Estimating Fire Weather Indices via Semantic Reasoning over Wireless Sensor Network Data Streams

Wildfires are frequent, devastating events in Australia that regularly cause significant loss of life and widespread property damage. Fire weather indices are a widely-adopted method for measuring fire danger and they play a significant role in issuing bushfire warnings and in anticipating demand for bushfire management resources. Existing systems that calculate fire weather indices are limited due to low spatial and temporal resolution. Localized wireless sensor networks, on the other hand, gather continuous sensor data measuring variables such as air temperature, relative humidity, rainfall and wind speed at high resolutions. However, using wireless sensor networks to estimate fire weather indices is a challenge due to data quality issues, lack of standard data formats and lack of agreement on thresholds and methods for calculating fire weather indices. Within the scope of this paper, we propose a standardized approach to calculating Fire Weather Indices (a.k.a. fire danger ratings) and overcome a number of the challenges by applying Semantic Web Technologies to the processing of data streams from a wireless sensor network deployed in the Springbrook region of South East Queensland. This paper describes the underlying ontologies, the semantic reasoning and the Semantic Fire Weather Index (SFWI) system that we have developed to enable domain experts to specify and adapt rules for calculating Fire Weather Indices. We also describe the Web-based mapping interface that we have developed, that enables users to improve their understanding of how fire weather indices vary over time within a particular region.Finally, we discuss our evaluation results that indicate that the proposed system outperforms state-of-the-art techniques in terms of accuracy, precision and query performance.Comment: 20pages, 12 figure

