Annual Report 1999 / Department for Computer Science

Selbstdarstellung des Instituts für Informatik der BTU Cottbus und Berichte der Lehrstühle für das Jahr 1999.Presentation of the Department for Computer Science of the BTU Cottbus and reports of the chairs at the department for the year 1999

On Interdisciplinary Development of Safety-Critical Automotive Assistance and Automation Systems

Assistenz- und Automationssysteme im Automobil zeichnen sich verstärkt durch eine große Komplexität und einen hohen Vernetzungsgrad aus. Weiterhin existiert eine Vielzahl von Anforderungen anderer Fachdisziplinen an die Funktionsentwicklung, beispielsweise im Bereich der funktionalen Sicherheit. Somit ergibt sich für Entwickler nicht nur eine gestiegene Komplexität der Systeme, sondern auch der einzuhaltenden Entwicklungsprozesse. Die vorliegende Arbeit liefert eine neue Methode, die Entwickler bei der Bewältigung dieser Komplexität unterstützt. Dabei wird ihnen problemorientiert und zielgerichtet relevantes Wissen anderer Fachdisziplinen aufbereitet und zur Verfügung gestellt. Somit können Entwurfsalternativen früher als bisher im Kontext der Gesamtentwicklung bewertet werden, was sich positiv auf Produktqualität und Entwicklungszeit auswirkt. Die Basis dieser Methode ist die offen und flexibel gestaltete Formalisierung des Entwicklungsprozesses unter Verwendung der Web Ontology Language (OWL). Darauf aufbauend werden interdisziplinäre Entwicklungsaktivitäten verknüpft und die Analysierbarkeit des formalisierten Wissens wird für automatische Schlussfolgerungen genutzt. So werden insbesondere Einflussanalysen möglich, um über die eigene Domäne hinaus Änderungen bezüglich des Gesamtentwicklungsprozesses zu bewerten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine prototypische Werkzeugkette implementiert, die die beschriebene Methode umsetzt und deren technische Realisierbarkeit demonstriert. Als Anwendungsbeispiel dient die angedeutete Weiterentwicklung eines radarbasierten Abstandsregeltempomaten zu einem Notbremssystem. Dabei wird insbesondere der Einfluss der funktionalen Sicherheit auf die Funktionsentwicklung beleuchtet, indem aus einem formalisierten Wissensmodell des Standards ISO 26262 notwendige Anforderungen und Methoden für den Gesamtentwicklungsprozess abgeleitet werden.Automotive assistance and automation systems increasingly present high levels of complexity and connectivity. In addition, more and more specific requirements in disciplines like functional safety have to be considered during functional development. Thus, developers have to cope with increasing levels of product complexity, but also complexity of the development process. This thesis presents a new method which supports developers in handling these dimensions of complexity. Therefore relevant knowledge of other disciplines is presented to them in a solution-oriented way. Thus, design alternatives can be assessed much earlier in the overall development process which has a positive impact on product quality and development cycles. The method’s base is an open and flexible formalization of the development process using the Web Ontology Language (OWL). OWL is used to link different interdisciplinary development activities whereas the analyzability of formalized knowledge enables automated reasoning. This especially introduces an impact analysis to assess major cross-cutting changes to the product in the context of the overall development process. For this thesis a prototype toolchain has been developed which implements the described method and demonstrates its technical feasibility. The extension of a radar-based adaptive cruise control system towards an emergency braking system is sketched as an example for the prototype toolchain. In this example, the impact of functional safety on the functional development is focused, involving a formalized model of requirements and methods from ISO 26262

An integrative methodology for the development of computer supported co-operative work

