Post on 06-Apr-2016
Agenda
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
1
NTH -School für IT-ÖkosystemeNTH -School für IT-Ökosysteme
Autonomie und Beherrschbarkeit
Software-intensiver Systeme
Niedersächsische Technische Hochschule (NTH)Niedersächsische Technische Hochschule (NTH)
Sprecher Prof. Dr. Rausch (TUC)Stellv. Sprecher Prof. Dr. Wagner (LUH)
Prof. Dr. Wolf (TUBS)Prof. Dr. Goltz (TUBS)Prof. Dr. Müller (TUC)Prof. Dr. Vollmer (LUH)
Antragssteller und LenkungsausschussAntragssteller und Lenkungsausschuss
• Im Consortium Technikum arbeiten die drei Hochschulen Technische Universität Braunschweig (TUBS), Technische Universität Clausthal (TUC), Leibniz Universität Hannover (LUH) schon seit Jahren erfolgreich zusammen
• Um den bestehenden Kooperationen– einen gemeinsamen rechtlichen Rahmen zu geben und– die erfolgreichen Kooperationen noch weiter auszubauen
wird eine standortübergreifende Niedersächsische Technische Hochschule (NTH) gegründet mit dem Ziel der Stärkung der drei Standorte im Wettbewerb im nationalen und internationalen Vergleich
• Anschubfinanzierung für die NTH: Forschungs- und Lehrförderung im Rahmen von Kooperationsprojekten durch das Land für verschiedene Fachdisziplinen, z.B. Bauingenieurwesen, Informatik und Physik
Präambel (1/3):Ausgangssituation in Niedersachsen
NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
312.11.2008
• Somit bietet die NTH für uns von der Informatik eine hervorragende Chance im Rahmen von gemeinsamen und thematisch fokussierten Kooperationsprojekten die notwendigen Vorlaufarbeiten im Bereich Forschung und Lehre leisten zu können, um dann erfolgreich SFB oder vergleichbare Forschungsvorhaben zu beantragen
• Mit diesem Verständnis wurde in Abstimmung zwischen allen Informatikern der drei Standorte von Juli bis November 2007 eine Antragsskizze erarbeitet
• Nach positiver Bewertung konnte im Rahmen eines gemeinsamen, zwischen allen abgestimmten Abstimmungs- und Auswahlprozesses im Mai 2008 der vorliegende Vollantrag eingereicht werden
Präambel (2/3): Der Weg zum vorliegenden Antrag
NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
412.11.2008
• Ausrichtung und Anspruch: Antrag auf Einrichtung der „NTH-School für IT-Ökosysteme“ als Vorlaufarbeiten im Bereich Forschung und Lehre mit dem Ziel weitere, erhebliche Drittmittel (SFB, EU IP o.ä.) nach spätestens 3 bis 5 Jahre einwerben zu können.
• Der Antrag hat auf zwei Ebenen unterschiedliche Ambitionen:– Der Antrag soll einen thematischen Rahmen setzen, aus dem heraus
Themen mit Potential für SFB oder vergleichbare Forschungsvorhaben entstehen
– Mit dem Antrag sollen die notwendigen inhaltlichen Vorarbeiten und Beantragungsarbeiten für einen SFB oder vergleichbare Forschungsvorhaben geleistet werden
• Deshalb werden im Antrag und in den Präsentationen des Gesamtprojektes und der Teilprojekte jeweils thematisch ein größerer Bereich eröffnet als in den zugehörigen Arbeitspaketen der Teilprojekte erarbeitet werden kann
Präambel (3/3): Der Anspruch des vorliegenden Antrages
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
5
Ausgangssituation und Problemstellung (1/3)Ein Blick über den Tellerrand: Bau-Branche
NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
Ein Gebäude kann man alsGanzes planen und
erstellen… eine Stadt
nicht!
Um lebenswerte Städte zu bauen, benötigt man andere Architekturen, Modelle, Verfahren, Techniken,
Methoden 612.11.2008
Ausgangssituation und Problemstellung (2/3)In Analogie: Situation in der IT-Branche
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
7
Die Entwicklung eines einzelnen Software-intensiven System
beherrscht man heute gerade noch…
…zukünftig müssen wir aber komplexe Systemkonglomerate aus interagierenden Software-intensiven System beherrschen
Klassische Methoden und Verfahren der Informatik skalieren nicht weiter im Hinblick auf die extreme Größe
und Komplexität zukünftiger Systemkonglomerate Software-intensiver Systeme
Im Zentrum steht das Spannungsfeld zwischen Autonomie der Teilsysteme und Beherrschbarkeit des Gesamtsystems
Ausgangssituation und Problemstellung (3/3)Spannungsfeld: Autonomie u. Beherrschbarkeit
NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
812.11.2008
Ein IT-Ökosystem besteht aus
Autonomen Akteuren - vernetzt und interagieren - individuelle und gemeinschaftliche Ziele - kooperieren und konkurrieren
Beherrschbarem Gesamtsystem - dynamischer Komplex von Gemeinschaften - übergeordnete Zielsetzung und Funktion - allg. Regeln für ein ordnungsgemäßes FunktionierenAusbalanciertem Spannungsfeld
• Verschiedene Ansätze betrachten das Problem jeweils isoliert aus ihrer Sichtweise– Vom Teil zum Ganzen: Agententechnologie, intelligente
Autonome Systeme, Organic Computing, Ubiquitous und Pervasive Computing, Ambient Intelligence, …
– Vom Ganzen zum Teil: Systems of Systems, Ultra-Large-Scale Systems, Holistische Systeme, …
– Querschnittsthemen: Dependable Systems, Reliable Systems, Trustable Systems, Real-Time Systems, …
aber die zwei „Gegenspieler“ Autonomie und Beherrschbarkeit werden nicht ganzheitlich und systematisch angegangen.
