Institut für Informatik
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The trends of industry 4.0 and the further enhancements toward an ever changing factory lead to more mobility and flexibility on the factory floor. With that higher need of mobility and flexibility the requirements on wireless communication rise. A key requirement in that setting is the demand for wireless Ultra-Reliability and Low Latency Communication (URLLC). Example use cases therefore are cooperative Automated Guided Vehicles (AGVs) and mobile robotics in general. Working along that setting this thesis provides insights regarding the whole network stack. Thereby, the focus is always on industrial applications. Starting on the physical layer, extensive measurements from 2 GHz to 6 GHz on the factory floor are performed. The raw data is published and analyzed. Based on that data an improved Saleh-Valenzuela (SV) model is provided. As ad-hoc networks are highly depended onnode mobility, the mobility of AGVs is modeled. Additionally, Nodal Encounter Patterns (NEPs) are recorded and analyzed. A method to record NEP is illustrated. The performance by means of latency and reliability are key parameters from an application perspective. Thus, measurements of those two parameters in factory environments are performed using Wireless Local Area Network (WLAN) (IEEE 802.11n), private Long Term Evolution (pLTE) and 5G. This showed auto-correlated latency values. Hence, a method to construct confidence intervals based on auto-correlated data containing rare events is developed. Subsequently, four performance improvements for wireless networks on the factory floor are proposed. Of those optimization three cover ad-hoc networks, two deal with safety relevant communication, one orchestrates the usage of two orthogonal networks and lastly one optimizes the usage of information within cellular networks.
Finally, this thesis is concluded by an outlook toward open research questions. This includes open questions remaining in the context of industry 4.0 and further the ones around 6G. Along the research topics of 6G the two most relevant topics concern the ideas of a network of networks and overcoming best-effort IP.
Die Bereitstellung elektronischer Beteiligungsverfahren (E-Partizipation) ist ein komplexes sozio-technisches Unterfangen, das eine sorgfältige Vorgehensweise erfordert. Die Herausforderung ist, dass Regierungen oder Kommunalverwaltungen, als häufigste Anbieter, bei der ganzheitlichen Planung und Umsetzung nur unzureichend unterstützt werden. Infolgedessen beschreibt die Literatur nur wenige E-Partizipationsangebote als erfolgreich. Die Wirtschaftsinformatik entwickelte das Konzept der Enterprise Architectures um die Entwicklung komplexer sozio-technischer Systeme zu unterstützen. Versteht man die Gruppe an Organisationen, die E-Partizipationsverfahren bereitstellt nun als Enterprise, so können die Prinzipien von Enterprise Architectures angewendet werden. Nichtsdestotrotz wurde dieser Ansatz in der E-Partizipationspraxis und –Forschung bisher kaum beachtet.
Motiviert durch diese Forschungslücke, untersucht die Dissertation bestehende Ansätze aus der E-Partizipationspraxis und –Forschung auf Besonderheiten und Schwachstellen, um anschließend den Nutzen bestehender Rahmenwerke für Enterprise Architectures im Kontext von E-Partizipation zu analysieren. Die Literaturstudie überprüft sowohl konzeptionelle als auch prozedurale Ansätze aus Praxis und Wissenschaft auf ihre Ganzheitlichkeit und identifiziert die Herausforderungen. Im Rahmen von vier Projekten wird das Vorgehen beim Entwurf und der Umsetzung von elektronisch unterstützten Beteiligungsverfahren dokumentiert und ausgewertet sowie Verbesserungspotenziale aufgezeigt. Enterprise Architecture Frameworks (Zachman Framework, TOGAF, DoDAF, FEA, ARIS, und ArchiMate) werden auf Anforderungen und Nützlichkeit für E-Partizipation untersucht. Die Ergebnisse zeigen die Herausforderungen bei der Übernahme existierender Enterprise Architecture Frameworks, aber auch das Potential einer Kombination aus speziellen Ansätzen für E-Partizipation mit Enterprise Architectures auf. Folglich ist das Ziel der weiteren Forschung die Entwicklung eines Architekturrahmenwerks für E-Partizipation.
