Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Making Interoperability Visible: Data Visualization of Cyber-Physical Systems Development Tool Chains
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Machine Design (Dept.), Mechatronics. (Model-based engineering methodology and integrated engineering environments)ORCID iD: 0000-0002-8853-4159
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Machine Design (Dept.), Mechatronics. (Model-based engineering methodology and integrated engineering environments)ORCID iD: 0000-0002-0889-5190
2016 (English)In: Journal of Industrial Information Integration, ISSN 2452-414X, Vol. 4, p. 26-34Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Cyber-physical system (CPS) development cycles include various engineering disciplines, artefacts, and areas of expertise. There are powerful software tools used in these cycles, which can be put to good use by one individual discipline but are challenging to integrate with other tools. This paper discusses a node-link diagram (NLD) visualization technique that can be used to visualize interoperability in CPS development tool chains. The purpose is to help tool chain developers assess the current interoperability status and make decisions on integration scenarios accordingly. To this end, a case study is introduced and explained as an example. Data about the tool chain, which contains different structures relating to the software tools usage and the interactions between them, are provided by ABB Corporate Research Centre. These structures are used in creation of visualizations for making interoperability visible in CPS development tool chains and applicability of each visualization technique is discussed with the interoperability perspective. In this study, we also exercised a clustering algorithm for an extended case study and discussed the use of visualizations to improve interoperability in CPS development environments.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier, 2016. Vol. 4, p. 26-34
Keywords [en]
Cyber-physical system interoperability; Interoperability visualization; Development tool chains; Data visualization; Node-link diagram
National Category
Computer Systems
Research subject
Information and Communication Technology; Machine Design; Computer Science
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-196530DOI: 10.1016/j.jii.2016.09.002OAI: oai:DiVA.org:kth-196530DiVA, id: diva2:1046775
Note

QC 20161206

Available from: 2016-11-15 Created: 2016-11-15 Last updated: 2019-01-11Bibliographically approved
In thesis
1. Making Interoperability Visible: A Novel Approach to Understand Interoperability in Cyber-Physical Systems Toolchains
Open this publication in new window or tab >>Making Interoperability Visible: A Novel Approach to Understand Interoperability in Cyber-Physical Systems Toolchains
2016 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

In CPS development and production environments, tightly integrated processes include different engineering disciplines, development and production departments, and software tools working together, where all of the technical engineering processes become strictly intertwined. CPS development and production toolchains have a highly heterogeneous nature, and supporting toolchain architects is necessary for improving the understanding of the interrelationships between tools. To this end, this thesis mainly concentrates on the interoperability of CPS toolchains with an ambition to improve the understanding of interoperability.

A literature survey was conducted to analyze the literature on interoperability with an aim to understand how the interoperability is assessed. Findings of the literature review showed that the existing methods mainly use maturity-like assessment models to assess interoperability and they focus on selective aspects of interoperability. These models use distinct levels and do not guide the stakeholders on how to improve the current state of interoperability. This revealed the need for a more flexible approach for assessing interoperability of CPS toolchains.

A case study was developed and exercised with an ambition to test the applicability of the visualization approach. In total, three different visualization techniques were evaluated: circular ideogram, node-link diagram, and balloon layout with a clustering algorithm as an extended version of node-link diagram.

This thesis concluded by highlighting that data visualizations and visual analytics are not only a method for understanding the interoperability of CPS toolchains, but also a necessity. Data visualization approaches create many opportunities to make interoperability finally visible and the CPS industry should focus its effort on appropriate data collection, usage, and sharing methods in order to best use data visualization and visual analytics technologies.

Abstract [sv]

Cyber-fysiska system (CPS) är ett resultat av mångfacetterade produktutvecklingsprocesser, som innefattar flerdimensionell komplexitet. I CPS:s utvecklings- och produktionsmiljöer, innefattar dessa tätt integrerade processer olika tekniska discipliner, utvecklings- och produktionsavdelningar, och programvaruverktyg som arbetar tillsammans, där alla tekniska ingenjörsprocesser blir strikt sammanflätade. Beslut som fattas av en intressent kan således ha en inverkan på andra intressenter. Verktygskedjor för CPS:s utveckling och produktion har därför en mycket heterogen karaktär, och det är därför nödvändigt med stödjande utvecklare av verktygskedjan för att förbättra förståelsen av sambanden mellan verktyg. För detta ändamål fokuserar denna avhandling främst på interoperabiliteten hos CPS:s verktygskedjor, med ambitionen att förbättra förståelsen för interoperabilitet och, som en följd, vägleda verktygskedjans utvecklare att fatta kostnadseffektiva och hållbara beslut baserade på förbättrad förståelse.

En litteraturundersökning genomfördes för att analysera litteratur om interoperabilitet med syfte att förstå hur interoperabilitet bedöms. Resultaten av litteraturgenomgången visade att de befintliga metoderna huvudsakligen använder mognadsliknande bedömningsmodeller för att bedöma interoperabiliteten, och de fokuserar på selektiva aspekter av interoperabiliteten. Dessa modeller använder olika nivåer och vägleder inte intressenterna i hur det aktuella läget för interoperabilitet kan förbättras. Detta visade att det behövs en mer flexibel inställning för att bedöma interoperabiliteten av CPS:s verktygskedjor. Den systematiska litteraturöversikten avslutades genom att tydliggöra att visualisering och visuell analys visar lovande möjligheter för att externalisera den kunskap som nås av bedömningsmodeller med de möjligheter som visualiseringar kan ge.

