TY - THES A1 - Schröter, Alexander T1 - Erstellung und Evaluation eines Fragebogens zur Erfassung von komplexen Interaktionssituationen in Software-Entwicklungsprojekten T1 - Creation and evaluation of a questionnaire for recording complex interaction situations in software development projects N2 - Die fortschreitende Digitalisierung durchzieht immer mehr Lebensbereiche und führt zu immer komplexeren sozio-technischen Systemen. Obwohl diese Systeme zur Lebenserleichterung entwickelt werden, können auch unerwünschte Nebeneffekte entstehen. Ein solcher Nebeneffekt könnte z.B. die Datennutzung aus Fitness-Apps für nachteilige Versicherungsentscheidungen sein. Diese Nebeneffekte manifestieren sich auf allen Ebenen zwischen Individuum und Gesellschaft. Systeme mit zuvor unerwarteten Nebeneffekten können zu sinkender Akzeptanz oder einem Verlust von Vertrauen führen. Da solche Nebeneffekte oft erst im Gebrauch in Erscheinung treten, bedarf es einer besonderen Betrachtung bereits im Konstruktionsprozess. Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag geleistet werden, um den Konstruktionsprozess um ein geeignetes Hilfsmittel zur systematischen Reflexion zu ergänzen. In vorliegender Arbeit wurde ein Analysetool zur Identifikation und Analyse komplexer Interaktionssituationen in Software-Entwicklungsprojekten entwickelt. Komplexe Interaktionssituationen sind von hoher Dynamik geprägt, aus der eine Unvorhersehbarkeit der Ursache-Wirkungs-Beziehungen folgt. Hierdurch können die Akteur*innen die Auswirkungen der eigenen Handlungen nicht mehr überblicken, sondern lediglich im Nachhinein rekonstruieren. Hieraus können sich fehlerhafte Interaktionsverläufe auf vielfältigen Ebenen ergeben und oben genannte Nebeneffekte entstehen. Das Analysetool unterstützt die Konstrukteur*innen in jeder Phase der Entwicklung durch eine angeleitete Reflexion, um potenziell komplexe Interaktionssituationen zu antizipieren und ihnen durch Analyse der möglichen Ursachen der Komplexitätswahrnehmung zu begegnen. Ausgehend von der Definition für Interaktionskomplexität wurden Item-Indikatoren zur Erfassung komplexer Interaktionssituationen entwickelt, die dann anhand von geeigneten Kriterien für Komplexität analysiert werden. Das Analysetool ist als „Do-It-Yourself“ Fragebogen mit eigenständiger Auswertung aufgebaut. Die Genese des Fragebogens und die Ergebnisse der durchgeführten Evaluation an fünf Softwarentwickler*innen werden dargestellt. Es konnte festgestellt werden, dass das Analysetool bei den Befragten als anwendbar, effektiv und hilfreich wahrgenommen wurde und damit eine hohe Akzeptanz bei der Zielgruppe genießt. Dieser Befund unterstützt die gute Einbindung des Analysetools in den Software-Entwicklungsprozess. N2 - Advancing digitalization is permeating more and more areas of life and leading to increasingly complex socio-technical systems. Although these systems are being developed to make life easier, undesirable side effects can also arise. One such side effect could be, for example, the use of data from fitness apps for adverse insurance decisions. These side effects manifest themselves at all levels between the individual and society. Systems with previously unexpected side effects can lead to a decline in acceptance or a loss of trust. Since such side effects often only become apparent during use, special consideration is required during the design process. This work is intended to make a contribution to supplementing the design process with a suitable tool for systematic reflection. In this thesis, an analysis tool was developed to identify and analyze complex interaction situations in software development projects. Complex interaction situations are characterized by high dynamics, resulting in unpredictability of cause-effect relationships. As a result, the actors are no longer able to oversee the effects of their own actions, but can only reconstruct them in retrospect. This can result in incorrect interaction processes on many levels and the side effects mentioned above. The analysis tool supports the designers in each phase of development through guided reflection in order to anticipate potentially complex interaction situations and to counter them by analyzing the possible causes of the perception of complexity. Based on the definition of interaction complexity, item indicators were developed to capture complex interaction situations, which are then analyzed using suitable criteria for complexity. The analysis tool is structured as a "do-it-yourself" questionnaire with independent evaluation. The genesis of the questionnaire and the results of the evaluation carried out on five software developers are presented. It was found that the analysis tool was perceived by the respondents as applicable, effective and helpful and thus enjoys a high level of acceptance among the target group. This finding supports the good integration of the analysis tool into the software development process. KW - Komplexität KW - sozio-technisches System KW - Softwareentwicklung KW - Mensch-Technik-Interaktion KW - Methodik KW - complexity KW - socio-technical system KW - software development KW - human-technology interaction KW - methodology Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-631873 ER - TY - THES A1 - Ziemann, Felix T1 - Entwicklung und Evaluation einer prototypischen Lernumgebung für das systematische Debugging logischer Fehler in Quellcode T1 - Development and evaluation of a prototype learning environment designed for the systematic debugging of logical errors in source code N2 - Wo programmiert wird, da passieren Fehler. Um das Debugging, also die Suche sowie die Behebung von Fehlern in Quellcode, stärker explizit zu adressieren, verfolgt die vorliegende Arbeit das Ziel, entlang einer prototypischen Lernumgebung sowohl ein systematisches Vorgehen während des Debuggings zu vermitteln als auch Gestaltungsfolgerungen für ebensolche Lernumgebungen zu identifizieren. Dazu wird die folgende Forschungsfrage gestellt: Wie verhalten sich die Lernenden während des kurzzeitigen Gebrauchs einer Lernumgebung nach dem Cognitive Apprenticeship-Ansatz mit dem Ziel der expliziten Vermittlung eines systematischen Debuggingvorgehens und welche Eindrücke entstehen während der Bearbeitung? Zur Beantwortung dieser Forschungsfrage wurde orientierend an literaturbasierten Implikationen für die Vermittlung von Debugging und (medien-)didaktischen Gestaltungsaspekten eine prototypische Lernumgebung entwickelt und im Rahmen einer qualitativen Nutzerstudie mit Bachelorstudierenden informatischer Studiengänge erprobt. Hierbei wurden zum einen anwendungsbezogene Verbesserungspotenziale identifiziert. Zum anderen zeigte sich insbesondere gegenüber der Systematisierung des Debuggingprozesses innerhalb der Aufgabenbearbeitung eine positive Resonanz. Eine Untersuchung, inwieweit sich die Nutzung der Lernumgebung längerfristig auf das Verhalten von Personen und ihre Vorgehensweisen während des Debuggings auswirkt, könnte Gegenstand kommender Arbeiten sein. N2 - Errors are inevitable in programming, making effective debugging crucial in software development. This study aims to develop a prototype learning environment that teaches a systematic approach to debugging while identifying design conclusions for such learning environments. The research question asks: How do learners behave during short-term use of a learning environment according to the Cognitive Apprenticeship approach, with the explicit aim of teaching a systematic debugging procedure, and what impressions arise during processing? A prototype learning environment was developed and tested in a qualitative user study with undergraduate students of computer science. The results reveal potential for improvement in the application-related aspects of the learning environment, alongside a positive response to the systematic approach to the debugging process during task processing. Future work could further investigate the long-term effects of such learning environments on debugging behavior. KW - Debugging KW - systematisch KW - Lernumgebung KW - Prototyp KW - logische Fehler KW - Cognitive Apprenticeship KW - Konstruktivismus KW - lautes Denken KW - debugging KW - systematic KW - learning environment KW - prototype KW - logical errors KW - cognitive apprenticeship KW - constructivism KW - think aloud Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-632734 ER - TY - THES A1 - Repp, Leo T1 - Extending the automatic theorem prover nanoCoP with arithmetic procedures T1 - Erweiterung des automatischen Theorembeweisers nanoCoP um Arithmetik und Gleichheit behandelnde Verfahren N2 - In dieser Bachelorarbeit implementiere ich den automatischen Theorembeweiser nanoCoP-Ω. Es handelt sich bei diesem neuen System um das Ergebnis einer Portierung von Arithmetik-behandelnden Prozeduren aus dem automatischen Theorembeweiser mit Arithmetik leanCoP-Ω in das System nanoCoP 2.0. Dazu wird zuerst der mathematische Hintergrund zu automatischen Theorembeweisern und Arithmetik gegeben. Ich stelle die Vorgängerprojekte leanCoP, nanoCoP und leanCoP-Ω vor, auf dessen Vorlage nanoCoP-Ω entwickelt wurde. Es folgt eine ausführliche Erklärung der Konzepte, um welche der nicht-klausale Konnektionskalkül erweitert werden muss, um eine Behandlung von arithmetischen Ausdrücken und Gleichheiten in den Kalkül zu integrieren, sowie eine Beschreibung der Implementierung dieser Konzepte in nanoCoP-Ω. Als letztes folgt eine experimentelle Evaluation von nanoCoP-Ω. Es wurde ein ausführlicher Vergleich von Laufzeit und Anzahl gelöster Probleme im Vergleich zum ähnlich aufgebauten Theorembeweiser leanCoP-Ω auf Basis der TPTP-Benchmark durchgeführt. Ich komme zu dem Ergebnis, dass nanoCoP-Ω deutlich schneller ist als leanCoP-Ω ist, jedoch weniger gut geeignet für größere Probleme. Zudem konnte ich feststellen, dass nanoCoP-Ω falsche Beweise liefern kann. Ich bespreche, wie dieses Problem gelöst werden kann, sowie einige mögliche Optimierungen und Erweiterungen des Beweissystems. N2 - In this bachelor’s thesis I implement the automatic theorem prover nanoCoP-Ω. This system is the result of porting arithmetic and equality handling procedures first introduced in the automatic theorem prover with arithmetic leanCoP-Ω into the similar system nanoCoP 2.0. To understand