An integrated framework for ensuring the quality of software design

Software development is an extremely complex process, during which human errors are introduced and result in faulty software systems. It is highly desirable and important that these errors can be prevented and detected as early as possible. Software architecture design is a high-level system description, which embodies many system features and properties that are eventually implemented in the final operational system. Therefore, methods for modeling and analyzing software architecture descriptions can help prevent and reveal human errors and thus improve software quality. Furthermore, if an analyzed software architecture description can be used to derive a partial software implementation, especially when the derivation can be automated, significant benefits can be gained with regard to both the system quality and productivity. This dissertation proposes a framework for an integrated analysis on both of the design and implementation. To ensure the desirable properties of the architecture model, we apply formal verification by using the model checking technique. To ensure the desirable properties of the implementation, we develop a methodology and the associated tool to translate an architecture specification into an implementation written in the combination of Arch-Java/Java/AspectJ programming languages. The translation is semi-automatic so that many manual programming errors can be prevented. Furthermore, the translation inserting monitoring code into the implementation such that runtime verification can be performed, this provides additional assurance for the quality of the implementation. Moreover, validations for the translations from architecture model to program are provided. Finally, several case studies are experimented and presented.

Sistema de reconhecimento de impressões digitais baseado em FPGA

Trabalho de Projeto para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Eletrónica e Telecomunicações

Dynamic simulation of regulatory networks using SQUAD.

BACKGROUND: The ambition of most molecular biologists is the understanding of the intricate network of molecular interactions that control biological systems. As scientists uncover the components and the connectivity of these networks, it becomes possible to study their dynamical behavior as a whole and discover what is the specific role of each of their components. Since the behavior of a network is by no means intuitive, it becomes necessary to use computational models to understand its behavior and to be able to make predictions about it. Unfortunately, most current computational models describe small networks due to the scarcity of kinetic data available. To overcome this problem, we previously published a methodology to convert a signaling network into a dynamical system, even in the total absence of kinetic information. In this paper we present a software implementation of such methodology. RESULTS: We developed SQUAD, a software for the dynamic simulation of signaling networks using the standardized qualitative dynamical systems approach. SQUAD converts the network into a discrete dynamical system, and it uses a binary decision diagram algorithm to identify all the steady states of the system. Then, the software creates a continuous dynamical system and localizes its steady states which are located near the steady states of the discrete system. The software permits to make simulations on the continuous system, allowing for the modification of several parameters. Importantly, SQUAD includes a framework for perturbing networks in a manner similar to what is performed in experimental laboratory protocols, for example by activating receptors or knocking out molecular components. Using this software we have been able to successfully reproduce the behavior of the regulatory network implicated in T-helper cell differentiation. CONCLUSION: The simulation of regulatory networks aims at predicting the behavior of a whole system when subject to stimuli, such as drugs, or determine the role of specific components within the network. The predictions can then be used to interpret and/or drive laboratory experiments. SQUAD provides a user-friendly graphical interface, accessible to both computational and experimental biologists for the fast qualitative simulation of large regulatory networks for which kinetic data is not necessarily available.

Mixing compositions and other scales

Theory of compositional data analysis is often focused on the composition only. However in practical applications we often treat a composition together with covariableswith some other scale. This contribution systematically gathers and develop statistical tools for this situation. For instance, for the graphical display of the dependenceof a composition with a categorical variable, a colored set of ternary diagrams mightbe a good idea for a first look at the data, but it will fast hide important aspects ifthe composition has many parts, or it takes extreme values. On the other hand colored scatterplots of ilr components could not be very instructive for the analyst, if theconventional, black-box ilr is used.Thinking on terms of the Euclidean structure of the simplex, we suggest to set upappropriate projections, which on one side show the compositional geometry and on theother side are still comprehensible by a non-expert analyst, readable for all locations andscales of the data. This is e.g. done by defining special balance displays with carefully-selected axes. Following this idea, we need to systematically ask how to display, explore,describe, and test the relation to complementary or explanatory data of categorical, real,ratio or again compositional scales.This contribution shows that it is sufficient to use some basic concepts and very fewadvanced tools from multivariate statistics (principal covariances, multivariate linearmodels, trellis or parallel plots, etc.) to build appropriate procedures for all these combinations of scales. This has some fundamental implications in their software implementation, and how might they be taught to analysts not already experts in multivariateanalysis

Methods for testing association between uncertain genotypes and quantitative traits.

