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

Les contribucions d'aquesta tesi uneixen dues disciplines: ciencies ambientals (especificament, gestio d'aigues residuals) i informatica (especificament, intel·ligencia artificial). El tractament d'aigues residuals com a disciplina opera fent servir un rang de diferents enfocaments i metodes que inclouen: control manual, control automatic on-line, modelat numeric o no-numeric, models estadistics i simulacions. La tesi caracteritza la recerca interdisciplinaria de tecniques d'intel·ligencia artificial (raonament basat en regles, raonament basat en casos, ontologies i planificacio) a sistemes de suport a la decisio a l'entorn ambiental. El disseny de l'arquitectura d'aquesta aplicacio, el sistema OntoWEDSS, augmenta els sistemes clasics de raonament existents (raonament basat en regles i basat en casos) amb una ontologia de domini per a la gestio de plantes de tractament d'aigues residuals. La integracio de l'ontologia WaWO recentment creada proporciona a OntoWEDSS una major flexibilitat en la capacitat de gestio. La construccio del sistema de suport a la decisio OntoWEDSS es basa en l'estudi d'un cas especific, pero el sistema tambe es d'interes general ja que l'arquitectura basada en l'ontologia pot aplicar-se a qualsevol estacio depuradora i, a un nivell apropiat d'abstraccio, a altres dominis ambientals. El sistema OntoWEDSS millora la diagnosi de l'estat de l'estacio depuradora, proporciona suport a la solucio de complexes problemes relacionats amb aigues residuals, i facilita el modelatge del coneixement i la seva reutilitzacio mitjancant l'ontologia WaWO. En particular, a la investigacio s'han aconseguit els seguents objectius: (1) la millora del modelatge de la informacio sobre processos de tractament d'aigues residuals i la clarificacio de part de la confusio existent en la terminologia del domini, (2) la incorporacio de coneixement microbiologic (referent al proces del tractament i modelat mitjancant una ontologia) dins del proces de raonament, (3) la creacio d'un sistema de suport a la decisio amb tres nivells (percepcio, diagnosi i suport a la decisio) que combina coneixement mitjancant una nova integracio entre KBSs i ontologies, proporcionant millors resultats, (4) la eliminacio d'obstacles existents en el raonament, obtinguda utilitzant el nou coneixement microbiologic codificat a l'estructura jerarquica i a les relacions de l'ontologia, (5) la representacio de relacions causa-efecte, degut a la implementacio d'un conjunt de relacions que permeten a l'ontologia deduir automaticament la resposta a questions sobre el domini d'aigues residuals. OntoWEDSS esta implementada en el llenguatge de programacio LISP, fent servir el software Allegro Common LISP. S'ha dut a terme una avaluacio focalitzada del sistema, basada en la valoracio de la capacitat de resposta a situacions problematiques especifiques, obtenint-se bons resultats. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Resumen Las contribuciones de esta tesis unen dos disciplinas: ciencias ambientales (especificamente, gestion de aguas residuales) e informatica (especificamente, inteligencia artificial). El tratamiento de aguas residuales como disciplina opera utilizando un rango de diferentes enfoques y metodos que incluye: control automatico on-line, modelado numerico o no-numerico, razonamiento basado en reglas, razonamiento basado en casos, soporte a la decision y planificacion. La tesis caracteriza una aplicacion interdisciplinaria de tecnicas de inteligencia artificial a sistemas de soporte a la decision en el dominio ambiental. El diseno de la arquitectura de esta aplicacion, el sistema OntoWEDSS, aumenta los sistemas hibridos de razonamiento ya existentes (razonamiento basado en reglas y basado en casos) con una ontologia de dominio para la gestion de plantas de tratamiento de aguas residuales. La integracion de la ontologia WaWO, de nueva creacion, proporciona a OntoWEDSS una mayor flexibilidad en la capacidad de gestion. La construccion del sistema de soporte a la decision OntoWEDSS se basa en el estudio de un caso especifico, pero el sistema resulta tambien es de interes general puesto que la arquitectura basada en ontologias puede aplicarse a cualquier planta de tratamiento de aguas residuales y, a un nivel apropiado de abstraccion, a otros dominios ambientales. El sistema OntoWEDSS mejora la diagnosis del estado de la planta de tratamiento, proporciona soporte a la resolucion de complejos problemas relacionados con aguas residuales, y facilita el modelado del conocimiento y su reutilizacion mediante la ontologia WaWO. En particular, la investigacion ha alcanzado los siguientes objetivos: (1) la mejora del modelado de la informacion sobre procesos de tratamiento de aguas residuales y la clarificacion de parte de la confusion existente en la terminologia relacionada, (2) la incorporacion de conocimiento microbiologico (referente al proceso del tratamiento y modelado mediante una ontologia) dentro del proceso de razonamiento, (3) la creacion de un sistema de soporte a la decision con tres estratos (percepcion, diagnosis y soporte a la decision) que combina conocimiento mediante una novedosa integracion entre KBSs y ontologias, proporcionando mejores resultados, (4) la eliminacion de obstaculos existentes en el razonamiento, hallada utilizando el nuevo conocimiento microbiologico codificado en la estructura jerarquica y las relaciones de la ontologia, (5) la representacion de relaciones causa-efecto, debido a la implementacion de un conjunto de relaciones que permiten a la ontologia deducir automaticamente la respuesta a cuestiones sobre el dominio de aguas residuales. OntoWEDSS esta implementada en el lenguaje de programacion LISP, usando el software Allegro Common LISP. Se ha llevado a cabo una evaluacion enfocada del sistema, basada en la valoracion de la capacidad de respuesta a situaciones problematicas especificas, obteniendose buenos resultados. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------