these procedures, I first introduce the mathematical background to both automatic theorem proving and arithmetic expressions. I present the predecessor projects leanCoP, nanoCoP and leanCoP-Ω, out of which nanCoP-Ω was developed. This is followed by an extensive description of the concepts the non-clausal connection calculus needed to be extended by, to allow for proving arithmetic expressions and equalities, as well as of their implementation into nanoCoP-Ω. An extensive comparison between both the runtimes and the number of solved problems of the systems nanoCoP-Ω and leanCoP-Ω was made. I come to the conclusion, that nanoCoP-Ω is considerably faster than leanCoP-Ω for small problems, though less well suited for larger problems. Additionally, I was able to construct a non-theorem that nanoCoP-Ω generates a false proof for. I discuss how this pressing issue could be resolved, as well as some possible optimizations and expansions of the system. KW - automatic theorem prover KW - leanCoP KW - connection calculus KW - tptp KW - arithmetic procedures KW - equality KW - omega KW - arithmethische Prozeduren KW - automatisierter Theorembeweiser KW - Konnektionskalkül KW - Gleichheit KW - leanCoP KW - Omega KW - TPTP Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-576195 ER - TY - THES A1 - Kaminski, Roland T1 - Complex reasoning with answer set programming N2 - Answer Set Programming (ASP) allows us to address knowledge-intensive search and optimization problems in a declarative way due to its integrated modeling, grounding, and solving workflow. A problem is modeled using a rule based language and then grounded and solved. Solving results in a set of stable models that correspond to solutions of the modeled problem. In this thesis, we present the design and implementation of the clingo system---perhaps, the most widely used ASP system. It features a rich modeling language originating from the field of knowledge representation and reasoning, efficient grounding algorithms based on database evaluation techniques, and high performance solving algorithms based on Boolean satisfiability (SAT) solving technology. The contributions of this thesis lie in the design of the modeling language, the design and implementation of the grounding algorithms, and the design and implementation of an Application Programmable Interface (API) facilitating the use of ASP in real world applications and the implementation of complex forms of reasoning beyond the traditional ASP workflow. KW - Answer Set Programming KW - Declarative Problem Solving KW - Grounding Theory KW - Preference Handling KW - Answer Set Solving modulo Theories KW - Temporal Answer Set Solving Y1 - 2023 ER - TY - CHAP A1 - Desel, Jörg A1 - Opel, Simone A1 - Siegeris, Juliane A1 - Draude, Claude A1 - Weber, Gerhard A1 - Schell, Timon A1 - Schwill, Andreas A1 - Thorbrügge, Carsten A1 - Schäfer, Len Ole A1 - Netzer, Cajus Marian A1 - Gerstenberger, Dietrich A1 - Winkelnkemper, Felix A1 - Schulte, Carsten A1 - Böttcher, Axel A1 - Thurner, Veronika A1 - Häfner, Tanja A1 - Ottinger, Sarah A1 - Große-Bölting, Gregor A1 - Scheppach, Lukas A1 - Mühling, Andreas A1 - Baberowski, David A1 - Leonhardt, Thiemo A1 - Rentsch, Susanne A1 - Bergner, Nadine A1 - Bonorden, Leif A1 - Stemme, Jonas A1 - Hoppe, Uwe A1 - Weicker, Karsten A1 - Bender, Esther A1 - Barbas, Helena A1 - Hamann, Fabian A1 - Soll, Marcus A1 - Sitzmann, Daniel ED - Desel, Jörg ED - Opel, Simone ED - Siegeris, Juliane T1 - Hochschuldidaktik Informatik HDI 2021 BT - 9. Fachtagung des GI-Fachbereichs Informatik und Ausbildung/Didaktik der Informatik 15.–16. September 2021 in Dortmund T2 - Commentarii informaticae didacticae N2 - Die Fachtagungen HDI (Hochschuldidaktik Informatik) beschäftigen sich mit den unterschiedlichen Aspekten informatischer Bildung im Hochschulbereich. Neben den allgemeinen Themen wie verschiedenen Lehr- und Lernformen, dem Einsatz von Informatiksystemen in der Hochschullehre oder Fragen der Gewinnung von geeigneten Studierenden, deren Kompetenzerwerb oder auch der Betreuung der Studierenden widmet sich die HDI immer auch einem Schwerpunktthema. Im Jahr 2021 war dies die Berücksichtigung von Diversität in der Lehre. Diskutiert wurden beispielsweise die Einbeziehung von besonderen fachlichen und überfachlichen Kompetenzen Studierender, der Unterstützung von Durchlässigkeit aus nichtakademischen Berufen, aber auch die Gestaltung inklusiver Lehr- und Lernszenarios, Aspekte des Lebenslangen Lernens oder sich an die Diversität von Studierenden adaptierte oder adaptierende Lehrsysteme. Dieser Band enthält ausgewählte Beiträge der 9. Fachtagung 2021, die in besonderer Weise die Konferenz und die dort diskutierten Themen repräsentieren. T3 - Commentarii informaticae didacticae (CID) - 13 KW - Hochschuldidaktik KW - Informatikdidaktik KW - HDI KW - Hochschullehre KW - digitale Hochschullehre KW - Diversität KW - Heterogenität KW - Lebenslanges Lernen KW - Informatikstudium KW - Didaktische Konzepte KW - Assessment Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-565070 SN - 978-3-86956-548-4 SN - 1868-0844 SN - 2191-1940 IS - 13 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Schulz-Hanke, Christian T1 - BCH Codes mit kombinierter Korrektur und Erkennung T1 - BCH codes with combined error correction and detection N2 - BCH Codes mit kombinierter Korrektur und Erkennung In dieser Arbeit wird auf Grundlage des BCH Codes untersucht, wie eine Fehlerkorrektur mit einer Erkennung höherer Fehleranzahlen kombiniert werden kann. Mit dem Verfahren der 1-Bit Korrektur mit zusätzlicher Erkennung höherer Fehler wurde ein Ansatz entwickelt, welcher die Erkennung zusätzlicher Fehler durch das parallele Lösen einfacher Gleichungen der Form s_x = s_1^x durchführt. Die Anzahl dieser Gleichungen ist linear zu der Anzahl der zu überprüfenden höheren Fehler. In dieser Arbeit wurde zusätzlich für bis zu 4-Bit Korrekturen mit zusätzlicher Erkennung höherer Fehler ein weiterer allgemeiner Ansatz vorgestellt. Dabei werden parallel für alle korrigierbaren Fehleranzahlen spekulative Fehlerkorrekturen durchgeführt. Aus den bestimmten Fehlerstellen werden spekulative Syndromkomponenten erzeugt, durch welche die Fehlerstellen bestätigt und höhere erkennbare Fehleranzahlen ausgeschlossen werden können. Die vorgestellten Ansätze unterscheiden sich von dem in entwickelten Ansatz, bei welchem die Anzahl der Fehlerstellen durch die Berechnung von Determinanten in absteigender Reihenfolge berechnet wird, bis die erste Determinante 0 bildet. Bei dem bekannten Verfahren ist durch die Berechnung der Determinanten eine faktorielle Anzahl an Berechnungen in Relation zu der Anzahl zu überprüfender Fehler durchzuführen. Im Vergleich zu dem bekannten sequentiellen Verfahrens nach Berlekamp Massey besitzen die Berechnungen im vorgestellten Ansatz simple Gleichungen und können parallel durchgeführt werden.Bei dem bekannten Verfahren zur parallelen Korrektur von 4-Bit Fehlern ist eine Gleichung vierten Grades im GF(2^m) zu lösen. Dies erfolgt, indem eine Hilfsgleichung dritten Grades und vier Gleichungen zweiten Grades parallel gelöst werden. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass sich eine Gleichung zweiten Grades einsparen lässt, wodurch sich eine Vereinfachung der Hardware bei einer parallelen Realisierung der 4-Bit Korrektur ergibt. Die erzielten Ergebnisse wurden durch umfangreiche Simulationen in Software und Hardwareimplementierungen überprüft. N2 - Based on the BCH code, this thesis investigates how an BCH error correction approach can be combined with an additional detection of higher numbers of errors. With the method of 1-bit correction with additional detection of higher errors, an approach is developed that performs the additional detection of higher errors by solving simple equations of the form s_x = s_1^x in parallel. The number of these equations is in a linear relationship to the number of higher errors to be checked. In this thesis, a generalization for such an approach is presented for up to 4-bit correction with additional detection of higher errors. Therefore, a speculative error correction is carried out in parallel fashion for each correctable error count. For each of the generated speculative error positions, a speculative syndrome is generated, which can be used to confirm the error positions and exclude detectable errors of higher number. The presented approach differs from the approach developed in, in which the number of errors is determined by calculating specific determinants in descending order until the first determinant is 0. In the well-known method, the calculation of the determinants involves performing a factorial number of calculations in relation to the number of errors to be checked. Compared to the well-known sequential method according to Berlekamp Massey, the calculations in the presented approach can be performed by solving simple equations and can be carried out in parallel. In the well-known method for parallel correction of 4-bit errors, an equation of fourth degree in the GF(2^m) has to be solved. This is done by solving a third-degree auxiliary equation and four second-degree equations in parallel. In the present thesis it was shown that a second-degree equation can be saved, resulting in a simplification of the hardware for a parallel realization of the 4-bit correction. The results obtained were verified by extensive simulations in software and hardware implementations. KW - Code KW - BCH KW - Fehlerkorrektur KW - Fehlererkennung KW - linearer Code KW - BCH KW - code KW - error correction KW - error detection KW - linear code Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-617943 ER - TY - THES A1 - Middelanis, Robin T1 - Global response to local extremes—a storyline approach on economic loss propagation from weather extremes T1 - Globale Reaktion auf lokale Extreme — ein Storyline-Ansatz zu ökonomischer Schadensausbreitung aufgrund von Wetterextremen N2 - Due to anthropogenic greenhouse gas emissions, Earth’s average surface temperature is steadily increasing. As a consequence, many weather extremes are likely to become more frequent and intense. This poses a threat to natural and human systems, with local impacts capable of destroying exposed assets and infrastructure, and disrupting