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- Leiter:
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N.N. (lfd. Berufungsverfahren)
- Sekretariat:
-
Mariele Knepper
Tel.: 0228/73-4333
Fax: 0228/73-4321
Email: knepper@cs.uni-bonn.de
Raum: N 311
- Professoren:
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N.N.
Prof. Dr. Karl-Heinz Böhling
(Eremitiert seit Juli 1995)
Verteilte Systeme
Email: boehling@cs.uni-bonn.de
- Akademischer Oberrat:
-
Dr. Fritz-Eduard Peters
- Wissenschaftliche Mitarbeiter:
-
Dipl.-Inform. Alexander Asteroth
Dr. Ulrich Aßmann
Dipl.-Inform. André Fischer
Dr. Knut Möller
Dipl.-Phys. Volker Roth
Dr. Volker Steinhage
- Systemadministrator:
-
Dr. Ulrich Aßmann
(N.N., lfd. Berufungsverfahren)
- Logik und parallele Prozesse
- Kombinatorische Algorithmen
- Robotik und Bewegungslernen
- Medizinische Informatik: Modellbildung und Simulation
- Modellbasiertes Bildverstehen
Ziel dieses Forschungsbereichs ist die Entwicklung von
effizienzsteigernden Methoden für Deduktionssysteme. Die Fähigkeit,
Schlußfolgerungen in der Logik, einem der grundlegenden Formalismen
zur Repräsentation von Wissen, ziehen, und damit intelligentes
Verhalten simulieren zu können, eröffnet vielfältige
Anwendungsmöglichkeiten, die heutzutage weit über den ursprünglich
verfolgten Zweck, das automatische oder maschinelle Beweisen
mathematischer Theoreme, hinausgehen. Zu diesen
Anwendungsmöglichkeiten zählen beispielsweise Expertensysteme,
Erkennung natürlicher Sprache, Planerstellung und intelligente
Robotersteuerung, automatische Programmsynthese, Programmverifikation,
Prolog und vieles mehr.
Entgegen ihrer theoretischen Bedeutung setzt jedoch der mit der
Problemgröße überproportional anwachsende Zeit- und Speicheraufwand
derartiger Systeme den Anwendungen in der Praxis sehr enge Grenzen.
Daher sind Methoden zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit logischer
Deduktionsprozesse dringend erforderlich. Dazu bietet sich
beispielsweise die Ausnutzung der der Logik inhärenten Parallelität
an.
Entsprechend konzentrieren sich die Untersuchungen von der
theoretischen Seite her auf die Analyse der Quellen von Parallelität,
sowie der Möglichkeiten ihrer Darstellung mittels verschiedener
Repräsentationsformalismen (Petri-, Datenfluß-Netze). Diese
Formalismen weisen auch für die sequentielle Ausführung auf Merkmale
hin, die zur Beschleunigung des Deduktionsprozesses genutzt werden
können, insbesondere die Vermeidung mehrfacher Bearbeitung
zyklischer Strukturen. Die Verbindung zur
anwendungsorientierten Seite bilden Untersuchungen zur
Implementierbarkeit der in der Theorie gewonnenen Erkenntnisse, im
parallelen Fall auf verschiedenen Hardware-Ausprägungen aus der Klasse
der MIMD- und SIMD-parallelen Rechner.
Umfangreiche Fortschritte der neueren Algorithmik sind wesentlich das
Ergebnis andauernden Bemühens um immer weitere Effizienzsteigerung von
Problemlösungen. Bei der Entwicklung involvierter Techniken scheint
naturgemäß der Wunsch nach einfachem Design zurückgestellt, während
andererseits eines der bemerkenswertesten Phänomene erhalten bleibt:
wir haben naive Heuristiken, deren durchschlagende Erfolge wir mehr
bewundern als verstehen.
Als Musterbeispiel kennen wir die ,,Graph-Isomorphie``, die allerdings
sehr viel mehr ernst zu nehmende Rätsel aufgibt: simple Suchtricks der
ersten Attacke arbeiten praktisch zufriedenstellend -- doch der
Komplexitätsstatus blieb ungeklärt; aktuellen Polynomialzeit-Testern
auf exhaustierenden Graphenklassen haftet bedauerlicherweise
Impraktikabilität an!
Solche Situationen legen immer noch Experimente hinsichtlich der
Tragweite klassischer Ansätze bzw. dazugehöriger Varianten nahe; im
angedeuteten Zusammenhang könnte ein ausgewogener 2-Phasen-Test
interessante Aufschlüsse geben. Entsprechende Programmierprojekte
zeigen bereits am PC, wie moderne Rechner vorhandene Schwierigkeiten
überspielen und doch unüberwindbare Grenzen haben.
