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Intuitive Human-Robot Interaction by Intention Recognition
(2013)
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Muhammad Awais
- For two humans to interact with each other to perform a common task, they need to know the expectation of each other during interaction. For example if we consider an example of a waiter and a guest. If the waiter tilts the bottle to offer a drink to the guest then he may expect two actions from the guest, i.e., either the guest will forward his glass to get it filled or he will take his glass backward for not accepting the drink. If the guest forwards his glass then the waiter expects that the guest will keep his glass at a certain point until he pours the liquid into the glass. Similarly if the guest takes its glass backward then he expects from the waiter not to pour the liquid into his glass. In any case of misunderstanding an accident can occur. It applies to almost all the instances of human-human interaction. The recognition of the intention plays a key role in human-human interaction. It is equally important in human-robot interaction.
With the increase of research in the field of robotics, the robots are and will be becoming more and more part of human life. For the robots to be the effective part of the human life they should be helpful to the human. For a robot to be helpful to the human he should act according to the human. In case if the robot tries to help the human without knowing the intention of the interacting human then the robot can be itself a problem rather than a solution to the problems. Therefore it is necessary for a robot to know the intention of the human with whom the robot is supposed to interact to facilitate him.
The aim of this work is to propose a solution to make the human robot interaction intuitive. For making the human-robot interaction intuitive the intention of the human should be known to the interacting robot. A probabilistic approach is introduced to recognize the human intention. The approach uses the finite state machines. Each finite state machine representing a unique human intention carries a probabilistic value that is called the weight of the finite state machine. That weight tells the robot about the current human intention.
Since it is not possible to embed all the possible intentions into the robot that the robot may need to recognize. Thus, there should be a measure that the robot can learn new human intentions. An approach is discussed for this purpose.
For the human-robot interaction to be intelligent the robot should be quick in his response towards the human intention. An approach is described that addresses the issue of quick (proactive) response of the robot. The proposed approach also discusses the scenario concerning the ambiguous human intention. An ambiguous intention is a human intention that apparently corresponds to more than one human intention.
There may be a scenario in which the human has a totally new intention that the robot does not know already and also has not learned that intention. In this case, apparently there is no human- robot interaction. In order to cope with this problem an approach is discussed that enables the robot to select an appropriate action to interact with the human.
An approach concerning the generalization of the human intention is also discussed. By generalizing the human intention, the robot can extend its response according to the human intention. The extension of the response means that the robot takes those actions that were not instructed to him to be taken concerning the human intention.
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Modelle und Werkzeuge für modellgetriebene Softwareproduktlinien am Beispiel von Softwarekonfigurationsverwaltungssystemen
(2010)
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Thomas Buchmann
