004 Datenverarbeitung; Informatik
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In den letzten Jahren konzentrierte sich das E-Government auf die administrativen Aspekte der Verwaltungsmodernisierung. Im nächsten Schritt werden die E-Diskurse als Instrument der Bürgernähe und Mittel der E-Demokratie/E-Partizipation an Bedeutung gewinnen. Mit zunehmender Akzeptanz solcher E-Diskurse werden diese schnell eine Komplexität erreichen, die von den Teilnehmern nicht mehr zu bewältigen ist. Das Problem liegt in der eingeschränkten Möglichkeit, einen in Raum und Zeit verteilten Diskurs zu verfolgen und sich ein Bild von ihm zu machen. Viele Eindrücke, die sich aus Präsenzdiskussionen gewinnen lassen, fehlen. Deswegen hat die vorliegende Arbeit die Zielsetzung der Konzeption und der prototypischen Implementierung eines Instrumentariums (Diskursmeter), womit sich die Teilnehmer, insbesondere die Moderatoren, des E-Diskurses jederzeit einen Überblick über den E-Diskurs schaffen können und so zu ihrem Diskursverständnis (Discourse Awareness) zu gelangen. Über das aktuelle Geschehen im E-Diskurs informiert die gegenwartsorientierte und über das vergangene Geschehen die vergangenheitsorientierte Discourse Awareness, über die etwaige Trends sichtbar sind. Der Fokus der Discourse Awareness liegt in der quantitativen Betrachtung des Geschehens im E-Diskurs. Aus dem in dieser Arbeit entwickelten Modell des E-Diskurses resultieren die Fragestellungen zur Discourse Awareness, deren Konkretisierung Grundlage für die Implementierung des Diskursmeters ist. Die an das Modell des E-Diskurses angebrachten Diskurssensoren zeichnen das Geschehen im E-Diskurs auf, die zu Diskursereignissen führen, die das Diskursmeter in unterschiedlichen Visualisierungsformen präsentiert. Den Moderatoren des E-Diskurses bietet das Diskursmeter die gegenwartsorientierte Discourse Awareness als Monitoring und die vergangenheitsorientierte Discourse Awareness als Abfrage (quantitative Analyse) an.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die zeitbewerteten Prädikat/Transitions-Netze (Z-Pr/T-Netze) zur Modellierung, Simulation und Verifikation sicherheitskritischer Echtzeitsysteme entwickelt. Z-Pr/T-Netze integrieren Konzepte zur Modellierung temporärer Zusammenhänge und sind darüber hinaus mittels der Berechnung von S- und T-Invarianten sowie der Identifikation von Traps und Co-Traps strukturell analysierbar. Die Eignung von Z-Pr/T-Netzen zur Modellierung, Simulation und Verifikation komplexer Systeme aus dem Anwendungsbereich sicherheitskritischer Echtzeitsysteme wird anhand des Earliest-Deadline-First-Protokolls (EDF) und des Priority-Inheritance-Protokolls (PIP) belegt. Es erfolgt daher eine Modellierung des EDF und PIP mittels Z-Pr/T-Netzen sowie eine Verifikation für das EDF und PIP basierend auf der strukturellen Analyse der korrespondierenden Z-Pr/T-Netze. Die Anwendbarkeit struktureller Analyseverfahren zur Verifikation des EDF und PIP in Verbindung mit der nicht zu unterschätzenden Komplexität eben dieser belegen die Anwendbarkeit von Z-Pr/T-Netzen zur Modellierung, Simulation und Verifikation komplexer Systeme aus dem Anwendungsbereich sicherheitskritischer Echtzeitsysteme.
Diese Arbeit bewegt sich im Spannungsfeld dreier Gebiete: Virtualisierung, Echtzeitverarbeitung und Parallelverarbeitung. Jedes dieser Gebiete gilt für sich genommen als weitgehend erforscht, doch ergeben sich bei ihrer gemeinsamen Betrachtung zahlreiche neue Fragestellungen und Möglichkeiten. In dieser Arbeit werden dazu Modelle zur Beschreibung von Echtzeitanwendungen innerhalb der Prozesshierarchie einer Virtualisierungsumgebung entwickelt. Bestehende Schnittstellen zur Virtualisierung werden auf ihre Möglichkeiten zur Echtzeitverarbeitung untersucht, und es werden neue Schnittstellen zur Virtualisierung auf Mehrprozessormaschinen geschaffen und erprobt, die die spezifischen Anforderungen eingebetteter Systeme "insbesondere die Echtzeitfähigkeit" berücksichtigen. Damit wird eine sichere und effiziente Koexistenz von Programmen mit unterschiedlich harten Zeitanforderungen in getrennten virtuellen Maschinen auf einem gemeinsamen Mehrprozessorrechner ermöglicht.
