This document presents a formula selection system for classical first order theorem proving based on the relevance of formulae for the proof of a conjecture. It is based on unifiability of predicates and is also able to use a linguistic approach for the selection. The scope of the technique is the reduction of the set of formulae and the increase of the amount of provable conjectures in a given time. Since the technique generates a subset of the formula set, it can be used as a preprocessor for automated theorem proving. The document contains the conception, implementation and evaluation of both selection concepts. While the one concept generates a search graph over the negation normal forms or Skolem normal forms of the given formulae, the linguistic concept analyses the formulae and determines frequencies of lexemes and uses a tf-idf weighting algorithm to determine the relevance of the formulae. Though the concept is built for first order logic, it is not limited to it. The concept can be used for higher order and modal logik, too, with minimal adoptions. The system was also evaluated at the world championship of automated theorem provers (CADE ATP Systems Competition, CASC-24) in combination with the leanCoP theorem prover and the evaluation of the results of the CASC and the benchmarks with the problems of the CASC of the year 2012 (CASC-J6) show that the concept of the system has positive impact to the performance of automated theorem provers. Also, the benchmarks with two different theorem provers which use different calculi have shown that the selection is independent from the calculus. Moreover, the concept of TEMPLAR has shown to be competitive to some extent with the concept of SinE and even helped one of the theorem provers to solve problems that were not (or slower) solved with SinE selection in the CASC. Finally, the evaluation implies that the combination of the unification based and linguistic selection yields more improved results though no optimisation was done for the problems. / Dieses Dokument stellt ein System vor, das aus einer (großen) gegebenen Menge von Formeln der klassischen Prädikatenlogik eine Teilmenge auswählt, die für den Beweis einer logischen Formel relevant sind. Ziel des Systems ist, die Beweisbarkeit von Formeln in einer festen Zeitschranke zu ermöglichen oder die Beweissuche durch die eingeschränkte Formelmenge zu beschleunigen. Das Dokument beschreibt die Konzeption, Implementierung und Evaluation des Systems und geht dabei auf die zwei verschiedenen Ansätze zur Auswahl ein. Während das eine Konzept eine Graphensuche wahlweise auf den Negations-Normalformen oder Skolem-Normalformen der Formeln durchführt, indem Pfade von einer Formel zu einer anderen durch Unifikation von Prädikaten gebildet werden, analysiert das andere Konzept die Häufigkeiten von Lexemen und bildet einen Relevanzwert durch Anwendung des in der Computerlinguistik bekannten tf-idf-Maßes. Es werden die Ergebnisse der Weltmeisterschaft der automatischen Theorembeweiser (CADE ATP Systems Competition, CASC-24) vorgestellt und der Effekt des Systems für die Beweissuche analysiert. Weiterhin werden die Ergebnisse der Tests des Systems auf den Problemen der Weltmeisterschaft aus dem Jahre 2012 (CASC-J6) vorgestellt. Es wird darauf basierend evaluiert, inwieweit die Einschränkungen die Theorembeweiser bei dem Beweis komplexer Probleme unterstützen. Letztendlich wird gezeigt, dass das System einerseits positive Effekte für die Theorembeweiser hat und andererseits unabhängig von dem Kalkül ist, den die Theorembeweiser nutzen. Ferner ist der Ansatz unabhängig von der genutzten Logik und kann prinzipiell für alle Stufen der Prädikatenlogik und Aussagenlogik sowie Modallogik genutzt werden. Dieser Aspekt macht den Ansatz universell im automatischen Theorembeweisen nutzbar. Es zeigt sich, dass beide Ansätze zur Auswahl für verschiedene Formelmengen geeignet sind. Es wird auch gezeigt, dass die Kombination beider Ansätze eine signifikante Erhöhung der beweisbaren Formeln zur Folge hat und dass die Auswahl durch die Ansätze mit den Fähigkeiten eines anderen Auswahl-Systems mithalten kann.

