Promotionen der Fakultät für Informatik im Jahr 2023

07.12.2023

Baumgart, Matthias
"Exploration maschineller Verfahren zur Entwicklung eines methodischen Frameworks zur Evaluation wissenschaftlicher Texte im Forschungsmanagement"
Promotion zum Dr.-Ing.

Abstract:

Die Komplexität der Prozesse und Aufgaben im Forschungsmanagement an Hochschulen ist seit einigen Jahren durch die Zunahme an Aufwänden, sowohl auf Seite der Wissenschaftler als auch auf administrativer Ebene gekennzeichnet. Diese liegen dabei insbesondere im Bereich der Texterstellung und -verarbeitung im Bereich der Forschungsanträge, wissenschaftlichen Publikationen sowie weiteren Dokumenten im Umfeld der Wissenschaftskommunikation. Gleichzeitig existieren Methoden und Technologien in den Bereichen des Information Retrievals, des Maschinellen Lernens und der Semantischen Technologien, die grundsätzlich für die qualitative und quantitative Analyse und Bewertung dieser Texte, ihrer Merkmale sowie dazugehöriger Metadaten geeignet sind.

An dieser Stelle setzt diese Arbeit an, in dem sie zunächst mit Fokus auf die Optimierung von digitalen, kognitiven und kommunikativen Aufwänden im Lebenszyklus von öffentlich geförderten Forschungsprojekten die aktuellen Entwicklungen und Technologien eruiert. Diese Betrachtung stellt die Grundlage für die Ableitungen von Kriterien dar, die auf eine Gesamtarchitektur zielen, welche wissenschaftliche Texte mit der Erzielung einer hohen Textqualität annotiert, trainiert und evaluiert. Die Kriterien wurden in Anforderungen überführt, welche die Grundlage für die Konzeptentwicklung im Bereich Datenhandhabung (K_Daten), Textanalyse (K_{Textqualität}) und Einschätzung der Textqualität (K_{Textqualität}) darstellten. Die Fusionierung der drei technischen Konzepte zur Gesamtsystemarchitektur und der Ableitung der Systemkomponenten bildet die Grundlage für das Framework zum Management und zur EvaLuierung wIssenschaftlicher TeXte (FELIX).

FELIX dient als prototypisches System für die durchgeführte Studie zur computergestützten Assistenz zur Evaluation wissenschaftlicher Texte. Die hierfür erforderlichen Datenkorpora wurden aus Forschungsanträgen der SMWK Forschungsprojektförderung 2020/2021/2023, Forschungsanträgen im Rahmen der Ausschreibungen des Arbeitskreises E-Learning und aus Publikationen der 17. Nachwuchswissenschaftlerkonferenz aufgebaut. Zur Gewinnung von Erkenntnissen wurde explorativ auf verschiedenste Verfahren aus dem Bereich Maschinelles Lernen gesetzt, die Vorhersagewahrscheinlichkeiten für die Bewilligung / Nicht-Bewilligung bzw. Annahme / Ablehnung von Forschungsanträgen und Publikationen ermöglichen.

Die durchgeführten Experimente zielen dabei auf Basis der Extraktion von Textmerkmalen und Meta-Daten auf die formale und statistische Analyse sowie regelbasierte Klassifikation, auf Low-Level-Klassifikationen für Textprüfungen (z. B. Lesbarkeitsinidizes) und High-Level-Klassifikationen für Textprüfungen (z. B. Sentiment- und Ähnlichkeitsanalyse, Deep Learning) ab.

Zwei Experimente im Kontext Transfer-Learning dienen weiterführend der Evaluation der Ergebnisse unter Einsatz unbekannter Daten und der Fusion zu einer additiven Ergebnisformel, deren Grundlage mehr als 68 Tsd. Einzelbeobachtungen in fünf Experimenten waren. Im Ergebnis wurde das vorgestellte System FELIX positiv evaluiert. Es ermöglicht die Analyse wissenschaftlicher Texte und ihrer Metadaten und erzielte regelmäßig Vorhersagewahrscheinlichkeiten von 75 % - 89 %, bei einzelnen Subexperimenten sogar noch deutlich genauere Ergebnisse.

