Modellgetriebene Informationsvisualisierung auf Basis einer serviceorientierten Architektur

Im Zuge der Globalisierung und des Wandels der modernen Volkswirtschaften zu Wissens- und Informationsgesellschaften spielt die Bildung eine immense Rolle. Die Herausforderung, Bildung im staatenübergreifenden Maßstab zu fördern, wird in Europa stark vorangetrieben. Die am 19. Juni 1999 in Bologna unterzeichnete Deklaration von 29 Vertretern europäischer Länder hat zum Ziel, einen gemeinsamen Hochschulrahmen in Europa zu schaffen. Es wird in Form einer freiwilligen Selbstverpflichtung der beteiligten Länder eine Konvergenz der Hochschulsysteme durch Reformen der landeseigenen Bildungsstrukturen angestrebt. Dieses Vorhaben hat nicht die Vereinheitlichung oder Standardisierung des Hochschulrahmens zum Ziel, sondern berücksichtigt die wertvolle Diversität der Länder und erhält deren Autonomie im Bildungsbereich weiterhin. Vielmehr soll eine Harmonisierung der Bildungsstrukturen erfolgen.

Diese Harmonisierung wird von den Zielen der Bologna-Deklaration getragen und gemeinhin als „Bologna-Prozess“ bezeichnet. Die Ziele des Bologna-Prozesses reichen von der Vergleichbarkeit der Hochschulabschlüsse, über gestufte Studiengänge, ein Punktesystem zur Verbesserung der Mobilität, hin zu einem europaweiten Qualitätssicherungssystem. Ein Auszug der Ziele ist in Information 1 abgebildet. Aus den vorgegebenen Zielen leiten die beteiligten Länder bildungspolitische Maßnahmen ab und koordinieren das Vorgehen untereinander. So soll beispielsweise ein einheitliches Verständnis über den Aufbau eines Studiengangs dafür Sorge tragen, dass durch hochschul- und länderspezifische Vorgaben die Weiterführung eines Studiums im Ausland nicht unnötig erschwert wird. Doch auch jenseits der politischen Vorgaben sind die Hochschulen dazu angehalten, sich als Akteure der Reform zu verstehen und die Chancen zur eigenen Profilschärfung und zum Aufbau eines internationalen Netzwerkes zu nutzen. Diese verstärkte Profilbildung und die Umsetzung politischer Vorgaben führen zu neuen organisatorischen Anforderungen an den Hochschulen. Einerseits ändern sich die zu verwaltenden Daten, wie zum Beispiel die Einführung von einheitlichen Abschlüssen. Anderseits müssen die Geschäftsprozesse der Hochschulen an die Vorgaben angepasst werden.

Die Unterstützung der Geschäftsprozesse erfolgt durch entsprechende Informationstechnologie (IT). Die IT-Systeme setzen sich dabei aus der Hard- und Softwareebene zusammen, wobei die Geschäftprozesse heutzutage hauptsächlich auf der Softwareebene abgebildet werden. Die dazu verwendete Anwendungssoftware wurde entweder von den Hochschulen selbst entwickelt oder von externen Dienstleistern eingekauft. Unabhängig davon, für welche Strategie sich die Hochschulen entschieden haben, wurden Ressourcen gebunden. Um die neuen Anforderungen, die durch den Bologna-Prozess entstehen, systemtechnisch unterstützen zu können, muss die vorhandene Anwendungssoftware entweder angepasst oder neu entwickelt werden. Durch die Bindung von Ressourcen der bereits vorhandenen IT-Systeme ist eine ökonomische Lösung wünschenswert [BB+06]. Eine logische Strukturierung der IT-Systeme erfolgt durch eine Architektur. Als eine vielversprechende Architektur hat sich die serviceorientierte Architektur (SOA) hervorgetan, mit der der Fokus von technischen Details auf die organisatorische Ebene verlagert wird. Mithilfe der serviceorientierten Architektur von Softwaresystemen ist es möglich, neue Funktionalität bereitzustellen und in die vorhandene IT-Systeme zu integrieren. Gleichzeitig ist dies eine Investition in die Zukunft, weil die serviceorientierte Architektur auf offenen Standards basiert und dadurch nicht nur eine Weiterentwicklung der Systeme vereinfacht, sondern auch eine flexible Zusammenschaltung der bereitgestellten Dienste (engl. Services) ermöglicht. Im Zuge dieser Arbeit wird eine konkrete SOA-Architektur für einen zusätzlichen Dienst entworfen, um diesen mit einem aktuellen Entwicklungskonzept als einen Baustein auf der serviceorientierten Architektur zu generieren.

