Software transactional memory as a building block for parallel embedded realtime systems

The recent trends of chip architectures with higher number of heterogeneous cores, and non-uniform memory/non-coherent caches, brings renewed attention to the use of Software Transactional Memory (STM) as a fundamental building block for developing parallel applications. Nevertheless, although STM promises to ease concurrent and parallel software development, it relies on the possibility of aborting conflicting transactions to maintain data consistency, which impacts on the responsiveness and timing guarantees required by embedded real-time systems. In these systems, contention delays must be (efficiently) limited so that the response times of tasks executing transactions are upper-bounded and task sets can be feasibly scheduled. In this paper we assess the use of STM in the development of embedded real-time software, defending that the amount of contention can be reduced if read-only transactions access recent consistent data snapshots, progressing in a wait-free manner. We show how the required number of versions of a shared object can be calculated for a set of tasks. We also outline an algorithm to manage conflicts between update transactions that prevents starvation.

Desenvolvimento de Frameworks de Testes Automáticos de Software

O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de frameworks de testes automáticos de software. Este tipo de testes normalmente está associado ao modelo evolucionário e às metodologias ágeis de desenvolvimento de software, enquanto que os testes manuais estão relacionados com o modelo em cascata e as metodologias tradicionais. Como tal foi efetuado um estudo comparativo sobre os tipos de metodologias e de testes existentes, para decidir quais os que melhor se adequavam ao projeto e dar resposta à questão "Será que realmente compensa realizar testes (automáticos)?". Finalizado o estudo foram desenvolvidas duas frameworks, a primeira para a implementação de testes funcionais e unitários sem dependências a ser utilizada pelos estagiários curriculares da LabOrders, e a segunda para a implementação de testes unitários com dependências externas de base de dados e serviços, a ser utilizada pelos funcionários da empresa. Nas últimas duas décadas as metodologias ágeis de desenvolvimento de software não pararam de evoluir, no entanto as ferramentas de automação não conseguiram acompanhar este progresso. Muitas áreas não são abrangidas pelos testes e por isso alguns têm de ser feitos manualmente. Posto isto foram criadas várias funcionalidades inovadoras para aumentar a cobertura dos testes e tornar as frameworks o mais intuitivas possível, nomeadamente: 1. Download automático de ficheiros através do Internet Explorer 9 (e versões mais recentes). 2. Análise do conteúdo de ficheiros .pdf (através dos testes). 3. Obtenção de elementos web e respetivos atributos através de código jQuery utilizando a API WebDriver com PHP bindings. 4. Exibição de mensagens de erro personalizadas quando não é possível encontrar um determinado elemento. As frameworks implementadas estão também preparadas para a criação de outros testes (de carga, integração, regressão) que possam vir a ser necessários no futuro. Foram testadas em contexto de trabalho pelos colaboradores e clientes da empresa onde foi realizado o projeto de mestrado e os resultados permitiram concluir que a adoção de uma metodologia de desenvolvimento de software com testes automáticos pode aumentar a produtividade, reduzir as falhas e potenciar o cumprimento de orçamentos e prazos dos projetos das organizações.

Desenvolvimento de software com integração contínua

A integração contínua é uma prática no desenvolvimento de software que já existe há algum tempo mas ainda não é muito conhecida nem usada. Esta prática no desenvolvimento de software surgiu com a programação extrema e tem evoluído ao longo dos últimos anos, adaptando-se às novas tecnologias. O estudo aqui apresentado pretende essencialmente mostrar a real importância e o valor acrescido que a integração contínua pode trazer a um projeto de desenvolvimento de software. O trabalho aqui exposto surge no âmbito de um projeto interno, realizado pelo autor na empresa Konkconsulting, cuja finalidade se prende com o conhecimento mais aprofundado da integração contínua e com o levantamento das necessidades e criação de soluções, de modo a conseguir a sua utilização nos produtos que irão ser desenvolvidos pela empresa. Nesta dissertação, é proposto um conjunto de ferramentas para responder às necessidades imediatas da empresa na implementação de integração contínua num dos seus projetos. Estas ferramentas devem ser de simples e de fácil utilização, de modo a ajudar os programadores durante os desenvolvimentos e responder às necessidades da utilização da integração contínua em um projeto a ser desenvolvido pela empresa, mas ao mesmo tempo, podendo ser facilmente incorporadas em futuros projetos.