Mit der Konzeption und Evaluierung des Systems FELIX ergeben sich wissenschaftliche und praktische Implikationen, die zur Optimierung von Aufwänden im Forschungsmanagement führen. Dazu zählt die automatische Analyse von Texten zur Identifikation von Mustern, Texten und Korrelationen, die Klassifizierung nach definierten Kriterien (z. B. Fachdiziplin des Antragstellers, Projektvolumen, Lesbarkeit einzelner Kapitel) oder die Vorhersage der Bewilligung auf Basis gelernter Informationen.

Mit dem prototypischem System FELX lassen sich forschungsbezogene Aufwände durch Methoden des Maschinellen Lernens, des Information Retrievals und der Semantischen Technologien senken, indem die Effizienz des Peer-Review-Prozesses verbessert und somit ein effektiveres Forschungsmanagement erreicht werden kann. Durch den Einsatz einzelner und kombinierter Verfahren aus dem Bereich Maschinelles Lernen lassen sich eine Reihe von Kriterien automatisch erfassen, klassifizieren und bewerteten. Der Rechenaufwand für den Einsatz des Systems FELIX lässt sich basierend auf einer additiven Ergebnisformel an spezifische Anforderungen anpassen.

16.08.2023

Meier, Tobias
"Situationsbasiertes Scheduling von Echtzeit-Tasks in verteilten eingebetteten Systemen"
Promotion zum Dr.-Ing.

Abstract:

Die Anforderungen an die verfügbare Rechenkapazität von Steuergeräten in der Auto- motive und Avionik-Domäne steigen kontinuierlich an. Dieser Anstieg ist auf die stei- gende Bedeutung von softwarebasierten Funktionen zurückzuführen, sowie auf die damit einhergehende steigende Anzahl und Komplexität der softwarebasierten Funktionen. In dieser Dissertation wird die Berücksichtigung der Situation (z. B. die geographische Position oder die Geschwindigkeit) als ein möglicher Ansatz beschrieben, um den steigenden Bedarf an Rechenkapazität der softwarebasierten Funktionen zu decken. Die benötigte Rechenkapazität einer softwarebasierten Funktion verändert sich in Abhängigkeit von der momentanen Situation. Durch die Berücksichtigung der Situation bei der Verteilung der Rechenkapazitäten entstehen freie Rechenkapazitäten, welche durch komplementäre softwarebasierte Funktion verwendet werden können. Die Zielsetzung dieser Dissertation ist es, eine situationsbasierte Verteilung der Rechenkapazität auf die softwarebasierten Funktionen des verteilen eingebetteten Systems zu erreichen

15.08.2023

Morgenstern, Laura
"Eventify Meets Heterogeneity: Enabling Fine-Grained Task-Parallelism on GPUs"
Promotion zum Dr.-Ing.

Abstract (DE):

Viele wissenschaftliche Berechnungsalgorithmen bieten kaum ausreichende Datenparallelität, um die massive Parallelität heutiger Prozessoren effizient zu nutzen. Um diese Herausforderung zu bewältigen, wurden verschiedene taskparallele Programmiermodelle entwickelt, die eine flexible Beschreibung von Algorithmen entlang von Task-Graphen ermöglichen. Bei Algorithmen mit dichten Task-Graphen ist es jedoch immer noch schwierig, die Task-Parallelität effizient zu nutzen, da sie programmatisch komplex zu beschreiben ist und durch die hohe Anzahl an Task-Abhängigkeiten hohe Parallelisierungskosten nach sich zieht. Dies wird insbesondere auf GPUs zu einer Herausforderung, da sie nicht für synchronisationsgetriebene Anwendungen ausgelegt sind. Dieser Vortrag stellt ein Ausführungsmodell vor, das feinkörnige Task-Parallelität auf GPUs ermöglicht. Der Vortrag diskutiert das Stream-Interaktionsmodell hinter Flynns Taxonomie als einheitliche Grundlage für Parallelität in Architekturen und Programmiermodellen. Außerdem werden die quantitativen Trends in CPU- und GPU-Architekturen und ihr Einfluss auf Programmiermodelle untersucht. Kernthema des Vortrags ist die Vorstellung eines Ausführungsmodells, das Multi-Threading, effiziente Synchronisierung und Queue-basiertes Task-Scheduling auf GPUs ermöglicht. Abschließend wird die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes am Beispiel des Task-Graphen der Fast Multipole Method untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass feinkörnige Task-Parallelität die Ausführungszeit im Vergleich zur klassischen schleifenbasierten datenparallelen Programmierung für den vorliegenden Anwendungsfall um eine Größenordnung verbessern kann.