• Unsere Vorarbeiten– Vom Teil zum Ganzen: Agententechnologie, Organic Computing,
Ambient Intelligence, …– Vom Ganzen zum Teil: Produktionstechnisches Zentrum,
Fahrzeug Zentrum, Energie Zentrum, Wissenschaftliches Zentrum– Querschnittsthemen: Real-Time Systems, Trustable Systems, …
Stand der Wissenschaft und eigene Vorarbeiten
NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
912.11.2008
Zielsetzung und Lösungsansatz (1/2)
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
10
• Metapher: Das Konzept eines IT-Ökosystems soll genutzt werden, die Wirk- und Wechsel-beziehungen in komplexen, dynamischenund offenen IT-Systemen zu erklären
• Ziel: „Gleichgewicht“ zwischen der Autonomie der Teilsysteme und der Beherrschbarkeit des Gesamtsystems sicher zu stellen!
Zielsetzung und Lösungsansatz (2/2)
NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
1112.11.2008
Zentrale und dezentrale Gegenmaßnahmen einleiten
(Observer/Controller)Äu
ßere
ode
r inn
ere
Kräf
te st
ören
das
Gleic
hgew
ichtGleichgewicht ist
wiederhergestellt
Gleichgewichtszuständeim IT-Ökosystem
Störungen im IT-Ökosystem
Wiederherstellung desGleichgewichts - Identifizieren
- Verstehen - Modellieren
- Gegensteuern - Adaption - Evolution
- Beobachten - Erkennen - Analysieren
Arbeits- und ProjektplanForschungsgebiete (1/4)
NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
Fors
chun
gsge
biet
e A
nwen
dung
s-vi
sion AV: IT-Ökosysteme in der Smart City
FG1: Emergenz von Funktionen und Systemen
FG2: Erweiterung traditioneller Spezifikations-, Entwurfs-und Validierungsmethoden
FG3: Adaptive System-Infrastrukturen
FG4: (Selbst)- adaptierende und garantierte (vorhersagbare) Qualitätseigenschaften
FG5: Beherrschen semantischer Diversität
FG6: Erweiterte Mensch-Umwelt-Maschine-Interaktion
Eva
luat
ion
&
Dem
onst
ratio
n
Forschungsgebiete Anwendungs-vision
AV: IT-Ö
kosysteme in der S
mart C
ity
FG1: E
mergenz von Funktionen und S
ystemen
FG2: E
rweiterung traditioneller S
pezifikations-, Entw
urfs-und Validierungsm
ethoden
FG3: A
daptive System
-Infrastrukturen
FG4: (S
elbst)-adaptierende und garantierte (vorhersagbare) Q
ualitätseigenschaften
FG5: B
eherrschen semantischer D
iversität
FG6: E
rweiterte M
ensch-Um
welt-M
aschine-InteraktionEvaluation &
Demonstration
1212.11.2008
Arbeits- und ProjektplanBeitrag zu den Forschungsgebieten (2/4)
NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
Lenkungsausschuss der NTH-School für IT-ÖkosystemeSprecher: Prof. Dr. Rausch (TUC)Stellvert. Sprecher: Prof. Dr. Wagner (LUH), Prof. Dr. Wolf (TUBS)Weitere Mitglieder: Prof. Dr. Goltz (TUBS), Prof. Dr. Müller (TUC), Prof. Dr. Vollmer (LUH)Nicht stimmberechtigte Mitglieder: Projektkoordinator N.N. (promovierter Mitarbeiter (TV-L/E14))
Forschungsprojekt: Adaptive Interaktionsmechanismen (AIM):Leitung: Prof. Dr. Müller-Schloer (LUH)Stellvert. Leitung: Prof. Dr. Goltz (TUBS)
X X X X
Forschungsprojekt: Local Communities in Information Cities (LocCom): Leitung: Prof. Dr. Wolf (TUBS)Stellvert. Leitung: Prof. Dr. Dix (TUC)
X X X X X X
Forschungsprojekt: Regelmod. Nützlichkeit u. Verlässlichkeit von verä. IT-Ökosystemen (ruleIT): Leitung: Prof. Dr. Schneider (LUH)Stellvert. Leitung: Prof. Dr. Rausch (TUC)
X X X X X
Anw
endungsprojekt: Integrierte D
emonstratoren S
mart C
ity (Dem
Sy)
Leitung: Prof. D
r. Rausch (TU
C)
Stellvert. Leitung: (TU
C) P
rojektkoordinator N
.N. (prom
ovierter Mitarbeiter (TV
-L/E14))
1312.11.2008
Interaktion ermöglichen Interaktionsmuster Kooperation und Konkurrenz
Emergenz beherrschen System verlässlich entwerfen
Integration von Kontext Sicherung von Minimaleigenschaften Ressourcen beherrschbar gemeinsam nutzen
Software methodisch entwickeln Dynamische Anforderungen verlässlich umsetzen Mit Regeln regeln
Anwendungsprojekt DemSy – Integrierte Demonstratoren Smart City
NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
1412.11.2008
• Ein zentraler Erfolgsfaktor: Übergreifende Abstimmung, Austausch und Integration zwischen den Forschungsprojekten
• Ein Ansatz: DemSy:– Zuerst Bottom-Up: Integration der Einzelszenarien in ein integriertes Anwendungsszenario– Dann Top-Down: Definition und Bereitstellung von gemeinsamen Architekturen, Schnittstellen und Infrastrukturen für die Demonstratoren
