Fachbereich Informatik
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Intelligente Dialogsysteme – Chatbots – werden immer häufiger als virtuelle Ansprechpartner von Unternehmen und Institutionen eingesetzt. Auf Basis einer Wissensdatenbank können Chatbots einen größeren Anteil von Kundenanfragen automatisiert beantworten. Analog ist der Einsatz von Chatbots als digitaler Ansprechpartner öffentlicher Verwaltungen denkbar. Sie könnten Bürgern helfen, sich innerhalb der behördlichen Strukturen zu orientieren und Verwaltungsleistungen effizient und effektiv in Anspruch zu nehmen.
Diese Arbeit überprüft den Einsatz eines Chatbots in der öffentlichen Verwaltung hinsichtlich der entstehenden Kosten und des erwartbaren Nutzens. Auf Basis einer umfangreichen Literaturauswertung und der prototypischen Realisierung eines Chatbots für ein Stadtportal werden dabei Herausforderungen dieser Anwendungsdomäne herausgearbeitet, konkrete Funktionsweise und Implementierungsstrategien von Chatbots erörtert und einige Erfolgsfaktoren formuliert, die den Kern einer Handlungsempfehlung für Entscheidungsträger öffentlicher Verwaltungen bilden.
Die letzten zwei Jahrzehnte wurden durch das exponentielle Wachstum der zur Verfügung stehenden Daten geprägt. Täglich produzieren Menschen und Maschinen mehr und mehr Daten, die oftmals in verteilten Datenspeichern abgelegt werden. Anwendungsgebiete lassen sich beispielsweise in der Physik und Astronomie finden, wo immense Datenmengen von Teilchenbeschleunigern oder Satelliten erzeugt werden, die gespeichert und verarbeitet werden müssen. Aus diesen Datenmengen können weder vom Menschen direkt noch durch traditionelle Analysemethoden neue Erkenntnisse gewonnen werden. Zur Verarbeitung dieser Datenmassen sind parallele sowie verteilte Datenanalyseverfahren notwendig. [MTT18,NEKH+18]
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) führt viele Forschungen und Studien im Bereich der Luft- und Raumfahrt durch. Dabei spielen die Studien für die Gesundheit und Medizin auch eine sehr wichtige Rolle bei der DLR. Zu diesem Zweck führt die DLR die Artificial Gravity bed rest study (AGBRESA) im Auftrag der European Space Agency (esa) und in Kooperation der NASA durch. In dieser Studie werden die negativen Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf dem Menschen im Weltall simuliert. Dabei werden Experimente durchgeführt, um die negative Auswirkungen entgegenzuwirken. Die Ergebnisse der Experimente werden in der DLR digital, aber auch auf Papier dokumentiert. In diesem Master-Projekt habe ich nun die Aufgabe, die Papierprotokolle für den Bereich der Blutabnahme und der Labordokumentation in eine digitale Form zu ersetzen.
In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Segmentierung von Außenszenen und Terrain-Klassifkation entwickelt. Dazu werden 360 Grad-Laserscanner-Aufnahmen von Straßen, Gebäudefassaden und Waldwegen aufgenommen. Von diesen Aufnahmen werden verschiedene visuelle Repräsentationen in 2D erstellt. Dazu werden die Distanzinformationen und Winkelübergänge der Polarkoordinaten, die Remissionswerte und der Normalenvektor eingesetzt. Die Berechnung des Normalenvektors wird über ein modernes Verfahren mit einerniedrigen Laufzeit durchgeführt. Anschließend werden Oberflächeneigenschaften innerhalb einer Punktwolke analysiert und vier Klassen unterschieden: Untergrund, Vegetation, Hindernis und Himmel. Die Segmentierung und Klassifkation geschieht in einem Schritt. Dazuwird die Varianz auf den N ormalen über eine Filtermaske berechnet und ein Deskriptor erstellt. Der Deskriptor beinhaltet die Normalenvektoren und die Normalenvarianz fürdie x-, y- und z-Achse. Die Ergebnisse werden als Überblendung auf dem Remissionsbilddargestellt. Die Auswertung wird über eigens erstellte Ground-Truth-Daten vorgenommen. Dazu wird das Remissionsbild genutzt und der Ground-Truth mit verschiedenen Farben eingezeichnet. Die Klassifkationsergebnisse sind in Precision-Recall-Diagrammen dargestellt.
Das Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme (IAIS) betreibt seit mehreren Jahren auf dem Campus Schloss Birlinghoven in Sankt Augustin angewandte Forschung in den Bereichen Multisensordatenanalyse und Datenvisualisierung.