Bei diesem Entwicklungskonzept handelt es sich um den Ansatz der modellgetriebenen Entwicklung (engl. Model Driven (Software) Development, kurz MD(S)D). Auch wenn Modellierung bereits einen hohen Stellenwert in der konventionellen Softwareentwicklung eingenommen hat, geht der Ansatz der MDD über eine informelle Modellierung hinaus und versucht, einen Mehrwert an Produktivität und Qualität durch eine präzisere Spezifikation von Modellen zu generieren. Modelle sind in diesem Fall Abstraktionen eines Systems und der Umgebung, die letztlich auf Software abgebildet werden. In wird Quellcode auch als ein Modell bezeichnet, weil er die Lösung für ein Problem auf dem Abstraktionsniveau einer Programmiersprache darstellt. Mit der MDD wird dieses Abstraktionsniveau auf die Ebene der Problemanalyse einer Domäne angehoben. Dadurch können Modelle nicht nur zur Dokumentation einer Anwendungssoftware verwendet werden, sondern für die konkrete Generierung von Softwareartefakten eingesetzt werden [PM06]. Die modellgetriebene Entwicklung wurde von einem Industriekonsortium namensObject Management Group (OMG) durch die Spezifikation beteiligter Sprachen und Technologien ausgeprägt. Der Ansatz der OMG wird als modellgetriebene Architektur (engl. Model Driven Architecture, kurz MDA) bezeichnet. Die Erfahrungen mit der MDA sind kontinuierlich gewachsen. Diese Arbeit soll ein weiteres Stück zu diesem Erfahrungsgewinn beitragen, indem untersucht wird, wie sich die MDA für die Informationsvisualisierung zur Darstellung komplexer Sachverhalte einsetzen lässt. Hierzu wird die Bereitstellung eines Dienstes auf einer serviceorientierten Architektur angestrebt.

Dieser Dienst wird durch den Wunsch motiviert, Studierenden ein Leistungsangebot jenseits der Lehre bereitzustellen, um sie beim Studium zu unterstützen. Die Ziele der Bologna-Deklaration umfassen unter anderem Instrumente zur Steigerung der Qualität des Studiums. Gleichermaßen werden zur Förderung der Transparenz hinsichtlich der Dokumentation des Studiengangs, des Studienverlaufs und der Prüfungen [HRK-BR2] sowie zur Erhöhung der (internationalen) Mobilität der Studierenden durch eine standardisierte Datenabschrift der erzielten Leistungen (engl. Transcript of Records) weitere Instrumente bereitgestellt. Diese Maßnahmen führen nicht nur dazu, dass Mobilitätsschranken aufgehoben werden, sondern dass die Hochschulen in ihrem Studienangebot und ihrer Organisation transparenter werden. Eine einfachere Vergleichbarkeit der Hochschulen führt zu einem stärkeren Wettbewerb untereinander. Dieser Trend wird sich weiterhin verstärken, womit die Hochschulen in einen Qualitätswettbewerb um die besten Studierenden treten.

