Informationssysteme und Künstliche Intelligenz: Modellierung: 2. Workshop Ulm, 24.–26. Februar 1992 Proceedings

176 Pages·1992·8.97 MB·German

by  Hans-Dieter Ehrich

Informatik - Fachberichte
Band 204: T. Harder (Hrsg.). Datenbanksysteme in BOro. Technik Band 229: W. Coy, L. Bonslepen. Erfahrung und Berechnung. Krltlk
und Wlssenschaft. GI/SI-Fachtagung. ZOrich. Marz 1989. Procee der Expertensystemtechnik. VII, 209 Selten. 1989.
dings. XII. 427 Seiten. 1989.
Band 230: A.Bode, R.Diersteln. M.GObel. A.Jaeschke (Hrsg.).
Band 205: P. J. KOhn (Hrsg.). Kommunikatlon In verteilten Systemen. Visualisierung von Umweltdaten In Supercomputersystemen. Karls
ITG/GI-Fachtagung. Stuttgart. Februar 1989. Proceedings. XII. 907 ruhe, November 1989. Proceedings. XII, 116 Seiten. 1990.
Seiten. 1989.
Band 231: R. Henn, K. Stieger (Hrsg.). PEARL 89 -Workshop Ober
Band 206: P. Horster.H.lsselhorst.Approximative Public-Key-Kryp
Realzeltsysteme. 10. Fachtagung. Boppard, Dezember 1989. Pro
tosysteme. VII. 174 Selten. 1989.
ceedings. X. 243 Selten. 1989.
Band 207: J. Knop (Hrsg.). Organisation der Datenverarbeitung an
der Schwelle der 90er Jahre. 8. GI-Fachgesprach. DOsseldorf. Marz Band 232: R. Loogen. Parellele Implementierung funktionaler Pro
1989. Proceedings. IX. 276 Seiten. 1989. grammiersprachen. IX. 385 Seiten. 1990.
Band 208: J. Retti. K. Leidlmair (Hrsg.). 5. Osterrelchische Artificial Band 233: S. Jablonski, Datenverwaltung in verteilten Systemen.
Intelligence-Tagung.lglslTlrol. M!!rz 1989. Proceedings. XI. 452 Sei XIII, 336 Selten. 1990.
ten. 1989.
Band 234: A. Plitzmann. Dienstelntegrlerende Kommunlkatlons
Band 209: U.W. Upeck. Dynamische Integrlt!!t von Datenbanken. netze mit tellnehmerOberprOfbarem Datenschutz. XII. 343 Seilen.
VIII. 140 Seiten. 1989. 1990.
Band 210: K. Drosten.Termersetzungssysteme.IX. 152 Selten.1989.
Band 235: C. Feder. Ausnahmebehandlung in objektorientierten
Band 211: H. W. Meuer (Hrsg.). SUPERCOMPUTER '89. Mannheim. Programmiersprachen. IX. 250 Seiten. 1990.
Junl 1989. Proceedings. 1989. VIII. 171 Selten. 1989.
Band 236: J. Stoll, Fehlertoleranz In vertellten Realzeltsystemen.IX.
Band 212: W.-M. Uppe (Hrsg.). Software-Entwicklung. Fachtagung.
200 Selten. 1990.
Marburg. Juni 1989. Proceedings. IX. 290 Seiten. 1989.
Band 237: R.Grebe (Hrsg.), Parallele Datenverarbeltung mit dem
Band 213: I. Walter. DatenbankgestOtzte Reprasentation und Extrak
Transputer. Aachen, September 1989. Proceedings. VIII, 241 Seiten.
tlon von Episodenbeschrelbungen aus Bild1olgen. VIII. 243 Selten.
1990.
1989.
Band 238: B. Endres-Niggemeyer, T. Hermann. A. Kobsa. D. ROsner
Band 214: W. GOrke. H. SOrensen (Hrsg.). Fehlertolerierende
Rechensysteme I Fault-Tolerant Computing Systems. 4. Internatio (Hrsg.). Interaktion und Kommunlkatlon mit dem Computer. Ulm.
