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Context Model driven development envisages the use of model transformations to evolve models. Model transformation languages, developed for this task, are touted with many benefits over general purpose programming languages. However, a large number of these claims have not yet been substantiated. They are also made without the context necessary to be able to critically assess their merit or built meaningful empirical studies around them. Objective The objective of our work is to elicit the reasoning, influences and background knowledge that lead people to assume benefits or drawbacks of model transformation languages. Method We conducted a large-scale interview study involving 56 participants from research and industry. Interviewees were presented with claims about model transformation languages and were asked to provide reasons for their assessment thereof. We qualitatively analysed the responses to find factors that influence the properties of model transformation languages as well as explanations as to how exactly they do so. Results Our interviews show, that general purpose expressiveness of GPLs, domain specific capabilities of MTLs as well as tooling all have strong influences on how people view properties of model transformation languages. Moreover, the Choice of MTL, the Use Case for which a transformation should be developed as well as the Skill s of involved stakeholders have a moderating effect on the influences, by changing the context to consider. Conclusion There is a broad body of experience, that suggests positive and negative influences for properties of MTLs. Our data suggests, that much needs to be done in order to convey the viability of model transformation languages. Efforts to provide more empirical substance need to be undergone and lacklustre language capabilities and tooling need to be improved upon. We suggest several approaches for this that can be based on the results of the presented study., publishedVersion

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022; Aachen : VDI Verlag GmbH, Fortschritt-Berichte VDI. Reihe 10, Informatik, Kommunikation 876, XI, 180 Seiten : Illustrationen, Diagramme (2022). doi:10.18154/RWTH-2022-03396 = Dissertation, RWTH Aachen University, 2022, As part of the future project Industry 4.0 of the High-Tech Strategy of the German Federal Government, the concept of the asset administration shell is being developed. The result is a uniform interface and a meta model for accessing the information of an asset. This information is summarized in information models, each of which represents an aspect of an asset and is used for a specific use case. Due to the increasing number of communicating devices in the industrial context, the increased use of information for value-added services and the integration to complex, intelligent machines and plants, concepts for interoperability are coming into focus. Semantic interoperability is a key goal in the exchange of asset information. Since different stakeholders require different information models, a variety of these information models will exist. These information models may semantically contain the same information, but may be modeled or compiled differently. Additionally, there will be different versions of these information models. This leads to a semantic interoperability problem and is difficult to manage by manually transforming the data because of the large number of information models and assets that are digitally managed. For this reason a concept for semantic interoperability between information models is presented in this thesis. Based on an analysis of existing methods and approaches to achieve semantic interoperability, the concept of model transformation is used to solve the problem. For asset-related information exchange, current standardized models are compared and the concept of the asset administration shell is used as an application example. Based on this application example, the difference between syntactic and semantic transformations is introduced and a classification of the transformation is performed using previously defined features. On this basis, requirements for a transformation language are determined and existing languages are evaluated with respect to their usability. The result of the requirements analysis is that so far no language exists that fulfills all requirements. Therefore a new model transformation language is derived. This is described generically and is concretized for the concept of the asset administration shell. Both the abstract and the concrete syntax as well as the required syntax rules are presented. A prototypical realization of a transformation system shows the application of the language and enables the execution of model transformations between arbitrary information models. Finally, an evaluation of the language is presented based on three selected use cases., Published by VDI Verlag GmbH, Aachen

The continued rapid information technological progress is causing major changes. From embedded systems to intelligent embedded systems and cyber-physical systems, the system evolution is always confronted with the challenge of the frequently changing requirements: the proliferation of business models, the rapid development of technology, the fast changing market and customer requirements, new varieties of development methods and models, etc. Cyber-physical systems(CPS) with a long-term life cycle (long-living) play a very important role in many areas, especially in smart factories, digital manufacturing, smart logistics, and energy efficiency. It combines the physical part with the cyber part in a holistic way, where the two parts have to flexibly and dependably adapt to each other to adapt to the changing system environment. On the other hand, a long-living CPS is complicated and multi-configurational, so an incompatible or non-combinable system development can lead to problems or high expenditures. Therefore, an approach is required to reduce the evolution risks and investment needs during the evolution of long-living CPSs. This thesis provides an approach for the managed evolution of long-living CPSs, which is based on the formal descriptions and model transformations of managed evolution of the long-living CPSs. This approach guarantees the consistency between the system evolution requirements and system implementation. Furthermore, with this approach the influence factors for investment needs like the cost of implementation can be scaled to optimize the expenditures of implementation. This approach is evaluated with two practical cases to ascertain the suitability for the managed evolution of long-living CPSs.

In der aktuellen Methodik der Gebäudeplanungs-Fachleuten wird die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit BIM (Building Information Modelling)-Prozessen als Stand der Technik angesehen.In der Regel ist keine Informationstransformationsroutine von BIM zu BEM (Building Energy Modelling) implementiert. Dies hat zur Folge, dass Ingenieure, die BEM betreiben, mit einem umständlichen, fehleranfälligen, zeit- und kostenintensiven manuellen Datentransferprozess konfrontiert sind.Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Überblick über einige verfügbare halbautomatische Ansätze zur Informationstransformation von einem in BIM standardmäßig genutzten Datenformat, IFC, zu einer Gebäudesimulationsumgebung, EnergyPlus, durchgeführt.Es wird eine Fallstudie für zwei ausgewählte Informationstransformationsabläufe durchgeführt. Die Fallstudie basiert auf einem Gebäude, das detailliert mit BIM-Methoden in einer BIM-Umgebung in ArchiCAD und Revit modelliert wird.Diese Gebäudemodelle werden anschließend in das Datenaustauschformat IFC exportiert. Beide IFC-Dateien werden anschließend über einen Transformationsprozess in ein EnergyPlus Input Data File (IDF) umgewandelt. Die IFC-Datei, die auf dem ArchiCAD-Modell basiert, wird über Python-Skripte unter Verwendung verschiedener Bibliotheken transformiert. Die IFC-Datei, die auf dem Revit-Modell basiert, wird über den Übersetzer OsmSerializer, der in den IFC-Dateiserver BIMserver integriert ist, transformiert.Die Qualität und Gültigkeit der resultierenden Geometrie und der semantischen Daten werden analysiert. Zusätzlich werden die Simulationsergebnisse miteinander und mit einem Basisfallmodell verglichen, das manuell mit SketchUp und dem OpenStudio-Plug-in erstellt wurde. Abschließend werden die Nutzbarkeit und Vergleichbarkeit der Simulationsergebnisse bewertet, um den aktuellen Entwicklungsstand der beiden gewählten Workflows aufzuzeigen.Die Ergebnisse der Studie zeigen folgende Aspekte auf: (i) Probleme und Einschränkungen bei der Erstellung von BIM-Modellen für die Nutzung von BEM; (ii) Probleme bei der Transformation von Geometrie- und semantischen Daten von IFC zu IDF mit den beiden gewählten Workflows; (iii) Abweichungen der Simulationsergebnisse. Die Ergebnisse der Studie zeigen jedoch, dass es Möglichkeiten gibt, den Gesamtprozess von BIM-basierten BEM zu verbessern, indem Teile der beiden evaluierten Workflows, z. B. die automatische Gebäudekonstruktions- und die Materialtransformation, verwendet werden., In the current methodologies amongst AEC (Architecture-Engineering-Construction)-professionals, interdisciplinary collaboration with BIM (Building Information Modelling) processes is considered as state of the art. Regularly, no common information transformation routine from BIM to BEM (Building Energy Modelling) can be observed. As a result, engineers doing BEM are confronted with a cumbersome, error-prone, time- and cost-intensive manual data transfer process.In the scope of this thesis a review of some available semi-automated approaches for information transformation from a common data format and structure used in BIM, namely Industry Foundation Classes (IFC), to a state-of-the-art building simulation environment, namely EnergyPlus, is performed.Thereby, a case study is conducted for two chosen workflows. The case study is based on an artificial building project modelled based on BIM-methodologies in detail in the BIM-authoring tools ArchiCAD and Revit. These building models are afterwards exported to the commonly used data exchange format IFC. Each of the IFC files is afterwards transformed via one unique transformation process to an EnergyPlus Input Data File (IDF). The IFC file based on the ArchiCAD model is transformed via Python scripts using several libraries. The IFC file based on the Revit model is transformed via the serializer OsmSerializer integrated in the IFC file server BIMserver.The quality and validity of the resulting geometry and semantic data are analysed. Additionally, the simulation results are collated to each other and a base case model, which is manually created via SketchUp and the OpenStudio plug-in. Concluding the validity and comparability of the simulation results are evaluated to indicate the current state of development of the two chosen workflows.The results of the study show the following aspects (i) issues and restrictions concerning the creation of BIM-models for the use of BEM; (ii) issues concerning the transformation of geometry and semantic data from IFC to IDF with the two chosen workflows; (iii) deviations of the simulation results. However, the results show that there are possibilities to enhance the overall workflow of BIM-based BEM by using parts of the two evaluated workflows, e.g., automatic building construction and material transformation.