Die Bewegungssteuerung ist eine sehr komplexe Aufgabe. Biologische
Systeme (z.B. höhere Lebewesen) mit ihrer Jahrtausende
währenden Optimierung verwenden einen großen Anteil ihrer
,,Berechnungskapazität`` zum Bewegungsentwurf, zur Bewegungssteuerung
und -koordination.
Dabei werden sehr unterschiedliche Zielsysteme angesteuert, die von der
Sprachgenerierung (Broca Zentrum) über Saccaden der Augen (coll.sup.)
bis zur Fortbewegung (Motorcortex) reichen. Es findet eine starke
aufgabenspezifische Spezialisierung durch Lernen und Adaption
statt. Durch die ständige Anpassung an neue Gegebenheiten
(z.B. Wachstum der Extremitäten, Absterben von Neuronen,
Veränderungen der Umgebung) wird eine erstaunliche Flexibilität und
Robustheit erzielt. Eine ähnlich zuverlässige, schnelle
Bewegungsgenerierung läßt sich mit den bisherigen technischen
Hilfsmitteln nicht erzielen. Es gelingt zwar, für einfache Bewegungen
und Manipulatorkonstruktionen hochpräzise Steuerungen (viel genauer
als bei natürlichen Bewegungen) zu realisieren; deren
Einsatzmöglichkeiten sind gegenüber biologischen Steuerungen jedoch
deutlich eingeschränkt.
Bereits seit einigen Jahren wurden und werden in der Forschungsgruppe
von Prof. Dr. G. Veenker an verschiedenen Robotermanipulatoren Ansätze
zur Bewegungssteuerung untersucht und weiterentwickelt.
Aktuelle Arbeiten lassen sich in zwei Bereiche gliedern:
- Entwurf einer flexiblen und effizienten
Entwicklungsumgebung: Es wurde eine Agentensystemshell
MARC (Multi Agent Resource Control) realisiert, welche
Möglichkeiten bietet, zur dynamischen Verteilung von Prozessen
über ein Rechnernetzwerk und zur Beeinflussung von Agenten durch
Kooperationsabsprachen und durch ,,Übertragung`` von
Eigenschaften im Sinne eines ,,remote programming``.
- Entwicklung hierarchischer Steuerungssysteme, welche von
der low-level Regelung der Motoren bis hin zu Planungsprozessen
in Abstraktionshierarchien reichen.
Als adaptive, lernfähige Verfahren werden einfache Schätzregler,
verhaltensbasierte, hierarchische Dekompositionstechniken sowie
neuronale und Fuzzy-Regler eingesetzt.
Aufenthalte in der Schwerelosigkeit induzieren Veränderungen am
Kreislauf von Astronauten, deren Ursachen ungeklärt sind. Um die
Funktion des cardiovaskulären Systems (CVS) zu verstehen, welches sich
rasch an die jeweiligen Erfordernisse des Körpers und seiner Umgebung
anpaßt, müssen diverse Komponenten (die Blutgefäße, das
Interstitium etc.) und die unterschiedlichsten Verhaltensmuster
berücksichtigt werden. Zur Anpassung an die Erfordernisse
(Kreislaufregulation) hat der menschliche Körper eine Reihe von
Mechanismen entwickelt. So steht das CVS unter strikter adaptiver
neuronaler und endokriner Kontrolle. Lokale und zentrale
Wirkmechanismen greifen ineinander und beeinflussen sich gegenseitig.
Es handelt sich um ein komplexes dynamisches System.
Auf der Basis der Agentensystemshell MARC wurde das
CARDIO-Simulationssystem entwickelt, welches u.a. die
pulsatile Dynamik einer Flüssigkeit (Blut) in elastischen Röhren
simuliert. Gleichzeitig verfügt es über verschiedene Regler, die zu
Vergleichszwecken integriert wurden.
Wichtige derzeitige Arbeitsfelder umfassen:
- die Anpassung von Parametern in hochdimensionalen Räumen. Die
Modellbildung kann in der Medizin nur erfolgreich angewendet
werden, wenn Techniken entwickelt werden, die solche
umfangreichen Modelle an den jeweiligen Probanden oder Patienten
anpassen können.
- die Entwicklung adaptiver Regelungen zur Erfassung des Phänomens
der ,,orthostatischen Labilität``.
- die modellbasierte Optimierung von Gegenmaßnahmen
(countermeasures) für die Besatzung der internationalen
Weltraumstation ISS.
Modellbildung und Simulation tragen zum Verständnis des
Kreislaufsystems per se bei (Grundlagenforschung), besitzen aber auch
Anwendungsbezug, da sich die Ergebnisse unmittelbar in der
Medizintechnik (u.a. Telemedizin) umsetzen lassen.