Arbeits- und ProjektplanVorgehen und Organisation (3/4)
NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
Summe Ressourcen Gesamt Davon Anwend.Wiss. Mitarbeiter pro Jahr 15 3
Sach./Reisen pro Jahr 32.000 € 2.000 €Stud. Mitarbeiter pro Jahr 48.000 € 20.100 €
Koordinator pro Jahr 1 0,6Zentrale Mittel pro Jahr 20.000 €
Gesamtsumme 1.016.487 €1512.11.2008
Organisation in Anlehnung an SFB• Gemeinsamer Lenkungsausschuss für die Kooperationsprojekte• Vierteljährliche Graduiertentagungen• Jährliche Begehung mit externem Beirat• Gemeinsame Auswahl der Doktorandinnen und Doktoranden• Integration der Studierenden in die Projekte
Arbeits- und ProjektplanVorgehen und Organisation (4/4)
NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
1612.11.2008
Lenkungsausschuss der NTH-School für IT-ÖkosystemeSprecher: Prof. Dr. Rausch (TUC)Stellvert. Sprecher: Prof. Dr. Wagner (LUH), Prof. Dr. Wolf (TUBS)Weitere Mitglieder: Prof. Dr. Goltz (TUBS), Prof. Dr. Müller (TUC), Prof. Dr. Vollmer (LUH)Nicht stimmberechtigte Mitglieder: Projektkoordinator N.N. (promovierter Mitarbeiter (TV-L/E14))
Forschungsprojekt: Adaptive Interaktionsmechanismen (AIM):Leitung: Prof. Dr. Müller-Schloer (LUH)Stellvert. Leitung: Prof. Dr. Goltz (TUBS)
X X X X
Forschungsprojekt: Local Communities in Information Cities (LocCom): Leitung: Prof. Dr. Wolf (TUBS)Stellvert. Leitung: Prof. Dr. Dix (TUC)
X X X X X X
Forschungsprojekt: Regelmod. Nützlichkeit u. Verlässlichkeit von verä. IT-Ökosystemen (ruleIT): Leitung: Prof. Dr. Schneider (LUH)Stellvert. Leitung: Prof. Dr. Rausch (TUC)
X X X X X
Anw
endungsprojekt: Integrierte D
emonstratoren S
mart C
ity (Dem
Sy)
Leitung: Prof. D
r. Rausch (TU
C)
Stellvert. Leitung: (TU
C) P
rojektkoordinator N
.N. (prom
ovierter Mitarbeiter (TV
-L/E14))
Ganzheitlicher und integrierter Ansatz bestehend aus– Erklärungsmodellen und Theorien– Beschreibungen und Auswertungen– Verfahren und Methoden
für – Entwicklung,
– Betrieb,
von IT-Ökosystemen
Weiterführende Fragestellungen für einen SFB
NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
1712.11.2008
– Nutzung und
– Evolution
• IT-Ökosystem: interagierende autonome Akteure in einem komplexen Gesamtsystem
• Klassische Ansätze skalieren nicht für IT-Ökosysteme• Ansatz: „Gleichgewicht“ zwischen Autonomie der Teilsysteme
und Beherrschbarkeit des Gesamtsystems sicher stellen• Forschungsprogramm: Ein ganzheitlicher Ansatz • Ziel und Ergebnisse:
– Erfolgreicher Antrag für SFB oder vergleichbares Forschungsvorhaben auf Basis von
– integrierten projektspezifischen Lösungsansätzen,– die Anhand eines gemeinsamen Anwendungsszenario validiert wurden
Zusammenfassung
NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
1812.11.2008
Agenda
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
19
AIMAIM
Adaptive Interaktionsmechanismen
NTH-School für IT-ÖkosystemeNTH-School für IT-Ökosysteme
ProjektbeteiligteProjektbeteiligteLeitung Prof. Dr. Müller-Schloer
(LUH)Stellvertreterin Prof. Dr. Goltz (TUBS)
Projektbeteiligte Prof. Dr. Adámek (TUBS)Prof. Dr. Goltz (TUBS)Prof. Dr. Hähner (LUH)Prof. Dr. Hammer (TUC)Prof. Dr. Huhn (TUBS)Prof. Dr. Müller (TUC)Prof. Dr. Müller-Schloer (LUH)Prof. Dr. Wagner (LUH)
• Große Populationen heterogener Agenten (Geräte, Applikationen, Roboter, Fahrzeuge, Sensoren, Menschen)
• Übergeordnete Aufgaben verlangen Kooperation und Koordination.
• Beschränkte Ressourcen erzeugen Konflikte.
Ausgangssituation und Problemstellung (1/2)
12.11.2008 21NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen
• Dynamik– Wechselnde Zielvorgaben– Veränderliche Agenten– Eigeninteressen– Störungen
Balance zwischen Autonomieund Beherrschbarkeit
Ausgangssituation und Problemstellung (2/2)
12.11.2008 22NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen
• Ziel 1: Interaktion ermöglichen– Adaptive Interaktions- und Koordinationsmuster– Kooperation vs. Konkurrenz
• Ziel 2: Regulation: Emergenz beherrschen– System beobachten– System korrigieren– Gleichgewicht (wieder)herstellen
• Ziel 3: System verlässlich entwerfen
Zielsetzung AIM
12.11.2008 23NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen
• Selbstorganisation und Emergenz in natürlichen Systemen– Dissipative Strukturen– Schwärme– Ameisen ...
