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The way we use the Internet today has an enormous ecological impact on the increasing energy demand of modern society. For example, the electricity required by the servers that make up the Internet relates to about 2\% of the overall electricity consumption in the US1 and to about 26\% of the overall energy consumption in Germany. The mission of the collaborative research center "Highly Adaptive Energy-Efficient Computing" (HAEC) is to enable high energy efficiency in today's computing systems without compromising on high performance.

Certainly a straightforward way for improving energy efficiency would be to reduce the energy consumption of every individual hardware component involved. However, for many components the optimal energy performance point has already been reached. More important is an understanding of how software can adapt to hardware components and vice versa to address the computational problems of modern society in an energy efficient way. This requires new methods and tools to write energy-aware programs, new ways of interaction between the individual pieces that collaborate to solve a problem, new communication technologies to enable this interaction between pieces that are spread across highly scalable parallel systems, and a new multi-layer coordination infrastructure to bring together these technologies. In other words, we need an integrated approach for highly adaptive energy-efficient computing to approach energy-efficient computing at all involved technology levels.

The collaborative research center HAEC is a first attempt to achieve high adaptivity and energy efficiency in such an integrated approach. At the circuit level, we focus on innovative ideas for optical and wireless chip-to-chip communication. At the network level, we research secure, high performance network coding schemes for wired and wireless board-to-board communication. Innovative results at the hardware/software interface level will include energy control loops, which allow hardware to adapt to varying software requirements and vice versa. Software development in general is supported by energy-aware runtimes, energy-aware resource, stream and configuration management schemes and by an analysis framework for high performance/low energy applications. New internet applications are supported by innovations in energy-aware service execution. And, last but not least, formal methods are developed to offer a new quality of assurance in our systems of tomorrow. Demonstrating our results in a joint prototype - the HAEC Box - our goal is to become a pace setter for industry and academia on the design of future energy efficient-computing systems.

The objective of our subproject is to research into energy-aware software architectures. Such architectures are self-adaptive, based on a (dynamic) architectural language with a component model with energy-QoS-contracts, and appropriate run-time structures for dynamic QoS-contract negotiation (reflective meta-level with decider, reconfigurer). In such a self-adaptive energy-aware system, the reflective meta-level will, based on changes in the user requirements, context or energy availability, trigger reconfigurations of the software architecture at specific checkpoints at run-time and ensure safe migration of state of applications. Specific unique points of the envisaged architecture are:

The contract (re-)negotiation and reconfiguration will take into account energy monitoring, analysis and the evaluation of energy-utility functions in energy-QoS contracts. To this end, results from energy-QoS contract analysis will be taken into account. In the first phase of HAEC, mainly energy-QoS-contracts were in focus. In the second phase, we approach the scalability and efficiency of the developed multi-quality auto-tuning approach.

The architectural language will be used to synchronize the application architecture level with the operating system (subproject B.4/H"artig), as well as the service management in the cloud (subproject B.6) so that reconfiguration is cross-cutting all layers of the HAEC software stack. Because from the architecture course-grain events can be generated to be communicated to these layers, it is expected that reconfigurations can be done in the right grain size and do not have to be performed too often.
Förderung: DFG

Wir sind an 3 Pfaden des Exzellenzclusters cfAED beteiligt: dem Orchestration, Resilience und Silicon Nanowire Pfad.
Kontakt: Aßmann, Uwe
Förderung: DFG

Das Konzept der Rollenmodellierung ist zu verschiedenen Zeiten und in verschiedenen Fachgebieten eingeführt worden, um kontextbezogene Informationen zu modellieren, insbesondere auch den dynamischen Wechsel von Kontexten. Meist wurden Rollen als Mittel der Kontextmodellierung allerdings nur singulär in den Bereichen der Programmiersprachen, Datenmodellierung oder zur Zugangskontrolle benutzt, aber nie durchgängig über alle Abstraktionsebenen der Softwareentwicklung, also über Konzept-, Sprach-, Anwendungs-, und Softwaresystemmodellierung hinweg betrachtet. Erst dann kann man Softwaresysteme als durchgängig kontextsensitiv bezeichnen.

