Ontologiebasierte Werkzeuge zur Unterstützung von Organisationen bei der Einführung und Durchführung von Wissensmanagement

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Softwarewerkzeuge für die technische Unterstützung von Wissensmanagement (WM) konzipiert und technisch umgesetzt, die zum einen den Reifegrad von Unternehmen unter Verwendung von beliebigen Reifegradmodellen für WM erfassen und darauf basierend Handlungsempfehlungen zur Verfügung stellen, zum anderen auf das Anforderungsprofil eines Unternehmens zugeschnittene Best Practices für WM identifizieren und auf die neue Unternehmenssituation übertragen

Ontologiebasierte Indexierung und Kontextualisierung multimedialer Dokumente für das persönliche Wissensmanagement

Die Verwaltung persönlicher, multimedialer Dokumente kann mit Hilfe semantischer Technologien und Ontologien intelligent und effektiv unterstützt werden. Dies setzt jedoch Verfahren voraus, die den grundlegenden Annotations- und Bearbeitungsaufwand für den Anwender minimieren und dabei eine ausreichende Datenqualität und -konsistenz sicherstellen. Im Rahmen der Dissertation wurden notwendige Mechanismen zur semi-automatischen Modellierung und Wartung semantischer Dokumentenbeschreibungen spezifiziert. Diese bildeten die Grundlage für den Entwurf einer komponentenbasierten, anwendungsunabhängigen Architektur als Basis für die Entwicklung innovativer, semantikbasierter Lösungen zur persönlichen Dokumenten- und Wissensverwaltung.Personal multimedia document management benefits from Semantic Web technologies and the application of ontologies. However, an ontology-based document management system has to meet a number of challenges regarding flexibility, soundness, and controllability of the semantic data model. The first part of the dissertation proposes necessary mechanisms for the semi-automatic modeling and maintenance of semantic document descriptions. The second part introduces a component-based, application-independent architecture which forms the basis for the development of innovative, semantic-driven solutions for personal document and information management

Automatisierte, minimalinvasive Sicherheitsanalyse und Vorfallreaktion für industrielle Systeme

Automated defense and prevention measures designed to protect industrial automation and control systems often compromise their real-time processing, resilience and redundancy. Therefore, they need to be performed as non-invasively as possible. Nevertheless, particularly minimally invasive security analysis and incident response are still poorly researched. This work presents solutions based on new semantic- and SDN-based approaches to some of the most important problems in these areas

Automatisierte, minimalinvasive Sicherheitsanalyse und Vorfallreaktion für industrielle Systeme