• Organische und autonome Systeme– Emergenz und Selbstorganisation (self-x)– Technische Anwendungen (z.B. Verkehr)– Mehrstufiges Lernen unter Echtzeitbedingungen– Transregio AVACS: Verifikation komplexer Systeme– SFB NEXUS: Kontextmodelle
Explizite mehrstufige Observer/Controller-Strukturen Vorsichtige Erweiterung der Konfigurationsräume Starre Interaktionsmechanismen
Stand der Wissenschaft
Productive System
Observer Controller
12.11.2008 24NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen
Eigene Vorarbeiten (1/2)
Autonome ServiceroboterArbeitsgruppe Wagner
Organic Computing/SmartCamsArbeitsgruppe Müller-Schloer/Hähner
Autonome dezentrale SystemeArbeitsgruppe Müller
Datenanalyse und VisualisierungArbeitsgruppe Hammer
Entwurf und ModellierungArbeitsgruppe Goltz
Formale AnalyseArbeitsgruppe Adámek/Huhn
12.11.2008 25NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen
• Arbeitsgruppe 1 Müller: Autonome dezentrale Systeme– Dezentrale Informationsarchitekturen– Marktbasierte Kooperation– P2P- und Agentensysteme
• Arbeitsgruppe 2 Müller-Schloer/Hähner: Organic Computing– Quantitative Analyse von Selbstorganisation und Emergenz– Observer/Controller-Architekturen– Selbstorganisierende Smart-Camera-Systeme
• Arbeitsgruppe 3 Wagner: Autonome Serviceroboter– Autonome Navigation– Sensor-Fusion
• Arbeitsgruppe 4 Hammer: Datenanalyse und Visualisierung– Data Mining– Clustering– Relevanzlernen
• Arbeitsgruppe 5 Goltz: Entwurf und Modellierung– Entwurf, Modellierung, Verifikation reaktiver Systeme– Anwendung von Self-x-Konzepten im Bereich Robotersteuerungen
• Arbeitsgruppe 6 Adámek/Huhn: Formale Analyse– Formale Methoden und Verifikation eingebetteter Systeme
Eigene Vorarbeiten (2/2)
12.11.2008 26NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen
Lösungsansatz
Mikro/Subsystemeo Adaptive Interaktion und
Kooperation, Verteiltes Lerneno Adaptive Systemstrukturen für autonome Transportdienste
Makro/Gesamtsystemo Virtualisierung evolvierender Informations- und
Kooperationsarchitekturen Regulation und Entwurf
o Erkennung von Systemzuständen: Abstraktion, Extraktion und Visualisierung
o Modellbasierte Analyse und Entwurf: Metamodell IT-Ökosystem
o Formale Beschreibung: Sichere Komposition und inkrementelle Verifikation
Anwendung Messeszenario
12.11.2008 27NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen
Arbeits- und Projektplan, Kooperation im Teilprojekt
AP1 Konzeption
AP2 Demonstrator
AP3 Verteiltes Lernen von Kooperations- und Koordinationsmechanismen
AP4 Virtualisierung von evolvierenden Informationsarchitekturen
AP5 Adaptive Systemstrukturen für autonome Transportdienste
AP6 Extraktion, Abstraktion und Visualisierung von (Sensor-)Daten
AP7 Modellbasierte Analyse und Entwurf von SoS
AP8 Verifikation und Kompatibilität von Teilsystemen
AG1 AG2 AG3 AG4 AG5 AG6
12.11.2008 28NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen
Beitrag zu den Forschungsgebieten
FG1: Emergenz von Funktionen und Systemeno Beherrschung emergenter Effekte durch geplante und
adaptive Interaktiono Selbstorganisation interagierender Populationen (vgl. TP
LocCom) FG2: Erweiterung traditioneller Spezifikations-,
Entwurfs- und Validierungsmethodeno Verlagerung von Entwurfs- und Überwachungsaufgaben von
der Design- in die Laufzeito Entwurf durch Regeln (vgl. TP ruleIT)
FG3: Adaptive System-Infrastruktureno Koordinations-, Kooperations- und
Konfliktlösungsmechanismen12.11.2008 29NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive
Interaktionsmechanismen
Messeszenarioo Transportservice auf dem Messegelände
• Autonome Tramsportfahrzeuge (Busse), Beobachtung durch Smart Cameras
• Wiederherstellung des Gleichgewichts nach Störungeno Adaptive Interaktion durch
• Behebung von Konfliktsituationen• Verhandlung von Kooperationen
o Simulation und realer Demonstrator
Beitrag zum Anwendungsgebiet Smart City
12.11.2008 30NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen
Grundlagen adaptiver Interaktion: Änderung der Kommunikationsstruktureno Interaktion basiert auf Sprache und Verhalten
(Symbole, Gesten, Vokabulare, Protokolle,...).o Evolution natürlicher Sprache als Vorbild für
Kommunikation in IT-Ökosystemen Interdisziplinäre Zusammenarbeit
o Adaption durch Lernen (Ressourcen-/ Zeitbeschränkung)
o Sicherheit, Beschränkung der Adaptivität
Weiterführende Fragestellungen für einen SFB (1/2)
12.11.2008 31NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen
Weiterführende Fragestellungen für einen SFB (2/2)
Focus auf Technik: Adaptive Interaktionsmechanismen
o Erweiterung des Konfigurationsraums auf die Interaktion Parametrisierte Kommunikation Lernen des Symbolvorrats