Towards ontological foundations of research information systems

Despite continuous advancements in information system technologies it is still not simple to receive relevant answers to Science-related queries. Getting answers requires a gathering of information from heterogeneous systems, and the volume of responses that semantically do not match with the queried intensions overwhelms users. W3C initiatives with extensions such as the Semantic Web and the Linked Open Data Web introduced important technologies to overcome the issues of semantics and access by promoting standard representation formats – formal ontologies – for information integration. These are inherent in architectural system styles, where increased openness challenges the traditional closed-world and often adhocly designed systems. However, technology on its own is not meaningful and the information systems community is increasingly becoming aware of foundations and their importance with guiding system analyses and conceptual design processes towards sustainable and more integrative information systems. As a contribution, this work develops a formal ontology FERON – Field-extensible Research Ontology – following the foundations as introduced by Mario Bunge and applied to information systems design by Wand and Weber, i.e. Bunge- Wand-Weber (BWW). Nevertheless, FERON is not aimed at the modelling of an information system as such, but at the description of a perceived world – the substantial things – that an information system ought to be able to model. FERON is a formal description of the Research domain – a formal ontology according to latest technological standards. Language Technology was chosen as a subdomain to demonstrate its field extensibility. The formal FERON ontology results from a hybrid modelling approach; it was first described top-down based on a many years activity of the author and then fine-tuned bottom-up through a comprehensive analysis and re-use of openly available descriptions and standards. The entire FERON design process was accompanied by an awareness of architectural system levels and system implementation styles, but was at first aimed at a human domain understanding, which according to the General Definition of Information (GDI) is achievable through well-formed meaningful data.Trotz kontinuierlich verbesserter Informationssystemtechnologien ist es nicht einfach möglich, relevante Antworten auf forschungsverwandte Suchanfragen zu erhalten. Dies liegt unter anderem daran, dass Informationen in verschiedenen Systemen bereitgestellt werden, und dass die Beschreibung der bereitgestellten Informationen nicht mit den Beschreibungen der gestellten Fragen übereinstimmen. Neuere Technologien wie das Semantische Web oder Linked Open Data ermöglichen zwar verbesserte Beschreibungen und Zugriffe – jedoch sind die Technologien an sich auch nicht bedeutungsvoll. Weitergehende, fundierende Ansätze zur Beschreibung von Informationenen finden daher zunehmend Anerkennung und Zuspruch in der wissenschaftlichen Gemeinde, diese beinflussen konsequenterweise die Systemanalyse sowie das Systemdesign. Die vorliegende Arbeit entwickelt eine formale Ontologie einer Forschungswelt die disziplinenübergreifend skaliert, namentlich FERON – Field-extensible Research Ontology, basierend auf den Ansätzen der Bunge-Wand-Weber (BWW) Ontologie. Der Titel der Arbeit “Towards Ontological Foundations of Research Information Systems” übersetzt: „Zur ontologischen Fundierung von Forschungsinformationssystemen“. Im Titel ist ontologisch zuallererst im philosophischen Sinne zu verstehen, und nicht zu verwechseln mit der dann resultierenden Ontologie im technologischen Sinne einer formalen Beschreibung der wahrgenommenen Forschungswelt – namentlich FERON. Eine Klärung der Begriffe Ontologie, Konzept, Entität, Daten und Information zum Verständnis der vorliegenden Arbeit wird in Kapitel 2.5 versucht, ein Verständnis wurde als kritisch für die Qualität der resultierenden formalen Ontologie FERON, aber auch als hilfreich für den Leser vorweggenommen, insbesondere weil die genannten Begriffe über Disziplinen hinweg oftmals sehr unterschiedlich wahrgenommen werden. Die Analyse und Modellierung von FERON basiert auf der Bedeutung dieser grundlegenden Begriffe wie die philosophische und wissenschaftliche Literatur verschiedener Disziplinen sie belegt. Die vorliegende Arbeit entwickelt FERON, und modelliert eine Welt der Forschung in disziplinenübergreifender Weise mittels neuester technologischer Standards – formal in RDF/OWL. Die fachspezifische Erweiterbarkeit ist durch Eingliederung von Beschreibungen des Gebietes Sprachtechnologie demonstriert. Die Modellierung wurde durchgehend von der Theorie Mario Bunges begleitet, welche Wand und Weber für eine Anwendung während der Systemanalyse und Systemgestaltung interpretierten und welche im Kapitel 3.1.1 vorgestellt wird. Die Idee ist als Bunge-Wand-Weber Ontologie (BWW) zunehmend bekannt und demgemäße ontologische Ansichten sind teilweise in formalen Beschreibungssprachen und Werkzeugen eingebunden, und damit bei der Modellierung explizit nutzbar. Neben BWW werden kurz die Fundierungsansätze von DOLCE, SUMO und Cyc vorgestellt und deren Relevanz für FERON verdeutlicht. Eine fehlende Fundierung in der Disziplin Informationssysteme wurde lange Zeit als wesentliche Ursache für die vermisste wissenschaftliche Akzeptanz der Disziplin betrachtet; größtenteils wurden Informationssysteme pragmatisch und adhoc entwickelt und skalierten daher nicht konsistent. Zunehmend wird jedoch eine theoretische und insbesondere die ontologische Fundierung von Informationssystemen als wertvoll anerkannt – von der Idee bis hin zur Implementierung aber auch während der Umgestaltungsphasen. Konzepte fundierter Informationssysteme im funktional-technischen Sinne sind als modellgetriebene Architektur bekannt und werden hier durch die Ansätze von Zachmann und Scheer verdeutlicht. In der kurzen Geschichte IT-basierter Informationssysteme wurden phasenweise