The Model Driven Architecture (MDA) allows moving the software development from the time consuming and error-prone level of writing program code to the next higher level of modeling. In order to gain benefit from this innovative technology, it is necessary to satisfy two requirements. These are first, the creation of compact, complete and correct platform independent models (PIM) and second, the development of a flexible and extensible model transformation framework taking into account frequent changes of the target platform. In this thesis a platform-based methodology is developed to create PIM by abstracting common modeling elements into a platform independent modeling library called Design Platform Model (DPM). The DPM contains OCL-based types for modeling primitive and collection types, a platform independent GUI toolkit as well as other common modeling elements, such as those for IO-operations. Furthermore, a DPM profile containing diverse domain specific and design pattern-based stereotypes is also developed to create PIM with high-level semantics. The behavior in PIM is specified using an OCL-like action language called eXecutable OCL (XOCL), which is also developed in this thesis. For model transformation, the model compiler MOCCA is developed based on a flexible and extensible architecture. The model mapper components in the current version of MOCCA are able to map desktop applications onto JSE platform; the both business object layer and persistence layer of a three-layered enterprise applications onto JEE platform and SAP ABAP platform. The entire model transformation process is finished with complete code generation.

Traditionelle 3D-Anwendungsentwicklung für VR/AR verläuft in heterogenen Entwicklerteams unstrukturiert, ad hoc und ist fehlerbehaftet. Der präsentierte Roundtrip3D Entwicklungsprozess ermöglicht die iterativ inkrementelle 3D-Anwendungsentwicklung, wechselseitig auf Softwaremodell- und Implementierungsebene. Modelle fördern das gemeinsame Verständnis unter Projektbeteiligten und sichern durch generierte Schnittstellen gleichzeitiges Programmieren und 3D-Modellieren zu. Das Roundtrip3D Werkzeug ermittelt Inkonsistenzen zwischen vervollständigten 3D-Inhalten und Quelltexten auch für verschiedene Plattformen und visualisiert sie auf abstrakter Modellebene. Die gesamte Implementierung wird nicht simultan, sondern nach codegetriebener Entwicklung kontrolliert mit Softwaremodellen abgeglichen. Inkremente aus aktualisierten Softwaremodellen fließen in dann wieder zueinander konsistente Quelltexte und 3D-Inhalte ein. Der Roundtrip3D Entwicklungsprozess vereint dauerhaft Vorteile codegetriebener mit modellgetriebener 3D-Anwendungsentwicklung und fördert strukturiertes Vorgehen im agilen Umfeld.

The focus of this thesis is on the implementation, the evaluation and the useful application of the third dimension in software visualization. Software engineering is characterized by a complex interplay of different stakeholders that produce and use several artifacts. Software visualization is used as one mean to address this increasing complexity. It provides role- and task-specific views of artifacts that contain information about structure, behavior, and evolution of a software system in its entirety. The main potential of the third dimension is the possibility to provide multiple views in one software visualization for all three aspects. However, empirical findings concerning the role of the third dimension in software visualization are rare. Furthermore, there are only few 3D software visualizations that provide multiple views of a software system including all three aspects. Finally, the current tool support lacks of generating easy integrateable, scalable, and platform independent 2D, 2.5D, and 3D software visualizations automatically. Hence, the objective is to develop a software visualization that represents all important structural entities and relations of a software system, that can display behavioral and evolutionary aspects of a software system as well, and that can be generated automatically. In order to achieve this objective the following research methods are applied. A literature study is conducted, a software visualization generator is conceptualized and prototypically implemented, a structured approach to plan and design controlled experiments in software visualization is developed, and a controlled experiment is designed and performed to investigate the role of the third dimension in software visualization. The main contributions are an overview of the state-of-the-art in 3D software visualization, a structured approach including a theoretical model to control influence factors during controlled experiments in software visualization, an Eclipse-based generator for producing automatically role- and task-specific 2D, 2.5D, and 3D software visualizations, the controlled experiment investigating the role of the third dimension in software visualization, and the recursive disk metaphor combining the findings with focus on the structure of software including useful applications of the third dimension regarding behavior and evolution.