Goal G
System S
Observer/ Controller
Observer/Controller
Evolvierender Entwurf und Sicherheito Mechanismen zur Erzielung von Gleichgewicht in IT-
Ökosystemen (Gehirnanalogie: somatosensorische Karten, Homöostase)
o Sichere Evolution in IT-Ökosystemen12.11.2008 32NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive
Interaktionsmechanismen
Zusammenfassung Ziele
o Adaptive Interaktion ermöglicheno Emergenz beherrscheno Adaptive Systeme verlässlich entwerfen
Erste Ergebnisse demonstrierbar im Rahmen eines Messeszenarios
Präzisierung weiterführender Fragestellungen im Hinblick auf einen SFB
12.11.2008 33NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen
AIM
ruleIT
LocCom
Vom Ganzen zum Teil: ruleIT•Software methodisch entwickeln•Dynamische Anforderungen verlässlich umsetzen•Mit Regeln regeln
Querschnittsfragestellungen: LocCom•Kontext integrieren•Minimaleigenschaften (Privacy) sichern•Ressourcen beherrschbar gemeinsam nutzen
Vom Teil zum Ganzen: AIM•Adaptive Interaktion ermöglichen•Emergenz beherrschen•System verlässlich entwerfen
12.11.2008 34NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen
Agenda
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
35
LocComLocCom
Local Communities in Information Cities
NTH-School für IT-ÖkosystemeNTH-School für IT-Ökosysteme
ProjektbeteiligteProjektbeteiligteLeitung Prof. Dr. Wolf (TUBS)
Stellvertreter Prof. Dr. Dix (TUC)Projektbeteiligte Prof. Dr. Beigl (TUBS)
Prof. Dr. Dix (TUC)Prof. Dr. Nejdl (LUH)Prof. Dr. Siemers (TUC)Prof. Dr. Vollmer (LUH)Prof. Dr. Wolf (TUBS)
• Soziale Netzwerke: Eckpfeiler der menschlichen Gemeinschaft
• Web-basierte Technologien: Interaktion mit anderen Personen und Aufbau von „Communities“
• Aber: Web-basierte Social Networks schaffen „Tele-Social-Networks“ und Vereinzelung
Zudem• bisher explizite Nutzung eines Computersystems
erforderlich• wenig Integration in „reales“ soziales Umfeld / Netzwerke• keine Berücksichtigung von Kontext
Ausgangssituation und Problemstellung (1/3)
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities
37
Ausgangssituation und Problemstellung (2/3)
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities
38
Autonomie? Beherrschbarkeit?•Einbeziehung von Kontext sowie Self-X Eigenschaften?
•Direkte Interaktion mit der Community?
•Komplexität des Systems?
•Eigenständigkeit des Individuums?
•Beherrschung von Privacy?
•Verfügbarkeit?
• Unterstützung sozialer Netzwerke in Smart Cities erfordert u.a.– Personalisierte und ortsbasierte Informationen und Anwendungen– Organische Integration durch mobile und kontextualisierte
Unterstützung des Informationsaustauschs in Ad-Hoc-Gruppen • Dafür
– Modellierung durch neuere Konzepte (z.B. Agenten-Logik)– Beweisbare Eigenschaften von sozialen Netzwerken
Ausgangssituation und Problemstellung (3/3)
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities
39
Ziel: fließende Übergänge von realen und virtuellen sozialen Netzwerken
Drei wesentliche Teilziele:
- Integration von Kontext
- Sicherung von Minimaleigenschaften
- Ressourcen beherrschbar gemeinsam nutzen
Beispiele verschiedener Einzelverfahren: Modellierung dynamischer Systeme mit temporalen Logiken Erkennung von einfachen Situationskontexten bei UbiComp Auffinden von Diensten Ad-hoc Routingverfahren
Forschungsbedarf beispielsweise bei: Systemansätze zur situationsabhängigen spontanen
Zusammenarbeit heterogener Systeme Sicherung von Minimaleigenschaften Kommunikationswege unter Berücksichtigung von Nicht-
Standard-Kriterien
Stand der Wissenschaft
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities
40
Effiziente Algorithmen (Vollmer) Temporale Logiken Komplexität
Eigene Vorarbeiten
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities
41
Verteilte Informationssysteme (Nejdl) Informationsintegration und Personalisierung P2P-Information Retrieval und Recommender Systems
Wissensrepräsentation (Dix) Modellierung Agenten-Logiken
Kommunikation (Wolf) Protokollmechanismen in
heterogenen Netzen Dienstgüteverfahren
Designmethodik eingebetteter Systeme (Siemers)
Hardware/Software Codesign
Adaptive Hardware-Systeme
Ubiquitäre Systeme (Beigl) Kontexterkennung Sensorbasierte Systeme
• Ziel: „virtualisierte“ soziale Netzwerke und reale soziale Netzwerke zusammenzubringen
• Technik: Nutzung von mobilen Endgeräten zur nahtlosen Verzahnung von Social Network Services und der Realität
Zielsetzung und Lösungsansatz (1/2)
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities
42
Dienste
Informationen
Wünsche
Aufgaben
Bildung vonInteressensgruppen
Handlungs- undNutzungsempfehlungen
Kontext + Interessen
Handlungen
