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Agenda 12.11.2008NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme1.

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1 Agenda NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme1

2 NTH -School für IT-Ökosysteme NTH -School für IT-Ökosysteme Autonomie und Beherrschbarkeit Software- intensiver Systeme 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 Lenkungsausschuss Antragssteller und Lenkungsausschuss

3 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

4 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

5 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 NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme5

6 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 als Ganzes planen und erstellen … eine Stadt nicht ! Um lebenswerte Städte zu bauen, benötigt man andere Architekturen, Modelle, Verfahren, Techniken, Methoden

7 Ausgangssituation und Problemstellung (2/3) In Analogie: Situation in der IT-Branche NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme7 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

8 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 Ein IT-Ökosystem besteht aus Autonomen Akteuren - vernetzt und interagieren - individuelle und gemeinschaftliche Ziele - kooperieren und konkurrieren 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 Funktionieren Beherrschbarem Gesamtsystem - dynamischer Komplex von Gemeinschaften - übergeordnete Zielsetzung und Funktion - allg. Regeln für ein ordnungsgemäßes Funktionieren Ausbalanciertem Spannungsfeld

9 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

10 Zielsetzung und Lösungsansatz (1/2) NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme10 Metapher: Das Konzept eines IT-Ökosystems soll genutzt werden, die Wirk- und Wechsel- beziehungen in komplexen, dynamischen und offenen IT-Systemen zu erklären Ziel: Gleichgewicht zwischen der Autonomie der Teilsysteme und der Beherrschbarkeit des Gesamtsystems sicher zu stellen!

11 Zielsetzung und Lösungsansatz (2/2) NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme Zentrale und dezentrale Gegenmaßnahmen einleiten (Observer/Controller) Äußere oder innere Kräfte stören das Gleichgewicht Gleichgewicht ist wiederhergestellt Gleichgewichtszustände im IT-Ökosystem Störungen im IT-Ökosystem Wiederherstellung des Gleichgewichts - Identifizieren - Verstehen - Modellieren - Gegensteuern - Adaption - Evolution - Beobachten - Erkennen - Analysieren

12 Arbeits- und Projektplan Forschungsgebiete (1/4) NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme

13 Arbeits- und Projektplan Beitrag zu den Forschungsgebieten (2/4) NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme 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

14 Anwendungsprojekt DemSy – Integrierte Demonstratoren Smart City NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme 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

15 Arbeits- und Projektplan Vorgehen und Organisation (3/4) NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme Summe RessourcenGesamtDavon Anwend. Wiss. Mitarbeiter pro Jahr153 Sach./Reisen pro Jahr Stud. Mitarbeiter pro Jahr Koordinator pro Jahr10,6 Zentrale Mittel pro Jahr Gesamtsumme

16 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 Projektplan Vorgehen und Organisation (4/4) NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme

17 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 – Nutzung und – Evolution

18 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

19 Agenda NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme19

20 AIM AIM Adaptive Interaktionsmechanismen NTH-School für IT-Ökosysteme Projektbeteiligte Leitung 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)

21 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) NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen

22 Dynamik –Wechselnde Zielvorgaben –Veränderliche Agenten –Eigeninteressen –Störungen Balance zwischen Autonomie und Beherrschbarkeit Ausgangssituation und Problemstellung (2/2) NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen

23 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 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen

24 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 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen

25 Eigene Vorarbeiten (1/2) Autonome Serviceroboter Arbeitsgruppe Wagner Autonome Serviceroboter Arbeitsgruppe Wagner Organic Computing/SmartCams Arbeitsgruppe Müller-Schloer/Hähner Organic Computing/SmartCams Arbeitsgruppe Müller-Schloer/Hähner Autonome dezentrale Systeme Arbeitsgruppe Müller Autonome dezentrale Systeme Arbeitsgruppe Müller Datenanalyse und Visualisierung Arbeitsgruppe Hammer Datenanalyse und Visualisierung Arbeitsgruppe Hammer Entwurf und Modellierung Arbeitsgruppe Goltz Entwurf und Modellierung Arbeitsgruppe Goltz Formale Analyse Arbeitsgruppe Adámek/Huhn Formale Analyse Arbeitsgruppe Adámek/Huhn NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen

26 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) NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen

27 Lösungsansatz Mikro/Subsysteme o Adaptive Interaktion und Kooperation, Verteiltes Lernen o Adaptive Systemstrukturen für autonome Transportdienste Makro/Gesamtsystem o 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 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen

28 Arbeits- und Projektplan, Kooperation im Teilprojekt AP1Konzeption AP2Demonstrator AP3Verteiltes Lernen von Kooperations- und Koordinationsmechanismen AP4Virtualisierung von evolvierenden Informationsarchitekturen AP5Adaptive Systemstrukturen für autonome Transportdienste AP6Extraktion, Abstraktion und Visualisierung von (Sensor-)Daten AP7Modellbasierte Analyse und Entwurf von SoS AP8Verifikation und Kompatibilität von Teilsystemen AG1AG2AG3AG4AG5AG NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen

29 Beitrag zu den Forschungsgebieten FG1: Emergenz von Funktionen und Systemen o Beherrschung emergenter Effekte durch geplante und adaptive Interaktion o Selbstorganisation interagierender Populationen (vgl. TP LocCom) FG2: Erweiterung traditioneller Spezifikations-, Entwurfs- und Validierungsmethoden o Verlagerung von Entwurfs- und Überwachungsaufgaben von der Design- in die Laufzeit o Entwurf durch Regeln (vgl. TP ruleIT) FG3: Adaptive System-Infrastrukturen o Koordinations-, Kooperations- und Konfliktlösungsmechanismen NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen

30 Messeszenario o Transportservice auf dem Messegelände Autonome Tramsportfahrzeuge (Busse), Beobachtung durch Smart Cameras Wiederherstellung des Gleichgewichts nach Störungen o Adaptive Interaktion durch Behebung von Konfliktsituationen Verhandlung von Kooperationen o Simulation und realer Demonstrator Beitrag zum Anwendungsgebiet Smart City NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen

31 Grundlagen adaptiver Interaktion: Änderung der Kommunikationsstrukturen o 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) NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen

32 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 Evolvierender Entwurf und Sicherheit o Mechanismen zur Erzielung von Gleichgewicht in IT- Ökosystemen (Gehirnanalogie: somatosensorische Karten, Homöostase) o Sichere Evolution in IT-Ökosystemen NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen

33 Zusammenfassung Ziele o Adaptive Interaktion ermöglichen o Emergenz beherrschen o Adaptive Systeme verlässlich entwerfen Erste Ergebnisse demonstrierbar im Rahmen eines Messeszenarios Präzisierung weiterführender Fragestellungen im Hinblick auf einen SFB NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen

34 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 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt AIM: Adaptive Interaktionsmechanismen

35 Agenda NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme35

36 LocCom LocCom Local Communities in Information Cities NTH-School für IT-Ökosysteme Projektbeteiligte Leitung 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)

37 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 VereinzelungTele-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) NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities37

38 Ausgangssituation und Problemstellung (2/3) NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities38 Autonomie?Beherrschbarkeit? Einbeziehung von Kontext sowie Self-X Eigenschaften? Direkte Interaktion mit der Community? Komplexität des Systems? Eigenständigkeit des Individuums? Beherrschung von Privacy? Verfügbarkeit?

