework component responsible for addressing simulation models is SimOnto. SimOnto, as proposed in this work, transforms domain simulation models into an ontology-based representation with the goal of facilitating integration with other data sources, supporting simulation model querying, and enabling rule and constraint validation. Two case studies presented in this thesis illustrate the use of Disaster-CDM on the data collected during the Disaster Response Network Enabled Platform (DR-NEP) project. The first case study demonstrates Disaster-CDM integration capabilities by full-text search and querying services. In contrast to direct full-text search, Disaster-CDM full-text search also includes simulation model files as well as text contained in image files. Moreover, Disaster-CDM provides querying capabilities and this case study demonstrates how file-style data can be queried by taking advantage of a NoSQL document data store. The second case study focuses on simulation models and uses SimOnto to transform proprietary simulation models into ontology-based models which are then stored in a graph database. This case study demonstrates Disaster-CDM benefits by showing how simulation models can be queried and how model compliance with rules and constraints can be validated

Ontology Based Representations Of Simulation Models Following The Process Interaction World View

The Discrete Event Simulation (DES) process interaction world view describes models that focus on simulated entities that progress through a series of temporally related activities. DES formalisms and vendor approaches for representing DES models serve as a basis for developing an open neutral representation of models that can be encoded into ontologies. This paper reviews world views, formal foundations, and ontologies as background. The process for creating ontologies for the process interaction DES domain is discussed. Next an approach to ontology based simulation model representation is presented and last conclusions and recommendations for future work are provided. © 2006 IEEE

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