Ringvorlesung II - Schwerpunkte der Informatik
Eröffnungsveranstaltung
Prof. Dr. J. Fischer | Prof. J. C. Freytag, Ph.D. | Prof. Dr. W. Reisig
MARVIN – Der autonom fliegende Roboter der TU Berlin
Prof. Dr. Günter Hommel, TU Berlin
An der TU Berlin wurde ein autonom fliegender Roboter auf der Basis eines Modellhelikopters entwickelt. Das Ziel der Entwicklung war die Teilnahme an einem internationalen Wettbewerb in den USA. Die Aufgabe im Wettbewerb war die Erkundung eines unbekannten Katastrophenszenarios, in dem Menschen und Giftmüllfässer zu lokalisieren sind. Nach dem Start des Roboters muss dieser völlig autonom, also ohne steuernde Eingriffe des Menschen, diese Erkundungsaufgabe lösen. Im Wettbewerb gelang es MARVIN, diese Aufgabe vollständig zu lösen. Alle gesuchten Objekte wurden gefunden und mit einer Genauigkeit von 8 cm in eine Landkarte eingetragen. Damit gewann MARVIN den ersten Preis im Wettbewerb.
Im Vortrag werden die Komponenten von MARVIN, seine Hardware-, Software- und Kommunikationsarchitektur vorgestellt. Der Entwurf des Systems mit seinen technischen Randbedingungen ist typisch für den Entwurf eingebetteter Systeme. Entwurfsentscheidungen werden häufig nicht nur durch die funktionale Spezifikation, sondern weit mehr von quantitativen Anforderungen (Kosten, Gewicht, Echtzeitverhalten) bestimmt.
Systemkomponenten für ein Bluetooth-Positioniersystem
Dr. F. Winkler
Folien zum Vortrag sind als PDF-Datei verfügbar.
In Zusammenarbeit mit dem IHP Frankfurt wird ein System zur Lokalisierung von Bluetooth-Endgeräten in Räumen entwickelt. Typisch für solche Systeme ist die enge Verbindung von Funktechnik, Digitaltechnik, Mikroprozessor- und Netzwerktechnik. Dabei sind zunehmend Entwurfsmethoden gefordert, die alle Bereiche dieser Entwicklung abdecken. Als Beispiel wird auf die Anwendung von rekursiven Methoden im Hardwareentwurf eingegangen.
Optische Sensoren in eingebetteten Systemen
Prof. Ralf Reulke, Uni Stuttgart
Hochauflösende digitale Sensoren auf terrestrischen Punkten, Fahrzeug-, Flugzeug- und Weltraumplattformen ermöglichen neue Perspektiven sowohl in der Photogrammetrie und der Fernerkundung als auch in der Bildverarbeitung und Bildvisualisierung (image processing, computer vision). Eine wichtige Entwicklung stellen dabei integrierte Echtzeitverarbeitungsmöglichkeiten unmittelbar nach der Aufnahme und als Teil des Kamerasystems (eingebettete Systeme) dar. Im Vortrag werden neue Probleme und Herausforderungen diskutiert, die zum einen die räumliche und zeitliche Integration dieser Informationen, die Datenbehandlung und die Vorverarbeitung, aber auch die radiometrische und geometrische Güte dieser Daten betreffen.
Spezifikationsbasiertes Testen reaktiver Systeme
Prof. Dr. Ina Schieferdecker, TU Berlin/Fraunhofer FOKUS
Mit dem zunehmenden Einsatz von Systemspezifikationen in Systementwicklungsprozessen wächst der Bedarf an spezifikationsbasierten Testansätzen, um die diversen Testschritte in der Systementwicklung spezfikationsbasiert zu unterstützen. Spezifikationsbasiertes Testen umfasst sowohl die Spezifikation von Testfällen mit Hilfe von Testspezifikationsmethoden, die integrierte spezifikationsbasierte System- und Testentwicklung als auch die spezifikationsbasierte Testgenerierung.
