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Institut
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The trends of industry 4.0 and the further enhancements toward an ever changing factory lead to more mobility and flexibility on the factory floor. With that higher need of mobility and flexibility the requirements on wireless communication rise. A key requirement in that setting is the demand for wireless Ultra-Reliability and Low Latency Communication (URLLC). Example use cases therefore are cooperative Automated Guided Vehicles (AGVs) and mobile robotics in general. Working along that setting this thesis provides insights regarding the whole network stack. Thereby, the focus is always on industrial applications. Starting on the physical layer, extensive measurements from 2 GHz to 6 GHz on the factory floor are performed. The raw data is published and analyzed. Based on that data an improved Saleh-Valenzuela (SV) model is provided. As ad-hoc networks are highly depended onnode mobility, the mobility of AGVs is modeled. Additionally, Nodal Encounter Patterns (NEPs) are recorded and analyzed. A method to record NEP is illustrated. The performance by means of latency and reliability are key parameters from an application perspective. Thus, measurements of those two parameters in factory environments are performed using Wireless Local Area Network (WLAN) (IEEE 802.11n), private Long Term Evolution (pLTE) and 5G. This showed auto-correlated latency values. Hence, a method to construct confidence intervals based on auto-correlated data containing rare events is developed. Subsequently, four performance improvements for wireless networks on the factory floor are proposed. Of those optimization three cover ad-hoc networks, two deal with safety relevant communication, one orchestrates the usage of two orthogonal networks and lastly one optimizes the usage of information within cellular networks.
Finally, this thesis is concluded by an outlook toward open research questions. This includes open questions remaining in the context of industry 4.0 and further the ones around 6G. Along the research topics of 6G the two most relevant topics concern the ideas of a network of networks and overcoming best-effort IP.
Die Entwicklung von Algorithmen im Sinne des Algorithm Engineering geschieht zyklisch. Der entworfene Algorithmus wird theoretisch analysiert und anschließend implementiert. Nach der praktischen Evaluierung wird der Entwurf anhand der gewonnenen Kenntnisse weiter entwickelt. Formale Verifffizierung der Implementation neben der praktischen Evaluierung kann den Entwicklungsprozess verbessern. Mit der Java Modeling Language (JML) und dem KeY tool stehen eine einfache Spezififfkationssprache und ein benutzerfreundliches, automatisiertes Verififfkationstool zur Verfügung. Diese Arbeit untersucht, inwieweit das KeY tool für die Verifffizierung von komplexeren Algorithmen geeignet ist und welche Rückmeldungen für Algorithmiker aus der Verififfkation gewonnen werden können.Die Untersuchung geschieht anhand von Dijkstras Algorithmus zur Berechnung von kürzesten Wegen in einem Graphen. Es sollen eine konkrete Implementation des Standard-Algorithmus und anschließend Implementationen weiterer Varianten verifffiziert werden. Dies ahmt den Entwicklungsprozess des Algorithmus nach, um in jeder Iteration nach möglichen Rückmeldungen zu suchen. Bei der Verifffizierung der konkreten Implementation merken wir, dass es nötig ist, zuerst eine abstraktere Implementation mit einfacheren Datenstrukturen zu verififfzieren. Mit den dort gewonnenen Kenntnissen können wir dann die Verifikation der konkreten Implementation fortführen. Auch die Varianten des Algorithmus können dank der vorangehenden Verififfkationen verifiziert werden. Die Komplexität von Dijkstras Algorithmus bereitet dem KeY tool einige Schwierigkeiten bezüglich der Performanz, weswegen wir während der Verifizierung die Automatisierung etwas reduzieren müssen. Auf der anderenrn Seite zeigt sich, dass sich aus der Verifffikation einige Rückmeldungen ableiten lassen.
Hybrid systems are the result of merging the two most commonly used models for dynamical systems, namely continuous dynamical systems defined by differential equations and discrete-event systems defined by automata. One can view hybrid systems as constrained systems, where the constraints describe the possible process flows, invariants within states, and transitions on the one hand, and to characterize certain parts of the state space (e.g. the set of initial states, or the set of unsafe states) on the other hand. Therefore, it is advantageous to use constraint logic programming (CLP) as an approach to model hybrid systems. In this paper, we provide CLP implementations, that model hybrid systems comprising several concurrent hybrid automata, whose size is only straight proportional to the size of the given system description. Furthermore, we allow different levels of abstraction by making use of hierarchies as in UML statecharts. In consequence, the CLP model can be used for analyzing and testing the absence or existence of (un)wanted behaviors in hybrid systems. Thus in summary, we get a procedure for the formal verification of hybrid systems by model checking, employing logic programming with constraints.
UML models and OWL ontologies constitute modeling approaches with different strength and weaknesses that make them appropriate for use of specifying different aspects of software systems. In particular, OWL ontologies are well suited to specify classes using an expressive logical language with highly flexible, dynamic and polymorphic class membership, while UML diagrams are much more suitable for specifying not only static models including classes and associations, but also dynamic behavior. Though MOF based metamodels and UML profiles for OWL have been proposed in the past, an integrated use of both modeling approaches in a coherent framework has been lacking so far. We present such a framework, TwoUse, for developing integrated models, comprising the benefits of UML models and OWL ontologies
Towards Improving the Understanding of Image Semantics by Gaze-based Tag-to-Region Assignments
(2011)
Eye-trackers have been used in the past to identify visual foci in images, find task-related image regions, or localize affective regions in images. However, they have not been used for identifying specific objects in images. In this paper, we investigate whether it is possible to assign image regions showing specific objects with tags describing these objects by analyzing the users' gaze paths. To this end, we have conducted an experiment with 20 subjects viewing 50 image-tag-pairs each. We have compared the tag-to-region assignments for nine existing and four new fixation measures. In addition, we have investigated the impact of extending region boundaries, weighting small image regions, and the number of subjects viewing the images. The paper shows that a tag-to-region assignment with an accuracy of 67% can be achieved by using gaze information. In addition, we show that multiple regions on the same image can be differentiated with an accuracy of 38%.
Die Bereitstellung elektronischer Beteiligungsverfahren (E-Partizipation) ist ein komplexes sozio-technisches Unterfangen, das eine sorgfältige Vorgehensweise erfordert. Die Herausforderung ist, dass Regierungen oder Kommunalverwaltungen, als häufigste Anbieter, bei der ganzheitlichen Planung und Umsetzung nur unzureichend unterstützt werden. Infolgedessen beschreibt die Literatur nur wenige E-Partizipationsangebote als erfolgreich. Die Wirtschaftsinformatik entwickelte das Konzept der Enterprise Architectures um die Entwicklung komplexer sozio-technischer Systeme zu unterstützen. Versteht man die Gruppe an Organisationen, die E-Partizipationsverfahren bereitstellt nun als Enterprise, so können die Prinzipien von Enterprise Architectures angewendet werden. Nichtsdestotrotz wurde dieser Ansatz in der E-Partizipationspraxis und –Forschung bisher kaum beachtet.
Motiviert durch diese Forschungslücke, untersucht die Dissertation bestehende Ansätze aus der E-Partizipationspraxis und –Forschung auf Besonderheiten und Schwachstellen, um anschließend den Nutzen bestehender Rahmenwerke für Enterprise Architectures im Kontext von E-Partizipation zu analysieren. Die Literaturstudie überprüft sowohl konzeptionelle als auch prozedurale Ansätze aus Praxis und Wissenschaft auf ihre Ganzheitlichkeit und identifiziert die Herausforderungen. Im Rahmen von vier Projekten wird das Vorgehen beim Entwurf und der Umsetzung von elektronisch unterstützten Beteiligungsverfahren dokumentiert und ausgewertet sowie Verbesserungspotenziale aufgezeigt. Enterprise Architecture Frameworks (Zachman Framework, TOGAF, DoDAF, FEA, ARIS, und ArchiMate) werden auf Anforderungen und Nützlichkeit für E-Partizipation untersucht. Die Ergebnisse zeigen die Herausforderungen bei der Übernahme existierender Enterprise Architecture Frameworks, aber auch das Potential einer Kombination aus speziellen Ansätzen für E-Partizipation mit Enterprise Architectures auf. Folglich ist das Ziel der weiteren Forschung die Entwicklung eines Architekturrahmenwerks für E-Partizipation.