- Die Entwicklung von Softwareproduktlinien basiert auf der pro-aktiven Wiederverwendung von Softwareartefakten (Anforderungen, Komponenten, Code, Testfällen, etc.). In einer Softwareproduktlinie werden die invarianten Eigenschaften der Softwareprodukte durch eine gemeinsame Basis realisiert. Durch Integration von Variabilität in diese gemeinsame Plattform wird die effiziente Entwicklung von kunden- bzw. marktspezifischen Softwarelösungen ermöglicht. Der hohe Anteil der Wiederverwendung führt dabei im Vergleich zur Entwicklung von Einzel-Softwaresystemen zu einer Reduktion von Entwicklungszeit und Entwicklungskosten bei einer gleichzeitigen Steigerung der Softwarequalität. Modellgetriebene Entwicklung hingegen beschreibt die Verwendung von formalen Modellen zur Beschreibung eines Softwaresystems anstelle der Erstellung von Programmcode. Geeignete Werkzeuge sind in der Lage, diese Modelle in Programmcode zu übersetzen. Diese formalen Modelle beschreiben das zu erstellende System auf einer höheren Abstraktionsebene als der Programmcode. Ebenso wird die Wiederverwendbarkeit für unterschiedliche Zielplattformen erhöht, indem spezielle Codegeneratoren verwendet werden. Die Kombination von modellgetriebener Softwareentwicklung und Software Produktlinien verspricht Produktivitätssteigerungen aus mehreren Gründen: (1) durch die Entwicklung von wiederverwendbaren Komponenten in einer Produktlinie und (2) durch die Erstellung von Modellen anstatt von Programmcode, (3) durch eine erleichterte Erweiterung von bestehenden Systemen, (4) durch Werkzeuge zur Automation und (5) durch Wiederverwendbarkeit des mittels Modellen beschriebenen Wissens für alle Projektmitarbeiter. Diese Arbeit untersucht die Konzepte, Modelle und Werkzeuge, die benötigt werden, um modellgetrieben Produktlinien zu entwickeln. Als durchgängiges anwendungsbezogenes Beispiel wird die modellgetriebene Entwicklung einer Produktlinie für Softwarekonfigurationsverwaltungssysteme betrachtet. Das Beispiel Softwarekonfigurationsverwaltungssysteme wurde als nicht-trivialer Anwendungsfall gewählt, da in dieser Domäne sehr viele Systeme existieren, die sich teilweise in ihrer Funktionalität sehr ähneln, dennoch aber jeweils von Grund auf neu entwickelt wurden. Im Verlauf der Ausarbeitung werden bestehende Prozesse zur Produktlinienentwicklung vorgestellt und eine Kombination mit dem modellgetriebenen Entwicklungsansatz diskutiert. Es wird ein innovativer Ansatz eines modellgetriebenen Entwicklungsprozesses für Produktlinien vorgestellt und es werden neu entwickelte Werkzeuge präsentiert und diskutiert, die diesen spezifischen Prozess unterstützen. Für die Entwicklung einer durchgängigen Werkzeugunterstützung wurde versucht, auf bestehende Werkzeuge zurückzugreifen. Dennoch waren umfangreiche Neuentwicklungen nötig, um eine Werkzeugunterstützung des kompletten Prozesses zu gewährleisten. Die Neuentwicklungen betrafen einerseits die Kopplung von Modellen aus der modellgetriebenen Softwareentwicklung mit Modellen aus der Produktlinienentwicklung, andererseits aber auch eine weitreichendere Unterstützung von modellgetriebener Entwicklung im Bereich der Architekturmodellierung.
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Konzeption und prototypische Implementierung eines Frameworks zur automatisierten Softwaremessung
(2008)
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Bernhard Daubner
