The new Academic GIFt Episode 20 presents our research on the intersection of Process Mining and the Internet of Things. Interested to find out “How the Internet of Things can Improve Daily Processes in the Real World?”.

We have been invited by Camunda to present our research on using business processes to control and monitor processes in our smart factory in a blog post. This research prototype is a collaboration between the Chair of Software Systems Programming and Development at the University of St.Gallen and the Chair for Artificial Intelligence and Intelligent Information Systems at the University of Trier. We thank Camunda for this opportunity.

The 11th International Conference on the Internet of Things will be organized and held by the Institute of Computer Science of the University of St.Gallen. With Barbara Weber as one of the conference’s general chairs and Ronny Seiger as one of the workshop chairs, the Software Systems Programming and Development Chair is among the main organizers of the conference. The call for papers for the main conference can be found at
https://iot-conference.org/iot2021/call-for-papers/
and the call for workshops with the special theme of Software Engineering for IoT can be found at
https://iot-conference.org/iot2021/call-for-workshops/.

My name is Barbara Weber. I work at the University of St. Gallen (HSG), one of the leading business schools in the world. In St. Gallen, I hold the Chair of the Software Systems Programming and Development Group. Moreover, I am the Dean of the newly founded School of Computer Science at HSG since the 1st of August 2020. Together with my colleagues and supported by the IT Education Initiative of the Canton St. Gallen we are in the process of establishing Computer Science programs for East Switzerland and beyond. Our programs will combine Computer Science with Entrepreneurship and Business Innovation to build on the strengths of HSG. I am excited about the unique opportunity to build a faculty from a green field and be part of a young, highly dynamic team. Right now, work feels more like being in a start-up than a traditional university as we frequently need to step into unknown territory (for our university) and adjust the organization continuously – with every growth cycle. Here my passion to travel into remote, exotic places requiring rapid adaptations pays off nicely. Prior to that, I worked for 3 years at the Technical University of Denmark where I led the Section for Software and Process Engineering. Before moving to Denmark, I studied and started my research career at the University of Innsbruck, Austria.

In the past decade, process mining has gained momentum both in academia and industry, aiming to support organizations in analyzing the vast amounts of data collected in their information systems from a process perspective in order to extract processes, detect deviations, identify bottlenecks with the goal to improve their busines processes. However, process mining encompasses several exploratory analysis tasks, which require analysts to rely on their own experience to make sense of data. As a result, analysts’ work remains mostly unstructured and knowledge-intensive, posing challenging for the less experienced analysts and the development of methodological and operational guidance.

This project opens up a new direction for process mining research and pursues the following main goals:

(1) Gaining a comprehensive understanding of how analysts do process mining in practice, i.e., the “process of process mining,” including frequent patterns of effective and noneffective behavior, analysis profiles, common analysis strategies, and typical challenges.

(2) Developing methodological guidance and software-based operational support to assist novice analysts during the analysis, building upon effective and noneffective patterns of behavior observed in practice.

This project will significantly advance our understanding of how analysts conduct exploratory process mining tasks, potentially providing useful empirical evidence to increase the accessibility of process mining approaches and applications to non-expert users and support the training and education of novice analysts process mining students.

In this project, financed by the Swiss National Science Foundation, researchers from the Institute of Computer Science at the University of St. Gallen will work together with distinguished researchers from the University of Haifa (IL), the Technical University of Denmark (DK), University of Copenhagen (DK). All the members of the international project team are well-known in the field of process mining and have relevant and complementary expertise in the areas of the proposed project, namely process mining, business process management, information systems, and software engineering.

Frau Weber, digitale und analoge Welt verschmelzen in Ihrem Fachgebiet. Was begeistert Sie daran?
Ich finde es grandios, mit wenig Materialeinsatz, aber viel Hirnschmalz Wertschöpfung erzeugen zu können. Beispielsweise liegt heute ein Grossteil der Wertschöpfung selbst in Traditionsprodukten wie Autos in der Software. Generell lässt sich beobachten, dass sich Unternehmen auch aus traditionellen Industrien immer mehr zu Tech-Unternehmen entwickeln. Mich fasziniert auch, dass sich das Software Engineering rasant weiterentwickelt und so meine Arbeit nie zur Routine wird. Gerade während der aktuellen Pandemie wird die Bedeutung von Software besonders deutlich. Ohne Software müssten wir in Zeiten des Social Distancing unsere Kommunikation, leicht überspitzt formuliert, wohl über Brieftauben abwickeln.