Für die Implementierung neuer Organisationsformen, die durch Groupware oder Workflow Management Systeme unterstützt werden, ist eine integrierte Vorgehensweise notwendig, um den vielfältigen Wechselwirkungen gerecht zu werden. Aufgrund der Komplexität solcher Projekte werden oftmals Modellierungsmethoden verwendet, die im Kontext des Software Engineerings oder der Wirtschaftsinformatik entwickelt wurden und damit ihren ursprünglichen Einsatzbereich verlassen. Dennoch gibt es bisher kaum Ansätze, die überprüfen, inwieweit eingesetzte Methoden den Belangen der Organisationsgestaltung genügen. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag, diesen Mangel zu vermindern, und stellt eine modellgestützte Methode vor, die aus den bewährten Methoden der objektorientierten Modellierung und der Geschäftsprozessmodellierung hervorgeht. Sie ergänzt diese um Aspekte der Organisationsgestaltung und ist so in der Lage, organisatorische Restriktionen und Risiken zu berücksichtigen und Chancen der organisatorischen Gestaltung zu nutzen. So kann durch die Partizipation verteiltes Wissen genutzt werden, und Akzeptanz für neue Technologien und Motivation für neue Kooperationsformen geschaffen werden. Durch Organisationales Lernen können Gestaltungsprozesse als Lernprozesse etabliert werden. Das Konfliktmanagement schließlich kann das Aushandeln der Machtverteilung in den Gestaltungsprozessen begleiten und Schäden durch unkontrollierte Konfliktaustragung verringern. Für die entwickelte integrative Gestaltungsmethode wurden die bekannten Elemente der Konzepte, der Beschreibungssprache und der Vorgehensweise erweitert und zwei neue Elemente, nämlich das Rollenmodell und die Kommunikationstechniken, hinzugenommen. Bei der exemplarischen Erprobung in verschiedenen Projekten der industriellen Gemeinschaftsforschung hat sich die Methode für die Gestaltung der computerunterstützten Kooperation zwischen Organisationen und Gruppen bewährt.The implementation of new organisational behaviour using groupware or workflow management systems requires an integrated approach in order to meet multiple interdependencies. The complexity of such projects asks for methodologies as they have been worked out for Software Engineering or Information Management. But this purpose was not initially intended by the methodologies. This fact is well-known, but the wide spread modelling techniques are still lacking know-how which is available in the context of organisational development and behaviour science. The approach presented here intends to reduce this gap between the disciplines. It comprises the strengths of modelling techniques like object oriented modelling or business process modelling. And it adds the ability to cope with specific risks and to take opportunities in organisational development. By participation of all persons concerned, distributed knowledge can be used and acceptance for new technologies and motivation for new ways of co-operation can be created. By applying organisational learning to the development process, individual learning can be encouraged and knowledge can be shared throughout the organisation. Last but not least conflict management can promote the negotiation of duties and rights and can reduce the financial and personnel burden caused by uncontrolled conflicts. For the integrative methodology proposed, the existing elements like concepts, notation and process have been extended and others, such as roles and communication techniques, have been added. The methodology has proven worth in several industrial research projects for the design of computer supported co-operation between organisations and groups

Ontologien zur Validierung von Produkten basierend auf dem Contact & Channel - Ansatz (C&C²-Ansatz) = Ontologies for the Validation of Products based on the Contact & Channel Approach (C&C²- Approach)

Im Rahmen der Arbeit wurden Ontologien entwickelt, mit denen kausale Zusammenhänge rechnerverständlich modelliert und auf Sinnhaftigkeit hin überprüft werden können. Basierend auf den vermuteten kausalen Zusammenhängen, werden mittels dieser Ontologien des Weiteren zielgerichtete Experimente entworfen. Somit können in einer frühen Phase der Entwicklung statistisch abgesicherte und nachvollziehbare Entscheidungen basierend auf dem zukünftigen Produktverhalten getroffen werden

Eine formale algorithmische Synthese digitaler Schaltungen

Grundvoraussetzung für die Herstellung fehlerfreier Hardware ist neben der korrekten Spezifikation der gewünschten Schaltung vor allem auch die fehlerfreie Umsetzung der spezifizierten Eigenschaften in der resultierenden Implementierung der Schaltung. Dieses Buch stellt ein neues Konzept zur Überwindung vieler existierenden Einschränkungen in der formalen algorithmischen Synthese vor. Es erlaubt über die Synthese reiner Datenflussbeschreibungen hinaus auch die vollautomatische formale Synthese steuerflussbehafteter Schaltungsspezifikationen

Middleware für Ubiquitäre Systeme: Ein Modellgetriebener Ansatz

Dieser Dissertation liegt die Hypothese zugrunde, dass modell-getriebene Softwareentwicklung (MDSD) den Widerspruch zwischen "top-down"- und "bottom-up"- Entwicklung durch einen "middle-out" Ansatz auflöst, welcher zwischen Technologie und Abstraktion vermittelt. MDSD wird als Mittel verwendet, um Middleware für Ubiquitäre Systeme auf dem einen Turm von Modellen zu bauen, ohne den Bezug zur konkreten Technologie zu verlieren