Die vorliegende Dissertation führt die Ergebnisse der Literaturstudien und Aktionsforschung zusammen und wendet dementsprechend Konstruktionsforschung (Design Science Research) bei der Entwicklung des E-Participation Architecture Framework (EPART-Framework) an. Die initiale Version dieses Rahmenwerks wird in zwei unterschiedlichen Umgebungen angewandt und getestet. Die Erkenntnisse führen zu dem EPART-Framework, das in dieser Dissertation vorgestellt wird. Es besteht aus dem EPART-Metamodel, das E Partizipation aus sechs verschiedenen Perspektiven unterschiedlicher Akteure (den sog. EPART-Viewpoints) betrachtet. Die EPART-Method unterstützt den Entwurf und die Umsetzung von E-Partizipation mit Hilfe des EPART-Frameworks. Sie beschreibt fünf, durch Anforderungsmanagement begleitete, Phasen: Initiierung, Entwurf, Umsetzung, Partizipation und Evaluation. Die Ergebnisse während diesen Phasen werden in der Architekturbeschreibung (Architecture Description) und dem Solution Repository gespeichert. Das finale EPART-Framework wird im Rahmen der Arbeit evaluiert, um Empfehlungen für die Anwendung sowie weiteren Forschungsbedarf aufzuzeigen. Die Ergebnisse geben Grund zur Annahme, dass das EPART-Framework die Lücke zwischen E-Partizipation und Enterprise Architectures füllt und Forschung und Praxis in dem Feld wertvoll ergänzt.
Dualizing marked Petri nets results in tokens for transitions (t-tokens). A marked transition can strictly not be enabled, even if there are sufficient "enabling" tokens (p-tokens) on its input places. On the other hand, t-tokens can be moved by the firing of places. This permits flows of t-tokens which describe sequences of non-events. Their benefiit to simulation is the possibility to model (and observe) causes and effects of non-events, e.g. if something is broken down.
The model evolution calculus
(2004)
The DPLL procedure is the basis of some of the most successful propositional satisfiability solvers to date. Although originally devised as a proof procedure for first-order logic, it has been used almost exclusively for propositional logic so far because of its highly inefficient treatment of quantifiers, based on instantiation into ground formulas. The recent FDPLL calculus by Baumgartner was the first successful attempt to lift the procedure to the first-order level without resorting to ground instantiations. FDPLL lifts to the first-order case the core of the DPLL procedure, the splitting rule, but ignores other aspects of the procedure that, although not necessary for completeness, are crucial for its effectiveness in practice. In this paper, we present a new calculus loosely based on FDPLL that lifts these aspects as well. In addition to being a more faithful litfing of the DPLL procedure, the new calculus contains a more systematic treatment of universal literals, one of FDPLL's optimizations, and so has the potential of leading to much faster implementations.
This volume contains those research papers presented at the Second International Conference on Tests and Proofs (TAP 2008) that were not included in the main conference proceedings. TAP was the second conference devoted to the convergence of proofs and tests. It combines ideas from both areas for the advancement of software quality. To prove the correctness of a program is to demonstrate, through impeccable mathematical techniques, that it has no bugs; to test a program is to run it with the expectation of discovering bugs. On the surface, the two techniques seem contradictory: if you have proved your program, it is fruitless to comb it for bugs; and if you are testing it, that is surely a sign that you have given up on any hope of proving its correctness. Accordingly, proofs and tests have, since the onset of software engineering research, been pursued by distinct communities using rather different techniques and tools. And yet the development of both approaches leads to the discovery of common issues and to the realization that each may need the other. The emergence of model checking has been one of the first signs that contradiction may yield to complementarity, but in the past few years an increasing number of research efforts have encountered the need for combining proofs and tests, dropping earlier dogmatic views of their incompatibility and taking instead the best of what each of these software engineering domains has to offer. The first TAP conference (held at ETH Zurich in February 2007) was an attempt to provide a forum for the cross-fertilization of ideas and approaches from the testing and proving communities. For the 2008 edition we found the Monash University Prato Centre near Florence to be an ideal place providing a stimulating environment. We wish to sincerely thank all the authors who submitted their work for consideration. And we would like to thank the Program Committee members as well as additional referees for their great effort and professional work in the review and selection process. Their names are listed on the following pages. In addition to the contributed papers, the program included three excellent keynote talks. We are grateful to Michael Hennell (LDRA Ltd., Cheshire, UK), Orna Kupferman (Hebrew University, Israel), and Elaine Weyuker (AT&T Labs Inc., USA) for accepting the invitation to address the conference. Two very interesting tutorials were part of TAP 2008: "Parameterized Unit Testing with Pex" (J. de Halleux, N. Tillmann) and "Integrating Verification and Testing of Object-Oriented Software" (C. Engel, C. Gladisch, V. Klebanov, and P. Rümmer). We would like to express our thanks to the tutorial presenters for their contribution. It was a team effort that made the conference so successful. We are grateful to the Conference Chair and the Steering Committee members for their support. And we particularly thank Christoph Gladisch, Beate Körner, and Philipp Rümmer for their hard work and help in making the conference a success. In addition, we gratefully acknowledge the generous support of Microsoft Research Redmond, who financed an invited speaker.
One of the main goals of the artificial intelligence community is to create machines able to reason with dynamically changing knowledge. To achieve this goal, a multitude of different problems have to be solved, of which many have been addressed in the various sub-disciplines of artificial intelligence, like automated reasoning and machine learning. The thesis at hand focuses on the automated reasoning aspects of these problems and address two of the problems which have to be overcome to reach the afore-mentioned goal, namely 1. the fact that reasoning in logical knowledge bases is intractable and 2. the fact that applying changes to formalized knowledge can easily introduce inconsistencies, which leads to unwanted results in most scenarios.
To ease the intractability of logical reasoning, I suggest to adapt a technique called knowledge compilation, known from propositional logic, to description logic knowledge bases. The basic idea of this technique is to compile the given knowledge base into a normal form which allows to answer queries efficiently. This compilation step is very expensive but has to be performed only once and as soon as the result of this step is used to answer many queries, the expensive compilation step gets worthwhile. In the thesis at hand, I develop a normal form, called linkless normal form, suitable for knowledge compilation for description logic knowledge bases. From a computational point of view, the linkless normal form has very nice properties which are introduced in this thesis.
For the second problem, I focus on changes occurring on the instance level of description logic knowledge bases. I introduce three change operators interesting for these knowledge bases, namely deletion and insertion of assertions as well as repair of inconsistent instance bases. These change operators are defined such that in all three cases, the resulting knowledge base is ensured to be consistent and changes performed to the knowledge base are minimal. This allows us to preserve as much of the original knowledge base as possible. Furthermore, I show how these changes can be applied by using a transformation of the knowledge base.
For both issues I suggest to adapt techniques successfully used in other logics to get promising methods for description logic knowledge bases.
Empirische Studien in der Softwaretechnik verwenden Software Repositories als Datenquellen, um die Softwareentwicklung zu verstehen. Repository-Daten werden entweder verwendet, um Fragen zu beantworten, die die Entscheidungsfindung in der Softwareentwicklung leiten, oder um Werkzeuge bereitzustellen, die bei praktischen Aspekten der Entwicklung helfen. Studien werden in die Bereiche Empirical Software Engineering (ESE) und Mining Software Repositories (MSR) eingeordnet. Häufig konzentrieren sich Studien, die mit Repository-Daten arbeiten, auf deren Ergebnisse. Ergebnisse sind aus den Daten abgeleitete Aussagen oder Werkzeuge, die bei der Softwareentwicklung helfen. Diese Dissertation konzentriert sich hingegen auf die Methoden und High-Order-Methoden, die verwendet werden, um solche Ergebnisse zu erzielen. Insbesondere konzentrieren wir uns auf inkrementelle Methoden, um die Verarbeitung von Repositories zu skalieren, auf deklarative Methoden, um eine heterogene Analyse durchzuführen, und auf High-Order-Methoden, die verwendet werden, um Bedrohungen für Methoden, die auf Repositories arbeiten, zu operationalisieren. Wir fassen dies als technische und methodische Verbesserungen zusammen um zukünftige empirische Ergebnisse effektiver zu produzieren. Wir tragen die folgenden Verbesserungen bei. Wir schlagen eine Methode vor, um die Skalierbarkeit von Funktionen, welche über Repositories mit hoher Revisionszahl abstrahieren, auf theoretisch fundierte Weise zu verbessern. Wir nutzen Erkenntnisse aus abstrakter Algebra und Programminkrementalisierung, um eine Kernschnittstelle von Funktionen höherer Ordnung zu definieren, die skalierbare statische Abstraktionen eines Repositorys mit vielen Revisionen berechnen. Wir bewerten die Skalierbarkeit unserer Methode durch Benchmarks, indem wir einen Prototyp mit MSR/ESE Wettbewerbern vergleichen. Wir schlagen eine Methode vor, um die Definition von Funktionen zu verbessern, die über ein Repository mit einem heterogenen Technologie-Stack abstrahieren, indem Konzepte aus der deklarativen Logikprogrammierung verwendet werden, und mit Ideen zur Megamodellierung und linguistischen Architektur kombiniert werden. Wir reproduzieren bestehende Ideen zur deklarativen Logikprogrammierung mit Datalog-nahen Sprachen, die aus der Architekturwiederherstellung, der Quellcodeabfrage und der statischen Programmanalyse stammen, und übertragen diese aus der Analyse eines homogenen auf einen heterogenen Technologie-Stack. Wir liefern einen Proof-of-Concept einer solchen Methode in einer Fallstudie. Wir schlagen eine High-Order-Methode vor, um die Disambiguierung von Bedrohungen für MSR/ESE Methoden zu verbessern. Wir konzentrieren uns auf eine bessere Disambiguierung von Bedrohungen durch Simulationen, indem wir die Argumentation über Bedrohungen operationalisieren und die Auswirkungen auf eine gültige Datenanalysemethodik explizit machen. Wir ermutigen Forschende, „gefälschte“ Simulationen ihrer MSR/ESE-Szenarien zu erstellen, um relevante Erkenntnisse über alternative plausible Ergebnisse, negative Ergebnisse, potenzielle Bedrohungen und die verwendeten Datenanalysemethoden zu operationalisieren. Wir beweisen, dass eine solche Art des simulationsbasierten Testens zur Disambiguierung von Bedrohungen in der veröffentlichten MSR/ESE-Forschung beiträgt.
