Jahresbericht 2003 - Computer Science - Friedrich

Jahresbericht 2003 - Computer Science - Friedrich
Arbeitsberichte des Instituts für Informatik
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg
Band 36 • Nummer 8 • Mai 2004
Jahresbericht
2003
der
Informatik
Herausgeber:
M. Dal Cin, R. German, G. Görz, G. Greiner, J. Hornegger
U. Herzog, F. Hofmann, S. Jablonski, K. Leeb, P. Mertens,
K. Meyer-Wegener, H. Müller, H. Niemann, C. Pflaum,
M. Philippsen, U. Rüde, F. Saglietti, H. J. Schneider,
W. Schröder-Preikschat, M. Stamminger, H. Stoyan, J. Teich,
H. Wedekind
Die Reihe der Arbeitsberichte des Instituts für Informatik
(ehem. Institut für Mathematische Maschinen und Datenverarbeitung)
der Universität Erlangen-Nürnberg erscheint seit 1967.
Begründet von Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Wolfgang Händler
Universität Erlangen-Nürnberg
Institut für Informatik
Martensstr. 3
91058 Erlangen
Tel.:
Fax:
E-Mail:
WWW:
+49.9131.85.27613
+49.9131.39388
[email protected]
http://www.informatik.uni-erlangen.de/
© Universität Erlangen-Nürnberg, Institut für Informatik 2004
Alle Rechte bleiben vorbehalten.
Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung der Herausgeber.
ISSN 0344-3515
Herstellung:
Gruner Druck GmbH
Sonnenstr. 23b, 91058 Erlangen, Tel. (09131) 6170-0
Arbeitsberichte des Instituts für Informatik
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg
Band 36 • Nummer 8 •
Herausgeber:
M. Dal Cin, R. German, G. Görz, G. Greiner, J. Hornegger
U. Herzog, F. Hofmann, S. Jablonski, K. Leeb, P. Mertens,
K. Meyer-Wegener, H. Müller, H. Niemann, C. Pflaum,
M. Philippsen, U. Rüde, F. Saglietti, H. J. Schneider,
W. Schröder-Preikschat, M. Stamminger, H. Stoyan, J. Teich,
H. Wedekind
Die Reihe der Arbeitsberichte des Instituts für Informatik
(ehem. Institut für Mathematische Maschinen und Datenverarbeitung)
der Universität Erlangen-Nürnberg erscheint seit 1967.
Begründet von Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Wolfgang Händler
Universität Erlangen-Nürnberg
Institut für Informatik
Martensstr. 3
91058 Erlangen
Tel.:
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WWW:
+49.9131.85.27613
+49.9131.39388
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© Universität Erlangen-Nürnberg, Institut für Informatik 2004
Alle Rechte bleiben vorbehalten.
Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung der Herausgeber.
ISSN 0344-3515
Herstellung:
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Sonnenstr. 23b, 91058 Erlangen, Tel. (09131) 6170-0
Inhalt
Lehrstuhl für Informatik 1 (Theoretische Informatik) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Lehrstuhl für Informatik 2
(Programmiersprachen und Programmiermethodik) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Professur für Theoretische Informatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Lehrstuhl für Informatik 4
(Verteilte Systeme und Betriebssysteme) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Professur für Medizinische Bildverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
FORWISS
Bay. Forschungszentrum für Wissensbasierte Systeme (FG Wissensverarbeitung) . . . 99
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Professur für Informatik (Datenbanksysteme) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Lehrstuhl für Informatik 7
(Rechnernetze und Kommunikationssysteme) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Professur für Informatik (Systemsimulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Professur für Informatik (Künstliche Intelligenz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Professur für Informatik (Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung) . . . . . 197
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Professur für Informatik (Numerische Simulation mit Höchstleistungsrechnern) . . . 216
Lehrstuhl für Informatik 11 (Software Engineering) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Informatik-Forschungsgruppe B (Betriebliche Anwendungen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Informatik-Sammlung Erlangen (ISER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
3
4
1
Einleitung
Jahresbericht 2003 der Informatik an der
Universität Erlangen-Nürnberg
1
Einleitung
Das “Institut für Informatik” wurde 1966 unter dem Namen “Institut für Mathematische Maschinen und Datenverarbeitung” gegründet und der neu eröffneten Technischen Fakultät zugeordnet. Es gehört damit zu den ältesten Instituten dieser Art. Sechs seiner zwölf Lehrstühle sind
untergebracht im “Wolfgang-Händler-Hochhaus”, benannt nach Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c.mult.
Wolfgang Händler, Inhaber des ersten Erlanger Lehrstuhls für Informatik und Gründer des Instituts. Seit 1972 ist das Institut kontinuierlich gewachsen auf nunmehr zwölf Lehrstühle und
einer Forschungsgruppe:
Informatik 1
Theoretische Informatik
(Prof. Dr. K. Leeb)
Informatik 2
Programmiersprachen und Programmiermethodik
(Prof. Dr. M Philippsen)
Informatik 3
Rechnerarchitektur
(Prof. Dr. M. Dal Cin, Prof. Dr. H. Müller)
Informatik 4
Verteilte Systeme und Betriebssysteme
(Prof. Dr.-Ing. W. Schröder-Preikschat)
Informatik 5
Mustererkennung
(Prof. Dr.-Ing. H. Niemann, Prof. J. Hornegger (ab 01.10.2003))
Informatik 6
Datenbanksysteme
(Prof. Dr.-Ing. K. Meyer-Wegener, Prof. Dr.-Ing. S. Jablonski)
Informatik 7
Rechnernetze und Kommunikationssysteme
(Prof. Dr.-Ing. U. Herzog, Prof. Dr.-Ing. R. German)
Informatik 8
Künstliche Intelligenz
(Prof. Dr. H. Stoyan, Prof. Dr.-Ing. G. Görz)
Informatik 9
Graphische Datenverarbeitung
(Prof. Dr. G. Greiner, Prof. Dr.-Ing. M. Stamminger)
Informatik 10
Systemsimulation
(Prof. Dr. U. Rüde, Prof. Dr. C. Pflaum (ab 01.06.2003))
Informatik 11
Software Engineering
(Prof. Dr. F. Saglietti)
Informatik 12
Hardware-Software-Co-Design
(Prof. Dr.-Ing. J. Teich (ab 01.01.2003))
Informatik B
Forschungsgruppe Betriebliche Anwendungen
(Prof. Dr. P. Mertens, Inhaber des Lehrstuhls für Betriebswirtschaftslehre,
insb. Wirtschaftsinformatik an der Wirtschafts- und Sozialwissenschaftliche
Fakultät)
5
Einleitung
1
Dem erweiterten Vorstand gehören folgende Herren an:
• Prof. Dr. H. Billing
(Honorarprofessor seit 1967)
• Prof. Dr. P. Mertens
(vgl. Forschungsgruppe B)
• Prof. Dr. G. Nees
(Honorarprofessor seit 1977)
Emeritierte Professoren
• Prof. em. Dr. H. Wedekind
• Prof. em. Dr. H. J. Schneider
• Prof. em. Dr. F. Hofmann
Honorarprofessoren
• Prof. Dr. H. Billing (MPI Garching)
• Prof. Dr.-Ing. H. Fromm (IBM Sindelfingen)
• Prof. Dr.-Ing. Bernd Hindel (method park AG)
• Prof. Dr.-Ing. M. Kaiserswerth (IBM)
• Prof. Dr. G. Nees (Siemens AG, Erlangen)
• Prof. Dr.-Ing. Detlef Kips (BASYS GmbH)
Außerplanmäßige Professoren
• Prof. Dr. D. Schütt (Siemens AG, München)
• Prof. Dr. V. Strehl (Institut für Informatik)
Externe Lehrbeauftragte
• Dr.-Ing. Klaudia Dussa-Zieger (imbus GmbH)
• Dr.-Ing. Uwe Hehn (method park AG)
• Dr.-Ing. Georg Heidenreich (Siemens AG, Erlangen)
• Dr. rer. nat. Klaus Kreisel (Emmy-Noether-Gymnasium Erlangen)
• Dr.-Ing. Michael Tielemann (Datev e.G., Nürnberg)
Geschäftsführender Vorstand
Geschäftsführender Vorstand war bis zum 30.09.2003 Herr Prof. Dr. H. Stoyan. Danach wurde
das Amt von Herrn Prof. Dr. G. Greiner übernommen.
Sprecher der Studienkommission
Sprecher der Studienkommission ist seit dem 01.10.2002 Prof. Dr.-Ing. R. German.
Geschäftsstellenleitung
Leiter der Geschäftsstelle des Instituts wurde zum 17.07.2003 Dr.-Ing. C. U. Linster.
6
2
2
Forschungsschwerpunkte
Forschungsschwerpunkte
Das Institut für Informatik forscht schwerpunktmäßig auf den folgenden Gebieten:
• Analyse und Synthese von Bilddaten
• Wissens- und Datenmanagement
• Kommunikation und Verteilte Systeme
• Eingebettete Systeme
• Medizintechnik
• Modellierung und Simulation
• Verkehrssystemsteuerung und Verkehrsplanung
Das Institut für Informatik arbeitet mit folgenden Forschungseinrichtungen zusammen:
• KONWIHR (http://konwihr.in.tum.de) Kompetenznetzwerk für Technisch-Wissenschaftliches Hoch- und Höchstleistungsrechnen in Bayern
• FORSIP (http://www.forsip.de) Bayerische Forschungsverbund für Situierung,
Individualisierung und Personalisierung in der Mensch-Maschine-Interaktion
Zur Zeit sind Lehrstühle der Informatik an folgenden Sonderforschungsbereichen und Schwerpunktprogrammen beteiligt:
• SFB 376 (http://www.uni-paderborn.de/sfb376/) Massive Parallelität: Algorithmen,
Entwurfsmethoden, Anwendungen
• SFB 396 (http://www.sfb396.uni-erlangen.de/) Robuste, verkürzte Prozessketten
für flächige Leichtbauteile
• SFB 539 (http://www.sfb539.forschung.uni-erlangen.de/) Glaukome einschließlich
Pseudoexfoliations-Syndrom (PEX)
• SFB 603 (http://sfb-603.uni-erlangen.de/) Modellbasierte Analyse und Visualisierung komplexer Szenen und Sensordaten
• SFB 614 (http://www.sfb614.de/) Selbstoptimierende Systeme des Maschinenbaus
• SPP 1148 (http://www12.informatik.uni-erlangen.de/spprr/) Rekonfigurierbare
Rechensysteme
Es gibt zwei Graduiertenkollegs, an denen Lehrstühle der Informatik beteiligt sind:
• GK 244 (http://www9.informatik.uni-erlangen.de/~gradkoll) Dreidimensionale
Bildanalyse und -synthese
• GK 633 (http://www2.informatik.uni-erlangen.de/grad/) Interdisziplinärer Entwurf
verläßlicher Multitechnologie-Systeme
Veröffentlichungsreihen
Arbeitsberichte des Instituts für Informatik, ISSN 0344-3515
7
Lehre
3
3
Lehre
Der Diplomstudiengang Informatik wurde zum Wintersemester 1969/70 begonnen. Auf Initiative des Instituts für Informatik wurde 1997 der englischsprachige Masterstudiengang “Computational Engineering” eingeführt und 2000 zum zweisprachigen Bachelor-Masterstudiengang
erweitert. Seit WS 2003/2004 ist die Erlanger Informatik auch hälftig mit dem Institut EEI am
neuen Studiengang “Informations- und Kommunikationstechnik” beteiligt. Ebenfalls seit WS
2003/2004 wird das Lehramtsstudium Informatik für alle Schulformen angeboten. Informationen zum aktuellen Vorlesungsangebot (http://univis.uni-erlangen.de/go/lec) stehen im UnivIS
(http://univis.uni-erlangen.de).
3.1 Statistik zum WS2003/2004:
3.2 Studiengang Informatik Diplom
Anfänger:
178 (Vorjahr 212)
Gesamt:
951 (Vorjahr 993)
Absolventen: 52
Nach deutlicher Überlast in den vergangenen Jahren entspricht die Anfängerzahl damit jetzt
ziemlich genau der Aufnahmekapazität des Instituts.
3.3 Studiengang Computational Engineering Bachelor
Anfänger:
49 (Vorjahr 60)
Gesamt:
148 (Vorjahr 128)
Absolventen: 18
Inzwischen hat der Bachelor-Studiengang die ersten Absolventinnen und Absolventen. Im Jahr
2003 haben sich 10 von ihnen für den Masterstudiengang beworben und sind akzeptiert worden.
3.4 Studiengang Computational Engineering Master
Anfänger:
41 (Vorjahr 29)
Gesamt:
89 (Vorjahr 77)
Absolventen: 33
Der internationale und interdisziplinäre Master-Studiengang stößt nach wie vor auf reges Interesse. Die Anzahl der Anfragen liegt bei etwa 2000 pro Jahr. Nach einem mehrstufigen Auswahlvorgang werden zwischen 30 und 40 Studierende zu einem Orientierungssemester zugelassen,
welches bestanden werden muss, um in das Masters-Programm übernommen zu werden. Die
Einführung des Orientierungssemesters hat sich bewährt, da das Vorwissen der Bewerber trotz
guter Zeugnisse, die natürlich eine Voraussetzung für die Zulassung sind, erfahrungsgemäß sehr
unterschiedlich ist. Auch Absolventen deutscher Fachhochschulen zeigen nach wie vor Interesse am Masters-Programm, wie die Anfragen und Bewerbungen belegen.
8
3.5
Studiengang Informations- und Kommunikationstechnik
Lehre
3.5 Studiengang Informations- und Kommunikationstechnik
Anfänger:
72
Gesamt:
72
Im WS 2003/2004 startete der neue interdisziplinäre Diplom-Studiengang IuK mit der Zielsetzung, fundierte Kenntnisse zu vermitteln, die für die Forschung und Entwicklung moderner
softwareorientierter Kommunikationssysteme und Eingebetteter Systeme dringend benötigt
werden.
Im Verlauf des 9-semestrigen Studiengangs, inklusive Industriepraktikum, mit dem akademischen Abschluss Diplom-Ingenieur(in) Univ. konzentriert sich der Informatik-Anteil vor allem
auf anwendungsorientierte Informatik-Themen. Hierzu zählen Algorithmik, Programmieren,
Softwaresysteme, Software-Engineering, Betriebssysteme, Hardware/Software-Codesign
sowie Protokollentwurf und Kommunikationssysteme. Die Ausbildung auf den Gebieten Elektronik, Elektrotechnik und Informationstechnik, vertreten durch das EEI-Institut der Technischen Fakultät, beinhaltet die digitale Signalverarbeitung, Informationsübertragung, Multimediakommunikation, elementare Grundlagen der Elektrotechnik und den Entwurf digitaler
Schaltungen.
Weitere Informationen zum Studiengang sind im Internet unter http://www.lnt.de/ikt/ abrufbar.
3.6 Informatik als Lehramt
Anfänger:
Gesamt:
29
38
In Bayern ist das Fach Informatik (bzw. Informationstechnologie) zum Pflichtfach an Gymnasien und Realschulen geworden und wird ab sofort jahrgangsweise in den Lehrplan aufgenommen. Wegen der jahrgangsweisen Einführung des Faches an den Schulen ist ab spätestens 2007
mit einem sprunghaft ansteigenden Bedarf an Informatik-Lehrern zu rechnen. Frühe Studienanfänger haben daher voraussichtlich exzellente Berufsaussichten.
Das Institut für Informatik der Universität Erlangen-Nürnberg bietet seit dem Wintersemester
2003/2004 die entsprechenden Lehramtsstudiengänge für alle Schulformen an. Dabei können
alle von der Lehramtsprüfungsordnung zugelassenen Kombinationsfächer (Mathematik, Physik, Englisch und Wirtschaftswissenschaften) gewählt werden. Eine Kombination mit dem Fach
“Elektro- und Informationstechnik” ist auch das Studium für die berufliche Schule möglich. Für
die Didaktikausbildung der zukünftigen Lehrer wird am Institut für Informatik eine Professur
für Didaktik der Informatik neu eingerichtet.
Weitere Informationen zum Studiengang finden sich im Internet unter
http://www.informatik.uni-erlangen.de/DE/Studies/Lehramt/
9
Lehre
3.7
3.7 Gesamtzahlen
Anfänger:
Gesamt:
333 (Vorjahr 301)
1.262 (Vorjahr 1.099)
Die Zahlen des Studiengangs Informations- und Kommunikationstechnik werden jeweils hälftig der Informatik und der Informations- und Elektrotechnik zugerechnet.
3.8 Exportleistung des Instituts für Informatik
3.8.1
in die Ingenieurwissenschaften
• Werkstoffwissenschaften
• Maschinenbau
• Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik
• Mechatronik
• Wirtschaftsingenieurwesen
• Chemie-/Bio-Ingenieurwesen
3.8.2
in andere Bereiche
• Naturwissenschaften
• Mathematik
• Linguistik
• Wirtschaftsinformatik
• Medizininformatik
• weitere Studiengänge der Philosophischen Fakultäten
3.9 CIP-Pools der Informatik
(http://wwwcip.informatik.uni-erlangen.de)
3.9.1
Technische Ausstattung
Der CIP-Pool der Informatik gliedert sich in 4 Räume:
Klassenraum 00.156:
17 Arbeitsplätze (Sun Rays), Beamer
Klassenraum 01.155-NB:
10 Arbeitsplätze (Sun Rays)
Vorzugsweise für Übungen im Grundstudium:
Terminalraum 01.155:
10
60 Arbeitsplätze (PCs/Linux)
3.9.2
CIP-Pools der Informatik (http://wwwcip.informatik.uni-erlangen.de)
Lehre
Vorzugsweise für Arbeiten und Übungen im Hauptstudium:
Terminalraum 02.151:
50 Arbeitsplätze (PCs/Linux)
19 Arbeitsplätze (Sun Rays)
zusätzlich für Anforderungen auf Basis von Microsoft-Systemen:
Terminal-/Klassenraum 01.153 des RRZE: 30 Arbeitsplätze
(Eine Vereinbarung mit dem RRZE regelt die Mitnutzung des CIP-Pools des RRZE durch das
Institut für Informatik. Im Gegenzug übernimmt das Institut für Informatik auf Wunsch Unixbenutzer des RRZE).
Gesamtanzahl Clients:
156
Anzahl Server:
10, vorwiegend Mehrprozessorsysteme
Plattenkapazität auf den Servern: 1000 GByte, davon 256 MByte für Videoüberwachung
Rechnernetz:
1 GByte zwischen den Servern; 100 MByte zu den Clients,
3 W-LAN-Access-Points
Datensicherung:
via Netz vom RRZE
3.9.2
Betrieb
Verantwortlich für den Betrieb ist der Geschäftsstellenleiter des Instituts für Informatik, wobei
der Lehrstuhl für Verteilte Systeme und Betriebssysteme den technischen Background liefert.
Der “eigentliche” Betrieb, wie
• Hardware- und Softwarepflege
• Verwaltung des Zugangs- und Überwachungssystems
• Sprechstunden für Benutzer
• Pflege der CIP-Pool-Website
• Entwicklung von System-Verwaltungswerkzeugen
wird - weitestgehend autark - von einer ausserordentlich engagierten Gruppe von studentischen
Hilfskräften sichergestellt:
• Niko Boehm, Alexander von Gernler, Michael Gernoth, Thomas Glanzmann,
Christian Kollee und Jochen Reinwand
Informatiker-Benutzeraccounts:
ca. 1.500
Nichtinformatiker-Ben.-Accounts: ca. 2.550
(Export-Lehrveranstaltungen, eine genaue Statistik befindet sich unter:
http://wwwcip.informatik.uni-erlangen.de/pools/account-statistik.html)
11
Besondere Ereignisse 2003
3.9.3
3.9.3
Zugang zu den CIP-Pools; Überwachung
Der Zugang zu den CIP-Pools ist 24h/7Tage möglich; während der Schließzeiten des Gebäudes
mit einem Kartenzugangssystem.
Alle Räume und Flure sind videoüberwacht; die Aufzeichnungskapazität umfasst ca. eine
Woche, was einem komprimierten Datenvolumen von 256 Gigabyte entspricht.
3.9.4
Neuerungen im Berichtsjahr
Neue CIP-Pool-Website
Die Website des CIP-Pools wurde im neuen Informatik-Web-Layout völlig neu und zweisprachig erstellt.
Client-Verfügbarkeit “on demand”:
Von der Gruppe der studentischen Hilfskräfte wurde ein System entwickelt, welches es gestattet, ohne sicherheitstechnische Risiken, die Client-Systeme nur dann verfügbar zu halten, wenn
sie auch gebraucht werden. In Schwachlastzeiten werden die Client-Systeme, bis auf einen kleinen Rest für potentielle Externbenutzer, heruntergefahren. Durch Antippen einer Keyboardtaste
(bei alten System der Power-On-Taste) wird das System automatisch wieder hochgefahren.
Durch dieses Verfahren werden Energiekosten von mehr als 15.000 EUR pro Jahr eingespart.
4
Besondere Ereignisse 2003
4.1 Tagungen, Workshops, Vortragsreihen, Begehungen
• erfolgreiche Begehung des SFB 603 “Modellbasierte Analyse und Visualisierung
komplexer Szenen und Sensordaten” und weitere Förderung für 3 Jahre (Prof. Niemann)
• Seit 2. Halbjahr 2003 Beteiligung am SFB 539 Glaukome einschließlich Pseudoexfoliationssyndrom (PEX) mit dem Teilprojekt C.5 Intelligente Vernetzung und
Adaption von IT-Systemen zur Qualitätssteigerung der Behandlung von Glaukompatienten, das in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Medizinische Informatik (Prof.
Prokosch) durchgeführt wird. (Prof. Jablonski)
Beteiligung am Teilprojekt A4: Automatisches Glaukom-Screening, das in Kooperation mit der Augenklinik mit Poliklinik (Prof. Michelson) und dem Institut für
Medizininformatik, Biometrie und Epidemiologie (Dr. Lausen) durchgeführt wird.
(Prof. Niemann)
• Seminar in Dagstuhl zum Thema “Challenges in High Performance Simulation”
(Organisation Prof. Rüde)
• Elitenetzwerk Bayern
12
4.2
BesondereFirmengründung
Ereignisse 2003
• BVM 2003: Bildverarbeitung für die Medizin 2003: (09.-11.03.2003), organisiert
vom “Arbeitskreis Medizin” des SFB 603 (Prof. H. Niemann)
• VMV 2003: Vision, Modeling, and Visualization 2003: (19.-21.11.2003),
organisiert von SFB 603 (Prof. H. Niemann) und
GRK 244 (Prof. G. Greiner)
4.2 Firmengründung
• Die Fa. Inchron wurde von Mitarbeiter des Lehrstuhls für Informatik 7 gegründet:
• Verlängerung der Förderung im Rahmen des FLÜGGE-Programms durch das
Bayerische Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst für ein weiteres Jahr (einzige Firma im Programm, die mit 3 Stellen gefördert wird)
• die Universität hat Rechte an einem Patent abgegeben und ist dafür Gesellschafter
der Firma geworden
• ein Risikokapitalgeber wurde gefunden
• Die Fa. Bytes + Lights GmbH wurde von Mitarbeitern des Lehrstuhls für Informatik 9
gegründet:
• Förderung im Rahmen des FLÜGGE-Programms mit zwei Mitarbeitern
4.3 Rufe und Neubesetzungen
Rufe haben erhalten und abgelehnt
• Prof. Dr. R. German: C4-Professur an Uni Bayreuth, Lehrstuhl für Angewandte
Informatik III (Eingebettete Systeme und Echtzeitssysteme)
• und an Uni Konstanz, C4-Professur für Verteilte Systeme in Verbindung mit der
Leitung des Rechenzentrums
Rufe haben erhalten und angenommen
• PD Markus Siegle: Annahme eines Rufs auf eine C3-Professur an der Universität
der Bundeswehr München für den Entwurf von Rechen- und Kommunikationssystemen zum 01.10.2003.
• PD Dr. Joachim Denzler: Annahme eines Rufes auf eine C3-Professur für Praktische Informatik an der Universität Passau zum 01.09.2003.
Neubesetzungen von Professuren
• Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger, C3-Professur für Informatik am Lehrstuhl
Mustererkennung (Medizinische Bildverarbeitung) zum 01.10.2003.
13
Besondere Ereignisse 2003
4.4
• Prof. Dr. Christoph Pflaum, C3-Professur für Informatik am Lehrstuhl Systemsimulation (Numerische Simulation mit Höchstleistungsrechnern) zum 01.06.2003.
4.4 Auszeichnungen
• Herrn Dr.-Ing. Christof Rezk-Salama wurde der Dissertationspreis der StaedtlerStiftung verliehen. Seine Doktorarbeit wurde von der Gesellschaft für Informatik
(GI) in die Reihe der “Ausgezeichneten Dissertationen” aufgenommen.
• Ausgezeichnet für das beste Vordiplom im Berichtsjahr wurde der Informatikstudent Arno Fehm.
• Ausgezeichnet wurden die “hervorragenden” Studienarbeiten von
• Olaf Kähler: „Adaptive Sensordatenfusion in der Bewegungsdetektion“
• Christoph Neumann „Entwurf und Realisierung eines Komponenten-Teststands zur Durchführung von Messungen an Enterprise Java Beans“
4.5 Gäste
• DAAD/KONWIHR Gastprofessur Popa (bis Aug. 2003)
• Dr. Andras, TWU Budapest - MIS (4,5-monatiger Aufenthalt als Gast, gefördert
von der DFG im Mercator-Programm)
• Prof. Dr. N. Ayache, INRIA, Frankreich, 11.03.2003
• Dr. T. Rohlfing, Stanford Univ., USA, 12.-16.03.2003
4.6 Tag der Informatik
Am Freitag, 25. April 2003 fand der diesjährige Tag der Informatik statt.
• Prof. Dr. Hans-Peter Seidel (Direktor des Max-Planck-Instituts): A Framework for
the Acquisition, Processing, and Interactive Display of High Quality 3D Models.
• Prof. Dr.- Ing. Jürgen Teich Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-CoDesign): Hardware ist gleich Software
(Antrittsvorlesung)
14
Lehrstuhl für Informatik 1 (Theoretische Informatik)
Anschrift: Martensstr. 3, 91058 Erlangen
Tel.:+49.9131.85.27925
Fax.: +49.9131.39388
Leitung:
Prof. Dr. phil. Klaus Leeb
Sekretariat:
Helga Janak-Taubald
Wiss. Mitarbeiter:
Dipl.-Math. Matthias Bauer
Dr. phil. Wolfgang Degen
Dr. rer. nat. Helmut Meyn
Dipl.-Inf. Robert Vanyi
1
Einführung
1972 übernahm Herr Prof. Dr. phil. Klaus Leeb die Leitung des Lehrstuhls für Informatik
(Theoretische Informatik) - zugehörig dem Institut für Informatik der Friedrich-Alexander-Universität Nürnberg-Erlangen.
2
Forschungsschwerpunkte
• Syntax der Kategorien
• rekursive, mengentheoretische und enumerative Kombinatorik
• Halbgruppen und Formale Sprachen; Logische Programmierung
• Komplexität und Endliche Modelltheorie
• Codierung und Kryptosysteme
• Dynamik und Algebren und Funktionsgleichungen
• Rel-Pol-Dualität, insbes. Reduktionsordnungen für Polynom-, Differential- und
Differenzalgebra, Clones
Eine chronologische Liste mit drei (durch Fettdruck hervorgehobenen) Höhepunkten:
26.2. Permutationen definieren viele Partitionen
26.2. Worst, average case, greedy problems, differential games
28.2. Multiflops
28.2. Konstruktivismusfrage
06.3. Schirm aus Differentialen
15
Lehrstuhl für Informatik 1 (Theoretische Informatik)
2
07.3. diophantische Gleichung
12.3. Medienschelte
14.3. Schirm aus Differentialen
25.3. Die Eulersche Zahl im Gymnasium
22.3. Median als Operation
04.4. ein 0-1-2-Prinzip
17.4. Optimierung bei beschränkter Krümmung
21.4. große Umfrage zur kreativen Phantasie
24.4. Medienschelte
25.4. die alternierende Gruppe in Amerika
28.4. dasselbe Schiebespiel auf anderen Flächen
30.4. topologische Typen der Eulerschen Elastica
10.5. die Schwarzsche für Anfänger
14.5.&15.5. Aizenshtats Generatoren auf dem Zyklus
20.5. Aizenshtat à la Sergiescu
24.5. Löwe und Gladiator
29.5. Medienschelte
06.6. die definitorische Lawine als Methode
22.6. Symmetriebrechen und Nichtkompaktheit aus Einbettungen partieller Ordnungen
02.7. Geodätische auf diversen Flächen
02.7. eine erste Variation von Slater-Velez
11.7.&14.7. harmonisches bin packing
15.7. konvexes bin packing
15.7. Die hübscheste Programmieraufgabe aller Zeiten
13.7. Goldfarb mit Funktionalen für die Exponentiation
28.7. Fibonacci aus Goldfarb
29.7. eine kleine Abhandlung über Legasthenie
05.8. symmetrische Ketten einmal anders
04.8. Zorach arrays
07.8. ad Stafford
15.8.&1.10. first fit bin packing als r.e. Prozess
28.6. Slater-Velez auf Bäumen
28.8. endliche Zorach arrays
11.9. Übung zur Dementifikation
17.7. Das unbehandelte Problem der Reihenvergröberung
16
2
Lehrstuhl für Informatik 1 (Theoretische Informatik)
25.9. ein Vorbild an Sparsamkeit
12.10. Slater-Velez erstmals zweidimesional
13.10. dtto. nach euklidischer Länge
15.10. dtto. eindimensional, aber bezüglich 2x2-Determinante
16.10. dtto. bzgl. quadratischer Form
16.10. dtto. bzgl. 3x3-Determinante
20.10. dtto. bzgl. affiner Fläche 20.10. meine Auffassung von Lehre
23.10. Slater-Velez bzgl. Rechtecksfläche
15.10. dtto. bzgl. Determinante mit überraschender Musterbildung
24.10. eine erste Zusammenfassung
27.10. singuläre Lücken, eine neue Überraschung mit dem my-Operator
28.10. eine zweite Zusammenfassung
06.11. eine Geschmacksfrage in Slater-Velez
08.11. neue singuläre Lücken
20.11. Versuch, ein Polygon-, topologisches Problem als Rewriting System zu lösen
27.11. die Dehornoy-Ordnung für die S(n)
05.12. Versuch, Dichter zu zitieren
09.12. eine Carandache-Funktion aus Hall-Partitionen
18.12. Verstarrung von Zwillingsbäumen
18.12. ein duales Auswahlaxiom
Die drei hervorgehobenen Entdeckungen weisen auf tiefere Mysterien. Alle drei appellieren an
den aesthetischen Sinn des Mathematikers und die intakte Ratio des Algorithmikers:
Die erste bricht durch ordinale Multiplikation und Einbettung partieller Ordnungen entweder
Symmetrie oder Unendlichkeit.
Die zweite zerrt ägyptische Zahlentheorie mitten in die moderne Berechenbarkeitstheorie.
Die dritte koppelt einen zweiten Allquantor an einen ersten, welcher von einem allein wirkenden my-Operator angestrebt wird.
Veröffentlichungsreihen
Logicism, Wien, Nov. 2003: Logical Problems by J.W. Degen
17
Lehrstuhl für Informatik 1 (Theoretische Informatik)
18
2
Lehrstuhl für Informatik 2
(Programmiersprachen und Programmiermethodik)
Anschrift: Martensstr. 3, 91058 Erlangen
Tel.: +49.9131.85.27621
Fax.: +49.9131.85.28809
E-Mail: [email protected]
Leitung:
Prof. Dr. Michael Philippsen
Emeritus:
Prof. em. Dr. rer. nat. Hans Jürgen Schneider
Sekretariat:
Agnes Brütting
Elfriede Schörmal
Wiss. Mitarbeiter:
Dipl. -Math Volker Barthelmann
Dr. -Ing. Ingrid Fischer
Dr. -Ing. Matthias Gröbner (bis 31. 07. 03)
Dipl.-Inf. Michael Klemm (ab 01.11. 03)
PD Dr. -Ing. Mark Minas (bis 31.10. 03)
Dipl. -Inf. Frank Strüber (bis 31.10. 03)
Ronald Veldema, Ph.D.
PD Dr. -Ing. habil. Peter Wilke
Gäste/Stipendiaten:
Franz Forman
Dipl. -Inf. (FH) Bernd Hardung
Dr. Klaus Kreisel
PD Dr. Gabriella Kókai
Dr. Hermann Puhlmann
Dipl.-Inf. Dominic Schell
Dipl.-Inf. Szilvia Zvada
1
Einführung
Im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten des Lehrstuhls stehen parallele und verteilte Systeme
und deren Programmierung sowie Programmiersysteme für eingebettete und mobile Systeme.
Software (und deren Erstellung) für solche Systeme sollte nicht komplexer aber genauso porta-
19
Lehrstuhl für Informatik 2 (Programmiersprachen und Programmiermethodik)
2
bel, wartbar und robust sein, wie heute für Einprozessorsysteme und Arbeitsplatzrechner. Langfristiges Ziel ist es, Anwendungen die verfügbare Rechen- und Kommunikationsleistung
möglichst ungebremst zur Verfügung zu stellen bzw. aus sehr begrenzten Systemen ein Maximum an Möglichkeiten herauszuholen. Um diese Vision zu verwirklichen, bedarf es bei sich
fortentwickelnden technologischen Grundlagen (von Parallelrechnern über verteilte Systeme
bis hin zu allgegenwärtigem eingebettetem Rechnen der Zukunft) erstklassiger technischer Einzelbeiträge in mehreren Teilgebieten der Informatik (z.B. Entwurf von Programmiersprachen,
Optimierungstechniken für Übersetzer, Software-Architekturen, Werkzeuge zum Software-Engineering, Laufzeitsystem, Betriebssystemintegration, Entwurfsmuster, Parallelität, etc.) sowie
einer gebietsübergreifenden Arbeitsweise.
2
Forschungsschwerpunkte
Die laufenden Arbeiten des Lehrstuhls gliedern sich in vier ineinander greifende Puzzle-Steine/
Arbeitsgruppen. Durch gegenseitiges Nehmen und Geben entstehen Synergie-Effekte, die die
Leistungen der einzelnen Gruppen über sich hinaus wachsen lassen.
Die Übersetzerbau-Gruppe arbeitet an neuen Analyse- und Optimierungstechniken, vor allem
im Bereich der Laufzeitübersetzung. Fortschritte in diesen Bereichen werden von den Arbeitsgruppen Cluster-Computing und Eingebettete Systeme dringend zur Lösung ihrer jeweiligen
20
3
Lehrstuhl für Informatik 2 (Programmiersprachen und Programmiermethodik)
Forschungsarbeiten benötigt. Andererseits stellen gerade diese Forschungsarbeiten ein umfangreiches Evaluationsfeld für die Übersetzerbaugruppe dar. Im Bereich der eingebetteten Systeme
wird zur Zeit an der Minimierung des erforderlichen Speicherbedarfs, der besseren Ausnutzung
der Register in statischen Betriebssystemen sowie der Energieeinsparung gearbeitet. Im Bereich
des Cluster-Computings steht eine Anwendung aus der Medizin im Mittelpunkt: das Entdecken
von gemeinsamen Molekülfragmenten. Die Lösung dieses Anwendungsproblems (mit Hilfe
von weiterzuentwickelnden Data Mining-Techniken) erfordert so viel Rechenleistung, dass
herkömmliche Programmiertechniken für Rechnerbündel nicht ausreichen. Auch übliche Rechnerbündel reichen nicht - aus heterogenen Einheiten zusammengesetzte Grids sind erforderlich.
Dies stellt harte Forderungen an die Übersetzerbaugruppe. Das vierte Puzzle-Teil, Soft-Computing, steht in Interaktion sowohl mit dem Arbeitsbereich Eingebettete Systeme als auch dem
Bereich Cluster-Computing. Derzeit werden genetische Algorithmen in (eingebettete) Hardware umgesetzt. Geplant ist, genetische Algorithmen auf Rechnerbündeln zu implementieren,
um die zur Verfügung stehende Rechenleistung zum schnelleren Durchforsten des Suchraums
einzusetzen. Ein Arbeitsgebiet sind die Zeitplanungsverfahren - bekanntlich kann ein guter
Stundenplan, der alle Randbedingungen erfüllt, nur mit heuristischer Suche gefunden werden.
Genetische Algorithmen finden überraschend gute Lösungen in kurzer Zeit. Durch Verwendung von Rechnerbündeln ist ein weiterer Fortschritt zu erwarten, wenn der Übersetzerbau es
ermöglicht, die nominelle Rechenleistung möglichst verlustfrei bis zur Anwendung zu bringen.
3
Forschungsprojekte
3.1 Übersetzung für eingebettete Systeme
Projektleitung:
Prof. Dr. Michael Philippsen
Beteiligte:
Dr.-Ing. Volker Barthelmann, Dipl.-Inf. Dominic Schell, Ronald Veldema, Ph.D.
Laufzeit: 1.1.2001 - 31.12.2004
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
3Soft GmbH
Ob im Auto oder zur Steuerung von Maschinen, in vielen elektronischen Geräten sind eingebettete Systeme ein unverzichtbarer Bestandteil. Mit zunehmender Komplexität und Größe der Anwendungen ergibt sich die Anforderung, Software für eingebettete Systeme in modernen
Programmiersprachen zu entwickeln. Diese Sprachen wurden jedoch inbesonders für DesktopSysteme entwickelt, welche mit verschwenderisch vielen Resourcen ausgestattet sind (z.B. Prozessoren mit einem Takt im Gigahertz-Bereich, viel Hauptspeicher, Strom usw.). Eingebettete
Systeme verfügen meist nur über sehr eingeschränkte Resourcen. Möchte man hier den Einsatz
moderner Programmiersprachen ermöglichen, so ist es das vornehmlichste Ziel, den mit der
Verwendung dieser Sprachen einhergehenden hohen Resourcenbedarf zu reduzieren.
Am Lehrstuhl werden insbesondere die folgenden drei Teilgebiete untersucht:
21
Lehrstuhl für Informatik 2 (Programmiersprachen und Programmiermethodik)
3.1
1.) Stromsparoptimierung. Für batteriebetriebene Systeme wie z.B. Mobiltelefone oder PDAs
ist es wichtig, maßvoll mit der ihnen zur Verfügung stehenden Energie umzugehen. Um Strom
zu sparen, besitzen viele Prozessoren die Möglichkeit, dynamisch zur Laufzeit ihre Taktfrequenz und Versorgungsspannung herab- und wieder heraufzusetzen. Diese Technologien werden Dynamic-Frequency-Scaling (DFS) und Dynamic-Voltage-Scaling (DVS) genannt. Am
Lehrstuhl wurde im Jahr 2003 erforscht, inwiefern Übersetzer und Betriebssystem zusammenarbeiten können, um diese Technologien auszunutzen. Führt der Prozessor Programmteile aus,
die viele Daten aus dem Speicher laden bzw. hineinschreiben, so muss er oft auf den meist wesentlich langsameren (Arbeits-)Speicher warten. Takt und Spannung können in diesem Fall herunterskaliert werden, ohne dass dies aus Sicht der Rechenzeit ins Gewicht fällt. Frühere Ansätze
haben versucht, DVS entweder über das Betriebssystem oder direkt vom auszuführenden Programm aus zu realisieren. Bei unserem Ansatz wird das DVS vom Betriebssystem gesteuert, der
Übersetzer bettet jedoch Anweisungen in das Programm ein, welche dem Betriebssystem Informationen über den Rechenzeitbedarf des aktuellen Programmabschnittes mitteilt. Das Betriebssystem erlangt somit Kenntnis über den aktuellen Rechenzeitbedarf einer jeden Anwendung
und kann die jeweils optimale Frequenz und Versorgungsspannung bestimmen und einstellen.
2.) Speicherbereinigung für Code. Da der Arbeitsspeicher (neben Energie) eine weitere beschränkte Resource im Bereich eingebetteter Systeme ist, werden seit 2003 weitere Methoden
untersucht, um den Arbeitsspeicherverbrauch eines Programmes zu verringern. Die Idee beruht
darauf, dass nicht der gesamte Programmcode einer Anwendung komplett im Arbeitsspeicher
liegen muss, um das Programm auszuführen. Das Laden des benötigten Codes wird normalerweise vom Betriebssystem übernommen, welches mittels virtuellem Speicher die Möglichkeit
besitzt, Programmcode seitenbasiert in den Speicher zu laden bzw. wieder zu verdrängen. Die
Größe der Seiten liegt dabei meist im Bereich mehrerer Kilobytes. Die Seiten enthalten mehr
als nur den minimal benötigten Code. Bedingt durch ihre Architektur besitzen eingebettete Systeme oft keine Einheit zur Verwaltung von virtuellem Speicher oder sie müssen ganz ohne ein
Betriebssystem auskommen. Die am Lehrstuhl entwickelte automatische Speicherverwaltung
für Programmcode lädt den Code nicht seitenweise in den Speicher, sondern es werden nur kleine Code-Fragmente (Basisblöcke) geladen, welche garantiert vollständig zur Ausführung kommen. Wenn es zu einem Speicherengpass kommt, wird nicht mehr benötigter Code automatisch
erkannt und aus dem Speicher entfernt. Die Laufzeitinformationen, welche die Speicherverwaltung über das auszuführende Programm hat, können verwendet werden, um das Programm dynamisch zu optimieren. Das Potential dieser Optimierungen soll in der Zukunft untersucht
werden.
3.) RAM-Optimierung. Außerdem wurde im Jahr 2003 untersucht, inwieweit im Bereich gewisser eingebetteter Systeme eine engere Zusammenarbeit von Übersetzern und statischen Betriebssystemen Vorteile bei Effizienz und Sicherheit bringt. Das Interesse liegt hier speziell auf
kleinen eingebetteten Systemen, die in Hochsprachen wie C programmiert werden und statische
Echtzeitbetriebssysteme benutzen. Solche Systeme werden z.B. in der Automobilindustrie verstärkt eingesetzt. Einsparungen von einigen Dutzend Bytes können aufgrund der hohen Stückzahlen insgesamt Kosten in Millionenhöhe einsparen. Eine Studie, die den Overhead eines CÜbersetzers gegenüber direkt in Assembler entwickelten Programmen auf 100 - 1000% schätzt,
zeigt das noch große Einsparungspotential durch Optimierungen zur Übersetzungszeit. Konkret
wurden drei Möglichkeiten untersucht, den RAM-Verbrauch solcher Systeme zu reduzieren:
• Der Einfluss klassischer Compileroptimierungen auf den RAM-Verbrauch wurde gemessen. Eine verbesserte Auswahl aus existierenden Optimierungen hinsichtlich dieses Kriteriums konnte den RAM-Verbrauch einer kleinen Testreihe um fast 20% senken.
• Modulübergreifende Stackanalyse im Compiler wurde mit einem kommerziell erhältlichen
22
3.2
Lehrstuhl für Informatik 2 (Programmiersprachen und Programmiermethodik)
Post-Linktime Analysewerkzeug verglichen. Testergebnisse zeigen eine verbesserte Handhabung und höhere Zuverlässigkeit als die existierenden Ansätze. Durch statische Analyse
des worst-case Stackverbrauchs können der Verschnitt an Stackspeicher minimiert und das
Risiko für Stacküberläufe fast eliminiert werden.
• Als neues Verfahren wurden die von statischen Betriebssystemen gespeicherten Taskkontexte (d.h. Registersätze, die bei Unterbrechung eines Tasks gesichert werden müssen) minimiert. Für jeden Task werden möglichst wenige Register gesichert (die sowohl Werte
enthalten als auch überschrieben werden können) und auch nur so viel RAM reserviert. Unsere Inter-Task Registervergabe erweitert dieses Verfahren noch.
Eine Implementierung für ein kommerziell in der Automobilindustrie eingesetztes Betriebssystem zeigt die Machbarkeit dieser Verfahren. Es gelang, sowohl die Handhabung zu verbessern
als auch den Speicherbedarf einiger Benchmarks um meist 30%-60% zu reduzieren.
3.2 Cluster Computing
Projektleitung:
Prof. Dr. Michael Philippsen
Beteiligte:
Ronald Veldema, Ph.D., Dipl.-Inf. Michael Klemm
Laufzeit: 1.4.2002 - 31.12.2006
Das Programmieren von Rechnerbündeln befindet sich derzeit noch in einer sehr maschinennahen Phase. Als besonders dringend erscheint die Behandlung der non-uniformen Speicherzugriffshierarchie, die in verteilten Systemen neben Registern, Cache und Hauptspeicher um eine
weitere Leistungsebene vertieft ist. Wie im folgenden skizziert, erfordern gute Lösungen Arbeiten auf allen Systemschichten.
Betriebssysteminteraktion: Welche Leistungsengpässe bestehen und wie können diese beseitigt werden? Wie kann der Kommunikationskanal - auch durch das Betriebssystem hindurch weiter verschlankt werden (sowohl für Methodenaufrufe, die in der Regel gute Latenzzeiten
verlangen, als auch für Datenstromübertragungen, bei denen es auf hohe Bandbreite ankommt)?
Übersetzerunterstützung, Laufzeitsystem: Können verteilte Systeme der Tradition von Einprozessorsystemen folgend auch weiterhin mit der Illusion eines transparenten Zugriffs programmiert werden? Kann man durch statische Analyse nebenläufigen objekt-orientierten Codes
Informationen über bestehende Lokalitätsbeziehungen extrahieren? Welche Optimierungen
sind dann möglich? Profitieren statische Analyse und Laufzeitmechanismen voneinander? Wie
können durch Programmanalyse Pre-Fetch- und Post-Store-Kommandos im generierten Code
erzeugt werden, durch die Kommunikation und Berechnung überdeckt und dadurch Wartezeiten vermieden werden?
Programmiersprache, Systementwurf: Programmierer haben in der Regel das anwendungsspezifische Hintergrundwissen über bestehende Lokalitätszusammenhänge. Um guten Code zu
erzeugen, muss der Übersetzer auch über dieses Wissen verfügen. Im Idealfall sollte der Übersetzer durch statische und dynamische Analyse in der Lage sein, das Wissen aus dem Programm-Code zu extrahieren - dies ist außer in datenparallelen Sprachen bisher leider kaum
möglich. Der alternative Ansatz, besteht im Prinzip darin, dass der Programmierer sein Wissen
explizit, z.B. mit Hilfe von leicht zu entdeckenden Pragmas, an den Übersetzer weitergibt. Of23
Lehrstuhl für Informatik 2 (Programmiersprachen und Programmiermethodik)
3.3
fen ist, wie man diese Wissensweitergabe sinnvoll ausgestaltet. Sinnvoll bedeutet dabei erstens,
dass es für den Programmierer bequem bleiben muss, und zweitens, dass das codierte/entdeckte
Wissen aussagekräftig genug sein muss, um vom Übersetzer oder dem Laufzeitsystem effizienzsteigernd genutzt werden zu können.
Noch sehr schlecht verstanden ist generell, wie man verteilte Systeme von vorneherein so entwirft, dass Lokalität per Design vorhanden ist.
Im Jahr 2003 konzentrierten sich die Arbeiten auf neue Optimierungstechniken im Übersetzer,
um einige der genannten Probleme zu lösen. Aus früheren Ergebnissen ist bekannt, wie man
entfernte Methodenaufrufe im allgemeinen effizient realisiert. Im Jahr 2003 verfolgten wir die
Idee, für jede einzelne Aufrufstelle spezifisch optimierten Code zu erzeugen. Diese aufrufstellenspezifische Optimierung entfernter Methodenaufrufe konnte die Leistung nochmals um bis
zu 20% steigern. Allerdings ist es manchmal besser, statt eines entfernten Aufrufs lokal zu arbeiten und stattdessen die benötigten Daten herbei zu holen. Zu dieser Frage wurde mit Heuristiken experimentiert. Als weiteres wichtiges Thema standen 2003 die herterogenen
Rechnerbündel im Fokus. Es gelingt uns nun ohne Zusatzaufwand zur Laufzeit, ein gegebenes
Programm so umzubauen, dass es an beliebiger Stelle von einem Knoten des Grids auf einen
anderen Knoten des Grids umziehen kann, obwohl dieser eine völlig andere Hardware-Architektur hat.
3.3 Graphen und Graphtransformationen
Projektleitung:
Prof. em. Dr. rer. nat. Hans Jürgen Schneider
Beteiligte:
Dr.-Ing.Ingrid Fischer, Prof. Dr. Mark Minas
Laufzeit: 1.1.1995 - 1.10.2006
Förderer:
Bayerisch-Kalifornisches Hochschulzentrum
Mitwirkende Institutionen:
Data Analysis Research Laboratory, Tripos Inc., San Francisco, USA
Graphen werden an vielen Stellen als intuitives Hilfsmittel zur Verdeutlichung komplizierter
Sachverhalte verwendet. Außerhalb der Informatik trifft dies z.B. auf die Biologie oder Chemie
zu, wo Moleküle graphisch modelliert werden. Innerhalb der Informatik werden Daten- bzw.
Kontrollflussdiagramme, als Entity-Relationship-Diagramme oder Petri-Netze, zur Visualisierung sowohl von Software- als auch von Hardware-Architekturen häufig verwendet. Graphgrammatiken und Graphtransformationen kombinieren Ideen aus den Bereichen
Graphentheorie, Algebra, Logik und Kategorientheorie, um Veränderungen an Graphen formal
zu beschreiben.
Am Lehrstuhl für Programmiersysteme werden Graphen und Graphtransformationen in verschiedenen Bereichen eingesetzt.
24
3.4
Lehrstuhl für Informatik 2 (Programmiersprachen und Programmiermethodik)
• Data Mining auf Graphdatenbanken ist ein Gebiet, auf dem es in den letzten Jahren
viele Entwicklungen gab. In Zusammenarbeit mit dem Data Analysis Research
Laboratory der Tripos Inc., San Francisco, USA, wurde begonnen, zwei existierende Algorithmen auf diesem Gebiet zu kombinieren und zu parallelisieren. Desweiteren wurde versucht, Unschärfen in die Algorithmen zu integrieren.
• Eine Graphgrammatik kann benutzt werden, um eine Menge syntaktisch korrekter
Diagramme zu definieren, d.h. Diagramme, die nach den Regeln eines bestimmten
Anwendungsgebietes aufgebaut sind. Graphtransformationen erlauben dynamische
Veränderungen derartiger Darstellungen und somit die Beschreibung der Entwicklung von Strukturen.
• Die zugrundeliegende Theorie ist ein attraktives Hilfsmittel, äußerst unterschiedliche Strukturen in einer einheitlichen Weise zu beschreiben, z.B. die unterschiedlichen Modelle für asynchrone Prozesse: Petri-Netze basieren auf "gewöhnlichen"
Graphen, Statecharts verwenden hierarchische Graphen, die parallele logische Programmierung kann mit Hilfe sogenannter Dschungel graphentheoretisch interpretiert werden, und die Aktorsysteme lassen sich als Graphen darstellen, deren Markierungsalphabet eine Menge von Termgraphen ist.
• Im Zusammenhang mit den Arbeiten an einem neuen Lehrbuch über den kategoriellen Ansatz wurde im Jahr 2003 vornehmlich an einer Vereinheitlichung der effektiven Konstruktion der Ableitungsschritte gearbeitet und insbesondere die Situation
bei nichteindeutigen Pushout-Komplementen untersucht. Dabei stellte sich heraus,
dass die früher von Rosen und Parisi-Presicce betrachteten Normierungen Spezialfälle einer allgemeinen Konstruktion sind: Man kennt alle denkbaren Lösungen,
wenn man das in gewissem Sinne minimale Pushout-Komplement konstruieren
kann. In den interessanten Kategorien ist das der Fall.
3.4 Automatische Analyse natürlicher Sprache
Projektleitung:
Dr.-Ing. Ingrid Fischer
Beteiligte:
Prof. Dr. Sylvia Weber Russell, Dipl.-Inf. Ricarda Dormeyer
Laufzeit: 1.1.1999 - 31.12.2004
Förderer:
Deutscher Akademischer Austauschdienst
Fulbright Scholar Grant
Mitwirkende Institutionen:
University of New Hampshire
25
Lehrstuhl für Informatik 2 (Programmiersprachen und Programmiermethodik)
3.5
Die interessantesten und schwierigsten idiomatischen Beispiele enthalten lexikalische und syntaktische Modifikationen (z.B. "Er schloss die eiternde Wunde, in die er Salz gestreut hat").
Aber auch unveränderliche Idiome (z.B. "Er hat ins Gras gebissen") dürfen bei der automatischen Sprachanalyse nicht vernachlässigt werden. Der verfolgte Ansatz zur Idiomanalyse beruht auf zwei Vermutungen. Erstens können Idiome analysierbar sein, das heißt, die einzelnen
Komponenten können bei der Analyse des Idioms eine Rolle spielen, müssen es aber nicht.
Zweitens spielen bei vielen Idiomen Metaphern eine aktive Rolle im Verstehensprozess, besonders wenn die Idiome analysierbar und modifizierbar sind. Diese Vermutungen werden an verschiedenen Sprachverarbeitungssystemen getestet.
Im Jahre 2003 wurde vor allem der diskontinuierliche Charakter von Idiomen untersucht. Idiome können nicht als lange "Wörter" in ein Lexikon eingetragen werden, ihre einzelnen Bestandteile müssen erkennbar bleiben. Damit ähneln sie anderen diskontinuierlichen Konstituenten
wie trennbaren Verbpräfixen oder Relativsätzen im Nachfeld. Für derartige Phänome wurden
zwei veschiedene Mechanismen untersucht:
• Mit Hilfe einer eingeschränkten Form von Hypergraphgrammatiken können Sprachen erzeugt werden, die normalerweise kontextsensitiv sind. Die Ersetzung von Hyperkanten
lässt sich auf diskontinuierliche Konstituenten in natürlichen Sprachen problemlos übertragen und führt zu übersichtlichen und einfachen Grammatikregeln.
• Der am Lehrstuhl entwickelte Parser für Dependenzgrammatiken wurde in bezug auf diskontinuierliche Konstituenten erweitert und verbessert. Dies betrifft sowohl den Grammatikformalismus als auch das eigentliche Parsen der diskontinuierlichen Konstituenten.
3.5 Entwicklung und Anwendung von Evolutionären Algorithmen
Projektleitung:
PD Dr. Gabriella Kókai
Beteiligte:
Hans-Holm Frühauf, Xu Feng
Beginn: 1.1.1999
Förderer:
Bayerisches Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst
Deutscher Akademischer Austauschdienst
Frauenförderung aus dem Hochschul- und Wissenschaftsprogramm (HWP)
Mitwirkende Institutionen:
Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS-A,
Abteilung Hochfrequenz- und Microwellentechnik
Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen IIS-B,
Abteilung Simulation/Topographie
Universität Szeged
Das genetisch-logische Programmiersystem GeLog kombiniert Methoden genetischer Algorithmen und induktiv logischer Programmierung. Mit dem automatischen Lernsystem können
26
3.6
Lehrstuhl für Informatik 2 (Programmiersprachen und Programmiermethodik)
aus einer induktiv logisch formulierten Aufgabenstellung logische Programme erzeugt werden,
die die gegebene Aufgabe lösen. Zum Lernen verwendet GeLog einen genetischen Algorithmus. GeLog verfügt über automatische Parameteradaptation und Metaevolution und vermeidet
dadurch die bekannten Nachteile genetischer Algorithmen, wie die große Anzahl von Einstellmöglichkeiten für Evolutionsparameter sowie das Hängenbleiben in lokalen Optima.
Um dem Benutzer die Arbeit mit dem GeLog System möglichst einfach zu machen, wurde im
Jahr 2003 eine graphische Benutzeroberfläche konstruiert. Außerdem wurde eine graphische
Darstellung der Ergebnisse von GeLog ins System integriert. Im GeLog ist nun alles zentral bedienbar und komfortabel für den Benutzer. Bei der graphischen Illustration ist besonders die
Möglichkeit der vergleichenden Darstellung unterschiedlicher GeLog-Durchgänge zu erwähnen.
Im Jahr 2003 gelang es uns erneut, genetische Algorithmen im Rahmen eines Kooperationsprojekts mit der Industrie einzusetzen. Wir entwickelten einen hardware-basierten genetischen Optimierer (HGA) zur Steuerung eines Empfängers mit intelligenten Antennen. Das Ziel der
Arbeit war es, eine HGA-basierte Regelung mehrerer Hochfrequenztechnik-Komponenten der
Empfängerschaltung für eine adaptive Gruppenantenne zu entwickeln. Die entwickelte Architektur des Optimierers ermöglicht es, durch die Kombination von Pipelining und Parallelisierung, eine Steigerung der Rechenleistung zum Vergleich zu Software-Implementation zu
erzielen. Die Anwendung von HGA war nötig, weil wir eine sehr harte Zeitbedingung erfüllen
müssen: die neue optimale Parametereinstellung der Antenne muss innerhalb von 42ns ermittelt
werden. Das vorgeschlagene HGA-Modell wurde für ein Fraunhofer-R2-Board, mit einem Xilinx Virtex-E XCV600E FPGA bestückt, prototypisch implementiert. Bereits dabei wurde ein
Beschleunigungsfaktor von über 500 im Vergleich zur ebenfalls durchgeführten Software-Implementierung erreicht.
3.6 Funktions-Software-Entwicklung für elektronische Steuergeräte im
Automobilbereich
Projektleitung:
PD Dr. Gabriella Kókai
Beteiligte:
Prof. Dr. Michael Philippsen, Dipl.-Inf. (FH) Bernd Hardung
Laufzeit: 1.1.2003 - 31.12.2006
Förderer:
Audi AG, Ingolstadt
Die Herausforderungen im Bereich der Funktions-Software-Entwicklung für elektronische
Steuergeräte im Automobilbereich sind vielfältig. Auf der einen Seite ist das Thema SoftwareEntwicklung in dieser Domäne relativ neu, auf der anderen Seite ist man mit hohem Kostendruck und Qualitätsanforderungen konfrontiert. Um diesen offensichtlichen Widerspruch zu lösen, muss zunächst die spezielle Herausforderung der Wiederverwendbarkeit von FunktionsSoftware gelöst werden. In dieser Arbeit sollen speziell folgende zwei Punkte bearbeitet werden: 1.) Software-Integration von unterschiedlichen Herstellern: Funktionen und Code verschiedener Zulieferer sollen in Zukunft auf einem Steuergerät integriert werden können. Dies
27
Lehrstuhl für Informatik 2 (Programmiersprachen und Programmiermethodik)
3.7
bedingt unter anderem einen entsprechenden Funktionsentwicklungsprozess beim Automobilhersteller. 2.) Methode und Prozess zum Betrieb einer Funktionsdatenbank: Aus dieser Datenbank sollen Modelle und zielsystemspezifischer Code extrahiert werden können, um sie über
Baureihen und unterschiedliche Hardware-Architekturen hinweg wiederverwenden zu können.
3.7 SIGNAL - Sofortprogramm Informatik am Gymnasium Nachqualifikation von Lehrkräften (ehemals NELLI)
Projektleitung:
Prof. Dr. Michael Philippsen
Beteiligte:
Forman, Franz, Dr. Klaus Kreisel, Dr. Hermann Puhlmann
Laufzeit: 1.9.2002 - 31.8.2005
Förderer:
Bayerisches Staatsministerium für Unterricht und Kultus
Bayerisches Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst
Europäische Kommission
Mitwirkende Institutionen:
Ludwig-Maximilian-Universität München (Prof. Dr. Hofmann, Prof. Dr. Kröger)
Technische Universität München (Prof. Dr. Hubwieser)
Universität Passau (Prof. Dr. Freitag)
Deutschland will im Bereich Informationsgesellschaft einen Spitzenplatz in Europa einnehmen.
Um dieses Ziel zu erreichen, müssen junge Menschen bereits in der Schule eine fundierte Ausbildung in Informatik erhalten. Konsequent führt Bayern im Schuljahr 2004/05 das Pflichtfach
Informatik - zunächst als Teil des Faches "Natur und Technik" - an allen Gymnasien ein. Jedes
der 400 bayerischen Gymnasien sollte ab diesem Zeitpunkt über mindestens eine Lehrkraft mit
der Fakultas Informatik verfügen.
Der immense Bedarf an Lehrkräften kann nicht über die traditionelle Lehramtsausbildung an
den Universitäten gedeckt werden. Aus diesem Grund wurde im Jahr 2000 das Projekt Nelli
(Netzgestützter Lehrverbund zur Lehrerausbildung in Informatik) gestartet und ein elektronisches Angebot von speziell zugeschnittenen Studien- und Unterrichtsmaterialien entwickelt.
Der Lehrstuhl Informatik 2 hat hierzu das Algorithmik-Modul beigetragen. Im September 2001
nahmen bayernweit im Rahmen von Pilotkursen 75 Lehrkräfte das Studium der Informatik auf,
davon 15 in Erlangen. Im Herbst 2003 haben diese Lehrerinnnen und Lehrer die Erweiterungsprüfung in Informatik abgelegt.
Der erfolgreiche Verlauf der Pilotkurse ermutigte zum Folgeprojekt SIGNAL (Sofortprogramm
Informatik am Gymnasium - Nachqualifikation von Lehrkräften), mit dem im Jahr 2002 begonnen wurde. An den Universitäten Erlangen, München, Passau und Würzburg starteten 2002
weitere Kurse nach dem erprobten Verfahren, speziell an der FAU ein Kurs mit 25 Teilnehmern. Ein weiterer begann im Herbst 2003.
28
4
Lehrstuhl für Informatik 2 (Programmiersprachen und Programmiermethodik)
Im ersten Kursjahr lernen die Teilnehmer überwiegend zu Hause mit elektronisch bereitgestellten Materialien. Sie geben über einen Gruppenarbeits-Server Übungen ab, die vom Tutor des
Kurses korrigiert werden. Zum Erfahrungsaustausch und persönlichen Kontakt finden zudem
monatliche Treffen statt. Im zweiten Kursjahr finden wöchentliche Präsenzveranstaltungen an
der Universität statt. Dabei besuchen die Teilnehmer auch reguläre Veranstaltungen aus dem
Angebot für das Informatikstudium.
Darüberhinaus wird seit Herbst 2003 das reguläre Lehramtsstudium Informatik für alle Schulformen angeboten; dazu wird eine Professur Didaktik der Informatik am Lehrstuhl
Informatik 2 eingerichtet werden. Siehe Informationsseite (http://www2.informatik.uni-erlangen.de/~philippsen/lehramt/)
Im Vergleich mit den anderen Bundesländern wird Bayern nach Abschluss dieses Programms
einen Spitzenplatz in Bezug auf den Stellenwert der Informatik an den Schulen einnehmen.
4
Veröffentlichungen und Vorträge
4.1 Veröffentlichungen
1. Z. Tóth: A Graphical User Interface for Evolutionary Algorithms. In: Journal Acta Cybernetica (2003), Nr. 16, S. 337-365
2. Bottoni, P.; Minas, M. (Hrsg.): Proc. of Graph Transformation and Visual Modeling
Techniques. (GT-VMT’2002 Barcelona, Spain 11.-12.10.2002) Bd. 72/3 Electronic Notes in Theoretical Computer Science. Amsterdam : Elsevier Science Publishers, 2003. elektronische Ausgabe, daher keine Seiten. ISBN 0444514082
3. Dormeyer, R.; Fischer, Ingrid; Weber-Russell, S.: A lexicon for Metaphors and Idioms.
In: Deutschen Gesellschaft für Sprachwissenschaft Sprache, Wissen, Wissenschaft
(Hrsg.) : 25. Jahrestagung (Arbeitsgruppe Semanstisches Wissen im Lexikon LudwigMaximilian-Universität München 26.-28. Februar 2003). 2003, S. 105.
4. Drewes F.; Hoffmann B.; Minas M.: Context-exploiting shapes for diagram transformation. In: Machine Graphics & Vision 12 (2003), Nr. 1, S. 117-132
5. Erdmann, A.; Farkas, R.; Fühner, T.; Tollkühn, B.; Kókai, Gabriella: Mask and Source
Optimization for Lithographic Imaging Systems. In: Frank Wyrowski (Hrsg.) : Proc.
SPIE Annual Meeting (Wave-Optical Systems Engineering II San Diego, CA 08.2003).
Bd. 5182. 2003, S. 88-102.
6. Farkas, R.; Kókai, Gabriella; Erdmann, A.; Fühner, T.; Tollkühn, B.: Optimization of
one-and two dimensional masks in the optical lithography. In: GI (Hrsg.) : Treffen der
Fachgruppe Maschinelles Lernen, Wissenentdeckung, Data Mining der Gesellschaft für
Informatik (FGML 2003 Karlsruhe 06-08.10.2003). 2003, S. 56-64.
7. Fischer, Ingrid: Modelling Discontinuous Constituents with Hypergraph Grammers.
In: J. Pfalz; M. Nagl; B. Böhlem (Hrsg.) : Proc. International Workshop on Applications
of Graph Transformation with Industrial Relevance (AGTIVE’03 Charlottesville, USA
28.09.-01.10.2003). 2003, S. 175-180.
8. Fühner, T.; Kókai, Gabriella: Incorporating Linkage Learning into the GeLog Framework. In: Journal Acta Cybernetica 16 (2003), S. 209-228
9. Gröbner, M.; Wilke, Peter; Büttcher, S.: A Standard Framework for Timetabling Pro-
29
Lehrstuhl für Informatik 2 (Programmiersprachen und Programmiermethodik)
4.1
blems. In: Burke, Edmund; Causmaecker, Patrick De (Hrsg.) : Selected Revised Papers
from the 4th International Conference on the Practice and Theory of Automated Timetabling (PATAT 2002 Gent, Belgien 21.08-23.08.02). Bd. 2740 Lecture Notes in Computer Science. Heidelberg : Springer Verlag, 2003, S. 24-38.
10. Gussmann, W.; Puhlmann, Hermann: Beispiele zu Haskell - Funktionale Programmierung zur Spezifikation und als Ergänzung des imperativen Paradigmas in der Schule.
In: LOG IN (2003), Nr. 124, S. 64-69
11. Hardung, Bernd; Wernicke, M.; Krüger, A.; Wagner, G.; Wohlgemuth, F.: Entwicklungsprozess für vernetzte Elektroniksysteme. In: VDI (Veranst.) : Elektronik im Kraftfahrzeug (11. Internationale Konferenz Baden-Baden 25.09.-26.09.2003). Bd. VDIBericht 1789. 2003, S. 77-97.
12. Kókai, Gabriella: Development of methods how to avoid the overfitting-effect within the
GeLog-system. In: Vasile Palade; Robert J. Howlett; Lakhmi C. Jain (Hrsg.) : Proc. Seventh International Conference on Knowledge-Based Intelligent Information Engineering
Systems (KES’2003 University of Oxford, United Kingdom 03.-05.09.2003). Bd. 2774
Lecture Notes in Computer Science. Heidelberg : Springer Verlag, 2003, S. 958-966.
13. Minas, M.: Bootstrapping visual components of the DiaGen specification tool with DiaGen. In: J. Pfalz; M. Nagl; B. Böhlen (Hrsg.) : Proc. International Workshop on Applications of Graph Transformations with Industrial Relevance (AGTIVE’03
Charlottesville, USA 28.09.-01.10.2003). 2003, S. 391-405.
14. Minas, M.: Visual specification of visual editors with DiaGen. In: J. Pfaltz; M. Nagl; B.
Böhlen (Hrsg.) : Proc. International Workshop on Applications of Graph Transformations with Industrial Relevance (AGTIVE’03 Charlottesville, USA 28.09.-01.10.2003).
2003, S. 461-466.
15. Minas, M.: XML-based specification of diagram editors. In: R. Bardohl; H. Ehrig
(Hrsg.) : Proc. Uniform Approaches to Graphical Process Specification Techniques
(UNIGRA’03) (Satellite Workshop to ETAPS’2003 Warschau/Polen 05.-06.04.2003).
Bd. 82 Electronic Notes in Theoretical Computer Science. Amsterdam, NL : Elsevier
Science Publishers, 2003, S. CD-ROM.
16. Pang, J.; Fokkink, W.; Hoffmann, R.; Veldema, Ronald: Model Checking a Cache Coherence Protocol for a Java DSM Implementation. In: IEEE Computer Society (Hrsg.) :
Proceedings of 17th International Parallel and Distributed Processing Symposium (IPDPS) (8th International Workshop on Formal Methodes for Parallel Programming: Theory
and Applications (FMPPTA) Nizza, Frankreich 22.04.-26.04.03). 2003, S. CD-ROM.
17. Prechtelt, L.; Unger, B.; Philippsen, Michael; Tichy, W.F.: A Controlled experiment on
inheritance depth as a cost factor for maintenance. In: Journal of Systems and Software
65 (2003), Nr. 2, S. 115-126
18. Puhlmann, Hermann: Informatische Literalität nach dem PISA-Muster. In: Peter Hubwieser (Hrsg.) : Informatische Fachkonzepte im Unterricht (10. GI-Fachtagung Informatik und Schule INFOS 2003 Garching 17.09.-19.09.2003). Bonn : GI Edition Lecture
Notes in Informatics, 2003, S. 145-154. (Tagungsband INFOS 2003)
19. Tollkühn, B.; Fühner, T.; Matiut, D.; Erdmann, A.; Semmler, A.; Küchler, B.; Kókai,
Gabriella: Will Darwins’s Law Help Us to Improve Our Resist Models? In: Theodore H.
Fedynyshyn (Hrsg.) : Advances in Resist Technology and Processing XX (SPIE 5039
Santa Clara, USA 02.2003). 2003, S. 291-302.
30
4.2
Lehrstuhl für Informatik 2 (Programmiersprachen und Programmiermethodik)
20. Vanyi, Robert; Zvada, Szilvia: Avoiding Syntactically Incorrect Individuals via Parameterized Operators Applied on Derivation Trees. In: R. Sarker et al. (Hrsg.) : Proc. of the
Congress on Evolutionary Computation (CEC2003 Canberra, Australien 08.12.12.2003). Bd. 4. 2003, S. 2791-2798.
21. Veldema, Ronald; Philippsen, Michael: Compiler Optimized Remote Method Invocation. In: IEEE Computer Society (Veranst.) : Proc. 5th IEEE Conf. on Cluster Computing (CC 2003 Hong Kong 01.-04.12.2003). 2003, S. 127-136.
4.2 Vorträge
29.01.03 Kókai, Gabriella
Die Anwendung aus der Biologie abgeleiteter Lernverfahren auf die
Molekularbiologie
Habilitationskolloquium, Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen
05.04.03 Philippsen, Michael
Konzeption eines Lehramtsstudiengangs Informatik für alle Schulformen
Landesvorstandssitzung Bayerischer Realschullehrerverbandg, Lauf
15.04.03 Puhlmann, Hermann
Implementation kryptographischer Verfahren mit funktionaler Programmierung, Bundeskongress des Vereins zur Foerderung des mathematischnaturwissenschaftlichen Unterrichts (MNU), Frankfurt/Main
02.05.03 Philippsen, Michael
Überblick über JavaParty und die erforderlichen Optimierungen
Informatik-Kolloquium, Universität Klagenfurt, Österreich
5
Habilitationen
29.01.03 Kókai, Gabriella
Erfolge und Probleme evolutionärer Algorithmen, induktiver logischer
Programmierung und ihrer Kombination
6
Promotionen
24.7.03
7
Gröbner, Matthias
Ein Modell zur Beschreibung und Lösung von Zeitplanungsproblemen
Studien- und Diplomarbeiten
7.1 Studienarbeiten
• Böhm, Jan Felix: Hypergraphgrammatiken zur Analyse natürlicher Sprachen
• Tonka, Merlin: Möglichkeiten und Grenzen von J2ME
31
Lehrstuhl für Informatik 2 (Programmiersprachen und Programmiermethodik)
7.2
• Poppe, Carsten: Umsetzung XML-basierter Drag and Drop-Übungstypologien im
Fremdsprachenerwerb mit Java
7.2 Diplomarbeiten
• Ranger, Ulrike: Ein PATR-II-basierter Chart-Parser zur Analyse von Idiomen
• Summa, Oliver: Entwicklung einer graphischen Oberfläche für das GeLog-System
• Klemm, Michael: Dynamic Function Splicing in Jackal
• Tröger, Thomas: Ein Chartparser für natürliche Sprache auf der Grundlage der
Dependenzgrammatik
• Ouadday, Chamseddine: Evaluierung von Content Management Systemen für den
Einsatz im Intranet (von IT-Dienstleistern)
• Schnattinger, Oliver: Vergleich und Bewertung von Softwarebibliotheken für Evolutionäre Algorithmen
• Reiber, Andreas: Visuelle Spezifikation von Diagrammeditoren mit DiaGen
8
Bachelor- und Master Theses
8.1 Master Theses
• Xu, Feng: Integration, Simulation and Implementation of a Hardware Based Genetic Optimizer in Order to Adjust a Smart Antenna Receiver
32
Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur)
Anschrift: Martensstr. 3, 91058 Erlangen
Tel.: +49.9131.85.27003
Fax.: +49.9131.85.27239
E-Mail: [email protected]
Leitung:
Prof. Dr. Dr. h.c. Mario Dal Cin
Professor:
Prof. Dr. rer. nat. Horst Müller
Sekretariat:
Christine Cetin
Wiss. Mitarbeiter:
Dr.-Ing. Kerstin Buchacker
Dipl.-Inf. Stefan Gossens
Dr. rer. nat. Hellmut Hessenauer
Dipl.-Math. Wolfgang Hohl
Dipl.-Inf. Hans-Jörg Höxer
Dr.-Ing. Roman König
Dipl.-Inf. Konstantinos Kosmidis
Dipl.-Inf. David Kreische
Dipl.-Inf. Matthias Sand
Dr.-Ing. Volkmar Sieh
Dr.-Ing. Oliver Tschäche
Dipl.-Inf. Martin Waitz
Dipl.-Inf Fang Fang Wang
1
Einführung
Parallele und verlässliche Datenverarbeitung und Systemarchitekturen stehen im Mittelpunkt
der wissenschaftlichen Tätigkeit am Lehrstuhl 3. Einerseits werden theoretische Grundlagenprobleme, andererseits Realisierungsmöglichkeiten und Bewertungsaspekte fehlertoleranter
Parallelrechner und ’eingebetteter’ Systeme behandelt.
Einen weiteren Schwerpunkt der Arbeiten am Lehrstuhl bildet die Entwicklung effizienter Bewertungstools für verlässliche Systeme auf der Grundlage von UML und generalisierten stochastischen Petrinetzen.
Im Jahre 1966 übernahm Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Wolfgang Händler den mit der Gründung des
damaligen Instituts für Mathematische Maschinen und Datenverarbeitung geschaffenen Lehrstuhl. Der Lehstuhl wurde 1989 durch Berufung des jetztigen Lehrstuhlinhabers Prof. Dr. Dr.
h.c. Mario Dal Cin zum zweiten Mal besetzt.
33
Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur)
2
2
Forschungsschwerpunkte
• Modellierung und Bewertung verläßlicher Systeme
• UML-basierter Entwurf eingebetteter Systeme
• Fehlertoleranz von Rechnersystemen
2.1 Graduiertenkolleg
• Interdisziplinärer Entwurf verläßlicher Multitechnologie-Systeme
2.2 Geförderte Forschungsvorhaben
• "DBench" (Dependability Benchmarking), Gemeinschaftsprojekt mit LAASCNRS, University of Coimbra, Technical University of Valencia, Critical Software
(Portugal) und Microsoft (UK) als Sponsor, gefördert von der EU im ‘Information
Society Technologies Program’
• "ERIKA", Geschäftsprozessanalyse unter Berücksichtigung von Störeinflüssen,
Gemeinschaftsprojekt mit MID GmbH, Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik II der
FAU und BIK GmbH, gefördert vom Freistaat Bayern im FuE-Programm ‘Informations- und Kommunikationstechnik’
• "IP2 Intellectual Property Prinzipien für konfigurierbare Basisband SoCs in Internet-Protokoll basierten Mobilfunknetzen", Gemeinschaftsprojekt mit Lucent Technologies Networks GmbH und verschiedenen Partnern aus Industrie und Universitäten, gefördert vom BMBF.
2.3 Internationale Austauschprogramme
• Im AE3-Projekt (American-European Engineering Exchange) stehen 35 US-amerikanische Partner-Universitäten für den Studentenaustausch zur Auswahl. Mit diesem Programm, das für alle Studierenden der Technischen Fakultät offen ist, konnten wiederum mehrere Erlanger Studenten einen einjährigen Studienaufenthalt in
den USA verbringen. Näheres siehe: http://www.informatik.uni-erlangen.de/Studies/studyabroad.shtml#AE3
• Im Rahmen des SOCRATES/ERASMUS-Programms wurden mehrere Erlanger
Studenten an Partneruniversitäten im europäischen Ausland vermittelt; im Gegenzug fanden auch einige Studenten von Partneruniversitäten den Weg an die FAU.
Mit der zu diesem Programm gehörigen "Teaching Staff Mobility" war Prof. Dal
Cin an der K.U. Leuven und hielt dort einen Kurs über Dependability Benchmarking. Näheres zum Austauschprogramm siehe: http://www.informatik.uni-erlangen.de/Studies/studyabroad.shtml#SOCRATES
(Kontakte: W. Hohl)
34
2.4
Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur)
2.4 Sonstige Aktivitäten
• Das Review Meeting für das EU-Projekt "DBench" (Dependability Benchmarking)
fand am 7. Mai in Erlangen statt.
• Erste Vorbereitungen für die Konferenzen EDCC-5 (April 2005 in Budapest) und
HASE 2005 (Oktober 2005 in Heidelberg) haben begonnen. Beide Veranstaltungen
werden mit starker Unterstützung des Lehrstuhls organisiert.
2.5 Forschungsrelevante apparative Ausstattung
• Elektrologisches Labor
2.6 Kooperationsbeziehungen
• TWU Budapest, Dept. of Measurement and Information Systems (Dr. A Pataricza)
• Universitá di Firenze (Prof. A. Bondavalli)
• University of Coimbra, Dependable Systems Research Group (Prof. H. Madeira)
• K.U.Leuven - ESAT / ELECTA (Prof. G. Deconinck)
• CNR - CNUCE, Pisa (Dr. D. Latella, Prof. L. Simoncini)
• LAAS-CNRS (Lab. for Analysis and Architecture of Systems, Toulouse,
Prof. J.C. Laprie)
• Computer Engineering, U. of Illinois, Urbana-Champaigne
(Prof. R. Iyer, Prof. B. Sanders)
• Technical University of Valencia, Fault-Tolerant systems research Group
(Prof. P.G. Vicente)
• Mitgliedschaft im CaberNet (Computing Architectures for Basic European Research), einem EU-geförderten Netz, das dem Kontakt und Erfahrungsaustausch europäischer Forschungsgruppen auf den Gebieten Parallelverarbeitung und Fehlertoleranz dient.
• Critical Software (Portugal)
• Daimler-Chrysler, Stuttgart
• Lucent Technologies, Nürnberg
• MID GmbH, Nürnberg
• Siemens AG, Erlangen
35
Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur)
3
3
Forschungsprojekte
3.1 "DBench" (Dependability Benchmarking)
Projektleitung:
Prof. Dr. Dr. h.c. Mario Dal Cin
Beteiligte:
Dr.-Ing. Kerstin Buchacker, Dipl.-Math. Wolfgang Hohl, Dipl.-Inf. Hans-Jörg
Höxer, Dr.-Ing. Volkmar Sieh, Dr.-Ing. Oliver Tschäche, Dipl.-Inf. Balasz Bamer
Stichwörter:
dependability characterization; dependability assessment; benchmarking; COTSbased systems
Laufzeit: 1.1.2001 - 31.12.2003
Förderer:
EU
Mitwirkende Institutionen:
Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes du Centre National de la
Recherche Scientifique, Toulouse, France
Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden
Critical Software, Coimbra, Portugal
Faculdade de Ciencias e Technologia da Universidade de Coimbra, Portugal
Universidad Politechnica de Valencia, Spain
Kontakt:
Dipl.-Math. Wolfgang Hohl
Tel.: +49.9131.85.27010, Fax:.+49.9131.85.27239
E-Mail: [email protected]
The DBench project will define a conceptual framework and an experimental environment for
benchmarking the dependability of COTS and COTS-based systems. It will provide system developers and end-users with means for
• characterising and evaluating the dependability of a component or a system,
• identifying malfunctioning or less weak parts, requiring more attention,
• tuning a particular component to enhance its dependability, and
• comparing the dependability of alternative or competing solutions.
The two final measurable objectives that will be produced at the end of the project are a report
presenting the concepts, specifications and guidelines for dependability benchmarking and a set
of dependability benchmark prototype tools. The prototypes will be made widely available (e.g.,
36
3.2
Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur)
through the web whenever possible) to promote their adoption by an audience as wide as possible.
Im Rahmen des DBench-Projekts wurde die Linux-Simulationsumgebung FAUmaschine entwickelt. Näheres s. http://www.faumaschine.org
Publikationen
0XX
1. Kanoun, K.; Costa, D.; Dal Cin, Mario; Gil, P.; Laprie, J.-C.; Madeira, H.; Suri, N.:
DBench: Dependability Benchmarking. In: IEEE (Veranst.) : Suppl. Proc. 2001, Int.
Conference on Dependable Systems and Networks (Conference on Dependable Systems
and Networks, Göteborg). 2001, S. D12-15.
2. Buchacker, Kerstin; Sieh, Volkmar: Framework for Testing the Fault-Tolerance of Systems Including OS and Network Aspects. In: IEEE (Hrsg.) : Proc. of High-Assurance
SystemEngineering Symposium HASE-2001 (High-Assurance SystemEngineering
Symposium HASE-2001 Boca Raton 22.-24.10.2001). 2001, S. 95-105.
3. Sieh, Volkmar; Buchacker, Kerstin: Testing the Fault-Tolerance of Networked Systems.
In: U. Brinkschulte; K.-E. Grosspietsch; C. Hochberger; E. W. Mayr (Hrsg.) : ARCS
2002, Workshop Proceedings (International Conference on Architecture of Computing
Systems ARCS 2002 Karlsruhe 08.-11.04.02). 2002, S. 37-46. - ISBN 3-8007-2686-6
4. Höxer, Hans-Jörg; Sieh, Volkmar; Buchacker, Kerstin: UMLinux - A Tool for Testing a
Linux System’s Fault Tolerance. In: LinuxTag 2002 (Hrsg.) : LinuxTag 2002 (als CD
erschienen) (LinuxTag 2002 Karlsruhe 06.-09.06.02). 2002, S. 1-10.
5. Buchacker, Kerstin; Dal Cin, Mario; Höxer, Hans-Jörg; Karch, R.; Sieh, Volkmar;
Tschäche, Oliver: Reproducible Dependability Benchmarking Experiments Based on
Unambiguosus Benchmark Setup Descriptions. In: IEEE Computer Society (Hrsg.) :
Proceedings of the International Conference on Dependable Systems (International Conference on Dependable Systemsand Networks San Francisco, CA June 22nd - 25th).
2003, S. 469-478.
6. Buchacker, Kerstin; Höxer, Hans-Jörg; Sieh, Volkmar: UMLinux als Sandbox.
In: Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik/SecuMedia Verlags-GmbH
(Hrsg.) : IT-Sicherheit im verteilten Chaos (8. Deutscher IT-Sicherheitskongress des
BSI Bonn - Bad Godesberg 13.-15. Mai 2003). 2003, S. 409-423.
7. Tschäche, Oliver: Dependability Benchmarking of Linux based Systems. In: n.b. (Hrsg.)
: Proceedings Informatik 2003, Beiträge des Schwerpunkts Sicherheit - Schutz und Zuverlässigkeit Frankfurt 2003, S. 237-248.
3.2 "ERIKA", Geschäftsprozessanalyse unter Berücksichtigung von
Störeinflüssen
Projektleitung:
Prof. Dr. Dr. h.c. Mario Dal Cin
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Konstantinos Kosmidis, Dipl.-Inf. David Kreische
37
Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur)
3.2
Laufzeit: 1.9.2000 - 31.8.2003
Förderer:
Freistaat Bayern, Förderprogramm "Informations- und Kommunikationstechnik"
Mitwirkende Institutionen:
MID GmbH, Nürnberg
BIK GmbH, Nürnberg
Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik II der FAU
Kontakt:
Dipl.-Inf. David Kreische
Tel.: +49.9131.85.27027, Fax:.+49.9131.85.27239
E-Mail: [email protected]
Bei der Geschäftsprozessmodellierung spielen Ressourcen und deren durch Aktivitäten gesteuerte Zustandsübergänge eine zentrale Rolle. Das Verhalten der Ressourcen kann mittels der
UML-Zustandsdiagramme detailliert modelliert werden. Die UML-Aktivitätsdiagramme ermöglichen die Beschreibung der Geschäfts-Aktivitäten und erlauben durch einige Erweiterungen auch die zielgerichtete Beeinflussung von Zustandsübergängen der Ressourcen.
Das Programm zur Transformation der UML-Diagramme in GSPN wurde erweitert und um
eine Komponente zur Rücktransformation der Ergebnisse ergänzt.
Damit sollen nun reale Geschäftsprozesse untersucht und der Prototyp gegebenenfalls angepasst werden.
Seit einiger Zeit wird die aus der objektorientierten Programmierung stammende Unified Modeling Language (UML) auch zur Modellierung technischer Systeme, insbesondere Rechnersysteme benutzt. Dabei sind vor allem diejenigen UML-Diagramme von Interesse, mit denen sich
das dynamische Verhalten beschreiben lässt. Diese Diagramme werden automatisch in Stochastische Petrinetze (GSPN) transformiert, um mit deren Hilfe Wahrscheinlichkeitsaussagen über
das System treffen zu können.
Im Rahmen des Projektes ERIKA wurde ermittelt, inwieweit sich diese Methode für die Modellierung von Geschäftsprozessen einsetzen lässt. Es wurde aus den Mitteln des Förderprogramms "Informations- und Kommunikationstechnik" des Freistaates Bayern gefördert.
Projektbeteiligte waren (neben dem Lehrstuhl III) die MID GmbH, die BIK GmbH sowie der
Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik II.
Bei der Geschäftsprozessmodellierung spielen Ressourcen und deren durch Aktivitäten gesteuerte Zustandsübergänge eine zentrale Rolle. Das Verhalten der Ressourcen kann mittels der
UML-Zustandsdiagramme detailliert modelliert werden. Die UML-Aktivitätsdiagramme ermöglichen die Beschreibung der Geschäfts-Aktivitäten und erlauben durch einige Erweiterungen auch die zielgerichtete Beeinflussung von Zustandsübergängen der Ressourcen.
Bei der Modellierung des Geschäftsablaufes kann der Anwender vorgefertigte Ressourcen verwenden, von denen er nur die Schnittstellen nach außen, nicht aber ihr detailliertes Verhalten
kennen muss. Dadurch kann er sich auf seinen gewünschten Prozess konzentrieren und muss
nicht über Spezialwissen zu Modellierungsdetails verfügen. Dies bleibt dem Ressourcendesigner vorbehalten, der Zustandsdiagramme und dazu passende Treiber-Aktivitätsdiagramme er-
38
3.3
Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur)
stellt, die das "Eigenleben" der Ressource beschreiben.
Die im Projekt ERIKA bis zum Abschluss am 31.08. 2003 erzielten Ergebnisse wurden in einem Schlussbericht zusammengefasst. Diese Ergebnisse werden, wie auch die mit Hilfe des erstellten Prototypes der Transformationssoftware erzielten Erkenntnisse, in die Planung der
nächsten Version des UML-Werkzeuges Innovator einfließen.
Publikationen
0XX
1. Dal Cin, Mario: Linking Business Process Models with Performance and Dependability.
In: unbekannt (Hrsg.) : Proc. IFIP WG 10.4 Meeting (IFIP WG 10.4 Meeting unbekannt). 2001, S. 209-212.
2. Kreische, David: Performance and Dependability in Business Process Modeling. In: Uni
Erlangen, Institut für Informatik 3 (Hrsg.) : 5th Int. Workshop on Performability Modeling of Computer and Communication Systems (PMCCS 5). Bd. 34/13. Erlangen : xxx,
2001, S. 6-10.
