Static and Automatic Resource Composition in Web-based Environments : An Application for Buildings Energy Management

par Lara Kallab

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Richard Chbeir et de Michaël Mrissa.

Soutenue le 06-12-2019

à Pau en cotutelle avec l'Univerza na Primorskem (Koper, Republika Slovenija) , dans le cadre de École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques) , en partenariat avec Laboratoire d'informatique de l'Université de Pau et des pays de l'Adour (Pau) (laboratoire) et de Laboratoire Informatique de l'Université de Pau et des Pays de l'Adour / LIUPPA (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Composition Statique et Automatique des Ressources dans les Environnements Web : Une Application pour la Gestion de l'Energie des Bâtiments


  • Résumé

    Aujourd’hui, de nombreux environnements basés sur le Web, tels que les applications Web et les plateformes Web, fournissent leurs fonctions en tant que services RESTful, qui sont des ressources autonomes et auto-descriptives qui suivent le style architectural du REST (REpresentational State Transfer). Comme le Web est devenu un moyen de communication principal, intégrer des objets dans le Web (tels que les appareils intelligents) et exploiter ses technologies populaires, ont abouti au développement d’un nouveau concept : le Web des objets (ou Web of Things (WoT) en Anglais). Dans le WoT, les objets exposent leurs fonctions en tant que ressources respectant également les principes de REST. Chaque ressource fournit des fonctions qui répondent à des demandes spécifiques des utilisateurs. Mais, parfois, une seule ressource ne suffit pas pour répondre à certaines demandes et, souvent, la combinaison de plusieurs ressources, formant une composition de ressources, permet d’obtenir le résultat souhaité. Néanmoins, il existe plusieurs défis à relever lors de la composition de ressources.Dans cette thèse, nous faisons face à trois défis. Le premier consiste à vérifier le bon comportement des compositions statiques, où les ressources sont sélectionnées et liées manuellement par l’utilisateur, vu que plusieurs erreurs de conception peuvent survenir, telles que des boucles produites empêchant d’autres ressources de s’exécuter et la non correspondance entre les type de données des entrées/sorties des ressources liées. Les deux autres défis sont liés aux environnements Web hybrides fournissant des ressources : (i) dynamiques (connectées/déconnectées de l’environnement à différents instants) et (ii) statiques (établies pour être toujours disponibles). Dans ce cas, les défis portent respectivement sur la découverte automatique des ressources, en tenant compte de la position des ressources (exposées par des objets), et sur la sélection automatique des ressources appropriées pour former des compositions répondant aux demandes de l’utilisateur.Pour faire face à ces différents défis, nous proposons tout d’abord un modèle formel basé sur les réseaux de Petri colorés (Colored Petri Nets (CPN) en Anglais) qui exprime le comportement des ressources et leur composition en CPN. Cela permet d’utiliser les propriétés de CPN pour vérifier le bon comportement des compositions statiques. Ensuite nous proposons une représentation graphique formelle liant les ressources statiques à celles dynamiques, permettant à des algorithmes de graphe, adaptés à explorer les descriptions sémantiques des ressources parcourues, de découvrir automatiquement les ressources requises. Le processus de la découverte utilise un schéma d’indexation défini pour identifier les ressources en fonction de leur position (si elles sont exposées par des objets) et améliorer la recherche dans des environnements Web connectant de nombreuses ressources. En ce qui concerne la sélection automatique des ressources, on présente un adaptateur de stratégie de sélection qui permet de sélectionner les ressources les plus appropriées parmi celles qui sont candidates, pour former plusieurs compositions ayant différentes alternatives d’implémentation, tenant compte de la qualité des ressources, du matching entre les entrées/sorties des ressources liées, ainsi que de leurs disponibilités.Nos contributions proposées sont génériques qui peuvent être appliquées dans des environnements Web appartenant à différents domaines d’applications métiers. Cependant, dans cette thèse, nos solutions sont illustrées dans le domaine des bâtiments intelligents, en s’appuyant sur des projets de gestion du comportement énergétique des bâtiments.


  • Résumé

    Nowadays, a plethora of Web-based environments (Web applications, Web platforms, etc.), publish their functions as RESTful services, i.e., self-contained and self-describing resources that follow the REpresentational State Transfer (REST) architectural style principles. As the Web has become a major medium of communication, integrating objects (e.g., smart devices) into the Web and taking advantage of its open popular standards has created an emerging trend: the Web of Things (WoT). In the WoT, objects expose their functions also as resources respecting the REST principles. Each resource provides well defined functions that meet specific users’ requests. However, there are cases in which a single resource is not sufficient to answer users’ requests, and often, combining two or more resources forming a resource composition, achieves the desired output. Nevertheless, several challenges are to be addressed when composing resources.In this thesis, we address three challenges. The first one consists on verifying the behavior of static resource compositions built manually by the user, as several design errors may occur (e.g., end-loops preventing other resources to run, and datatype mismatch between the Inputs/Outputs of the linked resources). For the other two challenges, the targeted Web environments are hybrid providing: (i) dynamic resources (connected to/removed from the environment at different instances), and (ii) static resources (established to be always available). The challenges focus respectively on the automatic resource discovery, while considering resource location (whenever exposed by objects), and the automatic selection of the appropriate resources to form suitable compositions satisfying users’ requests.To cope with these challenges, we first propose a formal model based on Colored Petri Nets (CPN) that maps resources behavior with their composition to CPN. This allows to use CPN behavioral properties to verify the correctness of static compositions behavior. Then, we propose a formal graph representation linking static resource to dynamic ones, allowing adapted graph algorithms to explore the semantically annotated descriptions of the traversed graph resources, in order to identify automatically the required resources. The resource discovery process uses an original defined indexing schema that allows identifying the resources based on their location (if exposed by objects), and enhancing resource search in large Web environments connecting many resources. As for automatic resource selection, we present a Selection Strategy Adaptor that selects the suitable resources to form several compositions with different implementation alternatives, taking into account Quality of Resource (QoR), Inputs/Outputs matching of related resources, as well as resource availability.Our proposal is generic as it can be applicable in Web environments belonging to different application domains. However, in this thesis, it has been illustrated in the smart buildings domain, more particularly, in projects for managing buildings’ energy behavior.


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