immer wieder strukturell unterschiedliche Modelle angewandt. Diese werden daher im Kapitel 3.2 Modellierungsgrammatiken untersucht und deren Unterschiede dargestellt – namentlich das Entity-Relationship-Modell, semantische Netzwerke, das relationale Modell, hierarchische Modelle und objekt-orientierte Modelle. Darüberhinaus sind insbesondere formale Ontologien durch die Web Standardisierungsaktivitäten und W3C Empfehlungen ein rasant wachsendes Segment, verstärkt durch politische Entscheidungen für offene Daten und implizierend offene Systeme. Im Vergleich zu traditionellen und weitestgehend geschlossenen sogenannten closed-world Systemen sind hinsichtlich der Modellierung bestimmte Aspekte zu beachten. Diese unterliegen im Gegensatz zu offenen Systemen dem Paradigma des kompletten Wissens und sind sozusagen vorschreibend; im System aktuell nicht vorhandene Information wird als nicht existent interpretiert. Dahingegen gehen offene open-world Systeme davon aus, dass nicht vorhandene Information aktuell unbekannt ist – und die bekannte Information nicht vorschreibt sondern beschreibt. Weitere Unterschiede die es bezüglich der Modellierung zu beachten gilt, befassen sich mit zeitlich geprägten Verknüpfungen – über sogenannte Links oder Relationships – aber auch mit Entitäten und deren Identitäten. Da FERON keine Ontologie eines Informationssystems selbst modelliert, sondern eine Welt für eine mögliche Umsetzung in einem Informationssystem bechreibt sind weitergehende Modellierungsaspekte in Kapitel 3.3 lediglich erklärt und es wird auf Beispiele verwiesen. In der vorliegenden Arbeit wird keine explizite Anwendung empfohlen, weil ein Informationssystem immer derjenigen Form entsprechen sollte, welche einer bestimmten Funktion folgt, und weil die Vorwegnahme von Funktionen eine Dimension darstellt die weit über das Maß der vorliegenden Arbeit hinaus geht. FERON beschreibt eine Welt der Forschung; vorhandene Modellierungsansätze von Forschungsinformationssystemem werden mit Kapitel 4.1 den Ansätzen verwandter Arten gegenübergestellt – nämlich, wissenschaftlichen Repositorien, Datenrepositorien, Digitalen Bibliotheken, Digitalen Archiven und Lehre Systemen. Die untersuchten Modelle offenbaren neben inhaltlichen Unterschieden auch die Verschiedenheit der Modellierungsansätze von z.B. Referenzmodellen gegenüber formalen Datenmodellen oder offenen Weltbeschreibungen, und damit auch die einhergehende Schwierigkeit von Integration. Insbesondere formale Ontologien erlauben über die traditionellen Ansätze hinweg, automatische Schlußfolgerungen und Beweisführungen, welche jedoch hier nicht weitergehend erörtert werden. FERON war von Anfang an für den menschlichen Leser konzipiert, wenn auch formal beschrieben. Der Modellierungsansatz in FERON ist hybrid und wird in Kapitel 7 erläutert. Eine hybride Modellierung war möglich durch eine mehr als zehn-jährige Erfahrung und Tätigkeit der Autorin in diesem Bereich, auch belegt durch zahlreiche Peer-Review Publikationen. Der erste Entwurf von FERON erfolgte demgemäß zuallererst im Top-Down Verfahren (Figure 29), bevor mittels umfassender Analyse (dokumentiert in den Kapiteln 5 und 6) von verfügbaren Domänenbeschreibungen sukszessive eine Bottom-Up Anpassung von FERON vorgenommen wurde (Figure 68), welche bereits standardisierte und bereits definierte Beschreibungen und Eigenschaften wenn möglich integrierte (Figure 67). FERON ist eine ontologisch fundierte, formale Beschreibung – eine formale Ontologie – einer Forschungswelt zur vereinfachten, konsistenten Umsetzung von standardisierten, integrativen Forschungsinformationssystemen oder Fachinformationssystemen. Substantielle Entitäten wurden grundsätzlich erkannt, und deren Eigenschaften sowie Verknüpfungen formal beschrieben (Kapitel 7): Ressource unterschieden nach Nicht-Informations-Ressource und Informations-Ressource. Erstere unterscheidet nach Agent (Person, Organisationseinheit), Aktivität (Methode, Projekt, Bildung, Ereignis), Förderung (Programm, Einkommen), Messung und Infrastruktur (Werkzeug, Dienst, Einrichtung), zweitere nach Publikation, Literatur, Produkt (Daten), Wissensorganisationssystem, auch bekannt als KOS (Knowledge Organisation System), wie in der im Dokument integrierten Graphik (Figure 1) demonstriert. Kapitel 7 präsentiert FERON und dessen formale Einbindung von übergreifenden Eigenschaften wie Sprache, Zeit, Geographie, zeitlich geprägte Verknüpfung, ontologische Verpflichtung, Namensraum, Klasse, Eigenschaft, funktionales Schema, Entität und Identität. Seine inherente Struktur erlaubt eine einfache Disziplinen- oder Domänenerweiterung. Die Sprachtechnologie (englisch: Language Technology – abgekürzt LT) wird als Gebiet zur Demonstration der Erweiterung von FERON formal eingebunden, und mit Kapitel 6 insbesondere seine substantiell fach-spezifischen Entitäten wie Methode, Projekt, Daten, Service, Infrastruktur, Messung, aber auch KOS untersucht. Eine Erweiterung der Ontologie FERON für explizit-funktionale Anforderungen an ein Informationssystem, oder für weitergehende disziplinen-spezifische Eigenschaften, z.B. einer linguistisch verbesserten Anwendung für sprachtechnologische Weiterverarbeitung, ist möglich, erfordert jedoch tiefergehendes Fachwissen. Ziel der Arbeit war es zuallererst, das Verständnis für die Domäne Forschung zu verbessern – mit weiterreichendem Blick auf eine allgemeine integrative system-technische Entwicklung zur Verbesserung von Informationszugriff und Informationsqualität. Daneben wurden historische, gesellschaftliche aber auch politische Faktoren beobachtet, welche helfen, die wachsenden Anforderungen jenseits der Technologie zu bewältigen. FERON ist als formales Model FERON.owl valide und wird mit der vorliegenden Arbeit sozusagen als Template zur weiteren Befüllung bereitgestellt. Darauf basierend sind formale Restriktionen sowie disziplinen-spezifische und terminologische Erweiterungen direkt möglich. Daten-Instanzen wie in den präsentierten Beispielen sind mittels FERON.pprj verfügbar