Interpretability and power of genome-wide association studies can be increased by imputing unobserved genotypes, using a reference panel of individuals genotyped at higher marker density. For many markers, genotypes cannot be imputed with complete certainty, and the uncertainty needs to be taken into account when testing for association with a given phenotype. In this paper, we compare currently available methods for testing association between uncertain genotypes and quantitative traits. We show that some previously described methods offer poor control of the false-positive rate (FPR), and that satisfactory performance of these methods is obtained only by using ad hoc filtering rules or by using a harsh transformation of the trait under study. We propose new methods that are based on exact maximum likelihood estimation and use a mixture model to accommodate nonnormal trait distributions when necessary. The new methods adequately control the FPR and also have equal or better power compared to all previously described methods. We provide a fast software implementation of all the methods studied here; our new method requires computation time of less than one computer-day for a typical genome-wide scan, with 2.5 M single nucleotide polymorphisms and 5000 individuals.

QuesTInSitu: from tests to routes for assessment in situ activities

Test-based assessment tools are mostly focused on the use of computers. However, advanced Information and Communication Technologies, such as handheld devices, opens up the possibilities of creating new assessment scenarios, increasing the teachers’ choices to design more appropriate tests for their subject areas. In this paper we use the term Computing-Based Testing (CBT) instead of Computer-Based Testing, as it captures better the emerging trends. Within the CBT context, the paper is centred on proposing an approach for “Assessment in situ” activities, where questions have to be answered in front of a real space/location (situ). In particular, we present the QuesTInSitu software implementation that includes both an editor and a player based on the IMS Question and Test Interoperability specification and GoogleMaps. With QuesTInSitu teachers can create geolocated questions and tests (routes), and students can answer the tests using mobile devices with GPS when following a route. Three illustrating scenarios and the results from the implementation of one of them in a real educational situation show that QuesTInSitu enables the creation of innovative, enriched and context-aware assessment activities. The results also indicate that the use of mobile devices and location-based systems in assessment activities facilitates students to put explorative and spatial skills into practice and fosters their motivation, reflection and personal observation.

Käyttäjäkeskeinen kustomointityökalun prototypointi

Käyttäjäkeskeinen ohjelmistokehityson nimensä mukaisesti käyttäjän tarpeista ja vaatimuksista lähtevä ohjelmistojen kehittämistapa. Tällä tavoin halutaan saada selville, millaisia vaikutusmahdollisuuksia hän haluaa. Työ käsittelee tähän perustuvaa toteutusta, jolla käyttäjät voivat toteuttaa eksplisiittistä personointia eli toisin sanoen voivat muokataitse omaa henkilökohtaista tietoaan. Käyttäjille tarjotaan mahdollisuus vaikuttaa tapauskohtaisesti, kuinka hän käyttää personointitietojaan. Työssä luodaan avoimen lähdekoodin väliohjelmistoalustalle (MUPE) personointitiedon kustomointityökalu ja sitä hyödyntävät havainnollistavat palvelut. Tämän pohjana on aikaisemmin suoritettu informaation keruu. Naiden toteutuksien avulla on luotu käyttötapausesimerkkejä, joista voidaan havaita erilaisten personointitietojen käytön vaikutukset käyttäjän kannalta. Työkalun ja havainnollistavien palvelujen avulla luodut esimerkit tarjoavat hyvän ja kestävän pohjan sekä kustomointityökalun että käyttötapausesimerkkien laajentamiselle. Naita esimerkkejä voidaan myös jo suoraan soveltaa todellisissa käyttäjäkeskeisissä kenttätutkimuksissa.