• Modellierung von Local Communities: Theoretische Grundlagen
• Situations-Erkennung, Beschreibung und Nutzung: Situationsgerechte Adaption an die Realität
• Skalierbare Kommunikation: Beachtung der Verfügbarkeit & Fähigkeiten von Geräten und Netzen
• Privacy und Verfügbarkeit: Zusicherung von Minimaleigenschaften
• Neue Dienste und Integration in existierende Systeme: Neue Social Network Services
• Adaptive Hardware: Skalierbarkeit und Optimierung (Energie vs. Rechenleistung)
Zielsetzung und Lösungsansatz (2/2)
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities
43
Notwendig ist der Umgang mit komplexen Situationskontexten sowie die Erforschung der Basistechniken für Local Communities
Arbeits- und ProjektplanKooperation im Teilprojekt
AP6:Adaptive Hardware
AP3:Kontexterkennungdurch Sensorik
AP4:Kommunikation undNachbarschaftsbildung
AP5:Kontextspezifischer Informationsaustausch
AP1:Integrierte Modellierung
AP2:Skalierbare Inferenzmethoden
Indi
vidu
um /
Priv
acy
Kont
ext
Energieeffizienz Performanz
Modellierung und Bereitstellung kontextbasierter sozialer Netzwerke
AP 7: Anwendungsdemonstrator SmartCity
Konz
epte
, D
iens
te u
nd In
form
atio
nen G
ewährleistung Eigenschaften /
Anforderungen
FG2: Erweiterung traditioneller Spezifikations-, Entwurfs- und Validierungsmethoden (vgl. TP AIM und TP ruleIT)• Erweiterungen temporaler Logiken zur Modellierung von Smart Cities• Integration von Metadaten
FG3: Adaptive System-Infrastrukturen (vgl. TP AIM)• Skalierbare Kommunikation mobiler Endgeräte• Adaptive Plattformen für Dienst- und Infobereitstellung – bei Betrachtung Nutzerinteressen +
Kontext• Rekonfigurierbare Hardware mit neuen Regeln + Fehlertoleranz
FG4: (Selbst-)adaptierende und garantierte (vorhersagbare) Qualitätseigenschaften (vgl. TP ruleIT)
• Beweisbare Eigenschaften von sozialen Netzwerken wie Privacy• Modellierung von Communities mittels logischer Kalküle
FG5: Beherrschen semantischer Diversität • Integration von Informationen (Daten, Nutzer, Kontexte) unterschiedlicher Quellen und
unterschiedlicher Schemata• Dynamische Vernetzung von Daten
FG6: Erweiterte Mensch-Umwelt-Maschine-Interaktion• Robuste Kontexterkennung: persönliche Aktivität und Situation• Automatisch generierte Nutzerprofile
Beitrag zu den Forschungsgebieten
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities
45
Beitrag zum Anwendungsgebiet Smart City
SmartCity-Szenario: Soziales Netzwerk innerhalb einer Arbeitsumgebung Unterstützung von Arbeitsprozessen („Social CSCW“) mit
Techniken wie Wiki und Blogs als Interaktionsinstrument Demonstrator basierend auf (erweitertem) Smartphone,
z.B. Arbeitsumgebung / Meetingszenario
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities
46
LocCom Szenario Beispiel• dynamischer, situations- und lokationsadaptierter Zugriff
auf Social-Network Information im lokalen Fall (z.B. im Meeting)
• automatischer (autonomer) Informationsaustauschmit Freunden und Kollegen als Peer-Group
Autonomie und Beherrschbarkeit
Dienste
Informationen
Wünsche
Aufgaben
Bildung vonInteressensgruppen
Handlungs- +Nutzungsempfehlungen
Kontext und Interessen
Handlungen12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in
Information Cities47
• Durchgängige Konzepte: Modellierung, Nachweis von Eigenschaften und ressourceneffizienter Umsetzung
• Verallgemeinerte soziale Netzwerke
Weiterführende Fragestellungen für einen SFB
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities
48
Dienste
Informationen
Wünsche
Aufgaben
Bildung vonInteressensgruppen
Handlungs- undNutzungsempfehlungen
Kontext + Interessen + Ressourcen
Über Peer-GrouphinausgehendeHandlungen
Ressourcen
Handlungen
• Beherrschung großer Mengen komplex verlinkter Informationen
• Betrachtung von zeitlichen Aspekten
In LocCom anvisierte Ziele:• Erforschung von Basisverfahren• Demonstrierbarkeit erster Ergebnisse• Identifikation weitergehender Fragestellungen
Soziale Netzwerke als ein Prototyp von IT-Ökosystemen
Zusammenfassung
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities
49
LocCom Vision: fließende Übergänge zwischen Informationswelt und realer Welt. neue Dynamik und Komfort existierender Anwendungen,
aber auch gänzlich neue Anwendungen autonome Zusammenarbeit mit Partnern,
dabei Beherrschbarkeit des Kollaborationsgrades
Agenda
12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme
50
ruleITruleIT
Regelmodellierte Nützlichkeit
und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-
Ökosystemen
NTH-School für IT-ÖkosystemeNTH-School für IT-Ökosysteme
Leitung Prof. Dr. Schneider (LUH)Stellvertreter Prof. Dr. Rausch (TUC)
Projektbeteiligte Prof. Dr. Rausch (TUC) Prof. Dr. Rumpe (TUBS)Prof. Dr. Schneider (LUH)