M!!rz 1989. Proceedings. VIII, 175 Seiten. 1990.
nale GIlITG/GMA-Fachtagung. Baden-Baden. September 1989.
Proceedings. XI. 390 Seiten. 1989. Band 239: K. Kansy, P.WiBklrchen (Hrsg.). Graphik und KI. KOnigs
winter, April 19 90. Proceedings. VII, 125 Selten. 1990.
Band 215: M. Bldjan-Irani. QualMt und Testbarkeit hochlntegrierter
Schaltungen. IX. 169 Seiten. 1989. Band 240: D. Tavangarian. Flagorientierte Assoziativspeicher und
-prozessoren. XII. 193 Seiten. 1990.
Band 216: D. Metzing (Hrsg.). GWAI-89. 13th German Workshop on
Artificial Intelligence. Eringerfeld. September1989. Proceedings. XII. Band 241 : A. Schill. Migrationssteuerung und Konfigurationsverwal
485 Selten. 1989. tung fOr verteilte objektorientlerte Anwendungen. IX, 174 Seiten.
Band 217: M. Zieher. Kopplung von Rechnernetzen. XII. 218 Seiten. 1990.
1989. Band 242: D.Wybranletz. Multicast-Kommunikation in verteilten
Band 218: G. Stiege. J. S. Ue (Hrsg.). Messung. Modellierung und Systemen. VIII, 191 Seiten. 1990.
Bewertung von Rechensystemen und Netzen. 5. GIIITG-Fachta
gung. Braunschweig. September 1989. Proceedings. IX. 342 Seiten. Band 243: U. Hahn, Lexlkalisch verteiltes Text-Parsing. X. 263 Sei
1989. ten. 1990.
Band 219: H. Burkhardt. K. H. HOhne. B. Neumann (Hrsg.J. Musterer Band 244: B. R. Kammerer. Sprecherunabhangigkelt und Spreche
kennung 1989. 11. DAGM-Symposium, Hamburg. Oktober 1989. radaption. VIII. 110 Selten. 1 g90.
Proceedings. XIX. 575 Selten. 1989 Band 245: C. Freksa,C. Habel (Hrsg.), Reprasentation undVerarbei
Band 220: F. Stetter, W. Brauer (Hrsg.),lnformatik und Schule 1989: tung raumllchen Wissens. VIII. 353 Seiten. 1990.
Zukunftsperspektiven der Informatik fOr Schule und Ausbildung.
Band 246: Th. Braunl. Massiv parallele Programmierung mit dem
GI-Fachtagung. MOnchen. November 1989. Proceedings. XI. 359
Parallaxis-Modell. XII, 168 Seiten. 1990
Seiten. 1989.
Band 221: H. Schelhowe (Hrsg.). Frauenwelt - Computerraume. Band 247: H. Krumm, Funktionelle Analyse von Kommunlkations
GI-Fachtagung, Bremen. September 1989. Proceedings. XV, 284 protokollen. IX, 122 Selten. 1990.
Selten.1989. Band 248: G. Moerkotte. Inkonsistenzen in deduktiven Datenban
Band 222: M. Paul (Hrsg.), GI-19. Jahrestagung I. MOnchen, Okto ken. VIII. 141 Seiten.1990.
ber 1989. Proceedings. XVI. 717 Selten. 1989. Band 249: P. A. Gloor, N. A. Streitz (Hrsg.), Hypertext und Hyperme
Band 223: M. Paul (Hrsg.), GI-19.Jahrestagung II. MOnchen. Okto dia.IX. 302 Selten. 1990.
ber 1989. Proceedings. XVI. 719 Selten. 1989. Band 250: H.W. Meuer (Hrsg.). SUPERCOMPUTER·90. Mannheim,
Band 224: U. Voges, Software-Diversit!!t und ihre Modellierung. VIII. Junl 1990. Proceedings. VIII. 209 Seiten. 1990.
211 Seiten.1989
Band 251 : H. Marburger (Hrsg.), GWAI-90. 14th German Workshop
Band 225: W. Stoll, Test von OSI-Protokollen. IX. 205 Seiten. 1989. on Artificial Intelligence. Eringerfeld, September 19 90. Proceedings.
