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    Language Design for Reactive Systems: On Modal Models, Time, and Object Orientation in Lingua Franca and SCCharts

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    Reactive systems play a crucial role in the embedded domain. They continuously interact with their environment, handle concurrent operations, and are commonly expected to provide deterministic behavior to enable application in safety-critical systems. In this context, language design is a key aspect, since carefully tailored language constructs can aid in addressing the challenges faced in this domain, as illustrated by the various concurrency models that prevent the known pitfalls of regular threads. Today, many languages exist in this domain and often provide unique characteristics that make them specifically fit for certain use cases. This thesis evolves around two distinctive languages: the actor-oriented polyglot coordination language Lingua Franca and the synchronous statecharts dialect SCCharts. While they take different approaches in providing reactive modeling capabilities, they share clear similarities in their semantics and complement each other in design principles. This thesis analyzes and compares key design aspects in the context of these two languages. For three particularly relevant concepts, it provides and evaluates lean and seamless language extensions that are carefully aligned with the fundamental principles of the underlying language. Specifically, Lingua Franca is extended toward coordinating modal behavior, while SCCharts receives a timed automaton notation with an efficient execution model using dynamic ticks and an extension toward the object-oriented modeling paradigm

    UMSL Bulletin 2023-2024

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    The 2023-2024 Bulletin and Course Catalog for the University of Missouri St. Louis.https://irl.umsl.edu/bulletin/1088/thumbnail.jp

    Formally verified animation for RoboChart using interaction trees

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    RoboChart is a core notation in the RoboStar framework. It is a timed and probabilistic domain-specific and state machine-based language for robotics. RoboChart supports shared variables and communication across entities in its component model. It has formal denotational semantics given in CSP. The semantic technique of Interaction Trees (ITrees) represents behaviours of reactive and concurrent programs interacting with their environments. Recent mechanisation of ITrees, ITree-based CSP semantics and a Z mathematical toolkit in Isabelle/HOL bring new applications of verification and animation for state-rich process languages, such as RoboChart. In this paper, we use ITrees to give RoboChart novel operational semantics, implement it in Isabelle, and use Isabelle’s code generator to generate verified and executable animations. We illustrate our approach using an autonomous chemical detector and patrol robot models, exhibiting nondeterminism and using shared variables. With animation, we show two concrete scenarios for the chemical detector when the robot encounters different environmental inputs and three for the patrol robot when its calibrated position is in other corridor sections. We also verify that the animated scenarios are trace refinements of the CSP denotational semantics of the RoboChart models using FDR, a refinement model checker for CSP. This ensures that our approach to resolve nondeterminism using CSP operators with priority is sound and correct

    UMSL Bulletin 2022-2023

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    The 2022-2023 Bulletin and Course Catalog for the University of Missouri St. Louis.https://irl.umsl.edu/bulletin/1087/thumbnail.jp

    Current and Future Challenges in Knowledge Representation and Reasoning

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    Knowledge Representation and Reasoning is a central, longstanding, and active area of Artificial Intelligence. Over the years it has evolved significantly; more recently it has been challenged and complemented by research in areas such as machine learning and reasoning under uncertainty. In July 2022 a Dagstuhl Perspectives workshop was held on Knowledge Representation and Reasoning. The goal of the workshop was to describe the state of the art in the field, including its relation with other areas, its shortcomings and strengths, together with recommendations for future progress. We developed this manifesto based on the presentations, panels, working groups, and discussions that took place at the Dagstuhl Workshop. It is a declaration of our views on Knowledge Representation: its origins, goals, milestones, and current foci; its relation to other disciplines, especially to Artificial Intelligence; and on its challenges, along with key priorities for the next decade

    Rethink Digital Health Innovation: Understanding Socio-Technical Interoperability as Guiding Concept