This document presents an axiom selection technique for classic first order theorem proving based on the relevance of axioms for the proof of a conjecture. It is based on unifiability of predicates and does not need statistical information like symbol frequency. The scope of the technique is the reduction of the set of axioms and the increase of the amount of provable conjectures in a given time. Since the technique generates a subset of the axiom set, it can be used as a preprocessor for automated theorem proving. This technical report describes the conception, implementation and evaluation of ARDE. The selection method, which is based on a breadth-first graph search by unifiability of predicates, is a weakened form of the connection calculus and uses specialised variants or unifiability to speed up the selection. The implementation of the concept is evaluated with comparison to the results of the world championship of theorem provers of the year 2012 (CASC J6). It is shown that both the theorem prover leanCoP which uses the connection calculus and E which uses equality reasoning, can benefit from the selection approach. Also, the evaluation shows that the concept is applyable for theorem proving problems with thousands of formulae and that the selection is independent from the calculus used by the theorem prover. / Dieser technische Report beschreibt die Konzeption, Implementierung und Evaluation eines Verfahrens zur Auswahl von logischen Formeln bezüglich derer Relevanz für den Beweis einer logischen Formel. Das Verfahren wird ausschließlich für die Prädikatenlogik erster Ordnung angewandt, wenngleich es auch für höherstufige Prädikatenlogiken geeignet ist. Das Verfahren nutzt eine unifikationsbasierte Breitensuche im Graphen wobei jeder Knoten im Graphen ein Prädikat und jede existierende Kante eine Unifizierbarkeitsrelation ist. Ziel des Verfahrens ist die Reduktion einer gegebenen Menge von Formeln auf eine für aktuelle Theorembeweiser handhabbare Größe. Daher ist das Verfahren als Präprozess-Schritt für das automatische Theorembeweisen geeignet. Zur Beschleunigung der Suche wird neben der Standard-Unifikation eine abgeschwächte Unifikation verwendet. Das System wurde während der Weltmeisterschaft der Theorembeweiser im Jahre 2014 (CASC J6) in Manchester zusammen mit dem Theorembeweiser leanCoP eingereicht und konnte leanCoP dabei unterstützen, Probleme zu lösen, die leanCoP alleine nicht handhaben kann. Die Tests mit leanCoP und dem Theorembeweiser E im Nachgang zu der Weltmeisterschaft zeigen, dass das Verfahren unabhängig von dem verwendeten Kalkül ist und bei beiden Theorembeweisern positive Auswirkungen auf die Beweisbarkeit von Problemen mit großen Formelmengen hat.

This work introduces concepts and corresponding tool support to enable a complementary approach in dealing with recovery. Programmers need to recover a development state, or a part thereof, when previously made changes reveal undesired implications. However, when the need arises suddenly and unexpectedly, recovery often involves expensive and tedious work. To avoid tedious work, literature recommends keeping away from unexpected recovery demands by following a structured and disciplined approach, which consists of the application of various best practices including working only on one thing at a time, performing small steps, as well as making proper use of versioning and testing tools. However, the attempt to avoid unexpected recovery is both time-consuming and error-prone. On the one hand, it requires disproportionate effort to minimize the risk of unexpected situations. On the other hand, applying recommended practices selectively, which saves time, can hardly avoid recovery. In addition, the constant need for foresight and self-control has unfavorable implications. It is exhaustive and impedes creative problem solving. This work proposes to make recovery fast and easy and introduces corresponding support called CoExist. Such dedicated support turns situations of unanticipated recovery from tedious experiences into pleasant ones. It makes recovery fast and easy to accomplish, even if explicit commits are unavailable or tests have been ignored for some time. When mistakes and unexpected insights are no longer associated with tedious corrective actions, programmers are encouraged to change source code as a means to reason about it, as opposed to making changes only after structuring and evaluating them mentally. This work further reports on an implementation of the proposed tool support in the Squeak/Smalltalk development environment. The development of the tools has been accompanied by regular performance and usability tests. In addition, this work investigates whether the proposed tools affect programmers’ performance. In a controlled lab study, 22 participants improved the design of two different applications. Using a repeated measurement setup, the study