- Im Rahmen der betriebswirtschaftlichen Unternehmenssteuerung sind sogenannte Management-Cockpits oder Managementunterstützungssysteme schon länger bekannt. Dabei handelt es sich um EDV-Systeme zur Visualisierung entscheidungsrelevanter Daten, welche insbesondere der Unternehmensleitung auf Knopfdruck wesentliche Kenngrößen (Key Performance Indicators) des Unternehmens darstellen. Analog dazu sollen Projektleitstände den Projektleitern entsprechende Kenngrößen der laufenden IT-Projekte darstellen. Derartige Kennzahlen sind beispielsweise die Testabdeckung, der Fertigstellungsgrad, die Code-Qualität oder der bereits erbrachte Arbeitsaufwand. Diese Softwaremaße sollten dazu von den Messwerkzeugen automatisiert erfasst werden können. Aktuell verfügbare Anwendungen zur Softwaremessung sind jedoch entweder stark an bestimmte Prozessmodelle oder Entwicklungsumgebungen gebunden, können teilweise selbst keine Messwerte ermitteln und dienen somit als reine Visualisierungswerkzeuge oder können nur eingeschränkt von den Anwendern konfiguriert oder erweitert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher ein Framework zur automatisierten Softwaremessung vorgestellt. Zu dessen wesentlichen Anforderungen gehören die weitgehende Automatisierung des Messprozesses und die Möglichkeit, die zu erhebenden Softwaremaße unabhängig von einem konkreten Projekt definieren zu können. Dazu werden Kontextinformationen bestimmt, welche als Anknüpfungspunkte für die zu erhebenden Softwaremaße dienen. Ein Kontext kann dabei eine bestimmte Aktivität des zugrunde liegenden Vorgehensmodells, eine Projektphase oder eine zu implementierende Funktionalität sein. Dadurch ist es beispielsweise möglich, Umfangsmessungen auf bestimmte Projektphasen oder auf Komponenten, durch die bestimmte Funktionalitäten implementiert werden, einzuschränken. Im Gegensatz zu vielen anderen Messwerkzeugen, die entweder nur die Vermessung von bereits erstellten Artefakten erlauben oder Softwaremaße nur auf der Ebene des Gesamtprojekts ermitteln können, ermöglicht es der hier dargestellte Ansatz, Softwaremaße in Bezug auf einen bestimmten Kontext zu definieren. Die konkrete Ausprägung der letztendlich zu messenden Entitäten muss zum Zeitpunkt der Definition des Softwaremaßes noch nicht bekannt sein. Dadurch kann erreicht werden, dass Softwaremaße standardisiert und über Projektgrenzen hinweg konsistent ermittelt werden können. Als prototypische Implementierung dieses Softwaremessungsansatzes wird ein Framework dargestellt, welches auf einer Open-Source-Projektverwaltungssoftware basiert. Dieses Framework, welches entsprechende API-Funktionen zur Ermittlung einfacher Softwaremaße zur Verfügung stellt, erlaubt die flexible Definition komplexer Softwaremaße, welche dann zur Projektlaufzeit automatisiert ermittelt und gegebenenfalls visualisiert werden können. Zur Definition der zu erhebenden Softwaremaße wird auf die Konfigurationsmöglichkeiten der zugrunde liegenden Projektverwaltungssoftware zurückgegriffen. Dadurch können bei der Softwaremessung bereits vorhandene Projektinformationen wiederverwendet werden. Um die Tragfähigkeit des in dieser Arbeit dargestellten Ansatzes unter Beweis zu stellen, wird die Evaluierung dieses Messwerkzeuges anhand zweier studentischer Softwareentwicklungsprojekte dargestellt.
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Entwurf und Modellierung einer Produktlinie von Software-Konfigurations-Management-Systemen
(2011)
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Alexander Dotor Schumann
- Es existieren zur Zeit über 70 verschiedene Software-Konfigurations-Management-Systeme (kurz: SKMS), um die Entwicklung von Software-Anwendungssystemen zu unterstützen. SKMS sind selbst auch Software-Anwendungssysteme, deren Umfang von einigen zehntausend bis zu mehreren Millionen Quelltext-Zeilen reicht. Trotz dieser Größe handelt es sich meist um monolithische Systeme, deren Daten und Funktionen eng verschränkt sind und deren Verfahren lediglich implizit durch den Quellcode beschrieben werden. Eine Identifikation einzelner Methoden ist kaum möglich, ebensowenig wie eine Wiederverwendung bereits implementierter Verfahren. Dies führt dazu, dass für ein neues Verfahren oder sogar nur für eine neue Kombination existierender Verfahren ein SKMS von Grund auf neu implementiert wird. Die fehlende Modularität erschwert auch die Wiederverwendung eines SKMS für unterschiedliche Software-Entwicklungsprozesse, da bereits kleine Unterschiede zwischen den