TY - THES
A1 - Kluth, Stephan
T1 - Quantitative modeling and analysis with FMC-QE
T1 - Quantitative Modellierung und Analyse mit FMC-QE
N2 - The modeling and evaluation calculus FMC-QE, the Fundamental Modeling Concepts for Quanti-tative Evaluation [1], extends the Fundamental Modeling Concepts (FMC) for performance modeling and prediction. In this new methodology, the hierarchical service requests are in the main focus, because they are the origin of every service provisioning process. Similar to physics, these service requests are a tuple of value and unit, which enables hierarchical service request transformations at the hierarchical borders and therefore the hierarchical modeling. Through reducing the model complexity of the models by decomposing the system in different hierarchical views, the distinction between operational and control states and the calculation of the performance values on the assumption of the steady state, FMC-QE has a scalable applica-bility on complex systems. According to FMC, the system is modeled in a 3-dimensional hierarchical representation space, where system performance parameters are described in three arbitrarily fine-grained hierarchi-cal bipartite diagrams. The hierarchical service request structures are modeled in Entity Relationship Diagrams. The static server structures, divided into logical and real servers, are de-scribed as Block Diagrams. The dynamic behavior and the control structures are specified as Petri Nets, more precisely Colored Time Augmented Petri Nets. From the structures and pa-rameters of the performance model, a hierarchical set of equations is derived. The calculation of the performance values is done on the assumption of stationary processes and is based on fundamental laws of the performance analysis: Little's Law and the Forced Traffic Flow Law. Little's Law is used within the different hierarchical levels (horizontal) and the Forced Traffic Flow Law is the key to the dependencies among the hierarchical levels (vertical). This calculation is suitable for complex models and allows a fast (re-)calculation of different performance scenarios in order to support development and configuration decisions. Within the Research Group Zorn at the Hasso Plattner Institute, the work is embedded in a broader research in the development of FMC-QE. While this work is concentrated on the theoretical background, description and definition of the methodology as well as the extension and validation of the applicability, other topics are in the development of an FMC-QE modeling and evaluation tool and the usage of FMC-QE in the design of an adaptive transport layer in order to fulfill Quality of Service and Service Level Agreements in volatile service based environments. This thesis contains a state-of-the-art, the description of FMC-QE as well as extensions of FMC-QE in representative general models and case studies. In the state-of-the-art part of the thesis in chapter 2, an overview on existing Queueing Theory and Time Augmented Petri Net models and other quantitative modeling and evaluation languages and methodologies is given. Also other hierarchical quantitative modeling frameworks will be considered. The description of FMC-QE in chapter 3 consists of a summary of the foundations of FMC-QE, basic definitions, the graphical notations, the FMC-QE Calculus and the modeling of open queueing networks as an introductory example. The extensions of FMC-QE in chapter 4 consist of the integration of the summation method in order to support the handling of closed networks and the modeling of multiclass and semaphore scenarios. Furthermore, FMC-QE is compared to other performance modeling and evaluation approaches. In the case study part in chapter 5, proof-of-concept examples, like the modeling of a service based search portal, a service based SAP NetWeaver application and the Axis2 Web service framework will be provided. Finally, conclusions are given by a summary of contributions and an outlook on future work in chapter 6. [1] Werner Zorn. FMC-QE - A New Approach in Quantitative Modeling. In Hamid R. Arabnia, editor, Procee-dings of the International Conference on Modeling, Simulation and Visualization Methods (MSV 2007) within WorldComp ’07, pages 280 – 287, Las Vegas, NV, USA, June 2007. CSREA Press. ISBN 1-60132-029-9.
N2 - FMC-QE (Fundamental Modeling Concepts for Quantitative Evaluation [1]) ist eine auf FMC, den Fundamental Modeling Concepts, basierende Methodik zur Modellierung des Leistungsverhaltens von Systemen mit einem dazugehörenden Kalkül zur Erstellung von Leistungsvorhersagen wie Antwortzeiten und Durchsatz. In dieser neuen Methodik steht die Modellierung der hierarchischen Bedienanforderungen im Mittelpunkt, da sie der Ursprung aller dienstbasierenden Systeme sind. Wie in der Physik sind in FMC-QE die Bedienanforderungen Tupel aus Wert und Einheit, um Auftragstransformationen an Hierarchiegrenzen zu ermöglichen. Da die Komplexität durch eine Dekomposition in mehreren Sichten und in verschiedene hierarchische Schichten, die Unterscheidung von Operations- und Kontrollzuständen, sowie dazugehörige Berechungen unter Annahme der Stationarität reduziert wird, skaliert die Anwendbarkeit von FMC-QE auf komplexe Systeme. Gemäß FMC wird das zu modellierende System in einem 3-dimensionalen hierarchischen Beschreibungsraum dargestellt. Die quantitativen Kenngrößen der Systeme werden in drei beliebig frei-granularen hierarchischen bi-partiten Graphen beschrieben. Die hierarchische Struktur der Bedienanforderungen wird in Entity Relationship Diagrammen beschrieben. Die statischen Bedienerstrukturen, unterteilt in logische und reale Bediener, sind in Aufbaudiagrammen erläutert. Außerdem werden Petri Netze, genauer Farbige Zeit-behaftete Petri Netze, dazu verwendet, die dynamischen Abläufe, sowie die Kontrollflüsse im System zu beschreiben. Anschließend wird eine Menge von hierarchischen Gleichungen von der Struktur und den Parametern des Modells abgeleitet. Diese Gleichungen, die auf dem stationären Zustand des Systems beruhen, basieren auf den beiden Fundamental Gesetzen der Leistungsanalyse, dem Gesetz von Little und dem Verkehrsflussgesetz. Das Gesetz von Little definiert hierbei Beziehungen innerhalb einer hierarchischen Schicht (horizontal) und das Verkehrsflussgesetz wiederum Beziehungen zwischen hierarchischen Schichten (vertikal). Die Berechungen erlauben Leistungsvorhersagen für komplexe Systeme durch eine effiziente Berechnung von Leistungsgrößen für eine große Auswahl von System- und Lastkonfigurationen. Innerhalb der Forschungsgruppe von Prof. Dr.-Ing Werner Zorn am Hasso Plattner Institut an der Universität Potsdam ist die vorliegende Arbeit in einen größeren Forschungskontext im Bereich FMC-QE eingebettet. Während hier ein Fokus auf dem theoretischen Hintergrund, der Beschreibung und der Definition der Methodik als auch der Anwendbarkeit und Erweiterung gelegt wurde, sind andere Arbeiten auf dem Gebiet der Entwicklung einer Anwendung zur Modellierung und Evaluierung von Systemen mit FMC-QE bzw. der Verwendung von FMC-QE zur Entwicklung einer adaptiven Transportschicht zur Einhaltung von Dienstgüten (Quality of Service) und Dienstvereinbarungen (Service Level Agreements) in volatilen dienstbasierten Systemen beheimatet. Diese Arbeit umfasst einen Einblick in den Stand der Technik, die Beschreibung von FMC-QE sowie die Weiterentwicklung von FMC-QE in repräsentativen allgemeinen Modellen und Fallstudien. Das Kapitel 2: Stand der Technik gibt einen Überblick über die Warteschlangentheorie, Zeit-behaftete Petri Netze, weitere Leistungsbeschreibungs- und Leistungsvorhersagungstechniken sowie die Verwendung von Hierarchien in Leistungsbeschreibungstechniken. Die Beschreibung von FMC-QE in Kapitel 3 enthält die Erläuterung der Grundlagen von FMC-QE, die Beschreibung einiger Grundannahmen, der graphischen Notation, dem mathematischen Modell und einem erläuternden Beispiel. In Kapitel 4: Erweiterungen von FMC-QE wird die Behandlung weiterer allgemeiner Modelle, wie die Modellklasse von geschlossenen Netzen, Synchronisierung und Mehrklassen-Modelle beschrieben. Außerdem wird FMC-QE mit dem Stand der Technik verglichen. In Kapitel 5 werden Machbarkeitsstudien beschrieben. Schließlich werden in Kapitel 6 eine Zusammenfassung und ein Ausblick gegeben. [1] Werner Zorn. FMC-QE - A New Approach in Quantitative Modeling. In Hamid R. Arabnia, editor, Proceedings of the International Conference on Modeling, Simulation and Visualization Methods (MSV 2007) within WorldComp ’07, 280 – 287, Las Vegas, NV, USA, Juni 2007. CSREA Press. ISBN 1-60132-029-9.