examined the effect of providing CoExist on programming performance. The result of analyzing 88 hours of programming suggests that built-in recovery support as provided with CoExist positively has a positive effect on programming performance in explorative programming tasks. / Diese Arbeit präsentiert Konzepte und die zugehörige Werkzeugunterstützung um einen komplementären Umgang mit Wiederherstellungsbedürfnissen zu ermöglichen. Programmierer haben Bedarf zur Wiederherstellung eines früheren Entwicklungszustandes oder Teils davon, wenn ihre Änderungen ungewünschte Implikationen aufzeigen. Wenn dieser Bedarf plötzlich und unerwartet auftritt, dann ist die notwendige Wiederherstellungsarbeit häufig mühsam und aufwendig. Zur Vermeidung mühsamer Arbeit empfiehlt die Literatur die Vermeidung von unerwarteten Wiederherstellungsbedürfnissen durch einen strukturierten und disziplinierten Programmieransatz, welcher die Verwendung verschiedener bewährter Praktiken vorsieht. Diese Praktiken sind zum Beispiel: nur an einer Sache gleichzeitig zu arbeiten, immer nur kleine Schritte auszuführen, aber auch der sachgemäße Einsatz von Versionskontroll- und Testwerkzeugen. Jedoch ist der Versuch des Abwendens unerwarteter Wiederherstellungsbedürfnisse sowohl zeitintensiv als auch fehleranfällig. Einerseits erfordert es unverhältnismäßig hohen Aufwand, das Risiko des Eintretens unerwarteter Situationen auf ein Minimum zu reduzieren. Andererseits ist eine zeitsparende selektive Ausführung der empfohlenen Praktiken kaum hinreichend, um Wiederherstellungssituationen zu vermeiden. Zudem bringt die ständige Notwendigkeit an Voraussicht und Selbstkontrolle Nachteile mit sich. Dies ist ermüdend und erschwert das kreative Problemlösen. Diese Arbeit schlägt vor, Wiederherstellungsaufgaben zu vereinfachen und beschleunigen, und stellt entsprechende Werkzeugunterstützung namens CoExist vor. Solche zielgerichtete Werkzeugunterstützung macht aus unvorhergesehenen mühsamen Wiederherstellungssituationen eine konstruktive Erfahrung. Damit ist Wiederherstellung auch dann leicht und schnell durchzuführen, wenn explizit gespeicherte Zwischenstände fehlen oder die Tests für einige Zeit ignoriert wurden. Wenn Fehler und unerwartete Ein- sichten nicht länger mit mühsamen Schadensersatz verbunden sind, fühlen sich Programmierer eher dazu ermutig, Quelltext zu ändern, um dabei darüber zu reflektieren, und nehmen nicht erst dann Änderungen vor, wenn sie diese gedanklich strukturiert und evaluiert haben. Diese Arbeit berichtet weiterhin von einer Implementierung der vorgeschlagenen Werkzeugunterstützung in der Squeak/Smalltalk Entwicklungsumgebung. Regelmäßige Tests von Laufzeitverhalten und Benutzbarkeit begleiteten die Entwicklung. Zudem prüft die Arbeit, ob sich die Verwendung der vorgeschlagenen Werkzeuge auf die Leistung der Programmierer auswirkt. In einem kontrollierten Experiment, verbesserten 22 Teilnehmer den Aufbau von zwei verschiedenen Anwendungen. Unter der Verwendung einer Versuchsanordnung mit wiederholter Messung, ermittelte die Studie die Auswirkung von CoExist auf die Programmierleistung. Das Ergebnis der Analyse von 88 Programmierstunden deutet darauf hin, dass sich eingebaute Werkzeugunterstützung für Wiederherstellung, wie sie mit CoExist bereitgestellt wird, positiv bei der Bearbeitung von unstrukturierten ergebnisoffenen Programmieraufgaben auswirkt.

Der Tagungsband zum E-Learning Symposium 2014 an der Universität Potsdam beleuchtet die diversen Zielgruppen und Anwendungsbereiche, die aktuell in der E-Learning-Forschung angesprochen werden. Während im letzten Symposium 2012 der Dozierende mit den unterschiedlichen Möglichkeiten der Studierendenaktivierung und Lehrgestaltung im Fokus der Diskussionen stand, werden in diesem Jahr in einem großen Teil der Beiträge die Studierenden ins Zentrum der Aufmerksamkeit gerückt. Dass nicht nur der Inhalt des Lernmediums für den Lernerfolg eine Rolle spielt, sondern auch dessen Unterhaltungswert und die Freude, die die Lernenden während des Prozesses der Wissensakquise empfinden, zeigt sehr anschaulich die Keynote von Linda Breitlauch zum Thema „Faites vos Jeux“ (Spielen Sie jetzt). Der Beitrag von Zoerner et al. verbindet den Gedanken des spiele-basierten Lernens mit dem nach wie vor aktuellen Thema des mobilen Lernens. Auch in diesem Forschungsbereich spielt die Fokussierung auf den Lernenden eine immer herausragendere Rolle. Einen Schritt weiter in Richtung Individualisierung geht in diesem Zusammenhang der eingeladene Vortrag von Christoph Rensing, der sich mit der Adaptivität von mobilen Lernanwendungen beschäftigt. Mit Hilfe zur Verfügung stehender Kontextinformationen sollen gezielt individuelle Lernprozesse unterstützt werden. Alle Beiträge, die sich auf mobile Applikationen und auf Spiele beziehen, sprechen auch die zwischenmenschliche Komponente am Lernen an. So wird neben der Mobilität insbesondere auch