Forschungsschwerpunkt "Verteilte und mobile Applikationen" (bis 2021)

Die allgemeine Zielsetzung des Forschungsschwerpunkts ist die Stärkung des Themenfeldes "Verteilte und mobile Applikationen" in Lehre, Forschung und Entwicklung an der TH Köln. Der Schwerpunkt ist ein Zusammenschluss von Professoren unterschiedlicher Fachgebiete, die dieses Themenfeld gemeinsam bearbeiten wollen und folgende nicht-technische Ziele mit ihm verbinden:

• Erstellung von wissenschaftlichen Publikationen
• Einwerbung von Drittmitteln aus öffentlichen Quellen
• Aufbau von Industrie-Kooperationen
• Unterstützung der Masterstudiengänge "Technische Informatik", "Communications Systems and Networks" und "Mechatronik"
• Darstellung der Leistungsfähigkeit und der Kompetenz der TH Köln

Die speziellen technischen Zielsetzungen des Forschungsschwerpunktes umfassen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in den folgenden Bereichen:

• Prototypen autonomer Fahrzeuge für den Innenbereich von Gebäuden
• Verifikationssysteme für Softwarekomponenten in verteilten Systemen
• Sicherheitsmodule in mobilen Systemen
• Peer-To-Peer-Kommunikation und -Kooperation zwischen heterogenen mobilen Plattformen
• Quality of Service für verteilte multimediale Anwendungen, insbesondere Video on Demand

Die Entwicklung von Informationssystemen in einem mobilen und verteilten Systemkontext verlangt nach speziellen, auf den mobilen und verteilten Einsatz angepassten Modellen und Methoden im Hinblick auf die Architektur, das Design und die Implementierung. Dieses Arbeitsgebiet fokussiert bei der Entwicklung von mobilen und verteilten Informationssystemen auf die Schwerpunkte Sicherheit, Testautomatisierung und Wissensrepräsentation.

Sicherheit von mobilen Geräten und Sicherheitsmodule
In verteilten Architekturen spielen die Sicherheitsziele Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit aufgrund der vielfältigen Bedrohungen eine besondere Rolle. Es soll untersucht werden, ob sich die bekannten Verfahren (wie Zugriffskontrolle, Verschlüsselung der Daten und Transportsicherung mit SSL/TLS) für mobile Systeme eignen bzw. welche speziellen Maßnahmen erforderlich sind. Die Arbeiten in diesem Teilbereich umfassen:

• Analyse der Sicherheitsbedrohungen, Risikoanalyse und Entwicklung von Sicherheitsmaßnahmen für Smartphones, PDAs und Laptops
• Der Einsatz von Sicherheitsmodulen (Smart Cards, USB-Token, MMC / SD / Mobile Security Cards) für mobile Geräte
• Software für Mobiltelefone mit NFC-Technologie und Einbindung von RFID Transpondern, Lesegeräten und Hintergrundsystemen

Testautomatisierung für verteilte und mobile Systeme
Es soll für die Verifikation verteilter und mobiler Systeme eine durchgängige Testautomatisierung entwickelt werden. Hierbei soll auf bestehende und verbreitete Technologien aus dem Bereich der Testfallmodellierung und der automatischen Testausführung zurückgegriffen werden. Die Arbeiten in diesem Teilbereich umfassen:

• Die automatisierte Erstellung von Testfällen in den frühen Phasen der Systementwicklung unter Verwendung des das UML2 Testing Profile.
• Die automatisierte Überführung der Testfälle in ausführbare Testspezifikationen unter Verwendung der Testtechnologie TTCN-3 als Zielsystem.
• Eine speziell auf Web Services ausgerichtete Unterstützung beim Aufbau einer Testumgebung und der Ableitung von Testfall-Fragmenten.