Generalized methods for automated theorem proving can be used to compute formula transformations such as projection elimination and knowledge compilation. We present a framework based on clausal tableaux suited for such tasks. These tableaux are characterized independently of particular construction methods, but important features of empirically successful methods are taken into account, especially dependency directed backjumping and branch local operation. As an instance of that framework an adaption of DPLL is described. We show that knowledge compilation methods can be essentially improved by weaving projection elimination partially into the compilation phase.
The E-KRHyper system is a model generator and theorem prover for first-order logic with equality. It implements the new E-hyper tableau calculus, which integrates a superposition-based handling of equality into the hyper tableau calculus. E-KRHyper extends our previous KRHyper system, which has been used in a number of applications in the field of knowledge representation. In contrast to most first order theorem provers, it supports features important for such applications, for example queries with predicate extensions as answers, handling of large sets of uniformly structured input facts, arithmetic evaluation and stratified negation as failure. It is our goal to extend the range of application possibilities of KRHyper by adding equality reasoning.
The term “Software Chrestomaty” is defined as a collection of software systems meant to be useful in learning about or gaining insight into software languages, software technologies, software concepts, programming, and software engineering. 101companies software chrestomathy is a community project with the attributes of a Research 2.0 infrastructure for various stakeholders in software languages and technology communities. The core of 101companies combines a semantic wiki and confederated open source repositories. We designed and developed an integrated ontology-based knowledge base about software languages and technologies. The knowledge is created by the community of contributors and supported with a running example and structured documentation. The complete ecosystem is exposed by using Linked Data principles and equipped with the additional metadata about individual artifacts. Within the context of software chrestomathy we explored a new type of software architecture – linguistic architecture that is targeted on the language and technology relationships within a software product and based on the megamodels. Our approach to documentation of the software systems is highly structured and makes use of the concepts of the newly developed megamodeling language MegaL. We “connect” an emerging ontology with the megamodeling artifacts to raise the cognitive value of the linguistic architecture.
Die hohen Infrastrukturkosten machen das Überprüfen von Theorien bezüglich großer Rechnernetze zu einer schwierigen und teuren Aufgabe. Ein möglicher Ansatz dieses Problem zu beheben ist die Verwendung von virtueller anstelle von physikalischer Infrastrukur. OPNets IT Guru ist ein Programm, das entworfen wurde zur Simulation großer Netze und zur Repräsentation relevanter Informationen. Es gestattet großflächige Änderungen zu testen oder Theorien zu überpruefen ohne den Aufwand einer physikalischen Infrastruktur.
Reaktiv lokale Algorithmen sind verteilte Algorithmen, die den Anforderungen großer, batteriebetriebener, Drahtloser Ad Hoc und Sensornetzwerke im besonderen Maße gerecht werden. Durch Vermeidung überflüssiger Nachrichtenübertragungen sowie Verzicht auf proaktive Ermittlung von Nachbarschaftstabellen (d.h. beaconing) minimieren solche Algorithmen den Kommunikationsaufwand und skalieren gut bei wachsender Netzgröße. Auf diese Weise werden Ressourcen wie Bandbreite und Energie geschont, es kommt seltener zu Nachrichtenkollisionen und dadurch zu einer Erhöhung der Paketempfangsrate, sowie einer Reduktion der Latenzen.
Derzeit wird diese Algorithmenklasse hauptsächlich für Geografisches Routing, sowie zur Topologiekontrolle, insbesondere zur Ermittlung der Adjazenzliste eines Knotens in zusammenhängenden, kantenschnittfreien (planaren) Repräsentationen des Netzgraphen, eingesetzt. Ersteres ermöglicht drahtlose multi-hop Kommunikation auf Grundlage von geografischen Knotenpositionen ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Netzwerkinfrastruktur, wohingegen Letzteres eine hinreichende Grundlage für effiziente, lokale Lösungen einer Reihe algorithmischer Problemstellungen ist.
Die vorliegende Dissertation liefert neue Erkenntnisse zum Forschungsgebiet der reaktiven Algorithmen, zum Einen auf einer abstrakten Ebene und zum Anderen durch die Einführung neuer Algorithmen.
Erstens betrachtet diese Arbeit reaktive Algorithmen erstmalig im Ganzen und als eigenständiges Forschungsfeld. Es wird eine umfangreiche Literaturstudie zu dieser Thematik präsentiert, welche die aus der Literatur bekannten Algorithmen, Techniken und Anwendungsfelder systematisch auflistet, klassifiziert und einordnet. Weiterhin wird das mathematische Konzept der O- und Omega-reaktiv lokalen Topologiekontrolle eingeführt. Dieses Konzept ermöglicht erstmals die eindeutige Unterscheidung reaktiver von konventionellen, beacon-basierten, verteilten Topologiekontrollalgorithmen. Darüber hinaus dient es als Klassifikationsschema für existierende, sowie zukünftige Algorithmen dieser Art. Zu guter Letzt ermöglicht dieses Konzept grundlegende Aussagen über die Mächtigkeit des reaktiven Prinzips, welche über Entwurf und Analyse von Algorithmen hinaus reichen.
Zweitens werden in dieser Arbeit neue reaktiv lokale Algorithmen zur Topologiekontrolle und Geografischem Routing eingeführt, wobei drahtlose Netze durch Unit Disk bzw. Quasi Unit Disk Graphen modelliert werden. Diese Algorithmen berechnen für einen gegebenen Knoten die lokale Sicht auf zusammenhängende, planare, Euklidische bzw. Topologische Spanner mit konstanter Spannrate bzgl. des Netzgraphen und routen Nachrichten reaktiv entlang der Kanten dieser Spanner, wobei die Nachrichtenauslieferung garantiert wird. Alle bisher bekannten Verfahren sind entweder nicht reaktiv oder gewährleisten keine konstanten Euklidischen oder Topologischen Spannraten. Ein wesentliches Teilergebnis dieser Arbeit ist der Nachweis, dass die partielle Delaunay Triangulierung (PDT) ein Euklidischer Spanner mit konstanter Spannrate für Unit Disk Graphen ist.
Die in dieser Dissertation gewonnenen Erkenntnisse bilden die Basis für grundlegende und strukturierte Forschung auf diesem Gebiet und zeigen, dass das reaktive Prinzip ein wichtiges Werkzeug des Algorithmenentwurfs für Drahtlose Ad Hoc und Sensornetzwerke ist.
Semantische Daten zusammen mit General-Purpose-Programmiersprachen zu verwenden stellt nicht die einheitlichen Eigenschaften bereit, die man für eine solche Verwendung haben möchte. Die statische Fehlererkennung ist mangelhaft, insbesondere der statischen Typisierung anbetreffend. Basierend auf vorangegangener Arbeit an λ-DL, welches semantische Queries und Konzepte als Datentypen in ein typisiertes λ-Kalkül integriert, bringt dieses Werk dessen Ideen einen Schritt weiter, um es in eine Echtwelt-Programmiersprache zu integrieren. Diese Arbeit untersucht, wie λ-DLs Features erweitert und mit einer existierende Sprache vereinigt werden können, erforscht einen passenden Erweiterungsmechanismus und produziert Semantics4J, eine JastAdd-basierte Java-Sprachintegration für semantische Daten für typsichere OWL-Programmierung, zusammen mit Beispielen für ihre Verwendung.
