Modellbasierte Generierung von Benutzungsoberflächen

Die Arbeit stellt einen integrierten Gesamtprozess zur modellgetriebenen Softwareentwicklung von Benutzungsschnittstellen und Geschäftslogik vor. Dazu notwendige und unterstützende Deklarationsmodelle, sowie Modelltransformationen für dieses Verfahren, werden entwickelt und präsentiert. Weiterhin werden Meta-Modelle für Aufbau und Wartung eines HCI-Patternkatalogs vorgestellt und zur Erstellung eines solchen Kataloges benutzt. Die darin enthaltenen Einträge werden in Bezug auf Ihre softwaretechnische Komponentisierbarkeit untersucht und klassifiziert.The thesis presents an integrated model-driven approach for developing software. This approach supports the generation of user interfaces, as well as artifacts of business logic. Suitable meta models and model transformations are developed and explained. Secondly, this thesis dwells on the topic of HCI patterns. It is researched how such patterns may be classified, componentized and made use of in a model-driven process. This work eventually yields a pattern language, whose entries are declared using state-of-the-art model-driven technologies

KomBInoS - Modellgetriebene Entwicklung von multimodalen Dialogschnittstellen für Smart Services

Diese Arbeit ist angesiedelt im Kontext der drei Forschungsgebiete Smart Service Welt, Modellgetriebene Softwareentwicklung und Intelligente Benutzerschnittstellen. Das Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines ganzheitlichen Ansatzes zur effizienten Erstellung von multimodalen Dialogschnittstellen für Smart Services. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde mit KomBInoS ein umfassendes Rahmenwerk zur modellgetriebenen Erstellung solcher Benutzerschnittstellen entwickelt. Das Rahmenwerk besteht aus: (1) einer Metamodell-Architektur, welche sowohl eine modellgetriebene Entwicklung als auch die Komposition von multimodalen Dialogschnittstellen für Smart Services erlaubt, (2) einem methodischen Vorgehen, welches aus aufeinander abgestimmten Modelltransformationen, möglichen Kompositionsschritten und manuellen Entwicklungstätigkeiten besteht, sowie (3) einer integrierten Werkzeugkette als Implementierung der Methode. Es wurde außerdem eine cloud-fähige Laufzeitumgebung zur mobilen Nutzung der so erstellten Benutzerschnittstellen entwickelt. Als Proof-of-Concept werden acht Beispielanwendungen und Demonstratoren aus fünf Forschungsprojekten vorgestellt. Zusätzlich zur Smart Service Welt fand und findet KomBInoS auch Anwendung im Bereich der Industrie 4.0.This work is located in the context of the three research areas Smart Service World, Model-Driven Software Development and Intelligent User Interfaces. The aim of the work was to develop a holistic approach for the efficient creation of multimodal dialogue interfaces for Smart Services. To achieve this goal, KomBInoS was developed as a comprehensive framework for the model-driven creation of such user interfaces. The framework consists of: (1) a metamodel architecture that allows both model-driven development and the composition of multimodal dialogue interfaces for Smart Services, (2) a methodical approach consisting of coordinated model transformations, possible compositional steps and manual development activities, as well as (3) an integrated tool chain as an implementation of the method. Furthermore, a cloud-enabled runtime environment was developed for mobile use of the user interfaces created in this way. As proof-of-concept, eight sample applications and demonstrators from five research projects will be presented. In addition to the Smart Service Welt, KomBInoS was and is also used in the field of industry 4.0

Assistierte Ad-hoc-Entwicklung von kompositen Webanwendungen durch Nicht-Programmierer

