Blueprint model and language for engineering cloud applications

Abstract: The research presented in this thesis is positioned within the domain of engineering CSBAs. Its contribution is twofold: (1) a uniform specification language, called the Blueprint Specification Language (BSL), for specifying cloud services across several cloud vendors and (2) a set of associated techniques, called the Blueprint Manipulation Techniques (BMTs), for publishing, querying, and composing cloud service specifications with aim to support the flexible design and configuration of an CSBA.

Knowledge Representation in Engineering 4.0

This dissertation was developed in the context of the BMBF and EU/ECSEL funded projects GENIAL! and Arrowhead Tools. In these projects the chair examines methods of specifications and cooperations in the automotive value chain from OEM-Tier1-Tier2. Goal of the projects is to improve communication and collaborative planning, especially in early development stages. Besides SysML, the use of agreed vocabularies and on- tologies for modeling requirements, overall context, variants, and many other items, is targeted. This thesis proposes a web database, where data from the collaborative requirements elicitation is combined with an ontology-based approach that uses reasoning capabilities. For this purpose, state-of-the-art ontologies have been investigated and integrated that entail domains like hardware/software, roadmapping, IoT, context, innovation and oth- ers. New ontologies have been designed like a HW / SW allocation ontology and a domain-specific "eFuse ontology" as well as some prototypes. The result is a modular ontology suite and the GENIAL! Basic Ontology that allows us to model automotive and microelectronic functions, components, properties and dependencies based on the ISO26262 standard among these elements. Furthermore, context knowledge that influences design decisions such as future trends in legislation, society, environment, etc. is included. These knowledge bases are integrated in a novel tool that allows for collabo- rative innovation planning and requirements communication along the automotive value chain. To start off the work of the project, an architecture and prototype tool was developed. Designing ontologies and knowing how to use them proved to be a non-trivial task, requiring a lot of context and background knowledge. Some of this background knowledge has been selected for presentation and was utilized either in designing models or for later immersion. Examples are basic foundations like design guidelines for ontologies, ontology categories and a continuum of expressiveness of languages and advanced content like multi-level theory, foundational ontologies and reasoning. Finally, at the end, we demonstrate the overall framework, and show the ontology with reasoning, database and APPEL/SysMD (AGILA ProPErty and Dependency Descrip- tion Language / System MarkDown) and constraints of the hardware / software knowledge base. There, by example, we explore and solve roadmap constraints that are coupled with a car model through a constraint solver.Diese Dissertation wurde im Kontext des von BMBF und EU / ECSEL gefördertem Projektes GENIAL! und Arrowhead Tools entwickelt. In diesen Projekten untersucht der Lehrstuhl Methoden zur Spezifikationen und Kooperation in der Automotive Wertschöp- fungskette, von OEM zu Tier1 und Tier2. Ziel der Arbeit ist es die Kommunikation und gemeinsame Planung, speziell in den frühen Entwicklungsphasen zu verbessern. Neben SysML ist die Benutzung von vereinbarten Vokabularen und Ontologien in der Modellierung von Requirements, des Gesamtkontextes, Varianten und vielen anderen Elementen angezielt. Ontologien sind dabei eine Möglichkeit, um das Vermeiden von Missverständnissen und Fehlplanungen zu unterstützen. Dieser Ansatz schlägt eine Web- datenbank vor, wobei Ontologien das Teilen von Wissen und das logische Schlussfolgern von implizitem Wissen und Regeln unterstützen. Diese Arbeit beschreibt Ontologien für die Domäne des Engineering 4.0, oder spezifischer, für die Domäne, die für das deutsche Projekt GENIAL! benötigt wurde. Dies betrifft Domänen, wie Hardware und Software, Roadmapping, Kontext, Innovation, IoT und andere. Neue Ontologien wurden entworfen, wie beispielsweise die Hardware-Software Allokations-Ontologie und eine domänen-spezifische "eFuse Ontologie". Das Ergebnis war eine modulare Ontologie-Bibliothek mit der GENIAL! Basic Ontology, die es erlaubt, automotive und mikroelektronische Komponenten, Funktionen, Eigenschaften und deren Abhängigkeiten basierend auf dem ISO26262 Standard zu entwerfen. Des weiteren ist Kontextwissen, welches Entwurfsentscheidungen beinflusst, inkludiert. Diese Wissensbasen sind in einem neuartigen Tool integriert, dass es ermöglicht, Roadmapwissen und Anforderungen durch die Automobil- Wertschöpfungskette hinweg auszutauschen. On tologien zu entwerfen und zu wissen, wie man diese benutzt, war dabei keine triviale Aufgabe und benötigte viel Hintergrund- und Kontextwissen. Ausgewählte Grundlagen hierfür sind Richtlinien, wie man Ontologien entwirft, Ontologiekategorien, sowie das Spektrum an Sprachen und Formen von Wissensrepresentationen. Des weiteren sind fort- geschrittene Methoden erläutert, z.B wie man mit Ontologien Schlußfolgerungen trifft. Am Schluss wird das Overall Framework demonstriert, und die Ontologie mit Reason- ing, Datenbank und APPEL/SysMD (AGILA ProPErty and Dependency Description Language / System MarkDown) und Constraints der Hardware / Software Wissensbasis gezeigt. Dabei werden exemplarisch Roadmap Constraints mit dem Automodell verbunden und durch den Constraint Solver gelöst und exploriert

