Engineering of Decentralized Systems (2015-2018)
Das Projekt „Engineering of Decentralized Systems“ beschäftigt sich mit den Herausforderungen und Möglichkeiten von Software-Engineering verteilter Systeme im Rahmen der Digitalisierung von Gesellschaft und Industrie. Neue dynamische Anwendungsfelder verteilter Systeme wie die dezentrale Stromerzeugung, selbstfahrende Automobile oder autonome Fertigungsanlagen erfordern große Flexibilität eingesetzter Systemlösungen. Immer agilere Geschäftsprozesse sowie fortwährende Änderungen der Anforderungen zur Laufzeit bedeuten steigende Ansprüche an die Anpassungsfähigkeit digitaler und cyber-physischer Systeme. Die Fähigkeit zur selbstständigen Lösungsfindung und die daraus resultierende Adaptivität werden mittels künstlicher Intelligenz, maschinellem Lernen und statistischer Datenanalyse erreicht. Die damit erzielte Flexibilität der automatisierten Lösungsgestaltung und Systemanpassung zur Laufzeit erfordert Innovationen beim Engineering und bei der Qualitätssicherung adaptiver Software. Das Projekt wird in Kooperation mit der Siemens AG durchgeführt.
Konkrete Lösungen wurden bisher in den Bereichen Anomalieerkennung, robuste Optimierung und Entscheidungsfindung unter Unsicherheit erarbeitet. Zusätzlich wird das Zusammenspiel und notwendige Änderungen von Design- und Laufzeitaktivitäten für das Software Engineering untersucht.
Ausgewählte Publikationen:
- M. Kiermeier, M. Werner, C. Linnhoff-Popien, H. Sauer and J. Wieghardt, "Anomaly detection in self-organizing industrial systems using pathlets", 2017 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2017.
- T. Gabor, L. Belzner, "Genealogical Distance as a Diversity Estimate in Evolutionary Algorithms", 2017 Measuring and Promoting Diversity in Evolutionary Algorithms at The Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO), 2017.
- T. Gabor, L. Belzner, M. Kiermeier, M. T. Beck and A. Neitz, "A Simulation-Based Architecture for Smart Cyber-Physical Systems", 2016 IEEE International Conference on Autonomic Computing (ICAC), 2016.
- L. Belzner, M. T. Beck, T. Gabor, H. Roelle, and H. Sauer, “Software engineering for distributed autonomous real-time systems”, 2016 International Workshop on Software Engineering for Smart Cyber-Physical Systems (SEsCPS '16), 2016.
- L. Belzner, T. Gabor, “QoS-Aware Multi-Armed Bandits”, 2016 IEEE International Workshops on Foundations and Applications of Self* Systems, 2016.
Threat Intelligence and Security Testing (2015-2017)
Im Cyber-Security Umfeld hat der Lehrstuhl für Mobile und Verteilte Systeme zusammen mit der DCSO Deutsche Cyber-Sicherheitsorganisation GmbH unterschiedliche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt. Das Spektrum der Themengebiete war breit gefächert und beinhaltete unter anderem die folgenden drei Bereiche.
Erstens wurde das systematische und industrialisierte Testen von Security Hard- und Software in einer ganzheitlichen Herangehensweise durchgeführt. Hierbei wurde eine neuartige Taxonomie zur Beschreibung und Klassifizierung von sowohl Bedrohungsszenarien als auch von Security-Tools entwickelt. Auf dieser Basis ist es möglich Security-Software-Produkte parallelisiert zu testen, vergleichbar zu machen, und deren Fähigkeiten zur Erkennung und Eliminierung von Gefahren zu beschreiben. Hierbei waren insbesondere die Erbringung eigener, kreativer Ideen und die wissenschaftliche Fundierung und Belegung der Ergebnisse ausschlaggebend für den Projekterfolg. Zweitens wurden IT-Infrastrukturen formalisiert, um anschließend Gefahrenmodelle zu erstellen und Software-Produkte mithilfe von Penetration-Tests innerhalb sogenannter Blueprint-Testbeds vergleichbar und skalierbar zu belasten. Kern des Threat-Modellings ist dabei die analytische Beschreibung von Gefahren. Es wurden Software, Hardware oder ganze Strukturen und Prozesse dahingehend modelliert und untersucht, welche Bedrohungen mit welcher Wahrscheinlichkeit und unter welchen Bedingungen möglich sind und welchen Impact sie auf eine simulierte Infrastruktur und das dahinter liegende Prozessmodell haben. Neben klassischen Bedrohungsszenarien lag hierbei ein weiterer Fokus auf Lastmodellen und dem Ressourcenverbrauch der simulierten Umgebungen. Drittens wurde das Thema „Indicator of Compromise“ behandelt, was im Bereich der Threat Intelligence anzusiedeln ist. Es widmet sich der intelligenten Sammlung, Verarbeitung und Darstellung sicherheitsrelevanter Informationen.