Tietojohtaminen toiminnanohjausjärjestelmän tukena; Case: Kespro Oy

Tutkielman tarkoituksena on tutkia oppimisprosessin muodostumista ja toteutumista sekä prosessijohtamisen ja prosessien roolia SAP:in käyttöönottoprojektissa. Tutkielman case-organisaationa toimii Kespro Oy ja tutkimuskohteena on SAP:in käyttöönottoprojekti Kespron tukuissa. Tutkimus- ja tiedonkeruumenetelmänä käytetään kvantitatiivista kyselylomaketta. Tutkimuksessa saatiin selkeä kuva prosessijohtamisen ja prosessien roolista muutostilanteessa sekä oppimisprosessin muodostumisesta jatoteutumisesta. Johdon ja esimiesten tuen korostuminen sekä onnistunut strategisten linjausten tiedottaminen tulivat esille käytännön työssä prosessien toimivuuden ja oman työn merkityksen kautta. Tärkeänä haasteena osaamisen varmistamiseksi käyttöönoton yhteydessä oli varmistaa koulutuksen ja käyttäjäohjeiden riittävä taso ja sisältö. Käyttöönoton aikana ja sen jälkeen korostuivat tiedon jakamisessa pääkäyttäjien ja henkilöstön keskinäinen yhteistyö ja avunanto. Tehokas tiedon jakaminen mahdollisti käyttöönoton onnistumisen. Käyttöönottoon vaikutti oleellisesti myös tietotekninen näkökulma: käyttäjien kyky erottaa toisistaan oma osaaminen ja tietotekniset ongelmat. Näiden tekijöiden huomioiminen mahdollisti SAP-toiminnanohjausjärjestelmän sujuvan liikkeellelähdön Kespron tukuissa mahdollisimman vähillä operatiivisilla ongelmilla.

DTC-induktiomoottorikäytön soveltaminen keskitaajuusalueelle

Työssä tarkastellaan olemassa olevan suoraa vääntömomentin säätöä käyttävän taajuudenmuuttajan soveltamista keskitaajuusalueella toimiviin induktiomoottorikäyttöihin. Keskinopeusalueen sovellusten pyörimisnopeudet ovat tyypillisesti 6000…30000rpm. Tällöin invertterin lähtötaajuuden on nelinapaista moottoria ohjattaessa ulotuttava 1000Hz:iin. ABB:n ACS600 taajuudenmuuttajan nykyinen syöttötaajuus ulottuu noin 400Hz:iin ja sen keskimääräinen kytkentätaajuus on luokkaa 3kHz. Taajuudenmuuttajan keskimääräistä kytkentätaajuutta ei haluta tästä merkittävästi nostaa, koska tällöin pääteasteen mitoitusta ja rakennetta on muutettava. Tarkastelussa keskitytään täten jännitemodulointiin, joka määrittelee invertterin lähtöjännitteen käyrämuodon ja pääteasteen tehokytkimien kytkentätaajuuden. Työssä esitetään suoran käämivuon säädön periaatetta soveltava 30-kulmainen modulointimenetelmä (30-modulointi), jolla moottorin syöttövirrasta voidaan eliminoida 5. ja 7. yliharmoninen komponentti. Yliharmonisten komponenttien eliminointi mahdollistaa passiivisilla komponenteilla toteutetun alipäästösuodattimen asentamisen invertterin lähtöön, jolloin moottorissa tapahtuvat tehohäviöt saadaan pieniksi. 30-moduloinnin ohjaukseen ja säätöön esitetään menetelmät, jotka mahdollistavat sen toteuttamisen nykyiseen taajuudenmuuttajaan ohjelmallisesti ilman suuria laitteistomuutoksia. 30-moduloinnin ominaisuuksia tarkastellaan analyyttisin menetelmin ja sen toimintaa testataan esitettyjen teorioiden perusteella simuloimalla. 30-moduloinnin ohjelmallinen implementointi nykyiseen ACS600:een mahdollistaa periaatteessa noin 600Hz:n syöttötaajuuden saavuttamisen. Tällöin invertterin keskimääräinen kytkentätaajuus voidaan säätää koko pyörimisnopeusalueella alle 4kHz:n tasolle.