The Development of an Internal Testing Process for a Bluetooth Product

BlueGiga Technologies on uusi Bluetooth -teknologiaa soveltava pk-yritys. Yrityksen tuotekehitysprosessia täydentämään tarvittiin testausprosessi. Testausprosessin luominen oli haastavaa, koska Bluetooth -teknologia on uutta ja yritys on vielä nuori. Lisäksi se integroi kovo- ja ohjelmistokomponentteja tuotteissaan. Testaus aloitettiin evaluoimalla standardinmukaista tapaa dokumentoida testit. Tämän jälkeen tutkittiin BlueGigan ohjelmistokehitysprosessin suhdetta olemassa oleviin ohjelmistokehitysprosesseihin. Samanaikaisesti perehdyttiin Bluetooth -kvalifikaation testaukselle asettamiin vaatimuksiin. Tämän seurauksena TTCN:ää kokeiltiin helppolukuisen testitapauksen määrittelyssä. Käyttötapauksiin perustuvan testauksen sopivuutta Wireless Remote Access Platform:in (WRAP) testaamiseen arvioitiin kokeilemalla sitä Man-to-Machine -käyttötapauksen testaamisessa. Yllämainittujen tehtävien aikana kerätyn tiedon ja hankittujen kokemusten pohjalta laadittiin testausprosessi, joka kattaa yksikkö-, integraatio- ja järjestelmätason testauksen. Painopiste on järjestelmätason testauksessa. Prosessi määrittelee myös vastuuhenkilön tai -henkilöt eri testaustasoille.

Software product line for power converters

Työn tilaajana toimi Visedo Oy. Työn tavoitteina oli tutkia Visedo Oy:n ohjelmistokehityksen nykytila, tunnistaa seuraavat parannuskohteet ja antaa ohjeita havaittujen parannuskohteiden korjaamiseksi. Visedo Oy:n tehonmuokkain ohjelmistokehityksen nykytilaa käsiteltiin neljän valitun osa-alueen näkökulmasta: ohjelmistoarkkitehtuurityyli, komponenttipohjainen ohjelmistokehitys, ohjelmistotuotelinjojen kehitysmenetelmät ja ohjelmistovariaatioiden hallinta. Valituilla osa-alueilla havaittujen parannuskohteiden perusteella annettiin korjausehdotuksia: ohjelmistoarkkitehtuurin rakenteeseen, komponenttien jakautumiselle, komponenttien koostamiselle ja komponenttien versioinnille. Lisäksi ehdotettiin uudenlaista ohjelmistotuotelinja rakennetta, joka yhdistää kerros- ja komponenttipohjaiset arkkitehtuurityylit mahdollistaen ominaisuuksiltaan eroavien tehonmuokkain ohjelmistojen hallinnan.

The effectiveness of a computer program on career planning for university students

This study investigated the effectiveness of a computer program, PERSONAL CAREER DIRECTIONS (PC DIRECTIONS) (Anderson, Welborn, & Wright, 1983) on career planning and exploration for twenty-four Brock University students (18 women and 6 men) who requested career planning assistance at the Career/Placement Services of the Counselling Centre. A one-group pretest/posttest design was used in the study_ Progress in career planning and exploration was measured by Career Planning (CP) and Career Exploration (CE) scales of the Career Development Inventory (College and University Form) (Super, Thompson, Lindeman, Jordaan, & Myers, 1981). A paired samples 2-tailed t test for Career Development Attitudes (CDA) , the combined CP and CE scales, revealed the posttest scores were significantly higher than the pretest scores, t(23) = 3.74, 2 < .001. Student progress was also assessed by self-report lists of job titles which reflected positive changes after students used PC DIRECTIONS. In response to several questions, students' attitudes were more positive than negative toward the program. Implications are that PC DIRECTIONS is an effective component in promoting career planning for university students. Further studies may reveal that different types of students may benefit from different interventions in the career planning process.