3. Butscher, R.; Keck, J.; Kreische, David; Pera O.: Projekt ERIKA - Schlussbericht.
Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 2003. - Abschlußbericht
3.3 FAUmachine-Simulationsumgebung (DBench-Projekt)
Projektleitung:
Dr.-Ing. Volkmar Sieh
Beteiligte:
Dr.-Ing. Kerstin Buchacker, Dr.-Ing. Oliver Tschäche, Dipl.-Inf. Hans-Jörg Höxer,
Dipl.-Inf Martin Waitz
Beginn: 1.1.2001
Förderer:
EU
Kontakt:
Dr.-Ing. Volkmar Sieh
Tel.: +49.9131.85.27998, Fax: +49.9131.85.27239
E-Mail: [email protected]
Für das DBench-Projekt (Dependability Benchmarking) wurde das FAUmachine-Projekt (ehemals UMLinux) weiterentwickelt. UMLinux ist eine Portierung des Standard-Linux-Kernels
auf eine virtuelle Maschine. Als virtuelle Maschine sind alle Rechner mit Unix-ähnlichem Betriebssystem denkbar. Für den Prototyp der Implementierung wurden PCs mit Linux verwendet.
Das portierte Linux ist binär-kompatibel zum Standard-Linux. Damit können alle Linux-Programme und alle Linux-Distributionen auf diesen UMLinux-Rechnern laufen. Dadurch, dass es
auf diese Weise möglich ist, mehrere simulierte Rechner auf einem physikalischen Host zu
,booten" und über Internet miteinander zu verbinden, können ganze Rechnernetze simuliert
39
Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur)
3.3
werden. Jeder virtuelle Knoten ist ein Prozess auf einem realen Rechner. Da Prozesse durch Debugger gut beobachtet und bei Bedarf auch gesteuert werden können, kann mit Hilfe dieser Methode das simulierte System von außen sehr gut beeinflusst werden. Dies wurde genutzt, um die
virtuellen Rechner automatisch booten bzw. anhalten zu können. Außerdem können über die
Debugger-Schnittstelle auch Fehler in die Systeme injiziert und deren Auswirkungen beobachtet werden. Zur Zeit sind folgende Fehlertypen implementiert: Platten-, Netzwerk-, Speicherund Registerfehler. Damit ist es erstmalig möglich, Reaktionen selbst sehr großer Systeme auf
Fehler zu beobachten.
Der FAUmachine-Simulator wurde um einen Just-In-Time-Compiler (JIT) für x86-Code erweitert. Der JIT ersetzt ,just in time" alle speziellen, nur im Kernel-Mode ausführbaren AssemblerBefehle durch Simulator-Aufrufe. Alle anderen Befehle werden unverändert übernommen. Lediglich Adressen werden angepasst um den veränderten Befehlslängen gerecht zu werden.
Damit ist es jetzt möglich, unmodifizierten Code ablaufen zu lassen. Lediglich der Adressraum
des zu startenden Binaries muss gegebenenfalls angepasst werden. Der Einsatz von z.B. OpenBSD, FreeBSD oder auch Solaris auf FAUmachine wird damit prinzipiell möglich.
Um auch Betriebssysteme auf FAUmachine einsetzen zu können, deren Source-Code nicht frei
zugänglich ist (z.B. Windows), muss das Linux-Betriebssystem selbst modifiziert werden. Es
muss möglich sein, den gesamten Adressraum eines x86-Prozessors (4 GB) für Benutzerprogramme verwenden zu können. Zur Zeit sind ,nur" 3 GB virtueller Adressraum verfügbar. Eine
derartige Änderung des Original-Linux-Kernels ist geplant.
Um den Boot-Prozess der FAUmachine mehr den echten Gegebenheiten anzupassen, wurde die
Maschine um ein zusätzliches BIOS, der simulierte Prozessor um einen Real-Mode erweitert.
Jetzt sind nicht nur modifizierte Kernels, sondern auch modifizierte Boot-Loader (z.B. lilo,
grub, syslinux usw.) lauffähig. Somit wird jetzt ohne externe Konfiguration des virtuellen Rechners die Installation einer RedHat-, SuSE oder Debian-Distribution Out-of-the-Box möglich.
Zusätzlich zur effizienten Simulation von Linux-PCs können auch weitere Geräte in ihrem Verhalten nachgebildet werden. Interessant ist auch die Simulation von Benutzern. Somit ist es jetzt
erstmals möglich, ganze Netze von Rechnern, Peripheriegeräten sowie mit den Geräten arbeitende Benutzer zu modellieren und diese Modelle effizient auszuwerten.
Da diese simulierten Hardware-Komponenten und die Benutzer alle parallel arbeiten können,
war die bisher vorhandene serielle Experimentsteuerung nicht mehr ausreichend. Sie wurde von
einer auf Tcl/Tk-basierenden Lösung auf einen VHDL-Interpreter umgestellt. Der VHDL-Interpreter wurde von Grund auf neu entwickelt. Die Implementierung wird auch im folgenden
Jahr weiter vervollständigt. Um die Vorteile der FAUmachine-Modellierungs- und Simulationsumgebung zu demonstrieren, wurde ein größeres Modell aufgebaut. Das Modell basiert auf
dem handelsüblichen TPC-C-Benchmark. Es wurde abgewandelt, um auch während des normalen Betriebs auftretende Fehler mit in die Benchmark-Ergebnisse einfließen lassen zu können.
Das Modell beschreibt 6 miteinander kommunizierende Rechner, 16 serielle Terminals sowie
12 Benutzer, die an den Terminals die TPC-C-typischen Eingaben vornehmen.
Publikationen
0XX
1. Buchacker, Kerstin; Sieh, Volkmar: Framework for Testing the Fault-Tolerance of Systems Including OS and Network Aspects. In: IEEE (Hrsg.) : Proc. of High-Assurance
SystemEngineering Symposium HASE-2001 (High-Assurance SystemEngineering
Symposium HASE-2001 Boca Raton 22.-24.10.2001). 2001, S. 95-105.
40
3.4
Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur)
2. Sieh, Volkmar; Buchacker, Kerstin: Testing the Fault-Tolerance of Networked Systems.
In: U. Brinkschulte; K.-E. Grosspietsch; C. Hochberger; E. W. Mayr (Hrsg.) : ARCS
2002, Workshop Proceedings (International Conference on Architecture of Computing
Systems ARCS 2002 Karlsruhe 08.-11.04.02). 2002, S. 37-46. - ISBN 3-8007-2686-6
3. Höxer, Hans-Jörg; Sieh, Volkmar; Buchacker, Kerstin: UMLinux - A Tool for Testing a
Linux System’s Fault Tolerance. In: LinuxTag 2002 (Hrsg.) : LinuxTag 2002 (als CD
erschienen) (LinuxTag 2002 Karlsruhe 06.-09.06.02). 2002, S. 1-10.
4. Buchacker, Kerstin; Dal Cin, Mario; Höxer, Hans-Jörg; Karch, R.; Sieh, Volkmar;
Tschäche, Oliver: Reproducible Dependability Benchmarking Experiments Based on
Unambiguosus Benchmark Setup Descriptions. In: IEEE Computer Society (Hrsg.) :
Proceedings of the International Conference on Dependable Systems (International Conference on Dependable Systemsand Networks San Francisco, CA June 22nd - 25th).
2003, S. 469-478.
5. Buchacker, Kerstin; Höxer, Hans-Jörg; Sieh, Volkmar: UMLinux als Sandbox.
In: Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik/SecuMedia Verlags-GmbH
(Hrsg.) : IT-Sicherheit im verteilten Chaos (8. Deutscher IT-Sicherheitskongress des
BSI Bonn - Bad Godesberg 13.-15. Mai 2003). 2003, S. 409-423.
6. Höxer, Hans-Jörg: System im System. In: Linux-Magazin 12/2003 (2003), S. 88-91
7. Tschäche, Oliver: Dependability Benchmarking of Linux based Systems. In: n.b. (Hrsg.)
: Proceedings Informatik 2003, Beiträge des Schwerpunkts Sicherheit - Schutz und Zuverlässigkeit (Informatik 2003, Beiträge des Schwerpunkts Sicherheit - Schutz und Zuverlässigkeit Frankfurt 2003). 2003, S. 237-248.
8. Buchacker, Kerstin; Dal Cin, Mario; Höxer, Hans-Jörg; Sieh, Volkmar; Tschäche, Oliver; Waitz, Martin: Hardware Fault Injection with UMLinux. In: n.b. (Hrsg.) : Proceedings of the 2003 International Conference on Dependable Systems and Networks (2003
International Conference on Dependable Systems and Networks San Francisco (CA)
June 22-25, 2003). 2003, S. 670.
3.4 IP2 (Intellectual Property Prinzipien für konfigurierbare Basisband
SoCs in Internet-Protokoll basierten Mobilfunknetzen)
Projektleitung:
Prof. Dr. Dr. h.c. Mario Dal Cin,
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Stefan Gossens, Fang Fang Wang, M.Sc.
Stichwörter:
Formal Specification von ASICS; Testfallbewertung; Generierung von VHDLCode; Intellectual Property; CAE-Methoden
Laufzeit: 1.1.2002 - 31.12.2003
41
Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur)
3.4
Förderer:
BMBF
Lucent Technologies Network Systems GmbH
Mitwirkende Institutionen:
Lehrstuhl für Rechnergestützten Schaltungsentwurf
Lucent Technologies Network GmbH
Infineon Technologies AG
PACT Informationstechnologie GmbH
Nokia Research Center
Technische Universität Dresden
Kontakt:
Dipl.-Inf. Stefan Gossens
Tel.: +49.9131.85.27910, Fax:.+49.9131.85.27239
E-Mail: [email protected]
Das Projekt "IP2" zielt auf neuartige EDA-Methoden und Produkte für zukünftige Generationen
von Mobilfunksystemen. Arbeitsinhalte sind die Erforschung neuartiger anwendungsspezifischer CAE-Methoden, wie angepasste Prinzipien des Intellectual Property und architekturgenaues Prototyping sowie ihre produktive Verwertung bei der Ausarbeitung und Optimierung
neuartiger konfigurierbarer System-on-Chips (SoCs). Diese sollen in zukünftigen Internet Protocol basierten Mobilfunknetzen zum Einsatz kommen. Unterstützt werden sowohl existierende
GSM-basierte Netzwerke und ihre GPRS-Derivate, als auch neue UMTS-basierte und Hiperlan-Lösungen, um mobile Datenraten von weit über 2 Mb/s zu erzielen. Dabei soll die Wettbewerbsfähigkeit durch das Setzen von Standards in diesem Bereich erfolgreich umgesetzt
werden.
Publikationen
0XX
1. Haas, W.; Heinkel, U.; Gossens, Stefan: Behavioural Specification for Advanced Design
and Verification of ASICs (ADeVA). In: Jürgen Ruf (Hrsg.) : Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen (Berichte aus der Informatik) (GI/ITG/GMM-Workshop Methoden und
Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen Tübingen 25.-27. Februar 2002). Aachen : Shaker Verlag, 2002, S. 96-105.
2. Gossens, Stefan: Enhancing System Validation with Behavioural Types. In: unbekannt
(Hrsg.) : Proceedings 7th IEEE/IEICE International Symposium on High Assurance Systems Engineering, Tokio, Japan 23.-25. Oktober 2002. Los Alamitos : IEEE Computer
Society, 2002, S. 201-208.
3. Haas, W.; Heinkel, U.; Gossens, Stefan: Integration of Formal Specification into the
Standard ASIC Design Flow. In: Proc. 7th IEEE/IEICE International Symposium on
High Assurance Systems Engineering, Tokio, Japan 23.-25. Oktober 2002. Los
Alamitos : IEEE Computer Society, 2002, S. 189-194.
4. Gossens, Stefan: Verifikation durch Kontrollflussuntersuchung. In: Jürgen Ebert; Bernt
Kullbach; Franz Lehner (Hrsg.) : 4. Workshop Software Reengineering, Fachbericht In42
3.5
Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur)
formatik 9/2002 der Universität Koblenz-Landau (4. Workshop Software Reengineering
Bad Honnef 29.-30. April 2002). Koblenz : Universität Koblenz, 2002, S.
5. Haas, W.; Bürner, T.; Gossens, Stefan; Heinkel, U.: Formal Specification of a 40GBit/s
Sonet/SDH ASIC with ADeVA. In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of Forum on specification and
Design Languages 2003 (FDL’03) (Forum on specification and Design Languages 2003
(FDL’03) Frankfurt September 2003). 2003, S.
3.5 Modellierung und Bewertung verlässlicher Systeme
Projektleitung:
Prof. Dr. Dr. h.c. Mario Dal Cin
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Stefan Gossens, Dipl.-Inf. Konstantinos Kosmidis,
Dipl.-Inf. David Kreische, Dipl.-Inf. Matthias Sand, F. Wang
Laufzeit: 1.1.2003 - 31.12.2003
3.5.1
Simulative Auswertung von UML-Statecharts
Die Bewertung von Systemen bezüglich Fragen der Fehlertoleranz und Verlässlichkeit gewinnt
heuzutage durch den steigenden Einsatz eingebetteter Systeme immer mehr an Bedeutung. Dabei ist es besonders wichtig, das System frühzeitig - basierend auf dem Systemmodell - zu analysieren und auszuwerten. Der Ausgangspunkt dabei sind UML-Modelle (UML-Statecharts).
Die UML hat sich in den letzten Jahren als der De-Facto-Standard der Industrie etabliert und
liegt mittlerweile in der Version 2.0 vor.
Durch die vollständige Transformation der Statecharts in Stochastic-Reward-Nets wird es dem
Modellierer ermöglicht, seine Modelle sowohl analytisch als auch simulativ auszuwerten. Dabei war es besonders wichtig, alle Modellelemente der UML-Statecharts zu berücksichtigen und
nicht nur eine beschränkte Menge zu transformieren. Der Modellierer muss dadurch nicht auf
bestimmte Konzepte verzichten, die evtl. nicht in Stochastic-Reward-Netze gemappt werden
konnten.
Die größte Herausforderung bei der Transformation bestand darin, die Step-Semantik der
UML-Statecharts in die Interleaving-Semantik der Stochastic-Reward-Nets zu überführen.
In einem Statechart können mehrere Transitionen gleichzeitig (im gleichen Step) schalten. Im
Petri-Netz dagegen schaltet immer nur eine Transition, auch wenn mehrere Transitionen aktiviert sind und schalten könnten. Dies würde bedeuten, dass das Petri-Netz in einen Zustand
kommt, der im Statechart gar nicht möglich ist. Um dieses Problem zu lösen, mußten alle Transitionen im Statechart, die gleichzeitig schalten können, zu einer Transition im Petri-Netz verschmolzen werden. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn das gleiche Event mehrere
Transitionen triggert.
Bei Complition Transitionen - Transitionen die ohne Event getriggert werden und schalten können sobald der Eingangszustand der Transition betreten wird und alle evtl. vorkommenden Entry- und Exit-Events generiert werden - tritt diese Problematik nicht auf, da laut UML-Standard
alle Complition Transitionen nacheinander schalten, was der Interleaving-Semantik des Petri
Netzes entspricht.
43
Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur)
3.5.2
Desweiteren wurden Regeln über das Eventhandling aufgesetzt. Dieser Schritt war notwendig,
da im UML-Standard nichts über die Reihenfolge der Generierung und Bearbeitung von Events
ausgesagt wird. Der Transformator generiert aus dem Modell, welches im XMI-Format vorliegt, das entsprechende Stochastic-Reward-Net. Die UML-Modelle können dabei mit unterschiedlichen CASE-Tools erstellt werden. Im Moment werden die Tools Poseidon/Gentleware,
Innovator/MID und Rational Rose/IBM unterstützt. Weitere Tools können berücksichtigt werden sobald sie einen XML-Export des Systemmodells unterstützen.
Der Simulator simuliert das Stochastic-Reward-Net und somit auch das komplette StatechartModell. Daraus können dann entsprechende Informationen über das System gewonnen werden.
Eine analytische Auswertung des Modells ist unter der Voraussetzung möglich, , dass der Zustandsraum nicht explodiert, was insbesondere bei komplexeren Modellen der Fall sein kann.
Dies könnte durch eine Vereinfachung des Systemmodells evtl. umgangen werden, was meist
zu trivialen Modellen führt. Deshalb ist in solchen Fällen die simulative Auswertung des kompletten Modells vorzuziehen. (K. Kosmidis)
3.5.2
Patterns und Szenarien in UML
Die Erarbeitung einer semantisch fundierten Darstellung von Patterns und Szenarien mittels der
UML und von Verfahrenzur Verifikation von Implementationen gegen solche Spezifikationen
wurde fortgesetzt.
Zur Darstellung sowohl von Anforderungen an die Implementation eines Systems als auch von
Patterns, die im Rahmen der Implementation eine Rolle spielen sollen, eignet sich aus dem Repertoire der Sprachelemente der UML besonders das der Kollaboration, das eine Menge von
Objekten, die jeweils in bestimmten, konkreten Rollen auftreten, zueinander in Beziehung setzt
und ihre zum erreichen bestimmter Ziele erforderlichen Interaktionen (Szenarien) als Sequenzen von ausgetauschten Nachrichten beschreibt. Für die Darstellung der Implementation des
Systems dienen in erster Linie Klassendiagramme für die statische Struktur, sowie Zustandsdiagramme (State Charts) für die Verhaltensbeschreibung. Zwischen Systembeschreibung auf der
einen und Szenarien auf der anderen Seite soll nun ein Abgleich realisiert werden, der sie auf
Konsistenz prüft. Hierfür ist es erforderlich, die Semantik aller verwendeten Bestandteile der
UML in geeigneter Weise formal zu spezifizieren. Daran wird derzeit hauptsächlich gearbeitet.
Auf methodischer Seite zeigte sich, dass es sinnvoll ist, ein UML-Profil zu entwerfen, das die
Anbindung und Einbettung von Patterns in Modelle für den Anwender erleichtert und durch geeignete Einschränkungen und -- nicht zuletzt -- Dokumentation dem Modellierer eine Orientierungsrichtlinie für den Patterneinsatz an die Hand gibt. Die detaillierte Erarbeitung eines
solchen Profils bildet das Hauptziel der Arbeit für die nähere Zukunft. (M. Sand)
3.5.3
Spezifikation von Systemen und Komponenten durch formale und semiformale
Methoden
Die Arbeiten zum BMBF-geförderten Projekt "Intellectual Property Prinzipien für konfigurierbare Basisband SoCs in Internet-Protokoll-basierten Mobilfunknetzen (IP2)" (Ekompass-Förderschwerpunkt) wurden weitergeführt.
Das Projekt IP2 zielt auf neuartige EDA-Methoden und Produkte für zukünftige Generationen
von Mobilfunksystemen. Arbeitsinhalte sind die Erforschung formaler Methoden zur Spezifikation protokollverarbeitender, reaktiver Systeme, neuartiger anwendungsspezifischer CAEMethoden, wie angepasste Prinzipien des Intellectual Property und architekturgenaues Prototy44
3.5.3
Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur)
ping sowie ihre produktive Verwertung bei der Ausarbeitung und Optimierung neuartiger konfigurierbarer System-on-Chips (SoCs). Diese sollen in zukünftigen Internet Protokoll-basierten
Mobilfunknetzen zum Einsatz kommen. Unterstützt werden sowohl existierende GSM-basierte
Netzwerke und ihre GPRS-Derivate, als auch neue UMTS- und Hiperlan-basierte Lösungen,
um mobile Datenraten von weit über 2 Mb/s zu erzielen. Dabei soll die Wettbewerbsfähigkeit
durch das Setzen von Standards in diesem Bereich erfolgreich verbessert werden.
Ziel des Projekt-Arbeitspaketes 1, in dem Lucent Technologies, der Lehrstuhl für rechnergestützten Schaltungsentwurf und der Lehrstuhl 3 kooperieren, ist die Entwicklung einer formalen
Spezifikationsmethodik speziell für reaktive Systeme. Das Leistungsvermögen formaler Spezifikationsverfahren hinsichtlich praktischer Anforderungen wurde analysiert und basierend auf
Forschungen aus dem Bereich der Software Entwicklung wurde die existierende Notation SCR
(Software Cost Reduction) zur Sprache ADeVA (Advanced Design and Verification of ASICs)
erweitert, um asynchrones Verhalten auf Systemebene beschreiben zu können. Erste Ergebnisse
wurden in Form einer Studie umgesetzt. Bei dieser Transformierung vorhandener, natürlich
sprachiger Spezifikationen in eine formale Spezifikation ließen sich vielversprechende Ergebnisse zeigen, besonders hinsichtlich der Skalierbarkeit auf industrielle Designgrößen.
Mit der abstrakten Systemspezifikation als Basis wird die Verbindung zwischen formalen Methoden und simulationsbasierten Verfahren angestrebt in der Art, dass aus der formalen Spezifikation Simulationsstimuli und Verifikationspfade abgeleitet werden. Dies wird durch das
Werkzeug Guwen geleistet, welches mittels Modellprüfung den Zustandsraum von ADeVASpezifikationen exploriert und dabei Testpfade bestimmt. Die Arbeiten an Guwen wurden 2003
begonnen und ergaben eine erste prototypische Version.
Projektübergreifend kooperiert IP2 mit dem Projekt VALSE-XT, ebenfalls aus dem EkompassFörderschwerpunkt, welches u.a. Schnittstellen zwischen der ADeVA Methodik und formaler
Modellprüfung untersucht. Ziel ist es, Eigenschaftsprüfungen speziell für ASIC Komponenten
auf Systemebene durchführen zu können. (S. Gossens, F. Wang)
Publikationen
0XX
1. Heinkel U.; Mayer C.; Pleickhardt J.; Knäblein J.; Sahm H.; Webb C.; Haas W.; Gossens, Stefan: An Optimized Flow for Designing high-speed, large-scale CMOS ASIC
SoCs. In: n.b. (Hrsg.) : Proc. SAMOS III Workshop: Systems, Architectures, MOdeling,
and Simulation (SAMOS III Workshop: Systems, Architectures, MOdeling, and Simulation Samos, Greece July 2003).
2. W. Haas; Gossens, Stefan; U. Heinkel : Semantics of a Formal Specification Language
for Advanced Design and Verification of ASICs (ADeVA). In: n.b. (Hrsg.) : Proc. 11th
E.I.S.-Workshop (11th E.I.S.-Workshop Erlangen April 2003). 2003, S. 51-56.
3. Heinkel U; Mayer C.; Pleickhardt J.; Knäblein J.; Sahm H.; Webb C.; Haas W.; Gossens,
Stefan: Specification, Design and Verification of Systems-on-Chip in a Telecom Application. In: n.b. (Hrsg.) : Proc. 11th E.I.S.-Workshop (11th E.I.S.-Workshop, Erlangen
April 2003). 2003, S. 40-50
4. Gossens, Stefan; Dal Cin, Mario: Strukturelle Analyse explizit fehlertoleranter Programme. In: n.b. (Hrsg.) : Proc. 5th Workshop Software-Reengineering (5th Workshop Software-Reengineering Bad Honnef May 2003).
45
Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur)
4
4
Veröffentlichungen und Vorträge
4.1 Veröffentlichungen
0XX
1. Bellosa, Frank; Weißel, Andreas; Waitz, Martin; Kellner, Simon: Event-Driven Energy
Accounting for Dynamic Thermal Management. In: n.b. (Hrsg.) : Proceedings of the
Workshop on Compilers and Operating Systems for Low Power (COLP’03) (Workshop
on Compilers and Operating Systems for Low Power (COLP’03) New Orleans Sept.
2003). 2003, S.
2. Dal Cin, Mario; Kreische, David: Dependability Analysis of Business Process Models.
In: n.b. (Hrsg.) : Supplement of the Symposium on Dependable Systems and Networks
(DSN)2003 (Symposium on Dependable Systems and Networks (DSN)2003 San Francisco Juni 2003). Los Alamitos, CA : IEEE Computer Society, 2003, S. B24-B25.
3. Dal Cin, Mario: Extending UML towards a Useful OO-Language for Modeling Dependability Features. In: n.b. (Hrsg.) : Proceedings of the Workshop on Object-Oriented
Real-Time DependableSystems (WORDS F) 2003, Capri Mai 2003). Los Alamitos,
CA : IEEE Computer Society, 2003, S. 84- 90.
4.2 Vorträge
Dal Cin, M.: “Dependability Benchmarking”, Vorlesungsreihe Universität Leuven, September 2003.
Dal Cin, M.: “Dependability Benchmarking: the Erlangen approach”,
IFIP, Monterey, Sept. 2003.
Gossens, S.: “Abstraktion von Kontrollflüssen”, Universität Paderborn,
Januar 2003.
Gossens, S.: “Abstracting Control Flows”, Diskussionskreis Fehlertoleranz, EPFL Lausanne, März 2003.
Gossens, S.: “Strukturelle Analyse explizit fehlertoleranter Programme”,
5th Workshop Software-Reengineering, Bad Honnef, May 2003.
König, R.: “Concept Lattices”, Instytut Informatyki Uniwersytet Jagielloñski, Kraków, Polen, 10. Juni 200.3
König, R.: “Begriffsverbände: Implikationen und Assoziationsregeln”,
Kolloquium Math. Inst. der Univ. Bayreuth, 3. Juli 2003.
König, R.: “On the lattice of finite closure systems”, Séminaire Lotharingien de Combinatoire, Bertinoro, Italien, 22. September 2003.
König, R.: “Eine kombinatorische Eigenschaft gewisser 0-1-Matrizen”,
Theorietag der GI "Automaten und Formale Sprachen”, Herrsching, 1.
Oktober 2003.
Kosmidis, K.: "Modellieren eingebetteter Systeme mit UML" method
park Software AG, Erlangen, 11.06.2003.
46
4.3
Lehrstuhl für Informatik 3 (Rechnerarchitektur)
Wang, F: “Generierung von Testvorschlaegen aus tabellarischen Spezifikationen”, Kolloquium des Lehrstuhl 3, Dezember 2003.
4.3 Präsentationen
Asemann, P.; Buchacker, K.; Dedinski, I.; Höxer, H.-J.; Sieh, V; Tschäche, O: Präsentation FAUmachine auf der CeBIT in Hannover
(12.-19.3.2003).
5
Studien- und Diplomarbeiten
5.1 Studienarbeiten
• Heller, Bernd: Implementierung eines Assembler-Compilers für den Microcontroller MC68HC705J1A
5.2 Diplomarbeiten
• Ritter, Marcel: Design und Implementierung eines User-Mode-BIOS
• Karch, Roland: Implementation and Analysis of a Dependability Benchmark for the
Oracle-, Informaix- and PostgreSQL Database Servers
• Dedinski, Ivan: Untersuchungen von Möglichkeiten zur Portierung des UMLinux
auf das Windows Betriebssystem und Implementierung der wesentlichen Konzepte
47
Professur für Theoretische Informatik
1
Professur für Theoretische Informatik
Anschrift: Martensstr. 3, 91058 Erlangen
Tel.: +49.9131.8.27911
Fax.: +49.9131.85.27239
E-Mail: [email protected]
Leitung
Prof. Dr. rer. nat. Horst Müller
1
Einführung
Die Professur wurde 1972 durch die Berufung von Prof.Dr. Horst Müller (http://www3.informatik.uni-erlangen.de/Staff/htmuelle/htmuelle.html) erstmalig besetzt.
Sie ist dem Lehrstuhl Informatik 3 angegliedert.
2
Forschungsschwerpunkte
• Formalismen zur Beschreibung und Untersuchung von verteilten Systemen, insbesondere Parallelität, Nebenläufigkeit, Interaktion.
• Theorie der Petri-Netze
• Spezifikation und Verifikation
• Automaten/Labyrinth-Probleme
• Domino-Probleme (http://www3.informatik.uni-erlangen.de/Lehre/PerlenTheoInf/
Domino-Problem/Skript.html)
3
Forschungsprojekte
3.1 Grundlagen der Datenanalyse
Projektleitung:
Prof. Dr. rer. nat. Horst Müller
Beteiligte:
Dr.-Ing. Roman König
Beginn: 1.7.2002
48
3.2
Professur für Theoretische Informatik
Kontakt:
Dr.-Ing.Roman König
Tel.: +49.9131.85.27921, Fax:.+49.9131.85.27239
E-Mail: [email protected]
Die laufenden Arbeiten über Begriffsverbände wurden auch nach dem Wechsel zum
Lehrstuhl 3 fortgesetzt. Ein erstes Zwischenergebnis ist unter dem Titel "Endliche Hüllensysteme und ihre Implikationenbasen" erschienen. Die weiteren Studien betreffen die quantitative
Umsetzung der bisherigen Ergebnisse. Damit sollen verfeinerte Techniken bereitgestellt werden, um Abhängigkeiten zwischen Daten zu finden, wodurch die Anwendbarkeit der Ergebnisse stark erweitert wird, z.B. in Richtung auf das Themengebiet "Verlässliche Systeme".
Publikationen
0XX
1. König, Roman: Endliche Hüllensysteme und ihre Implikationenbasen. In: Séminaire Lotharingien de Combinatoire 49g (2003), Nr. p, S. 46pp
3.2 Kara, der programmierbare Marienkäfer
Projektleitung:
Prof. Dr. rer. nat. Horst Müller
Stichwörter:
Kara; Labyrinthproblem
Beginn: 1.11.2000
Mitwirkende Institutionen:
ETH Zürich, Gruppe EducETHch Informatik, Prof. J. Nievergelt
Kontakt:
Prof. Dr. rer. nat. Horst Müller
Tel.: +49.9131.85.27911, Fax:.+49.9131.85.27239
E-Mail: [email protected]
2003 ist im Springer Verlag das Lehrbuch "Reichert, Nievergelt, Hartmann: Programmieren mit
Kara - Ein spielerischer Zugang zur Informatik (ISBN 3-540-40362-0)" , das sich insbesondere
an Lehrer des Fachs Informatik richtet, erschienen. An der Bewertung der Dissertation von Raimond Reichert, die einem Großteil des Buchs zu Grunde liegt, war Prof. Müller als Gutachter
beteiligt. Beiträge unserer Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe der ETH Zürich sind in das
Buch eingeflossen (3.4 : Variante von Langton’s Ameise, 5.4 Nicht berechenbar: Kara, der
fleissige Biber, 3.5 Kara stößt an seine Grenzen : Labyrinthproblem). Das Buch wird ergänzt
durch die umfangreiche Sammlung von Aufgaben und Beispielen, die als kostenloses Begleitmaterial im Internet unter
http://www.educeth.ch/karatojava
zur Verfügung steht. Kara als Labyrinth-Bewältiger findet sich im Internet unter:
49
Professur für Theoretische Informatik
3.3
http://www.educeth.ch/informatik/karatojava/kara/karafuerprofis.html
Was ist Kara? Kara ist ein Marienkäfer, der in einer einfachen grafischen Welt auf dem Bildschirm lebt. Er kann programmiert werden, um in seiner Welt Aufgaben zu erledigen, zum Beispiel Kleeblätter zu sammeln. Kara wird in einer grafischen Entwicklungsumgebung programmiert. Anwender, insbesondere Schüler sollen in einer einfachen Umgebung einen Einstieg in
die Programmierung erhalten, ohne sich mit hochkomplexen Entwicklungsumgebungen herumschlagen zu müssen. Kara wird im Übungsbetrieb zur Lehre in Automatentheorie, insbesondere
für den Studiengang "Lehramt Informatik" und die Vorlesung "Automaten in Labyrinthen" verwendet.
In einer Erweiterung (Multi-Kara) des Kara-Systems können bis zu vier Karas gleichzeitig (nebenläufig) in der Welt herumkrabbeln, allerdings nicht echt parallel, sondern verzahnt (Interleaving). Angeregt durch J. Nievergelt wurden Untersuchungen zum gemeinsamen Parkettieren
durch mehrere Karas durchgeführt. Die Frage,ob das Verfahren von Blum-Kozen (Lösung des
Labyrinthproblems mit zwei endlichen Mäusen) mit zwei Karas ohne Spurlegung nachvollziehbar ist, konnte leider auch in diesem Jahr nicht entgültig geklärt werden. Für den Spezialfall eines rechteckigen Gebiets und kleine Einschränkungen für die relative Startposition der Karas
wurde bereits im Vorjahr eine Lösung des Parkettierungsproblems mit zwei bzw. drei Karas angegeben. Die Lösung läßt sich nicht direkt auf vier Karas übertragen. Einzelheiten sind im technischen
Bericht
http://www3.informatik.uni-erlangen.de/Publications/Reports/
RechteckParkettMit2Karas.pdf enthalten.
Publikationen
0XX
1. Müller, Horst: Parkettierung eines Rechtecks mit zwei Karas. Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 2002. - Interner Bericht
3.3 Petri-Netz-Kern
Projektleitung:
Prof. Dr. rer. nat. Horst Müller
Stichwörter:
Petri Netz Kern
Beginn: 1.10.1998
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Mitwirkende Institutionen:
Institut für Informatik, HU Berlin
Kontakt:
Prof. Dr. rer. nat. Horst Müller
Tel.: +49.9131.85.27911, Fax: +49.9131.85.27239
E-Mail: [email protected]
50
3.3
Professur für Theoretische Informatik
Der Petri-Netz-Kern (PNK) ist ein am Institut für Informatik der Humboldt-Universität zu Berlin entwickeltes Werkzeug, das eine Infrastruktur bereitstellt, um Ideen zur Analyse, Simulation
oder Verifikation von Petri-Netzen prototypisch in einem Werkzeug zu realisieren. PNK übernimmt dabei die Verwaltung des Netzes; die Netzstruktur kann über Aufrufe des Kerns abgefragt und modifiziert werden. PNK wird in seiner neuen Java-Version dazu benutzt, ein
Werkzeug zur Verifikation von höheren Petri-Netzen mit Hilfe von Zusicherungssystemen zu
entwickeln und zu erproben.
51
Professur für Theoretische Informatik
52
3.3
Lehrstuhl für Informatik 4
(Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
Anschrift: Martensstraße 1, 91058 Erlangen
Tel.: +49.9131.85.27277
Fax.: +49.9131.85.28732
E-Mail: [email protected]
Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schröder-Preikschat
Emeritus:
Prof. em. Dr. Fridolin Hofmann
Wiss. Mitarbeiter:
Dipl.-Inf. Jörg Barner
Dr.-Ing. Ulrich Becker
Dr.-Ing. Frank Bellosa
Dr.-Ing. Gunter Bolch
Dipl.-Inf. Meik Felser
Dipl.-Inf. Rüdiger Kapitza
Dr.-Ing. Jürgen Kleinöder
Dr.-Ing. Claus-Uwe Linster
Dipl.-Inf. Daniel Lohmann
Dipl.-Inf. Uwe Rastofer
Dipl.-Inf. Hans P. Reiser
Dipl.-Inf. Bernd Schnitzer
Dr.-Ing. Olaf Spinczyk
Dipl.-Inf. Christian Wawersich
Dipl.-Inf. Andreas Weißel
Dr.-Ing. Franz-Xaver Wurm
1
Einführung
Der Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme) wurde 1972 eingerichtet. Lehrstuhlinhaber von 1972 bis 2003 war Prof. Dr. Fridolin Hofmann.
Im Mai 2002 wurde Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schröder-Preikschat zum neuen Lehrstuhlinhaber
berufen.
Durch die einjährige Übergangszeit in der Prof. Hofmann und Prof. Schröder-Preikschat den
Lehrstuhl in kollegaler Leitung führten, konnte ein idealer Übergang ohne Beeinträchtigung der
Forschungsarbeiten und der Lehre erreicht werden.
53
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
1.1
1.1 Lehre:
• Systemprogrammierung
• Betriebssysteme
• Verteilte Systeme
• Spezialvorlesungen aus den Bereichen Betriebssysteme
• Middleware
• Systementwurf
• Modellierung und Leistungsbewertung
• Prozessautomatisierung, Echtzeitsystem
• Grundlagen der Informatik für Ingenieure und Naturwissenschaftler
2
Forschungsschwerpunkte
Der Fokus der Arbeiten des Lehrstuhls lässt sich am besten mit dem Begriff Operating Systems
Engineering charakterisieren. Der Begriff steht für die Kombination von Betriebssystemen und
Software Engineering, vor allem für Entwurf und Entwicklung verteilter und eingebetteter Betriebssysteme.
Familien-basierter Softwareentwurf in Kombination mit aspektorientierter Programmierung
und Merkmalsmodellierung (Feature Modelling) bilden die Basis für die Entwicklung hochgradig problem-spezifischer Lösungen sowohl für eingebettete Laufzeit- und Betriebssysteme als
auch für Middleware.
Die Arbeiten umfassen auch grundlegende Fragen von Betriebssystemarchitekturen und die
Entwicklung neuer, an heutige Rechner- und Anwendungsanforderungen angepasster Betriebssystemabstraktionen und -mechanismen. Daneben werden Fragen der Modellierung und Leistungsbewertung von Rechensystemen, Betriebssystemen, Verteilten Systemen und
Fertigungssystemen mit analytischen, numerischen und simulativen Methoden behandelt.
Adaptierbare Betriebssystemarchitekturen und Betriebssystem-Familien sind seit vielen Jahren
die zentralen Themenbereiche der Arbeitsgruppe. Ziel der Forschung ist, durch die Anpassbarkeit von Betriebssystem- und Kommunikationssystemsoftware sowohl an spezielle Anforderungen der Anwendung als auch an die jeweilige Hardwarearchitektur Synergieeffekte
zwischen diesen Ebenen zu ermöglichen.
Ein Schwerpunkt der Lehrstuhlkompetenzen ist die Entwicklung von Methoden und Techniken
zur Konstruktion der Softwareinfrastruktur für eingebette verteilte Systeme. Hiebei steht nicht
eine bestimmte Betriebssystemarchitektur (wie z. B. Mikrokerne) im Mittelpunkt, sondern Verfahren und Werkzeuge, die die einfache Erzeugung einer Vielzahl verschiedener Betriebssysteme aus wiederverwendbaren, architekturunabhängigen Bausteinen (Komponenten)
ermöglichen. Die Spanne des Einsatzbereichs kann von Betriebssystemen und Middleware für
komplexe verteilte General-purpose Systeme bis hin zu eingebetteten, verteilten und parallelen
Spezialsystemen und der Unterstützung für Echtzeit-Operationen von sicherheitskritischen Anwendungen gehen.
54
2.1
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
2.1 Gruppen
• ergoo - Erlangen Research Group on Distributed Objects and Operating Systems
(http://www4.informatik.uni-erlangen.de/DE/Research/ergoo/)
• Ana-Gruppe - Analytische Modelle und Prozeßautomatisierung
(http://www4.informatik.uni-erlangen.de/DE/Research/ana/)
2.2 Kooperationsbeziehungen
• Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) - Projektgruppe Adaptive
Systemsoftware
• Sun Microsystems
• Siemens ADT
• Universität Ulm, Abteilung Verteilte Systeme
• 3Soft, Erlangen
• IBM Zürich Research Lab
• School of Computing, University of Glamorgan
• Universität Passau, Lehrstuhl für Rechnerkommunikation- und Rechnernetze
• Duke University, Durham, North Carolina, USA
• University of Debrecen, Hungary
• Institute of Informatics, Technische Universität Tiflis/Georgien
3
Forschungsprojekte
3.1 AspectIX
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing Hauck, Franz J. (Universität Ulm)
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Rüdiger Kapitza, Dipl.-Inf. Hans P. Reiser, Dipl.-Inf. Andreas Schmied
Stichwörter:
Middleware; Fehlertoleranz; Autonomie; Verteilte Objekte; Codetransformation
55
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
3.1
Laufzeit: 1.9.1997 - 31.3.2005
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft, SUN Microsystems, Siemens ATD, 3Soft,
IBM Zürich Research Lab
Mitwirkende Institutionen:
Abteilung Verteilte Systeme, Universität Ulm
AspectIX ist eine Middleware-Architektur, die es Entwicklern ermöglicht, adaptierbare verteilte
Anwendungen zu schreiben. Adaptierbarkeit wird auf der Basis von verteilten Objekten erreicht. Diese Objekte können sich an die Anforderungen ihrer Benutzer anpassen. Diese Anforderungen werden in Form von Aspektkonfigurationen spezifiziert. Jeder Aspekt steht für
nichtfunktionale Eigenschaften des Objekts, z.B. die Aktualität von Ergebnisse oder der Grad
der Fehlertoleranz. Der AspectIX Object Request Broker (ORB) wird automatisch rekonfiguriert je nachdem welche Anforderungen von den jeweiligen Objekten an den ORB gestellt werden.
AspectIX basiert auf einem fragmentierten Objektmodell wie es auch in Globe (http://
www.cs.vu.nl/~steen/globe/) und SOS (http://www-sor.inria.fr/projects/sos/) benutzt wird. Ein
fragmentiertes Objektmodell erlaubt intelligente Fragmente auf der Seite des Benutzers eines
verteilten Objekts. Solche Fragmente ermöglichen es erst die Benutzeranforderungen geeignet
zu implementieren. AspectIX ist dabei vollständig interoperabel zu CORBA.
Aktuelle Teilprojekte
Aufbauend auf der grundlegenden Middleware-Architektur wird eine sich selbstorganisierende
Ablaufplattform entwickelt, die eigenständig Aufgaben der Ressourcenverwaltung, dynamischen Erzeugung, Migration und auch Partitionierung von Diensten übernehmen kann. Hierbei
werden zum einen die autonome Anpassung an Last, Anwendungskontext und Hardwaregegebenheiten, zum anderen auch auch Fragen bezüglich der Sicherheit und Vertrauenswürdigkeit
berücksichtigt werden.
Zur Unterstützung von Fehlertoleranz wird ein Rahmenwerk für die Entwicklung von fehlertoleranten verteilten Diensten erstellt, welches mit einer adaptierbaren Replikationsschicht verschiedene Mechanismen von einfachen Master-/Slave-Techniken bis hin zu byzantinischer
Fehlertoleranz bereitstellt. Dabei können die Mechanismen für einzelnen Dienste bedarfsgerecht ausgewählt und auch zur Laufzeit rekonfiguriert werden.
Mit flexiblen Codetransformationstechniken wird die Anwendungsentwicklung von autonomen
verteilten Anwendungen unterstützt; wesentliche Forschungspunkte sind dabei die Wiederverwendbarkeit und Komponierbarkeit von Transformationsbeschreibungen.
Förderung
AspectIX war Teil des OVEST (http://www4.informatik.uni-erlangen.de/Projects/OVEST/)
Projekts und wurde von der Bayerischen Forschungsstiftung und einigen Industriepartnern gefördert (SUN Microsystems, Siemens ATD, 3Soft). AspectIX wurde auch durch einen dedizierten IBM Partnership Award unterstützt. Zur Zeit wird AspectIX als DFG-Projekt finanziert.
Publikationen
0XX
1. Reiser, Hans P.; Franz J. Hauck; Rüdiger Kapitza; Andreas I. Schmied: Integrating Fragmented Objects into a CORBA Environment . In: Net.ObjectDays (Hrsg.) : Net Object
56
3.2
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
Days - Tagungsband (Net.ObjectDays 2003 Erfurt 22.-25.09.2003). Erfurt : tranSIT
GmbH, 2003, S. /. - ISBN 3-9808628-2-8
2. Kapitza, Rüdiger; Hauck, Franz J.: DLS: a CORBA service for dynamic loading of code
. In: Meersmann, Robert; Tahir, Zahir; Schmidt, Douglas C. (Hrsg.) : On The Move to
Meaningful Internet Systems 2003: CoopIS, DOA, and ODBASE (OTM Confederated
International Conferences Sicily Nov 3-7, 2003). 2003, S. 1333-1350.
3. Reiser, Hans P.; Martin Steckermeier; Hauck, Franz J.: IDLflex: A flexible and generic
compiler for CORBA IDL . In: Net.Object Days (Hrsg.) : Tagungsband Net.Object Days
(Net.Object Days Erfurt 13.-13.10.2001). 2001, S. 151-160. - ISBN 3-00-008419-3
4. Hauck, Franz J.; Becker, Ulrich; Martin Geier; Rastofer, Uwe; Erich Meier; Martin Stekkermeier: AspectIX: A quality-aware object-based middleware architecture . In: Kluver
(Hrsg.) : Proc. of the 3rd IFIP Int. Conf on Distrib. Appl. and Interoperable Sys. (DAIS)
(3rd IFIP Int. Conf. on Distrib. Appl. and Interoperable Sys. Krakow, Polen 17.19.10.2001). 2001, S. ?.
5. Hauck, Franz J.; Meier, Erich; Becker, Ulrich; Geier, Martin; Rastofer, Uwe; Steckermeier, Martin: A middleware architecture for scalable, QoS-aware and self-organizing
global services . In: Linnhoff-Popien, Claudia; Hegering, Heinz-Gerd (Hrsg.) : Trends
in distributed systems: towards a universal service market (Int. IFIP/GI Working Conference, USM 2000 München 12-14.9.2000). Berlin et al. : Springer, 2000, S. 214-229.
(LNCS Bd. 1890) - ISBN 3-540-41024-4
6. Geier, Martin; Steckermeier, Martin; Becker, Ulrich; Hauck, Franz J.; Meier, Erich; Rastofer, Uwe: Support for mobility and replication in the AspectIX architecture .
In: Demeyer, Serge; Bosch, Jan (Hrsg.) : Object-Oriented Technology, ECOOP’98
Workshop Reader (ECOOP’98 Brüssel 20-24.7.1998). New York : Springer, 1998, S.
325-326. - ISBN 3-540-65460-7
3.2 CiAO - CiAO is Aspect-Oriented
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schröder-Preikschat
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Daniel Lohmann, Dr.-Ing. Olaf Spinczyk, Syed Wasif Gilani
Stichwörter:
Betriebssystem; AOP; Produktlinie; Merkmal
Beginn: 1.3.2004
Das CiAO Projekt verfolgt die Entwicklung einer feingranularen Betriebssystem-Produktlinie
für eingebettete und tief-eingebettete Systeme. Durch die gezielte Anwendung von Aspekttechniken soll dabei ein bislang unerreichtes Maß an Granularität und Konfigurierbarkeit möglich
werden.
Bei der Entwicklung von Software-Produktlinien für hochgradig anwendungsangepasste Betriebssysteme schränken querschneidende Belange (crosscutting concerns) die maximal erreichbare Modularisierbarkeit und damit auch die Anwendungsanpassbarkeit,
57
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
3.3
Wiederverwendbarkeit und Wartbarkeit deutlich ein. Die aspektorientierte Programmierung
(AOP) hat sich als erfolgreiche Technik für den Umgang mit querschneidenden Belangen erwiesen. Für die Forschung im Bereich der Betriebssysteme ergeben sich damit neueinteressante
Möglichkeiten insbesondere zur automatisierten, werkzeuggestützten Maßschneiderung von
Systemfunktionen bzw. -komponenten, ohne dabei Wiederverwendbarkeit aufgeben zu müssen.
Im Rahmen dieses Vorhaben werden zwei Hauptziele verfolgt:
• Anwendung und Evaluation von Techniken der aspektorientierten Softwareentwicklung im Kontext des Baus von Betriebssystem-Produktlinien (product lines)
zur Unterstützung tief eingebetteter Anwendungen.
• Untersuchung ob es mit Hilfe von diesen Techniken möglich ist, Betriebssystembausteine architekturtransparent zu entwickeln, um so aus identischem Komponentencode wahlweise z.B. ein mikrokernbasiertes oder monolithisches System generieren zu können.
Publikationen
0XX
1. Lohmann, Daniel; Spinczyk, Olaf: Architecture-Neutral Operating System Components
. In: ACM SIGOPS (Veranst.) : Work-in-Progress Session (19th ACM Symposium on
Operating Systems Principles (SOSP03) Bolton Landing, NY, USA 19.-22.10.2003).
2003, S. 1.
3.3 D2AL
Projektleitung:
Dr.-Ing. Ulrich Becker
Beteiligte:
Dr.-Ing. Jürgen Kleinöder
Stichwörter:
Verteilungskonfiguration; verteilte Anwendungen; Migration; UML
Beginn: 1.1.1998
Im Projekt D2AL wird ein Ansatz zur Entwicklung verteilter objektorientierter Anwendungen
entwickelt. Ein wichtiger Aspekt bei verteilten Anwendung ist die konkrete Verteilung, d.h. die
Zuordnung von Objekten zu Ablauforten: Die konkrete Verteilung hat wesentlichen Einfluss
auf Anwendungseigenschaften wie Performanz und Ausfallsicherheit.
Der im Projekt verfolgte Ansatz ermöglicht es dem Software-Entwickler, die erforderliche Verteilung explizit mit der Verteilungskonfigurationssprache D2AL zu spezifizieren. Die Beschreibung der Verteilung erfolgt separat vom Quellcode der Anwendung, so dass eine Änderung der
Verteilung ohne Eingriff in den Quellcode möglich ist und die Implementierung weitgehend frei
von verteilungsspezifischem Code bleibt. Des weiteren ermöglicht D2AL die Formulierung der
Verteilungsanforderungen auf abstrakter Ebene: Unter Bezugnahme auf das UML-Modell der
Anwendung beschreibt der Entwickler, welche grundsätzlichen Einschränkungen bezülich der
58
3.4
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
Platzierbarkeit von Objekten existieren, und welche Objekte gemeinsam platziert werden sollten.
Die Umsetzung erfolgt durch eine Kombination von Präprozessor und Laufzeitsystem: Ein Präprozessor nimmt eine Instrumentierung des Quellcodes vor, durch den verteilungsrelvante Ereignisse abgefangen und an das Laufzeitsystem weitergereicht werden. Das Laufzeitsystem
ermittelt eine konkrete Verteilung und setzt diese in entsprechende Migrationsanweisungen um.
Publikationen
0XX
1. Becker, Ulrich; Hauck, Franz J.: D2AL: A design-based aspect language for distribution
control . In: Demeyer, Serge; Bosch, Jan (Hrsg.) : Object-Oriented Technology,
ECOOP’98 Workshop Reader (ECOOP’98 Brüssel 20-24.7.1998). New York : Springer, 1998, S. 420-421. (LNCS Bd. 1543) - ISBN 3-540-65460-7
2. Becker, Ulrich: Nauru: A concept for the management of object distribution . Erlangen :
FAU. 2002 (TR-I4-02-01). - Interner Bericht. 19 Seiten
3.4 Das JX Betriebssystem
Projektleitung:
Dr.-Ing. Jürgen Kleinöder
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Christian Wawersich
Dipl.-Inf. Meik Felser
Dr.-Ing. Michael Golm
Stichwörter:
Java, Betriebsystem, OS, operating system, components, objektorientiert, typesafe,
typsicher
Beginn: 1.1.1999
Kontakt:
Dr.-Ing. Jürgen Kleinöder
Tel.: +49.9131.85.28028, Fax: +49.9131.85.28732,
E-Mail: [email protected]
JX ist ein, auf Flexibilität und Robustheit ausgerichtetes, Java-Betriebssystem.
In der JX Architektur sind Anwendungen in gekapselte Domains gegliedert, die Javacode ausführen und für grundlegende Systemdienste auf den JX Kern zurückgreifen können. Der Kern
ist für den Systemstart, Kontextwechsel und grundlegendes Domainmanagement verantwortlich. Der Javacode ist in Komponenten organisiert, welche in die Domains geladen und, nach
einer Überprüfung durch den Bytecode Verifier, in Maschinencode übersetzt werden.
In den bekannten Betriebssystemen, ebenso wie in den traditionellen Mikrokernsystemen, basiert der Schutz einzelner Komponenten (Prozesse) auf separaten Adressräumen, welche von ei-
59
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
3.5
ner MMU bereitgestellt werden. In JX basiert der Schutz auf der Typsicherheit des JavaBytecodes.
Publikationen
0XX
1. Golm, Michael; Felser, Meik; Wawersich, Christian; Kleinöder, Jürgen: The JX Operating System . In: USENIX Association (Hrsg.) : General Track 2002 USENIX Annual
Technical Conference (2002 USENIX Annual Technical Conference Monterey, CA 1015 June 2002). 1. Aufl. 2002, S. pp. 45-58. - ISBN 1-880446-00-6
2. Golm, Michael; Bellosa, Frank; Kleinöder, Jürgen: Beyond Address Spaces - Flexibility,
Performance, Protection, and Resource Management in the Type-Safe JX Operating System . In: Hotos (Hrsg.) : HotOS 2001 (The 8th Workshop on Hot Topics in Operating
Systems Elmau/Oberbayern, Germany 20-23 May 2001). 2001, S. xxx.
3. Golm, Michael; Wawersich, Christian; Felser, Meik; Kleinöder, Jürgen: Understanding
the Performance of the Java Operating System JX using Visualization Techniques .
In: ACM (Hrsg.) : Proceedings of the Joint ACM Java Grande - ISCOPE 2002 Conference (JGI 02 Seattle, WA 3-5. 11. 2002). New York : ACM Press, 2002, S. 230. ISBN 1-58113-599-8
4. Felser, Meik; Golm, Michael; Wawersich, Christian; Kleinöder, Jürgen: Execution Time
Limitation of Interrupt Handlers in a Java Operating System . In: ACM (Hrsg.) : Tenth
ACM SIGOPS European Workshop (Tenth ACM SIGOPS European Workshop SaintEmilion, France 22-25 Sept. 2002). 2002, S. xxx.
5. Wawersich, Christian; Felser, Meik; Golm, Michael; Kleinöder, Jürgen: The Role of IPC
in the Component-Based Operating System JX . In: Dario A. Gutierrez; Spinczyk, Olaf;
Gal, Andreas; Paniti Netinant (Hrsg.) : Proceedings of the 5th ECOOP Workshop on Object-Orientation and Operating Systems (The 5th ECOOP Workshop on Object-Orientation and Operating Systems Malaga 11 Juni 2002). 1. Aufl. Malaga, Spain : SERVITEC,
2002, S. pp. 43-48. - ISBN 84-699-8733-X
6. Golm, Michael; Kleinöder, Jürgen: JX: Eine adaptierbare Java-Betriebssystemarchitektur . Erlangen : Universität Erlangen-Nürnberg. 2000 (TR-I4-00-09). - Interner Bericht.
2 Seiten
7. Golm, Michael; Felser, Meik; Wawersich, Christian; Kleinöder, Jürgen: A Java Operating System as the Foundation of a Secure Network Operating System . Erlangen : FAU.
2002 (TR-I4-02-05). - Interner Bericht
8. Golm, Michael; Wawersich, Christian; Felser, Meik; Kleinöder, Jürgen: ActiveStorage:
A Storage Server with Mobile Code Engine . Erlangen : Universität Erlangen-Nürnberg.
2001 (TR-I4-01-02). - Interner Bericht. 3 Seiten
9. Golm, Michael; Kleinöder, Jürgen: Ubiquitous Computing and the Need for a New Operating System Architecture . Erlangen : Universiät Erlangen-Nürnberg. 2001 (TR-I4-0109). - Interner Bericht. 4 Seiten
3.5 Dynamic Priority Scheduling
Projektleitung:
Dr.-Ing. Gunter Bolch
60
3.5
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Lassaad Essafi, Prof. Dr. Hermann de Meer
Stichwörter:
Priority; Scheduling; QoS; Internet; Differentiated Services; Call Centers
Laufzeit: 1.1.2000 - 31.12.2005
Kontakt:
Dr.-Ing. Gunter Bolch
Tel.: +49.9131.85.7903, Fax: +49.9131.85.28732,
E-Mail: [email protected]
Zur Erhöhung der Dienstgüte (Quality of Service, QoS) und zu Unterscheidung unterschiedlicher "Traffic Classes" des Internets wurden die Differentiated Services Architekturen (DiffServ) des Internets eingeführt (absolute, relative und proportional DiffServ) bei denen die
einzelnen Pakete unterschiedlichen Klassen (Traffic Classes, z.B. E-Commerce, Video, Videoconferenzen, Voice, Multimedia, Data, ...) zugeordnet werden. Dies wird im Header des Paketes
gekennzeichnet. Die Pakete werden dann an den einzelnen Stationen des Internets je nach Klassenzugehörigkeit unterschiedlich behandelt. Wichtige QoS Parameter der Stationen sind die
Wartezeit (Queueing Delay) und die Verlustrate (Loss Rate). Die DiffServ-Architekturen unterscheiden sich durch ihre Anforderungen an das Internet bezüglich der QoS-Parameter.
Bei der Proportional Diffserv-Architektur sollen die mittleren Wartezeiten (Queueing Delay)
der einzelnen Klassen nach Möglichkeit ein fest vorgebenes Verhältnis haben (z.B. könnte gefordert werden, dass die mittlere Wartezeit der nächstniedrigeren Klasse doppelt so lang sein
soll). In der Literatur wurde durch Simulation gezeigt, dass dies dadurch erreicht werden kann,
dass der Packet-Scheduler nach zeitabhängigen Prioritäten arbeitet. Dies konnten wir durch
analytische Ergebnisse bestätigen und es wurde ausserdem gezeigt, dass das vorgegebene Verhältnis nur im Hochlastbereich erreicht wird. Deshalb wurde ein verbesserter Scheduler entwikkelt, der die Bedingungen auch im mittleren Lastbereich erfüllt (Der untere Lastbereich ist
uninteressant, da es hier zu fast keinen Wartezeiten kommt). Dazu werden die Parameter der
zeitabhängigen Prioritäten an die aktuelle Auslastung angepasst. Bei nur zwei Klassen konnten
diese Parameter explizit berechnet werden, für mehrere Klassen wurde ein iteratives Verfahren
entwickelt, das allerdings nur approximative Werte liefert. Genauere Werte konnten durch Optimierung mit z.B. Genetischen Algorithmen (GA) erreicht werden. Da die Optimierung sehr
zeitaufwendig ist, kann sie nicht im online-Betrieb eingesetzt werden. Man berechnet die Parameter offline und legt sie in einer Lookup-Table ab aus der man dann online für die aktuelle Last
die Schedulingparameter ermitteln kann.
Für die Zeitäbhängigkeit der Prioritäten wurde ein einfacher linearer Verlauf angenommen.
Vermutungen, dass sich durch andere Zeitabhängigkeiten bessere Ergebnisse erzielen lassen,
konnten nicht bestätigt werden. Die bisherigen Untersuchungen wurden unter der Annahme eines Poisson-basierten Internetverkehrs durchgeführt. Zahlreiche Untersuchungen in den letzten
Jahren haben aber gezeigt, dass dieser Verkehr selbstähnlichen (self similar) Charakter hat. Die
laufenden Untersuchungen konzentrieren sich daher darauf festzustellen, ob die unter der Annahme eines Poissonverkhers gefundenen Parameter auch für selbstähnlichen Verkehr verwendet werden können. Dazu wird der Network Simulator (ns-2), der an der Universität von
Southern California entwikkelt wurde, verwendet. Dieser wurde im um einen Baustein zur Berücksichtung von Prioritäten und einen zusätzlichen Auswertebaustein erweitert.
61
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
3.6
Weitere Untersuchungen in diesem Bereich befassen sich mit der Ermittlung optimaler Schedulingparameter bei nichtexponentiell verteilten Internetverkehr. Dies kann nur mithilfe der Simulation geschehen und ist sehr zeitaufwendig. Da dies aber offline geschieht und die Einstellung
der Schedulingparameter online über eine Lookuptable erfolgt, ist dies ein realistischer Ansatz.
Desweiteren sollen bei der Ermittlung der Schedulingparameter nicht nur Mittelwerte des
Queueing Delays berücksichtigt werden sondern auch höhere Momente und insbesondere Varianzen. Neuere Untersuchungen haben ergeben, dass sich bei Call Centern ganz ähnliche Fragestellungen ergeben und dass auch hier zur Lösung zeitabhängige Prioritäten eingesetzt
werden können.
Publikationen
0XX
1. Anders, Annamaria; Bolch, Gunter; Essafi, Lassaad: An Adaptive Waiting Time Priority
Scheduler for the Proportional Differentiation Model . Erlangen : Universität ErlangenNürnberg. 2000 (TR-I4-00-06). - Interner Bericht. 14 Seiten
2. Essafi, Lassaad; Bolch, Gunter; de Meer, Hermann: Dynamic Priority Scheduling for
Proportional Delay Differentiated Services . Erlangen : FAU. 2001 (TR-I4-01-03). - Interner Bericht. 20 Seiten
3. Bolch, Gunter; Essafi, Lassaad: Time Dependent Priorities in Call Centers . In: Begain,
Khalid; Bolch, Gunter; de Meer, Hermann (Hrsg.) : 11th International Conference on
Analytical and Stochastic Modelling Techniques and Applications (ASMTA’04 Magdeburg 13.-16.06.2004). 2004, S. 116 - 122.
4. Andres, Annamaria; Bolch, Gunter; Essafi, Lassaad: An Adaptive Waiting Time Priority
Scheduler for the Proportional Differentiation Model . In: Society of Modelling and Simulation - SCS (Veranst.) : Proceedings of the High Performance Computing Symposium (High Performance Computing Symposium Seattle, USA April 22nd - 26th). 2001,
S. 322-330.
5. Bolch, Gunter; Essafi, Lassaad; de Meer, Hermann: Dynamic Priority Scheduling for
Proportional Delay Differentiated Services . In: Haverkort, Boudewyn (Hrsg.) : Proceedings of the 2001 Aachen International Multiconference on Measurement, Modelling
and Evaluation of Computer and Communication Systems (International Multiconference on Measurement, Modelling and Evaluation of Computer and Communication Systems Aachen, Germany September 11-14, 2001). 2001, S. 258-265.
6. Bolch, Gunter; Essafi, Lassaad; de Meer, Hermann: Performance Evaluation of Priority
based Schedulers . In: Wolfinger, Bernd (Hrsg.) : Bericht 242 des Fachbereichs Informatik der Universität Hamburg (2. MMB-Workshop: Leistungs-, Zuverlässigkeits- und
Verlässlichkeitsbewertung von Kommunikationsnetzen und verteilten Systemen Hamburg 19./20. September 2002). 2002, S. 77-84.
3.6 MOSEL - MOdelling, Specification and Evaluation Language
Projektleitung:
Dr.-Ing. Gunter Bolch
62
3.6
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Jörg Barner, Prof. Dr. Khalid Begain (Univ. Glamorgan, Wales), Prof. Dr.Ing. Helmut Herold ( FH Nürnberg)
Stichwörter:
stochastische Modellierung; leichtgewichtige formale Methode; Performance;
Zuverlässigkeit; Systementwicklung
Beginn: 1.6.1996
Mitwirkende Institutionen:
School of Computing, University of Glamorgan
Kontakt:
Dipl.-Inf. Jörg Barner
Tel.: +49.9131.85.7297, Fax: +49.9131.85.28732,
E-Mail: [email protected]
MOSEL ist eine formale Sprache zur Modellierung von Systemen, die sich als Diskretes Ereignissystem (discrete event system) auffassen lassen, wie z.B. viele Kommunikationssysteme,
Fertigungssysteme, in Automobile eingebettete Systeme. Die Modellbildung basiert auf den
folgenden Abstraktionen: Die von uns betrachteten Systeme bestehen in der Regel aus mehreren
Komponenten, die in asynchroner Weise nebeneinander ablaufen. Zur Erfüllung der gemeinsamen Aufgabe müssen die Systemkomponenten miteinander kommunizieren, was durch synchronen gemeinsamen Zustandsübergang der Kommunikationspartner erreicht wird. Ein
zentrales Konzept ist die Integration von stochastischer Zeitinformation bei der Modellierung:
die Verweildauern der Systemkomponenten in ihren Zuständen werden durch Zufallsvariablen
beschrieben. Die Parameter der den Zufallsvariablen zugeordeneten kontinuierlichen Wahrscheinlichkeitsverteilungen werden in der MOSEL-Spezifikation angegeben. Die mit MOSEL
erstellten Modelle können mit numerischen und simulativen Methoden auf ihre nichtfunktionalen, quantitativen Eigenschaften, wie z.B. Durchsatz, Ausfallwahrscheinlichkeit, zu erwartende
mittlere Dienstgüte (QoS-level, performability) untesucht werden. Die Stärke von MOSEL
liegt in der leicht verständlichen Syntax; die Dynamik des modellierten Systems wird durch einen Satz von Regeln in sehr kompakter und übersichtlicher Weise beschrieben. Identische
Komponenten eines Systems müssen nur einmal modelliert werden, wodurch auch die kompakte Darstellung komplexerer Systeme ermöglicht wird. Die Spache bildet das Kernstück einer
Modellierungsumgebung, mit der für die erstellten Modelle in benutzerfreundlicher, unkomplizierter Weise Lösungen für unterschiedliche Sätze von Eingangsparametern berechnet werden können. Die Modellierungsumgebung behinhaltet eine Komponente, mit der sich die
gewonnenen Lösungen in graphischer Form darstellen und weiterverarbeiten lassen.
Seit der Veröffentlichung der Monographie "Practical Performance Modeling. Application of
the MOSEL Language" (Kluwer Academic Publishers, 443 Seiten) im Jahre 2001, in welcher
die erste Version von MOSEL anhand zahlreicher Praxisbeispiele beschrieben wird, sind sowohl die Sprache als auch die zugehörige Modellierungsumgebung grundlegend überarbeitet
und wesentlich erweitert worden.
Im Berichtszeitraum wurde das Projekt in den folgenden Bereichen vorangetrieben:
63
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
3.6
• Die Version 2.0 der Sprache und Modellierungsumgebung entstand im Rahmen der
Diplomarbeit von Björn Beutel (DA Beutel (http://www4.informatik.uni-erlangen.de/Projects/MOSEL/Download/beutel03thesis.pdf),) welche die Integration
des Petri-Netz basierten Analysewerkzeuges TimeNet (http://pdv.cs.tu-berlin.de/
~timenet) zum Ziel hatte.
• Eine weitere Steigerung der Ausdrucksfähigkeit erfuhr die Sprache im Rahmen der
Studienarbeit von Patrick Wüchner (SA Wüchner (http://www4.informatik.unierlangen.de/Research/MOSEL/Download/wuechner03sa.pdf):) Ab der Version 2.2
von MOSEL stehen nun eine Reihe von nicht-exponentiellen Verteilungen zur
Modellierung der Verweildauern des Systems in seinen Zuständen zur Verfügung.
Die mit MOSEL-2.2 erstellten Modelle lassen sich mit der Simulationskomponente
des Petri-Netz basierten Werkzeuges SPNP 6.1 (http://www.ee.duke.edu/~kst/
software_packages.html) bewerten.
• Die neue MOSEL-Version wurde im Juni 2003 in einem Tutorium im Rahmen der
17. European Simulation Multiconference in Nottingham vorgestellt.
• Im konzeptionellen, methodologischen Bereich konzentriert sich die Forschung von
Jörg Barner auf die Entwicklung einer formal definierten Semantik, die den
MOSEL Spezifikationen zugrundeliegt. Es wurde ein operationelles semantisches
Modell für MOSEL mit echter Nebenläufigkeit entwickelt und gezeigt, wie das
semantische Modell mit einer Klasse von zeitkontuierlichen Stochastischen Prozessen, den sogenannten Generalisierten Semi-Markov Prozessen, korreliert. Zusammen mit der an die aktuelle Sprachversion angepassten formal definierten Syntax
und der erweiterten Modellierungsumgebung kann MOSEL nunmehr als vollständig formale Methode bezeichnet werden.
• Aufgrund der leichtverständlichen Syntax ist MOSEL auch für Softwareentwickler
interessant, die in den frühen Phasen des Systementwurfs Vorhersagen über die zu
erwartenden nichtfunktionalen Eigenschaften der geplanten Systeme gewinnen
möchten und mit MOSEL eine wertvolle Hilfe bei zu fällenden Designentscheidungen and die Hand bekommen.
• Um zu untersuchen, inwieweit die Modellierung und Bewertung von realen Systemen möglich ist, wurden detaillierte Modelle von WLAN-Netzwerken in MOSEL
modelliert, die sich mit noch vertretbarem Zeitaufwand simulativ lösen ließen.
• Patrick Wüchner hat Ende 2003 eine Diplomarbeit mit dem Titel "Performance
Modeling of Mobile Networks using MOSEL-2" begonnen, die er zum Teil in der
Arbeitsgruppe von Prof. Begain an der University of Glamorgan, Wales anfertigt.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden auch die Sprache und Modellierungsumgebung weiterentwickelt, so ist z.B. geplant, MOSEL um Konstrukte zur Spezifikation allgemeiner Verteilungen für die Verweilzeiten zu erweitern, die von einem
in die Modellierungsumgebung integrierten Präprozessor in äquivalente, aus mehreren exponentiell verteilten Phasen bestehende Ersatzdarstellung überführt werden. Dadurch können MOSEL-Modelle mit generell verteilten Verweilzeiten auch
64
3.7
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
mittels numerischer Verfahren analysiert werden. Die so erweiterte MOSEL-Version soll zur Zuverlässigkeits- und Leistungsbewertung von Mobilfunksystemen
der dritten und vierten Generation eingesetzt werden.
Publikationen
0XX
1. Barner, Jörg: Performance and reliability modelling with MOSEL-2 .Vortrag: Tutorial
Session, ASMTA-Track of the 17th European Simulation Multiconference: Foundations
for Successful Modelling & Simulation (ESM’03)., Nottingham Trent University, Nottingham, England, 9.6.2003
2. Beutel, Björn: Integration des Petrinetz-Analysators TimeNET in die Modellanalyseumgebung MOSEL . Erlangen, FAU, Dipl-Arb., 2003. - 110 Seiten.
3. Wüchner, Patrick: Erweiterung der Schnittstelle zwischen den Modellierungssprachen
MOSEL und CSPL um Simulationskonstrukte . Erlangen, FAU, Stud-Arb., 2003. - 97
Seiten.
4. Barner, Jörg; Bolch, Gunter: MOSEL-2: Modeling, Specification and Evaluation Language, Revision 2 . In: Sanders, William (Hrsg.) : Proceedngs of the 13th International
Conference on Modeling Techniques and Tools for Computer Performance Evaluation
(Performance TOOLS 2003 Urbana-Champaign, Illinois, 2 - 5.9 2003). 2003, S. 222230.
5. Wüchner, Patrick; Al-Begain, Khalid; Barner, Jörg; Bolch, Gunter: Modelling A Single
Gsm/Gprs Cell With Delay Tolerant Voice Calls Using Mosel-2 . In: United Kingdom
Simulation Society (Veranst.) : Proc. UKSIM 2004 (United Kingdom Simulation Society Conference 2004 St Catherine’s College, Oxford, England 29.-31.03 2004). 2004, S.
4-18.
6. Bolch, Gunter; Sztrik, Janos; Zreikat, Aymen: Performance Modeling of Non-homogeneous Unreliable Multi-Server Systems Using MOSEL . In: Computers and Mathematics with Applications 46 (2003), S. 293-312
3.7 PEPSY- Performance Evaluation and Prediction System
Projektleitung:
Dr.-Ing. Gunter Bolch
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Peter Bazan
Stichwörter:
Leistungsbewertung, Warteschlangennetze, Performance Evaluation, Modellierung
65
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
3.7
Laufzeit: 1.1.1995 - 31.12.2005
Kontakt:
Dipl.-Inf. Peter Bazan
Tel.: +49.9131.85.7409, Fax: +49.9131.85.28732,
E-Mail: [email protected]
Aufgrund des ständig wachsenden Bekanntheitsgrades ist die Zahl der Installationen des am
Lehrstuhl entwickelten Warteschlangenanalysetools PE PSY (Performance Evaluation and Prediction SYstem) weiter angestiegen. Weltweit gibt es derzeit ca. 50 Installationen. PEPSY besitzt eine komfortable graphische Benutzerschnittstelle XPEPSY, die es ermöglicht, das zu
analysierende Netz in einfacher Weise einzugeben. Daneben existiert eine einfache menue-gesteuerte Standardschnittstelle, die auf jedem Rechner mit einem C-Compiler anwendbar ist.
( http://www4.informatik.uni-erlangen.de/Projects/PEPSY/en/pepsy.html ).
Die Arbeiten an einer leistungsfähigen PC-Version von PEPSY (WinPEPSY) wurden fortgesetzt. Als Analyseverfahren dienen u.a. die Mittelwertanalyse (MVA), und die Mariemethode.
Zur Validierung und zur Analyse von Nichtproduktformnetzen wurde die Simulationskomponente von PEPSY in WinPEPSY integriert. Außerdem wurde zur Analyse von offenen Produktformnetzen die Jacksonmethode und für offene Nichtproduktformnetzen eine
Dekompositionsmethode implementiert. Hervorzuheben ist die Möglichkeit, die Ergebnisse tabellarisch oder in graphischer Form sehr übersichtlich darzustellen und in einfacher Weise auch
umfangreiche Experimente für ein gegebenes Warteschlangennetz durchzuführen.
( http://www7.informatik.uni-erlangen.de/~prbazan/pepsy ).
In einer Kooperation mit dem Lehrstuhl 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme) wird
WinPEPSY um Analysemethoden für Warteschlangennetze mit allgemeinen Verteilungen erweitert. Dabei soll auf die Modellierung durch Phasentypverteilungen verzichtet werden, um
dadurch das Problem der Zustandsraumexplosion zu vermeiden. Die Methode der zusätzlichen
Variablen erlaubt die Analyse solcher Wartesysteme, allerdings nur mit jeweils einer aktiven
allgemeinen Verteilung. Daher sollen neue zustandsbasierte Analysemethoden, basierend auf
der Methode der zusätzlichen Variablen, entwickelt werden, die es erlauben auch Wartesysteme
mit mehreren beliebigen Verteilungen der Bedienzeiten und Zwischenankunftszeiten zu analysieren. Die gefundenen Algorithmen sollen dann zur Analyse von Nichtproduktformnetzen als
Alternative zur Simulation oder der schon implementierten approximativen Verfahren in PEPSY integriert werden. Ein Schwerpunkt soll dabei auf heavy-taile-Verteilungen und die determini! stische Verteilung gelegt werden. Damit soll es möglich sein, den Einfluss von Verfahren
und Systemen zur Geheimhaltung, zur Authentifizierung, Gewährleistung der Integrität, sowie
zur Anonymisierung auf die Leistung (Durchsatz und Verzögerung) durch Wartesysteme zu untersuchen.
Publikationen
0XX
1. Bolch, Gunter; Greiner, Stefan; de Meer, Herrmann; Trivedi, Kishor: Queueing Networks and Markov Chains - Modeling and Performance Evaluation with Computer Science Applications . New York : Wiley, 1998. - 726 Seiten. ISBN 0-471-19366-6
2. Bazan, Peter; Bolch, Gunter; German, Reinhard: WinPEPSY-QNS Performance Evaluation and Prediction System for Queueing Networks . In: Begain, Khalid und de Meer,
Hermann; Bolch, Gunter (Hrsg.) : 11th International Conference on Analytical and
66
3.8
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
Stochastical Modelling Techniques and Applictions (ASMTA’04 Magdeburg 13. 16.06.04). 2004, S. 110 -115.
3. Bolch, Gunter; Kuki, Attila; Sztrik, Janos: Solving Queueing Problems with PEPSYQNS. . Debrecen : University of Debrecen, Institute of Mathematics and Informatics.
2000 (2000/16). - Interner Bericht. 8 Seiten
4. Bolch, Gunter; Kuki, Attila; Sztrik, Janos: Solving Queueing Problems by the Help of
WINPEPSY . In: University of Debrecen (Veranst.) : Proceedings of Informatics in the
Hungarian Higher Education (Informatics in the Hungarian Higher Education Debrecen,
Hungary). 2002, S. 47-51.
3.8 Power Management
Projektleitung:
Dr.-Ing. Frank Bellosa
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Andreas Weißel
Beginn: 1.1.2001
Eine Steigerung der Rechenleistung bei gleichzeitiger Miniaturisierung wird in kommenden
Rechnergenerationen nur möglich sein, wenn ein sinnvoller Umgang mit den vorhandenen Energieressourcen und eine Ableitung der entstehenden Wärme gewährleistet werden kann.
Der Energieverbrauch eines Rechners kann auf drei Ebenen beeinflusst werden: Verlustarme
Hardwarekomponenten können den Energieverbrauch unabhängig von der eingesetzten Software reduzieren. Ferner kann das Betriebssystem die Hardwarekomponenten in dem jeweils für
das Gesamtsystem optimalen Betriebsmodus fahren. Schließlich steigern verlustoptimierte Algorithmen der Daten- und Signalverarbeitung sowie energiearme Kommunikationsprotokolle
die Energieeffizienz der Hardware.
Die Maßnahmen der verlustoptimierten Hardware- wie auch der Algorithmen- und Protokollentwicklung zielen auf eine lokale Beeinflussung des Energieverbrauchs auf Ebene einzelner
Hardware- oder Softwarekomponenten ab. Hierbei bleiben die dynamisch variierenden energiespezifischen Eigenschaften und Anforderungen der Applikationen sowie des Gesamtsystems
verborgen und können daher nicht berücksichtigt werden.
Einzig das Betriebssystem kennt alle strukturellen Eigenschaften der Hardware wie auch der
laufenden Anwendungen. Damit werden Energiesparpotentiale ausgeschöpft, die mit Hardwaremaßnahmen allein nicht genutzt werden können. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem bislang wenig erforschten Gebiet der Betriebssystemstrategien zur Ermittlung, Steuerung und
Optimierung des Energieverbrauchs der wesentlichen Verbraucher in einem Rechnersystem:
des Prozessors, des Speichers und der Ein-/Ausgabegeräte. Die entwickelten Verfahren werden
mit realistischen Szenarien an mobilen Systemen, Arbeitsplatzrechnern und Servern evaluiert.
Energiebewusste Speicherverwaltung
Je effizienter der Prozessor mit der Energie umgeht (z.B. durch Frequenzanpassung), um so
67
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
3.8
mehr fällt der Energieverbrauch des Hauptspeichers ins Gewicht. Verfügt der Rechner über
mehrere Speicherbänke, kann dadurch Energie gespart werden, dass einzelne Speicherbänke
möglichst lange in einem tiefen Energieniveau gehalten werden. Dazu muss sich die Arbeitsmenge der gerade aktiven Prozesse in möglichst wenigen Speicherbänken befinden. Vorarbeiten im Rahmen einer Diplomarbeit [Obernolte03] lassen deutliche Energiesparpotentiale
erwarten.
Als Implementierungsplattform diente das Betriebssystem Linux. Die virtuelle Speicherverwaltung hält aktive Seiten in möglichst wenigen Bänken und lagert wenig verwendete Seiten in
Speicherbänke aus, die selten angesprochen werden sollen. Der Anwendungscode muss damit
weder modifiziert, neu compiliert noch durch eine spezielle virtuelle Maschine interpretiert
werden. Die energiebewusste Speicherverwaltung versucht bei einer Seitenallokation möglichst
die Speicherbänke zu verwenden, die bereits häufig referenziert werden. Ist dies nicht möglich,
wird versucht, andere Seiten dieser referenzierten Speicherbänke auszulagern oder eine auszulagernde Seite zu komprimieren. Durch Kompression des Speicherinhalts kann die Zahl der aktiven Speicherbänke weiter reduziert und der vorhandene Speicher intensiver genutzt werden.
Diese Einsparung von Energie wird durch den Energieverbrauch zur Komprimierung und Dekomprimierung im aktiven Betrieb erkauft. Das Energieverhalten von Speicherkompressionsund Dekompressionsverfahren im Zusammenwirken mit einer virtuellen Speicherverwaltung
für mehrere Speicherbänke wurde untersucht. Da Systeme mit mehreren einzeln adressierbaren
Speicherbänken noch nicht am Markt sind, wurde der Energieverbrauch und die Zugriffslatenz
auf die suspendierten Speicherbänke durch Einlegen von Wartezyklen mit bekannter Energieaufnahme simuliert.
Es liegt eine energiebewusste Speicherverwaltung vor, die mit den charakteristischen Kennzahlen von Speicherchips (Latenzen, Energieverbrauch) parametrisierbar ist. Die Verwaltungsstrategien wurden hinsichtlich ihres Einsparpotentials und ihres Aufwands an Hand verschiedener
Anwendungsszenarien untersucht.
Energieabrechnung und -limitierung, Temperaturregelung
Grundlage für jegliche Betriebsmittelverwaltung ist eine genaue Ermittlung der Betriebsmittelnutzung. Die Ermittlung des Energieverbrauch eines Systems oder eines einzelnen Aktivitätsträgers zur Laufzeit (ohne die Möglichkeit einer direkten Messung) basierte in bisherigen
Ansätzen auf der verbrauchten Rechenzeit. Im Rahmen einer Studienarbeit [Kellner03] konnte
gezeigt werden, dass moderne Prozessoren einen stark variierenden Stromverbrauch besitzen,
je nachdem auf welche funktionalen Einheiten des Prozessors die ausgeführten Instruktionen
zugreifen. Somit ist die verbrauchte Prozessorzeit nicht mehr als Basis einer Energieabschätzung geeignet. In den Vorarbeiten konnte erstmals gezeigt werden, dass durch die Nutzung von
eingebetteten Ereigniszählern eine genaue Zuordnung von Aktivität in der Hardware zu Energiequanten möglich ist. So kann jeder Rechen- und Speicheroperation eine spezifische Energiemenge zugeordnet werden. Durch die Aufsummierung der Ereignisse und der zugehörigen
Energiequanten wird auf diese Art präzise und ohne aufwendige Messtechnik der Energieverbrauch eines Prozesses zur Laufzeit in extrem kurzen Intervallen gemessen. Verschiedenen Ereignissen eines Pentium 4 Prozessors werden mit Hilfe eines linearen Optimierungsmodells, das
mit hochauflösenden Messungen des Stromverbrauchs einer Vielzahl von Testprogrammen parametrisiert wurde, Energiegewichte zugeordnet. Zur Laufzeit werden diese Ereignisse vom
Prozessor gezählt; durch Linearkombination der gewichteten Zählerwerte wird vom Betriebssystem der Energieverbrauch des Prozessors bestimmt.
Durch immer leistungsfähigere Rechensysteme bei immer höherer Integration stellt die erzeugt
Temperatur bzw. Abwärme zunehmend ein Problem dar. Steigende Taktraten erhöhen die Lei-
68
3.8
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
stungsaufnahme von Prozessoren, so dass immer leistungsfähigere und aufwändigere Kühlsysteme notwendig werden. Am Lehrstuhl wurde ein Temperaturmodell eines Prozessors mit
Kühlkörper entwickelt, das die Aufnahme elektrischer Energie und die Abgabe von Wärmeenergie durch Konvektion berücksichtigt. Ausgehend vom Stromverbrauch wird die Temperatur
des Prozessors bestimmt; die Konstanten des Modells wurden mit Hilfe von Testprogrammen
und gemessenen Werten der Temperatursensoren des System ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass das Betriebssystem ohne direkte Messung und mit geringem Overhead zur Laufzeit
den Strom- und Energieverbrauch und mit diesen Informationen die Temperatur des Prozessors
ermitteln kann.
Zur Bestimmung und Verwaltung des Ressourcenverbrauchs von Aktivitätsträgern in einem
System wir üblicherweise auf die Abstraktion von Prozessen zurückgegriffen, die ursprünglich
nur die Funktion einer isolierten Ablaufumgebung mit eigenem Adressraum wahrgenommen
hatten. Allerdings eignen sich Prozesse nur bedingt als Abstraktion für einen Aktivitätsträger,
der Ressourcen des Systems verbraucht:
• An derselben Aktivität können mehrere Prozesse beteiligt sein.
• Ein Prozess kann im Zeitablauf unterschiedlichen Aktivitäten zugeordnet werden
(z.B. in der Rolle eines Diensteerbringers (Servers) für verschiedene Klienten).
• Durch eine Aktivität können Ressourcen im Betriebssystemkern verbraucht werden. Beispielsweise wird der Ressourcenverbrauch beim Empfangen von
Netzwerkpaketen (Rechenzeit, Speicherbedarf usw.) in modernen Betriebssystemen üblicherweise nicht der Aktivität angerechnet, der diese Pakete zugestellt werden.
In der Literatur existieren bereits Vorschläge für eine neue Betriebssystemabstraktion Resource
Container, die eine Aktivität im System repräsentiert und der ein oder mehrere Prozesse zugeordnet werden, wobei diese Zuordnung dynamisch zur Laufzeit geändert werden kann. Im Rahmen einer Diplomarbeit [Waitz03] wurde eine Erweiterung dieses Konzepts entworfen und in
einen Linux-Betriebssystemkern integriert. Diese Energy Container verwalten neben der Rechenzeit den Energieverbrauch einzelner Aktivitäten. Die Container stehen in einer hierarchischen Beziehung, die Wurzel repräsentiert dabei das gesamte System.
Es besteht die Möglichkeit, den Energieverbrauch pro Zeiteinheit einzelner Aktivitätsträger im
System zu limitieren. Die verfügbare Energie wird periodisch aufgefrischt; diese Zeitspanne
wird als Epoche bezeichnet. Erreicht der Container eines Prozesses sein Energielimit, wird der
Prozess bis zum Ende der Epoche unterbrochen. Ein Prozess kann sein verfügbares Energiekontingent beliebig unter die von ihm erzeugten Kinder-Prozesse aufteilen. Mit der Möglichkeit,
den Energieverbrauch des Gesamtsystems zu beschränken, konnte eine dynamische Temperaturregelung implementiert werden. Ein vom Benutzer vorgegebenes Temperaturlimit wird vom
Betriebssystem dynamisch in einen Maximal-Stromverbrauch umgerechnet, der durch Setzen
der Containers auf ein entsprechendes Energielimit erzwungen wird.
Die Arbeiten wurden auf dem Workshop on Compilers and Operating Systems for Low Power
im September 2003 in New Orleans, Louisana, USA vorgestellt.
Publikationen
0XX
1. Weißel, Andreas; Faerber, Matthias; Bellosa, Frank: Application Characterization for
Wireless Network Power Management . In: Müller-Schloer, Christian; Ungerer, Theo;
69
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
4
Bauer, Bernhard (Hrsg.) : Organic and Pervasive Computing - ARCS 2004 (International Conference on Architecture of Computing Systems Augsburg 24.03.2004). 1. Aufl.
Berlin : Springer, 2004, S. 231-245. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 2981) ISBN 3-540-21238-8
2. Bellosa, Frank; Simon Kellner; Waitz, Martin; Weißel, Andreas: Event-Driven Energy
Accounting for Dynamic Thermal Management . In: Diana Marculescu; J. Ramanujam
(Veranst.) : Proceedings of the Fourth Workshop on Compilers and Operating Systems
for Low Power (COLP’03) (Fourth Workshop on Compilers and Operating Systems for
Low Power (COLP’03) New Orleans, Louisiana, USA 27.09.2003). 2003, S. 1-10.
3. Weißel, Andreas; Beutel, Björn; Bellosa, Frank: Cooperative I/O - A Novel I/O Semantics for Energy-Aware Applications . In: USENIX (Veranst.) : Proceedings of the (Fifth
Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI ’02) Boston, MA
8.12.2002). 2002, S. 1-300.
4. Weißel, Andreas; Bellosa, Frank: Process Cruise Control: Event-Driven Clock Scaling
for Dynamic Power Management . In: ACM Press (Hrsg.) : Proceedings of (International
Conference on Compilers, Architecture and Synthesis for Embedded Systems (CASES
2002) Grenoble 8.10.2002). 2002, S. 238-246.
4
Veröffentlichungen und Vorträge
4.1 Projektunabhängige Publikationen
0XX
1. Dressler, Falko: Monitoring of Multicast Networks for Time-Synchronous Communication . Erlangen, FAU, Diss., 2003 (Arbeitsberichte des Instituts für Informatik Bd. 36,
Nr. 4) . - 239 Seiten. ISSN 1611-4205
2. Spinczyk, Olaf: Aspektorientierung und Programmfamilien im Betriebssystembau .
In: Gesellschaft für Informatik (Hrsg.) : Wagner, Dorothea (Bearb.): Ausgezeichnete Informatikdissertationen 2002. Bonn : Köllen Druck + Verlag GmbH, 2003, (Lecture Notes in Informatics (LNI) - Dissertations), S. 173-183. - ISBN 3-88579-407-1
3. Spinczyk, Olaf; Schröder-Preikschat, Wolfgang; Beuche, Danilo; Papajewski, Holger:
PURE/OSEK - Eine aspektorientierte Betriebssystemfamilie für Kraftfahrzeuge .
In: Gesellschaft für Informatik (Hrsg.) : Dittrich, Klaus; König, Wolfgang; Oberweis,
Andreas; Rannenberg, Kai; Wahlster, Wolfgang (Bearb.): INFORMATIK 2003 - Innovative Informatikanwendungen. Bd. 1. Bonn : Köllen Druck + Verlag GmbH, 2003,
(Lecture Notes in Informatics (LNI) - Proceedings), S. 330-334. - ISBN 3-88579-363-6.
