Die Anwendung von Methodiken und Technologien aus dem Bereich der Softwaretechnik auf den Bereich der Umweltmodellierung ist eine gemeinhin akzeptierte Vorgehensweise. Im Rahmen der "modellgetriebenen Entwicklung"(MDE, model-driven engineering) werden Technologien entwickelt, die darauf abzielen, Softwaresysteme vorwiegend auf Basis von im Vergleich zu Programmquelltexten relativ abstrakten Modellen zu entwickeln. Ein wesentlicher Bestandteil von MDE sind Techniken zur effizienten Entwicklung von "domänenspezifischen Sprachen"( DSL, domain-specific language), die auf Sprachmetamodellen beruhen. Die vorliegende Arbeit zeigt, wie modellgetriebene Entwicklung, und insbesondere die metamodellbasierte Beschreibung von DSLs, darüber hinaus Aspekte der Pragmatik unterstützen kann, deren Relevanz im erkenntnistheoretischen und kognitiven Hintergrund wissenschaftlichen Forschens begründet wird. Hierzu wird vor dem Hintergrund der Erkenntnisse des "modellbasierten Forschens"(model-based science und model-based reasoning) gezeigt, wie insbesondere durch Metamodelle beschriebene DSLs Möglichkeiten bieten, entsprechende pragmatische Aspekte besonders zu berücksichtigen, indem sie als Werkzeug zur Erkenntnisgewinnung aufgefasst werden. Dies ist v.a. im Kontext großer Unsicherheiten, wie sie für weite Teile der Umweltmodellierung charakterisierend sind, von grundsätzlicher Bedeutung. Die Formulierung eines sprachzentrierten Ansatzes (LCA, language-centered approach) für die Werkzeugunterstützung konkretisiert die genannten Aspekte und bildet die Basis für eine beispielhafte Implementierung eines Werkzeuges mit einer DSL für die Beschreibung von Zellulären Automaten (ZA) für die Umweltmodellierung. Anwendungsfälle belegen die Verwendbarkeit von ECAL und der entsprechenden metamodellbasierten Werkzeugimplementierung. / The application of methods and technologies of software engineering to environmental modeling and simulation (EMS) is common, since both areas share basic issues of software development and digital simulation. Recent developments within the context of "Model-driven Engineering" (MDE) aim at supporting the development of software systems at the base of relatively abstract models as opposed to programming language code. A basic ingredient of MDE is the development of methods that allow the efficient development of "domain-specific languages" (DSL), in particular at the base of language metamodels. This thesis shows how MDE and language metamodeling in particular, may support pragmatic aspects that reflect epistemic and cognitive aspects of scientific investigations. For this, DSLs and language metamodeling in particular are set into the context of "model-based science" and "model-based reasoning". It is shown that the specific properties of metamodel-based DSLs may be used to support those properties, in particular transparency, which are of particular relevance against the background of uncertainty, that is a characterizing property of EMS. The findings are the base for the formulation of an corresponding specific metamodel- based approach for the provision of modeling tools for EMS (Language-centered Approach, LCA), which has been implemented (modeling tool ECA-EMS), including a new DSL for CA modeling for EMS (ECAL). At the base of this implementation, the applicability of this approach is shown.