Modellgestützter Entwurf von Feldgeräteapplikationen

Die Entwicklung von Feldgeräten ist ein äußerst komplexer Vorgang, welcher auf vielen Vorrausetzungen aufsetzt, diverse Anforderungen und Randbedingungen mitbringt und bisher wenig beachtet und veröffentlicht wurde. Angesichts der fortschreitenden Digitalisierung drängen immer mehr Anbieter auf den Automatisierungsmarkt. So sind aktuell zunehmend Technologien und Ansätze aus dem Umfeld des Internet of Things im Automatisierungsbereich zu finden. Diese Ansätze reichen von Sensoren ohne die in der Industrie üblichen Beschreibungen bis hin zu Marktplätzen, auf denen Integratoren und Anwender Softwareteile für Anlagen kaufen können. Für die neuen Anbieter, die häufig nicht aus dem klassischen Automatisierungsgeschäft kommen, sind die bisher bestehenden Modelle, Funktionalitäten, Profile und Beschreibungsmittel nicht immer leicht zu verwenden. So entstehen disruptive Lösungen auf Basis neu definierter Spezifikationen und Modelle. Trotz dieser Disruptivität sollte es das Ziel sein, die bewährten Automatisierungsfunktionen nicht neu zu erfinden, sondern diese effektiv und effizient in Abhängigkeit der Anforderungen auf unterschiedlichen Plattformen zu verwenden. Dies schließt ihre flexible Verteilung auf heterogene vernetzte Ressourcen explizit ein. Dabei können die Plattformen sowohl klassische Feldgeräte und Steuerungen sein, als auch normale Desktop-PCs und IoT-Knoten. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Werkzeugkette für den modellbasierten Entwurf von Feldgeräteapplikationen auf Basis von Profilen und damit für den erweiterten Entwurf von verteilten Anlagenapplikationen zu entwickeln. Dabei müssen die verschiedenen Beschreibungsmöglichkeiten evaluiert werden, um diese mit detaillierten Parameter- und Prozessdatenbeschreibungen zu erweitern. Außerdem sollen modulare Konzepte genutzt und Vorbereitungen für die Verwendung von Semantik im Entwurfsprozess getroffen werden. In Bezug auf den Geräteengineeringprozess soll der Anteil des automatisierten Geräteengineerings erweitert werden. Dies soll zu einer Flexibilisierung der Geräteentwicklung führen, in der die Verschaltung der funktionalen Elemente beim Endkunden erfolgt. Auch das Deployment von eigenen funktionalen Elementen auf die Geräte der Hersteller soll durch den Endkunden möglich werden. Dabei wird auch eine automatisierte Erstellung von Gerätebeschreibungen benötigt. Alle diese Erweiterungen ermöglichen dann den letzten großen Schritt zu einer verteilten Applikation über heterogene Infrastrukturen. Dabei sind die funktionalen Elemente nicht nur durch die Gerätehersteller verteilbar, sondern diese können auch auf verschiedenen Plattformen unterschiedlicher Gerätehersteller verwendet werden. Damit einher geht die für aktuelle Entwicklungen wie Industrie 4.0 benötigte geräteunabhängige Definition von Funktionalität. Alle im Engineering entstandenen Informationen können dabei auf den unterschiedlichen Ebenen der Automatisierungspyramide und während des Lebenszyklus weiterverwendet werden. Eine Integration diverser Gerätefamilien außerhalb der Automatisierungstechnik wie z. B. IoT-Geräte und IT-Geräte ist damit vorstellbar. Nach einer Analyse der relevanten Techniken, Technologien, Konzepte, Methoden und Spezifikationen wurde eine Werkzeugkette für den modellgestützten Entwurf von Feldgeräten entwickelt und die benötigten Werkzeugteile und Erweiterungen an bestehenden Beschreibungen diskutiert. Dies Konzept wurde dann auf den verteilten Entwurf auf heterogener Hardware und heterogenen Plattformen erweitert, bevor beide Konzepte prototypisch umgesetzt und evaluiert wurden. Die Evaluation erfolgt an einem zweigeteilten Szenario aus der Sicht eines Geräteherstellers und eines Integrators. Die entwickelte Lösung integriert Ansätze aus dem Kontext von Industrie 4.0 und IoT. Sie trägt zu einer vereinfachten und effizienteren Automatisierung des Engineerings bei. Dabei können Profile als Baukasten für die Funktionalität der Feldgeräte und Anlagenapplikationen verwendet werden. Bestehende Beschränkungen im Engineering werden somit abgeschwächt, so dass eine Verteilung