KW - FMC-QE
KW - Quantitative Modellierung
KW - Leistungsvorhersage
KW - Warteschlangentheorie
KW - Zeitbehaftete Petri Netze
KW - FMC-QE
KW - Quantitative Modeling
KW - Performance Prediction
KW - Queuing Theory
KW - Time Augmented Petri Nets
Y1 - 2011
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52987
ER -
TY - THES
A1 - Off, Thomas
T1 - Durchgängige Verfolgbarkeit im Vorfeld der Softwareentwicklung von E-Government-Anwendungen : ein ontologiebasierter und modellgetriebener Ansatz am Beispiel von Bürgerdiensten
T1 - Continuous pre-requirements specification traceability for e-government : ontology based and model driven approach using the example of citizen services
N2 - Die öffentliche Verwaltung setzt seit mehreren Jahren E-Government-Anwendungssysteme ein, um ihre Verwaltungsprozesse intensiver mit moderner Informationstechnik zu unterstützen. Da die öffentliche Verwaltung in ihrem Handeln in besonderem Maße an Recht und Gesetz gebunden ist verstärkt und verbreitet sich der Zusammenhang zwischen den Gesetzen und Rechtsvorschriften einerseits und der zur Aufgabenunterstützung eingesetzten Informationstechnik andererseits. Aus Sicht der Softwaretechnik handelt es sich bei diesem Zusammenhang um eine spezielle Form der Verfolgbarkeit von Anforderungen (engl. Traceability), die so genannte Verfolgbarkeit im Vorfeld der Anforderungsspezifikation (Pre-Requirements Specification Traceability, kurz Pre-RS Traceability), da sie Aspekte betrifft, die relevant sind, bevor die Anforderungen in eine Spezifikation eingeflossen sind (Ursprünge von Anforderungen). Der Ansatz dieser Arbeit leistet einen Beitrag zur Verfolgbarkeit im Vorfeld der Anforderungsspezifikation von E-Government-Anwendungssystemen. Er kombiniert dazu aktuelle Entwicklungen und Standards (insbesondere des World Wide Web Consortium und der Object Management Group) aus den Bereichen Verfolgbarkeit von Anforderungen, Semantic Web, Ontologiesprachen und modellgetriebener Softwareentwicklung. Der Lösungsansatz umfasst eine spezielle Ontologie des Verwaltungshandeln, die mit den Techniken, Methoden und Werkzeugen des Semantic Web eingesetzt wird, um in Texten von Rechtsvorschriften relevante Ursprünge von Anforderungen durch Annotationen mit einer definierten Semantik zu versehen. Darauf aufbauend wird das Ontology Definition Metamodel (ODM) verwendet, um die Annotationen als spezielle Individuen einer Ontologie auf Elemente der Unified Modeling Language (UML) abzubilden. Dadurch entsteht ein neuer Modelltyp Pre-Requirements Model (PRM), der das Vorfeld der Anforderungsspezifikation formalisiert. Modelle diesen Typs können auch verwendet werden, um Aspekte zu formalisieren die sich nicht oder nicht vollständig aus dem Text der Rechtsvorschrift ergeben. Weiterhin bietet das Modell die Möglichkeit zum Anschluss an die modellgetriebene Softwareentwicklung. In der Arbeit wird deshalb eine Erweiterung der Model Driven Architecture (MDA) vorgeschlagen. Zusätzlich zu den etablierten Modelltypen Computation Independent Model (CIM), Platform Independent Model (PIM) und Platform Specific Model (PSM) könnte der Einsatz des PRM Vorteile für die Verfolgbarkeit bringen. Wird die MDA mit dem PRM auf das Vorfeld der Anforderungsspezifikation ausgeweitet, kann eine Transformation des PRM in ein CIM als initiale Anforderungsspezifikation erfolgen, indem der MOF Query View Transformation Standard (QVT) eingesetzt wird. Als Teil des QVT-Standards ist die Aufzeichnung von Verfolgbarkeitsinformationen bei Modelltransformationen verbindlich. Um die semantische Lücke zwischen PRM und CIM zu überbrücken, erfolgt analog zum Einsatz des Plattformmodells (PM) in der PIM nach PSM Transformation der Einsatz spezieller Hilfsmodelle. Es kommen dafür die im Projekt "E-LoGo" an der Universität Potsdam entwickelten Referenzmodelle zum Einsatz. Durch die Aufzeichnung der Abbildung annotierter Textelemente auf Elemente im PRM und der Transformation der Elemente des PRM in Elemente des CIM kann durchgängige Verfolgbarkeit im Vorfeld der Anforderungsspezifikation erreicht werden. Der Ansatz basiert auf einer so genannten Verfolgbarkeitsdokumentation in Form verlinkter Hypertextdokumente, die mittels XSL-Stylesheet erzeugt wurden und eine Verbindung zur graphischen Darstellung des Diagramms (z. B. Anwendungsfall-, Klassendiagramm der UML) haben. Der Ansatz unterstützt die horizontale Verfolgbarkeit zwischen Elementen unterschiedlicher Modelle vorwärts- und rückwärtsgerichtet umfassend. Er bietet außerdem vertikale Verfolgbarkeit, die Elemente des gleichen Modells und verschiedener Modellversionen in Beziehung setzt. Über den offensichtlichen Nutzen einer durchgängigen Verfolgbarkeit im Vorfeld der Anforderungsspezifikation (z. B. Analyse der Auswirkungen einer Gesetzesänderung, Berücksichtigung des vollständigen Kontextes einer Anforderung bei ihrer Priorisierung) hinausgehend, bietet diese Arbeit eine erste Ansatzmöglichkeit für eine Feedback-Schleife im Prozess der Gesetzgebung. Stehen beispielsweise mehrere gleichwertige Gestaltungsoptionen eines Gesetzes zur Auswahl, können die Auswirkungen jeder Option analysiert und der Aufwand ihrer Umsetzung in E-Government-Anwendungen als Auswahlkriterium berücksichtigt werden. Die am 16. März 2011 in Kraft getretene Änderung des NKRG schreibt eine solche Analyse des so genannten „Erfüllungsaufwands“ für Teilbereiche des Verwaltungshandelns bereits heute verbindlich vor. Für diese Analyse kann die vorliegende Arbeit einen Ansatz bieten, um zu fundierten Aussagen über den Änderungsaufwand eingesetzter E-Government-Anwendungssysteme zu kommen.
N2 - Public administration is using electronic government (e-government) application systems for several years to support their processes more intensive with modern information and communication technology than ever before. This increases and broadens the relationship between law and legislation executed by the administration on the one hand and requirements to e-government application systems used to support administrative execution on the other hand. This relationship is subject matter of pre-requirements specification traceability (pre-RS traceability). This work introduces an approach to pre-RS traceabiliy for e-government application. It combines research efforts and standards (i.e. of World Wide Web Consortium and Object Management Group) from different fields: traceability, semantic web, ontology engineering and model driven software engineering. Using this approach it is possible to add a semantic to elements of law and legislation texts using annotations. Annotation semantics is based on an ontology of public administration execution developed especially for this approach. A mapping from annotated text elements as a special kind of ontology individuals to elements of Unified Modeling Language (UML) is created using the Ontology Definition Metamodel (ODM). This mapping results in a new model type referred to as Pre-Requirements Model (PRM). This model uses elements that exist before requirements are explicitly documented in a requirements specification. Therefore it can be primary used to formalize elements and their relationships in the pre-requirements scope. Through the mapping rules of ODM it keeps a traceable relationship from each model element to its corresponding annotated text elements. PRM can also be used to model and refine elements that are not or not completely derived directly from text of law and legislation. In this work is argued that Model Driven Architecture (MDA) might profit from extending the existing model types Computation Independent Model (CIM), Platform Independent Model (PIM) and Platform Specific Model (PSM) by using a PRM. This extension leads to an Architecture that starts with a pre-requirements viewpoint before any requirements are formalized and documented in models of type CIM. It offers also the opportunity to use model transformation to create an initial CIM from PRM by allying the MOF Query View Transformation standard (QVT). Using QVT ensures the traceability of model transformation because standard enforces recording of traceability information. A Transformation from PRM to CIM creates an initial requirements specification that can be refined using common techniques, methods and tools. To bridge the semantic gap between PRM and CIM the approach follows the pattern of PIM to PSM transformation which uses the Platform Model (PM). Analogues PRM to CIM transformation uses special reference models for e-government developed in the project "E-LoGo" at university of Potsdam. By recoding traces of mapping annotation to elements in PRM and transforming elements of PRM to elements in CIM using reference models continuous pre-RS traceability can be achieved. The approach uses simple Extensible Stylesheet Language Transformations (XSLT) to create a hypertext documentation that links all relevant elements. Navigating along these links makes it possible for example to start with an annotated element of a law text and follow to all resulting requirements in a CIM. Using the opposite direction it is possible to see for each requirement from which text element of a law it is derived or even if there is no relation to law. By integrating the graphical representation of a model element this navigation can even start directly in a UML diagram. This illustrates that the approach offers vertical and horizontal traceability in forward and backward direction. Besides the obvious use cases continuous pre-requirements specification traceability offers in general (i.e. impact analysis on changes of law and legislation, consider context of a requirements when prioritizing them) is also offers the chance to create a feedback on the consequences of a change in law to existing e-government systems. As long as alternatives and the necessary scope in legislative process are still left, a feedback can be used to choose an alternative with less effort or faster implementation. For federal law it is in Germany since 2011 obligatory to make a similar estimation referred to as achievement effort (“Erfüllungsaufwand”). This work contributes to the first step of making a solid estimation of this kind of effort using pre-RS traceability.