Das übergeordnete Forschungsziel des Graduiertenkollegs besteht darin, den Nachweis der durchgängigen Rollenmodellierbarkeit und der praktischen Anwendbarkeit zu erbringen. Durchgängigkeit bedeutet dabei, dass über alle Ebenen der Modellierung hinweg konsequent Rollen zur Kontextmodellierung eingesetzt werden, also in der Konzeptmodellierung (in Metasprachen), in der Sprachmodellierung sowie in der Modellierung auf Anwendungs- und Softwaresystemebene. Damit einhergehend bildet auch die weitere wissenschaftliche Ausgestaltung des Rollenkonzeptes eine Forschungsaufgabe. Durchgängigkeit bedeutet ebenfalls, dass die identifizierten Rollenkonzepte miteinander systematisch in Beziehung gesetzt werden, um Modelltransformationen und -synchronisation zu gestatten. Dies bietet große Vorteile in der Systemkonstruktion, da Kontextwechsel auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen miteinander in Beziehung gesetzt und synchron behandelt werden können. Damit eröffnen sich Chancen für neuartige und innovative Softwarearchitekturen, die den Anforderungen zukünftiger dynamisch kontextsensitiver Softwaresysteme gerecht werden. Potentielle Anwendungsfelder bilden dabei die Software für das SmartGrid der Zukunft, die kontextsensitive Nutzung von natürlicher Energie zum Rechnen (natural energy based computing), Software für cyber-physikalische Systeme in Haus, Verkehr und Fabrik, Software für kontextsensitive betriebswirtschaftliche Anwendungen, kontextsensitive Suchmaschinen, u.v.m.

Neben der wissenschaftlichen Exzellenz legt das Graduiertenprogramm großen Wert auf ein umfassendes und individuelles Betreuungs- und Qualifikationskonzept. Um diesen Spagat zu leisten, werden auf der einen Seite qualitätssichernde Maßnahmen in Form von Tandem-Konzept und Thesis Advisory Boards eingeführt. Auf der anderen Seite werden motivierende und weiterbildende Aspekte, zum Beispiel in Form von Seminaren, zum Erwerb von Soft-Skills und ein internationales Gastwissenschaftlerprogramm in das Graduiertenkollegs integriert.

Kontakt: Kühn, Thomas
Förderung: DFG

Cyber-Physische Produktionssysteme (CPPS) verwirklichen die vierte industrielle Revolution durch fortschreitende Digitalisierung der produktionsbeteiligten Elemente. Die Gesamtheit an heterogenen Informationssystemdaten “ von Maschinenschnittstellen (SPS, CNC) über die Prozess-Leitebene (SCADA) und Manufacturing Execution System (MES)-Daten bis hin zu vergleichsweise abstrakten Geschäftsprozessen (ERP, BPEL) “ werden durch CPPS auf eine homogene Art und Weise miteinander integriert. Dabei werden die Gebäudeüberwachung und -steuerung üblicherweise nicht berücksichtigt, obwohl in Bereichen wie der Instandhaltung die Integration beider Welten eine zentrale Rolle für CPPS spielt. Durch eine Integration von Computer-Aided Facility Management (CAFM) mit CPPS können sowohl Produktionskosten gesenkt als auch gleichzeitig die Produktqualität gesteigert werden. Beispielsweise können CAFM-Daten über den Energieverbrauch einzelner Produktionsanlagen genutzt werden, um Produktionsabläufe zu optimieren. Diese können wiederum automatisch an geplante Wartungsaufträge angepasst werden. Aus Sicht der CPPS können durch Qualitätskontrolldaten automatisch Wartungsaufträge für am Produktionsprozess beteiligte Maschinen erstellt und der Produktionsbetrieb so in Echtzeit optimiert werden. Damit werden Fabrikgebäude zunehmend perzeptiv und intelligent und ebnen so den Weg für integrierte Management-, Informations- und Steuerungssysteme, die sich in CPPS zukünftig nahtlos einfügen können. Im Fokus des Vorhabens steht die Erforschung von Modellen, Prozessen und Beschreibungstechnologien, die in den Bereichen CAFM und CPPS angewendet und als Demonstratoren realisiert werden, um eine gemeinsame Weiterentwicklung und Integration beider Domänen zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang sollen Software-Engineering-Prozesse zum Einsatz kommen, die sowohl die Implementierung modularer Softwarekomponenten als auch deren Integration in bestehende Produktionssysteme in einer zunehmend verteilten und globalisierten Entwicklerwelt berücksichtigen. Die komponentenbasierte Umsetzung ermöglicht beliebige Freiheitsgrade bei der Integration von CAFM- und CPPS-Systemen hinsichtlich der benötigten Funktionalitäten. Zusätzlich sollen kontextsensitive Interaktionsmodelle für die entstehenden Softwaresysteme innerhalb des Vorhabens untersucht und umgesetzt werden, damit die CAFM- und CPPS-Abläufe für den Menschen optimal integriert werden können. In „CyPhyMan“ wird gezielt die nächste Generation des erweiterten Facility Managements auf Basis von CPPS erforscht “ ein direkter und innovativer Beitrag zur Industrie 4.0.
Kontakt: Aßmann, Uwe
Förderung: SAB

