Zugl.: Hamburg, Techn. University, Diss., 2009.

Zugl.: Kaiserslautern, Techn. Univ., Diss., 2008

Zunehmende Vernetzung und gesteigerte Flexibilität in Planungs- und Produktionsprozessen sind die notwendigen Antworten auf die gesteigerten Anforderungen an die Industrie in Bezug auf Agilität und Einführung von Mehrwertdiensten. Dafür ist eine stärkere Digitalisierung aller Prozesse und Vernetzung mit den Informationshaushalten von Partnern notwendig. Heutige Informationssysteme sind jedoch nicht in der Lage, die Anforderungen eines solchen integrierten, verteilten Informationsraums zu erfüllen. Ein vielversprechender Kandidat ist jedoch Linked Data, das aus dem Bereich des Semantic Web stammt. Aus diesem Ansatz wurde Linked Enterprise Data entwickelt, welches die Werkzeuge und Prozesse so erweitert, dass ein für die Industrie nutzbarer und flexibler Informationsraum entsteht. Kernkonzept dabei ist, dass die Informationen aus den Spezialwerkzeugen auf eine semantische Ebene gehoben, direkt auf Datenebene verknüpft und für Abfragen sicher bereitgestellt werden. Dazu kommt die Erfüllung industrieller Anforderungen durch die Bereitstellung des Revisionierungswerkzeugs R43ples, der Integration mit OPC UA über OPCUA2LD, der Anknüpfung an industrielle Systeme (z.B. an COMOS), einer Möglichkeit zur Modelltransformation mit SPARQL sowie feingranularen Informationsabsicherung eines SPARQL-Endpunkts. / Increasing collaboration in production networks and increased flexibility in planning and production processes are responses to the increased demands on industry regarding agility and the introduction of value-added services. A solution is the digitalisation of all processes and a deeper connectivity to the information resources of partners. However, today’s information systems are not able to meet the requirements of such an integrated, distributed information space. A promising candidate is Linked Data, which comes from the Semantic Web area. Based on this approach, Linked Enterprise Data was developed, which expands the existing tools and processes. Thus, an information space can be created that is usable and flexible for the industry. The core idea is to raise information from legacy tools to a semantic level, link them directly on the data level even across organizational boundaries, and make them securely available for queries. This includes the fulfillment of industrial requirements by the provision of the revision tool R43ples, the integration with OPC UA via OPCUA2LD, the connection to industrial systems (for example to COMOS), a possibility for model transformation with SPARQL as well as fine granular information protection of a SPARQL endpoint.

Zunehmende Vernetzung und gesteigerte Flexibilität in Planungs- und Produktionsprozessen sind die notwendigen Antworten auf die gesteigerten Anforderungen an die Industrie in Bezug auf Agilität und Einführung von Mehrwertdiensten. Dafür ist eine stärkere Digitalisierung aller Prozesse und Vernetzung mit den Informationshaushalten von Partnern notwendig. Heutige Informationssysteme sind jedoch nicht in der Lage, die Anforderungen eines solchen integrierten, verteilten Informationsraums zu erfüllen. Ein vielversprechender Kandidat ist jedoch Linked Data, das aus dem Bereich des Semantic Web stammt. Aus diesem Ansatz wurde Linked Enterprise Data entwickelt, welches die Werkzeuge und Prozesse so erweitert, dass ein für die Industrie nutzbarer und flexibler Informationsraum entsteht. Kernkonzept dabei ist, dass die Informationen aus den Spezialwerkzeugen auf eine semantische Ebene gehoben, direkt auf Datenebene verknüpft und für Abfragen sicher bereitgestellt werden. Dazu kommt die Erfüllung industrieller Anforderungen durch die Bereitstellung des Revisionierungswerkzeugs R43ples, der Integration mit OPC UA über OPCUA2LD, der Anknüpfung an industrielle Systeme (z.B. an COMOS), einer Möglichkeit zur Modelltransformation mit SPARQL sowie feingranularen Informationsabsicherung eines SPARQL-Endpunkts. / Increasing collaboration in production networks and increased flexibility in planning and production processes are responses to the increased demands on industry regarding agility and the introduction of value-added services. A solution is the digitalisation of all processes and a deeper connectivity to the information resources of partners. However, today’s information systems are not able to meet the requirements of such an integrated, distributed information space. A promising candidate is Linked Data, which comes from the Semantic Web area. Based on this approach, Linked Enterprise Data was developed, which expands the existing tools and processes. Thus, an information space can be created that is usable and flexible for the industry. The core idea is to raise information from legacy tools to a semantic level, link them directly on the data level even across organizational boundaries, and make them securely available for queries. This includes the fulfillment of industrial requirements by the provision of the revision tool R43ples, the integration with OPC UA via OPCUA2LD, the connection to industrial systems (for example to COMOS), a possibility for model transformation with SPARQL as well as fine granular information protection of a SPARQL endpoint.