Industrielle Steuerungs- und Automatisierungssysteme erleben in den letzten Jahren eine zunehmende Vernetzung und bestehen mehr und mehr aus Komponenten, bei denen Off-the-Shelf-Software und offene Standards zum Einsatz kommen. Neben den unbestreitbaren Vorteilen, die diese Entwicklungen mit sich bringen, vergrößert sich damit jedoch auch die Angriffsfläche solcher Systeme. Gleichzeitig führt die, durch diese Evolution entstehende, zusätzliche Flexibilität zu zusätzlicher Komplexität in der Konfiguration und einer Zunahme von ausnutzbaren Schwachstellen. Die Homogenität der Soft- und Hardware macht die Ausnutzung dieser Schwachstellen für Angreifer zudem attraktiver, da weniger Aufwand in Individualangriffe fließen muss. Es ist so nicht verwunderlich, dass die Anzahl von Angriffen betroffener industrieller Systeme in den letzten fünfzehn Jahren einen deutlichen Zuwachs erfahren hat. Dies ist besonders bedenklich, weil erfolgreiche Angriffe auf diese Systeme, anders als in der Büro-IT, oft gefährliche Auswirkungen auf ihre Umwelt haben. Wie auch in anderen Domänen mit hoher technologischer Komplexität, haben sich computergestützte Verfahren zu einem wichtigen Bestandteil industrieller Systeme entwickelt. Sie werden dabei u.a. zur Sicherstellung korrekter Konfiguration, Identifikation von Schwachstellen, Bedrohungen und Gegenmaßnahmen, sowie Angriffsdetektion und -reaktion eingesetzt. Allerdings bestehen aufgrund der Garantien industrieller Systeme und ihrer Netzwerke bezüglich Aspekten wie Echtzeitverarbeitung, Ausfallsicherheit und Redundanz, Einschränkungen im Einsatz von Werkzeugen und Maßnahmen. Um also möglichst wenig in das System einzugreifen, müssen beispielsweise Sicherheitsanalysen und Vorfallreaktionen so wenig invasiv wie möglich (minimalinvasiv) durchgeführt werden. Für automatisierte Sicherheitsanalysen hat es sich daher zur guten Praxis entwickelt, Modelle der Systeme zu erstellen und diese computergestützt zu analysieren. Als besonders geeignet haben sich in der Forschung dabei wissensbasierte, bzw. ontologiebasierte, Ansätze erwiesen. Existierende Lösungen leiden jedoch unter Problemen wie der fehlenden Konfigurierbarkeit für unterschiedliche Umgebungen, der fehlenden Optimierbarkeit (da in der Regel nur bestimmte Inferenzmechanismen anwendbar sind), der fehlenden Wiederverwendbarkeit und Austauschbarkeit von Modellerweiterungsschritten und Analysen, der fehlenden Unterstützung verschiedener Akteure und mehrerer Analysearten wie Bedrohungs-, Schwachstellen-, Konfigurations- und Konformitätsanalysen, sowie der mangelnden technischen Detailtiefe und Komponentenabdeckung, um bestimmte Analysen überhaupt durchführen zu können. Bei der Vorfallreaktion sind die genannten Garantien sogar der Grund für den Mangel an Lösungen, die in industriellen Systemen eingesetzt werden können. Denn der Großteil der automatisierbaren Reaktionen liegt im Gebiet der Abschottung und greift somit garantiegefährdend in das entsprechende System ein. In dieser Dissertation werden die eben aufgezählten Probleme der Sicherheitsanalyse und Vorfallreaktion adressiert. Für die Sicherheitsanalyse wurden Konzepte und Methoden entwickelt, die jedes der aufgezählten Probleme mindern oder lösen. Dafür wird unter anderem eine auf den offenen Standards AutomationML und OPC UA basierende Methode zur Modellierung und Extraktion von Netzwerkinformationen aus Engineering-Werkzeugen, Untersuchungsergebnisse verschiedener Abbildungsstrategien zur Erstellung ontologiebasierter Digitaler Zwillinge, ein Konzept zur Sprachenunabhängigen Modellerzeugung für Netzwerkzugriffskontrollinstanzen und Konzepte und Methoden zur wiederverwendbaren, austauschbaren, automatisierten Modellverarbeitung und Sicherheitsanalyse für mehrere Analysearten vorgestellt. Für diese und damit verbundene Konzepte und Methoden wurde zudem ein konsistentes, auf Separation-of-Concerns basierendes Rahmenwerk für wissensbasierte Sicherheitsanalyselösungen entworfen, prototypisch implementiert und evaluiert. Das Rahmenwerk, die Implementierung und die Ergebnisse der Evaluationen werden ebenfalls in dieser Arbeit vorgestellt. Damit wird die erste Lösung für die zuvor genannten Probleme präsentiert und eine Basis für eine neue Art von kollaborativ verwalt- und optimierbaren Sicherheitsanalysen geschaffen. Des Weiteren wird ein Konzept zur automatisierten Vorfallreaktion auf Basis des Netzwerkparadigmas Software-Defined-Networking (SDN) vorgestellt. Dabei wird ein Ansatz gewählt, der auf vordefinierten Reaktionen auf sicherheitsrelevante Ereignisse basiert und diese über Restriktionen individuell und automatisiert einschränkt. Wobei sich die Restriktionen auf explizit modelliertes Wissen über zu schützende Endgeräte, Netzwerkkomponenten und Verbindungen stützen. Das Konzept nutzt außerdem aus, dass die Netzwerksteuerung durch den SDN-Controller auf detaillierten Daten über die aktuelle Netzwerktopologie verfügt und verwendet die optimierten Algorithmen des SDN-Controllers zur Neukonfiguration. Mit dem Konzept wird ein Ansatz präsentiert, der es erstmals ermöglicht, auch in industriellen Systemen die Vorteile automatisierter Vorfallreaktion, wie die kurze Reaktionszeit und verfügbare Topologiekenntnis, zu nutzen

Automatisierte, minimalinvasive Sicherheitsanalyse und Vorfallreaktion für industrielle Systeme

Automated defense and prevention measures designed to protect industrial automation and control systems often compromise their real-time processing, resilience and redundancy. Therefore, they need to be performed as non-invasively as possible. Nevertheless, particularly minimally invasive security analysis and incident response are still poorly researched. This work presents solutions based on new semantic- and SDN-based approaches to some of the most important problems in these areas