There exists a plethora of claims about the advantages and disadvantages of model transformation languages compared to general-purpose programming languages. With this work, we aim to create an overview over these claims in the literature and systematize evidence thereof. For this purpose, we conducted a systematic literature review by following a systematic process for searching and selecting relevant publications and extracting data. We selected a total of 58 publications, categorized claims about model transformation languages into 14 separate groups and conceived a representation to track claims and evidence through the literature. From our results, we conclude that: (i) the current literature claims many advantages of model transformation languages but also points towards certain deficits and (ii) there is insufficient evidence for claimed advantages and disadvantages and (iii) there is a lack of research interest into the verification of claims., publishedVersion

Although model transformations are considered to be the heart and soul of Model Driven Engineering (MDE), there are still several challenges that need to be addressed to unleash their full potential in industrial settings. Among other shortcomings, their performance and scalability remain unsatisfactory for dealing with large models, making their wide adoption difficult in practice. This paper presents A2L, a compiler for the parallel execution of ATL model transformations, which produces efficient code that can use existing multicore computer architectures, and applies effective optimizations at the transformation level using static analysis. We have evaluated its performance in both sequential and multi-threaded modes obtaining significant speedups with respect to current ATL implementations. In particular, we obtain speedups between 2.32x and 38.28x for the A2L sequential version, and between 2.40x and 245.83x when A2L is executed in parallel, with expected average speedups of 8.59x and 22.42x, respectively. (VLID)5888704 Accepted version

Aktuelle Entwicklungen führen zu komplexeren Produktionssystemen, insbesondere in der variantenreichen Serienfertigung. Als Folge bestehen erhebliche Herausforderungen darin, die technische Kapazität mit strategischem Zeithorizont effizient, transparent und flexibel zu planen. Da zahlreiche Abhängigkeiten berücksichtigt werden müssen, ist in der Praxis festzustellen, dass sich Vollständigkeit und Verständlichkeit der Modelle ausschließen. Zur Lösung dieses Zielkonflikts wird ein softwaregestützter Workflow vorgeschlagen, welcher in der neu entwickelten Software AURELIE realisiert wurde. Der Workflow basiert auf der grafischen Modellierung eines geplanten Systems von Wertströmen, der automatischen Validierung und Transformation des grafischen Modells und der automatischen Optimierung des resultierenden mathematischen Modells. Den Ausgangspunkt bildet ein grafisches Modell, das nicht nur verständlich ist, sondern auch das System in seiner Komplexität vollständig widerspiegelt. Aus Sicht der Forschung liegt der wesentliche Beitrag neben einer formalen Systembeschreibung und dem Aufzeigen der Forschungslücke in der Entwicklung der notwendigen Modelle und Algorithmen. Der Neuheitsgrad ist durch den ganzheitlichen Lösungsansatz gegeben, dessen Umsetzbarkeit durch die Software AURELIE belegt wird. Aus Sicht der Praxis werden die Effizienz, Transparenz und Flexibilität im Planungsprozess signifikant gesteigert. Dies wird durch die weltweite Einführung der Software AURELIE an den Standorten der Bosch Rexroth AG bestätigt.:Vorwort Referat Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Algorithmenverzeichnis 1 Einführung 1.1 Ausgangssituation: Potenziale in der Planung 1.2 Problembeschreibung und Einordnung der Dissertation 1.3 Lösungsansatz: softwaregestützter Workflow 1.4 Forschungsfragen und Aufbau der Arbeit 2 Lösungsvorbereitung: Systemanalyse 2.1 Kontext: strategische Planung technischer Kapazität in der Serienfertigung 2.2 Systemstruktur: rekursive Zusammensetzung von Wertströmen 2.2.1 Prozessschritte, Stückzahlverteilung und Verknüpfungstypen 2.2.2 Prozesse und Wertströme 2.3 Systemschnittstelle: Funktionen der Eingaben und Ausgaben 2.3.1 Materialfluss: Bereitstellung von Komponenten für Produkte 2.3.2 Informationsfluss: Planung der Produktion 2.4 Grundlagen der Kalkulation: einfacher Fall eines Prozessschritts 2.4.1 Taktzeiten, Nutzungsgrad und Betriebsmittelzeit 2.4.2 Kapazität, Auslastung und Investitionen 2.5 Erweiterung der Kalkulation: allgemeiner Fall verknüpfter Prozessschritte 2.5.1 Sequenzielle Verknüpfung Beispiel SQ1 Beispiel SQ2 Beispiel SQ3 2.5.2 Alternative Verknüpfung Beispiel AL1 Beispiel AL2 Beispiel AL3 2.5.3 Selektive Verknüpfung Beispiel SL1 Beispiel SL2 2.6 Anforderungen in Bezug auf die Modellierung und die Optimierung 2.6.1 Kategorisierung möglicher Anforderungen 2.6.2 Formulierung der essenziellen Anforderungen 3 Stand der Technik 3.1 Auswahl zu evaluierender Softwaretypen 3.2 Software zur Erstellung von Tabellenkalkulationen 3.2.1 Beispiel: Microsoft Excel 3.2.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 3.3 Software zur Materialflusssimulation 3.3.1 Beispiel: Siemens Plant Simulation 3.3.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 3.4 Software für Supply Chain Management 3.4.1 Beispiel: SAP APO Supply Network Planning 3.4.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 3.5 Software zur Prozessmodellierung 3.5.1 Beispiel: BPMN mit idealem Interpreter und Optimierer 3.5.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 3.6 Fazit: Bedarf nach einer neuen Entwicklung 4 Lösungsschritt I: grafische Modellierung und Modelltransformation 4.1 Kurzeinführung: Graphentheorie und Komplexität 4.1.1 Graphentheorie 4.1.2 Komplexität von Algorithmen 4.2 Modellierung eines Systems durch Wertstromgraphen 4.2.1 Grafische Modellstruktur: Knoten und Kanten 4.2.2 Modellelemente: Quellen, Senken, Ressourcen und Flusspunkte 4.3 Validierung eines grafischen Modells 4.3.1 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 4.3.2 Beschreibung der Algorithmen 4.3.3 Beweis der Zeitkomplexität 4.4 Transformation eines grafischen Modells in ein mathematisches Modell 4.4.1 Mathematische Modellstruktur: Matrizen und Folgen 4.4.2 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 4.4.3 Beschreibung der Algorithmen 4.4.4 Beweis der Zeitkomplexität 4.5 Umsetzung in der Software AURELIE 4.5.1 Funktionsübersicht und Benutzerführung 4.5.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 4.6 Fazit: Erreichen des vorgegebenen Entwicklungsziels 5 Lösungsschritt II: mathematische Optimierung 5.1 Kurzeinführung: lineare Optimierung und Korrektheit 5.1.1 Lineare Optimierung 5.1.2 Korrektheit von Algorithmen 5.2 Maximierung der Kapazitäten 5.2.1 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 5.2.2 Beschreibung des Algorithmus 5.2.3 Beweis der Korrektheit und Zeitkomplexität 5.3 Minimierung der Investitionen 5.3.1 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 5.3.2 Beschreibung des Algorithmus 5.3.3 Beweis der Korrektheit und Zeitkomplexität 5.4 Optimierung der Auslastung 5.4.1 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 5.4.2 Beschreibung des Algorithmus 5.4.3 Beweis der Korrektheit und Zeitkomplexität 5.5 Umsetzung in der Software AURELIE 5.5.1 Funktionsübersicht und Benutzerführung 5.5.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 5.5.3 Wesentliche Erweiterungen 5.5.4 Validierung der Optimierungsergebnisse 5.6 Fazit: Erreichen des vorgegebenen Entwicklungsziels 6 Schluss 6.1 Zusammenfassung der Ergebnisse 6.2 Implikationen für Forschung und planerische Praxis 6.3 Ausblick: mögliche Weiterentwicklungen A Technische Dokumentation A.1 Algorithmen, Teil I: grafische Modellierung und Modelltransformation A.1.1 Nichtrekursive Breitensuche von Knoten in einem Graphen A.1.2 Rekursive Breitensuche von Knoten in einem Graphen A.1.3 Nichtrekursive Tiefensuche von Knoten in einem Graphen A.1.4 Rekursive Tiefensuche von Knoten in einem Graphen A.1.5 Traversierung der Kanten eines grafischen Modells A.1.6 Validierung eines grafischen Modells A.1.7 Traversierung der Knoten eines grafischen Modells A.1.8 Transformation eines grafischen Modells A.2 Algorithmen, Teil II: mathematische Optimierung A.2.1 Minimierung einer allgemeinen linearen Zielfunktion A.2.2 Maximierung der technischen Kapazitäten A.2.3 Minimierung der Überlastung (Komponenten größer als eins) A.2.4 Optimierung der Auslastung (alle Komponenten) Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis Index Literaturverzeichnis Recent developments lead to increasingly complex production systems, especially in the case of series production with a great number of variants. As a result, considerable challenges exist in planning the technical capacity with strategic time horizon efficiently, transparently and flexibly. Since numerous interdependencies must be considered, it can be observed in practice that completeness and understandability of the models are mutually exclusive. To solve this conflict of objectives, a software-based workflow is proposed, which was implemented in the newly developed software AURELIE. The workflow relies on the graphical modeling of a planned system of value streams, the automated validation and transformation of the graphical model and the automated optimization of the resulting mathematical model. The starting point is a graphical model, which is not only understandable, but also reflects the system completely with respect to its complexity. From a research perspective, the essential contribution, besides a formal system description and the identification of the research gap, lies in the development of the required models and algorithms. The degree of novelty is given by the holistic solution approach, which is proven feasible by the software AURELIE. From a practical perspective, efficiency, transparency and flexibility in the planning process are significantly increased. This is confirmed by the worldwide implementation of the software AURELIE at the locations of Bosch Rexroth AG.:Vorwort Referat Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Algorithmenverzeichnis 1 Einführung 1.1 Ausgangssituation: Potenziale in der Planung 1.2 Problembeschreibung und Einordnung der Dissertation 1.3 Lösungsansatz: softwaregestützter Workflow 1.4 Forschungsfragen und Aufbau der Arbeit 2 Lösungsvorbereitung: Systemanalyse 2.1 Kontext: strategische Planung technischer Kapazität in der Serienfertigung 2.2 Systemstruktur: rekursive Zusammensetzung von Wertströmen 2.2.1 Prozessschritte, Stückzahlverteilung und Verknüpfungstypen 2.2.2 Prozesse und Wertströme 2.3 Systemschnittstelle: Funktionen der Eingaben und Ausgaben 2.3.1 Materialfluss: Bereitstellung von Komponenten für Produkte 2.3.2 Informationsfluss: Planung der Produktion 2.4 Grundlagen der Kalkulation: einfacher Fall eines Prozessschritts 2.4.1 Taktzeiten, Nutzungsgrad und Betriebsmittelzeit 2.4.2 Kapazität, Auslastung und Investitionen 2.5 Erweiterung der Kalkulation: allgemeiner Fall verknüpfter Prozessschritte 2.5.1 Sequenzielle Verknüpfung Beispiel SQ1 Beispiel SQ2 Beispiel SQ3 2.5.2 Alternative Verknüpfung Beispiel AL1 Beispiel AL2 Beispiel AL3 2.5.3 Selektive Verknüpfung Beispiel SL1 Beispiel SL2 2.6 Anforderungen in Bezug auf die Modellierung und die Optimierung 2.6.1 Kategorisierung möglicher Anforderungen 2.6.2 Formulierung der essenziellen Anforderungen 3 Stand der Technik 3.1 Auswahl zu evaluierender Softwaretypen 3.2 Software zur Erstellung von Tabellenkalkulationen 3.2.1 Beispiel: Microsoft Excel 3.2.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 3.3 Software zur Materialflusssimulation 3.3.1 Beispiel: Siemens Plant Simulation 3.3.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 3.4 Software für Supply Chain Management 3.4.1 Beispiel: SAP APO Supply Network Planning 3.4.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 3.5 Software zur Prozessmodellierung 3.5.1 Beispiel: BPMN mit idealem Interpreter und Optimierer 3.5.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 3.6 Fazit: Bedarf nach einer neuen Entwicklung 4 Lösungsschritt I: grafische Modellierung und Modelltransformation 4.1 Kurzeinführung: Graphentheorie und Komplexität 4.1.1 Graphentheorie 4.1.2 Komplexität von Algorithmen 4.2 Modellierung eines Systems durch Wertstromgraphen 4.2.1 Grafische Modellstruktur: Knoten und Kanten 4.2.2 Modellelemente: Quellen, Senken, Ressourcen und Flusspunkte 4.3 Validierung eines grafischen Modells 4.3.1 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 4.3.2 Beschreibung der Algorithmen 4.3.3 Beweis der Zeitkomplexität 4.4 Transformation eines grafischen Modells in ein mathematisches Modell 4.4.1 Mathematische Modellstruktur: Matrizen und Folgen 4.4.2 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 4.4.3 Beschreibung der Algorithmen 4.4.4 Beweis der Zeitkomplexität 4.5 Umsetzung in der Software AURELIE 4.5.1 Funktionsübersicht und Benutzerführung 4.5.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 4.6 Fazit: Erreichen des vorgegebenen Entwicklungsziels 5 Lösungsschritt II: mathematische Optimierung 5.1 Kurzeinführung: lineare Optimierung und Korrektheit 5.1.1 Lineare Optimierung 5.1.2 Korrektheit von Algorithmen 5.2 Maximierung der Kapazitäten 5.2.1 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 5.2.2 Beschreibung des Algorithmus 5.2.3 Beweis der Korrektheit und Zeitkomplexität 5.3 Minimierung der Investitionen 5.3.1 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 5.3.2 Beschreibung des Algorithmus 5.3.3 Beweis der Korrektheit und Zeitkomplexität 5.4 Optimierung der Auslastung 5.4.1 Ziel, Grundidee und Datenstrukturen 5.4.2 Beschreibung des Algorithmus 5.4.3 Beweis der Korrektheit und Zeitkomplexität 5.5 Umsetzung in der Software AURELIE 5.5.1 Funktionsübersicht und Benutzerführung 5.5.2 Erfüllungsgrad der Anforderungen 5.5.3 Wesentliche Erweiterungen 5.5.4 Validierung der Optimierungsergebnisse 5.6 Fazit: Erreichen des vorgegebenen Entwicklungsziels 6 Schluss 6.1 Zusammenfassung der Ergebnisse 6.2 Implikationen für Forschung und planerische Praxis 6.3 Ausblick: mögliche Weiterentwicklungen A Technische Dokumentation A.1 Algorithmen, Teil I: grafische Modellierung und Modelltransformation A.1.1 Nichtrekursive Breitensuche von Knoten in einem Graphen A.1.2 Rekursive Breitensuche von Knoten in einem Graphen A.1.3 Nichtrekursive Tiefensuche von Knoten in einem Graphen A.1.4 Rekursive Tiefensuche von Knoten in einem Graphen A.1.5 Traversierung der Kanten eines grafischen Modells A.1.6 Validierung eines grafischen Modells A.1.7 Traversierung der Knoten eines grafischen Modells A.1.8 Transformation eines grafischen Modells A.2 Algorithmen, Teil II: mathematische Optimierung A.2.1 Minimierung einer allgemeinen linearen Zielfunktion A.2.2 Maximierung der technischen Kapazitäten A.2.3 Minimierung der Überlastung (Komponenten größer als eins) A.2.4 Optimierung der Auslastung (alle Komponenten) Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis Index Literaturverzeichnis