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    Diese Dissertation sucht nach einem theoretischem Grundgerüst, um komplexe, digitale Gesundheitsinnovationen so zu entwickeln, dass sie bessere Erfolgsaussichten haben, auch in der alltäglichen Versorgungspraxis anzukommen. Denn obwohl es weder am Bedarf von noch an Ideen für digitale Gesundheitsinnovationen mangelt, bleibt die Flut an erfolgreich in der Praxis etablierten Lösungen leider aus. Dieser unzureichende Diffusionserfolg einer entwickelten Lösung - gern auch als Pilotitis pathologisiert - offenbart sich insbesondere dann, wenn die geplante Innovation mit größeren Ambitionen und Komplexität verbunden ist. Dem geübten Kritiker werden sofort ketzerische Gegenfragen in den Sinn kommen. Beispielsweise was denn unter komplexen, digitalen Gesundheitsinnovationen verstanden werden soll und ob es überhaupt möglich ist, eine universale Lösungsformel zu finden, die eine erfolgreiche Diffusion digitaler Gesundheitsinnovationen garantieren kann. Beide Fragen sind nicht nur berechtigt, sondern münden letztlich auch in zwei Forschungsstränge, welchen ich mich in dieser Dissertation explizit widme. In einem ersten Block erarbeite ich eine Abgrenzung jener digitalen Gesundheitsinnovationen, welche derzeit in Literatur und Praxis besondere Aufmerksamkeit aufgrund ihres hohen Potentials zur Versorgungsverbesserung und ihrer resultierenden Komplexität gewidmet ist. Genauer gesagt untersuche ich dominante Zielstellungen und welche Herausforderung mit ihnen einhergehen. Innerhalb der Arbeiten in diesem Forschungsstrang kristallisieren sich vier Zielstellungen heraus: 1. die Unterstützung kontinuierlicher, gemeinschaftlicher Versorgungsprozesse über diverse Leistungserbringer (auch als inter-organisationale Versorgungspfade bekannt); 2. die aktive Einbeziehung der Patient:innen in ihre Versorgungsprozesse (auch als Patient Empowerment oder Patient Engagement bekannt); 3. die Stärkung der sektoren-übergreifenden Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Versorgungpraxis bis hin zu lernenden Gesundheitssystemen und 4. die Etablierung daten-zentrierter Wertschöpfung für das Gesundheitswesen aufgrund steigender bzgl. Verfügbarkeit valider Daten, neuen Verarbeitungsmethoden (Stichwort Künstliche Intelligenz) sowie den zahlreichen Nutzungsmöglichkeiten. Im Fokus dieser Dissertation stehen daher weniger die autarken, klar abgrenzbaren Innovationen (bspw. eine Symptomtagebuch-App zur Beschwerdedokumentation). Vielmehr adressiert diese Doktorarbeit jene Innovationsvorhaben, welche eine oder mehrere der o.g. Zielstellung verfolgen, ein weiteres technologisches Puzzleteil in komplexe Informationssystemlandschaften hinzufügen und somit im Zusammenspiel mit diversen weiteren IT-Systemen zur Verbesserung der Gesundheitsversorgung und/ oder ihrer Organisation beitragen. In der Auseinandersetzung mit diesen Zielstellungen und verbundenen Herausforderungen der Systementwicklung rückte das Problem fragmentierter IT-Systemlandschaften des Gesundheitswesens in den Mittelpunkt. Darunter wird der unerfreuliche Zustand verstanden, dass unterschiedliche Informations- und Anwendungssysteme nicht wie gewünscht miteinander interagieren können. So kommt es zu Unterbrechungen von Informationsflüssen und Versorgungsprozessen, welche anderweitig durch fehleranfällige Zusatzaufwände (bspw. Doppeldokumentation) aufgefangen werden müssen. Um diesen Einschränkungen der Effektivität und Effizienz zu begegnen, müssen eben jene IT-System-Silos abgebaut werden. Alle o.g. Zielstellungen ordnen sich dieser defragmentierenden Wirkung unter, in dem sie 1. verschiedene Leistungserbringer, 2. Versorgungsteams und Patient:innen, 3. Wissenschaft und Versorgung oder 4. diverse Datenquellen und moderne Auswertungstechnologien zusammenführen wollen. Doch nun kommt es zu einem komplexen Ringschluss. Einerseits suchen die in dieser Arbeit thematisierten digitalen Gesundheitsinnovationen Wege zur Defragmentierung der Informationssystemlandschaften. Andererseits ist ihre eingeschränkte Erfolgsquote u.a. in eben jener bestehenden Fragmentierung begründet, die sie aufzulösen suchen. Mit diesem Erkenntnisgewinn eröffnet sich der zweite Forschungsstrang dieser Arbeit, der sich mit der Eigenschaft der 'Interoperabilität' intensiv auseinandersetzt. Er untersucht, wie diese Eigenschaft