KW - Modellgetriebene Architektur
KW - Pre-RS Traceability
KW - Ontologie
KW - semantisches Netz
KW - Model Driven Architecture
KW - Pre-RS Traceability
KW - Ontology
KW - Semantic Web
Y1 - 2011
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-57478
ER -
TY - THES
A1 - Ahmad, Nadeem
T1 - People centered HMI’s for deaf and functionally illiterate users
T1 - Menschen zentrierte Mensch-Maschine-Schnittstellen für Schwerhörige und ungeschulte Anwender
N2 - The objective and motivation behind this research is to provide applications with easy-to-use interfaces to communities of deaf and functionally illiterate users, which enables them to work without any human assistance. Although recent years have witnessed technological advancements, the availability of technology does not ensure accessibility to information and communication technologies (ICT). Extensive use of text from menus to document contents means that deaf or functionally illiterate can not access services implemented on most computer software. Consequently, most existing computer applications pose an accessibility barrier to those who are unable to read fluently. Online technologies intended for such groups should be developed in continuous partnership with primary users and include a thorough investigation into their limitations, requirements and usability barriers. In this research, I investigated existing tools in voice, web and other multimedia technologies to identify learning gaps and explored ways to enhance the information literacy for deaf and functionally illiterate users. I worked on the development of user-centered interfaces to increase the capabilities of deaf and low literacy users by enhancing lexical resources and by evaluating several multimedia interfaces for them. The interface of the platform-independent Italian Sign Language (LIS) Dictionary has been developed to enhance the lexical resources for deaf users. The Sign Language Dictionary accepts Italian lemmas as input and provides their representation in the Italian Sign Language as output. The Sign Language dictionary has 3082 signs as set of Avatar animations in which each sign is linked to a corresponding Italian lemma. I integrated the LIS lexical resources with MultiWordNet (MWN) database to form the first LIS MultiWordNet(LMWN). LMWN contains information about lexical relations between words, semantic relations between lexical concepts (synsets), correspondences between Italian and sign language lexical concepts and semantic fields (domains). The approach enhances the deaf users’ understanding of written Italian language and shows that a relatively small set of lexicon can cover a significant portion of MWN. Integration of LIS signs with MWN made it useful tool for computational linguistics and natural language processing. The rule-based translation process from written Italian text to LIS has been transformed into service-oriented system. The translation process is composed of various modules including parser, semantic interpreter, generator, and spatial allocation planner. This translation procedure has been implemented in the Java Application Building Center (jABC), which is a framework for extreme model driven design (XMDD). The XMDD approach focuses on bringing software development closer to conceptual design, so that the functionality of a software solution could be understood by someone who is unfamiliar with programming concepts. The transformation addresses the heterogeneity challenge and enhances the re-usability of the system. For enhancing the e-participation of functionally illiterate users, two detailed studies were conducted in the Republic of Rwanda. In the first study, the traditional (textual) interface was compared with the virtual character-based interactive interface. The study helped to identify usability barriers and users evaluated these interfaces according to three fundamental areas of usability, i.e. effectiveness, efficiency and satisfaction. In another study, we developed four different interfaces to analyze the usability and effects of online assistance (consistent help) for functionally illiterate users and compared different help modes including textual, vocal and virtual character on the performance of semi-literate users. In our newly designed interfaces the instructions were automatically translated in Swahili language. All the interfaces were evaluated on the basis of task accomplishment, time consumption, System Usability Scale (SUS) rating and number of times the help was acquired. The results show that the performance of semi-literate users improved significantly when using the online assistance. The dissertation thus introduces a new development approach in which virtual characters are used as additional support for barely literate or naturally challenged users. Such components enhanced the application utility by offering a variety of services like translating contents in local language, providing additional vocal information, and performing automatic translation from text to sign language. Obviously, there is no such thing as one design solution that fits for all in the underlying domain. Context sensitivity, literacy and mental abilities are key factors on which I concentrated and the results emphasize that computer interfaces must be based on a thoughtful definition of target groups, purposes and objectives.
N2 - Das Ziel und die Motivation hinter dieser Forschungsarbeit ist es, Anwendungen mit benutzerfreundlichen Schnittstellen für Gehörlose und Analphabeten bereitzustellen, welche es ihnen ermöglichen ohne jede menschliche Unterstützung zu arbeiten. Obwohl es in den letzten Jahren technologische Fortschritte gab, garantiert allein die Verfügbarkeit von Technik nicht automatisch die Zugänglichkeit zu Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT). Umfangreiche Verwendung von Texten in Menüs bis hin zu Dokumenten führen dazu, dass Gehörlose und funktionale Analphabeten auf diese Dienste, die auf Computersystemen existieren, nicht zugreifen können. Folglich stellen die meisten bestehenden EDV-Anwendungen für diejenigen eine Hürde dar, die nicht fließend lesen können. Onlinetechnologien für solche Art von Gruppen sollten in kontinuierlichem Austausch mit den Hauptnutzern entwickelt werden und gründliche Untersuchung ihrer Einschränkungen, Anforderungen und Nutzungsbarrieren beinhalten. In dieser Forschungsarbeit untersuche ich vorhandene Tools im Bereich von Sprach-, Web- und anderen Multimedia-Technologien, um Lernlücken zu identifizieren und Wege zu erforschen, welche die Informationsalphabetisierung für Gehörlose und Analphabeten erweitert. Ich arbeitete an der Entwicklung einer nutzerzentrierten Schnittstelle, um die Fähigkeiten von Gehörlosen und Nutzern mit schlechter Alphabetisierung durch Verbesserung der lexikalischen Ressourcen und durch Auswertung mehrerer Multimediaschnittstellen zu erhöhen. Die Schnittstelle des plattformunabhängigen, italienischen Gebärdensprachen (LIS) Wörterbuches wurde entwickelt, um die lexikalischen Quellen für gehörlose Anwender zu verbessern. Ich integriere die LIS-lexikalischen Ressourcen mit der MultiWordNet (MWN)-Datenbank, um das erste LIS MultiWordNet (LMWN) zu bilden. LMWN enthält Informationen über lexikalische Beziehungen zwischen Wörtern, semantische Beziehungen zwischen lexikalischen Konzepten (Synsets), Gemeinsamkeiten zwischen italienischer und Gebärdensprache-lexikalischen Konzepten und semantischen Feldern (Domänen). Der Ansatz erhöht das Verständnis der tauben Nutzer geschriebene, italienischen Sprache zu verstehen und zeigt, dass ein relativ kleiner Satz an Lexika den wesentlichen Teil der MWN abdecken kann. Die Integration von LIS-Zeichen mit MWN machte es zu einem nützlichen Werkzeug für Linguistik und Sprachverarbeitung. Der regelbasierte Übersetzungsprozess von geschriebenem, italienischem Text zu LIS wurde in ein Service-orientiertes System überführt. Der Übersetzungsprozess besteht aus verschiedenen Modulen, einschließlich einem Parser, einem semantischen Interpreter, einem Generator und einem räumlichen Zuordnungs-Planer. Diese Übersetzungsprozedur wurde im Java Application Building Center (jABC) implementiert, welches ein Framework für das eXtrem Model Driven Design (XMDD) ist. Der XMDD-Ansatz konzentriert sich darauf die Softwareentwicklung näher zum konzeptionellen Design zu bringen, sodass die Funktionalität einer Softwarelösung von jemandem verstanden werden kann, der mit Programmierkonzepten unvertraut ist. Die Transformation richtet sich an die heterogene Herausforderung und verbessert die Wiederverwendbarkeit des Systems. Zur Verbesserung der E-Partizipation der funktionalen Analphabeten wurden zwei detaillierte Studien in der Republik Ruanda durchgeführt. In der ersten Studie wurde die traditionelle, textuelle Schnittstelle mit der virtuellen, charakterbasierten, interaktiven Schnittstelle verglichen. Diese Studie hat dazu beigetragen Barrieren der Benutzerfreundlichkeit zu identifizieren. Anwender evaluierten die Schnittstellen bezüglich drei grundlegender Bereiche der Benutzerfreundlichkeit: Effektivität, Effizienz und Zufriedenstellung bei der Problemlösung. In einer anderen Studie entwickelten wir vier verschiedene Schnittstellen, um die Benutzerfreundlichkeit und die Effekte der Online-Hilfe (konsequente Hilfe) für funktionale Analphabeten zu analysieren und verglichen verschiedene Hilfsmodi (einschließlich zusätzlicher Textinformationen, Audio-Unterstützung und mit Hilfe eines virtuellen Charakters) bezüglich der Verbesserung der Leistungsfähigkeit von teilweisen Analphabeten, um ihre Zielstellung zu erreichen. In unseren neu gestalteten Schnittstellen wurden Anweisungen automatisch in die Swahili Sprache übersetzt. Alle Schnittstellen wurden auf der Grundlage der Aufgabenbewältigung, des Zeitaufwands, der System Usability Scale (SUS) Rate und der Anzahl der Hilfegesuche bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Leistungsfähigkeit der teilweisen Analphabeten bei Nutzung der Online-Hilfe signifikant verbessert wurde. Diese Dissertation stellt somit einen neuen Entwicklungsansatz dar, bei welchem virtuelle Charaktere als zusätzliche Unterstützung genutzt werden, um Nutzer, die kaum lesen können oder sonstig eingeschränkt sind, zu unterstützen. Solche Komponenten erweitern die Anwendungsnutzbarkeit indem sie eine Vielzahl von Diensten wie das Übersetzen von Inhalten in eine Landessprache, das Bereitstellen von zusätzlichen akustisch, gesprochenen Informationen und die Durchführung einer automatischen Übersetzung von Text in Gebärdensprache bereitstellen. Offensichtlich gibt ist keine One Design-Lösung, die für alle zugrundeliegenden Domänen passt. Kontextsensitivität, Alphabetisierung und geistigen Fähigkeiten sind Schlüsselfaktoren, auf welche ich mich konzentriere. Die Ergebnisse unterstreichen, dass Computerschnittstellen auf einer exakten Definition der Zielgruppen, dem Zweck und den Zielen basieren müssen.
