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

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


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


5

Ausgangssituation und Problemstellung (1/3)Ein Blick über den Tellerrand: Bau-Branche


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


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


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


912.11.2008

Zielsetzung und Lösungsansatz (1/2)


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!



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)


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)


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


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)


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)


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


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


1812.11.2008

Agenda


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



• 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


• 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


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


• 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)


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


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


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


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)


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


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


Agenda


35

LocComLocCom

Local Communities in Information Cities


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


12.11.2008 NTH-School für IT-Ökosysteme - Forschungsprojekt LocCom: Local Communities in Information Cities

37



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



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


40

Effiziente Algorithmen (Vollmer) Temporale Logiken Komplexität

Eigene Vorarbeiten


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



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)



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



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


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


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


48

Dienste

Informationen

Wünsche

Aufgaben


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


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


50

ruleITruleIT

Regelmodellierte Nützlichkeit

und Verlässlichkeit von veränderlichen IT-

Ökosystemen


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


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


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


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



12.11.2008 57


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


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


12.11.2008

59


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


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“


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


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


Documents

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