Die vorliegende Dissertation führt die Ergebnisse der Literaturstudien und Aktionsforschung zusammen und wendet dementsprechend Konstruktionsforschung (Design Science Research) bei der Entwicklung des E-Participation Architecture Framework (EPART-Framework) an. Die initiale Version dieses Rahmenwerks wird in zwei unterschiedlichen Umgebungen angewandt und getestet. Die Erkenntnisse führen zu dem EPART-Framework, das in dieser Dissertation vorgestellt wird. Es besteht aus dem EPART-Metamodel, das E Partizipation aus sechs verschiedenen Perspektiven unterschiedlicher Akteure (den sog. EPART-Viewpoints) betrachtet. Die EPART-Method unterstützt den Entwurf und die Umsetzung von E-Partizipation mit Hilfe des EPART-Frameworks. Sie beschreibt fünf, durch Anforderungsmanagement begleitete, Phasen: Initiierung, Entwurf, Umsetzung, Partizipation und Evaluation. Die Ergebnisse während diesen Phasen werden in der Architekturbeschreibung (Architecture Description) und dem Solution Repository gespeichert. Das finale EPART-Framework wird im Rahmen der Arbeit evaluiert, um Empfehlungen für die Anwendung sowie weiteren Forschungsbedarf aufzuzeigen. Die Ergebnisse geben Grund zur Annahme, dass das EPART-Framework die Lücke zwischen E-Partizipation und Enterprise Architectures füllt und Forschung und Praxis in dem Feld wertvoll ergänzt.
One of the main goals of the artificial intelligence community is to create machines able to reason with dynamically changing knowledge. To achieve this goal, a multitude of different problems have to be solved, of which many have been addressed in the various sub-disciplines of artificial intelligence, like automated reasoning and machine learning. The thesis at hand focuses on the automated reasoning aspects of these problems and address two of the problems which have to be overcome to reach the afore-mentioned goal, namely 1. the fact that reasoning in logical knowledge bases is intractable and 2. the fact that applying changes to formalized knowledge can easily introduce inconsistencies, which leads to unwanted results in most scenarios.
To ease the intractability of logical reasoning, I suggest to adapt a technique called knowledge compilation, known from propositional logic, to description logic knowledge bases. The basic idea of this technique is to compile the given knowledge base into a normal form which allows to answer queries efficiently. This compilation step is very expensive but has to be performed only once and as soon as the result of this step is used to answer many queries, the expensive compilation step gets worthwhile. In the thesis at hand, I develop a normal form, called linkless normal form, suitable for knowledge compilation for description logic knowledge bases. From a computational point of view, the linkless normal form has very nice properties which are introduced in this thesis.
For the second problem, I focus on changes occurring on the instance level of description logic knowledge bases. I introduce three change operators interesting for these knowledge bases, namely deletion and insertion of assertions as well as repair of inconsistent instance bases. These change operators are defined such that in all three cases, the resulting knowledge base is ensured to be consistent and changes performed to the knowledge base are minimal. This allows us to preserve as much of the original knowledge base as possible. Furthermore, I show how these changes can be applied by using a transformation of the knowledge base.
For both issues I suggest to adapt techniques successfully used in other logics to get promising methods for description logic knowledge bases.