Intégration de la visualisation à multiples vues pour le développement du logiciel

Le développement du logiciel actuel doit faire face de plus en plus à la complexité de programmes gigantesques, élaborés et maintenus par de grandes équipes réparties dans divers lieux. Dans ses tâches régulières, chaque intervenant peut avoir à répondre à des questions variées en tirant des informations de sources diverses. Pour améliorer le rendement global du développement, nous proposons d'intégrer dans un IDE populaire (Eclipse) notre nouvel outil de visualisation (VERSO) qui calcule, organise, affiche et permet de naviguer dans les informations de façon cohérente, efficace et intuitive, afin de bénéficier du système visuel humain dans l'exploration de données variées. Nous proposons une structuration des informations selon trois axes : (1) le contexte (qualité, contrôle de version, bogues, etc.) détermine le type des informations ; (2) le niveau de granularité (ligne de code, méthode, classe, paquetage) dérive les informations au niveau de détails adéquat ; et (3) l'évolution extrait les informations de la version du logiciel désirée. Chaque vue du logiciel correspond à une coordonnée discrète selon ces trois axes, et nous portons une attention toute particulière à la cohérence en naviguant entre des vues adjacentes seulement, et ce, afin de diminuer la charge cognitive de recherches pour répondre aux questions des utilisateurs. Deux expériences valident l'intérêt de notre approche intégrée dans des tâches représentatives. Elles permettent de croire qu'un accès à diverses informations présentées de façon graphique et cohérente devrait grandement aider le développement du logiciel contemporain.

A Categorical Framework for the Specification and the Verification of Aspect Oriented Systems

Un objectif principal du génie logiciel est de pouvoir produire des logiciels complexes, de grande taille et fiables en un temps raisonnable. La technologie orientée objet (OO) a fourni de bons concepts et des techniques de modélisation et de programmation qui ont permis de développer des applications complexes tant dans le monde académique que dans le monde industriel. Cette expérience a cependant permis de découvrir les faiblesses du paradigme objet (par exemples, la dispersion de code et le problème de traçabilité). La programmation orientée aspect (OA) apporte une solution simple aux limitations de la programmation OO, telle que le problème des préoccupations transversales. Ces préoccupations transversales se traduisent par la dispersion du même code dans plusieurs modules du système ou l’emmêlement de plusieurs morceaux de code dans un même module. Cette nouvelle méthode de programmer permet d’implémenter chaque problématique indépendamment des autres, puis de les assembler selon des règles bien définies. La programmation OA promet donc une meilleure productivité, une meilleure réutilisation du code et une meilleure adaptation du code aux changements. Très vite, cette nouvelle façon de faire s’est vue s’étendre sur tout le processus de développement de logiciel en ayant pour but de préserver la modularité et la traçabilité, qui sont deux propriétés importantes des logiciels de bonne qualité. Cependant, la technologie OA présente de nombreux défis. Le raisonnement, la spécification, et la vérification des programmes OA présentent des difficultés d’autant plus que ces programmes évoluent dans le temps. Par conséquent, le raisonnement modulaire de ces programmes est requis sinon ils nécessiteraient d’être réexaminés au complet chaque fois qu’un composant est changé ou ajouté. Il est cependant bien connu dans la littérature que le raisonnement modulaire sur les programmes OA est difficile vu que les aspects appliqués changent souvent le comportement de leurs composantes de base [47]. Ces mêmes difficultés sont présentes au niveau des phases de spécification et de vérification du processus de développement des logiciels. Au meilleur de nos connaissances, la spécification modulaire et la vérification modulaire sont faiblement couvertes et constituent un champ de recherche très intéressant. De même, les interactions entre aspects est un sérieux problème dans la communauté des aspects. Pour faire face à ces problèmes, nous avons choisi d’utiliser la théorie des catégories et les techniques des spécifications algébriques. Pour apporter une solution aux problèmes ci-dessus cités, nous avons utilisé les travaux de Wiels [110] et d’autres contributions telles que celles décrites dans le livre [25]. Nous supposons que le système en développement est déjà décomposé en aspects et classes. La première contribution de notre thèse est l’extension des techniques des spécifications algébriques à la notion d’aspect. Deuxièmement, nous avons défini une logique, LA , qui est utilisée dans le corps des spécifications pour décrire le comportement de ces composantes. La troisième contribution consiste en la définition de l’opérateur de tissage qui correspond à la relation d’interconnexion entre les modules d’aspect et les modules de classe. La quatrième contribution concerne le développement d’un mécanisme de prévention qui permet de prévenir les interactions indésirables dans les systèmes orientés aspect.