Wie können Mensch und Maschine gut miteinander interagieren?
Menschen und Maschinen können mittels unterschiedlicher Modalitäten kommunizieren. Klassische Formen der Benutzerinteraktion sind beispielsweise graphische Benutzeroberflächen und die Möglichkeit mittels Tastatur und Maus zu interagieren. Mittlerweile werden Benutzerschnittstellen zunehmend so gestaltet, dass Benutzer mit einem System auf natürliche Weise kommunizieren können. Stimmliche Benutzerschnittstellen (auch als Voice User Interfaces bekannt) erlauben es dem Benutzer mittels gesprochener Sprache mit dem System zu interagieren und finden sich unter anderem in digitalen Assistenten wie Siri, Google Assistant oder Alexa wieder.

Wir sprechen mit Robotern, nicht immer mit Erfolg. Wie kann ein Computer den Menschen besser «lesen» und verstehen?
Textbasierte Dialogsysteme wie in Chatbots erlauben eine Interaktion in natürlicher Sprache. Generell lässt sich beobachten, dass Interaktionen zunehmend multi-modal werden und Systeme in der Lage sind, Gesten, Gesichtsausdrücke, Emotionen oder auch kognitive Zustände zu erkennen. Mit meinem Team arbeite ich unter anderem an der Umsetzung sogenannter neuro-adaptiver Systeme, welche die mentale Belastung (Cognitive Load) des Benutzers beobachten und sich ggf. entsprechend anpassen. Wir verwenden neuro-physiologische Werkzeuge (z.B. Eye Tracking, EEG, etc.) um die mentale Belastung des Nutzers bei der Bewältigung von Aufgaben mittels der erwähnten Computer/Maschinen-Interaktionen zu messen. Aktuell forschen wir an der Gestaltung einer neuro-adaptiven digitalen Lernplattform und Softwareentwicklungsumgebung.

Mit welchen Methoden lässt sich die Mensch-Maschine-Interaktion messen und verbessern?
Eine gängige Möglichkeit sind subjektive Messungen, das heisst Selbstauskünfte des Benutzers hinsichtlich der Nutzungserfahrungen. Neben subjektiven Messungen gibt es sogenannte Verhaltensmessungen, die durch Beobachtung des Benutzerverhaltens Einsicht in die Mensch-Maschine-Interaktion geben. Dazu gehören die Analyse von Interaktionslogs aber auch Analysen des Blickverhaltens mittels Eyetracking oder die Analyse laut ausgesprochener Gedankengänge während der Benutzung des Systems (im Sinne der Think-Aloud-Methode) hinsichtlich kognitiver Vorgänge.
In unserer Forschung untersuchen wir, wie Experten und Nicht-Experten Geschäftsprozesse analysieren, in dem wir die erwähnten Methoden einsetzen. Um mit Hilfe der gesammelten Rohdaten emotionale oder kognitive Zustände erschliessen zu können, werden zunehmend Verfahren aus der KI, insbesondere dem Maschinellen Lernen, eingesetzt. Mit meinem Team beschäftige ich mich primär mit der Verständlichkeit von Software-Artefakten (Source Code aber auch konzeptionelle Modelle). Wir interessieren uns dafür, wie diese gestaltet werden können, sodass sie vom Benutzer möglichst gut verstanden werden. Dazu setze ich gerne auf multi-modale Messungen, welche mehrere der beschriebenen Messverfahren kombinieren.

Wie kann KI Menschen in der praktischen Arbeitswelt dabei helfen, Fehler zu vermeiden?
KI ist ein wichtiges Werkzeug im Rahmen neuer Konzepte der Industrie 4.0. Mit KI können wir aktiv Abweichungen und Fehler in der Produktion, in Maschinen und Prozessen feststellen (Stichwort Predictive Maintenance) und den Menschen darauf hinweisen. Auch Produktionsabläufe können wir mit KI (Datensammlung, Analyse, Klassifikation, Vorhersage, etc.) verbessern. Wir haben dazu ein physisches Model zur Simulation einer echten Fabrik und erforschen dort, wie wir die Produktion verfolgbar, anpassbar, fehlertolerant und nutzerfreundlicher gestalten können. KI kann auch genutzt werden, um aus Interaktionen zwischen Menschen und Maschinen zu lernen; und die Erkenntnisse für zukünftige Interaktionen zu nutzen, zum Beispiel um Neulinge anzuleiten oder Warnungen anzuzeigen.