Abstract (EN):

Many scientific computing algorithms barely provide sufficient data-parallelism to exploit the ever-increasing hardware parallelism of today?s heterogeneous computing environments. To tackle this challenge, diverse task-parallel programming technologies have been introduced that allow for the flexible description of algorithms along task graphs. For algorithms with dense task graphs, however, task-parallelism is still hard to exploit efficiently since it is programmatically complex to describe and imposes high dependency resolution overheads on the execution model. This becomes especially challenging on GPUs which are not designed for synchronization-heavy applications. This talk presents an execution model that enables fine-grained task parallelism on GPUs as proposed in the underlying dissertation. Firstly, it discusses the stream interaction model behind Flynn?s Taxonomy as uniform foundation for concurrency in architectures and programming models. Secondly, it analyzes the quantitative trends in CPU and GPU architectures and examines their influence on programming models. Thirdly, it outlines execution model that enables threading, efficient blocking synchronization and queue-based task scheduling on GPUs and describes its implementation based on the task-parallel programming approach Eventify. Concluding, it examines the performance of this approach with the task graph of a fast multipole method as use case. The results show that fine-grained task parallelism can improve the execution time for this use case by an order of magnitude in comparison to classical loop-based data parallelism.

03.07.2023

Pape-Lange, Julian
"Combinatorial Properties of Periodic Patterns in Compressed Strings"
Promotion zum Dr.rer.nat.

Abstract (DE):

Die hier zu verteidigende Dissertation beschäftigt sich mit kombinatorischen und algorithmischen Problemen zu einigen periodischen Textmustern. In dieser Disputation wird ein Textmuster vorgestellt, dessen Zählalgorithmus wegen seiner Vielseitigkeit von allgemeinem Interesse ist und erstmals von uns auf dem 37th International Symposium on Theoretical Aspects of Computer Science (STACS 2020) in internationaler Zusammenarbeit mit Mitsuru Funakoshi von der Kyushu-Universität veröffentlicht wurde.

Die diskrete azyklische Faltung ist eine Operation, die zwei Vektoren a und b der Länge n bekommt und die 2n+1 Summen mit Summanden der Form a_i * b_{k-i} berechnet. Es ist bekannt, dass die Faltung mit Hilfe der schnellen Fourier-Transformation oder der schnellen zahlentheoretischen Transformation in O(n log n) Operationen berechnet werden kann. Diese Dissertation erweitert die Faltung, indem wir für ein Polygon P die Summen auf die Summanden einschränken, deren Indexpaar in P liegt. Für ein Polygon mit k Eckpunkten und Umfang p braucht diese Faltung immer noch nur O(k+p(log p)^2 log k) Operationen.

Die Faltung und ihre nicht-rechteckige Erweiterung können verwendet werden, um kurze arithmetische Progressionen {i, i+d, i+2d} zu finden, deren zugehörige Zeichen im Text übereinstimmen. Obwohl diese Strukturen bereits von van der Waerden in den 1920er Jahren studiert wurden, war noch kein Algorithmus zum Zählen dieser "3-Subkadenzen" mit subquadratischer Laufzeit bekannt. In dieser Dissertation zeigen wir, dass sich 3-Subkadenzen und einige ihrer Varianten in quasilinearer Zeit zählen lassen.

Abstract (EN):

The dissertation which is defended here deals with combinatoric and algorithmic problems of periodic string patterns. In this disputation, we present a string pattern which has a counting algorithm that is of general interest because of its versatility. We previously published this algorithm at the 37th International Symposium on Theoretical Aspects of Computer Science (STACS 2020) in international collaboration with Mitsuru Funakoshi from Kyushu university.

The discrete acyclic convolution is an operation that takes two vectors a and b of length n and calculates the 2n+1 sums with addends of the form a_i * b_{k-i}. It is well-known that the convolution can be calculated by fast Fourier transform or fast number theoretic transform in O(n log n) operations. This dissertation extends the convolution by restricting the sums to addends whose index pair lie in a polygon P. For polygons with k vertices and perimeter p, this non-rectangular convolution only needs O(k+p(log p)^2 log k) operations.

