Dienstorientierte Architekturen (SOA = Service Oriented Architecture) dienen dem Aufbau von lose miteinander verbundenen, verteilten Systemen, deren Komponenten eine minimale gemeinsame Systemsicht haben. Die wichtigsten Bausteine der SOA sind Dienste. Dienste sind selbstbeschreibende, eigenständige, plattform-unabhängige und frei verfügbare Komponenten, die über das Netzwerk interagieren. Das Hauptziel der SOA ist die transparente, flexible und dynamische Interaktion von Diensten und deren Benutzern innerhalb mehrerer zusammenhängender Domänen. Während die nativen Fähigkeiten von dienstorientierten Architekturen, wie Beschreibung, Entdeckung, Kommunikation und Bindung, bereits gut erfasst und standardisiert worden sind, ist das Problem der Dienstkomposition bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst worden. Diese Dissertation hinterfragt die Grundvoraussetzung der SOA, die darin besteht, dass lediglich die Grundfunktionsweise von Diensten offen gelegt werden sollte, und demonstriert, dass auf der Grundlage einer semantischen Dienstbeschreibung (einschließlich funktionaler und nichtfunktionaler Eigenschaften) eine praktikable Lösung zur Dienstkomposition entwickelt werden kann (komponierbare Dienstarchitektur). Diese Lösung erfordert 1) erweiterte deskriptive Fähigkeiten und Suchmöglichkeiten durch die Entwicklung einer vertragsbasierten Beschreibungssprache einschließlich nichtfunktionaler Eigenschaften wie Sicherheit, Verlässlichkeit und Rechtzeitigkeit; 2) das Feststellen der Kompositionskorrektheit durch die Modellierung von Diensten als abstrakte Maschinen und die Entwicklung einer formalen Kompositionssprache und 3) automatische Dienstkomposition, indem Suchalgorithmen für die automatisierte und dynamische Selektion von Kompositionspartnern entwickelt werden. Abschließend wird der Prototyp eines Kompositionsservers für Web Services einschließlich Design und Implementierung beschrieben, um die Realisierbarkeit der vorgeschlagenen Architektur aufzuzeigen. / Service-oriented architecture (SOA) is focused on building loosely coupled distributed systems with minimal shared understanding among system components. The main building blocks in SOA are services. Services are self-descriptive, self-contained, platform-independent and openly-available components that interact over the network. The main goal of SOA is transparent, flexible and dynamic interaction of services and their clients over multiple interconnected domains. While native capabilities of service-oriented architectures, such as description, discovery, communication and binding, have been well understood and standardized, the issue of service composition has not yet been satisfactorily solved. This dissertation challenges the SOA postulate that service should disclose only basic functional signature, and demonstrates that based on semantic service description, including functional and non-functional properties, a viable solution for service composition can be developed (composable service architecture), that supports: 1) Extended descriptive and search capabilities by developing contract-based description language including non-functional properties such as security, dependability, timeliness; 2) Verification of composition correctness by modeling services as abstract machines and developing a formal composition language, and 3) Automatic service composition by treating automated and dynamic selection of composition partners as a search problem and developing search algorithms for that purpose. Finally, in order to show the viability of the proposed architectural solution, a prototype of Web Services composition server is described including design and implementation.

