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.

Fehlersuche im Modell - Modellbasiertes Testen und Debuggen

Kern der vorliegenden Arbeit ist die Erforschung von Methoden, Techniken und Werkzeugen zur Fehlersuche in modellbasierten Softwareentwicklungsprozessen. Hierzu wird zuerst ein von mir mitentwickelter, neuartiger und modellbasierter Softwareentwicklungsprozess, der sogenannte Fujaba Process, vorgestellt. Dieser Prozess wird von Usecase Szenarien getrieben, die durch spezielle Kollaborationsdiagramme formalisiert werden. Auch die weiteren Artefakte des Prozess bishin zur fertigen Applikation werden durch UML Diagrammarten modelliert. Es ist keine Programmierung im Quelltext nötig. Werkzeugunterstützung für den vorgestellte Prozess wird von dem Fujaba CASE Tool bereitgestellt. Große Teile der Werkzeugunterstützung für den Fujaba Process, darunter die Toolunterstützung für das Testen und Debuggen, wurden im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Im ersten Teil der Arbeit wird der Fujaba Process im Detail erklärt und unsere Erfahrungen mit dem Einsatz des Prozesses in Industrieprojekten sowie in der Lehre dargestellt. Der zweite Teil beschreibt die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Testgenerierung, die zu einem wichtigen Teil des Fujaba Process geworden ist. Hierbei werden aus den formalisierten Usecase Szenarien ausführbare Testfälle generiert. Es wird das zugrunde liegende Konzept, die konkrete technische Umsetzung und die Erfahrungen aus der Praxis mit der entwickelten Testgenerierung dargestellt. Der letzte Teil beschäftigt sich mit dem Debuggen im Fujaba Process. Es werden verschiedene im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Konzepte und Techniken vorgestellt, die die Fehlersuche während der Applikationsentwicklung vereinfachen. Hierbei wurde darauf geachtet, dass das Debuggen, wie alle anderen Schritte im Fujaba Process, ausschließlich auf Modellebene passiert. Unter anderem werden Techniken zur schrittweisen Ausführung von Modellen, ein Objekt Browser und ein Debugger, der die rückwärtige Ausführung von Programmen erlaubt (back-in-time debugging), vorgestellt. Alle beschriebenen Konzepte wurden in dieser Arbeit als Plugins für die Eclipse Version von Fujaba, Fujaba4Eclipse, implementiert und erprobt. Bei der Implementierung der Plugins wurde auf eine enge Integration mit Fujaba zum einen und mit Eclipse auf der anderen Seite geachtet. Zusammenfassend wird also ein Entwicklungsprozess vorgestellt, die Möglichkeit in diesem mit automatischen Tests Fehler zu identifizieren und diese Fehler dann mittels spezieller Debuggingtechniken im Programm zu lokalisieren und schließlich zu beheben. Dabei läuft der komplette Prozess auf Modellebene ab. Für die Test- und Debuggingtechniken wurden in dieser Arbeit Plugins für Fujaba4Eclipse entwickelt, die den Entwickler bestmöglich bei der zugehörigen Tätigkeit unterstützen.

Akzeptanz und Motivation beim selbstregulierten Lernen unter Einsatz von neuen Medien in der berufsbegleitenden Weiterbildung