In dieser Arbeit wurde untersucht, wie sich das bestehende Modell der Kabelsimulation verbessern lässt. Hierfür wurde zunächst analysiert, welches die Einflussfaktoren auf eine Simulation sind. Des Weiteren wurde der Einfluss der Rand- und Nebenbedingungen auf die Genauigkeit der Verlaufssimulation untersucht.
Moderne Instant-Messaging-Systeme als Plattform für sicherheitskritische kollaborative Anwendungen
(2010)
Während unter dem Begriff Instant Messaging (IM) ursprünglich nur der Austausch von Textnachrichten (Messaging, Chat) verstanden wurde, bieten heutige Instant-Messaging-Systeme (IM-Systeme, IMS) darüber hinaus viele weitere Funktionen wie Sprachtelefonie, Videokonferenz oder Dateiübertragung an. Aktuelle IM-Systeme werden vor allem in der privaten unverbindlichen Kommunikation eingesetzt. Diese Systeme eignen sich " wie in dieser Arbeit gezeigt wird " aber auch für den Einsatz im geschäftlichen Kontext. Zu den Vorzügen, die sich aus der Nutzung eines IM-Systems ergeben, gehören beispielsweise die spontane, flexible und kostengünstige Nutzung unabhängig von Ort und Zeit, die einfache Verteilung von Informationen an mehrere Teilnehmer und die Verfügbarkeit verschiedener Kommunikationskanäle für unterschiedliche Aufgaben. Der Ursprung dieser Systeme (kurzer informeller Nachrichtenaustausch), ihr modularer Aufbau, die unkontrollierte Installation auf Clients sowie der daraus entstehende Informationsfluss führten zu zahlreichen Fragen und Herausforderungen bezüglich ihrer Sicherheit. So kann beispielsweise nicht ohne weiteres kontrolliert werden, welche Informationen ein Unternehmen auf diesem Weg verlassen. Anders als bei anderen elektronischen Kommunikationsmedien (E-Mail, Web) sind hier noch keine bekannten Sicherheitsmechanismen etabliert (z. B. Spam-Filter, Sicherheitsfunktionen von Webbrowsern). Diese Fragestellungen sind zu betrachten und durch geeignete Maßnahmen zu beantworten, wenn solche Systeme für die Arbeit mit sensiblen und vertraulichen Informationen eingesetzt werden sollen. Ziel der hier vorgestellten Arbeit ist es, Instant-Messaging-Systeme so zu gestalten, dass durch die Konzeption (bzw. Erweiterung) von geeigneten Sicherheitsmechanismen einerseits die einfache und spontane Nutzung der Systeme möglich bleibt und andererseits trotzdem eine sichere, authentifizierte und verbindliche Kollaboration unterstützt wird.
Der immer schnellere technologische Wandel in der Wirtschaft und die damit verbundenen, sich verkürzenden Innovationszyklen machen die Aus- und Weiterbildung der Mitarbeitenden eines Unternehmens zu einem wichtigen Wettbewerbsfaktor. Traditionelle (Weiter-)Bildungsmethoden können jedoch den resultierenden, ständig wachsenden und immer schneller zu befriedigenden Aus- und Weiterbildungsbedarf nur bedingt befriedigen. Deshalb werden in zunehmenden Maße in der Aus- und Weiterbildung Angebote aus dem Bereich des technologiebasierten Lernens eingesetzt, welche ein selbstgesteuertes und -organisiertes Lernen und durch eine Integration in tägliche Arbeitsabläufe einen optimalen Wissenstransfer mit entsprechend hohem Lernerfolg ermöglichen. Um dies aber auch zu realisieren, ist eine entsprechend hohe Angebotsqualität in Bezug auf die Unterstützung der Nutzenden bei der Erreichung ihrer Lernziele erforderlich. Die Entwicklung qualitativ hochwertiger technologiebasierter Lernangebote ist im Allgemeinen aber mit größeren Aufwänden und längeren Entwicklungszeiten verbunden, wodurch eine Verfügbarkeit eines solchen Angebots zeitnah zum entstandenen Bedarf und in der geforderten Qualität oftmals nicht gewährleistet werden kann.