Wissensrepräsentation für verteilte und mobile Systeme
Für eine omnipräsente Informationsverarbeitung spielen zwei Aspekte bei der Entwicklung von Informationssystemen eine wesentliche Rolle: Der Aspekt der Komplexitätsreduktion und der Aspekt der Integrität von Datenbeständen. Die Arbeiten in diesem Teilbereich umfassen:

• Entwicklung geeigneter Mechanismen der Wissensrepräsentation (z.B. kategoriale Klassifikation mit Ontologien) zur Reduktion der Komplexität.
• Sicherung der sachlichen Integritäten von Datenbeständen mit speziellen Wissensrepräsentationsmechanismen.

Für einen Anwendungsbereich (NAPROCHE = Natural Language Proof Checking, maschinelle Verarbeitung natürlich sprachlich formulierter mathematische Beweise) sollen geeignete Wissensrepräsentationsmodelle definiert und mittels XML- und Datenbanktechnologie implementiert werden.

Eingebettete Systeme (ES) zur Informationsverarbeitung sind heutzutage ein wesentlicher Bestandteil von Geräten und Anlagen, sei es zur Erbringung einer komplexen Funktion, zur Steigerung des Komforts bei der Benutzung, der sparsameren Energieverwendung oder der Einbindung in eine übergeordnete Steuerung. Daher werden an ES sehr hohe Anforderungen bezüglich ihrer Fehlerfreiheit, Zuverlässigkeit und Robustheit (Reaktion auf partielle Ausfälle bzw. temporäre Störungen) gestellt. Darüber hinaus ergeben sich neue Anforderungen an ES durch ihren Einsatz in autonom agierenden Systemen, insbesondere für die Orientierung im Raum und das Finden einer sinnvollen Handlungsabfolge. Besonders interessante Beispiele solcher eingebetteten Systeme und Systeme für die Robotik werden in diesem Arbeitsgebiet untersucht:

• die Konstruktion rekonfigurierbarer Steuersysteme in kernphysikalischen Experimenten, insbesondere unter dem Aspekt der Zuverlässigkeit und Robustheit durch Rekonfiguration
• der Einsatz robuster Steuersysteme in Straßenbahnen zur Einbindung in das Verkehrsmanagementsystem
• die Steuerung von autonom agierenden Transport-Robotern, die sich im Innenbereich selbst orientieren z.B. über Funkttechniken und objekterkennende Bildverarbeitung, auf der Basis einer angepassten "Roboter Task Definition Language" unter Berücksichtigung unsicherer Sensordaten
• die Speicherung von Konfigurations- und Umgebungs-Informationen sowie von Mess- und Auswertdaten verschiedenartigster Systeme (z.B. über die automotive-Standards des ASAM)
• die Entwicklung von bildverarbeitungsbasierten, im Produktionsprozess integrierten Inspektionssystemen, wie z.B. die 3D-Vermessung von Stahlsträngen und das Lesen von Klarschrift selbst unter widrigen Umgebungsbedingungen

Die enge Zusammenarbeit mit den Forschern der anderen Arbeitsgebiete stellt dabei sicher, dass neue Erkenntnisse im Bereich mobiler Dienste und neue Verfahren zur Erhöhung der Sicherheit und Korrektheit sowie der Informationsverarbeitung in den o.g. Anwendungsfeldern schnell eingesetzt werden können.

Intelligente Sensoren für industrielle und mobile Anwendungen
Das Aufgabenspektrum für konventionelle Sensorik, wie z.B. taktiler Sensoren, Ultraschall-Sensoren oder laserbasierter PSD-Sensoren ist im Hinblick auf mobile, autonome Systeme oder für spezielle industrielle Anwendungen nicht ausreichend. Abhilfe schaffen hier auf Digitalkameras basierende Sensorsysteme, die aufgrund der rechnergestützten Bildauswertung besonders flexibel sind.