Prozessen die Entwicklung eines neuen SKMS erfordern können. Es besteht daher der Bedarf nach einer neuen Generation von SKMS, die durch ihre modulare Architektur (1) die Wiederverwendung bestehender Verfahren erlauben, (2) die Anpassbarkeit an Entwicklungsprozesse verbessern bzw. überhaupt erst ermöglichen und (3) die Erweiterbarkeit verbessern, um ein SKMS in möglichst vielen Entwicklungsprozessen einsetzen zu können. Die Modellgetriebene Modulare Produktlinie für Software Konfigurations Management Systeme (kurz: MOD2-SKM) identifiziert Gemeinsamkeiten von SKMS auf Basis eines Entwicklungsprozesses für Modellgetriebene Software Produktlinien (MODPL). Der Entwicklungsaufwand eines SKMS wird so reduziert, da gemeinsame Komponenten wiederverwendet und die Produkte aus dem Domänenmodell generiert werden (anstatt sie von Hand zu implementieren). So kann durch Konfiguration des Domänenmodells nach den Anforderungen eines Software-Entwicklungs-Prozesses ein SKMS speziell an den zu unterstützenden Prozess angepasst werden. In dieser Arbeit wird ein Merkmals-Modell für SKMS definiert und ein generisches Domänenmodell für die gesamte Systemfamilie der SKMS modelliert und analysiert. Mit Hilfe des Merkmals-Modells lassen sich die generierten SKMS systematisch beschreiben und miteinander vergleichen. Gleichzeitig können damit auch bestehende SKMS klassifiziert und so systematisch erfasst und verglichen werden. Durch das MOD2-SKM-Domänenmodell wird die SKM-Domäne mit Hilfe von Komponenten und Klassen beschrieben. Abhängigkeiten und Kopplungen werden dabei explizit identifiziert und reduziert. So wird das Verständnis der SKM-Domäne vertieft besonders in Bezug auf Modularisierbarkeit, Erweiterbarkeit und Co-Evolution und durch eine neue Sicht auf die komplexen Datenabhängigkeiten erweitert. MOD2-SKM ist gleichzeitig auch ein Prototyp einer neuen Generation vom SKMS, denn aus dem Domänenmodell lassen sich vollständig lauffähig SKMS erzeugen. Somit wird auch die Architektur und Realisierung einer modellgetriebenen Produktlinie für SKMS erforscht. MOD2-SKM zeigt, dass ein einzelnes SKMS nicht mehr von Hand implementiert werden muss. Stattdessen können, mit Hilfe von Konfigurationen, eine Vielzahl von SKMS generiert werden. So lassen sich entweder bestehende SKMS wie CVS oder Subversion nachbilden oder auch vollständig neue SKMS erstellen. Die Erkenntnisse, die beim Entwurf von MOD2-SKM gewonnen wurden, bilden die Grundlagen, die für den Entwurf und die Entwicklung modularer SKMS benötigt werden: • Sind SKMS überhaupt für MODPL geeignet? • In welche Komponenten lässt sich ein SKMS zerlegen? • Welche Kernkomponenten muss jedes SKMS besitzen? • Welche Kopplungen bestehen zwischen den Komponenten? • Welche Modellierungsmethoden sind für die lose Kopplung der Komponenten besonders geeignet? Der MOD2-SKM Entwicklungsprozess folgt dem MODPL-Modellierungsansatz und basiert so letztendlich auf modellgetriebenen Entwicklungsmethoden. MOD2-SKM stellt damit eine nicht-triviale Fallstudie für den Einsatz von modellgetriebenen Produktlinien dar, mit deren Hilfe sich der MODPL-Modellierungsansatz untersuchen lässt. In dieser Arbeit werden somit auch der Modellierungsansatz und die verwendeten modellgetriebenen Entwicklungsmethoden evaluiert und abschließend auch Anforderungen an sie formuliert.
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Sensorbasierte, echtzeitfähige Online-Bahnplanung für die Mensch-Roboter-Koexistenz
(2011)
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Thorsten Gecks
