Process modeling is used in construction to plan and manage the construction process and to support various simulation tasks. A major problem is that due to the one-of-a-kind character of construction projects a lot of work is spent manually developing an overall process schedule for each project. However, the total individual process is typically structured into multiple stages containing a number of recurring similar, but unequal, subprocesses that can be standardized, if appropriately generalized, to generic reusable process patterns. Moreover, not only processes, but also many general construction methods and strategies can be standardized and stored in the form of patterns and configuration rules, which will improve the consistency of modeling and also improve modeling time.
The presented work addresses these issues and presents a new approach for the ontology-based process modeling and its combination with the rule-based process configuration. The proposed system supports the generation of process workflows for construction projects that could be later used in discrete-event simulation software or workflow programs.
A formal high-level model for construction processes and a methodology for using process patterns in the configuration of complex construction tasks are the main focuses of this work. The base idea of the proposed approach is the development and use of two separate, but interrelated, ontologies and their integration with a general-purpose rule-engine. The first ontology is the Process Pattern Ontology, which is used to store reusable process patterns. The second is the Process Instance Ontology, which has similar taxonomy to the Process Pattern Ontology but is uniquely populated with specific process assertions for each construction case.
The developed approach also suggests the application of the process patterns for the configuration of construction processes. This includes the mechanism of the process pattern retrieval, describing the extraction of the required process pattern from the Process Pattern Ontology, the intermediate adaptation step and the configuration step. The configuration step focuses on the integration of the rule-engine with the ontological knowledge-base, as well as on the application of different configuration strategies. With the help of these configuration strategies, realised by means of hierarchical rule sets, first a variation of the process and second a solution for the quick process configuration can be found.
As a practical implementation of the proposed methodology a software prototype called Process Configurator is implemented within this work. This prototype realizes the interaction between all components of the ontology-based configuration approach presented in this work and supports the generation of process schedules for construction projects with the help of reusable process patterns and configuration rules.:1. Introduction 13
1.1. Motivation 13
1.2. Problem statement 14
1.3. Hypotheses 15
1.4. Objectives 15
1.5. A new approach of process modeling and configuration 17
1.6. Thesis outline 20
2. Process modeling 22
2.1. Basic issues 22
2.2. Business process modeling 25
2.3. Process modeling techniques 28
2.3.1. Integration Definition IDEF 28
2.3.2. UML 30
2.3.3. EPC 32
2.3.4. BPMN 35
2.3.5. Traditional modeling techniques 37
2.4. Process modeling in construction industry 41
2.4.1. Main features of process modeling in construction industry 41
2.4.2. Existing approaches in construction industry 44
3. Ontology-based modeling 58
3.1. Knowledge-based models 58
3.2. Ontology 64
3.2.1. Ontology description languages 65
4. Modeling of construction processes and process patterns 78
4.1. Reference modeling 78
4.2. Process pattern 81
4.2.1. Examples 83
4.3. Ontological framework 88
4.3.1. Motivation for using ontologies instead of databases 88
4.3.2. Ontology for process patterns 93
4.3.3. Ontology for process instances 99
5. Configuration of construction processes 103
5.1. Generation and configuration 103
5.2. Process pattern retrieval 104
5.3. Process adaptation 107
5.4. Process configuration 109
5.4.1. Configuration rules 109
5.4.2. Homogenous approach 111
5.4.3. Hybrid approach 115
5.4.4. Types of rules 119
5.4.5. Configuration strategies 122
6. Implementation 128
6.1. System architecture and its components 128
6.2. Process configurator 130
6.2.1. BPMN mapping 136
7. Case study 140
7.1. Case 1 140
7.2. Case 2 146
8. Conclusions and future research 149
8.1. Conclusions 149
8.2. Outlook 150
9. Appendix A. 156
A.1. Process Pattern 156
A.2. Rules overview 158
A.3. Rules implementation 160
10. References 163 / Prozessmodellierung wird im Bauwesen für die Planung des Bauablaufes genutzt, sowie insbesondere für die Unterstützung unterschiedlicher Simulationsprozesse. Das Hauptproblem ist, dass man wegen des Unikatcharakters der Bauprojekte viel Aufwand und Zeit braucht, um jedes Mal einen Prozessablaufplan des Projektes manuell zu erstellen. Allerdings besteht ein einzelner Gesamtprozess normalerweise aus mehreren Teilen, die ähnliche, aber nicht gleiche Subprozesse beinhalten. Diese Subprozesse können standardisiert, abstrahiert und dann als wiederverwendbare Referenzprozesse generalisiert werden. Außerdem lassen sich nicht nur Prozesse, sondern auch viele Baumethoden und Baustrategien in Form von Konfigurationsregeln formalisieren und speichern. Dies kann die Wiederspruchfreiheit der Modellierung gewährleisten und hat auch das Potential, die Modellierungszeit zu reduzieren.