Beim Graphisomorphieproblem geht es um die Frage, ob zwei Graphen bis auf Knotenumbenennungen die gleiche Struktur haben. Es ist eines der wenigen verbleibenden natürlichen Probleme, für die weder ein Polynomialzeitalgorithmus noch NP-Härte bekannt ist. Aus dieser Situation ist ein Forschungszweig erwachsen, der effiziente Isomorphiealgorithmen für eingeschränkte Graphklassen entwickelt. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit besteht in Logspace-Algorithmen, die das Isomorphieproblem für k-Bäume, Intervallgraphen, sowie Helly- und Proper-Kreisbogengraphen lösen. Dies verbessert zuvor bekannte parallele Algorithmen und führt zu einer vollständigen Klassifikation der Komplexität dieser Probleme, da für sie auch Logspace-Härte nachgewiesen wird. Tatsächlich leisten die vorgestellten Algorithmen mehr: Im Fall der k-Bäume berechnet der Algorithmus kanonische Knotenbenennungen mit O(k log n) Platz. Eine alternative Implementation des Algorithmus kommt mit O((k+1)!n) Zeit aus – hierbei ist n die Anzahl der Knoten – und ist damit der schnellste bekannte FPT-Algorithmus für Isomorphie von k-Bäumen. Die Algorithmen für Intervall- und Kreisbogengraphen berechnen kanonische Repräsentationen – das heißt, sie weisen jedem Knoten ein Intervall (beziehungsweise einen Kreisbogen) zu, sodass diese sich genau dann schneiden, wenn die zugehörigen Knoten benachbart sind, und isomorphe Eingabegraphen das gleiche Intervallmodell (beziehungsweise Kreisbogenmodell) erhalten. Außerdem werden auch Logspace-Algorithmen angegeben, die Intervallrepräsentationen mit zusätzlichen Eigenschaften berechnen – oder erkennen, dass dies nicht möglich ist: Für die resultierenden Intervallmodelle kann gefordert werden, dass sie proper sind (also kein Intervall ein anderes enthält), dass sie unit sind (also alle Intervalle die gleiche Länge haben) oder dass die Längen der paarweisen Schnitte (und optional der einzelnen Intervalle) vorgegebenen Werten entsprechen. / The graph isomorphism problem deals with the question if two graphs have the same structure up to renaming their vertices. It is one of the few remaining natural problems for which neither a polynomial-time algorithm nor NP-hardness is known. This situation has led to a branch of research that develops efficient algorithms for special cases of the graph isomorphism problem, where the input graphs are required to be from restricted graph classes. The main contribution of this thesis comprises of logspace algorithms that solve the isomorphism problem for k-trees, interval graphs, Helly circular-arc graphs and proper circular-arc graphs. This improves previously known parallel algorithms and leads to a complete classification of the complexity of these problems, as they are also shown to be hard for logspace. In fact, these algorithms achieve more: In the case of k-trees, the algorithm computes canonical labelings in space O(k log n). An alternative implementation runs in time O((k+1)!n), where n is the number of vertices, yielding the fastest known FPT algorithm for k-tree isomorphism. The algorithms for interval and circular-arc graphs actually compute canonical representations, i.e., each vertex is assigned an interval (or arc) such that these intersect each other if and only if the corresponding vertices are adjacent, and isomorphic input graphs receive the same interval (or arc) model. This thesis also presents logspace algorithms that compute interval representations with additional properties, or detect that this is not possible: The resulting interval models can be required to be proper (no interval contains another), unit (all intervals have the same length), or to satisfy prescribed lengths for pairwise intersections (and possibly prescribed lengths of intervals).

Die Interaktion zwischen Mensch und Computer ist zu einem Teil unseres täglichen Lebens geworden. Radarsensoren sind aufgrund ihrer geringen Größe, ihres niedrigen Stromverbrauchs und ihrer Erschwinglichkeit sehr vielversprechend. Im Vergleich zu anderen Sensoren wie Kameras und LIDAR kann RADAR in einer Vielzahl von Umgebungen eingesetzt werden, und wird dabei nicht durch Licht beeinträchtigt. Vor allem aber besteht keine Gefahr, dass die Privatsphäre des Benutzers verletzt wird. Unter den vielen Radararten wird das FMCW-Radar für die Gestenerkennung genutzt, da es mehrere Ziele beobachten, Reichweite, Geschwindigkeit und Winkel messen kann und die Hardware und Signalverarbeitung relativ einfach sind. Die radargestützte Gestenerkennung kann in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt werden. So kann z. B. bei Gesundheits- und Sicherheitsaspekten durch den Einsatz radargestützter Gestenerkennungssysteme Körperkontakt vermieden und die Möglichkeit einer Kontamination verringert werden. Auch in der Automobilbranche kann die berührungslose Steuerung bestimmter Funktionen, wie z. B. das Einschalten der Klimaanlage, das Benutzererlebnis verbessern und zu einem sichereren Fahrverhalten beitragen. Bei der Implementierung eines auf künstlicher Intelligenz basierenden Gestenerkennungssystems unter Verwendung von RADAR gibt es noch viele Herausforderungen, wie z. B. die Interpretation von Daten, das Sammeln von Trainingsdaten, die Optimierung der Berechnungskomplexität und die Verbesserung der Systemrobustheit. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Bewältigung dieser Herausforderungen. Diese Arbeit befasst sich mit wichtigen Aspekten von Gestenerkennungssystemen. Von der Radarsignalverarbeitung, über maschinelle Lernmodelle, Datenerweiterung bis hin zu Multisensorsystemen werden die Herausforderungen der realen Welt angegangen. Damit wird der Grundstein für den umfassenden Einsatz von Gestenerkennungssystemen in der Praxis gelegt. / Human-computer interaction has become part of our daily lives. RADAR stands out as a very promising sensor, with its small size, low power consumption, and affordability. Compared to other sensors, such as cameras and LIDAR, RADAR can work in a variety of environments, and it is not affected by light. Most importantly, there is no risk of infringing on user's privacy. Among the many types of RADAR, FMCW RADAR is utilised for gesture recognition due to its ability to observe multiple targets and to measure range, velocity and angle, as well as its relatively simple hardware and signal processing. RADAR-based gesture recognition can be applied in a variety of domains. For example, for health and safety considerations, the use of RADAR-based gesture recognition systems can avoid physical contact and reduce the possibility of contamination. Similarly, in automotive applications, contactless control of certain functions, such as turning on the air conditioning, can improve the user experience and contribute to safer driving. There are still many challenges in implementing an artificial intelligence-based gesture recognition system using RADAR, such as interpreting data, collecting training data, optimising computational complexity and improving system robustness. This work will focus on addressing these challenges. This thesis addresses key aspects of gesture recognition systems. From RADAR signal processing, machine learning models, data augmentation to multi-sensor systems, the challenges posed by real-world scenarios are tackled. This lays the foundation for a comprehensive deployment of gesture recognition systems for many practical applications.

