004 Datenverarbeitung; Informatik
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Gegenstand der Arbeit stellt eine erstmalig unternommene, architekturübergreifende Studie über feldprogrammierbare Logikbausteine zur Implementierung synchroner Schaltkreise dar. Zunächst wird ein Modell für allgemeine feldprogrammiebare Architekturen basierend auf periodischen Graphen definiert. Schließlich werden Bewertungsmaße für Architekturen und Schaltkreislayouts angegeben zur Charakterisierung struktureller Eigenschaften hinsichtlich des Verhaltens in Chipflächenverbrauch und Signalverzögerung. Ferner wird ein generisches Layout-Werkzeug entwickelt, das für beliebige Architekturen und Schaltkreise Implementierungen berechnen und bewerten kann. Abschließend werden neun ressourcenminimalistische Architekturen mit Maschen- und mit Inselstruktur einander gegenübergestellt.
Der Betrieb von Satelliten wird sich in Zukunft gravierend ändern. Die bisher ausgeübte konventionelle Vorgehensweise, bei der die Planung der vom Satelliten auszuführenden Aktivitäten sowie die Kontrolle hierüber ausschließlich vom Boden aus erfolgen, stößt bei heutigen Anwendungen an ihre Grenzen. Im schlimmsten Fall verhindert dieser Umstand sogar die Erschließung bisher ungenutzter Möglichkeiten. Der Gewinn eines Satelliten, sei es in Form wissenschaftlicher Daten oder der Vermarktung satellitengestützter Dienste, wird daher nicht optimal ausgeschöpft.
Die Ursache für dieses Problem lässt sich im Grunde auf eine ausschlaggebende Tatsache zurückführen: Konventionelle Satelliten können ihr Verhalten, d.h. die Folge ihrer Tätigkeiten, nicht eigenständig anpassen. Stattdessen erstellt das Bedienpersonal am Boden - vor allem die Operatoren - mit Hilfe von Planungssoftware feste Ablaufpläne, die dann in Form von Kommandosequenzen von den Bodenstationen aus an die jeweiligen Satelliten hochgeladen werden. Dort werden die Befehle lediglich überprüft, interpretiert und strikt ausgeführt. Die Abarbeitung erfolgt linear. Situationsbedingte Änderungen, wie sie vergleichsweise bei der Codeausführung von Softwareprogrammen durch Kontrollkonstrukte, zum Beispiel Schleifen und Verzweigungen, üblich sind, sind typischerweise nicht vorgesehen. Der Operator ist daher die einzige Instanz, die das Verhalten des Satelliten mittels Kommandierung, per Upload, beeinflussen kann, und auch nur dann, wenn ein direkter Funkkontakt zwischen Satellit und Bodenstation besteht. Die dadurch möglichen Reaktionszeiten des Satelliten liegen bestenfalls bei einigen Sekunden, falls er sich im Wirkungsbereich der Bodenstation befindet. Außerhalb des Kontaktfensters kann sich die Zeitschranke, gegeben durch den Orbit und die aktuelle Position des Satelliten, von einigen Minuten bis hin zu einigen Stunden erstrecken. Die Signallaufzeiten der Funkübertragung verlängern die Reaktionszeiten um weitere Sekunden im erdnahen Bereich. Im interplanetaren Raum erstrecken sich die Zeitspannen aufgrund der immensen Entfernungen sogar auf mehrere Minuten. Dadurch bedingt liegt die derzeit technologisch mögliche, bodengestützte, Reaktionszeit von Satelliten bestenfalls im Bereich von einigen Sekunden.
Diese Einschränkung stellt ein schweres Hindernis für neuartige Satellitenmissionen, bei denen insbesondere nichtdeterministische und kurzzeitige Phänomene (z.B. Blitze und Meteoreintritte in die Erdatmosphäre) Gegenstand der Beobachtungen sind, dar. Die langen Reaktionszeiten des konventionellen Satellitenbetriebs verhindern die Realisierung solcher Missionen, da die verzögerte Reaktion erst erfolgt, nachdem das zu beobachtende Ereignis bereits abgeschlossen ist.
Die vorliegende Dissertation zeigt eine Möglichkeit, das durch die langen Reaktionszeiten entstandene Problem zu lösen, auf. Im Zentrum des Lösungsansatzes steht dabei die Autonomie. Im Wesentlichen geht es dabei darum, den Satelliten mit der Fähigkeit auszustatten, sein Verhalten, d.h. die Folge seiner Tätigkeiten, eigenständig zu bestimmen bzw. zu ändern. Dadurch wird die direkte Abhängigkeit des Satelliten vom Operator bei Reaktionen aufgehoben. Im Grunde wird der Satellit in die Lage versetzt, sich selbst zu kommandieren.