KW - Mensch-Computer-Interaktion
KW - assistive Technologien
KW - HCI
KW - user interfaces
KW - sign language
KW - online assistance
KW - assistive technologies
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70391
ER -
TY - THES
A1 - Rätsch, Gunnar
T1 - Robust boosting via convex optimization
N2 - In dieser Arbeit werden statistische Lernprobleme betrachtet. Lernmaschinen extrahieren Informationen aus einer gegebenen Menge von Trainingsmustern, so daß sie in der Lage sind, Eigenschaften von bisher ungesehenen Mustern - z.B. eine Klassenzugehörigkeit - vorherzusagen. Wir betrachten den Fall, bei dem die resultierende Klassifikations- oder Regressionsregel aus einfachen Regeln - den Basishypothesen - zusammengesetzt ist. Die sogenannten Boosting Algorithmen erzeugen iterativ eine gewichtete Summe von Basishypothesen, die gut auf ungesehenen Mustern vorhersagen. Die Arbeit behandelt folgende Sachverhalte: o Die zur Analyse von Boosting-Methoden geeignete Statistische Lerntheorie. Wir studieren lerntheoretische Garantien zur Abschätzung der Vorhersagequalität auf ungesehenen Mustern. Kürzlich haben sich sogenannte Klassifikationstechniken mit großem Margin als ein praktisches Ergebnis dieser Theorie herausgestellt - insbesondere Boosting und Support-Vektor-Maschinen. Ein großer Margin impliziert eine hohe Vorhersagequalität der Entscheidungsregel. Deshalb wird analysiert, wie groß der Margin bei Boosting ist und ein verbesserter Algorithmus vorgeschlagen, der effizient Regeln mit maximalem Margin erzeugt. o Was ist der Zusammenhang von Boosting und Techniken der konvexen Optimierung? Um die Eigenschaften der entstehenden Klassifikations- oder Regressionsregeln zu analysieren, ist es sehr wichtig zu verstehen, ob und unter welchen Bedingungen iterative Algorithmen wie Boosting konvergieren. Wir zeigen, daß solche Algorithmen benutzt werden koennen, um sehr große Optimierungsprobleme mit Nebenbedingungen zu lösen, deren Lösung sich gut charakterisieren laesst. Dazu werden Verbindungen zum Wissenschaftsgebiet der konvexen Optimierung aufgezeigt und ausgenutzt, um Konvergenzgarantien für eine große Familie von Boosting-ähnlichen Algorithmen zu geben. o Kann man Boosting robust gegenüber Meßfehlern und Ausreissern in den Daten machen? Ein Problem bisheriger Boosting-Methoden ist die relativ hohe Sensitivität gegenüber Messungenauigkeiten und Meßfehlern in der Trainingsdatenmenge. Um dieses Problem zu beheben, wird die sogenannte 'Soft-Margin' Idee, die beim Support-Vector Lernen schon benutzt wird, auf Boosting übertragen. Das führt zu theoretisch gut motivierten, regularisierten Algorithmen, die ein hohes Maß an Robustheit aufweisen. o Wie kann man die Anwendbarkeit von Boosting auf Regressionsprobleme erweitern? Boosting-Methoden wurden ursprünglich für Klassifikationsprobleme entwickelt. Um die Anwendbarkeit auf Regressionsprobleme zu erweitern, werden die vorherigen Konvergenzresultate benutzt und neue Boosting-ähnliche Algorithmen zur Regression entwickelt. Wir zeigen, daß diese Algorithmen gute theoretische und praktische Eigenschaften haben. o Ist Boosting praktisch anwendbar? Die dargestellten theoretischen Ergebnisse werden begleitet von Simulationsergebnissen, entweder, um bestimmte Eigenschaften von Algorithmen zu illustrieren, oder um zu zeigen, daß sie in der Praxis tatsächlich gut funktionieren und direkt einsetzbar sind. Die praktische Relevanz der entwickelten Methoden wird in der Analyse chaotischer Zeitreihen und durch industrielle Anwendungen wie ein Stromverbrauch-Überwachungssystem und bei der Entwicklung neuer Medikamente illustriert.
N2 - In this work we consider statistical learning problems. A learning machine aims to extract information from a set of training examples such that it is able to predict the associated label on unseen examples. We consider the case where the resulting classification or regression rule is a combination of simple rules - also called base hypotheses. The so-called boosting algorithms iteratively find a weighted linear combination of base hypotheses that predict well on unseen data. We address the following issues: o The statistical learning theory framework for analyzing boosting methods. We study learning theoretic guarantees on the prediction performance on unseen examples. Recently, large margin classification techniques emerged as a practical result of the theory of generalization, in particular Boosting and Support Vector Machines. A large margin implies a good generalization performance. Hence, we analyze how large the margins in boosting are and find an improved algorithm that is able to generate the maximum margin solution. o How can boosting methods be related to mathematical optimization techniques? To analyze the properties of the resulting classification or regression rule, it is of high importance to understand whether and under which conditions boosting converges. We show that boosting can be used to solve large scale constrained optimization problems, whose solutions are well characterizable. To show this, we relate boosting methods to methods known from mathematical optimization, and derive convergence guarantees for a quite general family of boosting algorithms. o How to make Boosting noise robust? One of the problems of current boosting techniques is that they are sensitive to noise in the training sample. In order to make boosting robust, we transfer the soft margin idea from support vector learning to boosting. We develop theoretically motivated regularized algorithms that exhibit a high noise robustness. o How to adapt boosting to regression problems? Boosting methods are originally designed for classification problems. To extend the boosting idea to regression problems, we use the previous convergence results and relations to semi-infinite programming to design boosting-like algorithms for regression problems. We show that these leveraging algorithms have desirable theoretical and practical properties. o Can boosting techniques be useful in practice? The presented theoretical results are guided by simulation results either to illustrate properties of the proposed algorithms or to show that they work well in practice. We report on successful applications in a non-intrusive power monitoring system, chaotic time series analysis and a drug discovery process. --- Anmerkung: Der Autor ist Träger des von der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam vergebenen Michelson-Preises für die beste Promotion des Jahres 2001/2002.
