Semantics for the Web of Things: Modeling the Physical World as a Collection of Things and Reasoning with their Descriptions

  • The main research question of this thesis is to develop a theory that would provide foundations for the development of Web of Things (WoT) systems. A theory for WoT shall provide a model of the ‘things’ WoT agents relate to such that these relations determine what interactions take place between these agents. This thesis presents a knowledge-based approach in which the semantics of WoT systems is given by a transformation (an homomorphism) between a graph representing agent interactions and a knowledge graph describing ‘things’. It focuses on three aspects of knowledge graphs in particular: the vocabulary with which assertions can be made, the rules that can be defined over this vocabulary and its serialization to efficiently exchange pieces of a knowledge graph. Each aspect is developed in a dedicated chapter, with specific contributions to the state-of-the-art. The need for a unified vocabulary to describe ‘things’ in WoT and the Internet of Things (IoT) has been identified early on in the literature. Many proposals have beenThe main research question of this thesis is to develop a theory that would provide foundations for the development of Web of Things (WoT) systems. A theory for WoT shall provide a model of the ‘things’ WoT agents relate to such that these relations determine what interactions take place between these agents. This thesis presents a knowledge-based approach in which the semantics of WoT systems is given by a transformation (an homomorphism) between a graph representing agent interactions and a knowledge graph describing ‘things’. It focuses on three aspects of knowledge graphs in particular: the vocabulary with which assertions can be made, the rules that can be defined over this vocabulary and its serialization to efficiently exchange pieces of a knowledge graph. Each aspect is developed in a dedicated chapter, with specific contributions to the state-of-the-art. The need for a unified vocabulary to describe ‘things’ in WoT and the Internet of Things (IoT) has been identified early on in the literature. Many proposals have been consequently published, in the form of Web ontologies. In Ch. 2, a systematic review of these proposals is being developed, as well as a comparison with the data models of the principal IoT frameworks and protocols. The contribution of the thesis in that respect is an alignment between the Thing Description (TD) model and the Semantic Sensor Network (SSN) ontology, two standards of the World Wide Web Consortium (W3C). The scope of this thesis is generally limited to Web standards, especially those defined by the Resource Description framework (RDF). Web ontologies do not only expose a vocabulary but also rules to extend a knowledge graph by means of reasoning. Starting from a set of TD documents, new relations between ‘things’ can be “discovered” this way, indicating possible interactions between the servients that relate to them. The experiments presented in Ch. 3 were done on the basis of this semantic discovery framework on two use cases: a building automation use case provided by Intel Labs and an industrial control use case developed internally at Siemens. The relations to discover often involve anonymous nodes in the knowledge graph: the chapter also introduces a novel skolemization algorithm to correctly process these nodes on a well-defined fragment of the Web Ontology Language (OWL). Finally, because this semantic discovery framework relies on the exchange of TD documents, Ch. 4 introduces a binary format for RDF that proves efficient in serializing TD assertions such that even the smallest WoT agents, i.e. micro-controllers, can store and process them. A formalization for the semantics-preserving compaction and querying of TD documents is also introduced in this chapter, at the basis of an embedded RDF store called the µRDF store. The ability of all WoT agents to query logical assertions about themselves and their environment, as found in TD documents, is a first step towards knowledge-based intelligent systems that can operate autonomously and dynamically in a decentralized way. The µRDF store is an attempt to illustrate the practical outcomes of the theory of WoT developed throughout this thesis.show moreshow less