Zentrales Ziel des Projektes ist die Konzeption und Realisierung einer modernen IT-Infrastruktur zur kollaborativen, konsistenten und ganzheitlichen Planung und Umsetzung abwassertechnischer Anlagen. Im Gegensatz zu bestehenden Planungswerkzeugen, die jeweils unterschiedliche Teilaspekte der bei der Modellierung von Kläranlagen involvierten Grundgrößen verwenden und somit Brüche im Planungsprozess verursachen, soll durch eine geeignete Verknüpfung der vorhandenen Modelle und Daten deren durchgängige und konsistente Verwendung im gesamten Planungsprozess ermöglicht werden. Die Modellierung soll weitestgehend auf Grundlage des offenen, international standardisierten Formats IFC erfolgen. Hierfür soll der IFC-Standard zunächst für die Anwendungsdomäne erweitert und diese in den Standardisierungsprozess eingebracht werden. Die Beschreibung bautechnischer Infrastruktur erfolgt darauf aufbauend mit BIM, dem aufkommenden digitalen Planungsstandard der Bauwirtschaft.
Förderung: BMBF

Smart Factory is a central concept in Industry 4.0, national high-tech development strategy. Physical processes, which occur at such a factory are monitored and are translated to a virtual model. Size and complexity of this model makes an analysis, both manual and automated, extremely costly. The model can be presented as a number of high-dimensional elements, e.g., tasks that should be finished by specific deadlines, machines that are required to perform specific tasks, employees with various shifts and access to a limited amount of machines, etc.

The goal of Generalized Support and Investigation Design for Nested Systems~(GUIDES) project is an effective enterprise resource planning, which presumes construction of a schedule, i.e., allocation of tasks on respective machines at the same time minimizing computation time, operational cost, etc. From the research point of view such a scheduling introduces the following challenges: treatment of data's high-dimensionality and avoidance of a local optima, which is a frequent result for various optimization heuristics.

To achieve this goal, we tackle the aforementioned problems separately. First, we reduce the model's dimensionality by the means of Multi-Dimensional Scaling, whose task is to transpose a high number features of a respective element to a low-dimensional equivalent (e.g., position on a plane) based on user-defined comparison operators, whilst still preserving dependencies between the elements. Significantly simplified model, in contrast to high-dimensional one, can be analyzed by global optimum search approaches such as Cluster Analysis or Nearest Neighbor Search to couple similar elements. Such a coupling, in turn, can be treated as either a near-optimal scheduling recommendation or can be further refined in order to find a global optima.
Förderung: SAB