- Die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter ist ein wichtiges Ziel der aktuellen Forschung in der Robotik, um die spezifischen Fähigkeiten von Mensch und Roboter zu verbinden. Die Voraussetzung für die Zusammenarbeit ist die sichere und effiziente Koexistenz in einem gemeinsamen Arbeitsraum. Hierzu muss die Sicherheit des Menschen gewährleistet sein und eine hohe Verfügbarkeit des Robotersystems erreicht werden. In dieser Arbeit wird ein bildbasierter Kollisionstest beziehungsweise eine Distanzberechnung entwickelt, um die Sicherheit des Menschen zu realisieren. Eine hohe Verfügbarkeit wird durch die Konzeption und Implementierung einer Bahnplanung erreicht, welche echtzeitfähig mit Ausweichbewegungen auf dynamische Hindernisse wie z.B. den Menschen reagiert, um gegenseitige Blockaden zu vermeiden. Die Detektion des Menschen und anderer Objekte wird mit Hilfe eines Netzwerks stationärer Kameras erreicht, deren Befestigung den Einsatz effizienter Differenzbildverfahren („Change Detection“) ermöglicht und über die Kalibrierung der Kameras die Verwendung von Modellen bekannter Objekte (Roboter und Zellenaufbauten) erlaubt. Hierdurch werden Verdeckungen unbekannter Objekte (z.B. der Mensch) in einem bildbasierten Kollisionstestverfahren korrekt berücksichtigt. Weiterhin werden Konzepte zum Umgang mit dynamischen Hintergründen in realistischen Arbeitszellen erarbeitet. Die zusätzlich realisierte bildbasierte Distanzberechnung ermöglicht die Geschwindigkeits-regelung des Roboterarms für die sichere und ergonomische Mensch-Roboter-Koexistenz. Auch hierbei wird eine korrekte Behandlung der verdeckenden Geometrien berücksichtigt. Die Bahnplanung wird in jedem Zyklus des Systems (100 ms) auf Basis aktueller Sensordaten (im bildbasierten Kollisionstest) durchgeführt, parallel zur Ausführung der jeweils im vorigen Zyklus berechneten Bahn. Das entwickelte Konzept verbindet dabei eine globale Bahnplanung auf randomisierten Netzen in hochdimensionalen Konfigurations-räumen mit der Begrenzung von teuren Kollisionstests bzw. Distanzberechnungen. Informationen über die nicht berechneten Teile des Graphen werden durch Schätzung aus bekannten Informationen erzeugt. Zusätzlich werden bereits berechnete Informationen über die Umwelt durch Speicherung im Graph über Systemzyklen hinweg beibehalten und somit sukzessive ausgeweitet. Ein Konzept wurde entwickelt und implementiert, um die persistenten Informationen bei detektierter Arbeitsraumdynamik zu adaptieren, wodurch flexibel auf Umweltveränderungen reagiert werden kann. Dieses grundlegende Rahmenwerk erzeugt einen Planer, welcher echtzeitfähig ist und somit auf dynamische Objekte reagieren kann und über Systemzyklen hinweg statistische Vollständigkeit in statischen Umgebungen erreicht. Mit Hilfe des bildbasierten Kollisionstests wird dann ein wegoptimierender Planer realisiert und mit Hilfe der bildbasierten Distanzberechnung ein zeitoptimierender Planer, welcher die Ausführungsdauer der Bewegung unter Maßgabe der distanzbasierten Geschwindigkeitsregelung optimiert. Letzterer ist für die Mensch-Roboter-Koexistenz aufgrund des vergrößerten Hindernisabstands besonders geeignet.
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Ansätze zur flexiblen Navigation in Prozessabläufen
(2009)
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Christoph Günther
- Prozessnavigationssysteme oder Workflow Management Systeme (WFMS) sind ein wesentlicher Bestandteil vieler Betriebe und Organisationen. Aktuell zeigen sich einige Probleme wie Inakzeptanz durch die Benutzer und Effizienzverlust in Betriebsprozessen, da derzeit gängige Systeme starr und unflexibel sind. In dieser Arbeit soll ein wesentlich flexiblerer Ansatz betrachtet werden. Es wird nur noch ein Rahmen vorgegeben, der den Erfolg des Workflow sicher stellt. Die Entscheidung der Prozessschrittabfolge wird hierbei nur beratend unterstützt, dem Benutzer jedoch die Entscheidung überlassen. Das System sucht also alle möglichen nächsten Prozessschritte und schlägt sie dem Benutzer vor. Durch die große Anzahl der Kombinationsmöglichkeiten sind innovative Ansätze gefordertum ein performantes System zu bieten. In dieser Arbeit werden Probleme aufgezeigt, diskutiert und gelöst um am Ende einen sehr performanten und hochflexiblen Ansatz zur Prozessnavigation vorzustellen.