Reuse is not a new concept in software engineering. Ideas, abstractions, and processes have been reused by programmers since the very early days of software development. In the beginning, since storage media was very expensive, software reuse was basically to serve computers and their mechanical resources, as it substantially conserved memory. When the limitations on physical resources started to diminish, software engineers began to invent reuse approaches to save human resources as well. In addition, as the size and complexity of software systems constantly grow, organized and systematic reuse becomes essential in order to develop those systems in timely and cost-effective fashion. That is one main reason why new technologies and approaches for building software systems, such as object-oriented and component-based development, emerged in the last two or three decades. The focus of this thesis is on software components as building blocks of today's software systems. We consider components as software black boxes whose specification and external behavior are known. We assume that this information can somehow be extracted for each deployed software component. The first and basic assumption then would be the availability of a searchable repository of software components and their external behavioral specifications. Web services are a good example of such components. The most important advantage of software components is that they can be reused repeatedly in building different software systems. Reuse presents challenging problems, one of which is studied in this thesis. This problem, the composition problem, simply is creating a composite component from a collection of available components that, by interacting with each other, provide a requested functionality. When there are a large number of components available to be reused, finding a solution to the composition problem manually would require a considerable time and human effort. This could make the search practically impossible or unwieldy. However, performing the search automatically would save a significant amount of development time, cost and human effort. Solving this problem would be a huge step forward in the component-based software development. In this thesis, we concentrate on a subproblem of the composition problem, composition planning or synthesis, which is defined as finding a collection of useful components from the repository and the necessary communications among them to satisfy a requested functionality. For scalability purposes, we study automatic solutions to composition planning and propose two approaches in this regard. In one, we take advantage of graphs to model the repository, which is the collection of available components along with their behavioral specification. Graph search algorithms and a few composition-specific algorithms are used to find solutions for given component requests. In the other approach, we extend a logical reasoning algorithm and come up with algorithms for solving the composition planning problem. In both approaches we provide algorithms for finding the possibility of a composition, as well as finding the composition itself. We propose different types of composition and show how applying each would impact the behavior of a composite component. We provide the necessary formalism for capturing these types of composition through two different models: interface automata and composition algebra. Interface automata is an automaton-based model for representing the behavior of software components. The other model in this regard is composition algebra, which is an algebraic model based on CSP (Communicating Sequential Processes), CCS (Calculus of Communicating Systems), and interface automata. These formal models are used to validate the results returned by the composition approaches. We also compare the two composition approaches and show why each of them is suitable for specific types of the problem according to the repository attributes. We then evaluate the performance of the reasoning-based approach and provide some experimental results. In these experiments, we study how different attributes of the repository components could impact the performance of the reasoning-based approach in solving the composition planning problem.

Reuse is not a new concept in software engineering. Ideas, abstractions, and processes have been reused by programmers since the very early days of software development. In the beginning, since storage media was very expensive, software reuse was basically to serve computers and their mechanical resources, as it substantially conserved memory. When the limitations on physical resources started to diminish, software engineers began to invent reuse approaches to save human resources as well. In addition, as the size and complexity of software systems constantly grow, organized and systematic reuse becomes essential in order to develop those systems in timely and cost-effective fashion. That is one main reason why new technologies and approaches for building software systems, such as object-oriented and component-based development, emerged in the last two or three decades. The focus of this thesis is on software components as building blocks of today's software systems. We consider components as software black boxes whose specification and external behavior are known. We assume that this information can somehow be extracted for each deployed software component. The first and basic assumption then would be the availability of a searchable repository of software components and their external behavioral specifications. Web services are a good example of such components. The most important advantage of software components is that they can be reused repeatedly in building different software systems. Reuse presents challenging problems, one of which is studied in this thesis. This problem, the composition problem, simply is creating a composite component from a collection of available components that, by interacting with each other, provide a requested functionality. When there are a large number of components available to be reused, finding a solution to the composition problem manually would require a considerable time and human effort. This could make the search practically impossible or unwieldy. However, performing the search automatically would save a significant amount of development time, cost and human effort. Solving this problem would be a huge step forward in the component-based software development. In this thesis, we concentrate on a subproblem of the composition problem, composition planning or synthesis, which is defined as finding a collection of useful components from the repository and the necessary communications among them to satisfy a requested functionality. For scalability purposes, we study automatic solutions to composition planning and propose two approaches in this regard. In one, we take advantage of graphs to model the repository, which is the collection of available components along with their behavioral specification. Graph search algorithms and a few composition-specific algorithms are used to find solutions for given component requests. In the other approach, we extend a logical reasoning algorithm and come up with algorithms for solving the composition planning problem. In both approaches we provide algorithms for finding the possibility of a composition, as well as finding the composition itself. We propose different types of composition and show how applying each would impact the behavior of a composite component. We provide the necessary formalism for capturing these types of composition through two different models: interface automata and composition algebra. Interface automata is an automaton-based model for representing the behavior of software components. The other model in this regard is composition algebra, which is an algebraic model based on CSP (Communicating Sequential Processes), CCS (Calculus of Communicating Systems), and interface automata. These formal models are used to validate the results returned by the composition approaches. We also compare the two composition approaches and show why each of them is suitable for specific types of the problem according to the repository attributes. We then evaluate the performance of the reasoning-based approach and provide some experimental results. In these experiments, we study how different attributes of the repository components could impact the performance of the reasoning-based approach in solving the composition planning problem.

