An algebra of fixpoints for characterizing interactive behavior of information systems

Ein Fixpunkt-Kalkül zur Charakterisierung interaktiven Verhaltens von Informationssystemen

  • The dynamics of an information system (IS) is characterized not only by its computational behavior, but also by its interactive behavior. Interactive dynamics forms an integral part of most information systems. Despite this, an understanding of the interactive nature of an IS is still low. Interaction impacts expressiveness of an IS at such fundamental levels that Wegner [Weg97, Weg99a] came with a contention saying interactive behavior cannot be modeled by Turing Machines (TMs). A TM is considered the foundational model of computation. It models computable functions that map between problem and solution domains. However, a TM models only non-interactive mappings. A mapping between a problem and a solution domain that is interactive in nature can change its direction of computation resulting from intermediate interactions. Based on this contention, Wegner proposes interaction (rather than computation) as the fundamental framework for IS modeling [Weg99]. In this thesis, we address Wegner's contention and the nature of interactiveThe dynamics of an information system (IS) is characterized not only by its computational behavior, but also by its interactive behavior. Interactive dynamics forms an integral part of most information systems. Despite this, an understanding of the interactive nature of an IS is still low. Interaction impacts expressiveness of an IS at such fundamental levels that Wegner [Weg97, Weg99a] came with a contention saying interactive behavior cannot be modeled by Turing Machines (TMs). A TM is considered the foundational model of computation. It models computable functions that map between problem and solution domains. However, a TM models only non-interactive mappings. A mapping between a problem and a solution domain that is interactive in nature can change its direction of computation resulting from intermediate interactions. Based on this contention, Wegner proposes interaction (rather than computation) as the fundamental framework for IS modeling [Weg99]. In this thesis, we address Wegner's contention and the nature of interactive dynamics. An information system is modeled as a collection of semantic processes or Problem Solving Processes (PSPs). If these PSPs are interactive in nature, they are called open systems; and if they are non-interactive, such an IS is called a closed system. Intuitively, open system dynamics are known to be richer than closed system dynamics. We make this distinction precise in this thesis. Interaction is shown to be made up of three properties: computation, persistence of state across computations, and channel sensitivity. Persistence of state and channel sensitivity each contribute to richer behavioral semantics than just computation. This is shown by introducing a concept called the solution space of a semantic process. A solution space is the abstract domain characterized by the process dynamics. Interactive solution spaces are found to be richer than algorithmic solution spaces and also interactive solution spaces require at least a three-valued system of logic for their characterization. The earlier question of interactive behavior as applied to IS design is then revisited. Interactive dynamics of an IS characterize the IS functionality. We call the solution space of interactive IS behavior as its interaction space. The interaction space of an IS is contrasted with the object space of the IS which is concerned with the IS structure and state maintenance dynamics. The interaction space has a degree of autonomy with respect to the object space. This aspect is often not acknowledged in IS design, resulting in the intermixing of structural and functionality concerns. Separating these concerns can avoid certain conflicting problems in IS design, as well as provide better maintainability. We call this the "dual" nature of open systems. Based on this insight we propose an IS design paradigm called dualism, where an IS model is made up of an object schema, characterizing the IS structure and an interaction schema, characterizing the IS functionality. The interaction schema is characterized by a three-valued system of logic, representing a set of obligated (or liveness) behavior, permitted (or possible) behavior and forbidden behavior. The system should perform the obligated behavior to be termed functional; it may perform any of the permitted behavior and it may not perform forbidden behavior. An analysis of the dynamics of any real world system can make these three-valued characteristics apparent. Domain theory is used to propose solution space concept, and deontic logic is used to represent the three modalities of interactive IS behavior.show moreshow less