KW - Boosting
KW - Klassifikation mit großem Margin
KW - Support-Vector Lernen
KW - Regression
KW - Regularisierung
KW - Mathematische Optimierung
KW - Stromverbrauchüberwachung
KW - Boosting
KW - Large Margin Classification
KW - Support Vectors
KW - Regression
KW - Regularization
KW - Mathematical Optimization
KW - Power Monitoring
KW - Time Series Analysis
Y1 - 2001
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000399
ER -
TY - THES
A1 - Dornhege, Guido
T1 - Increasing information transfer rates for brain-computer interfacing
T1 - Erhöhung der Informationstransferrate einer Gehirn-Computer-Schnittstelle
N2 - The goal of a Brain-Computer Interface (BCI) consists of the development of a unidirectional interface between a human and a computer to allow control of a device only via brain signals. While the BCI systems of almost all other groups require the user to be trained over several weeks or even months, the group of Prof. Dr. Klaus-Robert Müller in Berlin and Potsdam, which I belong to, was one of the first research groups in this field which used machine learning techniques on a large scale. The adaptivity of the processing system to the individual brain patterns of the subject confers huge advantages for the user. Thus BCI research is considered a hot topic in machine learning and computer science. It requires interdisciplinary cooperation between disparate fields such as neuroscience, since only by combining machine learning and signal processing techniques based on neurophysiological knowledge will the largest progress be made. In this work I particularly deal with my part of this project, which lies mainly in the area of computer science. I have considered the following three main points: Establishing a performance measure based on information theory: I have critically illuminated the assumptions of Shannon's information transfer rate for application in a BCI context. By establishing suitable coding strategies I was able to show that this theoretical measure approximates quite well to what is practically achieveable. Transfer and development of suitable signal processing and machine learning techniques: One substantial component of my work was to develop several machine learning and signal processing algorithms to improve the efficiency of a BCI. Based on the neurophysiological knowledge that several independent EEG features can be observed for some mental states, I have developed a method for combining different and maybe independent features which improved performance. In some cases the performance of the combination algorithm outperforms the best single performance by more than 50 %. Furthermore, I have theoretically and practically addressed via the development of suitable algorithms the question of the optimal number of classes which should be used for a BCI. It transpired that with BCI performances reported so far, three or four different mental states are optimal. For another extension I have combined ideas from signal processing with those of machine learning since a high gain can be achieved if the temporal filtering, i.e., the choice of frequency bands, is automatically adapted to each subject individually. Implementation of the Berlin brain computer interface and realization of suitable experiments: Finally a further substantial component of my work was to realize an online BCI system which includes the developed methods, but is also flexible enough to allow the simple realization of new algorithms and ideas. So far, bitrates of up to 40 bits per minute have been achieved with this system by absolutely untrained users which, compared to results of other groups, is highly successful.
N2 - Ein Brain-Computer Interface (BCI) ist eine unidirektionale Schnittstelle zwischen Mensch und Computer, bei der ein Mensch in der Lage ist, ein Gerät einzig und allein Kraft seiner Gehirnsignale zu steuern. In den BCI Systemen fast aller Forschergruppen wird der Mensch in Experimenten über Wochen oder sogar Monaten trainiert, geeignete Signale zu produzieren, die vordefinierten allgemeinen Gehirnmustern entsprechen. Die BCI Gruppe in Berlin und Potsdam, der ich angehöre, war in diesem Feld eine der ersten, die erkannt hat, dass eine Anpassung des Verarbeitungssystems an den Menschen mit Hilfe der Techniken des Maschinellen Lernens große Vorteile mit sich bringt. In unserer Gruppe und mittlerweile auch in vielen anderen Gruppen wird BCI somit als aktuelles Forschungsthema im Maschinellen Lernen und folglich in der Informatik mit interdisziplinärer Natur in Neurowissenschaften und anderen Feldern verstanden, da durch die geeignete Kombination von Techniken des Maschinellen Lernens und der Signalverarbeitung basierend auf neurophysiologischem Wissen der größte Erfolg erzielt werden konnte. In dieser Arbeit gehe ich auf meinem Anteil an diesem Projekt ein, der vor allem im Informatikbereich der BCI Forschung liegt. Im Detail beschäftige ich mich mit den folgenden drei Punkten: Diskussion eines informationstheoretischen Maßes für die Güte eines BCI's: Ich habe kritisch die Annahmen von Shannon's Informationsübertragungsrate für die Anwendung im BCI Kontext beleuchtet. Durch Ermittlung von geeigneten Kodierungsstrategien konnte ich zeigen, dass dieses theoretische Maß den praktisch erreichbaren Wert ziemlich gut annähert. Transfer und Entwicklung von geeigneten Techniken aus dem Bereich der Signalverarbeitung und des Maschinellen Lernens: Eine substantielle Komponente meiner Arbeit war die Entwicklung von Techniken des Machinellen Lernens und der Signalverarbeitung, um die Effizienz eines BCI's zu erhöhen. Basierend auf dem neurophysiologischem Wissen, dass verschiedene unabhängige Merkmale in Gehirnsignalen für verschiedene mentale Zustände beobachtbar sind, habe ich eine Methode zur Kombination von verschiedenen und unter Umständen unabhängigen Merkmalen entwickelt, die sehr erfolgreich die Fähigkeiten eines BCI's verbessert. Besonders in einigen Fällen übertraf die Leistung des entwickelten Kombinationsalgorithmus die beste Leistung auf den einzelnen Merkmalen mit mehr als 50 %. Weiterhin habe ich theoretisch und praktisch durch Einführung geeigneter Algorithmen die Frage untersucht, wie viele Klassen man für ein BCI nutzen kann und sollte. Auch hier wurde ein relevantes Resultat erzielt, nämlich dass für BCI Güten, die bis heute berichtet sind, die Benutzung von 3 oder 4 verschiedenen mentalen Zuständen in der Regel optimal im Sinne von erreichbarer Leistung sind. Für eine andere Erweiterung wurden Ideen aus der Signalverarbeitung mit denen des Maschinellen Lernens kombiniert, da ein hoher Erfolg erzielt werden kann, wenn der temporale Filter, d.h. die Wahl des benutzten Frequenzbandes, automatisch und individuell für jeden Menschen angepasst wird. Implementation des Berlin Brain-Computer Interfaces und Realisierung von geeigneten Experimenten: Eine weitere wichtige Komponente meiner Arbeit war eine Realisierung eines online BCI Systems, welches die entwickelten Methoden umfasst, aber auch so flexibel ist, dass neue Algorithmen und Ideen einfach zu verwirklichen sind. Bis jetzt wurden mit diesem System Bitraten von bis zu 40 Bits pro Minute von absolut untrainierten Personen in ihren ersten BCI Experimenten erzielt. Dieses Resultat übertrifft die bisher berichteten Ergebnisse aller anderer BCI Gruppen deutlich.
Bemerkung: Der Autor wurde mit dem Michelson-Preis 2005/2006 für die beste Promotion des Jahrgangs der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam ausgezeichnet.
KW - Kybernetik
KW - Maschinelles Lernen
KW - Gehirn-Computer-Schnittstelle
KW - BCI
KW - EEG
KW - Spatio-Spectral Filter
KW - Feedback
KW - Multi-Class
KW - Classification
KW - Signal Processing
KW - Brain Computer Interface
KW - Information Transfer Rate
KW - Machine Learning
KW - Single Trial Analysis
KW - Feature Combination
KW - Common Spatial Pattern
Y1 - 2006
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7690
ER -
TY - THES
A1 - Scholz, Matthias
T1 - Approaches to analyse and interpret biological profile data
T1 - Methoden zur Analyse und Interpretation biologischer Profildaten
N2 - Advances in biotechnologies rapidly increase the number of molecules of a cell which can be observed simultaneously. This includes expression levels of thousands or ten-thousands of genes as well as concentration levels of metabolites or proteins. Such Profile data, observed at different times or at different experimental conditions (e.g., heat or dry stress), show how the biological experiment is reflected on the molecular level. This information is helpful to understand the molecular behaviour and to identify molecules or combination of molecules that characterise specific biological condition (e.g., disease). This work shows the potentials of component extraction algorithms to identify the major factors which influenced the observed data. This can be the expected experimental factors such as the time or temperature as well as unexpected factors such as technical artefacts or even unknown biological behaviour. Extracting components means to reduce the very high-dimensional data to a small set of new variables termed components. Each component is a combination of all original variables. The classical approach for that purpose is the principal component analysis (PCA). It is shown that, in contrast to PCA which maximises the variance only, modern approaches such as independent component analysis (ICA) are more suitable for analysing molecular data. The condition of independence between components of ICA fits more naturally our assumption of individual (independent) factors which influence the data. This higher potential of ICA is demonstrated by a crossing experiment of the model plant Arabidopsis thaliana (Thale Cress). The experimental factors could be well identified and, in addition, ICA could even detect a technical artefact. However, in continuously observations such as in time experiments, the data show, in general, a nonlinear distribution. To analyse such nonlinear data, a nonlinear extension of PCA is used. This nonlinear PCA (NLPCA) is based on a neural network algorithm. The algorithm is adapted to be applicable to incomplete molecular data sets. Thus, it provides also the ability to estimate the missing data. The potential of nonlinear PCA to identify nonlinear factors is demonstrated by a cold stress experiment of Arabidopsis thaliana. The results of component analysis can be used to build a molecular network model. Since it includes functional dependencies it is termed functional network. Applied to the cold stress data, it is shown that functional networks are appropriate to visualise biological processes and thereby reveals molecular dynamics.