The Model Driven Architecture (MDA) allows moving the software development from the time consuming and error-prone level of writing program code to the next higher level of modeling. In order to gain benefit from this innovative technology, it is necessary to satisfy two requirements. These are first, the creation of compact, complete and correct platform independent models (PIM) and second, the development of a flexible and extensible model transformation framework taking into account frequent changes of the target platform. In this thesis a platform-based methodology is developed to create PIM by abstracting common modeling elements into a platform independent modeling library called Design Platform Model (DPM). The DPM contains OCL-based types for modeling primitive and collection types, a platform independent GUI toolkit as well as other common modeling elements, such as those for IO-operations. Furthermore, a DPM profile containing diverse domain specific and design pattern-based stereotypes is also developed to create PIM with high-level semantics. The behavior in PIM is specified using an OCL-like action language called eXecutable OCL (XOCL), which is also developed in this thesis. For model transformation, the model compiler MOCCA is developed based on a flexible and extensible architecture. The model mapper components in the current version of MOCCA are able to map desktop applications onto JSE platform; the both business object layer and persistence layer of a three-layered enterprise applications onto JEE platform and SAP ABAP platform. The entire model transformation process is finished with complete code generation.

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.

Model-driven software development (MDSD) and component-based software development are both paradigms for reducing complexity and for increasing abstraction and reuse in software development. In this thesis, we aim at combining the advantages of each by introducing methods from component-based development into MDSD. In MDSD, all artefacts that describe a software system are regarded as models of the system and are treated as the central development artefacts. To obtain a system implementation from such models, they are transformed and integrated until implementation code can be generated from them. Models in MDSD can have very different forms: they can be documents, diagrams, or textual specifications defined in different modelling languages. Integrating these models of different formats and abstraction in a consistent way is a central challenge in MDSD. We propose to tackle this challenge by explicitly separating the tasks of defining model components and composing model components, which is also known as distinguishing programming-in-the-small and programming-in-the-large. That is, we promote a separation of models into models for modelling-in-the-small (models that are components) and models for modelling-in-the-large (models that describe compositions of model components). To perform such component-based modelling, we introduce two architectural styles for developing systems with component-based MDSD (CB-MDSD). For CB-MDSD, we require a universal composition technique that can handle models defined in arbitrary modelling languages. A technique that can handle arbitrary textual languages is universal invasive software composition for code fragment composition. We extend this technique to universal invasive software composition for graph fragments (U-ISC/Graph) which can handle arbitrary models, including graphical and textual ones, as components. Such components are called graph fragments, because we treat each model as a typed graph and support reuse of partial models. To put the composition technique into practice, we developed the tool Reuseware that implements U-ISC/Graph. The tool is based on the Eclipse Modelling Framework and can therefore be integrated into existing MDSD development environments based on the framework. To evaluate the applicability of CB-MDSD, we realised for each of our two architectural styles a model-driven architecture with Reuseware. The first style, which we name ModelSoC, is based on the component-based development paradigm of multi-dimensional separation of concerns. The architecture we realised with that style shows how a system that involves multiple modelling languages can be developed with CB-MDSD. The second style, which we name ModelHiC, is based on hierarchical composition. With this style, we developed abstraction and reuse support for a large modelling language for telecommunication networks that implements the Common Information Model industry standard.