ISSN 1617-5468
4. Spinczyk, Olaf; Beuche, Danilo: Variant Management for Embedded Software Product
Lines with Pure::Consul and AspectC++ . In: Association for Computing Machinery
(ACM) (Hrsg.) : OOPSLA ’03 COMPANION (18th Condference on Object-Oriented
Programming, Systems, Languages, and Applications (OOPSLA ’03) 26.-30. Oktober
2003). USA : ACM, 2003, S. 108-109. - ISBN 1-58113-751-6
70
4.2
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
4.2 Vorträge
5
6
Promotionen
15.12.02
Golm, Michael:
The Structure of a Type-Safe Operating System
09.05.03
Dressler, Falko:
Monitoring of Multicast Networks for Time-Synchronous Communication
19.09.03
Becker, Ulrich:
Verteilung von objektorientierten Anwendungen auf der Basis des
Entwurfs-Modells
Studien- und Diplomarbeiten
6.1 Studienarbeiten
• von Gernler, Alexander: Analyse und Vergleich von Peer-to-Peer basierten Algorithmen zur Lokalisierung von Ressourcen
• Kopsch, Christian: Design und Implementierung der automatisierten erarbeitung
eines Web-basierten Formulars mit Datenbankanbindung
• Friedrich, Michael: Design und Implementierung einer Middlewarekomponente für
verteilte Arzneimittel-Informationsanwendungen mit Fokus auf Patienten
• Weiberle, Clemens: Entwicklung eines Software-Werkzeugs zur Analyse und zum
Vergleich datenreduzierter Audiosignale
• Ermler, Rene: Entwurf und Realisierung eines Systems zur einheitlichen Modellierung und Darstellung heterogener, verteilter Datenquellen
• Kroworsch, Wolfgang: Entwurf und Implementierung von Basismechanismen zur
Tolerierung von byzantinischen Fehlern in verteilten Anwendungen
• Wüchner, Patrick: Erweiterung der Schnittstelle zwischen den Modellierungssprachen MOSEL und CSPL um Simulationskonstrukte
• Kellner, Simon: Event-Driven Temperature Control in Operating Systems (Temperaturmanagement in Betriebssystemen)
• Kellermann, Christian: Implementierung eines verteilten Vertrauensmodells für
Peer-to-Peer Systeme
• Meyer, Markus: Machbarkeitsstudie zur Portierung der Rahmenapplikation von
Open PCS in eine NET-Applikation
• Mascher, Kerstin: Qualitätssicherung in der Augenklinik des Klinikums der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
71
Lehrstuhl für Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme)
6.2
• Vogel, Mario: Redesign und Erweiterung eines Simulationsprogramms zur Verzahnungsauslegung in einem Wellgetriebe
• Söldner, Guido: Unterstützung von Fehlertoleranz durch Replikation in der AspectIX-Middleware
6.2 Diplomarbeiten
• Waitz, Martin: Accounting and control of power consumption in energy aware operating systems (Erfassung und Regelung der Leistungsaufnahme in Energiebewussten Betriebssystemen)
• Obernolte, Jürgen: Energy-Aware Memory Management (Energiebewusste Speicherverwaltung in Betriebssystemen)
• Hübner, Michael: Ein System zur Integration sicherheitsrelevanter Konfigurationsdaten und deren Aufbereitung als XML Topic Map
• Kaisersberger, Klaus: Entwurf und Implementierung einer Softwarebibliothek für
die Ein- und Ausgabe von Audiodaten
• Jarraya, Adnen: Entwurf eines universal verwendbaren Kommunikationsknotens
für die modellbasierte Antriebsdiagnose des Transrapid
• Beutel, Björn: Integration des Petrinetz-Analysators TimeNET in die Modellanalyseumgebung MOSEL
• Balzer, Christian: Konzeption generischer Designrichtlinien für SAN-Lösungen in
heterogenen Anwendungsumgebungen am Beispiel von Steuerberatungs- und Wirtschaftsprüfungsunternehmen
• Meftah, Ghassene: Konzeption und Implementierung einer Simulation der Regelstrecke für einen Röntgengenerator mit Parametrisierung via Web-Interface
• Söldner, Jens: Konzeption eines unternehmensübergreifenden CAQ-Systems
• Demirci, Halil: Konzeption und Implementierung einer webbasierten Benutzerschnittstelle für ein Kommunikationsmanagementsystem
• Schmitt, Matthias: Konzeption und Realisierung eines plattformunabhängigen
Skinsystems (Applikations-unabhängige Gestaltung von Benutzeroberflächen)
• Nerlich, Axel: Offline-Komponenten für verteilte Informationssysteme
• Chen, Yifei: Benchmarking and Code Optimizing of Embedded Java Components
7
Bachelor- und Master Theses
7.1 Bachelor Theses
• Dreweke, Alexander: Design and Implementation of a USB Stack for the Javabased Operating System JX
72
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
Anschrift: Martensstrasse 3, 91058 Erlangen
Tel.: +49.9131.85.27775
Fax. : +49.9131.303811
E-Mail: [email protected]
Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Heinrich Niemann
Professor:
Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger
Sekretariat:
Iris Koppe
Kristina Müller
Sekretariat SFB 603:
Martina Montel-Kandy
Leitung Bildverarbeitung:
Dipl.-Inf. Jochen Schmidt
Bildverarbeitung
Dipl.-Inf. Frank Deinzer (bis 31.12.2003)
Dr.-Ing. Joachim Denzler (bis 31.8.2003)
Dipl.-Ing. Christian Derichs
Dipl.-Inf. Benjamin Deutsch
Dipl.-Inf. Rainer Deventer
Dipl.-Inf. Christopher Drexler (bis 28.2.2003)
Dipl.-Inf. Christoph Gräßl
Dipl.-Inf. Marcin Grzegorzek
Dipl.-Inf. Frank Mattern (bis 31.10.2003)
Kailash N. Pasumarthy, M.S.
Dipl.-Inf. Jochen Schmidt
Dipl.-Inf. Ingo Scholz
Dipl.-Inf. Florian Vogt
Dipl.-Math. (FH) Stefan Wenhardt
Dipl.-Inf. Timo Zinßer
Dr.-Ing. Matthias Zobel (bis 31.3.2003)
73
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
1
Medizinische Bildverarbeitung
Dipl.-Inf. Marcus Prümmer
Sprachverarbeitung:
Dipl.-Inf. Johann Adelhardt
Dr. phil. Anton Batliner
Dipl.-Inf. Carmen Frank
Dipl.-Inf. Christian Hacker
Dipl.-Inf. Tino Haderlein
Dr.-Ing. Elmar Nöth
Shi, Ruiping, M.S.
Dipl.-Inf. Stefan Steidl
Dipl.-Inf. Georg Stemmer
Dipl.-Inf. Viktor Zeißler
Lehrbeauftragte
Dr.-Ing. Ulf Haßler
Dr.-Ing. Thomas Wittenberg
Nichtwiss. Personal
Walter Fentze
Friedrich Popp
1
Einführung
Der Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung) ist Teil des Instituts für Informatik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Seit 1975, dem Gründungsjahr des Lehrstuhls,
ist Prof. Dr. H. Niemann Lehrstuhlinhaber des LME.
Seit über 25 Jahren wird am Lehrstuhl das Problem der "Mustererkennung" untersucht, wobei
ganz allgemein die automatische Transformation einer von einem geeigneten Sensor gelieferten
Folge von Abtastwerten eines Signals in eine den Anforderungen der Anwendung entsprechende symbolische Beschreibung gesucht wird. In der Bildverarbeitung werden hierfür Sensoren
eingesetzt, die unter Umständen vom Rechner gesteuert werden können oder mit spezieller Beleuchtung gekoppelt sind. Sie liefern Informationen in einem oder mehreren Kanälen. Bei der
Verarbeitung von zusammenhängend gesprochener Sprache werden Mikrophone als Sensoren
verwendet.
Eine symbolische Beschreibung kann zum Beispiel eine diagnostische Bewertung einer Bildfolge aus dem medizinischen Bereich enthalten, die Ermittlung, Benennung und Lokalisation
eines erforderlichen Montageteils für einen Handhabungsautomaten umfassen oder aus der Repräsentation der Bedeutung eines gesprochenen Satzes bestehen. Die Lösung dieser Aufgaben
erfordert sowohl Verfahren aus der (numerischen) Signalverarbeitung als auch aus der (symbolischen) Wissensverarbeitung. Die Ermittlung einer symbolischen Beschreibung wird auch als
Analyse des Musters bezeichnet.
Der Lehrstuhl bearbeitet hauptsächlich zwei Themenkomplexe, nämlich die wissensbasierte
74
2
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
Analyse von Bildern und Bildströmen sowie das Verstehen gesprochener Sprache und die Generierung einer Antwort. In der wissensbasierten Bildanalyse werden sowohl grundsätzliche
Arbeiten zur Bildverarbeitung und zur Repräsentation und Nutzung problem-spezifischen Wissens als auch spezielle Arbeiten zur Entwicklung eines vollständigen, rückgekoppelten Systems
für die schritthaltende Analyse dreidimensionaler Szenen durchgeführt. Eine Brücke zwischen
Visualisierung und Analyse wird im Sonderforschungsbereich 603 (http://sfb-603.uni-erlangen.de) mit dem Thema "Modellbasierte Analyse und Visualisierung komplexer Szenen und
Sensordaten" hergestellt, dessen Sprecher Prof. Niemann ist. Eine Verknüpfung zwischen Bildund Sprachanalyse wird im Projekt Smartkom (http://smartkom.dfki.de) hergestellt, das vom
BMBF (http://www.bmbf.de) als Leitprojekt gefördert wird.
In der Spracherkennung konzentrierten sich die Arbeiten auf die Entwicklung eines Systems,
das über einen begrenzten Aufgabenbereich einen Dialog mit einem Benutzer führen kann, wobei gesprochene Sprache für die Ein- und Ausgabe verwendet wird (System Fränki) sowie auf
die Entwicklung eines multimodalen Dialogsystems im Rahmen des Verbundprojektes SmartKom. Der Benutzer kann mit diesem System sowohl per Spracheingabe als auch über Zeigegesten kommunizieren. Darüberhinaus interpretiert das System die Mimik des Benutzers in Bezug
darauf, ob der Benutzer zufrieden oder verärgert ist, und verwendet diese Information zur Steuerung des weiteren Dialogverlaufs.
Ein Problem, das in jedem der drei Themenkomplexe eine Rolle spielt, ist die Akquisition, Repräsentation und Nutzung des Wissens, das zur Analyse von Bildern, Sprache und Sensordaten
bzw. zum Verstehen der Bedeutung erforderlich ist. In diesem Zusammenhang spielen heute
statistische Sprach- und Objektmodelle eine wichtige Rolle. Dieser Weg wird auch in zwei Projekten zur Genomanalyse und zur Modellierung von Prozessketten eingeschlagen. Es ist unter
Umständen erforderlich, dass zusätzlich zum Verstehen der Bedeutung auch noch eine sinnvolle Systemreaktion geliefert wird, zum Beispiel auf die Anfrage eines Benutzers eine richtige
Auskunft des Systems oder eine Bewegung des Montageroboters oder der Kameramotoren aufgrund der Ergebnisse der Bildanalyse.
Im Folgenden wird ein kurzer Überblick über die laufenden Projekte gegeben. Eine detaillierte
Darstellung der Forschungstätigkeiten des Jahres 2003 befindet sich hier (http://www5.informatik.uni-erlangen.de/jb/jb2003/jb2003.pdf) .
2
Forschungsschwerpunkte
• Bildverarbeitung
• 3D Objekterkennung
• Objektverfolgung
• Aktive Sensordatenverarbeitung
• 3D Rekonstruktion und Kamerakalibrierung
• Plenoptische Modellierung
• Erweiterte Realität
• Autonome, mobile Systeme
• Mimik- und Gestik
• Sprachverarbeitung
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Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
2.1
• Prosodie
• Dialog
• Benutzerzustandserkennung (von Ärger über Müdigkeit bis Zögern)
2.1 Forschungsrelevante apparative Ausstattung
• Mobiles System MOBSY mit aktivem Stereokamera-Kopf http://www5.informatik.uni-erlangen.de/~mobsy/
• Drehteller und Schwenkarm zur Bildaufnahme
• Smartkom-Zelle http://www5.informatik.uni-erlangen.de/SmartKom/page.html
• Head-Mounted Display mit integriertem Stereokamera-System
• Pan-Tilt Einheit
2.2 Kooperationsbeziehungen
• University of Rochester, Computer Science Department http://www.cs.rochester.edu
• University of California, San Diego, Cognitive Science Department http://cogsci.ucsd.edu/cogsci/
• Bielefeld I Applied Computer Science http://www.techfak.uni-bielefeld.de/ags/ai/
• Bielefeld II Neuroinformatics http://www.techfak.uni-bielefeld.de/ags/ni/
• TU Graz http://www.TUGraz.at/
• Surrey http://www.ee.surrey.ac.uk/CVSSP/
• University of Mannheim, Computer Vision, Graphics and Pattern Recognition http:/
/www.cvgpr.uni-mannheim.de/
2.3 Wissenschaftliche Tagungen
• 7. Workshop Farbbildverarbeitung 2001
• Vision, Modeling, and Visualization 2002 http://www9.informatik.uni-erlangen.de/
vmv2002
2.4 Veröffentlichungsreihen
• Die Veröffentlichungen des Lehrstuhls finden sich auf der lehrstuhleigenen Homepage unter http://www5.informatik.uni-erlangen.de/literature/German/Literature.html
76
3
3
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
Forschungsprojekte
3.1 Erscheinungsbasierte, statistische Objekterkennung
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Heinrich Niemann
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Marcin Grzegorzek
Stichwörter:
Objekterkennung; Objektlokalisation; Objektklassifikation; statistische Modellierung; Wavelets;
Beginn: 1.6.1999
Förderer: DFG
Kontakt:
Dipl.-Inf. Marcin Grzegorzek
Tel.: +49.9131.85.27826, Fax: +49.9131.303811,
E-Mail: [email protected]
Ziel dieses Projekts, das im Rahmen des Graduiertenkollegs "Dreidimensionale Bildanalyse
und -synthese" durchgeführt wird, ist die Klassifikation und Lokalisation von dreidimensionalen Objekten in Grauwertbildern. Dazu wird ein erscheinungsbasierter Ansatz eingesetzt: Dementsprechend wird kein vorhergehender Segmentierungsprozess benötigt, der geometrische
Merkmale wie Kanten oder Ecken detektiert, sondern die Merkmale werden direkt aus den Intensitäten der Bildpunkte bestimmt. Bei diesem Ansatz werden dabei lokale Merkmale benutzt,
die mit Hilfe der Wavelet Multi-Skalen-Analyse berechnet werden. Modelliert werden diese
Merkmale statistisch mit Hilfe von Dichtefunktionen. So können auch Beleuchtungsschwankungen und Rauschen gehandhabt werden. Außerdem muss berücksichtigt werden, dass bei
realen Anwendungen die Objekte oft partiell verdeckt sind und sich vor beliebigem Hintergrund
befinden können. Deshalb wird auch der Hintergrund explizit modelliert und in der Erkennungsphase für jeden Merkmalsvektor entschieden, ob er zum Objekt oder zum Hintergrund gehört. Die Zuordnung der einzelnen Merkmalsvektoren ermöglicht es auch, mehrere Objekte in
einem Bild zu erkennen.
77
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
3.2
3.2 Hierarchische Eigenraum-Objektmodelle zur generischen
erscheinungsbasierten 3-D Objekterkennung
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Joachim Denzler
Laufzeit: 1.11.2001 - 31.10.2003
Förderer: DFG
Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Joachim Denzler
E-Mail: [email protected]
Ziel dieses Projekts ist es einen statistischen Ansatz zur automatischen Erzeugung generischer
Objektklassen mittels Eigenraumverfahren zu entwickeln, der in der Folge sowohl zur generischen Objekterkennung als auch zur hierarchischen Erkennung von Objekten in Mehrobjektszenen angewendet werden soll. Eine hierarchische Erkennung unter Verwendung von generischen
Objektoberklassen (Kategorien) kann folglich als Hypothese für eine genauere Inspektion dienen. Als Beispiel sei hier das Erkennen spezieller Objekte mittels aktiver Zoomsteuerung der
Kamera oder Ansichtenplanung genannt. Des Weiteren soll untersucht werden, wie mit generischen Objektmodelle eine große Anzahl verschiedener Objekte modelliert und effizient verarbeitet werden kann und unbekannte Objekte aufgrund einer Einteilung in eine bekannte
Kategorie erkannt werden kann. Generische Objektmodelle sollen auch auf die Einsatzmöglichkeit in Mehrobjektszenen hin untersucht werden, da wiederum in einem hierarchischen Vorgehen eine Einteilung in die Oberklassen der Objekte und bei Bedarf für einige oder alle Objekte
eine Verfeinerung bis zur konkreten Objektausprägung vorstellbar ist. Unbekannte Objekte sollen bei der groben Einteilung einer Oberklasse zugewiesen werden und bei der Verfeinerung zurückgewiesen werden. Diese Zuordung zu einer Oberklasse kann für eine Szenenanalyse bei der
die Lage zu anderen Objekten bei der Klassifizierung eine Rolle spielt nützlich sein.
3.3 Preparing Future Multisensorial Interaction Research (PF-Star)
Projektleitung:
Dr.-Ing. Elmar Nöth
Beteiligte:
Dr. phil. Anton Batliner, Dipl.-Inf. Stefan Steidl, Dipl.-Inf. Christian Hacker
Stichwörter:
Spracherkennung; Emotionserkennung; Kindersprache
78
3.4
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
Laufzeit: 1.10.2002 - 30.9.2004
Förderer: EU
Mitwirkende Institutionen:
ITC-irst, Italien, RWTH Aachen, Universität Karlsruhe, Kungl Tekniska Högskolan, Schweden, University of Birmingham, England, Istituto di Scienze e Tecnologie della Cognizione, Sezione di Padova - "Foneticae Dialettologia", Italien
Kontakt:
Dr.-Ing. Elmar Nöth
Tel.: +49.9131.85.27888, Fax: +49.9131.303811,
E-Mail: [email protected]
Das EU-Projekt PF-STAR hat zum Ziel, technologische Grundlagen, vergleichende Evaluationen und Erfolgsabschätzungen für die Entwicklung dreier Schlüsseltechnologien bereitzustellen: für die maschinelle Sprachübersetzung, die Erkennung und Generierung emotionaler
Zustände sowie für Sprachtechnologie für Kinder. Diese Technologien sind essentiell für die
Entwicklung multilingualer und multisensorischer Mensch-Mensch- und Mensch-MaschineKommunikationssysteme. In allen drei Bereichen gibt es noch offene Fragen, bei der Sprachübersetzung etwa das Problem der Evaluierung (was ist eine gute Übersetzung?) sowie die Entscheidung zwischen konkurrierenden Ansätzen (Interlingua, statistische oder wissensbasierte
Übersetzung?). Bei der Emotion gibt es viele Grundlagenuntersuchungen mit geschauspielerten
Emotionen, es ist aber noch völlig unklar, welche dieser Emotionen in realen Anwendungen
vorkommen und erfolgreich erkannt bzw. generiert werden können. Kindersprache wird immer
noch um Größenordnungen schlechter erkannt als Erwachsenensprache; dies ist zum einen auf
den Mangel an genügend großen Sprachkorpora zurückzuführen, zum anderen aber auch auf die
größere Variabilität der Kindersprache.
Der Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung) ist an den Gebieten Erkennung von Emotion
und Kindersprache beteiligt, im ersten Forschungsgebiet als Projektleiter. Während der Laufzeit
des Projekts werden in beiden Gebieten neue Korpora erstellt, z.T. parallel auch in anderen
Sprachen; dabei handelt es sich zum Teil um gelesene Sprache, zum großen Teil aber auch um
Spontansprache. In Klassifikationsexperimenten sollen die neue Verfahren evaluiert sowie die
besten Parameter bestimmt werden.
3.4 Probabilistic Model of a Scene
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Heinrich Niemann
Beteiligte:
Kailash N. Pasumarthy, M.S.
Stichwörter:
object recognition; scene modeling; markov random fields; spin glasstheory
79
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
3.5
Beginn: 1.11.1999
Förderer:
DFG
Kontakt:
Kailash N. Pasumarthy, M.S.
Tel.: +49.9131.85.27826, Fax: +49.9131.303811,
E-Mail: [email protected]
The goal of this project is to identify several objects in a scene, making use of the contextual
information between objects and of the contextual information between a particular scene and
certain classes of objects. In order to do this with a probabilistic approach, we are developing
an extension of Markov Random Fields which is based on results of Spin Glass theory. This
project is partially supported by the ‘‘Graduate Research Center of the University of ErlangenNuremberg for 3D Image Analysis and Synthesis’’.
3.5 SFB 396 TP C1: Sensor und modellgestützte Optimierung von
Prozessketten
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Heinrich Niemann
Prof. Dr.-Ing. Joachim Denzler
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Rainer Deventer
Stichwörter:
Mustererkennung, maschinelles Lernen, wahrscheinlichkeitstheoretische Modelle,
Bayesnetze
Laufzeit: 1.1.1996 - 31.12.2004
Förderer: DFG
Kontakt:
Dipl.-Inf. Rainer Deventer
Tel.: +49.9131.85.27825, Fax: +49.9131.303811,
E-Mail: [email protected]
Das Projekt "Sensor- und modellgestützte Optimierung von Prozessketten", das im Rahmen des
SFB 396 "Robuste verkürzte Prozessketten für flächige Leichtbauteile" bearbeitet wird, befasst
sich mit der stochastischen Modellierung von fertigungstechnischen Prozessen. Als stochastisches Modell dient dabei ein Bayesnetz, das dazu dienen kann einerseits zusätzliches Wissen
über den modellierten Prozess zur Qualitätssicherung zu erwerben. Andererseits kann es direkt
zur Prozessregelung oder Steuerung eingesetzt werden, indem die gewünschten Sollwerte als
Evidenz eingegeben werden und das Bayesnetz die Eingaben berechnet, die mit maximaler
Wahrscheinlichkeit zu dem gewünschten Ergebnis führen.
80
3.6
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
3.6 SFB 603, B2: Optimierungsansatz für die Integration von
Kamerabildern bei der Klassifikation
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Heinrich Niemann, Prof. Dr.-Ing. Joachim Denzler
Beteiligte:
Dipl.-Ing. Christian Derichs, Dipl.-Inf. Benjamin Deutsch
Stichwörter:
Optimierung; Sensordatenfusion; Objektverfolgung; Objektklassifikation
Laufzeit: 1.1.1998 - 31.12.2006
Förderer: DFG
Kontakt:
Dipl.-Inf. Benjamin Deutsch
Tel.: +49.9131.85.27874, Fax: +49.9131.303811,
E-Mail: [email protected]
Das langfristige Ziel des Teilprojekts ist die Entwicklung von optimierungsbasierten Verfahren
für die Integration von Kamerabildern bei der Klassifikation, Lokalisation und Verfolgung. In
der vergangenen Antragsphase konnten die Integration von Klassifikation, Lokalisation und
Verfolgung in einem einheitlichen Formalismus probabilistich modelliert und als ein Optimierungsproblem formuliert werden. Dabei erlaubt der Ansatz auch das Auflösen widersprüchlicher Interessen aus Objekterkennung und -verfolgung, beispielsweise die optimale Wahl der
Brennweite.
Bisher ist die zu einem Zeitpunkt gewählte Sensordatenaufnahme optimal für einen Blick in die
Zukunft, der sich nur auf den nächsten Zeitschritt beschränkt. Ziel in dieser Antragsphase ist es,
die Methodik so zu erweitern, dass mehrere Schritte im Voraus optimal geplant werden können.
Ein weiterer wichtiger Aspekt für die dritte Antragsphase ergibt sich aus der Notwendigkeit, das
Modellwissen während der Anwendung zu korrigieren, zu erweitern und zu verbessern. Dieses
Vorgehen wird in der Literatur als "aktives Lernen" bezeichnet. Die wissenschaftliche Herausforderung ergibt sich aus dem Problem, dass erst einmal das Objekt unter Verwendung eines
suboptimalen Modells erkannt werden muss, bevor das zugehörige Modellwissen adaptiert werden kann. Dieser zu findende Kompromiss soll wiederum durch Formulierung und Lösen eines
Optimierungsproblems erreicht werden. Langfristig erlaubt solch ein "Online"-Lernen die stetige Verbesserung der Systemleisung, gegebenenfalls sogar den schrittweisen Aufbau eines
Modells ohne eine vorgeschaltete Trainingsphase.
Im Bereich der Objektverfolgung steht in der nächsten Phase zusätzlich die Frage im Vordergrund, welche Merkmale eines Objekts sich optimal für eine Verfolgung eignen. Diese Frage
soll nicht nur statisch, d.h. vor der eigentlichen Anwendung entschieden, sondern adaptiv auch
während der Verfolgung beantwortet werden.
Im Einklang mit der generellen Vision des SFB besteht die langfristige Perspektive des Teilprojekts in der Erweiterung der Methodik in den Bereichen der adaptiven Sensordatenfusion, der
81
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
3.7
hierarchischen Modellierung und der Optimierung bei Verwendung von n statischen und m bewegten Kameras und bewegten Objekten in der Szene. Am Ende von Phase 3 soll in Fortsetzung
des bestehenen Demosystems ein bewegtes Objekt in einer Büroumgebung mittels der mobilen
Plattform sichtbasiert gegriffen werden.
3.7 SFB 603, B6: Rechnergestützte Endoskopie des Bauchraums
Projektleitung:
Prof. Dr. med. Werner Hohenberger, PD Dr. med. Christoph Schick, Prof. Dr. Günther Greiner, Prof. Dr.-Ing. Heinrich Niemann
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Florian Vogt, Dr. med. Sophie Krüger
Laufzeit: 1.1.2000 - 31.12.2006
Förderer: DFG
Mitwirkende Institutionen:
Chirurgische Universitätsklinik Erlangen
Kontakt:
Dipl.-Inf. Florian Vogt
Tel.: +49.9131.85.27891, Fax: +49.9131.303811,
E-Mail: [email protected]
Im Teilprojekt B6 ist das langfristige Ziel, zur Unterstützung des Chirurgen bei endoskopischen
Operationen eine durch CT/MR-Daten erweiterte dreidimensionale Visualisierung des Operationsgebietes in Form eines Lichtfeldes bereitzustellen und Beeinträchtigungen sowohl im
Live-Bild als auch in der Visualisierung zu reduzieren. Dies ermöglicht den Schritt von der herkömmlichen Chirurgie zur "Computer Assisted Surgery" (CAS) im Bereich der Endoskopie
von Körperhöhlen.
3.8 SFB 603, C2: Analyse, Codierung und Verarbeitung von Lichtfeldern
zur Gewinnung realistischer Modelldaten
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Heinrich Niemann, Prof. Dr.-Ing. Joachim Denzler, Prof. Dr. Günther
Greiner
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Ingo Scholz, Dipl.-Inf. Christian Vogelgsang
Stichwörter:
bildbasierte Modellierung; Kalibrierung monokularer Bildsequenzen;
82
3.8
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
Laufzeit: 1.1.1998 - 31.12.2006
Förderer: DFG
Mitwirkende Institutionen:
Informatik 9, Lehrstuhl für Graphische Datenverarbeitung
Kontakt:
Dipl.-Inf. Ingo Scholz
Tel.: +49.9131.85.27891, Fax: +49.9131.303811,
E-Mail: [email protected]
Computergraphik und Bildverarbeitung beginnen seit einigen Jahren verstärkt zusammenzuwachsen. Das belegen zahlreiche international anerkannte Konferenzen auf beiden Gebieten, in
denen sich Themen aus dem Bereich "Image Based Rendering" oder "Computer Vision for
Computer Graphics" etabliert haben. Diese greift das Teilprojekt C2 mit dem langfristigen Ziel
auf, automatisch eine effiziente Repräsentation realer Szenen zum Zwecke der Analyse und Visualisierung zu ermitteln.
Das Projekt teilt sich grob in zwei Abschnitte auf. Zunächst wird aus den Videosequenzen eine
bildbasierte Repräsentation ermittelt. Dieses Aufgabenfeld "Lichtfeld- und Geometrierekonstruktion" bearbeitet der Lehrstuhl für Mustererkennung und kümmert sich dabei verstärkt um
die Berechnung der intrinsischen und extrinsischen Kameraparameter aus einem unkalibrierten
Bildstrom und um die Erstellung eines hierarchischen geometrischen Szenenmodells unterschiedlicher Auflösungsstufen, das es ermöglicht, die Visualisierungsqualität je nach Bedarf anzupassen. Bei der Modellierung wird neben der bisher üblichen Interpolation von neuen
Szenenansichten auch ihre Extrapolation berücksichtigt. Des weiteren werden erste Arbeiten
begonnen, die sich mit der Anwendung der bildbasierten Modellierung für die Analyse befassen
sowie einer Erweiterung auf dynamische Lichtfelder.
Im zweiten Abschnitt des Projektes wird die ermittelte Modellinformation verwendet, um neue
Ansichten der Szene zu generieren. Diese Forschung im Bereich der Visualisierung wird vom
Lehrstuhl für Graphische Datenverarbeitung durchgeführt. Dort sollen neue Verfahren entwikkelt werden, die mit Hilfe von 3-D-Hardware auch komplexe Darstellungen in Echtzeit erzeugen können.
Als wesentliches Merkmal des Gesamtsystems sollen die visualisierten Daten in den Analyseprozess rückgeführt werden, um die Aufnahmeposition neuer Ansichten sicher zu schätzen, die
bisherigen Kalibrierparameter zu verbessern und die neu gewonnenen Daten in ein verfeinertes
Szenenmodell fließen zu lassen, das auch für diese Anforderung hierarchisch strukturiert sein
muss.
83
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
3.9
3.9 SmartKom
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Heinrich Niemann, Dr.-Ing. Elmar Nöth
Beteiligte:
Dr. phil. Anton Batliner, Dipl.-Inf. Carmen Frank, Dipl.-Inf. Johann Adelhardt,
Ruiping Shi, M.S., Dipl.-Inf. Viktor Zeißler
Stichwörter:
Dialog; Mensch-Maschine-Interaktion; Sprachverarbeitung; Prosodie; Mimik;
Gestik
Laufzeit: 1.9.1999 - 31.12.2003
Förderer: bmb+f
Mitwirkende Institutionen:
DaimlerChrysler AG, European Media Lab, ICSI, Universität Stuttgart, Universität
München, MediaInterface Dresden GmbH, Philips GmbH, Siemens AG ZT, Sony
International GmbH, Sympalog AG, DFKI
Kontakt:
Dr.-Ing. Elmar Nöth
Tel.: +49.9131.85.27888, Fax: +49.9131.303811,
E-Mail: [email protected]
Eine der wichtigsten Herausforderungen für die Wissensgesellschaft ist derzeit die Schaffung
intelligenter multimodaler Benutzerschnittstellen, die den natürlichen Kommunikationsstil von
Computerlaien akzeptieren und so unterstützen, dass eine für den Menschen intuitive und benutzergerechte Interaktion entsteht. Computeranwendungen nehmen in allen Lebensbereichen
ebenso stark zu wie die Komplexität der Systeme. Hinzu kommt, dass die Benutzer immer weniger Zeit haben, sich in neue Bedienkonzepte einzuarbeiten, und dass die Kosten für die Entwicklung intelligenter Benutzerschnittstellen reduziert werden müssen.
Im Leitprojekt SmartKom werden Konzepte für die Entwicklung völlig neuartiger Formen der
Mensch-Technik-Interaktion erprobt. Solche Konzepte bauen die bestehenden Hemmschwellen
von Computerlaien bei der Nutzung der Informationstechnologie ab und leisten somit einen
Beitrag zur Nutzerfreundlichkeit - damit auch zur Akzeptanz - und zur Nutzerzentrierung in der
Wissensgesellschaft. Die Leitvorstellung des SmartKom-Projekts ist es, die Vorteile sprachlich-dialogischer Kommunikation mit den Vorteilen graphischer Bedienoberflächen und taktiler Interaktionsformen zu einem höherwertigen, oft multimodal genannten Bedienparadigma zu
verschmelzen.
Der Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung) entwickelt in SmartKom Module zur multimodalen Verarbeitung von Sprache, Mimik und Gestik. Dabei handelt es sich zum einen um die
Erkennung semantischer Information bei Sprache und Gestik (Akzent- sowie syntaktisch-prosodische Grenzerkennung bei Sprache, Erkennung von Zeigegesten), zum anderen um die Er84
3.10
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
kennung von emotionalen Benutzerzuständen in allen drei Modalitäten. In Zusammenarbeit mit
anderen SmartKom-Partnern werden sog. Use Cases (exemplarische Anwendungs-Konstellationen und -Aufgaben) entwickelt, deren Randbedingungen geeignet sind, den Nutzen der Verarbeitung von emotionalen Benutzerzuständen im Gesamtsystem zu demonstrieren.
3.10 vhb: Onlinevorlesung "Rechnersehen mit Anwendungen in der
Augmented Reality sowie beim bildbasierten Rendering"
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Heinrich Niemann
Beteiligte:
Dipl.-Math. (FH) Stefan Wenhardt, Dipl.-Inf. Jochen Schmidt
Stichwörter:
Rechnersehen; Augmented Reality;vhb; virtuelle hochschule bayern
Laufzeit: 1.6.2002 - 31.12.2003
Förderer: virtuelle Hochschule Bayern
Kontakt:
Dipl.-Math. (FH) Stefan Wenhardt
Tel.: +49.9131.85.27825, Fax: +49.9131.303811,
E-Mail: [email protected]
Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Kurses für die virtuelle Hochschule Bayern (vhb)
mit dem Titel "Rechnersehen mit Anwendungen in der Augmented Reality sowie beim bildbasierten Rendering". Das komplette Lehrangebot wird dabei ausschließlich über das Internet angeboten.
Das Projekt umfasst zum einen die fachliche Aufbereitung der Themen Rechnersehen, bildbasiertes Rendering und Augmented Reality. Im Schwerpunkt Rechnersehen werden mit den Bereichen Kamerakalibrierung, Stereo und 3D-Rekonstruktion Themen abgedeckt, die in vielen
Bereichen Verwendung finden. In den hochaktuellen Bereichen Augmented Reality und bildbasiertem Rendering wird am Lehrstuhl für Mustererkennung aktiv geforscht - neuste Erkenntnisse können somit direkt in die Vorlesung integriert werden.
Zum anderen werden verschiedene technische Möglichkeiten, die das Internet bietet, genutzt,
durch die ein didaktischer Mehrwert gegenüber konventionellen Vorlesungsskripten oder Lehrbüchern erzielt werden soll. Dazu zählen zum Beispiel asynchrone Diskussionssysteme, wie EMail oder Newsgroups, die eine hohe Flexibilität auf der Seite der Studenten beim Lernprozess
ermöglicht. Weiterhin können interaktive 3D-Welten dargestellt werden, was in diesem Kurs
besonders wichig für das Versändnis ist. Außerdem wird eine Umgebung zum testen verschiedener Algorithmen eingerichtet, mit der Studenten selbstständig experimentieren können.
85
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
3.11
3.11 Visual Active Memory Processes and Interactive Retrieval (VAMPIRE)
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Heinrich Niemann, Prof. Dr.-Ing. Joachim Denzler
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Timo Zinßer, Dipl.-Inf. Christoph Gräßl, Dipl.-Inf. Jochen Schmidt
Laufzeit: 1.5.2002 - 30.4.2005
Förderer: EU, 5. Rahmenprogramm
Mitwirkende Institutionen:
Bielefeld I Applied Computer Science, Bielefeld II Neuroinformatics, TU Graz,
Surrey
Kontakt:
Dipl.-Inf. Timo Zinßer
Tel.: +49.9131.85.27799, Fax: +49.9131.303811,
E-Mail: [email protected]
In traditional vision systems the model acquisition and recognition processes are decoupled in
time and control. The coupling of both processes leads to significant challenges in computer vision. The model acquisition task has to be performed by active memory processes that have to
implement visual learning and categorization capabilities. The recognition process must be substituted by an active retrieval that performs a reasoning process about the memorized and perceived input data. The project aims at the development of an active memory and retrieval system
in the context of an Augmented Reality scenario. The user wears a head-mounted camera and
display such that the system is able to build up a hierarchically structured memory of what the
user sees. Query results are re-visualized in a virtual world or projected into the real world using
the head-mounted display.
4
Veröffentlichungen und Vorträge
4.1 Veröffentlichungen
1. Adelhardt, Johann; Shi, R.P.; Frank, Carmen; Zeißler, Viktor; Batliner, Anton; Nöth, Elmar; Niemann, Heinrich: Multimodal User State Recognition in a Modern Dialogue System . In: KI (Veranst.) : Proc. of the 26th German Conference on Artificial Intelligence,
KI ’03 (26th German Conference on Artificial Intelligence, KI ’03 Hamburg 2003)2003,
S. 591-605.
2. Batliner, Anton; Zeißler, Viktor; Frank, Carmen; Adelhardt, Johann; Shi, R. P.; Nöth, Elmar: We are not amused - but how do you know? User states in a multi-modal dialogue
system . In: Eurospeech (Veranst.) : Proc. European Conf. on Speech Communication
and Technology (European Conf. on Speech Communication and Technology Geneva,
Switzerland September 2003). Bd. 1. 2003, S. 733-736.
86
4.1
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
3. Batliner, Anton; Hacker, Christian; Steidl, Stefan; Nöth, Elmar; Haas, Jürgen: User
States, User Strategies, and System Performance: How to Match the One with the Other
. In: ISCA (Veranst.) : Proc. of an ISCA Tutorial and Research Workshop on Error
Handling in Spoken Dialogue Systems (ISCA Tutorial and Research Workshop on Error
Handling in Spoken Dialogue Systems Chateau d’Oex August 2003): ISCA, 2003, S. 510.
4. Batliner, Anton; Fischer, K.; Huber, Richard; Spilker, J.; Nöth, Elmar: How to Find
Trouble in Communication . In: Speech Communication 40 (2003), S. 117-143
5. Batliner, Anton; Nöth, Elmar: Prosody and Automatic Speech Recognition - Why not yet
a Success Story and where to go from here . In: - (Hrsg.) : Proceedings of the 2nd Plenary
Meeting and Symposium on Prosody and Speech Processing (2nd Plenary Meeting and
Symposium on Prosody and Speech Processing Tokyo 2003): 2003, S. 357-364.
6. Bouattour, S.; Heigl, Benno; Paulus, Dietrich; Hornegger, Joachim: An iterative approach of local 3d-reconstruction of non-rigid movements of heart region from many angiographics views . In: Ertl, Thomas; Girod, B.; Greiner, Günther; Niemann, Heinrich;
Seidel, H.-P.; Steinbach, Eva-Maria; Westermann, R. (Hrsg.) : Vision, Modeling, and
Visualization 2003 (Vision, Modeling, and Visualization 2003 Munich, Germany November 2003). Berlin, Amsterdam : Aka / IOS Press, 2003, S. 183-190.
7. Deinzer, Frank; Denzler, Joachim; Niemann, Heinrich: Viewpoint Selection - Planning
Optimal Sequences of Views for Object Recognition . In: Petkov, N.; Westenberg, M.
A. (Hrsg.) : Computer Analysis of Images and Patterns - CAIP ’03 (Computer Analysis
of Images and Patterns - CAIP ’03 Heidelberg August 2003). Springer, 2003, S. 65-73.
(Lecture Notes in Computer Science, Nr. 2756)
8. Denzler, Joachim; Heigl, Benno; Zobel, Matthias; Niemann, Heinrich: Plenoptic Models
in Robot Vision . In: KI (Veranst.) : Künstliche Intelligenz (Künstliche Intelligenz 2003). 2003, S. 62-68.
9. Denzler, Joachim; Zobel, Matthias; Niemann, Heinrich: Information Theoretic Focal
Length Selection for Real-Time Active 3-D Object Tracking . In: IEEE (Veranst.) : International Conference on Computer Vision (International Conference on Computer Vision Nice, France October 2003). IEEE Computer Society Press, 2003, S. 400-407.
10. Deventer, Rainer; Denzler, Joachim; Niemann, Heinrich; Kreis, Oliver: Using Test
Plans for Bayesian Modeling . In: Petra Perner; Azriel Rosenfeld (Hrsg.) : Machine
Learning and Data Mining in Pattern Recognition (Machine Learning and Data Mining
in Pattern Recognition Leipzig 2003). Berlin : Springer, 2003, S. 307-316.
11. Deventer, Rainer; Denzler, Joachim; Niemann, Heinrich: Bayesian controller versus traditional controllers . In: Mohammadian, M. (Hrsg.) : International Conference on Computational Intelligence for Modelling Control and Automation (International Conference
on Computational Intelligence for Modelling Control and Automation - 2003).
12. Ehrenstein, Gottfried W.; Amesöder, Simon; Fernandez, Luis; Niemann, Heinrich; Deventer, Rainer: Werkstoff- und prozessoptimierte Herstellung flächiger KunststoffKunststoff und Kunststoff-Metall-Verbundbauteile . In: Geiger, M.; Ehrenstein, Gottfried W. (Hrsg.) : DFG Sonderforschungsbereich 396 Berichts- und Industriekolloqium
15./16. Oktober 2003 (DFG Sonderforschungsbereich 396 Berichts- und Industriekolloqium 15./16. Oktober 2003 Erlangen 15./16. Oktober 2003). Bamberg : Meisenbach, 2003, S. 149-178.
87
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
4.1
13. Frank, Carmen; Nöth, Elmar: Optimizing Eigenfaces by Face Masks for Facial Expression Recognition . In: Petkov, N.; Westenberg, M. A. (Hrsg.) : Computer Analysis of
Images and Patterns - CAIP ’03 (Computer Analysis of Images and Patterns - CAIP ’03
Heidelberg August 2003). Springer, 2003, S. 646-654. (Lecture Notes in Computer Science, Nr. 2756)
14. Frank, Carmen; Nöth, Elmar: Automatic Pixel Selection for Optimizing Facial Expression Recognition using Eigenfaces . In: Michaelis, B.; Krell, G. (Hrsg.) : Pattern Recognition, 25th DAGM Symposium (Pattern Recognition, 25th DAGM Symposium September 2003). Bd. 2781. Berlin, Heidelberg, New York : Springer-Verlag, 2003, S.
378-385. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 2781)
15. Grzegorzek, Marcin; Deinzer, Frank; Reinhold, Michael; Denzler, Joachim; Niemann,
Heinrich: How Fusion of Multiple Views Can Improve Object Recognition in RealWorld Environments . In: Ertl, Thomas; Girod, B.; Greiner, Günther; Niemann, Heinrich; Seidel, H.-P.; Steinbach, Eva-Maria; Westermann, R. (Hrsg.) : Vision, Modeling,
and Visualization 2003 (Vision, Modeling, and Visualization Munich, Germany November 2003). Berlin, Amsterdam : Aka / IOS Press, 2003, S. 553-560.
16. Gräßl, Christoph; Deinzer, Frank; Niemann, Heinrich: Continuous Parametrization of
Normal Distributions for Improving the Discrete Statistical Eigenspace Approach for
Object Recognition . In: Victor Krasnoproshin; Sergey Ablameyko; Jerzy Soldek
(Hrsg.) : PRIP 03 (PRIP 03 Minsk Mai 2003). Bd. 1. 2003, S. 73-77.
17. Gräßl, Christoph; Zinßer, Timo; Niemann, Heinrich: Illumination Insensitive Template
Matching with Hyperplanes . In: Michaelis, B; Krell, G. (Hrsg.) : Pattern Recognition,
25th DAGM Symposium (Pattern Recognition, 25th DAGM Symposium September
2003). Bd. 2781. Berlin, Heidelberg, New York : Springer-Verlag, 2003, S. 273-280.
18. Gräßl, Christoph; Deinzer, Frank; Mattern, Frank; Niemann, Heinrich: Improving Statistical Object Recognition Approaches by a Parameterization of Normal Distributions .
In: Institute of Automation and Electrometry (Hrsg.) : 6th German-Russian Workshop
Pattern Recognition and Image Understanding (6th German-Russian Workshop Pattern
Recognition and Image Understanding Katun, Russian Federation August 2003).
Novosibirsk : Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2003, S. 38-41.
19. Hacker, Christian; Stemmer, Georg; Steidl, Stefan; Nöth, Elmar; Niemann, Heinrich:
Various Information Sources for HMM with Weighted Multiple Codebooks .
In: Wendemuth, A. (Hrsg.) : Proceedings of the Speech Processing Workshop, Magdeburg, Germany, September 09 (Speech Processing Workshop Magdeburg, Germany
September 09, 2003). 2003, S. 9-16.
20. Haderlein, Tino; Nöth, Elmar: The EMBASSI Speech Corpus . Erlangen-Nürnberg :
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 2003. - Interner Bericht (Description of the corpus and the distribution on DVDs.)
21. Haderlein, Tino; Stemmer, Georg; Nöth, Elmar: Speech Recognition with Mu-Law
Companded Features on Reverberated Signals . In: Matousek, V.; Mautner, P. (Hrsg.) :
Proceedings on the 6th International Conference on Text, Speech, Dialogue - TSD 2003
(6th International Conference on Text, Speech, Dialogue - TSD 2003 Brno, Czech Republic September 2003). Berlin : Springer-Verlag, 2003, S. 173-180. (Lecture Notes for
Artificial Intelligence Bd. 2807)
22. Krüger, Sophie; Vogt, Florian; Hohenberger, Werner; Paulus, Dietrich; Niemann, Hein-
88
4.1
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
rich; Schick, C. H.: Evaluation der rechnergestützten Bildverbesserung in der Videoendoskopie von Körperhöhlen . In: Wittenberg, Thomas; Hastreiter, Peter; Hoppe, Ulrich;
Handels, H.; Horsch, A.; Meinzer, H.-P. (Hrsg.) : 7. Workshop Bildverarbeitung für die
Medizin (7. Workshop Bildverarbeitung für die Medizin Erlangen March 2003). Berlin,
Heidelberg, New York : Springer, 2003, S. 293-297.
23. Levit, Michael; Alshawi, H.; Gorin, A.; Nöth, Elmar: Context-Sensitive Evaluation and
Correction of Phone Recognition Output . In: Eurospeech (Veranst.) : Proc. European
Conf. on Speech Communication and Technology (European Conf. on Speech Communication and Technology Geneva, Switzerland September 2003). Bd. 2. 2003, S. 925928.
24. Maier, Tobias; Benz, Michaela; Häusler, Gerd; Nkenke, Emeka; Neukam, Friedrich
Wilhelm; Vogt, Florian: Automatische Grobregistrierung intraoperativ akquirierter 3DDaten von Gesichtsoberflächen anhand ihrer Gauß’schen Abbilder . In: Wittenberg,
Thomas; Hastreiter, Peter; Hoppe, Ulrich; Handels, H.; Horsch, A.; Meinzer, H.-P.
(Hrsg.) : 7. Workshop Bildverarbeitung für die Medizin, (7. Workshop Bildverarbeitung
für die Medizin, Erlangen March 2003). Heidelberg, New York : Springer Berlin,, 2003,
S. 11-15.
25. Niemann, Heinrich; Denzler, Joachim; Heigl; Vogt, Florian; Schick, Christoph; Krüger,
Sophie; Hohenberger, Werner: Image-Based Modeling and its Application in Image Processing . In: Institute of Au-tomation and Electrometry, Siberian Branch of the Russian
Academy of Sciences (Veranst.) : Proc. of the 6th German-Russian Workshop Pattern
Recognition and Image Understanding (6th German-Russian Workshop Pattern Recognition and Image Understanding Katun, Russian Federation). 2003, S. 14-17.
26. Paulus, Dietrich; Hornegger, Joachim: Applied pattern recognition: A practical introduction to image and speech processing in C++ . 4. Aufl. Braunschweig : Vieweg, 2003
(Advanced Studies in Computer Science)
27. Schmidt, Jochen; Vogt, Florian; Niemann, Heinrich: Robust Hand-Eye Calibration of an
Endoscopic Surgery Robot Using Dual Quaternions . In: Michaelis, B.; Krell, G. (Hrsg.)
: Pattern Recognition, 25th DAGM Symposium (Pattern Recognition, 25th DAGM
Symposium September 2003). Bd. 2781. Berlin, Heidelberg, New York : Springer-Verlag, 2003, S. 548-556. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 2781)
28. Shi, R.P.; Adelhardt, Johann; Zeißler, Viktor; Batliner, Anton; Frank, Carmen; Nöth, Elmar; Niemann, Heinrich: Using Speech and Gesture to Explore User States in Multimodal Dialogue Systems . In: Schwartz, J.-L.; Berthommier, F.; Cathiard, M.- A.; Sodoyer,
D. (Hrsg.) : Proceedings of the AVSP 2003 (Proceedings of the AVSP 2003 Grenoble,
Stendhal 2003). Grenoble : Institut de la Communication Parlée, 2003, S. 151-156.
29. Steidl, Stefan; Stemmer, Georg; Hacker, Christian; Nöth, Elmar; Niemann, Heinrich:
Improving Children’s Speech Recognition by HMM Interpolation with an Adults’
Speech Recognizer . In: Michaelis, Bernd; Krell, Gerald (Hrsg.) : Pattern Recognition,
25th DAGM Symposium, Magdeburg, Germany, September 2003, Proceedings
(DAGM ’03, 25th Pattern Recognition Symposium Magdeburg September 2003). 1.
Aufl. Berlin, Heidelberg, New York : Springer-Verlag, 2003, S. 600-607. (Lecture Notes
in Computer Science Bd. 2781) - ISBN 3-540-40861-4
30. Stemmer, Georg; Zeißler, Viktor; Hacker, Christian; Nöth, Elmar; Niemann, Heinrich:
A Phone Recognizer Helps to Recognize Words Better . In: ICASSP (Veranst.) : Proc.
Int. Conf. on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP) (Int. Conf. on Acou89
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
4.1
stics, Speech and Signal Processing (ICASSP) Hong Kong 2003). Bd. 1. 2003, S. 736739.
31. Stemmer, Georg; Zeißler, Viktor; Hacker, Christian; Nöth, Elmar; Niemann, Heinrich:
Context-Dependent Output Densities for Hidden Markov Models in Speech Recognition
. In: Proc. European Conf. on Speech Communication and Technology (European Conf.
on Speech Communication and Technology Geneva, Switzerland September 2003).
Bd. 2. 2003, S. 969-972.
32. Stemmer, Georg; Hacker, Christian; Steidl, Stefan; Nöth, Elmar: Acoustic Normalization of Children’s Speech . In: Eurospeech (Veranst.) : Proc. European Conf. on Speech
Communication and Technology (European Conf. on Speech Communication and Technology Geneva, Switzerland September 2003). Bd. 2. 2003, S. 1313-1316.
33. Vogt, Florian; Krüger, Sophie; Niemann, Heinrich; Schick, C.H.; Paulus, Dietrich; Hohenberger, Werner: Endoskopische Lichtfelder mit einem kameraführenden Roboter .
In: Wittenberg, Thomas; Hastreiter, P.; Hoppe, Ulrich; Handels, H.; Horsch, A.; Meinzer, H.-P. (Hrsg.) : 7. Workshop Bildverarbeitung für die Medizin (7. Workshop Bildverarbeitung für die Medizin Erlangen March 2003). Berlin, Heidelberg, New York :
Springer, 2003, S. 418-422.
34. Vogt, Florian; Krüger, S.; Niemann, Heinrich; Schick. C.: A System for Real-Time Endoscopic Image Enhancement . In: Randy E. Ellis; Terry M. Peters (Hrsg.) : Medical
Image Computing and Computer Assisted Intervention (MICCAI) 2003 (Medical Image
Computing and Computer Assisted Intervention (MICCAI) Montreal, Kanada November 2003). Berlin : Springer Verlag, 2003, S. 356-363. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 2879)
35. Weber, S.; Schüle, T.; Schnörr, C.; Hornegger, Joachim: A linear programming approach to limited angle 3d reconstruction from dsa- projections . In: Wittenberg, T.;
Hastreiter, P.; Handels, H.; Horsch, A.; Meinzer, H.-P. (Hrsg.) : Bildverarbeitung für die
Medizin 2003 (Bildverarbeitung für die Medizin 2003 Berlin March 2003). Springer,
2003, S. 41-45.
36. Weber, S.; Schnörr, C.; Hornegger, Joachim: A linear programming relaxation for binary
tomography with smoothness priors . In: A. Kuba; A. Del Lungo; V. Di Gesu (Hrsg.) :
Proc. of 9th International Workshop on Combinatorial Image Analysis (9th International
Workshop on Combinatorial Image Analysis Palermo, Italy Mai 2003). Bd. 12. 2003, S.
1-15.
37. Zeißler, Viktor; Adelhardt, Johann; Nöth, Elmar: Emotionserkennung in einem automatischen Dialogsystem: ist der Mensch besser als die Maschine? In: Kroschel, K. (Hrsg.)
: Elektronische Sprachsignalverarbeitung (Elektronische Sprachsignalverarbeitung
Karlsruhe, Germany September 2003). Karlsruhe : w.e.b. Universitätsverlag, 2003, S.
114-121. - ISBN 3-935712-83-9
38. Zinßer, Timo; Schmidt, Jochen; Niemann, Heinrich: Performance AnalysPerformance
Analysis of Nearest Neighbor Algorithms for ICP Registration of 3-D Point Setsis of
Nearest Neighbor Algorithms for ICP Registration of 3-D Point Sets . In: Ertl, T.; Girod,
B.; Greiner, G.; Niemann, Heinrich; Seidel, H.-P.; Steinbach, E.; Westermann, R.
(Hrsg.) : Vision, Modeling, and Visualization 2003 (Vision, Modeling, and Visualization Munich, Germany November 2003). Berlin, Amsterdam : Aka / IOS Press, 2003, S.
199-206.
90
4.2
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
39. Zinßer, Timo; Schmidt, Jochen; Niemann, Heinrich: A Refined ICP Algorithm for Robust 3-D Correspondence Estimation . In: IEEE (Veranst.) : Proceedings of the IEEE International Conference on Image Processing (IEEE International Conference on Image
Processing Barcelona, Spain 14.-17. September 2003). Bd. 2. Piscataway : IEEE, 2003,
S. 695-698.
40. Zobel, Matthias; Denzler, Joachim; Heigl, Benno; Nöth, Elmar; Schmidt, Jochen; Stemmer, Georg: MOBSY: Integration of Vision and Dialogue in Service Robots .
In: Machine Vision and Applications 14 (2003), Nr. 1, S. 26-34
4.2 Vorträge
29.08.2003 Batliner, A.
User States, User Strategies, and System Performance: How to Match
the One with the Other,
ISCA Tutorial and Research Workshop on Error Handling in Spoken
Dialogue Systems, Chateau d'Oex, Schweiz
02.09.2003 Batliner, A.
We are not amused - but how do you know? User states in a multimodal dialogue system,
European Conf.\ on Speech Communication and Technology
(EUROSPEECH) 2003, Genf, Schweiz
20.11.2003 Batliner, A.
Automatic recognition of emotional states,
Journee parole expressive, Grenoble, Frankreich
15.01.2003 Denzler, J.
Optimale Sensordatenauswahl und -verarbeitung im aktiven Rechnersehen,
Kolloqium des Fachbereichs Informatik, Universität Kaiserslautern,
Kaiserslautern,
17.01.2003 Denzler, J.
Methoden des Rechnersehens für intelligente, interagierende Systeme,
Kolloqium des Fachbereichs Informatik, Technische Universität
Darmstadt, Darmstadt
08.04.2003 Denzler, J.
Optimale Sensordatenauswahl für die Zustandsschätzung im Rechnersehen,
Kolloqium der Mathematisch-Geographischen Fakultät, Katholische
Universität Eichstätt, Eichstätt
91
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
26.06.2003 Denzler, J.
Rekonstruktion und Anwendungung bildbasierter Objekt- und
Szenenmodelle im Rechnersehen,
Kolloqium der Fakultät für Mathematik und Informatik, Universität
Leipzig, Leipzig
18.06.2003 Denzler, J.
Optimale Sensordatenauswahl für die Objekterkennung mit Anwendungen in der Service-Robotik,
Habilitationsvortrag, Technische Fakultät, Universität ErlangenNürnberg, Erlangen
14.10.2003 Denzler, J.
Information Theoretic Focal Length Selection for Real-Time Active
3-D Object Tracking,
International Conference on Computer Vision (ICCV), 11.-17. Oktober 2003, Nizza, Frankreich
03.12.2003 Denzler, J.
Rekonstruktion und Anwendungung bildbasierter Objekt- und
Szenenmodelle im Rechnersehen,
Kolloqium der Fakultät für Mathematik und Informatik, Universität
Jena, Jena
07.07.2003 Deventer, R.
Using Test Plans for Bayesian Modeling,
Third International Conference Machine Learning and Data Mining,
Leipzig
14.02.2003 Deventer, R.
Bayesian controller versus traditional controller,
International Conference on Computational Intelligence For Modelling, Control & Automation – CIMCA 2003, Wien, Austria
03.11.2003 Grzegorzek, M.
Erscheinungsbasierte Lokalisation und Klassifikation von Objekten,
Graduiertenkolleg 3D-Bildanalyse und -synthese, Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen
21.11.2003 Grzegorzek, M.
How Fusion of Multiple Views Can Improve Object Recognition in
Real-World Environments,
8th International Fall Workshop Vision, Modelling and Visualization,
19.-21. November 2003, München
09.09.2003 Hacker, C.
Various Information Sources for HMM with Weighted Multiple Codebooks, Speech Processing Workshop, Magdeburg
92
4.2
4.2
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
19.03.2003 J. Hornegger
Medizinische Bildverarbeitung bei Siemens Medical Solution,
Mathematik-Kolloquium an der Universität Duisburg
17.06.2003 J. Hornegger
Digitale Bildverarbeitung in der minimal-invasiven Diagnostik und
Therapie,
Kolloquium der Elektrotechnik und Informationstechnik an der
RWTH Aachen
25.11.2003 J. Hornegger
Interaktive Medizinische Bildverarbeitung,
Kolloquium Neue Methoden und Verfahren der Informationsverarbeitung im Gesundheitswesen an der Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg
17.03.2003 H. Niemann
Using Lightfields in Image Processing,
Dep. of Electrical Engineering, Stanford Univ., Stanford, CA, USA
20.03.2003 H. Niemann
Using Lightfields in Image Processing,
Imaging and Visualization Dep., Siemens Corp. Research, Princeton,
NJ, USA
09.05.2003 H. Niemann
Stochastische Modellierung für die Objekterkennung,
Fakultät für Informatik, Univ. Lübeck, Lübeck
25.08.2003 H. Niemann
Image-based Modeling and its Application in Image Processing,
6th Open German - Russian Workshop on Pattern Recognition and
Image Processing (OGRW-6-2003), Katun Village, Altai Republic,
Russian Federation
29.10.2003 H. Niemann
Knowledge-based Exploration of Scenes,
Dagstuhl-Seminar 03441 Cognitive Vision Systems, Dagstuhl
5.2.2003
Nöth, E.
Prosody and Automatic Speech Recognition - Why not yet a Success
Story and where to go from here,
Symposium on Prosody and Speech Processing, Universität Tokio,
Japan
7.7.2003
Nöth, E
Multimodale Eingabe in der Mensch-Maschine-Kommunikation,
Universität Augsburg, Augsburg
93
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
4.9.2003
Nöth, E.
Context-Sensitive Evaluation and Correction of Phone Recognition
Output,
Interspeech 2003, Genf, Ch
5.9.2003
Nöth, E.
Erkennung von UserStates mit Mimik und Prosodie,
SmartKom-Projektstandssitzung, Stuttgart
9.9.2003
Nöth, E.
Multimodal Input in Human-Machine-Communication,
TSD '03,Budvar, CZ
24.9.2003
Nöth, E.,
Audi-natif - Ein AUtomatisches DIalogsystem für NATürliches Interaktives Fremdsprachenlernen,
IBM, Mannheim
13.11.2003 Nöth, E.,
Audi-natif - Ein AUtomatisches DIalogsystem für NATürliches Interaktives Fremdsprachenlernen,
Klett-Verlag, Stuttgart
12.09.2003 Schmidt, J.
Robust Hand-Eye Calibration of an Endoscopic Surgery Robot Using
Dual Quaternions,
Pattern Recognition, 25th DAGM Symposium, Magdeburg, Germany,
12.09.2003 Steidl, S.
Improving Children's Speech Recognition by HMM Interpolation
with an Adults' Speech Recognizer,
Pattern Recognition, 25th DAGM Symposium, Magdeburg, Germany
02.09.2003 Stemmer, G.
Acoustic Normalization of Children's Speech,
European Conf. on Speech Communication and Technology
(EUROSPEECH) 2003, Genf, Schweiz,
02.09.2003 Stemmer, G.
Context-Dependent Output Densities for Hidden Markov Models in
Speech Recognition,
European Conf. on Speech Communication and Technology
(EUROSPEECH) 2003, Genf, Schweiz
26.05.03
94
Stemmer, G.
Robust Speech Recognition for Children,
Istituto Trentino di Cultura, Centro per la Ricerca Scientifica e Tecnologica (ITC-irst), Trento, Italien
4.2
5
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
17.11.2003 Vogt, F.
A System for Real-Time Endoscopic Image Enhancement,
Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention
(MICCAI) 2003, Montreal, Kanada, 15.-18.11.2003, Montreal
11.03.2003 Vogt, F.
Endoskopische Lichtfelder mit einem kameraführenden Roboterarm,
Workshop Bildverarbeitung für die Medizin - Algorithmen, Systeme,
Anwendungen, 2003, Lübeck
04.02.2003 Vogt, F.
Qualitätskriterien Teilprojekt B6,
Arbeitskreis Visualisierung des Sonderforschungsbereichs 603
25.09.2003 Zeissler, V.
Emotionserkennung in einem automatischen Dialogsystem: ist der
Mensch besser als die Maschine,
14. Konferenz Elektronische Sprachsignalverarbeitung (ESSV2003),
Universität Karlsruhe, 24.-26. Sept. 2003, Karlsruhe
16.09.2003 Zinsser, T.
A Refined ICP Algorithm for Robust 3-D Correspondence Estimation,
International Conference on Image Processing, Barcelona, Spanien
19.11.2003 Zinsser, T.
Performance Analysis of Nearest Neighbor Algorithms for ICP Registration of 3-D Point Sets,
Vision, Modeling, and Visualization 2003, München
5
Habilitationen
18.06.2003 Denzler, Joachim
Probabilistische Zustandsschätzung und Aktionsauswahl im Rechnersehen
6
Promotionen
18.02.2003 Pal, Istvan
Computergestützte Analyse der retinalen Zirkulationsstörungen, insbesondere des Glaukoms auf Scanning Laser Doppler Flowmetrie
Aufnahmen
25.04.2003 Warnke, Volker
Integrierte Segmentierung und Klassifikation von Äußerungen und
Dialogakten mit heterogenen Wissensquellen
95
Lehrstuhl für Informatik 5 (Mustererkennung)
7
22.10.2003 Reinhold, Michael
Robuste, probabilistische, erscheinungsbasierte Objekterkennung
24.10.2003 Buckow, Jan-Constantin
Multilingual Prosody in Automatic Speech Understanding
18.11.2003 Heigl, Benno
Plenoptic Scene Modelling from Uncalibrated Image Sequences
18.12.2003 Zobel, Matthias
Optimale Brennweitenwahl für multiokulare Objektverfolgung
7
Studien- und Diplomarbeiten
7.1 Studienarbeiten
• Hönig, Florian: Kernelmethoden in der Spracherkennung
• Cincarek, Tobias: Klassifikation von Sprechergruppen
7.2 Diplomarbeiten
• Müller, Roger: Anwendung des optimalen Designs von Experimenten im aktiven
Rechnersehen
• Weiss, Reinhard: Robuste Klassifikation von Anregungsarten der Sprache
8
Bachelor- und Master Theses
8.1 Master Theses
• Zhou, Xiangnan: A Visual Guidance System for Tasks in Service Robotics
• Schmidt, Florian: Robuste Tiefenkarten mit dem Roboterarm AESOP
• Meng, Y.: Simultaneous Localisation and Map-Building Using Active Vision
96
1
Professur für Medizinische Bildverarbeitung
Professur für Medizinische Bildverarbeitung
1
Einführung
Die Professur für Medizinische Bildverarbeitung wurde 2003 neu geschaffen und ist seit dem
1. Oktober 2003 mit Herrn Joachim Hornegger besetzt. Die Professur ist dem Lehrstuhl für Mustererkennung zugeordnet.
2
Forschungsschwerpunkte
Die wissenschaftlichen Schwerpunkte der Arbeitsgruppe liegen auf dem Gebiet der interaktiven
medizinischen Bildverarbeitung.
Derzeitige Arbeiten beschäftigen sich mit folgendem Themen:
• nicht-starre Registrierung multimodaler Bilddaten
• monomodale Bildfusion zur Verlaufskontrolle bei der Tumor Therapie
• Verfahren zur Schwächungskorrektur bei der SPECT-Rekonstruktion
• Rekonstruktion bewegter Objekte bei bekannter Projektionsgeometrie
• Berechnung und Visualisierung des Blutflusses in 3DßAngiogrammen
• Segmentierung von CT-Datensätzen
• schnelle Bildverarbeitung auf Standardgrafikkarten
• Diskrete Tomographie
• Sprachsteuerung interventioneller Werkzeuge
Zusätzlich zu den Aufgaben in Forschung und Lehre setzt sich die Arbeitsgruppe auch für die
Intensivierung des Austausches zwischen Hochschule und Industrie ein. Dies schließt auch die
enge Kooperation mit der Arbeitsgruppe Medizinische Bildverarbeitung des Fraunhofer Instituts für Integrierte Schaltungen ein.
2.1 Forschungsrelevante apparative Ausstattung
Aufgrund der engen Kooperation der Arbeitsgruppe mit den Kliniken und der Industrie besteht
Zugriff auf sämtliche Modalitäten, die in der modernen Medizin heute zum Einsatz kommen.
Die verfügbare Entwicklungsumgebung erlaubt die schnelle Überführung der neu entwikkelten
Methoden in den klinischen Test.
2.2 Kooperationsbeziehungen
• Klinische Partner der FAU:
• Nuklearmedizinische Klinik (Prof. Kuwert)
• Institut für Diagnostische Radiologie (Prof. Bautz)
• Lehrstuhl für Innere Medizin I (Prof. Hahn)
97
Professur für Medizinische Bildverarbeitung
• Lehrstuhl für Innere Medizin II (Prof. Daniel)
• Klinische Partner der Julius-Maximilians-Univ. Würzburg:
• Abteilung für Neuroradiologie (Prof. Solymosi)
• Universitäre Kooperationen:
• Lehrstuhl für Bildverarbeitung der Univ. Mannheim (Prof. Schnörr)
• Lehrstuhl für Diskrete Mathematik der Univ. Marburg (Prof. Welker)
• Lehrstuhl für Angewandte Mathematik der Univ. Duisburg (Prof. Rumpf)
• Industriepartner:
• Siemens Medical Solutions
• Siemens Corporate Research
• General Electric
• HipGraphics Inc.
• Sympalog
3
Forschungsprojekte
3.1 Sprachgesteuerte Gefäßanalyse
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Marcus Prümmer
Dr. J. Regn, Siemens Medical Solutions
Dr. F. Gallwitz, Sympalog
Prof. Solzmosy, Univ. Würzburg
Stichwörter:
Quantifizierung; Angiogramm; Stenose; Sprachsteuerung
Laufzeit: 1.10.2003 - 30.9.2004
Förderer: Siemens Medical Solutions, Sympalog
Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger
Tel.: +49.9131.85.27833, Fax: +49.9131.303811,
E-Mail: [email protected]
98
3
FORWISS
Bay. Forschungszentrum für Wissensbasierte Systeme (FG
Wissensverarbeitung)
Anschrift: Haberstr. 2, 91058 Erlangen
Tel.: +49.9131.85 .8991
Fax.: +49 9131/85 28990
E-Mail: [email protected]
Leitung
Prof. Dr.-Ing. Heinrich Niemann
Sekretariat
Silvia Zettelmaier
Wiss. Mitarbeiter:
Ing. Radim Chrastek
Dipl.-Inf. Klaus Donath
Dipl.-Inf. Tino Haderlein
Dr.-Ing. Bernd Ludwig
Frank-Peter Schweinberger, M.A.
1
Einführung
Die Forschungsgruppe Wissensverarbeitung des FORWISS beschäftigt sich mit der automatischen Interpretation von Video-, (Einzel-)Bild- und Sprachsignalen. Der Mensch nimmt diese
Signale über entsprechende Sinnesorgane wahr, ordnet sie in Kontexte ein und kombiniert sie
mit weiteren Informationen, z. B. eigenen Erfahrungen und Wissen. Er löst gegebenenfalls
Mehrdeutigkeiten auf, kommt so zu Entscheidungen und handelt dementsprechend. Gestörte
oder fehlende Sensordaten werden in dieser Verarbeitungskette erkannt, korrigiert und ergänzt.
Damit auch Computer automatisch und zuverlässig zu einer sinnvollen Interpretation von Daten
kommen können, ist es notwendig, bekanntes Wissen über den Problemkreis einzubeziehen.
2
Forschungsschwerpunkte
Die Forschungsgruppe Wissensverarbeitung beschäftigt sich mit der Entwicklung derartiger
Lösungsansätze. Zur automatischen Interpretation der Bild- und Sprachsignale werden daher
sowohl problemunabhängige Methoden als auch wissensbasierte Verfahren verwendet und in
den folgenden Arbeitsgebieten eingesetzt:
• Analyse und Verstehen gesprochener Sprache in Dialogsystemen
• Interpretation von Videobildsequenzen
• Medizinische Bildverarbeitung
99
FORWISS Bay. Forschungszentrum für Wissensbasierte Systeme
Systeme (FG
(FG Wissensverarbeitung)
Wissensver2.1
arbeitung)
Dabei besteht eine gegenseitige Ergänzung der Arbeitsfelder zwischen dem Lehrstuhl für Mustererkennung und der Arbeitsgruppe am FORWISS.
Die Forschungsgruppe hatte bei einer Reihe von Veranstaltungen die Gelegenheit, ihre Arbeitsergebnisse in der Öffentlichkeit zu präsentieren:
• Lange Nacht der Wissenschaften 2003 (http://www.nacht-der-wissenschaften.de/)
• SYSTEMS 2003 (http://www.systems-world.de/)
• MTI-Status-Tagung (http://informatiksysteme.pt-it.de/mti-2/)
2.1 Forschungsrelevante apparative Ausstattung
• SUN Ultra 10 Server
• Pentium 4 PCs unter Linux und teilweise unter MS Windows XP
• Digitalkameras
• Headsets
2.2 Kooperationsbeziehungen
• TU Brno (Tschechien) (http://wes.feec.vutbr.cz/UBMI)
• Lehrstuhl für Multimedia-Konzepte und Anwendungen an der Universität Augsburg (http://www.informatik.uni-augsburg.de/mm)
• Fachhochschule Wedel (http://www.fh-wedel.de/~mo/racer/index.html)
• University of Hamburg, Computer Science Department, Cognitive Systems Group
(http://kogs-www.informatik.uni-hamburg.de/~moeller)
• Roco Modellspielwaren (http://www.roco.co.at)
• CorScience GmbH (http://www.corscience.de)
• Loewe GmbH (http://www.loewe.de)
• Dr. Hein GmbH (http://www.dr-hein.com)
• Fachklinik Herzogenaurach (http://www.fachklinik-herzogenaurach.de)
100
3 FORWISSFORWISS
Bay. Forschungszentrum
Bay. Forschungszentrum
für Wissensbasierte
für Wissensbasierte
Systeme (FG
Systeme
Wissensverarbeitung)
(FG Wissensverarbeitung)
3
Forschungsprojekte
3.1 AUDIMO (SFB 539 A.4)
Projektleitung:
Prof. Dr. Heinrich Niemann
Beteiligte:
Ing. Radim Chrastek
Laufzeit: 1.1.2000 - 31.12.2003
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Mitwirkende Institutionen:
Augenklinik mit Poliklinik; Institut für Medizininformatik, Biometrie und Epidemiologie
Kontakt:
Ing. Radim Chrastek
Tel.: +49.9131.85.28980, Fax: +49.9131.85.28990,
E-Mail: [email protected]
Das Projekt AUDIMO (Automated Disc Margin Outlining) befasst sich im Rahmen des SFB
539 (Teilprojekt A.4) mit der Papillensegmentierung zur automatischen Glaukomfrüherkennung. Die Papille (der Austritt des Sehnerven aus dem Auge) wird mittels eines Heidelberg Retina Tomographen (HRT) (hierbei handelt es sich um ein Gerät, welches auf dem Prinzip eines
konfokalen Mikroskop basiert) aufgenommen. Anschließend werden verschiedene Oberflächen- und Volumenparameter berechnet, die zur Glaukomklassifizierung dienen. Bis jetzt mussten hierfür die Papillengrenzen (sog. Elschingscher Skleraring) von einem Augenarzt
aufwändig manuell markiert werden.Der Algorithmus basiert auf morphologischen Operationen, Hough-Transformation und aktiven Konturen.
Publikationen
0XX
1. Chrastek, Radim ; Wolf, Matthias ; Donath, Klaus ; Michelson, Georg ; Niemann, Heinrich: Automatic Optic Disc Segmentation for Analysis of the Optic Nerve Head . In: H.
U. Lemke ; M. W. Vannier ; K. Inamura ; A. G. Farman ; K. Doi (Hrsg.) : Proceedings
of the 15th International Congress and Exhibition on Computer Assisted Radiology and
Surgery (CARS’01) (The 15th International Congress and Exhibition on Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS’01) Berlin). Bd. 1230. Amsterdam, London, New
York, Oxford, Paris, Shannon, Tokyo : Elsevier Science, 2001, S. 1119. ISBN 044450866X
2. Chrastek, Radim ; Wolf, Matthias ; Donath, Klaus ; Michelson, Georg ; Niemann, Heinrich: Automated Outlining of the External Margin of the Optic Disk for Early Diagnosis
of Glaucoma . In: L. T. Shuskova ; O. P. Nikitin ; L. M. Samsonov ; P. A. Polushin
101
FORWISS Bay. Forschungszentrum für Wissensbasierte Systeme
Systeme (FG
(FG Wissensverarbeitung)
Wissensver3.2
arbeitung)
(Hrsg.) : Physics and Radioelectronics in Medicine and Ecology, Proceedings of 5th International Conference (Physics and Radioelectronics in Medicine and Ecology Vladimir). Vladimir : Vladimir State University, 2002, S. 16-19. - ISBN 5939070124
3. Chrastek, Radim ; Wolf, Matthias ; Donath, Klaus ; Niemann, Heinrich ; Hothorn, Torsten ; Lausen, Berthold ; Lämmer, Robert ; Mardin, Christian Y. ; Michelson, Georg:
Automated Segmentation of the Optic Nerve Head for Glaucoma Diagnosis . In: T. Wittenberg ; Hastreiter, Peter ; U. Hoppe ; H. Handels ; A. Horsch ; H.-P. Meinzer (Hrsg.) :
Bildverarbeitung für die Medizin 2003: Algorithmen - Systeme - Anwendungen (Bildverarbeitung für die Medizin 2003 Erlangen). Berlin, Heidelberg, New York : Springer,
2003, S. 338-342. - ISBN 3540006192
3.2 Bildanalyseassistent zur Blutgefäßanalyse
Projektleitung:
Prof. Dr. Heinrich Niemann
Beginn: 1.1.1998
Kontakt:
Dipl.-Inf. Klaus Donath
Tel.: +49.9131.85.28977, Fax: +49.9131.85.28990,
E-Mail: [email protected]
Der Bildanalyseassistent unterstützt die Auswertung medizinischer Bilder im Bereich der Analyse von Blutgefäßen. Über ein graphisches Interface kann der Anwender einen Empfindlichkeitsregler einstellen und einzelne Bereiche als Gefäß oder Hintergrund markieren. Daraus lernt
das System interne Parameter, die zur automatischen Segmentierung der Blutgefäße benötigt
werden. Aus dem segmentierten Bild werden morphologische Parameter wie Gefäßlänge, durchmesser und Verzweigungsgrad berechnet und zur statistischen Auswertung aufbereitet.
3.3 CHUCHU
Projektleitung:
Dr.-Ing. Bernd Ludwig
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Alexander Huber
Laufzeit: 1.5.2002 - 30.9.2005
Förderer: Förderkreis FORWISS
Kontakt:
Dr.-Ing. Bernd Ludwig
Tel.: +49.9131.85.28983, Fax: +49.9131.85.28990,
E-Mail: [email protected]
102
3.3FORWISSFORWISS
Bay. Forschungszentrum
Bay. Forschungszentrum
für Wissensbasierte
für Wissensbasierte
Systeme (FG
Systeme
Wissensverarbeitung)
(FG Wissensverarbeitung)
Komplexe elektronische Systeme spielen eine immer größere Rolle im Alltag. Heimelektronik
wie Videorecorder zählt dabei ebenso zu solchen Systemen wie Navigationssysteme im Auto
oder sehr fortgeschrittene Softwareprogramme, die auf Personal Computern installiert sind.
Weil die Elektronik immer leistungsfähig wird, und in der Regel Softwarekomponenten die
Kontrolle übernehmen, steigen auch ständig die Anforderungen an Benutzer, wenn sie derartige
Systeme benutzen und ihr Funktionsangebot komplett einsetzen wollen. Im Normalfall wird der
überwiegende Anteil der angebotenen Funktionen sehr selten benutzt; eine Konsequenz aus dieser Tatsache ist, dass Benutzer meist nicht wissen, wie und zu welchem Zweck bestimmte Systemfunktionen aktiviert werden können.
Oft brauchen Benutzer diese selten genutzten Funktionen aber gerade dann, wenn weder Zeit
noch Rat zur Verfügung steht. Sehr wohl sind sie aber in der Lage, die Aufgabe, die sie erledigen wollen, zu beschreiben - es ist nur gerade niemand zur Hand, der dem elektronischen System die richtigen Kommandos zur Lösung der Aufgabe geben könnte.
Diesem Mißstand Abhilfe zu verschaffen, ist das wesentliche Ziel hinter dem Projekt "Sprachgesteuerte Modelleisenbahn". Es geht dabei darum, Verfahren zu entwickeln, die -- an verschiedene elektronische Systeme anpassbar -- die von Benutzern gestellte Aufgaben in die richtigen
Kommandos an das eingesetzte System zu übersetzen, deren Abarbeitung durch das System zu
überwachen, die Benutzer über die Systemaktivitiväten zu informieren und ihnen zu assistieren,
wenn die Abarbeitung der Kommandos nicht so funktioniert, wie das ursprünglich geplant war.
An einer Kreuzung in einer fremden Großstadt sollte man beispielsweise seinem Navigationssystem mitteilen können, wenn die Aufforderung, nach rechts abzubiegen, nicht erfüllt werden
kann, weil die Straße gesperrt ist. Ein kooperatives System sollte sofort mitteilen, dass nach einer Alternativroute gesucht wird, und, wenn diese gefunden wurde, dies auch sprachlich klarstellen, so dass der Autofahrer stets mitdenken und die Fahranweisungen des Systems verstehen
kann.
Die sprachgesteuerte Eisenbahn ist nur eines der Projekte zum Themenschwerpunkt "Kooperative Assistenzsysteme", die an den Lehrstühlen für Mustererkennung und Künstliche Intelligenz
bearbeitet werden.
Die Erfahrung aus der Projektarbeit zeigt, dass dem Benutzer die Bedienung eines Systems
dann besonders erleichtert wird, wenn neben Sprache auch Bilder für Erklärungen und Anweisungen eingesetzt werden. Damit ein Assistenzsystem flexibel genug ist, müssen 3D-Grafiken
in Echtheit aus den aktuell vorliegenden Informationen generiert werden. Wie in Computerspielen müssen Szenen auf den Bildschirm gezeichnet werden, die dem Benutzer die Orientierung
erleichtern. Die Fachleute für diese Aufgaben arbeiten am Lehrstuhl für Computergraphik an
sogenannten Virtual-Reality-Programmen, die bei weitem nicht nur in Assistenzsystem gebraucht werden.
Weitere Informationen
Bildmaterial zu Modelleisenbahn ist auf der Webseite http://www-wv.informatik.uni-erlangen.de/~bdludwig/chuchu/aams_short.html verfügbar. Dort finden sich auch weitere wissenschaftliche Artikel über das Projekt und über das eingesetzte Sprachdialogsystem.
Publikationen
0XX
1. Huber, Alexander ; Ludwig, Bernd: A Natural Language Multi-Agent System for Controlling Model Trains . In: : Society for Modelling and Simulation International (SCS)
(Hrsg.) : Proceedings of the Conference on AI, Simulation, and Planning in High Autonomy Systems (AI, Simulation, and Planning in High Autonomy Systems Lissabon Lis103
FORWISS Bay. Forschungszentrum für Wissensbasierte Systeme
Systeme (FG
(FG Wissensverarbeitung)
Wissensver3.4
arbeitung)
sabon 07.04.-10.04.2002). 2002, S. 145-149.
2. Huber, Alexander ; Ludwig, Bernd: Users Talk to their Model Trains: Interaction with a
Speech-based Multi-Agent System . In: C. Castelfranchi, W.L. Johnson (Hrsg.) : Proceedings of First International Joint Conference on Autonomous Agents and Multi-Agent
Systems (AAMAS 2002 Bologna 15.7.-19.7.2002). New York : ACM, 2002, S. 801802. - ISBN 1-58113-480-0
3.4 EMBASSI
Projektleitung:
Prof. Dr. Heinrich Niemann
Beteiligte:
Dr.-Ing. Bernd Ludwig
Frank-Peter Schweinberger, M.A.
Yves Forkl, M.A.
Dipl.-Inf. Tino Haderlein
Dipl.-Inf. Martin Klarner
Kerstin Bücher, M.A.
Laufzeit: 1.7.1999 - 30.6.2003
Förderer: BMBF
Kontakt:
Dr.-Ing. Bernd Ludwig
Tel.: +49.9131.85.28983, Fax: +49.9131.85.28990,
E-Mail: [email protected]
Jeder kennt das Problem: Die Fähigkeiten eines neu erworbenen technischen Geräts eröffnen
sich dem stolzen Besitzer erst nach ausgiebigem Studium der Bedienungsanleitung. Und die Erfahrung, dass die zunächst kinderleichte Bedienung nach längerer Nichtnutzung einzelner
Funktionen nicht mehr so logisch und intuitiv erscheint, wird jeder bereits am eigenen Leib gemacht haben. Um jedermann den Umgang mit technischen Geräten zu erleichtern, soll im EMBASSI-Projekt eine universelle, mobile Bedieneinheit mit dem Ziel entwickelt werden, die
Möglichkeiten der Technik so auszunutzen, dass sie den Bedürfnissen der Benutzer gerecht
werden, indem eine intuitive und weitgehend einheitliche Bedienung unterschiedlicher Geräte
ermöglicht wird. Dafür hat sich ein Konsortium von 19 Industrieunternehmen, kleinen und mittleren Unternehmen, Universitäten und Forschungseinrichtungen im Rahmen des BMBF-Leitprojekts „Mensch-Technik-Interaktion in der Wissensgesellschaft" zusammengefunden. Ein
innovatives Bedienkonzept soll es dem Benutzer zukünftig ermöglichen, die Einstellung am
Gerät in natürlicher Sprache vorzunehmen. Statt hierbei eine strikt vorgegebene Folge von
Kommandos zu diktieren, soll das Gerät quasi den Gedankengang des Anwenders nachvollziehen, um dessen Wunsch zu verstehen. Die Umsetzung des Wunsches in die internen Operationsfolgen leistet im Anschluss das intelligente Steuerungssystem des Geräts.
Während sich die Dialogführung mit dem Problem des Sprachverstehens beschäftigt, wird auch
die eigentliche Spracherkennung beim Einsatz in Wohnraumumgebungen vor besondere Pro104
3.5FORWISSFORWISS
Bay. Forschungszentrum
Bay. Forschungszentrum
für Wissensbasierte
für Wissensbasierte
Systeme (FG
Systeme
Wissensverarbeitung)
(FG Wissensverarbeitung)
bleme gestellt. Da keinem Systembenutzer das ständige Tragen eines Nahbesprechungsmikrofons zugemutet werden kann, ist es erforderlich, den Benutzer über Raummikrofone
aufzunehmen. Dabei werden seine Kommandos jedoch vielfältig gestört.
Im Rahmen des Projekts EMBASSI kooperieren zu dieser Fragestellung der Lehrstuhl fur Multimediakommunikation und Signalverarbeitung (LMS) (http://www-nt.e-technik.uni-erlangen.de) und der Lehrstuhl für Mustererkennung (LME) (http://www5.informatik.unierlangen.de:) Vorverarbeitungsoperationen wie Beamforming und Echokompensation, die am
LMS untersucht werden, entfernen Störsignale und verstärken das Nutzsignal. Dabei kommen
auch adaptive Verfahren zum Einsatz, die sich ständig neu an Signal und Störung anpassen und
dadurch bessere Resultate erzielen. Am LME wird die Merkmalberechnung bei der Spracherkennung auf die durch den großen Mikrofonabstand verhallten Sprachdaten eingestellt. Erfolg
versprechende Versuche wurden bisher mit einer veränderten Kompandierung der im spektralen Bereich berechneten Koeffizienten erzielt. Derzeit werden auch neuronale Netze eingesetzt,
die im Prinzip eine Enthallung durchführen sollen, allerdings nicht der Sprachaufnahmen selbst,
sondern der spektralen Merkmale.
Als Datengrundlage für die Experimente wird die EMBASSI-Stichprobe verwendet, die eine
Vielzahl von möglichen Störszenarien enthält und ebenfalls aus der Kooperation der Lehrstühle
hervorgegangen ist (siehe den Jahresbericht 2002 (http://www-wv.informatik.uni-erlangen.de/
fg-wv/Jahresberichte/2002/jb02.html#embassi) ).
Die hier beschriebenen Arbeiten wurden zunächst parallel zum Projekt SIPaDIM im Forschungsverbund
FORSIP
(http://univis.uni-erlangen.de/form?__s=2&dsc=anew/
resrep_view&rprojs=forsch/abayfo/forsip/sipadi&anonymous=1&dir=forsch/abayfo/forsip&ref=resrep&sem=2004s&__e=468) und in der zweiten Hälfte des Jahres ausschließlich
dort durchgeführt.
Publikationen
0XX
1. Haderlein, Tino ; Stemmer, Georg ; Nöth, Elmar: Speech Recognition with mu-Law
Companded Features on Reverberated Signals . In: V. Matousek, P. Mautner (Hrsg.) :
Proceedings on the 6th International Conference on Text, Speech and Dialogue (6th International Conference on Text, Speech and Dialogue Brno). Berlin : Springer, 2003, S.
173-180. (Lecture Notes for Artificial Intelligence Bd. 2807)
3.5 Schlaganfallrisikoindexberechnung
Projektleitung:
Prof. Dr. Heinrich Niemann
Beteiligte:
Ing. Radim Chrastek
105
FORWISS Bay. Forschungszentrum für Wissensbasierte Systeme
Systeme (FG
(FG Wissensverarbeitung)
Wissensver3.5
arbeitung)
Beginn: 1.1.1998
Mitwirkende Institutionen: Augenklinik mit Poliklinik
Kontakt:
Ing. Radim Chrastek
Tel.: +49.9131.85.28980, Fax: +49.9131.85.28990,
E-Mail: [email protected]
Das Ziel dieses Projektes ist die Erkennung eines nahenden Schlaganfalles. Ein Forschungsteam aus den Universitäten Wisconsin-Madison und North Carolina hat belegt, dass eine Verengung der Arterien des Augenhintergrundnetzes mit einem bevorstehenden Hirninfarkt
verbunden ist. Als Maßzahl für arterielle Verengung in der Retina und gleichzeitig als Gefährdungsindex wurde von unseren medizinischen Partnern (Augenklinik Erlangen) vorgeschlagen,
die gewichteten durchschnittlichen Durchmesser der Arterien durch die gewichteten durchschnittlichen Durchmesser der Venen zu dividieren. Im Gegensatz zu dem US-Forschungsteam,
das den Gefährdungsindex manuell ermittelt, wollen wir den Gefährdungsindex automatisch
berechnen. Dazu müssen folgende Aufgaben gelöst werden: Gefäßsegmentierung, Klassifikation in Arterien und Venen, Papilladetektion und Vermessung der Gefäßdurchmesser.