economic and societal activity. Yet, these effects are not locally confined to the directly affected regions, as they can trigger indirect economic repercussions through loss propagation along supply chains. As a result, local extremes yield a potentially global economic response. To build economic resilience and design effective adaptation measures that mitigate adverse socio-economic impacts of ongoing climate change, it is crucial to gain a comprehensive understanding of indirect impacts and the underlying economic mechanisms. Presenting six articles in this thesis, I contribute towards this understanding. To this end, I expand on local impacts under current and future climate, the resulting global economic response, as well as the methods and tools to analyze this response. Starting with a traditional assessment of weather extremes under climate change, the first article investigates extreme snowfall in the Northern Hemisphere until the end of the century. Analyzing an ensemble of global climate model projections reveals an increase of the most extreme snowfall, while mean snowfall decreases. Assessing repercussions beyond local impacts, I employ numerical simulations to compute indirect economic effects from weather extremes with the numerical agent-based shock propagation model Acclimate. This model is used in conjunction with the recently emerged storyline framework, which involves analyzing the impacts of a particular reference extreme event and comparing them to impacts in plausible counterfactual scenarios under various climate or socio-economic conditions. Using this approach, I introduce three primary storylines that shed light on the complex mechanisms underlying economic loss propagation. In the second and third articles of this thesis, I analyze storylines for the historical Hurricanes Sandy (2012) and Harvey (2017) in the USA. For this, I first estimate local economic output losses and then simulate the resulting global economic response with Acclimate. The storyline for Hurricane Sandy thereby focuses on global consumption price anomalies and the resulting changes in consumption. I find that the local economic disruption leads to a global wave-like economic price ripple, with upstream effects propagating in the supplier direction and downstream effects in the buyer direction. Initially, an upstream demand reduction causes consumption price decreases, followed by a downstream supply shortage and increasing prices, before the anomalies decay in a normalization phase. A dominant upstream or downstream effect leads to net consumption gains or losses of a region, respectively. Moreover, I demonstrate that a longer direct economic shock intensifies the downstream effect for many regions, leading to an overall consumption loss. The third article of my thesis builds upon the developed loss estimation method by incorporating projections to future global warming levels. I use these projections to explore how the global production response to Hurricane Harvey would change under further increased global warming. The results show that, while the USA is able to nationally offset direct losses in the reference configuration, other countries have to compensate for increasing shares of counterfactual future losses. This compensation is mainly achieved by large exporting countries, but gradually shifts towards smaller regions. These findings not only highlight the economy’s ability to flexibly mitigate disaster losses to a certain extent, but also reveal the vulnerability and economic disadvantage of regions that are exposed to extreme weather events. The storyline in the fourth article of my thesis investigates the interaction between global economic stress and the propagation of losses from weather extremes. I examine indirect impacts of weather extremes — tropical cyclones, heat stress, and river floods — worldwide under two different economic conditions: an unstressed economy and a globally stressed economy, as seen during the Covid-19 pandemic. I demonstrate that the adverse effects of weather extremes on global consumption are strongly amplified when the economy is under stress. Specifically, consumption losses in the USA and China double and triple, respectively, due to the global economy’s decreased capacity for disaster loss compensation. An aggravated scarcity intensifies the price response, causing consumption losses to increase. Advancing on the methods and tools used here, the final two articles in my thesis extend the agent-based model Acclimate and formalize the storyline approach. With the model extension described in the fifth article, regional consumers make rational choices on the goods bought such that their utility is maximized under a constrained budget. In an out-of-equilibrium economy, these rational consumers are shown to temporarily increase consumption of certain goods in spite of rising prices. The sixth article of my thesis proposes a formalization of the storyline framework, drawing on multiple studies including storylines presented in this thesis. The proposed guideline defines eight central elements that can be used to construct a storyline. Overall, this thesis contributes towards a better understanding of economic repercussions of weather extremes. It achieves this by providing assessments of local direct impacts, highlighting mechanisms and impacts of loss propagation, and advancing on methods and tools used. N2 - Mit dem kontinuierlichen Anstieg der globalen Mitteltemperatur aufgrund anthropogener Treibhausgasemissionen kann die Intensität und Häufigkeit vieler Wetterextreme zunehmen. Diese haben das Potential sowohl natürliche als auch menschliche Systeme stark zu beeinträchtigen. So hat die Zerstörung von Vermögenswerten und Infrastruktur sowie die Unterbrechung gesellschaftlicher und ökonomischer Abläufe oft negative wirtschaftliche Konsequenzen für direkt betroffene Regionen. Die Auswirkungen sind jedoch nicht lokal begrenzt, sondern können sich entlang von Lieferketten ausbreiten und somit auch indirekte Folgen in anderen Regionen haben – bis hin zu einer potenziell globalen wirtschaftlichen Reaktion. Daher sind Strategien zur Anpassung an veränderliche Klimabedingungen notwendig, um die Resilienz globaler Handelsketten zu stärken und dadurch negative sozioökonomische Folgen abzumildern. Hierfür ist ein besseres Verständnis lokaler Auswirkungen sowie ökonomischer Mechanismen zur Schadensausbreitung und deren Folgen erforderlich. Die vorliegende Dissertation umfasst insgesamt sechs Artikel, die zu diesem Verständnis beitragen. In diesen Studien werden zunächst lokale Auswirkungen von Wetterextremen unter gegenwärtigen und zukünftigen klimatischen Bedingungen untersucht. Weiterhin werden die globalen wirtschaftlichen Auswirkungen lokaler Wetterextreme sowie die darunterliegenden ökonomischen Effekte analysiert. In diesem Zusammenhang trägt diese Arbeit ferner zu der Weiterentwicklung der verwendeten Methoden und Ansätze bei. Der erste Artikel widmet sich zunächst der Betrachtung von extremem Schneefall in der nördlichen Hemisphäre unter dem Einfluss des Klimawandels. Zu diesem Zweck wird ein Ensemble von Projektionen globaler Klimamodelle bis zum Ende des Jahrhunderts analysiert. Die Projektionen zeigen dabei eine Verstärkung von extremen Schneefallereignissen, während die mittlere Schneefallintensität abnimmt. Um indirekte Auswirkungen von Wetterextremen zu erforschen, wird weiterhin das numerische agentenbasierte Modell Acclimate verwendet, welches die Ausbreitung ökonomischer Verlustkaskaden im globalen Versorgungsnetzwerk simuliert. In mehreren sogenannten Storylines werden die Auswirkungen eines historischen Referenzereignisses analysiert und mit den potentiellen Auswirkungen dieses Ereignisses unter plausiblen alternativen klimatischen oder sozioökonomischen Bedingungen verglichen. In dieser Dissertation werden drei zentrale Storylines vorgestellt, die jeweils unterschiedliche Aspekte der Schadensausbreitung von Wetterextremen untersuchen. Im zweiten und dritten Artikel dieser Arbeit werden dazu Storylines für die historischen Hurrikane Sandy (2012) und Harvey (2017) in den USA untersucht. Hierfür werden zunächst die lokalen ökonomischen Verluste durch diese Hurrikane ermittelt, welche als direkte wirtschaftliche Schockereignisse in Acclimate zur Berechnung der globalen Reaktion verwendet werden. Hierbei untersucht die Studie zu Hurricane Sandy globale Konsumpreisanomalien und damit einhergehende Auswirkungen auf das Konsumverhalten. Der direkte Schock löst hier eine wellenartige Veränderung globaler Konsumpreise mit drei Phasen aus, welche aus gegenläufigen Effekte aufwärts und abwärts der Lieferketten resultiert – sogenannten Upstream- und Downstream-Effekten. Zunächst steigt der Konsum aufgrund sinkender Preise durch Upstream-Effekte, bevor Preise aufgrund von Güterknappheit durch Downstream-Effekte wieder ansteigen und der Konsum abfällt. In einer Normalisierungsphase klingen diese Anomalien wieder ab. Ein länger anhaltender direkter wirtschaftlicher Schock verstärkt die Downstream-Phase und führt so in vielen Regionen insgesamt zu einem Konsumverlust. Die entwickelte Methode zur Berechnung direkter Verluste wird im dritten Artikel erweitert, indem Verstärkungen unter dem Einfluss des fortschreitenden Klimawandels berücksichtigt werden. Unter Nutzung dieser verstärkten direkten Verluste wird die Veränderung globaler Produktionsanomalien in Reaktion auf Hurricane Harvey simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass die USA bei zunehmender Erwärmung nicht mehr in der Lage sein werden, direkte Produktionsverluste auf nationaler Ebene auszugleichen. Stattdessen muss ein zunehmender Anteil dieser Verluste durch andere, insbesondere exportstarke Länder ausgeglichen werden. Der Anteil kleinerer Regionen an dieser ausgleichenden Produktion nimmt jedoch mit zunehmenden direkten Verlusten zu. Diese Produktionsverschiebungen verdeutlichen die Möglichkeit der globalen Wirtschaft, lokale Katastrophenverluste weitgehend flexibel abzumildern. Gleichzeitig veranschaulichen sie den Wettbewerbsnachteil direkt betroffener Wirtschaftsregionen. Die Storyline im vierten Artikel befasst sich mit dem Einfluss einer globalen wirtschaftlichen Krise auf die Schadensausbreitung von tropischen