The increasing complexity of software systems entailed by the imposed requirements and involved stakeholders creates new challenges towards software development and turns it into a complex task. Nowadays, sophisticated development approaches and tools are needed to handle this complexity. Model-Driven Engineering (MDE) provides means to abstract from the details of a software system during the development phase by using models. Domain-Specific Modeling (DSM), a branch of MDE, tackles the complexity by proposing to use modeling languages which are restricted towards the solution space of the targeted problem domain. These Domain-Specific Visual Languages (DSVLs) are used in the DSM approach to create models in the restricted design space making the generation of modeled solutions feasible and providing a basis for the communication between various stakeholders. Since for each of the targeted domains a DSVL is needed, language workbenches emerged which support the development of DSVLs. During the development of a DSVL the semantics of the language has to be defined and, if the DSVL changes, existing models created using the DSVL have to be migrated. Furthermore, models are represented in a specific format hindering the application of, e.g., mature verification methods and tools. To solve these tasks, model transformations are promoted to transform models into different representations conforming to other DSVL. This thesis presents a new kind of model transformation languages, which can be used to handle the arising tasks during the development of DSVLs. These transformation languages are tailored towards the domain of "computational model transformations between DSVLs". The presented transformation languages are based on graph-transformation approaches and simplify the specification of computations by utilizing Plotkin's Strucural Operation Semantics (SOS), and thereby facilitate the definition of computation steps in a declarative way. This approach suffers from the versatility in the scope of DSVLs and thereby requires techniques to reduce the development costs of the transformation languages for different source and target languages. The key to reduce the development costs is the application of the Domain-specific, Full-generation, Service orientation (DFS) approach for the domain of model transformation languages. The application of domain-specifc concept results in graph-based, domain-specific two-level transformation languages. The essence of those languages is captured in a pattern describing possible two-level transformation languages. This pattern is used as the basis for the definition of a generator for those kind of transformation languages making full-generation feasible. The semantics of pattern matching and rewriting rules in the context of graph-based transformations are defined by the utilization of existing graph-transformation tools.