Die Konzepte zur Erstellung von Software-Produktlinien dienen der ingenieurmäßigen, unternehmensinternen Wiederverwendung existierender Software-Artefakte. Existierende Ansätze nutzen von Hand erstellte und gewartete Kompositionsprogramme zum Assemblieren der Produkte entsprechend einer Variantenauswahl. Der Einsatz einer automatischen Planungskomponente sowie eines einfachen, erweiterbaren Komponenten-Meta-Modells hilft dabei, die dabei anfallenden Daten computergestützt zu verarbeiten. Die Integration beider Konzepte zu einem hybriden Ansatz ermöglicht die Neuerstellung von Produkten, die nicht von Anfang an als Produktlinie konzipiert sind, ohne eine spätere Umarbeitung unter Nutzung der automatischen Planungskomponente unnötig zu erschweren.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με την εφαρμογή της υπολογιστικής νοημοσύνης στη μουσική, επιχειρώντας ταπεινά να συνεισφέρει, έστω και κατ' ελάχιστο, στην μακραίωνη πορεία της σύζευξης των μουσικών εννοιών με τα μαθηματικά. Οι τρεις πυλώνες πάνω στους οποίους στηρίζεται αυτή η διατριβή αφορούν τη χρήση μεθόδων υπολογιστικής νοημοσύνης για α) την εξέταση των μαθηματικών μουσικών χαρακτηριστικών με στόχο την επιτυχή κατηγοριοποίηση, αναγνώριση και χαρακτηρισμό περιεχομένου σε μουσικά κομμάτια, β) την ευφυή αυτόματη σύνθεση μουσικής βάσει μαθηματικών μουσικών χαρακτηριστικών και γ) τη διαδραστική ευφυή σύνθεση μουσικής και τις επεκτάσεις της. Ενώ οι τρεις αυτοί πυλώνες φαίνονται επιφανειακά ασύνδετοι, το κοινό τους θεμέλιο είναι τα μαθηματικά μουσικά χαρακτηριστικά και ο ρόλος που αυτά διαδραματίζουν έτσι ώστε να αναπτυχθούν μοντέλα υπολογιστικής νοημοσύνης που τελικά προσομοιάζουν τον τρόπο που οι άνθρωποι ``αντιλαμβάνονται'' τη μουσική. Το γεγονός ότι όλοι οι δίαυλοι έρευνας που παρουσιάζονται σε αυτή τη διατριβή διοχετεύονται στο ίδιο κανάλι, γίνεται φανερό στο τελευταίο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 9) όπου τα μαθηματικά μουσικά χαρακτηριστικά, η ευφυής σύνθεση μουσικής και η διαδραστική ευφυής σύνθεση μουσικής, ενσωματώνονται σε ένα καινοτόμο σύστημα που περιγράφεται λεπτομερώς στο εν λόγω κεφάλαιο. Επίσης, βασική μέριμνα των μελετών που παρουσιάζονται στης έρευνες που αποτελούν την παρούσα διατριβή ήταν η απόδοση αντικειμενικών, λεπτομερών και αμερόληπτων αποτελεσμάτων, μέσα από εξαντλητικές πειραματικές διαδικασίες, πολλές από τις οποίες περιείχαν και καθεαυτές νεοτερισμούς. Η επισήμανση της παραπάνω πρότασης θέλει να καταδείξει τη διαφοροποίηση της παρούσας διατριβής από την εν πολλοίς καθεστηκυία αντίληψη για τον τρόπο παρουσίασης των αποτελεσμάτων για τις μεθόδους αυτόματης σύνθεσης μουσικής, μέσα από την εμφάνιση τμημάτων από συνθέσεις (σε μορφή παρτιτούρας ή ήχου). Το πρώτο μέρος της διατριβής περιλαμβάνει τα Κεφάλαια 2 και 3, όπου μελετάται η κατηγοριοποίηση μουσικών κομματιών σε συμβολική μορφή, καθώς και η αναγνώριση και ο χαρακτηρισμός περιεχομένου από ηχογραφήσεις. Στόχος του μέρους αυτού είναι η παρουσίαση της καθοριστικότητας αφενός του χώρου του προφίλ τονικής τάξης για την ανάπτυξη μαθηματικών μουσικών χαρακτηριστικών που ενσωματώνουν την ανθρώπινη μουσική αντίληψη μέχρι ενός βαθμού, και αφετέρου η ανάδειξη της αποτελεσματικότητας των μεθόδων υπολογιστικής νοημοσύνης ως εργαλεία αποτελεσματικού εντοπισμού αυτής της ιδιότητας των προαναφερθέντων χαρακτηριστικών. Η συνεισφορά του πρώτου μέρους αφορά κυρίως την πρόταση νέων μεθοδολογιών που επιτελούν αποτελεσματικά προσομοιώσεις κατηγοριοποίησης κομματιών ανά συνθέτη ή είδος, αναγνώρισης περιεχομένου ηχογράφησης