  • Die Dissertation entwickelt eine theoretische Grundlage für die Spezifikation Web of Things (WoT)-Systemen. Die Spezifikation der WoT-Systeme basiert auf einem Modell für die Dinge, oder Things, mit denen WoT-Agenten Beziehungen schaffen, welche Interaktionen zwischen Agenten erlauben. Diese Dissertation stellt einen wissensbasierten Ansatz vor, in dem die Semantik von WoT-Systemen als eine Transformation von einem Graphen von Agenten-Interaktionen nach einem Knowledge Graph definiert ist. Diese Arbeit deckt genau drei Aspekte Knowledge Graphs ab: das Vokabular, mit dem logische Schlüsse formuliert werden, die Regeln, die auf einem Vokabular basieren können und Serialisierung, um den effizienten Austausch zwischen Teilen eines Knowledge Graph zu ermöglichen. Alle drei Aspekt werden mit ihren wissenschaftlichen Beitrag in einem eigenen Kapitel adressiert. Der Bedarf an einem vereinigten Vokabular, um im WoT und dem Internet of Things (IoT) Things zu beschreiben, wurden in der Literatur frühzeitig identifiziert. Viele Ansatze wurdenDie Dissertation entwickelt eine theoretische Grundlage für die Spezifikation Web of Things (WoT)-Systemen. Die Spezifikation der WoT-Systeme basiert auf einem Modell für die Dinge, oder Things, mit denen WoT-Agenten Beziehungen schaffen, welche Interaktionen zwischen Agenten erlauben. Diese Dissertation stellt einen wissensbasierten Ansatz vor, in dem die Semantik von WoT-Systemen als eine Transformation von einem Graphen von Agenten-Interaktionen nach einem Knowledge Graph definiert ist. Diese Arbeit deckt genau drei Aspekte Knowledge Graphs ab: das Vokabular, mit dem logische Schlüsse formuliert werden, die Regeln, die auf einem Vokabular basieren können und Serialisierung, um den effizienten Austausch zwischen Teilen eines Knowledge Graph zu ermöglichen. Alle drei Aspekt werden mit ihren wissenschaftlichen Beitrag in einem eigenen Kapitel adressiert. Der Bedarf an einem vereinigten Vokabular, um im WoT und dem Internet of Things (IoT) Things zu beschreiben, wurden in der Literatur frühzeitig identifiziert. Viele Ansatze wurden diesbezüglich vor allem als Web Ontologien veröffentlicht. Im Kapitel 2 werden diese Ansätze miteinander, sowie mit Datenmodelle dominierender IoT-Frameworks und Protokolle verglichen. Der Beitrag der Dissertation diesbezüglich ist die Verschmelzung des WoT Thing Description (TD) Modells und der Semantic Sensor Network (SSN) Ontologie, zwei vom World Wide Web Consortium (W3C) veröffentlichte Standards, in eine einzige Ontologie. Der Rahmen dieser Dissertation wird auf Web Standards begrenzt, insbesondere im Resource Description Framework (RDF) enthaltenen Standards. Web Ontologien bestehen nicht nur aus einm Vokabular, sondern auch aus Regel, um einen Knowledge Graphen durch Inferenz zu erweitern. Anhand einer Menge von TD-Dokumenten können neue Beziehungen zwischen Things abgeleitet werden und dadurch neue Interaktionen zwischen denjenigen Agenten, die sich auf diese Things beziehen eingeführt werden. Die im Kapitel 3 beschriebenen Experimente setzen dieses semantische Framework in zwei Domäne um: Gebäudeautomatisierung und Industrielle Kontrollsysteme. Das Erkennen impliziter Beziehungen zwischen Things hängt in bestimmten Fällen von sogenannten anonymen Knoten im Graphen ab: das Kapitel führt einen neuen Skolemization Algorithmus ein, um diese Knoten für einen bestimmten Teil der Web Ontology Language (OWL) korrekt zu verarbeiten. Zum Schluss, da die Umsetzung dieses semantischen Frameworks den Austausch von TD-Dokumenten erfordert, wird im Kapitel 4 ein binäres Format für RDF eingeführt, welches sich als sehr effizient für die Serialisierung erweist, damit auch kleine WoT Agenten, nämlich Mikrocontroller, TD-Dokumente speichern und verarbeiten können. Eine formale Definition für die Verdichtung und die Abfrage von TD-Dokumenten wird in diesem Kapitel eingeführt. Das Kapitel beschreibt auch die Implementierung einer eingebetteten RDF Datenbank, die µRDF Store genannt wurde. Die Fähigkeit WoT-Agenten logische Schlüsse über sich selbst und ihre Umgebung zu ziehen ist der erste Schritt in Richtung eines wissensbasierten intelligenten Systems, das autonom, dynamisch und dezentral agieren kann. Der µRDF Store zeigt die praktischen Vorteile, der in dieser Dissertation entwickelten Theorie für WoT auf.show moreshow less

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Metadaten
Author:Victor CharpenayORCiD
URN:urn:nbn:de:bvb:739-opus4-7578
Advisor:Harald Kosch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Date of Publication (online):2019/11/28
Date of first Publication:2019/11/28
Publishing Institution:Universität Passau
Granting Institution:Universität Passau, Fakultät für Informatik und Mathematik
Date of final exam:2019/10/02
Release Date:2019/11/28
Tag:Internet of Things; Semantic Web; Thing Description; Web Ontologies; Web of Things
GND Keyword:Semantic WebGND; Internet der Dinge
Page Number:xiii, 127 Seiten
Institutes:Fakultät für Informatik und Mathematik
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):License LogoCreative Commons - CC BY-SA - Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International