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Habilitation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-94652
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9465/


Aktive Komponenten : Ein integrierter Entwicklungsansatz für verteilte Systeme - Konzepte und Middleware zur softwaretechnischen Unterstützung intelligenter Assistenzanwendungen

Active Components : An Integrated Development Approach for Distributed Systems - Concepts and Middleware for Software-technical Support of Intelligent Assistive Applications

Pokahr, Alexander

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SWD-Schlagwörter: Software Engineering , Verteiltes System , Künstliche Intelligenz
Basisklassifikation: 54.72 , 54.52 , 54.53 , 54.25
Institut: Informatik
DDC-Sachgruppe: Informatik
Dokumentart: Habilitation
Hauptberichter: Riebisch, Matthias (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 18.12.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 20.12.2018
Kurzfassung auf Deutsch: Diese Arbeit befasst sich mit softwaretechnischen Konzepten zur Entwicklung verteilter Systeme und ist somit in den Forschungsgebieten Softwaretechnik und verteilte Systeme angesiedelt. Die Konstruktion verteilter Systeme stellt Software-Entwickler dabei vor besondere Herausforderungen, die bei Einzelrechnersystemen so nicht vorkommen. Diese Herausforderungen lassen sich einteilen in die Bereiche Nebenläufigkeit, Verteilung und nicht-funktionale Eigenschaften. Bestehende Software-Paradigmen wie Objektorientierung, Dienstorientierung, komponentenbasierte Entwicklung oder Multiagentensysteme versuchen diese Herausforderungen jeweils durch eigene konzeptionelle Modelle zu adressieren. Dabei weisen diese verschiedenen Ansätze unterschiedliche Stärken und Schwächen auf. In dieser Arbeit wird mit den aktiven Komponenten ein neuartiger, vereinheitlichter Ansatz vorgeschlagen. Dabei kann eine aktive Komponente charakteristische Eigenschaften der anderen Paradigmen in einer einheitlichen intuitiven Sichtweise abbilden und erlaubt es somit, die genannten Herausforderungen in einem ganzheitlichen Modell zu adressieren.
In dieser Arbeit werden die grundlegenden Modellbestandteile bestehender Paradigmen und ihre Stärken und Schwächen analysiert. Darauf aufbauend wird das Modell der aktiven Komponenten entworfen. Es besteht aus einer allgemeinen Außensicht, die allen Komponententypen gemeinsam ist, und aus komponententypspezifischen inneren Sichten, die es ermöglichen, nützliche Konzepte der anderen Paradigmen nahtlos in eine vereinheitlichte Gesamtsystemsicht zu integrieren. Der Ansatz wird in einer verteilten Middleware umgesetzt und in verschiedenen exemplarischen Anwendungsszenarien evaluiert.
Für den Praxisbezug wird in dieser Arbeit die Klasse der intelligenten Assistenzanwendungen untersucht. Nach einer Definition und Abgrenzung werden konkrete Herausforderungen dieser Anwendungsklasse abgeleitet. In Bezug auf die Anwendungsfunktionalität lassen sich diese Herausforderungen durch entsprechende Verhaltensmodelle aktiver Komponenten adressieren. Dazu wird mit dem Belief-Desire-Intention-Modell (BDI-Modell) eine konkrete Agentenarchitektur als komponententypspezifisches Verhaltensmodell in aktive Komponenten integriert. Um möglichst viele funktionale Aspekte intelligenter Assistenzanwendungen direkt im Modell zu unterstützen, werden neuartige Konzepte im Bereich BDI-Zielorientierung vorgeschlagen und umgesetzt. Eine weitere Herausforderung im Bereich des Entwicklungsprozesses stellt - aufgrund der inhärenten Autonomie intelligenter Assistenzanwendungen - das Validieren und Testen dar. Hierzu wird ein simulationsbasierter Ansatz vorgeschlagen, für den eine geeignete Infrastruktur und Werkzeugunterstützung bereitgestellt wird.
Kurzfassung auf Englisch: This work targets software engineering concepts for developing distributed systems. Thus, it covers the research areas software engineering and distributed systems. When developing distributed systems, software engineers face challenges, which are not present in most single-node systems. These challenges can be categorized into concurrency, distribution, and non-functional properties. Current software paradigms, such as object orientation, service orientation, component-based development, or multi-agent systems aim at addressing these challenges with separate conceptual models. Therefore, each approach exhibits a different set of strengths and weaknesses. This work proposes active components as a new approach, in which an active component can map characteristic properties of existing paradigms in a unified intuitive world view. This allows addressing the above-named challenges in a holistic model.
Therefore, this work analyzes the parts that constitute the model of each paradigm with respect to its strengths and weaknesses. On this basis, the model of active components is conceived. It comprises a generic outside view, which is the same for all components, and component-type-specific inner views. This allows a seamless integration of useful concepts of other paradigms into a unified overall system view. The approach is realized in a distributed middleware and evaluated in different exemplary application scenarios.
To demonstrate the practical usefulness of the approach, the class of intelligent assistive applications is investigated further. Followed by a definition and delimination, concrete challenges of this application class are derived. Regarding application functionality, these challenges can be addressed by specific behavior models of active components. Therefore, the concrete agent architecture BDI (belief-desire-intention) is integrated as a component-type-specific behavior model. To support many functional aspects of intelligent assistive applications directly in the model, new concepts in the area of BDI goal-orientation are proposed and realized. Further challenges regarding the development process are the testing and validation of intelligent assistive applications, due to their inherent autonomy. For this purpose, a simulation-based approach is conceived and supported by the realization of apropriate tool support.

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