der Funktionalität auf heterogene Hardware und heterogene Plattformen möglich wird und damit zur Flexibilisierung der Automatisierungssysteme beiträgt.The development of field devices is a very complex procedure. Many preconditions need to be met. Various requirements and constrains need to be addressed. Beside this, there are only a few publications on this topic. Due to the ongoing digitalization, more and more solution providers are entering the market of the industrial automation. Technologies and approaches from the context of the Internet of Things are being used more and more in the automation domain. These approaches range from sensors without the typical descriptions from industry up to marketplaces where integrators and users can buy software components for plants. For new suppliers, who often do not come from the classical automation business, the already existing models, functionalities, profiles, and descriptions are not always easy to use. This results in disruptive solutions based on newly defined specifications and models. Despite this disruptiveness, the aim should be to prevent reinventing the proven automation functions, and to use them effectively, and efficiently on different platforms depending on the requirements. This explicitly includes the flexible distribution of the automation functions to heterogeneous networked resources. The platforms can be classical field devices and controllers, as well as normal desktop PCs and IoT nodes. The aim of this thesis is to develop a toolchain for the model-based design of field device applications based on profiles, and thus also suitable for the extended design of distributed plant applications. Therefore, different description methods are evaluated in order to enrich them with detailed descriptions of parameters and process data. Furthermore, c oncepts of modularity will also be used and preparations will be made for the use of semantics in the design process. With regard to the device engineering process, the share of automated device engineering will be increased. This leads to a flexibilisation of the device development, allowing the customer to perform the networking of the functional elements by himself. The customer should also be able to deploy his own functional elements to the manufacturers' devices. This requires an automated creation of device descriptions. Finally, all these extensions will enable a major step towards using a distributed application over heterogeneous infrastructures. Thus, the functional elements can not only be distributed by equipment manufacturers, but also be distributed on different platforms of different equipment manufacturers. This is accompanied by the device-independent definition of functionality required for current developments such as Industry 4.0. All information created during engineering can be used at different levels of the automation pyramid and throughout the life cycle. An integration of various device families from outside of Automation Technology, such as IoT devices and IT devices, is thus conceivable. After an analysis of the relevant techniques, technologies, concepts, methods, and specifications a toolchain for the model-based design of field devices was developed and the required tool parts, and extensions to existing descriptions were discussed. This concept was then extended to the distributed design on heterogeneous hardware and heterogeneous platforms. Finally, both concepts were prototypically implemented and evaluated. The evaluation is based on a two-part scenario from both the perspective of a device manufacturer, and the one of an integrator. The developed solution integrates approaches from the context of Industry 4.0 and IoT. It contributes to a simplified, and more efficient automation of engineering. Within this context, profiles can be used as building blocks for the functionality of field devices, and plant applications. Existing limitations in engineering are thus reduced, so that a distribution of functionality across heterogeneous hardware and heterogeneous platforms becomes possible and contributing to the flexibility of automation systems