Confidentiality, integrity, and availability are often listed as the three major requirements for achieving data security and are collectively referred to as the C-I-A triad. Confidentiality of data restricts the data access to authorized parties only, integrity means that the data can only be modified by authorized parties, and availability states that the data must always be accessible when requested. Although these requirements are relevant for any computer system, they are especially important in open and distributed networks. Such networks are able to store large amounts of data without having a single entity in control of ensuring the data's security. The Semantic Web applies to these characteristics as well as it aims at creating a global and decentralized network of machine-readable data. Ensuring the confidentiality, integrity, and availability of this data is therefore also important and must be achieved by corresponding security mechanisms. However, the current reference architecture of the Semantic Web does not define any particular security mechanism yet which implements these requirements. Instead, it only contains a rather abstract representation of security.
This thesis fills this gap by introducing three different security mechanisms for each of the identified security requirements confidentiality, integrity, and availability of Semantic Web data. The mechanisms are not restricted to the very basics of implementing each of the requirements and provide additional features as well. Confidentiality is usually achieved with data encryption. This thesis not only provides an approach for encrypting Semantic Web data, it also allows to search in the resulting ciphertext data without decrypting it first. Integrity of data is typically implemented with digital signatures. Instead of defining a single signature algorithm, this thesis defines a formal framework for signing arbitrary Semantic Web graphs which can be configured with various algorithms to achieve different features. Availability is generally supported by redundant data storage. This thesis expands the classical definition of availability to compliant availability which means that data must only be available as long as the access request complies with a set of predefined policies. This requirement is implemented with a modular and extensible policy language for regulating information flow control. This thesis presents each of these three security mechanisms in detail, evaluates them against a set of requirements, and compares them with the state of the art and related work.
The University of Koblenz-Landau would like to apply for participation in the RoboCup Mixed Reality League in Suzhou, China 2008. Our team is composed of ten team members and two supervisors. All members are graduate students of Computational Visualistics. Our supervisors are Ph.D. candidates currently researching in the working groups of artificial intelligence and computer graphics.
Die Diffusionsbildgebung misst die Bewegung von Wassermolekülen in Gewebe mittelsrnvariierender Gradientenfelder unter Verwendung der Magnetresonanztomographie(MRT). Diese Aufnahmetechnik stellt eine große Chance für in vivo Untersuchung von neuronalen Bahnen dar, da das lokale Diffusionsprofil Rückschlüsse über die Position und Richtung von Nervenbahnen erlaubt. Zu den Anwendungsgebieten der Diffusionsbildgebung zählt die Grundlagenforschung in den Neurowissenschaften, in denen Nervenbahnen als Verbindungen kortikaler Areale bestimmt werden, und die neurochirurgische Operationsplanung, in der rekonstruierte Bahnen als Risikostrukturen für Interventionen angesehen werden.
Die Diffusionstensor-MRT (DT-MRT) ist aufgrund ihrer schnellen Aufnahme- und Rekonstruktionsgeschwindigkeit derzeitig klinischer Standard zur Bestimmung von Nervenbahnen. Jedoch erlaubt die DT-MRT nicht die Darstellung von komplexen intravoxel Diffusionsverteilungen. Daher etablierte sich eine weitere Modellierungstechnik, die als High Angular Resolution Diffusion Imaging (HARDI) bekannt ist. HARDITechniken erhielten wachsendes Interesse in den Neurowissenschaften, da sie großes Potential zur exakteren Darstellung der Nervenbahnen im menschlichen Gehirn besitzen.
Um die Vorteile von HARDI-Techniken gegenüber DT-MRT voll auszuschöpfen, werden fortgeschrittene Methoden zur Rekonstruktion und Visualisierung der Bahnen benötigt. In der vorliegenden Arbeit werden neue Techniken vorgestellt, welche zur aktuellen Forschung hinsichtlich der Verarbeitung und Visualisierung von Diffusionsbildgebungsdaten beitragen. Ansätze zur Klassifizierung, Traktographie und Visualisierung wurden entwickelt um eine aussagekräftige Exploration neuronaler Bahnen und deren Beschaffenheit zu ermöglichen. Des Weiteren wurde eine interaktive Software für die neurochirurgische Operationsplanung implementiert, welche Nervenbahnen als Risikostrukturen berücksichtigt.
Die vorgestellten Forschungsergebnisse bieten einen erweiterten und aufgabenorientierten Einblick in neuronale Verbindungen sowohl für Neurowissenschaftler als auch für Neurochirurgen und tragen zum Einsatz von HARDI-Techniken in einer klinischen Umgebung bei.
Geographisches Cluster-basiertes Routing ist ein aktueller Ansatz, wenn es um das Entwicklen von effizienten Routingalgorithmen für drahtlose ad-hoc Netzwerke geht. Es gibt bereits eine Anzahl an Algorithmen, die Nachrichten nur auf Basis von Positionsinformationen durch ein drahtloses ad-hoc Netzwerk routen können. Darunter befinden sich sowohl Algorithmen, die auf das klassische Beaconing setzen, als auch Algorithmen, die beaconlos arbeiten (keine Informationen über die Umgebung werden benötigt, außer der eigenen Position und der Position des Ziels). Geographisches Routing mit Auslieferungsgarantie kann auch auf Overlay-Graphen durchgeführt werden. Bisher werden die dafür benötigten Overlay-Graphen nicht reaktiv konstruiert.
In dieser Arbeit wird ein reaktiver Algorithmus, der Beaconless Cluster Based Planarization Algorithmus (BCBP), für die Konstruktion eines planaren Overlay-Graphen vorgestellt, der die benötigte Anzahl an Nachrichten für die Konstruktion eines planaren Overlay-Graphen, und demzufolge auch Cluster-basiertes geographishes Routing, deutlich reduziert. Basierend auf einem Algorithmus für Cluster-basierte Planarisierung, konstruiert er beaconlos einen planaren Overlay-Graphen in einem unit disk graph (UDG). Ein UDG ist ein Modell für ein drahtloses Netzwerk, bei dem alle Teilnehmer den gleichen Senderadius haben.
Die Evaluierung des Algorithmus zeigt, dass er wesentlich effizienter ist als die Baecon-basierte Variante. Ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit ist ein weiterer beaconloser Algorithmus (Beaconless LLRAP (BLLRAP)), für\r\nden zwar die Planarität, aber nicht die Konnektivität nachgewiesen werden konnte.
Querying for meta knowledge
(2008)
The Semantic Web is based on accessing and reusing RDF data from many different sources, which one may assign different levels of authority and credibility. Existing Semantic Web query languages, like SPARQL, have targeted the retrieval, combination and reuse of facts, but have so far ignored all aspects of meta knowledge, such as origins, authorship, recency or certainty of data, to name but a few. In this paper, we present an original, generic, formalized and implemented approach for managing many dimensions of meta knowledge, like source, authorship, certainty and others. The approach re-uses existing RDF modeling possibilities in order to represent meta knowledge. Then, it extends SPARQL query processing in such a way that given a SPARQL query for data, one may request meta knowledge without modifying the query proper. Thus, our approach achieves highly flexible and automatically coordinated querying for data and meta knowledge, while completely separating the two areas of concern.
The paper deals with a specific introduction into probability propagation nets. Starting from dependency nets (which in a way can be considered the maximum information which follows from the directed graph structure of Bayesian networks), the probability propagation nets are constructed by joining a dependency net and (a slightly adapted version of) its dual net. Probability propagation nets are the Petri net version of Bayesian networks. In contrast to Bayesian networks, Petri nets are transparent and easy to operate. The high degree of transparency is due to the fact that every state in a process is visible as a marking of the Petri net. The convenient operability consists in the fact that there is no algorithm apart from the firing rule of Petri net transitions. Besides the structural importance of the Petri net duality there is a semantic matter; common sense in the form of probabilities and evidencebased likelihoods are dual to each other.
Probability propagation nets
(2007)
A class of high level Petri nets, called "probability propagation nets", is introduced which is particularly useful for modeling probability and evidence propagation. These nets themselves are well suited to represent the probabilistic Horn abduction, whereas specific foldings of them will be used for representing the flows of probabilities and likelihoods in Bayesian networks.