Arteriovenöse Mißbildungen (AVM) sind hömodynamisch relevante
Veränderungen der zerbralen Durchblutung. Im Zuge der operativen
Ausschaltung der ,,high flow shunts`` kommt es bei einer Reihe von
Patienten zu komplikationsbehafteten Umstellungsreaktionen. Es
entwickeln sich neurologische Ausfälle durch Minderperfusion,
Ödembildung und gelegentlich gar lebensbedrohliche Zustände durch
Gefäßrupturen.
Mit Hilfe des CARDIO-Simulationssystems sowie eines 3D-Werkzeugs wird
die Gehirndurchblutung simuliert und die Hämodynamik durch
Farbschattierungen im 3D-Tool animiert. Potentielle operative
Eingriffe werden in der Simulation durchgespielt und z.
B. die maximalen Scherkräfte auf die Gefäßwände während der
Umstellungsreaktion berechnet.
In weiteren Experimenten wird die Individualisierung der
Gefäßanatomie durch Auswertung von bildgebenden Verfahren
untersucht.
Die räumliche Erfassung von urbanen Szenen zu 3D-Stadtmodellen
verzeichnet einen stark anwachsenden Bedarf in der Städteplanung, dem
Umweltschutz, der Architektur sowie in zahlreichen Projekten von
Versorgungs-, Transport- und Kommunikationsunternehmen. Verfahren der
digitalen Photogrammetrie sind zwar etabliert, weisen aber wegen des
großen Datenvolumens i.a. nicht die erforderliche Effizienz
auf. Daher müssen verstärkt Methoden des Bildverstehens und der
Künstlichen Intelligenz eingesetzt werden, wobei der expliziten
Modellierung der zu erfassenden Gebäudestrukturen eine Schlüsselrolle
zukommt. Ziel des in enger Kooperation mit den Instituten für
Informatik III und Photogrammetrie der Universtät Bonn angelegten
Forschungsprojekts ist die modellbasierte Erkennung und Rekonstruktion
von Gebäuden aus Luftbildvorlagen. Die Arbeiten werden von der
Deutschen Forschungsgemeinschaft als Teilprojekt im Rahmen des
Verbundprojekts Semantische Modellierung und Extraktion
räumlicher Objekte aus Bildern und Karten gefördert.
In Deutschland finden über 50% aller Bauvorhaben im Bestand statt.
D.h. es handelt sich um Umnutzungen, Erweiterungen oder
andere Änderungen bestehender Bausubstanz (z.
B. Industriebrachen etc.). Aufgabe einer automatisierten Bauaufname
ist die effiziente Erfassung und Bewertung der bestehenden Bausubstanz
hinsichtlich ihrer räumlichen Abmessungen und ihrer
Funktionstüchtigkeit. In enger Kooperation mit Bauingenieuren der
RWTH Aachen werden wissensbasierte Ansätze zur automatisierten
Erfassung von Tragwerken bestehender Bauwerke untersucht, in denen
Module des Bildverstehens, des geometrischen Editierens und der
statischen Analyse zusammenwirken. Aufgrund der i.
a. anzutreffenden Verdeckungen durch Verschalungen, Deckungen, etc. ist
zudem die Analyse von vorhandenen Zeichnungsdokumenten (Baupläne und
-zeichnungen) in die Erfassung miteinzubeziehen.
Zahlreichen Bauvorhaben muß eine Bewertung der durch die Baumaßnahmen
potentiell betroffenen Biotope vorausgehen. Die Bewertung von Biotopen
basiert i.a. auf der Erfassung von
sog. Bioindikatoren, d.h. Pflanzen- oder Tierarten,
aus deren Auftreten spezifische Aussagen zur Biotopqualität ableitbar
sind. Wildbienen stellen eine herausragende Gruppe zur
naturschutzfachlichen Indikation von Biotopen dar; zudem üben sie
wichtige Bestäuberfunktionen aus. Einige Arten sind ferner im Bestand
stark gefährdet. Der gezielten Nutzung dieser Gruppe zur
indikatorischen Bewertung sowie dem planvollen Schutz steht bislang
ihre schwierige taxonomische Bearbeitung entgegen. Ziel des in enger
Kooperation mit dem Institut für Landwirtschaftliche Zoologie und
Bienenkunde der Universität Bonn angelegten Forschungsprojekts ist die
Entwicklung einer rechnerbasierten Methode zur morphometrischen
Erfassung und Bestimmung von Wildbienen durch modellbasierte
Bildanalyse mit Hilfe einer mobilen Erfassungseinheit. Die Arbeiten
werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Projekts
Automatisierte Artenklassifikation gefördert.
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