OntoWEDSS - An Ontology-based Environmental Decision-Support System for the management of Wastewater treatment plants

Abstract

Les contribucions d'aquesta tesi uneixen dues disciplines: ciències ambientals (específicament, gestió d'aigües residuals) i informàtica (específicament, intel·ligència artificial). El tractament d'aigües residuals com a disciplina opera fent servir un rang de diferents enfocaments i mètodes que inclouen: control manual, control automàtic on-line, modelat numèric o no-numèric, models estadístics i simulacions. La tesi caracteritza la recerca interdisciplinària de tècniques d'intel·ligència artificial (raonament basat en regles, raonament basat en casos, ontologies i planificació) a sistemes de suport a la decisió a l'entorn ambiental. El disseny de l'arquitectura d'aquesta aplicació, el sistema OntoWEDSS, augmenta els sistemes clàsics de raonament existents (raonament basat en regles i basat en casos) amb una ontologia de domini per a la gestió de plantes de tractament d'aigües residuals. La integració de l'ontologia WaWO recentment creada proporciona a OntoWEDSS una major flexibilitat en la capacitat de gestió. La construcció del sistema de suport a la decisió OntoWEDSS es basa en l'estudi d'un cas específic, però el sistema també és d'interès general ja que l'arquitectura basada en l'ontologia pot aplicar-se a qualsevol estació depuradora i, a un nivell apropiat d'abstracció, a altres dominis ambientals. El sistema OntoWEDSS millora la diagnosi de l'estat de l'estació depuradora, proporciona suport a la solució de complexes problemes relacionats amb aigües residuals, i facilita el modelatge del coneixement i la seva reutilització mitjançant l'ontologia WaWO. <br/>En particular, a la investigació s'han aconseguit els següents objectius: (1) la millora del modelatge de la informació sobre processos de tractament d'aigües residuals i la clarificació de part de la confusió existent en la terminologia del domini, (2) la incorporació de coneixement microbiològic (referent al procés del tractament i modelat mitjançant una ontologia) dins del procés de raonament, (3) la creació d'un sistema de suport a la decisió amb tres nivells (percepció, diagnosi i suport a la decisió) que combina coneixement mitjançant una nova integració entre KBSs i ontologies, proporcionant millors resultats, (4) la eliminació d'obstacles existents en el raonament, obtinguda utilitzant el nou coneixement microbiològic codificat a l'estructura jeràrquica i a les relacions de l'ontologia, (5) la representació de relacions causa-efecte, degut a la implementació d'un conjunt de relacions que permeten a l'ontologia deduir automàticament la resposta a qüestions sobre el domini d'aigües residuals. <br/>OntoWEDSS està implementada en el llenguatge de programació LISP, fent servir el software Allegro Common LISP. S'ha dut a terme una avaluació focalitzada del sistema, basada en la valoració de la capacitat de resposta a situacions problemàtiques específiques, obtenint-se bons resultats.

Las contribuciones de esta tesis unen dos disciplinas: ciencias ambientales (específicamente, gestión de aguas residuales) e informática (específicamente, inteligencia artificial). El tratamiento de aguas residuales como disciplina opera utilizando un rango de diferentes enfoques y métodos que incluye: control automático on-line, modelado numérico o no-numérico, razonamiento basado en reglas, razonamiento basado en casos, soporte a la decisión y planificación. La tesis caracteriza una aplicación interdisciplinaria de técnicas de inteligencia artificial a sistemas de soporte a la decisión en el dominio ambiental. El diseño de la arquitectura de esta aplicación, el sistema OntoWEDSS, aumenta los sistemas híbridos de razonamiento ya existentes (razonamiento basado en reglas y basado en casos) con una ontología de dominio para la gestión de plantas de tratamiento de aguas residuales. La integración de la ontología WaWO, de nueva creación, proporciona a OntoWEDSS una mayor flexibilidad en la capacidad de gestión. La construcción del sistema de soporte a la decisión OntoWEDSS se basa en el estudio de un caso específico, pero el sistema resulta también es de interés general puesto que la arquitectura basada en ontologías puede aplicarse a cualquier planta de tratamiento de aguas residuales y, a un nivel apropiado de abstracción, a otros dominios ambientales. El sistema OntoWEDSS mejora la diagnosis del estado de la planta de tratamiento, proporciona soporte a la resolución de complejos problemas relacionados con aguas residuales, y facilita el modelado del conocimiento y su reutilización mediante la ontología WaWO. <br/>En particular, la investigación ha alcanzado los siguientes objetivos: (1) la mejora del modelado de la información sobre procesos de tratamiento de aguas residuales y la clarificación de parte de la confusión existente en la terminología relacionada, (2) la incorporación de conocimiento microbiológico (referente al proceso del tratamiento y modelado mediante una ontología) dentro del proceso de razonamiento, (3) la creación de un sistema de soporte a la decisión con tres estratos (percepción, diagnosis y soporte a la decisión) que combina conocimiento mediante una novedosa integración entre KBSs y ontologías, proporcionando mejores resultados, (4) la eliminación de obstáculos existentes en el razonamiento, hallada utilizando el nuevo conocimiento microbiológico codificado en la estructura jerárquica y las relaciones de la ontología, (5) la representación de relaciones causa-efecto, debido a la implementación de un conjunto de relaciones que permiten a la ontología deducir automáticamente la respuesta a cuestiones sobre el dominio de aguas residuales. <br/>OntoWEDSS está implementada en el lenguaje de programación LISP, usando el software Allegro Common LISP. Se ha llevado a cabo una evaluación enfocada del sistema, basada en la valoración de la capacidad de respuesta a situaciones problemáticas específicas, obteniéndose buenos resultados.