N2 - Fortschritte in der Biotechnologie ermöglichen es, eine immer größere Anzahl von Molekülen in einer Zelle gleichzeitig zu erfassen. Das betrifft sowohl die Expressionswerte tausender oder zehntausender Gene als auch die Konzentrationswerte von Metaboliten oder Proteinen. Diese Profildaten verschiedener Zeitpunkte oder unterschiedlicher experimenteller Bedingungen (z.B. unter Stressbedingungen wie Hitze oder Trockenheit) zeigen, wie sich das biologische Experiment auf molekularer Ebene widerspiegelt. Diese Information kann genutzt werden, um molekulare Abläufe besser zu verstehen und um Moleküle oder Molekül-Kombinationen zu bestimmen, die für bestimmte biologische Zustände (z.B.: Krankheit) charakteristisch sind. Die Arbeit zeigt die Möglichkeiten von Komponenten-Extraktions-Algorithmen zur Bestimmung der wesentlichen Faktoren, die einen Einfluss auf die beobachteten Daten ausübten. Das können sowohl die erwarteten experimentellen Faktoren wie Zeit oder Temperatur sein als auch unerwartete Faktoren wie technische Einflüsse oder sogar unerwartete biologische Vorgänge. Unter der Extraktion von Komponenten versteht man die Reduzierung dieser stark hoch-dimensionalen Daten auf wenige neue Variablen, die eine Kombination aus allen ursprünglichen Variablen darstellen und als Komponenten bezeichnet werden. Die Standard-Methode für diesen Zweck ist die Hauptkomponentenanalyse (PCA). Es wird gezeigt, dass - im Vergleich zur nur die Varianz maximierenden PCA - moderne Methoden wie die Unabhängige Komponentenanalyse (ICA) für die Analyse molekularer Datensätze besser geeignet sind. Die Unabhängigkeit von Komponenten in der ICA entspricht viel besser unserer Annahme individueller (unabhängiger) Faktoren, die einen Einfluss auf die Daten ausüben. Dieser Vorteil der ICA wird anhand eines Kreuzungsexperiments mit der Modell-Pflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) demonstriert. Die experimentellen Faktoren konnten dabei gut identifiziert werden und ICA erkannte sogar zusätzlich einen technischen Störfaktor. Bei kontinuierlichen Beobachtungen wie in Zeitexperimenten zeigen die Daten jedoch häufig eine nichtlineare Verteilung. Für die Analyse dieser nichtlinearen Daten wird eine nichtlinear erweiterte Methode der PCA angewandt. Diese nichtlineare PCA (NLPCA) basiert auf einem neuronalen Netzwerk-Algorithmus. Der Algorithmus wurde für die Anwendung auf unvollständigen molekularen Daten erweitert. Dies ermöglicht es, die fehlenden Werte zu schätzen. Die Fähigkeit der nichtlinearen PCA zur Bestimmung nichtlinearer Faktoren wird anhand eines Kältestress-Experiments mit Arabidopsis thaliana demonstriert. Die Ergebnisse aus der Komponentenanalyse können zur Erstellung molekularer Netzwerk-Modelle genutzt werden. Da sie funktionelle Abhängigkeiten berücksichtigen, werden sie als Funktionale Netzwerke bezeichnet. Anhand der Kältestress-Daten wird demonstriert, dass solche funktionalen Netzwerke geeignet sind, biologische Prozesse zu visualisieren und dadurch die molekularen Dynamiken aufzuzeigen.
KW - Bioinformatik
KW - Hauptkomponentenanalyse
KW - Unabhängige Komponentenanalyse
KW - Neuronales Netz
KW - Maschinelles Lernen
KW - Fehlende Daten
KW - Ackerschmalwand
KW - nichtlineare PCA (NLPCA)
KW - molekulare Netzwerke
KW - nonlinear PCA (NLPCA)
KW - molecular networks
Y1 - 2006
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7839
ER -
TY - THES
A1 - Weigend, Michael
T1 - Intuitive Modelle der Informatik
T1 - Intuitive models in informatics
N2 - Intuitive Modelle der Informatik sind gedankliche Vorstellungen über informatische Konzepte, die mit subjektiver Gewissheit verbunden sind. Menschen verwenden sie, wenn sie die Arbeitsweise von Computerprogrammen nachvollziehen oder anderen erklären, die logische Korrektheit eines Programms prüfen oder in einem kreativen Prozess selbst Programme entwickeln. Intuitive Modelle können auf verschiedene Weise repräsentiert und kommuniziert werden, etwa verbal-abstrakt, durch ablauf- oder strukturorientierte Abbildungen und Filme oder konkrete Beispiele. Diskutiert werden in dieser Arbeit grundlegende intuitive Modelle für folgende inhaltliche Aspekte einer Programmausführung: Allokation von Aktivität bei einer Programmausführung, Benennung von Entitäten, Daten, Funktionen, Verarbeitung, Kontrollstrukturen zur Steuerung von Programmläufen, Rekursion, Klassen und Objekte. Mit Hilfe eines Systems von Online-Spielen, der Python Visual Sandbox, werden die psychische Realität verschiedener intuitiver Modelle bei Programmieranfängern nachgewiesen und fehlerhafte Anwendungen (Fehlvorstellungen) identifiziert.
N2 - Intuitive models in computer science are Gestalt-like mental concepts about information processing, which are accompanied by confidence. People use them, when they try to understand the semantics of a computer programme, explain an algorithmic idea to someone else, check the logical correctness of existing code or create computer programmes. Intuitive models can be represented and communicated in different ways using static pictures, animated movies, concrete examples or verbal language. In this paper basic intuitions concerning the following issues are discussed: allocation of activity within a running programme, assignment of names to entities, data, functions, processing concepts, control of programme execution, recursion, classes and objects. By observing activities with a set of specially designed online games (the Python Visual Sandbox), evidence has been collected to proof the psychological existence of certain intuitive models among high school students and identify inappropriate applications (misconceptions).
KW - Didaktik
KW - Informatik
KW - Intuition
KW - Visualisierung
KW - Fehlvorstellung
KW - didactics
KW - informatics
KW - intuition
KW - visualization
KW - misconception
Y1 - 2007
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15787
SN - 978-3-940793-08-9
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -
TY - THES
A1 - Blum, Niklas
T1 - Formalization of a converged internet and telecommunications service environment
T1 - Formalisierung einer konvergenten Telekommunikations- undInternet-Dienstumgebung
N2 - The programmable network envisioned in the 1990s within standardization and research for the Intelligent Network is currently coming into reality using IPbased Next Generation Networks (NGN) and applying Service-Oriented Architecture (SOA) principles for service creation, execution, and hosting. SOA is the foundation for both next-generation telecommunications and middleware architectures, which are rapidly converging on top of commodity transport services. Services such as triple/quadruple play, multimedia messaging, and presence are enabled by the emerging service-oriented IPMultimedia Subsystem (IMS), and allow telecommunications service providers to maintain, if not improve, their position in the marketplace. SOA becomes the de facto standard in next-generation middleware systems as the system model of choice to interconnect service consumers and providers within and between enterprises. We leverage previous research activities in overlay networking technologies along with recent advances in network abstraction, service exposure, and service creation to develop a paradigm for a service environment providing converged Internet and Telecommunications services that we call Service Broker. Such a Service Broker provides mechanisms to combine and mediate between different service paradigms from the two domains Internet/WWW and telecommunications. Furthermore, it enables the composition of services across these domains and is capable of defining and applying temporal constraints during creation and execution time. By adding network-awareness into the service fabric, such a Service Broker may also act as a next generation network-to-service element allowing the composition of crossdomain and cross-layer network and service resources. The contribution of this research is threefold: first, we analyze and classify principles and technologies from Information Technologies (IT) and telecommunications to identify and discuss issues allowing cross-domain composition in a converging service layer. Second, we discuss service composition methods allowing the creation of converged services on an abstract level; in particular, we present a formalized method for model-checking of such compositions. Finally, we propose a Service Broker architecture converging Internet and Telecom services. This environment enables cross-domain feature interaction in services through formalized obligation policies acting as constraints during service discovery, creation, and execution time.
