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

Specification Languages for Preserving Consistency between Models of Different Languages

When complex IT systems are being developed, the usage of several programming and modelling languages can lead to inconsistencies that yield faulty designs and implementations. To address this problem, this work contributes a classification of consistency preservation challenges and an approach for preserving consistency. It is formalized using set theory and monitors changes to avoid matching and diffing problems. Three new languages that follow this preservation approach are presented

Iloprost infusion prevents the insulin-induced reduction in skeletal muscle microvascular blood volume but does not enhance peripheral glucose uptake in type 2 diabetic patients

Aims: In type 2 diabetes impaired insulin-induced muscle perfusion is thought to contribute to reduced whole-body glucose uptake. In this study, we examined the effects of iloprost, a stable prostacyclin analogue, on insulin-induced muscle capillary recruitment and whole-body glucose uptake. Materials and Methods: In a randomized cross-over design, 12 type 2 diabetes patients (age, 55 [46-69] years; BMI, 33.1 [31.0-39] kg/m2) underwent two hyperinsulinaemic-euglycaemic clamps, one with and one without simultaneous low-dose iloprost infusion. Contrast-enhanced ultrasonography of the vastus lateralis muscle was performed before and during the clamp. Muscle capillary recruitment was calculated as percentage change in microvascular blood volume (MBV) before and during the clamp. Results: Insulin infusion reduced skeletal muscle MBV by ~50% compared to the fasting state (fasting, 1.77·10−4 [1.54·10−5–2.44·10−3] arbitrary units (AU); hyperinsulinaemia, 6.69·10−5 [2.68·10−6–5.72·10−4] AU; P = 0.050). Infusion of iloprost prevented this insulin-induced skeletal muscle capillary derecruitment, from (−49.5 [−89.5 to 55.3] %) to (8.0 [−68.8 to 306.6] %), for conditions without and with iloprost, respectively. The rate of glucose disappearance (Rd) did not change significantly during iloprost infusion (17.3 [10.0-40.8] μmol/kg/min) compared with insulin infusion alone (17.6 [9.9-68.7] μmol/kg/min). Conclusions: Our data suggest that acute improvement in insulin-stimulated muscle perfusion is not an attractive therapeutic approach to bypass cellular resistance to glucose uptake in type 2 diabetes. Whether long-term improvements in insulin-induced muscle perfusion may prove beneficial for glucose disposal remains to be determined

The renal hemodynamic effects of the SGLT2 inhibitor dapagliflozin are caused by post-glomerular vasodilatation rather than pre-glomerular vasoconstriction in metformin-treated patients with type 2 diabetes in the randomized, double-blind RED trial

Sodium-glucose cotransporter 2 inhibitors (SGLT2i) improve hard renal outcomes in type 2 diabetes. This is possibly explained by the fact that SGLT2i normalize the measured glomerular filtration rate (mGFR) by increasing renal vascular resistance, as was shown in young people with type 1 diabetes and glomerular hyperfiltration. Therefore, we compared the renal hemodynamic effects of dapagliflozin with gliclazide in type 2 diabetes. The mGFR and effective renal plasma flow were assessed using inulin and para-aminohippurate clearances in the fasted state, during clamped euglycemia (5 mmol/L) and during clamped hyperglycemia (15 mmol/L). Filtration fraction and renal vascular resistance were calculated. Additionally, factors known to modulate renal hemodynamics were measured. In 44 people with type 2 diabetes on metformin monotherapy (Hemoglobin A1c 7.4%, mGFR 113 mL/min), dapagliflozin versus gliclazide reduced mGFR by 5, 10, and 12 mL/min in the consecutive phases while both agents similarly improved Hemoglobin A1c (-0.48% vs -0.65%). Dapagliflozin also reduced filtration fraction without increasing renal vascular resistance, and increased urinary adenosine and prostaglandin concentrations. Gliclazide did not consistently alter renal hemodynamic parameters. Thus, beyond glucose control, SGLT2i reduce mGFR and filtration fraction in type 2 diabetes. The fact that renal vascular resistance was not increased by dapagliflozin suggests that this is due to post-glomerular vasodilation rather than pre-glomerular vasoconstriction

Elliptic anisotropy measurement of the f0_0(980) hadron in proton-lead collisions and evidence for its quark-antiquark composition

