The Human in the Loop: User Participation in Self-Adaptive Software

Self-adaptive software provides a profound solution for adapting applications to changing contexts in dynamic and heterogeneous environments. Having emerged from Autonomic Computing, it incorporates fully autonomous decision making based on predefined structural and behavioural models. The most common approach for architectural runtime adaptation is the MAPE-K adaptation loop implementing an external adaptation manager without manual user control. However, it has turned out that adaptation behaviour lacks acceptance if it does not correspond to a user’s expectations – particularly for Ubiquitous Computing scenarios with user interaction. Adaptations can be irritating and distracting if they are not appropriate for a certain situation. In general, uncertainty during development and at run-time causes problems with users being outside the adaptation loop. In a literature study, we analyse publications about self-adaptive software research. The results show a discrepancy between the motivated application domains, the maturity of examples, and the quality of evaluations on the one hand and the provided solutions on the other hand. Only few publications analysed the impact of their work on the user, but many employ user-oriented examples for motivation and demonstration. To incorporate the user within the adaptation loop and to deal with uncertainty, our proposed solutions enable user participation for interactive selfadaptive software while at the same time maintaining the benefits of intelligent autonomous behaviour. We define three dimensions of user participation, namely temporal, behavioural, and structural user participation. This dissertation contributes solutions for user participation in the temporal and behavioural dimension. The temporal dimension addresses the moment of adaptation which is classically determined by the self-adaptive system. We provide mechanisms allowing users to influence or to define the moment of adaptation. With our solution, users can have full control over the moment of adaptation or the self-adaptive software considers the user’s situation more appropriately. The behavioural dimension addresses the actual adaptation logic and the resulting run-time behaviour. Application behaviour is established during development and does not necessarily match the run-time expectations. Our contributions are three distinct solutions which allow users to make changes to the application’s runtime behaviour: dynamic utility functions, fuzzy-based reasoning, and learning-based reasoning. The foundation of our work is a notification and feedback solution that improves intelligibility and controllability of self-adaptive applications by implementing a bi-directional communication between self-adaptive software and the user. The different mechanisms from the temporal and behavioural participation dimension require the notification and feedback solution to inform users on adaptation actions and to provide a mechanism to influence adaptations. Case studies show the feasibility of the developed solutions. Moreover, an extensive user study with 62 participants was conducted to evaluate the impact of notifications before and after adaptations. Although the study revealed that there is no preference for a particular notification design, participants clearly appreciated intelligibility and controllability over autonomous adaptations.