τυμπάνων και χαρακτηρισμού μουσικού ηχητικού υλικού με τμηματοποίηση σε περιοχές με διαφορετικό κλειδί σύνθεσης. Επίσης, στη συνεισφορά του μέρους αυτού μπορεί να ενταχθεί και η εισαγωγή και ανάλυση του πρωτεύοντος χρωματικού ιδιοχώρου. Το δεύτερο μέρος περιλαμβάνει τα Κεφάλαια 4, 5, 6 και 7, στα οποία αναλύεται η συνεισφορά της διατριβής στον τομέα της ευφυούς αυτόματης σύνθεσης μουσικής. Συγκεκριμένα, η συνεισφορά του Κεφαλαίου 4 είναι η πρόταση μιας κατηγοριοποίησης των ευφυών μεθόδων σύνθεσης σύμφωνα με το αποτέλεσμα που επιδιώκουν, προτείνοντας δηλαδή τις κατηγορίες των μη επιβλεπόμενων, των επιβλεπόμενων και των διαδραστικών συστημάτων ευφυούς σύνθεσης. Με αυτή την κατηγοριοποίηση ο αναγνώστης εισάγεται στα επόμενα κεφάλαια όπου περιγράφονται τα καινοτόμα συστήματα που προτάθηκαν, κυρίως για επιβλεπόμενη σύνθεση βάσει χαρακτηριστικών, για την ευφυή παραγωγή ρυθμών (Κεφάλαιο 5), τόνων (Κεφάλαιο 6), καθώς και για την ολοκλήρωση των συνθέσεων μέσω της έννοιας της οριζόντιας αντιγραφής ενορχήστρωσης και την ευφυή συνοδεία αυτοσχεδιαστή (Κεφάλαιο 7). Τα αποτελέσματα που παρέχονται για όλα τα συστήματα αυτού του μέρους εξετάζουν ενδελεχώς πολλές πτυχές των συνθετικών τους ιδιοτήτων, αποκαλύπτοντας τα σημεία υπεροχής τους αλλά και τις αδυναμίες τους. Στο τρίτο μέρος γίνεται η περιγραφή των διαδραστικών συστημάτων που μελετήθηκαν στη διατριβή, αναλύοντας όχι μόνο την ανάπτυξη των αλγόριθμων πίσω από τα συστήματα αυτά, αλλά εστιάζοντας κυρίως στα ουσιώδη ζητήματα που άπτονται της αντίληψης της ανθρώπινης μουσικής και της σύνδεσής της με την ευφυή-αυτόματη σύνθεση. Συγκεκριμένα, στο Κεφάλαιο 8 γίνεται αρχικά η παρουσίαση ενός καινοτόμου υπολογιστικού συστήματος που εξελίσσει διαδραστικά (με βαθμολογίες παρεχόμενες από τον χρήστη) συναρτήσεις με τη μέθοδο του γενετικού προγραμματισμού. Σκοπός του συστήματος αυτού είναι η παραγωγή κυματομορφών που ακούγονται γενιά με τη γενιά όλο και πιο ευχάριστες για την προσωπική του αισθητική του χρήστη. Μέσω αυτού του συστήματος προτάθηκε το ενδεχόμενο της άντλησης πληροφοριών για τα ηχητικά χαρακτηριστικά των μελωδιών σε διαφορετικά εξελικτικά στάδια - από τις μη εξελιγμένες και χαμηλά βαθμολογημένες στις εξελιγμένες και υψηλά βαθμολογημένες μελωδίες - έτσι ώστε να μελετηθεί το κατά πόσο τα ηχητικά χαρακτηριστικά αυτά μπορεί να παρέχουν ενδείξεις για την αισθητική αρτιότητα μιας μελωδίας. Αυτό το σύστημα επίσης αξιοποιήθηκε για την ανάπτυξη των γενετικών τελεστών προσαρμοσμένου βάθους, οι οποίοι, συνδυαζόμενοι με την παράμετρο ``παράγοντα ρίσκου'', δίνουν στον χρήστη έναν επιπλέον έλεγχο στην εξελικτική διαδικασία, απαλλάσσοντάς τον από ένα μέρος του φαινομένου της κόπωσης του χρήστη. Το τρίτο μέρος, και η ερευνητική διαδρομή αυτής της διατριβής, κλείνει με το Κεφάλαιο 9, όπου παρουσιάζεται ένα διαδραστικό σύστημα εξελικτικής σύνθεσης μουσικής σε δύο επίπεδα, το οποίο πέρα από το ότι συνδυάζει την έρευνα που έγινε σχεδόν σε ολόκληρη τη διατριβή, περιέχει επίσης νεοτερισμούς σε πολλά επίπεδα: από την κεντρική σύλληψη, την υλοποίηση, ως και τη διαδικασία εξαγωγής αποτελεσμάτων. Η κεντρική σύλληψη αφορά την εξέλιξη των μαθηματικών μουσικών χαρακτηριστικών που περιγράφουν μια μελωδία αντί για τη μελωδία καθεαυτή (ή το μοντέλο που την παράγει). Η υλοποίηση έγινε σε δύο επίπεδα, τον πάνω επίπεδο εξέλιξης χαρακτηριστικών και το κάτω επίπεδο ευφυούς επιβλεπόμενης σύνθεσης μουσικής με καινοτόμους αλγόριθμους και στα δύο επίπεδα. Τέλος, η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε, στην οποία προτάθηκε και υλοποιήθηκε η χρήση