Wirbelstürmen, Hitzestress und Flussüberschwemmungen weltweit. Hierfür werden die indirekten Auswirkungen dieser Extreme unter dem Einfluss der global reduzierten wirtschaftlichen Aktivität während der Covid-19-Pandemie, sowie bei „normaler“ globaler Wirtschaftsleistung simuliert. Der Vergleich beider Szenarien zeigt bei global gestörter Wirtschaft eine deutliche Verstärkung negativer Konsumauswirkungen durch die simulierten Extreme. Konsumverluste steigen besonders stark in den USA und China an, wo sie sich verdoppeln bzw. verdreifachen. Diese Veränderungen resultieren aus der global verminderten wirtschaftlichen Kapazität, die für den Ausgleich der Produktionsverluste von Wetterextremen zur Verfügung steht. Dies verstärkt die Extremewetter-bedingte Güterknappheit, was zu Preisanstiegen und erhöhten Konsumverlusten führt. Abschließend werden in den letzten beiden Artikeln die in der Arbeit verwendeten Methoden und Ansätze erweitert. Hierfür wird das Modell Acclimate im fünften Artikel weiterentwickelt, indem Konsumenten als rational agierende Agenten modelliert werden. Mit dieser Erweiterung treffen lokale Verbraucher Entscheidungen über die konsumierten Güter so, dass diese den Nutzen eines begrenzten Budgets maximieren. Die entstehende Dynamik kann außerhalb eines wirtschaftlichen Gleichgewichts dazu führen, dass bestimmte Güter temporär trotz erhöhter Preise stärker nachgefragt werden. Der sechste Artikel formalisiert den Storyline-Ansatz und präsentiert einen Leitfaden für die Erstellung von Storylines. Dieser basiert auf den Ergebnissen mehrerer Studien, die diesen Ansatz verfolgen; einschließlich Storylines aus der vorliegenden Arbeit. Es werden insgesamt acht Elemente definiert, anhand derer eine Storyline-Studie erstellt werden kann. Insgesamt trägt diese Arbeit zu einem umfassenderen Verständnis der ökonomischen Auswirkungen von Wetterextremen bei. Hierfür werden lokale Auswirkungen von Extremen unter gegenwärtigen und zukünftigen klimatischen Bedingungen untersucht, sowie wichtige ökonomische Mechanismen und Auswirkungen der resultierenden Schadensausbreitung aufgedeckt. Neben diesen Erkenntnissen werden überdies Weiterentwicklungen der Methoden und Ansätze präsentiert, die weiterführende Analysen ermöglichen. KW - Klimawandel KW - Wetterextreme KW - indirekte ökonomische Effekte KW - makroökonomische Modellierung KW - climate change KW - weather extremes KW - indirect economic impacts KW - macro-economic modelling Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-611127 ER - TY - THES A1 - Chen, Junchao T1 - A self-adaptive resilient method for implementing and managing the high-reliability processing system T1 - Eine selbstadaptive belastbare Methode zum Implementieren und Verwalten von hochzuverlässigen Verarbeitungssysteme N2 - As a result of CMOS scaling, radiation-induced Single-Event Effects (SEEs) in electronic circuits became a critical reliability issue for modern Integrated Circuits (ICs) operating under harsh radiation conditions. SEEs can be triggered in combinational or sequential logic by the impact of high-energy particles, leading to destructive or non-destructive faults, resulting in data corruption or even system failure. Typically, the SEE mitigation methods are deployed statically in processing architectures based on the worst-case radiation conditions, which is most of the time unnecessary and results in a resource overhead. Moreover, the space radiation conditions are dynamically changing, especially during Solar Particle Events (SPEs). The intensity of space radiation can differ over five orders of magnitude within a few hours or days, resulting in several orders of magnitude fault probability variation in ICs during SPEs. This thesis introduces a comprehensive approach for designing a self-adaptive fault resilient multiprocessing system to overcome the static mitigation overhead issue. This work mainly addresses the following topics: (1) Design of on-chip radiation particle monitor for real-time radiation environment detection, (2) Investigation of space environment predictor, as support for solar particle events forecast, (3) Dynamic mode configuration in the resilient multiprocessing system. Therefore, according to detected and predicted in-flight space radiation conditions, the target system can be configured to use no mitigation or low-overhead mitigation during non-critical periods of time. The redundant resources can be used to improve system performance or save power. On the other hand, during increased radiation activity periods, such as SPEs, the mitigation methods can be dynamically configured appropriately depending on the real-time space radiation environment, resulting in higher system reliability. Thus, a dynamic trade-off in the target system between reliability, performance and power consumption in real-time can be achieved. All results of this work are evaluated in a highly reliable quad-core multiprocessing system that allows the self-adaptive setting of optimal radiation mitigation mechanisms during run-time. Proposed methods can serve as a basis for establishing a comprehensive self-adaptive resilient system design process. Successful implementation of the proposed design in the quad-core multiprocessor shows its application perspective also in the other designs. N2 - Infolge der CMOS-Skalierung wurden strahleninduzierte Einzelereignis-Effekte (SEEs) in elektronischen Schaltungen zu einem kritischen Zuverlässigkeitsproblem für moderne integrierte Schaltungen (ICs), die unter rauen Strahlungsbedingungen arbeiten. SEEs können in der kombinatorischen oder sequentiellen Logik durch den Aufprall hochenergetischer Teilchen ausgelöst werden, was zu destruktiven oder nicht-destruktiven Fehlern und damit zu Datenverfälschungen oder sogar Systemausfällen führt. Normalerweise werden die Methoden zur Abschwächung von SEEs statisch in Verarbeitungsarchitekturen auf der Grundlage der ungünstigsten Strahlungsbedingungen eingesetzt, was in den meisten Fällen unnötig ist und zu einem Ressourcen-Overhead führt. Darüber hinaus ändern sich die Strahlungsbedingungen im Weltraum dynamisch, insbesondere während Solar Particle Events (SPEs). Die Intensität der Weltraumstrahlung kann sich innerhalb weniger Stunden oder Tage um mehr als fünf Größenordnungen ändern, was zu einer Variation der Fehlerwahrscheinlichkeit in ICs während SPEs um mehrere Größenordnungen führt. In dieser Arbeit wird ein umfassender Ansatz für den Entwurf eines selbstanpassenden, fehlerresistenten Multiprozessorsystems vorgestellt, um das Problem des statischen Mitigation-Overheads zu überwinden. Diese Arbeit befasst sich hauptsächlich mit den folgenden Themen: (1) Entwurf eines On-Chip-Strahlungsteilchen Monitors zur Echtzeit-Erkennung von Strahlung Umgebungen, (2) Untersuchung von Weltraumumgebungsprognosen zur Unterstützung der Vorhersage von solaren Teilchen Ereignissen, (3) Konfiguration des dynamischen Modus in einem belastbaren Multiprozessorsystem. Daher kann das Zielsystem je nach den erkannten und vorhergesagten Strahlungsbedingungen während des Fluges so konfiguriert werden, dass es während unkritischer Zeiträume keine oder nur eine geringe Strahlungsminderung vornimmt. Die redundanten Ressourcen können genutzt werden, um die Systemleistung zu verbessern oder Energie zu sparen. In Zeiten erhöhter Strahlungsaktivität, wie z. B. während SPEs, können die Abschwächungsmethoden dynamisch und in Abhängigkeit von der Echtzeit-Strahlungsumgebung im Weltraum konfiguriert werden, was zu einer höheren Systemzuverlässigkeit führt. Auf diese Weise kann im Zielsystem ein dynamischer Kompromiss zwischen Zuverlässigkeit, Leistung und Stromverbrauch in Echtzeit erreicht werden. Alle Ergebnisse dieser Arbeit wurden in einem hochzuverlässigen Quad-Core-Multiprozessorsystem evaluiert, das die selbstanpassende Einstellung optimaler Strahlungsschutzmechanismen während der Laufzeit ermöglicht. Die vorgeschlagenen Methoden können als Grundlage für die Entwicklung eines umfassenden, selbstanpassenden und belastbaren Systementwurfsprozesses dienen. Die erfolgreiche Implementierung des vorgeschlagenen Entwurfs in einem Quad-Core-Multiprozessor zeigt, dass er auch für andere Entwürfe geeignet ist. KW - single event upset KW - solar particle event KW - machine learning KW - self-adaptive multiprocessing system KW - maschinelles Lernen KW - selbstanpassendes Multiprozessorsystem KW - strahleninduzierte Einzelereignis-Effekte KW - Sonnenteilchen-Ereignis Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-583139 ER - TY - THES A1 - Schrape, Oliver T1 - Methodology for standard cell-based design and implementation of reliable and robust hardware systems T1 - Methoden für Standardzellbasiertes Design und Implementierung zuverlässiger und robuster Hardware Systeme N2 - Reliable and robust data processing is one of the hardest requirements for systems in fields such as medicine, security, automotive, aviation, and space, to prevent critical system failures caused by changes in operating or environmental conditions. In particular, Signal Integrity (SI) effects such as crosstalk may distort the signal information in sensitive mixed-signal designs. A challenge for hardware systems used in the space are radiation effects. Namely, Single Event Effects (SEEs) induced by high-energy particle hits may lead to faulty computation, corrupted configuration settings, undesired system behavior, or even total malfunction. Since these applications require an extra effort in design and implementation, it is beneficial to master the standard cell design process and corresponding design flow methodologies optimized for such challenges. Especially for reliable, low-noise differential signaling logic such as Current Mode Logic (CML), a digital design flow is an orthogonal approach compared to traditional manual design. As a consequence, mandatory preliminary considerations need to be addressed in more detail. First of all, standard cell library concepts with suitable cell extensions for reliable systems and robust space applications have to be elaborated. Resulting design concepts at the cell level should enable the logical synthesis for differential logic design or improve the radiation-hardness. In parallel, the main objectives of the proposed cell architectures are to reduce