Die voranschreitende Vernetzung von Fahrzeugen wird einen erheblichen Einfluss auf die Mobilitätslösungen von Morgen haben. Solche Systeme werden stark auf den zeitnahen Austausch von Informationen angewiesen sein, um die funktionale Zuverlässigkeit, Sicherheit von Fahrfunktionen und somit den Schutz von Insassen zu gewährleisten. Allerdings zeigt sich bei näherer Betrachtung der verwendeten Kommunikationsmodelle heutiger Netzwerke, wie beispielsweise dem Internet, dass diese Modelle einem host-zentrierten Prinzip folgen. Dieses Prinzip stellt das Management von Netzwerken mit einem hohen Grad an mobilen Teilnehmern vor große Herausforderungen hinsichtlich der effizienten Verteilung von Informationen. In den vergangen Jahren hat sich das Information-Centric Networking (ICN) Paradigma als vielversprechender Kandidat für zukünftige datenorientierte mobile Netzwerke empfohlen. Basierend auf einem lose gekoppelten Kommunikationsmodell unterstzützt ICN Funktionen wie das Speichern und Verarbeiten von Daten direkt auf der Netzwerkschicht. Insbesondere das aktive, gezielte Platzieren von Daten nahe der Benutzer stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Erhöhung der Datenbereitstellung in mobilen Netzen dar. Die vorliegende Arbeit legt den Fokus auf die Erforschung von Strategien zum orchestrieren und aktiven Platzieren von Daten für Fahrzeuganwendungen im Netzwerk für mobile Teilnehmer. Im Rahmen einer Analyse unterschiedlicher Fahrzeugapplikationen und deren Anforderungen, werden neue Strategien für das aktive Platzieren vorgestellt. Unter Verwendung von Netzwerksimulationen werden diese Strategien umfangreich untersucht und in im Rahmen eines prototypischen Aufbaus unter realen Bedingungen ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen Verbesserungen in der zeitnahen Zustellung von Inhalten (die Verfügbarkeit spezifischer Daten wurde im Vergleich zu existierenden Strategien um bis zu 35% erhöht), während die Auslieferungszeiten verkürzt wurden. Allerdings bedingt das aktive Platzieren und Speichern von Daten auch Risiken der Datensicherheit und Privatsphäre. Auf der Basis einer Sicherheitsanalyse stellt der zweite Teil der Arbeit ein Konzept zur Zugriffskontrolle von gespeicherten Daten in verteilten Fahrzeugnetzwerken vor. Abschließend werden offene Problemstellungen und Forschungsrichtungen im Kontext Sicherheit von verteilten Berechnungsarchitekturen für vernetze Fahrzeugnetzwerke diskutiert.
Die Aufmerksamkeit politischer Entscheidungsträger weltweit richtet sich in den letzten 10 Jahren verstärkt auf die Kreativwirtschaft als signifikanter Wachstums- und Beschäftigungsmotor in Städten. Die Literatur zeigt jedoch, dass Kreativschaffende zu den gefährdetsten Arbeitskräften in der heutigen Wirtschaft gehören. Aufgrund des enorm deregulierten und stark individualisierten Umfelds werden Misserfolg oder Erfolg eher individuellen Fähigkeiten und Engagement zugeschrieben und strukturelle oder kollektive Aspekte vernachlässigt. Diese Arbeit widmet sich zeitlichen, räumlichen und sozialen Aspekten digitaler behavioraler Daten, um zu zeigen, dass es tatsächlich strukturelle und historische Faktoren gibt, die sich auf die Karrieren von Individuen und Gruppen auswirken. Zu diesem Zweck bietet die Arbeit einen computergestützten, sozialwissenschaftlichen Forschungsrahmen, der das theoretische und empirisches Wissen aus jahrelanger Forschung zu Ungleichheit mit computergestützten Methoden zum Umgang mit komplexen und umfangreichen digitalen Daten verbindet. Die Arbeit beginnt mit der Darlegung einer neuartigen Methode zur Geschlechtererkennung, welche sich Image Search und Gesichtserkennungsmethoden bedient. Die Analyse der kollaborativen Verhaltensweisen sowie der Zitationsnetzwerke männlicher und weiblicher Computerwissenschaftler*innen verdeutlicht einige der historischen Bias und Nachteile, welchen Frauen in ihren wissenschaftlichen Karrieren begegnen. Zur weiterfuhrenden Elaboration der zeitlichen Aspekte von Ungleichheit, wird der Anteil vertikaler und horizontaler Ungleichheit in unterschiedlichen Kohorten von Wissenschaftler*innen untersucht, die ihre Karriere zu unterschiedlichen Zeitpunkten begonnen haben. Im Weiteren werden einige der zugrunde liegenden Mechanismen und Prozesse von Ungleichheit in kreativen Berufen analysiert, wie der Matthew-Effekt und das Hipster-Paradoxon. Schließlich zeigt diese Arbeit auf, dass Online-Plattformen wie Wikipedia bestehenden Bias reflektieren sowie verstärken können.
The processing of data is often restricted by contractual and legal requirements for protecting privacy and IPRs. Policies provide means to control how and by whom data is processed. Conditions of policies may depend on the previous processing of the data. However, existing policy languages do not provide means to express such conditions. In this work we present a formal model and language allowing for specifying conditions based on the history of data processing. We base the model and language on XACML.
Diese Arbeit schlägt die Benutzung von MSR (Mining Software Repositories) Techniken zum Identifizieren von Software Entwicklern mit exklusiver Fachkenntnis zu spezifischen APIs und Programmierfachgebieten in Software Repositories vor. Ein versuchsweises Tool zum finden solcher “Islands of Knowledge” in Node.js Projekten wird präsentiert und in einer Fallstudie auf 180 npm packages angewandt. Dabei zeigt sich, dass jedes package im Durchschnitt 2,3 Islands of Knowledge hat, was dadurch erklärbar sein könnte, dass npm packages dazu tendieren nur einen einzelnen Hauptcontributor zu haben. In einer Umfrage werden die Verantwortlichen von 50 packages kontaktiert und nach ihrer Meinung zu den Ergebnissen des Tools gefragt. Zusammen mit deren Antworten berichtet diese Arbeit von den Erfahrungen, die mit dem versuchsweisen Tool gemacht wurden, und wie zukünftige Weiterentwicklungen noch bessere Aussagen über die Verteilung von Programmierfachwissen in Entwicklerteams machen könnten.
Initial goal of the current dissertation was the determination of image-based biomarkers sensitive for neurodegenerative processes in the human brain. One such process is the demyelination of neural cells characteristic for Multiple sclerosis (MS) - the most common neurological disease in young adults for which there is no cure yet. Conventional MRI techniques are very effective in localizing areas of brain tissue damage and are thus a reliable tool for the initial MS diagnosis. However, a mismatch between the clinical fndings and the visualized areas of damage is observed, which renders the use of the standard MRI diffcult for the objective disease monitoring and therapy evaluation. To address this problem, a novel algorithm for the fast mapping of myelin water content using standard multiecho gradient echo acquisitions of the human brain is developed in the current work. The method extents a previously published approach for the simultaneous measurement of brain T1, T∗ 2 and total water content. Employing the multiexponential T∗ 2 decay signal of myelinated tissue, myelin water content is measured based on the quantifcation of two water pools (myelin water and rest) with different relaxation times. Whole brain in vivo myelin water content maps are acquired in 10 healthy controls and one subject with MS. The in vivo results obtained are consistent with previous reports. The acquired quantitative data have a high potential in the context of MS. However, the parameters estimated in a multiparametric acquisition are correlated and constitute therefore an ill-posed, nontrivial data analysis problem. Motivated by this specific problem, a new data clustering approach is developed called Nuclear Potential Clustering, NPC. It is suitable for the explorative analysis of arbitrary dimensional and possibly correlated data without a priori assumptions about its structure. The developed algorithm is based on a concept adapted from nuclear physics. To partition the data, the dynamic behavior of electrically even charged nucleons interacting in a d-dimensional feature space is modeled. An adaptive nuclear potential, comprised of a short-range attractive (Strong interaction) and a long-range repulsive term (Coulomb potential), is assigned to each data point. Thus, nucleons that are densely distributed in space fuse to build nuclei (clusters), whereas single point clusters are repelled (noise). The algorithm is optimized and tested in an extensive study with a series of synthetic datasets as well as the Iris data. The results show that it can robustly identify clusters even when complex configurations and noise are present. Finally, to address the initial goal, quantitative MRI data of 42 patients are analyzed employing NPC. A series of experiments with different sets of image-based features show a consistent grouping tendency: younger patients with low disease grade are recognized as cohesive clusters, while those of higher age and impairment are recognized as outliers. This allows for the definition of a reference region in a feature space associated with phenotypic data. Tracking of the individual's positions therein can disclose patients at risk and be employed for therapy evaluation.
Networked RDF graphs
(2007)
Networked graphs are defined in this paper as a small syntactic extension of named graphs in RDF. They allow for the definition of a graph by explicitly listing triples as well as by SPARQL queries on one or multiple other graphs. By this extension it becomes possible to define a graph including a view onto other graphs and to define the meaning of a set of graphs by the way they reference each other. The semantics of networked graphs is defined by their mapping into logic programs. The expressiveness and computational complexity of networked graphs, varying by the set of constraints imposed on the underlying SPARQL queries, is investigated. We demonstrate the capabilities of networked graphs by a simple use case.