Relatedness in Evidence Networks

Einhergehend mit der Entwicklung und zunehmenden Verfügbarkeit des Internets hat sich die Art der Informationsbereitstellung und der Informationsbeschaffung deutlich geändert. Die einstmalige Trennung zwischen Publizist und Konsument wird durch kollaborative Anwendungen des sogenannten Web 2.0 aufgehoben, wo jeder Teilnehmer gleichsam Informationen bereitstellen und konsumieren kann. Zudem können Einträge anderer Teilnehmer erweitert, kommentiert oder diskutiert werden. Mit dem Social Web treten schließlich die sozialen Beziehungen und Interaktionen der Teilnehmer in den Vordergrund. Dank mobiler Endgeräte können zu jeder Zeit und an nahezu jedem Ort Nachrichten verschickt und gelesen werden, neue Bekannschaften gemacht oder der aktuelle Status dem virtuellen Freundeskreis mitgeteilt werden. Mit jeder Aktivität innerhalb einer solchen Applikation setzt sich ein Teilnehmer in Beziehung zu Datenobjekten und/oder anderen Teilnehmern. Dies kann explizit geschehen, indem z.B. ein Artikel geschrieben wird und per E-Mail an Freunde verschickt wird. Beziehungen zwischen Datenobjekten und Nutzern fallen aber auch implizit an, wenn z.B. die Profilseite eines anderen Teilnehmers aufgerufen wird oder wenn verschiedene Teilnehmer einen Artikel ähnlich bewerten. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein formaler Ansatz zur Analyse und Nutzbarmachung von Beziehungsstrukturen entwickelt, welcher auf solchen expliziten und impliziten Datenspuren aufbaut. In einem ersten Teil widmet sich diese Arbeit der Analyse von Beziehungen zwischen Nutzern in Applikationen des Social Web unter Anwendung von Methoden der sozialen Netzwerkanalyse. Innerhalb einer typischen sozialen Webanwendung haben Nutzer verschiedene Möglichkeiten zu interagieren. Aus jedem Interaktionsmuster werden Beziehungsstrukturen zwischen Nutzern abgeleitet. Der Vorteil der impliziten Nutzer-Interaktionen besteht darin, dass diese häufig vorkommen und quasi nebenbei im Betrieb des Systems abfallen. Jedoch ist anzunehmen, dass eine explizit angegebene Freundschaftsbeziehung eine stärkere Aussagekraft hat, als entsprechende implizite Interaktionen. Ein erster Schwerpunkt dieser Arbeit ist entsprechend der Vergleich verschiedener Beziehungsstrukturen innerhalb einer sozialen Webanwendung. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Analyse eines der weit verbreitetsten Profil-Attributen von Nutzern in sozialen Webanwendungen, dem Vornamen. Hierbei finden die im ersten Teil vorgestellten Verfahren und Analysen Anwendung, d.h. es werden Beziehungsnetzwerke für Namen aus Daten von sozialen Webanwendungen gewonnen und mit Methoden der sozialen Netzwerkanalyse untersucht. Mithilfe externer Beschreibungen von Vornamen werden semantische Ähnlichkeiten zwischen Namen bestimmt und mit jeweiligen strukturellen Ähnlichkeiten in den verschiedenen Beziehungsnetzwerken verglichen. Die Bestimmung von ähnlichen Namen entspricht in einer praktischen Anwendung der Suche von werdenden Eltern nach einem passenden Vornamen. Die Ergebnisse zu der Analyse von Namensbeziehungen sind die Grundlage für die Implementierung der Namenssuchmaschine Nameling, welche im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde. Mehr als 35.000 Nutzer griffen innerhalb der ersten sechs Monate nach Inbetriebnahme auf Nameling zu. Die hierbei anfallenden Nutzungsdaten wiederum geben Aufschluss über individuelle Vornamenspräferenzen der Anwender. Im Rahmen dieser Arbeit werden diese Nutzungsdaten vorgestellt und zur Bestimmung sowie Bewertung von personalisierten Vornamensempfehlungen verwendet. Abschließend werden Ansätze zur Diversifizierung von personalisierten Vornamensempfehlungen vorgestellt, welche statische Beziehungsnetzwerke für Namen mit den individuellen Nutzungsdaten verknüpft.