Im Rahmen einer mehrjährigen Kooperation zwischen dem Fraunhofer-IAIS und der Wehrtechnischen Dienststelle 71 (WTD71) wurde das Seeraumüberwachungssystem iLEXX entwickelt. Es soll den Benutzer auf auffällige Situationen hinweisen und ihm kontextabhängig alle notwendigen Handlungsoptionen zur weiteren Aufklärung der Situation oder der Abwehr einer Bedrohung aufzeigen. Das iLEXX-System verarbeitet eine Vielzahl von Sensordaten und Ereignissen. Abhängig vom Szenario kommen hier mehrere tausend Updates pro Sekunde zusammen, die in Echtzeit vorverarbeitet und visualisiert werden müssen.
Das Optimalziel für ein Logistiklager ist eine hohe Auslastung des Transportsystems. Es stellt sich somit die Frage nach der Auswahl der Aufträge, die gleichzeitig innerhalb des Lagers abgearbeitet werden, ohne Staus, Blockaden oder Überlastungen entstehen zu lassen. Dieser Auswahlprozess wird auch als Path-Packing bezeichnet. Diese Masterthesis untersucht das Path-Packing auf graphentheoretischer Ebene und stellt verschiedene Greedy-Heuristiken, eine Optimallösung auf Basis der Linearen Programmierung sowie einen kombinierten Ansatz gegenüber. Die Ansätze werden anhand von Messzeiten und Auslastungen unterschiedlich randomisiert erstellter Testdaten ausgewertet.
Für die Durchführung größerer Projekte innerhalb des DLR ist es häufig notwendig, dass sich Wissenschaftler fachübergreifend in Themengebiete einarbeiten müssen. Im Rahmen dieser Einarbeitung führen Wissenschaftler Recherchen in fremden Fachbereichen durch. Das DLR hat zu diesem Zweck das Wissensportal KnowledgeFinder entwickelt. Dieses Framework setzt klassische Suchverfahren zum Auffinden von Informationen in beliebigen Datenbeständen ein. Wenn Wissenschaftler in fremden Fachbereichen recherchieren, dann fällt es ihnen aufgrund des oberflächlichen Einblicks oftmals schwer, zielgerichtet nach Informationen zu suchen. Die im KnowledgeFinder eingesetzten klassischen Suchverfahren, die auf textueller und struktureller Ähnlichkeit basieren, können bei diesen unspezifischen Suchanfragen nur bedingt beim Auffinden von relevanten Informationen helfen. Aufgrund von Mehrdeutigkeiten und unterschiedlichen Kontexten stoße solche Verfahren oftmals an ihre Grenzen. Semantische Technologien haben zum Ziel diesen Mangel zu beheben. Hier wird neben der textuellen und strukturellen Ähnlichkeit zusätzlich die Dimension der Bedeutung betrachtet. In dieser Masterthesis wurde untersucht, ob die Suchergebnisqualität des KnowledgeFinder durch den Einsatz semantischer Technologien verbessert werden kann. Innerhalb einer Machbarkeitsstudie wurde dazu das KnowledgeFinder Framework um semantische Suchverfahren erweitert. Diese Verfahren sollen die fachübergreifende Recherche von DLR-Wissenschaftlern erleichtern, indem sie ihnen helfen, passende Suchergebnisse in den entsprechenden Fachbereichen zu finden.
Um eine Software fertigzustellen und dem Endkunden zu übergeben muss zunächst der Entwicklungsprozess durchschritten werden. Das zügige Durchlaufen dieses Entwicklungsprozesses ist besonders für den Endkunden von entscheidender Bedeutung, da die Wartezeit auf das Softwareprodukt für ihn reduziert wird. Problematisch könnte beispielsweise dabei ein modulares Vorgehen werden, wenn zunächst alle einzelnen Teilkomponenten eines Softwareproduktes entwickelt und diese daraufhin in einer anschließenden Phase, auch Integrationsphase genannt, zusammengefügt würden. Die Länge dieser Integrationsphase kann nur schwer vorausgesagt werden, so dass weder das Entwicklerteam noch der Endkunde wissen, wie lang die Fertigstellung des Produktes dauern wird. Dabei entsteht ein weiterer Nachteil. Da die Komponenten separat voneinander entwickelt werden, könnte es passieren, dass diese beim finalen Zusammenfügen nicht kompatibel sein und müssten, falls notwendig, angepasst werden. Die Folge wäre eine Verschwendung von personellen und somit auch finanziellen Ressourcen seitens des entwickelnden Unternehmens.