The convolution and its non-rectangular extension can be used to find short arithmetic progressions {i, i+d, i+2d} whose corresponding characters in the string are equal. Although these structures were already studied by van der Waerden in the 1920s, there was no known algorithm for counting these "3-subcadences" in subquadratic time. In this dissertation, we prove that 3-subcadence and several of their variants can be counted in quasilinear time.

20.06.2023

Jakobs, Christine
"Optimizing the Automotive Security Development Process in Early Process Design Phases"
Promotion zum Dr.-Ing.

Abstract:

Sicherheit ist ein relativ neues Thema in der Automobilindustrie. Früher waren die einzigen Sicherheitsmethodendie Wegfahrsperre und die Diebstahlwarnanlage. Die zunehmende Anbindung der Fahrzeuge an externe Netzwerkemachte es notwendig, die Sicherheitsanstrengungen durch die Einführung von Sicherheitsentwicklungsprozessenzu erweitern. Diese Prozesse umfassen unter anderem Schritte zur Risikoanalyse und -behandlung.Parallel dazu begann die Entwicklung von ISO/SAE 21434 und UNECE Nr. R155. Die langen Entwicklungszyklen in der Automobilindustrie machten es erforderlich, die frühen Entwürfe der Entwicklungsprozesse mit den Entwürfen der Normen abzustimmen. Diese Arbeit zielt darauf ab, einen neuen konsistenten, vollständigenund effizienten Sicherheitsentwicklungsprozess zu entwerfen, der auf die normativen Referenzen abgestimmt ist.Das resultierende Design des Entwicklungsprozesses ist mit der allgemeinen Entwicklungsmethodik des zugrundeliegenden, evaluierten Entwicklungsprozesses abgestimmt. Anwendungsfälle dienen als Grundlage für die Evaluierung von Verbesserungen und des Methodenentwurfs.

15.05.2023

Zhang, Liang
"Creating an Autonomously Interactive Virtual Character"
Promotion zum Dr.-Ing.

Abstract:

This thesis describes a set of techniques and methods to create an autonomously interactive character as a virtual opponent in a Virtual Reality (VR) application for anticipation training in sports karate. Convincing karate movements are created by blending adequate motion capture data in real-time with motion blending. Attack techniques with a precise attacking position are achieved by using hybrid Inverse Kinematics. Stepping movements are created with a motion graph approach, enabling the virtual character to adapt the position relative to the user’s position. An offline preprocessing method is proposed to cope with a large amount of motion capture data. The realized character can autonomously and interactively respond to the trainee’s movement and perform a suitable hand attack. A user study among karate athletes shows a general acceptance of the implemented system as a useful tool for anticipation training.

17.01.2023

Ernst, Michael
"Konzept und Evaluation eines phasenorientierten hierarchischen und asynchronen Multi-Core Schedulers für Software-Echtzeitsysteme"
Promotion zum Dr.-Ing.

Abstract:

Im Flugzeug und im Automobil werden dem Piloten bzw. dem Fahrer immer mehr softwarebasierte Funktionen zur Verfügung gestellt. Dieser stetige Anstieg an Softwarefunktionen resultiert in einer steigenden Anzahl an dafür benötigten Steuergeräten. Als Kostenreduktion werden bereits heute Multicore-Prozessoren verwendet, auf welchen anschließend die entsprechenden Funktionen integriert (Hochintegration) werden. Um den Nutzungsgrad eines Multicore-Prozessors weiter zu verbessern, ist eine Alternative zu den bislang statisch konfigurierten Softwaresystemen erforderlich. Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit, bildet die Überlegung, dass viele Zusatzfunktionen während der Fahrt oder dem Flug nur phasenweise aktiv sind.
Diese Arbeit beschreibt ein Konzept eines zur Laufzeit rekonfigurierbares Softwaresystem für Multicore-Embedded-Steuergeräte und dessen Referenzimplementierung. Durch die Berücksichtigung der phasenabhängigen Rechenzeit der ausgeführten Funktionen kann durch das beschriebene Konzept der Nutzungsgrad der Rechenleistung von hochintegrierten Steuergeräten weiter gesteigert werden.