Mit der steigenden Verfügbarkeit komponenten- und serviceorientiert bereitgestellter Ressourcen und Dienstleistungen entwickelt sich das Web zu einer geeigneten Plattform für vielfältige Anwendungsszenarien. Darauf aufbauend entstehen komposite Webanwendungen durch das Rekombinieren und Verknüpfen vorhandener Bausteine. Auf diese Weise kann ein funktionaler Mehrwert zur Lösung situationsspezifischer Problemstellungen erzielt werden. Zunehmend wird angestrebt, dass Endnutzer selbst als Anwendungsentwickler in Erscheinung treten. Dieses Prinzip, das End-User-Development, ist ökonomisch lukrativ, da Nischenanforderungen effizienter erfüllt werden können. Allerdings stehen dabei insbesondere Domänenexperten ohne Programmiererkenntnisse noch immer vor substantiellen Herausforderungen, wie der bedarfsgerechten Auswahl von Bausteinen und deren korrekten Komposition. Diese Dissertation stellt daher neue Methoden und Werkzeuge für das assistierte End-User-Development von kompositen Webanwendungen vor. Im Ergebnis entsteht das ganzheitliche Konzept einer Kompositionsplattform, die Nicht-Programmierer in die Lage versetzt, eigenständig Anwendungen bedarfsgerecht zu entwickeln und einzusetzen. Als zentrales Element existiert ein hochiteratives Vorgehensmodell, bei dem die Entwicklung und die Nutzung kompositer Webanwendungen weitgehend verschmelzen. Ein wesentliches Merkmal des Ansatzes ist, dass aus Nutzersicht sämtliche Aktivitäten auf fachlicher Ebene stattfinden, während die Kompositionsplattform die technische Umsetzung übernimmt und vor den Nutzern verbirgt. Grundlage hierfür sind Konzepte zur universellen Komposition und eine umfassende Modellbasis. Letztere umfasst semantikbasierte Beschreibungen von Komponenten sowie Kompositionsfragmenten und von deren Funktionalitäten (Capabilities). Weiterhin wird statistisches und semantisches Kompositionswissen sowie Nutzerfeedback modelliert. Darauf aufbauend werden neue, anwendungsunabhängige Mechanismen konzipiert. Hierzu zählt ein Empfehlungssystem, das prozessbegleitend Kompositionsschritte vorschlägt und das erstmals mit Empfehlungsstrategien in hohem Maße an seinen Einsatzkontext angepasst werden kann. Weiterhin sieht der Ansatz semantikbasierte Datenmediation und einen Algorithmus vor, der die Capabilities von Kompositionsfragmenten abschätzt. Diese Konzepte dienen schließlich als Basis für eine in sich zusammenhängende Werkzeugpalette, welche die Aktivitäten des Vorgehensmodells durchgehend unterstützt. Zum Beispiel assistiert ein Wizard Nicht-Programmierern bei der anforderungsgetriebenen Identifikation passender Kompositionsfragmente. Weitere konzipierte Hilfsmittel erlauben es Nutzern, Anwendungen live zu komponieren sowie anzupassen und deren Funktionsweise nachzuvollziehen bzw. zu untersuchen. Die Werkzeuge basieren maßgeblich auf Capabilities zur fachlichen Kommunikation mit Nutzern, als Kompositionsmetapher, zur Erklärung funktionaler Zusammenhänge und zur Erfassung von Nutzeranforderungen. Die Kernkonzepte wurden durch prototypische Implementierungen und praktische Erprobung in verschiedenen Anwendungsdomänen validiert. Zudem findet die Evaluation von Ansätzen durch Performanz-Messungen, Expertenbefragung und Nutzerstudien statt. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Konzepte für die Zielgruppe nützlich sind und als tragfähig angesehen werden können.:1 Einleitung 1.1 Analyse von Herausforderungen und Problemen 1.1.1 Zielgruppendefinition 1.1.2 Problemanalyse 1.2 Thesen, Ziele, Abgrenzung 1.2.1 Forschungsthesen 1.2.2 Forschungsziele 1.2.3 Annahmen und Abgrenzungen 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen und Anforderungsanalyse 2.1 CRUISE – Architektur und Modelle 2.1.1 Komponentenmetamodell 2.1.2 Kompositionsmodell 2.1.3 Architekturüberblick 2.1.4 Fazit 2.2 Referenzszenarien 2.2.1 Ad-hoc-Erstellung einer CWA zur Konferenzplanung 