Welchen Einfluss hat Künstliche Intelligenz auf die Entwicklung von Software genommen?
Traditionelle Softwaresysteme werden zunehmend mit KI-Komponenten integriert. Die Entwicklungsprozesse für traditionelle Softwaresysteme und KI-Komponenten unterscheiden sich massiv. Während traditionelle Softwareentwicklung auf dem Umsetzen von Requirements in Code basiert, werden KI-Komponenten mittels grosser Datenmengen trainiert. Eine Herausforderung ist dabei, die unterschiedlichen Entwicklungsphilosophien zu integrieren. KI kann die klassische Softwareentwicklung ergänzen, aber auf absehbare Zeit noch nicht ersetzen. Ein gutes Beispiel sind moderne Autos, mit welchen KI jetzt schon teilautonomes Fahren erlaubt; Bremssteuerung oder Entertainment aber werden mit klassischer Softwareentwicklung realisiert.

Zu welchen drei wichtigsten Erkenntnissen sind Sie in Ihrer Forschungsarbeit über die Mensch-Maschine-Interaktion gelangt?
Es hat sich gezeigt, dass es personalisierte Werkzeuge braucht, die sich an den Nutzer unter Wahrung der Privatsphäre anpassen. Ein Verständnis der kognitiven Prozesse des Benutzers ist entscheidend dafür, dass Software entwickelt werden kann, die sich an den Benutzer anpasst; und nicht den Benutzer zwingt, seine Arbeitsweise laufend an die Software anzupassen. Eine weitere Erkenntnis ist, dass der Einsatz multi-modaler Messverfahren zentral ist, weil man damit ein vollständigeres Bild über den Benutzer erhält. Will man diese Daten im Rahmen von personalisierten Systemen nutzen, setzt das allerdings neuartige Softwarearchitekturen voraus, die in der Lage sind, Daten laufend einzusammeln, nahezu in Echtzeit zu analysieren und dann entsprechende Anpassungen vorzunehmen.

Interview: Annkathrin Heidenreich

Wir leben in einer Zeit, wo Software ein entscheidender Wettbewerbsvorteil ist und in immer kürzeren Zyklen entwickelt wird. Tesla aktualisiert seine Autosoftware mehrmals im Monat per Funk, Amazon gibt neue Software gar im Sekundentakt frei. Daten spielen dabei eine entscheidende Rolle und erlauben es, adaptive Softwaresysteme zu entwickeln. Für die Softwareentwicklung bedeuten Daten die Verlagerung von Planung hin zum Experimentieren. Dazu braucht es modulare Architekturen, die laufend Daten sammeln, auswerten, und flexibel auf Veränderungen reagieren. Die Antrittsvorlesung taucht ein in die Zukunft des Software Engineering und bringt Beispiele zur flexiblen Gestaltung von Geschäftsprozessen und neuro-adaptiven Systemen, die sich an den emotionalen und kognitiven Zustand des Benutzers anpassen.

Barbara Weber ist seit Februar 2019 Professorin für Software Systems Programming and Development an der HSG. Sie promovierte 2003 an der Universität Innsbruck und habilitierte 2009 dort als erste Frau im Fachbereich Informatik. 2010 erhielt sie eine Assistenzprofessur bevor sie 2011 zur Assoziierten Professorin ernannt wurde. Im Jahr 2016 folgte sie dem Ruf zur ordentlichen Professorin an die Technical University of Denmark (DTU) und leitete dort die Sektion für Software and Process Engineering im Department of Mathematics and Computer Science. Inhaltlich beschäftigt sie sich mit der Gestaltung adaptiver Softwaresysteme (von der Gestaltung flexibler und adaptiver Geschäftsprozesse bis hin zu neuro-adaptiven Softwaresystemen) sowie mit menschlichen und kognitiven Aspekten im Software Engineering.

Antrittsvorlesung von Prof. Dr. Barbara Weber: «Development and evaluation of adaptive software systems: from flexible and adaptive business process support to neuro-adaptive software systems», Dienstag, 17. März 2020, 18.15 Uhr, Raum 09-011.

Wie lassen sich Software-Anwendungen nutzergerecht gestalten? Dieser Frage geht Prof. Dr. Barbara Weber am neu gegründeten Informatikinstitut der HSG auf den Grund. Ein Portrait.Sehnsüchtig sieht Barbara Weber von der Dachterrasse des St.Galler Institutsgebäudes Richtung Appenzellerland. «Heute wäre fantastisches Kletterwetter.» Dass die Tirolerin an einem föhnigen Herbsttag nicht mit Seil und Helm in den Alpen unterwegs ist, liegt an ihrem zeitaufwendigen «Haupthobby»: Ihrem Beruf als Professorin für Software Systems Programming and Development am Institute of Computer Science (ICS-HSG).