der Austausch von Lernobjekten zwischen Lernenden (vergleiche den Beitrag von Zoerner et al.) sowie die Kooperation zwischen Lernenden (siehe Beitrag von Kallookaran und Robra-Bissantz) diskutiert. Der interpersonelle Kontakt spielt allerdings ebenfalls in den Beiträgen ohne Spiel- oder App-Fokussierung eine Rolle. Tutoren werden beispielsweise zur Moderation von Lernprozessen eingesetzt und Lerngruppen gegründet um das problem-orientierte Lernen stärker in den Mittelpunkt zu rücken (siehe Beitrag von Mach und Dirwelis) bzw. näher am Bedarf der Studierenden zu arbeiten (wie in eingeladenen Vortrag von Tatiana N. Noskova sowie in dem Beitrag von Mach und Dirwelis beschrieben). In der Evaluation wird ebenfalls der Schritt weg von anonymen, akkumulierten statistischen Auswertungen hin zu individualisierten Nutzerprofilen im Bereich des Learning Analytics untersucht (vergleiche dazu den Beitrag von Ifenthaler). Neben der Schwerpunktsetzung auf die Lernenden und deren Mobilität rückt das Thema Transmedialität stärker ins Zentrum der Forschung. Während schon die Keynote mit ihrem Spielefokus darauf anspricht, geht es in weiteren Beiträgen darum Abläufe aus der analogen Welt bestmöglich in der digitalen Welt abzubilden. Lerninhalte, die bisher mittels Bildern und Texten für Lehrende und Lernende zugänglich gemacht wurden, werden nunmehr mit weiteren Medien, insbesondere Videos, angereichert um deren Verständnis zu erhöhen. Dies ist beispielsweise geeignet, um Bewegungsabläufe im Sport (vergleiche dazu den Beitrag von Owassapian und Hensinger) oder musikpraktische Übungen wie Bodyperkussion (beschrieben im Beitrag von Buschmann und Glasemann) zu erlernen Lernendenfokussierung, persönlicher Austausch, Mobilität und Transmedialität sind somit einige der Kernthemen, die Sie in diesem Sammelband erwarten. Auch zeigt die häufige Verknüpfung verschedener dieser Kernthemen, dass keines davon ein Randthema ist, sondern sich die Summe aus allen im E-Learning bündelt und damit eine neue Qualität für Lehre, Studium und Forschung erreicht werden kann.

Linked Open Data (LOD) comprises very many and often large public data sets and knowledge bases. Those datasets are mostly presented in the RDF triple structure of subject, predicate, and object, where each triple represents a statement or fact. Unfortunately, the heterogeneity of available open data requires significant integration steps before it can be used in applications. Meta information, such as ontological definitions and exact range definitions of predicates, are desirable and ideally provided by an ontology. However in the context of LOD, ontologies are often incomplete or simply not available. Thus, it is useful to automatically generate meta information, such as ontological dependencies, range definitions, and topical classifications. Association rule mining, which was originally applied for sales analysis on transactional databases, is a promising and novel technique to explore such data. We designed an adaptation of this technique for min-ing Rdf data and introduce the concept of “mining configurations”, which allows us to mine RDF data sets in various ways. Different configurations enable us to identify schema and value dependencies that in combination result in interesting use cases. To this end, we present rule-based approaches for auto-completion, data enrichment, ontology improvement, and query relaxation. Auto-completion remedies the problem of inconsistent ontology usage, providing an editing user with a sorted list of commonly used predicates. A combination of different configurations step extends this approach to create completely new facts for a knowledge base. We present two approaches for fact generation, a user-based approach where a user selects the entity to be amended with new facts and a data-driven approach where an algorithm discovers entities that have to be amended with missing facts. As knowledge bases constantly grow and evolve, another approach to improve the usage of RDF data is to improve existing ontologies. Here, we present an association rule based approach to reconcile ontology and data. Interlacing different mining configurations, we infer an algorithm to discover synonymously used predicates. Those predicates can be used to expand query results and to support users during query formulation. We provide a wide range of experiments on real world datasets for each use case. The experiments and evaluations show the added value of association rule mining for the integration and usability of RDF data and confirm the appropriateness of our mining configuration methodology. / Linked Open Data (LOD) umfasst viele und oft sehr große öffentlichen Datensätze und Wissensbanken, die hauptsächlich in der RDF Triplestruktur bestehend aus Subjekt, Prädikat und Objekt vorkommen. Dabei repräsentiert jedes Triple einen Fakt. Unglücklicherweise erfordert die Heterogenität der verfügbaren