Gesten sind ein Kommunikationsweg, der einem Betrachter Informationen oder Absichten übermittelt. Daher können sie effektiv in der Mensch-Roboter-Interaktion, oder in der Mensch-Maschine-Interaktion allgemein, verwendet werden. Sie stellen eine Möglichkeit für einen Roboter oder eine Maschine dar, um eine Bedeutung abzuleiten. Um Gesten intuitiv benutzen zukönnen und Gesten, die von Robotern ausgeführt werden, zu verstehen, ist es notwendig, Zuordnungen zwischen Gesten und den damit verbundenen Bedeutungen zu definieren -- ein Gestenvokabular. Ein Menschgestenvokabular definiert welche Gesten ein Personenkreis intuitiv verwendet, um Informationen zu übermitteln. Ein Robotergestenvokabular zeigt welche Robotergesten zu welcher Bedeutung passen. Ihre effektive und intuitive Benutzung hängt von Gestenerkennung ab, das heißt von der Klassifizierung der Körperbewegung in diskrete Gestenklassen durch die Verwendung von Mustererkennung und maschinellem Lernen. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit beiden Forschungsbereichen. Als eine Voraussetzung für die intuitive Mensch-Roboter-Interaktion wird zunächst ein Aufmerksamkeitsmodell für humanoide Roboter entwickelt. Danach wird ein Verfahren für die Festlegung von Gestenvokabulare vorgelegt, das auf Beobachtungen von Benutzern und Umfragen beruht. Anschliessend werden experimentelle Ergebnisse vorgestellt. Eine Methode zur Verfeinerung der Robotergesten wird entwickelt, die auf interaktiven genetischen Algorithmen basiert. Ein robuster und performanter Gestenerkennungsalgorithmus wird entwickelt, der auf Dynamic Time Warping basiert, und sich durch die Verwendung von One-Shot-Learning auszeichnet, das heißt durch die Verwendung einer geringen Anzahl von Trainingsgesten. Der Algorithmus kann in realen Szenarien verwendet werden, womit er den Einfluss von Umweltbedingungen und Gesteneigenschaften, senkt. Schließlich wird eine Methode für das Lernen der Beziehungen zwischen Selbstbewegung und Zeigegesten vorgestellt. / Gestures consist of movements of body parts and are a mean of communication that conveys information or intentions to an observer. Therefore, they can be effectively used in human-robot interaction, or in general in human-machine interaction, as a way for a robot or a machine to infer a meaning. In order for people to intuitively use gestures and understand robot gestures, it is necessary to define mappings between gestures and their associated meanings -- a gesture vocabulary. Human gesture vocabulary defines which gestures a group of people would intuitively use to convey information, while robot gesture vocabulary displays which robot gestures are deemed as fitting for a particular meaning. Effective use of vocabularies depends on techniques for gesture recognition, which considers classification of body motion into discrete gesture classes, relying on pattern recognition and machine learning. This thesis addresses both research areas, presenting development of gesture vocabularies as well as gesture recognition techniques, focusing on hand and arm gestures. Attentional models for humanoid robots were developed as a prerequisite for human-robot interaction and a precursor to gesture recognition. A method for defining gesture vocabularies for humans and robots, based on user observations and surveys, is explained and experimental results are presented. As a result of the robot gesture vocabulary experiment, an evolutionary-based approach for refinement of robot gestures is introduced, based on interactive genetic algorithms. A robust and well-performing gesture recognition algorithm based on dynamic time warping has been developed. Most importantly, it employs one-shot learning, meaning that it can be trained using a low number of training samples and employed in real-life scenarios, lowering the effect of environmental constraints and gesture features. Finally, an approach for learning a relation between self-motion and pointing gestures is presented.