Die Arbeit adressiert die empirisch beobachtete Fehleranfälligkeit einer populären Teilmenge modellgetriebener Decision Support Systeme (MDSS), die mit Spreadsheet-Werkzeugen erstellt werden. Der Fokus liegt bei diesen DSS auf der logischen Formulierung realer Zusammenhänge im multidimensionalen Kontext. Analysen einer empirisch belegten Fehlerrate weisen auf proprietäre, oft wenig intuitive Modellierungssprachen der am Markt befindlichen Produkte hin, die eine unnatürliche, fehleranfällige Modellierung provozieren. In Analogie zu den positiven Erfahrungen einer konzeptuellen Datenmodellierung schlägt die vorliegende Arbeit eine konzeptuelle Modellierungsebene vor, um diesem Problem zu begegnen. Eine Untersuchung vorhandener konzeptueller Modellierungsansätze kommt zu dem Ergebnis, dass bei der Konstruktion der konzeptuellen Modellierungsebene für MDSS eine Erweiterung oder Änderung eines bestehenden konzeptuellen Modellierungsansatzes nicht in Betracht gezogen werden kann. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird eine konzeptuelle Modellierungsebene entwickelt, welche aus den drei Phasen Modellkonfiguration, Modelltransformation und Modellkompilierung besteht. In der Konfigurationsphase werden sämtliche Modellelemente (Dimensionen, Dimensionsausprägungen, Gruppen und Formeln) definiert und die Überlagerung von (vektoriellen) Formeln innerhalb des Modells bewusst zugelassen. Die Transformationsphase stellt die Konsistenz der modellierten Strukturen in Bezug auf deren Eindeutigkeit sicher, indem sämtliche Überschneidungen von Formeln innerhalb von Modellzellen in einem systemunterstützten Benutzerdialog beseitigt werden. Im dritten Teil des Konzepts, der Kompilierungsphase, werden die überschneidungsfreien, konzeptuellen Modelle in proprietäre Modellinstanzen übersetzt, sodass sie in Anwendungssystemen für Analysen verwendet werden können. Die prototypische Implementierung erfolgt anhand eines Modellierungseditors (Java) zur Umsetzung der Konzeptphase Modellkonfiguration. Modelltransformation und –kompilierung werden auf Basis von Microsoft Excel und VBA Programmen prototypisch umgesetzt. Abschließend kann mittels einer Evaluation auf positive Effekte des erarbeiteten Konzepts für die Qualität modellgetriebener Decision Support Systeme geschlossen werden.

Mit dem Wandel des Internets zu einer universellen Softwareplattform sind die Möglichkeiten und Fähigkeiten von Webanwendungen zwar rasant gestiegen. Gleichzeitig gestaltet sich ihre Entwicklung jedoch zunehmend aufwändig und komplex, was dem Wunsch nach immer kürzeren Entwicklungszyklen für möglichst situative, bedarfsgerechte Lösungen entgegensteht. Bestehende Ansätze aus Forschung und Technik, insbesondere im Umfeld der serviceorientierten Architekturen und Mashups, werden diesen Problemen bislang nicht ausreichend gerecht. Deshalb werden in dieser Dissertation neue Konzepte für die modellgetriebene Entwicklung und Bereitstellung von Webanwendungen vorgestellt. Die zugrunde liegende Idee besteht darin, das Paradigma der Serviceorientierung auf die Präsentationsebene zu erweitern. So sollen erstmals – neben Daten- und Geschäftslogik – auch Teile der Anwendungsoberfläche in Form wiederverwendbarer Komponenten über Dienste bereitgestellt werden. Anwendungen sollen somit über alle Anwendungsebenen hinweg nach einheitlichen Prinzipien „komponiert“ werden können. Den ersten Schwerpunkt der Arbeit bilden die entsprechenden universellen Modellierungskonzepte für Komponenten und Kompositionen. Sie erlauben u. a. die plattformunabhängige Beschreibung von Anwendungen als Komposition der o. g. Komponenten. Durch die Abstraktion und entsprechende Autorenwerkzeuge wird die Entwicklung so auch für Domänenexperten bzw. Nicht-Programmierer möglich. Der zweite Schwerpunkt liegt auf dem kontextadaptiven Integrationsprozess von Komponenten und der zugehörigen, serviceorientierten Referenzarchitektur. Sie ermöglichen die dynamische Suche, Bindung und Konfiguration von Komponenten, d. h. auf Basis der o. g. Abstraktionen können genau die Anwendungskomponenten geladen und ausgeführt werden, die für den vorliegenden Nutzer-, Nutzungs- und Endgerätekontext am geeignetsten sind. Der dritte Schwerpunkt adressiert die Kontextadaptivität der kompositen Anwendungen in Form von Konzepten zur aspektorientierten Definition von adaptivem Verhalten im Modell und dessen Umsetzung zur Laufzeit. In Abhängigkeit von Kontextänderungen können so Rekonfigurationen von Komponenten, ihr Austausch oder Veränderungen an der Komposition, z.B. am Layout oder dem Datenfluss, automatisch durchgesetzt werden. Alle vorgestellten Konzepte wurden durch prototypische Implementierungen praktisch untermauert. Anhand diverser Anwendungsbeispiele konnten ihre Validität und Praktikabilität – von der Modellierung im Autorenwerkzeug bis zur Ausführung und dynamischen Anpassung – nachgewiesen werden. Die vorliegende Dissertation liefert folglich eine Antwort auf die Frage, wie zukünftige Web- bzw. Mashup-Anwendungen zeit- und kostengünstig entwickelt sowie zuverlässig und performant ausgeführt werden können. Die geschaffenen Konzepte bilden gleichermaßen die Grundlage für eine Vielzahl an Folgearbeiten.