Publikationen
0XX
1. Chrastek, Radim ; Wolf, Matthias ; Donath, Klaus ; Niemann, Heinrich ; Michelson, Georg: Automated Calculation of Retinal Arteriovenous Ratio for Detection and Monitoring of Cerebrovascular Disease Based on Assessment of Morphological Changes of
Retinal Vascular System . In: K. Ikeuchi (Hrsg.) : Proceedings of IAPR Workshop on
Machine Vison Applications MVA 2002 (IAPR Workshop on Machine Vison Applications MVA 2002 Nara, Japan). Nara, Japan : IAPR MVA Organizing Committee, 2002,
S. 240-243. - ISBN 4-901122-02-9
106
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
Anschrift:Martensstraße 3, 91058 Erlangen
Tel.: +49.9131.85.27892
Fax.: +49.9131.85.28854
E-Mail: [email protected]
Leitung:
Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener
Professor:
Prof. Dr. Stefan Jablonski
Sekretariat:
Brigitte Knechtel
Wiss. Mitarbeiter:
Dipl.-Inf. Wolfgang Hümmer
Dipl.-Inf. Rainer Lay
Dipl.-Inf. Udo Mayer
Dipl.-Inf. Christian Meiler
Dipl.-Inf. Marcus Meyerhöfer
Dipl.-Inf. Sascha Müller
Ilia Petrov, M.S.
Dipl.-Inf. Lutz Schlesinger
Maciej Suchomski, M.S.
1
Einführung
Der Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme) wurde 1979, damals noch mit dem Zusatz
"Rechnergestützte Aktivitäten", durch Berufung von Prof. Dr. Hartmut Wedekind erstmalig besetzt. Prof. Dr. Hartmut Wedekind, geb. 1935, studierte Wirtschaftsingenieurwesen an der TH
Darmstadt; nach seiner Promotion 1963 bis 1969 war er bei IBM Deutschland als Leitender Systemberater beschäftigt. 1967 Habilitation an der TU München. 1970 bis 1979 Professor für Informatik und Betriebswirtschaftslehre an der TH Darmstadt; ab Oktober 1979 bis zu seiner
Emeritierung Ende September 2000 Professor für Informatik, Universität Erlangen-Nürnberg.
Hauptarbeitsgebiete: Angewandte Informatik, bes. Datenbanksysteme, Konstruktion von Anwendungssystemen für die Informatik.
Im April 1985 wurde der Lehrstuhl in "Datenbanksysteme" umbenannt.
Zum 1. Oktober 2001 wurde Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener als Nachfolger berufen. Nach dem
Studium der Informatik an der TH Darmstadt, das er 1980 mit dem Diplom abschloss, war Prof.
Meyer-Wegener bis 1986 wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Kaiserslautern. Die
Promotion zum Dr.-Ing. erfolgte 1986 mit einer Arbeit über Transaktionssysteme. Danach als
107
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
1
Hochschulassistent weiterhin an der Universität Kaiserslautern, wurde er 1987 beurlaubt für einen Aufenthalt an der Naval Postgraduate School in Monterey, Kalifornien. Nach seiner Rückkehr arbeitet er an einer Habilitationsschrift über Multimedia-Datenbanken. 1990 erhielt er den
Ruf auf die Professur für Informatik (Datenbanksysteme) in Erlangen. Die Habilitation konnte
dann aber 1991 noch in Kaiserslautern abgeschlossen werden. 1993 verließ Prof. Meyer-Wegener Erlangen, um einen Ruf an die TU Dresden anzunehmen. Dort blieb er bis 2001.
Dem Lehrstuhl zugeordnet ist die Professur für Informatik (Datenbanksysteme), die von 1990
bis 1993 mit dem jetzigen Inhaber besetzt war. 1994 wurde Prof. Dr. Stefan Jablonski als sein
Nachfolger berufen. Er studierte von 1980 bis 1985 Informatik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Daran anschließend war er bis 1991 wissenschaftlicher Assistent
am Lehrstuhl für Datenbanksysteme der Universität Erlangen-Nürnberg. Hier promovierte er
im Jahre 1989 zum Thema Datenverwaltung in verteilten Systemen. Von 1991 bis 1994 war
Prof. Jablonski Forschungsgruppenleiter bei der Digital Equipment GmbH. Er war verantwortlich für die Themenbereiche Prozessmodellierung und Workflow-Management. Den Großteil
dieser Zeit verbrachte er bei der Activity Management Group der Digital Equipment Corporation in Palo Alto, CA, USA. Hier war er verantwortlich für die Architektur eines Workflow-Management-Produkts. Seit 1994 hat Prof. Jablonski die Professur für Datenbanksysteme an der
Universität Erlangen-Nürnberg inne. Seine Themenschwerpunkte sind Integrationskonzepte für
verteilte Anwendungssysteme, web-basierte Anwendungssysteme, Prozess- und WorkflowManagement.
Forschungsschwerpunkte
1. Data Warehouses
Das Ziel eines Data-Warehouse-Systems ist es, eine integrierte und konsolidierte Datenbasis
basierend auf einer Vielzahl heterogener Quellsysteme bereitzustellen. Anders als der klassische Datenbankansatz, auch wenn er auf dem föderativen Prinzip beruht, sieht die Methode des
Data-Warehousing zum einen eine Integration auf Datenebene und eine Historisierung der in
das Warehouse übernommenen Daten vor. Die sich daraus ergebenden hohen Datenvolumina
gilt es analytisch auszuwerten, wobei das Prinzip des Online Analytical Processing (OLAP)
eine interaktive Exploration des Datenbestands fordert. Das prototypische OLAP-System CubeStar wurde als Plattform zur Evaluierung einer Vielzahl unterschiedlicher Forschungsaspekte
entwickelt. Neben einer adaptiven Präaggregationsstrategie enthält CubeStar Mechanismen zur
Realisierung multidimensionaler Schemaversionierungen. Des weiteren dient CubeStar als Basis zur Realisierung virtueller Data-Warehouse-Systeme mit einem verteilten Systementwurf
unter CORBA. CubeStar wurde von der DFG im Rahmen einer Sachbeihilfe gefördert.
Das Forschungsprojekt PubScribe bündelt eine Menge autonomer Teilprojekte, die sich mit der
proaktiven Bereitstellung der von autonomen Datenquellen produzierten Informationen auseinandersetzen. In einzelnen setzt sich PubScribe neben einem integrativen Kernkonzept aus folgenden Teilen zusammen:
• XWeb: Das XWeb-Projekt realisiert ein regelbasiertes Extraktionswerkzeug, um
struktrierte Informationen aus semi-strukturieren Datenbeständen, insbesondere im
Internet, zu gewinnen.
• SCINTRA: Die autonome Konfiguration von PubScribe impliziert, dass zu propagierende Informationen zu unterschiedlichen Zeitpunkten im System ankommen und
eine direkte Verknüpfung in einen inkonsistenten globalen Zustand münden würde.
SCINTRA versucht durch unterschiedliche Strategien, basierend auf einer Menge
108
1
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
historischer Abzüge der ursprünglichen Datenquellen, semi-konsistente
Datenbestände zu erzeugen, so dass der Benutzer ein von ihm gewähltes Verhältnis
von Konsistenz und Aktualität bestimmen kann.
2. Multimedia-Datenbanken
In Fortsetzung der Arbeiten, die Prof. Meyer-Wegener von 1998 bis 2001 in Dresden in einem
Teilprojekt des SFB 358 geleitet hat, werden im RETAVIC-Projekt Konvertierungen von Multimedia-Daten in Echtzeit untersucht. Dazu wurden die Konvertierungen klassifiziert, es wurden Benchmarks für ihren Test definiert, und es wurde ein spezieller Konverter (XviD)
dahingehend orptimiert, dass er ein vorhersagbares Verhalten zeigt. Weitere Arbeiten befassen
sich mit der Analyse der Normen für die Codierung von Mediendaten (MPEG-4 und H.264) sowie der Erkennung und Analyse von vorliegenden Mediendaten. Laufende Aktivitäten widmen
sich der Gewinnung von Metadaten, die in der Echtzeit-Konvertierung zur weiteren Optimierung genutzt werden können
Die DFG-Forschergruppe FOR 428 "COMQUAD" hat zum 1. Oktober 2001 ihre Arbeit an der
TU Dresden aufgenommen. Das Erlanger Teilprojekt befasst sich mit der Abbildung und
Durchsetzung quantitativer Anforderungen an Software-Komponenten. Abbildung bedeutet dabei, dass eine Komponente Anforderungen nur dann erfüllen kann, wenn sie daraus ihrerseits
Anforderungen an die von ihr selbst genutzten Komponenten ableitet und diese dann auch erfüllt werden können. Diese Abhängigkeit wird in Form einer Aufrufmatrix dokumentiert. Sie
erlaubt erste Aussagen über das Verhalten des Gesamtsystems auf der Basis des Verhaltens von
Komponenten und des Verhaltens der Ablaufumgebung. Um das Verhalten der Komponenten
dazu ermitteln zu können, wurde eine aufwändige Messumgebung entwickelt. Die Resultate
werden vielfältig ausgewertet und in einem Komponenten-Repository dem Entwicklungsprozess zur Verfügung gestellt.
3. InTech (Integration Technologies)
Die Forschungstätigkeiten unter der Professur für Datenbanksysteme unter Leitung von Prof.
Dr.-Ing. Stefan Jablonski (Forschungsgruppe InTech, Integration Technologies) konzentrieren
sich auf das Gebiet der Daten- und Prozessintegration. Seit Jahren stehen Integrationskonzepte
zur Verwaltung von Daten in verteilten Systemen traditionell im Mittelpunkt des Interesses.
Dazu hat sich ein weiterer Schwerpunkt gesellt, nämlich die Untersuchung von Konzepten zur
Prozessintegration, wobei mit Nachdruck das Thema Workflow-Management bearbeitet wird.
So ist Prof. Jablonski seit seiner Gründung im Jahre 1995 Leiter des GI-Arbeitskreises „Modellierung und Ausführung von Workflows". Die unter seiner Leitung am Lehrstuhl für Datenbanksysteme durchgeführten Forschungsarbeiten im Bereich Workflow-Management haben
nachhaltig viele aktuelle, weltweit angesiedelte Entwicklungen im Bereich Workflow-Management beeinflusst. Die am Lehrstuhl für Datenbanksysteme durchgeführten Forschungsarbeiten
(u.a. SFB 182 „Multiprozessor- und Netzwerkkonfigurationen", bis 1999; Transferbereich 21
„Operationales Prozess- und Datenmanagement für Großprojekte im Anlagenbereich", 2000 2002) werden komplementiert durch anwendungsorientierte Projekte im Bereich WorkflowManagement. Die angestrebte Mischung aus forschungsorientierten und anwendungsbezogenen Projekten soll die praktische Umsetzbarkeit der konzeptionell erarbeiteten Forschungsergebnisse aufzeigen. Historisch gesehen lag der Schwerpunkt der Projektarbeiten der
Forschungsgruppe im technischen Bereich. Projekte mit der Siemens AG, der Deutschen Telekom AG und der Daimler-Chrysler AG belegen dies.
Seit etwa fünf Jahren verschiebt sich der Schwerpunkt der Forschungstätigkeiten hin in Richtung medizinische Anwendungen. Von 1998 bis Ende 2001 engagierte sich die Forschungs109
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
2
gruppe in einem Projekt mit der Siemens Health Systems GmbH. Gegenstand dieses Projekts
war zum einen die Untersuchung der Einsetzbarkeit von Workflow-Management-Konzepten im
Klinikbereich, insbesondere in der Radiologie, und zum anderen die Untersuchung von Konzepten für verteilte Datenhaltung für radiologische Anwendungen. Seit 2002 bearbeitet die Forschungsgruppe darüber hinaus das von der DFG unterstützte Projekt „Grundlagen
prozessorientierter Informationssystem im Krankenhaus und im Versorgungsnetz", welches in
Kooperation mit der Medizininformatik (Prof. Kuhn) der Universität Marburg durchgeführt
wird. Gegenstand dieses Projekts ist Entwicklung selektiv einsetzbarer, angepasster WorkflowManagement-Konzepte für klinische Anwendungen mit Schwerpunkt auf dem Versorgungsnetz. Seit ca. zwei Jahren besteht eine intensive Zusammenarbeit mit Prof. Michelson mit dem
Themenschwerpunkt Integrationstechniken für Glaukom-Anwendungen. Aus dieser resultierte
eine Beteiligung am SFB539 „Glaukome einschließlich Pseudoexfoliationssyndrom (PEX)"
mit dem Teilprojekt C.5 „Intelligente Vernetzung und Adaption von IT-Systemen zur Qualitätssteigerung der Behandlung von Glaukompatienten", das in Kooperation mit dem Lehrstuhl für
Medizinische Informatik (Prof. Prokosch) durchgeführt wird. Im Einzelnen stehen die Themen
Flexibilität von Workflow-Management-Systemen, Aufbau generischer Organisationsstrukturen und Einsatz von Repositorien zur Unterstützung dynamischer Datenbankanwendungen auf
dem Arbeitsplan. Arbeiten ich Bereich Content-Management stellen ein weiteres Anwendungsgebiet dieser Basistechnologien dar.
2
Forschungsprojekte
2.1 COMQUAD - COMponents with QUantitative properties and
ADaptivity
Projektleitung:
Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Marcus Meyerhöfer
Laufzeit: 1.10.2001 - 30.9.2003
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Kontakt:
Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener
Tel.:+49.85.27892, Fax:+49.85.28854
E-Mail: [email protected]
Das Forschungsprojekt COMQUAD (COMponents with QUantitative properties and ADaptivity) wurde zum 1. Oktober 2001 an der TU Dresden begonnen. Es behandelt die Konstruktion
von Software mit einem komponentenbasierten Ansatz, wobei im Gegensatz zu bereits existierenden Komponentenmodellen ein Modell entwickelt werden soll, welches neben den funktionalen Eigenschaften einer Software-Komponente auch nichtfunktionale Eigenschaften explizit
miteinbezieht. Durch dieses neuartige Komponentenmodell soll es sowohl möglich sein, Aussagen über quantifizierbare nichtfunktionale Eigenschaften wie z.B. Bildrate einer Videoüber110
2.2
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
tragung oder etwa die Anzahl gleichzeitig bedienbaren Clients als auch über abstraktere
Eigenschaften wie z.B. Sicherheitsaspekte treffen zu können, wobei diese Aussagen zusicherbar sind und die Eigenschaften einer komplexen, zusammgesetzten Komponente automatisch
aus denen der Bestandteile ableitbar sein sollen. Der zweite wichtige Aspekt von COMQUAD
ist die Entwicklung geeigneter Methoden zur dynamischen Adaption der Komponenten, so dass
eine Anpassung an geänderte Anforderungen an die Software zur Laufzeit möglich ist, sei es,
dass diese Änderungen vom Anwender selbst (z.B. Änderung des Benutzerprofils) oder von der
Systemumgebung (etwa Änderung verfügbarer Bandbreite zur Kommunikation) veranlasst
sind. An COMQUAD sind insgesamt 6 verschiedene Lehrstühle beteiligt; der Lehrstuhl für Datenbanksysteme der Universität Erlangen-Nürnberg bearbeitet hautpsächlich die Problematik
der Abbildung sowie der Durchsetzung von Anforderungen an eine Komponente. Dies bedeutet, dass eine Komponente eine Anfrage mit zusätzlich geforderten nichtfunktionalen Eigenschaften nur dann erfüllen kann, falls sie selbst Anforderungen an von ihr genutzte
Komponenten ableiten kann, die zur Erfüllung der Anfrage notwendig sind und diese wiederum
von den benutzen Komponenten zugesichert werden können. Darüberhinaus werden Methoden
erarbeitet, um automatisch nichtfunktionale Eigenschaften von Komponenten bestimmen bzw.
die Einhaltung dieser Eigenschaften überprüfen zu können.
Publikationen
0XX
1. Meyerhöfer, Marcus ; Zschaler, Steffen: Explicit Modelling of QoS - Dependencies .
In: Jean-Michel Bruel (Hrsg.) : Qos in CBSE 2003 (Workshop "QoS in CBSE 2003" at
ADA Europe 2003 Toulouse, Frankreich 20.06.2003). Toulouse : Cepadues Edition,
2003, S. 57-66. - ISBN 2.85428.617.0
2. Aigner, Ronald; Frank, Elke; Göbel, Steffen; Härtig, Hermann; Hußmann, Heinrich;
Meißner, Klaus; ; Meyer-Wegener, Klaus ; Meyerhöfer, Marcus ; Pfitzmann, Andreas;
Pöhl, Christoph, Pohlack, Martin; Röttger, Simone; Schill, Andreas; Wehner, Frank;
Zschaler, Steffen;: Zwischenbericht der DFG-Forschergruppe 428 "Components with
Quantitative Properties and Adaptivity (COMQUAD) . Dresden : TU Dresden. 2003
(Technical Report TUD-Fl03-10). - Interner Bericht. 35 Seiten
3. Meyerhöfer, Marcus ; Meyer-Wegener, Klaus: Estimating Non-functional Properties of
Component-based Software Based on Resource Consumption . In: Electronic Notes in
Theoretical Computer Science (ENTCS) (2004).
4. Meyerhöfer, Marcus ; Neumann, Christoph: TESTEJB - A measurement Framework for
EBJs . In: Ivica Crnkovic (Hrsg.) : Lecture Notes in Computer Science (LNCS) (International Symposium on Component-based Software Engineering (CBSE7) Edinburgh,
Schottland 24. - 15. Mai 2004). xxx : Springer, 2004.
2.2 FlexWCM - Flexible Konzepte für das Web-Content-Management
Projektleitung:
Prof. Dr. Stefan Jablonski
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Christian Meiler, Ilia Petrov, M.S.
111
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
2.2
Laufzeit: 1.3.2002 - 28.2.2005
Kontakt:
Dipl.-Inf. Christian Meiler
Tel.:+49.85.27892, Fax:+49.85.28854
E-Mail: [email protected]
Sich im Internet zu repräsentieren, ist inzwischen für ein Unternehmen obligatorisch geworden.
Dabei wird oftmals unterschätzt, dass die gezeigten Inhalte und Strukturen gepflegt werden
müssen. Web-Content-Management-Systeme haben sich inzwischen als Werkzeuge zur Beschaffung, Erzeugung, Aufbereitung, Verwaltung und Präsentation von Inhalten im World
Wide Web etabliert. Flexibilität spielt im Kontext von Web-Content-Management-Systemen
eine entscheidende Rolle und tritt als Anforderung in zahlreichen Fragestellungen zu Tage. Im
Folgenden findet sich eine Reihe von Themen, die in diesem Kontext untersucht werden.
*Verwaltung von Struktur, Inhalt, Darstellung und Programmlogik
Die Trennung von Struktur, Inhalt und Darstellung spielt eine zentrale Rolle im Web-ContentManagement. Erst durch dieses Konzept wird Wiederverwendung und Arbeitsteilung ermöglicht. In einem prototypischen Web-Content-Management-System wird untersucht, wie eine Integration von Programmlogik mittels orthogonaler Verarbeitung aller vier Bestandteile erfolgen
kann.
*Web-Content-Management und Semantic Web
Die semantische Beschreibung von Inhalten ist insbesondere bei Suche und Verwendung von
Inhalten von großer Bedeutung. Unter anderem mit RDF und RDF Schema existieren hier Standards. Web-Content-Management-Systeme werden sich der Herausforderung stellen müssen
auch semantische Beschreibung zu integrieren. In einem Prototyp werden im Rahmen des Projekts verschiedene Ansätze untersucht und evaluiert.
*Flexible Prozessunterstützung - Workflow Web-Content-Management ist ein arbeitsteiliger
Prozess an dem viele Gruppen (wie z.B. Redakteure, Entwickler, Grafiker etc.) beteiligt sind.
Diese Redaktionsprozesse müssen auf unterschiedlichen Ebenen von Web-Content-Management-Systemen unterstützt werden. Im Rahmen des Projekts werden unterschiedliche Ansätze
zur Prozessunterstützung untersucht und flexible Konzepte erarbeitet
Publikationen
0XX
1. Jablonski, Stefan ; Meiler, Christian ; Petrov, Ilia: Repositories as Integration Enabler for
the Web . In: xx (Hrsg.) : Proceedings of IADIS International Conference WWW/Internet 2002 (IADIS Intern. Conf. WWW/Internet 2002 Lissabon, Portugal 2002). 2002.
2. Jablonski, Stefan ; Meiler, Christian: Web-Content-Managementsysteme .
In: Informatik Spektrum 25 (2002), Nr. 2, S. 101-119
3. Jablonski, Stefan ; Meiler, Christian ; Petrov, Ilia: Web-Content-Managementsysteme:
Trennung von Struktur, Inhalt, Darstellung und Programmlogik . In: HMD Praxis der
Wirtschaftsinformatik (2004), Nr. 235.
112
2.3
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
2.3 Grundlagen prozessorientierter Informationssysteme im Krankenhaus
und Versorgungsnetz
Projektleitung:
Prof. Dr. Stefan Jablonski
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Christian Meiler, Prof. Dr. med. Klaus Kuhn, Dr. Richard Lenz, Dipl.-Inf.
Mario Bayer, Institut für Medizinische Informatik, FB Medizin und Klinikum, Phillips-Universität Marburg
Stichwörter:
Prozess; Gesundheitswesen; Referenzmodell, Architektur
Laufzeit: 1.3.2002 - 28.2.2005
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Mitwirkende Institutionen:
Institut für Medizinische Informatik, Universität Marburg
Kontakt:
Dipl.-Inf. Christian Meiler
Tel.:+49.85.28683, Fax:+49.85.28854
E-Mail: [email protected]
Gegenstand des Projekts "Grundlagen prozessorientierter Informationssysteme im Krankenhaus und im Versorgungsnetz" ist die Erarbeitung von Anforderungen an ganzheitliche Informationssysteme zur flexiblen Unterstützung abteilungsübergreifender Abläufe im Krankenhaus
und im Versorgungsnetz (niedergelassene Ärzte etc.). Die Informationsverarbeitung im Gesundheitswesen ist besteht aus einer Vielzahl dezentraler autonomer Teilsysteme in verschiedenen Institutionen und Organisationseinheiten, die jedoch nicht geeignet sind, die typischerweise
organisationsübergreifenden Abläufe in ihrer Gesamtheit abzubilden. Auf Anwendungsebene
wird dabei vor allem die Optimierung der Struktur- und Prozessqualität verfolgt. Ansatzpunkte
hierfür sind die organisatorische Abstimmung des Krankenversorgungsprozesses unter Wahrung medizinisch sinnvoller Reihenfolgen, die Vermeidung von Zeitverlusten und Doppelluntersuchungen, die Reduktion von Fehlerrisiken und die Optimierung der Ergebnisqualität. Auf
Systemebene wird hierzu die Prozessunterstützung mit adäquater Integration von Information
und Wissen sowie angemessener Ablaufsteuerung betrachtet. Ein wichtiger Eckpunkt ist die
Offenheit als notwendige Forderung zur Einbindung von Komponentensystemen und Standards. Außerdem spielt die Zuverlässigkeit nicht nur von Soft- und Hardwarekomponenten,
sondern auch unter Einbeziehung von Notfallplänen für den Ausfall der Komponenten eine entscheidende Rolle. Operationale Ziele sind die Erstellung eines Referenzmodells für Prozessanalyse und Modellierung, die Entwicklung generischer Methoden und Werkzeuge zur
Prozessmodellierung und Prozessanalyse, die Erstellung einer Referenzarchitektur zur prozessorientierten Integration von DV-Systemen und die Entwicklung eines Prototyps zum Aufzeigen des Zusammenwirkens von Methoden und Werkzeugen. Im Rahmen des Projekts wurde
113
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
2.3
zunächst eine Analyse der Prozesse vorgenommen und eine Reihe von Kommunikationsmustern erarbeitet, die wichtige Prozesse in Versorgungsnetzwerken auf geeigneter Abstraktionsstufe darstellen. Aufbauend auf den Ergebnissen der Prozessanalyse wird zurzeit eine
Referenzarchitektur für prozessorientierte Informationssysteme im Gesundheitswesen erarbeitet. Durch eine prototypische Implementierung wird das Zusammenwirken von Methoden und
Werkzeugen aufgezeigt werden.
Publikationen
0XX
1. Beyer, Mario; Kuhn, Klaus A.; Lenz, Richard; ; Jablonski, Stefan ; Meiler, Christian:
Anforderungen zur informationstechnischen Unterstützung des Versorgungsnetzes .
In: xx (Hrsg.) : xx (Workshop Enterprise Application Integration (EAI 2004) Oldenburg). 2004.
2. Jablonski, Stefan ; Lay, Rainer ; Meiler, Christian ; Müller, Sascha: Process Based Data
Logistics: A solution for Clinical Integration Problems . In: Rahm, E. (Hrsg.) : Data Integration in the Life Sciences, LNBI 2994 (First International Workshop on Data Integration in the Life Sciences (DILS 2004)). xx : xx, 2004, S. 31-46.
3. Beyer, M., Kuhn, K.A., Lenz, R. ; Jablonski, Stefan ; Meiler, Christian: Towards a Flexible, Process Oriented IT Architecture for an Integrated Healthcare Network . In: ACM
(Hrsg.) : Proceedings of the Annual ACM Symposium on Applied Computing (DAC’04)
(Special Track on "Computer Applications in Health Care" (COM;PAHEC 2004) Zypern). 2004.
114
2.4
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
2.4 MARRAKESCH
Projektleitung:
Dipl.-Inf. Wolfgang Hümmer
Beteiligte:
Dennis Kalemba, Ulrich Grießer, Stefan Baas, Stefan Meiler, Michael Schrumpf,
Thomas Tiel
Stichwörter:
Vertragsverhandlungen; B2B; Matching; Dialog; konfigurierbare Güter; Stücklisten
Beginn: 1.6.2001
Ziel des Projektes ist es, ein formales Modell für die Aushandlung komplexer Verträge zu spezifizieren. Der allgemeine Ablauf einer Geschäftstransaktion besteht aus drei Phasen, einer lose
gekoppelten Informationsphase, einer enger gekoppelten Verhandlungsphase und der abschließenden Abwicklung des Geschäfts. MARRAKESCH soll insbesondere die ersten beiden Phasen unterstützen. Wesentliche Aspekte, die das Projekt untersucht, sind:
Formale Spezifikation der Verträge
Um die Verarbeitung von Verträgen automatisierbar zu machen, ist ein Formalismus erforderlich, der es einerseits dem Rechner ermöglicht, den Inhalt zu "verstehen", andererseits den ...
nicht zu sehr einengt. Auf Grund der Ausrichtung in den B2B-Bereich verwendet Marrakesch
dazu erweiterte Stücklisten. D.h. sowohl Anbieter als auch Nachfrager drücken ihr Angebot
bzw. ihre Nachfrage in Form einer erweiterten Stückliste aus.
Finden kompatibler Vertragsangebote und Vertragsnachfragen
Aus einer Menge von Vertragsangeboten und -nachfragen müssen zueinander passende Paare
gefunden werden. Ist ein solches Paar gefunden, kann von der Informationsphase in die Verhandlungsphase übergegangen werden. Das Finden eines Paares gestaltet sich als ein komplexes Matching-Verfahren auf den Stücklistenstrukturen, das im Rahmen des Projekts genauer
untersucht wird.
Aushandlung eines für beide Seiten annehmbaren Vertrages
Wurde ein kompatibles Vertragspaar gefunden, müssen die noch bestehenden Freiheitsgrade im
gemeinsamen Dialog eliminiert werden, d.h. aus Vertragsangebot und -nachfrage muss durch
Verhandlung ein gemeinsamer Vertrag gefunden werden. Kommt ein solcher Vertrag zustande,
kann die letzte Phase beginnen. Ansonsten ist die Verhandlung gescheitert.
Publikationen
0XX
1. Hümmer, Wolfgang ; Lehner, Wolfgang ; Wedekind, Hartmut: Contracting in the Days
of eBusiness . In: SIGMOD Record 31 (2002), Nr. 1, S. 31-36
2. Dietrich, A. ; Hümmer, Wolfgang ; Meiler, Christian: A Meta Model based Configuration Approach for mass-customizable Products and Services . In: xx (Hrsg.) : xx (4th
Workshop on Information Systems for Mass Customization (SMC 2004) Madeira, Portugal 29.03.04). 2004.
115
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
2.5
2.5 MoVerDW - Mobiles und verteiltes Data Warehousing
Projektleitung:
Dipl.-Inf. Andreas Bauer
Beteiligte:
Thomas Seydel, Michael Schmutterer, Stefan Baas, Sebastian Schmidt, Thomas
Weisgerber
Stichwörter:
Data Warehouse;Verteilte Systeme; Mobile Systeme; Anfrageoptimierung; Konsistenz
Beginn: 1.1.2001
Data-Warehouse-Systeme haben sich in den letzten Jahren etabliert und weite Verbreitung gefunden. Aufgrund ihrer positiven Bewährung wird nun der Einsatzbereich erweitert, was zu höheren Datenmengen und Nutzerzahlen führt. Neben technischen Problemen, wie
Anfragelaufzeiten und Skalierbarkeit großer monolithischer Data-Warehouse-Systeme, entstehen auch organisatorische Probleme aufgrund der Vielzahl involvierter Organisationseinheiten.
Bei der Betrachtung der aktuellen Situation in den Unternehmen muss allerdings festgestellt
werden, dass das Ziel des Data Warehousing häufig verfehlt wurde. Statt einer konsistenten, integrierten Datenbasis zu schaffen, wurden viele unabhängige und untereinander inkonsistente
Data-Warehouse-Systeme aufgebaut.
Im Projekt MoVerDW (Mobiles und verteiltes Data Warehousing) soll diesen Entwicklungen
entgegengewirkt werden. Über einen Ansatz von lose gekoppelten, verteilten Data-WarehouseSystemen sollen die Einzelsysteme, die einen möglichst hohen Grad an Autonomie behalten, zu
einem Gesamtsystem zusammengefügt werden. Das Gesamtsystem soll aus einem lose gekoppelten Verbund von einzelnen Data-Warehouse-Systemen bestehen, wobei einzelne davon auch
mobil sein können.
Das Hauptproblem ergibt sich aus der Autonomie und geringen Verfügbarkeit der einzelnen
Verbundpartner. Ein wesentliches Optimierungsproblem ist daher die Datenallokation. Diese
beinhaltet in einem ersten Schritt die Einführung von Redundanz durch Replikation und materialisierten Sichten. Durch eine optimierte Datenlokalität sollen die Benutzer bestmöglich sowohl bezüglich Anfragegeschwindigkeit als auch Datenverfügbarkeit unterstützt werden. Die
Datenallokation berücksichtigt nicht nur komplette multidimensionale Datenwürfel, sondern
verteilt auch partitionierte Teilestücke. Bei der Anfrageverarbeitung gilt es, das gewünschte
multidimensionale Objekt aus verschiedenen Teilstücken, die unterschiedliche Aggregationsgranularitäten aufweisen können und auf mehreren Knoten verteilt liegen, zusammenzufügen.
Hierfür sind in der Regel eine Vielzahl von Kombinationen möglich, aus denen es die kostenoptimale herauszufinden gilt.
Durch die vorhandene Redundanz in Form von Replikaten und materialisierten Sichten ist es
notwendig, bei Modifikationen abhängige Datenobjekte zu aktualisieren. Da dies aufgrund von
Netzwerkpartitionierungen, weil beispielsweise ein mobiler Rechner momentan offline ist,
nicht immer möglich ist, kommt es zu einer verzögerten Aktualisierung. Zur Erhöhung der Verfügbarkeit und Autonomie sollen in Abhängigkeit von den Anwendungsbedürfnissen Einschränkungen bei der Datenkonsistenz gemacht werden. Zusammen mit der
116
2.6
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
Anfragespezifikation können Konsistenzkriterien angegeben werden, die zu einem gewissen
Grad veralterte Daten zulassen. Für den vereinheitlichten Datenaustausch zwischen den möglicherweise heterogenen Teilkomponenten wird derzeit an einem einheitlichen Austauschformat
für multidimensional strukturierte Daten auf XML-Basis gearbeitet.
2.6 Repositorien, Metadaten und semantische Integration
Projektleitung:
Prof. Dr. Stefan Jablonski
Beteiligte:
Ilia Petrov, M.Sc.
Stichwörter:
Repositorien; Metadaten; semantische Integration
Beginn: 1.11.2001
Kontakt:
Ilia Petrov, M.S.
Tel.:+49.85.28683, Fax:+49.85.28854
E-Mail: [email protected]
Das Forschungsziel ist, Integration auf einer semantischen Ebene zu fördern. Dabei spielen Repositorien und das Objekt- und Metasprachen-Rahmenswerk eine sehr wichtige Rolle. Repositorien ermöglichen die Integration von Werkzeugen, indem mehrere Werkzeuge gemeinsame
Daten (was das Schema und die Instanzen betrifft) teilen. Repositorien helfen Datenkonsistenz
zu bewahren - Abhängigkeiten zu erzwingen, Änderungen zu verfolgen usw..
Web Services sind ein neuer Ansatz, um Funktionalitäten ins Web zu bringen, die als selbstbeschreibende und abgeschlossene Einheiten zu verstehen sind. Web Services führen ein neues
Niveau der Abstraktion und Interoperabilität ein. Semantic Web ist eine Technologie, die von
W3C eingeführt wurde, deren Ziel ist, Beschreibungen von Web-Inhalten, die präzise Suchergebnisse und automatische Interpretation ergeben, erzeugen und einsetzen zu können. Semantic
Web ist, im Großen und Ganzen, ontologie-basiert.
Der Aufbau einer Repositoriearchitektur,die sich über mehrere Anwendungsdomänen erstreckt,
ist als konkretes Implementierungsziel zu sehen, indem eine Fusion von typischen repositorium-basierenden Techniken, Semantic Seb und Web Services entstehen soll.
2.7 RETAVIC - Rel-Time Audio-Video Conversion
Projektleitung:
Prof. Dr. Klaus Meyer-Wegener
Beteiligte:
Maciej Suchomski, M.Sc.
117
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
2.7
Stichwörter:
Echtzeit; Konvertierung; Video; Audio; Multimedia-Datenbank; MMDB; Multimedia Datenbankverwaltungssysteme; MMDBVS; Media Server; Multimedia Server;
MMS; Formatunabhängigkeit
Beginn: 1.2.2002
Mitwirkende Institutionen:
Lehrstuhl für Datenbanken, TU Dresden, MMIS Group
Kontakt:
Maciej Suchomski, M.S.
Tel.:+49.85.27901, Fax:+49.85.28854
E-Mail: [email protected]
Mit der Einstellung von Herrn Suchomski im Januar 2002 konnte das RETAVIC-Projekt seine
Arbeit aufnehmen. Das Ziel ist es, Audio- und Video-Konvertierung in Echtzeit zu realisieren,
um die Funktionalität verfügbarer (oder auch neu zu entwickelnder) Multimedia-Server (MMS)
und Multimedia-Datenbankverwaltungssysteme (MMDBVS) zu erweitern. Das erlaubt es diesen Systemen, den Endbenutzern Audio-Video-Inhalte in dem jeweils gewünschten Format zur
Verfügung zu stellen, ohne dass sie auf die interne Speicherung Bezug nehmen müssen. Die
wichtigste Aufgabe in diesem Projekt ist es, die Konvertierung von Multimedia-Strömen in
Echtzeit zu gewährleisten, denn die Daten sind kontinuierlich und hängen somit stark von der
Vorbereitungs- und der Präsentationszeit ab. Darüber hinaus kann die Dienstgüte (Quality of
Service, QoS) nur unterstützt werden - und das ist die zweitwichtigste Aufgabe im Projektwenn die gesamte Server-Seite in einem angemessenen und zuverlässigen System abläuft. Bis
heute können nur Echtzeitsysteme den Anwendern solche Dienste anbieten, die es erlauben,
Prozesse mit der geforderten Ausführungsqualität zu gewährleisten. Zu entwerfende (und evtl.
zu implementierende) Audio-Video-Konverter müssen in einer Echtzeitumgebung (real-time
environment, RTE) ablaufen oder -mit anderen Worten- in einem Echtzeit-Betriebssystem. Die
Natur der sehr komplexen Algorithmen der Audio- und Videoverarbeitung macht es notwendig,
effiziente und echtzeitfähige Konversion zu entwerfen, die in MMDBVS eingesetzt werden
können und es erlauben, viele Klienten gleichzeitig zu unterstützen. Damit wird Datenunabhängigkeit gewährleistet, was bedeutet, dass das Format des ausgelieferten AV-Stroms während
der Ausgabe „on the fly" erzeugt wird, abhängig von den Wünschen des Klienten nach bestimmten Charakteristiken, die auch von den Ressourcen des Klienten aushängen können (z.B.
verfügbare Geräte, Netzverbindung, verwendete Anwendungen). Nachdem wir im Jahr 2002
sechs Haupt-Arbeitspakete in RETAVIC definiert haben, wurde im 2003 eine Sichtung und
Klassifikation der derzeit verfügbaren Konverter von AV-Strömen vorgenommen, zudem haben wir einen Vergleich der AV-Formate dürchgeführt, die eine Klassifikation der Parameter
erlauben und die Media-Objekten (MO) auf der Formatebene beschreiben. Der AVCOB - Audio-Video Conversion Benchmark - der es uns ermöglicht, das Verhalten des Konverters zu verstehen, ist schon entwickelt. Das erlaubt uns die komplexeste Art von Konvertern i.e. ein
Kompressionskonverter zu modellieren. Eine Beschreibung der Charakteristiken des Konverters gibt es noch nicht, aber wir denken, dass dies im Moment nicht so wichtig ist. Entscheidender war ein von uns gefasster Entschluss, dass nur gespeicherte Daten unterstützen werden und
deshalb haben wir den Konverter in zwei nicht echtzeitige und echtzeitige Teile getrennt. Im
folgenden Jahr wird sich die Arbeit auf den Entwurf und die Entwicklung von einem Konverter
118
2.8
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
konzentrieren, der in Echtzeit unter Berücksichtigung von QoS arbeiten könnte. Diese Arbeit
wurde bereite Anfang Dezember 2003 begonnen. Zur Unterstützung von RETAVIC sind bereits
drei Diplom- bzw. Masterarbeiten und eine Studienarbeit im Jahr 2003 abgeschlossen, und eine
Masterarbeit und eine Studienarbeit laufen seit dem WS2003/04. Das wichtigste Ergebnis war
eine "full paper" Publikation mit einer damit zusammenhängende aktive Teilenahme an der
ACM Internationale Konferenz über Multimedia - einer von der größten Multimedia Konferenzen in aller Welt (die Akzeptanzrate war kleiner als 17%). Ein Vergleich der H.263++ und
MPEG-4 Standards ("H.263++ vs. MPEG-4: An Overview") wurde auf dem Frühlings-Workshop der MMIS-Gruppe an der Integrated Publication and Information Systems Institute (IPSI)
der Fraunhofer Gesellschaft (FhG) in Darmstadt vorgestellt. Das Projekt kooperiert eng mit
Forschern an der TU Dresden, insbesondere mit Andreas Märcz, dessen Projekt memo.REAL
viele Anknüpfungspunkte bietet und komplementäre Ziele und Aufgaben verfolgt. You can find
ENGLISH version under: http://www6.informatik.uni-erlangen.de/research/projects/retavic/
docs/Annual_Report_2003.pdf
Publikationen
0XX
1. Märcz, Andreas: Scheduling periodic media converters . In: WCET Analysis Workshop,
Delft /NL. 2001.
2. Hamann, Claude-Joachim; Märcz, Andreas; ; Meyer-Wegener, Klaus: Buffer Optimization in Realtime Media Servers Unsing Jitter-constrained Periodic Streams . Dresden :
TU Dresden. 2001. - Interner Bericht
3. Meyer-Wegener, Klaus ; Suchomski, Maciej ; Militzer, Michael: Improved p-domain
rate control and perceived quality optimizations for MPEG-4 real-time video applications . In: xx (Hrsg.) : Proceedings of the 11th ACM International Conference of Multimedia (The 11th ACM International Confrence of Multimedia (ACM MM’03) Berkeley,
California, USA 4. - 6.11.2003). ACM Press, 2003, S. 402-411.
4. Lehner, Wolfgang; Märcz, Andreas ; Meyer-Wegener, Klaus ; Schmidt, Sven ; Suchomski, Maciej: Quality-of-Service Based Delivery of Multimedia Database Objects without
Compromising Foramt Independence . In: Knowledge Systems Institute (Hrsg.) : Prodeedings of the Ninth International Conference on Distributed Multimedia Systems (The
Ninth Internation Conference on Distributed Multimedia Systems (DMS 2003) Miami,
Florida, USA 24. - 26.09.2003). 2003, S. 90 - 93.
2.8 SCINTRA - Semi-Consistent Integrated Timeoriented Replication
Aspect
Projektleitung:
Dipl.-Inf. Lutz Schlesinger
Beteiligte:
Sauerborn, Verena; Spiegel, Kerstin; Spiegelhauer, Tilmann
Stichwörter:
Grid; Replikation; Konsistenz
119
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
2.8
Beginn: 1.7.2001
Kontakt:
Dipl.-Inf. Lutz Schlesinger
Tel.:+49.85.27899, Fax:+49.85.28854
E-Mail: [email protected]
Beim seit 1. Juli 2001 durchgeführten SCINTRA-Projekt (Semi-Consistent Integrated Timeoriented Replication Aspect) liegt der Schwerpunkt auf der Untersuchung von zeitlichen Inkonsistenzen in einem Informationssystem. Auftreten können diese dadurch, dass zu propagierende
Informationen zu unterschiedlichen Zeitpunkten im System ankommen und eine direkte Verknüpfung in einen inkonsistenten globalen Zustand münden würde. SCINTRA versucht durch
unterschiedliche Strategien, basierend auf einer Menge historischer Abzüge der ursprünglichen
Datenquellen, semi-konsistente Datenbestände zu erzeugen, so dass der Benutzer ein von ihm
gewähltes Verhältnis von Konsistenz und Aktualität bestimmen kann.
Ausgegangen wird also von sich zu unterschiedlichen Zeitpunkten ändernden Datenquellen,
wie sie beispielsweise eine Personal-, Lager- oder Produktionsdatenbank darœstellt. Neben diesen klassischen Datenquellen können natürlich auch das Web oder andere (semistrukturierte)
Datenlieferanten in den Gesamtkontext eingebunden werden. Jede dieser Datenquellen registriert sich an dem zentralen Informationssystem und liefert an dieses zu selbst definierten
Zeitœpunkten jeweils einen vollständigen Abzug der aktuell relevanten Daten, die in einer globalen Datenbank gespeichert werden und an die der Benutzer seine Anfragen richtet. Somit enthält die zentrale Datenbank für jeden Datenlieferanten mehrere Replikate. Die
forschungsrelevanten Fragestellungen ergeben sich aus der Tatsache, dass die jeweils gelieferten Daten zu unterœschiedlichen Zeitpunkten erstellt sind oder differierende Zeiträume betrachten. Diese müssen nun so miteinander verknüpft werden, dass sie einerseits einen möglichst
aktuellen Zustand widerspiegeln, gleichzeitig aber auch nahezu zum gleichen Zeitpunkt generiert wurden, um eine weitgehend konsistente Sicht zu ermöglichen. Dies reflektiert das praktische Problem bei der Erstellung eines Berichtes, in den einzelne und unterschiedliche
Zeiträume umfassende Teilbeœrichte einfließen, aus denen ein globalen Bericht erzeugt wird.
Publikationen
0XX
1. Schlesinger, Lutz ; Lehner, Wolfgang: Extending Data Warehouses by Semi-Consistent
Database Views . In: ACM (Veranst.) : Proceedings of the 4th International Workshop
(Design and Management of Data Warehouses Toronto, Canada 27.05.2002). 2002,
S. 43-51.
2. Schlesinger, Lutz ; Lehner, Wolfgang: Consistency based Snapshot Management in
Data Grids . In: Scholl, M., Grust, T. (Hrsg.) : Proceedings of the VLDB 2003 PhD
Workshop (VLDB 2003 Berlin 12./13.09.03).
3. Schlesinger, Lutz ; Lehner, Wolfgang: Query Asynchronously Updated Sensor Data
Sets under Quantified Constraints . In: Nittel, S., Stefanidis, T. (Hrsg.) : Proceedings of
the Workshop on Geo Sensor Network (GSN’03 Portland, Maine, USA 9.-11.10.2003).
4. Schlesinger, Lutz ; Lehner, Wolfgang: SCINTRA: A Model for Quantifying Inconsistencies in Grid-Organized Sensor Database Systems . In: Kosch, H. (Hrsg.) : Proceedings
of the 9th International Conference on Parallel and Distributed Computing (EuroPar’03
Klagenfurt 26./29.08.03). 2003, S. 348-355.
120
2.9
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
5. Lehner, Wolfgang ; Schlesinger, Lutz: Konsistenzquantifizierung in Grid-Datenbanksystemen . In: Rahm, Erhard ; Schöning, Harald ; Weikum, Gerhard (Hrsg.) : Datenbanksysteme für Business, Technology und Web (10. GI-Fachtagung (BTW 2003) Leipzig
26.-28.2.2003). 2003, S. 404-422.
SFB 539, Teilprojekt C5: Intelligente Vernetzung und Adaption von ITSystemen zur Qualitätssteigerung
2.9 SFB 539, Teilprojekt C5: Intelligente Vernetzung und Adaption von ITSystemen zur Qualitätssteigerung
Projektleitung:
Prof. Dr. Stefan Jablonski, Prof. Dr. Hans-Ulrich Prokosch
Beteiligte:
Gerdsen, Dipl.-Inf. Rainer Lay, Dipl.-Inf. Sascha Müller
Stichwörter:
Datenlogistik; Integration; Prozessorientierung
Laufzeit: 1.7.2003 - 30.6.2006
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Mitwirkende Institutionen:
Augenklinik mit Poliklinik der Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Medizinische Informatik
SFB 539 (Glaukome einschließlich Pseudoexfoliationssyndrom (PEX)
hier: Teilprojekt C5: Intelligente Vernetzung und Adaption von IT-Systemen zur
Qualitätssteigerung der Behandlung von Glaukompatienten
Projektbeschreibung (Teilprojekt C5)
Ausgangslage
Für eine effektive und erfolgreiche Behandlung von Glaukompatienten ist eine regelmäßige
Kontrolle vieler Faktoren (Augeninnendruck, Medikation, Allergien, Form und Grad des Glaukoms, etc.) unter Berücksichtung des individuellen Patientenkontexts (Krankheitsverlauf, Behandlungshistorie etc.) unerlässlich. Viele dieser Informationen werden inzwischen
elektronisch verwaltet. Eine effektive Forschung im Bereich der Glaukome ist nur möglich,
wenn sich die dabei verwendeten medizinischen Daten in einem konsistenten, aufeinander abgestimmten Zustand befinden. Viele dieser Daten werden aus erhobenen Patientendaten abgeleitet. Aufgrund der großen Menge der anfallenden Daten sowohl zur direkten
Patientenversorgung als auch zur Unterstützung der Forschung und wegen der dabei einzuhaltenden Konsistenzanforderungen ist die elektronische Verwaltung dieser Daten notwendig. Folgende Vorteile verspricht man sich aufgrund einer solchen Verwaltung:
121
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
2.9
• Qualitätssteigerung bei der Behandlung der Patienten
• Erweiterung und Ausbreitung der Forschungstätigkeit
• Möglichkeiten erweiterter Analysen, Auswertungen, Benchmarking-Verfahren
Szenarien
Datenlogistik zur Verbesserung der Datengrundlage für statistische Auswertungen (Teilprojekt
C1)
Um der statistischen Fragestellung nachzugehen, welche Auswirkungen der Verlust von Nervenfasern auf das Gesichtsfeld von Patienten hat, werden aus Sicht der Statistik Daten aus folgenden Systemen benötigt: Neben ausgewählten anamnestischen Daten aus dem
Glaukomregister müssen Gesichtsfelddaten, die über das System "Octopus" erhoben werden, in
die Statistikdatenbank eingespielt werden. Zusätzlich sind Rohdaten notwendig, die durch multifokale Elektroretinographie (multifokales ERG) und durch multifokal visuell evozierte kortikale Potentiale (multifokales VEP) erhoben werden. Hierbei sind auch Bilddaten in größeren
Mengen der Statistikdatenbank zuzuführen. Als wichtige Voraussetzung aus Sicht der Statistik
ist zu nennen, dass unbearbeitete und uninterpretierte Rohdaten aus den oben genannten Systemen geliefert werden müssen, um eine unverfälschte Statistik zu ermöglichen. Die Daten sollten
eben auf Grund dieser Anforderung möglichst direkt nach der Erhebung in die Statistikdatenbank übermittelt werden (Teilprojekt Z) s. http://www6.informatik.uni-erlangen.de/DE/research/projects/SFB539/images/intdalog-1.png Unter Beachtung des Datenschutzes sind die
Daten anonymisiert zu übermitteln und über eine eigene globale Patientenidentifikationsnummer zusammenzuführen. Diese darf keinen direkten Rückschluss auf die Identität der Patienten
ermöglichen.
Im Rahmen der Selbst-Tonometrie werden die Augeninnendruckwerte für das linke und rechte
Auge vom Patienten selbst erhoben und an die Augenklinik - ergänzt um die Blutdruckwerte
und die Herzfrequenz - übermittelt, s. http://www6.informatik.uni-erlangen.de/DE/research/
projects/SFB539/images/intdalog-2.png Wie in der Abbildung dargestellt müssen in diesem
konkreten Kontext die Daten aus dem Dialogsystem in das Glaukomregister überführt werden.
Dieser wird anschließend in den patientenspezifischen Kontext gesetzt, d.h. mit den bisherigen
Werten und der Anamnese des jeweiligen Patienten über eine globale Patientenidentifikationsnummer zusammengeführt. Dieser in den patientenspezifischen Kontext gesetzte Messbericht
muss nach medizinisch und klinisch motivierten Regeln geprüft und - wenn notwendig - dem
behandelnden Arzt vorgelegt werden. Zu diesem Zweck können z.B. weitere Hintergrundinformationen für den behandelnden Arzt hinzugefügt werden, wie Sie beispielsweise für die Ophthalmologie unter www.onjoph.com zu finden sind.
Bausteine des Gesamtsystems IntDaLog
Die Abbildung s. http://www6.informatik.uni-erlangen.de/DE/research/projects/SFB539/
images/intdalog-3.png vermittelt einen Gesamtüberblick über die zu bearbeitenden Themengebiete. Der Pfeil Dateneingabe symbolisiert dabei die verschiedenen Formen der Datenerhebung.
Beispielsweise können hier die Telefoneingabe der medizinischen Daten aus der Selbst-Tonometrie durch den Patienten oder die Erfassung von Operationsergebnissen über eine web-basierte Oberfläche durch den Arzt aufgeführt werden. Der Pfeil Datenpräsentation symbolisiert
die unterschiedlichen Ausgabemechanismen, die Information z.B. mit den Patienten (Patienteninformationssystem) oder dem Arzt kommunizieren. Das im Zentrum der Abbildung dargestellte Basissystem zur intelligenten Datenlogistik (IntDaLog) ermöglicht es, dem Arzt die
Datenflüsse nach medizinischen und klinischen Regeln prozessorientiert zu selektieren und so-
122
2.9
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
mit gezielt (z.B. passend zu einem Behandlungsschritt, passend für den Patienten) zur Verfügung zu stellen. Der untere Teil der Abbildung deutet die technische Integration des Systems in
bestehende Lösungen an.
Methode
1. Erfassen der klinischen Abläufe
Zunächst werden im klassischen Sinn die relevanten medizinischen Abläufe u.a. des Untersuchungsgebiets "Diagnostik und konservative Therapie von Glaukompatienten" untersucht. Daraus ergibt sich ein prozessorientiertes Ablaufmodell, aus dem abzulesen ist, welches IT-System
wann welche Daten produziert (d.h. "generiert", beispielsweise durch Benutzereingabe) bzw.
konsumiert (d.h. verwendet, beispielsweise in Auswertungen). Dieses Modell gibt die bevorzugte Verarbeitungssituation der medizinischen Anwendung wieder. Durch die prozessorientierte Vorgehensweise kann sichergestellt werden, dass die gefundenen Abläufe optimiert
gestaltet worden sind.
2. Ableiten der notwendigen Datenver- und -entsorgung der involvierten IT-Systeme
Die prozessorientierte Modellierung der Vorgänge zur Behandlung von Glaukompatienten soll
allerdings nicht der Entwicklung eines klassischen medizinischen Workflows dienen, sondern
als Ausgangspunkt der intelligenten Datenlogistik dienen. Ausgehend von einem optimierten
Prozessmodell wird kontrolliert, welche IT-Systeme mit welchen Daten (aus anderen IT-Systemen) versorgt werden müssen, um eine qualitativ hochwertige Behandlung von Glaukompatienten zu ermöglichen. Zusammengenommen spezifizieren diese Anforderungen die
Aufgabenstellung für das intelligente Datenlogistiksystem IntDaLog. Diese Aufgaben sind ihrerseits als Datenlogistik-Prozesse zu formulieren. Alle notwendigen Informationen hinsichtlich der Datenver- und -entsorgung, also insbesondere Schnittstellenbeschreibungen und
Datenfluss, werden dabei in einem zentralen Repositorium beschrieben.
Vorteile der sekundären Prozessunterstützung
Sie ermöglicht den medizinischen Anwendern weiterhin größtmögliche Freiheit und Flexibilität
bei der Arbeitsgestaltung. Die eigentlichen medizinischen Prozesse werden durch die Datenlogistik nicht direkt gesteuert. Diese Flexibilität kann durch die konventionelle Anwendung von
Workflow-Konzepten in medizinischen Anwendungen nicht erreicht werden.
Aufgrund der aus Anwendersicht im Hintergrund ablaufenden intelligenten Datenlogistik, d.h.
der intelligenten Ent- und Versorgung von IT-Systemen mit relevanten Daten, trägt der Ansatz
zur Qualitätssteigerung in medizinischen Anwendungsprozessen bei.
Die Anwender können - wie bisher - die gewohnten IT-Systeme benutzen. Sie müssen nicht
noch ein weiteres IT-System bedienen.
Publikationen
0XX
1. Jablonski, Stefan ; Mayer, Udo ; Meiler, Christian ; Petrov, Ilia: Metadata Repositories
as Infrastructure for Database Oriented Applications . In: Caise Forum (Veranst.) : Caise
2003 (The 15th Conference on Advanced Information Systems Engineering Velden, Austria 16.-20.06.2003). 2003.
2. Müller, Sascha ; Lay, Rainer ; Meiler, Christian ; Jablonski, Stefan: Integration in der
medizinischen Anwendung: Prozessbasierte Datenlogistik . In: Hasselbring, W.; Reichert, M. (Hrsg.) : Tagungsband EAI-Workshop 2004 (Workshop Enterprise Application Integration (EAI 2004) Oldenburg 2004). 2004, S. 99-105.
123
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
3
3. Jablonski, Stefan ; Lay, Rainer ; Meiler, Christian ; Müller, Sascha ; Hümmer, Wolfgang: Process Based Data Logistics in Clinical Environments . In: Chamoni, P.; Deiters,
W.; Gronau, N.; Kutsche, R. D., Loos, P.; Müller-Merbach, H.; Rieger, B.; Sandkuhl, K.
(Hrsg.) : Multikonferenz Wirtschaftsinformatik (MKWI) 2004. (Knowledge Supply and
Information Logistics in Enterprises and Networked Organizations Essen 2004). Bd. 2.
2004, S. 230-243.
4. Jablonski, Stefan ; Lay, Rainer ; Meiler, Christian ; Müller, Sascha: Process Based Data
Logistics: A solution for Clinical Integration Problems . In: Rahm, E. (Hrsg.) : Data Integration in the Life Sciences, LNBI 2994 (First International Workshop on Data Integration in the Life Sciences (DILS 2004)). 2004, S. 31-46.
3
Promotionen
27.03.2003 Horn, Stefan
Die schemabasierte Modellierung und Steuerung von Projektvorgängen.
09.10.2003 Bauer, Andreas
Datenallokation und Anfrageoptimierung in verteilten, föderierten
Data-Warehouse-Systemen.
4
Studien- und Diplomarbeiten
4.1 Studienarbeiten
• Burgemeister, Hansjörg: Aspektorientierte Modellierung von medizinischen Prozessen und SML-basuerte Visualisierung
• Weisgerber, Thomas: Austausch multidimensional strukturierter Daten mit Hilfe
des XML-Formats XCube
• Dengler, Volker: Automatische Produktkataloggenerierung im Batteriegroßhandel
mittels Access
• Militzer, Michael: Design and Implementation of an advanced ratecontrol algorithm
for MPEG based real-time video encoding
• Opitz, Bernd: Entwicklung und Realisierung eines "Release Management Systems"
für Windows-Softwareverteilungssysteme
• Klemm, Michael: Evaluierung von Application Server am Beispiel des Oracle 9i AS
• Schuler, Jörg: Konzeption und Realisierung eines Prototypen zur automatischen
Indexierung von Finanzinformation
• Lang, Martin: Ein Wrapper-Programmier-Framework
• Winkler, Stefan: Konzeption und prototypische Implementierung eines Steuerungsund Administrationssystems zur Integration von Web Services in ein Versicherungsportal
124
4.2
Lehrstuhl für Informatik 6 (Datenbanksysteme)
• Sauerborn, Verena: Snapshot-Verwaltung in Grid-organisierten Datenbanksystemen
• Burger, Michael: Specification of the concurrent web system for sharing documents
on the background of current development
• Tröger, Frank: Spezifikation und Implementierung eines JDBC-Konnektors für den
virtuellen Directory-Server (DEM) der Fa. Syntegra
4.2 Diplomarbeiten
• Bogarin Bonilla, Mariluz: Analysis and Evaluation of Semantic Web related technologies involving an Implementation of a Semantic integration Prototype
• Hofmann, Matthias: Architekturen und Konzepte zur Unterstützung der Kooperation in medizinischen Versorgungsnetzen
• Baas, Stefan: Einsatz von Soft-Computing-Techniken zur Abstimmung von Angebot und Nachfrage auf elektronischen Marktplätzen
• Weißgerber, Thomas: Format- und Ontologietransformation zur Integration von
Informationssystemen in medizinischen Versorgungsnetzen
• Albrecht, Martina, Angela: Implementierung eines Semantic Web-Konzeptes für
Web-Content-Management-Systeme
• Czeyka, Chris: Konzeption und Realisierung eines Online-Wörterbuches japanischDeutsch auf Web-Service-Technologie
• Untermann, Michael: Realisierung einer virtuellen Ablaufumgebung für ’Enterprise JavaBeans’-Objekte
• Kamm, Roland: Review und Evaluierung vorhandener Standards für Semantic Web
mit prototypischer Implementierung einer Abfrageschnittstelle mittels eines Repositoriums
• Irmert, Florian: Web-Service-basierte Integration externer Datenquellen in relationale Datenbanksysteme
• Wild, Andreas: Zentrale Organisationsverwaltung als Beitrag zur Integration von
Anwendungssystemen
5
Bachelor- und Master Theses
5.1 Master Theses
• Liu, Shu: Audio-Video conversion benchmark "AVCOB" - analysis, desgin and
implementation
• Sanchez Rios, Sergio Rodrigo: Differences in coding methods of H.263 and
MPEG4
• Liang, Xinghua: Profound analysis and comparision of existing AV formats
125
Professur für Informatik (Datenbanksysteme)
5.1
Professur für Informatik (Datenbanksysteme)
Anschrift: Martensstraße 3, 91058 Erlangen
Tel.: +49.09131.85.27885
Fax.: +49.9131.85.28854
E-Mail: [email protected]
Forschungsprojekte und Publikationen sind im Teilbereich "Lehrstuhl für Informatik 6"
eingegliedert.
126
Lehrstuhl für Informatik 7
(Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
Anschrift: Martensstr. 3, 91058 Erlangen
Tel.: +49.9131.85.27411
Fax.: +49.9131.85.27409
E-Mail: [email protected]
Leitung:
Prof. Dr.-Ing.Ulrich Herzog
Professor:
Prof. Dr.-Ing. Reinhard German
Sekretariat:
Erika Hladky
Gerti Pastore
Wiss. Mitarbeiter:
Dipl.-Inf. Matthias Beyer
Dipl.-Inf. Matthias Dörfel
Dr.-Ing. Falko Dressler
Dr.-Ing. Winfried Dulz
Dr.-Ing. Armin Heindl
Dipl.-Inf. Kai-Steffen Jens Hielscher
Dr.-Ing. Richard Hofmann, Akad. ORat
Dr.-Ing. Ulrich Klehmet
Dipl.-Inf. Kemal Köker
Dipl.-Inf. Matthias Kuntz
Dr.-Ing. Joachim Meyer-Kayser
Amjad Muhsen, M. Sc.
Dipl.-Ing. Ralf Münzenberger
PD Dr.-Ing. Markus Siegle
Dipl.-Ing. Sébastien Truchat
Fenhua Zhen, M. Sc.
1
Einführung
Der Lehrstuhl wurde 1981 erstmalig durch die Berufung des jetzigen Lehrstuhlinhabers Prof.
Dr.-Ing. Ulrich Herzog besetzt.
Prof. Dr.-Ing. U. Herzog studierte Nachrichtentechnik an der Universität Stuttgart und wurde
1967 am Institut für Nachrichtenvermittlung und Datenverarbeitung (Prof. Dr.-Ing. A. Lotze)
127
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
1.1
promoviert. 1973 habilitierte er sich mit der Arbeit "Verkehrsfluss in Datennetzen". In den Jahren 1973 und 1974 arbeitete er am IBM Thomas J. Watson Research Center in der Teleprocessing System Optimization Group zusammen mit Prof. Mani Chandy und Dr. Lin S. Woo. Ab
1976 war er Professor für Rechnerarchitektur am Lehrstuhl von Prof. Dr. Dr. mult. W. Händler.
Ab Januar 1981 baute Prof. Dr.-Ing. U. Herzog den neuen Lehrstuhl auf.
An dem Lehrstuhl ist auch die Professur für Informatik (Systemsimulation) angesiedelt und seit
Oktober 2000 mit Prof. Dr.-Ing. Reinhard German (http://univis.uni-erlangen.de/go/res&department=100125) besetzt.
1.1 Situation
Die Neubesetzung des Lehrstuhls ist entschieden und geregelt: Nach Berufungsgesprächen in
Bayreuth, Konstanz und Erlangen hat sich Herr Professor German entschlossen, den Ruf bei uns
anzunehmen und ab dem nächsten Semester die Lehrstuhlleitung zu übernehmen. De facto hat
er jedoch schon viele organisatorische und wissenschaftliche Leitungsaufgaben übernommen.
Der gleitende Übergang bringt für den gesamten Lehrstuhl und die Studenten viele Vorteile.
Kurz zurückblickend glaube ich, daß wir einen guten Beitrag zur Entwicklung der Erlanger Informatik in Forschung und Lehre geleistet haben. Auch an dieser Stelle möchte ich mich bei allen bisherigen und jetzigen Mitarbeitern sehr herzlich bedanken. Ihr Engagement, ihr
Ideenreichtum und die vielen Eigeninitiativen haben wesentlich zu unseren vielfältigen Forschungsaktivitäten und Lehrveranstaltungen, auch zu unserer angenehmen Lehrstuhlatmosphäre beigetragen. Die Arbeit mit Ihnen hat sehr viel Freude, auch Spaß gemacht.
Die Zukunft hat schon begonnen mit neuen Projekten, neuen Laborvorhaben, neuen wissenschaftlichen Arbeitsschwerpunkten. Ich wünsche Herrn German und allen Mitarbeitern weiterhin wissenschaftlichen Erfolg, Zufriedenheit und gute Arbeitsbedingungen in einer nicht
einfachen Zeit.
Das zweite wichtige Ereignis ist das Weggehen von Herrn Privatdozent M. Siegle. Seit Oktober
hat er eine C3-Professur für den Entwurf von Rechen- und Kommunikationssystemen an der
Universität der Bundeswehr München übernommen. Er ist ganz wesentlich an unserem wissenschaftlichen Erfolg im Bereich "Stochastische Modellierung und Verifikation" beteiligt und hat
- neben stetiger Unterstützung im Bereich Lehre und Organisation - durch seine musikalischen
Aktivitäten die Gesamtatmosphäre sehr bereichert.
Die beiden wissenschaftlichen Mitarbeiter, Herr Dipl.-Inf. M. Kuntz und Herr Dipl.-Inf. K.
Lampka werden ebenfalls mit Prof. Siegle nach München gehen und den Kern seiner dortigen
Arbeitsgruppe bilden. Auch Frau G. Fleig wird nach vielen Jahren der Mitarbeit neue Aufgaben
am Lehrstuhl Systemsimulation übernehmen; der Übergang erfolgt - wie bei Prof. Siegle - gleitend, d.h. einerseits werden bereits Aufgaben im neuen Umfeld übernommen, andererseits wird
noch wichtige Arbeit für uns geleistet.
Last but not least wird uns Dr. S. Kindermann zum Jahreswechsel verlassen, um in Zukunft in
der Industrie zu arbeiten. Seine formalen Ansätze im Bereich Middleware, stets verknüpft mit
der praktischen Umsetzung, haben viel zur Forschungsvielfalt beigetragen, auch hat er gezeigt,
wie man die mir so wichtigen Prozeßalgebra-Konzepte hier nutzen kann. Ihnen allen nochmals
vielen Dank und die besten Wünsche für die Zukunft.
Neu zu uns gekommen ist Herr Dr. A. Heindl von der TU Berlin, der im vergangenen Jahr an
der University of Kansas City im Bereich "Linear-algebraische Warteschlangentheorie" arbeitete. Herzlich willkommen!
Neue Projekte kommen, andere werden in Kürze abgeschlossen. Besonders stolz sind wir auf
128
2
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
die abschließende Bewertung unseres Projekts "Optimierende SDL-basierte RP-Systeme". Das
Projekt wurde im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms "Rapid Prototyping für integrierte
Steuerung mit harten Zeitbedingungen" über sechs Jahre mit je drei bis vier wissenschaftlichen
Mitarbeitern gefördert. Ich erlaube mir deshalb, das Gutachter-Zitat aus dem DFG-Abschlußschreiben wiederzugeben:
"Das vorliegende Projekt zählt zur Spitzenklasse der im Rahmen seines Schwerpunktprogramms geförderten Projekte. Es verbindet exzellente wissenschaftliche Beiträge mit industrierelevanter prototypischer Umsetzung und hervorragender Kooperation mit anderen
Partnern des Schwerpunktprogramms. Durch die vom Bayerischen Forschungsministerium geförderte Firmengründung (Inchron) der ehemaligen Projektmitarbeiter kann das Vorhaben
durchaus als Aushängeschild für Möglichkeiten, welche sich aus der DFG Förderung ergeben
können, gelten."
Die engagierten, zum Teil kontroversen Diskussionen im Vorfeld des Antrags, das Zusammenführen des Wissens unserer verschiedenen Abteilungen in einem durchgängigen Projekt (von
der Spezifikation über den Entwurf bis zur Implementierung und Validation), insbesondere aber
der Einfallsreichtum und die unermüdliche Arbeit unserer Projektmitarbeiter führten zu diesem
Erfolg. Die Arbeiten werde in der Fa. Inchron und am Lehrstuhl weitergeführt. Die Firma
Inchron wird im Rahmen des FLÜGGE-Programms durch das Bayerische Staatsministerium
für Wissenschaft, Forschung und Kunst für ein weiteres Jahr gefördert. Herr Münzenberger
konnte im Dezember seine Promotion erfolgreich abschließen und kann sich deshalb in Zukunft
voll auf die Arbeit in der Firma Inchron konzentrieren.
Natürlich haben wir auch wieder in verschiedenen internationalen, nationalen und lokalen Gremien mitgearbeitet. Hervorzuheben ist dabei insbesondere, dass
• Prof. German für ein weiteres Jahr den Vorsitz der Studienkommission übernommen hat,
• viel Zeit in den Aufbau des neuen Studiengangs Informations- und Kommunikationstechnik, gemeinsam vom Institut für Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik sowie der Informatik, gesteckt wurde (Dr. Dulz, Prof. German, Prof.
Herzog),
• Dr. Hehn von der Firma method park Software AG neben seiner bisherigen Vorlesung "Distributed Systems and Internetworking in Computational Engineering" die
Vorlesung "Algorithms and Data Structures" für den Studiengang Computational
Engineering übernimmt.
2
Forschungsschwerpunkte
Der Lehrstuhl befasst sich mit allen Aspekten der Architektur, der Entwurfsmethodik und der
Bewertung von Rechnernetzen und Kommunikationssystemen. Forschungsschwerpunkt ist die
frühzeitige, homogene Integration von Zeit- und Leistungskriterien in den Enwurfsprozess. Gesamtziel ist einerseits eine höhere Entwurfsgenauigkeit, andererseits - durch Formalisierung
und Automatisierung - die Verkürzung der Entwicklungszyklen von Rechnernetzen und Kommunikationssystemen. Wir erweitern Techniken, die industrielle Standards darstellen und versuchen auch, diese Integration bei progressiven Forschungsansätzen zu verwirklichen.
129
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
2.1
2.1 Gruppen
• Verteilte Systeme (VS, Prof. Dr.-Ing. U. Herzog)
• Diskrete Simulation (http://univis.uni-erlangen.de/go/res&department=100125)
(DS, Prof. Dr.-Ing. R. German)
• Kommunikationssysteme (KS, Dr.-Ing. W. Dulz)
• Messung, Modellierung und Bewertung mit Labor (MMBL, Dr.-Ing. R. Hofmann)
• Stochastische Modellierung und Verifikation (SMV, Dr.-Ing. M. Siegle)
2.2 Geförderte Forschungsvorhaben
• MaTeLo (Markov Test Logic), gefördert von der Europäischen Kommission
• CCIOS (Kompetenzzentrum für interoperative Systeme), gefördert durch das
Fraunhofer IIS-A Institut
• VOSS (Validation of Stochastic Systems), gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft und die Netherlands Organisation for Scientific Research
(NWO)
• FLÜGGE, Bayerisches Förderprogramm zum leichteren Übergang in eine Gründerexistenz, gefördert durch das Bayerische Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst
• Effiziente Leistungsbewertung mit Hilfe von Entscheidungsdiagrammen (DFG, bis
Mai 2003)
• Effiziente Verifikation von Performability-Eigenschaften verteilter Systeme (DFG,
seit August 2003)
2.3 Graduiertenkolleg
Interdisziplinäre Entwicklung verlässlicher Multitechnologiesysteme", gefördert durch die
Deutsche Forschungsgemeinschaft, 4 Stipendiaten.
130
3
3
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
Forschungsprojekte
3.1 Bericht Systemadministration
Projektleitung:
Dr.-Ing. Winfried Dulz
Beteiligte:
Armin Cieslik, Gaby Fleig, Karlheinz Schramm
Laufzeit: 1.1.2003 - 31.12.2003
In diesem Jahr wurden erste Umstellungen durch die im April 2004 erfolgende Lehrstuhl-Neubesetzung notwendig. Das betraf zum einen bei der Betriebssystem-Software hinsichtlich der in
Zukunft verstärkt unter WindowsXP (aber auch Linux) geplanten Forschungsarbeiten eine Abkehr von Solaris-Systemen im Office-Bereich. Zum anderen entsteht durch Stellenumverteilung eine Reduzierung der Personalkapazität im Bereich der Systemadministration. Dies
erfordert eine Aufgabenumverteilung, eine Konzentration auf das Wesentliche und die Abkehr
vom Prinzip der gegenseitigen Vertretung bei zentralen Aufgaben. Im Rahmen der Neubesetzung wurden für die geplanten Neuanschaffungen bereits eine Reihe von Angeboten eingeholt
und erste Bestellungen ausgeführt. Unter anderem erfolgte eine RAID-Speichererweiterung unseres zentralen SUN Fileservers für die problemlose Unterbringung von Benutzer-Daten des
Lehrstuhls. Sicherheitsaspekte wurden mit hoher Priorität behandelt und nehmen einen großen
Anteil im Alltagsgeschäft der Systemadministration ein. Besonders erwähnenswert sind die Angriffe auf Windows-Systeme (Lovsan, SWEN) in den Sommermonaten während der Haupt-Urlaubszeit. Hier hat sich insbesondere das oben angesprochene Konzept der gegenseitigen
Vertretung bei zentralen Aufgaben bewährt, das wir zukünftig wegen Stelleneinzug leider opfern müssen. Manchmal werden durch automatische Sicherheits-Patches auch Softwarefehler
erzeugt, die ein zusätzliches, aufwendiges Nacharbeiten an den betroffenen Rechnern notwendig machen. Erwähnenswert war in diesem Jahr außerdem der exponentielle Zuwachs an
SPAM-Mails, die alle MitarbeiterInnen, insbesondere aber die EMail-Systembetreuung außerordentlich belastet haben.
3.2 Berichte KS 2003
Projektleitung:
Dr.-Ing. Winfried Dulz
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Matthias Beyer, Dr.-Ing. Stefan Kindermann , Dipl.-Ing. Sébastien
Truchat, Fenhua Zhen, M. Sc.
Laufzeit: 1.1.2003 - 31.12.2003
131
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
3.2.1
3.2.1
Übersicht
Schwerpunkt der Forschungsarbeiten sind Entwurf, Realisierung, Testen und Bewertung von
Kommunikationssystemen unter Einsatz formaler und semi-formaler Spezifikationstechniken,
insbesondere SDL/MSC und UML. Konkrete Anwendungsstudien untersuchen Problemstellungen aus den Domänen Mobilkommunikation, Pervasive Computing oder sonstiger Kommunikationssysteme.
Zwei langfristige Kooperationen auf nationaler und internationaler Ebene bilden die Basis für
anwendungsnahe Forschungen im oben beschriebenen Themenspektrum:
• CCIOS (Kompetenzzentrum für interoperative Systeme): Drittmittel-Förderung durch die
Bayerische Staatskanzlei über das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS-A)
• MaTeLo (Markov Test Logic): EU-Förderung eines Projektes zur Erstellung eines statistischen Testwerkzeuges für zeitkritische Anwendungen auf Basis formaler und semi-formaler Beschreibungstechniken (MSC, UML und TTCN-3).
3.2.2
Konfiguration von P2P Systemen
Dienstinfrastrukturen basierend auf Peer to Peer (P2P) Overlay Netzen stellen eine Erweiterung
des klassischen Client-Server Modells zur Dienstnutzung dar. Wesentliche Vorteile P2P basierter Systeme sind ihre flexible, dynamische Anpassbarkeit und Erweiterbarkeit.
So lassen sich flexibel ändernde Nutzungsszenarien und mobile und drahtlose Nutzungsformen
von verteilten Diensten unterstützen. Grundlage der Dienstnutzung und der Konfiguration des
Overlay Netzes muss eine einheitliche (semantische) Charakterisierung der verteilten Peers und
ihrer Dienste bilden. In diesem Jahr wurde ein erster Prototyp zum Test und zur Überprüfung
von Konfigurationsverfahren für heterogene P2P Overlay Netze entwickelt. Dieser Prototyp besteht aus einer Komponente zum Aufsetzen von verteilten JXTA und Narada basierten Overlay
Netzen, sowie aus einem als Eclipse Plugin realisierten Visualisierungs- und Kontroll-Programmes für Peers in hierarchischen P2P Netzstrukturen. (Studienarbeiten H. Husch und B. Sippl).
Visualisierungs- und Kontrollnachrichten werden über eine skalierbare Event-Middleware zwischen Overlay-Netz und dem Kontrollprogramm ausgetauscht. Zudem wurde ein auf der Beschreibungslogik SHIQ(D) basierendes Datenmodell (T-Box) von P2P Overlay Netzen erstellt
und mittels des Werkzeugs Racer benutzt, um grundlegende Konsistenzüberprüfungen von als
A-Box beschriebenen Overlay Netzen durchzuführen (Studienarbeit O. Sushanskyy).
Dies stellt einen ersten Schritt dar, Dienste und Dienstinfrastruktur basierend auf den Mechanismen des semantischen Netzes zu beschreiben und als Grundlage zur Konfiguration, Dienstfindung und Dienstnutzung in P2P Netzen zu verwenden. (S. Kindermann)
3.2.3
QoS - erweiterter Systementwurf mit der UML2.0
Die Arbeit befasst sich mit der Erweiterung des System-Entwurfs in der UML durch QoSAspekte. Nicht-funktionale Aspekte werden in dynamischen Anforderungs-Modellen der
UML2.0 integriert. Deren Konsistenz kann mittels einer Beschreibungslogik basierenden Terminologie bezüglich eines UML-QoS-Profils überprüft werden. Funktionale Widersprüche und
redundante Anforderungen werden bei dem Erstellen eines Automatenmodells erkannt. Aus
dem konsistenten Modell abgeleitete Testfälle werden in einer erweiterten TTCN-3 notiert und
dienen der Überprüfung des implementierten Systems. (M. Beyer)
132
3.2.4
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
3.2.4
Protokollentwurf und Validierung von Teilen des Body-Area-Network-Protokolls
unter Verwendung von SDL/MSC
Gegenwärtig befindet sich ein Protokoll zur extrem stromsparenden Kommunikation von körpernahen Sensoren, das so genannte BodyAreaNetwork, in der Entwicklung. Das Protokoll
sieht eine zentrale Einheit (Master) und mehrere abgesetzte Sensoreinheiten (Slaves) vor. Für
die Medienzugriffsschicht wurde ein neuartiges Verfahren, basierend auf einem ZeitmultiplexVerfahren und zentral gesteuertem Schlafzustand, definiert.
In der Diplomarbeit wurde die vorhandene Spezifikation durch die Definition der funktionalen
Blöcke, die vorkommenden Zustände, Zustandsübergänge und ausgetauschten Signale verfeinert. Verschiedene Teile der Protokollspezifikation, insbesondere aus der Medienzugriffsschicht, wurden dann in SDL/MSC modelliert und nachfolgend validiert. (Diplomarbeit C.
Flügel, W. Dulz, M. Beyer)
3.2.5
Programmierung einer Web-Applikation für ein Smart-Home-System
Am Lehrstuhl für Sensorik wurde ein Smart-Home-System entwickelt, welches auf einer industriellen speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) basiert. Ziel dieser Arbeit war es, eine
Web-Applikation in Java zu realisieren, die es dem Nutzer erlaubt, vom Internet Zugriff auf die
SPS in seinem Haus zu erhalten. Da (noch) nicht jedes Haus direkt ans Internet angeschlossen
ist, wird per ISDN-Netz eine Verbindung hergestellt. Hierzu wurde ein auf JSP basierender
Webserver eingerichtet, und die Kommunikation mit der SPS implementiert. (Studienarbeit G.
Fuchs; W. Dulz, S.Truchat)
3.2.6
Modulare Softwareentwicklung für interoperative Systeme
Seit Ende August läuft der Pilotversuch des innovativen m-commerce Systems HORN (Home
and Office Replenishment - Nürnberg). Im Rahmen des Kompetenz Zentrums für Interoperative
Systeme (CCIOS-Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS-A))
wurden prototypische Umsetzungen im Bereich der mobilen Endgerätekommunikation über
DECT für dieses Projekt realisiert.
Zielsetzung der CCIOS Arbeit am Lehrstuhl ist die Erarbeitung von neuen Softwareentwicklungsstrategien in diesem Rahmen, mit besonderer Rücksicht auf Unterstützung von PlattformMigrationsprozessen aufgrund der schnellen Evolution von Hard- und Software, und mit
Schwerpunkt auf Adaptivität und Rekonfigurationsmechanismen. Zu diesem Zweck wird an einem Konzept der modularen Softwareentwicklung für interoperative Systeme gearbeitet, dessen Ziel es ist, Patterns zu erstellen, die in Abhängigkeit der Kategorisierung der Endgeräte
eingesetzt werden können. (S.Truchat)
3.2.7
Automatische Generierung von Markowketten aus Sequenzdiagrammen
Ziel des MaTeLo-Projektes ist die Erstellung einer kommerziellen Werkzeugkette, die aus formalisierten Anwendungsszenarien der zu entwickelnden Systeme automatisch TTCN-3-Testfälle generieren, ausführen und bewerten soll. Als theoretische Basis dienen Markoffketten zur
stochastischen Generierung und Auswertung der ausgewählten Testfälle. Im Rahmen des Projektes wurden wesentliche Meilensteine bei der tool-gestützten, automatischen Umsetzung von
MSC-96 und UML Sequenzdiagrammen in die generische, XML-basierte Markowketten-Beschreibungssprache MCML (MarkovChain Markup Language) erreicht:
133
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
3.3
Die erste Version der DTD-Definition von MCML wurde überarbeitet und zusätzliche XMLTags berücksichtigt. Damit lassen sich jetzt Markoffkettenbeschreibungen, die unser MCML
Konverter aus den Szenarien generiert, problemlos in den nachgeschalteten grafischen Markowketten-Editor einlesen und weiterverarbeiten. Der Algorithmus zur Generierung von
MCML-Beschreibungen aus UML Sequenzdiagrammen wurde spezifiziert und unter Verwendung des UML XMI Austauschformats implementiert.
Die erste Version unseres Instanz-orientierten MSC-96 Konverters wurde optimiert und liefert
nun wesentlich bessere Laufzeitergebnisse. (J. Han).
In einer Diplomarbeit erfolgte die Anpassung an das Ereignis-orientierte MSC-96 Format. Darüber hinaus sind jetzt auch die Inline-Expressions zur Beschreibung von Alternativen, Optionen, Ausnahmen und Schleifen nach MCML überführbar. Außerdem können QoSRequirements durch Übernahme der Stereotypen eines UML Profiles in den MSCs spezifiziert
werden und automatisch in die MCML-Notation überführt werden (Diplomarbeit S. Leipold).
Die erste Phase zur Validierung der Transformationswerkzeuge durch industrielle Partner im
MaTeLo-Projekt wurde gestartet. Außerdem wird parallel dazu eine Untersuchung zur Bewertung und Validierung der MaTeLo Werkzeugkette durchgeführt (Master Thesis S. Munugoti)
(W. Dulz, F. Zhen)
Publikationen
0XX
1. Beyer, Matthias; Dulz, Winfried; Zhen, Fenhua: Automated TTCN-3 Test Case Generation by means of UML Sequence Diagrams and Markov Chains . In: nicht bekannt
(Hrsg.) : IEEE Proc. of 12th Asian Test Symposium, Xi’an (IEEE 12th Asian Test Symposium, Xi’an nicht bekannt 16-19 November 2003). 2003, S. 102-105.
2. Dulz, Winfried; Zhen, Fenhua: MaTeLo - Statistical Usage Testing by Annotated Sequence Diagrams, Markov Chains and TTCN-3 . In: nicht bekannt (Hrsg.) : IEEE Proc.
of Third International Conference on Quality Software (QSIC 2003) (IEEE Third International Conference on Quality Software (QSIC 2003) Dallas, Texas 6.-7. November
2003). 2003, S. 336-342.
3.3 Berichte MMB 2003
Projektleitung:
Dr.-Ing. Richard Hofmann
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Matthias Dörfel, Dipl.-Ing. Ralf Münzenberger, Amjad Muhsen, M. Sc.
Laufzeit: 1.1.2003 - 31.12.2003
3.3.1
Allgemeines
Wesentliches Ziel wissenschaftlicher Arbeiten in einem technischen Umfeld ist die Übertragung der erzielten Ergebnisse in die industrielle Praxis. Unsere im letztjährigen Bericht angesprochenen Mitarbeiter Herr Dörfel, Herr Meyer-Kayser und Herr Dr. Münzenberger erhielten
die Weiterförderung im Flügge-Programm. Dieses Programm des Staatsministeriums für Wissenschaft, Forschung und Kunst verfolgt das Ziel, Unternehmensgründungen aus der Hoch134
3.3.2
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
schule in der Frühphase zu unterstützen. Aufgrund dieser Förderung ist es möglich, dass im
Rahmen einer Halbtagsbeschäftigung die Fähigkeiten und Erfahrungen der aus dem CORSAIRProjekt bewährten Mitarbeiter dem Lehrstuhl weiter zur Verfügung stehen. Derzeit steht die
von den Mitarbeitern gegründete Firma INCHRON vor dem Schritt in die volle Selbständigkeit,
für den wir alles Gute und das nötige Gelingen wünschen.
Die wissenschaftliche Arbeit konzentrierte sich auf die Berücksichtung des Leistungsverbrauchs in die Entwicklungsmethodik. Hierzu hat Herr Amjad Muhsen, unser DAAD-Stipendiat aus Ramallah/Palästina eine Methode entwickelt, die es erlaubt, den Leistungsverbrauch von
funktionalen Einheiten auf parametrierte mathematische Funktionen automatisch abzubilden.
Vom 3.-8. September besuchte Dr. Hofmann die Partneruniversität im Rahmen der Bürgerreise
anlässlich der Feiern zur zwanzigjährigen Städtepartnerschaft zwischen Wladimir und Erlangen. Dabei nahm er am Kolloquium "Information and Communication Technologies: Chances
and Callenges" teil, das zusammen von der Uni Erlangen, der Vladimir State University und den
Fraunhofer IIS veranstaltet wurde. Als Resultat lässt sich sagen, dass vor allem Prof. Lantsov,
der internationale Reputation genießt, sehr an einer Zusammenarbeit mit dem Institut für Informatik und dem Fraunhofer IIS interessiert ist, und dass die russischen Studenten sehr gut ausgebildet und hoch motiviert sind, so dass längerfristige Austauschaufenthalte für beide Seiten
attraktiv erscheinen. Bei kurzfristigen Aufenthalten darf jedoch nicht zuviel erwartet werden,
da sich die Gäste erst einmal auf die sehr unterschiedliche Umgebung einstellen müssen. Dies
gilt auch in umgekehrter Richtung.
Der Leiter der Gruppe, Dr. Richard Hofmann, liest im Sommersemester die Veranstaltung (3V
+ 3Ü) ,Informatik II für Nebenfachstudierende", die für Hörer aus nichttechnischen Fächern
konzipiert ist. Im Wintersemester übernahm er die für Hörer der Studiengänge Elektrotechnik,
Mechatronik und Computerlinguistik vorgesehene Exportveranstaltung (3V + 3Ü),Grundlagen
der Informatik I" mit einer Hörerzahl von ca. 400 Studierenden.
3.3.2
Leistungsmodelle funktionaler Einheiten
Niedriger Leistungsverbrauch ist für mobile Geräte eine Grundeigenschaft, da Batterien umso
geringere Kapazität aufweisen, je leichter sie sein sollen. Um dieses Problem anzugehen, integrieren wir mit unserem Ansatz "Hardware/Software Co-design for Low Power" neue Methoden zur Verringerung des Leistungsverbrauchs in die für CORSAIR erarbeitete CodesignMethodologie. Unter Nutzung bekannter Verfahren zur Ermittlung des Leistungsverbrauchs digitaler elektronischer Schaltungen wurde ein abstraktes Modell entwickelt, das es erlaubt den
Leistungsverbrauch funktionaler Einheiten im Rahmen der Systemsynthese zu berücksichtigen.