Die Theorie disjunkter NP-Paare, die auf natürliche Weise statt einzelner Sprachen Paare von NP-Mengen zum Objekt ihres Studiums macht, ist vor allem wegen ihrer Anwendungen in der Kryptografie und Beweistheorie interessant. Im Zentrum dieser Dissertation steht die Analyse der Beziehung zwischen disjunkten NP-Paaren und aussagenlogischen Beweissystemen. Haben die Anwendungen der NP-Paare in der Beweistheorie maßgeblich das Verständnis aussagenlogischer Beweissysteme gefördert, so beschreiten wir in dieser Arbeit gewissermaßen den umgekehrten Weg, indem wir Methoden der Beweistheorie zur genaueren Untersuchung des Verbands disjunkter NP-Paare heranziehen. Insbesondere ordnen wir jedem Beweissystem P eine Klasse DNPP(P) von NP-Paaren zu, deren Disjunktheit in dem Beweissystem P mit polynomiell langen Beweisen gezeigt werden kann. Zu diesen Klassen DNPP(P) zeigen wir eine Reihe von Resultaten, die illustrieren, dass robust definierten Beweissystemen sinnvolle Komplexitätsklassen DNPP(P) entsprechen. Als wichtiges Hilfsmittel zur Untersuchung aussagenlogischer Beweissysteme und der daraus abgeleiteten Klassen von NP-Paaren benutzen wir die Korrespondenz starker Beweissysteme zu erststufigen arithmetischen Theorien, die gemeinhin unter dem Schlagwort beschränkte Arithmetik zusammengefasst werden. In der Praxis trifft man statt auf zwei häufig auf eine größere Zahl konkurrierender Bedingungen. Daher widmen wir uns der Erweiterung der Theorie disjunkter NP-Paare auf disjunkte Tupel von NP-Mengen. Unser Hauptergebnis in diesem Bereich besteht in der Charakterisierung der Fragen nach der Existenz optimaler Beweissysteme und vollständiger NP-Paare mit Hilfe disjunkter Tupel. / Disjoint NP-pairs are an interesting complexity theoretic concept with important applications in cryptography and propositional proof complexity. In this dissertation we explore the connection between disjoint NP-pairs and propositional proof complexity. This connection is fruitful for both fields. Various disjoint NP-pairs have been associated with propositional proof systems which characterize important properties of these systems, yielding applications to areas such as automated theorem proving. Further, conditional and unconditional lower bounds for the separation of disjoint NP-pairs can be translated to results on lower bounds to the length of propositional proofs. In this way disjoint NP-pairs have substantially contributed to the understanding of propositional proof systems. Conversely, this dissertation aims to transfer proof-theoretic knowledge to the theory of NP-pairs to gain a more detailed understanding of the structure of the class of disjoint NP-pairs and in particular of the NP-pairs defined from propositional proof systems. For a proof system P we introduce the complexity class DNPP(P) of all disjoint NP-pairs for which the disjointness of the pair is efficiently provable in the proof system P. We exhibit structural properties of proof systems which make the previously defined canonical NP-pairs of these proof systems hard or complete for DNPP(P). Moreover, we demonstrate that non-equivalent proof systems can have equivalent canonical pairs and that depending on the properties of the proof systems different scenarios for DNPP(P) and the reductions between the canonical pairs exist. As an important tool for our investigation we use the connection of propositional proof systems and disjoint NP-pairs to theories of bounded arithmetic.