Vaihtosuuntaajan reaaliaikainen lämpömalli

Vaihtosuuntaajan IGBT-moduulin liitosten lämpötiloja ei voida suoraan mitata, joten niiden arviointiin tarvitaan reaaliaikainen lämpömalli. Tässä työssä on tavoitteena kehittää tähän tarkoitukseen C-kielellä implementoitu ratkaisu, joka on riittävän tarkka ja samalla mahdollisimman laskennallisesti tehokas. Ohjelmallisen toteutuksen täytyy myös sopia erilaisille moduulityypeille ja sen on tarvittaessa otettava huomioon saman moduulin muiden sirujen lämmittävä vaikutus toisiinsa. Kirjallisuuskatsauksen perusteella valitaan olemassa olevista lämpömalleista käytännön toteutuksen pohjaksi lämpöimpedanssimatriisiin perustuva malli. Lämpöimpedanssimatriisista tehdään Simulink-ohjelmalla s-tason simulointimalli, jota käytetään referenssinä muun muassa implementoinnin tarkkuuden verifiointiin. Lämpömalli tarvitsee tiedon vaihtosuuntaajan häviöistä, joten työssä on selvitetty eri vaihtoehtoja häviölaskentaan. Lämpömallin kehittäminen s-tason mallista valmiiksi C-kieliseksi koodiksi on kuvattu tarkasti. Ensin s-tason malli diskretoidaan z-tasoon. Z-tason siirtofunktiot muutetaan puolestaan ensimmäisen kertaluvun differenssiyhtälöiksi. Työssä kehitetty monen aikatason lämpömalli saadaan jakamalla ensimmäisen kertaluvun differenssiyhtälöt eri aikatasoille suoritettavaksi sen mukaan, mikä niiden kuvaileman termin vaatima päivitysnopeus on. Tällainen toteutus voi parhaimmillaan kuluttaa alle viidesosan kellojaksoja verrattuna suoraviivaiseen yhden aikatason toteutukseen. Implementoinnin tarkkuus on hyvä. Implementoinnin vaatimia suoritusaikoja testattiin Texas Instrumentsin TMS320C6727- prosessorilla (300 MHz). Esimerkkimallin laskemisen määritettiin kuluttavan vaihtosuuntaajan toimiessa 5 kHz kytkentätaajuudella vain 0,4 % prosessorin kellojaksoista. Toteutuksen tarkkuus ja laskentakapasiteetin vähäinen vaatimus mahdollistavat lämpömallin käyttämisen lämpösuojaukseen ja lisäämisen osaksi muuta jo prosessorilla olemassa olevaa systeemiä.

A clinical gamma camera-based pinhole collimated system for high resolution small animal SPECT imaging

The main objective of the present study was to upgrade a clinical gamma camera to obtain high resolution tomographic images of small animal organs. The system is based on a clinical gamma camera to which we have adapted a special-purpose pinhole collimator and a device for positioning and rotating the target based on a computer-controlled step motor. We developed a software tool to reconstruct the target’s three-dimensional distribution of emission from a set of planar projections, based on the maximum likelihood algorithm. We present details on the hardware and software implementation. We imaged phantoms and heart and kidneys of rats. When using pinhole collimators, the spatial resolution and sensitivity of the imaging system depend on parameters such as the detector-to-collimator and detector-to-target distances and pinhole diameter. In this study, we reached an object voxel size of 0.6 mm and spatial resolution better than 2.4 and 1.7 mm full width at half maximum when 1.5- and 1.0-mm diameter pinholes were used, respectively. Appropriate sensitivity to study the target of interest was attained in both cases. Additionally, we show that as few as 12 projections are sufficient to attain good quality reconstructions, a result that implies a significant reduction of acquisition time and opens the possibility for radiotracer dynamic studies. In conclusion, a high resolution single photon emission computed tomography (SPECT) system was developed using a commercial clinical gamma camera, allowing the acquisition of detailed volumetric images of small animal organs. This type of system has important implications for research areas such as Cardiology, Neurology or Oncology.