Evolution von ontologiebasierten Mappings in den Lebenswissenschaften

Im Bereich der Lebenswissenschaften steht eine große und wachsende Menge heterogener Datenquellen zur Verfügung, welche häufig in quellübergreifenden Analysen und Auswertungen miteinander kombiniert werden. Um eine einheitliche und strukturierte Erfassung von Wissen sowie einen formalen Austausch zwischen verschiedenen Applikationen zu erleichtern, kommen Ontologien und andere strukturierte Vokabulare zum Einsatz. Sie finden Anwendung in verschiedenen Domänen wie der Molekularbiologie oder Chemie und dienen zumeist der Annotation realer Objekte wie z.B. Gene oder Literaturquellen. Unterschiedliche Ontologien enthalten jedoch teilweise überlappendes Wissen, so dass die Bestimmung einer Abbildung (Ontologiemapping) zwischen ihnen notwendig ist. Oft ist eine manuelle Mappingerstellung zwischen großen Ontologien kaum möglich, weshalb typischerweise automatische Verfahren zu deren Abgleich (Matching) eingesetzt werden. Aufgrund neuer Forschungserkenntnisse und Nutzeranforderungen verändern sich die Ontologien kontinuierlich weiter. Die Evolution der Ontologien hat wiederum Auswirkungen auf abhängige Daten wie beispielsweise Annotations- und Ontologiemappings, welche entsprechend aktualisiert werden müssen. Im Rahmen dieser Arbeit werden neue Methoden und Algorithmen zum Umgang mit der Evolution ontologie-basierter Mappings entwickelt. Dabei wird die generische Infrastruktur GOMMA zur Verwaltung und Analyse der Evolution von Ontologien und Mappings genutzt und erweitert. Zunächst wurde eine vergleichende Analyse der Evolution von Ontologiemappings für drei Subdomänen der Lebenswissenschaften durchgeführt. Ontologien sowie Mappings unterliegen teilweise starken Änderungen, wobei die Evolutionsintensität von der untersuchten Domäne abhängt. Insgesamt zeigt sich ein deutlicher Einfluss von Ontologieänderungen auf Ontologiemappings. Dementsprechend können bestehende Mappings infolge der Weiterentwicklung von Ontologien ungültig werden, so dass sie auf aktuelle Ontologieversionen migriert werden müssen. Dabei sollte eine aufwendige Neubestimmung der Mappings vermieden werden. In dieser Arbeit werden zwei generische Algorithmen zur (semi-) automatischen Adaptierung von Ontologiemappings eingeführt. Ein Ansatz basiert auf der Komposition von Ontologiemappings, wohingegen der andere Ansatz eine individuelle Behandlung von Ontologieänderungen zur Adaptierung der Mappings erlaubt. Beide Verfahren ermöglichen die Wiederverwendung unbeeinflusster, bereits bestätigter Mappingteile und adaptieren nur die von Änderungen betroffenen Bereiche der Mappings. Eine Evaluierung für sehr große, biomedizinische Ontologien und Mappings zeigt, dass beide Verfahren qualitativ hochwertige Ergebnisse produzieren. Ähnlich zu Ontologiemappings werden auch ontologiebasierte Annotationsmappings durch Ontologieänderungen beeinflusst. Die Arbeit stellt einen generischen Ansatz zur Bewertung der Qualität von Annotationsmappings auf Basis ihrer Evolution vor. Verschiedene Qualitätsmaße erlauben die Identifikation glaubwürdiger Annotationen beispielsweise anhand ihrer Stabilität oder Herkunftsinformationen. Eine umfassende Analyse großer Annotationsdatenquellen zeigt zahlreiche Instabilitäten z.B. aufgrund temporärer Annotationslöschungen. Dementsprechend stellt sich die Frage, inwieweit die Datenevolution zu einer Veränderung von abhängigen Analyseergebnissen führen kann. Dazu werden die Auswirkungen der Ontologie- und Annotationsevolution auf sogenannte funktionale Analysen großer biologischer Datensätze untersucht. Eine Evaluierung anhand verschiedener Stabilitätsmaße erlaubt die Bewertung der Änderungsintensität der Ergebnisse und gibt Aufschluss, inwieweit Nutzer mit einer signifikanten Veränderung ihrer Ergebnisse rechnen müssen. Darüber hinaus wird GOMMA um effiziente Verfahren für das Matching sehr großer Ontologien erweitert. Diese werden u.a. für den Abgleich neuer Konzepte während der Adaptierung von Ontologiemappings benötigt. Viele der existierenden Match-Systeme skalieren nicht für das Matching besonders großer Ontologien wie sie im Bereich der Lebenswissenschaften auftreten. Ein effizienter, kompositionsbasierter Ansatz gleicht Ontologien indirekt ab, indem existierende Mappings zu Mediatorontologien wiederverwendet und miteinander kombiniert werden. Mediatorontologien enthalten wertvolles Hintergrundwissen, so dass sich die Mappingqualität im Vergleich zu einem direkten Matching verbessern kann. Zudem werden generelle Strategien für das parallele Ontologie-Matching unter Verwendung mehrerer Rechenknoten vorgestellt. Eine größenbasierte Partitionierung der Eingabeontologien verspricht eine gute Lastbalancierung und Skalierbarkeit, da kleinere Teilaufgaben des Matchings parallel verarbeitet werden können. Die Evaluierung im Rahmen der Ontology Alignment Evaluation Initiative (OAEI) vergleicht GOMMA und andere Systeme für das Matching von Ontologien in verschiedenen Domänen. GOMMA kann u.a. durch Anwendung des parallelen und kompositionsbasierten Matchings sehr gute Ergebnisse bezüglich der Effektivität und Effizienz des Matchings, insbesondere für Ontologien aus dem Bereich der Lebenswissenschaften, erreichen.In the life sciences, there is an increasing number of heterogeneous data sources that need to be integrated and combined in comprehensive analysis tasks. Often ontologies and other structured vocabularies are used to provide a formal representation of knowledge and to facilitate data exchange between different applications. Ontologies are used in different domains like molecular biology or chemistry. One of their most important applications is the annotation of real-world objects like genes or publications. Since different ontologies can contain overlapping knowledge it is necessary to determine mappings between them (ontology mappings). A manual mapping creation can be very time-consuming or even infeasible such that (semi-) automatic ontology matching methods are typically applied. Ontologies are not static but underlie continuous modifications due to new research insights and changing user requirements. The evolution of ontologies can have impact on dependent data like annotation or ontology mappings. This thesis presents novel methods and algorithms to deal with the evolution of ontology-based mappings. Thereby the generic infrastructure GOMMA is used and extended to manage and analyze the evolution of ontologies and mappings. First, a comparative evolution analysis for ontologies and mappings from three life science domains shows heavy changes in ontologies and mappings as well as an impact of ontology changes on the mappings. Hence, existing ontology mappings can become invalid and need to be migrated to current ontology versions. Thereby an expensive redetermination of the mappings should be avoided. This thesis introduces two generic algorithms to (semi-) automatically adapt ontology mappings: (1) a composition-based adaptation relies on the principle of mapping composition, and (2) a diff-based adaptation algorithm allows for individually handling change operations to update mappings. Both approaches reuse unaffected mapping parts, and adapt only affected parts of the mappings. An evaluation for very large biomedical ontologies and mappings shows that both approaches produce ontology mappings of high quality. Similarly, ontology changes may also affect ontology-based annotation mappings. The thesis introduces a generic evaluation approach to assess the quality of annotation mappings based on their evolution. Different quality measures allow for the identification of reliable annotations, e.g., based on their stability or provenance information. A comprehensive analysis of large annotation data sources shows numerous instabilities, e.g., due to the temporary absence of annotations. Such modifications may influence results of dependent applications such as functional enrichment analyses that describe experimental data in terms of ontological groupings. The question arises to what degree ontology and annotation changes may affect such analyses. Based on different stability measures the evaluation assesses change intensities of application results and gives insights whether users need to expect significant changes of their analysis results. Moreover, GOMMA is extended by large-scale ontology matching techniques. Such techniques are useful, a.o., to match new concepts during ontology mapping adaptation. Many existing match systems do not scale for aligning very large ontologies, e.g., from the life science domain. One efficient composition-based approach indirectly computes ontology mappings by reusing and combining existing mappings to intermediate ontologies. Intermediate ontologies can contain useful background knowledge such that the mapping quality can be improved compared to a direct match approach. Moreover, the thesis introduces general strategies for matching ontologies in parallel using several computing nodes. A size-based partitioning of the input ontologies enables good load balancing and scalability since smaller match tasks can be processed in parallel. The evaluation of the Ontology Alignment Evaluation Initiative (OAEI) compares GOMMA and other systems in terms of matching ontologies from different domains. Using the parallel and composition-based matching, GOMMA can achieve very good results w.r.t. efficiency and effectiveness, especially for ontologies from the life science domain

Eine Methode zur Unterstützung der disziplinübergreifenden Zusammenarbeit in der Produktentwicklung auf Grundlage einer integrierten Visualisierung konzeptioneller Modelle

Die industrielle Produktentwicklung fußt auf der Zusammenarbeit verschiedener Fachbereiche. Eine integrierte Darstellung von fachlichen Modellen macht Abhängigkeiten zwischen den Fachbereichen sichtbar und gibt Abstimmungsprozessen eine anschauliche Grundlage. Dafür wird die räumliche Tiefe als Darstellungsmittel eingeführt. Modelle werden in einer 3D-Darstellung positioniert und die Abhängigkeiten sichtbar gemacht. Anhand dieser Darstellung wird die übergreifende Kommunikation gefördert