Einzelzellomics bieten unvoreingenommene Einblicke in Transkriptionsprogramme und Genom-Zugänglichkeiten auf zellulärer Ebene, auch wenn der zelluläre Kontext verloren geht. Wir haben einen virtuellen Multi-omic Embryo der Drosophila melanogaster erstellt, basierend auf den Datentypen RNA (Transkriptom) und ATAC (Zugänglichkeit der DNA), welche gleichzeitig auf Einzelzell Ebene erhoben wurden. Mithilfe des Tools novoSpaRc, welches den räumlichen Ursprung der Zellen rekonstruiert, konnte ein regulatorischen Bauplan erstellt werden, der die Genexpression und die Zugänglichkeit von Enhancern widerspiegelt. Diese Ressource hilft beim Verständnis der regulatorischen Dynamik in der Entwicklung. Bei der Untersuchung von ATAC-Peaks konnten wir Überschneidungen zwischen den Mustern der Chromatin Zugänglichkeit und der Aktivität unabhängiger getesteter Enhancer feststellen, was die Bedeutung der Zugänglichkeit unterstreicht. Die nicht-negative Matrixfaktorisierung identifizierte Archetypen der Genexpression und der Chromatin-Zugänglichkeit. Archetypen, die möglicherweise durch Transkriptionsfaktoren (TFs) reguliert werden, wurden einer Motiv-Anreicherungsanalyse für Archetyp-assoziierte CRMs unterzogen. Ein Ansatz zur Vorhersage von Enhancern, ordnete die Enhancer den Genen auf der Grundlage partieller Ähnlichkeit der Muster zu. Zusammenfassend dient unser multimodaler virtueller Embryo als Ressource und präsentiert zum ersten Mal räumliche Chromatin-Zugänglichkeiten für genomische Regionen für einen ganzen Organismus. Die Ergebnisse geben Aufschluss über die Prinzipien der Genregulation und zeigen den regulatorischen Einfluss von Transkriptionsfaktoren auf den Chromatinzustand von Enhancern. / Single-cell-omics techniques provide unbiased insights into transcriptional programs and genomic accessibility patterns at the cellular level despite sacrificing spatial information. We created a multi-omic virtual Drosophila melanogaster stage 6 embryo by simultaneously assessing genome accessibility and transcriptional states in individual cells. Using novoSpaRc, a spatial mapping tool, we accurately reconstructed the spatial origin of cells, yielding a regulatory blueprint reflecting gene expression and enhancer accessibilities. This resource aids in understanding developmental regulatory dynamics. Examining ATAC-peaks, we observed overlapping chromatin accessibility patterns with the activity of independently testes enhancers, emphasizing accessibility's importance. Non-negative matrix factorization identified archetypes in gene expression and chromatin accessibility. Accessibility archetypes, potentially regulated by transcription factors (TFs), were subjected to motif enrichment analysis for archetype-associated CRMs. An enhancer prediction approach, utilizing a generalized linear model, assigned enhancers to genes based on partial pattern similarity. In summary our multi-modal virtual embryo serves as a resource and presents for the first time single-cell chromatin accessibilities for genomic regions reconstructed in space for a whole organism in a single developmental stage. The results shed light on gene regulatory principles, highlighting the regulatory impact of TFs on chromatin states of enhancers.

Peer-Daten-Management-Systeme (PDMS) bestehen aus einer hochdynamischen Menge heterogener, autonomer Peers. Die Peers beantworten Anfragen einerseits gegen lokal gespeicherte Daten und reichen sie andererseits nach einer Umschreibung anhand von Schema-Mappings an benachbarte Peers weiter. Solche aufgrund fehlender zentraler Komponenten eigentlich hoch- flexiblen Systeme leiden bei zunehmender Anzahl von Peers unter erheblichen Effi- zienzproblemen. Die Gründe hierfür liegen in der massiven Redundanz der Pfade im Netzwerk der Peers und im Informationsverlust aufgrund von Projektionen entlang von Mapping-Pfaden. Anwender akzeptieren in hochskalierten Umgebungen zum Datenaustausch in vielen Anwendungsszenarien Konzessionen an die Vollständigkeit der Anfrageergebnisse. Unser Ansatz sieht in der Vollständigkeit ein Optimierungsziel und verfolgt einen Kompromiß zwischen Nutzen und Kosten der Anfragebearbeitung. Hierzu schlagen wir mehrere Strategien für Peers vor, um zu entscheiden, an welche Nachbar-Peers Anfragen weitergeleitet werden. Peers schließen dabei Mappings von der Anfragebearbeitung aus, von denen sie ein geringes Verhältnis von Ergebnisgröße zu Kosten, also geringe Effizienz erwarten. Als Basis dieser Schätzungen wenden wir selbstadaptive Histogramme über die Ergebniskardinalität an und weisen nach, daß diese in dieser hochdynamischen Umgebung ausreichende Genauigkeit aufweisen. Wir schlagen einen Kompromiß zwischen der Nutzung von Anfrageergebnissen zur Anpassung dieser Metadaten-Statistiken und der Beschneidung von Anfrageplänen vor, um den entsprechenden Zielkonflikt aufzulösen. Für eine Optimierungsstrategie, die das für die Anfragebearbeitung verwendete Zeit-Budget limitiert, untersuchen wir mehrere Varianten hinsichtlich des Effizienzsteigerungspotentials. Darüber hinaus nutzen wir mehrdimensionale Histogramme