the occupied area, power, and delay overhead. Second, a special setup for standard cell characterization is additionally required for a proper and accurate logic gate modeling. Last but not least, design methodologies for mandatory design flow stages such as logic synthesis and place and route need to be developed for the respective hardware systems to keep the reliability or the radiation-hardness at an acceptable level. This Thesis proposes and investigates standard cell-based design methodologies and techniques for reliable and robust hardware systems implemented in a conventional semi-conductor technology. The focus of this work is on reliable differential logic design and robust radiation-hardening-by-design circuits. The synergistic connections of the digital design flow stages are systematically addressed for these two types of hardware systems. In more detail, a library for differential logic is extended with single-ended pseudo-gates for intermediate design steps to support the logic synthesis and layout generation with commercial Computer-Aided Design (CAD) tools. Special cell layouts are proposed to relax signal routing. A library set for space applications is similarly extended by novel Radiation-Hardening-by-Design (RHBD) Triple Modular Redundancy (TMR) cells, enabling a one fault correction. Therein, additional optimized architectures for glitch filter cells, robust scannable and self-correcting flip-flops, and clock-gates are proposed. The circuit concepts and the physical layout representation views of the differential logic gates and the RHBD cells are discussed. However, the quality of results of designs depends implicitly on the accuracy of the standard cell characterization which is examined for both types therefore. The entire design flow is elaborated from the hardware design description to the layout representations. A 2-Phase routing approach together with an intermediate design conversion step is proposed after the initial place and route stage for reliable, pure differential designs, whereas a special constraining for RHBD applications in a standard technology is presented. The digital design flow for differential logic design is successfully demonstrated on a reliable differential bipolar CML application. A balanced routing result of its differential signal pairs is obtained by the proposed 2-Phase-routing approach. Moreover, the elaborated standard cell concepts and design methodology for RHBD circuits are applied to the digital part of a 7.5-15.5 MSPS 14-bit Analog-to-Digital Converter (ADC) and a complex microcontroller architecture. The ADC is implemented in an unhardened standard semiconductor technology and successfully verified by electrical measurements. The overhead of the proposed hardening approach is additionally evaluated by design exploration of the microcontroller application. Furthermore, the first obtained related measurement results of novel RHBD-∆TMR flip-flops show a radiation-tolerance up to a threshold Linear Energy Transfer (LET) of 46.1, 52.0, and 62.5 MeV cm2 mg-1 and savings in silicon area of 25-50 % for selected TMR standard cell candidates. As a conclusion, the presented design concepts at the cell and library levels, as well as the design flow modifications are adaptable and transferable to other technology nodes. In particular, the design of hybrid solutions with integrated reliable differential logic modules together with robust radiation-tolerant circuit parts is enabled by the standard cell concepts and design methods proposed in this work. N2 - Eine zuverlässige und robuste Datenverarbeitung ist eine der wichtigsten Voraussetzungen für Systeme in Bereichen wie Medizin, Sicherheit, Automobilbau, Luft- und Raumfahrt, um kritische Systemausfälle zu verhindern, welche durch Änderungen der Betriebsbedingung oder Umweltgegebenheiten hervorgerufen werden können. Insbesondere Signalintegritätseffekte (Signal Integrity (SI)) wie das Übersprechen und Überlagern von Signalen (crosstalk) können den Informationsgehalt in empfindlichen Mixed-Signal-Designs verzerren. Eine zusätzliche Herausforderung für Hardwaresysteme für Weltraumanwendungen ist die Strahlung. Resultierende Effekte, die durch hochenergetische Teilchentreffer ausgelöst werden (Single Event Effects (SEEs)), können zu fehlerhaften Berechnungen, beschädigten Konfigurationseinstellungen, unerwünschtem Systemverhalten oder sogar zu völliger Fehlfunktion führen. Da diese Anwendungen einen zusätzlichen Aufwand beim Entwurf und der Implementierung erfordern, ist es von Vorteil, über Standardzellenentwurfskonzepte und entsprechende Entwurfsablaufmethoden zu verfügen, die für genau solche Herausforderungen optimiert sind. Insbesondere für zuverlässige, rauscharme differenzielle Logik, wie der Current Mode Logic (CML), ist ein digitaler Entwurfsablauf ein orthogonaler Ansatz im Vergleich zum traditionellen manuellen Entwurfskonzept. Infolgedessen müssen obligatorische Vorüberlegungen detaillierter behandelt werden. Zunächst sind Konzepte für Standardzellbibliotheken mit geeigneten Zellerweiterungen für zuverlässige Systeme und robuste Raumfahrtanwendungen zu erarbeiten. Daraus resultierende Entwurfskonzepte auf Zellebene sollten die logische Synthese für den differenziellen Logikentwurf ermöglichen oder die Strahlungshärte eines Designs verbessern. Parallel dazu sind die Hauptziele der vorgeschlagenen Zellarchitekturen, die Verringerung der genutzten Siliziumfläche und der Verlustleistung sowie den Verzögerungs-Overhead zu minimieren. Zweitens ist ein spezieller Aufbau für die Charakterisierung von Standardzellen erforderlich, um eine angemessene und genaue Modellierung der Logikgatter zu ermöglichen. Nicht zuletzt müssen für die jeweiligen Hardwaresysteme Methoden für die Entwurfsphasen wie Logik-Synthese und das Platzieren und Routen (Place and Route (PnR)) entwickelt werden, um die Zuverlässigkeit beziehungsweise die Strahlungshärte auf einem akzeptablen Niveau zu halten. In dieser Arbeit werden standardisierte Zellen-basierte Entwurfsmethoden und -techniken für zuverlässige und robuste Hardwaresysteme vorgeschlagen und untersucht, welche in einer herkömmlichen Halbleitertechnologie implementiert werden. Dabei werden zuverlässige differenzielle Logikschaltungen und robuste strahlungsgehärtete Schaltungen betrachtet. Die synergetischen Verbindungen des digitalen Entwurfs werden systematisch für diese beiden Hardwaresysteme behandelt. Im Detail wird eine Bibliothek für differentielle Logik mit Single-Ended-Pseudo-Gattern für Zwischenschritte erweitert, die die Logiksynthese und Layout-Generierung mit heutigen Entwicklungswerkzeugen unterstützen. Ein spezieller Rahmen für das Layout der Zellen wird vorgeschlagen, um das Routing der Signale zu vereinfachen. Die Bibliothek für Raumfahrtanwendungen wird in ähnlicher Weise um neuartige Radiation-Hardening-by-Design (RHBD)-Zellen mit dreifacher modularer Redundanz (Triple Modular Redundancy (TMR)) erweitert, welche eine 1-Bit-Fehlerkorrektur erlaubt. Zusätzlich werden optimierte Architekturen für Glitch-Filterzellen, robuste abtastbare (scannable) und selbstkorrigierende Flip-flops und Taktgatter (clock-gates) vorgeschlagen. Die Schaltungskonzepte, die physische Layout-Repräsentation der differentiellen Logikgatter und der vorgeschlagenen RHBD-Zellen werden diskutiert. Die Qualität der Ergebnisse der Entwürfe hängt jedoch implizit von der Genauigkeit der Standardzellencharakterisierung ab, die daher für beide Typen untersucht wird. Der gesamte Entwurfsablauf wird von der Entwurfsbeschreibung der Hardware bis hin zur generierten Layout-Darstellung ausgearbeitet. Infolgedessen wird ein 2-Phasen-Routing-Ansatz zusammen mit einem zwischengeschalteten Design-Konvertierungsschritt nach der initialen PnR-Phase für zuverlässige, differentielle Designs vorgeschlagen, während ein spezielles Constraining für RHBD-Anwendungen vorgestellt wird. Der digitale Entwurfsablauf für Differenziallogik wird erfolgreich an einer zuverlässigen bipolaren Differenzial-CML-Anwendung demonstriert. Durch den 2-Phasen-Routing-Ansatz wird ein ausgewogenes Routing-Ergebnis differentieller Signalpaare erzielt. Darüber hinaus werden die erarbeiteten Standardzellenkonzepte und die Entwurfsmethodik für RHBD-Schaltungen auf den digitalen Teil eines 7.5-15.5MSPS 14-bit Analog-Digital-Wandlers (ADC) und einer komplexen Mikrocontroller-Architektur angewandt. Der ADC wurde in einer nicht-gehärteten Standard-Halbleitertechnologie implementiert und erfolgreich durch elektrische Messungen verifiziert. Der Mehraufwand des Härtungsansatzes wird zusätzlich durch Design Exploration der Mikrocontroller-Anwendung bewertet. Ferner zeigen erste Messergebnisse der neuartigen RHBD-ΔTMR-Flip-flops eine Strahlungstoleranz bis zu einem linearen Energietransfer (Linear Energy Transfers (LET)) Schwellwert von 46.1, 52.0 und 62.5MeVcm2 mg-1 und eine Einsparung an Siliziumfläche von 25-50% für ausgewählte TMR-Standardzellenkandidaten. Die vorgestellten Entwurfskonzepte auf Zell- und Bibliotheksebene sowie die Änderungen des Entwurfsablaufs sind anpassbar und übertragbar auf andere Technologieknoten. Insbesondere der Entwurf hybrider Lösungen mit integrierten zuverlässigen differenziellen Logikmodulen zusammen mit robusten strahlungstoleranten Schaltungsteilen wird durch die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Konzepte und Entwurfsmethoden ermöglicht. KW - hardware design KW - ASIC KW - radiation hardness KW - digital design KW - ASIC (Applikationsspezifische Integrierte Schaltkreise) KW - Digital Design KW - Hardware Design KW - Strahlungshartes Design Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-589326 ER - TY - JOUR A1 - Schell, Timon A1 - Schwill, Andreas T1 - „Es ist kompliziert, alles inklusive Privatleben unter einen Hut zu bekommen“ BT - Eine Studie zu Nutzen und Schaden von Arbeitsverhältnissen für das Informatikstudium JF - Hochschuldidaktik Informatik HDI 2021 (Commentarii informaticae didacticae) N2 - Eine übliche Erzählung verknüpft lange Studienzeiten und hohe Abbrecherquoten im Informatikstudium zum einen mit der sehr gut bezahlten Nebentätigkeit von Studierenden in der Informatikbranche, die deutlich studienzeitverlängernd sei; zum anderen werde wegen des hohen Bedarfs an Informatikern ein formeller