Impacts and Detection of Design Smells

Les changements sont faits de façon continue dans le code source des logiciels pour prendre en compte les besoins des clients et corriger les fautes. Les changements continus peuvent conduire aux défauts de code et de conception. Les défauts de conception sont des mauvaises solutions à des problèmes récurrents de conception ou d’implémentation, généralement dans le développement orienté objet. Au cours des activités de compréhension et de changement et en raison du temps d’accès au marché, du manque de compréhension, et de leur expérience, les développeurs ne peuvent pas toujours suivre les normes de conception et les techniques de codage comme les patrons de conception. Par conséquent, ils introduisent des défauts de conception dans leurs systèmes. Dans la littérature, plusieurs auteurs ont fait valoir que les défauts de conception rendent les systèmes orientés objet plus difficile à comprendre, plus sujets aux fautes, et plus difficiles à changer que les systèmes sans les défauts de conception. Pourtant, seulement quelques-uns de ces auteurs ont fait une étude empirique sur l’impact des défauts de conception sur la compréhension et aucun d’entre eux n’a étudié l’impact des défauts de conception sur l’effort des développeurs pour corriger les fautes. Dans cette thèse, nous proposons trois principales contributions. La première contribution est une étude empirique pour apporter des preuves de l’impact des défauts de conception sur la compréhension et le changement. Nous concevons et effectuons deux expériences avec 59 sujets, afin d’évaluer l’impact de la composition de deux occurrences de Blob ou deux occurrences de spaghetti code sur la performance des développeurs effectuant des tâches de compréhension et de changement. Nous mesurons la performance des développeurs en utilisant: (1) l’indice de charge de travail de la NASA pour leurs efforts, (2) le temps qu’ils ont passé dans l’accomplissement de leurs tâches, et (3) les pourcentages de bonnes réponses. Les résultats des deux expériences ont montré que deux occurrences de Blob ou de spaghetti code sont un obstacle significatif pour la performance des développeurs lors de tâches de compréhension et de changement. Les résultats obtenus justifient les recherches antérieures sur la spécification et la détection des défauts de conception. Les équipes de développement de logiciels doivent mettre en garde les développeurs contre le nombre élevé d’occurrences de défauts de conception et recommander des refactorisations à chaque étape du processus de développement pour supprimer ces défauts de conception quand c’est possible. Dans la deuxième contribution, nous étudions la relation entre les défauts de conception et les fautes. Nous étudions l’impact de la présence des défauts de conception sur l’effort nécessaire pour corriger les fautes. Nous mesurons l’effort pour corriger les fautes à l’aide de trois indicateurs: (1) la durée de la période de correction, (2) le nombre de champs et méthodes touchés par la correction des fautes et (3) l’entropie des corrections de fautes dans le code-source. Nous menons une étude empirique avec 12 défauts de conception détectés dans 54 versions de quatre systèmes: ArgoUML, Eclipse, Mylyn, et Rhino. Nos résultats ont montré que la durée de la période de correction est plus longue pour les fautes impliquant des classes avec des défauts de conception. En outre, la correction des fautes dans les classes avec des défauts de conception fait changer plus de fichiers, plus les champs et des méthodes. Nous avons également observé que, après la correction d’une faute, le nombre d’occurrences de défauts de conception dans les classes impliquées dans la correction de la faute diminue. Comprendre l’impact des défauts de conception sur l’effort des développeurs pour corriger les fautes est important afin d’aider les équipes de développement pour mieux évaluer et prévoir l’impact de leurs décisions de conception et donc canaliser leurs efforts pour améliorer la qualité de leurs systèmes. Les équipes de développement doivent contrôler et supprimer les défauts de conception de leurs systèmes car ils sont susceptibles d’augmenter les efforts de changement. La troisième contribution concerne la détection des défauts de conception. Pendant les activités de maintenance, il est important de disposer d’un outil capable de détecter les défauts de conception de façon incrémentale et itérative. Ce processus de détection incrémentale et itérative pourrait réduire les coûts, les efforts et les ressources en permettant aux praticiens d’identifier et de prendre en compte les occurrences de défauts de conception comme ils les trouvent lors de la compréhension et des changements. Les chercheurs ont proposé des approches pour détecter les occurrences de défauts de conception, mais ces approches ont actuellement quatre limites: (1) elles nécessitent une connaissance approfondie des défauts de conception, (2) elles ont une précision et un rappel limités, (3) elles ne sont pas itératives et incrémentales et (4) elles ne peuvent pas être appliquées sur des sous-ensembles de systèmes. Pour surmonter ces limitations, nous introduisons SMURF, une nouvelle approche pour détecter les défauts de conception, basé sur une technique d’apprentissage automatique — machines à vecteur de support — et prenant en compte les retours des praticiens. Grâce à une étude empirique portant sur trois systèmes et quatre défauts de conception, nous avons montré que la précision et le rappel de SMURF sont supérieurs à ceux de DETEX et BDTEX lors de la détection des occurrences de défauts de conception. Nous avons également montré que SMURF peut être appliqué à la fois dans les configurations intra-système et inter-système. Enfin, nous avons montré que la précision et le rappel de SMURF sont améliorés quand on prend en compte les retours des praticiens.

