Fußverkehr findet im gesamten öffentlichen Raum statt und ermöglicht die lückenlose Verbindung von Tür zu Tür. Jeder Mensch steht vor Beginn einer Fortbewegung vor den Fragen „Wo bin ich?“, „Wo liegt mein Ziel?“ und „Wie komme ich dahin?“. Ein Großteil der auf dem Markt befindlichen Navigationssysteme für Fußgänger stellen reduzierte Varianten aus Fahrzeugen dar und basieren auf 2D- Kartendarstellungen oder bilden die Realität als dreidimensionales Modell ab. Navigationsprobleme entstehen dann, wenn es dem Nutzer nicht gelingt, die Information aus der Anweisung auf die Wirklichkeit zu beziehen und umzusetzen. Ein möglicher Grund dafür liegt in der Visualisierung der Navigationsanweisung. Die räumliche Wahrnehmung des Menschen erfolgt ausgehend von einem bestimmten Betrachtungsstandpunkt und bringt die Lage von Objekten und deren Beziehung zueinander zum Ausdruck. Der Einsatz von Augmented Reality (erweiterte Realität) entspricht dem Erscheinungsbild der menschlichen Wahrnehmung und ist für Menschen eine natürliche und zugleich vertraute Ansichtsform. Im Unterschied zu kartographischer Visualisierung wird die Umwelt mittels Augmented Reality nicht modelliert, sondern realitätsgetreu abgebildet und ergänzt. Das Ziel dieser Arbeit ist ein Navigationsverfahren, das der natürlichen Fort-bewegung und Sichtweise von Fußgängern gerecht wird. Das Konzept basiert auf dem Einsatz einer Kombination aus Realität und virtueller Realität zu einer erweiterten Ansicht. Da keine Darstellungsform als die Route selbst besser geeignet ist, um einen Routenverlauf zu beschreiben, wird die Realität durch eine virtuelle Route erweitert. Die perspektivische Anpassung der Routendarstellung erfordert die sensorische Erfassung der Position und Lage des Betrachtungsstandpunktes. Das der Navigation zu Grunde liegende Datenmodell bleibt dem Betrachter dabei verborgen und ist nur in Form der erweiterten Realität sichtbar. Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Prototyp trägt die Bezeichnung RealityView. Die Basis bildet ein freies und quelloffenes Navigationssystem, das für die Fußgängernavigation modular erweitert wurde. Das Ergebnis ist ein smartphonebasierter Navigationsprototyp, in dem die Ansichtsform einer zweidimensionalen Bildschirmkarte im Grundriss und die Darstellung einer erweiterten Realität im Aufriss kombiniert werden. Die Evaluation des Prototyps bestätigt die Hypothese, dass der Einsatz von Augmented Reality für die Navigation von Fußgängern möglich ist und von der Nutzergruppe akzeptiert wird. Darüber hinaus bescheinigen Wissenschaftler im Rahmen von Experten-interviews den konzeptionellen Ansatz und die prototypische Umsetzung des RealityView. Die Auswertung einer Eye-Tracking-Pilotstudie erbrachte den Nachweis, dass Fußgänger die Navigationsanweisung auf markante Objekte der Umwelt beziehen, deren Auswahl durch den Einsatz von Augmented Reality begünstigt wird. / Pedestrian traffic takes place in public spaces and provides a seamless connection from door to door. Right before the start of a movement, every human being faces the following questions "Where am I?", "What is my goal?" and "How do I get there?". Existing navigation systems for pedestrians are based on 2D map representations or depict reality as a three-dimensional model. As a result, the majority of the systems on the market for pedestrians are smaller versions of vehicle navigation systems. Navigation problems can occur if the user is unable to relate the information of an instruction to reality and cannot implement it. One possible reason for this is the visualization of the navigation instruction. Peoples spatial perception takes place from their own perspective and shows how objects are positioned and how they are related to each other. The use of Augmented Reality corresponds to the appearance of human perception, and this is a natural and yet familiar view. Compared to cartographic visualization techniques reality is not modeled but mapped realistically and refers to the environment. The concept of this thesis is directly linked to the current state of research and examines the use of a simple method and target group-oriented representation, which meets the natural movement of pedestrians. Its central focus is the combination of reality and virtual reality to a common view. This view will be extended by a virtual route representation, which follows the route course in reality. No other form of representation is better suited to explain the course of a route than the route itself. The perspective adjustment and the calculation of the virtual image scene require a data model, which remains hidden from the viewer and only appears in form of a virtual route. The navigation prototype, which is developed in this study, is based on Augmented Reality and is called RealityView. Its base is a free and open source navigation platform, which was expanded modularly into a pedestrian navigation system. The result is a smartphone-based navigation prototype, which combines the two forms of a two-dimensional screen map in plan with the illustration of an Augmented Reality in elevation. The validation of the prototype confirms the hypothesis that the use of Augmented Reality for pedestrian navigation is possible and is also accepted by the user group. In addition, in interviews with experts scientists have confirmed the conceptual approach and the implementation of the RealityView-prototype. The evaluation of an eye-tracking pilot study proved that the use of Augmented Reality favors the selection of prominent objects in the environment.