Studienabschluss von den Studierenden häufig als entbehrlich betrachtet und eine Karriere in der Informatikbranche ohne abgeschlossenes Studium begonnen. In dieser Studie, durchgeführt an der Universität Potsdam, untersuchen wir, wie viele Informatikstudierende neben dem Studium innerhalb und außerhalb der Informatikbranche arbeiten, welche Erwartungen sie neben der Bezahlung damit verbinden und wie sich die Tätigkeit auf ihr Studium und ihre spätere berufliche Perspektive auswirkt. Aus aktuellem Anlass interessieren uns auch die Auswirkungen der Covid-19-Pandemie auf die Arbeitstätigkeiten der Informatikstudierenden. KW - Informatikstudium KW - Studienabbrecher KW - Studentenjobs KW - Studiendauer Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613882 SN - 978-3-86956-548-4 SN - 1868-0844 SN - 2191-1940 IS - 13 SP - 53 EP - 71 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - JOUR A1 - Möring, Sebastian A1 - Leino, Olli Tapio T1 - Die neoliberale Bedingung von Computerspielen JF - Kontrollmaschinen - zur Dispositivtheorie des Computerspiels Y1 - 2022 SN - 978-3-643-14780-6 SP - 41 EP - 61 PB - LiteraturWissenschaft.de CY - Münster ER - TY - JOUR A1 - Prasse, Paul A1 - Iversen, Pascal A1 - Lienhard, Matthias A1 - Thedinga, Kristina A1 - Herwig, Ralf A1 - Scheffer, Tobias T1 - Pre-Training on In Vitro and Fine-Tuning on Patient-Derived Data Improves Deep Neural Networks for Anti-Cancer Drug-Sensitivity Prediction JF - MDPI N2 - Large-scale databases that report the inhibitory capacities of many combinations of candidate drug compounds and cultivated cancer cell lines have driven the development of preclinical drug-sensitivity models based on machine learning. However, cultivated cell lines have devolved from human cancer cells over years or even decades under selective pressure in culture conditions. Moreover, models that have been trained on in vitro data cannot account for interactions with other types of cells. Drug-response data that are based on patient-derived cell cultures, xenografts, and organoids, on the other hand, are not available in the quantities that are needed to train high-capacity machine-learning models. We found that pre-training deep neural network models of drug sensitivity on in vitro drug-sensitivity databases before fine-tuning the model parameters on patient-derived data improves the models’ accuracy and improves the biological plausibility of the features, compared to training only on patient-derived data. From our experiments, we can conclude that pre-trained models outperform models that have been trained on the target domains in the vast majority of cases. KW - deep neural networks KW - drug-sensitivity prediction KW - anti-cancer drugs Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/cancers14163950 SN - 2072-6694 VL - 14 SP - 1 EP - 14 PB - MDPI CY - Basel, Schweiz ET - 16 ER - TY - THES A1 - Klockmann, Alexander T1 - Modifizierte Unidirektionale Codes für Speicherfehler N2 - Das Promotionsvorhaben verfolgt das Ziel, die Zuverlässigkeit der Datenspeicherung und die Speicherdichte von neu entwickelten Speichern (Emerging Memories) mit Multi-Level-Speicherzellen zu verbessern bzw. zu erhöhen. Hierfür werden Codes zur Erkennung von unidirektionalen Fehlern analysiert, modifiziert und neu entwickelt, um sie innerhalb der neuen Speicher anwenden zu können. Der Fokus liegt dabei auf sog. Berger-Codes und m-aus-n-Codes. Da Multi-Level-Speicherzellen nicht mehr binär, sondern mit mehreren Leveln arbeiten, können bisher verwendete Codes nicht mehr verwendet werden, bzw. müssen entsprechend angepasst werden. Auf Basis der Berger-Codes und m-aus-n-Codes werden in dieser Arbeit neue Codes abgeleitet, welche in der Lage sind, Daten auch in mehrwertigen Systemen zu schützen. KW - Fehlererkennung KW - Codierungstheorie KW - Speicher KW - unidirektionale Fehler Y1 - 2022 ER - TY - JOUR A1 - Hecher, Markus T1 - Treewidth-aware reductions of normal ASP to SAT BT - is normal ASP harder than SAT after all? JF - Artificial intelligence N2 - Answer Set Programming (ASP) is a paradigm for modeling and solving problems for knowledge representation and reasoning. There are plenty of results dedicated to studying the hardness of (fragments of) ASP. So far, these studies resulted in characterizations in terms of computational complexity as well as in fine-grained insights presented in form of dichotomy-style results, lower bounds when translating to other formalisms like propositional satisfiability (SAT), and even detailed parameterized complexity landscapes. A generic parameter in parameterized complexity originating from graph theory is the socalled treewidth, which in a sense captures structural density of a program. Recently, there was an increase in the number of treewidth-based solvers related to SAT. While there are translations from (normal) ASP to SAT, no reduction that preserves treewidth or at least keeps track of the treewidth increase is known. In this paper we propose a novel reduction from normal ASP to SAT that is aware of the treewidth, and guarantees that a slight increase of treewidth is indeed sufficient. Further, we show a new result establishing that, when considering treewidth, already the fragment of normal ASP is slightly harder than SAT (under reasonable assumptions in computational complexity). This also confirms that our reduction probably cannot be significantly improved and that the slight increase of treewidth is unavoidable. Finally, we present an empirical study of our novel reduction from normal ASP to SAT, where we compare treewidth upper bounds that are obtained via known decomposition heuristics. Overall, our reduction works better with these heuristics than existing translations. (c) 2021 Elsevier B.V. All rights reserved. KW - Answer set programming KW - Treewidth KW - Parameterized complexity KW - Complexity KW - analysis KW - Tree decomposition KW - Treewidth-aware reductions Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1016/j.artint.2021.103651 SN - 0004-3702 SN - 1872-7921 VL - 304 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Al Laban, Firas A1 - Reger, Martin A1 - Lucke, Ulrike T1 - Closing the Policy Gap in the Academic Bridge JF - Education sciences N2 - The highly structured nature of the educational sector demands effective policy mechanisms close to the needs of the field. That is why evidence-based policy making, endorsed by the European Commission under Erasmus+ Key Action 3, aims to make an alignment between the domains of policy and practice. Against this background, this article addresses two issues: First, that there is a vertical gap in the translation of higher-level policies to local strategies and regulations. Second, that there is a horizontal gap between educational domains regarding the policy awareness of individual players. This was analyzed in quantitative and qualitative studies with domain experts from the fields of virtual mobility and teacher training. From our findings, we argue that the combination of both gaps puts the academic bridge from secondary to tertiary education at risk, including the associated knowledge proficiency levels. We discuss the role of digitalization in the academic bridge by asking the question: which value does the involved stakeholders expect from educational policies? As a theoretical basis, we rely on the model of value co-creation for and by stakeholders. We describe the used instruments along with the obtained results and proposed benefits. Moreover, we reflect on the methodology applied, and we finally derive recommendations for future academic bridge policies. KW - policy evaluation KW - higher education KW - virtual mobility KW - teacher training Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/educsci12120930 SN - 2227-7102 VL - 12 IS - 12 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - THES A1 - Böken, Björn T1 - Improving prediction accuracy using dynamic information N2 - Accurately solving classification problems nowadays is likely to be the most relevant machine learning task. Binary classification separating two classes only is algorithmically simpler but has fewer potential applications as many real-world problems are multi-class. On the reverse, separating only a subset of classes simplifies the classification task. Even though existing multi-class machine learning algorithms are very flexible regarding the number of classes, they assume that the target set Y is fixed and cannot be restricted once the training is finished. On the other hand, existing state-of-the-art production environments are becoming increasingly interconnected with the advance of Industry 4.0 and related technologies such that additional information can simplify the respective classification problems. In light of this, the main aim of this thesis is to introduce dynamic classification that generalizes multi-class classification such that the target class set can be restricted arbitrarily to a non-empty class subset M of Y at any time between two consecutive predictions. This task is solved by a combination of two algorithmic approaches. First, classifier calibration, which transforms predictions into posterior probability estimates that are intended to be well calibrated. The analysis provided focuses on monotonic calibration and in particular corrects wrong statements that appeared in the literature. It also reveals that bin-based evaluation metrics, which became popular in recent years, are unjustified and should not be used at all. Next, the validity of Platt scaling, which is the most relevant parametric calibration approach, is analyzed in depth. In particular, its optimality for classifier predictions distributed according to four different families of probability distributions as well its equivalence with Beta calibration up to a sigmoidal preprocessing are proven. For non-monotonic calibration, extended variants on kernel density estimation and the ensemble method EKDE are introduced. Finally, the calibration techniques are evaluated using a simulation study with complete information as well as on a selection of 46 real-world data sets. Building on this, classifier calibration is applied as part of decomposition-based classification that aims to reduce multi-class problems to simpler (usually binary) prediction