Eine SPARQL-Schnittstelle für OData-Services

Enterprise-Resource-Planning-Systeme (ERP-Systeme) bilden für die meisten mittleren und großen Unternehmen einen essentiellen Bestandteil ihrer IT-Landschaft zur Verwaltung von Geschäftsdaten und Geschäftsprozessen. Geschäftsdaten werden in ERP-Systemen in Form von Geschäftsobjekten abgebildet. Ein Geschäftsobjekt kann mehrere Attribute enthalten und über Assoziationen zu anderen Geschäftsobjekten einen Geschäftsobjektgraphen aufspannen. Existierende Schnittstellen ermöglichen die Abfrage von Geschäftsobjekten, insbesondere mit Hinblick auf deren Attribute. Die Abfrage mit Bezug auf ihre Position innerhalb des Geschäftsobjektgraphen ist jedoch über diese Schnittstellen häufig nur sehr schwierig zu realisieren. Zur Vereinfachung solcher Anfragen können semantische Technologien, wie RDF und die graphbasierte Abfragesprache SPARQL, verwendet werden. SPARQL ermöglicht eine wesentlich kompaktere und intuitivere Formulierung von Anfragen gegen Geschäftsobjektgraphen, als es mittels der existierenden Schnittstellen möglich ist. Die Motivation für diese Arbeit ist die Vereinfachung bestimmter Anfragen gegen das im Rahmen dieser Arbeit betrachtete SAP ERP-System unter Verwendung von SPARQL. Zur Speicherung von Geschäftsobjekten kommen in ERP-Systemen typischerweise relationale Datenbanken zum Einsatz. Die Bereitstellung von SPARQL-Endpunkten auf Basis von relationalen Datenbanken ist ein seit längerem untersuchtes Gebiet. Es existieren verschiedene Ansätze und Tools, welche die Anfrage mittels SPARQL erlauben. Aufgrund der Komplexität, der Größe und der Änderungshäufigkeit des ERP-Datenbankschemas können solche Ansätze, die direkt auf dem Datenbankschema aufsetzen, nicht verwendet werden. Ein praktikablerer Ansatz besteht darin, den SPARQL-Endpunkt auf Basis existierender Schnittstellen zu realisieren. Diese sind weniger komplex als das Datenbankschema, da sie die direkte Abfrage von Geschäftsobjekten ermöglichen. Dadurch wird die Definition des Mappings erheblich vereinfacht. Das ERP-System bietet mehrere Schnittstellen an, die sich hinsichtlich des Aufbaus, der Zielsetzung und der verwendeten Technologie unterscheiden. Unter anderem wird eine auf OData basierende Schnittstelle zur Verfügung gestellt. OData ist ein REST-basiertes Protokoll zur Abfrage und Manipulation von Daten. Von den bereitgestellten Schnittstellen weist das OData-Interface gegenüber den anderen Schnittstellen verschiedene Vorteile bei Realisierung eines SPARQL-Endpunktes auf. Es definiert eine Abfragesprache und einen Link-Adressierungsmechanismus, mit dem die zur Beantwortung einer Anfrage benötigten Service-Aufrufe und die zu übertragende Datenmenge erheblich reduziert werden können. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zur Realisierung eines SPARQL-Endpunktes auf Basis von OData-Services. Dazu wird zunächst eine Architektur vorgestellt, die als Grundlage für die Implementierung eines entsprechenden Systems dienen kann. Ausgehend von dieser Architektur, werden die durch den aktuellen Forschungsstand noch nicht abgedeckten Bereiche ermittelt. Nach bestem Wissen ist diese Arbeit die erste, welche die Abfrage von OData-Schnittstellen mittels SPARQL untersucht. Dabei wird als Teil dieser Arbeit ein neuartiges Konzept zur semantischen Beschreibung von OData-Services vorgestellt. Dieses ermöglicht die Definition von Abbildungen der von den Services bereitgestellten Daten auf RDF-Graphen. Aufbauend auf den Konzepten zur semantischen Beschreibung wird eine Evaluierungssemantik erarbeitet, welche die Auflösung von Ausdrücken der SPARQL-Algebra gegen semantisch annotierte OData-Services definiert. Dabei werden die Daten aller OData-Services ermittelt, die zur vollständigen Abarbeitung einer Anfrage benötigt werden. Zur Abfrage der relevanten Daten wurden Konzepte zur Erzeugung der entsprechenden OData-URIs entwickelt. Das vorgestellte Verfahren wurde prototypisch implementiert und anhand zweier Anwendungsfälle für die im betrachteten Szenario maßgeblichen Servicemengen evaluiert. Mit den vorgestellten Konzepten besteht nicht nur die Möglichkeit, einen SPARQL-Endpunkt für ein ERP-System zu realisieren, vielmehr kann jede Datenquelle, die eine OData-Schnittstelle anbietet, mittels SPARQL angefragt werden. Dadurch werden große Datenmengen, die bisher für die Verarbeitung mittels semantischer Technologien nicht zugänglich waren, für die Integration mit dem Semantic Web verfügbar gemacht. Insbesondere können auch Datenquellen, deren Integration miteinander bisher nicht oder nur schwierig möglich war, über Systeme zur föderierten Abfrage miteinander integriert werden.

Development of an ArcGIS extension to model urban climate factors

The possibility to develop automatically running models which can capture some of the most important factors driving the urban climate would be very useful for many planning aspects. With the help of these modulated climate data, the creation of the typically used “Urban Climate Maps” (UCM) will be accelerated and facilitated. This work describes the development of a special ArcGIS software extension, along with two support databases to achieve this functionality. At the present time, lacking comparability between different UCMs and imprecise planning advices going along with the significant technical problems of manually creating conventional maps are central issues. Also inflexibility and static behaviour are reducing the maps’ practicality. From experi-ence, planning processes are formed more productively, namely to implant new planning parameters directly via the existing work surface to map the impact of the data change immediately, if pos-sible. In addition to the direct climate figures, information of other planning areas (like regional characteristics / developments etc.) have to be taken into account to create the UCM as well. Taking all these requirements into consideration, an automated calculation process of urban climate impact parameters will serve to increase the creation of homogenous UCMs efficiently.