Empirische Studien in der Softwaretechnik verwenden Software Repositories als Datenquellen, um die Softwareentwicklung zu verstehen. Repository-Daten werden entweder verwendet, um Fragen zu beantworten, die die Entscheidungsfindung in der Softwareentwicklung leiten, oder um Werkzeuge bereitzustellen, die bei praktischen Aspekten der Entwicklung helfen. Studien werden in die Bereiche Empirical Software Engineering (ESE) und Mining Software Repositories (MSR) eingeordnet. Häufig konzentrieren sich Studien, die mit Repository-Daten arbeiten, auf deren Ergebnisse. Ergebnisse sind aus den Daten abgeleitete Aussagen oder Werkzeuge, die bei der Softwareentwicklung helfen. Diese Dissertation konzentriert sich hingegen auf die Methoden und High-Order-Methoden, die verwendet werden, um solche Ergebnisse zu erzielen. Insbesondere konzentrieren wir uns auf inkrementelle Methoden, um die Verarbeitung von Repositories zu skalieren, auf deklarative Methoden, um eine heterogene Analyse durchzuführen, und auf High-Order-Methoden, die verwendet werden, um Bedrohungen für Methoden, die auf Repositories arbeiten, zu operationalisieren. Wir fassen dies als technische und methodische Verbesserungen zusammen um zukünftige empirische Ergebnisse effektiver zu produzieren. Wir tragen die folgenden Verbesserungen bei. Wir schlagen eine Methode vor, um die Skalierbarkeit von Funktionen, welche über Repositories mit hoher Revisionszahl abstrahieren, auf theoretisch fundierte Weise zu verbessern. Wir nutzen Erkenntnisse aus abstrakter Algebra und Programminkrementalisierung, um eine Kernschnittstelle von Funktionen höherer Ordnung zu definieren, die skalierbare statische Abstraktionen eines Repositorys mit vielen Revisionen berechnen. Wir bewerten die Skalierbarkeit unserer Methode durch Benchmarks, indem wir einen Prototyp mit MSR/ESE Wettbewerbern vergleichen. Wir schlagen eine Methode vor, um die Definition von Funktionen zu verbessern, die über ein Repository mit einem heterogenen Technologie-Stack abstrahieren, indem Konzepte aus der deklarativen Logikprogrammierung verwendet werden, und mit Ideen zur Megamodellierung und linguistischen Architektur kombiniert werden. Wir reproduzieren bestehende Ideen zur deklarativen Logikprogrammierung mit Datalog-nahen Sprachen, die aus der Architekturwiederherstellung, der Quellcodeabfrage und der statischen Programmanalyse stammen, und übertragen diese aus der Analyse eines homogenen auf einen heterogenen Technologie-Stack. Wir liefern einen Proof-of-Concept einer solchen Methode in einer Fallstudie. Wir schlagen eine High-Order-Methode vor, um die Disambiguierung von Bedrohungen für MSR/ESE Methoden zu verbessern. Wir konzentrieren uns auf eine bessere Disambiguierung von Bedrohungen durch Simulationen, indem wir die Argumentation über Bedrohungen operationalisieren und die Auswirkungen auf eine gültige Datenanalysemethodik explizit machen. Wir ermutigen Forschende, „gefälschte“ Simulationen ihrer MSR/ESE-Szenarien zu erstellen, um relevante Erkenntnisse über alternative plausible Ergebnisse, negative Ergebnisse, potenzielle Bedrohungen und die verwendeten Datenanalysemethoden zu operationalisieren. Wir beweisen, dass eine solche Art des simulationsbasierten Testens zur Disambiguierung von Bedrohungen in der veröffentlichten MSR/ESE-Forschung beiträgt.
The term “Software Chrestomaty” is defined as a collection of software systems meant to be useful in learning about or gaining insight into software languages, software technologies, software concepts, programming, and software engineering. 101companies software chrestomathy is a community project with the attributes of a Research 2.0 infrastructure for various stakeholders in software languages and technology communities. The core of 101companies combines a semantic wiki and confederated open source repositories. We designed and developed an integrated ontology-based knowledge base about software languages and technologies. The knowledge is created by the community of contributors and supported with a running example and structured documentation. The complete ecosystem is exposed by using Linked Data principles and equipped with the additional metadata about individual artifacts. Within the context of software chrestomathy we explored a new type of software architecture – linguistic architecture that is targeted on the language and technology relationships within a software product and based on the megamodels. Our approach to documentation of the software systems is highly structured and makes use of the concepts of the newly developed megamodeling language MegaL. We “connect” an emerging ontology with the megamodeling artifacts to raise the cognitive value of the linguistic architecture.
Reaktiv lokale Algorithmen sind verteilte Algorithmen, die den Anforderungen großer, batteriebetriebener, Drahtloser Ad Hoc und Sensornetzwerke im besonderen Maße gerecht werden. Durch Vermeidung überflüssiger Nachrichtenübertragungen sowie Verzicht auf proaktive Ermittlung von Nachbarschaftstabellen (d.h. beaconing) minimieren solche Algorithmen den Kommunikationsaufwand und skalieren gut bei wachsender Netzgröße. Auf diese Weise werden Ressourcen wie Bandbreite und Energie geschont, es kommt seltener zu Nachrichtenkollisionen und dadurch zu einer Erhöhung der Paketempfangsrate, sowie einer Reduktion der Latenzen.