Umso wichtiger ist es für die Hochschulen, ihre Attraktivität über die Lehre hinaus zu steigern. Dies ermöglicht eine weitere Differenzierung im internationalen Wettbewerb. Ein reichhaltiges Dienstleistungsangebot der Hochschulen kann dabei vielerlei Aspekte beinhalten. Diese umfassen beispielsweise die Studierendenverwaltung, die akademische Beratung und die den Studierenden zur Verfügung gestellte Infrastruktur. Ein weiterer Punkt hoher Relevanz ist die Unterstützung des Studierenden während seines Studiums durch ein bedarfsgerechtes Informationsangebot zu seinem Studium. Ein Mittel, sich über seinen bisherigen Studienverlauf zu informieren, bietet eine wichtige Basis für die Planung des Studiums. Besonders an Universitäten wird den Studierenden durch Wahlmöglichkeiten innerhalb ihres Studiengangs die Ausprägung eines individuellen Profils ermöglicht. Eine hohe Auswahl führt zu einer Erhöhung der Komplexität einer visuellen Darstellung und mindert damit die Übersichtlichtkeit. In dieser Arbeit wird eine Visualisierung ausgewählt, die es trotz der Komplexität des Studienangebots einem Studierenden ermöglicht, auf eine intuitive Art und Weise sich einen Überblick über seinen bisherigen Stand im Studium zu verschaffen. Dieses Konzept wird daraufhin dazu benutzt, um einen Softwarebaustein bereitzustellen, der in einer Hochschule eingesetzt deren Dienstleistungsangebot erweitert und somit an der Steigerung der Attraktivität des Studiums beteiligt ist.

Kapitel 3.2, Modellgetriebene Entwicklung:

Gemäß FR07 leisten Informationssysteme essentielle Dienste für eine Gesellschaft. Zusätzlich werden die vier wichtigsten Anforderungen an IT-Systeme herausgestellt: Heutige IT-Systeme interagieren in verteilten und eingebetteten Umgebungen auf unterschiedlichen Plattformen und kommunizieren über mannigfaltige Interaktionsparadigmen (z.B. SOAP-Nachrichten, Streaming von Medieninhalten). Weiterhin sollen sie sich dynamisch an ihre Ausführungsumgebungen anpassen und zuverlässig funktionieren. All diese Forderungen sowie die Fülle an Funktionalität, die heutige IT-Systeme bereitstellen müssen, bewirken eine enorme Steigerung der Komplexität der Software. Um diesen Anforderungen zu begegnen, werden Methoden, Technologien und Werkzeuge benutzt. Eine Form, die alle drei Konzepte benutzt, um den heutigen Anforderungen an Software gerecht zu werden, ist die modellgetriebene Entwicklung (engl. Model Driven (Software) Development, MDD).

Die MDD versucht, durch den Einsatz von Werkzeugen und Methoden, unterschiedliche Probleme der Softwareentwicklung im großen Maßstab abzufedern bzw. zu lösen. Ein erklärtes Ziel der MDD ist die Bereitstellung von Technologien, die die Komplexität der speziellen Plattform, auf der die Software ausgeführt werden soll, für Softwareentwickler verringern. Hierbei wird der Begriff der Plattform auf verschiedene Softwarebibliotheken (z.B. für Persistenz, grafische Benutzeroberfläche, mathematische Funktionen), Computernetzwerke sowie Middleware bezogen.

Ein weiteres Ziel ist das Verkleinern der Diskrepanz zwischen einem Problem und der Implementierung zur Lösung dieses Problems. Hierbei ist es insbesondere interessant, wie Modellierungstechniken dazu beitragen können, die Kluft zwischen der Domäne des Problems und der Domäne der Softwareimplementierung (engl. Problem-Implementation Gap) zu schließen. Diese Diskrepanz entsteht vor allem dadurch, dass in der konventionellen Softwareentwicklung Softwarelösungen auf einem geringeren Abstraktionsniveau formuliert (implementiert) werden als die Formulierung des Problems. Dadurch entsteht die in FR07 als Problem-Implementierung-Diskrepanz bezeichnete Problemstellung. Mit der Hebung des Abstraktionsniveaus wird eine signifikante Steigerung der Qualität und Produktivität erwartet.