Träfe man die Forscherin auf einer Berghütte, käme man wohl lange erst gar nicht auf ihren Beruf zu sprechen: Bei einem Kaffee erfährt man viel über den Zauber von Berglandschaften bei Skitouren, über Taekwondo-Wettbewerbe oder über laute Nächte im brasilianischen Dschungel. Die vielseitigen Interessen und die Lust am Entdecken der Welt lassen nicht direkt darauf schliessen, dass sich Barbara Weber beruflich unter anderem mit komplexen Software-Anwendungen befasst. «Ich will Technologie leichter nutzbar machen. Programmieren muss für alle zugänglich sein.» Um dies zu erreichen, entwickelt die Forscherin neue Methoden und Werkzeuge in ihrem Fachgebiet. Zwischen den Daten und Algorithmen muss es etwas geben, das richtig «Gaudi macht». Sonst würde Barbara Weber nicht so strahlen, wenn sie über ihr wissenschaftliches Terrain spricht.

Experimentierfeld «Industrie 4.0»
Technik und Prozesse sind «Zuckerl» für die lebensfrohe Österreicherin. Mit ihrem Team hat die frisch nach St.Gallen berufene Ordinaria eine Modellfabrik für industrielle Produktionsprozesse aufgebaut. Mit glänzenden Augen zeigt sie die blaurote Lernfabrik von Fischertechnik, so gross wie ihr Pult. Das Modell macht das Thema «Industrie 4.0» greifbar und dient als Experimentier- und Demonstrations-Plattform.

Ihr Team arbeitet daran, Software und Prozesse flexibler zu machen. «Wir wollen die Produktionsprozesse so dynamisch programmieren, dass im Falle von Störungen oder Materialmangel die Fabrik nicht einfach stillsteht», erklärt Barbara Weber. So kann auch ad hoc umgeplant werden, andere Produktionsprozesse laufen trotz des Störfalls weiter. Die Industriemitarbeiter können sich auf wichtige Aufgaben konzentrieren, die Computer übernehmen das Störfall-Management. «Unser Ziel ist es, Modelle und Werkzeuge zu entwickeln, die es erlauben, die Verbindung zwischen Menschen und Maschinen zu erleichtern.» Fachsprachlich ausgedrückt forscht Barbara Weber mit ihrem Team also im Bereich prozessorientierte Informationssysteme, Verständlichkeit von Software Artefakten sowie kontextorientierte und adaptive Softwaresysteme.

Anwendungen nutzergerecht gestalten
Flexible prozessorientierte Informationssysteme und die «Verständlichkeit für den Endverbraucher» sind Barbara Webers wissenschaftliche Steckenpferde. Zurzeit arbeitet die Forscherin an neuroadaptiven Softwaresystemen, die den emotionalen und kognitiven Zustand der Nutzer berücksichtigen. Anhand der gesammelten Daten richten sich die Systeme selbständig neu aus und integrieren dabei auch das «Internet der Dinge». «Ich untersuche, wie Applikationen nutzergerechter gestaltet werden können, um den Endverbraucher in personalisierter Form in seinen Bedürfnissen zu unterstützen», erklärt die Professorin an einer Skizze. Das Ziel dabei sei die Realisierung einer Anwendungsentwicklungs- und Experimentierplattform, welche das Umsetzen von solchen kontextorientierten Applikationen beschleunigt und das Durchführen von Experimenten erleichtert.

«Nerd-Wissen» tanken in den Ferien
Schon als Mädchen weckte die Informatik Barbara Webers Neugier. Mit zwölf bekam sie ihren ersten Computer. In Coding-Ferienkursen sprang der Funke über: Programmieren wurde zu ihrem neuen Zeitvertreib. War sie nicht draussen in der Natur, dachte sie sich neue Anwendungen aus. Während des BWL-Studiums in Innsbruck gab sie ihr «Nerd-Wissen» weiter. Mit Computer-Kursen und dem Vollzeit-Job als Software-Entwicklerin bei einer Krankenkasse finanzierte sie sich Studium, Hobbies und Reisen. «Sport und Natur waren immer meine Antipole zum beruflichen Gehirnjogging», sagt die Professorin. In ihrer Doktorarbeit befasste sie sich schwerpunktmässig mit einem Thema aus der Wirtschaftsinformatik und wechselte 2004 an das 2001 gegründete Institut für Informatik an der Fakultät für Mathematik, Informatik, und Physik an der Universität Innsbruck. Fünf Jahre arbeitete die Wissenschaftlerin dort. Dann habilitierte sie als erste Frau im Fachbereich der Informatik in Innsbruck. 2010 erhielt sie eine Tenure-Track-Assistenzprofessur. Nach erfolgreicher Evaluation wurde sie 2011 zur assoziierten Professorin in Innsbruck ernannt und baute einen Schwerpunkt zum Thema Business Process Management auf.

