Advancing decision support: content management, ecommerce, and the challenge of interoperability for integrated modeling

Abstract

(English) Computational modeling helps us understand how decisions influence outcomes by replicating complex processes with the necessary level of detail. Advances in technology now enable increasingly sophisticated models, making it possible to address complex problems that were previously out of reach. A key application is modeling natural and built environments, which function as interconnected systems-of-systems (SoS) with high-impact challenges. By replicating these problems through modeling, users can construct ad hoc workflows, combining models, computing, programming, data resources, and services as needed. Integrating model-based analysis into the study of these challenges shifts the focus from data-driven assessment to model-driven scenario evaluation. This requires predictive tools capable of assessing the consequences of different conditions by facilitating interoperability between resources. However, interoperability in computational modeling remains a challenge, requiring standardized data access, metadata harmonization, and service integration, with much work remaining to be done by the modeling community. This research aims to analyze, propose, and implement solutions for integrated, model-based interoperability to support the analysis of complex problems. It involves designing a theoretical platform framework that enables the structured interaction of models, data, and computational resources to support both scientific research and decision making. A key aspect of this work is the development of the concept and prototype of a marketplace where stakeholders can integrate, access, and commercialize resources, promoting collaboration and expanding the platform’s functionality. The research includes a detailed analysis of use cases to identify requirements and constraints, ensuring that the proposed solutions address practical challenges. Beyond analysis, it also involves the practical integration of a use case to demonstrate the applicability of the framework in a real world context. The integration of these use cases will validate the concepts explored earlier in the dissertation through practical application in a real-world situation and infrastructure, testing the framework’s effectiveness in a practical context. The study produces three key findings. First, it presents the theoretical design of an integrated modeling framework that supports interoperability between computational models, datasets, and processing services. The framework establishes a structure for resource discovery, execution workflows, and user interaction while enabling metadata-driven service integration. Second, it demonstrates the feasibility of a modeling marketplace that supports resource discovery, acquisition, and reuse. The marketplace provides access to computational models, datasets, and processing services within a unified environment, allowing providers to distribute modeling resources while ensuring access control and licensing mechanisms.Third, it examines the integration of computational models within the European Commission’s Destination Earth initiative. DestinE’s approach to metadata standardization and service orchestration leads development of integrated modeling environments. These findings indicate that a theoretical framework for integrated modeling, incorporating computational models, a marketplace, and interoperable services, is technically viable. The research contributes to the development of modeling ecosystems that support decision-making through structured data access, model execution, and service integration.

(Català) La modelització computacional ens ajuda a entendre com les decisions influeixen en els resultats mitjançant la replicació de processos complexos amb el nivell de detall necessari. Els avenços tecnològics ara permeten la creació de models cada vegada més sofisticats, fent possible abordar problemes complexos que anteriorment estaven fora de l’abast. Una aplicació clau és la modelització dels entorns naturals i construïts, que funcionen com a sistemes interconnectats de sistemes (SoS) amb reptes d’alt impacte. Mitjançant la replicació d’aquests problemes a través de la modelització, els usuaris poden construir fluxos de treball ad hoc, combinant models, recursos computacionals, programació, recursos de dades i serveis segons sigui necessari. Integrar l’anàlisi basada en models en l’estudi d’aquests reptes canvia el focus de l’avaluació basada en dades a l’avaluació de escenaris basada en models. Això requereix eines predictives capaces d’avaluar les conseqüències de diferents condicions mitjançant la facilitació de la interoperabilitat entre els recursos. No obstant això, la interoperabilitat en la modelització computacional continua sent un repte, ja que requereix accés a dades estàndard, harmonització de metadades i integració de serveis, amb molta feina restant per fer per part de la comunitat de modelització. Aquesta recerca té com a objectiu analitzar, proposar i implementar solucions per a la interoperabilitat integrada basada en models per a donar suport a l’anàlisi de problemes complexos. Implica dissenyar un marc teòric de plataforma que permeti la interacció estructurada de models, dades i recursos computacionals per a donar suport tant a la recerca científica com a la presa de decisions. Un aspecte clau d’aquest treball és el desenvolupament del concepte i el prototipus d’un mercat on les parts interessades poden integrar, accedir i comercialitzar recursos, promovent la col·laboració i ampliant la funcionalitat de la plataforma. La recerca inclou una anàlisi detallada de casos d’ús per identificar requisits i restriccions, assegurant que les solucions proposades aborden els reptes pràctics. Més enllà de l’anàlisi, també implica la integració pràctica d’un cas d’ús per demostrar l’aplicabilitat del marc en un context real. La integració d’aquests casos d’ús validarà els conceptes explorats anteriorment en la tesi mitjançant l’aplicació pràctica en una situació i infraestructura real, provant l’eficàcia del marc en un context pràctic. L’estudi produeix tres descobriments clau. En primer lloc, presenta el disseny teòric d’un marc de modelització integrada que dóna suport a la interoperabilitat entre models computacionals, conjunts de dades i serveis de processament. El marc estableix una estructura per a la descoberta de recursos, els fluxos de treball d’execució i la interacció amb els usuaris, mentre permet la integració de serveis basada en metadades. En segon lloc, demostra la viabilitat d’un ''marketplace'' de modelització que dóna suport a la descoberta, adquisició i reutilització de recursos. El mercat ofereix accés a models computacionals, conjunts de dades i serveis de processament dins d’un entorn unificat, permetent als proveïdors distribuir recursos de modelització mentre garanteixen el control d’accés i els mecanismes de llicència. En tercer lloc, examina la integració de models computacionals dins de la iniciativa DestinE de la Comissió Europea. L’enfocament de DestinE sobre la normalització de metadades i l’orquestració de serveis condueix al desenvolupament d’entorns de modelització integrats. Aquests descobriments indiquen que un marc teòric per a la modelització integrada, que integri models computacionals, un mercat i serveis interoperables, és tècnicament viable. La recerca contribueix al desenvolupament d’ecosistemes de modelització que donen suport a la presa de decisions mitjançant l’accés estructurat a dades, l’execució de models i la integració de serveis.

