Von Multiagentensystemen zu Multiorganisationssystemen - Modellierung auf Basis von Petrinetzen

Abstract

In der aktuellen Forschung ergeht die Forderung nach grundsätzlichen konzeptionellen Modellen für die Beherrschbarkeit großangelegter Softwaresysteme mit dem Charakter als Systeme von Systemen, die durch operationale und administrative Unabhängigkeit/Eigenständigkeit der Teilsysteme gekennzeichnet sind. In der vorliegenden Arbeit wird die Auffassung vertreten, der Einbezug von Konzepten und Mechanismen aus dem Bereich sozialer Organisationen für die Gestaltung von Softwaresystemen sei zu diesem Zweck besonders gut geeignet. Diese Idee hat sich insbesondere im Bereich der Multiagentensysteme bereits auf breiter Basis durchgesetzt. Allerdings wird das Konzept der Organisation hier vor allem als Kontext für die Handlungen individueller Agenten und mithin als oberer Systemabschluss verwendet. Ein besonderes Merkmal sozialer Organisationen ist hingegen ihr Wesen als kollektive Akteure. Dieses Merkmal ermöglicht die Betrachtung von großangelegten sozialen Organisationssystemen unter Bezugnahme auf multiple Ebenen des organisierten Handelns. Um das Potential der Organisationsmetapher für die Softwareentwicklung umfassender ausnutzen zu können, wird in der vorliegenden Arbeit daher einWechsel der konzeptionellen Herangehensweise von der Agentenorientierung zur Organisationsorientierung vorgeschlagen. In organisationsorientierten Softwaresystemen steht die Organisation als Softwareentität im Mittelpunkt und weist die beiden Merkmale als Kontext und als Akteur in Kombination auf. Ein wichtiger Teil der Arbeit ist einer ausführlichen Motivation von organisationsorientierten Softwaresystemen gewidmet. Damit einher geht die sorgfältige Identifizierung der Kernkonzepte und -mechanismen aus dem Bereich sozialer Organisationen, die dafür als konzeptionelle Grundlage dienen sollen. Besonders wichtig ist dabei der janusgesichtige Charakter von Organisationen (oder allgemeiner: von organisierten Kollektivitäten) in sozialen Organisationssystemen. Die Arbeit geht nicht mit dem Anspruch einher, eine allgemeingültige und verbindliche Definition von, beziehungsweise Perspektive auf organisationsorientierte Softwaresysteme einzunehmen. Stattdessen ist der Hauptteil der Arbeit der Präsentation einer konkreten Form von organisationsorientierten Softwaresystemen gewidmet. Es handelt sich dabei um Multiorganisationssysteme, die als konzeptionelle Erweiterung von (bereits organisationsorientierten) Multiagentensystemen eingeführt werden. Als neuartige Entität wird die Organisationseinheit eingeführt. Dabei handelt es sich genau um die geforderte janusgesichtige Entität, die sowohl organisatorischer Kontext als auch organisatorischer Akteur ist. Organisationseinheiten als Basisbausteine führen zu einer inhärent rekursiven Struktur von Multiorganisationssystemen. Für Organisationseinheiten und Multiorganisationssysteme werden verschiedene Modellierungstechniken vorgestellt, universelle Grundmodelle erarbeitet und schließlich eine Referenzarchitektur für Multiorganisationssysteme abgeleitet. Als Grundlage der Modellierung dient der höhere Petrinetzformalismus der Referenznetze. Referenznetze kombinieren die für Petrinetze übliche anschauliche Darstellung der Verzahnung von Netzstrukturen und nebenläufigem Systemverhalten (Markenspiel) mit dem höheren Konzept der Netze in Netzen. Auf diese Weise werden Synchronisationsmechanismen über Systemebenen hinweg und dynamische Rekonfigurierbarkeit von Systemstrukturen als erstrangige Modellkonzepte angeboten. Die verschiedenen vorgestellten Modellierungstechniken erlauben eine systematische Modulation der bevorzugten Modellabstraktion und erlauben auf diese Weise die Erstellung von abstrakten „Denkmodellen“ bis hin zu technischen und direkt ausführbaren „Programmiermodellen“.

Current research efforts lead to the request for conceptual models for the controllability of largescale software systems that are systems of systems, where a system of systems is characterized by the operational and managerial independence of its component systems. For this purpose, it is proposed in this work to draw upon concepts and mechanisms from the field of social organizations in order to incorporate them into the arrangement of software systems. This idea has already taken hold in the field of multi-agent systems on a broad basis. But the concept of an organization is mainly understood and utilized as a context for the actions of individual agents and an agent organization is consequently typically seen as an upper system closure. However, one special attribute of social organizations is their nature as collective actors. This attribute allows to conceive large-scale social organized systems as incorporating multiple analysis levels of organized behaviour. In order to exploit the potential of the organizational metaphor for software engineering more comprehensively, a change in the conceptual approach from agent-orientation to organization-orientation is proposed in this work. In organization-oriented software systems, the central software entity is that of an organization that exhibits the attributes as a context and as an actor in combination. An important contribution of this work is dedicated to the presentation of an elaborated motivation for organization-oriented software systems. This is complemented by a thorough identification of core concepts and mechanisms from the field of social organizations that shall serve as a conceptual basis. Most central is the Janus-faced character of organizations (or more generally, of organized collectivities) in social organized systems. It is not intended in this work to provide the one and only definition for organizationoriented software systems or to present a mandatory perspective. Instead, the main part of the work is dedicated to present a particular form of organization-oriented software systems as a representative. This particular form is called multi-organization systems and they are introduced as a conceptual extension of (organization-oriented) multi-agent systems. Organizational units are introduced as novel entities. They are exactly the required Janus-faced entities that are organizational contexts as well as organizational actors. Organizational units as basic building blocks of multi-organization systems lead to an inherently recursive overall system structure. Various modelling techniques for organizational units and multi-organization systems are presented, standard models of organizational units are developed and a reference architecture for multi-organization systems is inferred. The high-level Petri net formalism of reference nets constitutes the foundation for all the modelling efforts in this work. Reference nets allow to combine the descriptive illustration of the interleaving of net structure and concurrent net behaviour that is common for Petri nets with the high-level concept of nets-within-nets. In this way, synchronization mechanisms across multiple system levels and dynamic reconfiguration of system structures are introduced as first-order modelling concepts. The various modelling techniques presented in this work allow for a systematic modulation of the preferred abstraction level for models and thus allow for the creation of abstract „thinking models“ all the way to technical and directly executable „programming models“.