ProjektbeteiligteProjektbeteiligte
12.11.2008
52
Ausgangssituation und Problemstellung• IT-Ökosystem:
– System, das sich beständig ändert– autonome Komponenten wie Sensoren, Aktuatoren, IT-Systeme, Menschen – durch eine IT-Infrastruktur vernetzt
• Ziel: SW-Entwicklungsmethode für IT-Ökosystem unter Beachtung von– Nützlichkeit funktionale und Qualitätsanforderungen– Verlässlichkeit Anforderungen einhalten trotz emergenter
Störungen
• Neuartige Herausforderungen an Softwareentwicklung für IT-Ökosysteme– Komponenten und Anforderunge ändern sich unabhängig und unablässig– Funktion und Qualität autonomer Komponenten spezifizieren (trotz
Emergenz)– Korrekte Umsetzung von Systemanforderung sicherstellen
NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt ruleIT: Regelmodellierte Nützlichkeit und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-Ökosystemen
12.11.2008
53
Ausgangssituation und Problemstellung Beispiel SmartFolk
• Spezifische Probleme– Anforderungen schwer zu
erheben– Validierung nur nebenbei
möglich– Viele Entwickler– Emergente Eigenschaften – Extern entwickelte Subsysteme
• Herausforderungen– Kontext berücksichtigen– Autonomie erhalten– Zuverlässigkeit sicherstellen
– Modellierung bei der Entwicklung
Geschäfte
Behörden
SmartFolkRat:„Zuerst …“
Sensoren
Personen, manche mit SmartDevices
Im Auto
Kamera
NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt ruleIT: Regelmodellierte Nützlichkeit und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-Ökosystemen
12.11.2008 54
Stand der Wissenschaft• Bekannte Ansätze des Software Engineering reichen nicht aus
– Requirements Engineering• Heterogene Stakeholder(gruppen), selbst sehr dynamisch (vgl. LocCom)• Traditionelle Befragungstechniken nicht anwendbar (wie Interviews)• Domänen-spezifische Erhebungsmethoden wären nötig
– Architekturen• IT-Dienste werden service-orientiert verbunden – aber technische?• Formale Modellierung von Architekturen skaliert nicht für IT-Ökosysteme
– Konstruktive Verifikation der Korrektheit von Komponenten• Kein Ansatz leitet aus Anforderungen Regeln ab, verifiziert und prüft sie
• Systematische Entwicklung von IT-Ökosystem-Software so nicht möglich
• Regeln müssen in die Software-Entwicklung integriert werden– Herkömmliche Ansätze zu unflexibel für Autonomie und Emergenz
NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt ruleIT: Regelmodellierte Nützlichkeit und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-Ökosystemen
12.11.2008 55
• Arbeitsgruppe Schneider: Anforderungen, Services und Informationsfluss – Spezialtechniken im Requirements Eng. für bestimmte Stakeholder (z.B.
Stadtplaner) – Service-Orientierung (SOA) für flexibel verbundene IT-Dienste– SW-Projekte optimieren mit Informationsflussmodellen
• Arbeitsgruppe Rausch: Architektur und Infrastruktur– Integration von Anforderungs- und Grobarchitekturmodellen– Formalisierte Beschreibungstechniken für Architekturen – Formal fundierte Prototypen einer Infrastruktur für dynamisch adaptive Systeme
• Arbeitsgruppe Rumpe : Modellierung– Semantisch und methodisch sinnvolle Definition von Modellierungssprachen – Konstruktive Verifikation beweisbar korrekter Regeln– Werkzeuge für problemangepasste Modellierungssprachen (DSL)
Eigene Vorarbeiten
NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt ruleIT: Regelmodellierte Nützlichkeit und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-Ökosystemen
12.11.2008 56
• Grundüberzeugung– Menschen empfinden IT-Ökosystem nur als nützlich,
wenn ihre Bedürfnisse zuverlässig erfüllt werden– Krankenhäuser, Fabriken, Marsmissionen oder SmartCities sind kein
Selbstzweck• IT-Ökosysteme enthalten erhebliche Software-Anteile• Ziel des Projekts ruleIT: Software methodisch entwickeln
– Anforderungen interaktiv mit Stakeholdern erheben – Dynamische Anforderungen verlässlich umsetzen– Mit Regeln regeln
• Reibungsloses Zusammenspiel der Elemente gewährleisten– Autonomie in einem IT-Ökosystem wahren– Mit Regeln beherrschbar halten
• Dabei beachten– Nicht jede Detailanforderung muss auch in eine Regel einfließen– Infrastruktur und Devices müssen auf Regeln u. aktive Steuerung
vorbereitet werden
Zielsetzung und Lösungsansatz (1/2)
NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt ruleIT: Regelmodellierte Nützlichkeit und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-Ökosystemen
12.11.2008 57
Zielsetzung und Lösungsansatz (2/2)
Stakeholderim IT-Ökosystem
mit AnforderungenReferenz für Nützlichkeit
(vgl. LocCom)
Verifikation von Komponenten gegen die Regeln
Software im IT-Ökosystem
zur Infrastruktur hinzugefügt,agiert autonom.