Der Vortrag wird schwerpunktmäßig Testspezifikationsmethoden und deren Einsatz in einer integrierten System- und Testentwicklung diskutieren. Dabei wird das Testen reaktiver, i. allg. verteilter Systeme, die vielfach in IT- und TK-Technologien zu finden sind, betrachtet. Es werden die grundlegenden Konzepte beim Testen reaktiver Systeme analysiert und deren Umsetzung in der Testing and Test Control Notation (TTCN-3) als implementationsnahe Testspezifikationstechnik und dem UML 2.0 Testing Profile (U2TP) als Testentwurfs- und abstrakte Testspezifikationstechnik betrachtet. In einer vergleichenden Analyse von TTCN-3 und U2TP wird deren (gemeinsamer) Einsatz diskutiert.
The NOMADS Republic
Prof. Dr. M. Malek
A vision of the NOMADS Republic, the largest nation on earth, is introduced. The NOMADS (Networks of Mobile Adaptive Dependable Systems) infrastructure is aimed at supporting the functionality of such nation. It consists of all systems that satisfy certain minimum requirements, namely, the ability to communicate and to discover, provide and/or use NOMADS services. The goal of NOMADS infrastructure is to deliver low cost, dependable and adaptive connectivity in intelligent and highly semantic manner, making it possible to enter the age of »subdued computing«, where computing and communication converge, but stay out of the way.
The presentation includes a concept of the NOMADS Republic and a description of the architecture of NOMADS infrastructure.
Ad‐hoc‐Netze
Prof. Dr.-Ing. habil. Jochen H. Schiller, FU Berlin
Vieles ist schon über ad-hoc-Netze, also die spontane Vernetzung, gesagt worden – meist wurde dadurch aber mehr verwirrt denn über die Möglichkeiten und Schwierigkeiten dieser Netze aufgeklärt. Der Vortrag wird unter diesem recht allgmeinen Titel unter anderem auf folgende Schwerpunkte eingehen:
- Was sind überhaupt ad-hoc Netze? Welche Varianten gibt es – und welche davon sind interessant für die Forschung?
- Wo liegen die Schwierigkeiten bei der Realisierung?
- Welche neuen Anwendungsgebiete gibt es für die Netze?
- Wie können diese Netze mit »herkömmlichen«, so genannten Infrastruktur-basierten Netzen kombiniert werden?
- Wie passen diese Netze in die neuen Schlagwörter »Peer-to-Peer«, »Embedded Internet«, »Sensornetze«?
Einige dieser Fragen werden anhand aktueller Forschungsarbeiten im Rahmen von Scatterweb der Arbeitsgruppe »Computer Systems and Telematics« an der FU Berlin erläutert. Hier liegt der Schwerpunkt auf kleinen Sensorknoten und eingebetteten Webservern, welche sich spontan vernetzen können, autonom die Umwelt erfassen, über die Luft neu konfiguriert werden können und über eine einfache Anbindung an das klassische Internet verfügen.
Projekte des DCL – Distributed Control Lab
Prof. Dr. rer.-nat. habil. Andreas Polze, HPI Potsdam
Lehr- und Forschungsaktivitäten der »Betriebssysteme und Middleware«-Gruppe am HPI beschäftigen sich mit Paradigmen, Entwurfsmustern und Implementationstechniken für vorhersagbare, middleware-basierte Systeme. In diesem Zusammenhang untersuchen wir auch Ansätze zur Verbindung von Middleware und eingebetteten Systemen.
Das »Distributed Control Lab« (DCL) bietet eine Infrastruktur zur Ausführung von Experimenten mit eingebetteten Systemen über das Internet (Web-Services). DCL ist im Rahmen des Integrationsprojektes DISCOURSE für Studierende am HPI sowie an den drei Berliner Universitäten zugänglich. Insbesondere ist es möglich, Code für Steuerungsalgorithmen an das DCL zu senden. Dieser Code wird dann übersetzt, in einer Simulationsumgebung auf Plausibilität hin untersucht und schließlich zur Steuerung physikalischer Experimente eingesetzt. Die Stabilität der Experimente wird durch den Einsatz analytisch redundanter Evaluatoren garantiert. Der Benutzer erhält Feedback über den Ablauf seines Steuerungsalgorithmus über trace-Ausgaben sowie eine Video-Dokumentation des aktuellen Experimentverlaufes.