Business process models are used within a range of organizational initiatives, where every stakeholder has a unique perspective on a process and demands the respective model. As a consequence, multiple process models capturing the very same business process coexist. Keeping such models in sync is a challenge within an ever changing business environment: once a process is changed, all its models have to be updated. Due to a large number of models and their complex relations, model maintenance becomes error-prone and expensive. Against this background, business process model abstraction emerged as an operation reducing the number of stored process models and facilitating model management. Business process model abstraction is an operation preserving essential process properties and leaving out insignificant details in order to retain information relevant for a particular purpose. Process model abstraction has been addressed by several researchers. The focus of their studies has been on particular use cases and model transformations supporting these use cases. This thesis systematically approaches the problem of business process model abstraction shaping the outcome into a framework. We investigate the current industry demand in abstraction summarizing it in a catalog of business process model abstraction use cases. The thesis focuses on one prominent use case where the user demands a model with coarse-grained activities and overall process ordering constraints. We develop model transformations that support this use case starting with the transformations based on process model structure analysis. Further, abstraction methods considering the semantics of process model elements are investigated. First, we suggest how semantically related activities can be discovered in process models-a barely researched challenge. The thesis validates the designed abstraction methods against sets of industrial process models and discusses the method implementation aspects. Second, we develop a novel model transformation, which combined with the related activity discovery allows flexible non-hierarchical abstraction. In this way this thesis advocates novel model transformations that facilitate business process model management and provides the foundations for innovative tool support. / Geschäftsprozessmodelle werden in einer Fülle organisatorischer Initiativen eingesetzt, wobei verschiedene Stakeholder individuelle Ansprüche an die Sicht auf den jeweiligen Prozess haben. Dies führt dazu, dass zu einem Geschäftsprozess eine Vielzahl unterschiedlicher Modelle existiert. In einer sich ständig verändernden Geschäftsumgebung ist es daher schwierig, diese Vielzahl von Modellen konsistent zu halten: Ändert sich sich ein Prozess, müssen alle Modelle, die ihn beschreiben, aktualisiert werden. Aufgrund der schieren Menge an Prozessmodellen und ihrer komplexen Beziehungen zueinander, erhöhen sich Aufwand und Kosten zur Pflege aller Modelle enorm. Vor diesem Hintergrund ermöglicht die Abstraktion von Geschäftsprozessmodellen, die Menge der Modelle zu reduzieren und damit ihre Verwaltung zu vereinfachen. Abstraktion von Geschäftsprozessmodellen bezeichnet eine Transformation eines Prozessmodells, so dass es für einen bestimmten Zweck besonders geeignet ist. Bei der Abstraktion von Geschäftsprozessen bleiben essentielle Eigenschaften eines Modells erhalten, während irrelevante Eigenschaften verworfen werden. Mehrere Studien stellen Prozessmodellabstraktion in den Fokus und konzentrieren sich auf konkrete Anwendungsfälle, für die sie geeignete Transformationen entwickelt haben. Diese Dissertation untersucht das Problem der Prozessmodellabstraktion und systematisiert die Lösung in einem Framework. Aktuelle Anforderungen der Industrie an die Abstraktion von Prozessmodellen wurden recherchiert und in einem Katalog von Anwendungsfällen zusammengefasst, von denen ein besonderer für die weiteren Untersuchungen ausgewählt wurde. In diesem Fall erwartet der Nutzer ein Modell niedrigeren Detailgrades, in welchem die Kontrollflussbeziehungen des Ursprungsmodells erhalten bleiben. Beginnend bei Modelltransformationen, die auf der Analyse der Prozessmodellstruktur aufbauen, entwickeln wir neuartige Abstraktionsoperationen zur Unterstützung dieses Anwendungsfalles. Darüber hinaus untersuchen wir Abstraktionsmethoden, welche die Semantik von Prozessmodellelementen berücksichtigen. Zum einen zeigen wir, wie Aktivitäten ermittelt werden können, die miteinander in semantischer Beziehung stehen - ein Problem, das bisher nur unzureichend betrachtet wurde. Die vorgeschlagenen Methoden werden mithilfe industrieller Prozessmodellsammlungen validiert und deren Umsetzung diskutiert. Zum anderen schlagen wir eine innovative Modelltransformation zur nicht-hierarchischen Abstraktion von Prozessmodellen vor. Dieser liegt die Ermittlung in Beziehung stehender Aktivitäten zugrunde. Demzufolge präsentiert diese Arbeit eine originäre Methode zur Prozessmodellabstraktion, die die Verwaltung von Geschäftsprozessmodellen vereinfacht und den Grundstein für innovative Softwarewerkzeuge legt.