2.2.2 Geführte Recherche nach einer CWA 2.2.3 Unterstützte Nutzung einer CWA 2.3 Anforderungen 3 Stand von Forschung und Technik 3.1 Kompositionsplattformen für EUD 3.1.1 Webservice-Komposition durch Endnutzer 3.1.2 Mashup-Komposition durch Endnutzer 3.1.3 Fazit 3.2 Empfehlungssysteme im Mashupkontext 3.2.1 Empfehlungsansätze in Kompositionsplattformen 3.2.2 Nutzerfeedback in Empfehlungssystemen 3.2.3 Fazit 3.3 Eingabe funktionaler Anforderungen 3.3.1 Textuelle Ansätze 3.3.2 Graphische Anfrageformulierung 3.3.3 Hierarchische und facettierte Suche 3.3.4 Assistenten und dialogbasierte Ansätze 3.3.5 Fazit 3.4 Ansätze zur Datenmediation 3.4.1 Ontology Mediation 3.4.2 Vertreter aus dem Bereich (Semantic) Web Services 3.4.3 Datenmediation in Mashup-Plattformen 3.4.4 Fazit 3.5 Fazit zum Stand von Forschung und Technik 4 Assistiertes EUD von CWA durch Nicht-Programmierer 4.1 Assistiertes EUD von Mashups 4.1.1 Modellebene 4.1.2 Basismechanismen 4.1.3 Werkzeuge 4.2 Grobarchitektur 5 Basiskonzepte 5.1 Grundlegende Modelle 5.1.1 Capability-Metamodell 5.1.2 Erweiterungen von Komponentenmodell und SMCDL 5.1.3 Nutzer- und Kontextmodell 5.1.4 Metamodell für kontextualisiertes Feedback 5.2 Semantische Datenmediation 5.2.1 Vorbetrachtungen und Definitionen 5.2.2 Techniken zur semantischen Datenmediation 5.2.3 Architektonische Implikationen und Abläufe 5.3 Ableiten von Capabilities 5.3.1 Anforderungen und verwandte Ansätze 5.3.2 Definitionen und Grundlagen 5.3.3 Übersicht über den Algorithmus 5.3.4 Detaillierter Ablauf 5.3.5 Architekturüberblick 5.4 Erzeugung eines Capability-Wissensgraphen 5.4.1 Struktur des Wissensgraphen 5.4.2 Instanziierung des Wissensgraphen 5.5 Zusammenfassung 6 Empfehlungssystem 6.1 Gesamtansatz im Überblick 6.2 Empfehlungssystemspezifische Metamodelle 6.2.1 Trigger-Metamodell 6.2.2 Pattern-Metamodell 6.3 Architektur und Abläufe des Empfehlungssystems 6.3.1 Ableitung von Pattern-Instanzen 6.3.2 Empfehlungsgründe identifizieren durch Trigger 6.3.3 Empfehlungen berechnen 6.3.4 Präsentation von Empfehlungen 6.3.5 Integration von Patterns 6.4 Zusammenfassung 7 Methoden zur Nutzerführung 7.1 Der Startbildschirm als zentraler Einstiegspunkt 7.2 Live-View 7.3 Capability-View 7.3.1 Interaktive Exploration von Capabilities 7.3.2 Kontextsensitive Erzeugung von Beschriftungen 7.3.3 Verknüpfen von Capabilities 7.3.4 Handhabung von Komponenten ohne UI 7.4 Wizard zur Eingabe funktionaler Anforderungen 7.5 Erklärungstechniken 7.5.1 Anforderungen und verwandte Ansätze 7.5.2 Kernkonzepte 7.5.3 Assistenzwerkzeuge 8 Implementierung und Evaluation 8.1 Umsetzung der Modelle und der Basisarchitektur 8.2 Realisierung der Mediationskonzepte 8.2.1 Erweiterung des Kompositionsmodells 8.2.2 Implementierung des Mediators 8.2.3 Evaluation und Diskussion 8.3 Algorithmus zur Abschätzung von Capabilities 8.3.1 Prototypische Umsetzung 8.3.2 Experten-Evaluation 8.4 Umsetzung des Empfehlungskreislaufes 8.4.1 Performanzbetrachtungen 8.4.2 Evaluation und Diskussion 8.5 Evaluation von EUD-Werkzeugen 8.5.1 Evaluation der Capability-View 8.5.2 Prototyp und Nutzerstudie des Wizards 8.5.3 Prototyp und Nutzerstudie zu den Erklärungstechniken 8.6 Fazit 9 Zusammenfassung, Diskussion und Ausblick 9.1 Zusammenfassung und Beiträge der Kapitel 9.2 Einschätzung der Ergebnisse 9.2.1 Diskussion der Erreichung der Forschungsziele 9.2.2 Diskussion der Forschungsthesen 9.2.3 Wissenschaftliche Beiträge 9.2.4 Grenzen der geschaffenen Konzepte 9.3 Laufende und weiterführende Arbeiten A Anhänge A.1 Richtlinien für die Annotation von Komponenten A.2 Fragebogen zur System Usability Scale A.3 Illustration von Mediationstechniken A.4 Komponentenbeschreibung in SMCDL (Beispiel) A.5 Beispiele zu Algorithmen A.5.1 Berechnung einer bestimmenden Entity A.5.2 Berechnung der Ähnlichkeit atomarer Capabilities A.6 Bewertung verwandter Ansätze Literaturverzeichnis Webreferenze