Une approche heuristique pour l’apprentissage de transformations de modèles complexes à partir d’exemples

L’ingénierie dirigée par les modèles (IDM) est un paradigme d’ingénierie du logiciel bien établi, qui préconise l’utilisation de modèles comme artéfacts de premier ordre dans les activités de développement et de maintenance du logiciel. La manipulation de plusieurs modèles durant le cycle de vie du logiciel motive l’usage de transformations de modèles (TM) afin d’automatiser les opérations de génération et de mise à jour des modèles lorsque cela est possible. L’écriture de transformations de modèles demeure cependant une tâche ardue, qui requiert à la fois beaucoup de connaissances et d’efforts, remettant ainsi en question les avantages apportés par l’IDM. Afin de faire face à cette problématique, de nombreux travaux de recherche se sont intéressés à l’automatisation des TM. L’apprentissage de transformations de modèles par l’exemple (TMPE) constitue, à cet égard, une approche prometteuse. La TMPE a pour objectif d’apprendre des programmes de transformation de modèles à partir d’un ensemble de paires de modèles sources et cibles fournis en guise d’exemples. Dans ce travail, nous proposons un processus d’apprentissage de transformations de modèles par l’exemple. Ce dernier vise à apprendre des transformations de modèles complexes en s’attaquant à trois exigences constatées, à savoir, l’exploration du contexte dans le modèle source, la vérification de valeurs d’attributs sources et la dérivation d’attributs cibles complexes. Nous validons notre approche de manière expérimentale sur 7 cas de transformations de modèles. Trois des sept transformations apprises permettent d’obtenir des modèles cibles parfaits. De plus, une précision et un rappel supérieurs à 90% sont enregistrés au niveau des modèles cibles obtenus par les quatre transformations restantes.