Requirements engineers have to elicit, document, and validate how stakeholders act and interact to achieve their common goals in collaborative scenarios. Only after gathering all information concerning who interacts with whom to do what and why, can a software system be designed and realized which supports the stakeholders to do their work. To capture and structure requirements of different (groups of) stakeholders, scenario-based approaches have been widely used and investigated. Still, the elicitation and validation of requirements covering collaborative scenarios remains complicated, since the required information is highly intertwined, fragmented, and distributed over several stakeholders. Hence, it can only be elicited and validated collaboratively. In times of globally distributed companies, scheduling and conducting workshops with groups of stakeholders is usually not feasible due to budget and time constraints. Talking to individual stakeholders, on the other hand, is feasible but leads to fragmented and incomplete stakeholder scenarios. Going back and forth between different individual stakeholders to resolve this fragmentation and explore uncovered alternatives is an error-prone, time-consuming, and expensive task for the requirements engineers. While formal modeling methods can be employed to automatically check and ensure consistency of stakeholder scenarios, such methods introduce additional overhead since their formal notations have to be explained in each interaction between stakeholders and requirements engineers. Tangible prototypes as they are used in other disciplines such as design, on the other hand, allow designers to feasibly validate and iterate concepts and requirements with stakeholders. This thesis proposes a model-based approach for prototyping formal behavioral specifications of stakeholders who are involved in collaborative scenarios. By simulating and animating such specifications in a remote domain-specific visualization, stakeholders can experience and validate the scenarios captured so far, i.e., how other stakeholders act and react. This interactive scenario simulation is referred to as a model-based virtual prototype. Moreover, through observing how stakeholders interact with a virtual prototype of their collaborative scenarios, formal behavioral specifications can be automatically derived which complete the otherwise fragmented scenarios. This, in turn, enables requirements engineers to elicit and validate collaborative scenarios in individual stakeholder sessions – decoupled, since stakeholders can participate remotely and are not forced to be available for a joint session at the same time. This thesis discusses and evaluates the feasibility, understandability, and modifiability of model-based virtual prototypes. Similarly to how physical prototypes are perceived, the presented approach brings behavioral models closer to being tangible for stakeholders and, moreover, combines the advantages of joint stakeholder sessions and decoupled sessions. / Anforderungsingenieure erheben, dokumentieren und validieren wie Bedarfsträger in einzelnen und gemeinsamen Aktivitäten die Ziele ihrer kollaborativen Szenarios erreichen. Auf Grundlage von Angaben darüber, wer warum mit wem zusammen was erledigt, kann anschließend ein Softwaresystem spezifiziert und umgesetzt werden, welches die Bedarfsträger bei der Durchführung ihrer Abläufe unterstützt. Um Anforderungen verschiedener (Gruppen von) Bedarfsträger zu erfassen und zu strukturieren, werden szenariobasierte Ansätze genutzt und erforscht. Die Erhebung und Validierung von Anforderungen, die kollaborative Szenarios abdecken, ist dennoch kompliziert, da derartige Informationen hochgradig verknüpft, fragmentiert und über mehrere Bedarfsträger verteilt sind, wodurch sie nur in Gruppensitzungen effizient erhoben und validiert werden können. In Zeiten global verteilter Firmen ist die Planung und Durchführung solcher Workshops mit Gruppen von Bedarfsträgern nur selten praktikabel. Mit einzelnen Bedarfsträgern zu sprechen ist hingegen oft realisierbar, führt aber zu fragmentierten, unvollständigen Szenariobeschreibungen. Durch eine Vielzahl von Einzelgesprächen mit wechselnden Bedarfsträgern kann diese Fragmentierung aufgelöst werden – dies ist aber eine fehleranfällige und zeitaufwändige Aufgabe. Zwar bieten formale Modellierungsmethoden z.B. automatische Konsistenzchecks für Szenarios, doch führen derartige Methoden zu Mehraufwand in allen Gesprächen mit Bedarfsträgern, da diesen die verwendeten formalen Notationen jedes Mal erläutert werden müssen. Handfeste Prototypen, wie sie in anderen Disziplinen eingesetzt werden, ermöglichen es Designern, ihre Konzepte und erhobenen Anforderungen ohne viel Aufwand mit Bedarfsträgern zu validieren und zu iterieren. In dieser Dissertation wird ein modellbasierter Generierungsansatz vorgeschlagen, der kollaborative Szenarios prototypisch auf Grundlage von formalen Verhaltensmodellen für die beteiligten Bedarfsträger darstellt. Durch die Simulation dieses Verhaltens und dessen Animation innerhalb einer webbasierten, domänenspezifischen Visualisierung, können Bedarfsträger diese Modelle erleben und die bisher erfassten Szenarios validieren. Eine derartige interaktive Szenariosimulation wird als modellbasierter virtueller Prototyp bezeichnet. Basierend auf den Interaktionen zwischen Bedarfsträgern und einem virtuellen Prototypen ihrer Szenarios können zudem formale Verhaltensspezifikationen automatisch abgeleitet werden, die wiederum die fragmentierten kollaborativen Szenarios vervollständigen. Dies ermöglicht es den Anforderungsingenieuren, die kollaborativen Szenarios in individuellen Sitzungen mit einzelnen Bedarfsträgern zu erheben und zu validieren – entkoppelt voneinander, da Bedarfsträger webbasiert teilnehmen können und dabei nicht darauf angewiesen sind, dass andere Bedarfsträger ebenfalls in der gleichen Sitzung teilnehmen. Diese Dissertation diskutiert und evaluiert die Machbarkeit, Verständlichkeit sowie die Änderbarkeit der modellbasierten virtuellen Prototypen. Auf die gleiche Art wie physikalische Prototypen wahrgenommen werden, erlaubt es der vorgestellte Ansatz, Verhaltensmodelle für Bedarfsträger erlebbar zu machen und so die Vorteile von Gruppensitzungen mit denen entkoppelter Sitzungen zu verbinden.