Der Vortrag wird die im DCL verwirklichten Ansätze für adaptive, middleware-basierte Systeme diskutieren. Drei Experimente werden diskutiert, nämlich das »Foucault'sche Pendel«, für dessen Echtzeitsteuerung Windows 2000 zum Einsatz kommt, das Lego-Mindstorm-Experiment, dessen Steuerung über eine verteilte .NET-Infrastruktur erfolgt, und das Experiment »Hau den Lukas«, dessen stringente Echtzeitanforderungen mit Hilfe von Windows CE erfüllt werden.
Betriebssysteme für Eingebettete Systeme
Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Schröder-Preikschat, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Folien zum Vortrag finden sich direkt beim Vortragenden.
Etwas mehr als 98% aller (über acht Milliarden) im Jahr 2000 produzierten Prozessoren gingen in den Markt für eingebettete Systeme. Der Rest von gut 2% diente dem Aufbau interaktiver Systeme wie z. B. Laptops, Desktops und Server. Knapp 58% aller Prozessoren waren 8-Bit-Technologie und nur mit sehr stark eingeschränkten Betriebsmitteln ausgestattet. Die 16-Bit-Technologie war mit etwa 11% Anteil vertreten und die 32-Bit-Technologie trat mit weniger als 1% fast gar nicht in Erscheinung. Bis heute hat sich an diesen Verhältnissen nichts grundlegendes geändert.
Ein bedeutender Marksektor für (tiefste) eingebettete Systeme ist die Automobilindustrie. Aus informatischer Sicht sind heutige Automobile eingebettete verteilte Systeme auf Rädern. Dabei beziffert sich der Produktionswert von Elektronik auf über 30% und von Software auf über 10%. Automobile mit über 80 vernetzten Steuergeräten sind bereits jetzt keine Seltenheit mehr. Derartige Gebilde sind ohne spezielle Systemsoftware nicht mehr betreibbar. Die weiter zunehmende Elektronifizierung von Fahrzeugen erfordert skalierbare Systemsoftware, die einerseits maßgeschneidert auf gegebene und andererseits anpassbar für zukünftige Anwendungsbereiche ist, wobei neben der Quantität auch der Diversität von Prozessoren pro Fahrzeug eine große Bedeutung zukommt.
Der Vortrag behandelt exemplarisch den Entwurf und die Entwicklung einer Familie von objektorientierten Betriebssystemen (PURE) vor dem Hintergrund gegenwärtiger und zukünftiger Anforderungen an Systemsoftware für tiefste eingebettete (automotive) Systeme. Es werden Ergebnisse vorgestellt und diskutiert, die mit der Implementierung von Java- und OSEK-Mitgliedern der PURE-Familie erzielt worden sind.
Trends in der Hardware-Systemintegration und mögliche Anwendungsbereiche
Dr. Klaus-Dieter Lang, FHG IZM Adlershof
Die Hardware-Systemintegration für elektronische Produktebesitzt seit einigen Jahren eine neue Qualität. Mit Hilfe extrem reduzierter Geometrien in der Mikroelektronik und ergänzt durch Komponenten und Technologien der Mikrosystemtechnik lassen sich heute miniaturisierte Systeme mit unterschiedlichsten Funktionen aufbauen, wie sie noch vor wenigen Jahren undenkbar waren. Durch den konsequenten Einsatz neuartiger und kostengünstiger Integrationstechniken sind moderne Produkte im Gegensatz zu ihren konventionellen Vorgängern hochleistungsfähig, klein, leicht, mobil und autonom. Sie werden daher immer intensiver in eine Vielzahl von Bereichen des täglichen Lebens eindringen (z. B. Mobilkommunikation, Sicherheits- und Medizintechnik). Diese zukünftige Produktgeneration mit neuen funktionellen Anforderungen in allen Anwendungsbereichen ist neben der stürmischen Entwicklung im Halbleiterbereich die treibende Kraft bei der Entwicklung neuer Aufbau- und Packaging-Technologien.