In der Arbeit wurde ein Steuerungsframework für die LAMA-Bibliothek (http://www.libama.org) zur Konfiguration von Lösern linearer Gleichungssysteme entwickelt. Hierzu wurde ein Parser mit der Boost.Spirit-Biblithek realisiert, der die Laufzeitinterpretation einer domänenspezifische Sprache (DSL) erlaubt. Durch die Konfigurationssprache ist es möglich, Löser ohne Einschränkungen über ihre ID zu verknüpfen, diesen Lösern Logger und logisch verknüpfte Haltekriterien zuzuordnen.
Die Matrix-Vektor-Multiplikation für dünn besetzte Matrizen (SpMV) stellt für weitreichende wissenschaftliche Anwendungen eine der Kernoperationen des High-Performance-Computing-Bereichs dar. Für die verteilte Berechnung mit immer beliebter werdenden hybriden Rechenclustern kommt dabei die Frage nach einer geeigneten Partitionierungsstrategie für die Verteilung von Daten und Berechnung auf. Diese Arbeit beschäftigt sich damit welchen Einfluss die Struktur der Matrix und die unterschiedlichen Prozessortypen auf die Leistung der SpMV haben und schlägt ein Modell vor, um für diese eine lastbalancierte Verteilung zu erreichen. Wesentliche Bestandteile sind dabei die Laufzeitvorhersage für aktuelle CPUs und GPUs basierend auf einem abgewandelten Roofline-Modell sowie die bewährte Methode der Graph-Partitionierung.
Augmented Reality (AR) findet heutzutage sehr viele Anwendungsbereiche. Durch die Überlagerung von virtuellen Informationen mit der realen Umgebung eignet sich diese Technologie besonders für die Unterstützung der Benutzer bei technischen Wartungs- oder Reparaturvorgängen. Damit die virtuellen Daten korrekt mit der realen Welt überlagert werden, müssen Position und Orientierung der Kamera durch ein Trackingverfahren ermittelt werden. In dieser Arbeit wurde für diesen Zweck ein markerloses, modellbasiertes Trackingsystem implementiert. Während einer Initialisierungs-Phase wird die Kamerapose mithilfe von kalibrierten Referenzbildern, sogenannten Keyframes, bestimmt. In einer darauffolgenden Tracking-Phase wird das zu trackende Objekt weiterverfolgt. Evaluiert wurde das System an dem 1:1 Trainingsmodell des biologischen Forschungslabors Biolab, welches von der Europäischen Weltraumorganisation ESA zur Verfügung gestellt wurde.
Segmentierung von 3D-Daten
(2011)
Die vorliegende Arbeit wird im Rahmen eines Projektes des Fraunhofer Instituts IAIS erstellt. Hier geht es um die Entwicklung eines neuen 3D-Laserscanners. Basierend auf diesem 3D-Laserscanner soll eine Sicherheits-Anwendung realisiert werden. Für eine Softwarekomponente - die Segmentierung von 3D-Daten - wird der Stand der Forschung untersucht und es werden drei Segmentierungs-Verfahren ausgewählt und implementiert. Der RANSAC-Algorithmus wird zur Detektion von Ebenen eingesetzt. In dieser Arbeit wird er um ein Abbruchkriterium erweitert, welches die Gesamtlaufzeit bei der Segmentierung von mehreren Ebenen verringert.
In dieser Arbeit wird eine von P. Ahlrichs und B. Dünweg entwickelte Methode [Ahlrichs und Dünweg, 1998] zur Simulation von Polymeren in Flüssigkeiten auf dem Cell-Prozessor implementiert. Dabei soll der Frage nachgegangen werden, wie performant der Cell-Processor in der Lage ist diese Simulation zu berechnen.
Zur Simulation der Polymere wird eine Molekular-Dynamik Simulation genutzt. Die Monomere der Polymerketten werden durch ein Kugel-Feder Modell gekoppelt. Die einzelnen Monomere der Polymere werden als einfache Punktteilchen betrachtet. Dies ermöglicht eine Interaktion der Monomere, unabhängig von deren Zeit- und Längenskalen, mit der Flüssigkeitssimulation durch Reibung. Die Flüssigkeit wird in dieser Arbeit durch die Lattice-Boltzmann-Methode simuliert.