Zukunft der Arbeit in Industrie 4.0

Industrial and Production Engineering; Robotics and Automation; Engineering Economics, Organization, Logistics, Marketing; Manufacturing, Machines, Tools; Information Systems Applications (incl. Internet

Verhaltensanalyse der Beanspruchung des Operateurs in der Multi-UAV-Führung

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der experimentellen Stimulation, Beobachtung und Messung, sowie der Modellierung von Verhalten, insbesondere sogenannter selbstadaptiver Strategien, von multi-UAV-Bedienern in Aufgabensituationen mit hoher Arbeitsbelastung. Dabei gelingt es, Mitigationsstrategien von Piloten unter hoher „Workload“ quantitativ zu erfassen und zu beschreiben. Dies ist ein Beitrag zur automatisierten Erkennung von Überforderungssituationen im Cockpit im Hinblick auf die Weiterentwicklung von Assistenzsystemen. Die zentralen Aspekte der Arbeit sind dabei: 1. die systematische Ableitung eines Konzepts zur Überforderungserkennung auf der Basis von Interaktionsbeobachtungen (manuelle und visuelle Interaktionen, d.h. Blickbewegungsmessung) und Verhaltensmodellen als Teilkomponente wissensbasierter, adaptiver Operateurassistenzsysteme ; 2. der Aufbau und die Durchführung komplexer Mensch-Maschine-Experimente in der virtuellen Echtzeit-Simulation einer Manned-unmanned Teaming Mission (d.h. Führung mehrerer UAVs aus dem Cockpit eines bemannten Hubschraubers) mit dem Ziel der Provokation selbstadaptiver Verhaltensstrategien durch hohe Arbeitsbelastung, welche dann als Indikator der subjektiven Beanspruchung und der damit letztlich auch der Überforderung herangezogen werden können, und der quantitativen und objektiven Messung entsprechender Verhaltensparameter zur anschließenden Beschreibung der Beobachtungen; 3. die geschlossene Rechnermodellierung entsprechend gemessener Verhaltens- bzw. Interaktionsmuster mit Hilfe von Hidden-Markov-Modellen sowie deren Validierung durch die automatische Erkennung von Aufgabenkontexten und Unteraufgaben anhand beobachteter Interaktionssequenzen. Die Dissertation beschreibt dazu die zu Grunde liegende Theorie der wissensbasierten Assistenzsysteme, der adaptiven Automation und die state-of-the-art Methoden zur Bestimmung subjektiver Beanspruchung. Der erarbeitete Konzeptansatz, die experimentellen Resultate und die entwickelten maschinellen Lernverfahren liefern die konzeptionellen, methodischen und algorithmischen Grundlagen für eine automatisierte Systemkomponente eines wissensbasierten, adaptiven Assistenzsystems, welches in der Lage ist, durch reine Verhaltensbeobachtung die Aufgabe und drohende Überforderungssituationen zu erkennen. Damit ist in dieser Arbeit der grundsätzliche Machbarkeitsnachweis für eine derartige maschinelle Fähigkeit gelungen. Das wesentliche erfahrungswissenschaftliche Resultat der Arbeit ist die Beobachtung, dass Piloten bei der multi-UAV-Führung nicht, wie zunächst zu erwarten, auf extreme Belastungssituationen mit einem massiven Anstieg der subjektiven Beanspruchung reagieren, welches dann gegebenenfalls zu deutlichen Leistungseinbrüchen führen könnte, sondern mit aufgabenspezifischen, selbstadaptiven Strategien die drohende Überforderungssituation möglichst weit hinausschieben. Die Registrierung dieser Verhaltensmuster erlaubt somit die proaktive Erkennung von Überforderung

Wortschatzerweiterung in autonomen Erwerbskontexten : zum systematischen Ausbau des individuellen Erweiterungswortschatzes Fortgeschrittener im Land der Zielsprache