eine zentrale Rolle für Innovationsvorhaben in der Digital Health Domäne einnehmen soll. Denn Interoperabilität beschreibt, vereinfacht ausgedrückt, die Fähigkeit von zwei oder mehreren Systemen miteinander gemeinsame Aufgaben zu erfüllen. Sie repräsentiert somit das Kernanliegen der identifizierten Zielstellungen und ist Dreh- und Angelpunkt, wenn eine entwickelte Lösung in eine konkrete Zielumgebung integriert werden soll. Von einem technisch-dominierten Blickwinkel aus betrachtet, geht es hierbei um die Gewährleistung von validen, performanten und sicheren Kommunikationsszenarien, sodass die o.g. Informationsflussbrüche zwischen technischen Teilsystemen abgebaut werden. Ein rein technisches Interoperabilitätsverständnis genügt jedoch nicht, um die Vielfalt an Diffusionsbarrieren von digitalen Gesundheitsinnovationen zu umfassen. Denn beispielsweise das Fehlen adäquater Vergütungsoptionen innerhalb der gesetzlichen Rahmenbedingungen oder eine mangelhafte Passfähigkeit für den bestimmten Versorgungsprozess sind keine rein technischen Probleme. Vielmehr kommt hier eine Grundhaltung der Wirtschaftsinformatik zum Tragen, die Informationssysteme - auch die des Gesundheitswesens - als sozio-technische Systeme begreift und dabei Technologie stets im Zusammenhang mit Menschen, die sie nutzen, von ihr beeinflusst werden oder sie organisieren, betrachtet. Soll eine digitale Gesundheitsinnovation, die einen Mehrwert gemäß der o.g. Zielstellungen verspricht, in eine existierende Informationssystemlandschaft der Gesundheitsversorgung integriert werden, so muss sie aus technischen sowie nicht-technischen Gesichtspunkten 'interoperabel' sein. Zwar ist die Notwendigkeit von Interoperabilität in der Wissenschaft, Politik und Praxis bekannt und auch positive Bewegungen der Domäne hin zu mehr Interoperabilität sind zu verspüren. Jedoch dominiert dabei einerseits ein technisches Verständnis und andererseits bleibt das Potential dieser Eigenschaft als Leitmotiv für das Innovationsmanagement bislang weitestgehend ungenutzt. An genau dieser Stelle knüpft nun der Hauptbeitrag dieser Doktorarbeit an, in dem sie eine sozio-technische Konzeptualisierung und Kontextualisierung von Interoperabilität für künftige digitale Gesundheitsinnovationen vorschlägt. Literatur- und expertenbasiert wird ein Rahmenwerk erarbeitet - das Digital Health Innovation Interoperability Framework - das insbesondere Innovatoren und Innovationsfördernde dabei unterstützen soll, die Diffusionswahrscheinlichkeit in die Praxis zu erhöhen. Nun sind mit diesem Framework viele Erkenntnisse und Botschaften verbunden, die ich für diesen Prolog wie folgt zusammenfassen möchte: 1. Um die Entwicklung digitaler Gesundheitsinnovationen bestmöglich auf eine erfolgreiche Integration in eine bestimmte Zielumgebung auszurichten, sind die Realisierung eines neuartigen Wertversprechens sowie die Gewährleistung sozio-technischer Interoperabilität die zwei zusammenhängenden Hauptaufgaben eines Innovationsprozesses. 2. Die Gewährleistung von Interoperabilität ist eine aktiv zu verantwortende Managementaufgabe und wird durch projektspezifische Bedingungen sowie von externen und internen Dynamiken beeinflusst. 3. Sozio-technische Interoperabilität im Kontext digitaler Gesundheitsinnovationen kann über sieben, interdependente Ebenen definiert werden: Politische und regulatorische Bedingungen; Vertragsbedingungen; Versorgungs- und Geschäftsprozesse; Nutzung; Information; Anwendungen; IT-Infrastruktur. 4. Um Interoperabilität auf jeder dieser Ebenen zu gewährleisten, sind Strategien differenziert zu definieren, welche auf einem Kontinuum zwischen Kompatibilitätsanforderungen aufseiten der Innovation und der Motivation von Anpassungen aufseiten der Zielumgebung verortet werden können. 5. Das Streben nach mehr Interoperabilität fördert sowohl den nachhaltigen Erfolg der einzelnen digitalen Gesundheitsinnovation als auch die Defragmentierung existierender Informationssystemlandschaften und trägt somit zur Verbesserung des Gesundheitswesens bei. Zugegeben: die letzte dieser fünf Botschaften trägt eher die Färbung einer Überzeugung, als dass sie ein Ergebnis wissenschaftlicher Beweisführung ist. Dennoch empfinde ich diese, wenn auch persönliche Erkenntnis als Maxim der Domäne, der ich mich zugehörig fühle - der IT-Systementwicklung des Gesundheitswesens