Konzeption eines generischen Vorgehensmodells zur strategieorientierten und partizipativen Einführung komplexer Softwaresysteme unter Berücksichtigung organisatorischer Gestaltungsprozesse

Die Dissertation befasst sich mit der Einführung komplexer Softwaresysteme, die, bestehend aus einer Kombination aus parametrisierter Standardsoftware gepaart mit Wettbewerbsvorteil sichernden Individualsoftwarekomponenten, keine Software-Engineering-Projekte im klassischen Sinn mehr darstellen, sondern einer strategieorientierten Gestaltung von Geschäftsprozessen und deren Implementierung in Softwaresystemen bedürfen. Die Problemstellung einer adäquaten Abwägung zwischen TCO-optimierender Einführung und einer gleichzeitigen vollständigen Unterstützung der kritischen Erfolgsfaktoren des Unternehmens ist hierbei von besonderer Bedeutung. Der Einsatz integrierter betriebswirtschaftlicher Standardsoftware, mit den Möglichkeiten einer TCO-Senkung, jedoch ebenfalls der Gefahr eines Verlustes von Alleinstellungsmerkmalen am Markt durch Vereinheitlichungstendenzen, stellt ein in Einführungsprojekten wesentliches zu lösendes Problem dar, um Suboptima zu vermeiden. Die Verwendung von Vorgehensmodellen, die sich oftmals an klassischen Softwareentwicklungsprojekten orientieren oder vereinfachte Phasenmodelle für das Projektmanagement darstellen, bedingt eine fehlende Situationsadäquanz in den Detailsituationen der Teilprojekte eines komplexen Einführungsprojektes. Das in dieser Arbeit entwickelte generische Vorgehensmodell zur strategieorientierten und partizipativen Einführung komplexer Softwaresysteme im betriebswirtschaftlichen Anwendungsbereich macht - aufgrund der besonders herausgearbeiteten Ansätze zu einer strategieorientierten Einführung, respektive Entwicklung derartiger Systeme sowie aufgrund der situationsadäquaten Vorgehensstrategien im Rahmen der Teilprojektorganisation � ein Softwareeinführungsprojekt zu einem Wettbewerbsfaktor stärkenden, strategischen Element im Unternehmen. Die in der Dissertation diskutierten Überlegungen lassen eine Vorgehensweise präferieren, die eine enge Verschmelzung des Projektes zur Organisationsoptimierung mit dem Softwareimplementierungsprozess impliziert. Eine Priorisierung der Geschäftsprozesse mit dem Ziel, zum einen bei Prozessen mit hoher wettbewerbsseitiger Priorität ein organisatorisches Suboptimum zu vermeiden und zum anderen trotzdem den organisatorischen Gestaltungs- und den Systemimplementierungsprozess schnell und ressourcenschonend durchzuführen, ist ein wesentliches Ergebnis der Ausarbeitungen. Zusätzlich führt die Ausgrenzung weiterer Prozesse vom Einführungsvorgang zunächst zu einem Produktivsystem, welches das Unternehmen in den wesentlichen Punkten abdeckt, das aber ebenso in späteren Projektschritten zu einem System erweitert werden kann, welches eine umfassende Funktionalität besitzt. Hieraus ergeben sich Möglichkeiten, strategischen Anforderungen an ein modernes Informationssystem, das die kritischen Erfolgsfaktoren eines Unternehmens konsequent unterstützen muss, gerecht zu werden und gleichzeitig ein so weit als möglich ressourcenschonendes, weil die Kostenreduktionsaspekte einer Standardlösung nutzend, Projekt durchzuführen. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die situationsadäquate Modellinstanziierung, also die projektspezifische Anpassung des Vorgehensmodells sowie die situationsadäquate Wahl der Vorgehensweisen in Teilprojekten und dadurch Nutzung der Vorteile der verschiedenen Vorgehensstrategien beim konkreten Projektmanagement. Der Notwendigkeit der Entwicklung einer Projektorganisation für prototypingorientiertes Vorgehen wird in diesem Zusammenhang ebenfalls Rechnung getragen. Die Notwendigkeit der Unternehmen, sich einerseits mit starken Differenzierungspotenzialen am Markt hervorzuheben und andererseits bei ständig sinkenden Margen einer Kostenoptimierung nachzukommen, lässt auch in Zukunft das entwickelte Modell als erfolgreich erscheinen. Hinzu kommt die Tendenz zu Best-Of-Breed-Ansätzen und komponentenbasierten Systemen im Rahmen der Softwareauswahl, die eine ausgesprochen differenzierte Vorgehensweise in Projekten verstärkt notwendig machen wird. Durch die in das entwickelte Modell integrierten Prototyping-Ansätze wird der auch in Zukunft an Bedeutung gewinnenden Notwendigkeit der Anwenderintegration Rechnung getragen.