ruleIT systematisiertdie SW-Entwicklung
Regeln werden kontinuierlich überprüft
ValidierungStakeholder reagieren
auf Systemverhalten
IT-Ökosystem
prüfen
Infrastruktur für adaptive Systeme
smartdevices
Regeln
ableiten
spezifizierenRequirements
Elicitation
Stakeholder
verifizieren
validieren
NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt ruleIT: Regelmodellierte Nützlichkeit und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-Ökosystemen
12.11.2008 58
Arbeits- und ProjektplanKooperation im Teilprojekt
IT-Ökosystem
prüfen
Infrastruktur
smartdevices
Elicitation
Regeln
ableiten
Stakeholder
verifizieren
validieren
spezifizieren
AP 1: Konzept der Methode und einer Regelsprache (Rausch, Rumpe, Schneider)Domänenspezifische Sprache (DSLs) auf mehreren Ebenen,z.B. fachlich, technisch
AP 2: Requirements Engineering und Validierung in IT-Ökosystemen (Schneider)Vage Vorstellungen der Stakeholder aufnehmen und systematisch zu Regeln überleiten
AP 3: Regel-basierte Modellierung und Evaluierung von Architekturen (Rausch)Methodik und regelbasierter Modellierungsansatz für Grobarchitekturen, die Überprüfung solcher Architekturregeln zur Laufzeit ermöglichen
AP 4: Konstruktiv verifizierte Regeln im IT-Ökosystem (Rumpe)Eigenschaften und Auswirkungen von Komponenten teilweise vorab sichern und so dynamische Prüfung unnötig machen
AP 5: Anwendungsdemonstrator „SmartFolk“ (Rausch, Rumpe, Schneider)zeigen, wie Regeln die Verlässlichkeit der SmartCity sicherstellen.
Erweiterung von traditionellen Requirements Engineering-, Entwurfs- und Prüfmethoden
NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt ruleIT: Regelmodellierte Nützlichkeit und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-Ökosystemen
12.11.2008
59
Beitrag zu den Forschungsgebieten
FG1: Emergenz von Funktionen und Systemen • Probleme ungeachtet ihrer Ursache (z.B. Emergenz) mit Regeln erkennen • ruleIT-Methode: verlässliche Erfüllung der Anforderungen, um Dynamik zu beherrschen
FG2: Erweiterung traditioneller Spezifikations-, Entwurfs- und Validierungsmethoden
• „System möglichst vollständig spezifizieren, verifizieren, validieren“ ist hier nicht möglich• Anforderungen in Regeln fassen, zur Laufzeit fortlaufend prüfen und durch Feedback
validieren
FG3: Adaptive System-Infrastrukturen• In ruleIT wird keine eigenständige System-Infrastruktur entwickelt• Bestehende Infrastruktur um Regelungs- und Steuerungsmechanismen erweitern
FG4: Selbstadaptierende und garantierte Qualitätseigenschaften • Semantische Information in Modellen für Korrektheitsnachweise einsetzen („proof-
carrying rules“)• Diese betreffen funktionale, zeitliche und andere Qualitätseigenschaften des Systems
AIM (Adámek)Verifikation
AIM (Goltz)System Eng.
LocCom (Nejdl, Beigl)
Benutzer, Kontext
NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt ruleIT: Regelmodellierte Nützlichkeit und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-Ökosystemen
12.11.2008 60
Beitrag zum Anwendungsgebiet Smart City• Komponente SmartFolk als Beispiel
– Software-intensiver Begleiter für Bewohner der SmartCity – greift auf Informationsdienste und Sensoren zu– Software-Entwicklung für SmartFolk und Infrastruktur
• Methode in ruleIT entwickelt• Macht SmartCity nützlich und zuverlässig • für Benutzer und Betreiber
• Demonstrator verdeutlicht Methode von ruleIT an SmartFolk
• wird mit Anwendungsgebiet SmartCity abgestimmt • in den übergreifenden Demonstrator integriert.
SmartFolkRat:„Erst zumFinanzamt“
NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt ruleIT: Regelmodellierte Nützlichkeit und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-Ökosystemen
12.11.2008
61
Weiterführende Fragestellungen für einen SFB• Weitere Aspekte der Softwareentwicklung
– Über Nützlichkeit und Zuverlässigkeit hinaus– Zeit- und Kosteneinhaltung, Planbarkeit
• Varianten von Methoden und Prozessen– Regeln im größeren Kontext– Leicht-gewichtige, agile und evolutionäre Ansätze– Adaptive Software-Entwicklung
• Tiefer in die Anwendungsdomänen– Über die SmartCity hinaus– Detaillierung von IT-Service-Prozessen– Spezialisierung auf Sub-Domänen und Werkzeuge
Regeln
NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt ruleIT: Regelmodellierte Nützlichkeit und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-Ökosystemen
12.11.2008
62
Zusammenfassung• IT-Ökosystem enthält viel Software
– Software ist neuartig und adaptiv– muss trotzdem systematisch entwickelt und eingesetzt werden
• Hier zunächst im Fokus: Nützlichkeit und Zuverlässigkeit• Traditionelles Software Engineering reicht dafür nicht aus• Wir schlagen Regeln vor – und setzen sie auf neuartige Weise
ein– Herausforderung Requirements: herausfinden, formulieren,
validieren– Herausforderung Modellierung: beschreiben, verifizieren– Herausforderung Infrastruktur: Regeln ausführen, prüfen, reagieren
• Ein ehrgeiziges Unterfangen!• Wir sind sehr gut aufgestellt, um die Fragen anzugehen.
Regeln
NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt ruleIT: Regelmodellierte Nützlichkeit und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-Ökosystemen