über die Überlappung zweier Datenquellen zur gezielten Verminderung der Redundanz in der Anfragebearbeitung. / Peer data management systems (PDMS) consist of a highly dynamic set of autonomous, heterogeneous peers connected with schema mappings. Queries submitted at a peer are answered with data residing at that peer and by passing the queries to neighboring peers. PDMS are the most general architecture for distributed integrated information systems. With no need for central coordination, PDMS are highly flexible. However, due to the typical massive redundancy in mapping paths, PDMS tend to be very inefficient in computing the complete query result as the number of peers increases. Additionally, information loss is cumulated along mapping paths due to selections and projections in the mappings. Users usually accept concessions on the completeness of query answers in large-scale data sharing settings. Our approach turns completeness into an optimization goal and thus trades off benefit and cost of query answering. To this end, we propose several strategies that guide peers in their decision to which neighbors rewritten queries should be sent. In effect, the peers prune mappings that are expected to contribute few data. We propose a query optimization strategy that limits resource consumption and show that it can drastically increase efficiency while still yielding satisfying completeness of the query result. To estimate the potential data contribution of mappings, we adopted self-tuning histograms for cardinality estimation. We developed techniques that ensure sufficient query feedback to adapt these statistics to massive changes in a PDMS. Additionally, histograms can serve to maintain statistics on data overlap between alternative mapping paths. Building on them, redundant query processing is reduced by avoiding overlapping areas of the multi-dimensional data space.

Verteilte Kommunikationssysteme haben in den letzten Jahren enorm an Bedeutung gewonnen, insbesondere durch die Vielzahl von Anwendungen in unserem Alltag. Die Heterogenität der Anwendungen und Anwendungsdomänen spricht für die Komplexität solcher Systeme und verdeutlicht die Herausforderungen, mit denen ihre Entwickler konfrontiert sind. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Unterstützung des Entwicklungsprozesses von Anwendungen für verteilte Kommunikationssysteme. Es gibt zwei Aspekte, die dabei berücksichtigt werden müssen. Der erste und offensichtlichste ist die Unterstützung der Entwicklung der Anwendung selbst, die letztendlich auf der vorhandenen verteilten Kommunikationsinfrastruktur bereitgestellt werden soll. Der zweite weniger offensichtliche, aber genauso wichtige Aspekt besteht in der Analyse der Anwendung vor ihrer eigentlichen Installation. Anwendungsentwicklung und analyse sind also "zwei Seiten der gleichen Medaille". Durch die Berücksichtigung beider Aspekt erhöht sich jedoch andererseits der Aufwand bei der Entwicklung. Die Arbeit kombiniert und erweitert vorhandene Technologien entsprechend dem modellgetriebenen Entwicklungsparadigma zu einer einheitlichen Entwicklungsmethode. Die Eigenschaften der Anwendung werden in einer vereinheitlichten Beschreibung erfasst, welche sowohl die automatische Überführung in Installationen auf echten Infrastrukturen erlaubt, als auch die Analyse auf der Basis von Modellen. Darüber hinaus wird der Entwicklungsprozess mit zusätzlicher Unterstützung bei der Visualisierung der Analyse ergänzt. Die Praktikabilität des Ansatzes wird anschließend anhand der Entwicklung und Analyse einer Anwendung zur Erdbebenfrühwarnung unter Beweis gestellt. / Distributed communication systems have gained a substantial importance over the past years with a large set of examples of systems that are present in our everyday life. The heterogeneity of applications and application domains speaks for the complexity of such systems and the challenges that developers are faced with. The focus of this dissertation is on the development of applications for distributed communication systems. There are two aspects that need to be considered during application development. The first and most obvious is the development of the application itself that will be deployed on the existing distributed communication infrastructure. The second and less obvious, but equally important, is the analysis of the deployed application. Application development and analysis are like "two sides of the the same coin". However, the separation between the two increases the cost and effort required during the development process. Existing technologies are combined and extended following the model-driven development paradigm to obtain a unified development method. The properties of the application are captured in a unified description which drives automatic transformation for deployment on real infrastructures and/or analysis. Furthermore, the development process is complemented with additional support for visualization to aid analysis. The defined approach is then used in the development of an alarming application for earthquake early warning.