The benefits of Model-Driven Software Development (MDSD) and Domain-Specific Languages (DSLs) wrt. efficiency and quality in software engineering increase the demand for custom languages and the need for efficient methods for language engineering. This motivated the introduction of language families that aim at further reducing the development costs and the maintenance effort for custom languages. The basic idea is to exploit the commonalities and provide means to enable systematic variation among a set of related languages. Current techniques and methodologies for language engineering are not prepared to deal with the particular challenges of language families. First, language engineering processes lack means for a systematic analysis, specification and management of variability as found in language families. Second, technical approaches for a modular specification and realisation of languages suffer from insufficient modularity properties. They lack means for information hiding, for explicit module interfaces, for loose coupling, and for flexible module integration. Our first contribution, Feature-Oriented Language Family Engineering (LFE), adapts methods from Software Product Line Engineering to the domain of language engineering. It extends Feature-Oriented Software Development to support metamodelling approaches used for language engineering and replaces state-of-the-art processes by a variability- and reuse-oriented LFE process. Feature-oriented techniques are used as means for systematic variability analysis, variability management, language variant specification, and the automatic derivation of custom language variants. Our second contribution, Integrative Role-Based Language Composition, extends existing metamodelling approaches with roles. Role models introduce enhanced modularity for object-oriented specifications like abstract syntax metamodels. We introduce a role-based language for the specification of language components, a role-based composition language, and an extensible composition system to evaluate role-based language composition programs. The composition system introduces integrative, grey-box composition techniques for language syntax and semantics that realise the statics and dynamics of role composition, respectively. To evaluate the introduced approaches and to show their applicability, we apply them in three major case studies. First, we use feature-oriented LFE to implement a language family for the ontology language OWL. Second, we employ role-based language composition to realise a component-based version of the language OCL. Third, we apply both approaches in combination for the development of SumUp, a family of languages for mathematical equations.