Der Vortrag stellt Trends der Systemintegration und aufbautechnische Lösungen für die gestellten Anforderungen vor. Wesentliche Schwerpunkte sind Vorgehensweisen bei der Herstellung von funktionalen Modulen, Flex- Aufbauten und Mikrosystemen. Vor- und Nachteile bezogen auf die unterschiedlichen Anwendungsgebiete werden diskutiert.
Architekturkonzepte für Autonome Systeme in komplexen dynamischen Umgebungen
Prof. Dr. H.-D. Burkhard
Für die Konstruktion autonomer Systeme in komplexen Umgebungen gibt es unterschiedliche Konzepte, die von der Ausnutzung einfacher (physikalischer) Gesetze bis hin zu komplexen (kognitiven) Architekturen reichen. Die beständige Interaktion mit der Umgebung führt zunächst zu einer »horizontalen« Modularisierung bezüglich Wahrnehmung, Steuerung und Aktion. Reaktive Steuerungen werden als »einfache« Zuordnungen zwischen Sensoren und Aktuatoren realisiert. Deliberatives Verhalten umfasst Umweltmodellierung, Zielfindung und Planung. Hybride Architekturen kombinieren beide Ansätze in Schichtenarchitekturen, was zu einer zweiten »vertikalen« Modularisierung führt. Die Synchronisation und Interaktion der Module erfordert geeignetee Architektur-Konzepte. Persistente Zustände sind notwendig für das Speichern von Informationen bzgl. der Vergangenheit (Umweltmodell) und bzgl. der Zukunft (Ziele, Pläne). Die Balance zwischen Stabilität und Anpassungsfähigkeit erfordert spezielle Vorsorge. Im Vortrag wird über Ansätze und Erfahrungen aus der künstlichen Intelligenz und der kognitiven Robotik berichtet.
Wireless Engine
Prof. Rolf Kraemer, IHP Frankfurt/Oder
Nach einer kurzen Übersicht über die Struktur der Systemabteilung wird im Vortrag zunächst die Notwendigkeit neuer drahtloser Kommunikationssysteme anhand von einigen Beispielen eingeführt. Auf dieser Basis werden konkrete Anforderungen in Bezug auf Performance und Stromverbrauch erstellt und ein mögliches Konzept für Lösungen der Einzelprobleme dargestellt. Das Konzept des HW/SW-Co-Designs sowie der On-Chip-Multiprozessoren wird kurz erläutert. Weiterhin soll der vertikale Optimierungsansatz anhand einiger Beispiel eingeführt und erklärt werden. Am Beispiel des Single-Chip-IEEE802.11a-Modems wird eine konkrete Implementierung vertieft. Zum Abschluss soll noch ein Ausblick auf weitere wireless engines für Body-Area-Netze gegeben werden.
Modell-basierte Entwicklung eingebetteter Software im Automobil
Mirko Conrad, DaimlerChrysler AG, Forschung und Technologie
Eingebettete Steuerungs- und Regelsysteme (wie Motorsteuerungen, Antiblockiersysteme, elektrische Fensterheber) determinieren in steigendem Maße die Funktionalität und die Eigenschaften moderner Kraftfahrzeuge. Ihre Funktion wird dabei über immer umfangreichere Softwareanteile mit stark ansteigender Komplexität realisiert, so dass in einigen Fahrzeugen bereits heute mehr als ¾ aller Funktionen von eingebetteter Software gesteuert werden.
Als Reaktion auf die damit einhergehenden Herausforderungen kommen in den Forschungs- und Entwicklungsabteilungen der Automobilhersteller und -zulieferer seit Mitte der 1990er Jahre verstärkt Modell-basierte Techniken zur Softwareentwicklung zum Einsatz. Kennzeichnend für diese Art der Softwareerstellung ist die durchgängige Verwendung ausführbarer, graphischer Modelle in allen Entwicklungsphasen.