Das WebDAV-Protokoll (Web-based Distributed Authoring and Versioning) ermöglicht die Bearbeitung und Verwaltung von Dateien auf einem Web-Server. Aus technischer Sicht ist WebDAV eine Erweiterung des HTTP-Protokolls. Durch die rasche Zunahme und den steigenden Verbreitungsgrad von WebDAV-basierten Anwendungen, wie etwa Dokumentenmanagementsystemen, steigen auch die Anforderungen an deren Zuverlässigkeit. Die voll umfassende Unterstützung von Transaktionen, d.h. die Zusammenfassung einer Menge von Verarbeitungsschritten zu einer logischen Einheit, würde hierzu einen wichtigen Beitrag leisten. Die für Transaktionen geforderten Eigenschaften, die gleichzeitig auch deren Hauptvorteile darstellen, werden durch das bekannte Akronym ACID beschrieben, welches für Atomarität (atomicity), Konsistenz (consistency), Isoliertheit (isolation) und Dauerhaftigkeit (durability) steht. Zurzeit unterstützt das WebDAV-Protokoll allerdings nur die Punkte Konsistenz und Dauerhaftigkeit, eine komplette und vor allem standardkonforme Unterstützung der ACID-Eigenschaften von Transaktionen ist nicht gegeben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde nun ein Transaktionsmodell für den WebDAVStandard erarbeitet. Das Modell ermöglicht es, eine Menge von Dateioperationen transaktionsbasiert durchzuführen. Das Modell unterstützt dabei zur Sicherstellung der Serialisierbarkeit sowohl optimistische als auch pessimistische Verfahren. Die Unterstützung des optimistischen Verfahrens wurde dabei von der IETF (Internet Engineering Task Force) als zulässiges und sinnvolles Vorgehen zur Realisierung von Transaktionen mittels WebDAV bestätigt. Für die pessimistischen Verfahren wurde im Rahmen dieser Arbeit aufgezeigt, wie die bestehenden Konzepte des WebDAV-Standards erweitert werden müssen, um dies ebenfalls umsetzen zu können. Um die getroffene Entwurfsentscheidung zu verifizieren, wurde eine prototypische Implementierung des Modells vorgenommen. Hierbei wurde, nach einer entsprechenden Evaluierung und Bewertung, die optimistische Nebenläufigkeitskontrolle umgesetzt. Clientseitig setzt die Implementierung auf der Jackrabit-Library auf, die serverseitige Implementierung verwendet als Grundlage den WebDAV-Server von Subversion.
Diese Arbeit soll sich mit dem Erstellen von High Dynamic Range Images beschäftigen und damit, es den Fotografen ein wenig leichter zu machen. Ein Algorithmus zum Entfernen von Bildartefakten wird ausgewählt und parallel unter Nutzung der NVIDIA CUDA API implementiert. Der dadurch erzielte Geschwindigkeitszuwachs macht dieses Verfahren tauglich für den Einsatz in Bildbearbeitungsprogrammen.
Ein wichtiges Themengebiet der Forschung ist die Beschleunigung von Berechnungen mittels Parallelisierung von Algorithmen. Grafikprozessoren, die für den General Purpose Computation on GPU’s (GPGPU) Betrieb geeignet sind, bieten eine aktuelle Möglichkeit der Parallelisierung. Anhand dieser Grafikkarten ist es möglich, die hohe Leistung der Grafikprozessoren zur Berechnung wissenschaftlicher Aufgabenstellungen zu nutzen. In dieser Arbeit wird ein Algorithmus zur Ausrichtung von Belichtungsreihen, die bei der High-Dynamic-Range (HDR) Fotografie genutzt werden, ausgewählt und auf der Grafikkartenarchitektur von NVIDIA parallelisiert.
Heutzutage ist die Entwicklung von Luft- und Raumfahrzeugen ein komplexer und standardisierter Prozess, der verschiedene Disziplinen der Wissenschaft und des Ingenieurwesens vereint. Die Kenntnis flugphysikalischer Eigenschaften, insbesondere Aerodynamik und Strömung, ist für den Entwurf von Luft- und Raumfahrzeugen unerlässlich. Um den Aufwand zur Berechnung dieser Eigenschaften zu verringern, wurden Methoden und Werkzeuge zur computergestützten Simulation entworfen. Diese werden in integrierten simulationsbasierten Entwicklungsprozessen zusammengefasst. Dadurch ist es beispielsweise möglich, Zeitersparnisse von bis zu mehreren Jahren, gegenüber physikalischen Tests in Windkanälen, zu erzielen [Bec08].