αυτόματων βαθμολογητών που προσομοιάζουν τη βαθμολογική συμπεριφορά των ανθρώπων, επέτρεψε την πλήρως αντικειμενική εξέταση των δυνατοτήτων του συστήματος να συγκλίνει στις βέλτιστες μελωδίες του χρήστη. / The PhD thesis at hand discusses the employment of computational intelligence in music, attempting to humbly commit a minimal contribution to the deep history of studies that relate music to mathematics. The three cornerstones upon which the thesis at hand is founded, discuss the employment of computational intelligence methods for a) the examination of musical-mathematical features towards classifying, identifying and characterising music content, b) intelligent music composition based on musical-mathematical features and c) interactive intelligent music composition and further developments. While at a first glance these three parts seem unrelated, their common keystone is the music-mathematical features and the role that these features play towards developing computational intelligence models which at some extent simulate the human ``perception’’ of music. The fact that all the research channels that are presented in this thesis, are finally led to a single stream, becomes evident in the final chapter of the thesis (Chapter 9) where the music-mathematical features, the intelligent music composition and the interactive music composition are embodied in an innovative system that is thoroughly described. Additionally, a main concern of the studies that comprise this thesis was the presentation of objective, detailed and unbiased results, achieved through exhaustive experimental processes, many of which were by themselves innovative. The latter comment intents to highlight the different approach that the research in this thesis follows, in comparison to the most common approaches concerning the presentation of experimental results for automatic music composition methods - which simply include small score or audio parts of automatically composed music. The first part of the thesis includes the Chapters 2 and 3, where the categorisation of music pieces in symbolic form is examined, as well as the identification and characterisation of music recordings. Aim of this part is on the hand to present the rich quality of information that can be extracted by several pitch class space-related features regarding human perception of music, while on the other hand to pinpoint the effectiveness of computational intelligence methods as tools to extract the aforementioned rich information. The first part’s contribution is primarily the presentation of novel methodologies that achieve effective categorisation of music pieces per composer or style, identify the content of drums recordings and characterise the content of recorded pieces by recognising locations of composition key changes. An additionally contribution of this part is the presentation and study of the principal chroma eigenspace. The second part encompasses Chapters 4, 5, 6 and 7, which discuss the contribution of this thesis in intelligent music composition. Specifically, the contribution of Chapter 4 includes a proposed categorisation of intelligent music composition methods based on their intended result, proposing their segregation to unsupervised, supervised and interactive intelligent music composition methodologies. Through this categorisation, an introduction to the subsequent chapters is achieved, which mainly discuss supervised intelligent music composition based on music-mathematical features for the generation