An ontology-based middleware for enhancing semantic interoperability in IoT-enabled smart city applications

Abstract

This doctoral thesis embarks on an exploration of semantic interoperability within Internet of Things (IoT)-enabled environments, with a keen focus on the design, development, and evaluation of the Semantic Social Network of Things Middleware (S2NeTM) and the associated ontology. S2NeTM embraces the Social IoT (SIoT) paradigm which is an innovative approach where IoT devices form network relationships akin to human social interactions, aiming to improve collective functionality and redefining IoT interactions based on shared goals. A thorough literature review navigated the intricate landscape of semantic interoperability solutions, meticulously identifying gaps and challenges across crucial smart city domains such as transportation, eHealth, and smart homes. A unique contribution of this thesis is the introduction of a novel semantic interoperability maturity level assessment framework. This framework offers a structured perspective for evaluating existing smart city semantic interoperability solutions, as well as the proposed middleware. The evaluation criteria encompass modeling aspects, scalability, availability, real-world use cases, and implementation status. S2NeTM functions as the intermediate layer situated between the data collection infrastructure and the diverse applications and services that leverage SIoT capabilities. It comprises an array of components infused with semantic capabilities, including semantic annotation, ontology alignment, and semantic reasoning, to enhance communication and collaboration within an SIoT ecosystem. S2NeTM leverages FIWARE components in its implementation to provide a standardized, open-source framework that ensures interoperability and scalability across different IoT platforms and devices. By offering endpoints and APIs, S2NeTM empowers developers to create new applications and enhance the capabilities of existing ones, thus contributing to the evolution of smart city services through semantic means. A key pillar of the S2NeTM is its semantic model, encapsulated in the S2NeTM ontology, serving as a structured knowledge representation framework for enhancing semantic interoperability in smart city applications. This ontology fosters shared understanding and interaction among diverse entities while introducing dynamic reasoning mechanisms to forge new relationships. It encompasses a wide array of SIoT attributes, encapsulating the diverse data originating from IoT devices, open data sources, and crowdsensing networks, along with the intricate relationships between these data types. In addition, the thesis provides an in-depth presentation of two proof-of-concept applications. These applications serve as tangible demonstrations of the usefulness and applicability of S2NeTM and its associated ontology, effectively showcasing their capacity to address semantic interoperability requirements. Furthermore, they underscore S2NeTM’s role in facilitating the development of smart and collaborative IoT-based solutions across a variety of application domains within smart city environments. The first application, which is called ‘Green Route’, utilizes the S2NeTM to provide commuters with sustainable routing alternatives, thereby promoting efficient traffic management and ecological sustainability. The second application targets healthcare, specifically focusing on the detection of health problems in patients with dementia. The S2NeTM is comprehensively evaluated through three distinct approaches: firstly, by assessing its alignment with the fundamental requirements of a Semantic SIoT Middleware; secondly, by evaluating its placement within the proposed semantic interoperability maturity assessment framework; and thirdly, through empirical data that reflect the performance of its key services, namely Semantic Annotation, Semantic Reasoning, and Context Management. The results of the performed experiments highlight S2NeTM's positive performance and capabilities in various aspects, including data processing, storage, and query efficiency.