Derzeit wird diese Algorithmenklasse hauptsächlich für Geografisches Routing, sowie zur Topologiekontrolle, insbesondere zur Ermittlung der Adjazenzliste eines Knotens in zusammenhängenden, kantenschnittfreien (planaren) Repräsentationen des Netzgraphen, eingesetzt. Ersteres ermöglicht drahtlose multi-hop Kommunikation auf Grundlage von geografischen Knotenpositionen ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Netzwerkinfrastruktur, wohingegen Letzteres eine hinreichende Grundlage für effiziente, lokale Lösungen einer Reihe algorithmischer Problemstellungen ist.
Die vorliegende Dissertation liefert neue Erkenntnisse zum Forschungsgebiet der reaktiven Algorithmen, zum Einen auf einer abstrakten Ebene und zum Anderen durch die Einführung neuer Algorithmen.
Erstens betrachtet diese Arbeit reaktive Algorithmen erstmalig im Ganzen und als eigenständiges Forschungsfeld. Es wird eine umfangreiche Literaturstudie zu dieser Thematik präsentiert, welche die aus der Literatur bekannten Algorithmen, Techniken und Anwendungsfelder systematisch auflistet, klassifiziert und einordnet. Weiterhin wird das mathematische Konzept der O- und Omega-reaktiv lokalen Topologiekontrolle eingeführt. Dieses Konzept ermöglicht erstmals die eindeutige Unterscheidung reaktiver von konventionellen, beacon-basierten, verteilten Topologiekontrollalgorithmen. Darüber hinaus dient es als Klassifikationsschema für existierende, sowie zukünftige Algorithmen dieser Art. Zu guter Letzt ermöglicht dieses Konzept grundlegende Aussagen über die Mächtigkeit des reaktiven Prinzips, welche über Entwurf und Analyse von Algorithmen hinaus reichen.
Zweitens werden in dieser Arbeit neue reaktiv lokale Algorithmen zur Topologiekontrolle und Geografischem Routing eingeführt, wobei drahtlose Netze durch Unit Disk bzw. Quasi Unit Disk Graphen modelliert werden. Diese Algorithmen berechnen für einen gegebenen Knoten die lokale Sicht auf zusammenhängende, planare, Euklidische bzw. Topologische Spanner mit konstanter Spannrate bzgl. des Netzgraphen und routen Nachrichten reaktiv entlang der Kanten dieser Spanner, wobei die Nachrichtenauslieferung garantiert wird. Alle bisher bekannten Verfahren sind entweder nicht reaktiv oder gewährleisten keine konstanten Euklidischen oder Topologischen Spannraten. Ein wesentliches Teilergebnis dieser Arbeit ist der Nachweis, dass die partielle Delaunay Triangulierung (PDT) ein Euklidischer Spanner mit konstanter Spannrate für Unit Disk Graphen ist.
Die in dieser Dissertation gewonnenen Erkenntnisse bilden die Basis für grundlegende und strukturierte Forschung auf diesem Gebiet und zeigen, dass das reaktive Prinzip ein wichtiges Werkzeug des Algorithmenentwurfs für Drahtlose Ad Hoc und Sensornetzwerke ist.
Confidentiality, integrity, and availability are often listed as the three major requirements for achieving data security and are collectively referred to as the C-I-A triad. Confidentiality of data restricts the data access to authorized parties only, integrity means that the data can only be modified by authorized parties, and availability states that the data must always be accessible when requested. Although these requirements are relevant for any computer system, they are especially important in open and distributed networks. Such networks are able to store large amounts of data without having a single entity in control of ensuring the data's security. The Semantic Web applies to these characteristics as well as it aims at creating a global and decentralized network of machine-readable data. Ensuring the confidentiality, integrity, and availability of this data is therefore also important and must be achieved by corresponding security mechanisms. However, the current reference architecture of the Semantic Web does not define any particular security mechanism yet which implements these requirements. Instead, it only contains a rather abstract representation of security.