39 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) NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities39 Ziel:fließende Übergänge von realen und virtuellen sozialen Netzwerken Drei wesentliche Teilziele: - Integration von Kontext - Sicherung von Minimaleigenschaften - Ressourcen beherrschbar gemeinsam nutzen Drei wesentliche Teilziele: - Integration von Kontext - Sicherung von Minimaleigenschaften - Ressourcen beherrschbar gemeinsam nutzen

40 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 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities40

41 Effiziente Algorithmen (Vollmer) Temporale Logiken Komplexität Eigene Vorarbeiten NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities41 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

42 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) NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities42 Dienste Informationen Wünsche Aufgaben Bildung von Interessensgruppen Handlungs- und Nutzungsempfehlungen Kontext + Interessen Handlungen

43 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) NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities43 Notwendig ist der Umgang mit komplexen Situationskontexten sowie die Erforschung der Basistechniken für Local Communities Notwendig ist der Umgang mit komplexen Situationskontexten sowie die Erforschung der Basistechniken für Local Communities

44 Arbeits- und Projektplan Kooperation im Teilprojekt AP6: Adaptive Hardware AP6: Adaptive Hardware AP3: Kontexterkennung durch Sensorik AP4: Kommunikation und Nachbarschaftsbildung AP5: Kontextspezifischer Informationsaustausch AP1: Integrierte Modellierung AP2: Skalierbare Inferenzmethoden Individuum / Privacy Kontext Energieeffizienz Performanz Modellierung und Bereitstellung kontextbasierter sozialer Netzwerke AP 7: Anwendungsdemonstrator SmartCity Konzepte, Dienste und Informationen Gewährleistung Eigenschaften / Anforderungen

45 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 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities45

46 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 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities46

47 LocCom Szenario Beispiel dynamischer, situations- und lokationsadaptierter Zugriff auf Social- Network Information im lokalen Fall (z.B. im Meeting) automatischer (autonomer) Informationsaustausch mit Freunden und Kollegen als Peer-Group Autonomie und Beherrschbarkeit Dienste Informationen Wünsche Aufgaben Bildung von Interessensgruppen Handlungs- + Nutzungsempfehlungen Kontext und Interessen Handlungen NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities47

48 Durchgängige Konzepte: Modellierung, Nachweis von Eigenschaften und ressourceneffizienter Umsetzung Verallgemeinerte soziale Netzwerke Weiterführende Fragestellungen für einen SFB NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities48 Dienste Informationen Wünsche Aufgaben Bildung von Interessensgruppen Handlungs- und Nutzungsempfehlungen Kontext + Interessen + Ressourcen Über Peer-Group hinausgehende Handlungen Ressourcen Handlungen Beherrschung großer Mengen komplex verlinkter Informationen Betrachtung von zeitlichen Aspekten

49 Zusammenfassung NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities49 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 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

50 Agenda NTH-School für IT-Ökosysteme - Autonomie und Beherrschbarkeit Software-intensiver Systeme50

51 ruleIT Regelmodellierte Nützlichkeit und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-Ökosystemen NTH-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) Projektbeteiligte

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

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 SmartFolk Rat: Zuerst … Sensoren Personen, manche mit SmartDevices Im Auto Kamera NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt ruleIT: Regelmodellierte Nützlichkeit und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-Ökosystemen

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

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

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

57 Zielsetzung und Lösungsansatz (2/2) Stakeholder im IT-Ökosystem mit Anforderungen Referenz für Nützlichkeit (vgl. LocCom) Verifikation von Komponenten gegen die Regeln Software im IT-Ökosystem zur Infrastruktur hinzugefügt, agiert autonom. ruleIT systematisiert die SW-Entwicklung Regeln werden kontinuierlich überprüft Validierung Stakeholder reagieren auf Systemverhalten IT-Ökosystem prüfen Infrastruktur für adaptive Systeme smart devices Regeln ableiten spezifizieren Requirements Elicitation Stakeholder verifizieren validieren NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt ruleIT: Regelmodellierte Nützlichkeit und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-Ökosystemen

58 Arbeits- und Projektplan Kooperation im Teilprojekt IT-Ökosystem prüfen Infrastruktur smart devices 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

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

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. SmartFolk Rat: Erst zum Finanzamt NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt ruleIT: Regelmodellierte Nützlichkeit und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-Ökosystemen

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

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

63 Cartoon by Peter Steiner. The New Yorker, July 5, 1993 issue (Vol.69 (LXIX) no. 20) page 61The New Yorker


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