Die in diesem Schritt erfolgende Entwurfsraumexploration erfordert eine möglichst schnelle
Bewertung funktionaler Blöcke. Um dem Rechnung zu tragen, haben wir ein Verfahren entwikkelt, das den Leistungsverbrauch funktionaler Einheiten, die von Elementen auf RTL-Ebene
über Addierer und Multiplizierer bis hin zu FFT-Einheiten und Prozessoren reichen, hinsichtlich Datenbreite und anderer Architekturparameter simulativ erfasst und aus den Messwerten
ein einfaches mathematisches Modell abschätzt (A. Muhsen, R. Hofmann)
3.3.3
Berücksichtigung des Leistungsverbrauchs im Entwicklungsprozess
Das vorgenannte Leistungsmodell dient als Grundlage für die Erweiterung des Entwicklungsprozesses. Es wurde ein Ansatz erarbeitetet, der die Systemsynthese um den Aspekt der verlustleistungsbasierten Optimierung erweitern soll. Ein Verfahren, das in Betriebssystemen zum
"dynamic power management" DPM benutzt wird, ist gerade für die statische Planung und Op135
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
3.3.4
timierung besonders interessant: DVS (dynamic voltage scheduling) erlaubt die Anpassung von
Rechenleistung und Verlustleistung an die gerade zu bewältigenden Aufgabe. Bei DVS wird
ausgenutzt, dass digitale elektronische Systeme mit höherer Betriebsspannung zwar linear
schneller arbeiten, aber mit quadratischer Abhängigkeit mehr Energie konsumieren. Es lohnt
sich daher, das System mit immer nur genau der benötigten Leistungsfähigkeit zu betreiben. In
unserer Codesign-Methodologie kann durch statische Ablaufplanung für jede Aufgabe Rechenzeit und Energieverbrauch assoziiert werden. Dadurch beinhaltet die Ablaufplanung nicht nur
die Ablaufzeit jeder Aufgabe sondern auch die Spannungsebene des Systems, die für die Ausführung dieser Aufgaben benötigt wird. Gleichzeitlich, nehmen wir an, dass die ,Dynamic Power Management (DPM)" Methode angewandt ist. (A. Muhsen, R. Hofmann)
Spezifikation der zeitlichen Aspekte von Echtzeitsystemen am Beispiel von SDL
Die formale Spezifikation von Echtzeitsystemen ist ein wesentlicher Bestandteil der Gesamtspezifikation eines Echtzeitsystems. Erst damit ist eine zielgerichtete Vorgehensweise nicht nur
bei der Auswahl einer geeigneten Systemarchitektur sondern auch beim Monitoring und dem
Nachweis der Echtzeiteigenschaften möglich. Gebräuchliche Spezifikationstechniken erlauben
meist nicht die Spezifikation des zeitlichen Verhaltens. Am Beispiel der architekturunabhängigen Sprache SDL wurde daher eine Spezifikationstechnik entwickelt, die anhand eines formalen Zeitmodells sowohl die Beschreibung von zeitlichem Verhalten als auch die Spezifikation
von Echtzeitanforderungen erlaubt. (Dissertation R. Münzenberger)
Nicht-intrusives Monitoring eingebetteter Systeme
Die Beobachtung des Ablaufverhaltens eingebetteter Systeme ist für den Nachweis der Echtzeiteigenschaften unerlässlich. Die durch Softwaremonitoring entstehenden zusätzlichen Verzögerungszeiten müssen bereits bei der Planung berücksichtigt werden und erhöhen so die
Gesamtkosten des Systems. Eine beeinflussungsfreie Beobachtung von aussen wiederum ist nur
bei den einfachsten Prozessoren möglich, da selbst synthetisierbare Prozessorkerne bereits Mechanismen wie Pipelining verwenden, was zwar die Leistung des Prozessors erhöht, gleichzeitig aber die Beobachtbarkeit der Abläufe einschränkt. Hier gilt es, einen Kompromiss zu finden
und diesen sowohl unter Beachtung der durch die Spezifikation gegebenen Monitoringanforderungen als auch der Zuhilfenahme konfigurierbarer Hardware umzusetzen. (M. Dörfel)
3.3.4
SDL*-Laufzeitsystem für mobile Endgeräte
Im Rahmen einer Industriekooperation mit der Firma Philipps wurde ein SDL-Laufzeitsystem
auf einen proprietären Echtzeitkernel für mobile Endgeräte portiert. Ziel dieser Arbeit war es,
ausgehend von einer SDL*-Spezifikation, die die Echtzeit anforderungen mit einschließt, automatisiert eine Implementierung zu erzeugen, die auf einem im Mobilfunkbereich eingesetzten
Echtzeitkernel lauffähig ist. (Studienarbeit C. Lederer, M. Dörfel, R. Münzenberger)
3.3.5
Erzeugung von Kontrolldatenflussgraphen aus SDL
Die im CORSAIR-Projekt erarbeitete Methodik sieht vor, dass Systembeschreibungen auf der
Ebene formaler Beschreibungstechniken, exemplarisch SDL, automatisch in Hardware und
Software partitioniert werden, um dann in den nachfolgenden Schritten mit handelsüblichen
Compilern zu einem lauffähigen System zu gelangen. Damit die Aufteilung in Hardware und
Software zu einem Entwurf mit minimalen Kosten führt, muss diese Aufteilung ein Optimierungswerkzeug enthalten. Dazu ist es erforderlich, die vom Entwickler erstellte Systembe136
3.4
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
schreibung auf eine Beschreibung abzubilden, die für das Entwicklungswerkzeug handhabbar
ist, nämlich Kontrolldatenflussgraphen. In der Master-Arbeit von Frau Eliseeva sollte daher ein
Konzept für die Umsetzung von SDL-Beschreibungen in Kontrolldatenflussgraphen erarbeitet
und prototypisch implementiert werden. Der erarbeitete Lösungsvorschlag sieht vor, dass aus
dem vom Parser erzeugten Syntaxbaum die für die Struktur relevanten Knoten in Knoten des
Kontrolldatenflussgraphen umgesetzt werden und dass die Kanten des Graphen mit den Reihenfolgebeziehungen innerhalb der SDL-Beschreibung assoziiert werden. Eine rudimentäre Version dieses Programms erzeugt Graphen in einer für das Tool daVinci verträglichen Version auf
einer Teilmenge des SDL-Standards. (Master-Arbeit O. Eliseeva, R. Hofmann)
Publikationen
0XX
1. Hofmann, Richard: Design and rapid prototyping of communication systems . In: L.
Sushkova; Gerhäuser, Heinz (Hrsg.) : Proc. of Information and Communication Technologies: Chances and Challenges Scientific Symposium (Information and Communication Technologies: Chances and Challenges Scientific Symposium Vladimir 4./5.
September 2003). 2003, S. ..
2. Münzenberger, Ralf; Dörfel, Matthias; Hofmann, Richard; Slomka, Frank: A General
Time Model for the Specification and Design of Embedded Real-Time Systems .
In: Microelectronics Journal 34 (2003), Nr. 11, S. 989-1000
3. Muhsen, Amjad; Hofmann, Richard: Building a Library of Pre-characterized Components for Hardware/Software Co-design of Embedded Systems . Erlangen : FriedrichAlexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 2003 (07/03). - Interner Bericht
3.4 Berichte SMV 2003
Projektleitung:
PD Dr.-Ing.Markus Siegle
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Matthias Kuntz, Dipl.-Inf. Kai Lampka, Dr.-Ing. Joachim Meyer-Kayser
Laufzeit: 1.1.2003 - 31.12.2003
3.4.1
Übersicht
Die Arbeitsgruppe "Stochastische Modellierung und Verifikation" beschäftigt sich mit der modellbasierten Bewertung von Rechen- und Kommunikationssystemen. Hauptthemen sind zum
einen die Leistungsbewertung komplexer Systeme mit Hilfe von strukturierten stochastischen
Modellen und zum andern das Model Checking von nicht-funktionalen Eigenschaften stochastischer Systeme.
Die Gruppe besteht aus vier Wissenschaftlern. Durch die Berufung des Leiters der Gruppe, PD
Dr.-Ing. Markus Siegle auf eine Professur an der Universtiät der Bundeswehr München ergaben
sich ab Oktober 2003 personelle Veränderungen. Herr Kuntz und Herr Lampka werden Anfang
2004 ebenfalls nach München wechseln. Herr Meyer-Kayser steht unmittelbar vor Abschluss
seiner Promotion.
137
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
3.4.2
Bis Mai 2003 bearbeiteten wir ein DFG-Projekt mit dem Titel "Effiziente Leistungsbewertung
mit Hilfe von Entscheidungsdiagrammen". Seit 15. August bearbeiten wir das DFG-Projekt
"Effiziente Verifikation von Performability-Eigenschaften verteilter Systeme". Außerdem sind
wir Partner im Projekt "Validation of Stochastic Systems", das gemeinsam von der DFG und
der niederländischen NWO gefördert wird. Im Rahmen des letzteren Projekts wurde von uns im
Juni 2003 ein Projekttreffen in Erlangen veranstaltet.
Mitarbeit in Programmkommitees:
• Fourth International Conference on the Numerical Solution of Markov Chains
(NSMC) 2003.
• 13th International Conference on Modelling Techniques and Tools for Computer
Performance Evaluation (Performance TOOLS) 2003.
• 15th Conference on Simulation and Visualization, Magdeburg 2004.
Zu erwähnen ist auch ein Aufenthalt von Dr. Siegle an der University of Cape Town im März/
April 2003, in dessen Rahmen er eine 14-tägige Blockvorlesung mit dem Titel "Computer Systems Modelling" hielt.
3.4.2
Modellierung und Analyse mit Entscheidungsdiagrammen 2.1 MTBDDSemantik für stochastische Prozessalgebren und Werkzeug CASPA
Für die kompakte Repräsentation großer Transitionssysteme lassen sich sog. Multi-Terminal
Binary Decision Diagrams (MTBDD) einsetzen. Die von Kuntz/Siegle entwickelte MTBDDbasierte Semantik für eine Variante der stochastischen Prozessalgebra TIPP wurde erweitert, so
dass nun der volle Sprachumfang von BASIC-LOTOS beherrscht wird. Aufbauend auf Arbeiten aus dem Vorjahr, in denen die Basis der MTBDD-Semantik implementiert worden war,
wurde nun ein leistungsfähiges Werkzeug für die Leistungs- und Zuverlässigkeitsanalyse verteilter Systeme entwickelt. Das Werkzeug CASPA (Compositional Analysis of Stochastic Process Algebra) bietet als Eingabesprache eine stochastische Prozessalgebra und unterstützt die
Spezifikation gängiger Leistungsmaße. Für die numerische Analyse wird der symbolische (d.h.
MTBDD-basierte) Ansatz von Kwiatkowska/Parker (University of Birmingham) verwendet,
der sich als sehr effizient herausgestellt hat. CASPA ist somit nach unserer Kenntnis das erste
Werkzeug, das von der Modellerzeugung bis hin zur numerischen Analyse einen rein symbolischen Ansatz verfolgt. Experimente zeigen, dass CASPA anderen Werkzeugen, die für die Modelldarstellung und -analyse dünnbesetzte Matrizen verwenden, deutlich überlegen ist. Mit
CASPA sind Modelle der numerischen Analyse zugänglich, die mit herkömmlichen Werkzeugen aufgrund der Größe des Zustandsraums gar nicht erzeugbar wären. (M. Kuntz, M. Siegle,
Diplomarbeit E. Werner)
3.4.3
Erzeugung von symbolischen Repräsentationen für Möbius Modelle
Möbius ist ein modernes Software-Werkzeug für die modellbasierte Leistungs- und Zuverlässigkeitsbewertung nebenläufiger Systeme, das dem Benutzer die Verwendung verschiedener
Modellbeschreibungsformalismen unter einer kompositionellen Vorgehensweise erlaubt. Wir
arbeiten daran, die heterogene Modellierungswelt von Möbius durch einen MTBDD-basierten
Zustandsraumgenerator zu unterstützen. Man kann unter Möbius die Zustandsräume der spezifizierten Modellkomponenten jedoch nicht in Isolation erzeugen, d.h. eine kompositionelle Herangehensweise auf Ebene des Zustandsraums, die bisher als wesentliche Voraussetzung für die
138
3.4.4
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
Gewinnung einer kompakten symbolischen Darstellung galt, ist ausgeschlossen. Aus diesem
Grund wurde im Berichtsjahr ein neuartiger, aktivitätsorientierter Ansatz zur Generierung der
MTBDD-basierten Repräsentation von Zustandräumen entwickelt. Diese aktivitätsorientierte
Vorgehensweise wurde auch auf den Replikationsoperator und die Behandlung von RewardVariablen ausgedehnt. Zur Zeit werden die notwendigen Implementierungen durchgeführt, so
dass eine empirische Bewertung des Ansatzes vorgenommen werden kann. Im Zusammenhang
mit diesen Erweiterungen wurde die Kooperation mit der Universität von Illinois intensiviert,
in deren Rahmen im Oktober ein Besuc von Prof. William H. Sanders in Erlangen stattfand. (K.
Lampka, M. Siegle)
3.4.4
Model Checking nicht-funktionaler Eigenschaften 3.1 Automatische Verifikation
von quantitativen Eigenschaften stochastischer Systeme
Die im Vorjahr begonnene Entwicklung der ausdrucksstarken Logik aCSL+ zur Beschreibung
von quantitativen Aspekten verteilter Systeme und der zugehörigen Verifikationsverfahren
wurde in diesem Jahr mit Abgabe der Dissertation "Automatische Verifikation stochastischer
Systeme" abgeschlossen. Darüberhinaus konnte eine neue Version des Model Checking Werkzeugs ETMCC freigegen werden, die bisher aufgetretene Fehler behebt und weitere Verbesserungen bzgl. der Verifikationsgeschwindigkeit aufweist. Sie ist über das WWW http://
www7.informatik.uni-erlangen.de/etmcc verfügbar. (Dissertation J. Meyer-Kayser)
3.4.5
Temporale Logiken sPDL
Die Modallogik PDL (Propositional Dynamic Logic) wurde im Berichtszeitraum zur Logik
"stochastisches PDL" (SPDL) erweitert. SPDL erlaubt die Spezifikation und Verifikation komplexer aktions- und zustandsbasierter Leistungs- und Zuverlässigkeitsmaße. Mit Hilfe des aus
PDL übernommenen Konzepts der Programme erlaubt SPDL die genaue und komfortable Beschreibung erfüllender Pfade. Programme sind dabei reguläre Ausdrücke, die um sogenannte
Tests erweitert wurden. Mit Hilfe von Tests können beispielsweise programmiersprachliche
Konstrukte wie while-Schleifen oder if-then-else beschrieben werden.
Wir zeigten, dass das Model-Checking-Problem für SPDL auf dasjenige von CSL zurückgeführt werden kann, indem das Modell in Abhängigkeit von der zu überprüfenden SPDL-Formel
durch eine Produktautomatenkonstruktion geeignet modifiziert wird. Weiter wurden noch Aussagen über die Ausdrucksstärke von SPDL im Vergleich mit anderen stochastischen Logiken
und die Erhaltung der Gültigkeit von SPDL-Formeln unter einer Variante der Markov-Bisimulation bewiesen. In einer Kooperation mit den Universitäten Bonn und Twente wird zur Zeit an
einer Variante von SPDL gearbeitet. (M. Kuntz, M. Siegle)
Publikationen
0XX
1. Kuntz, Matthias; Siegle, Markus: A stochastic extension of the logic PDL . In: Bobbio,
Andrea; et al. (Hrsg.) : Proc. of the Sixth Int. Workshop on Performability Modeling of
Computer and Communication Systems (PMCCS6) (Sixth Int. Workshop on Performability Modeling of Computer and Communication Systems (PMCCS6) Monticello (IL)
5.-6. Sept. 2003). 2003, S. 58-61.
2. Hermanns, Holger; Katoen, Joost-Pieter; Meyer-Kayser, Joachim; Siegle, Markus: A
tool for model-checking Markov chains . In: Int. Journal on Software Tools for Technology Transfer 4 (2003), S. 153-172
139
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
3.5
3. Lampka, Kai; Siegle, Markus: MTBDD-based activity-local state graph generation .
In: Bobbio, Andrea; et al. (Hrsg.) : Proc. of the Sixth Int. Workshop on Performability
Modeling of Computer and Communication Systems (PMCCS6) (Sixth Int. Workshop
on Performability Modeling of Computer and Communication Systems (PMCCS6)
Monticello (IL) 5.-6. Sept. 2003). 2003, S. 15-18.
4. Lampka, Kai; Siegle, Markus: Symbolic Activity-Local State Graph Generation in the
Context of Mobius . Dortmund : Universität Dortmund. 2003 (780). - Forschungsbericht
(ICALP’03 Satellite Workshop on Stochastic Petri Nets and Related Formalisms)
5. Kuntz, Matthias: Towards S-TIPP: Extending the MTBDD-Semantics . Erlangen :
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 2003 (04/03). - Interner Bericht
6. Meyer-Kayser, Joachim: Verifikation stochastischer, prozessalgebraischer Modelle mit
aCSL+ . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 2003 (01/03).
- Interner Bericht
7. Hermanns, H.; Kwiatkowska, M.; Norman, G.; Parker, D.; Siegle, Markus: On the use
of MTBDDs for performability analysis and verification of stochastic systems .
In: Journal of Logic and Algebraic Programming 56 (2003), S. 23-67
8. Lampka, Kai: Activity-oriented State Graph Representation for Performability Models
with known Symmetries . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 2003 (06/03). - Interner Bericht
9. Kuntz, Matthias: CASPA - A Tool for Symbolic Performance and Dependability Evaluation . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 2003 (05/03).
- Interner Bericht
10. Kuntz, Matthias; Siegle, Markus; Werner, Edith : CASPA: A performance evaluation
tool based on stochastic process algebra and symbolic data structures . Dortmund : Universität Dortmund. 2003 (781). - Forschungsbericht
3.5 Berichte VS 2003
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Herzog
Beteiligte:
Dr.-Ing. Ulrich Klehmet, Dipl.-Inf. Dario Kresic
Laufzeit: 1.1.2003 - 31.12.2003
3.5.1
Übersicht
Forschungsziel ist die Entwicklung stochastischer Prozessalgebren (und verwandter formaler
Techniken) zu integralen Spezifikationen, Analyse und Synthese komplexer Systeme. Integral
bedeutet dabei, dass - wie bei jedem gelungenen architektonischen Entwurf - nicht nur die Funktionalität, sondern Leistungs- und Echtzeitverhalten, Verlässlichkeit und ggf. weitere Aspekte
gleichzeitig betrachtet werden. Besonderer Wert wird darauf gelegt, die herausragenden Eigenschaften von Prozessalgebren - modularer Entwurf, Hierarchiebildung und Abstraktion sowie
algebraische Beschreibung von Äquivalenzen etc. - für die Leistungsbewertung großer Systeme
140
3.5.2
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
nutzbar zu machen.
Neben Prozessalgebren und Abstract State Machines untersuchen wir jetzt auch die Möglichkeiten von Constraint-Programmierung sowie die Fundierung der Netzplanung. Ziel bei letzterem ist es, architektonische Gestaltungsgrundsätze für den Entwurf von Rechnernetzen und
Kommunikationssystemen zu finden und formal zu erfassen.
3.5.2
Neue Aspekte zur Spezifikation und Modellierung von Kommunikationssystemen
ASMs - Abstract State Machines - werden bereits in großem Umfang sowohl zur Spezifikation
des Entwurfs als auch für die Validierung/Verifikation komplexer Systeme eingesetzt. Bei
ASM’s wird die Ausführung einer algorithmischen Prozedur immer als Aktivierung eines Transitionssystems aufgefasst. Dabei geschieht ein Zustandsübergang instantan, also zeitlos. Für die
Validierung und Simulation von Kommunikationssystemen muss jedoch ab einem bestimmten
Verfeinerungsniveau eines Top-Down-Entwurfs der zeitliche Aspekt, beispielsweise die zeitliche Verzögerung von Zustandstransitionen, explizit in der Spezifikation und Modellierung mit
berücksichtigt werden; andernfalls sind z.B. keine Echtzeiteigenschaften bzw. Leistungs- und
Zuverlässigkeits-Kenngrößen zu erhalten. Deshalb gingen wir der Frage nach, ob und wie man
zunächst rein funktionale ASMs auch hierfür einsetzen kann. Die prinzipielle Lösung ist recht
einfach: Ein Zustandsübergang vom Zustand (first-order-Struktur) S_i_ nach S_i+1_ findet
statt, indem eine oder mehrere Funktionen f über S_i_ einen anderen Wert zugeordnet bekommen, d.h. f(x)Element von S_i_ ungleich f(x)Element von S_i+1_. Um zeitliche Verzögerungen
zu spezifizieren, erweitere man die Signatur um diejenigen Funktionen {f_time_}, deren Interpretationen gerade die Zeit des Zustandsübergangs darstellen. Dabei können diese speziellen
’timed functions’ f_time_ sowohl deterministisch als auch stochastisch sein. Diese so erhaltenen ’timed ASMs’ haben das äußerlich-syntaktisch gleiche Aussehen wie die rein funktionalen
ASM’s und verlassen somit nicht das ASM-Paradigma. Sie sind unserer Meinung nach ein sehr
leistungsstarkes Spezifikations- und Modellierwerkzeug, geeignet zur Validierung und Simulation von Kommunikationssystemen.
Einen anderen Aspekt zur Modellierung von Kommunikationssystemen, jetzt nicht im Sinne
der Simulation, sondern im Sinne der quantitativ-analytischen Bewertung, stellt die sogenannte
Deterministische Warteschlangentheorie dar. Diese relativ neue Modellierungsmethode liefert
Möglichkeiten zur numerisch-analytischen Bewertung von Systemen mit harten Echtzeiten
oder auch von QoS-fähigen Kommunikationsnetzen. Dabei wird eine nichtprobabilistische
(Leistungs-)Bewertung mittels Gleichungen, Ungleichungen usw. vorgenommen, um untere
(obere) numerische Grenzen für Datenaufkommen, Delays usw. zu berechnen. (U. Klehmet)
3.5.3
Constraint-Programmierung und Echtzeitsysteme
Der seit ca. 1,5 Jahren verfolgte Ansatz zur effizienten Analyse von zeitautomaten-basierten
Spezifikationen mit Hilfe der Methoden der Constraint-Programmierung wurde in diesem Jahr
weiterentwickelt - zunächst wurde das bisherige Repräsentationsschema erweitert, um die Invarianten zu unterstützen; weiterhin wurde ein Algorithmus zur symbolischen Ausführung von
Zeitautomaten vorgeschlagen, der Echtzeitspezifikationen direkt ausführt und auf ihre Konsistenz hin überprüft. So können etwaige Abläufe, die infolge bestimmter Uhrenbelegungen nicht
erreichbar sind, sofort erkannt werden. Der Kern des constraint-basierten Ansatzes basiert dabei
auf der sog. Constraint-Propagierung, die für jeden konkreten Fall auszuführende Aktionen spezifiziert. Somit kann das meistens ineffiziente Backtracking vermieden werden und die Analyse
effizienter durchgeführt werden. Zu diesem Zweck werden gegenwärtig entsprechende Propa141
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
3.5.4
gierungsregeln spezifiziert. Im weiteren Verlauf soll eine Anwendungsstudie aus dem InternetBereich (RSVP-Protokoll modelliert als Komposition von Zeitautomaten) entstehen. (D. Kresic)
3.5.4
Architektonische Gestaltungsgrundsätze
Architektonik ist die Wissenschaft der Prinzipien und Regeln der Baukunst (Architektur), die
die einzelnen Teilbereiche zu einem systematischen Ganzen vereinigt und in dieser Vereinigung darstellt.
Bei Kommunikationssystemen und Rechnernetzen unterscheiden wir zwei große Teilaufgaben
• Den Aufbau einer funktionalen und räumlichen Struktur, unter Berücksichtigung
aller QoS-Kriterien.
• Die schrittweise Umsetzung dieser Strukturen in eine Multitechnologie-Lösung,
also in eine Hardware/Software-Lösung, in eine Funk- und/oder Festnetztechnologie, etc.
Zur Zeit analysieren wir die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den Gestaltungsgrundsätzen für die funktionale und räumliche Strukturierung. Die Arbeiten werden fortgesetzt.
(U. Herzog)
3.5.5
Technik und Modellierung zellularer Kommunikationsnetze
Seit Jahren untersuchen wir, meist gemeinsam mit der Industrie, Probleme und Lösungsansätze
aus dem Bereich der Mobilkommunikation: Fehlerkorrelation in GSM-Netzen, Modellierung
der Mobilität und von Hotspots, Optimierung der Kanal- Frequenzzuteilung, etc (vgl. Jahresberichte der Abteilung Kommunikationssysteme). Dazu kam im vergangenen Jahr ein Forschungsaufenthalt von Prof. Kritzinger, Kapstadt. Weiter angeregt durch eine
Vortragseinladung nach Wien sowie die Betreuung eines Beitrags als verantwortlicher Editor
befasste ich mich intensiv mit der Technik und Modellierung hierarchischer Zellnetze. Ziel ist
die Aufarbeitung der neueren verkehrstheoretischen Literatur sowie die Nutzung und Erweiterung "klassischer" Ergebnisse zur Behandlung von Überlaufverkehren. (U. Herzog)
Publikationen
0XX
1. Herzog, Ulrich: From Norton to Performance Enhanced Specifications . In: G. Kotsis
(Hrsg.) : Proc. of the Symposium on Performance Evaluation - Stories and Perspectives
(Symposium on Performance Evaluation - Stories and Perspectives Österr. 2003). 2003,
S. 165-177. (Computer Gesellschaft Bd. 175)
2. Kresic, Dario: Constraint-based Analysis of Real-Time Systems . Erlangen : FriedrichAlexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 2003 (08/03). - Interner Bericht
142
3.6
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
3.6 CCIOS (Kompetenzzentrum für interoperative Systeme)
Projektleitung:
Dr.-Ing. Winfried Dulz
Beteiligte:
Dipl.-Inf.Matthias Beyer, Dipl.-Ing. Sébastien Truchat
Laufzeit: 1.7.2001 - 30.9.2005
Förderer:
Fraunhofer IIS Institut
Mitwirkende Institutionen:
Lehrstuhl für Informatik 7 (D), Fraunhofer IIS-A
Kontakt:
Dr.-Ing. Winfried Dulz
Tel.: +49.9131.85.27929, Fax: +49.9131.85.27409,
E-Mail: [email protected]
Interoperative Systeme sind vernetzte Endgeräte, eingebettete Systeme und Infrastrukturkomponenten die miteinander kommunizieren können und
• offene bzw. standardisierte Kommunikationsschnittstellen aufweisen,
• Ad-hoc Netzwerkmechanismen besitzen,
• Verhandlungen über Dienstgütemerkmale und Anwendungen führen können,
• ubiquitäre und pervasive Anwendungen unterstützen sowie
• intuitive Mensch-Maschine-Schnittstellen besitzen.
Das Ziel der CCIOS-Kooperation mit dem Fraunhofer IIS Institut (http://www.iis.fhg.de/index.html) ist die Erforschung der Anforderungen an zukünftige Interoperative Systeme, deren
Handhabung und der Entwurf und die Implementierung derartiger Systeme mit modernen Software-Engineering-Methoden und formalen Spezifikationstechniken (MSC, SDL, UML). (http:/
/www-comm.itsi.disa.mil/itu/r_z.html)
3.7 Effiziente Leistungsbewertung mit Hilfe von Entscheidungsdiagrammen
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Herzog, PD Dr.-Ing. Markus Siegle
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Matthias Kuntz
143
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
3.8
Laufzeit: 1.6.2001 - 31.5.2003
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Kontakt:
PD Dr.-Ing. Markus Siegle
Tel.: +49.9131.85.27410, Fax: +49.9131.85.27409,
E-Mail: [email protected]
In diesem Projekt werden Datenstrukturen und Algorithmen für die Repräsentation und Analyse
stochastischer Leistungsmodelle entwickelt.
Zur Modellspezifikation werden stochastische Prozessalgebren mit Markov-Charakter eingesetzt. Durch konsequente Ausnutzung der Strukturierungskonzepte von Prozessalgebren können neue Möglichkeiten der kompakten Repräsentation und effizienten Analyse erschlossen
werden. Als Basis-Datenstruktur werden binäre Entscheidungsdiagramme (Binary Decision
Diagram, BDD) und Erweiterungen davon (Multi-Terminal BDDs) verwendet. Es wird eine
Methodik entwickelt, die es gestattet, aus einer prozessalgebraischen Spezifikation direkt die
zugehörige BDD-basierte Repräsentation zu generieren.
Ein wichtiges Ziel ist auch die Beschleunigung der auf BDD-Datenstrukturen arbeitenden numerischen Analyseverfahren. Im Rahmen des Projekts entsteht ein prototypisches SoftwareWerkzeug, das die Datenstrukturen und die auf ihnen arbeitenden Verfahren implementiert.
Publikationen
0XX
1. Kuntz, Matthias; Siegle, Markus: Deriving symbolic representations from stochastic
process algebras . In: H. Hermanns et al. (Hrsg.) : Proc. Joint International Workshop
PAPM-PROBMIV (Joint International Workshop PAPM-PROBMIV Kopenhagen Juli
2002). Bd. LNCS 2399. Heidelberg : Springer, 2002, S. 188 - 206.
3.8 MaTeLo (Markov Test Logic)
Projektleitung:
Dr.-Ing. Winfried Dulz
Beteiligte:
Fenhua Zhen, M. Sc.
Laufzeit: 1.1.2002 - 30.6.2004
Förderer:
Europäische Kommission
Mitwirkende Institutionen:
Lund Universität (S), Alitec (F), Danet (D), Magneti Marelli (F), NEC France (F),
IAI (ISR), Alenia Spazio (I)
144
3.9
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
Kontakt:
Dr.-Ing. Winfried Dulz
Tel.: +49.9131.85.27929, Fax: +49.9131.85.27409,
E-Mail: [email protected]
Dieses Projekt wird im Rahmen des europäischen IST Programmes (http://www.cordis.lu/ist/
ka4/tesss/projects.htm) von der Europäischen Kommission unter dem Titel IST-2002-32402
gefördert.MaTeLo verfolgt das Ziel eine Werkzeugumgebung zu realisieren, die das weitgehend automatische Testen von Realzeit-Software mit statistischen Testmethoden unterstützt.
Ausgehend von formalen Softwarespezifikationen (MSC, SDL, UML) (http://www-comm.itsi.disa.mil/itu/r_z.html) wird eine Markoffkette generiert, die das Anwendungsmodell (usage
model) der Realzeit-Software repräsentiert. Hierbei ist eine möglichst genaue Schätzung der
Wahrscheinlichkeiten für die Zustandsübergänge innerhalb der Markoffkette erforderlich, da
aus der Markoffkette reräsentative Testszenarien generiert werden sollen. Je genauer das Modell die Realität der zu testenden Software widerspiegelt, desto exakter sind die Aussagen über
die Zuverlässigkeit der statistischen Testergebnisse. Die Beschreibung der Testszenarien des
MaTeLo-Systems erfolgt auf Basis des neuen ETSI-Standards (http://www.etsi.org/) TTCN3.Damit lassen sich komplexe Software-Systeme über die standardisierte Laufzeitumgebung
TRI (TTCN-3 Runtime Interface) testen.
Publikationen
0XX
1. Dulz, Winfried: MaTeLo - Statistical Testing Using Annotated Sequence Diagrams,
Markov Chains and TTCN-3 . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität ErlangenNürnberg. 2002 (05). - Interner Bericht
3.9 Stochastische Prozessalgebren und verwandte Formalismen
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Herzog
Beteiligte:
Dr.-Ing. Ulrich Klehmet
PD Dr.-Ing. Markus Siegle
assoc. Prof. Dr. Holger Hermanns (Universität Twente, NL) et al.
Beginn: 1.1.1989
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
EU und Freistaat Bayern
Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Herzog
Tel.: +49.9131.85.27041, Fax: +49.9131.85.27409,
E-Mail: [email protected]
145
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
3.10
Prozessalgebren sind eine moderne Weiterentwicklung von Automaten mit einzigartigen Eigenschaften. Sie ermöglichen die systematische, modulare und hierarchische Beschreibung und
Analyse komplexer Systeme aus kleineren Komponenten. Mit klassischen Prozessalgebren
kann das funktionale Verhalten von allen Verbundsystemen (Multiprozessoren, Client-Server
Architekturen, Kommunikationsnetze, etc.) sowie von Realzeitsystemen (Prozessrechner, Robotersteuerung etc.) beschrieben und analysiert werden.
Unser Forschungsziel ist die homogene Einbettung von Stochastischen Prozessen in klassische
Prozessalgebren (CCS, CSP, etc.). Durch diese zusätzliche Information ist es möglich, verschiedenartigste Systemaspekte zu untersuchen
• funktionales Verhalten (z.B. Lebendigkeit oder Deadlocks)
• zeitliches Verhalten (z.B. Durchsatz, Wartezeiten, Zuverlässigkeit)
• kombinierte Eigenschaften (z. B. Wahrscheinlichkeit eines Time-out- Ereignisses)
Wir entwickeln die theoretischen Grundlagen, die Methodik der Anwendung sowie Beschreibungs- und Analysewerkzeuge. Wir analysieren auch verwandte, konkurrierende und ergänzende Formalismen, z.B. Temporale Logiken, Abstract State Machines, Stochastische Petri Netze,
Constraint Logic Programming.
Publikationen
0XX
1. Hermanns, Holger; Herzog, Ulrich; Mertsiotakis, Vassilis: Stochastic Process Algebras
- Between LOTOS and Markov Chains . In: Computer Networks and ISDN Systems 30
(1998), Nr. 9-10, S. 901-924
2. Hermanns, Holger; Herzog, Ulrich; Klehmet, Ulrich; Mertsiotakis, Vassilis; Siegle,
Markus: Compositional performance modelling with the TIPPtool. . In: Performance
Evaluation 39 (2000), Nr. 1-4, S. 5-35
3. Hermanns, H.; Herzog, Ulrich; Katoen, J.-P.: Process Algebra for Performance Evaluation . In: Theoretical Computer Science 274 (2002), Nr. 1-2, S. 43-87
3.10 Validation of Stochastic Systems
Projektleitung:
PD Dr.-Ing. Markus Siegle
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Matthias Kuntz, Dipl.-Inf. Kai Lampka, Dr.-Ing. Joachim Meyer-Kayser
Laufzeit: 1.1.2001 - 31.12.2003
Förderer:
NWO, Deutsche Forschungsgemeinschaft
Mitwirkende Institutionen:
RWTH Aachen, Universität Twente (NL), Universität Nijmegen (NL), Universität
Bonn
146
3.11
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
Kontakt:
PD Dr.-Ing. Markus Siegle
Tel.: +49.9131.85.27410, Fax: +49.9131.85.27409,
E-Mail: [email protected]
In diesem Projekt geht es um die Modellierung und Verifikation der stochastischen Aspekte von
Rechensystemen, wie z.B. von verteilten Systemen, Rechnernetzen und Kommunikationsprotokollen. Diese Aspekte sind essentiell, wenn man die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit
solcher Systeme, aber auch die Korrektheit von verteilten randomisierten Algorithmen bewerten bzw. nachweisen möchte. Als Modellierungsformalismen werden z.B. Prozessalgebren oder
Input/Output Automaten eingesetzt. Als Verifikationstechnik werden Model Checking Verfahren für stochastische Systeme untersucht und weiterentwickelt.
3.11 Projektunabhängige Publikationen
0XX
1. Hilgers, Ursula; Holleczek, Peter; Hofmann, Richard: Providing Quality of Service in
Wide Area Networks . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of 9th International Conferenc of European
University Information Systems (9th International Conferenc of European University Information Systems Amsterdam, Netherlands 2-4 July 2003). 2003, S. ..
4
Vorträge
5
Studien- und Diplomarbeiten
5.1 Studienarbeiten
• Peschke, Jörg: Entwicklung und Realisierung von Lösungen zur automatischen Einstufung von Webseiten
• Sippel, Bernd: Entwicklung einer graphischen Schnittstelle zur Darstellung von
Overlay Netzen und QoS Infomationen ihrer Knoten
• Beyersdorf, Jörg: Java für mobile Endgeräte
• Sushanskyy, Oleg: Konfiguration von 2P2 (Peer-to-Peer) Overlay-Netzen basierend
auf VML-(Ontologie)-Beschreibungen
• Husch, Holger: Konfiguration einer JXTA-basierten P2P Test-Umgebung
• Fuchs, Gerhard: Programmieren einer Web-Applikation für ein Smart-HomeSystem
5.2 Diplomarbeiten
• Leipold, Sven: Automatisierte Generierung von Testfällen aus annotierten MSCSzenarien
• Werner, Edith: Leistungsbewertung mit Multi-terminalen binären Entscheidungsdiagrammen
147
Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme)
6
• Flügel, Christian: Protokollentwurf und Validierung ausgewählter Teile des BodyArea-Network-Protokolls unter Verwendung von SDL/MSC
6
Bachelor- und Master Theses
6.1 Master Theses
• Bhimavarapu, Gopi: Design and Implementation of a Topology Editor for Power
Generation Systems
• Nassaj, Feras: Performance Modeling and Evaluation of IEEE 802.11 (b) Wireless
LANs with the AnyLogic Framework
148
1
Professur für Informatik (Systemsimulation)
Professur für Informatik (Systemsimulation)
Anschrift: Martensstr. 3, 91058 Erlangen
Tel.: +49.9131.85.27916
Fax.: +49.9131.85.27409
E-Mail: [email protected]
1
Einführung
Die Professur für Systemsimulation wurde im Oktober 2000 durch die Berufung von Prof. Dr.Ing. Reinhard German besetzt und ist am Lehrstuhl für Informatik 7 (Rechnernetze und Kommunikationssysteme) (http://univis.uni-erlangen.de/go/res&department=100102) angesiedelt.
Der Schwerpunkt liegt in der quantitativen Analyse von Rechnernetzen und Kommunikationssystemen sowie von verteilten und eingebetteten Systemen. Für den Erfolg solcher Systeme
spielen neben der eigentlichen Systemfunktion mehrere quantitative Aspekte wie die Leistungsfähigkeit (Wie schnell reagiert das System im Mittel auf externe Ereignisse? Wie groß ist der
Datendurchsatz?), die Echtzeitfähigkeit (Wie lange dauert eine Systemreaktion höchstens?), die
Zuverlässigkeit (Wie wahrscheinlich ist ein Systemversagen?), aber auch der Energieverbrauch
und die wirtschaftlichen Kosten eine entscheidende Rolle. Weiterhin ist durch die gestiegene
Bedrohungslage die Informationssicherheit von großer Bedeutung.
Um quantitative Aussagen treffen zu können, stehen als Verfahren Messung und Modellierung
zur Verfügung. Bei der Messung werden Systeme im normalen Betrieb oder unter künstlicher
Last betrieben und interne Ereignisse und Abläufe wie z.B. die Laufzeit von Berechnungen, die
Zeiten für Ein- und Ausgaben, das Versenden und das Empfangen von Datenpaketen, der Energieverbrauch usw. beobachtet. Die Beobachtung kann durch extern angeschlossene Geräte
oder durch Veränderung der Software der beobachteten Geräte selbst erfolgen. Dabei ergeben
sich zahlreiche technische Probleme bezüglich der Genauigkeit der Zeitmessung und des zu bewältigenden Datenvolumens. Messungen sind nur für realisierte Systeme möglich, sollen Bewertungen in der Konzeptionsphase erfolgen oder Systemvarianten untersucht werden, müssen
die Aussagen auch modellgestützt hergeleitet werden.
Für die Modellierung werden einerseits die klassischen Techniken der Leistungs- und Zuverlässigkeitsbewertung (Simulationssprachen, Warteschlangen, und Markow-Ketten) verwendet,
weiterhin werden verschiedene Modelle der Informatik (Automaten, Petri-Netze, State Charts,
Specification and Description Language, Message Sequence Charts, Unified Modeling Language, ...) zum Einsatz für diesen Zweck um zeitliche Elemente erweitert. Leistungs- und Zuverlässigkeitsmaße werden durch Modellauswertung mittels Analyse und Simulation berechnet.
Hierfür sind rechnergestützte Werkzeuge erforderlich, es ergeben sich vielfältige Problemstellungen bezüglich der Praktikabilität der Modellierungstechnik und der Kosten für die Laufzeit
und den Speicherverbrauch bei der Modellauswertung. Um Echtzeitaussagen zu erhalten, werden Einplanbarkeitsanalysen von Prozessen mittels rekursiver Beziehungen durchgeführt und
um zeitliche Aspekte erweiterte formale Verifikationsverfahren eingesetzt.
Für die Forschung werden experimentelle Laboraufbauten betrieben, an denen quantitative Systemeigenschaften durch Messung und Modellierung untersucht werden können. Messungen
ermöglichen einerseits die genaue Modellierung der Komponenten von Modellen, wie z.B. die
Verteilung der Laufzeit zwischen zwei Rechnersystemen oder die Verteilung der Rechenzeit eines Prozesses. Andererseits kann durch die Messung das Gesamtmodell validiert und kalibriert
149
Professur für Informatik (Systemsimulation)
2
werden. Der experimentelle Ansatz wird als wesentlich angesehen, um zu aussagekräftigen Modellen zu gelangen, die dann auch für andere Systeme vertrauenswürdig einsetzbar sind. Das bereits vorhandene Web-Cluster-Labor zur Untersuchung der Antwortzeit von leistungsfähigen
Web-Servern wird dafür weiter ausgebaut. Ein gegenwärtig im Aufbau befindliches Fußballroboter-Labor als Beispiel für ein verteiltes eingebettetes System, das zusätzlich über das Internet
gesteuert werden kann, wird gegenwärtig aufgebaut. Zur Modellierung soll ein benutzungsfreundliches Werkzeug entwickelt werden, das sowohl die stochastische Modellierung zur Leistungs- und Zuverlässigkeitsbewertung ermöglicht, als auch die deterministische Modellierung
für Echtzeitaussagen ermöglicht. Die Beurteilung der Zuverlässigkeit und der Kosten von Fahrzeugkomponenten ist ein weiteres Arbeitsfeld.
2
Forschungsprojekte
2.1 Berichte DS
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Reinhard German
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Peter Bazan, Dr.-Ing. Armin Heindl, Dipl.-Inf. Kai-Steffen Jens Hielscher, Dipl.-Inf. Kemal Köker
Laufzeit: 1.1.2003 - 31.12.2003
2.1.1
Übersicht
Der Schwerpunkt liegt in der quantitativen Analyse von Rechnernetzen und Kommunikationssystemen sowie von verteilten und eingebetteten Systemen. Für den Erfolg solcher Systeme
spielen neben der eigentlichen Systemfunktion mehrere quantitative Aspekte wie die Leistungsfähigkeit (Wie schnell reagiert das System im Mittel auf externe Ereignisse? Wie groß ist der
Datendurchsatz?), die Echtzeitfähigkeit (Wie lange dauert eine Systemreaktion höchstens?), die
Zuverlässigkeit (Wie wahrscheinlich ist ein Systemversagen?), aber auch der Energieverbrauch
und die wirtschaftlichen Kosten eine entscheidende Rolle. Weiterhin ist durch die gestiegene
Bedrohungslage die Informationssicherheit von großer Bedeutung.
Es werden experimentelle Laboraufbauten betrieben, an denen quantitative Systemeigenschaften durch Messung und Modellierung untersucht werden können. Das bereits vorhandene WebCluster-Labor zur Untersuchung der Antwortzeit von leistungsfähigen Web-Servern wird dafür
weiter ausgebaut. Ein Fußballroboter-Labor als Beispiel für ein verteiltes eingebettetes System,
das zusätzlich über das Internet gesteuert werden kann, wird gegenwärtig aufgebaut. Als neues
Arbeitsfeld ist auch die Untersuchung des Leistungsverhaltens von drahtlosen lokalen Netzen
hinzugekommen. In einem weiteren Projekt wird ein Werkzeug zur Analyse von Warteschlangenmodellen entwickelt und im Bereich von Sicherheitsarchitekturen eingesetzt.
150
2.1.2
2.1.2
Professur für Informatik (Systemsimulation)
Webcluster-Labor
Die im letzten Jahr für unser Webcluster-Labor entwickelte Meßinfrastruktur, die hochpräzises
Software-Monitoring in verteilten Systemen ermöglicht, wurde in diesem Jahr auf der Konferenz "Tools 2003" vorgestellt.
Diese Infrastruktur wird ständig weiterentwickelt. Um das System leichter für andere Gebiete
einsetzbar zu machen, wird an einer Modularisierung des Systems und an einer standardkonformen Integration in das Linux Netfilter-Framework gearbeitet. Eine weitere Modifikation besteht in der Implementierung einer Offline-Zeitsynchronisation. Hier werden die
unsynchronisierten Uhren der Objektsysteme zum Software-Monitoring eingesetzt. Zusätzlich
zu der Ereignisspur werden Zeitstempel für von einer genauen externen Uhr (z.B. GPS-Empfänger) erzeugte Impulse generiert und aufgezeichnet. Diese können dann dazu verwendet werden, die in der Ereignisspur enthaltenen Zeitstempel im Nachhinein zu modifizieren und somit
Synchronität der Uhren im verteilten System zu gewährleisten. Dieser Ansatz wurde gewählt,
da hiermit einige Beschränkungen von NTP umgangen werden und optimierte Parameter für
eine präzisere Sychronisation gewählt werden konnten. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß auf
den Objektsystemen kein zusätzlicher NTP-Prozeß ablaufen muß, der die Messung beeinflußt.
So wird die Meßinfrastruktur auch für Prozessoren mit wenig Rechenleistung (etwa bei eingebetteten Systemen) einsetzbar.
Im Rahmen einer Studienarbeit wird die vorhandene Meßinfrastruktur mit weiteren, in neueren
Veröffentlichungen dargestellten Lösungen, vergleichend untersucht.
Neben den im Rahmen der Vorlesung "Simulation und Modellierung II" erarbeiteten Simulationen, die ein eher grobgranulares Modell des Clusters darstellen, wird in einer Studienarbeit
ein feingranulares Modell mit UML Statecharts (AnyLogic) erstellt. Hierbei wurde besonderer
Wert auf die Dynamik von TCP und das Prozeß-Scheduling gelegt, da die Leistung des Gesamtsystems maßgeblich von beiden Aspekten abhängt.
Als Last für das System kann nun neben statischem HTML auch ein E-Commerce-System nach
den Spezifikationen des TPC-W- Benchmarks und ein XML-Processing-System Verwendung
finden.
2.1.3
Dienstgüte von verteilten eingebetteten Systemen
Das Ziel ist die Untersuchung von Leistungs- und Echtzeiteigenschaften von verteilten eingebetteten Systemen. In der Arbeit werden fernsteuerbare Fußballroboter als Testszenario eingesetzt. Für die Untersuchung des zeitlichen Verhaltens müssen Eigenschaften der physikalischen
Umgebung, der Hardware, des Betriebssystems, der Kommunikation und der Anwendungen
gemeinsam berücksichtigt werden. Hierzu werden einerseits Messungen durchgeführt und andererseits geeignete Modelle erstellt. Eine wesentliche Fragestellung ist, was das Modell enthalten muß, um wesentliches Verhalten zu beschreiben.
Die Arbeit des letzten Jahres lässt sich in drei Teile zusammenfassen. Im ersten Teil wurde das
Testlabor gemäß dem Reglement der RoboCup Small-Size-League (F180) aufgebaut. Im zweiten Teil wurde ein autonom agierender Fußballroboter angeschafft und entsprechend programmiert, so dass diese mobile Einheit im gesamten Testszenario einen Spieler der autonom
agierenden Mannschaft darstellt. Diese mobile Einheit ist in der Lage, eigenständig ein vorher
definiertes Ball-Objekt auf dem Spielfeld zu finden und zu treffen. Im dritten Teil wurden in der
kürzlich abgeschlossenen Bachelor-Arbeit von T. Vaupel zwei frei erhältliche Echtzeit-Betriebssysteme (RTAI und RTEMS) für den Einsatz im beschriebenen Szenario näher untersucht
151
Professur für Informatik (Systemsimulation)
2.1.4
und eins davon in einem PC/104-System aktiviert. Das aktivierte System beinhaltet einen kleinen Web-Server und übermittelt Bildinformationen auf anfragende Clients über WLAN (IEEE
802.11b). Das System ist als primäre Steuerinstanz für einen mobilen Roboter gedacht, der auch
über das Internet ferngesteuert werden soll.
Die weitere Planung sieht eine Leistungsverbesserung des autonom agierenden Roboters sowie
die prototypische Fertigstellung des ferngesteuerten Roboters vor. Fertig erhältliche Systeme
sind für das Testszenario nicht einsetzbar, daher wird ein Robotersystem aus bestehenden Elektronik- und Mechanik-Komponenten eigenständig entworfen. Dieses wird um eine RoboterSteuerung über das Internet erweitert, um damit Messungen zu ermöglichen.
2.1.4
Modellierung und Messung des Leistungsverhaltens von drahtlosen lokaklen
Netzen
Im Vergleich zu leitungsgebundenen lokalen Netzen (LANs) spielt für drahtlose LANs neben
den verwendeten Kommunikationsprotokollen und der Verkehrslast der Funkkanal - insbesondere in Verbindung mit Mobilität der Stationen - eine besondere Rolle für das Leistungsverhalten. In dieser Forschungsarbeit werden diese System- und Einflussgrößen in ein integratives
Simulationsmodell zusammengeführt. Gleichzeitig wird der Software-Monitor mit hochauflösender Zeitstempelung, der bereits im Webcluster-Labor (siehe Abschnitt 2) realisiert wurde,
auf die in diesem Jahr angeschaffte Laborkonfiguration eines drahtlosen lokalen Netzes
(WLAN) übertragen. Die Laborkonfiguration besteht aus einem Hub und drei Notebooks mit
Netzwerkkarten, die verschiedene Varianten des IEEE802.11-Protokolls (802.11a/b/g) implementieren. Zusätzlich können teilweise interferierende Drahtlostechnologien (z.B. Bluetooth)
parallel dazu betrieben werden. Durch detaillierte Messungen lassen sich zum einen die entwikkelten und noch zu verfeinernden Modelle durch detaillierte Messungen validieren. Zum anderen kann aus den Messergebnissen auf einzelne Modellparameter geschlossen werden.
Die Modellierung basiert auf um Zeitverhalten erweiterten UML-Statecharts ("Real-Time
UML"). Die Modelle werden mit dem kommerziellen Software-Werkzeug AnyLogic (der Firma XJ Technologies) simulativ ausgewertet. In einer Diplomarbeit wurde so das Protokollverhalten von IEEE802.11 und seiner Varianten quantitativ und vergleichend untersucht. In
Erweiterungen dieser Modelle für Medienzugriffsschicht (MAC Layer) und physikalischen
Schicht (PHY Layer) werden gegenwärtig die Wechselwirkungen mit höheren Protokollschichten (vor allem TCP/IP) betrachtet. Weitere Teilmodelle für Funkkanal, Mobilitätsszenarien und
diverse Verkehrslasten entstehen in studentischen Arbeiten.
Parallel hierzu laufen die Anpassung der Messinfrastruktur an die Gegebenheiten in der
WLAN-Laborkonfiguration und die Messplanung an dem unter Linux betriebenen WLAN. Die
Messinfrastruktur in Verbindung mit dem Netfilter-Framework und Modifikationen an Linuxtreibern der Netzwerkkarten erlaubt flexible Messwerterfassung.
Am Beispiel einer konkreten Anwendung werden hier insbesondere die Fragestellungen untersucht, welches Abstraktionsniveau der Modellierung für welches Leistungsmaß gewählt werden muss, um zu einer aussagekräftigen Leistungsbewertung zu kommen. Diese Studien
betreffen alle möglichen Teilmodelle, d.h. sowohl die der verschiedenen Protokollschichten als
auch die Kanal-, Mobilitäts- und Verkehrsmodelle.
2.1.5
Modellierung von Sicherheitsarchitekturen mit Warteschlangennetzen
Um Schutzziele wie Geheimhaltung, Authentifizierung, Integrität, Zugangskontrolle oder An152
2.1.5
Professur für Informatik (Systemsimulation)
onymisierung zu erreichen, müssen Systeme durch geeignete Sicherheitsmechanismen geschützt werden. Dies sind auf kryptographischen Verfahren basierende Protokolle und auch
Firewalls. Beide Maßnahmen führen jedoch zu einem größeren Aufwand und verschlechtern
die Leistungsfähigkeit. Bei geringem Durchsatz und großer Antwortzeit ist keine Benutzerakzeptanz zu erwarten. Es ist daher das Ziel dieser Arbeit, eine Prognose von Durchsatz und Verzögerung unter Einbezug von Sicherheitsarchitekturen mit geeigneten Verfahren und damit eine
Auslegung der Systeme zu ermöglichen.
Das Projekt ist eine Kooperation mit der am Lehrstuhl 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme) angesiedelten Arbeitsgruppe "Analytische Modellbildung und Prozessautomatisierung". In
dieser Arbeitsgruppe wurde in Vorarbeiten das auf PCs lauffähige Werkzeug WinPEPSY zur
Modellierung, Analyse und Simulation von großen Warteschlangennetzen entwickelt, das auch
für den fachfremden Experten leicht zu handhaben ist. Zur Analyse wurden Produktformverfahren realisiert, die eine schnelle Auswertung erlauben, aber gewissen Modellierungseinschränkungen unterliegen. Um eine genauere Modellierung zu ermöglichen, wurde das Werkzeug um
eine zustandsraumbasierte Analysekomponente erweitert. Damit können nun auch Blockierungseffekte im Modell nachgebildet werden. In einem weiteren Schritt sollen nun für eine Methode zur Analyse nicht-Markowscher Modelle Iterationsformeln für spezielle
Verteilungsfunktionen entwickelt und integriert werden. Damit werden dann die Charakteristika von Verkehrsströmen realistischer zu modellieren sein. Diese Methode der zusätzlichen Variablen vermeidet die Modellierung allgemeiner Verteilungen durch exponentialverteilte
Phasen und reduziert damit die Explosion des Zustandsraumes.
Publikationen
0XX
1. Vaupel, Th.: Installation und Inbetriebnahme eines frei erhältlichen Echtzeit-Betriebssystems Installation /Installation und Konfiguration eines Web-Servers zur Steuerung und
Navigation . Erlangen, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Dipl-Arb.,
2003
2. Heindl, Armin: Decomposition of general queueing networks with MMPP inputs and customer losses . In: Performance Evaluation 51 (2003), Nr. 2-4, S. 117-136
3. Heindl, Armin; K. Mitchell; A. van de Liefvoort: The correlation region of second-order
MAPs with application to queueing network decomposition . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. 13th
Int. Conf. on Modelling Techniques and Tools for Computer Performance Evaluation
(TOOLS) (13th Int. Conf. on Modelling Techniques and Tools for Computer Performance Evaluation (TOOLS) Urbana, IL, USA September 2-5,2003). Heidelberg : Springer, 2003, S. 237-254. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 2794) - ISBN 3-54040814-2
153
Professur für Informatik (Systemsimulation)
2.2
2.2 Fußballroboter-Labor
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Reinhard German
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Kemal Köker
Beginn: 1.6.2002
Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Reinhard German
Tel.: +49.9131.85.27916, Fax: +49.9131.85.27409,
E-Mail: [email protected]
Gegenwärtig sind Wettbewerbe von Fußballrobotern populär, an denen sich vorwiegend universitäre Mannschaften beteiligen. Fußballspielende Roboter können als Benchmarkszenario
für zukünftige Serviceroboter in dynamischen Umgebungen (Büro oder Haushalt) angesehen
werden. Für die Realisierung solcher Systeme bestehen viele technische Probleme (wie z.B. bezüglich der Mechanik, Sensorik/Aktorik, Bildverarbeitung, Kommunikation, Lokalisation,
Umsetzung von Spielstrategien, usw.) die heute noch ungelöst sind. Ein schnelles Spiel mit relativ einfachen Spielregeln, wie das Fußballspiel, eignet sich hier ideal als Benchmarkszenario.
Eine der Wettbewerbsklassen ist die sogenannte "Small Size Soccer League", in der das Spielfeld die Größe einer Tischtennisplatte besitzt, jede Mannschaft aus bis zu fünf mobilen Kleinrobotern mit Tretvorrichtung und beliebiger Sensorik ausgestattet sein darf und über dem
Spielfeld eine Videokamera für die globale Bildverarbeitung zur Positionserkennung von Robotern und Ball angebracht werden darf. Die Roboter können über Funk mit einer Basisstation
kommunizieren, das Gesamtsystem muß aber ohne menschlichen Eingriff arbeiten. In jüngerer
Zeit werden auch sogenannte eingebettete Internet-Systeme diskutiert, bei denen eingebettete
Systeme an das Internet angeschlossen werden. Hierdurch entstehen zusätzliche Möglichkeiten
der Fernsteuerung von technischen und logistischen Prozessen und auch zusätzliche Möglichkeiten des Informationsaustauschs.
Es wird gegenwärtig ein Fußballroboter-Labor aufgebaut und mit mehreren Robotern betrieben.
Wesentliches Ziel des Aufbaus ist die Untersuchung von Leistungs- und Echtzeiteigenschaften
und nicht die Beteiligung an einem Wettbewerb. Um auch den Aspekt "eingebettetes Internet"
in das Benchmarkszenario aufzunehmen, soll in Erweiterung zu den Spielregeln das System
über das Internet steuerbar sein. Es ist dann z.B. denkbar, daß eine Mannschaft automatisch und
die andere Mannschaft durch Menschen ferngesteuert agiert. Eingriffe von Schiedsrichtern wären eine weitere mögliche Anwendung.
Für die Fernsteuerung über das Internet sollen die Roboter mit eingebetteten Web-Servern versehen werden. Für die Messungen soll die Steuerungselektronik der Roboter so ausgelegt werden, daß während des Betriebs rückwirkungsfrei Ereignisse aufgezeichnet werden können.
Weiterhin werden zusätzliche Kommunikationskanäle vorgesehen, über die während des Betriebs Signale für die Zeitsynchronisation wie z.B. das PPS-Signal ohne Beeinflussung der übrigen Kommunikation gesendet werden können. Mit den Messungen soll dann untersucht
werden, an welchen Stellen des Systems Zeiten verbraucht werden. Als Beispiel seien die Reaktionszeit auf die Positionsänderung des Balls und die Reaktionszeit des Systems auf eine Be154
2.3
Professur für Informatik (Systemsimulation)
fehlseingabe zur Fernsteuerung genannt. Die Reaktionszeit soll jeweils durch Mittelwert,
Verteilung und Höchstwert charakterisiert werden und in unterschiedliche Bestandteile aufgeteilt werden können.
2.3 Leistung von Sicherheitsarchitekturen
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Reinhard German
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Peter Bazan
Beginn: 1.10.2001
Förderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Mitwirkende Institutionen:
Lehrstuhl für Informatik 4 (Dr. Gunter Bolch)
Um Schutzziele wie Geheimhaltung, Authentifizierung, Integrität, Zugangskontrolle oder Anonymisierung zu erreichen, müssen die Systeme durch geeignete Sicherheitsmechanismen geschützt werden. Dies sind auf kryptographischen Verfahren basierende Protokolle und auch
Firewalls. Beide Maßnahmen führen jedoch zu einem größeren Aufwand und verschlechtern
die Leistungsfähigkeit. Bei geringem Durchsatz und großer Antwortzeit ist keine Benutzerakzeptanz zu erwarten. Es ist daher das Ziel dieser Arbeit, Modelle zu entwerfen, die Durchsatz
und Verzögerung unter Einbezug von Sicherheitsarchitekturen prognostizieren und damit eine
Auslegung der Systeme ermöglichen. Erste Arbeiten zur Modellierung von Sicherheitsarchitekturen wurden vorgestellt und basieren auf einfachen Warteschlangenmodellen. Dies dient als
Ausgangspunkt für die Arbeiten dieses Themas. In Vorarbeiten wurde am Lehrstuhl Informatik
4 bereits das Werkzeug WinPEPSY erstellt, das die Modellierung, Analyse und Simulation von
Warteschlangenmodellen erlaubt und auch für den fachfremden Experten leicht zu handhaben
ist. Zur Analyse sind Produktformverfahren realisiert, die eine schnelle Auswertung erlauben,
aber gewissen Modellierungseinschränkungen unterliegen. Damit können die beschriebenen
Modelle gelöst werden. Um eine genauere Modellierung zu ermöglichen, soll das Werkzeug um
eine zustandsraumbasierte Analysekomponente erweitert werden, die auch nicht-Markowsche
Modelle handhaben kann. Damit können z.B. Blockierungseffekte im Modell nachgebildet werden und auch die Charakteristika von Verkehrsströmen realistischer modelliert werden.
Publikationen
0XX
1. German, Reinhard: Cascaded Deterministic and Stochastic Petri Nets . In: unbekannt
(Hrsg.) : Proc. 3. Int. Meeting on the Numerical Solution of Markov Chains (3. Int. Meeting on the Numerical Solution of Markov Chains. Zaragoza September 1999). 1999, S.
111-130.
2. Freiheit, J.; Zimmermann, A.; German, Reinhard; Hommel, G.: Petri Net Modeling and
Performability Evaluation with TimeNET 3.0 . In: unbekannt (Hrsg.) : Proc. Int. Conf.
155
Professur für Informatik (Systemsimulation)
2.4
on Modelling Techniques and Tools for Computer Performance Evaluation. (Int. Conf.
on Modelling Techniques and Tools for Computer Performance Evaluation. Schaumburg, Illinois, USA März 2000). Heidelberg : Springer, 2000, S. 188-202. (LNCS
Bd. 1786)
3. German, Reinhard: Iterative Analysis of Markov Regenerative Models . In: Journal of
Performance Evaluation (2001), Nr. 44, S. 51-72
2.4 Web-Cluster-Labor
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Reinhard German
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Kai-Steffen Jens Hielscher
Beginn: 1.10.2001
Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Reinhard German
Tel.: +49.9131.85.27916, Fax: +49.9131.85.27409,
E-Mail: [email protected]
In diesem Labor ist ein PC-Cluster aufgebaut worden und durch eine Messinfrastruktur ergänzt
worden, um die Untersuchung der Leistungsfähigkeit zu ermöglichen. Der Cluster besteht aus
handelsüblichen Komponenten: PCs des Massenmarkts mit einem günstigen Preis/Leistungsverhältnis sind über einen Fast/Gigabit Ethernet Switch vernetzt, das Betriebssystem und alle
weiteren Software-Komponenten sind Open-Source-Produkte. Das System wird als verteilter
Web-Server betrieben und wird gegenwärtig erweitert um auch dynamische Inhalte zu erzeugen
und komplexe E-Commerce-Transaktionen durchzuführen.
Für die Messinfrastruktur wird eine GPS-Antenne mit Empfänger als genaue externe Zeitquelle
eingesetzt. Das GPS-System liefert ein Zeitsignal, das zur groben Uhrensynchronisation des
Clusters mittels des Network Time Protocols (NTP) über ein eigenes lokales Netz dient. Zur genauen Uhrensynchronisation liefert das GPS-System zusätzlich einen sekündlichen Puls (PPS),
der zur Disziplinierung der Rechneruhren verwendet wird. Um den Impuls zu jeder Komponente des Clusters zu transportieren, muß durch Spezialhardware eine Signalumsetzung erfolgen.
Zusätzlich wurden Modifikationen am Betriebssystem der Rechner durchgeführt, um eine Zeitstempelung interessanter Ereignisse im Kernel zu ermöglichen, die dann über einen Puffer an
einen Benutzerprozeß übergeben werden. Auf diese Weise wird eine Genauigkeit im Mikrosekundenbereich erzielt, gleichzeitig sind hohe Datenvolumina bei der Aufzeichnung möglich.
Weiter soll erprobt werden, ob durch ein undiszipliniertes Laufenlassen der Uhren und eine
nachträgliche Korrektur der Zeitstempel durch Verwendung der PPS-Information eine noch
verbesserte Genauigkeit erreichbar ist. Als weitere Verbesserung ist geplant, den noch vorhandenen Einfluß von Interrupt-Latenzen zu eliminieren, indem die Zeitstempel dynamisch durch
eine an jedem Rechner zu installierende externe stabilisierte Uhr korrigiert werden. Durch die
Instrumentierung und auch durch die Kopplung mit Werkzeugen zum Aufzeichnen von Systemspuren soll so das Versenden und Empfangen von Datenpaketen, aber auch die Benutzung
von Betriebsmitteln (Prozessor, Speicher, Peripherie) beobachtet und gemessen werden.
156
2.5
Professur für Informatik (Systemsimulation)
Zur Lastgenerierung werden die Werkzeuge httperf (zur möglichst schnellen Lasterzeugung)
und SURGE (Berücksichtigung realistischer Verkehrsmuster wie schwach abklingende Verteilungen und Selbstähnlichkeit, die in jüngerer Zeit in Kommunikationsnetzen empirisch nachgewiesen wurden) verwendet. Zur Beurteilung als E-Commerce-System soll ein Lastgenerator
gemäß des TPC-W-Standards realisiert werden. Das weitere Ziel ist der Aufbau eines Modells,
das das Leistungsverhalten vetrauenswürdig prognostizieren kann.
Publikationen
0XX
1. Hielscher, Kai-Steffen Jens; German, Reinhard: A Low-Cost Infrastructure for High
Precision High Volume Performance Measurements of Web Clusters . In: Peter Kemper;
William H. Sanders (Hrsg.) : TOOLS 2003, Computer Performance Evaluations, Modelling Techniques and Tools, 13th International Conference, Proceedings (TOOLS 2003,
Computer Performance Evaluations, Modelling Techniques and Tools, 13th International Conference, Urbana, IL, USA September 2-5,2003). Heidelberg : Springer, 2003, S.
11-28. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 2794) - ISBN 3-540-40814-2
2. Hielscher, Kai-Steffen Jens; German, Reinhard: Aufbau eines Labors zur Leistungsmessung an cluster-basierten Webservern . In: n.b. (Hrsg.) : 2. ITG-Workshop IP Netzmanagement, IP Netzplanung und Optimierung. (2. ITG-Workshop IP Netzmanagement, IP
Netzplanung und Optimierung. Würzburg Juli 2001). 2001, S. ..
3. Hielscher, Kai-Steffen Jens: Aufbau eines clusterbasierten Webservers zur Leistungsanalyse . Erlangen, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Dipl-Arb.,
2001. - 96 Seiten.
2.5 Projektunabhängige Publikationen
0XX
1. Heindl, Armin; K. Mitchell; A. van de Liefvoort: The correlation region of second-order
MAPs with application to queueing network decomposition . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. 13th
Int. Conf. on Modelling Techniques and Tools for Computer Performance Evaluation
(TOOLS) (13th Int. Conf. on Modelling Techniques and Tools for Computer Performance Evaluation (TOOLS) Urbana, IL, USA September 2-5,2003). Heidelberg : Springer, 2003, S. 237-254. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 2794) - ISBN 3-54040814-2
3
Vorträge
4
Studien- und Diplomarbeiten
4.1 Studienarbeiten
• Prei?ner, Markus: Erstellung einer E-Commerce-Plattform nach TPC-W
• Wunderlich, Patrick: XML Processing System
157
Professur für Informatik (Systemsimulation)
4.2
4.2 Diplomarbeiten
• Brand, Alexandra: Ableitungsfreie Optimierung und effiziente Berechnung von
Likelihood-Ratio Konfidenzintervallen
5
Bachelor- und Master Theses
5.1 Bachelor Theses
• Vaupel, Thorsten: Installation und Inbetriebnahme eines frei erh‰ltlichen EchtzeitBetriebssystems Installation und Konfiguration eines Web-Servers zur Steuerung
und Navigation
5.2 Master Theses
• Nassaj, Feras: Performance Modeling and Evaluation of IEEE 802.11 (b) Wireless
LANs with the AnyLogic Framework
158
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
Anschrift: Am Weichselgarten 9, 91058 Erlangen-Tennenlohe
Tel.: +49.9131.85.29906
Fax.: +49.9131.85.29905
E-Mail: [email protected]
Leitung:
Prof. Dr. Herbert Stoyan
Professoren:
Prof. Dr.-Ing. Günther Görz
apl. Prof. Dr. Volker Strehl
Sekretariat:
Helga Kühn
Wiss. Mitarbeiter:
Dipl.-Inf. Raymond Bimazubute
Dipl.-Inf. Alexander Huber
Dr. rer. nat. Rüdiger Inhetveen
Dipl.-Inf. Martin Klarner
Yuliya Lierler, M.S.
Dipl.-Inf. Stefan Mandl
Peter Reiß, M.A.
Dipl.-Ing. Bernhard Schiemann
Iman Thabet, M.A.
1
Einführung
Der Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz (KI) wurde 1990 mit der Berufung von Prof. Dr. H.
Stoyan neu eingerichtet. Prof. Dr.-Ing. G. Görz wurde zum 1. 4. 1991 auf die C3-Professur berufen. Weiterhin gehört seit 1997 apl. Prof. Dr. Volker Strehl dem Lehrstuhl an.
Der Lehrstuhl verfügt über vier Planstellen für wissenschaftliche Mitarbeiter, eine Technikerund eine Sekretärinnenstelle; diese werden ergänzt durch eine wechselnde Anzahl an drittmittelgeförderten Projektmitarbeitern. Bis zur Abwicklung des Bayerischen Forschungszentrums
für wissensbasierte Systeme (FORWISS) war dem Lehrstuhl die Forschungsgruppe "Wissenserwerb" zugeordnet.
2
Forschungsschwerpunkte
Mit der Einrichtung des Lehrstuhls wurden als Forschungsschwerpunkte festgelegt: KI-Programmiersprachen und -methoden, Wissensrepräsentation und -verarbeitung sowie die Verar-
159
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
2.1
beitung natürlicher Sprache. Durch die internationale Entwicklung ist das erste Thema
inzwischen in eine Randlage geraten. Dennoch haben unsere Arbeiten zur Erweiterung der Logikprogrammierung und verteilten Realisierung von separaten Ableitungsverwaltungssystemen
("Reason Maintenance") dazu beigetragen, eine aktuelle Lücke zu schließen.
Inzwischen ist, nicht zuletzt durch die gewonnenen Erkenntnisse im Bereich des Wissenserwerbs, ein neuer Arbeitsschwerpunkt hinzugekommen: Anwendungen der Künstlichen Intelligenz. Als neues Thema wurde die Analyse gesprochener Sprache mit dem - im Herbst 2000
abgeschlossenen - BMBF-Verbundprojekt Verbmobil aufgenommen, das in Kooperation mit
dem Lehrstuhl für Mustererkennung bearbeitet wurde, sowie die maschinelle Interpretation von
Texten. Anwendungen auf Software Engineering (insbesondere Vorbereitung der Spezifikation
und Wartung) und Mathematik (Wissenspräsentation und Beweisunterstützung) sind Themen
aktiver Projektforschung; Ingenieurwissenschaften, Medizin und Geschichte werden als weitere Anwendungsfelder erschlossen. Eine besondere Rolle spielt dabei die Integration von Methoden und Verfahren der angewandten Logik, Wissensrepräsentation und -verarbeitung in
multimediale Systeme und digitale Bibliotheken.
Wissensrepräsentation, -präsentation und -verarbeitung gewinnen zunehmend an Bedeutung
bei der Inhaltsmodellierung multimedialer Daten sowie der Entwicklung von Werkzeugen zur
Erstellung digitaler Dokumente. Das wichtigste Anwendungsgebiet ist hier die technische Dokumentation in den Ingenieurwissenschaften; als ergänzende Anwendungsfelder werden Medizin, Geschichte, Kartographie und Digitale Bibliotheken erschlossen. Als weiterer
Arbeitsschwerpunkt sind Methoden des Wissenserwerbs, die Erarbeitung von Wissensrekonstruktionen und die Definition von Normsprachen hinzugekommen. Die Sprachverarbeitung als
dritter Schwerpunkt erfährt neue Herausforderungen im Kontext robuster Dialogsysteme. Die
Grundlagenforschung zu Dialogen zielt auf die Entwicklung eines flexiblen adaptiven Dialogmoduls, der zusammen mit einer beschreibungslogischen Anwendungsmodellierung für verschiedenartige Sprachdialogsysteme und Assistenzsysteme eingesetzt werden soll.
Forschungsschwerpunkte in Stichworten: Wissenserwerb, Anforderungsanalyse; Dokumentenverwaltung; Wissensentdeckung in Datenbanken; KI-Programmiersprachen; Expertensysteme,
Assistenzsysteme; Hypermedia-Informationssysteme; Anwendung von KI-Methoden in verteilten Systemen; Wissensrepräsentation und -verarbeitung; Verarbeitung natürlicher Sprache
und Dialogsysteme, Assistenzsysteme.
2.1 Forschungsrelevante apparative Ausstattung
Der Lehrstuhl betreibt einen in das Institutsnetzwerk integrierten Sun-Server, sowie eine Reihe
von vernetzten Arbeitsplatzrechnern (Sun-Workstations und PCs) als Grundausstattung für jeden Wissenschaftlerarbeitsplatz und einen kleinen Rechnerpool für die Lehre und studentische
Arbeiten. Dies wird ergänzt durch einige Drucker und Scanner; zur Beschaffung von Spezialgeräten bestand bisher noch keine Notwendigkeit. Gelegentlich anfallende besondere Anforderungen (Parallelrechner, Grossformatscanner) wurden durch im Institut oder über das
Wissenschaftsnetz (WIN) verfügbare Ressourcen abgedeckt oder über Aufträge an Dritte befriedigt.
2.2 Kooperationsbeziehungen
Der Lehrstuhl unterhält eine Reihe von Forschungskooperationen zu in- und ausländischen Universitäten und Forschungsinstituten, von denen nur einige hervorgehoben seien: Universität
Hamburg, DFKI Saarbrükken, INSA und ULP Strasbourg, Univ. Paris 7 und 8, ITC-irst Trento,
Stanford University - CSLI, RISC Linz, Univ. Marne-la-Vallee, Univ. Wien, Netzwerk Alge160
2.3
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
braic Combinatorics in Europe.
Dies wird ergänzt durch Kooperationen mit der Wirtschaft, darunter Siemens AG, Erlangen und
München; Temic AG, Ulm; Daimler-Chrysler Forschungszentrum, Ulm; Loewe AG, Kulmbach; Unilever AG.
Angehörige des Lehrstuhls sind in den Vorständen des Sprachenzentrums, des Forums "Neue
Medien in der Lehre" der FAU, in verschiedenen Interdisziplinären Zentren der FAU (Lehr- und
Lernforschung, Lexikographie, Dialektforschung, Mittelalterzentrum), der Virtuellen Hochschule Bayern und im Fakultätentag Informatik tätig.
2.3 Wissenschaftliche Tagungen
KI-Jahrestagung der GI e.V. (Leitung 1996), KONVENS (Leitung 1992); mehrere Frühjahrsschulen Künstliche Intelligenz, Günne (Leitung 1991); Interdisziplinäres Kolleg Kognitionswissenschaft 2001, 2003, Günne; mehrere europäische Sommerschulen in Computerlinguistik;
verschiedentlich Mitwirkung in Programmkommittees (u.a. KI-Jahrestagungen, KONVENS,
KI-Frühjahrsschulen, Internationales Leibniz-Forum); Seminaire Lotharingien de Combinatoire (Mitglied der Leitung, mehrfach Durchführung von Treffen), Formal Power Series and Algebraic Combinatorics (Mitglied im Steering Committee seit 1991, Vorsitz des Program
Comittees 1997), Computeralgebra in Lehre, Ausbildung und Weiterbildung (Mitglied der Leitung 2001-2003).
3
Forschungsprojekte
3.1 Abgasanlagen-Informations- und Tutor-System (AgITuS)
Projektleitung:
Prof. Dr. Herbert Stoyan
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Raymond Bimazubute, Barbara Grille, M.A.
Stichwörter:
Wissensmanagement; Sicherung von Expertenwissen
Beginn: 1.1.1999
Förderer: Audi AG, Ingolstadt
Kontakt:
Dipl.-Inf. Carsten Hausdorf
Tel.: +49.9131.85.29909, Fax: +49.9131.85.29905,
E-Mail: [email protected]
Die AUDI AG (Ingolstadt) und die FORWISS-Forschungsgruppe Wissenserwerb entwickeln
seit 1999 ein technisches Abgasanlagen-Informations- und Tutor-System (AgITuS), das neuen
Mitarbeitern die Einarbeitung in ihr neues Aufgabengebiet erleichtern soll. Vorhandenes Exper-
161
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
3.1
tenwissen in einer Abteilung wird zusammen mit den notwendigen technischen Dokumenten in
einem Informationssystem zusammengefasst. Dazu baut das Projektteam der Forschungsgruppe Wissenserwerb um Prof. Stoyan ein Hypertext-System auf, mit dem neue Mitarbeiter via Intranet einfach und schnell auf die relevanten Informa tionen zugreifen können. Unterstützt
werden sie dabei von einem Tutor-System und einer Suchmaschine. Erfahrene Mitarbeiter werden durch AgITuS bei der Einarbeitung neuer Mitarbeiter entlastet und können ihre Kernkompetenz ausbauen. Indem Projektabläufe, Dokumentation und Fachsprache vereinheitlicht
werden, liefert AgITuS zudem einen Beitrag zur Qualitätssicherung.
Machbarkeit und Rentabilität des Projekts AgITuS wurden von den FORWISS-Wissenschaftlern zunächst in einer Vorstudie untersucht. Für die Entwicklung des Informations- und TutorSystems sind in der ersten Phase mehrere Personenjahre veranschlagt. In einer zweiten Projektphase soll ein Checklisten- und Kritiksystem entwickelt werden. Mit intelligenten Checklisten
sollen Mitarbeiter bei der Konstruktion von Abgasanlagen unterstützt und gegebenenfalls auf
mögliche Fehlentscheidungen hingewiesen werden. Die Arbeiten in dem Projekt AgITuS wurden auch im Jahr 2001 erfolgreich fortgesetzt und auf weitere Abteilungen von Audi ausgedehnt.
Außerdem wurde im Jahr 2001 die Spin-Off-Firma COGNEON GmbH gegründet, die in enger
Kooperation mit der FORWISS-Forschungsgruppe Wissenserwerb Dienstleistungen auf dem
Gebiet der Wissenssicherung von Experten anbietet und die Projekte mit Audi fortführt.
Publikationen
0XX
1. Hausdorf, Carsten; Stoyan, Herbert: Integrierte Wissensnutzung und Wissenslieferung
bei der Verwendung eines Informationssystems . In: Jakobs, E.-M.; Knorr, D. (Hrsg.) :
Tagungsband des PROWITEC-Kolloquiums (Textproduktion und Medium Wien 2000).
2000, S. ?-?.
2. Grille, Barbara; Stoyan, Herbert; Gaede, Bernd; Müller, Michael: Die effiziente Erstellung hypertexbasierter Informations- und Tutorsysteme aus Experteninterviews .
In: Hans-Peter Schnurr; Steffen Staab; Rudi Studer; Gerd Stumme; York Sure (Hrsg.) :
Professionelles Wissensmanagement, Erfahrungen und Visionen (WM 2001 Baden-Baden 2001). Aachen : Shaker, 2001, S. 364-378. - ISBN 3-8265-8611-5
3. Hausdorf, Carsten; Müller, Michael: Kaskadierter Wissenserwerb beim Wissensmanagement . In: Gronau, N (Hrsg.) : Wissensmanagement: Systeme - Anwendungen - Technologien (2. Oldenburger Forum für Wissensmanagement Oldenburg 2001). 2001, S. ??.
4. Bimazubute, Raymond; Stoyan, Herbert; Müller, Michael: Toolgestützte Nachbereitung
von Experteninterviews für den Aufbau hypertextbasierter Wissenssysteme . In: HansPeter Schnurr; Steffen Staab; Rudi Studer; Gerd Stumme; York Sure (Hrsg.) : Professionelles Wissensmanagement, Erfahrungen und Visionen (WM 2001 Baden-Baden 2001).
Aachen : Shaker, 2001, S. 351-363. - ISBN 3-8265-8611-5
5. Farnschläder, Frank; Stoyan, Herbert; Müller, Michael: Von der Wissensquantität zur
Wissensqualität . In: n/a (Hrsg.) : Qualität und Zuverlässigkeit (QZ). n/a : Carl Hanser,
2001, S. n/a.
162
3.2
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
3.2 Agentenbasiertes Tracking und Tracing der betrieblichen
Leistungserstellung entlang der Wertschöpfungskette
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Günther Görz, Prof. Dr. Freimut Bodendorf
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Alexander Huber, Dipl.-Kfm. Roland Zimmermann, Dipl.-Kfm. Robert
Butscher
Stichwörter:
Agentensysteme; Planung; Supply Chain
Laufzeit: 1.7.2000 - 30.6.2006
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Günther Görz
Tel.:+49.9131.85.28701, Fax: +49.9131.85.28986,
E-Mail: [email protected]
Der Einsatz intelligenter Softwareagenten für die Fortschrittsverfolgung der zwischenbetrieblichen Leistungserstellung sowohl während der Produktion (Tracking) als auch nach Abschluss
der Produktion (Tracing) in einem elektronisch gekoppelten Unternehmensverbund ermöglicht
die kosten- und zeitsparende dezentrale Sammlung von Produktionsfortschrittsmeldungen.
Mit Hilfe konfigurierbarer Agentenkomponenten wird die Erstellung domänenspezifischer
Agentsysteme erleichtert. Das Projekt fokussiert auf die Analyse unterschiedlicher Trackingund Tracing-Szenarien innerhalb einer Supply Chain, auf die Bewertung möglicher Einsatzoptionen agentenbasierter Systeme sowie auf die Konzeption und die prototypische Realisierung
deliberativer Softwareagenten, die die Tracking- bzw. Tracing-Recherche planen und durchführen. Dabei sollen wiederverwendbare Bausteine identifiziert und implementiert werden. Weiterhin soll eine Ontologie für die Supply Chain Domaine entwickelt werden. Für die
Rechercheplanung werden unterschiedliche Planungsverfahren evaluiert. Diese müssen dann
ggf. für die Anwendung des Tracking und Tracing angepasst werden.
Publikationen
0XX
1. Görz, Günther; Bodendorf, Freimut; Huber, Alexander; Hofmann, Oliver; Zimmermann, Roland: Tracking-und-Tracing-Mechanismen zur Unterstützung dezentraler Planung und Regelung . In: DFG (Hrsg.) : Intelligente Softwareagenten und
betriebswirtschaftliche Anwendungsszenarien (2. Kolloquium des "SPP Agenten" Ilmenau 11/2000). 2000, S. 0.
2. Görz, Günther; Bodendorf, Freimut; Hofmann, O.; Huber, Alexander; Zimmermann,
Roland: Agent-Based Tracking and Tracing for Controlling Fulfillment Processes in
Supply Chains . In: Urban, Ch. (Hrsg.) : Proceedings 2nd Workshop on Agent-Based Simulation (2nd Workshop on Agent-Based Simulation Passau April 2-4, 2001). Ghent
163
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
3.3
[u.a.] : SCS-Europe, 2001, S. 36-41. - ISBN 1-56555-215-6
3. Görz, Günther; Bodendorf, Freimut; Huber, Alexander; Butscher, Robert; Zimmermann,
Roland: Auftragsüberwachung in Supply-Chains mithilfe eines Multiagentensystems .
In: DFG (Hrsg.) : Intelligente Softwareagenten und betriebswirtschaftliche Anwendungsszenarien (4. Kolloquium des SPP "Agenten" Bonn 11/2001). 2001, S. 0.
4. Huber, Alexander; Görz, Günther: Generisches Agentenmodell für deliberative Agenten
. In: DFG (Hrsg.) : Intelligente Soft-wareagenten und betriebswirtschaftliche Anwendungsszenarien (3. Kolloquium SPP "Agenten" Bremen 2001). 2001, S. 0.
3.3 Algebraic Combinatorics in Europe (ACE)
Projektleitung:
Christian Krattenthaler (Lyon)
Stichwörter:
Algebraic Combinatorics
Laufzeit: 1.9.2002 - 31.8.2005
Förderer: Europäische Kommission
Kontakt:
apl. Prof. Dr. Volker Strehl
Tel.:+49.9131.85.28712, Fax: +49.9131.85.28986,
E-Mail: [email protected]
Algebraic Combinatorics is concerned with the study of combinatorial problems. On the one
hand, these problems arise from other branches of mathematics, on the other hand, techniques
from other parts of mathematics are used to solve them. The main objective of Algebraic Combinatorics is the development of algebraic theories for the solution of such problems. The implied interactions with other fields are mutually beneficial and concern particularly Coxeter
Groups, Group Representations, Commutative Algebra, Algebraic Geometry, Topology, Computer Science, and Statistical Mechanics.
3.4 EMBASSI - Elektronische Multimediale Bedien- und Service-Assistenz
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Günther Görz, Prof. Dr.-Ing. Heinrich Niemann
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Bernd Ludwig, Yves Forkl, M.A., Dipl.-Inf. Martin Klarner
Stichwörter:
Dialogmanagement; Sprachverarbeitung; Domänenmodellierung
164
3.4
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
Laufzeit: 1.7.1999 - 30.6.2004
Förderer: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Mitwirkende Institutionen:
Grundig, Loewe, Sony, DaimlerChrysler, Siemens, Bosch; FhG, EML, ZGDV,
KHM Köln, Humboldt-Universität u.a.
Kontakt:
Dipl.-Inf. Bernd Ludwig
Tel.:+49.9131.85.28983, Fax: +49.9131.85.28986,
E-Mail: [email protected]
Am Leitprojekt EMBASSI im Rahmen des Programms MTI (Mensch-Technik-Interaktion in
der Wissensgesellschaft) sind während der vierjährigen Laufzeit 7 Forschungs- und Universitätsinstitute sowie 12 Unternehmen beteiligt. Insgesamt steht EMBASSI (Elektronische Multimediale Bedien- und Service-Assistenz) für die Entwicklung einer intelligenten
Bedienassistenz, die dem Menschen eine natürliche, intuitive Steuerung von elektronischen Geräten gestatten soll.
Ziel ist es, eine flexible, erweiterbare und konfigurierbare Architektur zu verwirklichen, damit
z.B. ein Benutzer Geräte unterschiedlicher Hersteller stets auf die gleiche Weise bedienen kann.
Beispielanwendung in EMBASSI aus FORWISS-Sicht ist die Programmierung und automatische Bedienung von Videorekordern und Autoradios. Das FORWISS entwickelt in EMBASSI
zentrale Komponenten: eine der Spracherkennung nachgeschaltete Sprachanalyse und einen
Dialogmanager. Dies beinhaltet die Modellierung der EMBASSI-Domäne, des Diskurses, des
Benutzers und die Erstellung einer robusten Grammatik für gesprochene natürliche Sprache.
Der Dialogmanager muß hierbei in der Lage sein, multimodale Informationen aus verschiedenen Eingabemodi zu verarbeiten (Sprache, Gestik, Zeigestab, Fernbedienung, grafische Benutzeroberfläche).
Semantik und Terminologie der gesamten Systemfunktionalität wurden als Basisontologie der
Domäne spezifiziert und in ein XML-basiertes Protokoll eingegliedert. Im Jahr 2001 wurden
wesentliche Verbesserungen an Aufbau, Stabilität, Wartbarkeit und Leistungsfähigkeit der beiden Szenario-Demonstratoren in den Anwendungsbereichen Privathaushalt und KFZ erreicht.
Auf verschiedenen Konferenzen und Messen (Mensch und Computer 2001, Bad Honnef; Internationale Funkausstellung 2001, Berlin) konnten öffentliche Vorführungen der Demonstratoren
erfolgreich zeigen, in welcher Weise ein zu multimedialer Interaktion fähiges System intelligente Assistenz bei der Bedienung von technischen Geräten leisten kann. Die Funktionalität des
Dialogmanagers, der in der Architektur des EMBASSI-Systems eine zentrale Bedeutung gewonnen hat, wurde im Sinne von EMBASSI erweitert.
(vgl. das Projekt "Sprachverarbeitung und Dialogsysteme" sowie die Projekte am Lehrstuhl 5
des Instituts für Informatik)
Publikationen
0XX
1. Forkl, Yves; Ludwig, Bernd; Bücher, Kerstin: "Dialogue Management in the EMBASSI
Realm. Using Description Logics to Reason about Ontology Concepts" . In: Heuer, A.;
Kirste, T. (Hrsg.) : Proceedings of IMC2000 (Intelligent Interactive Assistance and Mobile Multimedia Computing Rostock-Warnemünde 9-10 Nov. 2000.). 2000, S. -.
165
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
3.5
2. Ludwig, Bernd; Görz, Günther; Niemann, Heinrich: Computational Approach to the Semantics of Function Words in Dialogue Context . In: Delmonte, Rodolfo (Hrsg.) : Proceedings of VexTAL (Venezia per il Trattamento Automatico delle Lingue) (VexTAL
(Venezia per il Trattamento Automatico delle Lingue) Venedig 21.-24.11.1999).
Venedig : Universita Ca’ Foscari, 2001, S. 341-349.
3. Bücher, Kerstin; Forkl, Yves; Görz, Günther; Klarner, Martin; Ludwig, Bernd: Discourse and Application Modeling for Dialogue Systems . In: Haarslev, V.; Möller, R.; Lutz,
C.; Görz, Günther (Hrsg.) : Proceedings KI-2001 Workshop on Applications of Description Logics (KI-2001 Workshop on Applications of Description Logics Wien
18.9.2001). Aachen : Sunsite, 2001, S. 1-10. (CEUR Proceedings Bd. 44)
4. Knorr, M; Ludwig, Bernd; Görz, Günther: Some Requirements for Practical Modeling
in Dialogue System . In: Haarslev, V.; Möller, R.; Lutz, C.; Görz, Günther (Hrsg.) : Proceedings KI-2001 Workshop on Applications of Description Logics (KI-2001 Workshop
on Applications of Description Logics Wien 18.9.2001). Aachen : Sunsite, 2001, S. 1-9.