öffentlichen Daten signifikante Integrationsschritte bevor die Daten in Anwendungen genutzt werden können. Meta-Daten wie ontologische Strukturen und Bereichsdefinitionen von Prädikaten sind zwar wünschenswert und idealerweise durch eine Wissensbank verfügbar. Jedoch sind Wissensbanken im Kontext von LOD oft unvollständig oder einfach nicht verfügbar. Deshalb ist es nützlich automatisch Meta-Informationen, wie ontologische Abhängigkeiten, Bereichs-und Domänendefinitionen und thematische Assoziationen von Ressourcen generieren zu können. Eine neue und vielversprechende Technik um solche Daten zu untersuchen basiert auf das entdecken von Assoziationsregeln, welche ursprünglich für Verkaufsanalysen in transaktionalen Datenbanken angewendet wurde. Wir haben eine Adaptierung dieser Technik auf RDF Daten entworfen und stellen das Konzept der Mining Konfigurationen vor, welches uns befähigt in RDF Daten auf unterschiedlichen Weisen Muster zu erkennen. Verschiedene Konfigurationen erlauben uns Schema- und Wertbeziehungen zu erkennen, die für interessante Anwendungen genutzt werden können. In dem Sinne, stellen wir assoziationsbasierte Verfahren für eine Prädikatvorschlagsverfahren, Datenvervollständigung, Ontologieverbesserung und Anfrageerleichterung vor. Das Vorschlagen von Prädikaten behandelt das Problem der inkonsistenten Verwendung von Ontologien, indem einem Benutzer, der einen neuen Fakt einem Rdf-Datensatz hinzufügen will, eine sortierte Liste von passenden Prädikaten vorgeschlagen wird. Eine Kombinierung von verschiedenen Konfigurationen erweitert dieses Verfahren sodass automatisch komplett neue Fakten für eine Wissensbank generiert werden. Hierbei stellen wir zwei Verfahren vor, einen nutzergesteuertenVerfahren, bei dem ein Nutzer die Entität aussucht die erweitert werden soll und einen datengesteuerten Ansatz, bei dem ein Algorithmus selbst die Entitäten aussucht, die mit fehlenden Fakten erweitert werden. Da Wissensbanken stetig wachsen und sich verändern, ist ein anderer Ansatz um die Verwendung von RDF Daten zu erleichtern die Verbesserung von Ontologien. Hierbei präsentieren wir ein Assoziationsregeln-basiertes Verfahren, der Daten und zugrundeliegende Ontologien zusammenführt. Durch die Verflechtung von unterschiedlichen Konfigurationen leiten wir einen neuen Algorithmus her, der gleichbedeutende Prädikate entdeckt. Diese Prädikate können benutzt werden um Ergebnisse einer Anfrage zu erweitern oder einen Nutzer während einer Anfrage zu unterstützen. Für jeden unserer vorgestellten Anwendungen präsentieren wir eine große Auswahl an Experimenten auf Realweltdatensätzen. Die Experimente und Evaluierungen zeigen den Mehrwert von Assoziationsregeln-Generierung für die Integration und Nutzbarkeit von RDF Daten und bestätigen die Angemessenheit unserer konfigurationsbasierten Methodologie um solche Regeln herzuleiten.

Business process automation improves organizations’ efficiency to perform work. In existing business process management systems, process instances run independently from each other. However, synchronizing instances carrying similar characteristics, i.e., sharing the same data, can reduce process execution costs. For example, if an online retailer receives two orders from one customer, there is a chance that they can be packed and shipped together to save shipment costs. In this paper, we use concepts from the database domain and introduce data views to business processes to identify instances which can be synchronized. Based on data views, we introduce the concept of batch regions for a context-aware instance synchronization over a set of connected activities. We also evaluate the concepts introduced in this paper with a case study comparing costs for normal and batch processing. / Die Automatisierung von Geschäftsprozessen unterstützt Unternehmen, die Ausführung ihrer Prozesse effizienter zu gestalten. In existierenden Business Process Management Systemen, werden die Instanzen eines Prozesses völlig unabhängig voneinander ausgeführt. Jedoch kann das Synchronisieren von Instanzen mit ähnlichen Charakteristiken wie z.B. den gleichen Daten zu reduzierten Ausführungskosten führen. Zum Beispiel, wenn ein Onlinehändler zwei Bestellungen vom selben Kunden mit der gleichen Lieferanschrift erhält, können diese zusammen verpackt und versendet werden, um Versandkosten zu sparen. In diesem Papier verwenden wir Konzepte aus dem Datenbankbereich und führen Datensichten für Geschäftsprozesse ein, um Instanzen zu identifizieren, welche synchronisiert werden können. Auf Grundlage der Datensichten führen wir das Konzept der Batch-Regionen ein. Eine Batch-Region ermöglicht eine kontext-bewusste Instanzen-Synchronisierung über mehrere verbundene Aktivitäten. Das eingeführte Konzept wird mit einer Fallstudie evaluiert, bei der ein Kostenvergleich zwischen der normalen Prozessausführung und der Batchverarbeitung durchgeführt wird.