Band 226: F. Mattern. Verteilte Baslsalgorithmen. IX. 285 Seiten. X. 333 Selten. 1990.
1989. Band 252: G.Dorffner (Hrsg.). Konnektlonlsmus in Artificial Intelli
Band 227: W. Brauer, C. Freksa (Hrsg.), Wissensbasierte Systeme. 3. gence und Kognitlonsforschung. 6. Osterreichische Artificial-Intelli
Internatlonaler GI-KongreB, MOnchen. Oktober 1989. Proceedings. gence-Tagung (KONNAI), Salzburg, September 1990. Proceedings.
X. 544 Selten. 1989. VIII, 246 Seiten. 1990.
Band 228: A.Jaeschke. W.Geiger. B.Page (Hrsg.). Informatik im Band 253 :W. Ameling (Hrsg.),ASST'90. 7. Aachener Symposium fOr
Umweltschutz. 4. Symposium, Karlsruhe. November 1989. Procee Signaltheorie. Aachen, September 1990. Proceedings. XI, 332 Sei
dings. XII, 452 Seiten. 1989. ten. 1990.
Informatik-Fachberichte 303
Herausgeber: W. Brauer
im Auftrag der Gesellschaft fOr Informatik (GI)
R. Studer (Hrsg.)
Informationssysteme und
KOnstliche Intelligenz:
Modellieru ng
2. Workshop
Ulm, 24.-26. Februar 1992
Proceedings
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York London Paris
Tokyo Hong Kong Barcelona Budapest
Herausgeber
Rudi Studer
Universitat Karlsruhe
Institut fOr Angewandte Informatik
und Formale Beschreibungsverfahren
Postfach 6980, W-7500 Karlsruhe
CR Subject Classification (1991): D.2.1, D.3.3, H.2.3, 1.2.4-6, 1.2.8
ISBN-13:978-3-540-55182-9 e-ISBN-13:978-3-642-77312-9
001: 10.1007/978-3-642-77312-9
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschOtzt. Die dadurch begrOndeten Rechte, insbesondere
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der Bundesrepublik Deutschland yom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung
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bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1992
Satz: Reproduktionsfertige Vorlage yom Autor
33/3140-543210-Gedruckt auf s1lurefreiem Papier
Vorwort
Neuere Entwicklungen im Datenbank- und Informationssystembereich sind u.a.
gekennzeichnet durch die Bereitstellung sehr machtiger semantischer bzw.
objektorientierter Datenmodelle, um den Anforderungen aus sogenannten Nicht
Standardanwendungen, wie z.E. dem Burobereich, gerecht zu werden. Daraus ergeben
sich unmittelbar neue Problemstellungen im Hinblick auf die Entwurfs- und
Modellierungsaufgaben, die mit dem Einsatz derartiger mach tiger Datenmodelle
verbunden sind.
Betrachtet man andererseits Entwicklungstendenzen im Bereich der Kunstlichen
Intelligenz, so wird Fragen der systematischen Entwicklung Wissensbasierter Systeme
eine immer grofiere Wichtigkeit beigemessen. Dabei spiel en u.a. phasenorientierte
Vorgehensweisen und damit verbunden der Aufbau geeigneter Modelle eine zentrale
Rolle. Dementsprechend hat der 2. Workshop "Informationsysteme und Kunstliche
Intelligenz" gerade das Gebiet der Modellierung als generelles Thema. Zielsetzung ist
dabei, auf dem Gebiet der Modellierung Gemeinsamkeiten und Unterschiede von
Problemstellungen bzw. Losungsansatzen, die in den Fachdisziplinen Kunstliche
Intelligenz und Informationssysteme / Datenbanksysteme identifiziert bzw. entwickelt
worden sind, herauszuarbeiten. Damit soIl gleichzeitig der Gedankenaustausch
zwischen den beteiligten Fachdisziplinen gefordert und die Zusammenarbeit uber
Fachdisziplingrenzen hinweg verbessert werden.