Datenbanken I

Das hier frei verfügbare Skript und die Sammlung an Klausuren mit Musterlösungen aus den Jahren 2003 bis 2013 geht auf die gleichnamige Vorlesung im Bachelorstudiengang Informatik an der Universität Kassel zurück, die von Prof. Dr. Wegner bis zum Sommer 2012 angeboten wurde. Behandelt werden Theorie und Praxis relationaler Datenbanksysteme, einschließlich Schichtenarchitektur, Modellierung mittels ER-Diagrammen, funktionale Abhängigkeiten, Normalisierung, Armstrongsche Axiome, Relationenkalkül und dessen Realisierung in SQL, Transaktionskonzept. In der Regel wird man den Stoff ergänzen um praktische Übungen, in denen Studierende u. a. mit SQL auf dem vorhandenen Datenbank-System arbeiten.

Das Unix-Kursbuch

Das hier frei verfügbare Skript und die Sammlung an Klausuren mit Musterlösungen aus den Jahren 2004 bis 2015 geht auf einen E-Learning Kurs mit zehn Lektionen zurück, den Prof. Dr. Wegner ab 1985 zunächst an der FH Fulda für das COSTOC-Projekt von Prof. Maurer verfasste. Die COSTOC-Lernsoftware war für den Vertrieb mit Bildschirmtext gedacht, wenn man will, ein Vorläufer des heutigen Internets. Mit im Wesentlichen unverändertem Inhalt wurde der Kurs mehrfach auf neue Plattformen portiert, zuletzt für das Web mit SVG für die animierten Grafiken, und an der Universität Kassel im Bachelorstudium als Wahlveranstaltung angeboten. Das Skript kann also parallel zu der weiterhin verfügbaren elektronischen Vorlesung benutzt werden und gibt eine grundlegende Übersicht zu Unix/Linux mit Prozesskonzept, Dateisystem, Shell-Programmierung und den wesentlichen 50+ Kommandos, die man üblicherweise im Kopf hat, wenn man mit Unix arbeitet.

Einführung in XML

Das hier frei verfügbare Skript und die Sammlung an Klausuren mit Musterlösungen aus den Jahren 2006 bis 2015 geht auf die gleichnamige Vorlesung im Bachelorstudiengang Informatik an der Universität Kassel zurück, die von Prof. Dr. Wegner und ab 2012 von Dr. Schweinsberg angeboten wurde. Behandelt werden die Grundlagen der eXtensible Markup Language, die sich als Datenaustauschsprache etabliert hat. Im Gegensatz zu HTML erlaubt sie die semantische Anreicherung von Dokumenten. In der Vorlesung wird die Entwicklung von XML-basierten Sprachen sowie die Transformierung von XML-Dokumenten mittels Stylesheets (eXtensible Stylesheet Language XSL) behandelt. Ebenfalls werden die DOM-Schnittstelle (Document Object Model) und SAX (Simple API for XML) vorgestellt.

Grundlagen der Betriebssysteme

Das hier frei verfügbare Skript wurde zuletzt im Oktober 2003 in der 3. Auflage überarbeitet und war Grundlage der von Prof. Dr. Wegner bis dahin gehaltenen gleichnamigen Veranstaltung. Die Ursprünge gehen bis auf ein Skript des Kollegen Jürgen Nehmer (Kaiserslautern) aus den Siebzigern zurück. Eine wesentliche Überarbeitung erfuhr das Material mit Erscheinen des didaktisch exzellenten Buchs von Ben-Ari „Grundlagen der Parallel-Programmierung“ aus dem Jahr 1984. Konkrete Umsetzungen von Prozesssynchronisierungskonzepten in lauffähige Programme wurden allerdings ausgespart und finden sich im ebenfalls frei verfügbaren Skript „Interprozesskommunikation“.

Skript Interprozesskommunikation

Das hier frei verfügbare Skript gehört zu einer gleichnamigen Vorlesung, die von Prof. Dr. Lutz Wegner bis zum Sommersemester 2007 gehalten wurde. Davor lief sie bis 1999 unter dem etwas irreführenden Titel „Ausgewählte Themen zu Rechnernetzen“. Behandelt wird die IPC in UNIX-basierten Rechnernetzen. Dazu gehören allgemeine Kenntnisse der Prozessumgebung, die fork- und exec-Systemaufrufe, Lock Files, Signale, Pipes, das Botschaftenkonzept (message queues), Semaphore, Shared Memory, Remote Procedure Calls, Sockets und Threads. Jedes Konzept wird mit kleinen Beispielen besprochen, die in C geschrieben sind. Der Quelltext liegt auf unseren Anlagen vor (für AIX, LINUX, Solaris). Grundlage der Vorlesung und des Skripts ist das ausgezeichnete Buch von John Shapley Gray „Interprocess Communications in UNIX“ aus dem Jahr 1998 bzw. die auf Linux angepasste Auflage desselben Buches „Interprocess Communications in LINUX“ aus dem Jahr 2003.