Benutzungsschnittstellen (UIs) dienen in der Domäne der industriellen Automatisierungstechnik der Bedienung und Beobachtung technischer Prozesse. Das sogenannte Model-based User Interface Development (MBUID) stellt ein vielversprechendes Konzept zur automatischen Erzeugung solcher UIs dar. Allerdings erfordert die Umsetzung dieses Konzeptes für einen spezifischen Anwendungsfall jeweils die Entwicklung einer oder mehrerer Modell-zu-Modell-Transformationen (M2M). Hierbei handelt es sich unter Verwendung aktueller Ansätze für Transformations-Frameworks um einen aufwändigen, fehleranfälligen und daher kostenintensiven Prozess. Dies gilt vor allem für Entwickler ohne tiefgreifendes Wissen über modellbasierte Technologien und kann unter Umständen sogar die durch die MBUID propagierten Vorteile aufwiegen. Zur Erleichterung des Prozesses der Entwicklung von Modelltransformationen schlägt diese Arbeit eine spezielle Methodik sowie deren prototypische Implementierung in Form des PAMTraM-Frameworks vor. Die Methodik greift dabei die speziellen Rahmenbedingungen bei der UI-Entwicklung in der Domäne der industriellen Automatisierungstechnik auf und basiert auf drei Hauptkonzepten: Die Basis stellt die Konfiguration von M2M-Transformationen in mehrdeutigen, bedingten Abbildungsmodellen dar. Diese Abbildungsmodelle beschreiben dabei lediglich Zuordnungen zwischen Elementen der Quell- und Ziel-UI-Beschreibungssprache einer durchzuführenden Transformation. Im Gegensatz zu existierenden Ansätzen erlaubt die entwickelte Methodik die explizite Berücksichtigung mehrdeutiger Abbildungen, die in der Domäne der UI-Entwicklung häufig auftreten. Darüber hinaus können explizite Kontextbedingungen formuliert werden, die die Notwendigkeit der Anpassung bzw. Neu-Erstellung eines Abbildungsmodells bei Vorliegen eines geänderten Nutzungskontextes (z.B. einer neuen Hardware-Plattform) verhindern. Konkrete Transformationen für ein oder mehrere Quell- und Kontextmodelle können anschließend auf Basis eines konfigurierten Abbildungsmodells durchgeführt werden. Hierzu wird ein spezieller generischer Transformations-Algorithmus vorgestellt. Dieser ist in der Lage, basierend auf einer selbstständigen Analyse der Ziel-UI-Beschreibungssprache auch unvollständige Abbildungsmodelle auszuführen. Hierdurch muss der Entwickler eines Abbildungsmodells weniger Informationen in dieses integrieren. Allerdings führt dieses Vorgehen auch dazu, dass im Rahmen der Durchführung einer Transformation an verschiedenen Stellen Mehrdeutigkeiten auftreten können. Zur Auflösung dieser Mehrdeutigkeiten stellt diese Arbeit unterschiedliche Strategien wie z.B. die Konsultation des Nutzers vor. Das dritte Hauptkonzept wird durch zwei Ansätze für sog. Higher-Order Transformations gebildet. Diese ermöglichen die teilweise semi-automatische Erstellung bzw. Vervollständigung von Abbildungsmodellen u.a. im Rahmen iterativer Entwicklungsprozesse. Dadurch wird die Entwicklung von Abbildungsmodellen weiter vereinfacht und die während einer Transformation auftretenden Mehrdeutigkeiten können schrittweise soweit notwendig reduziert werden. Ein Nachweis über die Funktionalität der entwickelten Methodik sowie deren prototypischer Implementierung erfolgt zum einen anhand repräsentativer Fallstudien aus der betrachteten Domäne und zum anderen auf Basis einer Analyse hinsichtlich allgemeiner Kriterien zur Bewertung von Transformations-Frameworks. Eine abschließende Bewertung zeigt, dass die entwickelte Methodik die speziellen Anforderungen in Bezug auf die UI-Entwicklung in der Domäne der industriellen Automatisierungstechnik erfüllt und zur Vereinfachung der Entwicklung von Modelltransformationen geeignet ist. / User Interfaces (UIs) in the domain of industrial automation serve the operation and monitoring of technical processes. The Model-based User Interface Development (MBUID) represents a promising concept for the automatic generation of such UIs. However, the realization of this concept for a specific use case requires the development of one or multiple model-to-model (M2M) transformations. Using existing transformation frameworks, this represents a complex, error-prone, and thus costly task. This applies especially to developers without deep knowledge of model-based technologies and can in some circumstances even cancel out the advantages promised by MBUID. In order to simplify the process of developing model transformations, this thesis proposes a specific methodology as well as its prototypic implementation by means of the PAMTraM framework. This methodology addresses the special underlying conditions of UI development in the domain of industrial automation and is based on three main concepts: The basis is formed by the configuration of M2M transformations in ambiguous, conditional mapping models. These only capture mappings between elements of the source and the target UI modeling language of a transformation. In contrast to existing approaches, the developed methodology explicitly takes into account the possibility for ambiguous mappings that are common in the domain of UI development. Furthermore, developers can specify explicit context conditions that prevent the necessity of a modification or redevelopment of a mapping model in case of a changed context of use (e.g. a new hardware platform). Individual transformations for one or multiple source and context models can be executed based on a configured mapping model. Therefore, a special generic transformation algorithm is presented. By autonomously analyzing the target UI modeling language, this algorithm is even capable of executing incomplete mapping models. As a result of this, the developer has to integrate less information in the mapping model. However, due to this approach, ambiguities may occur at various points during the course of a transformation. In order to be able to resolve these ambiguities, various strategies like the consultation of the user are presented in this thesis. The third main concept is formed by two approaches for higher-order transformations that allow the partial semi-automatic generation resp. completion of mapping models among others in the context of iterative development processes. This further simplifies the development of mapping models and allows for the step-wise reduction of occurring ambiguities as far as necessary. Representative case studies from the considered domain as well as an analysis with regard to general criteria for the assessment of transformation frameworks prove the functionality of the proposed methodology and its prototypical implementation. A concluding evaluation shows that the developed methodology satisfies the specific requirements concerning UI development in the domain of industrial automation and is suited to simplify the development of model transformations.