OpenLicht 09.2016 - 08.2019
Lighting systems should work with sensors and actuators of arbitrary vendors and with arbitrary configurations and amount. Furthermore, an automatic configuration based on user preferences as well as intuitive and easy interaction should be ensured. However, today's systems can not deliver those features, as they are vendor specific, incompatible, difficult to automate and/or not scalable. The goal of this project is to research scalable mechanisms for a self-adaptive control of open, intelligent lighting systems. Light is then able to be apperceptive, easy to use and adaptive. To reach this goal, reference attribute grammars will be used for context models, which promise scalability through incremental computation. Interoperability is being targeted to create a system which abstracts from vendor and communication specific details. To achieve this, a self-adaptive system architecture will be used, to enable reconfigurations at runtime and the integration of self-learning algorithms to further enhance user experience. Wearables -- sensors and actuators worn by the user -- will be used for a new interaction form to enable an intuitive, direct and context sensitive interaction with those adaptive systems.
Förderung: BMBF

The EU has set the stage to empower semiconductor manufacturing in Europe being one of the key drivers for innovation and employment and creator for answers to the challenges of the modern society. Aim of IoSense is to boost the European competitiveness of ECS industries by increasing the pilot production capacity and improving Time-to-Market for innovative microelectronics, accomplished by establishing three fully connected semiconductor pilot lines in Europe: two 200mm frontend (Dresden, Regensburg) and one backend (Regensburg) lines networking with existing highly specialized manufacturing lines.
Kontakt: Kaiser, Ronny
Förderung: EU ECSEL

Nowadays most of the functions in construction machines are driver controlled. Even if the machine is driven by an worker with a high level of training and experience the work tasks are not performed optimally. An increasing tiredness of the driver during operation or insufficient comprehension of the process are only two reasons. Using (partly) automated features improves machine efficiency. Considering the complexity of system descriptions with a rising amount of processed data and the limited resources of the control units in the construction machines, calculations have to be outsourced. This is particularly the case when services like optimised path planning or parameter identification for analytic digging force models should be executed. With a suitable architecture it becomes possible to stepwise integrate automation starting from assistance functions to full automation.

The central research goals of this project is the step from the hardware in the loop test bench to the machine. Therefore the implemented concept from the project SmartLoader is installed and tested on the 24t wheel loader from the "Institut für Fluidtechnik". The challenges are the verification and validation of the concepts on the machine and one complete automated loading cycle should work as a result.
Förderung: SAB

Wesentliche Motivation des Projektes ist es, den Bau von zuverlässigen Webewerkzeugen für Programme, Modelle und Dokumente zu vereinfachen. Zur Vereinfachung des Webens von Fragmenten soll regelgesteuerte Port-Graphersetzung eingesetzt werden. Zur Erkennung von Kompositionskonflikten und Aspektinteraktionen sollen RAG dienen. Zur Auflösung von Konflikten sollen die Strategiesprachen der Port-Graphersetzung genutzt werden. Um die Technologie für beliebige Programmier-, Modellierungs- und Dokumentsprachen einsetzen zu können, soll sie mit wohlgeformter invasiver Softwarekomposition gekoppelt werden. Insgesamt soll also die wohlgeformte invasive Softwarekomposition durch Regel- und Strategiesteuerung aus der Port-Graphersetzung erweitert werden, um Webevorgänge und -Werkzeuge noch einfacher und zuverlässiger spezifizieren zu können.
Kontakt: Mey, Johannes
Förderung: DFG

Im Mittelpunkt des Projekts "Einfach:ambulant." steht eine verbesserte und vereinfachte Pflegedokumentation. In diesem Zusammenhang soll vor allem die Zusammenarbeit, Kommunikation und Information zwischen den am Pflegeprozess beteiligten Personengruppen optimiert, ausgebaut sowie technisch unterstützt werden. Hierbei gilt es eine Technologie zu entwickeln, die pflegerische Inhalte für verschiedene Anwendergruppen wie Pflegekräfte, „rzte, Wundschwestern und Angehörige passgenau übersetzt. Über die Definition und Gestaltung von Schnittstellen sollen Inhalte aus der Pflegesoftware in periphere Geräte und übergreifende Webportale übertragen werden können. Mehrere Portallösungen, die im Projektzeitraum entwickelt werden, unterstützen Information und Kommunikation zwischen allen am Pflegeprozess Beteiligten.
Kontakt: Ren, Boqi
Förderung: SAB

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