Ausgewählte Publikationen:
- C. Schläger, A. Ebert, A. Mattausch, and M.T. Beck, „Enabling Cyber Sovereignty: With Knowledge, not with National Products“, Digital Marketplaces Unleashed, Springer, 2017.
- A. Ebert, C. Marouane, B. Rott, and M. Werner, „KeyPocket – Improving Security and Usability for Provider Independent Login Architectures with Mobile Devices“, in EAI 11th International Conference on Security and Privacy in Communication Networks (SecureComm 2015), Springer, 2015.
- M. Maier, L. Schauer, and F. Dorfmeister, "ProbeTags: Privacy-Preserving Proximity Detection Using Wi-Fi Management Frames," in 11th IEEE International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications (WIMOB 2015), 2015.
Optimierung der Gepäckverladung durch visuelles Tracking (2015)
Dieses Projekt befasst sich mit der Frage, in welchem Umfang sich der manuelle Verladeprozess von Passagier-Gepäckstücken im Frachtbereich eines Flughafens durch Zuhilfenahme von kameragestützter Objektverfolgung und intelligenter Tracking-Algorithmen effizienter und ergonomischer gestalten lässt. Aufgrund gesetzlicher Vorschriften muss hierbei jedes einzelne Gepäckstück erfasst werden, bevor es in eine Maschine verladen werden darf. Sollte sich der entsprechende Passagier nach Beendigung des Boarding-Vorgangs nicht an Bord der Maschine befinden, müssen die von ihm aufgegebenen Gepäckstücke aus Sicherheitsgründen ebenfalls wieder aus dem Laderaum entfernt werden.
Um Identität und Lagerort eines Koffers verwalten zu können, werden alle Gepäckstücke daher zusammen mit dem Container, in den sie verladen werden, mit Hilfe von mobilen Handscannern erfasst und die Informationen in ein zentrales IT-System übermittelt. Dieser Prozess bedeutet für die Angestellten der Gepäckverladung jedoch, dass sie nur eine Hand für die Verladung der meist schweren Gepäckstücke zur Verfügung haben.
Ziel des Projekts ist es, mit Hilfe von Farb- und Tiefenkameras eine möglichst umfassende Objektverfolgung zu realisieren, um das manuelle Scannen von Gepäckstücken und Containern zu umgehen. Im Rahmen des Projekts soll evaluiert werden, ob die Kamerabasierte Umsetzung tatsächlich eine lückenlose Gepäckverfolgung ermöglicht und korrekte Zuordnung von Gepäckstücken zu Containern bietet. Im mehrtägigen Parallelbetrieb zu dem aktuellen, Scanner-basierten Verfahren können Erkennungs- und Fehlerraten gefahrlos ermittelt werden. Das Projekt wird in Kooperation mit der Flughafen München GmbH durchgeführt.
Ausgewählte Publikationen:
- L. Schauer and C. Linnhoff-Popien, "Extracting Context Information from Wi-Fi Captures," in Proceedings of the 10th International Conference on PErvasive Technologies Related to Assistive Environments, 2017.
SWIFT: School-Wide Information and Feedback Technologies (2017-2018)
Der digitale Wandel hat längst sämtliche gesellschaftlichen Lebensbereiche durchdrungen. Dies muss sich auch in den Bildungseinrichtungen und Ausbildungsprozessen widerspiegeln. Zudem kann moderne Technik einerseits dabei helfen, aktuelle Herausforderungen wie eine größere gesellschaftliche Durchmischung durch Globalisierung, Migration und Flüchtlingsbewegungen zu meistern. Andererseits kann sie dazu genutzt werden Menschen mit besonderen Bedürfnissen im Sinne der Inklusion zu unterstützen. Die Digitalisierung im Ganzen, jedoch auch im konkreten Kontext von Schulen, soll also einen möglichst nachhaltigen Mehrwert erbringen und nicht nur mit „Elektroschrott“ enden.