Diese Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Forschungsfrage, wie eine Lernsoftware entwickelt werden muss, um eine qualitativ hochwertige LSW im Sinne der optimalen Ausrichtung auf die Eigenschaften und Lernziele der einzelnen Lernenden sowie auf den von ihnen geplanten Einsatzkontext für das vermittelte Wissen bei gleichzeitiger Reduzierung von Entwicklungsaufwand und -zeit zu produzieren. Die als Antwort auf die Forschungsfrage definierte IntView-Methodik zur systematischen, effizienten und zeitnahen Entwicklung von qualitativ hochwertigen technologiebasierten Lernangeboten wurde konzipiert, um die Wahrscheinlichkeit der Produktion der Angebote ohne Überschreitung von Projektzeitplänen und -budgets bei gleichzeitiger gezielter Ausrichtung des Angebots auf Zielgruppen und Einsatzkontexte zur Gewährleistung der Qualität zu erhöhen.
Hierzu wurden nach einer umfangreichen Untersuchung von bestehenden Ansätzen zur Lernsoftware-Entwicklung, aber auch zur Produktion von verwandten Produkten wie Multimedia-, Web- oder Software-Anwendungen, diejenigen Durchführungsvarianten der Aktivitäten bzw. Aktivitätsschritte zur Lernsoftware-Entwicklung zu einer systematischen Vorgehensweise integriert, welche in ihrem Zusammenspiel den größten Beitrag zu einer effizienten Produktion leisten können. Kern der Methodik ist ein Entwicklungsprozess zur ingenieursmäßigen Erstellung der Angebote, der alle Entwicklungsphasen abdeckt und die Vorgehensweisen und Methoden aller an der Entwicklung beteiligten Fachdisziplinen, inklusive einer kontinuierlichen Qualitätssicherung von Projektbeginn an, in einen gemeinsamen Prozess integriert. Dieser Prozess wird sowohl als Lebenszyklusmodell als auch als daraus abgeleitetes Prozessmodell in Form eines Abhängigkeitsmodells definiert, um eine optimale Unterstützung eines Projektteams bei Koordination und Abstimmung der Arbeiten in der Entwicklung zu ermöglichen. In Ergänzung zu den Modellen wird eine umfassende Arbeitsunterstützung mit Templates bzw. Dokumentvorlagen inklusive Handlungsanweisungen und Beispielen für die direkte Anwendung der Vorgehensweise durch die Nutzenden bereit gestellt.
Im Rahmen der Evaluation der Methodik wird der Nachweis geführt, dass sie im Zusammenspiel mit ihrer umfangreichen Autorenunterstützung eine sowohl effektive als auch effiziente Lernangebot-Entwicklung ermöglichen kann. In den hierfür durchgeführten Beispielprojekten als auch in den durchgeführten drei Fallstudien wird gezeigt, dass die Methodik zum einen an die Erstellung unterschiedlicher Arten von Lernangeboten bzw. an den Einsatz in verschiedenen Projektkontexten einfach anpassbar sowie zum anderen effizient und effektiv nutzbar ist.
Die Suche nach wissenschaftlicher Literatur ist eine Forschungsherausforderung für das Information Retrieval im besonderen Umfeld der digitalen Bibliotheken. Aktuelle Nutzerstudien zeigen, dass im klassischen IR-Modell zwei typische Schwächen auszumachen sind: das Ranking der gefundenen Dokumente und Probleme bei der Formulierung von Suchanfragen. Gleichzeitig ist zu sehen, dass traditionelle Retrievalsysteme, die primär textuelle Dokument- und Anfragemerkmale nutzen, bei IR-Evaluationskampagnen wie TREC und CLEF in ihrer Leistung seit Jahren stagnieren.