  • Die Dynamik von Informationssystemen wird nicht nur durch das Verhalten der Berechnungen, sondern insbesondere durch das interaktive Verhalten charakterisiert. Demzufolge ist die Charakterisierung der Interaktion ein integraler Bestandteil der Modellierung von Informationssystemen. Obwohl dies allgemein anerkannt ist, wird die interaktive Natur von Informationsssytemen immer noch nicht verstanden. Die Interaktion von Informationssystemen ist so komplex, dass Wegner [Weg97, Weg99a] zu der Schlussfolgerung kam, dass das interaktive Verhalten von Informationssystemen nicht durch Turing Maschinen (TM) charakterisiert werden kann. Die Turing Maschine wird als eines der grundlegenden Modelle der Berechnung angesehen. Turing Maschinen modellieren berechenbare Funktionen, die zwischen Problemen und Lösungsräumen Abbildungen herstellen. Doch modellieren Turing Maschinen nur nicht interaktive Abbildungen. Eine Abbildung zwischen einem Problem und einem Lösungsraum, der essentiell interaktiv ist, kann zur Laufzeit das Resultat der Abbildung undDie Dynamik von Informationssystemen wird nicht nur durch das Verhalten der Berechnungen, sondern insbesondere durch das interaktive Verhalten charakterisiert. Demzufolge ist die Charakterisierung der Interaktion ein integraler Bestandteil der Modellierung von Informationssystemen. Obwohl dies allgemein anerkannt ist, wird die interaktive Natur von Informationsssytemen immer noch nicht verstanden. Die Interaktion von Informationssystemen ist so komplex, dass Wegner [Weg97, Weg99a] zu der Schlussfolgerung kam, dass das interaktive Verhalten von Informationssystemen nicht durch Turing Maschinen (TM) charakterisiert werden kann. Die Turing Maschine wird als eines der grundlegenden Modelle der Berechnung angesehen. Turing Maschinen modellieren berechenbare Funktionen, die zwischen Problemen und Lösungsräumen Abbildungen herstellen. Doch modellieren Turing Maschinen nur nicht interaktive Abbildungen. Eine Abbildung zwischen einem Problem und einem Lösungsraum, der essentiell interaktiv ist, kann zur Laufzeit das Resultat der Abbildung und die Abbildung aufgrund von Interaktionen selbst ändern. Auf der Grundlage dieser Beobachtung schlug Wegner vor, die Interaktion als grundlegendes Paradigma von Informationssystemen anstelle von Berechnungen anzunehmen. In dieser Dissertation werden Wegners Vermutung und die Natur des Verhaltens von Interaktion untersucht. Ein Informationssystem wird als eine Kollektion von semantischen Prozessen bzw. Problemlösungsprozessen (PLPs) modelliert. Wenn PLPs essentiell interaktiv sind, werden Systeme dieser Art offene Systeme genannt. Wenn sie nicht interaktiv sind, werden Informationssysteme geschlossene Systeme genannt. Intuitiv kann angenommen werden, dass offene Systeme ein reicheres Verhalten haben als geschlossene Systeme. In dieser Dissertation wird diese Unterscheidung präzisiert. Interaktion basiert auf folgenden drei Eigenschaften: Berechnung, Persistenz von Zustandsveränderungen und Kanalabhängigkeit. Die Persistenz von Zustandsveränderungen und Kanalabhängigkeit ist von der Ausdruckskraft her stärker als die Berechnung. Das wird in der Dissertation durch die Einführung des Lösungsraumes von semantischen Prozessen gezeigt. Ein Lösungsraum ist eine abstrakte Domäne, die durch Prozessdynamik charakterisiert wird. Interaktive Lösungsräume sind demzufolge ausdrucksstärker als algorithmische Lösungsräume. Deshalb erfordert die Darstellung des interaktiven Lösungsraumes eine mindestens dreiwertige Logik. In der Arbeit werden sowohl Fragestellungen, die bereits für Informationssysteme ausreichend untersucht schienen, kritisch hinterfragt, als auch die interaktive Dynamik von Informationssystemen charakterisiert. Der Lösungsraum eines interaktiven Informationssystemes wird demzufolge um den Interaktionsraum erweitert. Dem Interaktionsraum steht der Objektraum des Informationssystemes gegenüber, der durch die Struktur und durch die Zustandsveränderungen des Informationssystemes beschrieben ist. Der Interaktionsraum ist bis zu einem gewissen Grad unabhängig vom Objektraum. Dieser Aspekt wurde bislang für den Entwurf von Informationssystemen nicht berücksichtigt, so dass strukturelle und funktionale Charakterisierungen vermischt wurden. Wenn man diese Charakteristiken separiert, kann man Konflikte, die üblicherweise beim Informationssystementwurf entstehen, vermeiden und dadurch eine bessere Pflege der Informationssysteme erreichen. Wir nennen diesen Zusammenhang den Dualismus von offenen Systemen. Basierend auf diesen Erkenntnissen schlagen wir als Paradigma für den Entwurf von Informationssystemen den Dualismus vor, der erfordert, dass ein Informationssystem durch ein Objektschema charakterisiert wird, das die Struktur darstellt und durch ein Interaktionsschema, das die Funktionaliät darstellt. Das Interaktionsschema wird durch eine dreiwertige Logik charakterisiert, die zum einen das obligatorische Verhalten, zum zweiten das erlaubte Verhalten und zum dritten das verbotene Verhalten charakterisiert. Ein System sollte dem obligatorischen Verhalten genügen, kann entsprechend dem erlaubten Verhalten Zustandsänderungen besitzen, darf allerdings keine Zustandsänderungen zulassen, die als verboten charakterisiert sind. Die Analysis der Dynamik von Systemen in realen Anwendungen zeigt die Sinnfältigkeit dieser dreiwertigen Charakterisierung. Die Domäntheorie ist benutzt worden, um den Lösungsraum zu charakterisieren. Mit deontischer Logik können die drei Modalitäten eines interaktiven Informationssystemes charakterisiert werden.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author: Srinivasa, Srinath
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-000000143
Referee / Advisor:Prof. Dr. Thalheim, Bernhard
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2001
Date of final exam:2001/04/26
Release Date:2007/03/06
Tag:Interaction schema; Interactive behavior of information systems; Object schema; Persistence of state; Tuning machine
GND Keyword:Bereichstheorie; Deontische Logik; Dialogsystem; Fixpunkt <Datensicherung>; Informationssystem; Semantischer Bereich
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Datenbanken und Informationssysteme
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Datenbank- und Informationssysteme