Linked Open Data - Creating Knowledge Out of Interlinked Data: Results of the LOD2 Project

Database Management; Artificial Intelligence (incl. Robotics); Information Systems and Communication Servic

Information modelling for the development of sustainable construction (MINDOC)

In previous decades, controlling the environmental impact through lifecycle analysis has become a topical issue in the building sector. However, there are some problems when trying to exchange information between experts for conducting various studies like the environmental assessment of the building. There is also heterogeneity between construction product databases because they do not have the same characteristics and do not use the same basis to measure the environmental impact of each construction product. Moreover, there are still difficulties to exploit the full potential of linking BIM, SemanticWeb and databases of construction products because the idea of combining them is relatively recent. The goal of this thesis is to increase the flexibility needed to assess the building’s environmental impact in a timely manner. First, our research determines gaps in interoperability in the AEC (Architecture Engineering and Construction) domain. Then, we fill some of the shortcomings encountered in the formalization of building information and the generation of building data in Semantic Web formats. We further promote efficient use of BIM throughout the building life cycle by integrating and referencing environmental data on construction products into a BIM tool. Moreover, semantics has been improved by the enhancement of a well-known building-based ontology (namely ifcOWL for Industry Foundation Classes Web Ontology Language). Finally, we experience a case study of a small building for our methodology

Identifying and Consolidating Knowledge Engineering Requirements

Knowledge engineering is the process of creating and maintaining knowledge-producing systems. Throughout the history of computer science and AI, knowledge engineering workflows have been widely used because high-quality knowledge is assumed to be crucial for reliable intelligent agents. However, the landscape of knowledge engineering has changed, presenting four challenges: unaddressed stakeholder requirements, mismatched technologies, adoption barriers for new organizations, and misalignment with software engineering practices. In this paper, we propose to address these challenges by developing a reference architecture using a mainstream software methodology. By studying the requirements of different stakeholders and eras, we identify 23 essential quality attributes for evaluating reference architectures. We assess three candidate architectures from recent literature based on these attributes. Finally, we discuss the next steps towards a comprehensive reference architecture, including prioritizing quality attributes, integrating components with complementary strengths, and supporting missing socio-technical requirements. As this endeavor requires a collaborative effort, we invite all knowledge engineering researchers and practitioners to join us