Ergänzend zur Verbesserung der Entwicklung von Software, verfolgt die MDD das Ziel, die Wartung und Pflege von Software zu verbessern. Ein relevanter Baustein für dieses Ziel ist die Beherrschung von Aspekten, die nicht einfach modularisiert werden können. Diese werden zumeist als Querschnittsbelange (engl. Cross-Cutting-Concerns) bezeichnet. Unter Querschnittsbelange fallen Aspekte wie Sicherheit, Fehlerbehandlung, Protokollierung und Synchronisation. Die MDD bietet Vorschläge an, um diese Querschnittsbelange, die sowohl für Redundanzen verantwortlich sind als auch insgesamt die Verwaltung von Änderungen behindern, weil sie in unterschiedlichen Stellen der Software lokalisiert sind, zu adressieren. Speziell die Fragestellung, wie die MDD dabei helfen kann, verschiedene Aspekte zu handhaben, ist noch nicht vollständig beantwortet und ist somit noch aktueller Stand der Forschung.

Eine Sachlage, auf die die MDD schon Antworten liefert, ist die Wiederverwendung. Dies bezieht sich vor allem auf die Wiederverwendung von Modellen in einer Domäne. Expertenwissen, das dazu benutzt wurde, eine Lösung als Modell zu formulieren, kann aufgrund des hohen Abstraktionsgrades, den die MDD zur Modellierung einsetzt, zur Lösung ähnlich gelagerter Probleme verwendet werden. Gerade die Modellierung spielt bei der MDD eine große Rolle. Zwar ist laut die konventionelle Softwareentwicklung durch Formulierung der Lösungen in einer Programmiersprache auch eine Modellierungsaktivität, jedoch eine auf einem oft nicht problemadäquaten Niveau. Was genau nun Modellierung auf einer höheren Ebene als der gewöhnlicher Programmiersprachen bedeutet und welche Aspekte dabei eine Rolle spielen, wird im Folgekapitel aufgezeigt.

Modellierung in der MDD:

Die Entwicklung eines Modells als Abstraktion eines Systems wird als Modellierung bezeichnet. Modelle werden in diesem Zusammenhang als ein reduziertes Abbild eines repräsentierten Systems charakterisiert, das elementare Merkmale eines Systems aufweist. Eine genauere Beschreibung wird im Folgekapitel gegeben. Der Zweck der Modelle ist die Bereitstellung einer menschenverständlichen Beschreibung einiger Aspekte eines Systems oder Darstellung der Information in einem Format, das technisch analysiert werden kann. Hierbei muss das System, worauf sich das Modell bezieht, nicht notwendigerweise existieren.

France und Rumpe teilen Modelle in zwei Kategorien ein. Sie räumen in FR07 ein, dass die Klassifikation aus Information 27 im Verlauf des Reifens der MDD sich verändern kann, indem beispielsweise die Entwicklungsmodelle als Laufzeitmodelle eingesetzt werden könnten, oder die Laufzeitmodelle dazu verwendet werden können, Softwaresysteme zu entwickeln, was ihnen den Status von Entwicklungsmodellen verleiht. Für aktuelle Kategorisierung der Modelle sei die Einteilung ausreichend. Diese Arbeit beschränkt sich auf die Entwicklungsmodelle, weil nicht Aspekte eines existierenden Systems untersucht werden, sondern untersucht wird, wie Modelle zur Informationsvisualisierung eingesetzt werden können.

Auch wenn die Erstellung von Modellen systematisiert werden kann, ist Modellierung eine Kunst. Nichtsdestoweniger beschreibt Hruby in Hr06 einige grundlegende Prinzipien, die speziell für die Modellierung von Modellen in Geschäftsanwendungen sinnvoll sind. Einige interessante Prinzipien werden im Folgenden aufgezeigt.