Die traditionelle Software-Entwicklung (SE) sieht die manuelle Entwicklung von Artefakten vor, ausgehend von einer durch Modelle dokumentierten Spezifikation. Die Modelle dienen prim��r der Dokumentation und sind Abstraktionen der realen Welt. Die Modell-getriebene SE (MDE) ist ein Paradigma, in welchem diese Modelle als die prim��ren Artefakte angesehen werden, und ��bernehmen neben der Dokumentation auch die Aufgabe der Code-Generierung. In diesem Kontext schl��gt der Model-driven Architecture (MDA) Standard vor, diese Modelle zu standardisieren, um deren Wiederverwendbarkeit zu maximieren. In weitere Folge profitieren Software-Entwickler von einer maximierten Produktivit��t. Das Thema der Modell-Transformation spielt eine zentral Rolle in der MDE, da involvierte Modelle auf separaten Abstraktionsebenen definiert sind. Seit der Publikation 2008 beansprucht die Modell-Transformationssprache (MTL) Query/View/Transformation Relations (QVTr) der Standard f��r die deklarative Spezifikation von Transformationen zu sein, und findet seitdem Verwendung in der Forschung. Da Produktivit��t eines der Ziele in der MDE ist, ist es f��r unterst��tzende Tools unerl��sslich, die Benutzerfreundlichkeit der zugrundeliegenden MTL zu maximieren. In Anbetracht von derzeit verf��gbaren Tools f��r QVTr offenbaren sich jedoch diverse M��ngel. Die Verf��gbarkeit von ausgereiften Tools ist sp��rlich, und haben prim��r das Ziel, die zugrundeliegende Technologie nutzbar zu machen. Das Design ist nicht Benutzer-zentriert und insbesondere herrscht ein Mangel an Automatisierung und Interaktivit��t. Zus��tzlich fehlt die Unterst��tzung f��r m��glichst kurze Feedback-Zyklen, was sich im Besonderen auf die Benutzerfreundlichkeit auswirkt. Zuletzt betrachten wir das Fehlen der konkreten, grafischen Notation von QVTr in den Tools als ungen��tztes Potential f��r eine erh��hte Les- und R��ckverfolgbarkeit. Im Kontext dieser Diplomarbeit wird ein Blick auf den Einfluss einer erh��hten Interaktivit��t, Automatisierung, Les- und R��ckverfolgbarkeit, die Verwendung der grafischen Notation von QVTr, und von m��glichst kurzen Feedback-Zyklen auf die Benutzerfreundlichkeit von QVTr geworfen. Zu diesem Zweck wird ein theoretisches Konzept vorgeschlagen, das Techniken umfasst, um den Modellierungsprozess Benutzer-zentriert zu implementieren. Die zugrundeliegenden Prinzipien umfassen den sogenannten Outward Modellierungsstil, einen Vorschlag-getriebenen Prozess, interaktive Visualisierungen f��r Modelle, und die Durchsetzung von Konventionen. Um die Realisierbarkeit unseres Ansatzes zu demonstrieren wurden mithilfe einer prototypischen Implementierung Experimente in einem industriellem Kontext bei der LieberLieber Software GmbH in Wien durchgef��hrt., Since its publication in 2008, Query/View/Transformation-Relations (QVTr) claims to be the standard model transformation language (MTL) for the declarative specification of model transformations, and has been used as an enabling formalism. In consideration of productivity being a central goal in MDE, it is vital for tools and editors to maximize the usability of their implementing MTL. However, taking into account the current state of the art in tools for QVTr, several shortcomings are revealed. First, the availability of matured tools is sparse, and furthermore, they have been developed with the goal to enable the underlying technology. Their design is not user-centered and, in particular, they lack from a poor level of automation and interactivity. In addition, we identify a lack of support for short feedback cycles, which significantly influences the usability of both the editor and implementing MTL. Finally, we consider the neglection of QVTr's concrete, graphical syntax in state of the art editors as unused potential for an increase in readability and traceability. In the context of this thesis, we shed light on the impact of an increase in interactivity, automation, readability, traceability, the usage of QVTr's graphical syntax, and of short feedback cycles on the usability of QVTr. For this purpose, we propose a theoretical concept comprising techniques to push the modeling process towards a user-centered approach. The underlying key principles of our concept comprise the so called outward modeling style, a suggestion-driven process, interactive graphical model visualizations and the enforcement of conventions. To show the feasibility of our approach, we conduct user experiments in an industrial context at the LieberLieber Software GmbH company in Vienna, using a prototypical implementation.

In vielen Ingenieursdisziplinen werden Modelle verwendet, um Systeme verschiedenster Art auf einem hohen Abstraktionsgrad zu beschreiben. Auf diesem Abstraktionsgrad ist es häufig einfacher, Aussagen über den Zustand des Systems zu treffen. Wenn sich Modelle eines Systems ändern – beispielsweise, weil sich das System selbst geändert hat – müssen Analysen auf Grundlage dieses Modells jedoch neu berechnet werden, um weiterhin gültig zu sein. In vielen Fällen ist diese Neuberechnung der Analyseergebnisse zeitkritisch. Da sich oft nur kleine Teile des Modells ändern, könnten zwar große Teile des letzten Analysedurchlaufs durch eine inkrementelle Ausführung der Analyse wiederverwendet werden, in der Praxis ist eine solche Inkrementalisierung aber nicht trivial und oft fehleranfällig. Eine Lösungsmöglichkeit für dieses Problem bietet der Ansatz der impliziten Inkrementalisierung, bei der ein inkrementeller Algorithmus für eine gegebene Analyse aus der Batch-Spezifikation abgeleitet wird. Aus der Spezifikation wird ein dynamischer Abhängigkeitsgraph konstruiert, der es erlaubt, nur die Teile einer Analyse neu auszuwerten, die von einer Änderung tatsächlich betroffen sind. Damit lassen sich Vorteile einer Inkrementalisierung nutzen, ohne dass der Code angepasst werden muss und die Lesbarkeit des Analysecodes leidet. Leider unterstützen derzeitige Verfahren für implizite Inkrementalisierung nur eine bestimmte Klasse von Analysen, sind auf eine Inkrementalisierung auf Ebene von einzelnen Instruktionen beschränkt oder benötigen eine explizite Zustandsverwaltung. Auch mit diesen Verbesserungen ist unklar, in welchen Fällen eine Inkrementalisierung Vorteile bringt, da in einigen Szenarien Änderungen Schmetterlingseffekte verursachen können und eine Wiederverwertung des letzten Analysedurchlaufs keinerlei Beschleunigungspotential hat. Diese Dissertation behandelt diese Probleme bei impliziter Inkrementalisierung von Modellanalysen mittels mehrerer Verfahren, die größtenteils kombinierbar sind. Desweiteren wird ein neuer Formalismus vorgestellt, mit dessen Hilfe Inkrementalisierungssysteme auch für uni- oder bidirektionale Modelltransformationen einsetzbar sind. Um die Korrektheit der entstehenden inkrementellen Modellanalysen zu definieren und zu zeigen, wird Inkrementalisierung in Kategorientheorie als Funktor beschrieben. Ein erstes Verfahren ermöglicht als direkte Konsequenz der formalen Darstellung die Inkrementalisierung auf Ebene von Methodenaufrufen, sodass für häufig verwendete Operatoren eine optimierte Inkrementalisierung zur Verfügung gestellt werden kann. Durch Erweiterung des Funktors auf Verteilung lassen sich auf ähnliche Weise auch etwaige Speicherprobleme lösen. Ein zweites Verfahren vereinfacht die entstehenden dynamischen Abhängigkeitsgraphen, indem Teile der Analyse durch eine generalisierte Betrachtung von Modelländerungen mit mehreren Strategien zusammengefasst werden können. Die Auswahl der Strategien ermöglicht dem Entwickler eine Anpassung der Inkrementalisierung auf einen konkreten Anwendungsfall. Alternativ kann für ein gegebenes Szenario auch durch automatische Entwurfsraumexploration eine (Pareto-) optimale Konfiguration hinsichtlich Speicherverbrauch und Antwortzeit der Aktualisierung eines Analyseergebnisses nach einer Modelländerung gefunden werden. Die Kombination dieser Verfahren ermöglicht es, die Performanz von Inkrementalisierungen so zu verbessern, dass diese bis auf einmalige Initialisierung nie schlechter ist als die batchmäßige Wiederholung der Analyse, in vielen Fällen aber teils deutlich schneller sein kann. Generische Operatoren, die in vielen Modellanalysen wiederverwendet werden, können für die Inkrementalisierung durch geeignete Algorithmen spezifisch optimiert werden, während komplexe Domänenlogik durch das System optimiert werden kann. Durch den impliziten Ansatz geschehen diese Verbesserungen vollautomatisch und transparent für den Entwickler der Modellanalyse. Obwohl der so geschaffene Ansatz Turing-mächtig und somit universell einsetzbar ist, gibt es doch gerade in der modellgetriebenen Entwicklung eine Klasse von Artefakten, die eine besondere Betrachtung erfordern, da sie sich im Allgemeinen nur schwer mit gewöhnlichen objekt-orientierten Sprachen beschreiben lassen: Modelltransformationen. Daher wird in dieser Dissertation ein neuer Formalismus und eine darauf aufbauende Sprache vorgestellt, die Modelltransformationen so beschreiben, dass diese leicht mit Hilfe eines Inkrementalisierungssystems inkrementell ausgeführt werden können. Die Synchronisierung einer Modelländerung ist hierbei bewiesen korrekt und hippokratisch. Alle Verfahren wurden implementiert und in das .NET Modeling Framework integriert, welches Entwickler auf der .NET Plattform bei der modellgetriebenen Entwicklung unterstützen soll. Die entstandenen Vorteile aller Verfahren hinsichtlich Performanz werden anhand von sieben Fallstudien in verschiedenen Domänen validiert. Insbesondere werden hierzu fünf Fallstudien des Transformation Tool Contests (TTC) der Jahre 2015 bis 2017 herangezogen, für die auch mit anderen Ansätzen verfasste Lösungen zur Verfügung stehen. Die Ausdrucksmächtigkeit der Modelltransformationssprache wird durch eine Transformation der in der modellgetriebenen Entwicklung weit verbreiteten Transformationssprache ATL in die neu geschaffene Transformationssprache validiert. Mithilfe dieser Transformation wird weiterhin die Ausführungsgeschwindigkeit von Modelltransformationen mit der von ATL in einigen Modelltransformationen verglichen. Die Ergebnisse aus den Fallstudien zeigen gerade bei der Anwendung des Inkrementalisierungssystems auf Modelltransformationen deutliche Performance-Steigerungen im Vergleich zu herkömmlichen Modelltransformationen, aber auch gegenüber anderen inkrementellen Modelltransformationssprachen zeigt der vorgestellte Ansatz deutliche Beschleunigungen, teils um mehrere Größenordnungen. Insbesondere weisen die Fallstudien darauf hin, dass die benötigte Zeit für die Propagation von Änderungen des Eingabemodells in vielen Fällen unabhängig von der Größe des Eingabemodells ist. Gerade bei großen Eingabemodellen kommen so sehr hohe Beschleunigungen zustande. Die Inkrementalisierung einer Analyse ist dabei immer an das Metamodell gebunden. In der Praxis verwenden aber die meisten eingesetzten Metamodelle nur den eingeschränkten Modellierungsstandard EMOF, der teilweise zu einer unnötigen Komplexität des Metamodells führt und viele Analysen überhaupt erst notwendig macht. Eine Erweiterung des Modellierungsstandards kann hier einige Klassen von Modellanalysen komplett überflüssig machen und andere Analysen deutlich vereinfachen, sowie auch die Performance der entsprechenden Analyse beschleunigen.

