Application of semantic web techniques in data warehouse and business intelligence systems

Abstract

Due to their semantic formalization and inference qualities, Semantic Web (SW) techniques, such as ontologies, are used in Information Systems to cope with the growing need for sharing and reusing of data and knowledge in various research areas. Integrating knowledge-based artifacts into Decision Support Systems (DSS), such as Data Warehouse and Business Intelligence (DW/BI) systems, can provide new sources of information, enable new analytical capabilities, and enrich the decision-making process. This doctoral thesis follows a Design Science Research Methodology, with an objectivecentered solution, comprising four design and development iterations and proposing six artifacts. The main contribution is the design and development of the Integration Framework artifact, enabling the representation, exploration, and validation of domain-specific information, such as strategy, in BI environments. The representation and exploration of domain-specific knowledge, including its concepts and relationships, is ensured through the design and development of two ontologies. The first ontology is dedicated to the domain of civil engineering structures, while the second focuses on the elements of strategy and their relationships, following a Balanced Scorecard approach. The demonstration and evaluation of research artifacts are conducted in two real-world case studies: one focusing on the integration between Building Information Modeling (BIM) and Asset Management Systems (AMS), and another on DW/BI enabled strategy analysis. The Integration Framework enables the DSS to be enriched with data from external sources. Data from other sources, such as operational systems or documents (e.g., strategy reports), is formalized and semantically integrated with the DSS, providing additional knowledge that can be used by any BI application to enhance the decision-making process. At the strategic level, the integration of SW techniques in DW/BI systems enriches performance analysis by providing strategic context to the BI environment and enabling the automatic retrieval of performance indicator values. These improvements increase the efficiency, reliability and timeliness (at the right time) of decision-making, providing managers with an analytical and data-driven environment for their decision-making aligned with the organizational strategy.

Devido `a sua formaliza¸c˜ao semˆantica e qualidades de inferˆencia, as t´ecnicas da Web Semˆantica (SW), como as ontologias, s˜ao utilizadas nos sistemas de informa¸c˜ao para fazer face `a necessidade crescente de partilha e reutiliza¸c˜ao de dados e conhecimento em v´arias ´areas de investiga¸c˜ao. A integra¸c˜ao de artefactos baseados no conhecimento em sistemas de apoio `a decis˜ao (DSS), como os sistemas de Data Warehouse e Business Intelligence (DW/BI), pode fornecer novas fontes de informa¸c˜ao, permitir novas capacidades anal´ıticas e melhorar o processo de tomada de decis˜ao. Esta tese de doutoramento segue uma Metodologia de Investiga¸c˜ao Design Science, com uma solu¸c˜ao centrada em objectivos, compreendendo quatro itera¸c˜oes de desenho e desenvolvimento e propondo seis artefactos. A principal contribui¸c˜ao ´e o desenho e desenvolvimento do artefato Integration Framework, que permite a representa¸c˜ao, a explora¸c˜ao e a valida¸c˜ao de informa¸c˜ao espec´ıfica de dom´ınio, como a estrat´egia, em ambientes de BI. A representa¸c˜ao e explora¸c˜ao de conhecimento espec´ıfico do dom´ınio, incluindo os seus conceitos e rela¸c˜oes, ´e assegurada atrav´es da conce¸c˜ao e desenvolvimento de duas ontologias. A primeira ontologia ´e dedicada ao dom´ınio das estruturas de engenharia civil, enquanto a segunda se foca nos elementos da estrat´egia e nas suas rela¸c˜oes, seguindo uma abordagem de Balanced Scorecard. A demonstra¸c˜ao e a avalia¸c˜ao dos artefactos da investiga¸c˜ao s˜ao realizadas em dois estudos de casos reais: um centrado na integra¸c˜ao entre Building Information Modeling (BIM) e os Sistemas de Gest˜ao de Activos (AMS), e outro na an´alise da estrat´egia possibilitada pelo DW/BI. A Integration Framework permite que o DSS seja enriquecido com dados de fontes externas. Os dados de outras fontes, tais como sistemas operacionais ou documentos (por exemplo, relat´orios estrat´egicos), s˜ao formalizados e integrados semanticamente com o DSS, fornecendo conhecimento adicional que pode ser utilizado por qualquer aplica¸c˜ao de BI para melhorar o processo de tomada de decis˜ao. Ao n´ıvel estrat´egico, a integra¸c˜ao de t´ecnicas de SW em sistemas DW/BI refor¸ca a an´alise de desempenho, fornecendo contexto estrat´egico ao ambiente de BI e permitindo o apuramento autom´atico de valores de indicadores de desempenho. Estas melhorias aumentam a eficiˆencia, a fiabilidade e a conveniˆencia (no momento certo) da tomada de decis˜ao, proporcionando aos gestores um ambiente anal´ıtico, baseado em dados, para a tomada de decis˜ao alinhada com a estrat´egia organizacional. Palavras-chave: Data Warehouse; Business Intelligence; Sistemas de Apoio `a Decis˜ao; Web Semˆantica; Ontologias; Building Information Modeling (BIM); Gest˜ao de Activos; Balanced Scorecard; Gest˜ao da Estrat´egia; Integra¸c˜ao Semˆantica.