Programmierung graphischer Benutzerschnittstellen mit Tcl/Tk. - 4. Aufl.

Das hier frei verfügbare Skript und die Sammlung an Klausuren mit Musterlösungen aus den Jahren 2005 bis 2015 geht auf die gleichnamige Vorlesung im Masterstudium Informatik an der Universität Kassel zurück. Kenntnisse in der Programmierung graphischer Oberflächen sind offensichtlich sehr nützlich, da es kaum noch Anwendungen gibt, die auf eine ansprechend gestaltete Benutzeroberfläche verzichten können. Andererseits ist die Programmierung auch heute noch sehr aufwendig. Als Ausweg empfiehlt sich die Beschäftigung mit Ousterhouts Tcl/Tk, das einerseits eine leicht lernbare und universell einsetzbare Skriptsprache (Tcl) bietet, andererseits mit Tk über einen überschaubaren und auf fast allen Betriebssystemen einsetzbaren Werkzeugkasten für die Konstruktion graphischer Oberflächen verfügt. Grundlage des Skripts ist das ausgezeichnete Buch von Harrison und McLennan „Effective Tcl/Tk Programming - Writing Better Programs with Tcl and Tk“ aus dem Jahr 1998, das inzwischen auch in einer deutschen Übersetzung vorliegt.

Folien zur Vorlesung Sortierverfahren

Die hier frei verfügbare Foliensammlung stammt aus der gleichnamigen Master-Veranstaltung im Sommersemester 2014. Das zugehörige Skript (in Englisch) kann als PDF heruntergeladen werden von der Universität Turku (Lutz M. Wegner, Sorting – The Turku Lectures, Lecture Notes in Computing 2014, Univ. of Turku, Finland, http://tucs.fi/publications/attachment.php?fname=bWegner_LutzMx14a.full.pdf). Das überarbeitete Material geht auf eine dort im Jahre 1987 gehaltene Gastvorlesung zurück. Betrachtet werden Varianten von Quicksort und Heapsort, speziell bei Quicksort solche für Multimengen und Vorsortierung, sowohl für verkettete Listen als auch für Datenstrukturen mit Direktzugriff. Neben dem Standardheapsort werden die Floydverbesserung und Dijkstras Smoothsort vorgestellt. Eine Netzwerkvariante und zwei Externspeicherverfahren auf Basis von Quicksort und Heapsort werden untersucht. Der Stand der Technik bei den stabilen, in-situ Verfahren wird skizziert. Der Stoff eignet sich für eine Vorlesung mit angegliederten Projektübungen, in denen Studierende selbstständig Algorithmen, die als Pseudo-Code vorgegeben sind, in effizienten, lauffähigen Java-Code umsetzen und in einer Laufzeitbibliothek mit vorgegebenen Testdaten messen.

Programmierung in Pascal

Das hier frei verfügbare Skript gehört zu einer gleichnamigen Vorlesung, die von Prof. Dr. Lutz Wegner bis zum Wintersemester 1998/99 am damaligen Fachbereich 17 Mathematik/Informatik der Universität Kassel gehalten wurde. Thema ist die Einführung in die Programmierung, wie sie am Anfang fast aller Informatik-, Mathematik- und verwandter Ingenieurstudiengänge steht. Hier erfolgt die Einführung mit der Programmiersprache Pascal, die Niklaus Wirth (ehemals ETH Zürich) bereits 1968 entwickelte. Sie gilt als letzte Vertreterin der rein prozeduralen Sprachen und führt in der Regel zu sauber strukturierten Programmen. In der damals auf PCs weit verbreiteten Turbo Pascal Variante geht es auch um Objektorientierung, die charakteristisch für das heutige Programmierparadigma mit Java ist. Alte (und neu geschriebene) Pascal-Programme lassen sich problemlos mit den Free Pascal Open Source Compilern (www.freepascal.org) übersetzen und unter allen gängigen Betriebssystemen zur Ausführung bringen. Wer hierfür eine fachlich präzise und trotzdem vergleichsweise gut lesbare Einführung mit Hinweisen auf guten und schlechten Programmierstil braucht, wird hier fündig und kommt über den Stickwortindex am Ende auch schnell zu Einzelthemen wie Parameterübergabe oder das Arbeiten mit Pointern.