This thesis presents novel ideas and research findings for the Web of Data – a global data space spanning many so-called Linked Open Data sources. Linked Open Data adheres to a set of simple principles to allow easy access and reuse for data published on the Web. Linked Open Data is by now an established concept and many (mostly academic) publishers adopted the principles building a powerful web of structured knowledge available to everybody. However, so far, Linked Open Data does not yet play a significant role among common web technologies that currently facilitate a high-standard Web experience. In this work, we thoroughly discuss the state-of-the-art for Linked Open Data and highlight several shortcomings – some of them we tackle in the main part of this work. First, we propose a novel type of data source meta-information, namely the topics of a dataset. This information could be published with dataset descriptions and support a variety of use cases, such as data source exploration and selection. For the topic retrieval, we present an approach coined Annotated Pattern Percolation (APP), which we evaluate with respect to topics extracted from Wikipedia portals. Second, we contribute to entity linking research by presenting an optimization model for joint entity linking, showing its hardness, and proposing three heuristics implemented in the LINked Data Alignment (LINDA) system. Our first solution can exploit multi-core machines, whereas the second and third approach are designed to run in a distributed shared-nothing environment. We discuss and evaluate the properties of our approaches leading to recommendations which algorithm to use in a specific scenario. The distributed algorithms are among the first of their kind, i.e., approaches for joint entity linking in a distributed fashion. Also, we illustrate that we can tackle the entity linking problem on the very large scale with data comprising more than 100 millions of entity representations from very many sources. Finally, we approach a sub-problem of entity linking, namely the alignment of concepts. We again target a method that looks at the data in its entirety and does not neglect existing relations. Also, this concept alignment method shall execute very fast to serve as a preprocessing for further computations. Our approach, called Holistic Concept Matching (HCM), achieves the required speed through grouping the input by comparing so-called knowledge representations. Within the groups, we perform complex similarity computations, relation conclusions, and detect semantic contradictions. The quality of our result is again evaluated on a large and heterogeneous dataset from the real Web. In summary, this work contributes a set of techniques for enhancing the current state of the Web of Data. All approaches have been tested on large and heterogeneous real-world input. / Die vorliegende Arbeit stellt neue Ideen sowie Forschungsergebnisse für das Web of Data vor. Hierbei handelt es sich um ein globales Netz aus sogenannten Linked Open Data (LOD) Quellen. Diese Datenquellen genügen gewissen Prinzipien, um Nutzern einen leichten Zugriff über das Internet und deren Verwendung zu ermöglichen. LOD ist bereits weit verbreitet und es existiert eine Vielzahl von Daten-Veröffentlichungen entsprechend der LOD Prinzipien. Trotz dessen ist LOD bisher kein fester Baustein des Webs des 21. Jahrhunderts. Die folgende Arbeit erläutert den aktuellen Stand der Forschung und Technik für Linked Open Data und identifiziert dessen Schwächen. Einigen Schwachstellen von LOD widmen wir uns in dem darauf folgenden Hauptteil. Zu Beginn stellen wir neuartige Metadaten für Datenquellen vor – die Themen von Datenquellen (engl. Topics). Solche Themen könnten mit Beschreibungen von Datenquellen veröffentlicht werden und eine Reihe von Anwendungsfällen, wie das Auffinden und Explorieren relevanter Daten, unterstützen. Wir diskutieren unseren Ansatz für die Extraktion dieser Metainformationen – die Annotated Pattern Percolation (APP). Experimentelle Ergebnisse werden mit Themen aus Wikipedia Portalen verglichen. Des Weiteren ergänzen wir den Stand der Forschung für das Auffinden verschiedener Repräsentationen eines Reale-Welt-Objektes (engl. Entity Linking). Für jenes Auffinden werden nicht nur lokale Entscheidungen getroffen, sondern es wird die Gesamtheit der Objektbeziehungen genutzt. Wir diskutieren unser Optimierungsmodel, beweisen dessen Schwere und präsentieren drei Ansätze zur Berechnung einer Lösung. Alle Ansätze wurden im LINked Data Alignment (LINDA) System implementiert. Die erste Methode arbeitet auf einer Maschine, kann jedoch Mehrkern-Prozessoren ausnutzen. Die weiteren Ansätze wurden für Rechnercluster ohne gemeinsamen Speicher entwickelt. Wir evaluieren unsere Ergebnisse auf mehr als 100 Millionen Entitäten und erläutern Vor- sowie Nachteile der jeweiligen Ansätze. Im verbleibenden Teil der Arbeit behandeln wir das Linking von Konzepten – ein Teilproblem des Entity Linking. Unser Ansatz, Holistic Concept Matching (HCM), betrachtet abermals die Gesamtheit der Daten. Wir gruppieren die Eingabe um eine geringe Laufzeit bei der Verarbeitung von mehreren Hunderttausenden Konzepten zu erreichen. Innerhalb der Gruppen berechnen wir komplexe Ähnlichkeiten, und spüren semantische Schlussfolgerungen und Widersprüche auf. Die Qualität des Ergebnisses evaluieren wir ebenfalls auf realen Datenmengen. Zusammenfassend trägt diese Arbeit zum aktuellen Stand der Forschung für das Web of Data bei. Alle diskutierten Techniken wurden mit realen, heterogenen und großen Datenmengen getestet.