School-Wide Information and Feedback Technologies (SWIFT), ein gemeinsames Forschungsprojekt der Universität zu Köln und der LMU München, hat sich zum Ziel gesetzt, die technischen Möglichkeiten zur Unterstützung und Verbesserung des Lehr- beziehungsweise Schulbetriebs auszuloten. Dabei stehen zunächst die Bedürfnisse von Lehrern und Schülern im Fokus. Durch den Einsatz moderner Technologien werden neue Methoden erschlossen, um den Unterricht zu analysieren und in der Konsequenz zu verbessern. Trotz Einsatz moderner Technologien soll jedoch weiterhin der Mensch im Mittelpunkt stehen: Messdaten aus dem Klassenzimmer ermöglichen der Lehrkraft, sich einen genaueren Überblick über die Unterrichtssituation zu verschaffen und ihr Verhalten und das Verhalten der Klasse besser in Bezug setzen zu können. Im Sinne eines Coachings kann die Reflexion des Unterrichts auch live während der Unterrichtssituation geschehen. Der Lehrstuhl für mobile und verteilte Systeme entwickelt hier Konzepte und Prototypen, anhand derer der Einsatz neuer Technologien in der Unterrichtssituation von Experten der Didaktik evaluiert kann.
Ausgewählte Publikationen:
- A. Ebert, M. Kiermeier, C. Marouane, and C. Linnhoff-Popien, „SensX: About Sensing and Assessment of Complex Human Motion“, in 14th IEEE International Conference on Networking, Sensing and Control (ICNSC), 2017.
- G. Schneider, Dr. S. Feld, T. Gabor, „ISTDCS – Sensorgestütztes Live-Feedback-System für den Einsatz in der Schule“, under review.
HRADIO (2017-2018)
Obwohl immer noch äußerst populär, fallen Radionutzerzahlen vor allem bei den jungen Konsumenten beständig. Diesen Trend, vor allem ausgelöst durch mobile Multimediaangebote, gilt es entgegenzuwirken. Zu diesem Zweck wurde das H(ybrid)Radio-Projekt initiiert, das auf die Gestaltung und Entwicklung von innovativen Radiodiensten zielt, die klassischen Rundfunk mit den Möglichkeiten moderner Internetdienste verbinden.
Im Projektverlauf soll eine technologische Basis für hybride Radiodienste über Gerätegrenzen hinweg geschaffen werden. Wichtige Anwendungsgebiete sind dabei das personalisierte Konsumieren von Radiodiensten (z.B. das zeitversetzte Hören von Nachrichten) sowie die Einbindung von Nutzerinteraktion unter gleichzeitiger Wahrung der Privatheit. Der Radionutzer profitiert dabei von einem auf ihn zugeschnittenen Radioerlebnis, der Radiosender von erhöhter Nutzerbindung und einem besseren Verständnis des Nutzerverhaltens.
Der Projektplan sieht dabei zuerst eine Konzeption von abzudeckenden Benutzerszenarien vor. Darauf basierend werden dann technische Anforderungen an die zu entwickelnden Systeme formuliert. Auf Basis einer detaillierten Architektur startet dann die Entwicklungsarbeit. Im Anschluss werden Pilotanwendungen mit Hilfe der entwickelten Basisbibliotheken implementiert und in Nutzerstudien evaluiert.
Ausgewählte Publikationen:
- "A Metadata-based Recommendation Engine for Radio Services (Arbeitstitel)"
QASAR: Quantum Annealing Systems, Applications and Research (2017-2018)
Optimierungsprobleme stehen im Zentrum der digitalen Revolution: Das Erstellen effizienter Fahrpläne und Routen, eine staufreie Verkehrsplanung für viele Fahrzeuge, das Finden einer optimalen Konfiguration für eine Maschine in einer smarten Fabrik. All das sind Optimierungsprobleme, die selbst für die Rechenleistung moderner Computer noch große Schwierigkeiten bereiten. Ein neuartiger Lösungsansatz sind Quantencomputer. Durch das geschickte Ausnutzen subatomarer physikalischer Effekte sind sie potenziell in der Lage, viel schneller optimale Lösungen zu finden. Industrielle Einsatzmöglichkeiten tun sich jedoch erst seit kurzem auf, da erst durch die jüngsten Computer der Firma D-Wave eine Plattform besteht, die entsprechende Anwendungsgrößen erlaubt.