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, diese Aspekte zu analysieren und einen neuen Ansatz zur Kombinierung der ontologiebasierten Prozessmodellierung mit der regelba-sierten Prozesskonfiguration vorzustellen. Das dargestellte System unterstützt die Erstellung der Prozessablaufpläne für die Bauprojekte, die danach mit Hilfe von Simulationssoftware simuliert werden.
In dieser Dissertation werden die Entwicklung eines formalen Modells für Bauprozesse und die Methodologie der Nutzung der Referenzprozesse bei der Konfigurierung komplexer Bauaufgaben beschrieben. Die grundlegende Idee des vorgeschlagenen Ansatzes ist die Entwicklung und die Verwendung zweier Ontologien. Die erste Ontologie wird als Process Pattern Ontologie bezeichnet und zur Speicherung der wiederverwendbaren Referenzprozesse eingesetzt. Die zweite Ontologie mit der Bezeichnung Process Instance Ontologie speichert die Prozessinstanzen für die spezifischen Bauprojekte. Die beiden Ontologien haben ähnliche, aber nicht gleiche, Strukturen und sind über eine Regel-Engine integriert.
Der entwickelte Ansatz beinhaltet ebenfalls die Nutzung der Referenzprozesse im Konfigurationsprozess. Dies umfasst sowohl einen Mechanismus zur Abfrage der Referenzprozesse, welcher das Extrahieren des benötigten Referenzprozesses aus der Ontologie beschreibt, als auch die Anpassung der Referenzprozesse sowie deren Konfiguration mit Regeln. In der Konfiguration liegt der Fokus auf der Integration der Regel-Engine mit der ontologischen Wissensbasis und die Anwendung unterschiedlicher Konfigurationsstrategien. Mittels Konfigurationsstrategien, die mit Hilfe von hierarchischen Regelmengen realisiert werden, kann eine intelligente Lösung für die schnelle Prozesskonfiguration gefunden werden.
Als praktische Implementierung der vorgeschlagenen Methodologie wird ein Prototyp, als Process Configurator bezeichnet, entwickelt. Der Process Configurator realisiert die Interaktion zwischen allen Komponenten des Systems und unterstützt die Erstellung der Prozessablaufpläne mit Hilfe der Referenzprozesse und Konfigurationsregel.:1. Introduction 13
1.1. Motivation 13
1.2. Problem statement 14
1.3. Hypotheses 15
1.4. Objectives 15
1.5. A new approach of process modeling and configuration 17
1.6. Thesis outline 20
2. Process modeling 22
2.1. Basic issues 22
2.2. Business process modeling 25
2.3. Process modeling techniques 28
2.3.1. Integration Definition IDEF 28
2.3.2. UML 30
2.3.3. EPC 32
2.3.4. BPMN 35
2.3.5. Traditional modeling techniques 37
2.4. Process modeling in construction industry 41
2.4.1. Main features of process modeling in construction industry 41
2.4.2. Existing approaches in construction industry 44
3. Ontology-based modeling 58
3.1. Knowledge-based models 58
3.2. Ontology 64
3.2.1. Ontology description languages 65
4. Modeling of construction processes and process patterns 78
4.1. Reference modeling 78
4.2. Process pattern 81
4.2.1. Examples 83
4.3. Ontological framework 88
4.3.1. Motivation for using ontologies instead of databases 88
4.3.2. Ontology for process patterns 93
4.3.3. Ontology for process instances 99
5. Configuration of construction processes 103
5.1. Generation and configuration 103
5.2. Process pattern retrieval 104
5.3. Process adaptation 107
5.4. Process configuration 109
5.4.1. Configuration rules 109
5.4.2. Homogenous approach 111
5.4.3. Hybrid approach 115
5.4.4. Types of rules 119
5.4.5. Configuration strategies 122
6. Implementation 128
6.1. System architecture and its components 128
6.2. Process configurator 130
6.2.1. BPMN mapping 136
7. Case study 140
7.1. Case 1 140
7.2. Case 2 146
8. Conclusions and future research 149
8.1. Conclusions 149
8.2. Outlook 150
9. Appendix A. 156
A.1. Process Pattern 156
A.2. Rules overview 158
A.3. Rules implementation 160
10. References 163
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:28204 |
| Date | 17 March 2016 |
| Creators | Benevolenskiy, Alexander |
| Contributors | Scherer, Raimar, Huhnt, Wolfgang, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-805393, qucosa:80539 |
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