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SemNOTAM Container Management with a Task-Based Retrieval Service

Author: B. Andorfer-Plainer
Master Thesis: MT2103 (April, 2021)
Supervised by: o. Univ.-Prof. Dr. Michael Schrefl
Instructed by: Dr. Bernd Neumayr
Accomplished at: University Linz, Department for Business Informatics - Data & Knowledge Engineering
Resources: Copy


Abstract (English):

Ensuring smooth and safe air traffic requires a lot of information and calls for efficient and effective air traffic management (ATM). ATM consists of air traffic control (ATC), air traffic flow management (ATFM), and aeronautical information services (AIS). AIS provide relevant information to the users of the airspace, especially pilots, in the form of information messages, so-called Notices to Airmen (NOTAMs). Currently, the communication between stakeholders takes place via point-to-point connections yielding a tight coupling. Hence, information is not shared within the whole community and needs to be provided for each stakeholder separately. To overcome these drawbacks, System Wide Information Management (SWIM) reorganizes information management and communication in ATM.

The project “Achieving the BEnefits of SWIM by making smart use of Semantic Technologies” (BEST) contributes to the SWIM approach by introducing data containers that group a set of NOTAMs by different characteristics. The segmentation of the whole NOTAM set is needed to reduce the set of NOTAMs that is used for querying or filtering for relevant NOTAMs. The created data containers are provided by data producers in the SWIM environment and can be used by several stakeholders, i.e., the data consumers. To ensure that data producers and data consumers have a common understanding of the contents of the data containers, a common vocabulary is necessary. To enable the task-based retrieval of relevant NOTAMs, this thesis leverages the briefing application of the project SemNOTAM, which allows a fine-grained filtering and querying of NOTAMs by using a combination of a rule- and ontology-based approach. This thesis covers the conceptualization, the design, and the implementation of the three main components for a SWIM environment. This includes an ontology for managing a vocabulary to describe data containers, a web application for managing these data containers, and services that serve this application and enable task-based retrieval of NOTAMs with a briefing application, e.g., SemNOTAM. Therefore, a requirements analysis is conducted, which defines the functionality, inputs and outputs, as well as the business logic for the implementation. Based on the resulting requirements, an approach for developing the three components is developed. An ontology for the common vocabulary is developed and prototypes for the Container Management Application as well as the services for task-based retrieval of relevant NOTAMs are implemented. The resulting management application is demonstrated with exemplary data containers concerning Europe. Finally, the functionality of the task-based retrieval service is exemplified based on a use case flight from Vienna to Frankfurt.

Abstract (German):

Für einen reibungslosen und sicheren Ablauf des Flugverkehrs werden viele Informationen benötigt und ein effizientes und effektives Flugverkehrsmanagement wird vorausgesetzt. Flugverkehrsmanagement umfasst die Flugverkehrskontrolle, das Flugverkehrsflussmanagement und die Luftfahrtinformationsdienste. Die Luftfahrtinformationsdienste stellen den Nutzern des Luftraums, insbesondere den Piloten, relevante Informationen in Form von Nachrichten, sogenannten Notices to Airmen (NOTAMs), zur Verfügung. In der Kommunikation aller Beteiligten gibt es aktuell viele Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, was eine enge Kopplung zur Folge hat. Daher werden Informationen nicht innerhalb der gesamten Community geteilt, sondern müssen für jeden Stakeholder separat bereitgestellt werden. Um diese Nachteile zu überwinden, wird im Rahmen von System Wide Information Management (SWIM) die Kommunikation und das Informationsmanagement im Flugverkehrsmanagement reorganisiert.

Das Projekt „Achieving the BEnefits of SWIM by making smart use of Semantic Technologies” (BEST) trägt zum SWIM-Ansatz bei, indem es Datencontainer einführt, die eine Menge von NOTAMs nach verschiedenen Merkmalen gruppieren. Die Segmentierung der gesamten NOTAMMenge wird benötigt, um die Anzahl der NOTAMs zu reduzieren, die für die Abfrage oder das Filtern von relevanten NOTAMs verwendet wird. Die erstellten Datencontainer werden von Datenproduzenten in der SWIM-Umgebung zur Verfügung gestellt und können von allen Stakeholdern, den Datenkonsumenten, genutzt werden. Um sicherzustellen, dass Datenproduzenten und Datenkonsumenten ein gemeinsames Verständnis über die Inhalte der Datencontainer haben, ist ein gemeinsames Vokabular notwendig. Um die aufgabenbasierte Abfrage von relevanten NOTAMs zu ermöglichen, nutzt diese Arbeit die Briefing-Applikation des Projekts SemNOTAM, welche eine feingranulare Filterung und Abfrage von NOTAMs durch eine Kombination aus einem regelbasierten und einem ontologiebasierten Ansatz ermöglicht. Diese Arbeit umfasst die Konzeptionierung, das Design und die Implementierung der drei Hauptkomponenten für eine SWIM-Umgebung. Dazu gehören eine Ontologie zur Verwaltung eines Vokabulars zur Beschreibung von Datencontainern, eine Webanwendung zur Verwaltung dieser Datencontainer, sowie Services, die diese Anwendung bedienen und eine aufgabenbasierte Abfrage von NOTAMs mit einer Briefing Applikation, z.B. SemNOTAM, ermöglichen. Dazu wird eine Anforderungsanalyse durchgeführt, die die Funktionalität, Ein- und Ausgaben sowie die Geschäftslogik für die Implementierung definiert. Basierend auf den daraus resultierenden Anforderungen wird ein Konzept zur Umsetzung der drei Komponenten entwickelt. Es wird eine Ontologie für das gemeinsame Vokabular entwickelt und es werden Prototypen für die Container Management Applikation und die Services zum aufgabenbasierten Abruf relevanter NOTAMs implementiert. Die resultierende Management Applikation wird mit exemplarischen Datencontainern zu Europa demonstriert. Abschließend wird die Funktionalität des aufgabenbasierten Abfrage-Services anhand eines Anwendungsfalls, eines Fluges von Wien nach Frankfurt, exemplarisch dargestellt.