Mixing compositions and other scales

Theory of compositional data analysis is often focused on the composition only. However in practical applications we often treat a composition together with covariables with some other scale. This contribution systematically gathers and develop statistical tools for this situation. For instance, for the graphical display of the dependence of a composition with a categorical variable, a colored set of ternary diagrams might be a good idea for a first look at the data, but it will fast hide important aspects if the composition has many parts, or it takes extreme values. On the other hand colored scatterplots of ilr components could not be very instructive for the analyst, if the conventional, black-box ilr is used. Thinking on terms of the Euclidean structure of the simplex, we suggest to set up appropriate projections, which on one side show the compositional geometry and on the other side are still comprehensible by a non-expert analyst, readable for all locations and scales of the data. This is e.g. done by defining special balance displays with carefully- selected axes. Following this idea, we need to systematically ask how to display, explore, describe, and test the relation to complementary or explanatory data of categorical, real, ratio or again compositional scales. This contribution shows that it is sufficient to use some basic concepts and very few advanced tools from multivariate statistics (principal covariances, multivariate linear models, trellis or parallel plots, etc.) to build appropriate procedures for all these combinations of scales. This has some fundamental implications in their software implementation, and how might they be taught to analysts not already experts in multivariate analysis

Head-controlled assistive telerobot with extended physiological proprioception capability

People with disabilities such as quadriplegia can use mouth-sticks and head-sticks as extension devices to perform desired manipulations. These extensions provide extended proprioception which allows users to directly feel forces and other perceptual cues such as texture present at the tip of the mouth-stick. Such devices are effective for two principle reasons: because of their close contact with the user's tactile and proprioceptive sensing abilities; and because they tend to be lightweight and very stiff, and can thus convey tactile and kinesthetic information with high-bandwidth. Unfortunately, traditional mouth-sticks and head-sticks are limited in workspace and in the mechanical power that can be transferred because of user mobility and strength limitations. We describe an alternative implementation of the head-stick device using the idea of a virtual head-stick: a head-controlled bilateral force-reflecting telerobot. In this system the end-effector of the slave robot moves as if it were at the tip of an imaginary extension of the user's head. The design goal is for the system is to have the same intuitive operation and extended proprioception as a regular mouth-stick effector but with augmentation of workspace volume and mechanical power. The input is through a specially modified six DOF master robot (a PerForceTM hand-controller) whose joints can be back-driven to apply forces at the user's head. The manipulation tasks in the environment are performed by a six degree-of-freedom slave robot (the Zebra-ZEROTM) with a built-in force sensor. We describe the prototype hardware/software implementation of the system, control system design, safety/disability issues, and initial evaluation tasks.

Introducing "ecoputation": a universal systems design process

A universal systems design process is specified, tested in a case study and evaluated. It links English narratives to numbers using a categorical language framework with mathematical mappings taking the place of conjunctions and numbers. The framework is a ring of English narrative words between 1 (option) and 360 (capital); beyond 360 the ring cycles again to 1. English narratives are shown to correspond to the field of fractional numbers. The process can enable the development, presentation and communication of complex narrative policy information among communities of any scale, on a software implementation known as the "ecoputer". The information is more accessible and comprehensive than that in conventional decision support, because: (1) it is expressed in narrative language; and (2) the narratives are expressed as compounds of words within the framework. Hence option generation is made more effective than in conventional decision support processes including Multiple Criteria Decision Analysis, Life Cycle Assessment and Cost-Benefit Analysis.The case study is of a participatory workshop in UK bioenergy project objectives and criteria, at which attributes were elicited in environmental, economic and social systems. From the attributes, the framework was used to derive consequences at a range of levels of precision; these are compared with the project objectives and criteria as set out in the Case for Support. The design process is to be supported by a social information manipulation, storage and retrieval system for numeric and verbal narratives attached to the "ecoputer". The "ecoputer" will have an integrated verbal and numeric operating system. Novel design source code language will assist the development of narrative policy. The utility of the program, including in the transition to sustainable development and in applications at both community micro-scale and policy macro-scale, is discussed from public, stakeholder, corporate, Governmental and regulatory perspectives.