On model-driven design of city spaces. A bidirectional transformations approach to city spaces design and operations

The proliferation of smart environments in contemporary societies has led to demands for analysis facilities to support their systematic engineering. Technological advancements shaping such environments have led to a world in which physical and computational elements interact and may exhibit complex behavior, such as within smart buildings and smart cities. Model-based techniques have been proposed to ease development and analysis. In such an approach, the model of physical space coming from architecture and civil engineering disciplines is transformed into an analyzable model upon which smart functionalities can be embedded. Such models can then be formally analyzed to assess a composite system design. Among domain-specific descriptions, this thesis focuses on how a model of physical space specified in the CityGML standard language can be transformed into a model amenable to analysis and how the two models can be automatically kept in sync after possible changes. The analyzable model is a cyber-physical space, a representation combining physical and computational elements. We discuss the problem in a formal setting and define a consistency relation between the two types of models, and present a software tool for automatic bidirectional transformations between CityGML models and cyber-physical spaces. We showcase transformations over real city models and conclude with a discussion on limitations and possible extensions.

La proliferazione di ambienti intelligenti nella società contemporanea ha fatto sorgere l'esigenza di strumenti di analisi che ne supportino un'ingegnerizzazione sistematica. Il progresso tecnologico che ha dato forma a questa realtà ha creato un mondo in cui elementi fisici e computazionali interagiscono e possono esibire comportamenti complessi, come quelli di \emph{smart city} e \emph{smart building}. Le tecniche basate su modelli si sono affermate come un metodo per facilitarne lo sviluppo e l'analisi. Nello spirito di tali approcci, il modello dello spazio fisico ereditato dall'architettura e dall'ingegneria civile è trasformato in un modello \emph{analizzabile}, all'interno del quale vengono innestate funzionalità intelligenti. Tali modelli possono allora essere analizzati formalmente per valutare il design di un sistema composito. Tra le rappresentazioni specifiche di dominio, questa tesi si focalizza su modelli dello spazio fisico specificati nel linguaggio standard CityGML e su come questi possano essere trasformati in modelli apprezzabili da un punto di vista analitico. Si vuole mostrare inoltre, come tali modelli possano essere sincronizzati automaticamente con quelli originali, qualora si verificassero aggiornamenti in ambo le parti. Come modelli \emph{analizzabili}, abbiamo considerato gli spazi cyber-fisici, una rappresentazione che combina elementi fisici e computazionali. Presentiamo il problema in un'impostazione formale, definiamo la relazione di consistenza tra due tipi di modelli e presentiamo un software per la trasformazione automatica bidirezionale tra modelli CityGML e spazi cyber-fisici. Esibiamo, infine, la trasformazione su dei modelli di città reali e concludiamo con una discussione sulle possibili limitazioni ed estensioni.