Learning a model for the relationship between the attributes and the annotated labels of data examples serves two purposes. Firstly, it enables the prediction of the label for examples without annotation. Secondly, the parameters of the model can provide useful insights into the structure of the data. If the data has an inherent partitioned structure, it is natural to mirror this structure in the model. Such mixture models predict by combining the individual predictions generated by the mixture components which correspond to the partitions in the data. Often the partitioned structure is latent, and has to be inferred when learning the mixture model. Directly evaluating the accuracy of the inferred partition structure is, in many cases, impossible because the ground truth cannot be obtained for comparison. However it can be assessed indirectly by measuring the prediction accuracy of the mixture model that arises from it. This thesis addresses the interplay between the improvement of predictive accuracy by uncovering latent cluster structure in data, and further addresses the validation of the estimated structure by measuring the accuracy of the resulting predictive model. In the application of filtering unsolicited emails, the emails in the training set are latently clustered into advertisement campaigns. Uncovering this latent structure allows filtering of future emails with very low false positive rates. In order to model the cluster structure, a Bayesian clustering model for dependent binary features is developed in this thesis. Knowing the clustering of emails into campaigns can also aid in uncovering which emails have been sent on behalf of the same network of captured hosts, so-called botnets. This association of emails to networks is another layer of latent clustering. Uncovering this latent structure allows service providers to further increase the accuracy of email filtering and to effectively defend against distributed denial-of-service attacks. To this end, a discriminative clustering model is derived in this thesis that is based on the graph of observed emails. The partitionings inferred using this model are evaluated through their capacity to predict the campaigns of new emails. Furthermore, when classifying the content of emails, statistical information about the sending server can be valuable. Learning a model that is able to make use of it requires training data that includes server statistics. In order to also use training data where the server statistics are missing, a model that is a mixture over potentially all substitutions thereof is developed. Another application is to predict the navigation behavior of the users of a website. Here, there is no a priori partitioning of the users into clusters, but to understand different usage scenarios and design different layouts for them, imposing a partitioning is necessary. The presented approach simultaneously optimizes the discriminative as well as the predictive power of the clusters. Each model is evaluated on real-world data and compared to baseline methods. The results show that explicitly modeling the assumptions about the latent cluster structure leads to improved predictions compared to the baselines. It is beneficial to incorporate a small number of hyperparameters that can be tuned to yield the best predictions in cases where the prediction accuracy can not be optimized directly. / Das Lernen eines Modells für den Zusammenhang zwischen den Eingabeattributen und annotierten Zielattributen von Dateninstanzen dient zwei Zwecken. Einerseits ermöglicht es die Vorhersage des Zielattributs für Instanzen ohne Annotation. Andererseits können die Parameter des Modells nützliche Einsichten in die Struktur der Daten liefern. Wenn die Daten eine inhärente Partitionsstruktur besitzen, ist es natürlich, diese Struktur im Modell widerzuspiegeln. Solche Mischmodelle generieren Vorhersagen, indem sie die individuellen Vorhersagen der Mischkomponenten, welche mit den Partitionen der Daten korrespondieren, kombinieren. Oft ist die Partitionsstruktur latent und muss beim Lernen des Mischmodells mitinferiert werden. Eine direkte Evaluierung der Genauigkeit der inferierten Partitionsstruktur ist in vielen Fällen unmöglich, weil keine wahren Referenzdaten zum Vergleich herangezogen werden können. Jedoch kann man sie indirekt einschätzen, indem man die Vorhersagegenauigkeit des darauf basierenden Mischmodells misst. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Zusammenspiel zwischen der Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit durch das Aufdecken latenter Partitionierungen in Daten, und der Bewertung der geschätzen Struktur durch das Messen der Genauigkeit des resultierenden Vorhersagemodells. Bei der Anwendung des Filterns unerwünschter E-Mails sind die E-Mails in der Trainingsmende latent in Werbekampagnen partitioniert. Das Aufdecken dieser latenten Struktur erlaubt das Filtern zukünftiger E-Mails mit sehr niedrigen Falsch-Positiv-Raten. In dieser Arbeit wird ein Bayes'sches Partitionierunsmodell entwickelt, um diese Partitionierungsstruktur zu modellieren. Das Wissen über die Partitionierung von E-Mails in Kampagnen hilft auch dabei herauszufinden, welche E-Mails auf Veranlassen des selben Netzes von infiltrierten Rechnern, sogenannten Botnetzen, verschickt wurden. Dies ist eine weitere Schicht latenter Partitionierung. Diese latente Struktur aufzudecken erlaubt es, die Genauigkeit von E-Mail-Filtern zu erhöhen und sich effektiv gegen verteilte Denial-of-Service-Angriffe zu verteidigen. Zu diesem Zweck wird in dieser Arbeit ein diskriminatives Partitionierungsmodell hergeleitet, welches auf dem Graphen der beobachteten E-Mails basiert. Die mit diesem Modell inferierten Partitionierungen werden via ihrer Leistungsfähigkeit bei der Vorhersage der Kampagnen neuer E-Mails evaluiert. Weiterhin kann bei der Klassifikation des Inhalts einer E-Mail statistische Information über den sendenden Server wertvoll sein. Ein Modell zu lernen das diese Informationen nutzen kann erfordert Trainingsdaten, die Serverstatistiken enthalten. Um zusätzlich Trainingsdaten benutzen zu können, bei denen die Serverstatistiken fehlen, wird ein Modell entwickelt, das eine Mischung über potentiell alle Einsetzungen davon ist. Eine weitere Anwendung ist die Vorhersage des Navigationsverhaltens von Benutzern einer Webseite. Hier gibt es nicht a priori eine Partitionierung der Benutzer. Jedoch ist es notwendig, eine Partitionierung zu erzeugen, um verschiedene Nutzungsszenarien zu verstehen und verschiedene Layouts dafür zu entwerfen. Der vorgestellte Ansatz optimiert gleichzeitig die Fähigkeiten des Modells, sowohl die beste Partition zu bestimmen als auch mittels dieser Partition Vorhersagen über das Verhalten zu generieren. Jedes Modell wird auf realen Daten evaluiert und mit Referenzmethoden verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass das explizite Modellieren der Annahmen über die latente Partitionierungsstruktur zu verbesserten Vorhersagen führt. In den Fällen bei denen die Vorhersagegenauigkeit nicht direkt optimiert werden kann, erweist sich die Hinzunahme einer kleinen Anzahl von übergeordneten, direkt einstellbaren Parametern als nützlich.