För att studera situationen gällande interoperabilitet i utvecklingen av CPS, utvecklades och genomfördes en fallstudie med ambitionen att testa visualiseringsmetodens tillämplighet. Fallstudien visade en verktygskedjas interoperabilitet, som används för att utveckla ett inbäddat slutet loopkontrollsystem med olika visualiseringstekniker. Totalt har tre olika visualiseringstekniker utvärderas: (a) cirkulärt ideogram, (b) nod- länkdiagram, och (c) ballonglayout med en klusteralgoritm som en utökad version av nodlänkdiagram, vilket gav vissa insikter om vilka tekniker som är mest lämpliga. Varje teknik diskuteras i detalj med ett interoperabilitetsperspektiv. De utmaningar och möjligheter som datavisualisering och visuella analyser ger förklaras dessutom för att synliggöra interoperabilitet.

Denna avhandling avslutas med att lyfta fram att datavisualiseringar och visuella analyser inte bara är metoder för att förstå interoperabiliteten av CPS:s verktygskedjor utan också en nödvändighet. Datavisualiseringsmetoder skapar många möjligheter att slutligen göra interoperabilitet synlig och CPS- industrin bör fokusera sina ansträngningar på lämplig datainsamling, användande och delningsmetoder för att på bästa sätt utnyttja datavisualisering och visuella analystekniker. 

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2016. p. 34
Series
TRITA-MMK, ISSN 1400-1179 ; 2016:09
Keywords
Cyber-physical Systems Toolchains, Interoperability, Interoperability Assessment, Data Visualization, Visual Analytics.
National Category
Mechanical Engineering
Research subject
Machine Design
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-200811 (URN)978-91-7729-248-7 (ISBN)
Presentation
2017-02-24, Gladan, Brinnelvägen 83, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20170203

Available from: 2017-02-03 Created: 2017-02-02 Last updated: 2017-02-03Bibliographically approved
2. Data and Visual Analytics for Cyber-physical Systems: Current Situation and Strategies for Action
Open this publication in new window or tab >>Data and Visual Analytics for Cyber-physical Systems: Current Situation and Strategies for Action
2018 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Today, cyber-physical systems (CPS) exist everywhere in different sizes, with different functionalities and capabilities. CPS often support critical missions that have significant economic and societal importance. They require software systems, communications technologies, sensors/actuators, embedded technologies, and physical systems to work together seamlessly, and they are seen as a driving force behind digital transformation. This dissertation describes the research work carried out to investigate applicability of data and visual analytics for CPS to overcome three main challenges: interoperability, complexity, and sustainability.

To this end, several case studies are used to effectively implement and test different data and visual analytics solutions to aid stakeholders when they make decisions on interoperability, complexity, and sustainability for CPS. These studies raised questions about issues found to be of importance for the success of data and visual analytics approaches, including accessibility, availability, quality, volume, and variety of data—issues. Moreover, additional studies are used to show the benefits of blending different approaches, such as systems thinking and design thinking, and the current data analytics readiness of the Swedish industry is assessed through a questionnaire completed by more than a hundred respondents. 

The data and visual analytics are positioned between digitalization and machine intelligence as a research focus. Data and visual analytics is the next step after digitalizing the information by adding analytical capabilities to the data. It is also an important phase before developing machine intelligence applications. Earlier studies clearly show that only a fraction of companies have machine intelligence applications across the enterprise. One important reason behind this is the lack of strong digital capabilities that big data and advanced data analytics technologies could bring. The findings of the work carried out as part of this thesis show the importance of this middle phase—data and visual analytics—for the success of not only the CPS but also these two concepts—digitalization and machine intelligence.

This thesis concludes by highlighting that currentdata and visual analytics approaches in CPS are closely dependent onthe availability, accessibility, quality, volume, and variety of the data. Notably, the huge amount of industrial data that exists in CPS manufacturers data repositories does not always mean that this data is useful, especially for analytical purposes. To this end, firstly, the CPS industry should concentrate its efforts to collect useful data that will benefit the industry by providing analytical insight intothe environments where CPS is produced and operated. Secondly, the industry should make necessary organizational changes such as considering to employ data scientists, analysts, and business intelligence developers and make data accessible tothese people for further usage. Thirdly, the data management procedures and data analytics roadmaps of companies should be created and shared with other employees, and necessary mechanisms needto be considered to improve and guarantee the quality of the data. Lastly, the variety of data needs to be addressed by the industry. 

Data and visual analytics provides an opportunity to extract patterns; to evaluate the interoperability, complexity, and sustainability; to create an overview of the current challenge by providing different viewpoints adapted to different stakeholders, focusing on key concerns for the respective stakeholder; to optimize performance, automation, and cooperation of distributed CPS, development environment, and teams; and overall, to improve any of the challenges that are mentioned above by, basically, providing a better understanding.

