Frames sind parametrisierte Elemente zur Erzeugung von Programmen in einer beliebigen Zielprogrammiersprache. Ihre Handhabung ist einfach und schnell zu erlernen. Allerdings findet bei Verwendung von Frames eine “Verunreinigung” des Programmcodes, der als Basis für die Generatorentwicklung dient, mit Befehlen der Generatorsprache statt. Dies erschwert die Weiterverwendung der gewohnten Entwicklungsumgebung für die Zielprogrammiersprache. Eine eventuelle Weiterentwicklung der Programmbasis muss anschließend in Form von Frames erfolgen. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Beschreibung noninvasiver Frames, bei denen Informationen zur Position der Frames getrennt vom Programmcode aufbewahrt werden. Ihre Vermischung erfolgt in einem separaten Schritt zur Darstellung oder zur eigentlichen Codeerzeugung. Der Prozess der Generatorentwicklung auf der Basis noninvasiver Frames passt sich gut in die Prozesse von Merkmal-orientierter (FOSD) und Generativer Softwareentwicklung (GSE) ein, weil noninvasive Frames die automatisierte Prüfung aller mit dem Generator erzeugbaren Programme hinsichtlich Syntax und bestimmter semantischer Eigenschaften unterstützen und die Generierung durch Auswahl der gewünschten Programmeigenschaften ermöglichen. Die Machbarkeit der Entwicklung von Softwaregeneratoren mit noninvasiven Frames wird anhand zweier Fallstudien demonstriert.

Es wird das Software Framework JStatCom vorgestellt, welches die Enwicklung von leistungsfähigen grafischen Benutzerschnittstellen für Daten-basierte Analysemethoden wesentlich vereinfacht, wobei der Schwerpunkt auf Methoden der Ökonometrie, insbesondere der Zeitreihenanalyse liegt. Das Konzept besteht darin, sämtliche wiederkehrenden Aufgaben mit Hilfe von Java-Klassen zu lösen, sowie die Ausführung von speziellen Algorithmen an externe Programme, wie z.B. Gauss oder Matlab, zu delegieren. Auf diese Weise können schon existierende Prozeduren aus verschiedenen Programmiersprachen wiederverwendet werden. Weiterhin wird die ökonometrische Anwendungssoftware JMulTi beschrieben, die auf Basis dieses Frameworks erstellt wurde. / This work presents the software framework JStatCom which is geared towards the development of powerful graphical user interfaces for data based analysis methods, especially for econometrics and time series analysis. The concept is to solve all recurring tasks with the help of Java classes and to delegate the execution of special algorithms to external programs, for example Gauss or Matlab. This way it is possible to reuse already existing procedures written in different programming languages. Furthermore, the econometric software JMulTi will be presented which has been developed with the help of this framework.

Frames sind parametrisierte Elemente zur Erzeugung von Programmen in einer beliebigen Zielprogrammiersprache. Ihre Handhabung ist einfach und schnell zu erlernen. Allerdings findet bei Verwendung von Frames eine “Verunreinigung” des Programmcodes, der als Basis für die Generatorentwicklung dient, mit Befehlen der Generatorsprache statt. Dies erschwert die Weiterverwendung der gewohnten Entwicklungsumgebung für die Zielprogrammiersprache. Eine eventuelle Weiterentwicklung der Programmbasis muss anschließend in Form von Frames erfolgen. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Beschreibung noninvasiver Frames, bei denen Informationen zur Position der Frames getrennt vom Programmcode aufbewahrt werden. Ihre Vermischung erfolgt in einem separaten Schritt zur Darstellung oder zur eigentlichen Codeerzeugung. Der Prozess der Generatorentwicklung auf der Basis noninvasiver Frames passt sich gut in die Prozesse von Merkmal-orientierter (FOSD) und Generativer Softwareentwicklung (GSE) ein, weil noninvasive Frames die automatisierte Prüfung aller mit dem Generator erzeugbaren Programme hinsichtlich Syntax und bestimmter semantischer Eigenschaften unterstützen und die Generierung durch Auswahl der gewünschten Programmeigenschaften ermöglichen. Die Machbarkeit der Entwicklung von Softwaregeneratoren mit noninvasiven Frames wird anhand zweier Fallstudien demonstriert.