Zwei informetrisch-motivierte Verfahren zur Suchunterstützung werden vorgestellt und mittels einer Laborevaluation mit den beiden IR-Testkollektionen GIRT und iSearch sowie 150 und 65 Topics evaluiert. Die Verfahren sind: (1) eine auf der Kookkurrenz von Dokumentattributen basierende Anfrageerweiterung und (2) ein Rankingansatz, der informetrische Beobachtungen zur Produktivität von Informationserzeugern ausnutzt. Beide Verfahren wurden mit einer Referenzimplementation auf Basis der Suchmaschine Solr verglichen. Beide Verfahren zeigen positive Effekte beim Einsatz von zusätzlichen Dokumentattributen wie Autorennamen, ISSN-Codes und kontrollierten Schlagwörtern. Bei der Anfrageerweiterung konnte ein positiver Effekt in Form einer Verbesserung der Precision (bpref +12%) und des Recall (R +22%) erzielt werden. Die alternativen Rankingansätze konnten beim Ansatz von Autorennamen und ISSN-Codes die Baseline erreichen bzw. diese beim Einsatz der kontrollierten Schlagwörter über- treffen (MAP +14%). Einen negativen Einfluss auf das Ranking hatten allerdings die Einbeziehung von Faktoren wie Verlagsnamen oder Erscheinungsorten. Für beide Verfahren konnte eine substantiell andere Sortierung der Ergebnismenge, gemessen anhand von Kendalls, beobachtet werden. Zusätzlich zu der verbesserten Relevanz der Ergebnisliste kann der Nutzer so eine neue Sicht auf die Dokumentenmenge gewinnen.
Die Anfrageerweiterung mit Autorennamen, ISSN-Codes und Thesaurustermen zeigt das bisher ungenutzte Potential, das sich in digitalen Bibliotheken durch die Datenfülle und -qualität ergibt. Die Rankingverfahren konnten die Leistung des Baseline-Systems übertreffen, nachdem eine Überprüfung auf Vorliegen einer Power Law-Verteilung und eine anschließende Filterung durchgeführt wurde. Dies zeigt, dass die Rankingverfahren nicht universell für alle Suchanfragen anwendbar sind, sondern ein Vorhandensein bestimmter Häufigkeitsverteilungen voraussetzen. So wird die enge Verbindung der Verfahren zu informetrischen Gesetzmäßigkeiten wie Bradfords, Lotkas oder Zipfs Gesetz deutlich. Die beiden in der Arbeit evaluierten Verfahren sind als interaktive Suchunterstützungsdienste in der sozialwissenschaftlichen digitalen Bibliothek Sowiport implementiert. Die Verfahren lassen sich über entsprechende Web- Schnittstellen auch in anderen Anwendungskontexten einsetzen.
Interaktive Visualisierungen für den Linking- und Suchprozess heterogener Informationen im Web
(2013)
Die Informationsmenge im Web nimmt stetig zu und auch die Art und Vielfalt von Informationen wird immer größer. Es stehen die unterschiedlichsten Informationen wie Nachrichten, Artikel, Statistiken, Umfragedaten, Börsendaten, Veranstaltungen, Literaturnachweise usw. zur Verfügung. Die Informationen zeichnen sich durch Heterogenität in Aspekten wie Informationsart, Modalität, Strukturiertheit, Granularität, Qualität und ihre Verteiltheit aus. Die zwei Haupttechniken, mit denen Nutzer im Web nach diesen Informationen suchen, sind die Suche mit Websuchmaschinen und das Browsing über Links zwischen Informationseinheiten. Die vorherrschende Art der Informationsdarstellung ist dabei weitgehend statisch in Form von Text, Bildern und Grafiken. Interaktive Visualisierungen bieten eine Reihe von Vorteilen für die Aufbereitung und Exploration von heterogenen Informationen im Web: (1) Sie bieten verschiedene Darstellungsformen für unterschiedliche, sehr große und auch komplexe Informationsarten und (2) große Datenmengen können interaktiv anhand ihrer Eigenschaften exploriert werden und damit den Denkprozess des Nutzers unterstützen und erweitern. Bisher sind interaktive Visualisierungen aber noch kein integraler Bestandteil des Suchprozesses im Web. Die technischen Standards und Interaktionsparadigmen, um interaktive Visualisierungen als Massentechnik im Web nutzbar zu machen, werden erst langsam durch Standardisierungsgremien eingeführt. Diese Arbeit untersucht, wie interaktive Visualisierungen für den Linking- und Suchprozess heterogener Informationen im Web eingesetzt werden können. Basierend auf Grundlagen in den Bereichen Informationssuche, Informationsvisualisierung und Informationsverarbeitung wird ein Modell gebildet, das bestehende Strukturmodelle der Informationsvisualisierung um zwei neue Prozesse erweitert: (1) das Linking von Informationen in Visualisierungen und (2) das Glyphenbasierte Suchen, Browsen und Filtern. Das Vizgr-Toolkit implementiert das entwickelte Modell in einer Webanwendung. In vier verschiedenen Anwendungsszenarien werden Teilaspekte des Modells instanziiert und in Nutzertests evaluiert oder anhand von Beispielen untersucht.