To this end, I suggest that the industry discuss the next step after digitalization and address the challenges related to the availability, accessibility, quality, volume, and variety of data by considering user-centric approaches and organizational needs of the future development and manufacturing environments. The CPS industry should plan and act on these challenges as part of its data analytics strategies to expedite the machine intelligence applications of the future.

Abstract [sv]

Idag finns cyber-fysiska system (CPS) överallt i olika storlekar, med olika funktioner och kapaciteter. CPS stöder ofta uppdrag av betydande ekonomisk och samhällelig vikt. De kräver mjukvarusystem, kommunikationsteknik, sensorer, inbyggd teknik och fysiska system för att fungera sömlöst och de ses som en drivkraft bakom digital transformation. Denna avhandling sammanfattar det arbete som gjorts för att förstå hur data och visuell analys kan tillämpas så att CPS kan övervinna de tre huvudutmaningarna: interoperabilitet, komplexitet och hållbarhet.

För detta ändamål används flera fallstudier som ett effektivt sätt att implementera och testa olika data- och visuella analyslösningar för att hjälpa intressenter när de fattar beslut om interoperabilitet, komplexitet och hållbarhet gällande CPS. Dessa studier har väckt frågor som visat sig vara viktiga för framgången för  data- och visuella analysmetoder vad gäller tillgång, åtkomst, kvalitet, volym och mängd avseende data. Vidare används ytterligare studier för att visa fördelarna med att blanda olika tillvägagångssätt som systemtänkande och designtänkande, och den svenska industrins nuvarande dataanalysberedskap utvärderas genom ett frågeformulär som har besvarats av mer än hundra respondenter.

Data- och visuella analyser är som forskningsfokus placerade mellan digitalisering och maskinintelligens. Data och visuell analys ses som nästa steg efter digitalisering av informationen genom att lägga till analytiska möjligheter till tillgänglig data. Det är också en viktig fas innan utveckling av maskinintelligens kan ske. Tidigare studier visar tydligt att endast en bråkdel av undersökta företag använder maskinintelligens i större skala. En viktig orsak bakom detta är bristen på kraftfulla digitala kapaciteter som avancerad teknik som stor data och dataanalysteknik skulle kunna ge. Resultaten av det arbete som skett inom ramen för denna avhandling visar vikten av denna mellanfas - data- och visuell analys - för inte bara framgången för CPS utan också framgången för dessa två begrepp-digitalisering och maskinintelligens.

Avhandlingen avslutades genom att betona att nuvarande data- och visuella analysmetoder i CPS är beroende av tillgång, åtkomst, kvalitet, volym och mängd av data. Det är viktigt att påminna om att den enorma mängd industriell data som finns i CPS-tillverkarnas datalager inte alltid betyder att dessa data är användbara, särskilt för analytiska ändamål. För detta ändamål bör CPS-industrin i första hand rikta in sig på att samla in användbar data som kommer att gynna dem genom att ge analytisk inblick i de miljöer där CPS produceras och drivs. För det andra bör industrin göra nödvändiga organisatoriska förändringar som att anställa datatekniker, analytiker och affärsintelligensutvecklare samt göra relevant data tillgänglig för vidare användning av dessa personer. För det tredje bör industrin skapa databehandlingsförfaranden och dataanalysfärdplaner som kan delas med andra anställda och nödvändiga mekanismer måste utformas för att förbättra och garantera datans kvalitet. Slutligen måste industrin uppmärksamma mångfalden av data.

Data och visuell analys ger möjligheter att upptäcka mönster; att utvärdera interoperabilitet, hållbarhet och komplexitet; att skapa en överblick över den aktuella utmaningen genom att ge olika intressenter olika anpassade synpunkter och fokusera på viktiga frågeställningar för respektive intressent; att optimera prestanda, automatisering och samarbete av distribuerade CPS, utvecklingsmiljöer och arbetsgrupper; och sammantaget, att förbättra de utmaningar som nämns ovan genom att i grund och botten ge en bättre förståelse.

För detta ändamål föreslår jag att industrin diskuterar nästa steg efter digitaliseringen och tar itu med utmaningarna som finns avseende tillgång, åtkomst, kvalitet, volym och mängd av data genom att undersöka användarcentrerade tillvägagångssätt och organisatoriska behov i framtida utvecklings- och tillverkningsmiljöer. CPS-industrin bör planera och agera på dessa utmaningar som en del av deras dataanalysstrategier för att påskynda framtida användningsområden för maskinintelligens.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2018. p. 57
Series
TRITA-ITM-AVL ; 2018:50
National Category
Mechanical Engineering
Research subject
Machine Design
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-239575 (URN)978-91-7729-974-5 (ISBN)
Public defence
2019-01-25, Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20190111

Available from: 2018-12-12 Created: 2018-11-27 Last updated: 2019-01-11Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full texthttp://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452414X16300656

Authority records BETA

El-khoury, Jad

Search in DiVA

By author/editor
Gürdür, DidemEl-khoury, Jad
By organisation
Mechatronics
Computer Systems

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 273 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf