The Design and Use of a Smartphone Data Collection Tool and Accompanying Configuration Language

Understanding human behaviour is key to understanding the spread of epidemics, habit dispersion, and the efficacy of health interventions. Investigation into the patterns of and drivers for human behaviour has often been facilitated by paper tools such as surveys, journals, and diaries. These tools have drawbacks in that they can be forgotten, go unfilled, and depend on often unreliable human memories. Researcher-driven data collection mechanisms, such as interviews and direct observation, alleviate some of these problems while introducing others, such as bias and observer effects. In response to this, technological means such as special-purpose data collection hardware, wireless sensor networks, and apps for smart devices have been built to collect behavioural data. These technologies further reduce the problems experienced by more traditional behavioural research tools, but often experience problems of reliability, generality, extensibility, and ease of configuration. This document details the construction of a smartphone-based app designed to collect data on human behaviour such that the difficulties of traditional tools are alleviated while still addressing the problems faced by modern supplemental technology. I describe the app's main data collection engine and its construction, architecture, reliability, generality, and extensibility, as well as the programming language developed to configure it and its feature set. To demonstrate the utility of the tool and its configuration language, I describe how they have been used to collect data in the field. Specifically, eleven case studies are presented in which the tool's architecture, flexibility, generality, extensibility, modularity, and ease of configuration have been exploited to facilitate a variety of behavioural monitoring endeavours. I further explain how the engine performs data collection, the major abstractions it employs, how its design and the development techniques used ensure ongoing reliability, and how the engine and its configuration language could be extended in the future to facilitate a greater range of experiments that require behavioural data to be collected. Finally, features and modules of the engine's encompassing system, iEpi, are presented that have not otherwise been documented to give the reader an understanding of where the work fits into the larger data collection and processing endeavour that spawned it

(I) A Declarative Framework for ERP Systems(II) Reactors: A Data-Driven Programming Model for Distributed Applications

To those who can be swayed by argument and those who know they do not have all the answers This dissertation is a collection of six adapted research papers pertaining to two areas of research. (I) A Declarative Framework for ERP Systems: • POETS: Process-Oriented Event-driven Transaction Systems. The paper describes an ontological analysis of a small segment of the enterprise domain, namely the general ledger and accounts receivable. The result is an event-based approach to designing ERP systems and an abstract-level sketch of the architecture. • Compositional Specification of Commercial Contracts. The paper de-scribes the design, multiple semantics, and use of a domain-specific lan-guage (DSL) for modeling commercial contracts. • SMAWL: A SMAll Workflow Language Based on CCS. The paper show

Specification Languages for Preserving Consistency between Models of Different Languages

In dieser Dissertation stellen wir drei Sprachen für die Entwicklung von Werkzeugen vor, welche Systemrepräsentationen während der Softwareentwicklung konsistent halten. Bei der Entwicklung komplexer informationstechnischer Systeme ist es üblich, mehrere Programmiersprachen und Modellierungssprachen zu nutzen. Dabei werden Teile des Systems mit unterschiedlichen Sprachen konstruiert und dargestellt, um verschiedene Entwurfs- und Entwicklungstätigkeiten zu unterstützen. Die übergreifende Struktur eines Systems wird beispielsweise oft mit Hilfe einer Architekturbeschreibungssprache dargestellt. Für die Spezifikation des detaillierten Verhaltens einzelner Systemteile ist hingegen eine zustandsbasierte Modellierungssprache oder eine Allzweckprogrammiersprache geeigneter. Da die Systemteile und Entwicklungstätigkeiten in Beziehung zueinander stehen, enthalten diese Repräsentationen oftmals auch redundante Informationen. Solche partiell redundanten Repräsentationen werden meist nicht statisch genutzt, sondern evolvieren während der Systementwicklung, was zu Inkonsistenzen und damit zu fehlerhaften Entwürfen und Implementierungen führen kann. Daher sind konsistente Systemrepräsentationen entscheidend für die Entwicklung solcher Systeme. Es gibt verschiedene Ansätze, die konsistente Systemrepräsentationen dadurch erreichen, dass Inkonsistenzen vermieden werden. So ist es beispielsweise möglich, eine zentrale, redundanzfreie Repräsentation zu erstellen, welche alle Informationen enthält, um alle anderen Repräsentationen daraus projizieren zu können. Es ist jedoch nicht immer praktikabel solch eine redundanzfreie Repräsentation und editierbare Projektionen zu erstellen, insbesondere wenn existierende Sprachen und Editoren unterstützt werden müssen. Eine weitere Möglichkeit zur Umgehung von Inkonsistenzen besteht darin Änderungen einzelner Informationen nur an einer eindeutigen Quellrepräsentation zuzulassen, sodass alle anderen Repräsentationen diese Information nur lesen können. Dadurch können solche Informationen in allen lesend zugreifenden Repräsentationen immer überschrieben werden, jedoch müssen dazu alle editierbaren Repräsentationsbereiche komplett voneinander getrennt werden. Falls inkonsistente Repräsentationen während der Systementwicklung nicht völlig vermieden werden können, müssen Entwickler oder Werkzeuge aktiv die Konsistenz erhalten, wenn Repräsentationen modifiziert werden. Die manuelle Konsistenthaltung ist jedoch eine zeitaufwändige und fehleranfällige Tätigkeit. Daher werden in Forschungseinrichtungen und in der Industrie Konsistenthaltungswerkzeuge entwickelt, die teilautomatisiert Modelle während der Systementwicklung aktualisieren. Solche speziellen Software-Entwicklungswerkzeuge können mit Allzweckprogrammiersprachen und mit dedizierten Konsistenthaltungssprachen entwickelt werden. In dieser Dissertation haben wir vier bedeutende Herausforderungen identifiziert, die momentan nur unzureichend von Sprachen zur Entwicklung von Konsistenthaltungswerkzeugen adressiert werden. Erstens kombinieren diese Sprachen spezifische Unterstützung zur Konsistenthaltung nicht mit der Ausdrucksmächtigkeit und Flexibilität etablierter Allzweckprogrammiersprachen. Daher sind Entwickler entweder auf ausgewiesene Anwendungsfälle beschränkt, oder sie müssen wiederholt Lösungen für generische Konsistenthaltungsprobleme entwickeln. Zweitens unterstützen diese Sprachen entweder lösungs- oder problemorientierte Programmierparadigmen, sodass Entwickler gezwungen sind, Erhaltungsinstruktionen auch in Fällen anzugeben, in denen Konsistenzdeklarationen ausreichend wären. Drittens abstrahieren diese Sprachen nicht von genügend Konsistenthaltungsdetails, wodurch Entwickler explizit beispielsweise Erhaltungsrichtungen, Änderungstypen oder Übereinstimmungsprobleme berücksichtigen müssen. Viertens führen diese Sprachen zu Erhaltungsverhalten, das oft vom konkreten Anwendungsfall losgelöst zu sein scheint, wenn Interpreter und Übersetzer Code ausführen oder erzeugen, der zur Realisierung einer spezifischen Konsistenzspezifikation nicht benötigt wird. Um diese Probleme aktueller Ansätze zu adressieren, leistet diese Dissertation die folgenden Beiträge: Erstens stellen wir eine Sammlung und Klassifizierung von Herausforderungen der Konsistenthaltung vor. Dabei diskutieren wir beispielsweise, welche Herausforderungen nicht bereits adressiert werden sollten, wenn Konsistenz spezifiziert wird, sondern erst wenn sie durchgesetzt wird. Zweitens führen wir einen Ansatz zur Erhaltung von Konsistenz gemäß abstrakter Spezifikationen ein und formalisieren ihn mengentheoretisch. Diese Formalisierung ist unabhängig davon wie Konsistenzdurchsetzungen letztendlich realisiert werden. Mit dem vorgestellten Ansatz wird Konsistenz immer anhand von beobachteten Editieroperationen bewahrt, um bekannte Probleme zur Berechnung von Übereinstimmungen und Differenzen zu vermeiden. Schließlich stellen wir drei neue Sprachen zur Entwicklung von Werkzeugen vor, die den vorgestellten, spezifikationsgeleiteten Ansatz verfolgen und welche wir im Folgenden kurz erläutern. Wir präsentieren eine imperative Sprache, die verwendet werden kann, um präzise zu spezifizieren, wie Modelle in Reaktion auf spezifische Änderungen aktualisiert werden müssen, um Konsistenz in eine Richtung zu erhalten. Diese Reaktionssprache stellt Lösungen für häufige Probleme bereit, wie beispielsweise die Identifizierung und das Abrufen geänderter oder korrespondierender Modellelemente. Außerdem erreicht sie eine uneingeschränkte Ausdrucksmächtigkeit, indem sie Entwicklern ermöglicht, auf eine Allzweckprogrammiersprache zurückzugreifen. Eine zweite, bidirektionale Sprache für abstrakte Abbildungen kann für Fälle verwendet werden, in denen verschiedene Änderungsoperationen nicht unterschieden werden müssen und außerdem die Erhaltungsrichtung nicht immer eine Rolle spielt. Mit dieser Abbildungssprache können Entwickler Bedingungen deklarieren, die ausdrücken, wann Modellelemente als konsistent zueinander angesehen werden sollen, ohne sich um Details der Überprüfung oder Durchsetzung von Konsistenz bemühen zu müssen. Dazu leitet der Übersetzer automatisch Durchsetzungscode aus Überprüfungen ab und bidirektionalisiert Bedingungen, die für eine Richtung der Konsistenthaltung spezifiziert wurden. Diese Bidirektionalisierung basiert auf einer erweiterbaren Menge von komponierbaren, operatorspezifischen Invertierern, die verbreitete Round-trip-Anforderungen erfüllen. Infolgedessen können Entwickler häufig vorkommende Konsistenzanforderungen konzise ausdrücken und müssen keinen Quelltext für verschiedene Konsistenthaltungsrichtungen, Änderungstypen oder Eigenschaften von Modellelementen wiederholen. Eine dritte, normative Sprache kann verwendet werden, um die vorherigen Sprachen mit parametrisierbaren Konsistenzinvarianten zu ergänzen. Diese Invariantensprache übernimmt Operatoren und Iteratoren für Elementsammlungen von der Object Constraint Language (OCL). Außerdem nimmt sie Entwicklern das Schreiben von Quelltext zur Suche nach invariantenverletzenden Elementen ab, da Abfragen, welche diese Aufgaben übernehmen, automatisch anhand von Invariantenparametern abgeleitet werden. Die drei Sprachen können in Kombination und einzeln verwendet werden. Sie ermöglichen es Entwicklern, Konsistenz unter Verwendung verschiedener Programmierparadigmen und Sprachabstraktionen zu spezifizieren. Wir stellen auch prototypische Übersetzer und Editoren für die drei Konsistenzspezifikationssprachen vor, welche auf dem Vitruvius-Rahmenwerk für Multi-Sichten-Modellierung basieren. Mit diesem Rahmenwerk werden Änderungen in textuellen und graphischen Editoren automatisch beobachtet, um Reaktionen auszulösen, Abbildungen durchzusetzen und Invarianten zu überprüfen. Dies geschieht indem der von unseren Übersetzern erzeugte Java-Code ausgeführt wird. Außerdem haben wir für alle Sprachen, die in dieser Dissertation vorgestellt werden, folgende theoretischen und praktischen Eigenschaften evaluiert: Vollständigkeit, Korrektheit, Anwendbarkeit, und Nutzen. So zeigen wir, dass die Sprachen ihre vorgesehenen Einsatzbereiche vollständig abdecken und analysieren ihre Berechnungsvollständigkeit. Außerdem diskutieren wir die Korrektheit jeder einzelnen Sprache sowie die Korrektheit einzelner Sprachmerkmale. Die operatorspezifischen Invertierer, die wir zur Bidirektionalisierung von Abbildungsbedingungen entwickelt haben, erfüllen beispielsweise immer das neu eingeführte Konzept bestmöglich erzogener Round-trips. Dieses basiert auf dem bewährten Konzept wohlerzogener Transformationen und garantiert, dass übliche Round-trip-Gesetze erfüllt werden, wann immer dies möglich ist. Wir veranschaulichen die praktische Anwendbarkeit mit Fallstudien, in denen Konsistenz erfolgreich mit Hilfe von Werkzeugen erhalten wurde, die in den von uns vorgestellten Sprachen geschrieben wurden. Zum Schluss diskutieren wir den potenziellen Nutzen unserer Sprachen und vergleichen beispielsweise Konsistenthaltungswerkzeuge die in zwei Fallstudien realisiert wurden. Die Werkzeuge, die mit der Reaktionssprache entwickelt wurden, benötigen zwischen 33% und 71% weniger Zeilen Quelltext als funktional gleichwertige Werkzeuge, die mit in Java oder dem Java-Dialekt Xtend entwickelt wurden

Resource-based Verification for Robust Composition of Aspects

Aspect Oriented Software Development has been proposed as a means to improve modularization of software in the presence of crosscutting concerns. Compared to object-oriented or procedural approaches, Aspect Oriented Programming (AOP) has not yet been applied in many industrial applications. In this thesis we investigate the application of AOP within an industrial context and propose a novel solution to the problem of behavioral conflicts between aspects. We report on our experience transferring an aspect-oriented solution to a company called Advanced Semi-conductor Material Lithography (ASML). We investigate the acceptance criteria for AOP in industry, based on two industrial cases studies. We present a process that includes quantification of the benefits of AOP and elicitation of key worries expressed by stakeholders. We conducted a controlled experiment to assess the advantages and disadvantages of an aspect-based approach using a tracing example. Twenty developers from ASML were requested to carry out five maintenance scenarios. This experiment has shown that, in case the tracing concern is implemented using an AOP implementation instead of a procedural language, the development effort is on average 6% reduced while the impact of errors is reduced by 77%, for maintaining code related to tracing. For a subset of the scenarios, the results were statistically significant on a confidence interval of 95%. The so-called aspect interference problem is one of the major concerns in introducing AOP. Aspects can be developed independently and behave correct in isolation. However, due to intended or unintended composition of aspects, undesired behavior can emerge. In this thesis we focus on behavioral conflicts between aspects at shared join points. These are illustrated by a realistic example based on crosscutting concerns from ASML. We present an approach for the detection of behavioral interference that is based on a novel abstraction of the behavior of aspects, using resources and operations. This abstraction enables the expression of behavior in a simple manner that is suitable for automated detection of interference among aspects. The approach employs a set of conflict detection rules that can be used to detect both generic conflicts as well as domain specific conflicts. Our approach is general for AOP languages, its application to one specific AOP language Composition Filters is also illustrated in this thesis. The application to Composition Filters demonstrates how the use of a declarative advice language can be exploited for automated conflict detection. We detail the analysis process and discuss what information is required from the aspect developer to be able perform the analysis. We also discuss when static analysis is insufficient for detecting behavioral conflicts. We present a run time extension aiming at detecting dynamic conflicts. We discuss optimizations for this run time approach, which exploits the static verification results. Finally, we propose three improvements to the Composition Filters model to support automated and manual reasoning even further. The first improvement separates what behavior is executed from when this behavior is executed. Secondly, we introduce atomic filters that can be used to build more complex filters. The semantics of these filters are well defined. Although this approach has clear benefits from an automated reasoning perspective, the introduction of atomic filters results in the definition of numerous filters for specifying more complex behavior. Therefore, we introduce a filter composition language that enables the declarative composition of (atomic) filters, such that composed filter behavior can be reused elsewhere

Model driven design and data integration in semantic web information systems

The Web is quickly evolving in many ways. It has evolved from a Web of documents into a Web of applications in which a growing number of designers offer new and interactive Web applications with people all over the world. However, application design and implementation remain complex, error-prone and laborious. In parallel there is also an evolution from a Web of documents into a Web of `knowledge' as a growing number of data owners are sharing their data sources with a growing audience. This brings the potential new applications for these data sources, including scenarios in which these datasets are reused and integrated with other existing and new data sources. However, the heterogeneity of these data sources in syntax, semantics and structure represents a great challenge for application designers. The Semantic Web is a collection of standards and technologies that offer solutions for at least the syntactic and some structural issues. If offers semantic freedom and flexibility, but this leaves the issue of semantic interoperability. In this thesis we present Hera-S, an evolution of the Model Driven Web Engineering (MDWE) method Hera. MDWEs allow designers to create data centric applications using models instead of programming. Hera-S especially targets Semantic Web sources and provides a flexible method for designing personalized adaptive Web applications. Hera-S defines several models that together define the target Web application. Moreover we implemented a framework called Hydragen, which is able to execute the Hera-S models to run the desired Web application. Hera-S' core is the Application Model (AM) in which the main logic of the application is defined, i.e. defining the groups of data elements that form logical units or subunits, the personalization conditions, and the relationships between the units. Hera-S also uses a so-called Domain Model (DM) that describes the content and its structure. However, this DM is not Hera-S specific, but instead allows any Semantic Web source representation as its DM, as long as its content can be queried by the standardized Semantic Web query language SPARQL. The same holds for the User Model (UM). The UM can be used for personalization conditions, but also as a source of user-related content if necessary. In fact, the difference between DM and UM is conceptual as their implementation within Hydragen is the same. Hera-S also defines a presentation model (PM) which defines presentation details of elements like order and style. In order to help designers with building their Web applications we have introduced a toolset, Hera Studio, which allows to build the different models graphically. Hera Studio also provides some additional functionality like model checking and deployment of the models in Hydragen. Both Hera-S and its implementation Hydragen are designed to be flexible regarding the user of models. In order to achieve this Hydragen is a stateless engine that queries for relevant information from the models at every page request. This allows the models and data to be changed in the datastore during runtime. We show that one way to exploit this flexibility is by applying aspect-orientation to the AM. Aspect-orientation allows us to dynamically inject functionality that pervades the entire application. Another way to exploit Hera-S' flexibility is in reusing specialized components, e.g. for presentation generation. We present a configuration of Hydragen in which we replace our native presentation generation functionality by the AMACONT engine. AMACONT provides more extensive multi-level presentation generation and adaptation capabilities as well aspect-orientation and a form of semantic based adaptation. Hera-S was designed to allow the (re-)use of any (Semantic) Web datasource. It even opens up the possibility for data integration at the back end, by using an extendible storage layer in our database of choice Sesame. However, even though theoretically possible it still leaves much of the actual data integration issue. As this is a recurring issue in many domains, a broader challenge than for Hera-S design only, we decided to look at this issue in isolation. We present a framework called Relco which provides a language to express data transformation operations as well as a collection of techniques that can be used to (semi-)automatically find relationships between concepts in different ontologies. This is done with a combination of syntactic, semantic and collaboration techniques, which together provide strong clues for which concepts are most likely related. In order to prove the applicability of Relco we explore five application scenarios in different domains for which data integration is a central aspect. This includes a cultural heritage portal, Explorer, for which data from several datasources was integrated and was made available by a mapview, a timeline and a graph view. Explorer also allows users to provide metadata for objects via a tagging mechanism. Another application is SenSee: an electronic TV-guide and recommender. TV-guide data was integrated and enriched with semantically structured data from several sources. Recommendations are computed by exploiting the underlying semantic structure. ViTa was a project in which several techniques for tagging and searching educational videos were evaluated. This includes scenarios in which user tags are related with an ontology, or other tags, using the Relco framework. The MobiLife project targeted the facilitation of a new generation of mobile applications that would use context-based personalization. This can be done using a context-based user profiling platform that can also be used for user model data exchange between mobile applications using technologies like Relco. The final application scenario that is shown is from the GRAPPLE project which targeted the integration of adaptive technology into current learning management systems. A large part of this integration is achieved by using a user modeling component framework in which any application can store user model information, but which can also be used for the exchange of user model data

Empirical modelling for participative business process reengineering

The purpose of this thesis is to introduce a new broad approach to computing - Empirical Modelling (EM) - and to propose a way of applying this approach for system development so as to avoid the limitations of conventional approaches and integrate system development with business process reengineering (BPR). Based on the concepts of agency, observable and dependency, EM is an experiencebased approach to modelling with computers in which the modeller interacts with an artefact through continuous observations and experiments. It is a natural way of working for business process modelling because the modeller is involved in, and takes account of, the real world context. It is also adaptable to a rapidly changing environment as the computer-based models serve as creative artefacts with which the modeller can interact in a situated and open-ended manner. This thesis motivates and illustrates the EM approach to new concepts of participative BPR and participative process modelling. That is, different groups of people, with different perceptions, competencies and requirements, can be involved during the process of system development and BPR, rather than just being involved at an early stage. This concept aims to address the well-known high failure rate of BPR. A framework SPORE (situated process of requirements engineering), which has been proposed to guide the process of cultivating requirements in a situated manner, is extended to participative BPR (i.e. to support many users in a distributed environment). Two levels of modelling are proposed for the integration of contextual understanding and system development. A comparison between EM and object-orientation is also provided to give insight into how EM differs from current methodologies and to point out the potential of EM in system development and BPR. The ISMs (interactive situation models), built using the principles and tools of EM, are used to form artefacts during the modelling process. A warehouse and logistics management system is taken as an illustrative case study for applying this framework

Semantic discovery and reuse of business process patterns

Patterns currently play an important role in modern information systems (IS) development and their use has mainly been restricted to the design and implementation phases of the development lifecycle. Given the increasing significance of business modelling in IS development, patterns have the potential of providing a viable solution for promoting reusability of recurrent generalized models in the very early stages of development. As a statement of research-in-progress this paper focuses on business process patterns and proposes an initial methodological framework for the discovery and reuse of business process patterns within the IS development lifecycle. The framework borrows ideas from the domain engineering literature and proposes the use of semantics to drive both the discovery of patterns as well as their reuse