Hybrid automata are used as standard means for the specification and analysis of dynamical systems. Several researches have approached them to formally specify reactive Multi-agent systems situated in a physical environment, where the agents react continuously to their environment. The specified systems, in turn, are formally checked with the help of existing hybrid automata verification tools. However, when dealing with multi-agent systems, two problems may be raised. The first problem is a state space problem raised due to the composition process, where the agents have to be parallel composed into an agent capturing all possible behaviors of the multi-agent system prior to the verification phase. The second problem concerns the expressiveness of verification tools when modeling and verifying certain behaviors. Therefore, this paper tackles these problems by showing how multi-agent systems, specified as hybrid automata, can be modeled and verified using constraint logic programming(CLP). In particular, a CLP framework is presented to show how the composition of multi-agent behaviors can be captured dynamically during the verification phase. This can relieve the state space complexity that may occur as a result of the composition process. Additionally, the expressiveness of the CLP model flexibly allows not only to model multi-agent systems, but also to check various properties by means of the reachability analysis. Experiments are promising to show the feasibility of our approach.
We aim to demonstrate that automated deduction techniques, in particular those following the model computation paradigm, are very well suited for database schema/query reasoning. Specifically, we present an approach to compute completed paths for database or XPath queries. The database schema and a query are transformed to disjunctive logic programs with default negation, using a description logic as an intermediate language. Our underlying deduction system, KRHyper, then detects if a query is satisfiable or not. In case of a satisfiable query, all completed paths -- those that fulfill all given constraints -- are returned as part of the computed models. The purpose of our approach is to dramatically reduce the workload on the query processor. Without the path completion, a usual XML query processor would search the database for solutions to the query. In the paper we describe the transformation in detail and explain how to extract the solution to the original task from the computed models. We understand this paper as a first step, that covers a basic schema/query reaÂsoning task by model-based deduction. Due to the underlying expressive logic formalism we expect our approach to easily adapt to more sophisticated problem settings, like type hierarchies as they evolve within the XML world.
Das Web 2.0 stellt online Technologien zur Verfügung, die es Nutzern erlaubt gemeinsam Inhalte zu erstellen, zu publizieren und zu teilen. Dienste wie Twitter, CNet, CiteSeerX etc. sind Beispiele für Web 2.0 Plattformen, die zum einen Benutzern bei den oben beschriebenen Aktivitäten unterstützen und zum anderen als Quellen reichhaltiger Information angesehen werden können. Diese Plattformen ermöglichen es Nutzern an Diskussionen teilzunehmen, Inhalte anderer Nutzer zu kommentieren, generell Feedback zu geben (z.B. zu einem Produkt) und Inhalte zu publizieren, sei es im Rahmen eines Blogs oder eines wissenschaftlichen Artikels. Alle diese Aktivitäten führen zu einer großen Menge an unstrukturierten Daten. In diesem Überfluss an Informationen kann auf den persönlichen Informationsbedarf einzelner Benutzer nicht mehr individuell genug eingegangen werden kann. Methoden zur automatischen Analyse und Aggregation unstrukturierter Daten die von einzelnen Plattformen zur Verfügung gestellt werden, können dabei helfen den sich aus dem unterschiedlichen Kontext der Plattformen ergebenden Informationsbedarf zu beantworten. In dieser Arbeit stellen wir drei Methoden vor, die helfen den Informationsüberfluss zu verringern und es somit ermöglichen den Informationsbedarf einzelner Nutzer besser zu beantworten.
Der erste Beitrag dieser Arbeit betrachtet die zwei Hauptprobleme des Dienstes Twitter: die Kürze und die Qualität der Einträge und wie sich diese auf die Ergebnisse von Suchverfahren auswirken. Wir analysieren und identifizieren Merkmale für einzelne Kurznachrichten auch Twitter (sog. Tweets), die es ermöglichen die Qualität eines Tweets zu bestimmen. Basierend auf dieser Analyse führen wir den Begriff "Interestingness" ein, der als statisches Qualitätsmaß für Tweets dient. In einer empirischen Analyse zeigen wir, dass die vorgeschlagenen Maße dabei helfen qualitativ hochwertigere Information in Twitter zu finden und zu filtern. Der zweite Beitrag beschäftigt sich mit dem Problem der Inhaltsdiversifikation in einem kollaborativen sozialen System, z.B. einer online Diskussion die aus der sozialen Kollaboration der Nutzer einer Plattform entstanden ist. Ein Leser einer solchen Diskussion möchte sich einen schnellen und umfassenden Überblick über die Pro und Contra Argumente in der Diskussion verschaffen. Zu diesem Zweck wurde FREuD entwickelt, ein Ansatz der hilft das Diversifikationsproblem von Inhalten in den Griff zu bekommen. FREuD kombiniert Latent Semantic Analysis mit Sentiment Analyse. Die Evaluation von FREuD hat gezeigt, dass es mit diesem Ansatz möglich ist, einen umfassenden Überblick über die Unterthemen und die Aspekte einer Diskussion, sowie über die Meinungen der Diskussionteilnehmer zu liefern. Der dritte Beitrag dieser Arbeit ist eine neues Autoren-Thema-Zeit Modell, dass es ermöglicht Trendthemen und Benutzerinteressen in sozialen Medien zu erfassen. Der Ansatz löst dieses Problem indem er die Relationen zwischen Autoren, latenter Themen und zeitlicher Information mittels Bayes'schen Netzen modelliert. Unsere Evaluation zeigt einen verbesserte Erkennung von semantisch zusammenhaängenden Themen und liefert im weiteren Informationen darüber in wie weit die Veränderung im Interesse einzelner Autoren mit der Entwicklung einzelner Themengebiete zusammenhängt.
The semantic web and model-driven engineering are changing the enterprise computing paradigm. By introducing technologies like ontologies, metadata and logic, the semantic web improves drastically how companies manage knowledge. In counterpart, model-driven engineering relies on the principle of using models to provide abstraction, enabling developers to concentrate on the system functionality rather than on technical platforms. The next enterprise computing era will rely on the synergy between both technologies. On the one side, ontology technologies organize system knowledge in conceptual domains according to its meaning. It addresses enterprise computing needs by identifying, abstracting and rationalizing commonalities, and checking for inconsistencies across system specifications. On the other side, model-driven engineering is closing the gap among business requirements, designs and executables by using domain-specific languages with custom-built syntax and semantics. In this scenario, the research question that arises is: What are the scientific and technical results around ontology technologies that can be used in model-driven engineering and vice versa? The objective is to analyze approaches available in the literature that involve both ontologies and model-driven engineering. Therefore, we conduct a literature review that resulted in a feature model for classifying state-of-the-art approaches. The results show that the usage of ontologies and model-driven engineering together have multiple purposes: validation, visual notation, expressiveness and interoperability. While approaches involving both paradigms exist, an integrated approach for UML class-based modeling and ontology modeling is lacking so far. Therefore, we investigate the techniques and languages for designing integrated models. The objective is to provide an approach to support the design of integrated solutions. Thus, we develop a conceptual framework involving the structure and the notations of a solution to represent and query software artifacts using a combination of ontologies and class-based modeling. As proof of concept, we have implemented our approach as a set of open source plug-ins -- the TwoUse Toolkit. The hypothesis is that a combination of both paradigms yields improvements in both fields, ontology engineering and model-driven engineering. For MDE, we investigate the impact of using features of the Web Ontology Language in software modeling. The results are patterns and guidelines for designing ontology-based information systems and for supporting software engineers in modeling software. The results include alternative ways of describing classes and objects and querying software models and metamodels. Applications show improvements on changeability and extensibility. In the ontology engineering domain, we investigate the application of techniques used in model-driven engineering to fill the abstraction gap between ontology specification languages and programming languages. The objective is to provide a model-driven platform for supporting activities in the ontology engineering life cycle. Therefore, we study the development of core ontologies in our department, namely the core ontology for multimedia (COMM) and the multimedia metadata ontology. The results are domain-specific languages that allow ontology engineers to abstract from implementation issues and concentrate on the ontology engineering task. It results in increasing productivity by filling the gap between domain models and source code.