N2 - Das programmierbare Netz, das Ende des 20. Jahrhunderts in der Standardisierung und Forschung für das Intelligente Netz entworfen wurde, wird nun Realität in einem auf das Internet Protokoll basierendem Netz der nächsten Generation (Next Generation Network). Hierfür kommen Prinzipien aus der Informationstechnologie, insbesondere aus dem Bereich dienstorientierte Architekturen (Service-Oriented Architecture / SOA) für die Diensterstellung, -ausführung und -betrieb zum Tragen. SOA bietet hierbei die theoretische Grundlage für Telekommunikationsnetze, vor allem jedoch für die dazugehörigen Dienstplattformen. Diese erlauben dem Telekommunikationsbetreiber seine Position in einem offenen Marktplatz der Dienste auszubauen. Dazu bedarf es allerdings möglichst flexibler Dienstumgebungen, die die Kooperation zwischen Dienstanbietern und Nutzern aus unterschiedlichsten Domänen durch Unterstützung geeigneter Werkzeuge und Mechanismen fördert. Im Rahmen dieser Dissertation definieren wir aufbauend auf Forschungsergebnisse im Bereich Overlay-Netze, Netzabstraktion und Zugriff auf exponierte Dienste eine Service Broker genannte Dienstumgebung für konvergente Internet- und Telekommunikationsdienste. Dieser Service Broker stellt Mechanismen für die Komposition von Diensten und Mediation zwischen unterschiedlichen Dienstparadigmen und Domänenspezifika beim Dienstaufruf zur Verfügung. Der Forschungsbeitrag dieser Arbeit findet auf unterschiedlichen Ebenen statt: Aufbauend auf einer Analyse und Klassifikation von Technologien und Paradigmen aus den Bereichen Informationstechnologie (IT) und Telekommunikation diskutieren wir die Problemstellung der Kooperation von Diensten und deren Komposition über Domänengrenzen hinweg. In einem zweiten Schritt diskutieren wir Methoden der Dienstkomposition und präsentieren eine formalisierte Methode der modellbasierten Diensterstellung. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Spezifikation der Service Broker Dienstumgebung und einem zugrundeliegenden Informations- und Datenmodell. Diese Architektur erlaubt die Komposition und Kooperation von Diensten über Domänengrenzen hinweg, um konvergente Internet- und Telekommunikationsdienste zu realisieren. Hierfür wird ein auf Obligationspolitiken basierendes Regelsystemformalisiert, das Interaktionen zwischen Dienstmerkmalen während der Diensterstellung und -ausführung definiert.
KW - Telekommunikation
KW - konvergente Dienste
KW - Next Generation Network
KW - Dienstplattform
KW - Dienstkomposition
KW - Service Delivery Platform
KW - Next Generation Network
KW - Service Creation
KW - Service convergence
KW - Policy Enforcement
Y1 - 2010
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-51146
ER -
TY - THES
A1 - Brauer, Falk
T1 - Extraktion und Identifikation von Entitäten in Textdaten im Umfeld der Enterprise Search
T1 - Extraction and identification of entities in text data in the field of enterprise search
N2 - Die automatische Informationsextraktion (IE) aus unstrukturierten Texten ermöglicht völlig neue Wege, auf relevante Informationen zuzugreifen und deren Inhalte zu analysieren, die weit über bisherige Verfahren zur Stichwort-basierten Dokumentsuche hinausgehen. Die Entwicklung von Programmen zur Extraktion von maschinenlesbaren Daten aus Texten erfordert jedoch nach wie vor die Entwicklung von domänenspezifischen Extraktionsprogrammen. Insbesondere im Bereich der Enterprise Search (der Informationssuche im Unternehmensumfeld), in dem eine große Menge von heterogenen Dokumenttypen existiert, ist es oft notwendig ad-hoc Programm-module zur Extraktion von geschäftsrelevanten Entitäten zu entwickeln, die mit generischen Modulen in monolithischen IE-Systemen kombiniert werden. Dieser Umstand ist insbesondere kritisch, da potentiell für jeden einzelnen Anwendungsfall ein von Grund auf neues IE-System entwickelt werden muss. Die vorliegende Dissertation untersucht die effiziente Entwicklung und Ausführung von IE-Systemen im Kontext der Enterprise Search und effektive Methoden zur Ausnutzung bekannter strukturierter Daten im Unternehmenskontext für die Extraktion und Identifikation von geschäftsrelevanten Entitäten in Doku-menten. Grundlage der Arbeit ist eine neuartige Plattform zur Komposition von IE-Systemen auf Basis der Beschreibung des Datenflusses zwischen generischen und anwendungsspezifischen IE-Modulen. Die Plattform unterstützt insbesondere die Entwicklung und Wiederverwendung von generischen IE-Modulen und zeichnet sich durch eine höhere Flexibilität und Ausdrucksmächtigkeit im Vergleich zu vorherigen Methoden aus. Ein in der Dissertation entwickeltes Verfahren zur Dokumentverarbeitung interpretiert den Daten-austausch zwischen IE-Modulen als Datenströme und ermöglicht damit eine weitgehende Parallelisierung von einzelnen Modulen. Die autonome Ausführung der Module führt zu einer wesentlichen Beschleu-nigung der Verarbeitung von Einzeldokumenten und verbesserten Antwortzeiten, z. B. für Extraktions-dienste. Bisherige Ansätze untersuchen lediglich die Steigerung des durchschnittlichen Dokumenten-durchsatzes durch verteilte Ausführung von Instanzen eines IE-Systems. Die Informationsextraktion im Kontext der Enterprise Search unterscheidet sich z. B. von der Extraktion aus dem World Wide Web dadurch, dass in der Regel strukturierte Referenzdaten z. B. in Form von Unternehmensdatenbanken oder Terminologien zur Verfügung stehen, die oft auch die Beziehungen von Entitäten beschreiben. Entitäten im Unternehmensumfeld haben weiterhin bestimmte Charakteristiken: Eine Klasse von relevanten Entitäten folgt bestimmten Bildungsvorschriften, die nicht immer bekannt sind, auf die aber mit Hilfe von bekannten Beispielentitäten geschlossen werden kann, so dass unbekannte Entitäten extrahiert werden können. Die Bezeichner der anderen Klasse von Entitäten haben eher umschreibenden Charakter. Die korrespondierenden Umschreibungen in Texten können variieren, wodurch eine Identifikation derartiger Entitäten oft erschwert wird. Zur effizienteren Entwicklung von IE-Systemen wird in der Dissertation ein Verfahren untersucht, das alleine anhand von Beispielentitäten effektive Reguläre Ausdrücke zur Extraktion von unbekannten Entitäten erlernt und damit den manuellen Aufwand in derartigen Anwendungsfällen minimiert. Verschiedene Generalisierungs- und Spezialisierungsheuristiken erkennen Muster auf verschiedenen Abstraktionsebenen und schaffen dadurch einen Ausgleich zwischen Genauigkeit und Vollständigkeit bei der Extraktion. Bekannte Regellernverfahren im Bereich der Informationsextraktion unterstützen die beschriebenen Problemstellungen nicht, sondern benötigen einen (annotierten) Dokumentenkorpus. Eine Methode zur Identifikation von Entitäten, die durch Graph-strukturierte Referenzdaten vordefiniert sind, wird als dritter Schwerpunkt untersucht. Es werden Verfahren konzipiert, welche über einen exakten Zeichenkettenvergleich zwischen Text und Referenzdatensatz hinausgehen und Teilübereinstimmungen und Beziehungen zwischen Entitäten zur Identifikation und Disambiguierung heranziehen. Das in der Arbeit vorgestellte Verfahren ist bisherigen Ansätzen hinsichtlich der Genauigkeit und Vollständigkeit bei der Identifikation überlegen.
N2 - The automatic information extraction (IE) from unstructured texts enables new ways to access relevant information and analyze text contents, which goes beyond existing technologies for keyword-based search in document collections. However, the development of systems for extracting machine-readable data from text still requires the implementation of domain-specific extraction programs. In particular in the field of enterprise search (the retrieval of information in the enterprise settings), in which a large amount of heterogeneous document types exists, it is often necessary to develop ad-hoc program-modules and to combine them with generic program components to extract by business relevant entities. This is particularly critical, as potentially for each individual application a new IE system must be developed from scratch. In this work we examine efficient methods to develop and execute IE systems in the context of enterprise search and effective algorithms to exploit pre-existing structured data in the business context for the extraction and identification of business entities in documents. The basis of this work is a novel platform for composition of IE systems through the description of the data flow between generic and application-specific IE modules. The platform supports in particular the development and reuse of generic IE modules and is characterized by a higher flexibility as compared to previous methods. A technique developed in this work interprets the document processing as data stream between IE modules and thus enables an extensive parallelization of individual modules. The autonomous execution of each module allows for a significant runtime improvement for individual documents and thus improves response times, e.g. for extraction services. Previous parallelization approaches focused only on an improved throughput for large document collections, e.g., by leveraging distributed instances of an IE system. Information extraction in the context of enterprise search differs for instance from the extraction from the World Wide Web by the fact that usually a variety of structured reference data (corporate databases or terminologies) is available, which often describes the relationships among entities. Furthermore, entity names in a business environment usually follow special characteristics: On the one hand relevant entities such as product identifiers follow certain patterns that are not always known beforehand, but can be inferred using known sample entities, so that unknown entities can be extracted. On the other hand many designators have a more descriptive character (concatenation of descriptive words). The respective references in texts might differ due to the diversity of potential descriptions, often making the identification of such entities difficult. To address IE applications in the presence of available structured data, we study in this work the inference of effective regular expressions from given sample entities. Various generalization and specialization heuristics are used to identify patterns at different syntactic abstraction levels and thus generate regular expressions which promise both high recall and precision. Compared to previous rule learning techniques in the field of information extraction, our technique does not require any annotated document corpus. A method for the identification of entities that are predefined by graph structured reference data is examined as a third contribution. An algorithm is presented which goes beyond an exact string comparison between text and reference data set. It allows for an effective identification and disambiguation of potentially discovered entities by exploitation of approximate matching strategies. The method leverages further relationships among entities for identification and disambiguation. The method presented in this work is superior to previous approaches with regard to precision and recall.