Die Komplexität heutiger Geschäftsabläufe und die Menge der zu verwaltenden Daten stellen hohe Anforderungen an die Entwicklung und Wartung von Geschäftsanwendungen. Ihr Umfang entsteht unter anderem aus der Vielzahl von Modellentitäten und zugehörigen Nutzeroberflächen zur Bearbeitung und Analyse der Daten. Dieser Bericht präsentiert neuartige Konzepte und deren Umsetzung zur Vereinfachung der Entwicklung solcher umfangreichen Geschäftsanwendungen. Erstens: Wir schlagen vor, die Datenbank und die Laufzeitumgebung einer dynamischen objektorientierten Programmiersprache zu vereinen. Hierzu organisieren wir die Speicherstruktur von Objekten auf die Weise einer spaltenorientierten Hauptspeicherdatenbank und integrieren darauf aufbauend Transaktionen sowie eine deklarative Anfragesprache nahtlos in dieselbe Laufzeitumgebung. Somit können transaktionale und analytische Anfragen in derselben objektorientierten Hochsprache implementiert werden, und dennoch nah an den Daten ausgeführt werden. Zweitens: Wir beschreiben Programmiersprachkonstrukte, welche es erlauben, Nutzeroberflächen sowie Nutzerinteraktionen generisch und unabhängig von konkreten Modellentitäten zu beschreiben. Um diese abstrakte Beschreibung nutzen zu können, reichert man die Domänenmodelle um vormals implizite Informationen an. Neue Modelle müssen nur um einige Informationen erweitert werden um bereits vorhandene Nutzeroberflächen und -interaktionen auch für sie verwenden zu können. Anpassungen, die nur für ein Modell gelten sollen, können unabhängig vom Standardverhalten, inkrementell, definiert werden. Drittens: Wir ermöglichen mit einem weiteren Programmiersprachkonstrukt die zusammenhängende Beschreibung von Abläufen der Anwendung, wie z.B. Bestellprozesse. Unser Programmierkonzept kapselt Nutzerinteraktionen in synchrone Funktionsaufrufe und macht somit Prozesse als zusammenhängende Folge von Berechnungen und Interaktionen darstellbar. Viertens: Wir demonstrieren ein Konzept, wie Endnutzer komplexe analytische Anfragen intuitiver formulieren können. Es basiert auf der Idee, dass Endnutzer Anfragen als Konfiguration eines Diagramms sehen. Entsprechend beschreibt ein Nutzer eine Anfrage, indem er beschreibt, was sein Diagramm darstellen soll. Nach diesem Konzept beschriebene Diagramme enthalten ausreichend Informationen, um daraus eine Anfrage generieren zu können. Hinsichtlich der Ausführungsdauer sind die generierten Anfragen äquivalent zu Anfragen, die mit konventionellen Anfragesprachen formuliert sind. Das Anfragemodell setzen wir in einem Prototypen um, der auf den zuvor eingeführten Konzepten aufsetzt.

Business processes are fundamental to the operations of a company. Each product manufactured and every service provided is the result of a series of actions that constitute a business process. Business process management is an organizational principle that makes the processes of a company explicit and offers capabilities to implement procedures, control their execution, analyze their performance, and improve them. Therefore, business processes are documented as process models that capture these actions and their execution ordering, and make them accessible to stakeholders. As these models are an essential knowledge asset, they need to be managed effectively. In particular, the discovery and reuse of existing knowledge becomes challenging in the light of companies maintaining hundreds and thousands of process models. In practice, searching process models has been solved only superficially by means of free-text search of process names and their descriptions. Scientific contributions are limited in their scope, as they either present measures for process similarity or elaborate on query languages to search for particular aspects. However, they fall short in addressing efficient search, the presentation of search results, and the support to reuse discovered models. This thesis presents a novel search method, where a query is expressed by an exemplary business process model that describes the behavior of a possible answer. This method builds upon a formal framework that captures and compares the behavior of process models by the execution ordering of actions. The framework contributes a conceptual notion of behavioral distance that quantifies commonalities and differences of a pair of process models, and enables process model search. Based on behavioral distances, a set of measures is proposed that evaluate the quality of a particular search result to guide the user in assessing the returned matches. A projection of behavioral aspects to a process model enables highlighting relevant fragments that led to a match and facilitates its reuse. The thesis further elaborates on two search techniques that provide concrete behavioral distance functions as an instantiation of the formal framework. Querying enables search with a notion of behavioral inclusion with regard to the query. In contrast, similarity search obtains process models that are similar to a query, even if the query is not precisely matched. For both techniques, indexes are presented that enable efficient search. Methods to evaluate the quality and performance of process model search are introduced and applied to the techniques of this thesis. They show good results with regard to human assessment and scalability in a practical setting. / Geschäftsprozesse bilden die Grundlage eines jeden Unternehmens, da jedes Produkt und jede Dienstleistung das Ergebnis einer Reihe von Arbeitsschritten sind, deren Ablauf einen Geschäftsprozess darstellen. Das Geschäftsprozessmanagement rückt diese Prozesse ins Zentrum der Betrachtung und stellt Methoden bereit, um Prozesse umzusetzen, abzuwickeln und, basierend auf einer Auswertung ihrer Ausführung, zu verbessern. Zu diesem Zweck werden Geschäftsprozesse in Form von Prozessmodellen dokumentiert, welche die auszuführenden Arbeitsschritte und ihre Ausführungsbeziehungen erfassen und damit eine wesentliche Grundlage des Geschäftsprozessmanagements bilden. Um dieses Wissen verwerten