Die Arbeit fokussiert den Wortschatzerwerb fortgeschrittener Lerner des Deutschen als Fremdsprache, die in einem deutschsprachigen Land für längere Zeit leben. Sie definieren sich durch einen bereits erworbenen Grundwortschatz, müssen und wollen durch ihre neue lebensweltliche Verortung – sei es zwecks eines Studienaufenthalts oder zu Arbeitszwecken – diesen aber ausbauen. Dieser Prozess läuft bislang zumindest teilweise autonom, weshalb die Zielgruppe nun täglich mit dem unermesslichen Umfang des Gesamtwortschatzes konfrontiert ist. Der institutionelle Erwerb kann unmöglich alle lexikalischen Facetten des Deutschen vermitteln. Ziel der Arbeit ist daher die Formulierung von Konzeptionskriterien eines Wortschatzprogramms, welches diesen Prozess zu systematisieren hilft. Werkinterner Arbeitsbegriff ist dabei „personalisiertes Wörterbuch“. Das Vorgehen fußt auf zwei Grundgedanken: Erstens gilt es sich beim Ausbau dieses individuellen Erweiterungswortschatzes quantitativ und mental-kognitiv am Wortwissen von Muttersprachlern zu orientieren. Auch diese beherrschen und benötigen nur einen Bruchteil des tatsächlichen Gesamtwortschatzes, der im zielsprachlichen Vokabular zur Verfügung steht. Welche Ausdrücke dazu zählen ist zweitens von der persönlichen Prägung der Fortgeschrittenen abhängig und kann sich durch divergierende Interessen, die Region in der man lebt und nicht zuletzt dem Fachwortschatz des ausgeübten Studiums/Berufs deutlich unterscheiden. Das personalisierte Wörterbuch gibt daher keinen auf dem Grundwortschatz anknüpfenden Aufbauwortschatz vor. Lernerzentrisch kann der Fortgeschrittene selbst entscheiden, welche lexikalischen Anteile von Relevanz sind. Zu diesem Zweck wird in der Arbeit zunächst definiert, wodurch sich das Attribut „fortgeschritten“ auszeichnet. Neben den wichtigsten Kriterien – dem vorliegenden Grundwortschatz und dem dauerhaften Aufenthalt in einem deutschsprachigen Land – zählen hierzu weitere Parameter wie die intrinsische Motivation oder die Interaktion mit Muttersprachlern: Soziologisch unterschiedliche Bezugsgruppen sorgen für unterschiedliche Relevanzakzentuierungen lexikalischer Art. Es folgt eine Beleuchtung der beiden Bezugsgrößen des Erweiterungswortschatzes: namentlich Gesamt- und Grundwortschatz. Neben einer quantitativ-linguistischen Beschreibung des Gesamtwortschatzes geht in diesem Kapitelkomplex auch eine Annäherung an die kognitiven Modalitäten des mentalen Lexikons einher. Auf dessen Basis wird die Struktur des personalisierten Wörterbuchs in Form von Wortformen auf Wortrelations- bzw. Wortbildungsebene und Varietäten des deutschen Standards formuliert. Zur ersten Gruppe zählen Komposita, Synonyme, Okkasionalismen, Phraseologismen, Inhaltsfelder und Kollokationen, zur zweiten nationale Standardvarietäten und Dialekte. (Auch Soziolekte und Fachsprachen sind Gegenstand der relevanten Varietätsebenen, bleiben in der exemplarischen Darstellung der daraus resultierenden konzeptionskriteriellen Konsequenzen aber ausgespart.) Bevor diese einzeln aus didaktischer und deskriptiv-linguistischer Perspektive analysiert werden, folgt eine Betrachtung des Grundwortschatzes. Dabei geht es konkret um Evaluation, Diskursgeschichte und Kritiklinien (frequenzbasierter) Grundwortschatzlisten, aber auch um die Frage, welche Wortgruppen ausgespart bleiben und tendenziell im Erweiterungswortschatz zu verorten sind. In der besagten Analyse der verschiedenen Sprachebenen wird in der Regel an didaktische Methoden aus dem institutionalisierten Erwerb angeknüpft. Während dies bei Wortrelationstypen wie Phraseologismen oder Inhaltsfeldern glückt, erfolgt ansonsten eine stärker sprachwissenschaftliche Herangehensweise, wobei der deskriptiven Linguistik die Funktion einer Hilfswissenschaft beikommt. Am Ende jedes Kapitels werden konkrete Konzeptionskriterien ermittelt Diese zeigen, wie eine vernetzte und systematische Einspeicherung neuer lexikalischer Einheiten mit anderen Wörtern erfolgen könnte. Das Vorgehen versteht sich dabei als grundsätzlich lernerzentrisch. Vorgaben des personalisierten Wörterbuchs halten sich im Hintergrund. Möglichst viele Vernetzungsoptionen und metasprachliche Angaben sollen vom Nutzer selbst vorgenommen werden, um die Ausbildung eines Erweiterungswortschatzes im immersiven Erwerbskontext zu begleiten