H διδακτορική διατριβή εντάσσεται στο πεδίο της σημασιολογικής διαλειτουργικότητας σε περιβάλλοντα εμπλουτισμένα με τεχνολογίες Διαδικτύου των Πραγμάτων (Internet of Things, IoT), εστιάζοντας ιδιαίτερα στον σχεδιασμό, την ανάπτυξη και την αξιολόγηση του προτεινόμενου Ενδιάμεσου Λογισμικού S2NeTM (Semantic Social Internet of Things Middleware) και της αντίστοιχης οντολογίας. Το S2NeTM ενστερνίζεται την προσέγγιση του Social IoT (SIoT), όπου οι συσκευές IoT σχηματίζουν σχέσεις δικτύου παρόμοιες με τις ανθρώπινες κοινωνικές αλληλεπιδράσεις, με στόχο τη βελτίωση της συλλογικής λειτουργικότητας και τον επαναπροσδιορισμό των αλληλεπιδράσεων IoT με βάση κάποιους κοινούς στόχους.Αρχικά, πραγματοποιήθηκε μια συστηματική ανασκόπηση της πρόσφατης βιβλιογραφίας για να εξεταστεί ο τρόπος λειτουργίας λύσεων που αφορούν τη σημασιολογική διαλειτουργικότητα σε περιβάλλον έξυπνων πόλεων με υποδομή ΙοΤ. Κατά την ανάλυση αυτή, εντοπίστηκαν κενά και προκλήσεις σε θέματα υποστήριξης της σημασιολογικής διαλειτουργικότητας σε κρίσιμους τομείς των έξυπνων πόλεων. Μια συμβολή αυτής της διατριβής είναι η εισαγωγή ενός νέου πλαισίου αξιολόγησης του επιπέδου ωριμότητας λύσεων σημασιολογικής διαλειτουργικότητας. Αυτό το πλαίσιο προσφέρει μια οργανωμένη μέθοδο για την αξιολόγηση των υπαρχουσών λύσεων σημασιολογικής διαλειτουργικότητας έξυπνων πόλεων, καθώς και του προτεινόμενου ενδιάμεσου λογισμικού. Τα κριτήρια αξιολόγησης περιλαμβάνουν θέματα μοντελοποίησης, επεκτασιμότητας, διαθεσιμότητας, και κατάσταση υλοποίησης. Το S2NeTM λειτουργεί ως το ενδιάμεσο επίπεδο που βρίσκεται μεταξύ της υποδομής που συλλέγει τα δεδομένα και των διαφορετικών εφαρμογών και υπηρεσιών που αξιοποιούν τις δυνατότητες του SIoT. Αποτελείται από συστατικά εμπλουτισμένα με σημασιολογικές δυνατότητες, συμπεριλαμβανομένου του σημασιολογικού σχολιασμού, της ευθυγράμμισης οντολογίας και του σημασιολογικού συλλογισμού, για την ενίσχυση της επικοινωνίας και της συνεργασίας μέσα σε ένα οικοσύστημα SIoT. Η υλοποίηση του S2NeTM αξιοποιεί συστατικά της πλατφόρμας FIWARE για να παρέχει ένα τυποποιημένο πλαίσιο ανοιχτού κώδικα που διασφαλίζει διαλειτουργικότητα και επεκτασιμότητα σε διαφορετικές πλατφόρμες και συσκευές IoT. Προσφέροντας σημεία πρόσβασης και API, το S2NeTM δίνει τη δυνατότητα στους προγραμματιστές να δημιουργούν νέες εφαρμογές και να βελτιώνουν τις δυνατότητες των υπαρχόντων, συμβάλλοντας έτσι στην εξέλιξη των υπηρεσιών έξυπνης πόλης μέσω σημασιολογικών μηχανισμών. Βασικός πυλώνας του S2NeTM είναι το σημασιολογικό του μοντέλο (οντολογία S2NeTM), το οποίο χρησιμεύει ως ένα δομημένο πλαίσιο αναπαράστασης γνώσης για τη βελτίωση της σημασιολογικής διαλειτουργικότητας σε εφαρμογές έξυπνων πόλεων. Το μοντέλο αυτό εξυπηρετεί την κοινή κατανόηση και την αλληλεπίδραση μεταξύ διαφορετικών οντοτήτων, ενώ υποστηρίζει δυναμικούς συλλογιστικούς μηχανισμούς για τη δημιουργία νέων σχέσεων. Περιλαμβάνει ένα ευρύ φάσμα χαρακτηριστικών SIoT, περιγράφει τα διαφορετικά δεδομένα που προέρχονται από συσκευές IoT, ανοιχτές πηγές δεδομένων και δεδομένα πληθοπρωρισμού (crowd-sourcing data), μαζί με τις περίπλοκες σχέσεις μεταξύ αυτών των τύπων δεδομένων. Επιπλέον, η διατριβή παρουσιάζει αναλυτικά δύο proof of concept εφαρμογές. Αυτές οι εφαρμογές χρησιμεύουν ως απτές αποδείξεις της χρησιμότητας και της εφαρμοσιμότητας του S2NeTM και της σχετικής οντολογίας. Αποδεικνύεται η ικανότητα των προτεινόμενων εργαλείων να αντιμετωπίζουν απαιτήσεις σημασιολογικής διαλειτουργικότητας και να διευκολύνουν την ανάπτυξη έξυπνων και συνεργατικών λύσεων που βασίζονται στο IoT σε διαφορετικά πεδία εφαρμογών των έξυπνων πόλεων. Η πρώτη εφαρμογή, η οποία ονομάζεται «Green Route», χρησιμοποιεί το S2NeTM για να παρέχει στους πολίτες μιας έξυπνης πόλης εναλλακτικές λύσεις βιώσιμης δρομολόγησης, προωθώντας έτσι την αποτελεσματική διαχείριση της κυκλοφορίας και την οικολογική βιωσιμότητα. Η δεύτερη εφαρμογή στοχεύει στην υγειονομική περίθαλψη, εστιάζοντας συγκεκριμένα στον εντοπισμό προβλημάτων υγείας σε ασθενείς με άνοια, με βάση δεδομένα από φορετές συσκευές και άλλες υπηρεσίες υγείας.Το S2NeTM αξιολογείται διεξοδικά μέσω τριών διαφορετικών προσεγγίσεων. Πρώτον, αξιολογείται η συμμόρφωσή του σχετικά με τις βασικές απαιτήσεις ενός Ενδιάμεσου Λογισμικού για περιβάλλοντα SIoT. Δεύτερον, εξετάζεται η επίδοσή του ως προς το προτεινόμενο πλαίσιο αξιολόγησης της ωριμότητας λύσεων σημασιολογικής διαλειτουργικότητας. Τέλος, πραγματοποιείται η αξιολόγηση μέσω πειραματικών δεδομένων που αντικατοπτρίζουν την απόδοση τριών βασικών υπηρεσιών του, δηλαδή, των Semantic Annotation, Semantic Reasoning και Context Management. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων που καταγράφηκαν υπογραμμίζουν τη θετική απόδοση και τις δυνατότητες του S2NeTM σε διάφορα χαρακτηριστικά, όπως η επεξεργασία και η αποθήκευση δεδομένων, και η αποτελεσματική επεξεργασία των ερωτημάτων.