Terrainklassifikation mit Markov Zufallsfeldern für autonome Roboter in unstrukturiertem Terrain
(2015)
Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem Problem der Terrainklassifikation im unstrukturierten Außengelände. Die Terrainklassifikation umfasst dabei das Erkennen von Hindernissen und flachen Bereichen mit der einhergehenden Analyse der Bodenoberfläche. Ein 3D Laser-Entfernungsmesser wurde als primärer Sensor verwendet, um das Umfeld des Roboters zu vermessen. Zunächst wird eine Gitterstruktur zur Reduktion der Daten eingeführt. Diese Datenrepräsentation ermöglicht die Integration mehrerer Sensoren, z.B. Kameras für Farb- und Texturinformationen oder weitere Laser-Entfernungsmesser, um die Datendichte zu erhöhen. Anschließend werden für alle Terrainzellen des Gitters Merkmale berechnet. Die Klassifikation erfolgt mithilfe eines Markov Zufallsfeldes für Kontextsensitivität um Sensorrauschen und variierender Datendichte entgegenzuwirken. Ein Gibbs-Sampling Ansatz wird zur Optimierung eingesetzt und auf der CPU sowie der auf GPU parallelisiert um Ergebnisse in Echtzeit zu berechnen. Weiterhin werden dynamische Hindernisse unter Verwendung verschiedener State-of-the-Art Techniken erkannt und über die Zeit verfolgt. Die berechneten Informationen, wohin sich andere Verkehrsteilnehmer bewegen und in Zukunft hinbewegen könnten, werden verwendet, um Rückschlüsse auf Bodenoberflächen zu ziehen die teilweise oder vollständig unsichtbar für die Sensoren sind. Die Algorithmen wurden auf unterschiedlichen autonomen Roboter-Plattformen getestet und eine Evaluation gegen von Menschen annotierte Grundwahrheiten von Karten aus mehreren Millionen Messungen wird präsentiert. Der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz zur Terrainklassifikation hat sich in allen Anwendungsbereichen bewährt und neue Erkenntnisse geliefert. Kombiniert mit einem Pfadplanungsalgorithmus ermöglicht die Terrainklassifikation die vollständige Autonomie für radgetriebene Roboter in natürlichem Außengelände.
In this paper we describe a series of projects on location based and personalised information systems. We start wit a basic research project and we show how we came with the help of two other more application oriented project to a product. This is developed by a consortium of enterprises and it already is in use in the city of Koblenz.
The Living Book is a system for the management of personalized and scenario specific teaching material. The main goal of the system is to support the active, explorative and selfdetermined learning in lectures, tutorials and self study. The Living Book includes a course on 'logic for computer scientists' with a uniform access to various tools like theorem provers and an interactive tableau editor. It is routinely used within teaching undergraduate courses at our university. This paper describes the Living Book and the use of theorem proving technology as a core component in the knowledge management system (KMS) of the Living Book. The KMS provides a scenario management component where teachers may describe those parts of given documents that are relevant in order to achieve a certain learning goal. The task of the KMS is to assemble new documents from a database of elementary units called 'slices' (definitions, theorems, and so on) in a scenario-based way (like 'I want to prepare for an exam and need to learn about resolution'). The computation of such assemblies is carried out by a model-generating theorem prover for first-order logic with a default negation principle. Its input consists of meta data that describe the dependencies between different slices, and logic-programming style rules that describe the scenario-specific composition of slices. Additionally, a user model is taken into account that contains information about topics and slices that are known or unknown to a student. A model computed by the system for such input then directly specifies the document to be assembled. This paper introduces the elearning context we are faced with, motivates our choice of logic and presents the newly developed calculus used in the KMS.
Knowledge compilation is a common technique for propositional logic knowledge bases. A given knowledge base is transformed into a normal form, for which queries can be answered efficiently. This precompilation step is expensive, but it only has to be performed once. We apply this technique to concepts defined in the Description Logic ALC. We introduce a normal form called linkless normal form for ALC concepts and discuss an efficient satisability test for concepts given in this normal form. Furthermore, we will show how to efficiently calculate uniform interpolants of precompiled concepts w.r.t. a given signature.
The publication of open source software aims to support the reuse, the distribution and the general utilization of software. This can only be enabled by the correct usage of open source software licenses. Therefore associations provide a multitude of open source software licenses with different features, of which a developer can choose, to regulate the interaction with his software. Those licenses are the core theme of this thesis.
After an extensive literature research, two general research questions are elaborated in detail. First, a license usage analysis of licenses in the open source sector is applied, to identify current trends and statistics. This includes questions concerning the distribution of licenses, the consistency in their usage, their association over a period of time and their publication.
Afterwards the recommendation of licenses for specific projects is investigated. Therefore, a recommendation logic is presented, which includes several influences on a suitable license choice, to generate an at most applicable recommendation. Besides the exact features of a license of which a user can choose, different methods of ranking the recommendation results are proposed. This is based on the examination of the current situation of open source licensing and license suggestion. Finally, the logic is evaluated on the exemplary use-case of the 101companies project.
Virtual Reality ist ein ein Bereich wachsenden Interesses, da es eine besonders intuitive Art der Benutzerinteraktion darstellt. Noch immer wird nach Lösungen zu technischen Problemstellungen gesucht, wie etwa der Latenz zwischen der Nutzereingabe und der Reaktion der Darstellung oder dem Kompromiss zwischen der visuellen Qualität und der erreichten Framerate. Dies gilt insbesondere für visuelle Effekte auf spekularen und halbtransparenten Oberflächen und in Volumen. Eine Lösung stellt das in dieser Arbeit vorgestellte verteilte Rendersystem dar, in dem die Bildsynthese in einen präzisen, aber kostenaufwändigen physikbasierten Renderthread mit niedriger Bildwiederholrate und einen schnellen Reprojektionsthread mit hoher Bildwiederholrate aufgeteilt wird, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit und Interaktivität erhalten bleiben. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Reprojektionsverfahren vorgestellt, die einerseits Reflexionen und Refraktionen auf geraytracten Oberflächen und andererseits volumetrische Lichtausbreitung beim Raymarching abdecken. Das vorgestellte Setup kann in verschiedenen Gebieten zum Einsatz kommen um das VR Erlebnis zu verbessern. Im Zuge dieser Arbeit wurden drei innovative Trainingsanwendungen umgesetzt, um den Mehrwert von Virtual Reality im Bezug auf drei Stufen des Lernens zu untersuchen: Beobachtung, Interaktion und Zusammenarbeit. Für jede Stufe wurde ein interdisziplinäres Curriculum, das bislang mit traditionellen Medien unterrichtet wurde, in eine VR Umgebung übertragen, um zu untersuchen, wie gut sich virtuelle Realität als eine natürliche, flexible und effiziente Lernmethode eignet.
Softwaresprachen und Technologien zu verstehen, die bei der Entwicklung einer Software verwendet werden, ist eine alltägliche Herausforderung für Software Engineers. Textbasierte Dokumentationen und Codebeispiele sind typische Hilfsmittel, die zu einem besseren Verständnis führen sollen. In dieser Dissertation werden verschiedene Forschungsansätze beschrieben, wie existierende Textpassagen und Codebeispiele identifiziert und miteinander verbunden werden können. Die Entdeckung solcher bereits existierender Ressourcen soll dabei helfen Softwaresprachen und Technologien auf einem konzeptionellen Level zu verstehen und zu vergleichen. Die Forschungsbeiträge fokussieren sich auf die folgenden Fragen, die später präzisiert werden. Welche existierenden Ressourcen lassen sich systematisch identifizieren, um strukturiertes Wissen zu extrahieren? Wie lassen sich die Ressourcen extrahieren? Welches Vokabular wird bereits in der Literatur verwendet, um konzeptionelles Wissen zur Struktur und Verwendung einer Software auszudrücken? Wie lassen sich Beiträge auf Wikipedia wiederverwenden? Wie können Codebeispiele zur Verwendung von ausgewählten Technologien auf GitHub gefunden werden? Wie kann ein Modell, welches Technologieverwendung repräsentiert, reproduzierbar konstruiert werden? Zur Beantwortung der Forschungsfragen werden qualitative Forschungsmethoden verwendet, wie zum Beispiel Literaturstudien. Des Weiteren werden Methoden entwickelt und
evaluiert, um relevante Artikel auf Wikipedia, relevante Textpassagen in der Literatur und Codebeispiele auf GitHub zu verlinken. Die theoretischen Beiträge werden in Fallstudien evaluiert. Die folgenden wissenschaftlichen Beiträge werden dabei erzielt: i.) Eine Referenzsemantik zur Formalisierung von Typen und Relationen in einer sprachfokussierten Beschreibung von Software; ii.) Ein Korpus bestehend aus Wikipedia Artikeln zu einzelnen Softwaresprachen; iii) Ein Katalog mit textuell beschriebenen Verwendungsmustern einer Technologie zusammen mit Messergebnissen zu deren Frequenz auf GitHub; iv.) Technologiemodelle, welche sowohl mit verschiedenen existierenden Codebeispielen als auch mit Textpassagen verknüpft sind.