(CEUR Proceedings Bd. 44)
5. Ludwig, Bernd; Görz, Günther; Niemann, Heinrich: An Inference-Based Approach to
the Interpretation of Discourse. . In: ----- (Hrsg.) : Journal of Language and Computation, Special Issue (First Workshop on Inference in Computational Semantics, ICoS-1,
Amsterdam 15.8.1999). Bd. 2. 2000, S. 241-258.
6. Bücher, Kerstin; Görz, Günther; Ludwig, Bernd: Corega Tabs: Incremental Semantic
Composition . In: Görz, Günther; Haarslev, Volker; Lutz, Carsten; Möller, Ralf (Hrsg.)
: KI-2002 Workshop on Applications of Description Logics, Proceedings. Aachen :
CEUR, 2002, S. .. (CEUR Proceedings Bd. 63)
7. Ludwig, Bernd; Bücher, Kerstin; Görz, Günther: Corega Tabs: Mapping Semantics onto
Pragmatics . In: Görz, Günther; Haarslev, Volker; Lutz, Carsten; Möller, Ralf (Hrsg.) :
KI-2002 Workshop on Applications of Description Logics, Proceedings. Aachen :
CEUR, 2002, S. .. (CEUR Proceedings Bd. 63)
8. Thabet, Iman; Ludwig, Bernd; Schweinberger, Frank-Peter; Bücher, Kerstin; Görz,
Günther: Using EuroWordNet within the Speech Operated System EMBASSI .
In: Kunze, Claudia (Hrsg.) : Proceedings of the GermaNet Workshop: Anwendungen
des deutschen Wortnetzes in Theorie und Praxis (GermaNet Workshop: Anwendungen
des deutschen Wortnetzes in Theorie und Praxis Tübingen). 2003, S. -.
3.5 KDA - Knowledge Discovery Assistant
Projektleitung:
Prof. Dr. Herbert Stoyan
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Oliver Hogl
Stichwörter:
Intelligentes Data Mining; Entdeckung von Wissen in Datenbanken; Natürlichsprachliche Benutzerschnittstelle; Interessantheit
166
3.5
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
Beginn: 1.1.1997
Kontakt:
Dipl.-Inf. Oliver Hogl
Tel.: +49.9131.85.29911, Fax: +49.9131.85.29905,
E-Mail: [email protected]
Der KDA ist ein wissensbasiertes Assistenzsystem zur Entdeckung interessanter Aussagen in
großen Datenbeständen. Die bestehenden Komponenten wurden im Berichtszeitraum in einem
Gesamtsystem mit Client/Server-Architektur integriert. Die grafische Benutzeroberfläche wurde reimplementiert und in ihrer Funktionalität erweitert. Darüber hinaus wurden Komponenten
für die Generierung von hochstrukturierten Berichten in den Formaten HTML und RTF entwikkelt. Im Rahmen einer Diplomarbeit entstand eine Komponente zur Abbildung von Fragen in
der Sprache des Endbenutzers auf Data-Mining-Anfragen. Das System wurde in Studien mit
dem Qualitätsmanagement der Tiroler Landeskrankenanstalten Ges.m.b.H. (TILAK) getestet.
Publikationen
0XX
1. Müller, Michael: Interessantheit bei der Entdeckung von Wissen in Datenbanken .
In: Künstliche Intelligenz (1999), Nr. 3, S. 40-42
2. Stühlinger, W.; Hogl, Oliver; Stoyan, Herbert; Müller, Michael: Intelligent Data Mining
for Medical Quality Management . In: Lavrac, N.; Miksch, S. (Hrsg.) : The Fifth Workshop on Intelligent Data Analysis in Medicine and Pharmacology (IDAMAP-2000),
Workshop Notes of the 14th EuropeanConference on Artificial Intelligence (ECAI-2000
Berlin 2000). 2000, S. 55-57.
3. Hogl, Oliver; Stoyan, Herbert; Müller, Michael: The Knowledge Discovery Assistant:
Making Data Mining Available for Business Users . In: Grunopulos, D.; Rastogi, R.
(Hrsg.) : Proceedings of the 2000 ACM SIGMOD Workshop on Research Issues in Data
Mining and Knowledge Discovery (DMKD-2000 Dallas (Texas) 2000). 2000, S. 96105.
4. Hogl, Oliver; Müller, Michael; Stoyan, Herbert; Stühlinger, W.: On Supporting Medical
Quality with Intelligent Data Mining . In: n/a (Hrsg.) : Proceedings of the Hawaii International Conference on System Sciences (Hawaii International Conference on System
Sciences Maui (Hawaii) 03.06.2001). 2001, S. n/a.
5. Hogl, Oliver; Müller, Michael; Stoyan, Herbert; Stühlinger, W.: Using Questions and Interests to Guide Data Mining for Medical Quality Management . In: Topics in Health Information Management (2001), Nr. August, S. 36-50
167
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
3.6
3.6 mappae: Kognitive Karten des Mittelalters
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Günther Görz, Prof. Dr. Hartmut Kugler
Stichwörter:
Kartografiegeschichte, Mittelalter, Digitalisierung
Beginn: 1.1.2001
Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Günther Görz
Tel.:+49.9131.85.28701, Fax: +49.9131.85.28986,
E-Mail: [email protected]
Die kosmographische und universalgeographische Überlieferung des Spätmittelalters (13.-16.
Jh.) zielt auf Orientierung im Sinne einer ’Weltanschauung’. Die Mappaemundi, eine Frucht der
christlichen Enzyklopädik, sind in erster Linie kognitive Karten. Ihre graphischen Muster und
ihre Text-Bild-Kombinationen enthalten Paramenter der Ars memorativa und scholastischer
Summenwerke, auch visualisieren sie die Handlungsräume narrativ dargestellter Geschichte
und Geschichten. Sie bleiben nicht unverändert, sondern variieren je nach Wissensstand und Interessenbildung, verändern sich auch im Wissenstransfer, besonders signifikant im Aufeinandertreffen
christlich-mittelalterlicher
und
arabisch-jüdischer
Konventionen
des
Kartographierens. Der Bestand und das Veränderungspotential des Text-Bild-Materials konnte
bislang nicht zureichend erfaßt werden. Das ist erst mit der elektronischen Datenverarbeitung
möglich geworden. Ziel des Vorhabens ist der Aufbau einer multimedialen Datenbank, die repräsentative mittelalterliche und frühneuzeitliche Weltkarten zusammenfasst und als Grundlage
für die Ausarbeitung der dargestellten kognitiven Beziehungen und deren Wandel dient. Im
Kern besteht sie aus hochauflösenden digitalen Bildern, die durch zugeordnete Metadaten erschlossen sind, sowie einem vergleichenden Stellenkatalog. Er umfaßt alle Positionen, die auf
den Mappaemundi des 13.-16. Jhs. (von der Hereford- und Ebstorfkarte bis zum Behaim-Globus) mit Bildern, Legenden und Bild-Textkombinationen verzeichnet sind. Über den Stellenkatalog soll dann eine kognitiv orientierte Beschreibungsebene eingerichtet werden, in der
Objektbeschreibungen unter Beachtung der diachronen Dimension verknüpft werden können.
Publikationen
0XX
1. Görz, Günther; Holst, N.: The Digital Behaim Globe (1492) . In: Bearman, David; Trant,
Jennifer (Hrsg.) : Museum Interactive Multimedia 1997: Cultural Heritage Systems Design and Interfaces. Selected Papers from ICHIM 97 (Fourth International Conference on Hypermedia and Interactivity in Museums Paris 1997). Pittsburgh, Penn. : Archive & Museum Informatics, 1997, S. 157-173.
168
3.7
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
3.7 ProfiL: Ein Produktionssystem für interaktive Lernsoftware
Projektleitung:
Prof. Dr. Herbert Stoyan
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Bernd Gaede
Stichwörter:
courseware generator; learning objects; automating instructional design; XML; Java
Beginn: 1.6.1998
Kontakt:
Dipl.-Inf. Bernd Gaede
Tel.:+49.9131.85.28702, Fax: +49.9131.85.28986,
E-Mail: [email protected]
Das Projekt ProfiL hat die Entwicklung effizienter Werkzeuge zum Ziel, mit denen didaktisch
konzipierte Courseware schnell und mit geringen Kosten von Lehrpersonal einer Domäne entwickelt werden kann. Zum Einsatz kommen dabei die XML-Sprache IMDL (Instructional Material Description Language) für die Spezifikation von Lernmaterialien und ein Generator für
Java-Courseware.
Im Projekt wird versucht, Einflußgrößen auf und Gestaltungsparameter von Lernsoftware zu
identifizieren, zu analysieren und zu zeigen, wie diese mit IMDL formuliert werden können.
Die Beschreibung der Einflußgrößen im Sinne unabhängiger Variablen erfolgt feingranular,
kann aber durch Spracherweiterungen synthetisiert werden. Gestaltungsparameter werden in
analoger Weise beschrieben. Eine einfache Regelsprache dient zur Explizierung der entsprechenden Abhängigkeiten zwischen Einflußgrößen und Gestaltungsparametern. Die Aggregation von Regeln expliziert dann lerntheoretische und mediendidaktische Aspekte als präskriptive
Gestaltungsanweisungen und macht diese im Sinne einer Validierung überprüfbar. Durch die
Anwendung solcher Regelmengen auf IMDL-Basisspezifikationen durch den ProfiL-Interpreter entstehen vollständige Lernsoftwarespezifikationen. Diese werden durch den ProfiL-Generator in Java-Lernsoftware überführt.
Publikationen
0XX
1. Gaede, Bernd; Schneeberger, Josef: "Generierung multimedialer Produktpräsentationen" . In: WIRTSCHAFTSINFORMATIK 40 (1998), Nr. 1, S. 2. Gaede, Bernd: "Profil: Production of interactive educational material" . In: - (Hrsg.) :
Proceedings of the 7th BOBCATSSS Symposium ("Learning Society, Learning Organisation, Lifelong Learning " Bratislava Januar 1999). 1999, S. -.
3. Gaede, Bernd: "Courseware and User Interfaces Crossing Cultural Borders" . In: (Hrsg.) : Proceedings of the 8th BOBCATSSS Symposium ("Access 2000 - intellectual
property vs. the right to knowledge" Krakau Januar 2000). 2000, S. -.
4. Gaede, Bernd: "Die Instructional Material Description Language und das Produktions169
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
3.8
system für interaktive Lernsoftware ProfiL - Eine Metaspezifikationssprache und ein
Generator für Lernsoftware" . In: GI-Fachgruppe 1.1.5/7.0.1 (Veranst.) : Tagungsbeitrag
zum 10. Arbeitstreffen der GI-Fachgruppe 1.1.5/7.0.1 ("Intelligente Lehr-/Lernsysteme"
Hamburg 1./2. Dezember 2000). 2000, S. -.
5. Gaede, Bernd: "Konventionalisierung multimedialer Softwaregestaltung durch Automatisierung" . In: Jakobs, Eva-Maria; Knorr, Dagmar (Hrsg.) : Tagungsband des PROWITEC-Kolloquiums in der Reihe: "Textproduktion und Medium". ("Textproduzieren
in elektronischen Medien - Strategien und Kompetenzen" Wien 2000). 2001, S. -.
3.8 SIPaDIM (Forschungsverbund FORSIP: Verbundprojekt Adaptives
Dialogmanagement)
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Günther Görz, Prof. Dr.-Ing. Heinrich Niemann
Beteiligte:
Peter Reiß, M.A., Dipl.-Inf. Bernd Ludwig, Frank-Peter Schweinberger, M.A.,
Dipl.-Inf. Tino Haderlein, Dipl.-Inf. Martin Klarner
Laufzeit: 1.6.2002 - 31.5.2005
Förderer: Bayerisches Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst
Mitwirkende Institutionen:
Lehrstuhl für Mustererkennung
Lehrstuhl für Multimediakommunikation und Signalverarbeitung
Im Rahmen des Forschungsverbunds soll ein Dialogsystem für gesprochene natürliche Sprache
weiterentwickelt werden, das in Hinblick auf die Komplexität der verarbeitbaren Dialoge und
der Benutzermodellierung über den Stand heutiger Systeme hinausreicht. Hierbei soll das Dialogsystem die Funktion eines Moderators einnehmen, das die Kommunikation zwischen Benutzer und Technik, z.B. einem technischen Gerät, koordiniert. Wissenschaftliche Ziele der
Untersuchungen sind:
• Situierung: Wie konfiguriert man das benötigte Hintergrundwissen für eine Applikation, damit das Dialogsystem in einer konkreten Situation den Informationsaustausch zwischen dem Benutzer und dem technischen System moderieren kann?
• Individualisierung: Wie lässt sich auf einfache Weise das Kommunikationsverhalten des Systems beschreiben, so dass die Dialogführung an unterschiedliche, stereotype Benutzerrollen adaptiert werden kann?
• Personalisierung: Wie lässt sich das Dialogsystem durch Einbezug von Benutzermodellen so steuern, dass die Anpassung des technischen Systems an individuelle
Benutzer situationsbezogen möglich wird?
170
3.9
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
Publikationen
0XX
1. Görz, Günther; Bücher, Kerstin; Ludwig, Bernd; Schweinberger, Frank-Peter; Thabet,
Iman: Combining a Lexical Taxonomy with Domain Ontologies in the Erlangen Dialogue System . In: Smith, Barry (Hrsg.) : KI - 2003 Workshop 11 - Reference Ontologies
vs. Applications Ontologies, Proceedings. (KI - 2003 Workshop 11 - Reference Ontologies vs. Applications Ontologies, Hamburg). 2003, S. -.
2. Görz, Günther; Huber, Alexander; Ludwig, Bernd; Reiß, Peter: Combining the Practical
Syllogism and Planning in Dialogue . In: Kruijff-Korbayová, Ivana; Kosny, Claudia
(Hrsg.) : DiaBruck Proceedings: 7th Workshop on the Semantics and Pragmatics of Dialogue. (DiaBruck Proceedings: 7th Workshop on the Semantics and Pragmatics of Dialogue, Saarbrücken). 2003, S. 35-42.
3. Görz, Günther: Speech Dialogue Systems - A Pragmatics-Guided Approach to Rational
Interaction . In: Milutinovic, Veljko (Hrsg.) : Proceedings of the IPSI - 2003 Conference.
(IPSI - 2003 Conference, Montenegro). 2003, S. -.
4. Thabet, Iman; Ludwig, Bernd; Schweinberger, Frank-Peter; Bücher, Kerstin; Görz,
Günther: Using EuroWordNet within the Speech Operated System EMBASSI .
In: Kunze, Claudia (Hrsg.) : Proceedings of the GermaNet Workshop: Anwendungen
des deutschen Wortnetzes in Theorie und Praxis (GermaNet Workshop: Anwendungen
des deutschen Wortnetzes in Theorie und Praxis Tübingen). 2003, S. -.
3.9 Sprachverarbeitung und Dialogsysteme
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Günther Görz
Beteiligte:
Iman Thabet, M.A., Dipl.-Inf. Martin Klarner, Peter Reiß, M.A., Yuliya Lierler,
M.S.
Stichwörter:
Sprachverarbeitung; Parsing; Semantikkonstruktion; Pragmatik; Inferenz; Dialog
Beginn: 1.4.1991
Mitwirkende Institutionen: FORWISS, FG Wissensverarbeitung
Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Günther Görz
Tel.:+49.9131.85.28701, Fax: +49.9131.85.28986,
E-Mail: [email protected]
Einen Schwerpunkt der Grundlagenforschung bilden die Arbeiten in der Sprachverarbeitung,
die mit einer aktuellen Fokussierung auf Dialogsysteme in enger Kooperation mit dem Lehrstuhl für Mustererkennung (früher: FORWISS, FG Wissensverarbeitung) durchgeführt werden.
(s. http://www8.informatik.uni-erlangen.de/staff/Goerz/dialog.html ) Derzeit wird an der Mo-
171
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
3.9
dellierung von Diskurs- und Domänenwissen für verschiedene Anwendungen mithilfe der Beschreibungslogik gearbeitet sowie an Problemen der Benutzerzielverwaltung und Planung auf
der Dialog- und Anbwendungsebene. Daraus resultieren Ressourcen und Komponenten für
Dialogsysteme, insbesondere Beiträge zu einem konfigurierbaren Dialogmanager, die u.a. auch
in industrienahen Kooperationsprojekten wie EMBASSI (s.d.) eingesetzt werden.
Bei der grammatischen Analyse wird ein "Chunk"-Parsing-Ansatz verfolgt, der darauf zielt, minimale Konstituenten in einer Spracheingabe zu identifizieren, welche semantische Einheiten
bilden. Ein solches Vorgehen erweist sich wegen der Unvollständigkeit und ungrammatischen
Struktur spontansprachlicher Äußerungen und aus der durch die Spracherkennung bedingten
Mehrdeutigkeit als vielversprechend. Zur Chunkanalyse wird ein Chartparser verwendet, der
durch Verwendung einer speziellen Grammatik Chunks liefert.
Diese neu entwickelte Grammatik, die auch von der in Entwicklung befindlichen Komponente
zur Sprachgenerierung verwendet wird, enthält Regeln zur Komposition von lexikalischen Elementen und Konstituenten zu Chunks. Mithilfe der grammatischen Funktionen (Dependenz)
werden die Chunks bis hinauf zur Satzebene miteinander verbunden. In dieser zweiten Analysephase wird dann unter Zuhilfenahme semantischer Angaben (Valenzen, thematische Rollen)
versucht, die diskurs-semantische Repräsentation eines natürlich-sprachlichen Dialogschritts
zu konstruieren. Die Implementation der dabei erforderlichen Zugriffe auf das Domänenmodell
ist realisiert; die Abbildung der linguistischen Konzepte auf Konzepte der Applikationsebene
sing Gegenstand kontinuierlicher Erweiterungen.
Ein weiterer Gegenstand der aktuellen Projektarbeit ist das Grundformenlexikon, das gleichermaßen für Analyse und Generierung verwendet wird. Aus der online verfügbaren lexikalischen
Datenbank GermaNet werden für das Lexikon Wortsemantik und syntaktische Informationen
(Kasusrahmen) extrahiert. Zusätzlich werden aber auch morphologische Informationen (Flexion, Derivation und Komposition) benötigt, die eine morphologische Komponente bereitstellt.
Die Lexikoneinträge müssen um weitere semantische Angaben (Valenzen, thematische Rollen)
ergänzt werden, wofür ein eigenes Werkzeug bereitsteht.
Publikationen
0XX
1. Ludwig, Bernd; Görz, Günther; Niemann, Heinrich: Combining Expression and Content
in Domains for Dialog Managers. . In: - (Hrsg.) : Proceedings of the International Description Logics Workshop DL-98 (- Trento 6.-8.6.1998). 1998, S. -.
2. Ludwig, Bernd; Görz, Günther; Niemann, Heinrich: User Models, Dialog Structure, and
Intentions in Spoken Dialog. . In: - (Hrsg.) : Proceedings of KONVENS-98 (- Bonn 57.10.1998). 1998, S. -.
3. Ludwig, Bernd; Görz, Günther; Niemann, Heinrich: A Computational Approach to the
Semantics of Function Words in Dialogue Context. . In: - (Hrsg.) : Proceedings of VexTAL ((Venezia per il Trattamento Automatico delle Lingue) - Nov. 1999). 1999, S. -.
4. Ludwig, Bernd; Klarner, Martin; Görz, Günther: Content and Context in Dialogue Systems. . In: - (Hrsg.) : Proceedings of the 3rd Bellagio Workshop on Human-Computer
Conversation (Bellagio, 2000 Sheffield). 2000, S. -.
5. Ludwig, Bernd; Görz, Günther; Niemann, Heinrich: An Inference-Based Approach to
the Interpretation of Discourse. . In: ----- (Hrsg.) : Journal of Language and Computation, Special Issue (First Workshop on Inference in Computational Semantics, ICoS-1,
Amsterdam 15.8.1999). Bd. 2. 2000, S. 241-258.
172
3.10
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
6. Bücher, Kerstin; Forkl, Yves; Görz, Günther; Klarner, Martin; Ludwig, Bernd: Discourse and Application Modeling for Dialogue Systems . In: Haarslev, V.; Möller, R.; Lutz,
C.; Görz, Günther (Hrsg.) : Proceedings KI-2001 Workshop on Applications of Description Logics (KI-2001 Workshop on Applications of Description Logics Wien
18.9.2001). Aachen : Sunsite, 2001, S. 1-10. (CEUR Proceedings Bd. 44)
7. Görz, Günther; Bücher, Kerstin; Ludwig, Bernd; Schweinberger, Frank-Peter; Thabet,
Iman: Combining a Lexical Taxonomy with Domain Ontologies in the Erlangen Dialogue System . In: Smith, Barry (Hrsg.) : KI - 2003 Workshop 11 - Reference Ontologies
vs. Applications Ontologies, Proceedings. (KI - 2003 Workshop 11 - Reference Ontologies vs. Applications Ontologies, Hamburg). 2003, S. -.
8. Görz, Günther; Huber, Alexander; Ludwig, Bernd; Reiß, Peter: Combining the Practical
Syllogism and Planning in Dialogue . In: Kruijff-Korbayová, Ivana; Kosny, Claudia
(Hrsg.) : DiaBruck Proceedings: 7th Workshop on the Semantics and Pragmatics of Dialogue. (DiaBruck Proceedings: 7th Workshop on the Semantics and Pragmatics of Dialogue, Saarbrücken). 2003, S. 35-42.
9. Görz, Günther: Speech Dialogue Systems - A Pragmatics-Guided Approach to Rational
Interaction . In: Milutinovic, Veljko (Hrsg.) : Proceedings of the IPSI - 2003 Conference.
(IPSI - 2003 Conference, Montenegro). 2003, S. -.
10. Görz, Günther: Sprachdialogsysteme - nach der pragmatischen Wende . In: Willée, G.;
Schröder, B.; Schmitz, H.-C. (Hrsg.) : Computerlinguistik - Was geht, was kommt? Festschrift für Winfried Lenders. St. Augustin : Gardez! Verlag, 2003, (Sprachwissenschaft,
Computerlinguistik und Neue Medien Bd. 4), S. 87-94.
3.10 Wappen-Projekt
Projektleitung:
Prof. Dr. Herbert Stoyan
Beginn: 1.6.1998
Ziel des Wappen-Projektes ist eine formale Beschreibung aller europäischen historischen Wappen. Die Wappenbeschreibungsprache soll es ermöglichen sowohl nach einem Wappen zu suchen, als auch dieses mit Hilfe eines Wappengenerators graphisch darzustellen.
Bisher wurden etwa 300.000 Personen mit Quelleneingaben erfasst. Im Teilbestand der Siebmacherschen Wappen (ca. 120000 Personen) wurden Dubletten gesucht und eliminiert. Die
Wappenbeschreibungssprache wurde weiterentwickelt. Die Zahl natürlichsprachlich erfasster
Blasonierungen ist auf etwa 60000 angewachsen. Das Parsing und die semantische Analyse von
natürlichsprachlichen Blasonierungen wurde für das Deutsche vorangetrieben. Der Chart-Parser wurde effizient (in PROLOG) reimplementiert. Ein Visualisierungs-Tool zur adäquaten
Darstellung der Chart für das Debugging der Gramatik wurde implementiert. Das syntaktische
Lexikon wurde auf ca. 10000 Wörter (entspricht ca. 50000 Wortformen) erweitert und deckt
den Großteil der erfassten Blasonierungen ab. Der Aufbau eines semantischen Lexikons von
Wappenbestandteilen wurde begonnen. Das Scannen und Speichern der Wappen im Siebmacher ist so gut wie abgeschlossen. Die Arbeiten werden in Kooperation mit einem ABM-Projekt
des Vereins Herold durchgeführt, an dem 8 Personen beteiligt sind.
173
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
3.11
3.11 WebLib
Projektleitung:
Prof. Dr. Herbert Stoyan
Beginn: 1.7.1995
Das Projekt zur Erfassung von historischem Quellenmaterial wurde weitergeführt. Bisher wurden ca. 500 Quellen mit insgesamt etwa 190000 Seiten gescannt. Der elektronische FamilienIndex wurde auf ca. 120 Quellen ausgeweitet.
3.12 WW-Person
Projektleitung:
Prof. Dr. Herbert Stoyan
Stichwörter:
Adel, Digitale Bibliothek, Datenbank, Personen, Europa
Beginn: 1.9.1994
Das Informationssystem zum europäischen höheren Adel ist inzwischen auf 400000 Personen
angewachsen. Im Dezember wurde die 5.Auflage der CD produziert. Die Internetpräsentation
wurde verschiedentlich als hervorragendes Angebot ausgezeichnet. Kopien der CD gehen in
alle Welt.
Es wurde ein Buchgenerierungsprogramm entwickelt, mit dem Auszüge aus dem System im
Stile der gängige Jahrbücher erzeugt werden können. Es ist geplant, auf diese Art in Zukunft
das ,,Handbuch des in Bayern immatrikulierten Adels’’ herzustellen. Desweiteren wird in Zusammenarbeit mit der Cronberg-Stiftung das ,,Handbuch der Ganerbschaft Alten-Limpurg’’ aktualisiert generiert.
Projektunabhängige Publikationen
0XX
1. Görz, Günther; Rollinger, Claus-Rainer; Schneeberger, Josef: Handbuch der Künstlichen Intelligenz . 4. Aufl. München : Oldenbourg, 2003
2. Görz, Günther; Nebel, Bernhard: Künstliche Intelligenz . 1. Aufl. Frankfurt/Main : Fischer Taschenbuch Verlag, 2003
3. Inhetveen, Rüdiger: Logik. Eine dialog-orientierte Einführung . Leipzig : Edition am
Gutenbergplatz, 2003. - 230 Seiten. ISBN 3-937219-02-1
174
4
Lehrstuhl für Informatik 8 (Künstliche Intelligenz)
4
Vorträge
5
Studien- und Diplomarbeiten
5.1 Studienarbeiten
• Magg, Sven: Planen mit dem "Partial Fast Forward"-Verfahren
• Schott, Matthias: Simulation of the neural network of the seasnail Aplysi
5.2 Diplomarbeiten
• Handl, Julia: Ant-based methods for tasks of clustering and multidimensional scaling: Extensions, analysis and comparison to alternative methods
175
Professur für Informatik (Künstliche Intelligenz)
5.2
Professur für Informatik (Künstliche Intelligenz)
Allgemeine Angaben sowie Details zu Forschungsprojekten und -schwerpunkten finden sich
unter den Eintragungen des Lehrstuhls 8 (Künstliche Intelligenz) und auf meiner Homepage
Forschungsschwerpunkte
Maschinelle Verarbeitung natürlicher Sprache, insbesondere Dialogsysteme --- Angewandte
Logik: Wissensrepräsentation und -verarbeitung mit Anwendungen auf Digitale Medien --- KIProgrammierung, verteilte und parallele Systeme
176
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
Anschrift: Am Weichselgarten 9, 91058 Erlangen-Tennenlohe
Tel.: +49.9131.85.29919
Fax.: +49.9131.85.29931
E-Mail: [email protected]
Leitung:
Prof. Dr. Günther Greiner
Professor:
Prof. Dr. Marc Stamminger
Sekretariat:
Maria Baroti
Wiss. Mitarbeiter:
Dipl.-Inf. Michael Bauer
Dipl.-Inf. Carsten Dachsbacher
Dipl.-Inf. Manfred Ernst
Dipl.-Inf. Frank Firsching
Dr. rer. nat. Roberto Grosso
Dipl.-Inf. Horst Hadler
Dipl.-Phys. Stefan Meinlschmidt
Dipl.-Inf. Dorit Merhof
Dipl.-Inf. Frank Reck
Dipl.-Inf. Stefan Röttger
Dipl.-Inf. Grzegorz Soza
Dipl.-Math. Gerd Sußner
Fernando Vega Higuer, MSc. CE.
Dipl.-Inf. Christian Vogelgsang
1
Einführung
Die graphische Datenverarbeitung -- und damit der Lehrstuhl -- beschäftigt sich mit der Herstellung und Manipulation synthetischer Bilder, virtueller Welten und Computeranimationen
mit Hilfe von Rechnern. Hierzu gehören insbesondere Verfahren zur Erstellung eines geeigneten rechnerinternen Szenenmodells (Modellierung), Verfahren zur graphischen Darstellung dieses Modells (Bildsynthese, Rendering) sowie die graphische Aufbereitung komplexer
Datenmengen mit dem Ziel, den repräsentierten Inhalt interpretierbar darzustellen (wissenschaftliche Visualisierung).
177
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
2
2
Forschungsschwerpunkte
Das Forschungsthema der GDV gliedert sich in drei Hauptbereiche:
Geometrische Modellierung
• Variationsansätze
• Qualitätskontrolle
• Flächenrekonstruktion
• Manipulation von Polygonnetzen
• 3D-Gitterverwaltung
• Registrierung
Bildsynthese
• Bildbasierte Verfahren
• Lichtfelder
• Ray Tracing
• Verteiltes und paralleles Rendering
Visualisierung
• Medizinische Visualisierung
• Registrierung und Segmentierung medizinischer Tomographiedaten
• Integration von Simulation und Visualisierung
• Interaktive Visualisierung von 3D-Daten
• Strömungsvisualisierung
Diese drei Forschungsgebiete stehen nicht unabhängig nebeneinander sondern sind jeweils auf
Ergebnisse der anderen angewiesen.
2.1 Kooperationsbeziehungen
Es existieren Kooperationsbeziehungen zu den folgenden Firmen:
• BMW AG, München
• INA-Schaeffler KG
• NEC
• Rupp + Hubrach KG, Bamberg
• Siemens AG, UB Medizintechnik, Erlangen
• Siemens AG, UB Automatisierungstechnik, Erlangen
• Silicon Graphics GmbH, München
178
2.2
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
2.2 Wissenschaftliche Tagungen
• Vision, Modeling, and Visualization 1999
• Vision, Modeling, and Visualization 2002
http://www9.informatik.uni-erlangen.de/vmv2002
3
Forschungsprojekte
3.1 Animation und Rendering von Massenszenen
Projektleitung:
Prof. Dr. Günther Greiner
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Frank Firsching
Stichwörter:
Animation; Massenszenen
Beginn: 1.10.2003
In der Computergraphik möchte man nicht nur menschenleere Landschaften visualisieren, sondern will den Eindruck einer belebten Welt vermitteln. Dazu müssen Wege gefunden werden,
viele autonome Charaktere in diese virtuelle Welt zu integrieren, die mit anderen in der Szene
befindlichen Charakteren und Gegenständen interagieren können. Hierzu gehören Aufgaben
wie eine ausgefeilte Bewegungsplanung, die realistischere Ergebnisse liefert als der weit verbreitete A-Stern-Algorithmus, oder Motion-Blending, um zwischen vordefinierten Bewegungsphasen überzublenden. Ein weiteres Problem besteht darin, dass es nicht möglich ist, für jeden
sog. Agenten ein eigenes Erscheinungsbild zu modellieren. Deshalb wird eine Methode erarbeitet, um das Aussehen der einzelnen Charaktere automatisch zu variieren. Des Weiteren sind solche Szenen immer sehr komplex, so dass ein Verfahren entwikkelt wird um die Animationen
möglichst effizient auf mehreren Computern verteilt zu rendern.
3.2 BEO: Rationelle Energieverwendung in der Industrie - Prozeßwärme
funded by the BMBF
Projektleitung:
Prof. Dr. rer. nat. Georg Müller
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Horst Hadler, Michael Kellner, Dr.-Ing. Thomas Jung, Dipl.-Ing. Jan Treibig, Dr. rer. nat. Roberto Grosso
Stichwörter:
Kristallzüchtung, Parallelisierung, Industrieöfen
179
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
3.3
Laufzeit: 1.12.2001 - 30.6.2005
Förderer: Vorhaben 0327324A, Forschungszentrum Jülich GmbH
Mitwirkende Institutionen:
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften VI, Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische
Datenverarbeitung), Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
Entwicklung und Einsatz von Softwareprogrammen zum Bau von energiesparender Industrieöfen für die Werkstoffherstellung und Kristallzüchtung.
3.3 Einsatz moderner Grafikhardware für Virtual Reality Anwendungen
Projektleitung:
Prof. Dr. Marc Stamminger
Stichwörter:
Virtual Reality; Grafikhardware
Beginn: 1.7.2003
Kontakt:
Prof. Dr. Marc Stamminger
Tel.:+49.9131.85.29919, Fax:+49.9131.85.29931
E-Mail: [email protected]
In dem Projekt wird der Einsatz moderner Grafikhardware an einer Stereo-Projektionswand mit
Trackingsystem untersucht. Moderne Grafikkarten bieten viele über die übliche Bildgehung
hinausgehende Möglichkeiten, vor allem für virtual Reality Anwendungen. In dem Projekt wird
zum Beispiel untersucht, wie man Unzulänglichkeiten des Projektionssystems (ungleichmäßige
Helligkeitsverteilung, geringer dynamischer Bereich) von Seiten der Grafikausgabe korrigieren
kann. Ebenso kann man mit Hilfe der Grafikkarten Kollisionsabfragen erstellen, mit denen Bewegungsplanung und Navigationsaufgaben sehr effizient gelöst werden können.
3.4 gridlib: Objekt-orientiertes Framework für Visualisierung in
integrierten Simulationsumgebungen
Projektleitung:
Prof. Dr. Ulrich Rüde, Prof. Dr. Günther Greiner
Beteiligte
Frank Hülsemann, PhD, Dipl.-Inf. Frank Reck, Dipl.-Phys. Stefan Meinlschmidt,
Benjamin Bergen, M.S.
Stichwörter:
Framework; objekt-orientiertes Programmieren; paralleles Rechnen
180
3.4
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
Beginn: 1.6.2000
Förderer: KONWIHR - Kompetenznetzwerk für Technisch-Wissenschaftliches Hochund Höchstleistungsrechnen in Bayern
Mitwirkende Institutionen:
System Simulation Group, Uni Erlangen, Fluid Dynamics Department, Uni Erlange
Kontakt:
Dipl.-Phys. Stefan Meinlschmidt
Tel.:+49.9131.85.29922, Fax:+49.9131.85.29931
E-Mail: [email protected]
Das gridlib Projekt formuliert die Grundlage für weiterführende Projekte. Im Vordergrund steht
dabei der Framework-Gedanke - einen Rahmen zu finden, in dem sich Aufgaben der Computersimulation lösen lassen. Dabei soll insbesondere der stetig wachsenden Datenmenge Rechnung getragen werden und durch ein klares Konzept die Integration verschiedenster
Simulations-, Visualisierungs- und Renderingaalgorithmen möglich sein.
Um den Anforderungen an große Projekte in Hinsicht auf technische Wartung, algorithmische
Pflege, Verwendbarkeit in Lehre und Forschung und Einbindung extern entwickelter Module
gerecht zu werden, ist die gridlib vollständig objekt-orientiert konzipiert. Die damit erreichbare
Kapselung von Algorithmen und Daten fördert auch die transparente Nutzung paralleler Programmierkonzepte, modularen Aufbau und klare Interface-Bildung für externe Subsysteme mit
prozeduraler Schnittstelle.
Das gridlib Projekt verfolgt dabei einen hybriden, adaptiven, hierarchischen unstrukturierten
Ansatz eines Gitters. Die damit erreichbare Leistungsfähigkeit der Algorithmen im Bereich der
Gitterverwaltung und der Visualisierung ist mit der numerischen Performance prozeduraler
Subsysteme kombinierbar. Das objekt-orientierte Programmierkonzept ermöglicht dabei den
sehr flexiblen Einsatz von algorithmischen Optimierungen im speziellen Fall.
Publikationen
0XX
1. Greiner, Günther; Kipfer, Peter; Labsik, Ulf; U. Tremel: An Object Oriented Approach
for High Performance Simulation and Visualization on Adaptive Hybrid Grids .
In: SIAM (Veranst.) : Conference Proceedings (SIAM CSE Conference Washington).
2000, S. 123-130.
2. Kipfer, Peter: Interactive visualization of flows using LIC and video streaming techniques . In: Graduiertenkolleg FAU (Veranst.) : Conference Proceedings (Vision, Modelling and Visualization Erlangen). 2000, S. 303-310.
3. Labsik, Ulf; Kipfer, Peter; Greiner, Günther: Visualizing the Structure and Quality Properties of Tetrahedral Meshes . Erlangen : FAU. 2000 (2). - Interner Bericht
4. Kipfer, Peter; Greiner, Günther: Parallel rendering within the integrated simulation and
visualization framework gridlib . In: T. Ertl, B. Girod, G. Greiner, H. Niemann, H.-P.
Seidel (Hrsg.) : VMV 2001 Conference Proceedings (VMV 2001 Stuttgart). 2001, S.
177-184.
5. Labsik, Ulf; Kipfer, Peter; Meinlschmidt, Stefan; Greiner, Günther: Progressive Isosur181
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
3.5
face Extraction from Tetrahedral Meshes . In: H. Suzuki, A. Rockwood, L. Kobbelt
(Hrsg.) : Pacific Graphics ’01 Proceedings (Pacific Graphics 2001 Tokyo, Japan 16-18
October 2001). 2001, S. 244-253.
6. Kipfer, Peter; Hülsemann, Frank; Meinlschmidt, Stefan; Bergen, Benjamin; Greiner,
Günther; Rüde, Ulrich: gridlib: A parallel, object-oriented framework for hierarchicalhybrid grid structure in technical simulation and scientific visualizations . In: A. Bode;
Durst, Franz; W. Hanke; S. Wagner (Hrsg.) : Transactions of the First Joint HLRB and
KONWIHR Result and Reviewing Workshop (High Performance Computing in Science
and Engineering 2000 - 2002 München). München : Springer, 2002, S. 489-501.
7. Hülsemann, Frank; Kipfer, Peter; Rüde, Ulrich; Greiner, Günther: gridlib: Flexible and
efficient grid management for Simulation and Visualization . In: Peter M. A. Sloot; C. J.
Kenneth Tan; Jack J. Dongarra; Alfons G. Hoekstra (Hrsg.) : Computational Science ICCS 2002 (ICCS 2002 Amsterdam April 2002). Berlin : Springer, 2002, S. 652-661.
(Lecture Notes in Computer Science Bd. 2331)
8. Meinlschmidt, Stefan; Kipfer, Peter; Labsik, Ulf; Greiner, Günther: Client-Server-Visualisierung zwischen Supercomputer und PC mit gridlib . In: Thomas Schulze; Stefan
Schlechtweg; Volkmar Hinz (Hrsg.) : Proc. of Simulation und Visualisierung 2003 (Simulation und Visualisierung 2003 Magdeburg 6./7.3.2003). 2003, S. 431-439.
9. Kipfer, Peter; Reck, Frank; Greiner, Günther: Local exact particle tracing on unstructured grids . In: Computer Graphics Forum 22 (2003), Nr. 2, S. accepted for publication
10. Hülsemann, Frank; Meinlschmidt, Stefan; Bergen, Benjamin; Greiner, Günther; Rüde,
Ulrich: gridlib -- A parallel, object-oriented framework for hierarchical-hybrid grid
structures in technical simulation and scientific visualization . In: KONWIHR (Veranst.)
: High Performance Computing in Science and Engineering (Second Joint HLRB and
KONWIHR Result and Reviewing Workshop München 2./3.3.2004). 2004, S. (to be announced).
3.5 Hochqualitative Visualisierung von Reflexionslinien auf CAD-Flächen
Projektleitung:
Prof. Dr. Günther Greiner
Beteiligte:
Dipl.-Math. Gerd Sußner
Stichwörter:
Vernetzung von CAD-Flächen; Visualisierung von Reflexionslinien
182
3.5
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
Beginn: 1.4.1999
Förderer: BMW
Kontakt:
Dipl.-Math.Gerd Sußner
Tel.:+49.9131.85.29928, Fax:+49.9131.85.29931
E-Mail: [email protected]e
Für die Visualisierung von Reflexionslinien mittels Standardtools, wie z.B. dem ExaminerViewer von Inventor und Environment-Texturen, ist es emminent wichtig, gleichmäßig vernetzte oder sehr fein vernetzte Flächen zu haben. Andernfalls treten visuelle Artefakte auf, die
es dem Nutzer nicht erlauben, Designfehler in den konstruierten Flächen zu entdecken. Die gängigen Algorithmen zur Tessellierung von CAD-Flächen beruecksichtigen diesen Punkt meist
nicht oder nur unzureichend. Deshalb wird oft eine Tessellierung mit einer hohen Dreiecksanzahl gewählt, was sich wiederum auf auf die Renderleistung der Graphikhardware auswirkt.
Hier wurde nun eine Methode entwickelt, die CAD-Flächen in Hinblick auf die Visualisierung
von Reflexionslinien unter Berücksichtigung der Dreiecksanzahl, Sehnenfehler und gleichmäßigem Vernetzungsmuster trianguliert.
Um Entwicklungszyklen in der Außenhautkonstruktion von Fahrzeugen zu verkürzen wird die
Beurteilung der konstruierten Flächen mehr und mehr am Rechner durchgeführt. Auf längere
Sicht sollen die Qualitätskontrollen sogar nur noch am Bildschirm stattfinden.
Zu diesem Zwecke wurde in den vergangenen Jahren, in enger Zusammenarbeit mit BMW, das
Standard-Visualisierungstool ,,SceneViewer‘‘ zum Paket ,,Cubing‘‘ erweitert.
Es werden laufend Verbesserungen bzw. Erweiterungen an obigem Visualisierungswerkzeug
vorgenommen. So wurde beispielsweise die interne Kommunikation zwischen dem GUI-Prozeß und dem Viewer-Prozeß einfacher strukturiert. Weiterhin wurden auch zahlreiche ,,Convenience‘‘-Funktionen eingebaut, sowie eine externe Steuerung der Kameraansichten der
einzelnen Viewer.
Publikationen
0XX
1. Sußner, Gerd; Greiner, Günther; Grosso, Roberto: Generating High Quality Meshes For
Interactive Examination of Surface Quality on Car Bodies . In: Sandia National Laboratories (Veranst.) : 11th International Meshing Roundtable (11th International Meshing
Roundtable Ithaca, New York September, 15-18). 2002, S. 99-109.
2. Vega Higuera, Fernando: Using PC-Clusters for Scalable High-Performance Interactive
Stereo Rendering with OpenInventor . Erlangen, FAU, Mag-Arb., 2001. - 50 Seiten.
3. Ernst Lang: Anwendung neuer Rendering-Techniken im Automobilbau . Erlangen,
FAU, Stud-Arb., 2002. - 73 Seiten.
183
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
3.6
3.6 Interaktive Darstellung von Landschaften
Projektleitung:
Prof. Dr. Marc Stamminger
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Carsten Dachsbacher
Stichwörter:
Grafikhardware; prozedural Modelle; Visualisierung
Beginn: 1.11.2002
In diesem Projekt soll die interaktive und realistische Darstellung virtueller Landschaften mithilfe von moderner Grafikhardware untersucht werden. Sie umfasst die prozedurale Generierung und das Rendering von Terrain und Bewuchs. Um einen plausiblen visuellen Eindruck zu
erzielen, müssen atmosphärische Gegebenheiten berücksichtigt und spezielle Beleuchtungsverfahren untersucht werden.
Die hohe Leistung moderner Grafikhardware ermöglicht immer komplexere Modelle, dennoch
sind Level-of-Detail Verfahren nicht verzichtbar und werden, vor allem im Hinblick auf die
hohe geometrische Komplexität des Bewuchses, untersucht. Die flexible Programmierbarkeit
modernder GPUs erlaubt den Einsatz neuer und aufwendiger Beleuchtungsverfahren, die globale Aspekte berücksichtigen können. Das Rendering kann dabei, aufgrund der Floating Point
Genauigkeit der Hardware in High-Dynamic Range erfolgen.
Ein weiterer Einsatz für programmierbare Grafikhardware ist die Simulation physikalischer
Phenomäne, wie z.B. die Bewegung einer Wasseroberfläche, die durch Einwirkung von Wind
entsteht.
Publikationen
0XX
1. Dachsbacher, Carsten; Vogelgsang, Christian; Stamminger, Marc: Sequential Point
Trees . In: ACM Transactions on Graphics (Proc. SIGGRAPH 2003) 22 (2003), Nr. 03,
S. 657-662
3.7 Interaktive Volumenvisualisierung auf Consumer-Graphikhardware
Projektleitung:
Prof. Dr.Günther Greiner
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Michael Bauer, Rezk-Salama, Christof, Engel, Klaus, Dipl.-Inf. Stefan
Röttger
Stichwörter:
Visualisierung; Medizin; Geologie; 3D Skalarfelder; Volumendaten; Graphikhardware
184
3.7
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
Beginn: 1.12.1999
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaf
Mitwirkende Institutionen:
Lehrstuhl für Visualisierung und Interaktive Systeme, Universität Stuttgart
Kontakt:
Dipl.-Inf. Michael Bauer
Tel.:+49.9131.85.29922, Fax:+49.9131.85.29931
E-Mail: [email protected]
Bisher war die interaktive Volumenvisualisierung auf sehr teure Graphik-Workstations oder
Spezialhardware beschränkt. Die neuen GPUs moderner PC-Graphikkarten sind durch ihre Performance und Flexibilität eine gute Plattform für die Erforschung neuartiger Verfahren. Die
modernsten Verfahren nutzen vor allem die Möglichkeiten programmierbarer Pipelines. Hierbei können weite Teile der bisherigen Fixed-Function-Pipeline jetzt relativ flexibel durch kleine
Programme ersetzt werden. Neben höherer Effizienz kann dadurch auch eine bessere Bildqualität erzielt werden.
Die Nutzung kostengünstiger Hardware verbreitert auch die Einsatzmöglichkeiten der Verfahren. In der Geologie werden beispielsweise Plastilinmodelle zur Modellierung von Schichtdeformationen verwendet. Durch mehrmalige CT-Aufnahme und Deformation der Proben kann
der Verlauf der Ausbildung spezieller geologischer Strukturen nachgebildet und anschließend
visualisiert werden.
Die am Institut für medizinische Physik in Erlangen entwickelten Techniken zur Computertomographie des menschlichen Herzens ermöglichen mithilfe der in diesem Projekt entwickelten
Verfahren erstmals eine interaktive Darstellung eines schlagenden Herzens. Dadurch können
beispielsweise traditionelle Angiographieverfahren ergänzt oder ersetzt werden.
Publikationen
0XX
1. Rezk-Salama, Christof; Engel, Klaus; Bauer, Michael; Greiner, Günther; Ertl, Thomas:
Interactive Volume Rendering on Standard PC Graphics Hardware Using Multi-Textures and Multi-Stage Rasterization . In: Bengt-Olaf Schneider; Wolfgang Straßer
(Hrsg.) : 2000 SIGGRAPH/Eurographics Workshop on Graphics Hardware (HWWS’00
Interlaken. Switzerland 21-22 August 2000). New York : ACM, 2000, S. 109-118. ISBN 1-58113-257-3
2. Rezk-Salama, Christof; Scheuering, Michael; Soza, Grzegorz; Greiner, Günther: Fast
Volumetric Deformation On General Purpose Hardware . In: Gunter Knittel; Hanspeter
Pfister (Hrsg.) : Graphics Hardware 2001 (ACM SIGGRAPH/Eurographics Workshop
on Graphics Hardware Los Angeles 12-13. August 2001). New York : ACM, 2001, S.
17-24. - ISBN 1-58113-407-X
3. Rezk-Salama, Christof; Scheuering, Michael: Multitexturbasierte Volumenvisualisierung in der Medizin . In: Handels, Horsch, Lehmann, Meinzer (Hrsg.) : Bildverarbeitung
für die Medizin 2001 (Bildverarbeitung für die Medizin Lübeck). Berlin : Springer,
2001, S. 137-141. - ISBN 3-540-41690-0
4. Rüdiger Westermann; Rezk-Salama, Christof: Real-Time Volume Deformation . In: A.
185
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
3.8
Chalmers; T.-M- Rhyne (Hrsg.) : Proceedings Eurographics 2001 (EG 2001 Manchester,
UK 3.-7. September 2001). Manchester : Eurographics Assiciation and Blackwell Publishers, 2001, S. 443-452. (Computer Graphics Forum Bd. 20, Nr. 3)
5. Joe M. Kniss; Markus Hadwiger; Engel, Klaus; Rezk-Salama, Christof (Hrsg.): HighQualtiy Volume Graphics on Consumer PC Hardware (SIGGRAPH 2002, Course Notes
42) . (SIGGRAPH 2002 San Antonio, Texas August 2002) 2002. - 240 Seiten.
6. Rezk-Salama, Christof: Volume Rendering Techniques for General Purpose Graphics
Hardware . Erlangen, Friedrich Alexander Universität, Diss., 2002 (Arbeitsberichte des
Instituts für Informatik Bd. 35, Nr. 5) . - 201 Seiten. ISSN 0344-3515
3.8 Modellbasierte Registrierung zur Simulation und Visualisierung von
,,Brain Shift‘‘ Phänomenen bei neurochirurgischen Eingriffen
Beteiligte:
Prof. Dr. Günther Greiner, Prof. Dr. med. Rudolf Fahlbusch, Dr.-Ing. Peter Hastreiter, PD Dr. Christopher Nimsky, Dipl.-Inf. Grzegorz Soza
Stichwörter:
brain shift; Registrierung; Visualisierung; Simulation
Laufzeit: 1.7.2000 - 31.3.2004
Mitwirkende Institutionen:
Neurozentrum des Kopfklinikums der Universität Erlangen-Nürnberg
Kontakt:
Dipl.-Inf. Grzegorz Soza
Tel.:+49.9131.85.29926, Fax:+49.9131.85.29931
E-Mail: [email protected]
Mit brain shift bezeichnet man Veränderungen des Gehirns in Lage und Form, die während eines neurochirurgischen Eingriffes stattfinden. Durch dieses Phänomen verliert computergestützte intraoperative Neuronavigation an Genauigkeit. Der brain shift kann mit intraoperativ
erstellten Aufnahmen kompensiert werden. Jedoch gehen dabei sämtliche zusätzlichen präoperativen Informationen, wie zum Beispiel funktionelle Daten, verloren. Aus diesem Grund sollen
im Rahmen der Forschungsarbeiten dieses Projektes zuverlässige und robuste Verfahren entwickelt werden, die das Phänomen mit hoher Präzision voraussehen lassen, um nicht nur eine
bessere Planung, sondern auch deren Umsetzung während einer Operation zu ermöglichen. In
diesem Zusammenhang sollen alle präoperativen Informationen und intraoperativ verfügbaren
Daten berücksichtigt werden.
Dazu sind zunächst mit Hilfe von adaptiver Berechnung auf hierarchischen Datenstrukturen
eine voxelbasierte, stückweise lineare Registrierung des prä- und intraoperativen Datensatzes
implementiert worden. Darüber hinaus wurde zur Beschleunigung moderne 3D-Graphik-Hardware eingesetzt.
In der zweiten Phase des Projektes soll zur Analyse der Efekte, die durch das brain shift Phäno-
186
3.8
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
men hervorgerufen werden, ein realistisches, physikalisch basiertes Simulationsmodell erstellt
werden. Darin werden sowohl die Porösität des Hirngewebes und die dadurch bedingten Flüssigkeitsverlagerungen, als auch seine Elastizität und Anisotropie berücksichtigt. Zusätzlich
werden auch andere physikalische Faktoren, wie Druck und Schwerkraft integriert. Zur mathematische Beschreibung werden die aus der Kontinuumsmechanik stammenden Differentialgleichungen verwendet. Ihre Lösung erfolgt mittels der Finite Elemente Methode, die auf ein
hybrides, unstrukturiertes Volumengitter angewendet wird. Um die Effekte eines chirurgischen
Eingriffes realistisch zu simulieren, wird außerdem Geweberesektion im entwickelten Modell
berücksichtigt. Um eine Beschleunigung der aufwändigen Berechnungen zu erzielen, werden
die implementierten Algorithmen zusätzlich für parallele Systeme adaptiert.
Die Evaluierung und Analyse der entwickelten Verfahren erfolgt abschließend mit Methoden
der interaktiven direkten Volumenvisualisierung. Auf diese Weise wird eine wesentliche Unterstützung bei Planungen eines chirurgischen Eingriffs erzielt.
Die Untersuchungen werden in enger Kooperation des Lehrstuhls für Graphische Datenverarbeitung und der Neurochirurgischen Klinik am Neurozentrum des Kopfklinikums der Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt.
Publikationen
0XX
1. Rezk-Salama, Christof; Hastreiter, Peter; Greiner, Günther; Ertl, Thomas: Non-linear
Registration of Pre- and Intraoperative Volume Data Based On Piecewise Linear Transformation . In: Girod, Bernd; Niemann, Heinrich; H.-P. Seidel (Hrsg.) : Proceedings Vision, Modelling, and Visualization (VMV), 1999 (Vision, Modelling, and Visualization
(VMV), 1999 Erlangen). Berlin : Akademische Verlagsgesellschaft, 1999, S. 100-110.
2. Rezk-Salama, Christof; Scheuering, Michael; Soza, Grzegorz; Greiner, Günther: Fast
Volumetric Deformation On General Purpose Hardware . In: Gunter Knittel; Hanspeter
Pfister (Hrsg.) : Graphics Hardware 2001 (ACM SIGGRAPH/Eurographics Workshop
on Graphics Hardware Los Angeles 12-13. August 2001). New York : ACM, 2001, S.
17-24. - ISBN 1-58113-407-X
3. Hastreiter, Peter; Klaus Engel; Soza, Grzegorz; Bauer, Michael; Wolf, Matthias; Ganslandt, Oliver; Fahlbusch, Rudolf; Greiner, Günther; Ertl, Thomas; Nimsky, Christopher:
Remote Analysis for Brain Shift Compensation . In: Niessen; Viergever (Hrsg.) : Proc.
MICCAI 2001 (MICCAI Utrecht, Holland 2001). Utrecht : Springer, 2001, S. 12481249.
4. Soza, Grzegorz; Hastreiter, Peter; Bauer, Michael; Rezk-Salama, Christof; Nimsky,
Christopher; Greiner, Günther: Intraoperative Registration on Standard PC Graphics
Hardware . In: Meiler; Lehmann (Hrsg.) : Proc. BVM 2002 (Bildverarbeitung für die
Medizin Leipzig 2002). Leipzig : Springer, 2002, S. 334-337.
5. Soza, Grzegorz; Bauer, Michael; Hastreiter, Peter; Nimsky, Christopher; Greiner, Günther: Non-Rigid Registration with Use of Hardware-Based 3D Bezier Functions .
In: Dohi; Kikinis (Hrsg.) : Proc. MICCAI 2002 (MICCAI Tokyo 2002). Tokyo : Springer, 2002, S. 549-556.
6. Soza, Grzegorz; Grosso, Roberto; Hastreiter, Peter; Labsik, Ulf; Nimsky, Christopher;
Fahlbusch, Rudolf; Greiner, Günther: Fast and Adaptive Finite Element Approach for
Modeling Brain Shift . In: Dt. Gesell. Computer und Roboterassistierte Chirurgie (Veranst.) : Proc. CURAC (CURAC (Dt. Gesell. Computer und Roboterassistierte Chirurgie)
187
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
3.9
Erlangen 2003). 2003, S. ..
7. Soza, Grzegorz; Hastreiter, Peter; Vega Higuera, Fernando; Rezk-Salama, Christof;
Bauer, Michael; Nimsky, Christopher; Greiner, Günther: Non-linear Intraoperative Correction of Brain Shift with 1.5 T Data . In: Meiler; Saupe; Krugell; Handels; Lehmann
(Hrsg.) : Proc. BVM (Bildverarbeitung für die Medizin Erlangen 2003). 2003, S. 21-25.
8. Hastreiter, Peter; Engel, Klaus; Soza, Grzegorz; Wolf, Matthias; Ganslandt, Oliver;
Fahlbusch, Rudolf; Greiner, Günther: Remote Computing Environment Compensating
for Brain Shift . In: Computer Assisted Surgery (2004), S. in press
9. Hastreiter, Peter; Rezk-Salama, Christof; Soza, Grzegorz; Greiner, Günther; Fahlbusch,
Rudolf; Ganslandt, Oliver; Nimsky, Christopher: Strategies for Brain Shift Evaluation .
In: Medical Image Analysis (2004), S. in press
3.9 Paralleles Rendering für CFD Simulation und Computational Steering
Systeme
Projektleitung:
Dipl.-Inf. Peter Kipfer
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Peter Kipfer
Stichwörter:
parallel rendering; cfd; computational steering
Förderer: KONWIHR Projekt "gridlib"
Kontakt:
Dipl.-Inf. Peter Kipfer
Tel.:+49.9131.85.29925, Fax:+49.9131.85.29931
E-Mail: [email protected]
Im Bereich der Simulation physikalischer Vorgänge wurden in den letzten Jahren erhebliche
Problemgrößen rechenbar. Die aus der Simulation resultierenden Ergebnisse haben dadurch
ebenfalls eine Größenordnung erreicht, die die Fähigkeiten aktueller Graphikworkstations
leicht überfordern kann. Andererseits haben numerisch extrem leistungsfähige Systeme traditionell keinen direkten interaktiven Zugang für die Benutzer.
In diesem Projekt sollen zwei Methoden zur Integration von bildgebenden Verfahren in eine interaktive Simulationsumgebung untersucht werden. Das erste Verfahren transportiert eventuell
speziell erzeugte (reduzierte) Visualisierungsgeometrien auf einen Graphikserver. Dieser kann
je nach Fähigkeiten des Benutzerclients und der gewählten Visualisierung entscheiden, wie die
Simulationsergebnisse aufbereitet werden. Insbesondere zur Erzeugung von Bildern wird er
dazu seine Graphikhardware einsetzen. Die zweite Methode versucht die Funktionalität des
Graphikservers direkt auf dem Parallelrechner zu integrieren. Dank seiner hohen numerischen
Leistung werden hier reine Softwareverfahren möglich, die zudem parallel auf den vollen Datenbestand zugreifen können. Beide Methoden sollen anhand einer bestimmten Visualisierung
evaluiert werden. Das Projekt stellt Renderingverfahren für das Projekt ‘‘gridlib’’ zur Verfü188
3.10
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
gung. Die Erfahrung der dort beteiligten ‘‘Visualisierungsanwender’’ soll für dieses Projekt in
der Evaluierungsphase genutzt werden um die praktische Relevanz und Qualität der Implementierung zur bewerten.
Publikationen
0XX
1. Kipfer, Peter: Distributed Lighting Networks . Erlangen : FAU. 1999 (3). - Interner Bericht
2. Kipfer, Peter; P. Slusallek: Transparent Distributed Processing for Rendering . In: IEEE
(Veranst.) : Conference Proceedings (Parallel Visualization and Graphics Symposium
(PVG) San Francisco). 1999, S. 39-46.
3. Kipfer, Peter: Interactive visualization of flows using LIC and video streaming techniques . In: Graduiertenkolleg FAU (Veranst.) : Conference Proceedings (Vision, Modelling and Visualization Erlangen). 2000, S. 303-310.
4. Kipfer, Peter; Greiner, Günther: Parallel rendering within the integrated simulation and
visualization framework gridlib . In: T. Ertl, B. Girod, G. Greiner, H. Niemann, H.-P.
Seidel (Hrsg.) : VMV 2001 Conference Proceedings (VMV 2001 Stuttgart). 2001, S.
177-184.
5. Kipfer, Peter; Reck, Frank; Greiner, Günther: Local exact particle tracing on unstructured grids . In: Computer Graphics Forum 22 (2003), Nr. 2, S. accepted for publication
3.10 SFB603 - TP A2: Hybride Flächendarstellung zur interaktiven
Manipulation von CAD-Daten
Projektleitung.
Prof. Dr. Günther Greiner
Beteiligte:
Dipl.-Math. Gerd Sußner
Stichwörter:
CAD; NURBS; Dreiecksnetze; interaktive Flächenmodellierung, Optimi?????
Beginn: 1.1.2004
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Im Konstruktionsprozess wird zunächst in einem CAD-System die Geometrie eines Bauteils
modelliert. Anschließend wird mit einem Visualisierungstool die Qualität der Flächen begutachtet. Die Visualisierungstools benötigen in der Regel jedoch eine diskrete Darstellungsform
der Flächen (z.B. Dreiecksnetze), welche aus der mathematischen Beschreibung der Flächen erzeugt werden. Modifikationen der Flächen aufgrund der Visualisierung finden wieder im CADSystem statt. Diese Iterations-Schleife ist sehr umständlich und zeitaufwändig, da oft zwischen
den verschiedenen Systemen gewechselt werden muss.
Eine andere Möglichkeit wäre, direkt das Dreiecksnetz zu modifizieren und die Fläche in das
CAD-System rückzuführen. Die Umwandlung von einer Darstellung in die andere ist jedoch
189
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
3.11
nicht verlustfrei und somit für mehrere Durchgänge nicht praktikabel.
Ein neuer Ansatz besteht nun darin, die beiden Darstellungen fest miteinander zu koppeln, d.h.
eine Änderung an einer Darstellung erzwingt eine Änderung an der anderen. Somit hat man Modellierung und Visualisierung vereint.
Publikationen
0XX
1. Sußner, Gerd; Greiner, Günther; Stefan Augustiniack: Interactive examination of surface quality on car bodies . In: Computer-Aided Design (2004), S. to appear
2. Wagner, Marc; Labsik, Ulf; Greiner, Günther: Repairing Non-Manifold Triangle Meshes using Simulated Annealing . In: Tel Aviv University (Veranst.) : Proc. of The 4th
Israeal-Korea Bi-National Conference on Geometric Modeling and Computer Graphics
(The 4th Israeal-Korea Bi-National Conference on Geometric Modeling and Computer
Graphics Tel Aviv 12.-14.2.2003). 2003, S. 88-93.
3. Dyn, Nira; Hormann, Kai; Levin, David; Kim, Sun-Jeong: Optimizing 3D Triangulations Using Discrete Curvature Analysis . In: Lyche, Tom; Schumaker, Larry L. (Hrsg.) :
Mathematical Methods for Curves and Surfaces: Oslo 2000. Nashville : Vanderbilt University Press, 2001, (Innovations in Applied Mathematics), S. 135-146. - ISBN 0-82651378-6
4. Floater, Michael S.; Hormann, Kai; Reimers, Martin: Parameterization of Manifold Triangulations . In: Chui, Charles K.; Schumaker, Larry L.; Stöckler, Joachim (Hrsg.) : Approximation Theory X: Abstract and Classical Analysis. Nashville : Vanderbilt
University Press, 2002, (Innovations in Applied Mathematics), S. 197-209. - ISBN 08265-1415-4
5. Floater, Michael S.; Hormann, Kai: Parameterization of Triangulations and Unorganized
Points . In: Iske, Armin; Quak, Ewald; Floater, Michael S. (Hrsg.) : Tutorials on Multiresolution in Geometric Modelling. Berlin : Springer, 2002, (Mathematics and Visualization), S. 287-316. - ISBN 3-540-43639-1
3.11 SFB603 - TP C2: Analyse, Codierung und Verarbeitung von
Lichtfeldern zur Gewinnung realistischer Modelldaten
Projektleitung:
Prof. Dr. Günther Greiner, Prof. Dr.-Ing. Heinrich Niemann, Prof. Dr.-Ing. Joachim
Denzler
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Christian Vogelgsang, Dipl.-Inf. Ingo Scholz
Stichwörter:
Lichtfelder Lumigraph Rendering Hardware
190
3.11
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
Laufzeit: 1.1.1998 - 31.12.2006
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Mitwirkende Institutionen:
Lehrstuhl für Mustererkennung (Informatik 5)
Kontakt:
Dipl.-Inf. Christian Vogelgsang
Tel.:+49.9131.85.29925, Fax:+49.9131.85.29931
E-Mail: [email protected]
Computergraphik und Bildverarbeitung beginnen seit einigen Jahren verstärkt zusammenzuwachsen. Das belegen zahlreiche international anerkannte Konferenzen auf beiden Gebieten, in
denen sich Themen aus dem Bereich "Image Based Rendering" oder "Computer Vision for
Computer Graphics" etabliert haben. Diese greift das Teilprojekt C2 mit dem langfristigen Ziel
auf, automatisch eine effiziente Repräsentation realer Szenen zum Zwecke der Analyse und Visualisierung zu ermitteln. Das Projekt teilt sich grob in zwei Abschnitte auf. Zunächst wird aus
den Videosequenzen eine bildbasierte Repräsentation ermittelt. Dieses Aufgabenfeld "Lichtfeld- und Geometrierekonstruktion" bearbeitet der Lehrstuhl für Mustererkennung und kümmert sich dabei verstärkt um die Berechnung der intrinsischen und extrinsischen
Kameraparameter aus einem unkalibrierten Bildstrom und um die Erstellung eines hierarchischen geometrischen Szenenmodells unterschiedlicher Auflösungsstufen, das es ermöglicht,
die Visualisierungsqualität je nach Bedarf anzupassen. Bei der Modellierung wird neben der
bisher üblichen Interpolation von neuen Szenenansichten auch ihre Extrapolation berücksichtigt. Des weiteren werden erste Arbeiten begonnen, die sich mit der Anwendung der bildbasierten Modellierung für die Analyse befassen sowie einer Erweiterung auf dynamische
Lichtfelder. Im zweiten Abschnitt des Projektes wird die ermittelte Modellinformation verwendet, um neue Ansichten der Szene zu generieren. Diese Forschung im Bereich der Visualisierung wird vom Lehrstuhl für Graphische Datenverarbeitung durchgeführt. Dort sollen neue
Verfahren entwickelt werden, die mit Hilfe von 3-D-Hardware auch komplexe Darstellungen in
Echtzeit erzeugen können. Als wesentliches Merkmal des Gesamtsystems sollen die visualisierten Daten in den Analyseprozess rückgeführt werden, um die Aufnahmeposition neuer Ansichten sicher zu schätzen, die bisherigen Kalibrierparameter zu verbessern und die neu
gewonnenen Daten in ein verfeinertes Szenenmodell fließen zu lassen, das auch für diese Anforderung hierarchisch strukturiert sein muss.
Publikationen
0XX
1. Vogelgsang, Christian; Heigl, Benno; Greiner, Günther; Niemann, Heinrich: Automatic
Image-Based Scene Model Acquistion and Visualization . In: Bernd Girod; Greiner,
Günther; Niemann, Heinrich; Hans-Peter Seidel (Hrsg.) : Proceedings (Vision Modeling
and Visualization 2000 Saarbrücken 22-24.11.2000). 1. Aufl. Berlin : Akad. Verl.-Ges.
2000, 2000, S. 189-198. - ISBN 3-89838-019-X
2. Vogelgsang, Christian: Free Form Lightfields . Erlangen : Uni Erlangen. 2001 (3). - Interner Bericht. 8 Seiten
3. Vogelgsang, Christian; Greiner, Günther: Interactive Range Map Rendering with Depth
Interval Texture Slicing . In: T. Ertl; B. Girod; Greiner, Günther; Niemann, Heinrich; H.191
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
3.12
P. Seidel (Hrsg.) : Proceedings of Vision, Modeling, and Visualization 2003 (Vision,
Modeling, and Visualization 2003 München 19-21.11.2003). Berlin : infix, 2003, S.
477-484. - ISBN 3-89838-048-3
4. Dachsbacher, Carsten; Vogelgsang, Christian; Stamminger, Marc: Sequential Point
Trees . In: ACM Transactions on Graphics (Proc. SIGGRAPH 2003) 22 (2003), Nr. 03,
S. 657-662
5. Hartmut Schirmacher; Vogelgsang, Christian; Hans-Peter Seidel; Greiner, Günther: Efficient Free Form Light Field Rendering . In: Thomas Ertl; Bernd Girod; Greiner, Günther; Niemann, Heinrich; Hans-Peter Seidel (Hrsg.) : Proceedings (Vision Modeling and
Visualization 2001 Stuttgart 21-23.11.2001). Bd. 1, 1. Aufl. Berlin : AKA, 2001, S. 249256. - ISBN 3-89838-028-9
6. Vogelgsang, Christian; Scholz, Ingo; Greiner, Günther; Niemann, Heinrich: lgf3 - A
Versatile Framework for Vision and Image-Based Rendering Applications . In: Greiner,
Günther; Niemann, Heinrich; Ertl; Girod; Seidel, Hans-Peter (Hrsg.) : Proceedings of
Vision, Modeling, and Visualization 2002 (Vision, Modeling, and Visualization 2002
Erlangen 20-22.11.2002). Berlin : Infix, 2002, S. 257-264. - ISBN 3-89838-034-3
3.12 SFB603 - TP C7:Adaptive Verfahren zur Berechnung und
Visualisierung von mechatronischen Sensoren und Aktoren
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Reinhard Lerch, Prof. Dr. Günther Greiner, Dr.-techn. Manfred Kaltenbacher, Dr. rer. nat. Roberto Grosso
Beteiligte
Dipl.-Math. Elena Zhelezina, Dipl.-Inf. Frank Reck
Stichwörter:
Finite-Element-Methode; gekoppelte Feldprobleme; automatisches Zeitschrittintervall; Skalar- und Vektordaten
Laufzeit: 1.1.2001 - 21.12.2006
Förderer:
Sonderforschungbereich 603
Mitwirkende Institutionen:
Lehrstuhl für Sensorik, Lehrstuhl für Graphische Datenverarbeitung
Ziel des Teilprojekts C7 ist es, einen computerunterstützten Arbeitsplatz für die Analyse, den
Entwurf und die Optimierung von mechatronischen Sensoren und Aktoren zu implementieren,
z.B. kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler. Besonders interessant hierbei ist die Simulation der Wechselwirkung von verschiednen Feldern (elektrische-, magnetische Felde,
Druck).
Als Ergebnis der Simulation von solchen Mehrfeldproblemen fallen sowohl Skalar- als auch
192
3.13
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
Vektordaten an. Die entweder für ein einzelnes den Simulationsraum (Gitter) unterteilendes
Volumenelement oder deren Eckpunkte definiert sind. Neben statischen Simulationen deren
Daten den Zustand für einen einzigen Zeitpunkt beschrieben, erfolgen auch Simulationen über
einen Zeitraum hinweg, wobei dann zu nicht notwendigerweise äquidistant verteilten Zeitpunkten das gerade aktuelle Gitter abgespeichert wird.
Für die Visualisierung von diesen Datensätzen ergeben sich hieraus eine ganze Reihe von Herausforderungen, zum einen sind die verschiedenartigen Daten mit unterschiedlichen Methoden
gleichzeitig darzustellen, zum anderen die Algorithmen in ihren Ressourcenbedarf (Zeitbedarf
und Speicherverbrauch) so minimal wie möglich zu halten um eine interaktive Visualisierung
auch von größeren Datensätzen zu realisieren. Besonders reizvoll ist es aus sicht der Computer
Graphik die sich neu erschließenden Möglichkeiten einer programmierbaren Graphikpipeline
hierfür sinnvoll einzubinden.
Publikationen
0XX
1. Reck, Frank; Greiner, Günther: Fast and Accurate Integration of Vector Fields in Unstructured Grids . In: Informationstechnik und Technische Informatik 6 (2002), Nr. B
7922, S. 331-338
2. Reck, Frank; Rezk-Salama, Christof; Grosso, Roberto; Greiner, Günther: Hadware-Accelerated Visualization of Curvilinear Vector Fields . In: Greiner, Günther; Niemann,
Heinrich; Ertl, Thomas; Girod, Sabine; Seidel, Hans-Peter (Hrsg.) : Visoion, Modeling,
and Visualization (VMV 2002 Erlangen 20-22 November). Bd. 1, 1. Aufl. Erlangen : infix, 2002, S. 187-192. - ISBN 3-89838-034-3
3. Kipfer, Peter; Reck, Frank; Greiner, Günther: Local exact particle tracing on unstructured grids . In: Computer Graphics Forum 22 (2003), Nr. 2, S. accepted for publication
3.13 SFB603 - TP C9: Rekonstruktion und Visualisierung neuronaler
Bahnen
Projektleitung:
Dr.-Ing. Peter Hastreiter, Prof. Dr. med. Rudolf Fahlbusch, PD Dr. Christopher
Nimsky, Prof. Dr. Marc Stamminger
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Dorit Merhof
Stichwörter:
Visualisierung; Diffusionstensor; Pyramide
Beginn: 1.1.2004
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Mitwirkende Institutionen:
Neurozentrum, Neurochirurgie
193
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
3.14
Neuronale Bahnen sind Strukturen, die wichtigen sensorischen, motorischen oder anderen integrativen Funktionen zugeordnet sind. Damit nach einer Gehirnoperation im Falle pathologischer Veraenderungen (Tumor) keine neurologischen Defizite auftreten, duerfen diese
Nervenbahnen nicht verletzt werden. Im Gegensatz zu Nervenstraengen im periphaeren System, die mit anderem Gewebe ummantelt sind, unterscheiden sich die Bahnen im Gehirn nur
schwach von der grauen Hirnmasse. Zur Differenzierung neuronaler Bahnen wird deshalb Diffusions-Tensor (DT) MRT verwendet, mit dem das Diffusionsverhalten von Wassermolekuelen
im Gewebe gemessen wird. Ziel des Projekts ist es, neue Ansaetze zur genauen Rekonstruktion
der Bahnen aus diesen Tensorvolumina zu entwickeln, was eine genaue Analyse der Tensordaten sowie Techniken zur Filterung und Registrierung erfordert. Auf diese Weise sollen chirurgische Eingriffe in Zukunft besser planbar und das chirurgische Risiko gemindert werden.
3.14 Verteiltes Ray Tracing
Projektleitung:
Prof. Dr. Günther Greiner
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Manfred Ernst
Stichwörter:
ray tracing; photorealismus; rendering
Beginn: 1.10.2003
In diesem Projekt soll die interaktive und realistische Darstellung virtueller Landschaften mithilfe von moderner Grafikhardware untersucht werden. Sie umfasst die prozedurale Generierung und das Rendering von Terrain und Bewuchs. Um einen plausiblen visuellen Eindruck zu
erzielen, müssen atmosphärische Gegebenheiten berücksichtigt und spezielle Beleuchtungsverfahren untersucht werden.
Die hohe Leistung moderner Grafikhardware ermöglicht immer komplexere Modelle, dennoch
sind Level-of-Detail Verfahren nicht verzichtbar und werden, vor allem im Hinblick auf die
hohe geometrische Komplexität des Bewuchses, untersucht. Die flexible Programmierbarkeit
modernder GPUs erlaubt den Einsatz neuer und aufwendiger Beleuchtungsverfahren, die globale Aspekte berücksichtigen können. Das Rendering kann dabei, aufgrund der Floating Point
Genauigkeit der Hardware in High-Dynamic Range erfolgen.
Ein weiterer Einsatz für programmierbare Grafikhardware ist die Simulation physikalischer
Phenomäne, wie z.B. die Bewegung einer Wasseroberfläche, die durch Einwirkung von Wind
entsteht.
194
3.15
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
3.15 Volumenvisualisierung für Industrie-CT-Scanner
Projektleitung:
Dipl.-Inf. Stefan Röttger
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Michael Bauer
Stichwörter:
Volumenvisualisierung CT-Scanner
Beginn: 1.4.2003
Mitwirkende Institutionen:
Fraunhofer Institut (Institut für Integrierte Schaltungen)
Industrie-CT-Scanner haben als Einsatzgebiet u.a. die Materialprüfung und Genauigkeitsanalyse. Die zu prüfenden Objekte bzw. Gussteile sind normalerweise aus Materialien die bei der Rekonstruktion im CT-Scanner schwere Artefakte hervorrufen (z.B. Aluminiumdruckguss). Diese
Artefakte müssen sowohl bei der Rekonstruktion als auch bei der Visualisierung herausgerechnet werden, wobei hardwarebeschleunigte Verfahren auf Standard-PC-Hardware zum Einsatz
kommen. Diese Verfahren lassen sich auch zur Untersuchung von fossilen Objekten verwenden. Desweiteren eignen sich Industrie-Scanner zum Erzeugen von hochauflösenden Oberflächenmodellen. Die Verschmelzung und Registrierung der CT-Daten mit optischen Daten ist
Gegenstand aktueller Forschung im Rahmen der Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut.
4
Vorträge
5
Promotionen
18.02.2003 Kipfer, Peter
Distribution and Parallelization Strategies for Integrated Simulation,
Visualization, and Rendering Systems“
24.07.2003 Scheuring, Michael
Fusion medizinischer Videobilder mit tomographischen Volumendaten
26.05.2003 Labsik, Ulf
Multiresolution - Verarbeitung von Dreiecks- und Tetraedernetzen“
6
Studien- und Diplomarbeiten
6.1 Studienarbeiten
• Lauterwald, Frank: 3D-Line Integral Convolution (LIC) auf unstrukturierten Gittern
195
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
6.2
• Sauber, Natasha: Erstellung von 1D und 2D Transferfunktionen für medizinische
Anwendungen
• Helfrich, Rainer: Generierung von Sequential Point Trees
• Payer, Gunnar: Subvoxelgenaue Oberflächenextraktion von 3D Objekten
6.2 Diplomarbeiten
• Merhof, Dorit: Anisotrope Netzgenerierung basierend auf einer diskreten Oberflächenbeschreibung
• Manfred, Ernst: Hardware-beschleunigte photorealistische Beleuchtungssimulation
auf modernen Graphikkarten
• Firsching, Frank: Hardware-beschleunigte Simulation der Navier-Stokes-Gleichungen
• Kardas, Dario: Interaktive Visualisierung zeitabhängiger Volumendaten
• Kück, Hendrik: MeshCarving: Bildbasierte Rekonstruktion und Optimierung von
Dreiecksnetzen
• Radzom, Gunnar: Paralleles point-based rendering
• Spranger, Marcus: Parallele Feature-Erkennung und Volumenvisualisierung auf
unstrukturierten Netzen
• Schulz, Christian: Rekonstruktion glatter berandeter Oberflächen aus sich überlappenden B-Spline-Flächen
• Wilke, Jens: Rendering Dynamic Multi-View Depth Map with Texture Slicing
7
Bachelor- und Master Theses
7.1 Bachelor Theses
• Triebenbacher, Simon: Übertragung und Visualisierung von Simulationsdaten
196
7.1
Professur für Informatik (Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung)
Professur für Informatik (Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung)
Anschrift: Am Weichselgarten 9, 91058 Erlangen
Tel.: +49.9131 .85.29919
Fax.: +49.9131.85.29931
Die Professur für Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung ist am Lehrstuhl Graphische Datenverarbeitung angesiedelt und wurde im Oktober 2002 mit Prof. Marc Stamminger
besetzt.
Die Forschungsarbeiten der Professur betreffen die computerbasierte Visualisierung virtueller
Welten. Die Visualisierung umfasst dabei sowohl die realitätsnahe Darstellung als auch die
Sichtbarmachung komplexer (geometrischer) Information. Ein wesentlicher Schwerpunkt werden dabei Methoden der virtuellen Realität sein, wobei der Benutzer z.B.~durch Verwendung
großer Stereo-Projektionsflächen ein größerer Eindruck der Immersion vermittelt wird. Methoden der virtuellen Realität stellen hohe Anforderung an Geschwindigkeit und Qualität der Darstellungen, bieten aber auch weitgehende Möglichkeiten der Interaktion des Benutzers mit der
virtuellen Welt.
Kooperationsbeziehungen
Es bestehen aktive Kooperationen mit folgenden Institutionen
• Max-Planck-Institut für Informatik, Saarbrücken
• Technische Universität Dresden
• REVES/INRIA Sophia-Antipolis, Frankreich
• Universität Montreal, Kanada
197
Professur für Informatik (Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung)
198
7.1
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
Anschrift: Cauerstrasse 6, 91058 Erlangen
Tel.: +49.9131.85.28923
Fax.: +49.9131.85.28928
E-Mail: [email protected]
Leitung:
Prof. Dr. Ulrich Rüde
Professor:
Prof. Dr. Christoph Pflaum
Sekretariat:
Heike Strohm
Wiss. Mitarbeiter:
Benjamin Bergen, M.S.
Uwe Fabricius
Dipl.-Inf. Christoph Freundl
Dipl. Math. Jochen Härdtlein
Frank Hülsemann, PhD
Dipl.-Inf. Harald Köstler
Dipl.-Inf.Markus Kowarschik
Dipl.-Phys. Thomas Pohl
Dipl.-Inf. Harald Schmidt
Dipl.-Inf. Nils Thürey
Dipl.-Ing. Jan Treibig
Ehemalige Mitarbeiter:
PD Dr. Graham Horton
El Mostafa Kalmoun, Ph.D.
Dipl.-Math. Marcus Mohr
1
Einführung
Der Lehrstuhl Informatik 10 beschäftigt sich mit der Verwendung von modernen Rechenanlagen als Simulationswerkzeug. Besonderes Interesse gilt der Umsetzung eines Modells in ein
möglichst effizientes Computerprogramm und der Frage, welche Modelle eine effiziente Umsetzung erlauben.
Die rechnergestützte Simulation realer Probleme ist ein vielseitiges Hilfsmittel in der Planung,
Analyse und Optimierung von Abläufen verschiedenster Art. Obwohl die Anwendungen sehr
unterschiedlich sein können, haben alle Simulationsprojekte eine gemeinsame Struktur. Nach
199
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
2
der Festlegung der Fragestellung wird ein Modell erstellt, welches das Problem nachbildet und
Antworten auf die gestellten Fragen liefern soll. Um das Modell in ein Computerprogramm umsetzen und dann simulieren zu können, müssen Kenngrößen des Problems erfasst werden. Nach
Ermittlung der problemspezifischen Kenngrößen (Modellparameter) kann das Modell in ein
Computerprogramm umgesetzt und anschließend simuliert werden. Wenn die Simulationsergebnisse vorliegen, müssen diese in der Regel für die Bewertung durch die Fragesteller aufbereitet werden.
Der Lehrstuhl 10 konzentriert sich auf die Bereiche der Modellierung, der Entwicklung von Algorithmen und der Erstellung von Computerprogrammen für die Simulationsberechnungen. Die
anderen Schritte im Simulationsprojekt verlangen entweder problemspezifisches Wissen, wie
beispielsweise die Festlegung der Fragestellung sowie die Bestimmung der Modellparameter,
oder sind eigenständige Themen, die auch ausserhalb der Simulation zum Einsatz kommen. Ein
Beispiel für letztere Kategorie ist das Gebiet der Visualisierung, das für die Aufbereitung der
Simulationsergebnisse eine wichtige Rolle spielt.
2
Forschungsschwerpunkte
Das Interessensgebiet des Lehrstuhl 10 liegt im Bereich der kontinuierlichen Simulation und
umfasst Aspekte der Modellierung, der Umsetzung eines Simulationsmodells in ein Computerprogramm und der Durchführung von Berechnungen für konkrete Anwendungen.
Der immer noch anhaltende Zuwachs an verfügbarer Rechenleistung wird in den Simulationsanwendungen durch zunehmend komplexere und hoffentlich realitätsnähere Modelle ausgeglichen, so dass der Bedarf an effizienten Methoden für die Simulationsberechnungen
unvermindert groß ist. Eben diese effizienten Methoden und deren Implementierung sind die
Forschungsschwerpunkte am Lehrstuhl 10.
Besonderes Interesse gilt den sogenannten Multilevel-Verfahren, die sich durch ihre optimale
algorithmische Komplexität auszeichnen. In anderen Worten, der Rechenaufwand für Multilevel-Verfahren ist direkt proportional zur Problemgröße. Damit erlauben es diese Verfahren,
Probleme zu behandeln, die weit ausserhalb der Reichweite anderer Ansätze liegen. Gerade auf
Superrechnern und den dort bearbeiteten Problemgrößen sind Multilevel-Verfahren unverzichtbar geworden. Werden diese Verfahren jedoch mit adaptiver Verfeinerung kombiniert und auf
parallelen Architekturen implementiert, so ist der Programmieraufwand beträchtlich. Neben der
Weiterentwicklung der Algorithmen selbst stehen deshalb zunehmend auch Fragen des Software-Engineering im Vordergrund der Forschung. Eine rein objektorientierte Vorgehensweise,
die auf Grund der Komplexität des Programmierproblems wünschenswert erscheinen mag, erfüllt (noch) nicht die Anforderungen an die Ausführungseffizienz und wird daher durch Mischtechniken ersetzt.
Neben der Entwicklung neuer Algorithmen wird auch der Einfluss der Rechnerarchitektur auf
die Implementierung bekannter Verfahren untersucht. Ein Schwerpunkt besteht in der optimierten Ausnutzung der Speicherhierarchien, insbesondere Caches, wie sie moderne Architekturen
aufweisen. Zum anderen gilt das Interesse auch dem Einsatz von vergleichsweise kostengünstigen Parallelrechnern, den sogenannten Workstationclustern, die aus vernetzten Arbeitsplatzcomputern aufgebaut werden.
Neben den eher klassisch zu nennenden Diskretisierungsmethoden wie Finite Differenzen und
Finiten Elementen, die zu den algebraischen Gleichungssystemen führen, die es dann mit Multilevel-Techniken zu lösen gilt, werden am Lehrstuhl auch neuere Ansätze wie Lattice-Boltzmann-Methoden untersucht. Lattice-Boltzmann-Methoden haben sich bei Berechnung von
Mehrphasenproblemen als robuste und flexible Diskretisierungstechnik erwiesen. In Zusam200
2.1
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
menarbeit mit anderen Lehrstühlen, die sich auf die Anwendung dieser Techniken auf konkrete
Probleme konzentrieren, wird am Lehrstuhl die effiziente Umsetzung dieser Methoden untersucht.
2.1 Numerische Simulation mit Höchstleistungsrechnern
Mit der Berufung von Herrn Pflaum auf die neu eingerichtete Professur für "Numerische Simulation mit Höchstleistungsrechnern" ist die Forschung am Lehrstuhl auf eine breitere Basis gestellt worden. Besondere Aufmerksamkeit gilt der Laser-Simulation und der Verwendung
moderner programmiertechnischer Ansätze wie expression templates.
2.2 Kooperationsbeziehungen
• Australian National University, Canberra, Mathematics (Dr. Stals)
• LAS-CAD GmbH, München
• Lawrence Livermore National Laboratory (Dr. Quinlan, Dr. Falgout)
• Paul Scherer Institut, Villingen (Dr. Adelmann)
• Ovidius Universität Constanta (Prof. Popa)
• Ruhr Universität Bochum, Anorganische Chemie (Dr. Schmid)
• Technion Israel Institute of Technology, Computer Science (Prof. Yavneh)
• Technische Universität München, Informatik (Prof. Bode)
• Universität zu Köln, Mathematisches Institut (Dr. Wienands)
• University of Canterbury, Christchurch, Electrical Engineering (Dr. Vanrumste)
• University of Colorado, Boulder, Mathematics (Prof. McCormick, Prof. Manteuffel)
• University of Kentucky, Computer Science (Prof. Douglas)
• University of Utah, Computer Science (Prof. Johnson)
• University of Houston, Computer Science (Prof. Garbey)
201
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
3
3
Forschungsprojekte
3.1 Altlastenbewältigung unter Einbeziehung des natürlichen
Reiniungsvermögens - Teilprojekt Modellierung
Projektleitung:
Prof. Dr. Peter Knabner
Beteiligte:
Prof. Dr. Ulrich Rüde
Stichwörter:
Grundwasserströmungen; Schadstofftransport; Modellierung; Hochleistungssimulation
Beginn: 1.6.2001
Förderer:
Bayrisches Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen
Mitwirkende Institutionen:
Lehrstuhl I für Angewandte Mathematik
Mit dem Verbundvorhaben sollen praktische Erkenntnisse zum Natürlichen Reinigungsvermögen (Natural Attenuation) an konkreten Standorten gewonnen werden und daraus praxisorientierte Handlungsempfehlungen für Planer und Behörden abgeleitet werden. Geklärt werden soll
insbesondere, unter welchen Rahmenbedingungen mit Natürlichem Reinigungsvermögen (Natural Attenuation) in berücksichtigungswürdigem Umfang gerechnet werden kann. Weiterhin
sind u. a. folgende Fragen zu beantworten:
Welche Basisdaten sind für die Erfassung und Bewertung des Natürlichen Reinigungsvermögens mindestens zu erheben? Reichen die bisher eingesetzten Verfahren zur Erkundung und Bewertung aus? Welche Methoden und Verfahren sind zusätzlich erforderlich und wie aufwändig
sind diese? Welche Informationen sind für einen Prognose der im Untergrund ablaufenden Prozesse erforderlich und wie kann deren Wirksamkeit kontrolliert werden?