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Structuring Descriptive Data of Organisms — Requirement Analysis and Information Models
(2007)
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Gregor Hagedorn
- Data that describe organisms in a structured form are indispensable not only for taxonomic and identification purposes, but also many phylogenetic, genetic, or ecological analyses. By analyzing existing information models and performing selected fundamental requirement analyses, the present work contributes to a broadening of the understanding of these forms of data. It falls into an interdisciplinary area between biology and information science. The term “descriptive data” is understood here in a broad sense: As descriptions of individuals, populations, or taxa, intended for various purposes (e. g., genetic, phylogenetic, diagnostic, taxonomic, or ecological), and covering a wide array of observation methods and data types (e. g., morphological, anatomical, genetic, physiological, molecular, or behavioral data). The position of descriptive data in the context of biodiversity framework concepts (covering, e. g., nomenclatural data, specimen collection data, or resource management) is discussed. A number of fundamental problems arise when modeling biological descriptive data. The ways in which existing data exchange formats, information models, and software applications address them are studied and future possible solutions are outlined. One such solution, the information model for the software “DiversityDescriptions (DeltaAccess)” is one of the results of this thesis and fully documented (Ch. 7). This entity relationship model fully supports the concepts of the traditional DELTA data exchange format (Description Language for Taxonomy; TDWG standard since 1986). If further improves on DELTA by introducing “modifiers” as a new terminology class, by introducing a more flexible system of handling statistical measures, by improving the handling of multilingual data sets, by supporting subset and filter features for concurrent collaborative editing (instead of supporting these for report-generation purposes alone), by supporting improved character attributes to create natural language descriptions from structured descriptions, and by adding metadata for a data set to improve the ability of data exchange without external documentation. In preparation of a future improved information model for descriptive data, the results of three requirement analyses are presented: a data-centric analysis of general concepts, a process-centric analysis of identification tools, and a high-level use case analysis. The first analysis (Ch. 4) is a structured inventory of fundamental approaches and problems involved in collecting and summarizing scientific descriptions of organisms. It is informed in part by current practices in information science, comparative data analysis, statistical, descriptive or phylogenetic software applications, and data exchange formats in biodiversity informatics. At the end three topics are discussed in particular detail (“Federation and modularization of terminology”, “Modifiers”, and “Secondary classification resulting in description scopes”). Except for phylogenetic analyses, identification is the most common usage of descriptive data. The second analysis (Ch. 5) therefore studies the processes, data structures, presentational and user interface requirements for printable and computer-aided identification tools (“keys”). Finally, a general use case analysis is performed with the goal of creating a framework of high-level use cases into which present as well as future requirements may be integrated (Ch. 6). All three requirement analyses are explorative and do not fulfill formal criteria of software engineering. They identify many requirements not addressed by the relational DiversityDescriptions model. Some of these could only be explored and await future solutions. For others solutions are proposed (some of which could already be incorporated into the design of SDD, an xml-based TDWG standard since 2005): The traditional data types are changed into an extensible character type model. The importance of data aggregation concepts was recognized to be fundamental. Complementary to data aggregation, the present and potentially future use of data inheritance along the lines of the taxonomic hierarchy is briefly studied. The concept of calculated characters could be addressed only insofar as the mapping between values can potentially be generalized. Character decomposition models are studied, but ultimately the traditional character concept, supplemented with a forest of ontologies for compositional and generalization concept hierarchies, is preferred as a more general concept. Both the traditional character subset and character applicability models can be integrated into concept hierarchies.