Die Idee der Autonomie wurde im Rahmen der zugrunde liegenden Forschungsarbeiten umgesetzt. Das Ergebnis ist ein autonomes Planungssystem. Dabei handelt es sich um ein Softwaresystem, mit dem sich autonomes Verhalten im Satelliten realisieren lässt. Es kann an unterschiedliche Satellitenmissionen angepasst werden. Ferner deckt es verschiedene Aspekte des autonomen Satellitenbetriebs, angefangen bei der generellen Entscheidungsfindung der Tätigkeiten, über die zeitliche Ablaufplanung unter Einbeziehung von Randbedingungen (z.B. Ressourcen) bis hin zur eigentlichen Ausführung, d.h. Kommandierung, ab. Das Planungssystem kommt als Anwendung in ASAP, einer autonomen Sensorplattform, zum Einsatz. Es ist ein optisches System und dient der Detektion von kurzzeitigen Phänomenen und Ereignissen in der Erdatmosphäre.
Die Forschungsarbeiten an dem autonomen Planungssystem, an ASAP sowie an anderen zu diesen in Bezug stehenden Systemen wurden an der Professur für Raumfahrttechnik des Lehrstuhls Informatik VIII der Julius-Maximilians-Universität Würzburg durchgeführt.
Der große Vorteil eines q-Gramm Indexes liegt darin, dass es möglich ist beliebige Zeichenketten in einer Dokumentensammlung zu suchen. Ein Nachteil jedoch liegt darin, dass bei größer werdenden Datenmengen dieser Index dazu neigt, sehr groß zu werden, was mit einem deutlichem Leistungsabfall verbunden ist. In dieser Arbeit wird eine neuartige Technik vorgestellt, die die Leistung eines q-Gramm Indexes mithilfe zusätzlicher M-Matrizen für jedes q-Gramm und durch die Kombination mit einem invertierten Index erhöht. Eine M-Matrix ist eine Bit-Matrix, die Informationen über die Positionen eines q-Gramms enthält. Auch bei der Kombination von zwei oder mehreren Q-Grammen bieten diese M-Matrizen Informationen über die Positionen der Kombination. Dies kann verwendet werden, um die Komplexität der Zusammenführung der q-Gramm Trefferlisten für eine gegebene Suchanfrage zu reduzieren und verbessert die Leistung des n-Gramm-invertierten Index. Die Kombination mit einem termbasierten invertierten Index beschleunigt die durchschnittliche Suchzeit zusätzlich und vereint die Vorteile beider Index-Formate. Redundante Informationen werden in dem q-Gramm Index reduziert und weitere Funktionalität hinzugefügt, wie z.B. die Bewertung von Treffern nach Relevanz, die Möglichkeit, nach Konzepten zu suchen oder Indexpartitionierungen nach Wichtigkeit der enthaltenen Terme zu erstellen.
Globale Selbstlokalisation autonomer mobiler Roboter - Ein Schlüsselproblem der Service-Robotik
(2003)
Die Dissertation behandelt die Problemstellung der globalen Selbstlokalisation autonomer mobiler Roboter, welche folgendermaßen beschrieben werden kann: Ein mobiler Roboter, eingesetzt in einem Gebäude, kann unter Umständen das Wissen über seinen Standort verlieren. Man geht nun davon aus, dass dem Roboter eine Gebäudekarte als Modell zur Verfügung steht. Mit Hilfe eines Laser-Entfernungsmessers kann das mobile Gerät neue Informationen aufnehmen und damit bei korrekter Zuordnung zur Modellkarte geeignete hypothetische Standorte ermitteln. In der Regel werden diese Positionen aber mehrdeutig sein. Indem sich der Roboter intelligent in seiner Einsatzumgebung bewegt, kann er die ursprünglichen Sensordaten verifizieren und ermittelt im besten Fall seine tatsächliche Position.Für diese Problemstellung wird ein neuer Lösungsansatz in Theorie und Praxis präsentiert, welcher die jeweils aktuelle lokale Karte und damit alle Sensordaten mittels feature-basierter Matchingverfahren auf das Modell der Umgebung abbildet. Ein Explorationsalgorithmus bewegt den Roboter während der Bewegungsphase autonom zu Sensorpunkten, welche neue Informationen bereitstellen. Während der Bewegungsphase werden dabei die bisherigen hypothetischen Positionen bestärkt oder geschwächt, sodaß nach kurzer Zeit eine dominante Position, die tatsächliche Roboterposition,übrigbleibt.