Investigating the Impact of Personal, Temporal and Participation Factors on Code Review Quality

La révision du code est un procédé essentiel quelque soit la maturité d'un projet; elle cherche à évaluer la contribution apportée par le code soumis par les développeurs. En principe, la révision du code améliore la qualité des changements de code (patches) avant qu'ils ne soient validés dans le repertoire maître du projet. En pratique, l'exécution de ce procédé n'exclu pas la possibilité que certains bugs passent inaperçus. Dans ce document, nous présentons une étude empirique enquétant la révision du code d'un grand projet open source. Nous investissons les relations entre les inspections des reviewers et les facteurs, sur les plans personnel et temporel, qui pourraient affecter la qualité de telles inspections.Premiérement, nous relatons une étude quantitative dans laquelle nous utilisons l'algorithme SSZ pour détecter les modifications et les changements de code favorisant la création de bogues (bug-inducing changes) que nous avons lié avec l'information contenue dans les révisions de code (code review information) extraites du systéme de traçage des erreurs (issue tracking system). Nous avons découvert que les raisons pour lesquelles les réviseurs manquent certains bogues était corrélées autant à leurs caractéristiques personnelles qu'aux propriétés techniques des corrections en cours de revue. Ensuite, nous relatons une étude qualitative invitant les développeurs de chez Mozilla à nous donner leur opinion concernant les attributs favorables à la bonne formulation d'une révision de code. Les résultats de notre sondage suggèrent que les développeurs considèrent les aspects techniques (taille de la correction, nombre de chunks et de modules) autant que les caractéristiques personnelles (l'expérience et review queue) comme des facteurs influant fortement la qualité des revues de code.

Export Competitiveness of Software Industry In India

The study was motivated by the need to understand factors that guide the software exports and competitiveness, both positively and negatively. The influence of one factor or another upon the export competitiveness is to be understood in great depth, which is necessary to find out the industry’s sustainability. India is being emulated as an example for the success strategy in software development and exports. India’s software industry is hailed as one of the globally competitive software industry in the world. The major objectives are to model the growth pattern of exports and domestic sales of software and services of India and to find out the factors influencing the growth pattern of software industry in India. The thesis compare the growth pattern of software industry of India with respect to that of Ireland and Israel and to critically of various problems faced by software industry and export in India and to model the variables of competitiveness of emerging software producing nations

An Error-Localization, Validation and Optimization Tool for Embedded Code Augmentation: an Architecture Oriented Approach