(Español) La modelización computacional nos ayuda a entender cómo las decisiones influyen en los resultados mediante la replicación de procesos complejos con el nivel de detalle necesario. Los avances tecnológicos ahora permiten la creación de modelos cada vez más sofisticados, lo que hace posible abordar problemas complejos que anteriormente estaban fuera de alcance. Una aplicación clave es la modelización de los entornos naturales y construidos, que funcionan como sistemas interconectados de sistemas (SoS) con desafíos de alto impacto. Mediante la replicación de estos problemas a través de la modelización, los usuarios pueden construir flujos de trabajo ad hoc, combinando modelos, recursos computacionales, programación, recursos de datos y servicios según sea necesario. Integrar el análisis basado en modelos en el estudio de estos desafíos cambia el enfoque de la evaluación basada en datos a la evaluación de escenarios basada en modelos. Esto requiere herramientas predictivas capaces de evaluar las consecuencias de diferentes condiciones mediante la facilitación de la interoperabilidad entre los recursos. Sin embargo, la interoperabilidad en la modelización computacional sigue siendo un desafío, ya que requiere acceso a datos estandarizados, armonización de metadatos e integración de servicios, con mucho trabajo por hacer por parte de la comunidad de modelización. Esta investigación tiene como objetivo analizar, proponer e implementar soluciones para la interoperabilidad integrada basada en modelos para apoyar el análisis de problemas complejos. Implica el diseño de un marco teórico de plataforma que permita la interacción estructurada de modelos, datos y recursos computacionales para apoyar tanto la investigación científica como la toma de decisiones. Un aspecto clave de este trabajo es el desarrollo del concepto y el prototipo de un mercado donde los interesados puedan integrar, acceder y comercializar recursos, promoviendo la colaboración y ampliando la funcionalidad de la plataforma. La investigación incluye un análisis detallado de casos de uso para identificar requisitos y restricciones, asegurando que las soluciones propuestas aborden los desafíos prácticos. Más allá del análisis, también implica la integración práctica de un caso de uso para demostrar la aplicabilidad del marco en un contexto real. La integración de estos casos de uso validará los conceptos explorados anteriormente en la tesis mediante la aplicación práctica en una situación e infraestructura real, probando la eficacia del marco en un contexto práctico. El estudio produce tres hallazgos clave. En primer lugar, presenta el diseño teórico de un marco de modelización integrada que apoya la interoperabilidad entre modelos computacionales, conjuntos de datos y servicios de procesamiento. El marco establece una estructura para el descubrimiento de recursos, los flujos de trabajo de ejecución y la interacción con los usuarios, mientras permite la integración de servicios basada en metadatos. En segundo lugar, demuestra la viabilidad de un ''marketplace'' de modelización que apoya el descubrimiento, adquisición y reutilización de recursos. El mercado ofrece acceso a modelos computacionales, conjuntos de datos y servicios de procesamiento dentro de un entorno unificado, permitiendo a los proveedores distribuir recursos de modelización mientras garantizan el control de acceso y los mecanismos de licencias. En tercer lugar, examina la integración de modelos computacionales dentro de la iniciativa DestinE de la Comisión Europea. El enfoque de DestinE sobre la normalización de metadatos y la orquestación de servicios conduce al desarrollo de entornos de modelización integrados. Estos hallazgos indican que un marco teórico para la modelización integrada, que integre modelos computacionales, un mercado y servicios interoperables, es técnicamente viable.