Formalisierung gestischer Eingabe für Multitouch-Systeme

Die Mensch-Computer-Interaktion wird dank neuer Eingabemöglichkeiten jenseits von Tastatur und Maus reicher, vielseitiger und intuitiver. Durch den Verzicht auf zusätzliche Geräte beim Umgang mit Computern geht seitens der Eingabeverarbeitung jedoch eine erhöhte Komplexität einher: Die Programmierung gestischer Eingabe für Multitouch-Systeme ist in derzeitigen Frameworks abgesehen von den verfügbaren Standard-Gesten mit hohem Aufwand verbunden. Die entwickelte Gestenformalisierung für Multitouch (GeForMT) definiert eine domänenspezifische Sprache zur Beschreibung von Multitouch-Gesten. Statt wie verwandte Formalisierungsansätze detaillierte Filter für die Rohdaten zu definieren, bedient sich GeForMT eines bildhaften Ansatzes, um Gesten zu beschreiben. Die Konzeption von Gesten wird unterstützt, indem beispielsweise in einem frühen Stadium der Entwicklung Konflikte zwischen ähnlichen Gesten aufgedeckt werden. Die formalisierten Gesten lassen sich direkt in den Code einbetten und vereinfachen damit die Programmierung. Das zugrundeliegende Framework sorgt für die Verbindung zu den Algorithmen der Gestenerkennung. Die Übertragung des semiotischen Ansatzes zur Formalisierung auf andere Formen gestischer Eingabe wird abschließend diskutiert.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung und Abgrenzung 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Interdisziplinäre Grundlagenbetrachtung 2.1 Semiotik 2.1.1 Begriffe und Zeichenklassen 2.1.2 Linguistik 2.1.3 Graphische Semiologie 2.1.4 Formgestaltung und Produktsprache 2.1.5 Interfacegestaltung 2.2 Gestenforschung 2.2.1 Kendons Kontinuum für Gesten 2.2.2 Taxonomien 2.2.3 Einordnung 2.3 Gestische Eingabe in der Mensch-Computer-Interaktion 2.3.1 Historische Entwicklung von Ein- und Ausgabetechnologien 2.3.2 Begreifbare Interaktion 2.3.3 Domänenspezifische Modellierung 2.4 Zusammenfassung 3 Verwandte Formalisierungsansätze 3.1 Räumliche Gesten 3.1.1 XML-Beschreibung mit der Behaviour Markup Language 3.1.2 Detektornetze in multimodalen Umgebungen 3.1.3 Gestenvektoren zur Annotation von Videos 3.1.4 Vergleich 3.2 Gesten im Sketching 3.2.1 Gestenfunktionen für Korrekturzeichen 3.2.2 Sketch Language zur Beschreibung von Skizzen 3.2.3 Domänenspezifische Skizzen mit LADDER 3.2.4 Vergleich 3.3 Flächige Gesten 3.3.1 Regelbasierte Definition mit Midas 3.3.2 Gesture Definition Language als Beschreibungssprache 3.3.3 Reguläre Ausdrücke von Proton 3.3.4 Gesture Interface Specification Language 3.3.5 Logische Formeln mit Framous 3.3.6 Gesture Definition Markup Language 3.3.7 Vergleich 3.4 Zusammenfassung 4 Semiotisches Modell zur Formalisierung 4.1 Phasen gestischer Eingabe 4.2 Syntax gestischer Eingabe 4.3 Semantik gestischer Eingabe 4.4 Pragmatik gestischer Eingabe 4.5 Zusammenfassung 5 Gestenformalisierung für Multitouch 5.1 Ausgangslage für die Konzeption 5.1.1 Ikonographische Einordnung flächiger Gesten 5.1.2 Voruntersuchung zur Programmierung flächiger Gesten 5.1.3 Anforderungskatalog für die Formalisierung 5.2 Semiotische Analyse flächiger Gesten 5.2.1 Syntax flächiger Gesten 5.2.2 Semantik flächiger Gesten 5.2.3 Pragmatik flächiger Gesten 5.3 Präzedenzfälle für die Formalisierung 5.3.1 Geschicklichkeit bei der Multitouch-Interaktion 5.3.2 Präzision bei flächigen Gesten 5.3.3 Kooperation in Multitouch-Anwendungen 5.4 Evaluation und Diskussion 5.4.1 Vergleich der Zeichenanzahl 5.4.2 Evaluation der Beschreibungsfähigkeit 5.4.3 Limitierungen und Erweiterungen 6 Referenzarchitektur 6.1 Analyse existierender Multitouch-Frameworks 6.2 Grundlegende Architekturkomponenten 6.2.1 Parser 6.2.2 Datenmodell 6.2.3 Gestenerkennung und Matching 6.2.4 Programmierschnittstelle 6.3 Referenzimplementierung für JavaScript 6.3.1 Komponenten der Bibliothek 6.3.2 Praktischer Einsatz 6.3.3 Gesteneditor zur bildhaften Programmierung 7 Praxisbeispiele 7.1 Analyse prototypischer Anwendungen 7.1.1 Workshop zur schöpferischen Zerstörung 7.1.2 Workshop zu semantischen Dimensionen 7.1.3 Vergleich 7.2 Abbildung von Maus-Interaktion auf flächige Gesten in DelViz 7.2.1 Datengrundlage und Suchkonzept 7.2.2 Silverlight-Implementierung von GeForMT 7.3 Flächige Gesten im 3D-Framework Bildsprache LiveLab 7.3.1 Komponentenarchitektur 7.3.2 Implementierung von GeForMT mit C++ 7.4 Statistik und Zusammenfassung 8 Weiterentwicklung der Formalisierung 8.1 Räumliche Gesten 8.1.1 Verwandte Arbeiten 8.1.2 Prototypischer Aufbau 8.1.3 Formalisierungsansatz 8.2 Substanzen des Alltags 8.2.1 Verwandte Arbeiten 8.2.2 Experimente mit dem Explore Table 8.2.3 Formalisierungsansatz 8.3 Elastische Oberflächen 8.3.1 Verwandte Arbeiten 8.3.2 Der Prototyp DepthTouch 8.3.3 Formalisierungsansatz 9 Zusammenfassung 9.1 Kapitelzusammenfassungen und Beiträge der Arbeit 9.2 Diskussion und Bewertung 9.3 Ausblick und zukünftige Arbeiten Anhang Vergleichsmaterial Formalisierungsansätze Fragebogen Nachbefragung Ablaufplan studentischer Workshops Grammatikdefinitionen Statistische Auswertung Gestensets Literatur Webreferenzen Eigene Veröffentlichungen Betreute studentische Arbeiten Abbildungsverzeichnis Tabellen Verzeichnis der Code-Beispiel