Das Ziel der Dissertation war die Untersuchung des Computereinsatzes zur Lern- und Betreuungsunterstützung beim selbstgesteuerten Lernen in der Weiterbildung. In einem bisher konventionell durchgeführten Selbstlernkurs eines berufsbegleitenden Studiengangs, der an das Datenmanagement der Bürodatenverarbeitung heranführt, wurden die Kursunterlagen digitalisiert, die Betreuung auf eine online-basierte Lernbegleitung umgestellt und ein auf die neuen Lernmedien abgestimmtes Lernkonzept entwickelt. Dieses neue Lernkonzept wurde hinsichtlich der Motivation und der Akzeptanz von digitalen Lernmedien evaluiert. Die Evaluation bestand aus zwei Teilen: 1. eine formative, den Entwicklungsprozess begleitende Evaluation zur Optimierung der entwickelten Lernsoftware und des eingeführten Lernkonzeptes, 2. eine sowohl qualitative wie quantitative summative Evaluation der Entwicklungen. Ein zentraler Aspekt der Untersuchung war die freie Wahl der Lernmedien (multimediale Lernsoftware oder konventionelles Begleitbuch) und der Kommunikationsmedien (online-basierte Lernplattform oder die bisher genutzten Kommunikationskanäle: E-Mail, Telefon und Präsenztreffen). Diese Zweigleisigkeit erlaubte eine differenzierte Gegenüberstellung von konventionellen und innovativen Lernarrangements. Die Verbindung von qualitativen und quantitativen Vorgehensweisen, auf Grund derer die subjektiven Einstellungen der Probanden in das Zentrum der Betrachtung rückten, ließen einen Blickwinkel auf den Nutzen und die Wirkung der Neuen Medien in Lernprozessen zu, der es erlaubte einige in der Literatur als gängig angesehene Interpretationen in Frage zu stellen und neu zu diskutieren. So konnten durch eine Kategorisierung des Teilnehmerverhaltens nach online-typisch und nicht online-typisch die Ursache-Wirkungs-Beziehungen der in vielen Untersuchungen angeführten Störungen in Online-Seminaren verdeutlicht werden. In den untersuchten Kursen zeigte sich beispielsweise keine Abhängigkeit der Drop-out-Quote von den Lern- und Betreuungsformen und dass diese Quote mit dem neuen Lernkonzept nur geringfügig beeinflusst werden konnte. Die freie Wahl der Lernmedien führte zu einer gezielten Nutzung der multimedialen Lernsoftware, wodurch die Akzeptanz dieses Lernmedium stieg. Dagegen war die Akzeptanz der Lernenden gegenüber der Lernbegleitung mittels einer Online-Lernplattform von hoch bis sehr niedrig breit gestreut. Unabhängig davon reichte in allen Kursdurchgängen die Online-Betreuung nicht aus, so dass Präsenztreffen erbeten wurde. Hinsichtlich der Motivation war die Wirkung der digitalen Medien niedriger als erwartet. Insgesamt bieten die Ergebnisse Empfehlungen für die Planung und Durchführung von computerunterstützten, online-begleiteten Kursen.

Verfahren zur echtzeitfähigen Simulation dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Schadstoffe von Ottomotoren

Im Rahmen dieser Arbeit werden Modellbildungsverfahren zur echtzeitfähigen Simulation wichtiger Schadstoffkomponenten im Abgasstrom von Verbrennungsmotoren vorgestellt. Es wird ein ganzheitlicher Entwicklungsablauf dargestellt, dessen einzelne Schritte, beginnend bei der Ver-suchsplanung über die Erstellung einer geeigneten Modellstruktur bis hin zur Modellvalidierung, detailliert beschrieben werden. Diese Methoden werden zur Nachbildung der dynamischen Emissi-onsverläufe relevanter Schadstoffe des Ottomotors angewendet. Die abgeleiteten Emissionsmodelle dienen zusammen mit einer Gesamtmotorsimulation zur Optimierung von Betriebstrategien in Hybridfahrzeugen. Im ersten Abschnitt der Arbeit wird eine systematische Vorgehensweise zur Planung und Erstellung von komplexen, dynamischen und echtzeitfähigen Modellstrukturen aufgezeigt. Es beginnt mit einer physikalisch motivierten Strukturierung, die eine geeignete Unterteilung eines Prozessmodells in einzelne überschaubare Elemente vorsieht. Diese Teilmodelle werden dann, jeweils ausgehend von einem möglichst einfachen nominalen Modellkern, schrittweise erweitert und ermöglichen zum Abschluss eine robuste Nachbildung auch komplexen, dynamischen Verhaltens bei hinreichender Genauigkeit. Da einige Teilmodelle als neuronale Netze realisiert werden, wurde eigens ein Verfah-ren zur sogenannten diskreten evidenten Interpolation (DEI) entwickelt, das beim Training einge-setzt, und bei minimaler Messdatenanzahl ein plausibles, also evidentes Verhalten experimenteller Modelle sicherstellen kann. Zum Abgleich der einzelnen Teilmodelle wurden statistische Versuchs-pläne erstellt, die sowohl mit klassischen DoE-Methoden als auch mittels einer iterativen Versuchs-planung (iDoE ) generiert wurden. Im zweiten Teil der Arbeit werden, nach Ermittlung der wichtigsten Einflussparameter, die Model-strukturen zur Nachbildung dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Abgaskomponenten vor-gestellt, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Stickstoffmonoxid (NO) sowie Kohlenmono-xid (CO). Die vorgestellten Simulationsmodelle bilden die Schadstoffkonzentrationen eines Ver-brennungsmotors im Kaltstart sowie in der anschließenden Warmlaufphase in Echtzeit nach. Im Vergleich zur obligatorischen Nachbildung des stationären Verhaltens wird hier auch das dynami-sche Verhalten des Verbrennungsmotors in transienten Betriebsphasen ausreichend korrekt darge-stellt. Eine konsequente Anwendung der im ersten Teil der Arbeit vorgestellten Methodik erlaubt, trotz einer Vielzahl von Prozesseinflussgrößen, auch hier eine hohe Simulationsqualität und Ro-bustheit. Die Modelle der Schadstoffemissionen, eingebettet in das dynamische Gesamtmodell eines Ver-brennungsmotors, werden zur Ableitung einer optimalen Betriebsstrategie im Hybridfahrzeug ein-gesetzt. Zur Lösung solcher Optimierungsaufgaben bieten sich modellbasierte Verfahren in beson-derer Weise an, wobei insbesondere unter Verwendung dynamischer als auch kaltstartfähiger Mo-delle und der damit verbundenen Realitätsnähe eine hohe Ausgabequalität erreicht werden kann.