Knowledge compilation is a common technique for propositional logic knowledge bases. The idea is to transform a given knowledge base into a special normal form ([MR03],[DH05]), for which queries can be answered efficiently. This precompilation step is very expensive but it only has to be performed once. We propose to apply this technique to knowledge bases defined in Description Logics. For this, we introduce a normal form, called linkless concept descriptions, for ALC concepts. Further we present an algorithm, based on path dissolution, which can be used to transform a given concept description into an equivalent linkless concept description. Finally we discuss a linear satisfiability test as well as a subsumption test for linkless concept descriptions.
Interactive video retrieval
(2006)
The goal of this thesis is to develop a video retrieval system that supports relevance feedback. One research approach of the thesis is to find out if a combination of implicit and explicit relevance feedback returns better retrieval results than a system using explicit feedback only. Another approach is to identify a model to weight existing feature categories. For this purpose, a state-of-the-art analysis is presented and two systems implemented, which run under the conditions of the international TRECVID workshop. It will be a basis system for further research approaches in the field of interactive video retrieval. Amongst others, it shall participate in the 2006 search task of the mentioned workshop.
Improvements to the RMTI network routing daemon implementation and preparation of a public release
(2011)
Routing with Metric based Topology Investigation (RMTI) is an algorithm meant to extend distance-vector routing protocols. It is under research and development at the University of Koblenz-Landau since 1999 and currently implemented on top of the well-known Routing Information Protocol (RIP). Around midyear 2009, the latest implementation of RMTI included a lot of deprecated functionality. Because of this, the first goal of this thesis was the reduction of the codebase to a minimum. Beside a lot of reorganization and a general cleanup, this mainly involved the removal of some no longer needed modes as well as the separation of the formerly mandatory XTPeer test environment. During the second part, many test series were carried out in order to ensure the correctness of the latest RMTI implementation. A replacement for XTPeer was needed and several new ways of testing were explored. In conjunction with this thesis, the RMTI source code was finally released to the public under a free software license.
Hyper tableaux with equality
(2007)
In most theorem proving applications, a proper treatment of equational theories or equality is mandatory. In this paper we show how to integrate a modern treatment of equality in the hyper tableau calculus. It is based on splitting of positive clauses and an adapted version of the superposition inference rule, where equations used for paramodulation are drawn (only) from a set of positive unit clauses, the candidate model. The calculus also features a generic, semantically justified simplification rule which covers many redundancy elimination techniques known from superposition theorem proving. Our main results are soundness and completeness, but we briefly describe the implementation, too.
This paper shows how multiagent systems can be modeled by a combination of UML statecharts and hybrid automata. This allows formal system specification on different levels of abstraction on the one hand, and expressing real-time system behavior with continuous variables on the other hand. It is not only shown how multi-robot systems can be modeled by a combination of hybrid automata and hierarchical state machines, but also how model checking techniques for hybrid automata can be applied. An enhanced synchronization concept is introduced that allows synchronization taking time and avoids state explosion to a certain extent.
Die Beschreibung des Verhaltens eines Multi-Agenten-Systems (MAS) ist eine fordernde Aufgabe, besonders dann, wenn es in sicherheitskritischen Umgebungen eingesetzt werden soll. Denn in solchen Umgebungen muss die Beschreibung besonders sorgfältig ausgeführt werden um Seiteneffekte zu vermeiden, die ungewünschte oder sogar zerstörerische Folgen haben könnten. Deshalb sind formale Methoden nützlich, die auf mathematischen Modellen des zu entwerfenden Systems basieren. Sie erlauben es nicht nur das System formal auf verschiedenen Abstraktionsebenen zu spezifizieren, sondern auch seine Konsistenz noch vor der Implementierung zu verifizieren. Das Ziel der formalen Spezifikation ist eine präzise und eindeutige Beschreibung des Verhaltens des Multi-Agenten-Systems, während die Verifikation darauf abzielt, geforderte Eigenschaften dieses Systems zu beweisen. Üblicherweise wird das Verhalten eines Agenten als diskrete Änderung seines Zustands im Bezug auf externe oder interne Aktionen aufgefasst. Jedes mal, wenn eine Aktion auftritt, ändert sich der Zustand des Agenten. Deshalb sind Zustandsübergangsdiagramme bzw. endliche Automaten ein naheliegender Ansatz das Verhalten zu modellieren. Ein weiterer Vorteil einer solchen Beschreibung ist, dass sie sich für das sogenannte Model Checking eignet. Dabei handelt es sich um eine automatische Analysetechnik, die bestimmt, ob das Modell des Systems spezifizierten Eigenschaften genügt. Allerdings muss in realistischen, physikalischen Umgebungen neben dem diskreten auch das kontinuierliche Verhalten des Multi-Agenten-Systems betrachtet werden. Dabei könnte es sich beispielsweise um die Schussbewegung eines Fußballspieler-Agenten, den Prozess des Löschens durch einen Feuerwehr-Agenten oder jedes andere Verhalten handeln, das auf zeitlichen physikalischen Gesetzen basiert. Die üblichen Zustandsübergangsdiagramme sind nicht ausreichend, um diese beiden Verhaltensarten zu kombinieren. Hybride Automaten stellen jedoch eine elegante Lösung dar. Im Wesentlichen erweitern sie die üblichen Zustandsübergangsdiagramme durch Methoden, die sich mit kontinuierlichen Aktionen befassen. Die Zustandsübergänge modellieren weiterhin die diskreten Verhaltenswechsel, während Differentialgleichungen verwendet werden um das kontinuierliche Verhalten zu beschreiben. Besonders geeignet erscheinen Hybride Automaten, weil ihre formale Semantik die Verifikation durch Model Checking erlaubt. Deshalb ist das Hauptziel dieser Arbeit, Hybride Automaten für die Modellierung und die Verifikation des Verhaltens von Multi-Agenten-Systemen einzusetzen. Jedoch bringt ihr Einsatz mehrere Probleme mit sich, die betrachtet werden sollten. Zu diesen Problemfeldern zählen Komplexität, Modularität und die Aussagestärke der Modelle. Diese Arbeit befasst sich mit diesen Problemen und liefert mögliche Lösungen.
This minor thesis shows a way to optimise a generated oracle to achieve shorter runtimes. Shorter runtimes of test cases allows the execution of more test cases in the same time. The execution of more test cases leads to a higher confidence in the software-quality. Oracles can be derived from specifications. However specifications are used for different purposes and therefore are not necessarily executable. Even if the are executable it might be with only a high runtime. Those two facts come mostly from the use of quantifiers in the logic. If the quantifier-range is not bounded, respectively if the bounds are outside the target language-datatype-limits, the specification is too expressive to be exported into a program. Even if the bounds inside the used datatype-limits, the quantification is represented as a loop which leads to a runtime blowup, especially if quantifiers are nested. This work explains four different possibilities to reduce the execution time of the oracle by manipulating the quantified formular whereas this approach is only applicable if the quantified variables are of type Integer.
This thesis introduces fnnlib, a C++ library for recurrent neural network simulations that I developed between October 2009 and March 2010 at Osaka University's Graduate School of Engineering. After covering the theory behind recurrent neural networks, backpropagation through time, recurrent neural networks with parametric bias, continuous-time recurrent neural networks, and echo state networks, the design of the library is explained. All of the classes as well as their interrelationships are presented along with reasons as to why certain design decisions were made. Towards the end of the thesis, a small practical example is shown. Also, fnnlib is compared to other neural network libraries.
Software is vital for modern society. The efficient development of correct and reliable software is of ever-growing importance. An important technique to achieve this goal is deductive program verification: the construction of logical proofs that programs are correct. In this thesis, we address three important challenges for deductive verification on its way to a wider deployment in the industry: 1. verification of thread-based concurrent programs 2. correctness management of verification systems 3. change management in the verification process. These are consistently brought up by practitioners when applying otherwise mature verification systems. The three challenges correspond to the three parts of this thesis (not counting the introductory first part, providing technical background on the KeY verification approach). In the first part, we define a novel program logic for specifying correctness properties of object-oriented programs with unbounded thread-based concurrency. We also present a calculus for the above logic, which allows verifying actual Java programs. The calculus is based on symbolic execution resulting in its good understandability for the user. We describe the implementation of the calculus in the KeY verification system and present a case study. In the second part, we provide a first systematic survey and appraisal of factors involved in reliability of formal reasoning. We elucidate the potential and limitations of self-application of formal methods in this area and give recommendations based on our experience in design and operation of verification systems. In the third part, we show how the technique of similarity-based proof reuse can be applied to the problems of industrial verification life cycle. We address issues (e.g., coping with changes in the proof system) that are important in verification practice, but have been neglected by research so far.