This thesis fills this gap by introducing three different security mechanisms for each of the identified security requirements confidentiality, integrity, and availability of Semantic Web data. The mechanisms are not restricted to the very basics of implementing each of the requirements and provide additional features as well. Confidentiality is usually achieved with data encryption. This thesis not only provides an approach for encrypting Semantic Web data, it also allows to search in the resulting ciphertext data without decrypting it first. Integrity of data is typically implemented with digital signatures. Instead of defining a single signature algorithm, this thesis defines a formal framework for signing arbitrary Semantic Web graphs which can be configured with various algorithms to achieve different features. Availability is generally supported by redundant data storage. This thesis expands the classical definition of availability to compliant availability which means that data must only be available as long as the access request complies with a set of predefined policies. This requirement is implemented with a modular and extensible policy language for regulating information flow control. This thesis presents each of these three security mechanisms in detail, evaluates them against a set of requirements, and compares them with the state of the art and related work.
Die Diffusionsbildgebung misst die Bewegung von Wassermolekülen in Gewebe mittelsrnvariierender Gradientenfelder unter Verwendung der Magnetresonanztomographie(MRT). Diese Aufnahmetechnik stellt eine große Chance für in vivo Untersuchung von neuronalen Bahnen dar, da das lokale Diffusionsprofil Rückschlüsse über die Position und Richtung von Nervenbahnen erlaubt. Zu den Anwendungsgebieten der Diffusionsbildgebung zählt die Grundlagenforschung in den Neurowissenschaften, in denen Nervenbahnen als Verbindungen kortikaler Areale bestimmt werden, und die neurochirurgische Operationsplanung, in der rekonstruierte Bahnen als Risikostrukturen für Interventionen angesehen werden.
Die Diffusionstensor-MRT (DT-MRT) ist aufgrund ihrer schnellen Aufnahme- und Rekonstruktionsgeschwindigkeit derzeitig klinischer Standard zur Bestimmung von Nervenbahnen. Jedoch erlaubt die DT-MRT nicht die Darstellung von komplexen intravoxel Diffusionsverteilungen. Daher etablierte sich eine weitere Modellierungstechnik, die als High Angular Resolution Diffusion Imaging (HARDI) bekannt ist. HARDITechniken erhielten wachsendes Interesse in den Neurowissenschaften, da sie großes Potential zur exakteren Darstellung der Nervenbahnen im menschlichen Gehirn besitzen.
Um die Vorteile von HARDI-Techniken gegenüber DT-MRT voll auszuschöpfen, werden fortgeschrittene Methoden zur Rekonstruktion und Visualisierung der Bahnen benötigt. In der vorliegenden Arbeit werden neue Techniken vorgestellt, welche zur aktuellen Forschung hinsichtlich der Verarbeitung und Visualisierung von Diffusionsbildgebungsdaten beitragen. Ansätze zur Klassifizierung, Traktographie und Visualisierung wurden entwickelt um eine aussagekräftige Exploration neuronaler Bahnen und deren Beschaffenheit zu ermöglichen. Des Weiteren wurde eine interaktive Software für die neurochirurgische Operationsplanung implementiert, welche Nervenbahnen als Risikostrukturen berücksichtigt.
Die vorgestellten Forschungsergebnisse bieten einen erweiterten und aufgabenorientierten Einblick in neuronale Verbindungen sowohl für Neurowissenschaftler als auch für Neurochirurgen und tragen zum Einsatz von HARDI-Techniken in einer klinischen Umgebung bei.