International audienceDespite the f$_0$(980) hadron having been discovered half a century ago, the question about its quark content has not been settled: it might be an ordinary quark-antiquark ($\mathrm{q\bar{q}}$) meson, a tetraquark ($\mathrm{q\bar{q}q\bar{q}}$) exotic state, a kaon-antikaon ($\mathrm{K\bar{K}}$) molecule, or a quark-antiquark-gluon ($\mathrm{q\bar{q}g}$) hybrid. This paper reports strong evidence that the f$_0$(980) state is an ordinary $\mathrm{q\bar{q}}$ meson, inferred from the scaling of elliptic anisotropies ($v_2$) with the number of constituent quarks ($n_\mathrm{q}$), as empirically established using conventional hadrons in relativistic heavy ion collisions. The f$_0$(980) state is reconstructed via its dominant decay channel f$_0$(980) $\to$$\pi^+\pi^-$, in proton-lead collisions recorded by the CMS experiment at the LHC, and its $v_2$ is measured as a function of transverse momentum ($p_\mathrm{T}$). It is found that the $n_q$ = 2 ($\mathrm{q\bar{q}}$ state) hypothesis is favored over $n_q$ = 4 ($\mathrm{q\bar{q}q\bar{q}}$ or $\mathrm{K\bar{K}}$ states) by 7.7, 6.3, or 3.1 standard deviations in the $p_\mathrm{T}$$\lt$ 10, 8, or 6 GeV/$c$ ranges, respectively, and over $n_\mathrm{q}$ = 3 ($\mathrm{q\bar{q}g}$ hybrid state) by 3.5 standard deviations in the $p_\mathrm{T}$$\lt$ 8 GeV/$c$ range. This result represents the first determination of the quark content of the f$_0$(980) state, made possible by using a novel approach, and paves the way for similar studies of other exotic hadron candidates

Inclusive and differential cross section measurements of ttˉbbˉ\mathrm{t\bar{t}b\bar{b}} production in the lepton+jets channel at s\sqrt{s} = 13 TeV

International audienceMeasurements of inclusive and normalized differential cross sections of the associated production of top quark-antiquark and bottom quark-antiquark pairs, ttbb, are presented. The results are based on data from proton-proton collisions collected by the CMS detector at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The cross sections are measured in the lepton+jets decay channel of the top quark pair, using events containing exactly one isolated electron or muon and at least five jets. Measurements are made in four fiducial phase space regions, targeting different aspects of the ttbb process. Distributions are unfolded to the particle level through maximum likelihood fits, and compared with predictions from several event generators. The inclusive cross section measurements of this process in the fiducial phase space regions are the most precise to date. In most cases, the measured inclusive cross sections exceed the predictions with the chosen generator settings. The only exception is when using a particular choice of dynamic renormalization scale, $\mu_\mathrm{R}=\frac{1}{2} \prod_{i=\mathrm{t, \bar{t}, b, \bar{b}}} m_{\mathrm{T},i}^{1/4}$, where $m_{\mathrm{T},i}^2=m_i^2+p^2_{\mathrm{T},i}$ are the transverse masses of top and bottom quarks. The differential cross sections show varying degrees of compatibility with the theoretical predictions, and none of the tested generators with the chosen settings simultaneously describe all the measured distributions

Inclusive and differential cross section measurements of ttˉbbˉ\mathrm{t\bar{t}b\bar{b}} production in the lepton+jets channel at s\sqrt{s} = 13 TeV

International audienceMeasurements of inclusive and normalized differential cross sections of the associated production of top quark-antiquark and bottom quark-antiquark pairs, ttbb, are presented. The results are based on data from proton-proton collisions collected by the CMS detector at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The cross sections are measured in the lepton+jets decay channel of the top quark pair, using events containing exactly one isolated electron or muon and at least five jets. Measurements are made in four fiducial phase space regions, targeting different aspects of the ttbb process. Distributions are unfolded to the particle level through maximum likelihood fits, and compared with predictions from several event generators. The inclusive cross section measurements of this process in the fiducial phase space regions are the most precise to date. In most cases, the measured inclusive cross sections exceed the predictions with the chosen generator settings. The only exception is when using a particular choice of dynamic renormalization scale, $\mu_\mathrm{R}=\frac{1}{2} \prod_{i=\mathrm{t, \bar{t}, b, \bar{b}}} m_{\mathrm{T},i}^{1/4}$, where $m_{\mathrm{T},i}^2=m_i^2+p^2_{\mathrm{T},i}$ are the transverse masses of top and bottom quarks. The differential cross sections show varying degrees of compatibility with the theoretical predictions, and none of the tested generators with the chosen settings simultaneously describe all the measured distributions