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Wissens- und sensorbasierte geometrische Rekonstruktion
(2012)
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Stefan Kuhn
- Möchte man herausfinden, wo sich bestimmte Objekte innerhalb eines gegebenen Raumes aufhalten könnten, so bleibt einem zunächst nur die Antwort "Irgendwo im gegebenen Raum". Erst mit Hilfe zusätzlicher Informationen, wie beispielsweise Sensordaten oder Eigenschaften der bestimmten Objekte oder der Umwelt im gegebenen Raum, lassen sich die möglichen Aufenthaltsorte einschränken, indem man solche Bereiche des Raumes ausschließt, in denen sich keines der bestimmten Objekte aufhalten kann.
Sind beispielsweise Menschen die bestimmten Objekte und deren mögliche Aufenthaltsorte innerhalb einer Roboter-Arbeitszelle von Interesse, dann muss man ohne weitere Informationen in der gesamten Roboter-Arbeitszelle Menschen vermuten. Unter der Voraussetzung, dass sich ein Mensch nicht in soliden Objekten der Umwelt aufhalten kann, reduzieren sich die möglichen Aufenthaltsorte innerhalb des gegebenen Raumes. Sensoren können verwendet werden, um freie Bereiche innerhalb der Roboter-Arbeitszelle zu erfassen, um damit die möglichen Aufenthaltsorte weiter einzugrenzen. Ein anderer Aspekt könnte das Minimalvolumen der bestimmten Objekte berücksichtigen, um so Regionen bei Unterschreitung dieses Minimalvolumens zu verwerfen, in denen zuvor Menschen vermutet werden mussten. Weitere Aspekte zur Eingrenzung möglicher Aufenthaltsorte stellen beispielsweise die Berücksichtigung von Farben, Distanzen, Geschwindigkeiten, Gewichten etc. dar.
Ziel dieser Arbeit ist die automatisierte, computerbasierte Lösung des obigen Problems, nämlich die Bestimmung und geometrische Beschreibung möglicher Aufenthaltsorte bestimmter Objekte innerhalb eines gegebenen Raumes unter Nutzung von Wissen und Sensoren. Es wird dabei gefordert, dass die geometrische Beschreibung - im Folgenden als geometrische Rekonstruktion bezeichnet - konservativ sein muss, d.h. die bestimmten Objekte innerhalb des gegebenen Raumes dürfen nicht aus der Rekonstruktion herausragen.
Das Problem wird zunächst allgemein im n-dimensionalen euklidischen Raum modelliert. Dieses Modell kann als Rahmenwerk angesehen werden, welches die konsistente Integration von Wissen und Sensoren erlaubt, um eine geometrische Rekonstruktion zu bestimmen. Unterschiedliches Wissen und unterschiedliche Sensoren werden exemplarisch integriert und diskutiert.
Basierend auf dem allgemein eingeführten Modell wird eine Implementierung für einen dreidimensionalen Voxelraum abgeleitet. Besondere Aufmerksamkeit ist bei der Verwendung diskreter Datenstrukturen erforderlich, um die Konservativität der resultierenden geometrischen Rekonstruktion zu gewährleisten.
Ein Prototyp wurde versuchsweise im industriellen Umfeld in einem Mensch/Roboter-Koexistenz-Szenario in Zusammenarbeit mit einem deutschen Automobilhersteller eingesetzt. Das Robotersystem nutzt die berechneten geometrischen Rekonstruktionen, um die Geschwindigkeit des Roboterarms bei Annäherung an einen Menschen zu reduzieren.
Ein weiteres Experiment diente der quantitativen Untersuchung der resultierenden geometrischen Rekonstruktionen in einem vergleichbaren Aufbau. Die verbleibende Anzahl an Voxeln der geometrischen Rekonstruktionen beläuft sich im Durchschnitt über alle Zeitpunkte der im Experiment betrachteten Sequenz auf etwa 1,22% bezüglich aller Voxel innerhalb des gegebenen Raumes. Im direkten Vergleich dazu verbleiben bei einer einfachen Multi-Kamera-Rekonstruktion, welche "Occlusion Masks" zur Behandlung von sichtverdeckenden Hindernissen nutzt, durchschnittlich etwa 9,62% der Gesamtanzahl an Voxeln innerhalb des gegebenen Raumes. Die wissens- und sensorbasierte geometrische Rekonstruktion besteht also durchschnittlich aus etwa 12,7% der Voxel gegenüber dem einfachen Ansatz, welcher "Occlusion Masks" nutzt und beschreibt damit die bestimmten Objekte wesentlich exakter.
