Návrhový přístup k modelování rozhraní API sjednocených služeb pro sémantickou interoperabilitu aplikací vozidel napříč podniky

Sangita DE

Doctoral thesis

A Design Approach to Unified Service API Modelling for Semantic Interoperability of Cross-enterprise Vehicle Applications

Abstract:

Automobilový průmysl je složitá, ale propojená síť nebo ekosystém vysoce vzájemně závislých subsystémů. V poslední době se objevily složitější automobilové služby, jako je autonomní řízení, komunikace mezi vozidly (V2X) a IoT v automobilech. To vedlo k tomu, že v automobilovém průmyslu spolupracovalo více rámců. V důsledku toho nyní mnoho funkcí běží paralelně na palubních systémech vozidla, podporovaných komplexními softwarovými platformami ECU. Všechny tyto funkce jsou založeny na datech, ať už se jedná o data ze senzorů, uživatelské profily, dopravní přenosy nebo zprávy mezi vozidly od ostatních vozidel. Klíč k úspěchu při zprovozňování tak složitého ekosystému však spočívá v organizovaném a efektivním přístupu k datům API heterogenních rámců služeb pro vozidla. Koordinace služeb mezi různými rámci v oblasti použití vozidel a podpora horizontální integrace by mohly vést k rozšířeným a komplexnějším funkcím v automobilovém průmyslu a otevřít nové možnosti. Interoperabilita obvykle odkazuje na schopnost, která závisí na pochopení kompatibility mezi rozhraními různých aplikací. Nekompatibilita mezi specifickými artefakty různých modelů služeb vozidel způsobuje překážky sémantické interoperability mezi modely rozhraní API služeb. Vzhledem k tomu, že neexistuje jednotná, obecná šablona popisu API služeb pro vozidla, je zdrojem sporu to, že poskytovatelé služeb třetích stran musí před zavedením služby vždy zkontrolovat, zda jsou klienti nebo spotřebitelé služeb na druhé straně komunikačního spojení kompatibilní s rozhraním API dané služby. Z hlediska modelování je jedním z klíčových prvků, které je třeba vzít v úvahu pro efektivní spolupráci mezi službami mezi různými podniky, korelace sémantických dat API nezávislá na platformě na úrovni modelu pomocí ontologií, aby se usnadnila holistická a smysluplná výměna dat API mezi heterogenními modely API v doméně vozidel. Aby byly služby vozidla přístupné a vzájemně kompatibilní, musí být specifikovány pomocí standardizovaných, obecných šablon sémantických specifikací. Tato výzkumná studie navrhuje různé příspěvky, inspirované pracemi založenými na standardech W3C, jako jsou WSMO a WSDL v doméně sémantického webu. Tato výzkumná studie navrhuje nový přístup k návrhu pro specifikaci sémantických dat API služeb vozidel ve formě jednotné, platformově agnostické, doménově specifické, generické ontologické šablony. Obecná šablona ontologie rozhraní API je vyjádřena v abstraktním syntaktickém stromu výhradně na základě sémantických vlastností bez ohledu na specifika platformy. Transparentnost sémantických dat API mezi komunikačními partnery je zajištěna takovou obecnou šablonou ontologie API. Aby bylo možné implementovat výše navrhovaný nový přístup k návrhu směrem k sémantické interoperabilitě modelů API služeb napříč rámci vozidel a automatizovat generování šablony sémantické specifikace jednotného rozhraní API služeb vozidel, je popsán a demonstrován poloautomatizovaný zásuvný modul založený na rozhraní OWL API s využitím různých existujících, typických reálných průmyslových případových studií založených na modelech API rámců služeb vozidel. Mediátor ontologie nezávislý na platformě je definován jako součást přístupu k návrhu, aby byla zajištěna sémantická interoperabilita mezi sémanticky ekvivalentními, ale syntakticky odlišnými koncepty různých rámců služeb vozidel, ontologických modelů API. Navrhovaný ontologický mediátor může účinně sloužit jako lepidlo mezi různými koncepty ontologií API služeb heterogenních rámců, a to na základě identifikovaných synergií v sémantických vlastnostech. Tato výzkumná studie navrhuje empirický přístup

