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Doctor's Theses (authored and supervised):

A. Fernbach:
"Semantic Evolution in Automation Systems Integration";
Supervisor, Reviewer: W. Kastner, A. Mahdavi, M. Wollschläger; Fakultät für Informatik - Automation Systems Group, 2018; oral examination: 2018-06-27.



English abstract:
Modern buildings are conditioned by a variety of building services. These mainly involve lighting and shading as well as Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC). To assure an efficient operation of the services, the field of Building Automation Systems (BASs) has established. These systems are nowadays characterised as a highly heterogeneous landscape of different standards and technologies. Each of these technologies in use has its dedicated fields of applications in controlling building services. The resulting heterogeneity leads to considerable interoperability issues between building automation
technologies. To address these issues, several approaches of integration have been developed in the past. The most promising way which has emerged was to provide a unified abstraction layer on top of these mutually incompatible systems.

This thesis captures the current situation and presents an integration method for BASs but also including information about the building itself. Therefore, an architecture of two
levels of comprehensiveness is chosen. To find the proper means to express the desired abstractions, state-of-the-art knowledge representation languages are examined with respect to their suitability towards creating unified views on the mentioned heterogeneous information sources. Information models are created for selected representatives of building automation technologies by using OPC Unified Architecture (OPC UA). Additionally,
an interface to integrate technologies from industry automation is defined at this point. This constitutes the first level of integration.

The OPC UA-based, technology-specific views are in the following raised to a bigger context including aspects of Building Information Modelling (BIM). The resulting, holistic
view is established by a Web Ontology Language (OWL) ontology which does not only regard static knowledge about buildings and their embedded automation systems but also allows access to runtime values of datapoints in the BASs by a semantic query interface. Hereby, the second level of integration is established.

As a frame around the developed integration methods, automation systems engineering and security engineering are addressed. A workflow of semi-automated engineering throughout the hierarchy of automation systems and the two integration levels is proposed.
The application of this workflow is shown by means of representative technologies from every layer. Since security plays an essential role in integrated BASs, OPC UA and Web
service (WS) technologies are examined with regard to this aspect. Applicable models of establishing trust in these environments are finally evaluated.

German abstract:
In modernen Gebäuden sorgt eine komplexe Haustechnik für die Bereitstellung angemessener Bedingungen. Zu den wesentlichsten Gewerken zählen Beleuchtung und Verschattung sowie Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK). Für einen effizienten Betrieb dieser Anlagen sorgt eine Vielzahl an Gebäudeautomationstechnologien und Systemen, die ihrerseits auf bestimmte Gewerke optimiert sind. Zusammen ergibt sich eine durch starke Heterogenität geprägte Systemlandschaft. Um dennoch Interoperabilität zwischen diesen zueinander inkompatiblen Technologien zu erreichen, wurden in der Vergangenheit verschiedene Lösungsansätze zur Integration entwickelt. Hiervon zeichnete sich die Einführung einer übergeordneten Abstraktionsschicht, die einen vereinheitlichten Zugriff auf die verschiedenen Gebäudeautomationssysteme ermöglicht, als der geeignetste Ansatz ab.

Diese Dissertation greift die beschriebene Situation auf und beschreibt ein Verfahren zur Integration von Gebäudeautomationstechnologien, das gleichzeitig auch Informationen über das Gebäude selbst berücksichtigt. Dazu wird ein Ansatz vorgestellt, der zwei Integrationsebenen unterschiedlicher Komplexität und Ausdrucksstärke umfasst. Um die für diese abstrakten Darstellungen geeigneten Methoden zu finden, werden zunächst aktuelle Sprachen zur Wissendarstellung hinsichtlich ihrer Eignung untersucht. Informationsmodelle für ausgewählte Technologien werden mit Hilfe des Standards OPC Unified Architecture (OPC AU) erstellt. An dieser Stelle wird auch eine Schnittstelle zur Einbindung von Systemen der Industrieautomation geschaffen. Hieraus ergibt sich die erste Integrationsebene.

Diese OPC AU-basierten, technologiespezifischen Informationsmodelle werden in einem nächsten Schritt in einen umfassenden Gesamtkontext gesetzt, der Aspekte der Bauwerksdatenmodellierung miteinbezieht. Diese holistische Sicht wird durch eine Ontologie, die in der Web Ontology Language (OWL) verfasst ist, dargestellt. Die daraus resultierende Wissensbasis repräsentiert nicht nur statisches Wissen über Gebäude und deren Automationssysteme, sondern erlaubt auch Zugriff auf Laufzeitwerte der entsprechenden Datenpunkte. Damit ist die zweite Integrationsebene definiert. Für den Zugriff auf die Wissensbasis wird eine semantische Abfragesprache verwendet.

Der Entwurf von Gebäudeautomationssystemen und die hierbei zu berücksichtigenden Informationssicherheits-Maßnahmen bilden den Rahmen um die vorgestellten Integrationsansätze. Es wird ein durchgängiges, teilautomatisiertes Verfahren für den Entwurf dieser Automationssysteme und der zwei darüberliegenden Integrationsebenen vorgestellt. Die Anwendung dieses Verfahrens wird anhand repräsentativier Vertreter der jeweiligen Ebene gezeigt. Da Informationssicherheit in integrierten Gebäudeautomationssystemen eine essentielle Rolle spielt, werden dahingehend für die verwendeten Technologien OPC UA und Web services (WSs) die zur Verfügung stehenden Möglichkeiten untersucht. Schließlich werden Modelle zur Herstellung von Vertrauensbeziehungen zwischen den beteiligten Komponenten evaluiert.


Electronic version of the publication:
https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_270471.pdf


Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.