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Reduktion des Kommunikationsaufwands iterierter Runge-Kutta-Verfahren für dünnbesetzte gewöhnliche Differentialgleichungssysteme
(2012)
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Markus Straubinger
- Iterierte Runge-Kutta (IRK) Verfahren sind eine Klasse von Lösungsverfahren für Anfangswertprobleme gewöhnlicher Differentialgleichungssysteme (DGL), welche ein hohes Parallelisierungspotential besitzen. Während Implementierungen für dichtbesetzte DGL regelmäßig Vektoren der Größe der DGL austauschen müssen, können spezialisierte Löser Kommunikationskosten einsparen, indem nur die wenigen tatsächlich benötigten Vektorelemente ausgetauscht werden.
In dieser Arbeit werden parallele Implementierungen von IRK-Verfahren für verteilten Adressraum betrachtet. Es werden zunächst allgemeine Implementierungen für dichtbesetzte DGL vorgestellt. Anschließend wird deren Kommunikation für dünnbesetzte DGL und Probleme mit beschränkter Zugriffsdistanz optimiert. Die entstandenen Implementierungen werden in Hinsicht auf Laufzeit und Skalierbarkeit untersucht. Dafür werden Messungen auf verschiedenen Rechnersystemen mit unterschiedlichen dünnbesetzten DGL ausgewertet. Dabei wird festgestellt, dass eine Implementierung der Kommunikation sowohl für dünnbesetzte DGL als auch für Probleme mit beschränkter Zugriffsdistanz besonders gut geeignet 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.
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Mapping-basierte Modellierung von Softwareproduktlinien
(2012)
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Felix Schwägerl
- Die modellgetriebene Softwareentwicklung erlaubt die Beschreibung von Softwaresystemen auf höherem Abstraktionsgrad. Neben der Dokumentation dienen Modelle der automatisierten Generierung von Quelltext in einer höheren Programmiersprache. Auf Programmiersprachen-Ebene erlauben Konstrukte wie Vererbung oder Typparametrisierung die Wiederverwendung im Kleinen. Adäquate Konstrukte stehen auf Modell-Ebene zur Verfügung. Softwareproduktlinien beschreiben Gemeinsamkeiten und Unterschiede verwandter Software. Durch sie kann Wiederverwendung im Großen betrieben werden, um aus einer gemeinsamen Basis ähnliche Produkte zu erzeugen. Einzelne Produkte unterscheiden sich in der Implementierung spezifischer Softwaremerkmale, die in einem Featuremodell festgehalten werden. Featurekonfigurationen beschreiben hingegen deren Ausprägung je Produkt. Die Kombination des Softwareproduktlinien-Ansatzes mit der modellgetriebenen Entwicklung ist keine neue Idee. Produkte werden hierbei durch Modelle repräsentiert. In dieser Arbeit wird der Sonderfall der negativen Variabilität betrachtet: Ein Multivarianten-Domänenmodell beinhaltet sämtliche Artefakte, die in Mitgliedern der Produktfamilie obligatorisch oder optional enthalten sein können. Ein Produkt entsteht durch das Löschen derjenigen Modell-Elemente, die nicht in seiner Konfiguration enthaltenen Features zugeordnet sind. In der vorliegenden Master-Thesis wird ein Ansatz zur Abbildung von Elementen eines Multivarianten-Domänenmodells auf ein Featuremodell vorgestellt. Die Abbildung selbst wird vom Modellierer in einem sog. Mapping-Modell erzeugt. Es erlaubt die Annotation von Domänenmodell-Artefakten mit sog. Feature-Ausdrücken, welche sich wiederum auf das Featuremodell beziehen. Die Auswertung von Feature-Ausdrücken weist einem Mapping einen Selektionszustand zu. Die Arbeit liefert Beiträge in den folgenden vier Bereichen: Konsistenz: Selektionszustände voneinander abhängiger Mappings widersprechen sich unter bestimmten Voraussetzungen. Die hierbei entstehenden Inkonsistenzen werden nicht nur erkannt; in dieser Thesis ausgearbeitete Strategien wie die Propagation oder Surrogate erlauben die automatische Reparatur derselben. Für die Formulierung domänenspezifischer Abhängigkeitsbedingungen ist eine eigene Sprache vorgesehen. Synchronität: Feature- und Domänenmodell unterliegen einer kontinuierlichen Evolution. Durch sie können existierende Mappings ungültig werden. Gegenstand eines ausgearbeiteten Konzepts ist die weitestgehend automatische Synchronisation der Modelle, wobei ein möglicher Informationsverlust minimiert wird. Agilität: Die modellgetriebene Entwicklung von Softwareproduktlinien erfolgt nicht ausschließlich plangetrieben. Man will etwa produktspezifische Änderungen an einem existierenden Mapping-Modell vornehmen. Die eingeführten Alternativen-Mappings ermöglichen darüber hinaus eine konzeptionelle Erweiterung durch positive Variabilität. Manifestation der Variabilität: In dieser Thesis wird untersucht, inwieweit sich in Featuremodellen festgehaltene Variabilität auf Produkte niederschlagen kann. Hierbei wird die starre m:n-Beziehung zwischen Features und Domänenmodell-Artefakten aufgelöst, um neue Expressionsmittel wie Attribut-Constraints zur Verfügung zu stellen. In einem vorbereitenden Abschnitt werden die erwähnten Aspekte zunächst theoretisch untersucht. Anschließend wird mit F2DMM eine Modellierungsumgebung für Softwareproduktlinien vorgestellt. Schließlich erfolgt eine Evaluierung anhand eines konstruierten Beispiels sowie eine Abgrenzung zu verwandten Ansätzen.