Abstract:

The automotive industry is a complex yet connected network or ecosystem of highly interdependent subsystems. Recently, there have been more complex automotive services like autonomous driving, Vehicle to Communication (V2X), and IoT in cars. This has led to more frameworks working together in the automotive industry. Consequently, many functions are now running in parallel on the vehicle's onboard systems, supported by complex ECU software platforms. All these functions are based on data, be it sensor data, user profiles, traffic broadcasts, or car-to-car messages from peer vehicles. However, the key to success in making such a complex ecosystem work lies in the organized and efficient access to the heterogeneous vehicle service frameworks' API data. The coordination of services among the various frameworks in the vehicle application realm and the promotion of horizontal integration could result in enhanced and more comprehensive functionality in the automotive sector and open up fresh possibilities. Interoperability usually refers to the capability that depends on understanding the compatibility between the interfaces of various applications. The incompatibility between the various vehicle service models' specific artifacts causes impediments to semantic interoperability between the API models of the services. In the absence of a unified, generic vehicle services API description template, a source of contention that emerges is that third-party service providers must always check, before the service is deployed, whether the clients or service consumers on the other side of the communication link are compatible with a given service's API. From a modelling perspective, to facilitate a holistic and meaningful data exchange between several heterogeneous vehicle service API models in the vehicle domain, one key element to be considered for efficient cross-enterprise service collaborations is to correlate the platform-agnostic API semantic data at a model level using Ontologies. To make the vehicle services accessible and compatible with one another, they must be specified using standardized, generic semantic specification templates. This research study proposes diverse contributions, inspired by W3C standard-based works such as WSMO and WSDL in the Semantic Web Domain. This research study proposes a novel design approach for specifying vehicle services API semantic data in the form of a unified, platform-agnostic, domain-specific, generic ontology template. A generic API ontology template is expressed in an abstract syntax tree solely based on semantic traits, irrespective of platform specifics. Transparency in APIs' semantic data between communication peer partners is ensured by such a generic API ontology template. To implement the above proposed novel design approach towards semantic interoperability of cross-enterprise vehicle frameworks service API models, and to automate the generation of a unified vehicle service API semantic specification template, a semi-automated OWL API-based plugin tool is described and demonstrated using various existing, typical real-world industrial case studies based on vehicle service frameworks API models. A platform-agnostic ontology mediator is defined as part of the design approach in order to ensure semantic interoperability between the semantically equivalent but syntactically different concepts of various vehicle services frameworks API ontological models. The proposed ontology mediator can effectively serve as a glue between the diverse concepts of heterogeneous frameworks' service API ontologies, based on the identified synergies in semantic traits. This research study proposes an empirical evaluation and validation approach to evaluate the vehicle service API ontologies using semantic quality metrics and metrics' thresholds to determine their completeness, usefulness, and depth of semantic alignment.

Abstract:

k hodnocení a validaci ontologií API služeb vozidel pomocí metrik sémantické kvality a prahových hodnot metrik k určení jejich úplnosti, užitečnosti a hloubky sémantického zarovnání.

Keywords

Klíčová slova, sémantika, interoperabilita, služby pro vozidla, cross-enterprise, rámce, platformy, automobilový průmysl, API, rozhraní, doménově specifické, metamodel, ontologie, sjednocená, abstraktní, globální, konceptuální, zarovnání, synergie, integrace, syntaxe, modely, jazyk popisu rozhraní, analýza, design, ontologický mediátor, objevování služeb, sémantický web, odvozené axiomy, formální specifikace, implicitní uvažování, znovupoužitelnost, hodnocení, validace, metriky kvality, práh, automatizovaný, choreografie služba, uzemnění, plugin nástroj

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 6. 2024

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Doc. Ing. Přemysl Brada, MSc., Ph.D.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Computer Science and Engineering / Computer Science and Engineering