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.

Model-Driven Engineering (MDE) ist ein Paradigma der Softwaretechnik, in dem es darum geht, das Abstrationsniveau und dadurch die Entwicklerproduktivität während der Softwareentwicklung zu erhöhen. Hierzu lässt man Software-Modellen eine wesentliche Rolle während Entwurf, Implementierung und Einführung eines Systems zukommen. In jüngerer Zeit wurde MDE verhäuft in industriellen Projekten hoher Komplexität und großen Umfangs eingesetzt – ein Trend, den wir als MDE im Großen bezeichnen. Wir betrachten drei Herausforderungen, die durch den Einsatz von MDE in solchen Szenarien entstehen: 1. Modelle werden an verteilten Standorten, durch Teams von Teams entwickelt. Dabei führt die Verwendung großer und unzureichend strukturierter Modelle zu erheblichen Problemen, etwa zu einer erhöhten Anfälligkeit für Editierkonflikte. 2. Große Systeme werden oft durch einen Verbund von Modellen spezifiziert, die auf domänenspezifischen Modellierungssprachen (DSMLs) basieren. Die Modelle heterogener DSMLs in systematischer Weise zu integrieren erfordert geeignete Modularisierungsstrategien. 3. Um die Entwicklung von Modellen systematisch zu beschreiben, spezifiziert man die dazu notwendigen Operationen durch Modelltransformationsregeln. Modelltransformationsregeln werden oft durch Klonierung erzeugt, also durch das Kopieren und Modifizieren vorhandener Regeln. Damit sind Nachteile für die Wartbarkeit und Performanz der erzeugten Regelsysteme verbunden. Im Rahmen dieser Arbeit präsentieren wir drei neue RefactoringVerfahren. Jedes dieser Verfahren zielt auf eine der benannten Herausforderungen ab: 1. Wir stellen ein Verfahren für das Aufsplitten eines monolithischen Modells in eine Menge von Teilmodellen vor. Dieses Verfahren ermöglicht die Umstrukturierung von Modellen hin zu einer Trennung der Belange. Bei der kollaborativen Entwicklung eines Systems können die beteiligten Entwickler somit auf Teilmodellen arbeiten, die für ihr aktuelles Arbeitspaket relevant sind. 2. Wir beschreiben ein Verfahren zur Kapselung von Modellkomponenten durch die Einführung von Schnittstellen in einem Verbund von Modellen. Dieses Verfahren ermöglicht es, in Modellen von heterogenen DSMLs Modularität einzuführen. 3. Wir präsentieren ein Verfahren, um Modelltransformationsregeln, die gemeinsame Anteile aufweisen, zu verschmelzen. Dieses Verfahren zielt darauf ab, die Wartbarkeit und Performanz in Modelltransformationssystemen zu verbessern. Das Verfahren erstellt variabiliätsbasierte Regeln, ein neuartiger Typ von Regeln, in dem Variabilität anhand von Annotationen spezifiziert wird. Die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten Verfahren ermöglichen es, den manuellen Aufwand während des Refactorings von Modellen und Modelltransformationsregeln erheblich zu reduzieren. In einer Reihe von realistischen Fallstudien zeigen wir, dass die erstellten Modelle und Regeln von vergleichbarer oder, im Fall von Regeln, teilweise sogar von zu bevorzugender Qualität gegenüber dem Ergebnis eines manuellen Refactorings sind. Wir versprechen uns daher eine hohe Relevanz der Beiträge für MDE im Kontext industrieller Softwareentwicklung., Model-Driven Engineering (MDE) is a software engineering paradigm that aims to increase the productivity of developers by raising the abstraction level of software development. It envisions the use of models as key artifacts during design, implementation and deployment. From the recent arrival of MDE in large-scale industrial software development – a trend we refer to as MDE in the large –, a set of challenges emerges: First, models are now developed at distributed locations, by teams of teams. In such highly collaborative settings, the presence of large monolithic models gives rise to certain issues, such as their proneness to editing conflicts. Second, in large-scale system development, models are created using various domain-specific modeling languages. Combining these models in a disciplined manner calls for adequate modularization mechanisms. Third, the development of models is handled systematically by expressing the involved operations using model transformation rules. Such rules are often created by cloning, a practice related to performance and maintainability issues. In this thesis, we contribute three refactoring techniques, each aiming to tackle one of these challenges. First, we propose a technique to split a large monolithic model into a set of sub-models. The aim of this technique is to enable a separation of concerns within models, promoting a concern-based collaboration style: Collaborators operate on the submodels relevant for their task at hand. Second, we suggest a technique to encapsulate model components by introducing modular interfaces in a set of related models. The goal of this technique is to establish modularity in these models. Third, we introduce a refactoring to merge a set of model transformation rules exhibiting a high degree of similarity. The aim of this technique is to improve maintainability and performance by eliminating the drawbacks associated with cloning. The refactoring creates variability-based rules, a novel type of rule allowing to capture variability by using annotations. The refactoring techniques contributed in this work help to reduce the manual effort during the refactoring of models and transformation rules to a large extent. As indicated in a series of realistic case studies, the output produced by the techniques is comparable or, in the case of transformation rules, partly even preferable to the result of manual refactoring, yielding a promising outlook on the applicability in real-world settings.

Die modellgetriebene Softwareentwicklung (MSE) ist ein relativ neues Paradigma in der Anwendungsentwicklung, welches zum Ziel hat die gestiegene Komplexität moderner Softwareprodukte zu meistern. Während Softwareanwendungen früher für eine bestimmte Laufzeitumgebung entwickelt wurden, sollen Anwendungen heute auf unterschiedlichsten Laufzeitumgebung und Plattformen vom klassischen Desktop-PC bis hin zum Smartphone laufen und mit anderen Anwendungen interagieren. Um diese neuen Anforderungen besser beherrschbar zu machen werden Softwareanwendungen in der MSE zunächst vor ihrer Entwicklung auf einem hohen Abstraktionsniveau in sogenannten Modellen spezifiziert. Anschließend kommen Modelltransformationen zum Einsatz, die sowohl dafür genutzt werden können um wiederkehrende Entwicklungsaufgaben zu automatisieren, als auch um Softwareartefakte für verschiedene Laufzeitumgebungen zu erzeugen. Hierbei sind Softwareartefakte nicht zwangsläufig auf Dateien die Programmcode enthalten beschränkt, sondern können auch Konfigurationsdateien sowie maschinenlesebare Problembeschreibungen für Modellverifikationswerkzeuge umfassen. Allerdings geht die MSE nicht nur Softwareentwicklungsprobleme an, sondern sie bringt auch neue Herausforderungen mit sich. Eine dieser neuen Herausforderungen ist an die Entwicklung von Modellierungssprachen geknüpft, die dazu verwendet werden um Modelle zu erstellen. Die Entwicklung einer Modellierungssprache ist, wie als auch die Entwicklung von Modellen, ein kreativer Prozess, der gewöhnlich nicht nach einer Iteration abgeschlossen ist. Neue Anforderungen sowie ein besseres Verständniss der Anwendungsdomäne, führen dazu, dass Modellierungssprachen im Laufe der Zeit weiterentwickelt werden. Modelle, die in einer früheren Version der Modellierungssprache erstellt wurden, müssen oft anschließend entsprechend angepasst (migriert) werden. Da die manuelle Migration von Modellen zeitaufwendig und fehleranfällig ist, ist es sinnvoll diese Migration zu automatisieren. Während Modellierer ihre Modelle mit ad-hoc Lösungen migrieren, fehlt es noch immer an einer Theorie, die ein wohldefiniertes Migrationsergebnis garantiert. In dieser Arbeit steht die Formalisierung der Modellierungssprachenevolution mit korrespondierender Modellmigration auf Basis von algebraischen Graphtransformationen, welche in der Vergangenheit bereits erfolgreich genutzt wurden um Modelltransformationen theoretisch zu fundieren, im Vordergrund. Ziel der Arbeit ist es eine Theorie zu entwickeln, die das Problem der Modellierungssprachenevolution mit korrespondierender Modellmigration auf einer konzeptuellen Ebene betrachtet unabhängig von einem konkreten Modellierungsframework., Model-Driven Engineering (MDE) is a relatively new paradigm in software engineering that pursues the goal to master the increased complexity of modern software products. While software applications have been developed for a specific platform in the past, today they are targeting various platforms and devices from classical desktop PCs to smart phones. In addition, they interact with other applications. To easier cope with these new requirements, software applications are specified in MDE at a high abstraction level in so called models prior to their implementation. Afterward, model transformations are used to automate recurring development tasks as well as to generate software artifacts for different runtime environments. Thereby, software artifacts are not necessarily files containing program code, they can also cover configuration files as well as machine readable input for model checking tools. However, MDE does not only address software engineering problems, it also raises new challenges. One of these new challenges is connected to the specification of modeling languages, which are used to create models. The creation of a modeling language is a creative process that requires several iterations similar to the creation of models. New requirements as well as a better understanding of the application domain result in an evolution of modeling languages over time. Models developed in an earlier version of a modeling language often needs to be co-adopted (migrated) to language changes. This migration should be automated, as migrating models manually is time consuming and error-prone. While application modelers use ad-hoc solutions to migrate their models, there is still a lack of theory to ensure well-defined migration results. This work contributes to a formalization of modeling language evolution with corresponding model migration on the basis of algebraic graph transformations that have successfully been used earlier as theoretical foundations of model transformation. The goal of this research is to develop a theory that considers the problem of modeling language evolution with corresponding model migration on a conceptual level, independent of a specific modeling framework.