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Effiziente taskbasierte Programmausführung irregulärer Applikationen mit adaptiver Lastbalancierung
(2009)
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Ralf Hoffmann
- Zur parallelen Ausführung irregulärer Applikationen auf Parallelrechnern mit gemeinsamem Speicher eignet sich ein taskbasierter Ansatz, da durch eine dynamische Lastverteilung einzelner Tasks geeignet auf die irreguläre Abarbeitungsstruktur der Applikation reagiert werden kann. In dieser Arbeit wird das KOALA-Framework zur Abarbeitung feingranularer Tasks paralleler Programme vorgestellt. Es wird ein adaptiver Taskpool beschrieben, der effizient auf wechselnde Lastzustände innerhalb einer Applikation reagieren kann. Durch adaptiv angepasste Taskblöcke kann der adaptive Taskpool auch bei einer sehr großen Anzahl von ausführungsbereiten Tasks mit nur wenigen Operationen Taskumverteilungen durchführen, um die Berechnungen möglichst gleichmäßig auf die Prozessoren zu verteilen. Verschiedene irreguläre Applikationen werden getestet, um die unterschiedlichen Taskpool-Implementierungen zu vergleichen. Dabei erzielen die adaptiven Taskpools im Gegensatz zu konventionellen Taskpools bei allen untersuchten Applikationen gute Ergebnisse. Die einzelnen funktionalen Bestandteile des KOALA-Frameworks können ohne Änderungen in der Applikation ausgetauscht werden. Eine spezielle Implementierung der Lock-Komponente erlaubt so die Nutzung von Hardware-Operationen zur effizienten Synchronisation der beteiligten Threads. Weiterhin wird eine Profiling-Komponente vorgestellt, mit der die Taskstruktur einer Applikation analysiert werden kann. An einem Fallbeispiel werden Engstellen in einer Applikation identifiziert, durch deren Behebung eine erhebliche Verbesserung der Laufzeit erreicht werden konnte.
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Evaluation der Leistungsfähigkeit von gemischt-parallelen Programmen in homogenen und heterogenen Umgebungen unter Berücksichtigung effizienter Schedulingstrategien
(2008)
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Sascha Hunold
- Die gemischt-parallele Formulierung von Programmen, welche aus kooperierenden Multiprozessor- Tasks (M-Tasks) bestehen, erlaubt einen höheren Grad an Parallelität als gewöhnliche datenparallele Implementierungen. Um diesen höheren Parallelitätsgrad auszunutzen, bedarf es effizienter gemischt-paralleler Realisierungen von Algorithmen, einer guten Infrastruktur zur Ausführung der Programme und leistungsfähigen Scheduling-Algorithmen, die die einzelnen M-Tasks auf die bestmögliche Menge von Prozessoren abbilden. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden exemplarisch verschiedene gemischt-parallele Realisierungen der Matrixmultiplikation zweier dicht besetzter Matrizen untersucht. Dazu werden Algorithmen (z. B. die Matrixmultiplikation nach Strassen) so umstrukturiert, dass die resultierenden Verfahren aus hierarchisch organisierten, datenparallelen Multiprozessor- Tasks bestehen. Durch die abstraktere Beschreibung von Problemen mittels kooperierender Tasks lassen sich Algorithmen einfacher miteinander kombinieren. In dieser Arbeit wurden verschiedene gemischt-parallele Algorithmen zu neuen Poly-Algorithmen zusammengesetzt, wobei die gemischt-parallele Variante von Strassens Algorithmus als Ausgangsalgorithmus gewählt wurde. Die so entstandenen Poly-Algorithmen zur Matrixmultiplikation wurden in einer Vielzahl von Experimenten mit der Leistung datenparalleler Implementierungen auf homogenen parallelen und verteilten Systemen verglichen. Dabei zeigte sich, dass die gemischt-parallelen Varianten für viele Konfigurationen kürzere Laufzeiten als die datenparallelen Algorithmen erreichen. Gemischt-parallele Programme lassen sich als gerichteter azyklischer Graph (DAG) beschreiben. Diese Darstellung ist sehr gut für eine verteilte Abarbeitung der einzelnen Knoten (M-Tasks) über Clustergrenzen hinaus geeignet. Trotzdem benötigt man eine entsprechende Software-Infrastruktur, um gemischt-parallele Programme auf verschiedenen Clustern auszuführen. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Arbeit TGrid entwickelt, um gemischt-parallele Applikationen im Grid auszuführen. TGrid ist zum einen eine Middleware, die verschiedene heterogene Systeme zu einem kooperierenden System zusammenfügt. Zum anderen bietet TGrid eine Programmierschnittstelle, um gemischtparallel Programme zu formulieren und diese mit Hilfe der Middleware auszuführen. Die TGrid-Middleware ermöglicht die Co-Allokation von Ressourcen für eine einzige gemischtparallele Anwendung, d. h. ein einziges Programm kann durch mehrere Cluster parallel abgearbeitet werden. Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die Unterstützung der automatischen Datenumverteilung zwischen M-Tasks. Der Programmierer muss dazu nur die Abbildung der Ausgangsdatenstrukturen auf die Eingangsdatenstrukturen zweier M-Tasks definieren. Die eigentliche Datenkommunikation übernimmt das TGrid-System. Für eine effiziente Ausführung gemischt-paralleler Programme in Clustern und Multiclustern (Cluster aus Clustern) ist auch die Frage zu klären, in welcher Reihenfolge die ausführbereiten Tasks abgearbeitet werden sollen. Das Ausführen von dynamisch erzeugten M-Taskgraphen in Multiclustern führt zu einer neuen Klasse von Scheduling-Problemen. Deshalb werden in der vorliegenden Arbeit zwei Algorithmen (RePA und DMHEFT) für das Scheduling von dynamisch generierten Taskgraphen entwickelt und deren Leistungsfähigkeit mit Compile-Zeit-Verfahren wie MHEFT verglichen. Da TGrid auch für die Ausführung von statisch definierten Taskgraphen genutzt werden kann, wird ein neuer zweistufiger Scheduling-Algorithmus (RATS) vorgestellt, welcher zu Compile-Zeit arbeitet. Dieser Algorithmus versucht durch gezielte Änderung der Prozessor- Allokation von Tasks, die Kosten der Datenumverteilung zu reduzieren. Nach genauer Analyse mittels Grid-Simulationen konnte festgestellt werden, dass RATS deutlich kürzere Ablaufpläne als andere zweistufige Verfahren, wie z. B. HCPA, auf homogenen Clustern produziert. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, wie gemischt-parallele Algorithmen entwickelt und effizient ausgeführt werden können. In homogenen parallelen Systemen ermöglichen diese gemischt-parallelen Anwendungen bessere Laufzeiten als datenparallele Implementierungen. Die Arbeit verdeutlicht auch, dass eine gemischt-parallele Formulierung von Algorithmen eine effiziente Ausführung von parallelen Verfahren in Grid-Umgebungen (Multiclustern) erlaubt, die mit anderen parallelen Programmiermodellen in diesen nicht zu erreichen ist.
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ESProNa - Eine Constraintsprache zur multimodalen Prozessmodellierung und navigationsgestützten Ausführung
(2012)
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Michael Igler
- Deklarative Prozessmodellierungssprachen erfreuen sich aufgrund ihrer Ausdrucksstärke und der kompakten Prozessmodelle einer immer größer werdenden Beliebtheit. Ziel dieser neuen Art der Modellierung ist es, Geschäftsprozesse einfacher und effizienter aufnehmen zu können. Ein bekanntes Konzept aus den deklarativen Programmiersprachen, die strikte Trennung zwischen Problemstellung und Lösung, wird auf den Bereich der Prozessmodellierung übertragen. Somit wird eine Vereinfachung der zu modellierenden Geschäftsprozesse erreicht. Um die Prozesse in ihrer Gesamtheit zu erfassen, wird das Konzept der perspektivenorientierte Prozessmodellierung (POPM) verwendet. Weiterhin werden neben den Anforderungen an eine Prozessmodellierungssprache zusätzliche Konzepte erarbeitet, die für eine effiziente Modellierung von Geschäftsprozessen sinnvoll sind. Die im ersten Kapitel der Arbeit angesprochenen Probleme aktueller Prozessmodellierungssprachen werden in den nachfolgenden Kapiteln aufgegriffen und gelöst. Neue Forschungsergebnisse, wie etwa die entwickelte Prozessnavigation zur navigationsgestützten Ausführung der erstellten Geschäftsprozesse oder das Modellieren von subjektiven Empfehlungen, werden ebenfalls behandelt. Durch letzteres Konzept kann das empirische Verhalten der Geschäftsprozesse modelliert und zum Zeitpunkt der Ausführung präsentiert werden. Es wurden nicht nur die Konzeptionen und Lösungen der Problemstellungen erarbeitet, sondern auch gezeigt, wie diese implementiert und verwendet werden können. Alle Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sind in der deklarativen Prozessmodellierungssprache ESProNa umgesetzt.