Intelligence by Design: Principles of Modularity and Coordination for Engineerin

All intelligence relies on search --- for example, the search for an intelligent agent's next action. Search is only likely to succeed in resource-bounded agents if they have already been biased towards finding the right answer. In artificial agents, the primary source of bias is engineering. This dissertation describes an approach, Behavior-Oriented Design (BOD) for engineering complex agents. A complex agent is one that must arbitrate between potentially conflicting goals or behaviors. Behavior-oriented design builds on work in behavior-based and hybrid architectures for agents, and the object oriented approach to software engineering. The primary contributions of this dissertation are: 1.The BOD architecture: a modular architecture with each module providing specialized representations to facilitate learning. This includes one pre-specified module and representation for action selection or behavior arbitration. The specialized representation underlying BOD action selection is Parallel-rooted, Ordered, Slip-stack Hierarchical (POSH) reactive plans. 2.The BOD development process: an iterative process that alternately scales the agent's capabilities then optimizes the agent for simplicity, exploiting tradeoffs between the component representations. This ongoing process for controlling complexity not only provides bias for the behaving agent, but also facilitates its maintenance and extendibility. The secondary contributions of this dissertation include two implementations of POSH action selection, a procedure for identifying useful idioms in agent architectures and using them to distribute knowledge across agent paradigms, several examples of applying BOD idioms to established architectures, an analysis and comparison of the attributes and design trends of a large number of agent architectures, a comparison of biological (particularly mammalian) intelligence to artificial agent architectures, a novel model of primate transitive inference, and many other examples of BOD agents and BOD development.

Towards Grid-Wide Modeling and Simulation

Modeling and simulation permeate all areas of business, science and engineering. With the increase in the scale and complexity of simulations, large amounts of computational resources are required, and collaborative model development is needed, as multiple parties could be involved in the development process. The Grid provides a platform for coordinated resource sharing and application development and execution. In this paper, we survey existing technologies in modeling and simulation, and we focus on interoperability and composability of simulation components for both simulation development and execution. We also present our recent work on an HLA-based simulation framework on the Grid, and discuss the issues to achieve composability.

Variability in the Stability and Productivity of Transfected Genes in Chinese Hamster Ovary (CHO) cells

In the field of biologics production, productivity and stability of the transfected gene of interest are two very important attributes that dictate if a production process is viable. To further understand and improve these two traits, we would need to further our understanding of the factors affecting them. These would include integration site of the gene, gene copy number, cell phenotypic variation and cell environment. As these factors play different parts in the development process, they lead to variable productivity and stability of the transfected gene between clones, the well-known phenomenon of “clonal variation”. A study of this phenomenon and how the various factors contribute to it will thus shed light on strategies to improve productivity and stability in the production cell line. Of the four factors, the site of gene integration appears to be one of the most important. Hence, it is proposed that work is done on studying how different integration sites affect the productivity and stability of transfected genes in the development process. For the study to be more industrially relevant, it is proposed that the Chinese Hamster Ovary dhfr-deficient cell line, CHO-DG44, is used as the model system.