Nowadays, functional and safety requirements of vehicles can hardly be met without embedded software since a pure hardware-oriented realisation would be too complex and would result a huge number of electronic control units. Hence, the vehicle's weight would increase leading to a higher fuel consumption. During the last years, MATLAB/Simulink has become state of the art for the development of embedded software in the automotive domain. Furthermore, in order to make advantage of commonalities a software product line approach is applied. This kind of development raises new challenges in the context of complexity and evolution management of embedded software. For instance, dependencies within Simulink models as well as links among design artefacts like Simulink model and requirements document are frequently not obvious. Hence, later change requests become more and more complicated to incorporate. This thesis first presents a general concept for artefact integration and analysis in the context of embedded software development in the automotive domain. Second, the concept is realised with two implementation approaches following different paradigms. The model-based approach first parses the original artefacts into models of the Eclipse Modeling Framework (EMF) which are subsequently structurally optimised by model transformations to facilitate later analyses. This results in one EMF model per artefact, the so-called representative. The artefact integration is realised by links among the representatives' meta models. Analyses of artefacts, which are again realised by model transformations, now operate on these representatives leading to a further EMF model representing the analysis result. The second approach integrates artefacts via a central database. To this end, the original artefacts are first transferred into Java models applying tool-specific as well as Java functionality. In the next step, these models are persisted in the database where they can be linked to each other. Analyses operate on both Java models and the database and are, hence, implemented in Java. After a detailed explanation, the suitability of the approaches for artefact integration and analysis in an industrial context is evaluated based on case studies and developers' opinions. To this end, the run time efficiency and the scalability to huge Simulink models are investigated. Furthermore, generalisability and extensibility are discussed. Since each approach has to be adaptable to company-specific needs, the complexity of analysis implementation and the necessary background knowledge are considered as well.

Die im Bauwesen Einzug gehaltene, modellbasierte Arbeitsweise in der Planung baulicher Anlagen ermöglicht den Zugriff auf immer mehr Daten in digitaler Form. Diese Daten liegen dabei nicht nur in einem einzigen Modell vor, sondern sind, je nach Fachsparte und Entstehungsgeschichte, in unterschiedlichen Modellen hinterlegt. Durch Anwendung hoch spezialisierter Softwarewerkzeuge können jeweils die Daten innerhalb einer Fachdomäne effizient erzeugt und manipuliert werden. Die Bearbeitung von Aufgaben, die Informationen aus unterschiedlichen Fachdomänen nutzen, steht vor der Herausforderung, die vorhandenen Informationen aus den unterschiedlichen Modellen zu integrieren und zu nutzbaren Einheiten zusammenzufassen. Diese Einheiten werden dann durch den Bearbeiter mittels Informationsanreicherung, zielgerichteter Kombination und Anwendung von Algorithmen zu einem neuen Modell verknüpft. Der iterative Charakter der Planung im Bauwesen führt zu häufigen Änderungen in den Ausgangsmodellen solch nachgelagerter Bearbeitungsschritte. Für eine konsistente Planung ist daher die Wiederholbarkeit der Ableitung von Informationen aus den Ausgangsmodellen in jedem Iterationsschritt vorteilhaft. Damit die Informationsanreicherung, Kombination und Anwendung von Algorithmen nicht in jedem Iterationsschritt vollständig neu durchgeführt werden müssen, ist ein Verfahren notwendig, das mit wenigen gezielten Änderungen an die neue Datenlage angepasst werden kann. Die vorliegende Arbeit schlägt die Verarbeitung der für eine Aufgabe relevanten Daten auf Basis einer einheitlichen Meta-Modellsprache vor. Durch Anwendung einer standardisierten Transformationssprache können die Beziehungen der Elemente aus unterschiedlichen Fachmodellen nachvollziehbar und wiederholbar ausgedrückt werden. Es wird gezeigt, wie die Elemente aus unabhängigen Datenmodellen in ein Netzwerk sich gegenseitig referenzierender Modelle überführt werden können. Die Bearbeitung durch den Fachplaner geschieht anschließend auf der Grundlage dieses Modell-Netzwerkes. Durch die Einführung einer textuellen domänenspezifischen Sprache (Domain-Specific Language DSL) mit zugeordneten Algorithmen kann die Funktionalität, die ein Fachplaner benötigt, um seine Aufgabe zu erfüllen, bereitgestellt werden. Eine nach solch einem Verfahren durchgeführte Bearbeitung ist wiederholt ausführbar. Auf Änderungen in den Ausgangsmodellen kann durch gezielte Manipulation der niedergeschriebenen Arbeitsschritte in der DSL eingegangen werden. In der vorliegenden Arbeit wird dieses Vorgehen am Beispiel der Prozessspezifikation für die Ausführungsplanung im Bauwesen aufgezeigt. Zur Metamodellierung wird die von der Object Management Group (OMG) standardisierte Essential Meta Object Facility (EMOF) Sprache mit der zugehörigen Query/View/Transform (QVT) Transformationssprache eingesetzt. Die eigens entwickelte domänenspezifische Sprache zur Bauprozessspezifikation wird mittels des Xtext-Frameworks in einer Pilotimplementierung auf Basis der Eclipse-Plattform realisiert. An einem Planungsbeispiel wird die Anwendung, der so geschaffenen Softwarelösung, demonstriert., The adoption of a model-based approach in the design of buildings provides access to digital data to a greater extent. These data are not only stored in a single model, but are, according to their domain and origination, persisted in different models. For each domain specialized software tools exist, whose applications efficiently generate and manipulate such data respectively. The processing of tasks depending on information from different technical domains faces the challenge to integrate the available information from the different models into usable units. These units are then linked by the planning personal along with information enrichment and application of algorithms to a new model. The iterative nature of the design of buildings leads to frequent changes in the input models of such downstream processing steps. To achieve a consistent design therefore the repeatability of the derivation of information from the input models in each iteration step is advantageous. In order that information enrichment and specification of how algorithms need to be applied do not have to be completely re- done with each iteration, a procedure is required, which can be easily adjusted with a few purposeful changes. The presented work proposes the processing of relevant data for a specific task based on a common meta-model language. By applying a standardized transformation language, relationships between the elements of models from different disciplines can be established in a traceable and repeatable way. It will be shown how the elements of independent data models can be transformed into elements of a network of models, where elements are mutually referencing each other. Subsequent specification by the planners is then carried out on the basis of this model network. The functionality required by professional planners is provided by introducing a textual domain-specific language (DSL) with associated algorithms. Hence, the planners are enabled to express their intentions in this language. A specification conducted in such a way can be repeatedly executed. Changes in the input models can be addressed through well-directed manipulation of specific written steps in the DSL. As an example this approach is demonstrated for the process specification of the execution of structural work. The Essential Meta Object Facility (EMOF) as a meta-modeling language as well as its associated transformation language, the Query/View/Transform (QVT), both standardized by the Object Management Group (OMG),are used. The domain-specific language, developed especially for the specification of construction-processes, is realized by means of the Xtext framework in a pilot implementation based on the Eclipse platform. The application of the resulting software solution is then demonstrated by creating the construction process model of a designed building.

This thesis deals with the theoretical concept and the practical approach of the model transformation solution used in the Open Engineering Service Bus (OpenEngSB) project, a tool integration platform with the goal of archiving efficient interoperation between tools in multidisciplinary environments. The proposed approach provides an easy to use model transformation solution which is also flexible and runtime extensible.The approach is based on Java. Transformation operations are Java methods and models are realised as Java classes' structures (specifically, in means of classes, their attributes and their relations to other classes). The advantage of this approach, is that it can be adapted by every Java developer to address project requirements and their changes (e.g. by adding new operations). In addition, no expertise in formal high-level abstraction modelling and meta modelling is needed; only knowledge about Java is required.Based on the introduced transformation solution, an approach is introduced to enable a simple form of automatic model update propagation. With this approach, it is possible to define relations between model instances and enforce data integrity between them. The prototype has been tested by its application in practical use-cases out of the OpenEngSB domain and the OpenEngSB customer area. In addition to these use-case tests, the introduced transformation definition language has been compared with other existing approaches and the prototypes performance has been tested.