Typischerweise werden dabei frühzeitig im Entwicklungsprozess sowohl ein ausführbares Modell der Steuerungs- und Regelungssoftware (Funktionsmodell) als auch ein Modell des umgebenden Systems (Strecken-/Umgebungsmodell) erstellt und im Verbund simuliert. Während das Strecken-/Umgebungsmodell im weiteren Entwicklungsverlauf schrittweise durch das reale Fahrzeug und dessen Umgebung ersetzt wird, dient das Funktionsmodell als Basis für die Implementierung der eingebetteten Software durch Codegenerierung. Die Modellierung erfolgt dabei unter Verwendung von regelungstechnischen Blockschaltbildern und erweiterten Zustandsübergangsdiagrammen mit Werkzeugen wie Matlab/Simulink/Stateflow oder ASCET-SD.
Der Vortrag gibt einen Überblick über grundlegende Konzepte der Modell- basierten Entwicklung und ihren Einsatz zur Erstellung eingebetteter Software im Automobil.
Executable Specifications: The Abstract State Machine Approach
Prof. Dr. Юрий Гуревич (Yuri Gurevich), Microsoft Reseach, Redmond
Some people think that executable specification is a contradiction in terms. We think that executable specifications will change the way software is designed, developed, tested and documented. Our opinion is based on the theory of abstract state machines, international experimentation with ASMs, and the applied ASM work of the group on Foundations of Software Engineering in Microsoft Research.
Contrary to natural sciences, computer science is primarily about artificial reality, about computer systems. Mathematically speaking, what is a computer system? A computer system may have many meaningful levels of abstraction. Fix such a level. The ASM theory tells us that there is an abstract state machine that, behaviorally, is identical to our system on the chosen abstraction level. The specification language AsmL, developed by the FSE group, makes writing ASM models practical. Our tools allow the developers (more and more) to experiment with their design, validate it and enforce it. The tools allow testers to be involved earlier in the software development cycle and empower them to test the intended functionality of software (and not only its robustness).
1984+20? RFID - Eine allgegenwärtige digitale Sensorik
Prof. Dr. W. Coy
Radio Frequency Indentification ist eine Mikrotechnik, die den gedruckten Strichkode zur Produktauszeichnung ablösen wird. Mit Funk auslesbare sandkorngroße Digitalspeicher können große Datenmengen (derzeit bis zu 1 Mb) zu Centpreisen an Produkte, Bücher, Fahrzeuge, Geräte oder Personen heften - die damit überall ortbar und verfolgbar werden. Die Technik ist einfach und billig und verfügbar. Sie tritt an die Seite ähnlich grundlegender Entwicklungen wie Smartcards und WLANs. Data Mining wird technisch von den Datenbanken auf die reale Welt ausgedehnt.
Die positiven Anwendungen in der Logistik und Lagerhaltung oder bei Ausleihe scheinen grenzenlos. Alle Bewegung kann mit einfachen Lesegeräten aufgezeichnet, leicht wiedergefunden und mit anderen Daten kombiniert werden.
George Orwells 1948 geschriebene bittere Satire auf einen ubiquitären Überwachungstaat beschreibt den umfassenden Einsatz von Videokameras – nicht von Computern. Doch als das Jahr 1984 kam, postulierte das Bundesverfassungsgericht den Schutz der einzelnen Person vor unbeschränkter Massendatenverarbeitung in Großrechnern als unhintergehbares Grundrecht. Heute, zwanzig Jahre später, sind Überwachungskameras allgegenwärtig, riesige Datensammlungen im Internet werden einem Data Mining zugeführt, Scannerkassen, biometrische Zugangskontrollen und vielleicht sogar Toll Collect erlauben komplexe Bewegungsprofile von Personen und Fahrzeugen. Der Billigartikel RFID erweitert diese Überwachung auf die Sach- und Warenwelt. So wird Privatheit ebenso wie Öffentlichkeit von der Informationstechnik radikal neu definiert.