Politiker wünschen die Nähe zu den Bürgern und damit die Nähe der Bürger zu ihnen. Diese zunächst wie ein Gemeinplatz anmutende These wird bestätigt durch die im Jahre 2010 erstellte Deutsche Parlamentarier Studie (DEUPAS). Die Studie macht deutlich, dass mit der Bürgernähe der Wunsch nach verstärkter Einbindung der Bürger in politische Entscheidungsprozesse einhergeht. Wie auch in anderen Bereichen sozialer Interaktionen zeigt sich das Internet in diesem Zusammenhang als mögliche Schnittstelle zwischen Bürgern und Entscheidern. So stellt auch die Politik unter dem Begriff E-Partizipation digitale Beteiligungsmöglichkeiten bereit, in der Absicht, Reaktionen und Kommentare der Bürger zu besonderen Angelegenheiten oder Themen zu sammeln. Auch wenn diese Angebote bisweilen erfolgreiche Konzepte beinhalten, werden die meisten nur von einer geringen Anzahl potenzieller Adressaten genutzt. Gleichzeitig steigt abseits dieser strukturierten und problemzentrierten Portale die Begeisterung der Gesellschaft für die Nutzung sozialer Netzwerke, die somit Eingang in den Alltag gefunden haben. Hier ist eine hohe Aktivität auf allen mehr oder minder relevanten Gebieten zu beobachten, unter anderem auch in der Diskussion politischer Themen. Insofern sind soziale Netzwerke für Politiker wichtig und attraktiv, und zwar auf allen politischen Ebenen, wo die sozialen Netzwerke inzwischen in die alltägliche Arbeit integriert sind.
Problematisch ist jedoch der kontinuierliche Anstieg digitaler "Informationsschnipsel" (englisch: information overload). Eine manuelle Filterung relevanter aus der Vielzahl irrelevanter Beiträge erscheint nahezu unmöglich. Folglich werden neue Techniken und Konzepte (Analyse-Software) zur Sammlung und Analyse der Informationsflut präsentiert. Sie versprechen einen leichten und schnellen Überblick, um die relevanten Informationen zu extrahieren. Insofern ist es gerade für die Politik von hoher Dringlichkeit, nach Nutzbarkeit und Nützlichkeit solcher Instrumente zu fragen.
Die vorliegende Arbeit untersucht die Relevanz von Analysesoftware-Ergebnissen für die Verwendung im politischen Alltag. Der Schwerpunkt liegt auf den sozialen Netzwerken Facebook und Twitter als Datenlieferanten. Die Bewertung erfolgt in Kooperation mit und durch politische Entscheider aus dem Deutschen Bundestag, dem Landtag von Nordrhein-Westfalen, der Staatskanzlei des Saarlandes sowie der Städte Köln (Abteilung E-Government) und Kempten (Pressestelle der Stadt Kempten, Allgäu, im Büro des Oberbürgermeisters).