    Exploiting Process Algebras and BPM Techniques for Guaranteeing Success of Distributed Activities

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    The communications and collaborations among activities, pro- cesses, or systems, in general, are the base of complex sys- tems defined as distributed systems. Given the increasing complexity of their structure, interactions, and functionali- ties, many research areas are interested in providing mod- elling techniques and verification capabilities to guarantee their correctness and satisfaction of properties. In particular, the formal methods community provides robust verification techniques to prove system properties. However, most ap- proaches rely on manually designed formal models, making the analysis process challenging because it requires an expert in the field. On the other hand, the BPM community pro- vides a widely used graphical notation (i.e., BPMN) to design internal behaviour and interactions of complex distributed systems that can be enhanced with additional features (e.g., privacy technologies). Furthermore, BPM uses process min- ing techniques to automatically discover these models from events observation. However, verifying properties and ex- pected behaviour, especially in collaborations, still needs a solid methodology. This thesis aims at exploiting the features of the formal meth- ods and BPM communities to provide approaches that en- able formal verification over distributed systems. In this con- text, we propose two approaches. The modelling-based ap- proach starts from BPMN models and produces process al- gebra specifications to enable formal verification of system properties, including privacy-related ones. The process mining- based approach starts from logs observations to automati- xv cally generate process algebra specifications to enable veri- fication capabilities

    Evaluating Architectural Safeguards for Uncertain AI Black-Box Components

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    Although tremendous progress has been made in Artificial Intelligence (AI), it entails new challenges. The growing complexity of learning tasks requires more complex AI components, which increasingly exhibit unreliable behaviour. In this book, we present a model-driven approach to model architectural safeguards for AI components and analyse their effect on the overall system reliability

    Advancements and Challenges in Object-Centric Process Mining: A Systematic Literature Review

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    Recent years have seen the emergence of object-centric process mining techniques. Born as a response to the limitations of traditional process mining in analyzing event data from prevalent information systems like CRM and ERP, these techniques aim to tackle the deficiency, convergence, and divergence issues seen in traditional event logs. Despite the promise, the adoption in real-world process mining analyses remains limited. This paper embarks on a comprehensive literature review of object-centric process mining, providing insights into the current status of the discipline and its historical trajectory
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