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Ein Rahmenwerk für das Prozessdesign zur Identifikation, Klassifikation und Umsetzung von Anforderungen - Dargestellt an der Konzeption des Prozesskonfigurators
(2012)
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Stephanie Meerkamm
- Prozessmanagement umfasst die Identifikation und Analyse der Unternehmensabläufe sowie deren Dokumentation und die Ausführung der Prozesse inklusive deren Steuerung. Dies sollte mit einer stetigen Verbesserung der Prozesse verbunden sein. Im Hinblick auf die konkrete Realisierung dieses Management-Ansatzes ist eine Fokussierung auf die Phase der Modellierung, welche die Identifikation sowie Dokumentation der Prozesse umfasst, zu beobachten. Dieser Phase geht das sog. Prozessdesign voraus. Auf Basis einer eingehenden Anforderungsanalyse erfolgt die Entwicklung und Evaluierung von Artefakten, wie zum Beispiel Konstrukte und/oder Methoden. Das vollständige Spektrum an Handlungsmöglichkeiten innerhalb des Prozessdesigns wird jedoch nur selten genutzt. Meist werden vorhandene (Standard-) Modellierungssprachen ausgewählt ohne diese in irgendeiner Art individuell zu gestalten. Dies wirkt sich oft negativ auf die Qualität der damit erstellten Prozessmodelle aus, aber auch auf die der Modellierung nachfolgenden Phasen des Management-Ansatzes wie Ausführung und Controlling. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde ein daher methodisches Rahmenwerk für das Prozessdesign entwickelt. Aufgrund der engen Kopplung an die nachfolgende Phase der Prozessmodellierung wird als Grundlage eine Meta-Modell-Hierarchie verwendet, die die Entwicklung, Anpassung sowie Definition von (Meta) Modellen vorsieht. Diese wurde explizit um eine Designkomponente inklusive der initialen Anforderungsanalyse erweitert. Damit liegt ein flexibles Vorgehensmodell für die Durchführung der Designphase vor, das dabei vor allem auch die Definition von Modellierungssprachen vorsieht. Das gesamte Rahmenwerk ist zudem nicht auf eine bestimmte Modellierungssprache oder Anwendungsdomäne der Prozesse ausgerichtet, sondern generisch konzipiert. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Anwendungsfall für das zuvor entwickelte Rahmenwerk vorgestellt. Aus der beispielhaft identifizierten Menge an Anforderungen wurde die des Managements variantenreicher Prozessmodelle ausgewählt und das Konzept eines Prozesskonfigurators entwickelt. Im Hinblick auf die Verwendung der variantenreichen Prozessmodelle wurde ein gestufter Konfigurationsprozess entwickelt. Dieser leitet den Anwender auf der einen Seite durch den Konfigurationsprozess, auf der anderen Seite wird ihm ein Höchstmaß an Freiheit gewährt, wann er welche variantenbezogene Entscheidung treffen möchte. Für die Darstellung der Varianten in einem Modell wurde ein bereits existierendes Konzept zur Abbildung variantenreicher Strukturen in Form des sog. mereologischen Graphen verwendet, das an die Eigenschaften von Prozessen angepasst wurde. Damit kann die gewünschte kompakte sowie strukturierte Modellierung der Varianten in einem Modell realisiert werden. Dieses Modellierungskonzept konnte als Prototyp in einem entsprechenden Modellierungswerkzeug implementiert werden.
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Effiziente parallele Implementierung eines expliziten Euler-Verfahrens für Grafikprozessoren durch Diamant-Tiling
(2012)
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Julien Kulbe
- Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich damit, das explizite Euler-Verfahren auf Grafikprozessoren zu optimieren. Dabei werden die Speicherhierarchien, lokale Datenwiederverwendung, Ausnutzung der Speicherbandbreite der GPU und die Synchronisierung zwischen Host und Device genauer untersucht. Dabei werden zwei Implementierungen näher betrachtet, das Diamant-Tiling und das lineare Verfahren, da sie sich gut eignen um die Optimierungen genauer zu untersuchen. Es stellt sich dabei heraus, dass Optimierungen wie die lokale Datenwiederverwendung und der optimale Zugriff auf den Speicher sich gegensätzlich verhalten. Ein Mischverfahren (das Waben-Tiling), dass dabei die Vorteile des linearen Verfahrens und des Diamant-Tilings vereint, führt daher zu den besten Laufzeiten.