Heute wird für konzeptuelle Modellierung sowohl die Unified Modeling Language (UML) als auch auch die OWL 2 Web Ontology Language (OWL 2) verwendet. Beide Sprachen entstammen verschiedenen Technologieräumen und setzen unterschiedliche Schwerpunkte. In dieser Arbeit wird untersucht, ob und wie sich konzeptuelle Modelle, die in der einen Sprache geschrieben sind, in konzeptuelle Modelle, die in der anderen Sprache geschrieben sind, überführen lassen. Dadurch würden für ein Modell Verfahren und Software-Werkzeuge beider Technologieräume verfügbar. Für die automatische Transformation wurde – anders als bei bisherigen Arbeiten – eine Herangehensweise gewählt, die von konkreter Syntax bzw. XML-Serialisierung abstrahiert und auf Ebene der Metamodelle von UML und OWL arbeitet. So lässt sich unabhängig von einzelnen Beispielmodellen zeigen, welche Modellelemente transformiert werden können und welche nicht. Für eine Vielzahl von Modellierungskonzepten wird eine formale Beschreibung gegeben und untersucht, wie sich das jeweilige Konzept mit UML bzw. OWL repräsentieren lässt. In den Fällen, in denen die Semantiken der Repräsentationen in beiden Sprachen hinreichend ähnlich sind, um – unter Beibehaltung der Semantik – eine Transformation durchführen zu können, werden die Transformationen ausführlich sowohl als Freitext als auch formal in Form deklarativer QVT-R-Transformationsregeln beschrieben. Da sich diese Regeln nur auf Elemente der Metamodelle beziehen, sind die Transformationen unabhängig von einzelnen Modellen (Instanzen dieser Metamodelle). Dadurch, dass die Transformationen in beide Richtungen vollständig und formal in QVT-R aufgeschrieben vorliegen, lassen sich die Überlegungen nachvollziehen und bei Bedarf schnell an einzelnen Beispielen testen. In dieser vollständigen und formalen Beschreibung unterscheidet sich diese Arbeit von anderen Arbeiten, die solche Beschreibungen nicht oder nur in Fragmenten enthalten. Während sich in UML beschriebene Datenmodelle bis auf wenige Einschränkungen (abstrakte Typen, bestimmte Arten der Generalisierung, Erweiterung durch Stereotypen) relativ gut mit Ontologien darstellen lassen, ist die Transformation allgemeiner OWL-Ontologien in UML-Datenmodelle nicht immer möglich. So stellt z.B. die automatische Klassifizierung von Objekten eine Schwierigkeit dar. Aber selbst in diesen Fällen ist oft eine Transformation möglich, wie bei Kardinalitätsbeschränkungen, die innerhalb von Vererbungsbeziehungen auftreten. Ein Anwendungsbeispiel aus der Praxis der Deutschen Zentralbibliothek für Wirtschaftswissenschaften (ZBW) zeigt, wie gut sich die Transformationsregeln auf konkrete Modelle anwenden lassen und so ohne große Verluste einen Wechsel von einem Technologieraum zum anderen möglich machen.

As personal information moves from home computers to mobile devices, protection against information leaks and data theft becomes an increasingly important and current issue. We develop a model-driven approach called IFlow which allows a developer to model mobile Android applications with complex information flow properties using UML. Using model-to-model and model-to-code transformations we generate code skeletons for those applications and verify noninterference properties using a language-based approach. Further, we will use those properties as lemmas for a formal verification of an automatically generated formal representation of the modeled application. In this report, we focus on automatic code generation, evaluation of language-based information flow control solutions and deployment of generated code to target platforms.

Sicherheit, Risikomanagement sowie Regelkonformit��t sind von wachsender Bedeutung im Bereich der Unternehmens-Modellierung. In einer Analyse von realen Szenarien im Bankenbereich wurde deutlich, dass heutige "Best Practices", die auf informellen Techniken basieren, nicht ausreichen und durch ad��quate formale Techniken ersetzt werden sollten. Zu diesem Zweck schlagen wir die visuelle Modellierung von Unternehmen basierend auf algebraischer Graph- und Modelltransformation vor, wobei die beiden folgenden typischen Problemfelder betrachtet werden: (1) Verhaltensanalyse und Optimierung von visuellen betriebswirtschaftlichen Prozess-Modellen (2) Konformit��tsanalyse zwischen betriebswirtschaftlichen Prozess- und Organisations-Modellen Das erste Problem wird mit Hilfe neuer Konzepte und Resultate bez��glich der Verhaltensanalyse von visuellen sprachen gel��st, insbesondere mit Hilfe der Analyse von Permutations-��quivalenz von Graphtransformationen basierend auf Petrinetzen. Zur Behandlung des zweiten Problembereichs werden Modelltransformationen basierend auf Triple-Graphgrammatiken inklusive neuer Resultate f��r die Analyse und Optimierung vorgestellt, was eine automatisierte Unterst��tzung einer konsistenten Integration sowie Konformit��ts��berpr��fung zwischen den Modellen erm��glicht. Die neuen Resultate im Bereich der Graph- und Modelltransformation werden in dem allgemeinen Rahmenwerk der M-adhesiven Transformationssysteme entwickelt. Sie k��nnen somit f��r zahlreiche High-Level-Ersetzungssysteme instanziiert werden und demzufolge nicht nur im Bereich der Unternehmensmodellierung sondern auch in diversen anderen Anwendungsdom��nen eingesetzt werden. Zudem bietet die neue Software AGT-M eine automatisierte Werkzeugunterst��tzung f��r die Simulation, Analyse und Optimierung in verschiedenen Fallstudien., Security, risk and compliance are increasingly important issues in enterprise modelling. An analysis of real world scenarios for banking has shown that today's best practices'' based on informal techniques are insufficient and should be replaced by adequate formal approaches. For this purpose, visual enterprise models based on algebraic graph and model transformation are proposed in this thesis, where the following two typical problem areas are considered: (1) Behaviour Analysis and Optimization of Visual Enterprise Process Models (2) Conformance Analysis of Enterprise Process and Service Models The first problem is solved by new concepts and results concerning behaviour analysis of visual languages, especially analysis of permutation equivalence of graph transformations based on Petri nets. In order to tackle the second problem area, model transformations based on triple graph grammars are introduced with new results concerning analysis and optimization enabling automated support for sound integration and conformance checks between different models. The new results in the area of graph and model transformation are developed in the general framework of M-adhesive transformation systems. They can be instantiated to a large variety of high-level replacement systems and applied not only to enterprise modelling, but also to several other application domains. Last but not least, the new tool AGT-M provides automated tool support for simulation, analysis and optimization in various case studies.

Agent- and goal-based requirements engineering can be considered established in research for many years now. Also first successful applications to industrial practice have been reported. Agent- and goal-based approaches explicate the functional and non-functional goals as well as various kinds of dependencies of possibly conflicting stakeholders. Thereby, they provide enhanced means to support elicitation, analysis, documentation, as well as many other operations on requirements. The thesis strives to add to these advanced support facilities by addressing dynamic issues that are not yet considered in existing approaches. Several dynamic aspects of the requirements field have been targeted by various research groups. For example, use cases and scenarios have been introduced to capture the interactive features of a system to be developed. From an entirely different perspective, the dynamics of the requirements engineering process itself has been investigated, for example to learn how the volatility of requirements can be addressed. Inspired by two very different case studies - support for flexible inter-organisational networks of enterprises and the elicitation and analysis of control software requirements in small- and medium-sized enterprises (SMEs) - we address several new dynamic issues in a number of extensions to the i* requirements modelling framework proposed by Yu. First, the requirements modelling language is extended to capture the dynamic instantiation of roles by stakeholders in a concrete project. Furthermore, these roles can be related to each other in regard to evolutionary aspects. This allows to capture that the characteristics of a stakeholder can change over time. Secondly, the capture, processing, and analysis of individual project requirements is enhanced. The explicit representation of domain knowledge accelerates the capturing procedure. Model-based transformations improve the integration with later development stages. In addition, they are used as a bridge toward agent-based simulations. Simulation experiments and advanced analysis on top of these complement well existing formal model checking approaches. Thirdly, we consider the inter-project management of dynamic requirements knowledge. A requirements-based similarity search helps to identify related historic projects and thus to disclose potentially reusable solutions. We have also developed measures to keep up with the fast and project-driven evolution of domain knowledge at SMEs. A partially automated feedback loop integrates repeated, consolidated project experiences of an SME into the earlier mentioned domain knowledge based approach. In sum, a tailorable method with accompanying tool support is established that addresses the raised dynamic issues. The validations within the two case studies have shown that in particular the work within very innovative, flexible, and customer-oriented settings benefits from the proposed extensions and thus brings forward industrial acceptance of agent- and goal-based approaches in these fields.