KW - Informationsextraktion
KW - Enterprise Search
KW - Parallele Datenverarbeitung
KW - Grammatikalische Inferenz
KW - Graph-basiertes Ranking
KW - information extraction
KW - enterprise search
KW - multi core data processing
KW - grammar inference
KW - graph-based ranking
Y1 - 2010
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-51409
ER -
TY - THES
A1 - Brückner, Michael
T1 - Prediction games : machine learning in the presence of an adversary
T1 - Prädiktionsspiele : maschinelles Lernen in Anwesenheit eines Gegners
N2 - In many applications one is faced with the problem of inferring some functional relation between input and output variables from given data. Consider, for instance, the task of email spam filtering where one seeks to find a model which automatically assigns new, previously unseen emails to class spam or non-spam. Building such a predictive model based on observed training inputs (e.g., emails) with corresponding outputs (e.g., spam labels) is a major goal of machine learning. Many learning methods assume that these training data are governed by the same distribution as the test data which the predictive model will be exposed to at application time. That assumption is violated when the test data are generated in response to the presence of a predictive model. This becomes apparent, for instance, in the above example of email spam filtering. Here, email service providers employ spam filters and spam senders engineer campaign templates such as to achieve a high rate of successful deliveries despite any filters. Most of the existing work casts such situations as learning robust models which are unsusceptible against small changes of the data generation process. The models are constructed under the worst-case assumption that these changes are performed such to produce the highest possible adverse effect on the performance of the predictive model. However, this approach is not capable to realistically model the true dependency between the model-building process and the process of generating future data. We therefore establish the concept of prediction games: We model the interaction between a learner, who builds the predictive model, and a data generator, who controls the process of data generation, as an one-shot game. The game-theoretic framework enables us to explicitly model the players' interests, their possible actions, their level of knowledge about each other, and the order at which they decide for an action. We model the players' interests as minimizing their own cost function which both depend on both players' actions. The learner's action is to choose the model parameters and the data generator's action is to perturbate the training data which reflects the modification of the data generation process with respect to the past data. We extensively study three instances of prediction games which differ regarding the order in which the players decide for their action. We first assume that both player choose their actions simultaneously, that is, without the knowledge of their opponent's decision. We identify conditions under which this Nash prediction game has a meaningful solution, that is, a unique Nash equilibrium, and derive algorithms that find the equilibrial prediction model. As a second case, we consider a data generator who is potentially fully informed about the move of the learner. This setting establishes a Stackelberg competition. We derive a relaxed optimization criterion to determine the solution of this game and show that this Stackelberg prediction game generalizes existing prediction models. Finally, we study the setting where the learner observes the data generator's action, that is, the (unlabeled) test data, before building the predictive model. As the test data and the training data may be governed by differing probability distributions, this scenario reduces to learning under covariate shift. We derive a new integrated as well as a two-stage method to account for this data set shift. In case studies on email spam filtering we empirically explore properties of all derived models as well as several existing baseline methods. We show that spam filters resulting from the Nash prediction game as well as the Stackelberg prediction game in the majority of cases outperform other existing baseline methods.
N2 - Eine der Aufgabenstellungen des Maschinellen Lernens ist die Konstruktion von Vorhersagemodellen basierend auf gegebenen Trainingsdaten. Ein solches Modell beschreibt den Zusammenhang zwischen einem Eingabedatum, wie beispielsweise einer E-Mail, und einer Zielgröße; zum Beispiel, ob die E-Mail durch den Empfänger als erwünscht oder unerwünscht empfunden wird. Dabei ist entscheidend, dass ein gelerntes Vorhersagemodell auch die Zielgrößen zuvor unbeobachteter Testdaten korrekt vorhersagt. Die Mehrzahl existierender Lernverfahren wurde unter der Annahme entwickelt, dass Trainings- und Testdaten derselben Wahrscheinlichkeitsverteilung unterliegen. Insbesondere in Fällen in welchen zukünftige Daten von der Wahl des Vorhersagemodells abhängen, ist diese Annahme jedoch verletzt. Ein Beispiel hierfür ist das automatische Filtern von Spam-E-Mails durch E-Mail-Anbieter. Diese konstruieren Spam-Filter basierend auf zuvor empfangenen E-Mails. Die Spam-Sender verändern daraufhin den Inhalt und die Gestaltung der zukünftigen Spam-E-Mails mit dem Ziel, dass diese durch die Filter möglichst nicht erkannt werden. Bisherige Arbeiten zu diesem Thema beschränken sich auf das Lernen robuster Vorhersagemodelle welche unempfindlich gegenüber geringen Veränderungen des datengenerierenden Prozesses sind. Die Modelle werden dabei unter der Worst-Case-Annahme konstruiert, dass diese Veränderungen einen maximal negativen Effekt auf die Vorhersagequalität des Modells haben. Diese Modellierung beschreibt die tatsächliche Wechselwirkung zwischen der Modellbildung und der Generierung zukünftiger Daten nur ungenügend. Aus diesem Grund führen wir in dieser Arbeit das Konzept der Prädiktionsspiele ein. Die Modellbildung wird dabei als mathematisches Spiel zwischen einer lernenden und einer datengenerierenden Instanz beschrieben. Die spieltheoretische Modellierung ermöglicht es uns, die Interaktion der beiden Parteien exakt zu beschreiben. Dies umfasst die jeweils verfolgten Ziele, ihre Handlungsmöglichkeiten, ihr Wissen übereinander und die zeitliche Reihenfolge, in der sie agieren. Insbesondere die Reihenfolge der Spielzüge hat einen entscheidenden Einfluss auf die spieltheoretisch optimale Lösung. Wir betrachten zunächst den Fall gleichzeitig agierender Spieler, in welchem sowohl der Lerner als auch der Datengenerierer keine Kenntnis über die Aktion des jeweils anderen Spielers haben. Wir leiten hinreichende Bedingungen her, unter welchen dieses Spiel eine Lösung in Form eines eindeutigen Nash-Gleichgewichts besitzt. Im Anschluss diskutieren wir zwei verschiedene Verfahren zur effizienten Berechnung dieses Gleichgewichts. Als zweites betrachten wir den Fall eines Stackelberg-Duopols. In diesem Prädiktionsspiel wählt der Lerner zunächst das Vorhersagemodell, woraufhin der Datengenerierer in voller Kenntnis des Modells reagiert. Wir leiten ein relaxiertes Optimierungsproblem zur Bestimmung des Stackelberg-Gleichgewichts her und stellen ein mögliches Lösungsverfahren vor. Darüber hinaus diskutieren wir, inwieweit das Stackelberg-Modell bestehende robuste Lernverfahren verallgemeinert. Abschließend untersuchen wir einen Lerner, der auf die Aktion des Datengenerierers, d.h. der Wahl der Testdaten, reagiert. In diesem Fall sind die Testdaten dem Lerner zum Zeitpunkt der Modellbildung bekannt und können in den Lernprozess einfließen. Allerdings unterliegen die Trainings- und Testdaten nicht notwendigerweise der gleichen Verteilung. Wir leiten daher ein neues integriertes sowie ein zweistufiges Lernverfahren her, welche diese Verteilungsverschiebung bei der Modellbildung berücksichtigen. In mehreren Fallstudien zur Klassifikation von Spam-E-Mails untersuchen wir alle hergeleiteten, sowie existierende Verfahren empirisch. Wir zeigen, dass die hergeleiteten spieltheoretisch-motivierten Lernverfahren in Summe signifikant bessere Spam-Filter erzeugen als alle betrachteten Referenzverfahren.
KW - Prädiktionsspiel
KW - Adversarial Learning
KW - Angewandte Spieltheorie
KW - Maschinelles Lernen
KW - Spam-Filter
KW - Prediction Game
KW - Adversarial Learning
KW - Applied Game Theory
KW - Machine Learning
KW - Spam Filtering
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60375
SN - 978-3-86956-203-2
PB - Universitätsverlag Potsdam
CY - Potsdam
ER -