Inside 2003: IT-Sicherheit
(2003)
Die künstliche Intelligenz (KI) entwickelt sich rasant und hat bereits eindrucksvolle Erfolge zu verzeichnen, darunter übermenschliche Kompetenz in den meisten Spielen und vielen Quizshows, intelligente Suchmaschinen, individualisierte Werbung, Spracherkennung, -ausgabe und -übersetzung auf sehr hohem Niveau und hervorragende Leistungen bei der Bildverarbeitung, u. a. in der Medizin, der optischen Zeichenerkennung, beim autonomen Fahren, aber auch beim Erkennen von Menschen auf Bildern und Videos oder bei Deep Fakes für Fotos und Videos. Es ist zu erwarten, dass die KI auch in der Entscheidungsfindung Menschen übertreffen wird; ein alter Traum der Expertensysteme, der durch Lernverfahren, Big Data und Zugang zu dem gesammelten Wissen im Web in greifbare Nähe rückt. Gegenstand dieses Beitrags sind aber weniger die technischen Entwicklungen, sondern mögliche gesellschaftliche Auswirkungen einer spezialisierten, kompetenten KI für verschiedene Bereiche der autonomen, d. h. nicht nur unterstützenden Entscheidungsfindung: als Fußballschiedsrichter, in der Medizin, für richterliche Entscheidungen und sehr spekulativ auch im politischen Bereich. Dabei werden Vor- und Nachteile dieser Szenarien aus gesellschaftlicher Sicht diskutiert.
Einleitung:
Multiple-Choice-Klausuren spielen immer noch eine herausragende Rolle für fakultätsinterne medizinische Prüfungen. Neben inhaltlichen Arbeiten stellt sich die Frage, wie die technische Abwicklung optimiert werden kann. Für Dozenten in der Medizin gibt es zunehmend drei Optionen zur Durchführung von MC-Klausuren: Papierklausuren mit oder ohne Computerunterstützung oder vollständig elektronische Klausuren. Kritische Faktoren sind der Aufwand für die Formatierung der Klausur, der logistische Aufwand bei der Klausurdurchführung, die Qualität, Schnelligkeit und der Aufwand der Klausurkorrektur, die Bereitstellung der Dokumente für die Einsichtnahme, und die statistische Analyse der Klausurergebnisse.
Methoden:
An der Universität Würzburg wird seit drei Semestern ein Computerprogramm zur Eingabe und Formatierung der MC-Fragen in medizinischen und anderen Papierklausuren verwendet und optimiert, mit dem im Wintersemester (WS) 2009/2010 elf, im Sommersemester (SS) 2010 zwölf und im WS 2010/11 dreizehn medizinische Klausuren erstellt und anschließend die eingescannten Antwortblätter automatisch ausgewertet wurden. In den letzten beiden Semestern wurden die Aufwände protokolliert.
Ergebnisse:
Der Aufwand der Formatierung und der Auswertung einschl. nachträglicher Anpassung der Auswertung einer Durchschnittsklausur mit ca. 140 Teilnehmern und ca. 35 Fragen ist von 5-7 Stunden für Klausuren ohne Komplikation im WS 2009/2010 über ca. 2 Stunden im SS 2010 auf ca. 1,5 Stunden im WS 2010/11 gefallen. Einschließlich der Klausuren mit Komplikationen bei der Auswertung betrug die durchschnittliche Zeit im SS 2010 ca. 3 Stunden und im WS 10/11 ca. 2,67 Stunden pro Klausur.
Diskussion:
Für konventionelle Multiple-Choice-Klausuren bietet die computergestützte Formatierung und Auswertung von Papierklausuren einen beträchtlichen Zeitvorteil für die Dozenten im Vergleich zur manuellen Korrektur von Papierklausuren und benötigt im Vergleich zu rein elektronischen Klausuren eine deutlich einfachere technische Infrastruktur und weniger Personal bei der Klausurdurchführung.