The contributions of this thesis bridge two disciplines: environmental science (specifically, wastewater management) and computer science (specifically, artificial intelligence). Wastewater management as a discipline operates using a range of different approaches and methods which include: manual control, on-line automatic control, numerical or non-numerical models, statistical models and simulation models. The thesis characterizes an interdisciplinary research on artificial intelligence techniques (rule-based reasoning, case-based reasoning, ontologies and planning) applied to environmental decision-support systems. The integrated architecture's design of this application, the OntoWEDSS system, augments classic reasoning systems (rule-based reasoning and case-based reasoning) with a domain ontology about the management of wastewater treatment plants. The integration of the newly created WaWO ontology provides a more flexible management capability to OntoWEDSS. The construction of the OntoWEDSS decision support system is based on a specific case study but the system is also of general interest, given that its ontology-underpinned architecture can be applied to any wastewater treatment plant and, at an appropriate level of abstraction, to other environmental domains. The OntoWEDSS system improves the diagnosis of the state of a treatment plant, provides support for wastewater-related complex problem-solving, and facilitates knowledge modeling and reuse by means of the WaWO ontology. <br/>The following research targets have been achieved in particular: (1) the improvement of the modeling of the information about wastewater treatment processes and the clarification of a part of the existing terminological confusion in the domain, (2) the incorporation of ontology-modeled microbiological knowledge related to the treatment process into the reasoning process, (3) the creation of a decision support system with three layers (perception, diagnosis and decision support) which combines knowledge through a novel integration between KBSs and ontologies, providing better results, (4) the solution of existing reasoning-impasses, found using the new microbiological knowledge encoded in the hierarchical structure and the relations of the ontology, (5) the representation of cause-effect relations, due to the implementation of a set of relations that enable the ontology to automatically deduce the answer to questions about the wastewater domain. <br/>OntoWEDSS is implemented in the LISP programming language, using Allegro Common LISP software. A focused evaluation of the system, founded on the assessment of the capacity of response to specific problematic situations, has been carried out and has given fine results.

Questa tesi contribuisce alla intersezione di due discipline: le scienze ambientali (specificamente, la gestione delle acque di rifiuto) e la informatica (specificamente, la intelligenza artificiale). Nel trattamento delle acque di rifiuto come disciplina si utilizzano diversi metodi, che includono: controllo manuale, controllo automatico on-line, modelli numerici o non-numerici e simulazioni. La tesi caratterizza un'applicazione interdisciplinare di tecniche di intelligenza artificiale a sistemi di aiuto alla decisione in campo ambientale. L'architettura di questa applicazione, il sistema OntoWEDSS, amplia i sistemi di ragionamento ibrido esistenti (ragionamento basato su un sistema di regole, ragionamento basato sull'esperienza, aiuto alla decisione e pianificazione) con un'ontologia di dominio per la gestione di depuratori di acque di rifiuto. L'integrazione dell'ontologia WaWO, di nuova creazione, fornisce a OntoWEDSS una maggiore flessibilità nella sua capacità di gestione. La costruzione del sistema OntoWEDSS si basa sullo studio di un caso specifico, però il sistema risulta anche di interesse generale dato che l'architettura basata su un'ontologia può essere applicata a un qualsiasi depuratore e, considerando un adeguato livello d'astrazione, ad altri domini ambientali. Il sistema OntoWEDSS migliora la diagnosi dello stato del depuratore, fornisce aiuto alla soluzione di problemi complessi relazionati con le acque di rifiuto e facilita la modellizzazione della conoscenza e la sua riutilizzazione mediante l'ontologia WaWO. <br/>In particolare, la ricerca realizzata ha raggiunto i seguenti obiettivi: (1) il miglioramento dell'informazione sui processi di depurazione e il chiarimento di parte della confusione esistente nella terminologia relativa, (2) l'incorporazione di conoscenza microbiologica (riguardo al processo di depurazione e mediante la modellizzazione ontologica) nel processo di ragionamento, (3) la creazione di un sistema di aiuto alla decisione con tre livelli (percezione, diagnosi e aiuto alla decisione) che combina la informazione mediante un nuovo tipo d'integrazione tra classici sistemi basati sulla conoscenza e ontologie, proporzionando risultati migliori, (4) l'eliminazione di alcuni ostacoli esistenti nel ragionamento, ottenuta utilizzando la nuova conoscenza microbiologica codificata nella struttura gerarchica e nelle relazioni dell'ontologia, (5) la rappresentazione di relazioni causa-effetto del mondo reale attraverso l'implementazione di un insieme di relazioni ontologiche che permettono di dedurre automaticamente le risposte a domande sul dominio delle acque di rifiuto. <br/>OntoWEDSS è implementata nel linguaggio di programmazione LISP, usando il software Allegro Common LISP. È stata realizzata una valutazione del sistema basata sulla stima della capacità di risposta a situazioni problematiche specifiche e si sono ottenuti risultati soddisfacenti.