Das Workshop-Programm setzt sich aus 2 eingeladenen Beitragen aus jedem der beiden
beteiligten Fachdisziplinen sowie 10 begutachteten Beitragen zusammen, die aus 29
eingereichten Beitragen ausgewahlt wurden. Die Zahl der eingereichten Beitrage zeigt
das rege Interesse an der interdisziplinaren Fragestellung, die durch den Workshop
aufgegriffen wird. Gemafi dieser interdisziplinaren Fragestellung wird dieser Workshop
von Fachgruppen aus verschiedenen Fachbereichen der GI veranstaltet: den
Fachgruppen 1.1.4 (Wissensreprasentation), 2.5.1 (Datenbanken) und 2.5.2 (Ent
wicklungsmethoden fUr Informationssysteme und deren Anwendung).
An der Vorbereitung dieses Workshops haben eine Vielzahl von Personen mitgewirkt:
bedanken mochte ich mich bei den Mitgliedern des Programmkomitees sowie den
weiteren Gutachtern fUr die Untersttitzung bei der Festlegung des Workshop
Programms, bei C. M. Ziegler und D. Karagiannis fUr die gewohnt vorbildliche lokale
Organisation am FAW Ulm sowie bei G. Schillinger fur die ausgezeichnete Erledigung
der zahlreichen Tatigkeiten, die mit der Vorbereitung eines Workshops und zugehOriger
Proceedings verbunden sind.
Karlsruhe, Dezember 1991 Rudi Studer
Programmkomitee:
R. Studer, Universitat Karlsruhe (Vorsitz)
D. Karagiannis, FAW Ulm
G. Lausen, Universitat Mannheim
K v. Luck, IBM Deutschland GmbH
C.-R. Rollinger, Universitat Osnabrock
H. Schweppe, FU Berlin
H. Thoma, Ciba-Geigy AG
Weite:re Gutachter fUr den Workshop:
J. Angele
M. Brunk
A. Endrikat
W. Emde
K Faidt
D. Fensel
H. Gust
S. KanngieBer
D. Landes
G. Meyer
A. Perkhoff
J. Rising
I. Wachsmuth
Inhaltsverzeichnis
Eingeladene Beitrage
H.-D. Ehrich, G. Saake, A. Sernadas:
Concepts of Object-Orientation................. ................................................................ 1
1. Wachsmuth:
Wissensreprasentation und kognitive Modelle .... ..... ..... ........ ... ... ....... ............ ...... .... 20
Begutachtete Beitriige
J. Angele, D. Fensel, D. Landes
Two Languages to Do the Same? ............................................................................. 23
C. Laasch, M. Scholl
Generic Update Operations Keeping Object-Oriented Databases Consistent ................. 40
P. Lohr-Richter
Basic Units of the Database Design Process ............................................................. 56
A. Maier, B. Walter
Abbildung KI-typischer Modellierungsmechanismen auf Datenbanktechnologien. ...... 68
J.-U. Moller
Towards Declarative Programming in Conceptual Models ......... ... ........ ......... ....... .... 84
A. Oberweis, P. Sander, W. Stucky
Modellierung von Ablaufen in NF2-Datenbanken durch hahere Petri-Netze ................ 95
M. Rauterberg
Partizipative Modellbildung zur Optimierung der Softwareentwicklung. ................... 113
A. Schwanke
CASE-Einsatz bei der Entwicklung eines Konfigurierungssystems .......................... 129
W. Tank
Modellierung von Konfigurierungsaufgaben mit AMOR ......................................... 144
A. VoB, W. Karbach
Ausfiihrbare konzeptionelle Modelle ..... ......... ............. .......................................... 158
Concepts of Object-Orientation*
Hans-Dieter Ehrich
Gunter Saake
Abteilung Datenbanken, Technische Universitiit, Postfach 3329
D~3300 Braunschweig, GERMANY
Amilcar Sernadas
Computer Science Group, INESC, Apartado 10105
1017 Lisbon Codex, PORTUGAL
Abstract
An object is a unit of structure and behavior; it has an identity which persists through
change; objects communicate with each other; they are classified by object types, collected
into object classes, related by inheritance, and composed to form complex objects. In the first
part of the paper, this rich world of concepts and constructions is explained in an informal but
systematic way, independent of any language or system. In the second part, features of an object
specification language are outline which incorporate most of these concepts and constructions.