zu können, muss es gut organisiert und leicht auffindbar sein – eine schwierige Aufgabe angesichts hunderter bzw. tausender Prozessmodelle, welche moderne Unternehmen unterhalten. In der Praxis haben sich bisher lediglich einfache Suchmethoden etabliert, zum Beispiel Freitextsuche in Prozessbeschreibungen. Wissenschaftliche Ansätze hingegen betrachten Ähnlichkeitsmaße und Anfragesprachen für Prozessmodelle, vernachlässigen dabei aber Maßnahmen zur effizienten Suche, sowie die verständliche Wiedergabe eines Suchergebnisses und Hilfestellungen für dessen Verwendung. Diese Dissertation stellt einen neuen Ansatz für die Prozessmodellsuche vor, wobei statt einer Anfragesprache Prozessmodelle zur Formulierung einer Anfrage verwendet werden, welche exemplarisch das Verhalten der gesuchten Prozesse beschreiben. Dieser Ansatz fußt auf einem formalen Framework, welches ein konzeptionelles Distanzmaß zur Bewertung gemeinsamen Verhaltens zweier Geschäftsprozesse definiert und die Grundlage zur Suche bildet. Darauf aufbauend werden Qualitätsmaße vorgestellt, die einem Benutzer bei der Bewertung von Suchergebnissen behilflich sind. Verhaltensausschnitte, die zur Aufnahme in das Suchergebnis geführt haben, können im Prozessmodell hervorgehoben werden. Die Arbeit führt zwei Suchtechniken ein, die konkrete Distanzmaße einsetzen, um Prozesse zu suchen, die das Verhalten einer Anfrage exakt enthalten (Querying), oder diesem in Bezug auf das Verhalten ähnlich sind (Similarity Search). Für beide Techniken werden Indexstrukturen vorgestellt, die effizientes Suchen ermöglichen. Abschließend werden allgemeine Methoden zur Evaluierung von Prozessmodellsuchansätzen vorgestellt, mit welchen die genannten Suchtechniken überprüft werden. Im Ergebnis zeigen diese eine hohe Qualität der Suchergebnisse hinsichtlich einer Vergleichsstudie mit Prozessexperten, sowie gute Skalierbarkeit für große Prozessmodellsammlungen.

Developing rich Web applications can be a complex job - especially when it comes to mobile device support. Web-based environments such as Lively Webwerkstatt can help developers implement such applications by making the development process more direct and interactive. Further the process of developing software is collaborative which creates the need that the development environment offers collaboration facilities. This report describes extensions of the webbased development environment Lively Webwerkstatt such that it can be used in a mobile environment. The extensions are collaboration mechanisms, user interface adaptations but as well event processing and performance measuring on mobile devices. / Vielseitige Webanwendungen zu entwickeln kann eine komplexe Aufgabe sein - besonders wenn es die Unterstützung mobiler Geräte betrifft. Webbasierte Umgebungen wie Lively Kernel können Entwicklern helfen Webanwendungen zu entwickeln, indem sie den Entwicklungsprozess direkter und interaktiver gestalten. Zudem sind Entwicklungsprozesse von Software kollaborativ, d.h. Enwicklungsumgebungen müssen so gestaltet sein, dass sie mit kollaborativen Elementen zu unterstützen. Diese Arbeit beschreibt die Erweiterungen der webbasierten Entwicklungsumgebung Lively Webwerkstatt, so dass diese in einer mobilen Umgebung genutzt werden kann. Die Reichweite dieser Erweiterungen erstreckt sich von Kollaborationsmechanismen und Benutzerschnittstellen bis hin zu Eventbehandlung und Performanzmessungen auf mobilen Geräten.

Cloud computing is a model for enabling on-demand access to a shared pool of computing resources. With virtually limitless on-demand resources, a cloud environment enables the hosted Internet application to quickly cope when there is an increase in the workload. However, the overhead of provisioning resources exposes the Internet application to periods of under-provisioning and performance degradation. Moreover, the performance interference, due to the consolidation in the cloud environment, complicates the performance management of the Internet applications. In this dissertation, we propose two approaches to mitigate the impact of the resources provisioning overhead. The first approach employs control theory to scale resources vertically and cope fast with workload. This approach assumes that the provider has knowledge and control over the platform running in the virtual machines (VMs), which limits it to Platform as a Service (PaaS) and Software as a Service (SaaS) providers. The second approach is a customer-side one that deals with the horizontal scalability in an Infrastructure as a Service (IaaS) model. It addresses the trade-off problem between cost and performance with a multi-goal optimization solution. This approach finds the scale thresholds that achieve the highest performance with the lowest increase in the cost. Moreover, the second approach employs a proposed time series forecasting algorithm to scale the application proactively and avoid under-utilization periods. Furthermore, to mitigate the interference impact on the Internet application performance, we developed a system which finds and eliminates the VMs suffering from performance interference. The developed system is a light-weight solution which does not imply provider involvement. To evaluate our approaches and the designed algorithms at large-scale level, we developed a simulator called (ScaleSim). In the simulator, we implemented scalability components acting as the scalability components of Amazon EC2. The current scalability implementation in Amazon EC2 is used as a reference point for evaluating the improvement in the scalable application performance. ScaleSim is fed with realistic models of the RUBiS benchmark extracted from the real environment. The workload is generated from the access logs of the 1998 world cup website. The results show that optimizing the scalability thresholds and adopting proactive scalability can mitigate 88% of the resources provisioning overhead impact with only a 9% increase in the cost. / Cloud computing ist ein Model fuer einen Pool von Rechenressourcen, den