Cyber-Infrastrukturen

Simulationsprozesse verknüpfen

Simulationen kommen nicht ohne Informatik aus. So kann es große Vorteile haben, Simulationsprozesse mithilfe geeigneter Softwarewerkezuge zu automatisieren. Eine Vielzahl von Herausforderungen lösen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus PN 6 insbesondere bei domänenübergreifenden Mehrskalenproblemen. Die Informatikerinnen und Informatiker integrieren beispielsweise vormals isolierte Softwarekomponenten aus verschiedenen wissenschaftlichen Domänen in Simulationsprozessen. So sollen verschiedene Simulationen verknüpft und ihre integrierte Ausführung ermöglicht werden.

In PN6 werden Konzepte und Technologien zur Unterstützung von Simulationen aus Sicht der Informatik erarbeitet, angewandt und validiert. Ein Fokus liegt hierbei auf der Automatisierung von Simulationsprozessen mit Hilfe geeigneter Softwarewerkzeuge. Insbesondere bei der Simulation von domänenübergreifenden und Mehrskalenproblemen ist eine Vielzahl an Herausforderungen zu lösen. So müssen beispielsweise vormals isolierte Softwarekomponenten aus verschiedenen wissenschaftlichen Domänen mithilfe geeigneter Konzepte aus der Informatik in Simulationsprozessen integriert werden, um verknüpfte Simulationen sowie einen integrierten Ansatz für deren Ausführung zu ermöglichen. Ebenso müssen heterogene und teilweise inkompatible Anforderungen an die Ausführungsumgebung sowie an die zugrundeliegenden Daten der verknüpften Simulationsanwendungen berücksichtigt werden. Neben den Integrationsaspekten ist eine benutzerfreundliche Modellierung der verknüpften Simulationen als Abfolge von (automatisierbaren) Schritten von Bedeutung. Weiterhin müssen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei der Ausführung, Überwachung und Steuerung der verknüpften Simulationen durch entsprechende Konzepte und Prototypen unterstützt werden.

Simulationsprozesse und Simulationsdaten verstehen

Eine andere Forschungsperspektive bietet das Themenfeld der Analyse von Korrelationen in Simulationsdaten. Durch die zunehmende Komplexität sowie durch Unsicherheiten in Simulationsdaten ist es von zentraler Bedeutung, die Zusammenhänge und Einflüsse von Eingabedaten, Parametern oder sogar einzelnen Schritten des Simulationsprozesses auf die Ergebnisse einer Simulation zu verstehen. PN6 entwickelt in diesem Bereich neuartige und ausgefeilte Techniken, um verschiedenste solcher Zusammenhänge über mehrere Simulationsausführungen hinweg zu analysieren. Diese Techniken reichen von der visuellen Erforschung von Mehrskalen-Datensätzen bis hin zu umfassenden Analysealgorithmen, z.B. aus dem Bereich des Maschinellen Lernens. Die damit gewonnen Erkenntnisse helfen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, ihre Simulationen, besser zu verstehen, insbesondere wie einzelne Aspekte deren Ergebnisse und Datenqualität beeinflussen. Weiterhin sollen die entwickelten Techniken zur Datenanalyse Vorhersagen ermöglichen, wie sich in zukünftigen Simulationen bestimmte Änderungen von Eingabeparametern, Eingabedaten oder Prozessschritten auf das Simulationsergebnis auswirken.

Simulationen effizient ausführen

Viele Simulationen benötigen für ihre Ausführung enorme Rechenressourcen, werden aber, vor allem in der Forschung, meist nur sehr unregelmäßig ausgeführt. Dies führt zu einer ungleichen Auslastung wertvoller Serverkapazitäten. PN6 entwickelt daher Lösungen, mit denen komplexe Simulationen automatisch in Cloud Umgebungen bereitgestellt und ausgeführt werden können. Ein wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes ist es, dass Cloud Umgebungen jederzeit und kurzfristig nahezu unbegrenzte Rechenressourcen zur Verfügung stellen können. Die Abrechnung dieser Ressourcen erfolgt nutzungsbasiert. Cloud Computing erlaubt es somit, Rechenressourcen genau dann zu nutzen wenn sie benötigt werden und auch nur genau für diese Nutzung zu bezahlen. Eine große Herausforderung, die in diesem Zusammenhang gelöst werden muss, besteht darin, die oftmals komplexen Cloud Technologien so nutzbar zu machen, dass sie auch von Wissenschaftlern außerhalb der Informatik einfach und effizient verwendet werden können.

Simulationen als allgegenwärtige Assistenten

Heute schon helfen Simulationen durch Vorhersagen bessere Entscheidungen zu treffen. Um solche Entscheidungshilfen in neuen Anwendungen zu ermöglichen untersuchen wir in PN6, wie man Simulationen allgegenwärtig und mobil verfügbar machen kann. Simulationen nicht nur auf klassischen Servern oder in der Cloud auszuführen, sondern auch auf mobilen Geräten (wie beispielsweise Smartphones oder modernen Datenbrillen), ist jedoch keine triviale Aufgabe, vor allem in Bezug auf die Genauigkeit des Simulationsmodells und die Qualität der Daten, die dynamisch integriert werden müssen. Zusätzlich muss das Nutzerverhalten und die Interaktion der Nutzer mit den Geräten im Rahmen von Nutzerstudien untersucht werden. Auch der Bereich der Mensch-Computer-Interaktion trägt daher zu PN 6 bei.

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6-1
Modelling of Multi-Scale and Multi-Physics Simulations

Projektleitung: Prof. Dr. Frank Leymann
Mitarbeiter: Andreas Weiß
Institut für Architektur von Anwendungssystemen

6-2
Execution of Multi-Scale and Multi-Physcis Simulations

Projektleitung: Prof. Dr. Frank Leymann
Mitarbeiter: Michael Hahn
Institut für Architektur von Anwendungssystemen

6-3
Bootware: Efficient Execution of Uncertain Computations

Projektleitung: Prof. Dr. Frank Leymann
Mitarbeiterin: Karolina Vukojevic
Institut für Architektur von Anwendungssystemen

6-4
Datenbereitstellung für datengetriebene und ubiquitäre Simulationen

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Mitschang
Mitarbeiter: Peter Reimann
Institut für Paralelle und Verteilte Systeme

6-5
Utilizing Networked Mobile Devices for Scientific Simulations
Projektleitung: Prof. Dr. Kurt Rothermel
Mitarbeiter: Christoph Dibak
Institut für Paralelle und Verteilte Systeme

6-6
Interactive Visual Analysis of Big Simulation Data
Projektleitung: Prof. Dr. Daniel Weiskopf
Mitarbeiter: Hansjörg Schmauder
Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme

6-7 (beendet)
Natural Interaction with Ubiquitous Simulation Systems
Projektleitung: Prof. Dr. Albrecht Schmidt
Mitarbeiter: Lars Lischke
Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme

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