Constraints allow developers to specify desired properties of systems in a number of domains, and have those properties be maintained automatically. This results in compact, declarative code, avoiding scattered code to check and imperatively re-satisfy invariants. Despite these advantages, constraint programming is not yet widespread, with standard imperative programming still the norm. There is a long history of research on integrating constraint programming with the imperative paradigm. However, this integration typically does not unify the constructs for encapsulation and abstraction from both paradigms. This impedes re-use of modules, as client code written in one paradigm can only use modules written to support that paradigm. Modules require redundant definitions if they are to be used in both paradigms. We present a language – Babelsberg – that unifies the constructs for en- capsulation and abstraction by using only object-oriented method definitions for both declarative and imperative code. Our prototype – Babelsberg/R – is an extension to Ruby, and continues to support Ruby’s object-oriented se- mantics. It allows programmers to add constraints to existing Ruby programs in incremental steps by placing them on the results of normal object-oriented message sends. It is implemented by modifying a state-of-the-art Ruby virtual machine. The performance of standard object-oriented code without con- straints is only modestly impacted, with typically less than 10% overhead compared with the unmodified virtual machine. Furthermore, our architec- ture for adding multiple constraint solvers allows Babelsberg to deal with constraints in a variety of domains. We argue that our approach provides a useful step toward making con- straint solving a generic tool for object-oriented programmers. We also provide example applications, written in our Ruby-based implementation, which use constraints in a variety of application domains, including interactive graphics, circuit simulations, data streaming with both hard and soft constraints on performance, and configuration file Management. / Constraints – Beschränkungen und Abhängigkeiten zwischen Systemteilen – erlauben es Entwicklern, erwünschte Eigenschaften von Systemen zu spezifizieren, sodass diese automatisch sichergestellt werden. Das führt zu kompaktem, deklarativem Quelltext, und vermeidet verstreute Anweisungen, die wiederholt Invarianten prüfen und wiederherstellen müssen. Trotz dieser Vorteile ist Programmieren mit Constraints nicht verbreitet, sondern imperatives Programmieren die Norm. Es gibt eine lange Forschungsgeschichte zur Integration von Constraints mit imperativem Programmieren. Jedoch vereinheitlicht diese Integration nicht die Programmierkonstrukte zur Abstraktion und Kapselung beider Paradigmen. Das verhindert die Wiederverwendung von Modulen, da Quelltext, der in einem Paradigma geschrieben wurde, nur Module verwenden kann, die so geschrieben sind, dass sie dieses Paradigma unterstützen. Module benötigen daher redundante Definitionen, wenn sie in beiden Paradigmen zur Verfügung stehen sollen. Wir präsentieren hier eine Sprache – Babelsberg – welche die Konstrukte zur Abstraktion und Kapselung vereinheitlicht, indem sie bekannte objektorientierte Methodendefinitionen sowohl für deklarativen, als auch für imperativen Code verwendet. Unser Prototyp –Babelsberg/R – ist eine Erweiterung von Ruby, und unterstützt Rubys objektorientierte Semantik. Dieser erlaubt es Programmieren, Constraints schrittweise zu existierenden Ruby Programmen hinzuzufügen, indem diese auf den Ergebnissen von Methodenaufrufen deklariert werden. Der Prototyp ist auf Basis einer virtuellen Maschine für Ruby implementiert, wobei die Ausführungsgeschwindigkeit von objektorienterten Programmteilen ohne Constraints nur minimal – typischerweise weniger als 10% – beeinträchtigt wird. Weiterhin erlaubt es unsere Architektur, je nach Anwendungsfall, mehrere Lösungsalgorithmen für Constraints zu verwenden. Wir argumentieren, dass unser Ansatz einen nützlichen Schritt darstellt, um Programmieren mit Constraints zu einem allgemeinen Werkzeug für objektorientierte Programmierer zu machen. Wir zeigen Beispielanwendungen, die unserer Ruby-basierten Implementierung geschrieben sind, welche Constraints in einer Reihe von Anwendungen verwenden: Für interaktive Grafik, Schaltkreissimulation, Datenströme mit sowohl harten, als auch weichen Constraints bezüglich ihrer Geschwindigkeit, und Konfigurationsverwaltung.