3.2 BEO: Rationelle Energieverwendung in der Industrie - Prozeßwärme
Projektleitung:
Prof. Dr. rer. nat. Georg Müller
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Horst Hadler,Dipl.-Ing. Jan Treibig, Dr.-Ing. Thomas Jung,
Michael Kellner
202
3.3
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
Stichwörter:
Kristallzüchtung Parallelisierung
Laufzeit: 1.12.2001 - 30.6.2005
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Mitwirkende Institutionen: Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften VI (Kristalllabor),
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
Im Rahmen des BEO-Projekts wird ein Programmpaket geschaffen, um Hochtemperaturprozesse in 3D zu simulieren. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf objektorientiertem Softwaredesign,
um die Erweiterung und Weiterentwicklung des Pakets in der Zukunft sicherzustellen. Im ersten
Schritt werden Wärmeleitung und Wärmestrahlung simuliert. Für die Wärmeleitung kommt ein
Finite Elemente Verfahren auf unstrukturierten Gittern zum Einsatz. Um den enormen Rechnenanforderungen in der globalen 3D Simulation gerecht zu werden, gibt es die Option parallel
auf "distributed memory" Architekturen zu rechnen.
Ziel ist es,ein benutzerfreundliches und dennoch aktuelle numerische und algorithmische Verfahren nutzendes Softwarepaket für den Konstrukteur in der Industrie zu schaffen.
3.3 Datenlokale Iterationsverfahren zur effizienten Lösung partieller
Differentialgleichungen
Projektleitung:
Prof. Dr. Ulrich Rüde, Prof. Dr. Arndt Bode
Beteiligte:
Dr. Wolfgang Karl, Dipl.-Inf. Markus Kowarschik, Dr. Carsten Trinitis, Dr. Josef
Weidendorfer
Stichwörter:
cache-optimierte Verfahren, Mehrgitter
Laufzeit: 1.6.2000 - 30.4.2006
Förderer: DFG
Mitwirkende Institutionen:
Lehr- und Forschungseinheit Informatik X, Technische Universität München
Die Geschwindigkeit, mit der moderne Rechnerarchitekturen arithmetische Operationen durchführen können, übertrifft bei weitem die Geschwindigkeit, mit der die benötigten Daten vom
Speicher dem Prozessor zugeführt werden können. Es wird häufig versucht, dieses Problem
durch die Verwendung von schnellen Zwischenspeichern (Caches) zu umgehen. Um allerdings
die Cache-Hierarchien möglichst effizient auszunutzen, müssen die numerischen Algorithmen
an die Architektur angepasst werden. Das Ziel des Projektes ist es, Implementierungstechniken
203
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
3.3
für numerische Verfahren zur Lösung partieller Differentialgleichungen zu entwickeln, die die
Speicherhierarchien bestmöglich ausnutzen.
Publikationen
0XX
1. Christian Weiß; Wolfgang Karl; Kowarschik, Markus; Rüde, Ulrich: Memory Characteristics of Iterative Methods . In: ACM/IEEE (Veranst.) : Proceedings of the ACM/
IEEE Supercomputing Conference (Supercomputing 1999 Portland November 1999).
1999, S. 1-30.
2. Craig C. Douglas; Jonathan Hu; Kowarschik, Markus; Rüde, Ulrich; Christian Weiß:
Cache Optimization For Structured and Unstructured Grid Multigrid . In: Electronic
Transactions on Numerical Analysis 10 (2000), S. 21-40
3. Christian Weiß; Kowarschik, Markus; Rüde, Ulrich; Wolfgang Karl: Cache-aware Multigrid Methods for Solving Poisson’s Equation in Two Dimensions . In: Computing 64
(2000), Nr. 4, S. 381-399
4. Craig C. Douglas; Gundolf Haase; Jonathan Hu; Kowarschik, Markus; Rüde, Ulrich;
Christian Weiß: Portable Memory Hierarchy Techniques For PDE Solvers: Part I .
In: Siam News 33 (2000), Nr. 5, S. 1-4
5. Craig C. Douglas; Gundolf Haase; Jonathan Hu; Kowarschik, Markus; Rüde, Ulrich;
Christian Weiß: Portable Memory Hierarchy Techniques For PDE Solvers: Part II .
In: Siam News 33 (2000), Nr. 6, S. 1-4
6. Karl, Wolfgang; Kowarschik, Markus; Rüde, Ulrich; Weiß, Christian: DiMEPACK - A
Cache-Aware Multigrid Library: User Manual . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 2001 (01-1). - Interner Bericht
7. Kowarschik, Markus; Christian Weiß: DiMEPACK - A Cache-Optimized Multigrid Library . In: CSREA (Hrsg.) : Proceedings of the International Conference on Parallel and
Distributed Processing Techniques and Applications (PDPTA 2001) (International Conference on Parallel and Distributed Processing Techniques and Applications Las Vegas).
2001, S. 425-430.
8. Kowarschik, Markus; Christian Weiß; Rüde, Ulrich: Data Layout Optimizations for Variable Coefficient Multigrid . In: Peter M. A. Sloot; C.J. Kenneth Tan; Jack J. Dongarra;
Alfons G. Hoekstra (Hrsg.) : Computational Science - ICCS 2002 (ICCS 2002 Amsterdam April 2002). Berlin : Springer, 2002, S. 642-651. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 2331)
9. Kowarschik, Markus; Rüde, Ulrich; Thürey, Nils; Christian Weiß: Performance Optimization of 3D Multigrid on Hierarchical Memory Architectures . In: Juha Fagerholm;
Juha Haataja; Jari Järvinen; Mikko Lyly; Peter Raback; Ville Savolainen (Hrsg.) : Applied Parallel Computing (PARA 2002 Espoo Juni 2002). Berlin : Springer, 2002, S. 307316. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 2367)
10. Pohl, Thomas; Kowarschik, Markus; Jens Wilke; Klaus Iglberger; Rüde, Ulrich: Optimization and Profiling of the Cache Performance of Parallel Lattice Boltzmann Codes .
In: Parallel Processing Letters 13 (2003), Nr. 4, S. 549-560
204
3.4
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
3.4 Expression Templates für partielle Differentialgleichungen
Projektleitung:
Prof. Dr. Christoph Pflaum
Beteiligte:
Dipl. Math. Jochen Härdtlein
Stichwörter:
Template, partielle Differentialgleichungen
Laufzeit: 1.3.2003 - 1.3.2006
Förderer: DFG
Kontakt:
Prof. Dr. Christoph Pflaum
Tel.: +49.9131.85.28692, Fax: +49.9131.85.28928
E-Mail: [email protected]
Mit Hilfe von Expression Templates können numerische Algorithmen in einer Sprache implementiert werden, die der mathematischen Sprache zur Beschreibung der Algorithmen ähnelt.
Zur Implementierung von Algorithmen zur numerischen Lösung von partiellen Differentialgleichungen benötigt man insbesondere Differential-Operatoren, verschiedene Restriktions- und
Prolongations-Operatoren und Operatoren mit Hilfe derer man auch Rand-Bedingungen implementieren kann.
3.5 Flownoise: Numerische Simulation strömungsinduzierten Lärms
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Reinhard Lerch, Dr.-techn. Manfred Kaltenbacher
Beteiligte:
Prof. Dr. Ulrich Rüde, Prof. Dr. Dr. h.c. Franz Durst
Stichwörter:
Mehrfeldproblem, Hochleistungsrechnen, Programmkopplung, Fluid-AkustikKopplung
Laufzeit: 1.7.2002 - 30.6.2004
Förderer: KONWIHR
Mitwirkende Institutionen: Lehrstuhl für Sensorik, Lehrstuhl für Strömungsmechanik
205
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
3.6
Kontakt:
Frank Hülsemann, PhD
Tel.: +49.9131.85.28691, Fax: +49.9131.85.28928
E-Mail: [email protected]
Das Flownoise-Projekt hat sich die Simulation der Entstehung und der Ausbreitung strömungsinduzierten Schalls im hörbaren Bereich zum Ziel gesetzt. Durch Luftströmungen verursachter
Schall (Lärm) ist ein alltägliches Phänomen in der industrialisierten Welt. Fahrtgeräusche von
Fahrzeugen zählen genauso dazu wie die Geräuschbelästigung durch Lüfter. In diesem Projekt
wird die Geräuschentwicklung durch turbulete (Luft-)Strömungen untersucht. Die Herausforderung besteht darin, die bestehenden Simulationsprogramme für die Teilprobleme der Strömung und der Akustik zu koppeln. Im Gegensatz zum besser erforschten Themenbereich der
Fluid-Struktur-Wechselwirkung, in dem der Datenaustausch an Oberflächen stattfindet, müssen
hierbei Volumendaten ausgetauscht werden. Der Rechenzeitbedarf der Simulation der turbulenten Strömung macht den Einsatz von Großrechnern unverzichtbar.
Der Lehrstuhl Informatik 10 beteiligt sich an der Parallelisierung des Akustiklösers und bringt
seine Erfahrungen in der Programmentwicklung auf dem Bundeshöchstleistungsrechner in
München ein.
3.6 FreeWiHR - Simulation von Metallschäumen
Projektleitung:
Dr.-Ing. Carolin Körner
Beteiligte:
Dipl.-Phys. Michael Thies, Dipl.-Phys. Thomas Pohl, Roland Bunting, M.Sc.
Stichwörter:
Metallschaum, Lattice-Boltzmann, Strömungssimulation, Freie Oberflächen
Laufzeit: 1.1.2003 - 31.12.2004
Förderer:
KONWIHR
Mitwirkende Institutionen: Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Technologie der Metalle
Kontakt:
Dr.-Ing. Carolin Körner
Tel.: +49.9131.85.27528, Fax: +49.9131.85.27515
E-Mail: [email protected]
Die erfolgreiche Herstellung neuer Materialien setzt in den meisten Fällen die Beherrschung
sehr komplexer technologischer Prozesse voraus. Ein besonders hilfreiches Mittel bildet hierbei
die numerische Simulation. Sie dient sowohl zum Studium der Prozesskontrolle, als auch zur
Erhöhung des Prozessverständnisses. Dabei gewinnt in den letzten Jahren die Methode der Zel-
206
3.6
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
lularen Automaten (ZA) zunehmend an Bedeutung. Zellulare Automaten stellen eine ideale Methode dar, um physikalische Phänomene zu modellieren, die bei der Herstellung von
Werkstoffen auftreten. Dazu zählen die Ausbildung von Kornstrukturen oder von Dendriten bei
einer Erstarrung. Spezialformen der ZA, wie die Lattice Gas oder Lattice Boltzmann Methode
(LBM) eignen sich in hervorragender Weise zur Modellierung von Prozessen, bei denen Strömungen in komplexen, veränderlichen Geometrien auftreten. Dies sind nun genau die Situationen, die bei der Herstellung von Metallschaum oder von Verbundwerkstoffen durch Infiltration
von Faser- oder Pulverpreforms auftreten. Zur Modellierung müssen sowohl beim Schaum als
auch bei den Verbundwerkstoffen freie Oberflächen beschrieben werden. Für die Beschreibung
freier Oberflächen im Rahmen der LBM in zwei Raumdimensionen wurde in den letzten drei
Jahren am Lehrstuhl WTM erfolgreich ein Algorithmus entwickelt und implementiert.
Diese erfolgversprechenden Ansätze sollen als Grundlage einer optimierten, auf drei Raumdimensionen erweiterten Modellierung übertragen werden. Allerdings führt die Erweiterung auf
drei Raumdimensionen auf einen um den Faktor 1000 - 10000 höheren Rechenaufwand, der nur
mit Hilfe von Höchstleistungsrechnern in realistischen Zeiten zu bewältigen ist.
Ziel des geplanten Projektes ist es daher, in einem Verbund der Lehrstühle Werkstoffkunde und
Technologie der Metalle (WTM) und Informatik 10 (LSS) die Übertragung des Modells auf den
HLR herzustellen. Am Lehrstuhl WTM soll dabei der Schwerpunkt auf der Entwicklung numerischer 3D Verfahren für die Modellierung von komplexen dreidimensionalen Problemen mit
freien Oberflächen auf der Grundlage der LBM liegen.
Am Lehrstuhl für Informatik 10 sollen Datenstrukturen untersucht und entwickelt werden, die
zum einen an die komplizierten physikalischen Strukturen, z. B. Hohlräume in Metallschäumen, angepasst sind und zum anderen die vorgegebene Hardware optimal ausnutzen (verschiedene Kommunikationsarten, Lastbalancierung, Cache-Hierarchien).
Publikationen
0XX
1. Hans De Sterck; R. S. Markel; Pohl, Thomas; Rüde, Ulrich: A lightweight Java taskspaces framework for scientific computing on computational grids . In: ACM (Veranst.) :
Proceedings of the 2003 ACM Symposium on Applied Computing (ACM Symposium
on Applied Computing Melbourne(USA)). 2003, S. 1024-1030.
2. Jens Wilke; Pohl, Thomas; Kowarschik, Markus; Rüde, Ulrich: Cache Performance Optimizations for Parallel Lattice Boltzmann Codes . In: H. Kosch; L. Böszörményi; H.
Hellwagner (Hrsg.) : Euro-Par 2003. Parallel Processing. Berlin : Springer, 2003, S. 441450. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 2790)
3. Jens Wilke; Pohl, Thomas; Kowarschik, Markus; Rüde, Ulrich: Cache Performance Optimizations for Parallel Lattice Boltzmann Codes in 2D . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 2003 (03-3). - Interner Bericht
4. Pohl, Thomas; Kowarschik, Markus; Jens Wilke; Klaus Iglberger; Rüde, Ulrich: Optimization and Profiling of the Cache Performance of Parallel Lattice Boltzmann Codes .
In: Parallel Processing Letters 13 (2003), Nr. 4, S. 549-560
5. Pohl, Thomas; Kowarschik, Markus; Jens Wilke; Klaus Iglberger; Rüde, Ulrich: Optimization and Profiling of the Cache Performance of Parallel Lattice Boltzmann Codes
in 2D and 3D . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 2003
(03-8). - Interner Bericht
6. Thürey, Nils; Pohl, Thomas; Körner, Carolin; Rüde, Ulrich: Simulation von Metallschaum mittels der Lattice-Boltzmann Methode . In: Konwihr Quartl 35 (2003), S. 4-8
207
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
3.7
3.7 gridlib - Simulation und Visualisierung großer Datenmengen
Projektleitung:
Prof. Dr. Ulrich Rüde, Prof. Dr. Günther Greiner, Dr. Gunther Brenner
Beteiligte:
Frank Hülsemann, PhD, Dipl.-Inf. Peter Kipfer, Dipl.-Inf. Ulf Labsik, Dipl.-Phys.
Stefan Meinlschmidt, Benjamin Bergen, M.S.
Stichwörter:
hierarchische Gitter, parallele Verfahren, Visualisierung
Laufzeit: 1.11.2000 - 30.10.2003
Förderer: KONWIHR
Mitwirkende Institutionen:
Lehrstuhl für Informatik 9 (Graphische Datenverarbeitung)
Lehrstuhl für Strömungsmechanik
Kontakt:
Frank Hülsemann, PhD
Tel.: +49.9131.85.28691, Fax: +49.9131.85.28928
E-Mail: [email protected]formatik.uni-erlangen.de
Die Einsatz effizienter numerischer Verfahren wie Mehrgitter- und Multilevelmethoden auf
Höchstleistungsrechnern ermöglicht die Durchführung von Simulationen auf Datenmengen im
TerraByte-Bereich. Die Verarbeitung solcher Datenmengen zu Zwecken des Pre- und Postprocessing wäre aus praktischen Gründen nur auf dem Höchstleistungsrechner selbst sinnvoll. Andernfalls müssten zum einen die Daten über ein Netzwerk übertragen werden und zum anderen
müsste ausreichende Speicherkapazität zur Verfügung stehen. Um Pre- und Postprocessing, insbesondere Gittergenerierung und Visualisierung der Ergebnisse, dennoch extern durchführen
zu können, wird in diesem Projekt die durchgängige Verwendung von hierarchischen Gittern in
der Generierung, der Simulation und der Visualisierung untersucht.
Im Zentrum des Projektes steht die Entwicklung einer Gitterverwaltung für dreidimensionale,
hierarchische, hybride Gitter. Die weiteren Anforderungen an die Gitterverwaltung bestehen in
der parallelen Ausführbarkeit, da sie auf massiv-parallelen Architekturen eingesetzt werden
soll, sowie in einem flexiblen Interface zu den numerischen Lösern, um bestehende Software
mit der neuen Gitterverwaltung koppeln zu können.
Publikationen
0XX
1. Hülsemann, Frank; Kipfer, Peter; Rüde, Ulrich; Greiner, Günther: gridlib: Flexible and
efficient grid management for Simulation and Visualization . In: Peter M. A. Sloot; C. J.
Kenneth Tan; Jack J. Dongarra; Alfons G. Hoekstra (Hrsg.) : Computational Science ICCS 2002 (ICCS 2002 Amsterdam April 2002). Berlin : Springer, 2002, S. 652-661.
(Lecture Notes in Computer Science Bd. 2331)
208
3.8
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
2. Meinlschmidt, Stefan; Hülsemann, Frank; Kipfer, Peter; Rüde, Ulrich; Greiner, Günther: A parallel, object-oriented framework for grid based simulation and scientific visualization . In: L. Sushkova; Gerhäuser, Heinz (Hrsg.) : Information and
Communications Technologies: Chances and Challenges. Stuttgart : Fraunhofer IRB
Verlag, 2003, S. 9-17. - ISBN 3-8167-6369-3
3. Kipfer, Peter; Hülsemann, Frank; Meinlschmidt, Stefan; Greiner, Günther; Rüde, Ulrich: gridlib: A parallel, object-oriented framework for hierarchical hybrid grid structures in technical simulation and scientific visualizations . In: S. Wagner; W. Hanke; A.
Bode; Durst, Franz (Hrsg.) : High Performance Computing in Science and Engineering
2000-2002. Berlin : Springer, 2003, S. 489-501. - ISBN 3-540-00474-2
4. Hülsemann, Frank; Bergen, Benjamin; Rüde, Ulrich: Hierarchical hybrid grids as basis
for parallel numerical solution of PDE . In: H.Kosch; L. Böszörményi; H. Hellwagner
(Hrsg.) : Euro-Par 2003. Parallel Processing. Berlin : Springer, 2003, S. 840-843. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 2790)
5. Bergen, Benjamin; Hülsemann, Frank: Hierarchical hybrid grids: A framework for efficient multigrid on high performance architectures . Erlangen : Friedrich-AlexanderUniversität Erlangen-Nürnberg. 2003 (03-5). - Interner Bericht
3.8 Iterative Solvers for Inverse Bioelectric Field Problems
Projektleitung:
Prof. Dr. Ulrich Rüde
Beteiligte:
Prof. Dr. Constantin Popa, Prof. Dr. Christoper Johnson, Dipl.-Math. Marcus Mohr
Stichwörter:
bioelectric field; inverse problem; multilevel; projection method;
Laufzeit: 1.10.2001 - 30.9.2004
Förderer: NATO
Mitwirkende Institutionen:
Scientific Computing and Imaging Institute, University of Utah, Salt Lake City,
U.S.A.
Faculty of Mathematics and Computer Science, Ovidius University, Constanta,
Romania
Inverse problems are broadly characterized by their use of mathematical models for determining
unknown system inputs, sources, parameters and/or states from observed system outputs and responses. This is the reverse of the typical, forward solution process wherein all system inputs,
sources and parameters are known and mathematical models are used to predict the outputs and
states.
An important class of inverse problems are those found in bioelectric field imaging. This model
based analysis and visualization of bioelectric fields is of growing importance in the fields of
209
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
3.9
Cardiology, Neurology and Neurosurgery. A characteristic of such problems is that because of
the complex geometries, the number of degrees of freedom tends to be very large (on the order
of millions) such that it is essential to create and use efficient solution techniques.
The aim of the project is to design new efficient solvers for these class of inverse problems. The
research will be based on multilevel, conjugate gradient and row projection techniques. We plan
to develop a mathematical analysis and to incorporate the algorithms into the SCIRun problem
solving environment. SCIRun is a scientific programming environment that allows the interactive construction, debugging and steering of large-scale scientific computations. It will allow
for testing the performance of the new algorithms on meshes generated from realistic patient
MRI scans.
Publikationen
0XX
1. Mohr, Marcus; Popa, Constantin; Rüde, Ulrich: An Iterative Algorithm for Approximate
Orthogonalisation of Symmetric Matrices . In: International Journal of Computer Mathematics 81 (2004), Nr. 2, S. 215-226
2. Elena, Pelican; Popa, Constantin: Some Remarks on a Collocation Method for First Kind
Integral Equations . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.
2003 (Lehrstuhlbericht 03-1). - Interner Bericht. 7 Seiten
3. Mohr, Marcus; Popa, Constantin; Rüde, Ulrich: An Iterative Algorithm for Approximate
Orthogonalisation of Symmetric Matrices . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg. 2003 (Lehrstuhlbericht 03-2). - Interner Bericht. 10 Seiten
4. Mohr, Marcus; Bart Vanrumste: Comparing Iterative Solvers for Linear Systems associated with the Finite Difference Discretisation of the Forward Problem in Electroencephalographic Source Analysis . In: Medical & Biological Engineering & Computing 41
(2003), Nr. 1, S. 75-84
5. Popa, Constantin; Zdunek, Rafal: Kaczmarz Extended Algorithm for Tomographical
Image Reconstruction from Limited-Data . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg. 2003 (Lehrstuhlbericht 03-6). - Interner Bericht. 32 Seiten
6. Mohr, Marcus; Popa, Constantin; Rüde, Ulrich: Numerical Solution of Least-Squares
Problems by a Modified Kovarik Algorithm . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 2003 (Lehrstuhlbericht 03-7). - Interner Bericht. 8 Seiten
3.9 Mehrgitterverfahren in der Bildverarbeitung
Projektleitung:
Prof. Dr. Ulrich Rüde
Beteiligte:
El Mostafa Kalmoun, Ph.D.
Stichwörter:
Optical Flow Mehrgitterverfahren
210
3.10
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
Laufzeit: 1.1.2002 - 31.12.2005
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Kontakt:
Prof. Dr. Ulrich Rüde
Tel.: +49.9131.85.28924, Fax: +49.9131.85.28928
E-Mail: [email protected]
Die Verwendung partieller Differentialgleichungen in der Bildverarbeitung ist ein international
aktives Forschungsgebiet. Das hiesige Projekt befasst sich mit der Weiterentwicklung von gradienten-basierten Verfahren, insbesondere mit dem Optical Flow Ansatz. Bei dieser Technik
wird die Transformation eines Bildes in ein anderes als ein Strömungsvorgang aufgefasst. Anwendungsbeispiele sind die Komprimierung von Videodaten, die Analyse räumlicher Szenarien
sowie die Bearbeitung medizinischer Bilder, etwa bei der Bildregistrieung. Der wesentliche
Schritt besteht in der Berechnung der Projektion des räumlichen Strömungsfeldes auf die Bildflächen.
Der Ansatz von Horn und Schunk führt auf ein gekoppeltes System von Reaktions-Diffusionsgleichungen. Das von den beiden Autoren entwickelte Lösungsverfahren basiert aus Sicht der
Mehrgittertheorie auf einer punktweisen Glättung der gekoppelten Gleichungen. Solche Verfahren konvergieren langsam, wenn die Diffusionsterme das System dominieren. In diesen Fällen können Mehrgitterverfahren gewinnbringend eingesetzt werden. Erste Ergebnisse mit
einem Variationsansatz sind vielversprechend, lassen aber immer noch Spielraum für Verbesserungen in der Konvergenzgeschwindigkeit.
Publikationen
0XX
1. Kalmoun, El Mostafa; Rüde, Ulrich: A variational multigrid for computing the optical
flow . In: Thomas Ertl; Bernd Girod; Greiner, Günther; Niemann, Heinrich; Hans-Peter
Seidel; Eckehard Steinbach; Rüdiger Westermann (Hrsg.) : Vision Modeling and Visualization 2003. Berlin : Akademische Verlagsgesellschaft, 2003, S. 577-584.
2. Kalmoun, El Mostafa; Rüde, Ulrich: A variational multigrid for computing the optical
flow . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 2003 (Lehrstuhlbericht 03-4). - Interner Bericht. 9 Seiten
3.10 Numerische Simulation von Lasern
Projektleitung:
Prof. Dr. Christoph Pflaum
Stichwörter:
Laser, numerische Simulation
211
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
3.11
Laufzeit: 1.1.2004 - 1.1.2007
Förderer: Bayerisch-Kalifornisches Hochschulzentrum, Infineon
Mitwirkende Institutionen:
Lawrence Livermore National Laboratory
Kontakt:
Prof. Dr. Christoph Pflaum
Tel.: +49.9131.85.28692, Fax: +49.9131.85.28928
E-Mail: [email protected].de
Laser werden in vielen industiellen Anwendungen benötigt. Um optimale Laser herzustellen ist
die Simulation dieser sehr wichtig. Hierbei ist insbesondere die Simulation der optischen Welle
in einem Laser entscheidend. Im Falle von Festkörperlasern ist es zusätzlich notwendig die
Temperatur und die Spannungen in einem Laser zu simulieren und im Falle von Halbleiterlasern die Simulation der Elektronendichte. Ziel des Projektes ist die Entwicklung neuer Techniken zur Simulation von Lasern. Hierbei soll zuerst das zeitabängige Verhalten von Lasern
genauer untersucht werden.
3.11 Par-EXPDE- Effiziente objektorientierte Mehrgitterverfahren auf
hierarchisch-hybriden, adaptiven Gittern
Projektleitung:
Prof. Dr. Christoph Pflau
Beteiligte:
Prof. Dr. Ulrich Rüde, Dipl.-Inf. Christoph Freundl
Stichwörter:
Mehrgitter; multilevel; adaptiv; hybride Gitter; objektorientiert
Laufzeit: 1.11.2001 - 30.10.2003
Förderer: KONWIHR
Kontakt:
Prof. Dr. Christoph Pflaum
Tel.: +49.9131.85.28692, Fax: +49.9131.85.28928
E-Mail: [email protected]
Das Ziel des Projektes ist die Parallelisierung und Portierung des finiten Element Programmes
EXPDE auf den Bundeshöchstleistungsrechner. Bei dem Programm EXPDE handelt es sich um
einen flexiblen, auf halb-unstrukturierten Gittern aufbauenden finite Element Mehrgitterlöser,
der bereits auf nichtlineare Wärmeleitungs-, Elastizitäts-, Transport- und Stokesprobleme angewendet worden ist.
212
3.12
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
Dieses Programm soll nun in enger Zusammenarbeit mit dem gridlib Projekt auf die Hitachi
SR8000 portiert werden. Dabei wird der Entwicklung neuartiger, objektorientierter Programmiertechniken für Supercomputer eine entscheidende Bedeutung zukommen
3.12 Weiterentwicklung eines erfolgreichen Programmpaketes zur
Designoptimierung diodengepumper Festkörperlaser durch Simulation
der Laserdynamik
Projektleitung:
Konrad Altmann
Beteiligte:
Prof. Dr. Christoph Pflaum
Stichwörter:
Laser Simulation
Laufzeit: 1.7.2000 - 31.12.2003
Förderer: Bayerische Forschungsstiftung
Kontakt:
Prof. Dr. Christoph Pflaum
Tel.: +49.9131.85.28692, Fax: +49.9131.85.28928
E-Mail: [email protected]
Die derzeitige Entwicklung auf dem Gebiet der Optik und der Lasertechnik ist gekennzeichnet
durch einen Trend zur Miniaturisierung einerseits und der Leistungsteigerung andererseits. Da
eine 3D Vermessung der thermischen Verteilungen wegen der geringen Abmessungen meist
nicht oder nur mit großem Aufwand durchgeführt werden kann, ist deren genaue numerische
Berechnung und Simulation für die Auslegung des Systems von entscheidender Bedeutung.
Publikationen
0XX
1. K. Altmann; Pflaum, Christoph; D. Seider: Semi-Unstructured Grids in the Laser Simulation Program LASCAD . In: PAMM 2 (2003), Nr. 1, S. 438-439
4
Veröffentlichungen und Vorträge
4.1 Veröffentlichungen
0XX
1. Kowarschik, Markus; Christian Weiß: An Overview of Cache Optimization Techniques
and Cache-Aware Numerical Algorithms . In: U. Meyer; P.Sanders; J. Sibeyn (Hrsg.) :
Algorithms for Memory Hierarchies - Advanced Lectures. Berlin : Springer, 2003, S.
213-232. (Lecture Notes in Computer Science Bd. 2625) - ISBN 3-540-00883-7
2. T. Manteuffel; S. McCormick; Pflaum, Christoph: Improved discretization error estima213
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
4.2
tes for first-order system least squares . In: Journal of Numerical Mathematics 11 (2003),
Nr. 2, S. 163-177
3. Fabricius, Uwe: Comparison of two implementations of AMG-preconditioned CG
considering an electrostatic problem . Erlangen : Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. 2004 (04-1). - Interner Bericht
4.2 Vorträge
13.01.2003 Markus Kowarschik:
Hardware-Oriented Locality Optimizations for Iterative Methods,
Oberseminar Wissenschaftliches Rechnen, TU München.
14.03.2003 Ulrich Rüde
Simulieren geht über Probieren: Revolutionizing Science and Engineering through High Performance Simulation, eingeladener Vortrag
für die Sitzung des Dagstuhl-Beirats.
19.03.2003 Ulrich Rüde
Computational Engineering: New Interdisciplinary Degree Programs
at University of Erlangen-Nuremberg, Universität Amsterdam.
09.05.2003 Ulrich Rüde
Simulieren geht über Probieren: Revolutionizing Science and Engineering through High Performance Simulation, RWTH Aachen.
14.05.2003 Ulrich Rüde
Simulation mit Höchstleistungsrechnern: Revolutionizing Science
and Engineering through High Performance Simulation", ASIMWorkshop, Nürnberg.
Ulrich Rüde
Simulieren geht über Probieren: Revolutionizing Science and Engineering through High Performance Simulation, Informatikkolloquium, TU München.
5
Promotionen
6
Studien- und Diplomarbeiten
6.1 Studienarbeiten
• Weigand, Stefan: Comparison of METIS and ParMETIS based Parallel Grid Partitioning
• Thies, Jonas: Domain Decomposition for the Wave Equation
214
6.2
Lehrstuhl für Informatik 10 (Systemsimulation)
• Fridmann, Irina: Ein Multizeitsample-Modell für die Dipollokalisation
• Henninger, Christoph: Modellierung räumlicher Objektverteilungen mittels stochastischer Optimierung
• Fleißner, Florian: Optimization of Multigrid Components for High-Performance
Architectures
• Christadler, Iris: Patch-Adaptive Iterative Methods for Partial Differential Equations
• Wilke, Jens: Cache Optimizations for the Lattice Boltzmann Method in 2D
• Iglberger, Klaus: Performance Analysis and Optimization of the Lattice Boltzmann
Method in 3D
• Varshavskyy, Mykhaylo: Sensitivitätsanalyse für die Dipollokalisation
• Altendorfner, Florian: Simulation des Einlaufbereichs eines Riserreaktors
6.2 Diplomarbeiten
• Köstler, Harald: Akkurate Behandlung von Singularitäten bei partiellen Differentialgleichungen
• Thürey, Nils: Lattice Boltzmann method for single-phase free surface flows in 3D
7
Bachelor- und Master Theses
7.1 Master Theses
• Wambou, Roger: Implementation of an efficient Level-Set-Algorithm for the simulation of photoresist profiles in optical lithography
• Moers, Sascha: Bioelectric Field Simulation and Visualization: Anisotropic Conductivities for the Skull and Brain White Matter
215
Professur für Informatik (Numerische Simulation mit Höchstleistungsrechnern)
1
Professur für Informatik (Numerische Simulation mit
Höchstleistungsrechnern)
Die Professur für Informatik "Numerische Simulation mit Höchstleistungsrechnern" wurde im
Juni 2003 eingerichtet. Die Forschung dieser Professur betrifft einerseits grundlegende Techniken zur Implementierung paralleler Algorithmen auf Höchstleistungsrechnern als auch die numerische Simulation in Bezug auf verschiedene technische Anwendungen. Damit
Höchstleistungsrechner schneller zur numerischen Simulation konkreter Anwendungen genutzt
werden können, ist es wichtig Bibliotheken zu entwickeln, welche die Implementierung von numerischen Algorithmen auf Höchstleistungsrechnern erleichtern. Erreicht werden kann dies
zum Beispiel durch die Verwendung von Expression Templates. Die Entwicklung von Bibliotheken muß jedoch immer im Hinblick auf konkrete Anwendungen geschehen. Beispiele solcher Anwendungen sind die numerische Simulation von Teilchenbeschleunigern und
numerische Simulationen im Bereich der Photonik wie zum Beispiel die Simulation von Lasern.
Laser werden ein vielen technischen Anwendungen benötigt. Die Simulation von Lasern ist
sehr komplex und daher gibt es zur Zeit noch kein Simulationprogramm das das zeitliche und
3-dimensionale Verhalten von Lasern simulieren kann. Deshalb ist es notwendig neue Verfahren zur Simulation von Lasern zu entwicklen, die eine genaue Analyse und damit eine Optimierung der Qualität von Lasern ermöglicht.
1
Forschungsschwerpunkte
• Lasersimulation
• Simulation von Teilchenbeschleunigern
• Hochleistungsrechnen
Die Forschungsprojekte sind beim Lehrstuhl Informatik 10 dargestellt.
2
Kooperationsbeziehungen
• Infinion, München (Dr. Steinle)
• LAS-CAD GmbH, München
• Lawrence Berkeley National Laboratory (Dr. Ryan)
• Lawrence Livermore National Laboratory (Dr. Falgout)
• Paul Scherer Institut, Villingen (Dr. Adelmann)
216
3
3
Professur für Informatik (Numerische Simulation mit Höchstleistungsrechnern)
Forschungsprojekte
3.1 Expression Templates für partielle Differe-ntialgleichungen
Projektleitung:
Prof. Dr. Christoph Pflaum
Beteiligte:
Dipl. Math. Jochen Härdtlein
Stichwörter:
Template, partielle Differentialgleichungen
Laufzeit: 1.3.2003 - 1.3.2006
Förderer: DFG
Kontakt:
Prof. Dr. Christoph Pflaum
Tel.: +49.9131.85.28692, Fax: +49.9131.85.28928,
E-Mail: [email protected]
Mit Hilfe von Expression Templates können numerische Algorithmen in einer Sprache implementiert werden, die der mathematischen Sprache zur Beschreibung der Algorithmen ähnelt.
Zur Implementierung von Algorithmen zur numerischen Lösung von partiellen Differentialgleichungen benötigt man insbesondere Differential-Operatoren, verschiedene Restriktions- und
Prolongations-Operatoren und Operatoren mit Hilfe derer man auch Rand-Bedingungen implementieren kann.
217
Professur für Informatik (Numerische Simulation mit Höchstleistungsrechnern)
218
3.1
Lehrstuhl für Informatik 11 (Software Engineering)
Anschrift: Martensstraße 3, 91058 Erlangen
Tel.: +49.9131.85.27877
Fax.: +49.9131.85.28746
E-Mail: [email protected]
Leitung:
Prof. Dr. Francesca Saglietti
Sekretariat:
Ingeborg Rentsch, M.A.
Honorarprofessoren:
Prof. Dr.-Ing. Bernd Hindel
Prof. Dr.-Ing. Detlef Kips
Lehrbeauftragte:
Dr. Georg Heidenreich
Wiss. Mitarbeiter:
Maryna Didkovska, M.Sc.
Dipl.-Inf. Johannes Drexler
Dipl.-Inf. Martin Jung
Dipl.-Math. Annette Merkel
Dipl.-Inf. Norbert Oster
Dipl.-Math. Jens Palluch
Dipl.-Inf. Herbert Reiter
Externe Doktoranden:
Dipl.-Inf. Karl.-L. Heinrich
Nichtwiss. Personal:
Dipl.-Ing. (FH) Gerd Schober
1
Einführung
Der Ende 2001 gegründete Lehrstuhl für Software Engineering befasst sich mit der ingenieurmäßigen Entwicklung und dem Zuverlässigkeitsnachweis komplexer Softwaresysteme
hoher Qualität unter Berücksichtigung der einzusetzenden Arbeits- und Zeitressourcen.
Nachdem das erste Jahr des Lehrstuhls im wesentlichem dem Aufbau des Lehr- und Forschungsbetriebs sowie organisatorischen Aufgaben gewidmet wurde, standen im zweiten Jahr
219
Lehrstuhl für Informatik 11 (Software Engineering)
2
vor allem die Ausweitung industrieller Kontakte, besonders im fränkischen Raum, sowie die Erweiterung des Lehrangebots auf neue Studiengänge im Mittelpunkt. Auch dieses Jahr kann sich
der Lehrstuhl über die erzielten Fortschritte und über das Interesse zahlreicher Studierender für
das in Erlangen noch relativ junge Lehrgebiet Software Engineering erfreuen.
Das bereits vorhandene Lehrangebot, bestehend aus einer Grundlagen- und vier darauf aufbauenden Spezialvorlesungen sowie praktischen Übungen und Seminaren, wurde im zweiten Jahr
um eine weitere Spezialvorlesung und um neue Seminarthemen mit industriellem Hintergrund
erweitert.
Über die von den bisherigen Lehrveranstaltungen bereits angesprochenen Studiengänge der Informatik, der Wirtschaftsinformatik und des Computational Engineering hinaus wurde seitens
weiterer Studiengänge, u.a. der Informations- und Kommunikationstechnik, der Mechatronik,
des Maschinenbaus, der Elektrotechnik und der Computerlinguistik der Bedarf nach entsprechendem Lehr- und Prüfangebot auf dem Gebiet der Softwaretechnik zum Ausdruck gebracht
und in entsprechenden Prüfungsordnungen festgehalten. Die Umsetzung dieser zusätzlichen
Lehranforderungen, die die Praxisrelevanz des vertretenen Fachs für Ingenieure bestätigen, ist
gerade im Gange.
2
Forschungsschwerpunkte
Der Forschungsschwerpunkt Erstellung und Zuverlässigkeitsnachweis komplexer Software
umfasst folgende Teilgebiete:
• Auswirkung des Erstellungsprozesses auf die Softwarequalität
• Objektorientierte Entwurfs- und Analyseverfahren
• Verifikations- und Validierungsverfahren
• Quantitative Bewertung der Softwarezuverlässigkeit
• Wiederverwendung vorgefertigter Softwarebausteine
• Fehlertolerierende Softwarearchitekturen
• Zertifizierung und Genehmigung sicherheitsrelevanter Software (safety)
• Erzielung und Nachweis von Systemsicherheit (security)
• Menschliche Faktoren bei Erstellung und Bedienung komplexer Software
2.1 Kooperationsbeziehungen
Im aktuellen Berichtszeitraum wurden die langjährig bestehenden wissenschaftlichen nationalen und internationalen Kooperationen fortgesetzt, erweitert und um neue regionale Kontakte
ergänzt.
Industrielle Kooperationen: Dank der besonders im Automatisierungssektor hoch industrialisierten Region Franken ergaben sich bald Anknüpfungspunkte mit der Industrie, vor allem mit
lokalen Entwicklungshäusern. Im Rahmen erster Forschungskooperationen, u. a. mit Infoteam
Software, Siemens Automation & Drives und Volkswagen wurden bzw. werden anhand konkreter Anwendungsbeispiele allgemeine softwaretechnische Probleme wissenschaftlich untersucht, um anschließend die theoretisch gewonnenen Lösungsansätze praxisnah umzusetzen.
Unter den ersten Industrie-Kooperationen sind Untersuchungen zu folgenden Themen zu er220
2.2
Lehrstuhl für Informatik 11 (Software Engineering)
wähnen: Spezifikation und Analyse von Software-Anforderungen, automatische Testfallgenerierung und UML-basierte Beschreibung von GUI-Prototypen.
Bei den industriellen Kooperationen wie bei den sonstigen Lehrstuhlprojekten werden die theoretisch hergeleiteten softwaretechnischen Verfahren in Werkzeuge umgesetzt mit dem Ziel,
auch für komplexe Softwaresysteme eine möglichst vollständige Automatisierung ihres Einsatzes zu unterstützen.
Internationale Kooperationen: Im Rahmen seiner koordinierenden Funktionen im European
Workshop on Industrial Computer Systems und im European Network of Clubs for Reliability
and Safety of Software-Intensive Systems kooperierte der Lehrstuhl auch im Jahr 2003 an der
Organisation der Tagungsreihe SAFECOMP (International Conference on Computer Safety,
Reliability and Security), die im September 2003 zum 22. Mal eine inzwischen fest konsolidierte industriell / akademische Gemeinschaft zusammenführte. An der Gestaltung der diesjährigen
Tagung in Edinburgh beteiligte sich der Lehrstuhl im Rahmen einer Podiumsdiskussion zum
Thema Verlässliche eingebettete Systeme.
Die bereits bestehende Lehrstuhltätigkeit im Zusammenhang mit der Gestaltung internationaler
wissenschaftlicher Publikationen konnte im Jahr 2003 um die Funktion eines assoziierten Herausgebers der Fachzeitschrift Real-Time Systems - The International Journal of Time-Critical
Computing Systems erweitert werden.
Nationale Kooperationen: Höhepunkt der Tätigkeit im Leitungsgremium des neuen Fachbereichs Sicherheit - Schutz und Zuverlässigkeit war 2003 die Organisation einer der Sicherheit
gewidmeten Teiltagung im Rahmen der Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik. Die erfreuliche Resonanz auf diese Veranstaltung, die im Herbst in Frankfurt stattfand, bestätigt die
zunehmende Bedeutung der Softwarezuverlässigkeit für die moderne informationstechnische
Gesellschaft. An dieser Tagung beteiligte sich der Lehrstuhl u. a. mit einem Beitrag zum Thema
IT-Sicherheitsnormung.
Regionale Kooperationen: In Bezug auf die regionale Lehrstuhlpräsenz sind Vorträge anlässlich der Tagung Automation Days - Software in Automation Technology in Nürnberg sowie im
Rahmen der öffentlichen Vortragsreihe der Technischen Fakultät und der Fraunhofer Gesellschaft in Erlangen zu nennen.
2.2 Kooperationspartner:
• afra GmbH
• BASYS GmbH (develop group)
• Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik
• Centre for Software Reliability (UK)
• Forschungszentrum Karlsruhe
• Forschungszentrum Seibersdorf (A)
• infoteam Software GmbH
• Marconi Secure Systems (UK)
• method park Software AG
• Siemens AG Medical Solutions
221
Lehrstuhl für Informatik 11 (Software Engineering)
3
• Siemens AG Automation & Drives
• Universität Frankfurt am Main
• Technische Universität Ilmenau
• Volkswagen AG
3
Forschungsprojekte
3.1 Automatische datenflussorientierte Testfallerzeugung für objektorientierte Softwaresysteme mittels evolutionärer Verfahren
Projektleitung:
Prof. Dr. Francesca Saglietti
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Norbert Oster
Stichwörter:
Testen; Automatische Testfallerzeugung; Datenfluss; Evolutionäre Verfahren;
Genetische Algorithmen
Beginn: 1.8.2002
Kontakt:
Dipl.-Inf. Norbert Oster
Tel.: +49.9131.85.28747, Fax: +49.9131.85.28746
E-Mail: [email protected]
Die Zunahme der Komplexität moderner Softwaresysteme stellt trotz deutlich verbesserter Entwicklungsmethoden heute noch das Haupthindernis auf dem Weg zur fehlerfreien Programmerstellung dar. Größe und Budget heutiger Projekte verbieten meist eine vollständige formale
Verifikation, die selbst in realisierbaren Fällen nur die logische Domäne der Programme und
nicht ihr reales Umfeld einbezieht, weshalb dem Testen als Qualitätssicherungsmaßnahme vor
der Freigabe der Software ein hoher Stellenwert eingeräumt wird. Um die Chancen der Fehlererkennung während der Testphase zu erhöhen, werden Testfälle nach unterschiedlichen Strategien ausgewählt: Während funktionales Testen die Eingaben aus den spezifizierten
Anforderungen herleitet, streben strukturelle Tests eine möglichst vollständige Ausführung des
Codes an. Bedingt durch die Komplexität der Kontrollstrukturen ist die Ermittlung geeigneter
Testdaten zur Erfüllung datenflussorientierter Überdeckungskriterien besonders zeitaufwändig.
Selbst wenn Testdaten zufällig generiert werden, müssen sie darüber hinaus meist manuell auf
Korrektheit überprüft werden, so dass ihre Anzahl entscheidend zu Buche schlägt.
Ziel des laufenden Projekts ist es, die Generierung adäquater Mengen datenflussorientierter
Testfälle zu automatisieren und unterschiedliche Verfahren hinsichtlich ihrer Eignung nach verschiedenen Kriterien (Güte, Aufwand) zu untersuchen. Als geeignete Such- und Optimierungsalgorithmen haben sich Evolutionäre Verfahren in unterschiedlichen Anwendungen erwiesen.
222
3.2
Lehrstuhl für Informatik 11 (Software Engineering)
Bisherige Arbeiten empfehlen bereits Genetische Algorithmen, jedoch wurde ihre Anwendbarkeit lediglich auf einfache Kontrollflusskriterien (etwa nach erzielten Anweisungs- oder Verzweigungsüberdeckungsmaßen) untersucht. Auch hat man bisher entweder eigene
Programmiersprachen definiert oder bestehende soweit eingeschränkt, dass die Verfahren nicht
mehr ohne weiteres auf reale Projekte übertragbar sind.
Das Forschungsvorhaben befasst sich mit folgenden Zielsetzungen:
• Dynamische Analyse der Testausführung
• Globale Optimierung von Testdatensätzen
• Statische Analyse des Testobjekts
• Lokale Optimierung zusätzlich erforderlicher Testdaten
• Erweiterung der evolutionären Suchheuristik
3.2 Entwicklung einer Methode zur Beschreibung und Sicherstellung von
Schutzzielen auf Komponentenebene
Projektleitung:
Prof. Dr. Francesca Saglietti
Beteiligte:
Dipl.-Math. Jens Palluch
Stichwörter:
komponentenbasierte Software; Schutzziele;
Beginn: 1.12.2003
Kontakt:
Dipl.-Math. Jens Palluch
Tel.: +49.9131.85.27868, Fax: +49.9131.85.28746
E-Mail: [email protected]
Die zunehmende Vernetzung heutiger Softwaresysteme setzt diese einer immer größer werdenden Bedrohung aus. Durch Schwachstellen im System wird die Bedrohung zu einer Gefahr für
die enthaltenen Daten. Diese Gefahr kann zur Verletzung von Schutzzielen wie z.B. Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit führen.
Die Schwachstellen eines Softwaresystems entstehen zum Teil dadurch, dass die einzuhaltenden Schutzziele nicht vollständig und eindeutig beschrieben werden, der Beitrag der einzelnen
Komponenten des Softwaresystems zur Einhaltung der Schutzziele nicht explizit festgelegt
wird, die Umsetzung eines Schutzmechanismus nur unzureichend in allen Komponenten erfolgt.
Von großer Bedeutung ist daher ein Gesamtkonzept, das von der Beschreibung der einzuhaltenden Schutzziele auf Applikationsebene bis hin zur automatischen Generierung eines Schutzmechanismus zur Sicherstellung der Schutzziele auf Komponentenebene reicht.
223
Lehrstuhl für Informatik 11 (Software Engineering)
3.3
3.3 Erarbeitung einer Methodik zur Erstellung eindeutiger und
überprüfbarer Anforderungsspezifikationen in natürlicher Sprache
Projektleitung:
Dipl.-Math. Jens Palluch
Beteiligte:
Oliver Steffen Weiß
Stichwörter:
Anforderungen; natürliche Sprache; Anforderungen
Laufzeit: 1.6.2003 - 1.3.2004
Förderer: infoteam Software GmbH
Das Beschreiben von Anforderungen in natürlicher Sprache nimmt einen unverzichtbaren Anteil bei der Erstellung von Software-Spezifikationen ein. Die Flexibilität natürlicher Sprache
führt aber in der Regel zu Redundanzen, Mehrdeutigkeiten und Widersprüchen in den Anforderungen. Außerdem lassen sich Anforderungen in natürlicher Sprache nur sehr schwer auf gewünschte Eigenschaften prüfen.
Im Rahmen dieses Vorhabens sind Anforderungen anhand eines konkreten Projekts aus der Industrie zu ermitteln und in natürlicher Sprache zu dokumentieren. Ziel der Arbeit ist es, eine
Methodik zur Erstellung eindeutiger und überprüfbarer Anforderungsspezifikationen in natürlicher Sprache zu erarbeiten.
3.4 Erkennung selten auftretender Softwarefehler durch Last-Tests von
Kommunikationssystemen
Projektleitung:
Prof. Dr. Francesca Saglietti
Beteiligte:
Dipl.-Math. Annette Merkel
Stichwörter:
Kommunikationssysteme; Testen; Lasttests; Kommunikationsnetze
Beginn: 1.8.2003
Kontakt:
Dipl.-Math. Annette Merkel
Tel.: +49.9131.85.27867, Fax: +49.9131.85.28746
E-Mail: [email protected]
Das Testen der Software von Kommunikationssystemen ist eine sehr komplexe Aufgabe. Be224
3.5
Lehrstuhl für Informatik 11 (Software Engineering)
sonders schwer erkennbar sind dabei Softwarefehler, welche nur unter seltenen Bedingungen
auftreten. Einerseits ist damit zu rechnen, dass derartige Fehler in kleinen Netzen extrem selten
auftreten; andererseits wäre das Testen größerer Netze, in denen diese Fehler häufiger auftreten
würden, mit zu hohen Kosten verbunden.
Um die Erkennbarkeit derartiger Fehler vor Inbetriebnahme dennoch zu erhöhen werden systematische Methoden benötigt, welche die Reproduzierbarkeit realistischer Fehlerszenarien im
Test - auch unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Gesichtspunkte - zu optimieren erlauben.
Angesichts dieses Bedarfs wird auf der Basis aktueller industrieller Erfahrungen der Einfluss
von Last-Tests auf die Erkennung von Softwarefehlern in Kommunikationssystemen untersucht.
3.5 Erzielung und Bewertung software-ergonomischer Merkmale in den
frühen Spezifikations- und Entwurfsphasen
Projektleitung:
Prof. Dr. Francesca Saglietti
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Karl.-L. Heinrich
Stichwörter:
Ergonomie; Software-Ergonomie;
Beginn: 1.1.2004
Kontakt:
Dipl.-Inf. Karl.-L. Heinrich
E-Mail: [email protected]
Ob ein Computerprogramm ergonomischen Ansprüchen genügt, stellt man in aller Regel erst
nach Fertigstellung der zu prüfenden Software fest, also zu einem Zeitpunkt, an dem die Kosten
für potentielle Modifikationen bereits enorm angewachsen sind.
Das Forschungsvorhaben befasst sich mit dem wesentlich kostengünstigeren Ansatz, bereits in
den Spezifikations- und Designphasen ergonomische Belange zu berücksichtigen.
Es wird untersucht, inwieweit sich allgemeingültige Grundsätze ergonomischer Gestaltung in
UML-Diagrammen oder ähnlichen Notationen niederschlagen und wie sie anhand derselben bewertet werden können.
3.6 Integrationstest komponentenbasierter Software
Projektleitung:
Prof. Dr. Francesca Saglietti
Beteiligte:
Maryna Didkovska, M.Sc.
225
Lehrstuhl für Informatik 11 (Software Engineering)
3.7
Stichwörter:
Integrationstest; komponentenbasierte Software;
Beginn: 1.12.2003
Kontakt:
Maryna Didkovska, M.Sc.
Tel.: +49.9131.85.27867, Fax: +49.9131.85.28746
E-Mail: [email protected]
Infolge des damit verbundenen Einsparungspotentials an Entwicklungskosten wächst die wirtschaftliche Attraktivität komponentenbasierter Softwaresysteme. Durch das ihnen zugrundeliegende Bausteinprinzip vereinfacht sich zwar ihre Erstellung mittels vorgefertigter
Softwareteile. Allerdings sind zum Zuverlässigkeitsnachweis des integrierten Systems Verfahren zum systematischen Testen der Komponentenschnittstellen erforderlich, für die noch Forschungsbedarf besteht.
Dieses Vorhaben soll deshalb - in Abhängigkeit von unterschiedlichen zwischen den Komponenten bestehenden Kopplungsarten - strukturelle Kriterien und Maße für die während des Integrationstests erzielte Schnittstellenüberdeckung herleiten. Auf der Basis der ermittelten
Kriterien und Kenngrößen wird eine systematische Generierung von Integrationstestfällen angestrebt, um den durch Testläufe bereits erreichten Grad an Schnittstellenüberdeckung systematisch zu erhöhen.
3.7 Modellbasierte Erzeugung von Testfällen
Projektleitung:
Dipl.-Inf. Martin Jung
Beteiligte:
Mirco Richter
Stichwörter:
UML, Modell, Testen, Testfallerzeugung
Beginn: 1.1.2004
Förderer: afra GmbH
Im Rahmen von modellgetriebener Entwicklung von Softwaresystemen wird zunächst ein detailliertes Modell des Systems erstellt, aus dem große Teile der Implementierung automatisch
erzeugt werden. Der Ansatz, auch Informationen über Testfälle und Testszenarien in einem solchen Modell unterzubringen, liegt daher nahe.
In der anzufertigenden Arbeit soll zunächst das UML Testing Profile auf seine Anwendbarkeit
analysiert werden. Basierend auf dieser Analyse soll ein eigenes Profil in Anlehnung an das
UML Testing Profile entworfen und umgesetzt werden, das die Modellierung von Testfällen für
einen speziellen Anwendungskontext ermöglicht.
226
3.8
Lehrstuhl für Informatik 11 (Software Engineering)
Ziel der Arbeit ist neben der erwähnten Erstellung eines Profils für die Beschreibung von Testfällen auch die darauf basierende Realisierung eines Generators, der Modelle dieses Profils interpretiert und Testskripte für eine Zielsprache automatisch erzeugen kann. Dabei sollen
exemplarisch einfache Testskripte für Methodentests sowie komplexere, auf Sequenzdiagrammen basierende Testskripte generiert werden.
3.8 Softwarezuverlässigkeitsbewertung unter Berücksichtigung der mit
vorgefertigten Komponenten gewonnenen Betriebserfahrung
Projektleitung:
Prof. Dr. Francesca Saglietti
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Herbert Reiter
Stichwörter:
Software-Zuverlässigkeit; Operationsprofile; Komponenten
Beginn: 1.5.2003
Kontakt:
Dipl.-Inf. Herbert Reiter
Tel.: +49.9131.85.28747, Fax: +49.9131.85.28746
E-Mail: [email protected]
In Anwendungsbereichen, in denen an bestehende Software hohe Zuverlässigkeitsanforderungen gestellt werden, ist der Nachweis eines gewissen Grades an Softwarezuverlässigkeit unabdingbar und teilweise auch vorgeschrieben. Die Zuverlässigkeitsbewertung wird dabei über die
Durchführung von möglichst dem Betriebsprofil entsprechenden Testfällen realisiert.
In diesem Projekt werden folgende Fragestellungen im Zusammenhang mit folgenden Themen
untersucht:
• Notation von Operationsprofilen
• Wechsel der Betriebsumgebung
• Umgang mit kleinen Programmänderungen
• Zuverlässigkeitsbewertung von komponentenbasierter Software
3.9 Testfallerzeugung nach der Äquivalenzklassenmethode
Projektleitung:
Dipl.-Inf. Norbert Oster
Beteiligte:
Thomas Grzenkowski
227
Lehrstuhl für Informatik 11 (Software Engineering)
3.10
Stichwörter:
Testen, Testfallerzeugung, Äquivalenzklassen
Beginn: 17.11.2003
Förderer: Siemens Automation & Drives
Aufgrund ihrer Komplexität können heutige Softwaresysteme nur in seltenen Fällen vollständig
ausgetestet werden, unter anderem da die Ergebnisse jedes Testlaufs üblicherweise manuell auf
Korrektheit zu prüfen sind. Im allgemeinen jedoch lässt sich der Eingaberaum eines Softwaremoduls so partitionieren, dass alle Eingaben aus einem Teilraum ein äquivalentes Verhalten des
Programms hervorrufen. In diesem Fall beschränkt man sich oft aus oben genannten praktischen Gründen auf das Testen einzelner Repräsentanten jeder Eingabeklasse. Zur Unterstützung eines derartigen Testverfahrens ist ein Werkzeug zur automatischen Generierung
repräsentativer Testfälle von großem Nutzen.
Eine in diesem Zusammenhang typische Partitionierung basiert auf folgender Äquivalenzrelation: zwei Eingabedaten stehen in Relation zueinander dann und nur dann, wenn bei ihrer Abarbeitung der gleiche Kontrollflusspfad durchlaufen wird. Bekanntlich ist im allgemeinen diese
Relation nicht durch eine rein statische Analyse des Codes herleitbar.
Ziel dieser Arbeit ist es zu evaluieren, unter welchen Voraussetzungen eine solche Partitionierung des Eingaberaums automatisierbar ist. Diese Evaluierung sowie, sofern möglich, die automatische Ermittlung der Partitionsklassen haben zunächst sprachenunabhängig zu erfolgen.
Darauf aufbauend sollen die Ergebnisse in einem Werkzeug für die Sprache C# umgesetzt und
an einem realen Beispiel aus der industriellen Praxis evaluiert werden. Darüber hinaus soll mittels Metriken ein Ansatz zur quantitativen Bewertung der Güte der vorgestellten Testmethode
erarbeitet werden.
3.10 Toolgestützte Integration vorgefertigter Softwarekomponenten auf
Basis einer erweiterten Schnittstellendefinition
Projektleitung:
Prof. Dr. Francesca Saglietti
Beteiligte:
Dipl.-Inf. Martin Jung
Stichwörter:
Softwarekomponenten; Integration; Schnittstellen; Wiederverwendung; Bausteine;
Repository
Beginn: 1.12.2002
Kontakt:
Dipl.-Inf. Martin Jung
Tel.: +49.9131.85.28860, Fax: +49.9131.85.28746
E-Mail: [email protected]
228
3.11
Lehrstuhl für Informatik 11 (Software Engineering)
Die Tendenz zu schneller und kostengünstiger Erstellung von Software zunehmender Komplexität erhöht die Attraktivität wiederverwendbarer Softwareteile. Allerdings können größere
Softwaresysteme nur unter der Annahme fehlerfreier Integration bestehender Komponenten kostengünstig und einfach aus Bausteinen zusammengesetzt werden. Infolge der momentan noch
unzureichenden Ausdruckskraft von Beschreibungssprachen für Komponenten ist dies noch
nicht gewährleistet.
In den heute üblichen Komponenten-Repositories finden sich Informationen syntaktischer Natur über die Komponentenschnittstellen, aber kaum Informationen über ihre Semantik bzw.
über die bestandenen Test- bzw. Betriebsläufe oder den bisher beobachteten Anwendungskontext der Komponenten. Durch diesen Mangel an wesentlicher Information ist es nicht möglich,
bei der Komponentenintegration Inkompatibilitäten aufzudecken oder rechtzeitig zu beherrschen, die sich aus Unstimmigkeiten in den oben genannten Bereichen, etwa bei Verwendung
unterschiedlicher physikalischer Einheiten, ergeben.
Ziel dieses Vorhabens ist es deshalb, eine erweiterte Beschreibungssprache für Komponenten
und ein zugehöriges Repository zu entwickeln, mit deren Hilfe es möglich ist, Komponenten zu
beschreiben, zu suchen und fehlerfrei zu integrieren.
3.11 UML-basierte Beschreibung von GUI-Prototypen
Projektleitung:
Dipl.-Inf. Martin Jung
Beteiligte:
Chiraz Labassi
Stichwörter:
GUI, UML, XMI
Beginn: 15.10.2003
Förderer: Volkswagen AG
Bei der Entwicklung von graphischen Benutzeroberflächen (GUI) werden Aussehen und Verhalten der Oberfläche oft in Form eines Prototypen festgelegt. Dieser Prototyp wird dann durch
eine Reihe von Werkzeugen (Werkzeugkette) weiterverarbeitet.
Die nahtlose Integration der Werkzeuge zur GUI-Entwicklung in die Werkzeugkette erfordert
eine Verwendung standardisierter Dateiformate zwischen den einzelnen Werkzeugen.
Im Rahmen der Arbeit sollen zunächst die Anforderungen, die an eine solche Werkzeugkette
gestellt werden, definiert werden. Des weiteren ist ein Kriterienkatalog zur vergleichenden Bewertung von GUI-Entwurfswerkzeugen zu erstellen, zu begründen und auf gängige Tools anzuwenden. Basierend auf den Ausgabeformaten dieser Tools ist ein einheitliches Datenmodell
zur Beschreibung von GUIs mittels XMI zu erstellen. Eine Konversion eines Tool-Formats auf
diese Darstellung mit XMI ist zu konzipieren und prototypisch zu implementieren.
229
Lehrstuhl für Informatik 11 (Software Engineering)
4
4
Veröffentlichungen und Vorträge
4.1 Veröffentlichungen
1. Grimm, Rüdiger; Großpietsch, Karl-Erwin; Keller, Hubert; Münch, Isa; Rannenberg,
Kai; Saglietti, Francesca: Technische Sicherheit und Informationssicherheit - Unterschiede und Gemeinsamkeiten . - : -. 2003. - Diskussionspapier. 12 Seiten (GI-Arbeitskreis "Begriffsbildung")
2. EWICS TC7: A Study of the Applicability of ISO / IEC 17799 and the German Baseline
Protection Manual to the Needs of Safety Critical Systems . European Workshop on Industrial Computer Systems : -. 2003 (20215). - Abschlussbericht. 272 Seiten
3. Saglietti, Francesca: Anforderungen an Software in sicherheitsrelevanten Automatisierungssystemen . In: ASQF (Hrsg.) : Proceedings CONQUEST, Automation Days & EuroMotive (Conference on Quality Engineering in Software Technology Nürnberg 17. 19.9.2003). Erlangen : ASQF, 2003, S. 345 - 354. - ISBN 398091450X
4. Saglietti, Francesca: Rezension von: T. Grams: Grundlagen des Qualitäts- und Risikomanagements: Zuverlässigkeit, Sicherheit, Bedienbarkeit . In: Automatisierungstechnik
at (2003), Nr. 3, S. 145-146
5. Zalewski, Janusz; Ehrenberger, Wolfgang; Saglietti, Francesca; Gorski, Janusz; Kornekki, Andrew: Safety of Computer Control Systems: Challenges and Results in Software
Development . In: Annual Reviews in Control 27 (2003), Nr. 1, S. 23 - 37
4.2 Vorträge
Saglietti, F.: The Impact of Maintenance on Process Quality & Product Quality,
invited contribution to the Panel Session "Dependable Embedded Systems:
Roadmap and Challenges from Requirements to Maintenance", 22nd International
Conference on Computer Safety, Reliability and Security (SAFECOMP 2003),
Edinburgh (UK), 2003
Saglietti, F.: Normierung von Sicherheitsanforderungen an Software, Workshop
"IT-Sicherheitsnormung", Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik (GI) e. V.,
Frankfurt a. M. (D), 2003
Saglietti, F.: Anforderungen an Software in sicherheitsrelevanten Automatisierungssystemen, Automation Days - Software in Automation Technology, Nürnberg (D),
2003
Saglietti, F.: Zuverlässige Software für sicherheitskritische Anwendungen, Öffentliche Vortragsreihe der Technischen Fakultät und der Fraunhofer Gesellschaft, Erlangen (D), 2003
230
5
5
Lehrstuhl für Informatik 11 (Software Engineering)
Studien- und Diplomarbeiten
5.1 Studienarbeiten
• Dorn, Robert Daniel: Bestimmung der Datenflussüberdeckung beim Testen objektorientierter Java-Klassen
• Al-Hilank, Samir: Traceability im Rahmen eines inkrementellen V-Modell basierten Software-Entwicklungsprozess
5.2 Diplomarbeiten
• Breuer, Joachim: Entwurf und Realisierung einer UML Action Language für
Embedded Systems
• Seel, Martin: Evaluierung verschiedener Verfahren zur Fehlerbaumanalyse komplexer Systeme
• Drexler, Johannes: Kohäsionsmetriken für den Entwurf objektorientierter Softwaresysteme
• Möller, Steffen: Untersuchung der UML und ihrer Erweiterungen im Hinblick auf
die Generierbarkeit von Programmcode
6
Bachelor- und Master Theses
6.1 Bachelor Theses
• Wever, Dominik: Vergleich gängiger Bugtracking Werkzeuge und Kopplung an ein
Werkzeug zur Zuverlässigkeitsprognose
231
Lehrstuhl für Informatik 11 (Software Engineering)
232
6.1
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
Anschrift: Am Weichselgarten 3, 91058 Erlangen
Tel.: +49.9131.85.25148
Fax.: +49.9131.85.25149
E-Mail: [email protected]
Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich
Sekretariat:
Margaret Formago, M.A.
Wiss. Mitarbeiter:
M. Sc. Ali Ahmadinia
Dipl.-Inform. Marcus Bednara
Dr. rer. nat. Christophe Bobda
Dipl.-Ing. Cornelia Grabbe
Dipl.-Ing. Frank Hannig
Dipl.-Ing. Christian Haubelt
Dipl.-Ing. Dirk Koch
Dipl.-Ing. Alexey Kupriyanov
Dipl.-Ing. Mateusz Majer
Dipl.-Ing. Thilo Streichert
Dipl.-Inf. Martin Waitz
Dipl.-Ing. Daniel Ziener
Externe Doktoranden: :
Dipl.-Ing. Klaus Danne
M. Sc. Sanaz Mostaghim
Dipl.-Inform. Ralph Weper
Nichtwiss. Personal:
Dipl.-Phys. Andreas Bininda
Dipl.-Ing. (FH) Joachim Falk
Dipl.-Ing. (FH) Yvonne Puhlmann
1
Einführung
Der Lehrstuhl Hardware-Software-Co-Design wurde 2003 erstmalig durch die Berufung des
jetzigen Lehrstuhlinhabers Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich besetzt.
Professor Teich studierte Elektrotechnik in Kaiserslautern, wo er 1989 sein Diplom ablegte.
Von 1989 bis 1993 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter im Sonderforschungsbereich 124
233
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
2
"VLSI und Parallelität" der DFG und promovierte als solcher 1993 an der Technischen Fakultät
der Universität des Saarlandes. Von 1994 bis 1995 erfolgte ein Forschungsaufenthalt an der
University of California in Berkeley als Postdoktorand der DFG. Danach folgte eine Tätigkeit
als Oberassistent am Institut für Technische Informatik und Kommunikationsnetze der ETH
Zürich sowie ab 1996 nach abgeschlossener Habilitation als Privatdozent. Von 1998 bis 2002
leitete er als C 4-Professur das Gebiet Datentechnik im Fachbereich Elektrotechnik der Universität Paderborn, wo er auch in zwei Sonderforschungsbereichen mitarbeiten konnte. Ab 2003
baute er den neuen Lehrstuhl in Erlangen auf. Herr Teich ist Mitglied zahlreicher Programmausschüsse von Zeitschriften und Konferenzen, u. a. der Proceedings DATE (Design, Automation and Test in Europe) sowie Herausgeber mehrerer Bücher. Seit 2003 ist Herr Teich Sprecher
des von ihm initiierten Schwerpunktprogramms "Rekonfigurierbare Rechensysteme" der Deutschen Forschungsgemeinschaft sowie seit 2004 gewählter Fachgutachter der Informatik für das
Gebiet „Rechnerarchitekturen und Eingebettete Systeme". Ab 2004 ist auch eine zurzeit noch
nicht besetzte Professur für Informatik (Effiziente Algorithmen und kombinatorische Algorithmen) am Lehrstuhl angesiedelt.
2
Forschungsschwerpunkte
Die Arbeitsgebiete des Lehrstuhls umfassen alle Aspekte des systematischen Entwurfs (CAD)
eingebetteter Systeme, speziell die Arbeitsgebiete Ablaufplanung (Scheduling), Platzierung,
Verdrahtung sowie Lastverteilung. Untersucht werden insbesondere innovative und adaptive
Rechnerstrukturen und Spezialprozessoren (ASIPs, RISPs) und deren Programmierung sowie
die Entwicklung von Methoden und Werkzeugen wie Simulatoren, Compiler und Prototypen.
Ferner: Diskrete Optimierungsmethoden, insbesondere lokale und globale Suchverfahren, lineare Programmierung, Mehrzieloptimierungsverfahren und deren Anwendung im Kontext der
optimalen Auslegung technischer Systeme.
2.1 System-Level Design Automation
Innerhalb der Arbeitsgruppe „System-Level Design Automation" werden die wesentlichen Themen zum automatischen Entwurf eingebetteter Hardware-Software-Systeme auf Systemebene
erforscht. Hierzu gehören u. a. die Bereiche Modellierung, Systemsynthese, Optimierung und
die Verifikation eingebetteter Systeme. Eine der wesentlichen Zielsetzungen dieser Gruppe ist
hierbei die Unterstützung neuer Entwurfsparadigmen, wie adaptive Applikationen und hardwarerekonfigurierbare Architekturen, für die es bis heute keine geschlossene Entwurfsmethodik gibt. Momentane Entwicklungen zeigen aber deutlich die Notwendigkeit, für formale
Methoden auf einem hohen Abstraktionsniveau durch die es erst möglich wird, Produkte in annehmbarer Zeit beweisbar korrekt zu entwickeln. Hierbei spielt auch die Integration der Entwurfsmethodik in einen auf Programmiersprachen basierenden Entwurfsfluss eine große Rolle.
Zurzeit werden zwei Projekte konkret innerhalb der Gruppe „System-Level Design Automation" bearbeitet, die die Kernaufgaben des automatischen Entwurfs eingebetteter Hardware-Software-Systeme abdecken.
2.2 Architecture and Compiler Design
Mikroprozessoren sind heutzutage allgegenwärtig, sie werden in technischen Produkten eingesetzt, in denen man bis vor kurzem noch gar keine ’Computer’ erwartet hat: Mobiletelefone,
Haushaltsgeräte, Medizintechnik, Unterhaltungstechnik, Automobiltechnik und Gebäudeautomatisierung, um nur ein paar Anwendungsgebiete zu nennen.
Gegenüber herkömmlichen Computern (PC, Arbeitsplatzrechner, etc.) sind diese so genannten
234
2.3
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
,eingebetteten’ Systeme in hohem Maß auf eine bestimmte Klasse von Anwendungen spezialisiert. Die große Spezialisiertheit erfordert hinsichtlich mehrerer Kriterien optimierte Systeme.
Zumeist haben eingebettete Systeme hohe Anforderungen an Rechenleistung, Kosten oder den
Energieverbrauch. Neben den Fertigungskosten spielen die Entwicklungskosten und immer
kürzer werdende Time-to-market-Zyklen eine wichtige Rolle.
Deshalb versuchen wir in der Arbeitsgruppe „Architecture and Compiler Design" den Zyklus
beim Entwurf anwendungsspezifischer Prozessoren zu verkürzen. Hierzu werden folgende Forschungsfelder betrachtet: CAD-Werkzeuge zur Modellierung, Simulation und Generierung von
Architekturen, und Compiler und Methoden zur Abbildung von Algorithmen auf diese Architekturen.
Es werden sowohl mikroprogrammierbare Prozessoren als auch dedizierte Hardware untersucht. Ziel beim Entwurf von mikroprogrammierbaren anwendungsspezifischen Prozessoren ist
eine Architektur und Compiler Co-Generierung optimiert für eine ganze Klasse von Algorithmen (Benchmark). Viele Anwendungen, die einen hohen Datendurchsatz benötigen, können
auch direkt in einem dediziert massiv parallelen System implementiert werden, d. h. ein höchstoptimiertes System (z. B. ein Coprozessor) realisiert genau eine Anwendung.
Aus den unterschiedlichen Zielarchitekturen (programmierbar oder dediziert) ergibt sich ein
Trade-off zwischen Hardware-Software-Lösungen. Ein Lösungsansatz stellen hier re-konfigurierbare Architekturen dar. Rekonfigurierbare Rechenfelder und Prozessoren sind daher ein aktueller Bestandteil unserer Forschung.
2.3 Reconfigurable Computing
Ziel der Forschungsaktivitäten in der Gruppe „Reconfigurable Computing" ist die Erforschung
von Grundlagen für den Entwurf von Rechensystemen, die die Fähigkeit besitzen, ihr Verhalten
und ihre Struktur aus Effizienz- und Optimalitätsgründen an sich ändernde Anforderungen, Betriebs- und Umgebungsbedingungen dynamisch anzupassen, z.B. an neue Protokolle und Standards, andere physikalische Randbedingungen oder veränderliche Optimierungsziele.
Aufgrund immer kürzer werdender Lebenszeiten von technischen Produkten werden solche Systeme mit der Fähigkeit der Rekonfigurierbarkeit auf unterschiedlichen Granularitätsebenen der
Hardware immer wichtiger, denn nur sie sind in der Lage, für ein zur Entwurfszeit oft noch unklares Spektrum an unterschiedlichen Anforderungen jeweils optimale Lösungen zu bieten und
hohe Redesignzeiten zu vermeiden. Auch lassen sich mit rekonfigurierbaren Lösungen, insbesondere in Verbindung mit geringen Stückzahlen, die Produktionskosten optimieren. Mit den
erwarteten Erkenntnissen können in der Zukunft wiederum Ideen für neue Produkte, so z.B.
selbstrekonfigurierende oder gar selbstheilende Rechensysteme, entstehen.
Als zentrale Problembereiche im Zusammenhang mit dem Entwurf rekonfigurierbarer Rechensysteme werden die Themenkomplexe Mechanismen und Effizienz der Rekonfiguration, Sprachen und Modelle, Entwurfsmethodik sowie Architekturen und Anwendungen untersucht.
Die Forschungsaktivitäten im Bereich „Rekonfigurierbare Rechensysteme" werden von der
DFG im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 1148 „Rekonfigurierbare Rechensysteme"
durch die Finanzierung von zwei Projekten gefördert.
235
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
2.4
2.4 Assoziierte Projektgruppe Hardware-Software-Co-Design (am Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (IIS))
Die Projektgruppe Hardware-Software-Co-Design ist der Abteilung Bildsensorik angegliedert,
da hier ein weites Spektrum von Anwendungsmöglichkeiten und Potenzialen intelligenter eingebetteter Systeme besteht.
Die Herausforderung der Zukunft liegt in der Beherrschung komplexer technischer Systeme,
die gleichsam aus Hard- und Software-Komponenten bestehen. Die beim Systementwurf auftretenden Probleme sind seit langem bekannt, und es existieren leistungsfähige Verfahren zur
Simulation und Synthese der Einzelkomponenten. Bisher fehlen jedoch Werkzeuge zur Verifikation des Gesamtsystems, zur automatischen Schnittstellensynthese und zur frühen Exploration von Entwurfsalternativen. Sollen Systeme darüber hinaus die inhärente Fähigkeit der
„Intelligenz" besitzen, muss die Systemauslegung sogar dynamisch zur Laufzeit und vom System selbst durchführbar sein. Typische Beispiele findet man etwa bei: Intelligenten bildverarbeitenden Systemen, Contentbasierter Datenverarbeitung, Selbstlernenden und -heilenden
Geräten.
Hauptanwendungsgebiete sind kommunizierende eingebettete Systeme aus den Bereichen
Body-Area-Networks, Automobilelektronik und intelligente Kamerasysteme. Die kürzlich begonnenen Arbeiten sind im Folgenden beschrieben.
Seit Mai 2003 untersuchen wir gemeinsam neuartige Implementierungen des Motion
JPEG2000-Standards, insbesondere die parallele Implementierung von Entropie-Kodierern.
Ziel ist es, eine leistungsfähige Realisierung auf der Basis eines Co-Designs mit Mikroprozessor und FPGA-Bausteinen zu erreichen, die eine Kodierrate von mindestens 25 Bildern pro Sekunde bei einer Auflösung von 1920 x 1080 Bildpunkten erreicht.
Im Herbst 2003 begannen gemeinsame Arbeiten im Bereich intelligenter Kamerasysteme
(CogniCam). Ziel ist es hier, eingebettete Kamerasysteme zu untersuchen, die intelligent und
adoptiv dynamische Aufgaben durchführen können. Die Intelligenz solcher Kamerasysteme
soll speziell durch eine kombinierte aktive Steuerung bzw. Regelung von Dynamik,
Bildauschnitt, Farbabgleich, Auflösung, Aufnahmegeschwindigkeit, Fokus, Helligkeit und
Zoom erreicht werden.
Die speziellen Herausforderungen liegen dabei u. a. auch in einer höchsteffizienten Implementierung von Kamerasystemen mit diesen Eigenschaften.
Schließlich beginnt im Januar 2004 eine Kooperation im Bereich des Co-Designs mit der Entwurfssprache SystemC, und der Abteilung Digitaler IC-Entwurf. Untersucht werden sollen zum
einen, wie weit sich Enwurfsverfeinerungen innerhalb SystemC darstellen lassen, zum anderen
sollen komplexe Entwürfe modelliert und simuliert werden.
2.5 Geförderte Forschungsvorhaben
SFB376 – Massive Parallelität: Algorithmen, Entwurfsmethoden, Anwendungen
„Teilprojekt B5, Algorithmisch Spezialisierte Systeme“
SFB614 – Selbstoptimierende Systeme des Maschinenbaus
„Teilprojekt A1, Modellbasierte Selbstoptimierung“
SFB614 – Selbstoptimierende Systeme des Maschinenbaus
„Teilprojekt C1, Hardware-Rekonfiguration“
236
2.6
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
DFG-Schwerpunktprogramm 1148 Rekonfigurierbare Rechensysteme
„ReCoNets - Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehend aus kleinen
Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer Knoten und Verbindungen“
DFG-Schwerpunktprogramm 1148 Rekonfigurierbare Rechensysteme
„ReCoNodes - Optimierungsmethodik zur Steuerung hardwarerekonfigurierbarer
Knoten“
DFG-Schwerpunktprogramm 1040 Eingebettete Systeme
„Modelle und Methoden zur Synthese und Optimierung gemischt reaktiv/transformativer Systeme“
DFG-Graduiertenkolleg PaSCo – Paderborner Institute of Scientific Computation
DFG-Graduiertenkollegs HNI – Automatische Rekonfiguration in verteilten Systemen
DFG-Graduiertenkolleg 633 – Interdisziplinärer Entwurf verlässlicher Multitechnologiesysteme
DaimlerChrysler AG, Esslingen
„Evolutionäre Architekturen für die Automobilinnenraumelektronik“
DaimlerChrysler AG, Esslingen
„Entwurf und Optimierung eines CAM-/Crank-Prozessors“
Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen, Erlangen
„Hardware/Software-Implementierungen des Motion JPEG2000 Standards“
Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen, Erlangen
„Entwurfsraumexploration und Implementierung von Signalverarbeitungsalgorithmen“
2.6 Kooperationsbeziehungen
• DaimlerChrysler AG, Esslingen
• ETH Zürich, Institut für Technische Informatik und Kommunikationsnetze (Prof.
Dr. L. Thiele)
• ETH Zürich, Institut für Technische Informatik und Kommunikationsnetze (Dr. M.
Platzner und Dr. E. Zitzler)
• Fraunhofer Institut für integrierte Schaltungen (IIS), Erlangen
• Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM), Paderborn
• IBM Deutschland Entwicklung GmbH, Böblingen
• Infineon AG, München
• Lucent Technologies GmbH, Nürnberg
237
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
3
• PACT Technologies AG, München
• Technische Universität Braunschweig, Institut für Datenverarbeitungsanlagen
(Prof. Dr. R. Ernst)
• Technische Universität Braunschweig, Mathematik (Prof. Dr. S. Fekete)
• Universität Karlsruhe, Forschungszentrum für Informatik (FZI) (Prof. Dr. J.
Becker)
• University of Maryland, UMIACS (Prof. Dr. S. S. Bhattacharyya)
3
Forschungsprojekte
3.1 Entwurf anwendungsspezifischer Prozessoren
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich
Beteiligte:
Dipl.-Ing. Frank Hannig, Dipl.-Ing. Alexey Kupriyanov, Dipl.-Ing. Dirk Fischer,
Dipl.-Inform. Ralph Weper
Beginn: 1.10.1998
Betrachtet werden die Probleme der Modellierung, Simulation und des systematischen Entwurfs anwendungsspezifischer Instruktionssatzprozessoren (engl. application-specific instruction-set processors, ASIPs). Dazu gehören beispielsweise digitale Signalprozessoren (DSPs)
und Mikrocontrollerarchitekturen. Untersucht werden neuartige Simulationskonzepte sowie
bessere Compilerverfahren zur Unterstützung dieser Klasse von Architekturen.
Im Rahmen dieses Projekts ist ein Entwurfssystem zur Computer-Architektur und Compiler
Co-Generierung entstanden. Es beinhaltet komfortable Werkzeuge zur halbautomatischen Exploration optimaler Architektur-/Compiler-Entwürfe und zur schnellen, bitgenauen und zyklentreuen Simulation.
Ausgangspunkt eines Entwurfs ist das Werkzeug „ArchitectureComposer". Der Entwickler
wählt aus einer Bibliothek Komponenten aus und komponiert seine Architektur graphisch, indem er instanziierte Komponenten miteinander verbindet. Die Bibliothek enthält viele für den
Prozessorentwurf notwendige Basisblöcke, wie arithmetische Einheiten, Speicherbausteine,
Registerbänke, Multiplexer u. a., und kann gegebenenfalls um weitere Module, wie Caches,
spezielle Verbindungsnetzwerke, etc., erweitert werden. Alle Komponenten sind parametrisiert,
so dass beispielsweise die Wortbreite der Einheiten individuell ausgewählt werden kann. Realistische Mikroprozessoren, u. a. ein MIPS-Prozessor und ein Digitaler Signalprozessor der Texas Instruments TMS320C6-Serie, konnten erfolgreich innerhalb von Stunden entworfen
werden.
Um bereits entworfene Teilsysteme mehrfach instanziieren zu können, bietet „ArchitectureComposer" die Möglichkeit, hierarchischer Komponenten. Ferner existiert ein VHDL-Codegenerator, der die direkte Hardwaresynthese eines Mikroprozessors aus dessen graphischer
Beschreibung mittels „ArchitectureComposer" ermöglicht. Derzeit wird ein entsprechender Ge238
3.1
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
nerator für die Spezifikationssprache SystemC entwickelt.
Aus der graphischen Eingabe wird automatisch ein gemischtes Struktur-/Verhaltensmodell der
Architektur, basierend auf dem Formalismus sog. „abstrakter Zustandsmaschinen" (ASM), generiert. Ebenfalls automatisch wird eine architekturspezifische Simulationsumgebung erzeugt,
die in der Lage ist, die entworfene Prozessorarchitektur bit- und zyklengetreu zu simulieren.
Um die bitgenaue Simulation der Ausführung von Instruktionen zu ermöglichen, wird eine Bibliothek von Operationen auf beliebigen Wortlängen und Zahlendarstellungen verwendet. Die
Spezifikation des Anwendungsprogramms erfolgt derzeit in Assemblernotation der entsprechenden Zielarchitektur. Die Generierung eines Parsers für die Simulatoreingabe der Assemblerprogramme wird ebenfalls von der Simulationsumgebung unterstützt.
Gegenüber bekannten Simulatoren für Mikroprozessoren wird bei unserem Ansatz ein Simulator speziell für die eingegebene Architektur generiert. Dieser Simulator ermöglicht es, ein vorgegebenes Programm schrittweise abzuarbeiten. So können beliebige interne Signale im
Prozessor während des Simulationsablaufs als Testpunkte ausgewählt und Datenwerte an diesen Punkten beobachtet werden. Dieser Ansatz ist flexibler als bei statischen Simulatoren, die
meistens nur Speicher- und Registerwerte anzeigen können. Da sich das Verhalten von Prozessoren sehr kompakt mittels ASMs modellieren lässt, kann eine erhebliche Steigerung der Simulatorperformanz erzielt werden im Vergleich zu Modellierungsansätzen gleicher
Simulationsgenauigkeit, die auf Hardwarebeschreibungssprachen basieren. Um die Simulatorperformanz nochmals erheblich zu steigern, wird derzeit die Generierung von in C++ compilierten Simulatoren untersucht. Hierbei kommen effiziente Graphpartitionierungs-Strategien
zum Einsatz.
Bei modernen Mikroprozessoren können oft mehrere Instruktionen gleichzeitig auf mehreren
funktionalen Einheiten abgearbeitet werden. Um diese parallele Abarbeitung zu unterstützen,
muss ein Compiler in der Lage sein, bei der Übersetzung eines Hochsprachenprogramms in Maschinencode die Abhängigkeiten von Daten zu analysieren und parallelen Code zu generieren.
Dazu braucht er Information über Maschineneigenschaften, welche direkt aus der eingegebenen
Architektur extrahiert werden können. Wir setzen einen retargierbaren Compiler für ANSI CCode ein, der zahlreiche Optimierungen auf dem Zwischencode unterstützt, u. a. Elimination
von redundantem Code, Propagation von Variablen und Schleifenentfaltung. In der Codegenerierungsphase wird aus der Information über die Anzahl funktionaler Einheiten und der Ressourcenbelegung während der Instruktionsabarbeitung ein Maschinenprogramm generiert, das
der Simulator direkt verarbeiten kann.
Architekturänderungen mit entsprechenden Compileranpassungen können in einer Schleife zur
Exploration von optimalen Architektur-/Compiler-Systemen untersucht werden. Für eine modifizierte Architektur wird der Compiler angepasst und eine Menge von Benchmarkprogrammen übersetzt und auf dem ebenfalls generierten Simulator simuliert. Dies erfolgt völlig
automatisch. Als Ergebnis liefert der Simulator Statistiken über Ausführungszeiten, Codegrößen von Modulen und andere Optimierungsgrößen zurück. Interessant sind hier diejenigen Architektur-/Compiler-Systeme, die bezüglich Kosten der Architektur und Effizienz des durch
den Compiler generierten Codes optimal sind für eine gegebene Menge von Benchmarkprogrammen. Geeignet zu instrumentieren sind hier die Möglichkeiten der Änderbarkeit der Architektur und die Art der Anwendung von Codeoptimierungsverfahren. Beide zusammen stellen
den Suchraum dieses komplexen Optimierungsproblems dar.
Unsere zukünftigen Forschungen beschäftigen sich mit Erweiterungen des Projekts zur Modellierung, Simulation und des systematischen Entwurfs von so genannten rekonfigurierbaren Instruktionssatzprozessoren (engl. reconfigurable instruction-set processors, RISPs).
239
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
3.2
Weitere Informationen sind im WWW unter folgender URL verfügbar:
http://www12.informatik.uni-erlangen.de/research/buildabong
3.2 Entwurf dedizierter massiv paralleler Systeme
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich
Beteiligte:
Dipl.-Inform. Marcus Bednara, Dipl.-Ing. Frank Hannig
Beginn: 1.10.1998
In diesem Projekt werden Verfahren zum Entwurf von feinkörnigen massiv parallelen VLSI
Schaltungen untersucht. Das Projekt liegt im Bereich Abbildungsmethodik und hat zum Ziel,
Entwurfsverfahren für algorithmisch spezialisierte, massiv parallele Systeme zu erforschen und
diese in einem Entwurfssystem bereitzustellen. Obwohl die hier betrachteten Architekturen keine eigenständigen Rechner darstellen, spielen sie - eingesetzt als Coprozessoren - eine wichtige
Rolle in Systemen, die ein hohes Maß an Dediziertheit und Rechenleistung erfordern. Der Entwurf und die Integration dieser Komponenten in größere heterogene Hardware-/Software-Systeme oder in so genannte System-on-a-Chip (SoC) macht die Implementierung und
Anwendung spezieller Entwurfsverfahren notwendig, die den Entwurf vom Algorithmus bis zur
Schaltung automatisiert.
Die Anwendungsgebiete sind dabei charakterisiert durch die Notwendigkeit für höchste Rechenleistung bei gleichzeitigen Kosten-, Größen- und anderen physikalischen Beschränkungen.
Dazu gehören insbesondere die Bereiche der digitalen Signalverarbeitung, der drahtlosen Kommunikation, der Kryptographie und Algorithmen der Systemtheorie.
Das Projekt wurde im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 376 "Massive Parallelität" an der
Universität Paderborn gefördert. Hier konnte erstmals eine vollständig durchgängige Entwurfmethodik für die Abbildung von regelmäßigen Schleifenprogrammen bis hinunter zur lauffähigen Hardwareimplementierung entwickelt werden und in Form eines Entwurfssystems PARO
(Piecewise Linear Algorithm and Architecture Research and Optimization) zu implementieren.