Heutzutage besteht ein komplexes Software-System häufig aus lose gekoppelten, interagierenden Komponenten. Eine Komponente ist ein offenes System, das unabhängig von anderen offenen Systemen entwickelt und später mit diesen komponiert wird. Die Komposition L+R zweier offener Systeme L und R kann sich jedoch inkorrekt verhalten, beispielsweise verklemmen (die Komponenten warten gegenseitig aufeinander), in eine Endlosschleife geraten oder unbeschränkten Speicherplatz erfordern. Ist L+R dagegen ein korrektes System, bezeichnet man L und R als Partner voneinander. Formale Methoden der Modellierung, Analyse und Synthese ermöglichen die systematische Konstruktion eines korrekten Systems durch Komposition von Partnern. Die Kosten, die ein offenes System L verursacht, variieren in Abhängigkeit von der konkreten Wahl eines Partners. Es ist daher wünschenswert, L nur mit solchen Partnern zu komponieren, welche die Kosten von L beschränken oder sogar minimieren. Ein Partner, der die Kosten von L minimiert, ist ein optimaler Partner von L. Ziel dieser Arbeit ist die Erarbeitung von Techniken, die garantieren, dass L nur mit optimalen Partnern komponiert wird. Dazu entwickeln wir formale Methoden zur Modellierung, Analyse und Synthese kostenbehafteter offener Systeme und ihrer optimalen Partner. Wir präsentieren einen Formalismus zur Modellierung funktionaler (d.h. Zustandsübergänge) und nicht-funktionaler Verhaltenseigenschaften (d.h. Kosten). In diesem Formalismus definieren wir Kostenbeschränktheit und Optimalität von Partnern. Darauf aufbauend entwickeln wir formale Methoden zur Entscheidung der kostenbeschränkten Bedienbarkeit (d.h. der Existenz kostenbeschränkter Partner), der Synthese optimaler Partner und der endlichen Repräsentation aller optimalen Partner. / Nowadays, a complex software system usually consists of loosely-coupled, interacting components. Such a component is an independently developed open system that one composes with other open systems. The composition L+R of two open systems L and R can be faulty: For instance, the components deadlock (i.e. mutually wait for each other) or require an unbounded amount of memory. If L+R is correct, L and R are called partners of each other. Formal methods for modeling, analysis and synthesis yield a systematic approach to constructing a correct system by means of composing partners. The costs of executing a given open system L vary based on a chosen partner. Therefore, it is desirable to choose a partner that bounds or even minimizes the costs of executing L. If a partner R minimizes the costs of executing L, then R is an optimal partner of L. Our goal is to develop techniques that guarantee the composition of L with optimal partners. To this end, we develop formal methods of modeling, analysis and synthesis of open systems incorporating costs. We present a formalism to model functional aspects (i.e. states and transitions) and non-functional aspects (costs) of behavior. We define the properties of cost boundedness and cost optimality for partners in this formalism. Based thereon, we develop formal methods to decide cost bounded controllability (i.e. the existence of cost bounded partners), to synthesize optimal partners, and to finitely represent the set of all optimal partners.

Personalisierung ist ein aktuelles Thema im Bereich der Online-Lehre. Lernende sind divers, sie haben unterschiedliche Vorkenntnisse, adressieren verschiedene Lernziele und variieren in ihren (Lern-)Präferenzen. Aufgrund dieser Diversität besteht die Notwendigkeit, Onlinekurse an die Bedürfnisse der Lernenden anzupassen. Dabei wird das Ziel verfolgt, Lernende so zu motivieren, dass sie ein bestmögliches Lernergebnis erzielen können. Im Rahmen der Dissertation wurde die Domäne des Sprachenlernens gewählt, auf welche Methoden zur Personalisierung angewandt wurden. Eine initiale Analyse kommerzieller Sprachlern-Apps hat gezeigt, dass Personalisierung bislang nur rudimentär als Sequenzierungsstrategie umgesetzt wurde. Dabei beschränkt sich die Anwendung hauptsächlich auf das Lernen mit Karteikarten. Die Dissertation beschäftigt sich mit der übergeordneten Forschungsfrage wie Personalisierung in automatisch generierten Online-Sprachlernkursen angewandt und mit fundamentalen und experimentellen Sequenzierungsstrategien kombiniert werden kann. Hierzu setzt die vorliegende Arbeit eine modifizierte Version der "Meshing-Hypothese" exemplarisch als Sequenzierungsstrategie um. Die Idee dieser Strategie besteht darin, dass Lernende besser lernen, wenn die Lehrmethoden mit den Präferenzen der Lernenden übereinstimmen. Diese Strategie wird in der Forschung seit Jahrzehnten kontrovers diskutiert. In mehreren Schritten wurden verschiedene Perspektiven zur Anwendung der Personalisierung mit dieser Strategie untersucht. Zunächst wurde ein Instrument zur Erfassung von Präferenzen entwickelt. Die exemplarische Auswahl beschränkt sich auf jene Präferenzen, welche durch konkrete Lehrmethoden abgebildet werden können. Anschließend wurde