Cost models are an essential part of database systems, as they are the basis of query performance optimization. Based on predictions made by cost models, the fastest query execution plan can be chosen and executed or algorithms can be tuned and optimised. In-memory databases shifts the focus from disk to main memory accesses and CPU costs, compared to disk based systems where input and output costs dominate the overall costs and other processing costs are often neglected. However, modelling memory accesses is fundamentally different and common models do not apply anymore. This work presents a detailed parameter evaluation for the plan operators scan with equality selection, scan with range selection, positional lookup and insert in in-memory column stores. Based on this evaluation, a cost model based on cache misses for estimating the runtime of the considered plan operators using different data structures is developed. Considered are uncompressed columns, bit compressed and dictionary encoded columns with sorted and unsorted dictionaries. Furthermore, tree indices on the columns and dictionaries are discussed. Finally, partitioned columns consisting of one partition with a sorted and one with an unsorted dictionary are investigated. New values are inserted in the unsorted dictionary partition and moved periodically by a merge process to the sorted partition. An efficient attribute merge algorithm is described, supporting the update performance required to run enterprise applications on read-optimised databases. Further, a memory traffic based cost model for the merge process is provided. / Kostenmodelle sind ein essentieller Teil von Datenbanksystemen und bilden die Basis für Optimierungen von Ausführungsplänen. Durch Abschätzungen der Kosten können die entsprechend schnellsten Operatoren und Algorithmen zur Abarbeitung einer Anfrage ausgewählt und ausgeführt werden. Hauptspeicherresidente Datenbanken verschieben den Fokus von I/O Operationen hin zu Zugriffen auf den Hauptspeicher und CPU Kosten, verglichen zu Datenbanken deren primäre Kopie der Daten auf Sekundärspeicher liegt und deren Kostenmodelle sich in der Regel auf die kostendominierenden Zugriffe auf das Sekundärmedium beschränken. Kostenmodelle für Zugriffe auf Hauptspeicher unterscheiden sich jedoch fundamental von Kostenmodellen für Systeme basierend auf Festplatten, so dass alte Modelle nicht mehr greifen. Diese Arbeit präsentiert eine detaillierte Parameterdiskussion, sowie ein Kostenmodell basierend auf Cache-Zugriffen zum Abschätzen der Laufzeit von Datenbankoperatoren in spaltenorientierten und hauptspeicherresidenten Datenbanken wie das Selektieren von Werten einer Spalte mittels einer Gleichheitsbedingung oder eines Wertebereichs, das Nachschlagen der Werte einzelner Positionen oder dem Hinzufügen neuer Werte. Dabei werden Kostenfunktionen für die Operatoren erstellt, welche auf unkomprimierten Spalten, mittels Substitutionskompression komprimierten Spalten sowie bit-komprimierten Spalten operieren. Des Weiteren werden Baumstrukturen als Index Strukturen auf Spalten und Wörterbüchern in die Betrachtung gezogen. Abschließend werden partitionierte Spalten eingeführt, welche aus einer lese- und einer schreib-optimierten Partition bestehen. Neu Werte werden in die schreiboptimierte Partition eingefügt und periodisch von einem Attribut-Merge-Prozess mit der leseoptimierten Partition zusammengeführt. Beschrieben wird eine Effiziente Implementierung für den Attribut-Merge-Prozess und ein Hauptspeicher-bandbreitenbasiertes Kostenmodell aufgestellt.

Given a large set of records in a database and a query record, similarity search aims to find all records sufficiently similar to the query record. To solve this problem, two main aspects need to be considered: First, to perform effective search, the set of relevant records is defined using a similarity measure. Second, an efficient access method is to be found that performs only few database accesses and comparisons using the similarity measure. This thesis solves both aspects with an emphasis on the latter. In the first part of this thesis, a frequency-aware similarity measure is introduced. Compared record pairs are partitioned according to frequencies of attribute values. For each partition, a different similarity measure is created: machine learning techniques combine a set of base similarity measures into an overall similarity measure. After that, a similarity index for string attributes is proposed, the State Set Index (SSI), which is based on a trie (prefix tree) that is interpreted as a nondeterministic finite automaton. For processing range queries, the notion of query plans is introduced in this thesis to describe which similarity indexes to access and which thresholds to apply. The query result should be as complete as possible under some cost threshold. Two query planning variants are introduced: (1) Static planning selects a plan at compile time that is used for all queries. (2) Query-specific planning selects a different plan for each query. For answering top-k queries, the Bulk Sorted Access Algorithm (BSA) is introduced, which retrieves large chunks of records from the similarity indexes using fixed thresholds, and which focuses its efforts on records that are ranked high in more than one attribute and thus promising candidates. The described components form a complete similarity search system. Based on prototypical implementations, this thesis shows comparative evaluation results for all proposed approaches on different real-world data sets, one of which is a large person data set from a German credit rating agency. / Ziel von Ähnlichkeitssuche ist es, in einer Menge von Tupeln in einer Datenbank zu einem gegebenen Anfragetupel all diejenigen Tupel zu finden, die ausreichend ähnlich zum Anfragetupel sind. Um dieses Problem zu lösen, müssen zwei zentrale Aspekte betrachtet werden: Erstens, um eine effektive Suche durchzuführen, muss die Menge der relevanten Tupel mithilfe eines Ähnlichkeitsmaßes definiert werden. Zweitens muss eine effiziente Zugriffsmethode gefunden werden, die nur wenige Datenbankzugriffe und Vergleiche mithilfe des Ähnlichkeitsmaßes durchführt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit beiden Aspekten und legt den Fokus auf Effizienz. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein häufigkeitsbasiertes Ähnlichkeitsmaß eingeführt. Verglichene Tupelpaare werden entsprechend der Häufigkeiten ihrer Attributwerte partitioniert. Für jede Partition wird ein unterschiedliches Ähnlichkeitsmaß erstellt: Mithilfe von Verfahren des Maschinellen Lernens werden Basisähnlichkeitsmaßes zu einem Gesamtähnlichkeitsmaß verbunden. Danach wird ein Ähnlichkeitsindex für String-Attribute vorgeschlagen, der State Set Index (SSI), welcher auf einem Trie (Präfixbaum) basiert, der als nichtdeterministischer endlicher Automat interpretiert wird. Zur Verarbeitung von Bereichsanfragen wird in dieser Arbeit die Notation der Anfragepläne eingeführt, um zu beschreiben welche Ähnlichkeitsindexe angefragt und welche Schwellwerte dabei verwendet werden sollen. Das Anfrageergebnis sollte dabei so vollständig wie möglich sein und die Kosten sollten einen gegebenen Schwellwert nicht überschreiten. Es werden zwei Verfahren zur Anfrageplanung vorgeschlagen: (1) Beim statischen Planen wird zur Übersetzungszeit ein Plan ausgewählt, der dann für alle Anfragen verwendet wird. (2) Beim anfragespezifischen Planen wird für jede Anfrage ein unterschiedlicher Plan ausgewählt. Zur Beantwortung von Top-k-Anfragen stellt diese Arbeit den Bulk Sorted Access-Algorithmus (BSA) vor, der große Mengen von Tupeln mithilfe fixer Schwellwerte von den Ähnlichkeitsindexen abfragt und der Tupel bevorzugt, die hohe Ähnlichkeitswerte in mehr als einem Attribut haben und damit vielversprechende Kandidaten sind. Die vorgestellten Komponenten bilden ein vollständiges Ähnlichkeitssuchsystem. Basierend auf einer prototypischen Implementierung zeigt diese Arbeit vergleichende Evaluierungsergebnisse für alle vorgestellten Ansätze auf verschiedenen Realwelt-Datensätzen; einer davon ist ein großer Personendatensatz einer deutschen Wirtschaftsauskunftei.

The proper composition of independently developed components of an embedded real- time system is complicated due to the fact that besides the functional behavior also the non-functional properties and in particular the timing have to be compatible. Nowadays related compatibility problems have to be addressed in a cumbersome integration and configuration phase at the end of the development process, that in the worst case may fail. Therefore, a number of formal approaches have been developed, which try to guide the upfront decomposition of the embedded real-time system into components such that integration problems related to timing properties can be excluded and that suitable configurations can be found. However, the proposed solutions require a number of strong assumptions that can be hardly fulfilled or the required analysis does not scale well. In this paper, we present an approach based on timed automata that can provide the required guarantees for the later integration without strong assumptions, which are difficult to match in practice. The approach provides a modular reasoning scheme that permits to establish the required guarantees for the integration employing only local checks, which therefore also scales. It is also possible to determine potential configuration settings by means of timed game synthesis. / Die korrekte Komposition individuell entwickelter Komponenten von eingebetteten Realzeitsystemen ist eine Herausforderung, da neben funktionalen Eigenschaften auch nicht funktionale Eigenschaften berücksichtigt werden müssen. Ein Beispiel hierfür ist die Kompatibilität von Realzeiteigenschaften, welche eine entscheidende Rolle in eingebetteten Systemen spielen. Heutzutage wird die Kompatibilität derartiger Eigenschaften in einer aufwändigen Integrations- und Konfigurationstests am Ende des Entwicklungsprozesses geprüft, wobei diese Tests im schlechtesten Fall fehlschlagen. Aus diesem Grund wurde eine Zahl an formalen Verfahren Entwickelt, welche eine frühzeitige Analyse von Realzeiteigenschaften von Komponenten erlauben, sodass Inkompatibilitäten von Realzeiteigenschaften in späteren Phasen ausgeschlossen werden können. Existierenden Verfahren verlangen jedoch, dass eine Reihe von Bedingungen erfüllt sein muss, welche von realen Systemen nur schwer zu erfüllen sind, oder aber, die verwendeten Analyseverfahren skalieren nicht für größere Systeme. In dieser Arbeit wird ein Ansatz vorgestellt, welcher auf dem formalen Modell des Timed Automaton basiert und der keine Bedingungen verlangt, die von einem realen System nur schwer erfüllt werden können. Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz enthält ein Framework, welches eine modulare Analyse erlaubt, bei der ausschließlich miteinender kommunizierende Komponenten paarweise überprüft werden müssen. Somit wird eine skalierbare Analyse von Realzeiteigenschaften ermöglicht, die keine Bedingungen verlangt, welche nur bedingt von realen Systemen erfüllt werden können.