PODD: towards an extensible, domain-agnostic scientific data management system

Data management has become a critical challenge faced by a wide array of scientific disciplines in which the provision of sound data management is pivotal to the achievements and impact of research projects. Massive and rapidly expanding amounts of data combined with data models that evolve over time contribute to making data management an increasingly challenging task that warrants a rethinking of its design. In this paper we present PODD, an ontology-centric architecture for data management systems that is extensible and domain independent. In this architecture, the behaviors of domain concepts and objects are captured entirely by ontological entities, around which all data management tasks are carried out. The open and semantic nature of ontology languages also makes PODD amenable to greater data reuse and interoperability. To evaluate the PODD architecture, we have applied it to the challenge of managing phenomics data

Gestión de recursos energéticamente eficiente para aplicaciones paralelas basadas en tareas en entornos multi-aplicación

Tesis de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, leída el 28/01/2021The end of Dennard scaling, as well as the arrival of the post-Moore era, has meant a big change in the way performance and energy efficiency are achieved by modern processors. From a constant increase of the clock frequency as the main method to increase performance at the beginning of the 2000s, the increase in the number of cores inside processors running at relatively conservative frequencies has stabilised as the current trend to increase both performance and energy efficiency. The increase of the heterogeneity in the systems, both inside the processors comprising different types of cores (e.g., big LITTLE architectures) or adding specific compute units (like multimedia extensions), as well as in the platform by the addition of other specific compute units (like GPUs), offering different performance and energy-efficiency trade-offs. Together with the increase in the number of cores, the processor evolution has been accompanied by the addition of different techologies that allow processors to adapt dynamically to the changes in the environment and running aplications. Among others, techiniques like dynamic voltage and frequiency scaling, power capping or cache partitioning are widely used nowadays to increase the performance and/or energy-efficiency...El fin del escalado de Dennard, así como la llegada de la era post-Moore ha supuesto una gran revolución en la forma de obtener el rendimiento y eficiencia energética en los procesadores modernos. Desde un incremento constante en la frecuencia relativamente moderadas se ha impuesto como la tendencia actual para incrementar tanto el rendimiento como la eficiencia energética. El aumento del número de núcleos dentro del procesado ha venido acompañado en los últimos años por el aumento de la heterogeneidad en la plataforma, tanto dentro del procesador incorporando distintos tipos de núcleos en el mismo procesador (e.g., la arquitectura big.LITTLE) como añadiendo unidades de cómputo específicas (e.g., extensiones multimedia), como la incorporación de otros elementos de computo específicos, ofreciendo diferentes grados de rendimiento y eficiencia energética. La evolución de los procesadores no solo ha venido dictada por el aumento del número de núcleos, sino que ha venido acompañada por la incorporación de diferentes técnicas permitiendo la adaptación de las arquitecturas de forma dinámica al entorno así como a las aplicaciones en ejecución. Entre otras, técnicas como el escalado de frecuencia, la limitación de consumo o el particionado de la memoria caché son ampliamente utilizadas en la actualidad como métodos para incrementar el consumo y/o la eficiencia energética...Fac. de InformáticaTRUEunpu

Modeling and Selection of Software Service Variants

Providers and consumers have to deal with variants, meaning alternative instances of a service?s design, implementation, deployment, or operation, when developing or delivering software services. This work presents service feature modeling to deal with associated challenges, comprising a language to represent software service variants and a set of methods for modeling and subsequent variant selection. This work?s evaluation includes a POC implementation and two real-life use cases

Modeling and Selection of Software Service Variants

Providers and consumers have to deal with variants of software services, which are alternative instances of a services design, implementation, deployment, or operation. This work develops the service feature modeling language to represent software service variants and a suite of methods to select variants for development or delivery. An evaluation describes the systems implemented to make use of service feature modeling and its application to two real-world use cases