EPS (Electronic Portfolio System)

In 2001, before the term “e-portfolio” was common parlance there was a perceived need to enable teachers in training to save, store, present and archive their electronically-based work so that it could be assessed by tutors. A Teacher Training Agency (TTA) Grant was used to design and implement an online system for trainee teachers to save evidence of their activities called Electronic Portfolio System (EPS). Over the years, its use and value has changed and, through the support of the Teacher Development Agency for schools (TDA), the system will continue to develop. The features of the system have grown organically because of technology changes and by tutors and mentors identifying affordances. This presentation will identify the principles and how they guide the development process. It will give an opportunity to elucidate the next stages in e-portfolio developments.

Análisis de la estrategia de contrucción de paz y desarrollo local de la ONG Vallenpaz, a partir de las acciones de apoyo a pequeños agricultores en Palmira-Valle (2001-2010).

En los últimos años ha habido un reconocimiento por parte de un gran número de colombianos respecto a su rol en el desarrollo económico, político y social del país. A raíz de esto, se han conformado una serie de grupos cuya misión es crear una sociedad más pacífica e igualitaria. Uno de esos grupos es Vallenpaz, creado en el año 2000 como respuesta a la escalada de violencia que estaba sufriendo el Valle del Cauca. Esta organización no gubernamental tiene entre sus objetivos el contribuir al desarrollo local y a la construcción de paz de los lugares en los que actúa. Estas metas se logran con el apoyo de las comunidades a través de la formación de asociaciones económicas basadas en valores como la responsabilidad, la colaboración, el respeto mutuo, la integración y el reconocimiento de la importancia del campesinado en la sociedad. Este texto es un estudio de caso en el que Vallenpaz es analizada desde sus inicios con el fin de entender la estrategia adoptada por esta para ayudar a las comunidades y si contribuye a solucionar la situación de conflicto armado por la que atraviesa Colombia.

Puerto de Buenaventura

En la actualidad, las economías mundiales y el país se encuentran en un proceso de desarrollo donde se contemplan grandes cambios y oportunidades de negocios en el ámbito del comercio internacional, especialmente, en el espacio delimitado como la Cuenca del Pacifico. En este punto, el Puerto de Buenaventura juega un papel fundamental, frente a esta integración económica dada su ubicación como punto multifuncional para el adecuado desempeño de toda la logística internacional. Por esta razón, es necesario que Colombia cuente con una infraestructura portuaria que responda de manera eficiente a los diferentes retos que trae consigo la radicación de nuevos Tratados de Libre Comercio. Para efectos de esta investigación, se dio a conocer la situación actual del puerto, analizando cada uno de sus puntos críticos en relación a su infraestructura y flujo de operaciones portuarias. Para esto, se llevaron a cabo varias comparaciones con los puertos correspondientes a los países más influyentes del Pacifico, incluso, se tuvieron en cuenta puertos nacionales como el de Cartagena dada su influencia y constante desarrollo. Todo lo anterior con el fin de diagnosticar a través del análisis de diferentes variables, aspectos tanto positivos como negativos que ayudarán a tener un panorama más detallado en términos de infraestructura portuaria; permitiendo el óptimo desarrollo de nuevas estrategias centralizadas en mejorar los niveles de competitividad del país.

Caracterización del fenómeno de regionalización en zonas de frontera: El caso de la configuración de la región urbana Cúcuta - Ureña en los límites entre Venezuela y Colombia entre los años 1959 y 2010 a raíz del tratado suscrito por ambas partes “Tratado de Tonchalá” (1959)

Este trabajo, es un estudio de caso que pretende caracterizar el proceso de integración binacional en la región fronteriza entre el Departamento de Norte de Santander Colombia y el Estado Táchira Venezuela, más específicamente en la zona de aglomeración humana de San José de Cúcuta (Col) – Pedro María Ureña (Ven), intentando contribuir a la construcción de un modelo explicativo que dé cuenta de la importancia de la participación de los Estados en los procesos de desarrollo e integración de las fronteras.