Aktivitätsbasierte Verhaltensmodellierung und ihre Unterstützung bei Multiagentensimulationen
(2000)
Durch Zusammenführung traditioneller Methoden zur individuenbasierten Simulation und dem Konzept der Multiagentensysteme steht mit der Multiagentensimulation eine Methodik zur Verfügung, die es ermöglicht, sowohl technisch als auch konzeptionell eine neue Ebene an Detaillierung bei Modellbildung und Simulation zu erreichen. Ein Modell beruht dabei auf dem Konzept einer Gesellschaft: Es besteht aus einer Menge interagierender, aber in ihren Entscheidungen autonomen Einheiten, den Agenten. Diese ändern durch ihre Aktionen ihre Umwelt und reagieren ebenso auf die für sie wahrnehmbaren Änderungen in der Umwelt. Durch die Simulation jedes Agenten zusammen mit der Umwelt, in der er "lebt", wird die Dynamik im Gesamtsystem beobachtbar. In der vorliegenden Dissertation wurde ein Repräsentationsschema für Multiagentensimulationen entwickelt werden, das es Fachexperten, wie zum Beispiel Biologen, ermöglicht, selbständig ohne traditionelles Programmieren Multiagentenmodelle zu implementieren und mit diesen Experimente durchzuführen. Dieses deklarative Schema beruht auf zwei Basiskonzepten: Der Körper eines Agenten besteht aus Zustandsvariablen. Das Verhalten des Agenten kann mit Regeln beschrieben werden. Ausgehend davon werden verschiedene Strukturierungsansätze behandelt. Das wichtigste Konzept ist das der "Aktivität", einer Art "Verhaltenszustand": Während der Agent in einer Aktivität A verweilt, führt er die zugehörigen Aktionen aus und dies solange, bis eine Regel feuert, die diese Aktivität beendet und eine neue Aktivität auswählt. Durch Indizierung dieser Regeln bei den zugehörigen Aktivitäten und Einführung von abstrakten Aktivitäten entsteht ein Schema für eine vielfältig strukturierbare Verhaltensbeschreibung. Zu diesem Schema wurde ein Interpreter entwickelt, der ein derartig repräsentiertes Modell ausführt und so Simulationsexperimente mit dem Multiagentenmodell erlaubt. Auf dieser Basis wurde die Modellierungs- und Experimentierumgebung SeSAm ("Shell für Simulierte Agentensysteme") entwickelt. Sie verwendet vorhandene Konzepte aus dem visuellen Programmieren. Mit dieser Umgebung wurden Anwendungsmodelle aus verschiedenen Domänen realisiert: Neben abstrakten Spielbeispielen waren dies vor allem Fragestellungen zu sozialen Insekten, z.B. zum Verhalten von Ameisen, Bienen oder der Interaktion zwischen Bienenvölkern und Milbenpopulationen.
Die Realisierung einer koordinierten und effektiven Fortbewegung für einen mobilen Roboter in natürlichen, sich kontinuierlich verändernden Umgebungen unter sich ebenso bewegenden Hindernissen ist eine komplexe Aufgabe, die die Lösung einer Reihe von Unterproblemen voraussetzt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich sowohl mit den Themen der Wahrnehmung und Fortbewegung in veränderlichen Umgebungen, als auch mit Methoden zur Analyse der Hindernisbewegungen in Zusammenhang mit der Roboterbewegung selbst. Die Wahrnehmung wird in erster Linie anhand von Laserscannern betrachtet, und ein entsprechendes Verfahren zur Hindernisdetektion und -verfolung wird vorgestellt. Dabei werden Verfahren der globalen Netzwerkoptimierung eingesetzt, um Korrespondenzen zwischen Objekten aus den Einzelbildern herzustellen, was sich positiv auf die Robustheit gegenüber Störungen durch sporadische kleine Objekte auswirkt. Die Navigation basiert auf einer Adaption des sog. "Velocity Obstacle" Ansatzes auf die vorhandene Fahrzeugkinematik, und eine kooperative Bewegungskoordination (Roboter begleitet Mensch) wird durch eine geeignete Auswahlregel für kollisionsfreie Geschwindigkeiten realisiert. Anschließend werden verschiedene Distanzmaße eingeführt, anhand derer sich etwa der Pfad des Roboters mit dem Pfad seiner Begleitperson vergleichen lässt. Weiter wird eine Klassifizierung von Situationen vorgenommen, in die der Roboter potentiell involviert sein kann, und nach einer Übersicht über existierende Ansätze zur automatischen Intentionserkennung wird ein praktikabler Ansatz zur Erkennung gezielter Behinderungen eines mobilen Roboters vorgestellt. Die Arbeit schließt mit einem neuen Ansatz der Bewegungsplanung in dynamischen Umgebungen, der auf rekursiven Modellen des Roboters von seinem Gegenüber basiert, d.h. der Roboter berechnet zunächst, wie er sich in der Situation des (intelligenten, beweglichen) Hindernisses fortbewegen würde, und bezieht dies in die Entscheidung über die eigene Fortbewegung mit ein. Je nach Rekursionstiefe entstehen hierdurch Verhaltensweisen unterschiedlichen Charakters für den Roboter.