Semantically defined Analytics for Industrial Equipment Diagnostics

In this age of digitalization, industries everywhere accumulate massive amount of data such that it has become the lifeblood of the global economy. This data may come from various heterogeneous systems, equipment, components, sensors, systems and applications in many varieties (diversity of sources), velocities (high rate of changes) and volumes (sheer data size). Despite significant advances in the ability to collect, store, manage and filter data, the real value lies in the analytics. Raw data is meaningless, unless it is properly processed to actionable (business) insights. Those that know how to harness data effectively, have a decisive competitive advantage, through raising performance by making faster and smart decisions, improving short and long-term strategic planning, offering more user-centric products and services and fostering innovation. Two distinct paradigms in practice can be discerned within the field of analytics: semantic-driven (deductive) and data-driven (inductive). The first emphasizes logic as a way of representing the domain knowledge encoded in rules or ontologies and are often carefully curated and maintained. However, these models are often highly complex, and require intensive knowledge processing capabilities. Data-driven analytics employ machine learning (ML) to directly learn a model from the data with minimal human intervention. However, these models are tuned to trained data and context, making it difficult to adapt. Industries today that want to create value from data must master these paradigms in combination. However, there is great need in data analytics to seamlessly combine semantic-driven and data-driven processing techniques in an efficient and scalable architecture that allows extracting actionable insights from an extreme variety of data. In this thesis, we address these needs by providing: • A unified representation of domain-specific and analytical semantics, in form of ontology models called TechOnto Ontology Stack. It is highly expressive, platform-independent formalism to capture conceptual semantics of industrial systems such as technical system hierarchies, component partonomies etc and its analytical functional semantics. • A new ontology language Semantically defined Analytical Language (SAL) on top of the ontology model that extends existing DatalogMTL (a Horn fragment of Metric Temporal Logic) with analytical functions as first class citizens. • A method to generate semantic workflows using our SAL language. It helps in authoring, reusing and maintaining complex analytical tasks and workflows in an abstract fashion. • A multi-layer architecture that fuses knowledge- and data-driven analytics into a federated and distributed solution. To our knowledge, the work in this thesis is one of the first works to introduce and investigate the use of the semantically defined analytics in an ontology-based data access setting for industrial analytical applications. The reason behind focusing our work and evaluation on industrial data is due to (i) the adoption of semantic technology by the industries in general, and (ii) the common need in literature and in practice to allow domain expertise to drive the data analytics on semantically interoperable sources, while still harnessing the power of analytics to enable real-time data insights. Given the evaluation results of three use-case studies, our approach surpass state-of-the-art approaches for most application scenarios.Im Zeitalter der Digitalisierung sammeln die Industrien überall massive Daten-mengen, die zum Lebenselixier der Weltwirtschaft geworden sind. Diese Daten können aus verschiedenen heterogenen Systemen, Geräten, Komponenten, Sensoren, Systemen und Anwendungen in vielen Varianten (Vielfalt der Quellen), Geschwindigkeiten (hohe Änderungsrate) und Volumina (reine Datengröße) stammen. Trotz erheblicher Fortschritte in der Fähigkeit, Daten zu sammeln, zu speichern, zu verwalten und zu filtern, liegt der eigentliche Wert in der Analytik. Rohdaten sind bedeutungslos, es sei denn, sie werden ordnungsgemäß zu verwertbaren (Geschäfts-)Erkenntnissen verarbeitet. Wer weiß, wie man Daten effektiv nutzt, hat einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil, indem er die Leistung steigert, indem er schnellere und intelligentere Entscheidungen trifft, die kurz- und langfristige strategische Planung verbessert, mehr benutzerorientierte Produkte und Dienstleistungen anbietet und Innovationen fördert. In der Praxis lassen sich im Bereich der Analytik zwei unterschiedliche Paradigmen unterscheiden: semantisch (deduktiv) und Daten getrieben (induktiv). Die erste betont die Logik als eine Möglichkeit, das in Regeln oder Ontologien kodierte Domänen-wissen darzustellen, und wird oft sorgfältig kuratiert und gepflegt. Diese Modelle sind jedoch oft sehr komplex und erfordern eine intensive Wissensverarbeitung. Datengesteuerte Analysen verwenden maschinelles Lernen (ML), um mit minimalem menschlichen Eingriff direkt ein Modell aus den Daten zu lernen. Diese Modelle sind jedoch auf trainierte Daten und Kontext abgestimmt, was die Anpassung erschwert. Branchen, die heute Wert aus Daten schaffen wollen, müssen diese Paradigmen in Kombination meistern. Es besteht jedoch ein großer Bedarf in der Daten-analytik, semantisch und datengesteuerte Verarbeitungstechniken nahtlos in einer effizienten und skalierbaren Architektur zu kombinieren, die es ermöglicht, aus einer extremen Datenvielfalt verwertbare Erkenntnisse zu gewinnen. In dieser Arbeit, die wir auf diese Bedürfnisse durch die Bereitstellung: • Eine einheitliche Darstellung der Domänen-spezifischen und analytischen Semantik in Form von Ontologie Modellen, genannt TechOnto Ontology Stack. Es ist ein hoch-expressiver, plattformunabhängiger Formalismus, die konzeptionelle Semantik industrieller Systeme wie technischer Systemhierarchien, Komponenten-partonomien usw. und deren analytische funktionale Semantik zu erfassen. • Eine neue Ontologie-Sprache Semantically defined Analytical Language (SAL) auf Basis des Ontologie-Modells das bestehende DatalogMTL (ein Horn fragment der metrischen temporären Logik) um analytische Funktionen als erstklassige Bürger erweitert. • Eine Methode zur Erzeugung semantischer workflows mit unserer SAL-Sprache. Es hilft bei der Erstellung, Wiederverwendung und Wartung komplexer analytischer Aufgaben und workflows auf abstrakte Weise. • Eine mehrschichtige Architektur, die Wissens- und datengesteuerte Analysen zu einer föderierten und verteilten Lösung verschmilzt. Nach unserem Wissen, die Arbeit in dieser Arbeit ist eines der ersten Werke zur Einführung und Untersuchung der Verwendung der semantisch definierten Analytik in einer Ontologie-basierten Datenzugriff Einstellung für industrielle analytische Anwendungen. Der Grund für die Fokussierung unserer Arbeit und Evaluierung auf industrielle Daten ist auf (i) die Übernahme semantischer Technologien durch die Industrie im Allgemeinen und (ii) den gemeinsamen Bedarf in der Literatur und in der Praxis zurückzuführen, der es der Fachkompetenz ermöglicht, die Datenanalyse auf semantisch inter-operablen Quellen voranzutreiben, und nutzen gleichzeitig die Leistungsfähigkeit der Analytik, um Echtzeit-Daten-einblicke zu ermöglichen. Aufgrund der Evaluierungsergebnisse von drei Anwendungsfällen Übertritt unser Ansatz für die meisten Anwendungsszenarien Modernste Ansätze