1 Introduction
There are many languages, systems, methods and approaches in computing which call themselves
"object~oriented", among them object~oriented programming languages like SmallTalk [GR83], C++
[St86] and Eiffel [Me88], object~oriented database systems like GemStone [BOS91], O2 [De91], IRIS
[Fi87] and ORION [Ki88], and object~oriented system development methods like GOOD [SS86],
MOOD [Ke88] and HOOD [Hei88].
High~level system specification languages and design methodologies are evolving which are based
on object~oriented concepts and techI1iques. [Ve91] gives an overview of recent work in this area. We
are cooperating in the ESPRIT BRA Working Group IS-CORE where a graphical language [SGCS91,
SRGS91, SSGRG91, SGGSR91] and a textual counterpart [JSS90, JHSS91, JSS91, JSHS91, SJ91]
for designing, specifying and implementing object communities are being developed.
But what precisely is an object? Some common sense is given by Wegner [We89] who says:
An object has a set of operations and a local shared state (data) that remembers the
effect of operations. The value that an operation on an object returns can depend on the
object's state as well as the operation's arguments. The state of an object serves as a
local memory that is shared by operations on it. In particular, other previously executed
operations can affect the value that a given operation returns. An object can learn from
experience, storing the cumulative effect of its experience ~ its invocation history ~ in its
state.
Thus, an object has an internal state and a certain behavior reflected by its operations: it is a
unit of structure and behavior - and it has an identity which persists through change.
'This work was partly supported by the EC under ESPRIT BRA WG 3023 IS-CORE (Information Systems ~
COrrectness and REusability), by DFG under Sa 465/1-1 and Sa 465/1-2, and by JNICT under PMCT /C/TIT /178/90
FAC3 contract.
2
But this is not all: dynamic objects somehow communicate with each other, they are classified
by object types, collected into object classes, related by various forms of inheritance, and composed
to form complex objects.
This rich world of concepts and constructions seems to be very fertile: An enormous amount of
work is being invested in developing object-oriented techniques for software engineering. Evidently,
there is much hope that software production and maintenance can be made more effective, more pro
ductive, more adequate, and more reliable this way. Indeed, object-oriented languages and systems
as well as design and implementation methods are invading all disciplines of software engineering.
With all these practical developments, it is amazing that theoretical foundations for object
oriented concepts and constructions do not have found so wide attention yet. Matters are changing
slowly: there are formal approaches to object-oriented programming language semantics [CP89j,
database concepts [Be91, GKS91j, and specification languages [GW90j. Besides this, also languag~
and system-independent discussions of fundamental object-oriented issues are evolving [Cu91 , HC89,
LP90j.
In the IS-CORE working group, we have been working in the latter direction. Recent contribu
tions to semantic fundamentals are [ESS90, ES90, EGS91, CS91, CSS91, SE90, SEC90, SFSE89j,
emphasizing the process view of objects. In cooperation, logic fundamentals of object specifica
tion have been developed [FM91a, FM91b, FS91, FSMS90j. A first result harmonizing logics and
semantics of object specification can be found in [FCSM91j.
A systematic formalization of basic object-oriented concepts and constructions in terms of this
theory has been published in [ES91] and, together with features of an object-oriented specification
language and methodology, in [SJE91]. In this paper, we give an informal, easier-to-read account of
these ideas.
In section 2, we explain what we mean by an object template as the common structure and
behavior pattern of some kind of object. In section 3, we argue that we should carefully distinguish
between objects and aspects of objects, and we introduce object classes as another kind of objects.
In section 4, the basic object constructions around inheritance and interaction are .explained. In
section 5, we outline features of the language TROLL ([JHSS91]) for specifying and designing object
communities ~hich is being developed at TU Braunschweig.
2 Templates - and How They Are Related
In natural language, we refer to objects by substantives, but we use the same substantive in two
different ways: with the definite article the (or words like this or that) for referring to specific
individual objects, and with the indefinite article a for referring to generic terms.
The distinction between individual objects and generic terms is somewhat sloppy in natural
language. Consider, for example, the sentence
• This computer is a SUN workstation; it works quite well.