Kayak statt Klettern: Forschen in Dänemark
Anfang 2016 bot sich eine spannende neue Herausforderung. Barbara Weber war froh, den Rat eines Freundes beherzigt zu haben: «Bewirb Dich, sonst bereust Du’s später.» Reueloser Erfolg: 2016 erhielt sie einen Ruf auf eine volle Professur an der Technischen Universität Dänemark (DTU). In Lyngby leitete die Wissenschaftlerin zusätzlich die Software and Process Engineering Section am Department of Applied Mathematics and Computer Science. «Mich kostete es einige Überwindung, weg von den Bergen nach Dänemark zu ziehen», erinnert sich Barbara Weber. So gern sie die Welt bereist – so glücklich fühlte sie sich auch in den Tiroler Alpen. «Die Aussicht, diese interessante Aufgabe mit einem neuen Hobby zu verbinden, war dann aber doch zu verlockend», sagt Weber. «Ich suchte mir eine Bleibe in Kopenhagen mit Zugang zum Meer und ging viel Kayak fahren und Winterschwimmen.» Nicht nur das Seeklima gefiel der Alpinistin. Auch das wertschätzende Miteinander in der dänischen Arbeitswelt sagte ihr zu. «Als Tirolerin war ich eine wertkonservative Umgebung gewöhnt – es war erfrischend, in Dänemark Teil einer sehr liberalen Gesellschaft zu sein.» Die Arbeit an der DTU machte Freude: Barbara Weber konnte eine bestehende Organisation umbauen und zum Laufen bringen. Dann rief der Berg Säntis – oder besser gesagt: Die Universität St.Gallen.

Start-up Atmosphäre in St.Gallen
Nach drei Jahren tauschte die Forscherin ihr dänisches Kayak wieder in Wanderschuhe ein. «Mir taugte die Idee, den Studienschwerpunkt Informatik in St.Gallen komplett neu aufzubauen.» Das Alpenvorland war eine schöne Beigabe zum neuen Job – pünktlich zur Tourensaison stand Barbara Weber an der HSG in den Startlöchern. Hier galt es, ihr Forschungsgebiet neu einzuführen und die Institutsstruktur aufzubauen. «Ich geniesse die Start-up-Atmosphäre an unserem frisch gegründeten Institut», sagt Weber. «Hier arbeiten alle mit grossem Elan und Spass an der Einbürgerung der Informatik im HSG-Studium.» Mit ihren Kolleginnen und Kollegen gleist sie den Bachelor- und Masterstudiengang in Informatik auf.

2021 soll das neue Masterprogramm starten, 2022 das Bachelorprogramm. Gleichzeitig vermittelt Barbara Webers Team HSG-Studierenden anderer Studiengänge grundlegende Informatikkenntnisse. Die Forscherin freut sich über die Neugier der Management-Studierenden. «Das Interesse am Verständnis neuer Technologien steigt – in der Gesellschaft und natürlich auch bei den Studierenden. Es ist nützlich, die Software zu verstehen, welche unseren Alltag immer stärker beeinflusst.»

«Das Berufsleben will gewagt werden»
Neben Basisthemen wie dem Programmieren, Algorithmen und Datenstrukturen und agile Software Entwicklung unterrichtet Barbara Weber HSG-Studierende derzeit auch in vertiefenden Spezialkursen zu den Themen Geschäftsprozessmodellierung, Prozessautomatisierung und -monitoring. «Mir ist die akademische Lehre sehr wichtig; ich unterrichte genauso gerne, wie ich forsche.» Als Dozentin erhielt Barbara Weber von ihren Studierenden stets Bestnoten. «Ich versuche, meine Studierenden zu ermutigen, eigene Wege einzuschlagen und vieles auszuprobieren – das Berufsleben will gewagt werden», sagt Weber. Als erste habilitierte Frau in Informatik an der Universität Innsbruck weiss die Forscherin, wovon sie spricht. «Meine berufliche Laufbahn entstand nicht nach Schema F auf dem Whiteboard. Ich habe mich Schritt für Schritt verändert.» Genau wie bei ihrem Hobby Felsklettern: Konzentriert auf die Gegenwart, Blick voraus – in die technologische Zukunft.

Annkathrin Heidenreich