Das Anwendungsspektrum bildgebender Sensoren erstreckt sich hierbei von einfachen Inspektionsaufgaben, wie z.B. die Vollständigkeitskontrolle im Rahmen eines Verpackungsvorgangs, bis hin zur forschungsnahen Entwicklung von Algorithmen zur Schrifterkennung unter Umgebungsbedingungen (z.B. Kfz-Kennzeichung, Stempelschrift auf Strangguss-Oberflächen usw.).

Projekt: "Erkennung von Präge- und Stempelschrift auf metallischen Oberflächen"
Zur Steuerung von komplexen Produktionsprozessen werden in der Metall produzierenden und -verarbeitenden Industrie wie anderswo leistungsfähige Produktplanungs- und Steuerungskonzepte eingesetzt, die durch entsprechende Logistikkonzepte ergänzt werden. Für die Optimierung der logistischen Prozesse nimmt die Bedeutung von Produktkennzeichnungssystemen immer mehr zu, um die stückweise Verfolgung von Einzelprodukten im Produktionsprozess zu gewährleisten. So werden z.B. produzierte Brammen, Vorblöcken, Rundstäbe, etc. durch elektropneumatischen Nadelpräger oder durch einfache Stempelungen mit Identifikationsnummer gekennzeichnet, umso Verwechslungen im Produktionsprozess auszuschließen oder sogar den Prozesse "live" in der Produktionsanlage in Abhängigkeit von individuell ermittelten Materialgüten zusteuern.

Die Kennzeichnung kann im erkalteten sowie im noch glühenden Zustand erfolgen. Jedoch können die oben beschriebenen Kennzeichnungsverfahren teilweise zu ungenauen Prägungen bzw. Stempellungen führen, besonders wenn dies auf noch heißen und glühenden (ca. 950°C) Oberflächen geschieht. Im weiteren Produktionsprozess ist somit eine eindeutige und fehlerfreie Identifikation nicht möglich.

Vor dem Hintergrund, der in der Praxis eingesetzten Kennzeichnungsverfahren, entwickelt zurzeit das Labor für industrielle Bildverarbeitung der TH Köln ein optisches Erkennungssysteme für Präge- und Stempelschriften auf erkalteten und glühenden metallischen Oberflächen.

Mobiltelefone und andere kleine mobile Endgeräte werden immer leistungsfähiger: Immer mehr Dienste, die früher ein Notebook oder einen stationären Computer erforderten, können heute auf "Smartphones" realisiert werden. Besonders interessant für solche mobilen Plattformen sind verteilte Anwendungen, in denen multimediale Daten über die Netze der nächsten Generation ausgetauscht werden. VMD beschäftigt sich mit entsprechenden Softwarelösungen -- "Smart Mobility"-Anwendungen, die unabhängig von Standort und Netzverbindungen eingesetzt werden können. Die Arbeiten in diesem Fachgebiet umfassen:

• die Programmierung und Analyse ("Deep Inspection") verteilter multimedialer Applikationen
• die Realisierung von Werkzeugen zur Performance Evaluation von "Smart Mobility"-Anwendungen
• die Entwicklung von Schnittstellen und Softwarearchitekturen zur Integration heterogener mobiler Plattformen
• die Untersuchung von Netzarchitekturen zur Mobilitätsunterstützung (Media Independent Handover, Roaming, Mobile IPv4, Mobile IPv6)

Zudem sollen die Arbeiten über den Bereich der Mobilgeräte hinaus erweitert werden, indem Expertise aus den kooperierenden Fachgebieten hinzugenommen wird: Es sollen Softwareapplikationen entwickelt werden, in denen mobile Endgeräte und autonome Systeme (z.B. Roboter) kooperieren.

Querschnittsprojekte, die die drei Arbeitsgebiete miteinander verknüpfen, werden in  folgenden gemeinsamen Bereichen durchgeführt :

• Neue Methoden der Softwaretechnik für regelungstechnische Anwendungen
• Wissensrepräsentation und Robotik
• Entwurf und Verifikation von verteilten mobilen Anwendungen
• Sichere Verfügbarkeit und Robustheit von Systemen ("Resilient Systems")