of rhythmic sequences (Chapter 5), tonal sequences (Chapter 6), as well as integrated synthesis through the concept of horizontal orchestration replication and intelligent improviser accompaniment (Chapter 7). The results of the presented studies in this part constitute of exhausted research processes that examine different compositional aspects of the proposed methodologies, revealing their strengths and weaknesses over other methodologies presented in the literature. In the third part the interactive systems that were studied in the thesis are presented, not only by analysing the algorithmic development of the underlying methodologies, but mostly focussing on matters that pertain to the human perception and intelligent music composition. Specifically, in the beginning of Chapter 8 an innovative system is presented that evolves mathematical functions interactively (through user ratings), through genetic programming. Aim of this system is the generation and evolution of waveforms that sound more pleasant to the user, according to hers/his subjective criteria. This system allowed the proposition to obtain information about several audio features of the melodies in different evolutionary stages - from non evolved and low rated melodies to evolved and highly rated ones - in order to study whether these features incorporate indications about the aesthetic integrity of a melody. This system was also utilised towards the development of fitness-adaptive genetic operators, which, combined with the ``risk factor’’ parameter, gave the user additional control over the evolutionary process, alleviating user fatigue at a considerable extent. The third part, along with the research conducted in the context of this thesis, concludes with Chapter 9, where an interactive evolutionary intelligent music composition system is presented, that combines almost all research presented in the thesis up to that point. This chapter includes also several innovative research propositions in many levels: the core concept, the implementation and the experimental process. The core concept discusses the evolution of music-mathematical features that describe a melody, rather than evolving the melody per se (or the model that generates it). The implementation incorporated two levels of serial evolution: the upper level of feature evolution and the lower level of supervised intelligent music composition, with novel algorithms in both levels. Finally, the experimental process that was developed - in the context of which the utilisation of automatic raters that simulate human behaviour was proposed - allowed a completely subjective evaluation of the systems capabilities, regarding its convergence to the optimal melodies of the user’s subjective preference.

Die Konzepte zur Erstellung von Software-Produktlinien dienen der ingenieurmäßigen, unternehmensinternen Wiederverwendung existierender Software-Artefakte. Existierende Ansätze nutzen von Hand erstellte und gewartete Kompositionsprogramme zum Assemblieren der Produkte entsprechend einer Variantenauswahl. Der Einsatz einer automatischen Planungskomponente sowie eines einfachen, erweiterbaren Komponenten-Meta-Modells hilft dabei, die dabei anfallenden Daten computergestützt zu verarbeiten. Die Integration beider Konzepte zu einem hybriden Ansatz ermöglicht die Neuerstellung von Produkten, die nicht von Anfang an als Produktlinie konzipiert sind, ohne eine spätere Umarbeitung unter Nutzung der automatischen Planungskomponente unnötig zu erschweren.