Embedded systems are usually designed for a single or a specified set of tasks. This specificity means the system design as well as its hardware/software development can be highly optimized. Embedded software must meet the requirements such as high reliability operation on resource-constrained platforms, real time constraints and rapid development. This necessitates the adoption of static machine codes analysis tools running on a host machine for the validation and optimization of embedded system codes, which can help meet all of these goals. This could significantly augment the software quality and is still a challenging field.Embedded systems are usually designed for a single or a specified set of tasks. This specificity means the system design as well as its hardware/software development can be highly optimized. Embedded software must meet the requirements such as high reliability operation on resource-constrained platforms, real time constraints and rapid development. This necessitates the adoption of static machine codes analysis tools running on a host machine for the validation and optimization of embedded system codes, which can help meet all of these goals. This could significantly augment the software quality and is still a challenging field.Embedded systems are usually designed for a single or a specified set of tasks. This specificity means the system design as well as its hardware/software development can be highly optimized. Embedded software must meet the requirements such as high reliability operation on resource-constrained platforms, real time constraints and rapid development. This necessitates the adoption of static machine codes analysis tools running on a host machine for the validation and optimization of embedded system codes, which can help meet all of these goals. This could significantly augment the software quality and is still a challenging field.Embedded systems are usually designed for a single or a specified set of tasks. This specificity means the system design as well as its hardware/software development can be highly optimized. Embedded software must meet the requirements such as high reliability operation on resource-constrained platforms, real time constraints and rapid development. This necessitates the adoption of static machine codes analysis tools running on a host machine for the validation and optimization of embedded system codes, which can help meet all of these goals. This could significantly augment the software quality and is still a challenging field.This dissertation contributes to an architecture oriented code validation, error localization and optimization technique assisting the embedded system designer in software debugging, to make it more effective at early detection of software bugs that are otherwise hard to detect, using the static analysis of machine codes. The focus of this work is to develop methods that automatically localize faults as well as optimize the code and thus improve the debugging process as well as quality of the code.Validation is done with the help of rules of inferences formulated for the target processor. The rules govern the occurrence of illegitimate/out of place instructions and code sequences for executing the computational and integrated peripheral functions. The stipulated rules are encoded in propositional logic formulae and their compliance is tested individually in all possible execution paths of the application programs. An incorrect sequence of machine code pattern is identified using slicing techniques on the control flow graph generated from the machine code.An algorithm to assist the compiler to eliminate the redundant bank switching codes and decide on optimum data allocation to banked memory resulting in minimum number of bank switching codes in embedded system software is proposed. A relation matrix and a state transition diagram formed for the active memory bank state transition corresponding to each bank selection instruction is used for the detection of redundant codes. Instances of code redundancy based on the stipulated rules for the target processor are identified.This validation and optimization tool can be integrated to the system development environment. It is a novel approach independent of compiler/assembler, applicable to a wide range of processors once appropriate rules are formulated. Program states are identified mainly with machine code pattern, which drastically reduces the state space creation contributing to an improved state-of-the-art model checking. Though the technique described is general, the implementation is architecture oriented, and hence the feasibility study is conducted on PIC16F87X microcontrollers. The proposed tool will be very useful in steering novices towards correct use of difficult microcontroller features in developing embedded systems.

Design, implementation and application of a generic framework for integrated regional land-use modeling

Land use is a crucial link between human activities and the natural environment and one of the main driving forces of global environmental change. Large parts of the terrestrial land surface are used for agriculture, forestry, settlements and infrastructure. Given the importance of land use, it is essential to understand the multitude of influential factors and resulting land use patterns. An essential methodology to study and quantify such interactions is provided by the adoption of land-use models. By the application of land-use models, it is possible to analyze the complex structure of linkages and feedbacks and to also determine the relevance of driving forces. Modeling land use and land use changes has a long-term tradition. In particular on the regional scale, a variety of models for different regions and research questions has been created. Modeling capabilities grow with steady advances in computer technology, which on the one hand are driven by increasing computing power on the other hand by new methods in software development, e.g. object- and component-oriented architectures. In this thesis, SITE (Simulation of Terrestrial Environments), a novel framework for integrated regional sland-use modeling, will be introduced and discussed. Particular features of SITE are the notably extended capability to integrate models and the strict separation of application and implementation. These features enable efficient development, test and usage of integrated land-use models. On its system side, SITE provides generic data structures (grid, grid cells, attributes etc.) and takes over the responsibility for their administration. By means of a scripting language (Python) that has been extended by language features specific for land-use modeling, these data structures can be utilized and manipulated by modeling applications. The scripting language interpreter is embedded in SITE. The integration of sub models can be achieved via the scripting language or by usage of a generic interface provided by SITE. Furthermore, functionalities important for land-use modeling like model calibration, model tests and analysis support of simulation results have been integrated into the generic framework. During the implementation of SITE, specific emphasis was laid on expandability, maintainability and usability. Along with the modeling framework a land use model for the analysis of the stability of tropical rainforest margins was developed in the context of the collaborative research project STORMA (SFB 552). In a research area in Central Sulawesi, Indonesia, socio-environmental impacts of land-use changes were examined. SITE was used to simulate land-use dynamics in the historical period of 1981 to 2002. Analogous to that, a scenario that did not consider migration in the population dynamics, was analyzed. For the calculation of crop yields and trace gas emissions, the DAYCENT agro-ecosystem model was integrated. In this case study, it could be shown that land-use changes in the Indonesian research area could mainly be characterized by the expansion of agricultural areas at the expense of natural forest. For this reason, the situation had to be interpreted as unsustainable even though increased agricultural use implied economic improvements and higher farmers' incomes. Due to the importance of model calibration, it was explicitly addressed in the SITE architecture through the introduction of a specific component. The calibration functionality can be used by all SITE applications and enables largely automated model calibration. Calibration in SITE is understood as a process that finds an optimal or at least adequate solution for a set of arbitrarily selectable model parameters with respect to an objective function. In SITE, an objective function typically is a map comparison algorithm capable of comparing a simulation result to a reference map. Several map optimization and map comparison methodologies are available and can be combined. The STORMA land-use model was calibrated using a genetic algorithm for optimization and the figure of merit map comparison measure as objective function. The time period for the calibration ranged from 1981 to 2002. For this period, respective reference land-use maps were compiled. It could be shown, that an efficient automated model calibration with SITE is possible. Nevertheless, the selection of the calibration parameters required detailed knowledge about the underlying land-use model and cannot be automated. In another case study decreases in crop yields and resulting losses in income from coffee cultivation were analyzed and quantified under the assumption of four different deforestation scenarios. For this task, an empirical model, describing the dependence of bee pollination and resulting coffee fruit set from the distance to the closest natural forest, was integrated. Land-use simulations showed, that depending on the magnitude and location of ongoing forest conversion, pollination services are expected to decline continuously. This results in a reduction of coffee yields of up to 18% and a loss of net revenues per hectare of up to 14%. However, the study also showed that ecological and economic values can be preserved if patches of natural vegetation are conservated in the agricultural landscape. -----------------------------------------------------------------------