Die voranschreitende Vernetzung von Fahrzeugen wird einen erheblichen Einfluss auf die Mobilitätslösungen von Morgen haben. Solche Systeme werden stark auf den zeitnahen Austausch von Informationen angewiesen sein, um die funktionale Zuverlässigkeit, Sicherheit von Fahrfunktionen und somit den Schutz von Insassen zu gewährleisten. Allerdings zeigt sich bei näherer Betrachtung der verwendeten Kommunikationsmodelle heutiger Netzwerke, wie beispielsweise dem Internet, dass diese Modelle einem host-zentrierten Prinzip folgen. Dieses Prinzip stellt das Management von Netzwerken mit einem hohen Grad an mobilen Teilnehmern vor große Herausforderungen hinsichtlich der effizienten Verteilung von Informationen. In den vergangen Jahren hat sich das Information-Centric Networking (ICN) Paradigma als vielversprechender Kandidat für zukünftige datenorientierte mobile Netzwerke empfohlen. Basierend auf einem lose gekoppelten Kommunikationsmodell unterstzützt ICN Funktionen wie das Speichern und Verarbeiten von Daten direkt auf der Netzwerkschicht. Insbesondere das aktive, gezielte Platzieren von Daten nahe der Benutzer stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Erhöhung der Datenbereitstellung in mobilen Netzen dar. Die vorliegende Arbeit legt den Fokus auf die Erforschung von Strategien zum orchestrieren und aktiven Platzieren von Daten für Fahrzeuganwendungen im Netzwerk für mobile Teilnehmer. Im Rahmen einer Analyse unterschiedlicher Fahrzeugapplikationen und deren Anforderungen, werden neue Strategien für das aktive Platzieren vorgestellt. Unter Verwendung von Netzwerksimulationen werden diese Strategien umfangreich untersucht und in im Rahmen eines prototypischen Aufbaus unter realen Bedingungen ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen Verbesserungen in der zeitnahen Zustellung von Inhalten (die Verfügbarkeit spezifischer Daten wurde im Vergleich zu existierenden Strategien um bis zu 35% erhöht), während die Auslieferungszeiten verkürzt wurden. Allerdings bedingt das aktive Platzieren und Speichern von Daten auch Risiken der Datensicherheit und Privatsphäre. Auf der Basis einer Sicherheitsanalyse stellt der zweite Teil der Arbeit ein Konzept zur Zugriffskontrolle von gespeicherten Daten in verteilten Fahrzeugnetzwerken vor. Abschließend werden offene Problemstellungen und Forschungsrichtungen im Kontext Sicherheit von verteilten Berechnungsarchitekturen für vernetze Fahrzeugnetzwerke diskutiert.
Die Aufmerksamkeit politischer Entscheidungsträger weltweit richtet sich in den letzten 10 Jahren verstärkt auf die Kreativwirtschaft als signifikanter Wachstums- und Beschäftigungsmotor in Städten. Die Literatur zeigt jedoch, dass Kreativschaffende zu den gefährdetsten Arbeitskräften in der heutigen Wirtschaft gehören. Aufgrund des enorm deregulierten und stark individualisierten Umfelds werden Misserfolg oder Erfolg eher individuellen Fähigkeiten und Engagement zugeschrieben und strukturelle oder kollektive Aspekte vernachlässigt. Diese Arbeit widmet sich zeitlichen, räumlichen und sozialen Aspekten digitaler behavioraler Daten, um zu zeigen, dass es tatsächlich strukturelle und historische Faktoren gibt, die sich auf die Karrieren von Individuen und Gruppen auswirken. Zu diesem Zweck bietet die Arbeit einen computergestützten, sozialwissenschaftlichen Forschungsrahmen, der das theoretische und empirisches Wissen aus jahrelanger Forschung zu Ungleichheit mit computergestützten Methoden zum Umgang mit komplexen und umfangreichen digitalen Daten verbindet. Die Arbeit beginnt mit der Darlegung einer neuartigen Methode zur Geschlechtererkennung, welche sich Image Search und Gesichtserkennungsmethoden bedient. Die Analyse der kollaborativen Verhaltensweisen sowie der Zitationsnetzwerke männlicher und weiblicher Computerwissenschaftler*innen verdeutlicht einige der historischen Bias und Nachteile, welchen Frauen in ihren wissenschaftlichen Karrieren begegnen. Zur weiterfuhrenden Elaboration der zeitlichen Aspekte von Ungleichheit, wird der Anteil vertikaler und horizontaler Ungleichheit in unterschiedlichen Kohorten von Wissenschaftler*innen untersucht, die ihre Karriere zu unterschiedlichen Zeitpunkten begonnen haben. Im Weiteren werden einige der zugrunde liegenden Mechanismen und Prozesse von Ungleichheit in kreativen Berufen analysiert, wie der Matthew-Effekt und das Hipster-Paradoxon. Schließlich zeigt diese Arbeit auf, dass Online-Plattformen wie Wikipedia bestehenden Bias reflektieren sowie verstärken können.