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 Development is used to improve software quality and efficiency by automatically transforming abstract and formal models into software implementations. This is particularly sensible if the model’s integrity can be proven formally and is preserved during the model’s transformation. A standard to specify software model integrity is the Object Constraint Language (OCL). Another topic of research is the dynamic development of software components, enabling software system composition at component run-time. As a consequence, the system’s verification must be realized during system run-time (and not during transformation or compile time). Many established verification techniques cannot be used for run-time verification. A method to enable model-based run-time verification will be developed during this work. How OCL constraints can be transformed into executable software artifacts and how they can be used in the component-based system Treaty will be the major task of this diploma thesis. / Modellgetriebene Entwicklung dient der Verbesserung von Qualität und Effizienz in der Software-Entwicklung durch Automatisierung der notwendigen Transformationen von abstrakten bzw. formalen Modellen bis zur Implementierung. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Integrität der ursprünglichen Modelle formal bewiesen werden kann und durch die Transformation gewährleistet wird. Ein Standard zur Spezifikation der Integrität von Softwaremodellen ist die Object Constraint Language (OCL). Eine weitere Forschungsrichtung im Software-Engineering ist die Entwicklung von dynamischen Komponenten-Modellen, die die Komposition von Softwaresystemen im laufenden Betrieb ermöglichen. Dies bedeutet, dass die Systemverifikation im laufenden Betrieb realisiert werden muss. Die meisten der etablierten Verifikationstechniken sind dazu nicht geeignet. In der Diplomarbeit soll ausgehend von diesem Stand der Technik eine Methode zur modellbasierten Verifikation zur Laufzeit entwickelt werden. Insbesondere soll untersucht werden, wie OCL-Constraints zur Laufzeit in ausführbare Software-Artefakte übersetzt und in dem komponentenbasierten System Treaty verwendet werden können.

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 Development is used to improve software quality and efficiency by automatically transforming abstract and formal models into software implementations. This is particularly sensible if the model’s integrity can be proven formally and is preserved during the model’s transformation. A standard to specify software model integrity is the Object Constraint Language (OCL). Another topic of research is the dynamic development of software components, enabling software system composition at component run-time. As a consequence, the system’s verification must be realized during system run-time (and not during transformation or compile time). Many established verification techniques cannot be used for run-time verification. A method to enable model-based run-time verification will be developed during this work. How OCL constraints can be transformed into executable software artifacts and how they can be used in the component-based system Treaty will be the major task of this diploma thesis. / Modellgetriebene Entwicklung dient der Verbesserung von Qualität und Effizienz in der Software-Entwicklung durch Automatisierung der notwendigen Transformationen von abstrakten bzw. formalen Modellen bis zur Implementierung. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Integrität der ursprünglichen Modelle formal bewiesen werden kann und durch die Transformation gewährleistet wird. Ein Standard zur Spezifikation der Integrität von Softwaremodellen ist die Object Constraint Language (OCL). Eine weitere Forschungsrichtung im Software-Engineering ist die Entwicklung von dynamischen Komponenten-Modellen, die die Komposition von Softwaresystemen im laufenden Betrieb ermöglichen. Dies bedeutet, dass die Systemverifikation im laufenden Betrieb realisiert werden muss. Die meisten der etablierten Verifikationstechniken sind dazu nicht geeignet. In der Diplomarbeit soll ausgehend von diesem Stand der Technik eine Methode zur modellbasierten Verifikation zur Laufzeit entwickelt werden. Insbesondere soll untersucht werden, wie OCL-Constraints zur Laufzeit in ausführbare Software-Artefakte übersetzt und in dem komponentenbasierten System Treaty verwendet werden können.