In der Hauptuntersuchung wird für jeden Teilnehmer ein individueller Analysereport erstellt, der mit einem Methodenmix aus qualitativen Verfahren ausgewertet wird. Die Analysedaten werden mit der WeGov-Toolbox, eine Entwicklung des EU-Projektes WeGov und den darin enthaltenen Analysekomponenten erzeugt. Der Fokus liegt dabei auf der Auswertung des Wahlkreises, des lokalen Bereiches sozialer Netzwerke. Im Rahmen dieser Arbeit wird nicht nur der Relevanz von Analysedaten nachgegangen, sondern es wird auch untersucht, ob Bürgernähe oder sogar Bürgerbeteiligung mit den aus der Analysesoftware gewonnenen Ergebnissen und den daraus resultierenden Rückschlüssen und möglicherweise Handlungen positiv vorangetrieben werden kann.
Die Antworten der Teilnehmer führen zu wesentlichen Schlussfolgerungen:
1) Keiner der Teilnehmer geht davon aus, dass Bürgerbeteiligung über diesen Weg gelingt. Anders fällt die Bewertung in Bezug auf eine Realisierung von Bürgernähe aus: Die Teilnehmer bestätigen vereinzelte Ergebnisse, die besagen, dass Bürgernähe über diesen Ansatz, d.h. über die daraus gewonnenen Erkenntnisse unterstützt werden kann. Damit erhalten Politiker Informationen darüber, was die Bürger denken und sagen.
2) Potenzielle Nutzer werden in der Regel solche sein, die zwar Erfahrung mit sozialen Netzwerken besitzen, jedoch keine "Poweranwender" sind. Daher bietet sich der Einsatz der Tools eher auf Parteiebene und in der Parlamentsarbeit an als auf der Ebene des einzelnen Politikers, der eher gewohnt ist, auf Facebook und Twitter direkt zu reagieren, die analytische Arbeit jedoch bevorzugt von den Partei- und/ oder Abgeordnetenbüros erledigen lässt.
3) Vergleicht man die ländlichen mit den urbanen Regionen, zeigt sich, dass die Menge von relevanten politischen Informationen auf dem Land gering ist. Während die Menge öffentlich zugänglicher Informationen in urbanen Regionen relativ groß ist, hat diese Menge in ländlichen Bereichen sehr viel weniger Gewicht.
Die Erkenntnisse aus den Befragungen werden in der vorliegenden Dissertation systematisch erhoben und ausgewertet.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Verfahren zur realistischen augmentierten Bildsynthese auf Basis von 3D-Photo-Collections. 3D-Photo-Collections sind aus Einzelfotos automatisch erzeugte Repräsentationen einer realen Szene und geben diese als Menge von Bildern mit bekannten Kameraposen sowie einer groben punktbasierten Modellierung der Szenengeometrie wieder. Es wird eine fotorealistische augmentierte Bildsynthese von realen und virtuellen Anteilen in Echtzeit angestrebt, wobei die reale Szene durch 3DPhoto-Collections beschrieben wird. Um dieses Ziel zu erreichen, werden drei Problemfelder bearbeitet.
Da die Fotos unter Umständen in verschiedenen geräteabhängigen RGB Farbräumen liegen, ist eine Farbcharakterisierung der 3D-Photo-Collections notwendig, um korrekte, der menschlichen Wahrnehmung entsprechende Farbinformationen zu erhalten. Das hierzu entwickelte Verfahren transformiert alle Bilder automatisch in einen gemeinsamen Farbraum und vereinfacht so die Farbcharakterisierung von 3D-Photo-Collections.
Als Hauptproblem der augmentierten Bildsynthese muss die Umgebungsbeleuchtung der realen Szene bekannt sein, um eingefügte virtuelle Anteile konsistent zu den realen Anteilen zu beleuchten. Hierfür wurden zwei neue Verfahren zur Rekonstruktion der Umgebungsbeleuchtung aus den Bildern der 3D-Photo-Collection entwickelt.
Um eine Bildsynthese für beliebige Ansichten auf die Szene durchzuführen, wurde ein neues Verfahren zur bildbasierten Darstellung entwickelt, welches neue Ansichten auf die 3D-Photo-Collection unter direkter Verwendung der Punktwolke erzeugt. Dieser Ansatz erzeugt neue Ansichten in Echtzeit und erlaubt somit eine freie Navigation.
Insgesamt konnte mit den entwickelten Methoden gezeigt werden, dass 3D-Photo-Collections für Augmented-Reality eine geeignete Repräsentation von realen Anteilen sind und eine realistische Synthese mit virtuellen Anteilen durchgeführt werden kann.