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.

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.

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.

Software Product Lines (SPLs) are a successful approach to software reuse in the large. Even though tools exist to create SPLs, their evolution is widely unexplored. Evolving an SPL manually is tedious and error-prone as it is hard to avoid unintended side-effects that may harm the consistency of the SPL. In this thesis, the conceptual basis of a system for the evolution of model-based SPLs is presented, which maintains consistency of models and feature mapping. As basis, a novel classification is introduced that distinguishes evolutions by their potential to harm the mapping of an SPL. Furthermore, multiple remapping operators are presented that can remedy the negative side-effects of an evolution. A set of evolutions is complemented with appropriate remapping operations for the use in SPLs. Finally, an implementation of the evolution system in the SPL tool FeatureMapper is provided to demonstrate the capabilities of the presented approach when co-evolving models and feature mapping of an SPL.

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.

Software Product Lines (SPLs) are a successful approach to software reuse in the large. Even though tools exist to create SPLs, their evolution is widely unexplored. Evolving an SPL manually is tedious and error-prone as it is hard to avoid unintended side-effects that may harm the consistency of the SPL. In this thesis, the conceptual basis of a system for the evolution of model-based SPLs is presented, which maintains consistency of models and feature mapping. As basis, a novel classification is introduced that distinguishes evolutions by their potential to harm the mapping of an SPL. Furthermore, multiple remapping operators are presented that can remedy the negative side-effects of an evolution. A set of evolutions is complemented with appropriate remapping operations for the use in SPLs. Finally, an implementation of the evolution system in the SPL tool FeatureMapper is provided to demonstrate the capabilities of the presented approach when co-evolving models and feature mapping of an SPL.:1 Introduction 1.1 Motivation for Evolving Software Product Lines 1.2 Outline of the Thesis 2 Background and Scope 2.1 Concepts and Terminology 2.1.1 Software Product Lines 2.1.2 Model-Driven Software Development 2.1.3 FeatureMapper 2.2 Scope 2.3 Related Work 3 Evolution of Software Product Lines 3.1 Evolutions 3.1.1 Evolutions in the Problem Space 3.1.2 Evolutions in the Solution Space 3.2 Classification Systems for Evolutions 3.2.1 Classification by Behavior Preservation 3.2.2 Classification Systems in the Literature 3.2.3 Classification by Semantical Extent of Model Changes 3.3 Remapping Operations 3.3.1 Remapping in the Problem Space 3.3.2 Remapping in the Solution Space 3.4 Classification and Remapping of Evolutions 3.4.1 Classification and Remapping of Problem Space Evolutions 3.4.2 Classification and Remapping of Solution Space Evolutions 4 A Framework for Evolutions in FeatureMapper 4.1 Relevant Technology 4.1.1 Refactory 4.1.2 EMFText 4.2 Implementation 4.2.1 Implementation of the Evolutions System 4.2.2 Implementation of the Remapping System 4.2.3 Implementation of the User Interface System 4.2.4 Implementation of the Test Suite 4.3 Possibilities for Extension 4.3.1 Adding New Evolutions 4.3.2 Adapting Existing Evolutions 5 Example Project 5.1 Initial Situation in 2001 5.2 First Revision in 2006 5.2.1 Removing the Cassette Player 5.2.2 Adding an MP3 CD Player 5.2.3 Adding a Personal Navigation Device 5.2.4 Changing the Implementation of the UI Builder 5.2.5 Summary of the Changes of the First Revision in 2006 5.3 Second Revision in 2011 5.3.1 Creating a Multi-Format CD Player 5.3.2 Enhancing Voice Recognition to Control the Audio Player 5.3.3 Restructuring Personal Navigation Maps 5.3.4 Changing the Implementation of the CD Player 5.3.5 Summary of the Changes of the Second Revision in 2011 5.4 Conclusion of the Example Project 6 Conclusion 6.1 Summarized Findings 6.2 Limitations and Drawbacks 6.3 Possibilities for Future Work 6.4 Theoretical and Practical Contributions A Object Remapping Specification (*.orspec) A.1 Object Remapping Specification Model A.2 Object Remapping Specification Syntax B DocBooklet (*.docbooklet) B.1 DocBooklet Model B.2 DocBooklet Syntax C NavMap (*.navmap) C.1 NavMap Model C.2 NavMap Syntax List of Figures List of Tables List of Listings Bibliography