Does the speaker want to say that the specific SUN workstation referred to by this works quite well,
or does she want to say that SUN workstations in general work quite well? The first meaning is
probably more obvious, but you can hear people talk like this with the second meaning in mind.
In computing, we have to be very specific about this distinction. For generic terms, the word
type is often used, but this word is overloaded with too many connotations. We avoid it and prefer
to speak of object templates if we mean generic objects without individual identity. The notion of
an object class is easily confused with this, but it means something else, namely a tim~varying
collection of objects! We will be back to this.
An object template represents the common structure and behavior pattern of some kind of object.
The basic ingredients of structure and behavior are observations and actions. For instance, for a
queue object with integer entries, we might have
• observations front=7, rear=2 , size=3 , ...
3
• actions create, enter(7) , leave, ...
with obvious meanings. It is essential that we are general enough to allow for concurrency. In a
nonempty queue, for instance, enter( 4) and leave may occur simultaneously, and this simultaneous
occurrence can be considered as one composite action enter(4)llleave. Moreover, also actions and
observations can occur at the same time, giving rise to expressions like enter( 4) Ilfront=7 or size=311
rear=21Ileave.
But what do the latter expressions mean? They are neither pure actions nor pure observations.
In order to make sense of this, we introduce the concept of event as a generalization of actions and
observations:
• an event is anything which can occur in one instant of time.
Let E be a given set of events including atomic actions, atomic observations, and simultaneous
combinations of finitely many of these. Obviously, we have a binary operation lion E which should
be associative, commutative and idempotent, and it should satisfy the cancellation law. Adding, for
completeness and convenience, a neutral element 1 standing for nothing happens (or, rather, nothing
visible happens, i. e. it might represent a hidden event), we obtain an
• event monoid E = (E,II, 1)
with the above properties as the basic event structure to work with.
An object template has an event monoid associated with it, representing the events which can
possibly happen to this kind of object. But, of course, it is not sufficient to know which events can
happen, we need to know how they can happen in sequence or concurrently.
A process is a well known concept modelling precisely this. There are many process models and
languages in the literature, including CSP, CCS, ACP, Petri neb, labelled transition systems, various
trace models, etc. We cannot go into process theory here, and fortunately we need not: we are ready
to accept any sufficiently powerful process model for modelling object template behavior.
In order to help the reader's intuition, however, she might envisage labelled transition systems (Its)
as an example process model: an object template has states, and it can move (non-deterministically)
from state to state by transitions labelled by events (only actions will actually change state, obser
vations will leave it fixed). A mathematical elaboration of this model can be found in [CSS91j, and
a more abstract denotational model is outlined in [ES91j. Other appropriate process categories are
currently being investigated, denotational and operational ones [CS91, CSS91j, and also logic-based
ones [FM91a, FSMS90j. An interesting unifying approach can be found in [Me91j.
Templates in isolation, however, are not enough for capturing the relevant object-oriented con
cepts: for studying inheritance and interaction, we have to deal with suitable relationships between
templates. In this respect, process theory offers only rudimentary help. We found it necessary to
develop a general and powerful notion of process morphism as some kind of "behavior preserving
map" between processes [ES91, ESS90, ES90, SE90, SEC90, SFSE89, SSE87j. Amazingly, one single
concept turned out to be sufficient for dealing with inheritance as well as interaction!
Templates and template morphisms constitute a well known mathematical structure called a
category. We have been able to find instances of process categories where not only the morphisms are
appropriate for modelling inheritance and interaction, but where also fundamental process operations
are reflected by basic categorial constructions: parallel composition by limits,and internal choice by
colimits [ES91, CS91].
In what follows, we will need one special case of template morphism in particular, namely projec
tion: a template is projected to a part or an aspect of itself by mapping all "global" states to their
"local" part or aspect, and correspondingly for transitions. The events relevant fo the part or aspect
are maintained, while the remaining events are "hidden" by mapping them to 1. Please note that
nondeterminism might be introduced this way.
For example, let twoqueue be the template for objects consisting oftwo queues working in parallel,
without any interaction between them. The states of twoqueue are all pairs (qI, q2) of states of the two