Buenas prácticas de gestión nutricional apoyadas en la logística hospitalaria

Todos y cada uno de los temas abordados y estudiados en el caso del Hospital Universitario Mayor Méderi, son la clara evidencia de como la logística hospitalaria es una herramienta importante dentro de las entidades hospitalarias, pues como puede verse la optimización de los procesos y recursos disponibles, y la integración de las diferentes áreas que intervienen en el desarrollo de los procesos, se da gracias a la aplicación de esta herramienta de gestión, que entiende la organización como un sistema complejo en el cual todas y cada una de las interacciones son vitales y deben ser atendidas con la misma importancia, por la alta dirección. Es entonces cuando la logística hospitalaria se convierte en un arma importante para los profesionales de la salud pues es el puente entre la importancia de unas buenas prácticas médicas y una buena gestión administrativa, que al final se convierten en ventajas competitivas para las instituciones que compiten en un sector que se debate entre la humanidad de su accionar y la rentabilidad obtenida por su funcionamiento.

Nuevos escenarios para la gestión territorial y urbana

Frente a la reestructuración del Estado, en relación con su papel frente al proceso de desarrollo urbano, territorial, social y económico, surgen dos importantes tendencias en la escena política e institucional: la masificación del proceso de urbanización y la expansión de las ciudades, en cuyas dinámicas compromete cada vez más a sus entornos territoriales inmediatos, y paralelamente, lo que en forma un tanto ambigua se ha denominado la globalización.De esta manera, frente al desarrollo, varias de las actividades y funciones que durante muchos años fueron responsabilidad casi exclusiva de las entidades del gobierno se comparten cada vez más y con mayor intensidad con el sector privado, las organizaciones sociales y comunitarias.De acuerdo con lo anterior, estas tendencias sugieren la necesidad de pensar la gestión más allá de la esfera gubernamental, para involucrar a los demás actores que ahora intervienen en el proceso de desarrollo, lo cual da pie para la construcción de redes de interacciones, tanto entre las mismas entidades públicas como entre estas y las demás organizaciones pertenecientes al mercado o a la sociedad en general.-----The restructuring of the State, with respect to its role in the urban, territorial, social, and economic development, causes two major trends in the political and institutional arena: the Urban Development Process spread and the cities growth involving in their dynamics more neighboring territorial environments; and, in parallel, the ambiguously so-called Globalization.In this way, public entities facing development are sharing more several activities and functions, which had been in their almost sole responsibility, with the private sector, and social and community organizations.According to the foregoing, these different trends suggest that Management should be thought beyond the government sphere to involve the other actors that participate in the development process, thus accommodating the construction of interaction networks, both among the public entities and between these and other market and society organizations in general.

El crecimiento económico de corea del sur y sus posibilidades de alterar el equilibrio en Asia-Pacífico

El interés de esta monografía es analizar el crecimiento económico de Corea del Sur y sus posibilidades de alterar el equilibrio en la región de Asia-Pacífico. A partir de los conceptos de poder duro y equilibrio de poder propuestos por Joseph Nye y Ernst Haas, se examinan los principales hitos del proceso de desarrollo nacional y se determina en qué sentido el incremento del poder duro nacional le permite a este país posicionarse como una potencia regional en ascenso. Así mismo, se evalúan los procesos de liderazgo regional de China y Japón que impiden a Corea del Sur alterar sustancialmente el equilibrio de poder en esta región del mundo.

Emociones y toma de decisiones éticas: desarrollo e implicaciones para la empresa

Los líderes organizacionales se deben enfrentar a retos ambientales del mundo de los negocios y diversas presiones que los ponen día a día en un alto riesgo ético. Sortear dichos riesgos ha demandado cambios sustanciales en las dinámicas de las organizaciones contemporáneas, por lo que las exigencias a los directivos de tomar decisiones acertadas en situaciones de alta complejidad moral son cada vez mayores. Estas decisiones involucran un comportamiento ético de quien las toma, lo cual a su vez está mediado por sus emociones.