In der ersten Phase, dem Frontend, extrahiert PARO die inhärente Parallelität der zu implementierenden Algorithmen (gegeben in Form eines C-Programms) und überführt diese in einen parallelen Algorithmus. In den nächsten Verfeinerungsstufen wird der Algorithmus lokalisiert und
homogenisiert. Diese Transformationen dienen dazu, das spätere Prozessorfeld, erstens möglichst homogen und somit skalierbar zu machen. Zweitens erreicht man dadurch, dass nur Kommunikation zwischen benachbarten Prozessoren stattfindet (Lokalität). Durch diese kurzen
Kommunikationswege kann der resultierende Chip schneller arbeiten, gleichzeitig werden Kosten und Energieverbrauch reduziert.
In zahlreichen Anwendungen liegen die betrachteten Algorithmen als n-dimensionale Schleifenprogramme vor. In der Praxis können allerdings nur ein- bzw. zweidimensionale Prozessorfelder hergestellt werden. Hier werden Abbildungen benötigt, die festlegen, welche Berechnung
zu welchem Zeitpunkt auf welchem Prozessor stattfindet. Bei der immensen Anzahl von Abbildungsmöglichkeiten ist die Herausforderung, effiziente Explorations-Algorithmen zu entwikkeln, die wiederum optimale Abbildungen finden. Im Gegensatz zu bisherigen Arbeiten werden
erstmals Fronten optimaler Raum-Zeit-Abbildungen gefunden. Als Optimierungsziele werden
240
3.3
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
der Flächenaufwand als Maß für die Kosten, Latenz und Fließbandrate als Maß für die Performanz betrachtet. Darüber hinaus ist es uns gelungen, substantielle Ergebnisse hinsichtlich der
Schätzung des Energieverbrauchs von regelmäßigen Schaltungen zu erzielen.
Ebenfalls kann es aus Kosten oder technologischen Gründen sein, dass die verfügbaren Hardware-Ressourcen beschränkt sind. Hier kommen effiziente Partitionierungsverfahren zum Einsatz. Durch substantielle Erweiterungen im Bereich der Abbildungsmethodik und durch
Betrachtung von Partitionierungsverfahren für Algorithmen mit affinen Datenabhängigkeiten
(gegenüber bisherigen Ansätzen mit stückweise konstanten Abhängigkeiten) konnten wesentlich effizientere Abbildungen erzielt werden.
Im Bereich der Hardwaresynthese haben wir die fundamentalen Probleme ’regelmäßige Platzierung’ und die ’Randsteuerung’ von Rechenfeldern untersucht. Ferner wurden im Bereich ’Interfaces’ zur Peripherie Arbeiten durchgeführt. Diese Ergebnisse erlauben erstmals einen
vollständig automatisierten Entwurf vom Algorithmus in C zur synthetisierbaren Schaltung in
VHDL. Auf FPGAs kann die Schaltung sofort umgesetzt werden. Das entstandene Entwurfssystem PARO integriert die entstandenen Arbeiten vollständig.
Die laufenden Untersuchungen in diesem Projekt befassen sich u. a. mit neuen Zielarchitekturen. Es wird untersucht, inwieweit sich die Entwurfmethodik auch für die Abbildung regelmäßiger Algorithmen auf grobgranulare rekonfigurierbare Prozessorfelder eignet. Hierbei sind die
Architekturparameter (Anzahl der Prozessorelemente, Speichergröße, E/A-Schnittstellen, etc.)
in der Abbildungsmethodik zu berücksichtigen.
Des Weiteren wird die zugrunde liegende Algorithmenklasse gegenwärtig essentiell erweitert,
so dass zukünftig auch Algorithmen mit dynamischen Datenabhängigkeiten behandelt werden
können. Bei den Partitionierungsverfahren werden Methoden zur automatischen Generierung
der Ansteuerung von Datenquellen und Speicher erforscht.
Weitere Informationen sind im WWW unter folgender URL verfügbar:
http://www12.informatik.uni-erlangen.de/research/paro
3.3 EVOLIVO - EVOlutionary Learning by Intelligent Variation and choice
of suitable Operator sets
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich
Beteiligte:
Dipl.-Ing. Christian Haubelt, M. Sc. Sanaz Mostaghim
Beginn: 1.10.1998
EVOLIVO - lautet der Name dieses Projekts, das unsere Forschung im Bereich Evolutionärer
Algorithmen und Programme beschreibt. Dazu gehören die Probleme der Analyse, der Verbesserung und Online-Adaption von existierenden Selektions- und Rekombinationsverfahren sowie die Entwicklung problemspezifischer bzw. bereichsspezifischer Operatormengen und
deren Anwendung auf Probleme von technischem Interesse, insbesondere auf dem Gebiet der
automatischen Systemsynthese.
Aktuelle Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit multikriteriellen Optimierungsstrategien für
241
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
3.4
unscharfe Zielgrößen. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Zielgrößen für eine gefundene
Lösung nicht exakt bekannt, sondern z. B. durch ein Intervall gegeben sind. Das Intervall beschreibt hierbei den minimalen bzw. maximalen Wert, den diese Zielgröße annehmen kann. Ein
essentieller Begriff im Zusammenhang mit der multikriteriellen Optimierung ist die so genannte
Dominanz, die aussagt, dass eine Lösung besser als eine andere Lösung ist. Im Fall von unscharfen Zielgrößen ist diese Dominanz nun aber nicht mehr definiert, was den Einsatz von multikriteriellen Optimierungsverfahren im Umfeld von unscharfen Zielgrößen einzuschränken scheint.
Innerhalb des Projektes EVOLIVO gelang nun jedoch die Verallgemeinerung dieser Optimierungsverfahren durch die Definition von „Dominanzwahrscheinlichkeiten", die den unscharfen
Zielgrößen Rechnung tragen. Diese Ergebnisse gehen weit über das Einsatzgebiet des Hardware-Software-Co-Designs hinaus.
Im letzten Jahr konnten diese multikriteriellen Optimierungsstrategien auf die automatische
Entwurfsraumexploration erfolgreich angewendet werden. Hierbei kam die so genannte „Pareto-Front-Arithmetik" zur schnellen Entwurfsraumexploration zum Einsatz. Die Idee hierbei
war, dass Optimierungsprobleme im Allgemeinen hierarchischer Struktur sind, d. h. das gesamte Optimierungsproblem lässt sich in Teilprobleme zerlegen. Bei der Kombination der gefundenen Teilergebnisse ergeben sich nun jedoch Probleme derart, dass das globale Optimum nicht
aus den Optima der Teilergebnisse bestehen muss. Dies gilt nur unter der Bedingung, dass alle
Zielgrößen monoton sind. Der Beitrag dieses Projektes bestand nun darin, dass gezeigt werden
konnte, dass sich die Teilergebnisse sehr wohl kombinieren ließen, wobei das Ergebnis unscharfe Zielgrößen für das gesamte Optimierungsproblem darstellt. Mit Hilfe der oben beschriebenen
Dominanzwahrscheinlichkeit gelang es nun, durch die Zerlegung des Problems das Gesamtproblem zu verkleinern und schnell eine gute Approximation der Gesamtlösung zu konstruieren.
Zukünftige Arbeiten beschäftigen sich mit der Integration von populationsbasierten Optimierungsverfahren in dynamischen Systemen. Untersucht werden soll hierbei die Einsatzfähigkeit
dieser Verfahren zur Online-Optimierung. Das Einsatzgebiet dieser neuen Verfahren stellen
vernetzte eingebettete Systeme dar. Neben Evolutionären Algorithmen sollen auch weiterhin
neuere populationsbasierte Optimierungsstrategien, wie „Ant-Colony-Optimization" und „Particle-Swarm-Optimization", untersucht werden.
Weitere Informationen sind im WWW unter folgender URL verfügbar:
http://www12.informatik.uni-erlangen.de/research/evolivo
3.4 MEAT - Multi-objective Exploration of Architecture Tradeoffs
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich
Beteiligte:
Dipl.-Ing. Cornelia Grabbe, Dipl.-Ing. Christian Haubelt, Dipl.-Ing. Dirk Koch
Beginn: 1.10.1998
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Zum Teil gefördert durch das Projekt „SPI - Modelle und Verfahren zur Synthese und Optimierung von gemischt reaktiv/transformativen eingebetteten Systemen" im DFG-Schwerpunktprogramm 1040 „Entwurf und Entwurfsmethodik eingebetteter Systeme".
242
3.5
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
Betrachtet werden die Probleme der Systemspezifikation, Entwurfsraumexploration, der automatischen Synthese eingebetteter Systeme. Bei der Systemspezifikation werden neue Modelle
zur Spezifikation heterogener Applikationen untersucht, die sowohl kontrollflussdominante als
auch datenflussdominate Anteile enthalten. Weiterhin müssen diese Modelle in der Lage sein,
Ressourcenbeschränkungen sowie weitere Implementierungsbeschränkungen zu modellieren.
Dies ist zwingend notwendig für automatisierte Verfahren zur Entwurfsraumexploration. Neuere Ansätze gehen über das bekannte statische Problem, bei dem ein Algorithmus und die Ressourcenbeschränkungen zur Entwurfszeit gegeben sind, weit hinaus. Vielmehr werden nun
Probleme betrachtet, bei denen sowohl der Algorithmus (Adaption) als auch die Architektur
(Rekonfiguration) zur Laufzeit geändert werden oder sich ändern können.
Systemsynthese ist das Problem der optimalen Abbildung eines Algorithmus auf eine heterogene Hardware-Software-Architektur. Dieses Problem geht über das bekannte Hardware-Software-Bipartitionierungsproblem hinaus. Insbesondere umfasst dieses (1) die Auswahl einer
geeigneten Hardware-Software-Architektur (Allokation), (2) der Abbildung des gegebenen Algorithmus auf diese Architektur in Raum (Bindung) und Zeit (Ablaufplanung) sowie (3) der
Entwurfsraumexploration. Die Allokation umfasst auf Systemebene im Allgemeinen Komponenten, wie softwareprogrammierbare Prozessoren, ASICs, FPGAs, Busse und Speicher.
Bei der Entwurfsraumexploration geht es um das systematische Finden von Pareto-optimalen
(siehe Projekt EVOLIVO) Implementierungen, also Realisierungen, die die Spezifikation erfüllen. Andere existierende Ansätze betrachten oftmals lediglich die Abbildung eines Algorithmus
auf eine statische Architektur-Plattform (z. B. CPU+FPGA) und berücksichtigen nicht die starke Abhängigkeit von Bindung und Ablaufplanung. Für die Entwurfsraumexploration werden
populationsbasierte Optimierungsstrategien, wie z. B. Evolutionäre Algorithmen, verwendet.
Aktuelle Erweiterungen zielen auf die Unterstützung hardwarerekonfigurierbarer Architekturen
und adaptiver Applikationen. Dies bedeutet zum einen, dass Ressourcen nur zeitlich exklusiv
zur Verfügung stehen und zum anderen, dass viele Eigenschaften einer Implementierung nicht
mehr statisch bestimmbar sind, da diese im Allgemeinen von der momentan laufenden Applikation und somit der aktuellen Bindung abhängen.
Ein enormer Fortschritt gelang letztes Jahr innerhalb dieses Projektes auf dem Gebiet der Integration von formalen Verifikationstechniken in den Entwurfsfluss. Hier konnte der Einsatz von
SAT-Techniken zur Suchraumreduktion und quantitativen Bewertung von Implementierungen
während der Entwurfsraumexploration gezeigt und umgesetzt werden.
Weitere Informationen sind im WWW unter folgender URL verfügbar:
http://www12.informatik.uni-erlangen.de/research/meat
3.5 ReCoNets - Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehend aus
kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer Knoten und -verbindungen
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich
Beteiligte:
Dr. rer. nat. Christophe Bobda, Dipl.-Ing. Dirk Koch, Dipl.-Ing. Thilo Streichert
243
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
3.5
Laufzeit: 1.6.2003 - 31.5.2005
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Das Ziel des Projekts ist die Erforschung einer Entwurfsmethodik für eine Klasse neuartiger
Rechnerarchitekturen, die sich durch die besonderen Eigenschaften der Vernetztheit und der
Rekonfigurierbarkeit auf Hardwareebene auszeichnen und die für einen speziellen technischen
Kontext entwickelt werden (eingebettetes System).
Die Rekonfigurierbarkeit ist hierbei nicht auf die einzelnen Hardwaremodule (Knoten des Netzwerks) beschränkt, sondern muss auch für die Knotenverbindungen gelten. Typische Anwendungsfelder für rekonfigurierbare Netzwerke sind die Automobilelektronik oder Body-AreaNetzwerke. Gerade im Bereich der Automobiltechnik ist zu erkennen, dass sich bis zu 100 Prozessoren die unterschiedlichsten Spezialaufgaben im Fahrzeug teilen. Die Systeme sind verteilt,
da es günstiger ist, bestimmte Funktionen und Vorverarbeitungen vor Ort durchzuführen, also
dezentral. In diesem Bereich hat man jedoch mittlerweile erkannt, dass die Systeme sehr teuer
werden und die statische Auslegung der Einzelkomponenten und deren Verbindung über ein genormtes Busmedium (z.B. CAN-Bus in der Automobiltechnik) dazu führt, dass bestimmte
Funktionalitäten nur so lange aufrecht erhalten werden können, wie der am Sensor oder Aktuator angeschlossene Knoten ordnungsgemäß funktioniert. Die Knoten sind ferner oft schlecht
ausgelastet, da sie nicht in der Lage sind, Funktionen anderer Module - insbesondere wäre dies
bei Ausfall eines Moduls wünschenswert - zu übernehmen.
Das Gleiche gilt für den aktuellen Forschungsbereich von Body-Area-Netzwerken. Hier soll es
möglich sein, neue Sensoren und Aktuatoren sowie neue Funktionalitäten in ein funktionierendes System zu integrieren, ohne die Hardware komplett austauschen zu müssen.
In beiden Bereichen bietet es sich an, Konzepte zu überlegen, wie man solche komplexen eingebetteten Systeme hardwaremäßig auslegen sollte, damit die Eigenschaften Flexibilität, Erweiterbarkeit, Spezialisiertheit, Ausfallsicherheit und Effizienz gleichsam erfüllt sind. Software
liefert zweifelsohne die beste Flexibilität, ist hingegen in vielen Anwendungsbereichen eingebetteter Systeme aufgrund von Geschwindigkeits- oder Energieverbrauchsanforderungen nicht
einsetzbar. Die widersprüchlichen Eigenschaften von Flexibilität und Spezialisiertheit sowie
Ausfallsicherheit sind hingegen durch den Einsatz von Rekonfigurierbarkeit in den Hardwareelementen möglich. Die von uns auf der Netzwerkebene (Makroebene) durchgeführten Untersuchungen betreffen folgende Problemstellungen:
Modellierung: Als Grundlage zur Analyse von Ausfallsicherheit und Fehlertoleranz sowie zum
Verständnis der Optimierungs- und Syntheseschritte für ReCoNets setzen wir auf einem graphenbasierten Ansatz zur Modellierung von statischen Anwendungen und statischen Architekturen auf. Dieses Modell wird durch Einführung einer Graphenhierarchie so erweitert, dass auf
der Anwendungsseite die zeitvariante Last eines Systems als Auswahlproblem von einem oder
einer Teilmenge aller denkbar möglichen aktiven Prozesse modelliert wird. Aufgrund der Rekonfigurierbarkeit auf mehreren Ebenen (hier: Netzwerk (Makro) und Knoten (Mikroebene))
bietet es sich an, ebenfalls die Möglichkeit der Hierarchie zu untersuchen. Die Rekonfiguration
eines Knotens werden beispielsweise so dargestellt werden, dass zeitlich ein alternativer, hierarchischer Knoten (Cluster) ausgewählt (aktiviert) wird.
Analyse:
Zeitvariante Allokationen und Bindungen: Für statische Architekturen bestimmt man die Allokation (welche Knoten sollte die beste Architektur für die gegebene Anwendung beinhalten?),
die Bindung (welcher Prozess läuft auf welchem Knoten?) und die Ablaufplanung (wann bzw.
244
3.6
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
in welcher Reihenfolge oder mit welcher Priorität läuft ein Prozess auf dem ihm zugewiesenen
Knoten?) nur einmal zur Entwurfszeit. Da wir hier davon ausgehen, dass sowohl Leitungen
(Kanten) als auch Knoten der Architektur im Betrieb des Systems ausfallen bzw. Leitungen und
Knoten in das System zur Laufzeit hinzugefügt werden können, werden Allokation, Bindung
und Ablaufplanung abhängig von der Laufzeit t definiert, so dass wir über die Zeit parametrisierte Allokationen, Bindungen und Ablaufplanungen erhalten. Fällt beispielsweise zum Zeitpunkt t ein allozierter Knoten aus, so wird zu diesem Zeitpunkt die Allokation geändert.
Analyse von Fehlertoleranz und Ausfallsicherheit eines ReCoNets: Darauf basierend beschäftigen wir uns mit Fragen der Ausfallsicherheit eines ReCoNets. Dazu betrachten wir die zwei
Problemfälle einer Leitungsstörung bzw. eines Leitungsausfalls sowie eines Knotenausfalls.
Falls eine Leitung ausfällt, sollen die Daten, die über diesen Knoten geroutet werden, einen anderen Weg nehmen, falls dies möglich ist. Statt einen wahrscheinlichkeitstheoretischen Ansatz
der sog. Zuverlässigkeit bzw. der sog. Fehlerwahrscheinlichkeit zu verwenden, zielen wir hier
bei rekonfigurierbaren und repartitionierbaren Systemen beispielsweise auf die Frage, wie viele
Knoten im System gleichzeitig ausgefallen sein dürfen, damit man die Funktionalität noch komplett durch Rerouting und Rekonfiguration der Knoten aufrecht erhalten kann. Wir erwarten,
dieses Problem allein aus der Topologie des Spezifikationsgraphen analysieren und lösen zu
können. Die Ausfallsicherheit eines Systems hängt daher von der Topologie des Spezifikationsgraphen ab und insbesondere den Möglichkeiten der Bindbarkeit von Prozessen auf Ressourcen. Dies wird formal analysiert, um erste Definitionen und Aussagen zur Ausfallsicherheit von
rekonfigurierbaren Netzwerken zu machen.
Synthese und Optimierung: Aus Gründen der Ausfallsicherheit und Fehlertoleranz gibt es in
ReCoNets keine zentralen Einheiten, die im Falle von Änderungen der Last oder der Architektur durch Ausfall oder Hinzufügen von Leitungen oder Knoten eine Rekonfiguration der Leitungen und Knoten einleiten. Wir sind daher mit dem Problem konfrontiert, bezüglich
Erkennung und Einleitung von Reaktionen (Rerouting und Repartitionierung) einen dezentralen
Ansatz zu verfolgen.
Implementierung: Die Verfahren der Erkennung von Leitungs- und Knotenausfällen sowie erste Ergebnisse zu Rerouting und Online-Repartitionierung sollen gegen Ende 2004 auf einem
zu entwerfenden Prototyp implementiert werden und die Machbarkeit und Vorteile von ReCoNets verdeutlichen. Dazu soll ein ReCoNet mit 4 Knoten, bestehend jeweils aus einem AlteraExcalibur-Board, auf dem sich ein FPGA (APEX) befindet, aufgebaut werden. Auf diesem
FPGA lässt sich ein verfügbarer Mikroprozessorcore mit Namen NIOS inklusive peripherer
Einheiten, wie Timer, UARTs und andere I/O-Schnittstellen, konfigurieren und benutzerspezifische Hardware als Co-Design hinzuzufügen und alsdann synthetisieren.
Weitere Informationen sind im WWW unter folgender URL verfügbar:
http://www.reconets.de
3.6 ReCoNodes - Optimierungsmethodik zur Steuerung hardwarekonfigurierbarer Knoten
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich
245
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
3.6
Beteiligte:
Dr. rer. nat. Christophe Bobda
M. Sc. Ali Ahmadinia
Dipl.-Ing. Mateusz Majer
Laufzeit: 1.6.2003 - 31.5.2005
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft
In diesem Projekt wird der bislang nur unzulänglich automatisierte Zugang zu rekonfigurierbaren Schaltungen, insbesondere FPGA-basierten Architekturen, erschlossen durch Bereitstellung
von Modellen und Optimierungsmethoden im Zusammenhang mit der dynamischen Hardwarerekonfiguration. Diese Modelle und Methoden sollen schließlich in einer Art Betriebssystem für Hardwarefunktionen resultieren, das die Verwaltung der Ressourcen zur Laufzeit
übernimmt. Konkreter Gegenstand unserer Untersuchungen sind Strategien und Methoden der
mathematischen Optimierung für die optimale Steuerung und Nutzung neuester und künftiger
Generationen von rekonfigurierbarer Hardware. Solche rekonfigurierbaren Chips werden bereits in verschiedensten technischen Zusammenhängen genutzt. Aufgrund praktischer Hindernisse (vor allem durch den hohen Rekonfigurationsaufwand) und theoretisch noch nicht voll
entwickelter Methoden konnte das Potential rekonfigurierbarer Hardware bislang nur zu einem
kleinen Teil verwirklicht werden. Es ist unser Ziel zu zeigen, dass die meisten dieser Schwierigkeiten bereits mit bestehender Technologie zu einem guten Teil überwunden werden können.
Davon erwarten wir auch neue Impulse für Entwicklung und Einsatz neuer Chipgenerationen.
Modellierung: Die Anforderung von Ressourcen sowie die rekonfigurierbaren Ressourcen und
Chips selbst müssen geeignet modelliert werden. Während bei Betriebssystemen für Mikroprozessoren die wichtigsten Einflussgrößen weitgehend bekannt sind, sind viele Eigenschaften im
Bereich der Hardwareanforderungen alles andere als klar, etwa die Anzahl und Form angeforderter Ressourcen, die Ausführungszeit oder der erforderliche Rekonfigurationsaufwand. Dennoch reden wir hier in Analogie zum Task-Begriff in der Softwarewelt konsequent von
Hardwaretasks bzw. Hardwareprozessen, um Anforderungen zu bezeichnen. Allerdings erweist
es sich als zweckmäßig, zwischen Tasks und Modulen zu unterscheiden. Dabei stellt ein Modul
eine Hardwarekonfiguration dar, auf der gewisse Tasks ausgeführt werden können; wie wir
noch näher erläutern werden, machen es relativ hohe Rekonfigurationszeiten, aber u. U. relativ
kurze Taskzeiten möglich und wünschenswert, bestehende Module auch nach Ende einer Task
für mögliche weitere Tasks ohne zusätzlichen Rekonfigurationsaufwand bereit zu halten. Dies
illustriert bereits, dass die vorhandenen Ressourcen der Hardware geeignet modelliert werden
müssen. Eigenschaften, wie die Unterbrechbarkeit von Hardwaretasks, Rekonfigurationsaufwand, Kommunikationsmodelle, etc., werden geeignet formalisiert.
Optimierung: Basierend auf den obigen mathematischen Modellen geht es bei der Optimierung darum, die vorhandenen Ressourcen effizient zu verwalten. In der Welt von Softwarebetriebssystemen sind hier die zentralen Probleme der Allokation von Ressourcen sowie der
zeitlichen Zuteilung von Ressourcen unter dem Begriff der Ablaufplanung, engl. Scheduling,
bekannt. Prinzipiell gilt dies auch für die Ressourcen auf einem rekonfigurierbaren Chip. Die
Frage stellt sich nur, welche Optimierungsalgorithmen und welche Optimierungsziele im Rahmen der dynamischen Hardwarerekonfiguration zu verfolgen sind. Hier sollen drei unterschiedliche Szenarien untersucht werden: Das erste Szenario betrifft die optimale Allokation und
Ablaufplanung einer statisch gegebenen Menge von Hardwaretasks zur Entwurfszeit. Die beiden anderen Szenarien gehen von unbekannten zeitlichen Anforderungen aus, wobei das erste
246
4
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
von sich schnell ändernden Anfragen ausgeht, während das zweite eher den Fall betrachten soll,
bei konstanter Last die Auslastung der Ressourcen zu optimieren.
Implementierung: Die obigen Verfahren werden im Kontext realer Hardware untersucht. Dazu
wird ein Testsystem implementiert, in dem die verschiedenen Online-, Offline- und CachingAlgorithmen zur Allokation und Ablaufplanung auf einem Host laufen, der ein kommerzielles
FPGA ansteuert. Diese Plattform und die Implementierung der Algorithmen werden als Beweis
und Verifikation der Modellannahmen und Rekonfigurationsoverheads dienen.
Anwendung: Schließlich werden die implementierten Algorithmen auf der eben beschriebenen
Plattform getestet. Als Anwendungen betrachten wir Anforderungen, die im Zusammenhang
mit der Einbettung rekonfigurierbarer Knoten in verteilten Steuerungssystemen entstehen, sog.
ReCoNets. Als Anwendungsszenario untersuchen wir die Anforderungen an ReCoNodes, für
die in einem Netzwerk neue Hardwaretasks generiert werden. Dies ist realistisch beispielsweise
im Bereich der Automobilinnenraumelektronik, für den am Lehrstuhl bereits Vorarbeiten geleistet wurden.
Weitere Informationen sind im WWW unter folgender URL verfügbar:
http://www.reconodes.de
4
Veröffentlichungen und Vorträge
4.1 Veröffentlichungen
1. A. Ahmadinia, C. Bobda, and J. Teich.
Temporal Task Clustering for Online Placement on Reconfigurable Hardware.
In Proceedings of the IEEE International Conference on Field-Programmable Technology, pp. 359-362, Tokyo, Japan, December 15-17, 2003.
2. A. Ahmadinia, C. Bobda, K. Danne, and J. Teich.
A New Approach for Reconfigurable Massively Parallel Computers.
In Proceedings of the IEEE International Conference on Field-Programmable Technology, pp. 391-394, Tokyo, Japan, December 15-17, 2003.
3. A. Ahmadinia and J. Teich.
Speeding up Online Placement for XILINX FPGAs by Reducing Configuration Overhead. In Proceedings of the IFIP International Conference on VLSI-SOC, pp. 118-122,
Darmstadt, Germany, December 1-3, 2003.
4. S. Mostaghim and J. Teich.
Quad-trees: A Data structure for storing Pareto-sets in Multi-objective Evolutionary Algorithms with Elitism. In Proceedings of Evolutionary Computation Based Multi-Criteria Optimization: Theoretical Advances and Applications, Ajith Abraham, Lakhmi Jain
and Robert Goldberg Oc., Springer Verlag, London, is going to be published in April
2004.
5. C. Haubelt and J. Teich.
Accelerating Design Space Exploration. In Proceedings of 5th International Conference
on ASIC (ASICON 2003), pp. 79-84, Beijing, China, October 21-24, 2003.
6. P. Kralicek, C. Reinhold, and J. Teich.
Synthesizing Passive Networks by applying Genetic Programming and Evolution Strat-
247
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
4.1
egies. In Proceedings of the Congress on Evolutionary Computation (CEC'03), pp. 17401747, Canberra, Australia, December 8-12, 2003.
7. S. Mostaghim and J. Teich.
The role of e-dominance in Multi-Objective Particle Swarm Optimization Methods.
In Proceedings of the Congress on Evolutionary Computation (CEC'03), pp. 1764-1771,
Canberra, Australia, December 8-12, 2003.
8. C. Haubelt, D. Koch, and J. Teich.
ReCoNets: Modeling and Implementation of Fault Tolerant Distributed Reconfigurable
Hardware. In Proceedings of the 16th Symposium on Integrated Circuits and Systems
Design (SBCCI2003), pp. 343-348, São Paulo, Brazil, September 8-11, 2003.
9. C. Bobda, K. Danne, and A. Linarth.
Efficient Implementation of the Singular Value Decomposition on a Reconfigurable System. In Proceedings of the International Conference on Field Programmable Logic and
Applications (FPL2003), pp. 1123-1126, Lisbon, Portugal, September 2003.
10. C. Bobda, K. Danne, and H. Kalte.
Run-time Exchange of Mechatronic Controllers Using Partial Hardware Reconfiguration. In Proceedings of the International Conference on Field Programmable Logic and
Applications (FPL2003), pp. 272-281, Lisbon, Portugal, September 2003.
11. R. Feldmann, C. Haubelt, B. Monien, and J. Teich.
Fault Tolerance Analysis of Distributed Reconfigurable Systems Using SAT-Based
Techniques. In Proceedings of 13th International Conference on Field Programmable
Logic and Applications, pp. 478-487, Lisbon, Portugal, September 1-3, 2003.
12. C. Haubelt, D. Koch, and J. Teich.
Basic OS Support for Distributed Reconfigurable Hardware. In Proceedings of the Third
International Workshop on Systems, Architectures, Modeling and Simulation (SAMOS'03), pp. 18-22, Samos, Greece, July 21-23, 2003.
13. J. Teich.
ReCoNets - Networks of Reconfigurable Nodes and Interconnect. Dagstuhl Seminar No.
03301, Dynamically Reconfigurable Architectures, IBFI, Germany, July 2003.
14. M. Bednara, C. Grabbe, J. Shokrollahi, J. Teich, and J. von zur Gathen.
FPGA Designs of Parallel High Performance GF(2^233) Multipliers. In Proceedings of
the IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS-2003), pp. 268271, Bangkok, Thailand, May 25-28, 2003.
15. C. Bobda, T. Lehmann, A. Rettberg, and M. Zanella.
A New Approach of a Self-Timed Bit-Serial Synchronous Pipeline Architecture. In Proceedings of the 14th IEEE International Workshop on Rapid System Prototyping, pp. 7177, Bahia Hotel, San Diego, CA, USA, June 9–11, 2003.
16. S. Mostaghim and J. Teich.
Strategies for finding good local guides. In Proceedings of the Swarm Intelligence Symposium, Indianapolis, pp. 26-33, USA, April 24-26, 2003.
17. M. Bednara, C. Grabbe, J. Shokrollahi, J. Teich, and J. von zur Gathen.
A High Performance VLIW Processor for Finite Field Arithmetic. In Proceedings of the
International Parallel and Distributed Processing Symposium (IPDPS-2003), p. 189,
Nice, France, April 22-26, 2003.
248
4.1
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
18. M. Bednara and J. Teich.
Automatic Synthesis of FPGA Processor Arrays from Loop Algorithms. Journal of Supercomputing, pp. 149-165, 2003.
19. D. Fischer, J. Teich, M. Thies, and R. Weper.
Buildabong: A Framework for Architecture/Compiler Co-Exploration. Journal of Circuits, Systems, and Computers, Vol. 12, No. 3, pp. 353-375, World Scientific Publishing
Company, June 2003.
20. M. Bednara, K. Danne, M. Deppe, F. Oberschelp, F. Slomka, and J. Teich.
Design and Implementation of Digital Linear Control Systems on Reconfigurable Hardware. EURASIP Journal of Applied Signal Processing, Vol. 2003, Number 6, pp. 1-9,
Hindawi Publishing Corporation, 2003.
21. M. Dellnitz, S. Mostaghim, O. Schütze, and J. Teich.
Covering Pareto Sets by Multilevel Evolutionary Subdivision Techniques. In Proceedings of the Second International Conference on Evolutionary Multi-Criterion Optimization (EMO), pp. 118-132, Faro, Portugal, April 8-11, 2003.
22. J. Teich.
Challenges and Potentials of Reconfigurable Computing. 6th German-American Frontiers of Engineering Symposium, Alexander von Humboldt-Foundation, U.S. National
Academy of Engineering, Ludwigsburg, Germany, April 2003.
23. C. Haubelt, S. Mostaghim, J. Teich, and A. Tyagi.
Solving Hierarchical Optimization Problems Using MOEAs.
In Evolutionary Multi-Criterion Optimization, Carlos M. Fonseca, Peter J. Fleming,
Eckart Zitzler, Kalyanmoy Deb, and Lothar Thiele (eds.), Lecture Notes in Computer
Science, Vol. 2632, pp. 162-176, Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 2003.
24. C. Bobda.
Synthesis of Dataflow Graphs for Reconfigurable Systems using Temporal Partitioning
and Temporal Placement. Dissertation, Universität Paderborn, Heinz Nixdorf Institut,
Entwurf Paralleler Systeme, volume 128 of HNI-Verlagsschriftenreihe, 2003.
25. C. Bobda, K. Danne, and H. Kalte.
Increasing Efficiency by Partial Hardware Reconfiguration: Case Study of a Multi-Controller System. In Proceedings of the International Conference on Parallel and Distributed Processing Techniques and Applications (PDPTA), Las Vegas, Nevada, June 2003.
26. C. Haubelt, S. Mostaghim, F. Slomka, J. Teich, and A. Tyagi.
Hierachical Synthesis of Embedded Systems Using Evolutionary Algorithms.
In Evolutionary Algorithms in System Design by Drechsler, R. and Drechsler, N., in Genetic Algorithms and Evolutionary Computation (GENA), pp. 63-104, Kluwer Academic Publishers, Boston, Dordrecht, London, 2003.
27. J. Gerling, G. Mrozynski, J. Schrage, O. Stuebbe, and J. Teich.
Improved time domain simulation of optical multimode intrasystem interconnects. In
Proceedings of Design, Automation and Test in Europe (DATE 2003), pp. 1110-1111,
Munich, Germany, March 3-7, 2003.
28. R. Feldmann, C. Haubelt, B. Monien, and J. Teich.
SAT-Based Techniques in System Synthesis. In Proceedings of Design, Automation and
Test in Europe (DATE 2003), Norbert Wehn and Diederik Verkest, IEEE Computer Society, pp. 1168-1169, Munich, Germany, March 3-7, 2003.
249
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
4.2
29. C. Bobda, T. Lehmann, A. Rettberg, and M. Zanella.
A Fully Self-Timed Bit-Serial Pipeline Architecture for Embedded Systems.
In Proceedings of Design, Automation and Test in Europe (DATE 2003), pp. 1130-1131,
Munich, Germany, March 3-7, 2003.
30. F. Slomka and J. Teich.
A Model for Buffer Exploration in EDF Scheduled Embedded Systems.
11. EIS-Workshop, Entwurf Integrierter Schaltungen und Systeme, Erlangen, Germany.
VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM), GMMFachbericht, pp. 91-96, VDE-Verlag, Berlin, März 2003.
31. J. Teich.
Entwurfsautomatisierung elektronischer Systeme auf Systemebene.
11. EIS-Workshop, Entwurf Integrierter Schaltungen und Systeme, VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM), GMM-Fachbericht, VDEVerlag, Berlin, März 2003.
32. S. Bhattacharyya, E. Deprettere, and J. Teich.
Domain-Specific Processors: Systems, Architectures, Modeling and Simulation.
S. Bhattacharyya, E.F Deprettere, J. Teich and Marcel Dekker, Signal Processing and
Communication Series, New York, USA, 2003.
33. C. Haubelt and J. Teich.
Accelerating Design Space Exploration Using Pareto-Front Arithmetics.
In Proceedings ASP-DAC 2003, Asia and South Pacific Design Automation Conference, pp. 525-531, Kitakyushu, Japan, January 21-24, 2003.
4.2 Vorträge (außer Workshop- und Konferenzvorträge)
1. J. Teich.
Intelligente Eingebettete Systeme. Strategietagung Fraunhofer Institut für Integrierte
Schaltungen, Stegaurach, Deutschland, 3. Februar 2003.
2. J. Teich.
Intelligente Eingebettete Systeme. Vorstand der Fraunhofer-Gesellschaft, München,
Deutschland, 6. März 2003.
3. J. Teich.
Entwurfsautomatisierung elektronischer Systeme auf Systemebene. 11. E.I.S.-Workshop, Erlangen, Deutschland, 31. März – 1. April 2003.
4. J. Teich.
Intelligente Eingebettete Systeme. Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen,
Außenstelle EAS, Dresden, Deutschland, 3. April 2003.
5. J. Teich.
Hardware=Software. Antrittsvorlesung, Tag der Informatik, Universität ErlangenNürnberg, Erlangen, Deutschland, 25. April 2003.
6. J. Teich.
Challenges and Potentials of Reconfigurable Computing Architectures. 6th GermanAmerican Frontiers of Engineering Symposium, Ludwigsburg, Deutschland, 30. April –
3. Mai 2003.
250
5
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
7. Ch. Bobda.
Temporale Partitionierung und Temporale Platzierung beim Entwurf Rekonfigurierbarer Rechensysteme. DFG-Einführungskolloquium SPP1148, Stuttgart, Deutschland, 12.13. Juni 2003.
8. Ch. Haubelt.
ReCoNets - Entwurfsmethodik für eingebettete Systeme bestehend aus kleinen Netzwerken hardwarerekonfigurierbarer Knoten und –verbindungen. DFG-Einführungskolloquium SPP1148, Stuttgart, Deutschland, 12.-13. Juni 2003.
9. J. Teich.
Rekonfigurierbare Rechensysteme. DFG-Einführungskolloquium SPP1148, Stuttgart,
Deutschland, 12.-13. Juni 2003.
10. J. Teich.
ReCoNets – Networks of Reconfigurable Nodes and Interconnect. Seminar on Dynamically Reconfigurable Architectures, Internationales Begegnungs- und Forschungszentrum für Informatik, Schloss Dagstuhl, Deutschland, 20.-25. Juni 2003.
11. Ch. Haubelt.
Hierarchische Mehrzieloptimierung Eingebetteter Systeme. Oldenburger Forschungsund Entwicklungsinstitut für Informatik-Werkzeuge und Systeme OFFIS, Oldenburg,
Deutschland. 16. September 2003.
12. Ch. Haubelt.
Modelle und Methoden zur Synthese und Optimierung von gemischt reaktiv/transformativen eingebetteten Systemen. DFG-Abschlusskolloquium SPP1040, Leonberg, Deutschland, 17.-18. November 2003.
13. J. Teich.
Partial Dynamic Hardware Reconfiguration with Precedence Constraints. Technische
Universität Graz, Graz, Österreich, 28. November 2003.
14. J. Teich.
Reconfigurable Computing System – A German Research Initiative. University of
Queensland, Brisbane, Australien, 8. Dezember 2003.
15. J. Teich.
Partial Dynamic Hardware Reconfiguration with Precedence Constraints. University of
New South Wales, Sydney, Australien, 15. Dezember 2003.
5
Studien- und Diplomarbeiten
5.1 Studienarbeiten
• Reinhold, Christian: Anwendung der Kombination von Evolutionsstrategien und
Genetischer Programmierung zur Synthese passiver Netzwerke.
5.2 Diplomarbeiten
• Otto, Stephan: Systemsynthese hierarchischer Prozessgraphen für rekonfigurierbare Hardware.
251
Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design)
6
• Helmut Behr: Entwicklung einer Hard- und Softwareumgebung zur Realisierung
Bluetooth-basierter Ad-hoc Netzwerke für autonome Roboter.
• Stübbe, Oliver: Adaption und Hardwareimplementierung eines rekursiven Faltungsalgorithmus zur Zeitbereichsanalyse optischer Multimode-Wellenleiter.
6
Bachelor- und Master Theses
6.1 Bachelor Theses
• Perez, Raquel: Transforming SystemC Dataflow Models for Hardware-SoftwarePartitioning.
252
Informatik-Forschungsgruppe B (Betriebliche Anwendungen)
Anschrift: Martensstr. 3, 91058 Erlangen
Tel.: +49.9131.85.27878
Fax.: +49.9131.85.27880
Leitung:
Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Peter Mertens
Sekretariat:
Waltraud Rück
Wiss. Mitarbeiter:
Dipl.-Wirtsch.-Inf. Gerald Butterwegge
Dipl.-Kfm. Helmut Geyer
Dipl.-Kff. Sandra Gilleßen
Dipl.-Inf. Habib Lejmi
Dipl.-Wirtsch.-Inf. Michael Lohmann
Dipl.-Wirtsch.-Inf. Jochen Speyerer
1
Einführung
Der Bereich Wirtschaftsinformatik I setzt sich wie ein "virtuelles Unternehmen" zusammen aus
dem Lehrstuhl für Betriebswirtschaftslehre, insbesondere Wirtschaftsinformatik I, an der Wirtschafts- und Sozialwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität ErlangenNürnberg, aus der Informatik-Forschungsgruppe B (Betriebliche Anwendungen) im Institut für
Informatik an der Technischen Fakultät sowie der Forschungsgruppe Wirtschaftsinformatik am
Bayerischen Forschungszentrum für Wissenbasierte Systeme (FORWISS). Prof. Mertens leitet
diese Einrichtungen in Personalunion.
Weiterhin ist der Bereich Wirtschaftsinformatik I maßgeblich am Bayerischen Forschungsverbund Wirtschaftsinformatik (FORWIN) beteiligt, dessen Sprecher Prof. Mertens ist, sowie am
Bayerischen Forschungsverbund für Situierung, Individualisierung und Personalisierung in der
Mensch-Maschine-Interaktion (FORSIP).
Zur Homepage des Lehrstuhls (http://www.wi1.uni-erlangen.de)
253
Informatik-Forschungsgruppe B (Betriebliche Anwendungen)
2
2
Forschungsprojekte
2.1 Angebotssysteme für Softwarehäuser am Beispiel von Data-MiningSystemen
Projektleitung:
Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Peter Mertens
Beteiligte:
Dipl.-Kfm. Helmut Geyer
Beginn: 1.9.2001
Mitwirkende Institutionen:
Bissantz & Company GmbH
Bei der Umsetzung innovativer Verfahren der Datenanalyse in die betriebliche Praxis zeigt sich,
dass der Einsatz der in Data-Mining-Produkten implementierten Algorithmen und Methoden in
Unternehmen oftmals auf Akzeptanzprobleme stößt. Ziel des Projektes ist, solche Barrieren vor
einer intensivere Nutzung analytischer Techniken in betriebswirtschaftlichen Entscheidungssituationen zu untersuchen und Lösungsmöglichkeiten aufzuzeigen.
Das Projekt läuft in Zusammenarbeit mit dem Softwareunternehmen Bissantz & Company
GmbH mit Sitz in Nürnberg, das auf Produkte für die betriebswirtschaftliche Datenanalyse spezialisiert ist. Das Unternehmen wurde 1996 als Technologie-Spin-off einer Gruppe des FORWISS-Instituts (Forschungsverbund für wissensbasierte Systeme) gegründet. Dort wurden
zwischen 1993 und 1996 Grundlagen für die Automation der Datenanalyse entwickelt und die
Eignung von Data-Mining-Verfahren für das Unternehmenscontrolling nachgewiesen.
Das Unternehmen sieht einen strategischen Erfolgsfaktor im Umgang mit dem Know-how, das
in Entwicklungs- und Implementierungsprojekten entsteht. In diesem Zusammenhang gilt es,
ein System für das Know-how-Management für das Data-Mining zu konzipieren, um gewonnene Erfahrungen und Erkenntnisse zu erhalten. Das Know-how-System kann einerseits die Entwicklung neuer Produktversionen unterstützen, andererseits gewährleistet es in zukünftigen
Projekten den Zugriff auf bereits vorhandene Lösungen aus vergleichbaren Fällen.
Ein zentraler Ansatzpunkt zum Abbau von Anwendungsbarrieren ist die benutzerorientierte Gestaltung der Software. In diesem Kontext wird ein Stufenmodell verfolgt, das an unterschiedlich
versierte Anwender angepasste Funktionalitäten anbietet. Die Spannweite reicht dabei vom
Data-Mining-Experten, der typischerweise in einer zentralen Stabsstelle Daten aus dem Unternehmen für Marketing und Controlling analysiert und weiterleitet bis hin zum Berichtsempfänger, der sich für ausgewählte Kennzahlen interessiert, aber keine Data-Mining-Kenntnisse
benötigt.
Mit zunehmender Softwarefunktionalität gewinnt die Verfügbarkeit von Produkthandbüchern
und Hilfen im Programm an Bedeutung. Für diese Aufgabe werden die aktuell verfügbaren
Konzepte geprüft und an die speziellen Anforderungen im Data-Mining angepasst. Ein Prinzip
bei der benutzerorientierten Oberflächengestaltung ist die Verfügbarkeit der Hilfen im Kontext
der Anwendung. Um dieses Prinzip zu realisieren, wurden die zuvor in separaten Hilfefenstern
angeordneten Hilfetexte grundlegend überarbeitet und so knapp formuliert, dass sie innerhalb
der Statusleiste des Programms je nach Position des Mauszeigers eingeblendet werden können.
254
2.2
Informatik-Forschungsgruppe B (Betriebliche Anwendungen)
Ein weiterer Aspekt betrifft die rationelle Produktion von Hilfen als gedrucktes Handbuch und
in elektronischer Form. Eine Vorgehensweise, um unabhängig von dem späteren Ausgabemedium zu sein, basiert auf einer Erfassung der Hilfetexte im HTML-Format und dem Speichern
in einer Datenbank. Verschiedene Deskriptoren für die Inhalte erlauben es, den Umfang der verfügbaren Hilfethemen an die jeweils aktiven Benutzerstufe des Analyseprogramms anzupassen.
Der Ausdruck des Handbuchs in Papierform geschieht, indem die HTML-Texte aus den Feldern
der Datenbank zunächst in ein gemeinsames Dokument exportiert werden. Dort lassen sich weitere Formatierungen wie das Einfügen von Seitenzahlen vornehmen.
Im Zusammenhang mit Projektarbeiten wird versucht, ein interaktives Demonstrationssystem
für ein Data-Mining-Produkt zu erstellen, das einen Kompromiss zwischen Demo-Anwendungen, die zeitlich und teilweise funktional begrenzte Programmversionen sind, und solchen Demonstrationen bilden soll, die im Wesentlichen aus Screenshots bestehen, aber keinen direkten
Bezug zum Zielsystem haben. Dabei wird der Ansatz verfolgt, den Angebotsprozess durch einen einfach zu bedienenden Demonstrationsmodus zu unterstützen. In diesem Modus arbeitet
der Interessent auf einer anonymisierten Datenbasis aus Kundenprojekten, die in einem vorstrukturierten Data-Mining-Prozess analysiert werden. Zusätzlich verdeutlichen eingeblendete
Kommentare den Ablauf. Ein Vorteil dieses Konzepts liegt darin, dass der Demonstrationsmodus auch bei Änderungen am Programm ohne Wartungsaufwand für das Erstellen neuer
Screenshots die aktuelle Version der Analysesoftware präsentiert.
2.2 CoUnt - Informationssysteme zum Controlling von Unternehmensnetzwerken unter besonderer Berücksichtigung von betriebsübergreifenden
Störungen
Projektleitung:
Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Peter Mertens
Beteiligte:
Dipl.-Volksw. Andrew J. Zeller
Beginn: 1.3.2002
Mitwirkende Institutionen: FORWIN
Für ein erfolgreiches Supply Chain Management spielt ein umfangreiches Controlling eine erhebliche Rolle. Dies wird durch eine Vielzahl von Veröffentlichungen zu diesem Thema in den
letzten Jahren unterstrichen. Trotzdem besteht noch ein Erkenntnisdefizit [WeKG03], eine Bestandsaufnahme zeigt wesentliche Lücken auf.
Die "Kette von der Symptomatik über die Diagnose zur Therapie und Therapieprognose" soll
hier möglichst automatisiert werden. Ergebnis des Entstörprozesses ist die ursächliche Bekämpfung des Problems, sodass Controlling nicht lediglich auf Missstände innerhalb von Unternehmensnetzwerken reagiert, sondern diese präventiv verhindern kann. Das vorliegende
Forschungsprojekt entwickelt hierfür neben dem notwendigen Theoriehintergrund auch einen
Prototyp.
Die vorzufindenden Überwachungsansätze verhalten sich stark reaktiv; erst nach der zentralen,
zeitversetzten Analyse verdichteter Datenbestände werden Probleme erkannt. Dies ist allerdings im Sinne eines Management by Exception nicht wünschenswert. Man stelle sich vor, dass
255
Informatik-Forschungsgruppe B (Betriebliche Anwendungen)
2.2
erwartete Prognosen nicht abgegeben werden oder Produktionslinien ausfallen. Eine personelle
Überwachung ist indes zu zeit- und kostenintensiv, sodass die Informationsverarbeitung diese
Aufgabe übernehmen muss. Hierfür liefern die jeweiligen Knoten und Kanten des Netzwerks
Statusinformationen an ein Entstörsystem, das die Planwerte für die gesamte Kette enthält. Auslöser für die Meldungen sind entweder Probleme im Rahmen des aktuellen Prozessgeschehens
oder aber Kennzahlabweichungen. Ein Anwendungssystem eruiert alsdann die Folgewirkungen
des Problems auf die anderen Netzwerkteilnehmer und ermittelt die Kritizität des gemeldeten
Problems. Mit einer Klassifikation der eingetretenen Störung und dem Abgleich mit vorhandenen Informationen diagnostiziert es mögliche Ursachen und informiert anhand des Ergebnisses
entsprechende Empfängerkreise. Doch auch auf der taktischen und strategischen Ebene muss
ein Controlling greifen. Abhängig von der Machtverteilung im Netzwerk ergeben sich drei Ansätze für die Strategievorgabe:
1.Bei fokal orchestrierten Liefernetzen wird die zentrale Unternehmung die Netzwerkstrategie
ihrer Unternehmensstrategie unterordnen und den anderen Teilnehmern die Planzahlen diktieren.
2.Polyzentrische Netze können ein Gremium einrichten, bei dem sich die führenden Partner regelmäßig zu strategischen Fragen zusammensetzen und die Ergebnisse den anderen Knoten und
Kanten kommunizieren.
3.Zusammenschlüsse, bei denen die Macht wirklich gleichverteilt ist, können entweder auf dieses Gremien-Prinzip bauen oder vermaschte Regelkreise nutzen.
In der Praxis lässt sich jedoch immer wieder ein kooperationsfeindliches Verhalten von Parteien
beobachten. So forderte die Daimler-Chrysler AG nicht nur einen pauschalen Abschlag von 15
% von ihren Zulieferern, sondern sogar einen dreiprozentigen Nachlass rückwirkend für das
Jahr 2003. In solchen Fällen ist es schwer, eine Strategie für das gesamte Netzwerk durchzusetzen, die auch von allen akzeptiert wird und nicht aufoktroyiert wirkt.
Publikationen
0XX
1. Sturm, Thomas ; Tchinitchian, Jan C. ; Zeller, Andrew J.: Von der Prozessanalyse zur
Applikation - Projektmanagement in einem dynamischen Start-Up-Umfeld . In: Richter,
Reinhard (Hrsg.) : Management und Controlling von IT-Projekten. Heidelberg : dpunkt,
2001, S. o.S..
2. Zeller, Andrew J.: Controlling des Kooperativen Planens . In: Schenck, M. ; Ziems, D. ;
Inderfurth, K. (Hrsg.) : Logistikplanung & -management: LOGiSCH. Magdeburg : o.V.,
2002, S. 70-85.
3. Zeller, Andrew J.: Process and performance decisions in the networked organization .
In: Arbib, C. (Hrsg.) : Proceedings of the 33rd Annual Conference of the Operational
Research Society of Italy (33rd Annual Conference of the Operational Research Society
of Italy L’Aquila (Italy) 2002-09-10). L’Aquila (Italy) : o.V., 2002, S. 40-41.
4. Zeller, Thomas: Computer lenken - Menschen denken . In: Zukunft im Brennpunkt 2
(2003), Nr. 1, S. 25-28
5. Zeller, Andrew J.: Controlling von Unternehmensnetzwerken: Bestandsaufnahme und
Lükkenanalyse . Erlangen-Nürnberg : FAU. 2003 (FWN-2003-002). - Interner Bericht
6. Speyerer, Jochen ; Zeller, Andrew J.: Disruption Management in Supply Networks with
Web Services - ad hoc Information Retrieval for Fast Impact Analysis . In: International
256
2.3
Informatik-Forschungsgruppe B (Betriebliche Anwendungen)
Institute of Informatics and Systemics (Hrsg.) : Proceedings of the 7th World Multiconference on Systemics, Cybernetics and Informatics. Volume I (7th World Multiconference on Systemics, Cybernetics and Informatics Orlando, FL (USA) 2003-07-28).
Orlando, FL (USA) : o.V., 2003, S. 374-379.
7. Zeller, Andrew J.: Informationsverarbeitung beim Controlling von Unternehmensnetzwerken unter besonderer Berücksichtigung von betriebsübergreifenden Störungen .
In: o.V. (Hrsg.) : Kolloquium für Doktoranden der Wirtschaftsinformatik, 6. Internationale Tagung Wirtschaftsinformatik 2003 (Kolloquium für Doktoranden der Wirtschaftsinformatik, 6. Internationale Tagung Wirtschaftsinformatik 2003 Wilthen 2003-).
Wilthen : o.V., 2003, S. o.S..
8. Speyerer, Jochen ; Zeller, Andrew J.: Integrating performance measurement with disruption handling for management support in supply nets . In: Pawar, Kulwant S. ; Muffatto,
Moreno (Hrsg.) : Proceedings of the 8th International Symposium on Logistics (8th International Symposium on Logistics Sevilla (SP) 2003-07-07). Nottingham (UK) : o.V.,
2003, S. 477-486.
9. Speyerer, Jochen ; Zeller, Andrew J.: Inter-Organizational Disruption Management Based on Flexible Integration with Web Services . In: Uhr, Wolfgang ; Esswein, Werner ;
Schoop, Eric (Hrsg.) : Wirtschaftsinformatik 2003/Band II - Medien - Märkte - Mobilität
(6. Internationale Tagung Wirtschaftsinformatik: Medien - Märkte - Mobilität Dresden
2003-09-17). Heidelberg : Physica, 2003, S. 819-836.
10. Speyerer, Jochen ; Zeller, Andrew J.: Therapieansatz im Supply Chain Management auf
Basis von Web Services . In: Ortner, Erich (Hrsg.) : Symposium "Entwicklung Web-Service basierter Anwendungen" im Rahmen der 33. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik e.V. (Symposium "Entwicklung Web-Service basierter Anwendungen" im
Rahmen der 33. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik e.V. Frankfurt/Main 200310-02). Frankfurt/Main : o.V., 2003, S. 35-46.
2.3 Der Bezug externer Daten zur individualisierten und situierten
Entscheidungsunterstützung
Projektleitung:
Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Peter Mertens
Beteiligte:
Dipl.-Kff. Sandra Gilleßen
Beginn: 1.1.2003
Für jede in einem Unternehmen zu fällende Entscheidung zieht der verantwortliche Mitarbeiter
Informationen hinzu, um diese zu begründen und zu fundieren. Woher die Daten stammen und
auf welche Weise sie bezogen werden, unterscheidet sich je nach Funktionalbereich und Entscheidungsfall stark. Der Gedanke der Entscheidungsunterstützung durch externe Daten ist
nicht neu, so haben beispielsweise Wirtschaftsdienste und Marktforschungsinstitute mittlerweile eine lange Tradition. Die erforderlichen Informationen aber genau zum richtigen Zeitpunkt,
in der richtigen Menge und in bestmöglicher Weise für den Entscheider aufbereitet zur Verfügung zu stellen, ist eine neue Herausforderung. Zusätzlich sollen die benötigten Daten durch die
zu treffende Entscheidung bestimmt werden, wobei die Situierung des Unternehmens als ein
257
Informatik-Forschungsgruppe B (Betriebliche Anwendungen)
2.4
weiteres Kriterium zu beachten ist.
Gefördert durch die zunehmende Bereitschaft der Anwender, für qualitativ hochwertige Inhalte
zu zahlen, bildet sich eine steigende Anzahl von Anbietern heraus, die ihre Informationen über
das Internet bereitstellen. Dies wiederum schafft die Voraussetzungen, um den vorhandenen
Bedarfssog beispielsweise mit Mitteln des Micro Purchase zu decken.
Als Basis dient eine Entscheidungsarchitektur. In dieser ist einerseits der Einfluss der Individualisierung in Bezug auf den Anwender, andererseits die Situierung des betrachteten Unternehmens einbezogen.
Publikationen
0XX
1. Gilleßen, Sandra: Der Bezug externer Daten zur situierten und individualisierten Entscheidungsunterstützung . In: o.V. (Hrsg.) : Kolloquium für Doktoranden der Wirtschaftsinformatik, 6. Internationale Tagung Wirtschaftsinformatik 2003 (Kolloquium
für Doktoranden der Wirtschaftsinformatik, 6. Internationale Tagung Wirtschaftsinformatik 2003 Wilthen). Wilthen : o.V., 2003, S. o.S..
2. Süßmilch-Walther, Irene ; Gilleßen, Sandra: Ein Bezugsrahmen für Rollen in Unternehmungen. Teil 1: Grundlagen, Abgrenzung und Methodik . Nürnberg : FAU. 2003 (1/
2003). - Interner Bericht (Arbeitsbericht des Bereichs Wirtschaftsinformatik I)
3. Süßmilch-Walther, Irene ; Gilleßen, Sandra: The Influence of Individualization and Situation on Information Demands of Employees . In: Reichwald, Ralf ; Piller, Frank ;
Tseng, Mitchell M. (Hrsg.) : Proceedings of the 2nd Interdisciplinary World Congress
on Mass Customization and Personalization (MCPC ’03) (2nd Interdisciplinary World
Congress on Mass Customization and Personalization (MCPC ’03) München 2003-1008). München : o.V., 2003, S. o.S..
2.4 FiBRE - IV-Unterstützung der Finanz-, Bilanz-, Risiko- und Ergebnisplanung zur strategischen Unternehmensführung
Projektleitung:
Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Peter Mertens
Beteiligte:
Dipl.-Wirtsch.-Inf. Dr. Andreas Billmeyer
Laufzeit: 1.1.1999 - 31.12.2003
Förderer: SAP AG, Walldorf
Ziel des Projektes war, das Zusammenwirken unterschiedlicher Planungsbereiche (z. B. Investitions-, Absatz-, Personal- oder Finanzplanung u. a.) auf Ebene der gesamten Unternehmung
zu untersuchen und dem Unternehmensplaner Simulationsmöglichkeiten zu eröffnen. Zu diesem Zweck wurden, von typischen Entscheidungssituationen der Verantwortungsträger im Unternehmen ausgehend, die Methoden-, Daten- und Entscheidungsbedarfe der Planungsarten
dargestellt. Den Rahmen hierfür gab die strategische Unternehmensplanung, deren Teilbereiche
als Zuträgermodule einer Bilanz-, GuV-, Finanz- und Risikoplanung dienen. Berücksichtigt
wurden insbesondere auch steuerliche Wirkungen der Entscheidungsalternativen, welche den
258
2.5
Informatik-Forschungsgruppe B (Betriebliche Anwendungen)
Unternehmenserfolg in beträchtlicher Höhe beeinflussen.
Das Projekt lief in Zusammenarbeit mit der SAP AG im Umfeld der so genannten New-Dimension-Initiative SEM-BPS (Strategic Enterprise Management - Business Planning and Simulation).
Nach grundlegender Modellierung der Planungsbereiche wurde ein Prototyp erstellt, der die Integration der unterschiedlichen betrieblichen Funktionsbereiche verdeutlicht. Von diesen wurden die Planung von Absatz, Produktion und Lagern, Investition und Finanzierung, Personal,
Liquidität und Risiko sowie eine Wertanalyse auf Basis des EVA (Economic Value Added) realisiert. Für diesen Prototyp wurde, aufgrund der vielfachen Verbreitung in der Praxis für Planungsaufgaben, Microsoft Excel als Umgebung verwendet. Dies hat den Vorteil, dass hierbei
zunächst die Planungsdaten und Verknüpfungen gemeinsam sichtbar sind, d. h., Benutzungsoberfläche und Daten werden integriert dargestellt. Bei einer weiteren Entwicklung werden die
Datenstrukturen allerdings komplexer, sodass auf den Einsatz einer Datenbank nicht verzichtet
werden kann.
Innerhalb dieses Prototyps können Veränderungen in einem Planungsbereich (z. B. die Anschaffung und Abschreibung einer bedeutenden Anlage) in ihrer Wirkung auf die Vermögens, Finanz- und Ertragslage der Unternehmung verfolgt werden. Dazu werden Planbilanzen und erfolgsrechnungen für fünf Jahre mitgeführt, was den langfristigen Charakter der Planung verdeutlicht.
Daneben beschäftigte sich die Forschung damit, inwiefern der Benutzer durch intelligente Zugangs- und Abgangssysteme bei seiner Planung unterstützt werden kann. In diesem Teilbereich
der Forschung ist eine Regelbasis (mit Regeleditor zur Eingabe und Regelinterpreter zur Anwendung) erstellt worden, die sowohl gleich bei der Dateneingabe Warnhinweise auf unrealistische Werte geben kann oder die bei der Auswertung der Ergebnisse in Form einer Art
Bilanzanalyse hilft.
Publikationen
0XX
1. Billmeyer, Andreas ; Bradl, Peter ; Mertens, Peter: Informationsverarbeitung in der strategischen Unternehmensplanung . In: WISU - Das Wirtschaftsstudium 32 (2003), Nr. 6,
S. 795-803
2. Billmeyer, Andreas ; Bradl, Peter ; Mertens, Peter: Simulation in der strategischen Unternehmensplanung . In: WISU - Das Wirtschaftsstudium 32 (2003), Nr. 10, S. 12561268
3. Billmeyer, Andreas: Computergestützte Planung, Simulation und Interpretation durch
regelbasierte Systeme im Finanzbereich der Unternehmung . Aachen : Shaker, 2003.
Zugl.: Nürnberg, Universität Erlangen-Nürnberg, Diss., 2003
2.5 Flexible IV-technische Integration in das Supply Chain Management
anderer Unternehmen
Projektleitung:
Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Peter Mertens
259
Informatik-Forschungsgruppe B (Betriebliche Anwendungen)
2.5
Beteiligte:
Dipl.-Wirtsch.-Inf. Jochen Speyerer
Beginn: 15.4.2002
Mitwirkende Institutionen: FORWIN
Unternehmen sind fortdauernd bemüht ihre Material- und Informationsflüsse über die eigenen
Betriebsgrenzen hinaus zu verbessern, um den Aufwand der Wertschöpfung sowohl in zeitlicher als auch in finanzieller Hinsicht zu reduzieren. Die dafür notwendige übergeordnete Planung der gesamten Lieferkette wird von technischer Seite mit Supply-Chain-Management
(SCM)-Systemen bewerkstelligt. Die Einführung und der Einsatz derartiger Software führen zu
einem hohen Integrationsbedarf. Das steigende Volumen der zwischen den Teilnehmern ausgetauschten Daten sowie die für den Einsatz solcher Lösungen unabdingbare Kopplung der beteiligten Knoten des Liefernetzwerks wird nicht selten über proprietäre und komplexe
Insellösungen abgewickelt. Die Folge sind schwer wartbare, starr vernetzte Anwendungssysteme, bei denen sich eine spätere Änderung als zeit- und ressourcenaufwändig darstellt.
Basis der Forschung stellen Untersuchungen alternativer Architekturkonzepte, wie beispielsweise die des Enterprise Application Integration (EAI), dar. Darauf aufbauend wird versucht,
die mit Web Services zur Verfügung stehenden Techniken zur Lösung des Integrationsproblems heranzuziehen. Die bei diesem Ansatz verwendeten Standards und Protokolle haben aufgrund ihrer breiten Akzeptanz und weitgehenden Hardware- und Softwareunabhängigkeit das
Potenzial, heterogene IV-Systeme mit geringem Aufwand zu verbinden.
Mit der strikten Ausrichtung auf das Internet und dessen Protokolle gewährleisten Web Services
eine einfache Kommunikation auch in heterogenen Umgebungen. Sie können als Weiterentwicklung des Componentware-Ansatzes aufgefasst werden, bei dem durch das Prinzip des Information-Hiding Methoden in separaten und wieder verwendbaren Software-Modulen
gekapselt werden. Dadurch ist es möglich, die in vielen Unternehmen noch anzutreffenden so
genannten Legacy-Systeme in den Gesamtprozess einzubinden. Den Kern der Web-ServicesArchitektur bilden drei auf verschiedenen XML-Schemata aufbauende Protokolle: der Verzeichnisdienst Universal Description, Discovery and Integration (UDDI), das Simple Object
Access Protocol (SOAP) sowie die Web Service Description Language (WSDL).
Gerade im UDDI-Standard und den zur Hinterlegung und Suche genutzten Schnittstellen sowie
Verzeichnissen sehen wir Möglichkeiten, potenzielle vorher gänzlich unbekannte Geschäftspartner automatisiert zu finden. Beispielsweise ist es denkbar, dass ein Unternehmen alternative
Bezugsquellen für ein Produkt in den UDDI-Registrierungen suchen lässt, wenn die Verfügbarkeitsprüfung innerhalb der eigenen Supply Chain kein befriedigendes Ergebnis erbracht hat.
Ein besonderes Augenmerk liegt bei der Forschung auf Unternehmen aus den Bereichen Logistik und Speditionswesen. Mit einem Praxispartner wurden im Rahmen mehrerer Arbeiten drei
Prototypen auf Basis von Web Services entwickelt, die ausgewählte SCM-Funktionen implementieren.
Publikationen
0XX
1. Speyerer, Jochen ; Zeller, Andrew J.: Disruption Management in Supply Networks with
Web Services - ad hoc Information Retrieval for Fast Impact Analysis . In: International
Institute of Informatics and Systemics (Hrsg.) : Proceedings of the 7th World Multiconference on Systemics, Cybernetics and Informatics. Volume I (7th World Multiconfe260
3
Informatik-Forschungsgruppe B (Betriebliche Anwendungen)
rence on Systemics, Cybernetics and Informatics Orlando, FL (USA) 2003-07-28).
Orlando, FL (USA) : o.V., 2003, S. 374-379.
2. Speyerer, Jochen ; Zeller, Andrew J.: Integrating performance measurement with disruption handling for management support in supply nets . In: Pawar, Kulwant S. ; Muffatto,
Moreno (Hrsg.) : Proceedings of the 8th International Symposium on Logistics (8th International Symposium on Logistics Sevilla (SP) 2003-07-07). Nottingham (UK) : o.V.,
2003, S. 477-486.
3. Speyerer, Jochen ; Zeller, Andrew J.: Inter-Organizational Disruption Management Based on Flexible Integration with Web Services . In: Uhr, Wolfgang ; Esswein, Werner ;
Schoop, Eric (Hrsg.) : Wirtschaftsinformatik 2003/Band II - Medien - Märkte - Mobilität
(6. Internationale Tagung Wirtschaftsinformatik: Medien - Märkte - Mobilität Dresden
2003-09-17). Heidelberg : Physica, 2003, S. 819-836.
4. Speyerer, Jochen ; Zeller, Andrew J.: Therapieansatz im Supply Chain Management auf
Basis von Web Services . In: Ortner, Erich (Hrsg.) : Symposium "Entwicklung Web-Service basierter Anwendungen" im Rahmen der 33. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik e.V. (Symposium "Entwicklung Web-Service basierter Anwendungen" im
Rahmen der 33. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik e.V. Frankfurt/Main 200310-02). Frankfurt/Main : o.V., 2003, S. 35-46.
5. Friedrich, Jörg-Michael ; Speyerer, Jochen: Flexible Integration in Supply Chains auf
Basis von Web Services . In: Dangelmaier, Wilhelm et al. (Hrsg.) : Innovationen im EBusiness (5. Paderborner Frühjahrstagung "Innovationen im E-Business" Paderborn
2003-04-10). Paderborn : o.V., 2003, S. 325-334.
3
Vorträge
03.12.2003 Denzler, J.
Rekonstruktion und Anwendungung bildbasierter Objekt- und
Szenenmodelle im Rechnersehen,
Kolloqium der Fakultät für Mathematik und Informatik, Universität
Kaiserslautern
4
Promotionen
18.02.2003 Pal, Istvan
Computergestützte Analyse der retinalen Zirkulationsstörungen, insbesondere des Glaukoms auf Scanning Laser Doppler Flowmetrie
Aufnahmen
5
Studien- und Diplomarbeiten
5.1 Studienarbeiten
• Hönig, Florian: Kernelmethoden in der Spracherkennung
261
Informatik-Forschungsgruppe B (Betriebliche Anwendungen)
5.2
5.2 Diplomarbeiten
• Müller, Roger: Anwendung des optimalen Designs von Experimenten im aktiven
Rechnersehen
6
Bachelor- und Master Theses
6.1 Master Theses
• Zhou, Xiangnan: A Visual Guidance System for Tasks in Service Robotics
262
Informatik-Sammlung Erlangen (ISER)
des Rechenzentrums und der Informatik
Anschrift: Martensstraße 1 - 3, 91058 Erlangen
Tel.: +49.9131.85.28911
Fax.: +49.9131.302941
E-Mail: [email protected]
Leitung:
Dr. rer. nat. Franz Wolf
Vorstand:
Dr.-Ing. Gerhard Hergenröder
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Herzog
Dr.-Ing. Claus-Uwe Linster
Dr. rer. nat.Franz Wolf
1
Führungen
Seit zwei Jahren haben die Studierenden der Informatik die Möglichkeit im Rahmen der Übungen zur Grundvorlesung die ISER zu besichtigen. Diese jungen Studenten haben von der rasanten technologischen Entwicklung der Informatik in der Regel nur den letzten Schritt mit den von
Jahr zu Jahr leistungsfähigeren PCs mitbekommen und noch nie Großrechner in Röhren- und
Transistortechnik mit Lochkarteneingabe und Schnelldruckerausgabe gesehen. Sie gewinnen
damit einen Eindruck von der rasanten technologischen Entwicklung und zumindest eine
Ahnung von zukünftigen Entwicklungsmöglichkeiten.
Die Objekte der realen ISER-Ausstellung kann man sich jetzt auch im Internet ansehen
(www.iser.uni-erlangen.de > Ausstellung). Es fehlen jedoch die mündlichen Erläuterungen der
realen Führungen. Die programmtechnischen Voraussetzungen wurden von Herrn Baricak
geschaffen, der im Berichtsjahr als studentische Hilfskraft bei ISER beschäftigt war.
Seit 2001 werden in den laufenden Benutzerinformationen (BI) des RRZE „Fundstücke aus der
Informatik-Sammlung “vorgestellt. Im Berichtsjahr waren dies: BI 69 mit „ZUSE Z23“ und BI
70 mit „Magnetplatte TSP500“.
2
Sonderausstellungen
Der Schwerpunkt der Arbeiten im Berichtsjahr 2003 lag bei der Vorbereitung und Durchführung der Ausstellung „Appetithappen aus Erlanger Wissenschafts- und Techniksammlungen“
im Museumswinkel vom 23.10.-30.11. Dabei handelte es sich um ein Kooperationsprojekt des
Fördervereins Wissenschaftsmuseum mit dem Siemens Med Archiv, Sammlungen der FAU und
263
Informatik-Sammlung Erlangen (ISER)
2
dem Kulturreferat der Stadt Erlangen. Diese Ausstellung war auch im Rahmen der „Langen
Nacht der Wissenschaft geöffnet und gut besucht. Das Motto des Beitrags der ISER lautete:
„Der Computer hat unsere Welt verändert – sowohl im positiven als auch im negativen Sinne.“
Die Dimension dieser Veränderung wurde an Beispielen verdeutlicht:
• An einzelnen Bauelementen und Baugruppen wurde die rasante technologische
Entwicklung, deren Ende noch nicht absehbar ist, aufgezeig.
.
Abb1: Ausstellung der ISER im Museumswinckel in Erlangen
• An Beispielen aus dem Bürobereich wurde dargestellt, wie die neuartige technische
Eigenschaft des Computer, die Programmierbarkeit, laufend neue Anwendungen
eröffnet:
• Schreib- und Rechenmaschinen sind aus den Büros verschwunden,
• auf allen Tischen stehen vernetzte PCs,
• Karteischränke sind verschwunden – die Daten stehen im Computer,
• Berufsbilder sind verschwunden – neue sind hinzugekommen,
• die Arbeitswelt im Büro hat sich verändert.
• Der Computer ist aber auch ins Kinderzimmer eingedrungen mit Spielkonsolen und Homecomputern. Mit Unterstützung eines Privatsammlers, Herrn
Klaus Pompe aus Altdorf, konnte auch dieser Bereich in der Ausstellung
abgedeckt werden.
• Wie bereits von Konrad Zuse in den 40er Jahren vorhergesagt, ist der Computer
heute in der Lage, den Schachweltmeister zu schlagen!
• Bereits in den 60er Jahren begann der Computer in den Kunstbereich einzudringen. Dies wurde mit Bildern von Georg Nees dokumentiert, einem Honorarprofessor der Informatik an der FAU.
264
2
Informatik-Sammlung Erlangen (ISER)
Abb. 2: “Der Tunnel von Georg Nees”, 1968
Die Ausstellung wurde durch diverse Vorträge ergänzt: „Rechnen mit der Rechenuhr von Schickard
(1623)“ (Dr. Franz Wolf), „Schach dem Computer“ (Dr. Hubert Seibold), Rechnen wie die Vorväter mit Abakus, Rechenbrett, Rechenschieber und mechanischer Rechenmaschine (Dr. Franz
Wolf).
Allen Mitarbeitern des RechenZentrums, die bei der Erstellung der Poster und beim Auf- und
Abbau der umfangreichen Ausstellungsobjekte (auf ca. 100 qm) beteiligt waren, danke ich an
dieser Stelle recht herzlich.
Abb.3: Horst Zuse im Informatik-Kolloquium,
Daneben gab es bereits zu Jahresbeginn eine Sonderausstellung in der Gruppenbibliothek der
Informatik im Wolfgang-Händler-Hochhaus über Konrad Zuse, den Erfinder der ersten vollautomatischen programmgesteuerten und frei programmierten, in binärer Gleitkommaarithmetik
arbeitenden Rechenanlage, die 1941 betriebsfähig war. Sie zeigte in drei Vitrinen Konrad Zuse
265
Informatik-Sammlung Erlangen (ISER)
3
als Erfinder der vier (elektro-)mechanischen Rechner Z1 bis Z4 und der um 1960 an vielen deutschen Hochschulen bekannten elektronischen Rechner Z22 und Z23 und als Maler (7 Kunstdrucke von Ölbildern) und Zeichner (Portraits). Sie enthielt Bücher und Aufsätze über und von
Konrad Zuse und berichtete über seinen Kontakt zu Erlangen insbesondere zu Prof. Dr. W.
Händler, dem Vater der Erlanger Informatik. Interessenten stand auch eine Mulitmedia Show
über Konrad Zuse zur Verfügung, präsentiert auf einer CD von seinem Sohn Horst Zuse. Anlass
für die Beschäftigung mit Konrad Zuse war ein Vortrag seines Sohns Horst Zuse: „Der Ursprung
des Computers“ im Rahmen eines gemeinsamen Kolloquiums von Informatik und Rechenzentrum am 23.01.2003.
3
Neue Sammlungsobjekte
Von den Neuaufnahmen des Berichtsjahres soll hier nur der Transistorisierte Tisch-Analogrechner RAT700 von Telefunken hervorgehoben werden. In den 50-er Jahren unterschied man bei
dem Begriff Rechner (Das Wort Computer war noch nicht etabliert!) noch zwischen Digitalund Analogrechner. Das einfachste analoge Rechenhilfsmittel war der Rechenschieber. In
einem Analogrechner werden die Rechenwerte durch physikalische Größen wie die elektrische
Spannung dargestellt. Dazu muss im Analogrechner ein physikalisches Modell des mathematischen Problems aufgebaut werden. Das Programmieren besteht im Verbindungsaufbau zwischen Rechenelementen. Da die Integration über die Zeit als ein Rechenelement (Integrierer)
dargestellt werden kann, eignen sich Analogrechner insbesondere zur Lösung von Differentialgleichungen. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist deshalb die Simulation dynamischer
Systeme
.
Abb. 4: Analogrechner RAT 700 von Telefunken
Der RAT 700 wurde 1964 gebaut und kostete damals ca. 40000 DM. Die vorhandene Anlage
wurde bei der Bundeswehr zur Ausbildung eingesetzt und 1988 vom Marinedepot Wilhelmshaven von Herrn Peter Schreier übernommen, der ihn im Berichtsjahr der ISER zur Verfügung
stellte.
266
3
Informatik-Sammlung Erlangen (ISER)
Falls Sie Interesse an der Informatik-Sammlung Erlangen haben und unsere Bemühungen
unterstützen wollen durch Bereitstellung von Objekten und Dokumenten, durch aktive Mitarbeit beim Aufbau oder falls Sie Interesse an einer Führung haben, senden Sie eine Mail an
[email protected] oder schreiben Sie an ISER co. RRZE, Martensstr.1, 91058 Erlangen oder
rufen Sie im Sekretariat des RRZE (09131/8527031) oder bei 09131/8528911 an.
267
Informatik-Sammlung Erlangen (ISER)
268
3
Anhang
Anhang
Dissertationen
24.7.2003
Gröbner, Matthias (Informatik 2):
Ein Modell zur Beschreibung und Lösung von Zeitplanungsproblemen
15.12.2002 Golm, Michael (Informatik 4):
The Structure of a Type-Safe Operating System
09.05.2003 Dressler, Falko (Informatik 4):
Monitoring of Multicast Networks for Time-Synchronous Communication
19.09.2003 Becker, Ulrich (Informatik 4):
Verteilung von objektorientierten Anwendungen auf der Basis des
Entwurfs-Modells
18.02.2003 Pal, Istvan (Informatik 5):
Computergestützte Analyse der retinalen Zirkulationsstörungen, insbesondere des Glaukoms auf Scanning Laser Doppler Flowmetrie
Aufnahmen
25.04.2003 Warnke, Volker (Informatik 5):
Integrierte Segmentierung und Klassifikation von Äußerungen und
Dialogakten mit heterogenen Wissensquellen
22.10.2003 Reinhold, Michael (Informatik 5):
Robuste, probabilistische, erscheinungsbasierte Objekterkennung
24.10.2003 Buckow, Jan-Constantin (Informatik 5):
Multilingual Prosody in Automatic Speech Understanding
18.11.2003 Heigel, Benno (Informatik 5):
Plenoptic Scene Modelling from Uncalibrated Image Sequences
18.12.2003 Zobel, Matthias (Informatik 5):
Optimale Brennweitenwahl für multiokulare Objektverfolgung
27.03.2003 Horn, Stefan (Informatik 6):
Die schemabasierte Modellierung und Steuerung von Projektvorgängen.
09.10.2003 Bauer, Andreas (Informatik 6):
Datenallokation und Anfrageoptimierung in verteilten, föderierten
Data-Warehouse-Systemen.
18.02.2003 Kipfer, Peter (Informatik 9):
Distribution and Parallelization Strategies for Integrated Simulation,
Visualization, and Rendering Systems“
269
Anhang
24.07.2003 Scheuring, Michael (Informatik 9):
Fusion medizinischer Videobilder mit tomographischen Volumendaten
26.05.2003 Labsik, Ulf (Informatik 9):
Multiresolution - Verarbeitung von Dreiecks- und Tetraedernetzen“
270
Habilitationen am Institut für Informatik 1994 - 2002
• 1994 - Eschenbacher, Peter - Informatik 4
Konzeption einer deklarativen und zustandsorientierten Sprache zur formalen Beschreibung und Simulation von Warteschlangen- und transport-Modellen
• 1994 - Beckstein, Clemens - Informatik 8
Architektur und logische Grundlagen monotoner Systeme zur Begründungsverwaltung
• 1995 - Schukat-Talamazzini, G.-E. - Informatik 5
Automatische Spracherkennung
• 1996 - Ruf, Thomas - Informatik 6
Datenbankunterstützung für die Verwaltung und Auswertung empirisch erhobener Massendatenbestände
• 1997 - Wilke, Peter - Informatik 2
Soft-Computing - Prinzip, Simulation und Anwendung • 1998 - Horton, Graham - Informatik 3
Fluide stochastische Petri-Netze
• 1999 - Kobbelt, Leif - Informatik 9
Subdivision Techniques for Curve and Surface Generation
• 2000 - Paulus, Dietrich - Informatik 5
Aktives Bildverstehen
• 2000 - Mitschele-Thiel, Andreas - Informatik 7
Systems Engineering with SDL - Developing Performance-Critical Communication
Systems
• 2000 - Minas, Mark - Informatik 2
Spezifikation und Generierung graphischer Diagrammeditoren
• 2001 - Lehner, Wolfgang - Informatik 6
Subskriptionssysteme als Basis omnipräsenter Informationsversorgung
• 2001 - Hauck, Franz J. - Informatik 4
Dienstqualität in objektbasierten Verteilten Systemen
• 2002 - Siegle, Markus - Informatik 7
Behaviour analysis of communication systems: Compositional modelling, compact representation and analysis of performability properties
• 2003 - Kókai, Gabriella - Informatik 2
Erfolge und Probleme evolutionärer Algorithmen, induktiver logischer Programmierung
und ihrer Kombination
• 2003 - Denzler, Joachim - Informatik 5
Probabilistische Zustandsschätzung und Aktionsauswahl im Rechnersehen
271
272
Arbeitsberichte des Instituts für Informatik 1999 - 2003
In letzter Zeit sind folgende Arbeitsberichte des Instituts für Informatik erschienen:
Band 32
Nr. 1
Katoen, Joost-Pieter:
Concepts, Algorithms, and Tools for Model Checking
(Juni 1999)
Nr. 2
Stein, Katrin:
Integration von Anwendungsprozeßmodellierung und Workflow-Management
(Juli 1999)
Nr. 3
Geiger-Hilk, Ralph:
Kommunikationsplanung in busgekoppelten Mehrrechnersystemen
(Juli 1999)
Nr. 4
Koppe, Christoph:
Systemintegration des User-Level-Scheduling —
Betriebssystemdienste zur Unterstützung der parallelen Programmierung
(Juli 1999)
Nr. 5
Riechmann, Thomas:
Sicherheit in verteilten, objektorientierten Systemen
(Juli 1999)
Nr. 6
Reitzner, Stephan:
Koordinierung in nebenläufigen, objektorientierten Systemen
(August 1999)
Nr. 7
Hermanns, Holger:
Interactive Markov Chains
(September 1999)
Nr. 8
Hastreiter, Peter:
Registrierung und Visualisierung medizinischer Bilddaten unterschiedlicher Modalitäten
(September 1999)
Nr. 9
Teitzel, Christian:
Adaptive Methods and Hierarchical Data Structures for Interactive Three-Dimensional
Flow Visualization
(September 1999)
Nr. 10
Heinl, Petra:
Entwicklung und Einsatz eines Qualitätsmodells für Workflow-Management-Anwendungen
(September 1999)
Nr. 11
Lotter, Norbert:
System Integration in the Design Process of the Manufacturing Industry based on
OMG and ISO Standards
(September 1999)
Nr. 12
Teschke, Michael:
Datenkonsistenz in Data Warehouse Systemen
(November 1999)
Nr. 13
Allmaier, Susann:
Parallele Lösungen für stochastische Modellierung
(Dezember 1999)
Nr. 14
Jahresbericht 1999 der Informatik
(März 2000)
273
Band 33
Nr. 1
Weigand, Ulrich:
Zur deskriptiven Komplexität von monadischen Logiken der zweiten Stufe
(Februar 2000)
Nr. 2
Lemmen, Frank:
Spezifikationsgesteuertes Monitoring zur Integration der Leistungsbewertung
in den formalen Entwurf von Kommunikationssystemen
(Februar 2000)
Nr. 3
Buchacker, Kerstin:
Definition und Auswertung erweiterter Fehlerbäume für die
Zuverlässigkeitsanalyse technischer Systeme
(Juli 2000)
Nr. 4
Jahresbericht 2000 der Informatik
(März 2001)
Band 34
Nr. 1
Albrecht, Jens:
Anfrageoptimierung in Data-Warehouse-Systemen auf Grundlage des
multidimensionalen Datenmodells
(Januar 2001)
Nr. 2
Hodek, Roman:
Synchronisation von Dateibäumen mit Hilfe von Graphtransformationssystemen
(Januar 2001)
Nr. 3
Jablonski, Stefan (Hrsg.):
Von der Anwenderanalyse zu ersten Systemkonzepten für Workflow-Management-Lösungen
Bericht des Transferbereichs 21
„Operationales Prozess- und Datenmanagement für Großprojekte im Anlagenbereich“
(Januar 2001)
Nr. 4
Meier, Erich:
Administrative Skalierbarkeit verteilter Systeme
(Februar 2001)
Nr. 5
Lehner, Wolfgang (Hrsg.):
Advanced Techniques in Personalized Information Delivery
(Februar 2001)
Nr. 6
Steckermeier, Martin:
Virtuelle, private Rechner — Eine Software-Architektur für verteilte Anwendungen
(April 2001)
Nr. 7
Geier, Martin:
Fragmentierte Objekte für die Implementierung mobiler Agenten
(April 2001)
Nr. 8
Günzel, Holger:
Darstellung von Veränderungen im multidimensionalen Datenmodell
(Juni 2001)
Nr. 9
Greiner, Stefan:
Modeling and Analysis of Operating Systems Using Extended QN Techniques and Petri Nets
(Juni 2001)
Nr. 10
Christ, Volko:
Visualisierung quantitativer Markterfolgsdaten —
Möglichkeiten und Grenzen der automatisierten Erstellung
von Präsentationen im Marktforschungsbereich
(Juni 2001)
Nr. 11
Schröder, Michael:
Automatische Objekt- und Threadverteilung in einer virtuellen Maschine
(Juli 2001)
274
Nr. 12
Schamburger, Ralf:
Integrierte Betrachtung von Anwendungen und Systemen zur verteilten Workflow-Bearbeitung
(August 2001)
Nr. 13
German, Reinhard; Lüthi, Johannes; Telek, Miklós (Eds.):
Proceedings of the Fifth International Workshop on
Performability Modeling of Computer and Communication Systems,
September 15-16, 2001, Erlangen
(September 2001)
Nr. 14
Dalibor, Stefan:
Erstellung von Testplänen für verteilte Systeme durch stochastische Modellierung
(September 2001)
Nr. 15
Paulus, Dietrich; Denzler, Joachim (Hrsg.):
Siebter Workshop Farbbildverarbeitung
4. - 5. Oktober 2001, Erlangen
(Oktober 2001)
Nr. 16
Volle, Victor:
Verteilte Konfigurationsverwaltung im Kontext des Software Engineering Prozesses
(Oktober 2001)
Nr. 17
Rosewitz, Martin:
PBK-Editor — Ein Werkzeug zur Erstellung von WWW-gestützten Produktberatungskomponenten
(Oktober 2001)
Nr. 18
Jahresbericht 2002 der Informatik
(März 2002)
Band 35
Nr. 1
Billing, Gunnar:
Integrierte Hardware- und Softwareplanung flexibler Fertigungssysteme
(März 2002)
Nr. 2
Haworth, Brigid:
Structural Coverage Criteria for Testing Object-Oriented Software
(März 2002)
Nr. 3
Dörfel, Matthias; Dulz, Winfried; Herzog, Ulrich; Hofmann, Richard; Kerber, Lennard;
Mitschele-Thiel, Andreas; Münzenberger, Ralf; Spitz, Simone; Slomka, Frank:
Methodology and Tools for the Development of Optimized Real-time Systems
with SDL/MSC and VHDL
(September 2002)
Nr. 4
Schlesinger, Lutz; Hümmer, Wolfgang; Bauer, Andreas (Hrsg.):
Heterogene Informationssysteme
(September 2002)
Nr. 5
Rezk-Salama, Christof:
Volume Rendering Techniques for General Purpose Graphics Hardware
(September 2002)
Nr. 6
Hilgers, Ursula:
Dienstgüteunterstützung in Weitverkehrsnetzen
(Dezember 2002)
Nr. 7
Jahresbericht 2002 der Informatik
(März 2003)
Band 36
Nr. 1
Kokai, Dr.-Ing. G.:
Erfolge und Probleme evolutionärer Algorithmen, induktiver logischer Programmierung
und ihrer Kombination
(Mai 2003)
275
Nr. 2
Horn, Stefan:
Die schemabasierte Modellierung und Steuerung von Projektvorgängen
(Mai 2003)
Nr. 3
Kipfer, Peter:
Distribution and Parallelization Strategies for Integrated Simulation,
Visualization, and Rendering Systems
(Mai 2003)
Nr. 4
Dreßler, Falko
Monitoring of Multicast Networks for Time-Synchronous Communication
(Mai 2003)
Nr. 5
Gröbner, Matthias:
Ein Modell zur Beschreibung und Lösung von Zeitplanungsproblemen
(Juli 2003)
Nr. 6
Michael Golm:
The Structure of a Type-Safe Operating System
(August 2003)
Nr. 7
Becker, Ulrich:
Verteilung von objektorientierten Anwendungen auf der Basis des Entwurfs-Modells
(September 2003)
Nr. 8
Bauer, Andreas:
Datenallokation und Anfrageoptimierung in verteilten, föderierten
Data-Warehouse-Systemen
(November 2003)
276
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