Adaptation enables a reaction to a changing environment. For traditional software development, that means changing the design and implementation of the software in a potentially complex and expensive process. If requirements are not known until the runtime of a software system, this system must be able to cope with changes during its runtime. For this, self-adaptive systems (SAS) were created. They have internal knowledge about themselves and their environment to reason about changes and take appropriate actions. Many approaches aiming to build such systems have been published since the start of the research area at the beginning of the 21st century. However, it is difficult to find an appropriate approach, even when all requirements of a scenario the system should be built for are known. If no suitable approach can be found, software developers have to built a new system leading to high development costs and potentially inefficient solutions due to the complexity of the system. This thesis follows two goals: (1) To make approaches building SAS more comparable through a feature model describing features of SAS, and (2) to provide a novel way of specifying SAS concisely using reference attribute grammars (RAGs) providing efficient systems. RAGs originate from the research field of compiler construction and enable the concise description of parts of the internal knowledge mentioned above as well as of the computation of the actions to cope with recognised changes. To make RAGs fully usable, this thesis presents two extensions: Relational RAGs enable the efficient handling of relations required for knowledge graphs, and Connected RAGs let RAG-based system communicate with other external systems to both recognise changes and execute actions. To evaluate the novel approaches, a classification of 30 approaches for the feature model and several case studies in the areas smart home, robotics, and system orchestration were conducted. It can be shown, that significantly less code is required to specify SAS. To specify the computation, 14.5 % to 28.7 % less code was required, whereas in another case study only 6.3 % of the total code was manually written and the rest was generated. The efficiency is similar to the best comparable approaches for graph queries. Furthermore, using additional optimizations (incremental evaluation), the execution time can be shown to be faster by a factor of 167.88 less albeit being sometimes by 50.0 % slower for very small workloads and specific queries. In a more realistic, extrapolated experiment, using incremental evaluation creates speed-up factors between 6.63 and 44.93. With the contributions in this thesis, existing approaches can be selected more precisely, new approaches can classify themselves within the research area, and the development of self-adaptive systems is possible using RAG-based systems.

Neue Organisationsformen, wie evolutionäre Organisationen, bilden in vielen Kooperationsszenarien sozio-technische Konstrukte mit modernen CSCW Anwendungen aus. Daher erfordern Veränderungen dieser sozialen Systeme eine kontinuierliche Anpassung der technischen Tools an die neuen sozialen Konfigurationen. Diese Dissertation ist als Design Science Research (DSR) Projekt konzipiert und addressiert die folgende Forschungsfrage (RQ): “Wie können soziotechnische, evolutionäre Organisationen die Herausforderungen der joint optimization und des organizational choice während ihrer autopoietischen Veränderungsprozesse addressieren?” Die Fallstudie Viva con Agua de St. Pauli e.V. wurde mittels qualitativer und ethnographischer Methoden im Rahmen der entsprechenden DSR Zyklen untersucht. Das Forschungsprojekt fokussiert die Entwicklung von Artefakten indem sowohl eine technische, als auch eine soziale Perspektive eingenommen wird. Aus der technische Perspektive wird die RQ durch eine Microservice-Plattform adressiert. Die Architektur dient der Verteilung von Verantwortlichkeit für die Software in einem heterogenen Netzwerk von Entwickler:innen. Dabei müssen diverse neue Herausforderungen beachtet werden, wie etwa die Verteilung des User Interface. Durch die Betrachtung der RQ aus der sozialen Perspektive wird der USMU Workshop entwickelt. Dieses Artefakt dient der Verbindung der Charakteristika evolutionärer Organisationen mit agiler Software Entwicklung und mit Methoden des partizipativen Designs. Die Studien zeigen, dass beide Artefakte die RQ adressieren. Zudem konnte ich für beide Artefakte wertvolle Verbesserungsmöglichkeiten aufzeigen. Somit motivieren die Ergebnisse den nächsten Schritt des Projekts und die vorliegende Thesis wird Bestandteil des zyklischen Ablaufs eines DSR Projekts. / The emergence of new types of organizational structures, such as evolutionary-teal organizations, almost always leads to the development of socio-technical constructs when it comes to working in collaboration with modern CSCW applications. A consequence of this is that the social system’s autopoietic change processes create challenges that compel one to adjust the implementation of the technical tool to the social system’s new configuration. This thesis is structured according to the design science research (DSR) approach and focuses on the research question (RQ): “How can socio-technical evolutionary-teal organizations address the challenges of joint optimization and organizational choice during their autopoietic processes?” For this purpose, the case study Viva con Agua de St. Pauli e.V. is investigated using a qualitative ethnographical approach during the DSR cycles. Addressing the RQ, two artifacts are designed from a technical as well as a social perspective. While the technical perspective primarily investigates the adjustments of technology, the social perspective focuses on the management of change in socio-technical evolutionary-teal organizations. I propose a microservice platform as an artifact that addresses the RQ from a technical perspective. The microservice architecture aims at spreading the responsibility for the software through a heterogeneous ecosystem of developers. The newly designed USMU workshop is addressing the RQ from the social perspective. It strives to intertwine the characteristics of evolutionary-teal organizations with agile software development and participatory design methods. In my studies, I examine the fact that both artifacts can be used to address the RQ. Additionally, I was able to identify valuable improvements for both of my artifacts. Hence, the project follows the lifecycle of a DSR project by reasoning through the results presented here for its next iteration.