ein Experiment durchgeführt, um Leistungsunterschiede zwischen Lernenden mit unterschiedlichen Präferenzen zu ermitteln. Dazu wurden Lehrmethoden in einen konkreten Sprachlernkurs mit einer vordefinierten Lernprogression imitiert. Im nächsten Schritt wurde die technische Basis für adaptive Kurse vorbereitet. Zu diesem Zweck wurde die Lernplattform Moodle funktional so angepasst, dass sie für Experimente zur Personalisierung von Onlinekursen genutzt werden kann. Danach wurde die inhaltliche Basis vorbereitet, welche die Generierung von Sprachlerneinheiten unter Verwendung modernster generativer Modelle ermöglicht. Die dabei entstehenden interaktiven Lernmaterialien wurden um Imitationen zu einer Auswahl von Lehrmethoden ergänzt. Das so generierte Lernmaterial musste anschließend in eine optimale Reihenfolge gebracht werden. Ein neuer Ansatz zur Kombination verschiedener Sequenzierungsstrategien wird unter der Verwendung generativer neuronaler Netze eingeführt. Darauffolgend wird ein Konzept vorgestellt, das es ermöglicht, Sequenzierungsstrategien zu verstärken, wenn sie einen positiven Effekt auf das Lernergebnis haben oder sie zu vergessen, wenn der Effekt zu gering ist oder nicht existiert. Das Konzept wurde zunächst simuliert. Anschließend wurden die generierten Lernmaterialien, die technische Basis, die Sequenzierungsstrategien und die Präferenzen der Lernenden in einem finalen Experiment kombiniert, um die modifizierte Meshing-Hypothese als Fallbeispiel umzusetzen. Hierzu wurde das vorweg simulierte Konzept des Verstärkens oder Vergessens von Sequenzierungsstrategien in einem realen Online-Sprachlernkurs praktisch angewandt. Die im Rahmen der Dissertation durchgeführten Experimente erlauben Schlussfolgerungen für die Generierung und Personalisierung von Sprachlernkursen. Darüber hinaus geben mehrere Machbarkeitsstudien (Proof-of-Concepts) Einblicke in die praktische Anwendbarkeit der Ansätze. / Recently, personalization has become a topic of some interest in the field of education. Learners possess different levels of prior knowledge, along with various learning goals and preferences. This diversity underscores the necessity of adapting online courses to suit learners’ needs, with the ultimate goal of engaging learners for optimal learning outcomes. As a representative domain, the field of language learning was chosen, to which personalization has been applied. An initial analysis of commercial language learning apps revealed the scarce realization of personalization, mainly limited to flashcard learning as an item sequencing strategy. Subsequently, the dissertation focused on the overall research question: How can personalization in auto-generated online language learning courses be utilized and combined with fundamental and experimental item sequencing strategies? Therefore, the dissertation employed a modified version of the “Meshing Hypothesis” as an example, proposing that students learn more effectively when instructional teaching methods align with their preference levels. Its original strategy has been controversially discussed in research for decades. The research unfolded in several stages to utilize personalization, commencing with the development of an instrument to collect preferences linked to instructional teaching methods. An experiment was conducted to discern performance differences among learners with varying preference levels. This involved imitating scenarios for some instructional teaching methods within an online language learning course that follows a fixed learning progression. The subsequent phase concentrated on preparing the technical groundwork for personalized courses. To this end, the Moodle learning platform was functionally adapted to facilitate experiments in personalizing online courses. Simultaneously, a contextual foundation was established, enabling the generation of template-based language learning units through cutting-edge generative models. Applied imitations of a selection of instructional methods enhanced the resulting interactive learning materials. In order to optimize the arrangement of the generated learning materials, a novel approach was introduced, combining multiple item sequencing strategies using generative neural networks. A conceptual framework was introduced, allowing for the amplification of sequencing strategies that positively impact learning outcomes or their removal if the effect is negligible. First, the concept was simulated. Then, the technical foundation, generated learning materials, item sequencing strategies, and learner preferences were combined in a final experiment to employ the modified Meshing Hypothesis and to utilize the idea of “unlearning” item sequencing strategies in a real online language learning course. The experiments conducted in this dissertation allow conclusions for generating and personalizing online language learning courses. Furthermore, several proof-of-concepts provide insights into the applicability of the approaches to be drawn for practice.