Evolving Distributed Algorithms with Genetic Programming

Distributed systems are one of the most vital components of the economy. The most prominent example is probably the internet, a constituent element of our knowledge society. During the recent years, the number of novel network types has steadily increased. Amongst others, sensor networks, distributed systems composed of tiny computational devices with scarce resources, have emerged. The further development and heterogeneous connection of such systems imposes new requirements on the software development process. Mobile and wireless networks, for instance, have to organize themselves autonomously and must be able to react to changes in the environment and to failing nodes alike. Researching new approaches for the design of distributed algorithms may lead to methods with which these requirements can be met efficiently. In this thesis, one such method is developed, tested, and discussed in respect of its practical utility. Our new design approach for distributed algorithms is based on Genetic Programming, a member of the family of evolutionary algorithms. Evolutionary algorithms are metaheuristic optimization methods which copy principles from natural evolution. They use a population of solution candidates which they try to refine step by step in order to attain optimal values for predefined objective functions. The synthesis of an algorithm with our approach starts with an analysis step in which the wanted global behavior of the distributed system is specified. From this specification, objective functions are derived which steer a Genetic Programming process where the solution candidates are distributed programs. The objective functions rate how close these programs approximate the goal behavior in multiple randomized network simulations. The evolutionary process step by step selects the most promising solution candidates and modifies and combines them with mutation and crossover operators. This way, a description of the global behavior of a distributed system is translated automatically to programs which, if executed locally on the nodes of the system, exhibit this behavior. In our work, we test six different ways for representing distributed programs, comprising adaptations and extensions of well-known Genetic Programming methods (SGP, eSGP, and LGP), one bio-inspired approach (Fraglets), and two new program representations called Rule-based Genetic Programming (RBGP, eRBGP) designed by us. We breed programs in these representations for three well-known example problems in distributed systems: election algorithms, the distributed mutual exclusion at a critical section, and the distributed computation of the greatest common divisor of a set of numbers. Synthesizing distributed programs the evolutionary way does not necessarily lead to the envisaged results. In a detailed analysis, we discuss the problematic features which make this form of Genetic Programming particularly hard. The two Rule-based Genetic Programming approaches have been developed especially in order to mitigate these difficulties. In our experiments, at least one of them (eRBGP) turned out to be a very efficient approach and in most cases, was superior to the other representations.