Im Software Engineering werden heutzutage verstärkt modellbasierte Entwicklungsansätze eingesetzt, in denen konzeptuelle Modelle mit präzise definierter Semantik für die Beschreibung von Software-Systemen verwendet werden. Durch die Beschränkung auf wesentliche Merkmale und die Möglichkeit die Struktur der Modelle und Modelloperationen in geeigneter Weise zu beschränken tragen diese Ansätze maßgeblich zur Steigerung der Effizienz des Entwicklungsprozesses und der Qualität der erstellten Software-Produkte bei. Die Bearbeitung konzeptueller Modelle erfolgt in der Regel durch geeignete Beschreibungstechniken, anhand derer sich Sichten auf ein konzeptuelles Modell bilden lassen. Im Rahmen dieser Arbeit werden Techniken erarbeitet, mit denen sich Beschreibungstechniken durch Transformationen ihrer abstrakten Syntax in ein einheitliches konzeptuelles Modell integrieren lassen. Oftmals werden im Verlauf eines Software-Entwicklungsprozesses konzeptuelle Modelle eines Systems auf verschiedenen Abstraktionsebenen erstellt, die im Idealfall in Teilen durch automatisierte Verfeinerungsabbildungen auseinander hervorgehen. Hierzu werden Verfahren entwickelt, die eine konsistente Verfeinerung und Erweiterung konzeptueller Modelle ermöglichen. Ein klar definierter Entwicklungsprozess bietet Entwicklern zudem die nötige Hilfestellung bei der Spezifikation und Erstellung eines Software-Systems. Zu diesem Zweck wird ein Framework für die Definition flexibler Entwicklungsprozesse geschaffen, in dem Entwicklungsschritte als Transformationen eines Modells der im Entwicklungsprozess erstellten Artefakte definiert werden. Die Beschaffenheit korrekter Modelle wird durch Metamodelle definiert. Bedingt durch ihre einfache Abbildbarkeit auf eine Werkzeugunterstützung sind im Software Engineering vor allem objektorientierte Metamodelle weit verbreitet. Um die erarbeiteten Konzepte zur modellbasierten Entwicklung umsetzen zu können, wird die "Bidirectional Object-Oriented Transformation Language" (BOTL) als geeigneter Mechanismus für die Transformation objektorientierter Modelle entwickelt. Die Sprache verfügt über eine formale Semantik und bietet eine Reihe von Verifikationstechniken zum Nachweis der Ausführbarkeit von Transformationsspezifikationen und der syntaktischen Korrektheit der erzeugten Modelle. Der Einsatz von BOTL für die Realisierung eines modellbasierten Entwicklungsansatzes wird dargestellt und ihre Verwendung für die Umsetzung der verschiedenen Techniken exemplarisch anhand der KOGITO-Methodik für das Requirements Engineering demonstriert. Die Realisierbarkeit der erarbeiteten Ansätze zur Modelltransformation in der Praxis wird anhand eines im Rahmen der Arbeit entstandenen Werkzeuges belegt. Das Werkzeug erlaubt die graphische Spezifikation von BOTL-Transformationen und deren automatisierte Verifikation. Eine Transformationskomponente ist schließlich in der Lage objektorientierte Modelle in unterschiedlichen Darstellungen, wie Java-Objektgeflechte oder XMI, gemäß einer BOTL-Spezifikation zu transformieren. Today in software engineering model based development approaches are applied more and more. Within these approaches conceptual models with precisely defined semantics are used for the description of software systems. By the restriction of models to the essential characteristics of systems and the possibility to restrict the structure of models and model operations in a suitable manner, these approaches contribute essentially to the efficiency of the development process and to the quality of the created software products. The manipulation of conceptual models usually takes place through suitable description techniques which allows one to build views onto a conceptual model. Techniques are developed within this thesis that allow one to integrate description techniques into a common conceptual model by transformations of the description techniques’ abstract syntaxes. Conceptual models are often created at different levels of abstraction during a software development process. Ideally more concrete models can be derived (partially) automatically by refinement mappings. Therefore methods are developed that allow a consistent refinement and extension of conceptual models. Further, an unambigeously defined development process offers developers the needed assistance for the specification and the creation of a software system. Therefore a framework for the definition of flexible development processes is built which defines development steps as transformations of the model of artifacts created during the development process. The structure of correct models is defined by metamodels. Since object-oriented metamodels can be mapped very easily to a tool support, these kinds of metamodels are very widespread in software engineering. In order to be able to implement the presented concepts on model driven development processes the "Bidirectional Object-Oriented Transformation Language" (BOTL) is introduced as a mechanism for the transformation of object-oriented models. The Language comprises formal semantics and offers a number of verification techniques that allow to verify whether a transformation specification is executable and whether it will create syntactically correct models or not. The use of BOTL for the realization of a model based development approach is presented and the application of the different techniques is shown exemplary on the basis of the requirements engineering methodology KOGITO. The viability of the presented approaches for model transformations is verified by a tool support that was developed within this thesis. The tool allows the graphical specification of BOTL transformations and their automated verification. Ultimately a transformation component is able to transform object oriented models of different technical formats like Java object structures or XMI according to a BOTL specification.

The subject of this thesis is the systematic development of secure systems. Security is a complex non-functional requirement affecting all parts of a system at all levels of detail and depending crucially on the assumptions about the system environment. Almost daily, new vulnerabilities are found, often exposing the concerned systems to attacks that result in severe damage. In this thesis, we describe approaches for the integrated application of model-based development techniques with the aim to improve the security of the developed systems. Of central importance is the integration of security-related aspects into design models and the definition of security-specific development activities based on the extended models. For this purpose, we use a specification language with a formally defined semantics, to eliminate the potential of flaws because of ambiguities in the specifications. An important feature of our work is the provision of tool support, to reduce the necessary effort and experience required from the developer. As part of our methodology, we present an approach to automatically generate a threat scenario from a model based on the included security-related information, and show how to use threat scenarios to formally verify security requirements by model checking. Testing is necessary to gain confidence in the security of an implementation, but is not sufficiently integrated into current specification and verification methods for security-critical systems. We describe an approach for security testing based on the extended models. The described approach addresses both the problem of the generation of test sequences likely to discover potential vulnerabilities and the problem of the concretisation of the abstract representations of messages and in particular of cryptography that are employed in current approaches for the specification and verification of security-critical systems to make verification feasible. We also address top-down oriented development of security-critical systems, where security aspects are first specified in the form of abstract assumptions, which are later realised by applying appropriate security mechanisms. In particular, we elaborate on security mechanisms whose insertion preserves the validity of the security requirements fulfilled with respect to the abstract assumptions. We apply these concepts to the modular specification and analysis of layered security protocols. The practical applicability of the presented approaches is demonstrated in several case studies from the domain of electronic business and cryptographic protocols. Gegenstand dieser Arbeit ist die systematische Entwicklung sicherer Systeme. Sicherheit ist eine komplexe nichtfunktionale Anforderung, die stets alle Teile eines Systems auf allen Detaillierungsstufen betrifft und entscheidend von den über die Systemumgebung getroffenen Annahmen abhängt. Fast täglich werden neue Schwachstellen gefunden, die die betroffenen Systeme oft Angriffen aussetzen, die schwere Schäden verursachen. Die Arbeit beschreibt Ansätze für die integrierte Anwendung modellbasierter Entwicklungsmethoden mit dem Ziel, die Sicherheit der entwickelten Systeme zu verbessern. Von zentraler Bedeutung ist die Integration sicherheitsbezogener Aspekte in Designmodelle und die Definition sicherheitsspezifischer Entwicklungsaktivitäten basierend auf den erweiterten Modellen. Zu diesem Zweck wird eine Spezifikationssprache mit einer formal definierten Semantik genutzt, um Fehler aufgrund von Mehrdeutigkeiten in der Spezifikation zu vermeiden. Um den für die sicherheitsspezifischen Aktivitäten nötigen Aufwand und das erforderliche Expertenwissen möglichst gering zu halten, wird im Rahmen der Arbeit eine geeignete Werkzeugunterstützung zur Verfügung gestellt. Als Teil der beschriebenen Entwicklungsmethodik wird ein Ansatz zur automatischen Generierung eines Bedrohungsszenarios aus einem Modell unter Ausnutzung der sicherheitsbezogenen Informationen dargestellt. Bedrohungsszenarien bilden die Basis für die formale Verifikation von Sicherheitsanforderungen mit Hilfe von Model Checking. Testen ist notwendig, um Vertrauen in die Sicherheit einer Implementierung zu gewinnen, ist jedoch bisher ungenügend in Spezifikations- und Verifikationsmethoden für sicherheitskritische Systeme integriert. In der Arbeit wird ein Ansatz für modellbasiertes Sicherheitstesten vorgestellt. Hierbei wird sowohl die Generierung von Testsequenzen behandelt mit dem Ziel, Schwachstellen in der Implementierung zu finden, als auch die Konkretisierung der verwendeten abstrakten Repräsentationen von Nachrichten und insbesondere von kryptographischen Operationen. Die beschriebene Entwicklungsmethodik unterstützt die Top-Down orientierte Entwicklung sicherheitskritischer Systeme, indem Sicherheitsaspekte zunächst in Form abstrakter Annahmen spezifiziert und in einem späteren Schritt durch geeignete Mechanismen realisiert werden können. Insbesondere werden Sicherheitsmechanismen betrachtet, bei deren Anwendung die Gültigkeit von Sicherheitsanforderungen erhalten bleibt. Die entwickelten Konzepte werden auf die modulare Spezifikation und Analyse geschichteter Sicherheitsprotokolle angewendet. Die praktische Anwendbarkeit der vorgestellten Ansätze wird anhand einer Reihe von Fallstudien aus den Bereichen E-Business und kryptographische Protokolle demonstriert.