sie auf Anfrage zur Verfuegung stellt. Internetapplikationen in einer Cloud-Infrastruktur koennen bei einer erhoehten Auslastung schnell die Lage meistern, indem sie die durch die Cloud-Infrastruktur auf Anfrage zur Verfuegung stehenden und virtuell unbegrenzten Ressourcen in Anspruch nehmen. Allerdings sind solche Applikationen durch den Verwaltungsaufwand zur Bereitstellung der Ressourcen mit Perioden von Verschlechterung der Performanz und Ressourcenunterversorgung konfrontiert. Ausserdem ist das Management der Performanz aufgrund der Konsolidierung in einer Cloud Umgebung kompliziert. Um die Auswirkung des Mehraufwands zur Bereitstellung von Ressourcen abzuschwächen, schlagen wir in dieser Dissertation zwei Methoden vor. Die erste Methode verwendet die Kontrolltheorie, um Ressourcen vertikal zu skalieren und somit schneller mit einer erhoehten Auslastung umzugehen. Diese Methode setzt voraus, dass der Provider das Wissen und die Kontrolle über die in virtuellen Maschinen laufende Plattform hat. Der Provider ist dadurch als „Plattform als Service (PaaS)“ und als „Software als Service (SaaS)“ Provider definiert. Die zweite Methode bezieht sich auf die Clientseite und behandelt die horizontale Skalierbarkeit in einem Infrastruktur als Service (IaaS)-Model. Sie behandelt den Zielkonflikt zwischen den Kosten und der Performanz mit einer mehrzieloptimierten Loesung. Sie findet massstaebliche Schwellenwerte, die die hoechste Performanz mit der niedrigsten Steigerung der Kosten gewaehrleisten. Ausserdem ist in der zweiten Methode ein Algorithmus der Zeitreifenvorhersage verwendet, um die Applikation proaktiv zu skalieren und Perioden der nicht optimalen Ausnutzung zu vermeiden. Um die Performanz der Internetapplikation zu verbessern, haben wir zusaetzlich ein System entwickelt, das die unter Beeintraechtigung der Performanz leidenden virtuellen Maschinen findet und entfernt. Das entwickelte System ist eine leichtgewichtige Lösung, die keine Provider-Beteiligung verlangt. Um die Skalierbarkeit unserer Methoden und der entwickelten Algorithmen auszuwerten, haben wir einen Simulator namens „ScaleSim“ entwickelt. In diesem Simulator haben wir Komponenten implementiert, die als Skalierbarkeitskomponenten der Amazon EC2 agieren. Die aktuelle Skalierbarkeitsimplementierung in Amazon EC2 ist als Referenzimplementierung fuer die Messesung der Verbesserungen in der Performanz von skalierbaren Applikationen. Der Simulator wurde auf realistische Modelle der RUBiS-Benchmark angewendet, die aus einer echten Umgebung extrahiert wurden. Die Auslastung ist aus den Zugriffslogs der World Cup Website von 1998 erzeugt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Optimierung der Schwellenwerte und der angewendeten proaktiven Skalierbarkeit den Verwaltungsaufwand zur Bereitstellung der Ressourcen bis um 88% reduziert kann, während sich die Kosten nur um 9% erhöhen.

Deciphering the functioning of biological networks is one of the central tasks in systems biology. In particular, signal transduction networks are crucial for the understanding of the cellular response to external and internal perturbations. Importantly, in order to cope with the complexity of these networks, mathematical and computational modeling is required. We propose a computational modeling framework in order to achieve more robust discoveries in the context of logical signaling networks. More precisely, we focus on modeling the response of logical signaling networks by means of automated reasoning using Answer Set Programming (ASP). ASP provides a declarative language for modeling various knowledge representation and reasoning problems. Moreover, available ASP solvers provide several reasoning modes for assessing the multitude of answer sets. Therefore, leveraging its rich modeling language and its highly efficient solving capacities, we use ASP to address three challenging problems in the context of logical signaling networks: learning of (Boolean) logical networks, experimental design, and identification of intervention strategies. Overall, the contribution of this thesis is three-fold. Firstly, we introduce a mathematical framework for characterizing and reasoning on the response of logical signaling networks. Secondly, we contribute to a growing list of successful applications of ASP in systems biology. Thirdly, we present a software providing a complete pipeline for automated reasoning on the response of logical signaling networks. / Deciphering the functioning of biological networks is one of the central tasks in systems biology. In particular, signal transduction networks are crucial for the understanding of the cellular response to external and internal perturbations. Importantly, in order to cope with the complexity of these networks, mathematical and computational modeling is required. We propose a computational modeling framework in order to achieve more robust discoveries in the context of logical signaling networks. More precisely, we focus on modeling the response of logical signaling networks by means of automated reasoning using Answer Set Programming (ASP). ASP provides a declarative language for modeling various knowledge representation and reasoning problems. Moreover, available ASP solvers provide several reasoning modes for assessing the multitude of answer sets. Therefore, leveraging its rich modeling language and its highly efficient solving capacities, we use ASP to address three challenging problems in the context of logical signaling networks: learning of (Boolean) logical networks, experimental design, and identification of intervention strategies. Overall, the contribution of this thesis is three-fold. Firstly, we introduce a mathematical framework for characterizing and reasoning on the response of logical signaling networks. Secondly, we contribute to a growing list of successful applications of ASP in systems biology. Thirdly, we present a software providing a complete pipeline for automated reasoning on the response of logical signaling networks.