In Kooperation mit dem Volkswagen Data Lab untersucht der Lehrstuhl für mobile und verteilte Systeme nun praktische, industrielle Anwendungsmöglichkeiten für das sogenannte Quantum Annealing, das sich auf den Maschinen der Firma D-Wave ausführen lässt. Dabei werden zuerst vielversprechende Schnittpunkte der Welt der Optimierung mittels Quanten und der industriellen Softwareentwicklung eruiert. Anschließend werden praktische Anwendungen direkt auf die Quantencomputer gebracht, so dass konkrete Erfahrungen für die Rolle des Quantencomputers in der Systementwicklung der Zukunft gesammelt werden können.
Ausgewählte Publikationen:
- "A Hybrid Solution Method for the Capacitated Vehicle Routing Problem Using a Quantum Annealer (under review)"
- "Assessing Solution Quality of 3SAT on a Quantum Annealing Platform (under review)"
ErLoWa: Automatisierte Erkennung und Lokalisierung von Leckstellen in Wasserversorgungsnetzen (2018)
Leckstellen innerhalb des Wasserversorgungsnetzes der SWM Infrastruktur GmbH & Co. KG. sind mitunter eine der Hauptursachen für auftretende Wasserverluste. Diese können je nach Ausmaß nicht nur vermehrten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Wasserinfrastruktur haben, sondern haben auch negative Einflüsse auf die Umwelt und schwächen die unternehmerische Planungssicherheit. Bislang werden solche Leckstellen in betroffenen Versorgungsabschnitten über erhöht auftretenden Wasserverbrauch im Vergleich zu bekannten Normalwerten ermittelt.
Die genaue Lokalisierung von Leckstellen wird anschließend mithilfe des manuellen Abhörens von akustischen Signale innerhalb des Versorgungsnetzes durch Fachpersonal realisiert. Dieses Vorgehen erfordert neben einem hohen personellen auch einen hohen zeitlichen Aufwand und macht ein zeitnahes Ergreifen von Gegenmaßnahmen nahezu unmöglich.
Ziel von ErLoWa ist nun, diese Problemstellung automatisiert durch die Untersuchung von sensorisch erfassten, akustischen Signalen mithilfe von Algorithmen des maschinellen Lernens zu lösen. So sollen Leckstellen nicht nur erkannt und lokalisiert werden. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass aufgrund des differenzierten Klangbildes innerhalb einer Leitung auf deren Zustand geschlossen und damit auch kommende Leckstellen vorhergesagt werden können. Weitergehend sollen auch verschiedene prototypische Visualisierungen der so gewonnenen Erkenntnisse entwickelt werden, um Möglichkeiten zur übersichtlichen und schnell verständlichen Vermittlung derselben zu evaluieren.
Pro7Sat1: Praktikum Innovative Mobile Applications: Blockchain Applications (2018)
Blockchain-Technologien haben in den letzten Jahren nicht zuletzt durch die digitale Währung Bitcoin enorme Aufmerksamkeit erlangt. Die zugrundeliegende Technologie der Blockchain bietet neben der Einsatzmöglichkeit für Zahlungsmittel aber unter anderem auch starkes Potential im Bereich des Digital Advertisements. In diesem Umfeld sind besonders Aspekte in Bezug auf Sicherheit, das Verhindern von Betrug, aber auch Themen wie das Schaffen von Transparenz, Nachverfolgbarkeit und damit die Erhöhung von Vertrauen von Interesse.
Im Rahmen des Projekts „Anwendungen der Blockchain-Technologie für Digital Advertisement“ identifiziert der Lehrstuhl für Mobile und Verteilte Systeme in enger Kooperation mit ProSiebenSat.1 mögliche Anwendungsszenarien der Kombination von Blockchain und Digital Advertisement, analysiert Vor- und Nachteile der Technologie in diesem Feld und realisiert prototypische Anwendungen.