Beim Top-Down-Ansatz wird die funktionale Dekomposition eines Systems verfolgt. Dieser Ansatz eignet sich eher für die Beschreibung eines Systems, weil dessen konsequente Anwendung zu einem monolithischen System führen kann. Der Bottom-Up-Ansatz dient dazu, atomare Elemente einer Geschäftsanwendung oder eines Geschäftsprozesses zu identifizieren. Diese werden daraufhin als generalisierte Komponenten abgebildet. Beide Ansätze sind sinnvoll, um ein System kognitiv zu durchdringen und es auf ein Informationssystem abzubilden. Auch hält dieses Vorgehen für ratsam. Beide Ansätze hängen mit dem Prinzip der Granularität der modellierten Elemente eines Systems zusammen. Die Granularität von Modellelementen bezeichnet deren Größe (z.B. Anzahl enthaltener Elemente). Elemente auf einem hohen Abstraktionsniveau können für gewöhnlich durch funktionale Dekomposition in kleinere Elemente zerlegt werden, während die kleineren durch Synthese zu größeren Elementen zusammengefasst werden können.

Als letztes Prinzip soll hier noch das Prinzip der Sichten oder auch Perspektiven erläutert werden. Bei der Erstellung eines Modells muss immer die Sicht, aus der das System modelliert wird, dokumentiert werden. Besonders deutlich wird dieses Prinzip, wenn man eine Geschäftsanwendung betrachtet. Diese kann eine Kunden- und Lieferantensicht enthalten. Der Geschäftsvorfall „Bezahlen“ ist je nach Sicht mit der Semantik Geldeingang oder Geldabfluss verbunden. Um Ambiguitäten zu vermeiden, ist es notwendig die Perspektive, in der modelliert wird, zu dokumentieren.

Modelle und Transformationen:

Aus dem Vorgang der Modellierung entstehen Modelle. Welche Rolle Modelle in der MDD einnehmen, welcher nutzen aus ihnen gezogen wird und welcher Zusammenhang zu Transformationen besteht, ist in diesem Kapitel abgefasst.

Eine Software basiert auf Quellcode, der das konkrete Modell von Geschäftsprozessen und verwendeten Daten in der Realität darstellt. Dieses Modell ist aus den Köpfen der Softwareentwickler entstanden, wie sie das Problem und die entsprechende Lösung verstanden haben. Diese mentalen Modelle stellen ein inhärentes Problem dar, da sie nicht ohne weitere Hilfsmittel analysiert, verifiziert und dokumentiert werden können. Aus diesem Grund ist eine Externalisierung der mentalen Modelle auf einem problemadäquaten Abstraktionsniveau wichtig. Soll ein weiterer Nutzen aus den Modellen, wie z.B. Transformationen der Modelle, gezogen werden, ist es notwendig, die Modelle zu formalisieren. Für die automatische Transformation der Modelle ist es eine zwingende Voraussetzung, diese zu formalisieren. Ein formalisiertes Modell im Kontext von MDD entspricht einer Instanz eines anderen Modells, eines sogenannten Metamodells. Das Prinzip des Metamodells wird in Kapitel 3.2.2 detailliert beschrieben.

Transformationen basieren, bis auf die Ausnahme, die weiter unten erläutert wird, auf Modellen der Modelle (Metamodelle). Dabei bezeichnet die Transformation eine Umwandlung einer Instanz eines Quellmodells in eine Instanz eines Zielmodells. Da es sich dabei um beliebige Instanzen handelt, können die Transformationsregeln sich nur auf die Konstrukte des Metamodells beziehen. Unterschieden werden bei den Transformationen speziell zwei Transformationsarten. Die Modell-zu-Text-Transformation ist eine Abbildung der Modelle auf eine konkrete Plattform (Programmiersprache, Middleware). Dabei werden die Modelle an eine Plattform gebunden, um sie ausführbar zu machen. Bei dieser Transformationsart ist kein Metamodell unbedingt notwendig, da es sich hierbei auch um einfache Zeichenersetzungen handeln kann. Für die Modell-zu-Modell-Transformation ist ein Metamodell hingegen essenziell. Beide Transformationsarten sind für diese Arbeit relevant und werden im Kontext der modellgetriebenen Architektur vertieft behandelt.