tasks. For the involved fusing step performed at prediction time, a new approach based on evidence theory is presented that uses classifier calibration to model mass functions. This allows the analysis of decomposition-based classification against a strictly formal background and to prove closed-form equations for the overall combinations. Furthermore, the same formalism leads to a consistent integration of dynamic class information, yielding a theoretically justified and computationally tractable dynamic classification model. The insights gained from this modeling are combined with pairwise coupling, which is one of the most relevant reduction-based classification approaches, such that all individual predictions are combined with a weight. This not only generalizes existing works on pairwise coupling but also enables the integration of dynamic class information. Lastly, a thorough empirical study is performed that compares all newly introduced approaches to existing state-of-the-art techniques. For this, evaluation metrics for dynamic classification are introduced that depend on corresponding sampling strategies. Thereafter, these are applied during a three-part evaluation. First, support vector machines and random forests are applied on 26 data sets from the UCI Machine Learning Repository. Second, two state-of-the-art deep neural networks are evaluated on five benchmark data sets from a relatively recent reference work. Here, computationally feasible strategies to apply the presented algorithms in combination with large-scale models are particularly relevant because a naive application is computationally intractable. Finally, reference data from a real-world process allowing the inclusion of dynamic class information are collected and evaluated. The results show that in combination with support vector machines and random forests, pairwise coupling approaches yield the best results, while in combination with deep neural networks, differences between the different approaches are mostly small to negligible. Most importantly, all results empirically confirm that dynamic classification succeeds in improving the respective prediction accuracies. Therefore, it is crucial to pass dynamic class information in respective applications, which requires an appropriate digital infrastructure. N2 - Klassifikationsprobleme akkurat zu lösen ist heutzutage wahrscheinlich die relevanteste Machine-Learning-Aufgabe. Binäre Klassifikation zur Unterscheidung von nur zwei Klassen ist algorithmisch einfacher, hat aber weniger potenzielle Anwendungen, da in der Praxis oft Mehrklassenprobleme auftreten. Demgegenüber vereinfacht die Unterscheidung nur innerhalb einer Untermenge von Klassen die Problemstellung. Obwohl viele existierende Machine-Learning-Algorithmen sehr flexibel mit Blick auf die Anzahl der Klassen sind, setzen sie voraus, dass die Zielmenge Y fest ist und nicht mehr eingeschränkt werden kann, sobald das Training abgeschlossen ist. Allerdings sind moderne Produktionsumgebungen mit dem Voranschreiten von Industrie 4.0 und entsprechenden Technologien zunehmend digital verbunden, sodass zusätzliche Informationen die entsprechenden Klassifikationsprobleme vereinfachen können. Vor diesem Hintergrund ist das Hauptziel dieser Arbeit, dynamische Klassifikation als Verallgemeinerung von Mehrklassen-Klassifikation einzuführen, bei der die Zielmenge jederzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Vorhersagen zu einer beliebigen, nicht leeren Teilmenge eingeschränkt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Kombination von zwei algorithmischen Ansätzen gelöst. Zunächst wird Klassifikator-Kalibrierung eingesetzt, mittels der Vorhersagen in Schätzungen der A-Posteriori-Wahrscheinlichkeiten transformiert werden, die gut kalibriert sein sollen. Die durchgeführte Analyse zielt auf monotone Kalibrierung ab und korrigiert insbesondere Falschaussagen, die in Referenzarbeiten veröffentlicht wurden. Außerdem zeigt sie, dass Bin-basierte Fehlermaße, die in den letzten Jahren populär geworden sind, ungerechtfertigt sind und nicht verwendet werden sollten. Weiterhin wird die Validität von Platt Scaling, dem relevantesten, parametrischen Kalibrierungsverfahren, genau analysiert. Insbesondere wird seine Optimalität für Klassifikatorvorhersagen, die gemäß vier Familien von Verteilungsfunktionen verteilt sind, sowie die Äquivalenz zu Beta-Kalibrierung bis auf eine sigmoidale Vorverarbeitung gezeigt. Für nicht monotone Kalibrierung werden erweiterte Varianten der Kerndichteschätzung und die Ensemblemethode EKDE eingeführt. Schließlich werden die Kalibrierungsverfahren im Rahmen einer Simulationsstudie mit vollständiger Information sowie auf 46 Referenzdatensätzen ausgewertet. Hierauf aufbauend wird Klassifikator-Kalibrierung als Teil von reduktionsbasierter Klassifikation eingesetzt, die zum Ziel hat, Mehrklassenprobleme auf einfachere (üblicherweise binäre) Entscheidungsprobleme zu reduzieren. Für den zugehörigen, während der Vorhersage notwendigen Fusionsschritt wird ein neuer, auf Evidenztheorie basierender Ansatz eingeführt, der Klassifikator-Kalibrierung zur Modellierung von Massefunktionen nutzt. Dies ermöglicht die Analyse von reduktionsbasierter Klassifikation in einem formalen Kontext sowie geschlossene Ausdrücke für die entsprechenden Gesamtkombinationen zu beweisen. Zusätzlich führt derselbe Formalismus zu einer konsistenten Integration von dynamischen Klasseninformationen, sodass sich ein theoretisch fundiertes und effizient zu berechnendes, dynamisches Klassifikationsmodell ergibt. Die hierbei gewonnenen Einsichten werden mit Pairwise Coupling, einem der relevantesten Verfahren für reduktionsbasierte Klassifikation, verbunden, wobei alle individuellen Vorhersagen mit einer Gewichtung kombiniert werden. Dies verallgemeinert nicht nur existierende Ansätze für Pairwise Coupling, sondern führt darüber hinaus auch zu einer Integration von dynamischen Klasseninformationen. Abschließend wird eine umfangreiche empirische Studie durchgeführt, die alle neu eingeführten Verfahren mit denen aus dem Stand der Forschung vergleicht. Hierfür werden Bewertungsfunktionen für dynamische Klassifikation eingeführt, die auf Sampling-Strategien basieren. Anschließend werden diese im Rahmen einer dreiteiligen Studie angewendet. Zunächst werden Support Vector Machines und Random Forests auf 26 Referenzdatensätzen aus dem UCI Machine Learning Repository angewendet. Im zweiten Teil werden zwei moderne, tiefe neuronale Netze auf fünf Referenzdatensätzen aus einer relativ aktuellen Referenzarbeit ausgewertet. Hierbei sind insbesondere Strategien relevant, die die Anwendung der eingeführten Verfahren in Verbindung mit großen Modellen ermöglicht, da eine naive Vorgehensweise nicht durchführbar ist. Schließlich wird ein Referenzdatensatz aus einem Produktionsprozess gewonnen, der die Integration von dynamischen Klasseninformationen ermöglicht, und ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass Pairwise-Coupling-Verfahren in Verbindung mit Support Vector Machines und Random Forests die besten Ergebnisse liefern, während in Verbindung mit tiefen neuronalen Netzen die Unterschiede zwischen den Verfahren oft klein bis vernachlässigbar sind. Am wichtigsten ist, dass alle Ergebnisse zeigen, dass dynamische Klassifikation die entsprechenden Erkennungsgenauigkeiten verbessert. Daher ist es entscheidend, dynamische Klasseninformationen in den entsprechenden Anwendungen zur Verfügung zu stellen, was eine entsprechende digitale Infrastruktur erfordert. KW - dynamic classification KW - multi-class classification KW - classifier calibration KW - evidence theory KW - Dempster–Shafer theory KW - Deep Learning KW - Deep Learning KW - Dempster-Shafer-Theorie KW - Klassifikator-Kalibrierung KW - dynamische Klassifikation KW - Evidenztheorie KW - Mehrklassen-Klassifikation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-585125 ER - TY - GEN A1 - Prasse, Paul A1 - Iversen, Pascal A1 - Lienhard, Matthias A1 - Thedinga, Kristina A1 - Herwig, Ralf A1 - Scheffer, Tobias T1 - Pre-Training on In Vitro and Fine-Tuning on Patient-Derived Data Improves Deep Neural Networks for Anti-Cancer Drug-Sensitivity Prediction T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Large-scale databases that report the inhibitory capacities of many combinations of candidate drug compounds and cultivated cancer cell lines have driven the development of preclinical drug-sensitivity models based on machine learning. However, cultivated cell lines have devolved from human cancer cells over years or even decades under selective pressure in culture conditions. Moreover, models that have been trained on in vitro data cannot account for interactions with other types of cells. Drug-response data that are based on patient-derived cell cultures, xenografts, and organoids, on the other hand, are not available in the quantities that are needed to train high-capacity machine-learning models. We found that pre-training deep neural network models of drug sensitivity on in vitro drug-sensitivity databases before fine-tuning the model parameters on patient-derived data improves the models’ accuracy and improves the biological plausibility of the features, compared to training only on patient-derived data. From our experiments, we can conclude that pre-trained models outperform models that have been trained on the target domains in the vast majority of cases. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1300 KW - deep neural networks KW - drug-sensitivity prediction KW - anti-cancer drugs Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-577341 SN - 1866-8372 SP - 1 EP - 14 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - GEN A1 - Al Laban, Firas A1 - Reger, Martin A1 - Lucke, Ulrike T1 - Closing the Policy Gap in the Academic Bridge T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The highly structured nature of the educational sector demands effective policy mechanisms close to the needs of the field. That is why evidence-based policy making, endorsed by the European Commission under Erasmus+ Key Action 3, aims to make an alignment between the domains of policy and practice. Against this background, this article addresses two issues: First, that there is a vertical gap in the translation of higher-level policies to local strategies and regulations. Second, that there is a horizontal gap between educational domains regarding the policy awareness of individual players. This was analyzed in quantitative and qualitative studies with domain experts from the fields of virtual mobility and teacher training. From our findings, we argue that the combination of both gaps puts the academic bridge from secondary to tertiary education at risk, including the associated knowledge proficiency levels. We discuss the role of digitalization in the academic bridge by asking the question: which value does the involved stakeholders expect from educational policies? As a theoretical basis, we rely on the model of value co-creation for and by stakeholders. We describe the used instruments along with the obtained results and proposed benefits. Moreover, we reflect on the methodology applied, and we finally derive recommendations for future academic bridge policies. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1310 KW - policy evaluation KW - higher education KW - virtual mobility KW - teacher training Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-583572 SN - 1866-8372 IS - 1310 ER - TY - THES A1 - Cichalla, Anika Katleen T1 - Ein konstruktivistisches Modell für die Didaktik der Informatik im Bachelorstudium T1 - A constructivistic model for the didactics of computational science in bachelor studies N2 - Lehrende in der Lehrkräfteausbildung sind stets damit konfrontiert, dass sie den Studierenden innovative Methoden modernen Schulunterrichts traditionell rezipierend vorstellen. In Deutschland gibt es circa 40 Universitäten, die Informatik mit Lehramtsbezug ausbilden. Allerdings gibt es nur wenige Konzepte, die sich mit der Verbindung von Bildungswissenschaften und der Informatik mit ihrer Didaktik beschäftigen und keine Konzepte, die eine konstruktivistische Lehre in der Informatik verfolgen. Daher zielt diese Masterarbeit darauf ab, diese Lücke aufgreifen und anhand des „Didaktik der Informatik I“ Moduls der Universität Potsdam ein Modell zur konstruktivistischen Hochschullehre zu entwickeln. Dabei soll ein bestehendes konstruktivistisches Lehrmodell auf die Informatikdidaktik übertragen und Elemente zur Verbindung von Bildungswissenschaften, Fachwissenschaften und Fachdidaktiken mit einbezogen werden. Dies kann eine Grundlage für die Planung von Informatikdidaktischen Modulen bieten, aber auch als Inspiration zur Übertragung bestehender innovativer Lehrkonzepte auf andere Fachdidaktiken dienen. Um ein solches konstruktivistisches Lehr-Lern-Modell zu erstellen, wird zunächst der Zusammenhang von Bildungswissenschaften, Fachwissenschaften und Fachdidaktiken erläutert und anschließend die Notwendigkeit einer Vernetzung hervorgehoben. Hieran folgt eine Darstellung zu relevanten Lerntheorien und bereits entwickelten innovativen Lernkonzepten. Anknüpfend wird darauf eingegangen, welche Anforderungen die Kultusminister- Konferenz an die Ausbildung von Lehrkräften stellt und wie diese Ausbildung für die Informatik momentan an der Universität Potsdam erfolgt. Aus allen Erkenntnissen heraus werden Anforderungen an ein konstruktivistisches Lehrmodell festgelegt. Unter Berücksichtigung der Voraussetzungen der Studienordnung für das Lehramt Informatik wird anschließend ein Modell für konstruktivistische Informatikdidaktik vorgestellt. Weiterführende Forschung könnte sich damit auseinandersetzen, inwiefern sich die Motivation und Leistung im vergleich zum ursprünglichen Modul ändert und ob die Kompetenzen zur Unterrichtsplanung und Unterrichtsgestaltung durch das neue Modulkonzept stärker ausgebaut werden können. N2 - Teachers in teacher training are always confronted with the fact that they present innovative methods of modern school teaching to students in a traditionally receptive way. In Germany, there are about 40 universities that train computational science with a focus on teaching. However, there are only a few concepts that deal with the connection of educational science and computer science with its didactics and no concepts that pursue constructivist teaching in computational science. Therefore, this master thesis aims to address this gap and to develop a model for constructivist university teaching based on the "Didactics of Computational Science I" module at the University of Potsdam. An existing constructivist teaching model is to be transferred to computational science didactics and elements for the connection of general pedagogy, scientific theory and didactics are to be included. This can provide a basis for planning computational science didactic modules, but also serve as inspiration for transferring existing innovative teaching concepts to other subject didactics. In order to create such a constructivist teaching-learning model, the interrelationship of general pedagogy, scientific theory and didactics is first explained and then the necessity of networking is emphasized. This is followed by a presentation of relevant learning theories and innovative learning concepts already developed. Subsequently, the requirements of the Standing Conference of the Ministers of Education and Cultural Affairs (Kultusministerkonferenz) for the training of teachers and how this training for computer science is currently carried out at the University of Potsdam are discussed. From all findings, requirements for a constructivist teaching model are defined. Taking into account the requirements of the study regulations for the computer science teaching profession, a model for constructivist computer science didactics is then presented. Further research could address the extent to which motivation and performance change in comparison to the original module and whether the competencies for lesson planning and lesson design can be more developed on base of the new module concept. KW - education KW - university education KW - teacher training KW - Hochschulbildung KW - Lehrkräfteausbildung KW - Konstruktivismus KW - construktivism KW - Informatik KW - Informatikdidaktik KW - Computational Science KW - didactics Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-550710 ER - TY - JOUR A1 - Lorenz, Claas A1 - Clemens, Vera Elisabeth A1 - Schrötter, Max A1 - Schnor, Bettina T1 - Continuous verification of network security compliance JF - IEEE transactions on network and service management N2 - Continuous verification of network security compliance is an accepted need. Especially, the analysis of stateful packet filters plays a central role for network security in practice. But the few existing tools which support the analysis of stateful packet filters are based on general applicable formal methods like Satifiability Modulo Theories (SMT) or theorem prover and show runtimes in the order of minutes to hours making them unsuitable for continuous compliance verification. In this work, we address these challenges and present the concept of state shell interweaving to transform a stateful firewall rule set into a stateless rule set. This allows us to reuse any fast domain specific engine from the field of data plane verification tools leveraging smart, very fast, and domain specialized data structures and algorithms including Header Space Analysis (HSA). First, we introduce the formal language FPL that enables a high-level human-understandable specification of the desired state of network security. Second, we demonstrate the instantiation of a compliance process using a verification framework that analyzes the configuration of complex networks and devices - including stateful firewalls - for compliance with FPL policies. Our evaluation results show the scalability of the presented approach for the well known Internet2 and Stanford benchmarks as well as for large firewall rule sets where it outscales state-of-the-art tools by a factor of over 41. KW - Security KW - Tools KW - Network security KW - Engines KW - Benchmark testing; KW - Analytical models KW - Scalability KW - Network KW - security KW - compliance KW - formal KW - verification Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1109/TNSM.2021.3130290 SN - 1932-4537 VL - 19 IS - 2 SP - 1729 EP - 1745 PB - Institute of Electrical and Electronics Engineers CY - New York ER - TY - JOUR A1 - Prasse, Paul A1 - Iversen, Pascal A1 - Lienhard, Matthias A1 - Thedinga, Kristina A1 - Bauer, Christopher A1 - Herwig, Ralf A1 - Scheffer, Tobias T1 - Matching anticancer compounds and tumor cell lines by neural networks with ranking loss JF - NAR: genomics and bioinformatics N2 - Computational drug sensitivity models have the potential to improve therapeutic outcomes by identifying targeted drug components that are likely to achieve the highest efficacy for a cancer cell line at hand at a therapeutic dose. State of the art drug sensitivity models use regression techniques to predict the inhibitory concentration of a drug for a tumor cell line. This regression objective is not directly aligned with either of these principal goals of drug sensitivity models: We argue that drug sensitivity modeling should be seen as a ranking problem with an optimization criterion that quantifies a drug's inhibitory capacity for the cancer cell line at hand relative to its toxicity for healthy cells. We derive an extension to the well-established drug sensitivity regression model PaccMann that employs a ranking loss and focuses on the ratio of inhibitory concentration and therapeutic dosage range. We find that the ranking extension significantly enhances the model's capability to identify the most effective anticancer drugs for unseen tumor cell profiles based in on in-vitro data. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1093/nargab/lqab128 SN - 2631-9268 VL - 4 IS - 1 PB - Oxford Univ. Press CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Steinert, Fritjof A1 - Stabernack, Benno T1 - Architecture of a low latency H.264/AVC video codec for robust ML based image classification how region of interests can minimize the impact of coding artifacts JF - Journal of Signal Processing Systems for Signal, Image, and Video Technology N2 - The use of neural networks is considered as the state of the art in the field of image classification. A large number of different networks are available for this purpose, which, appropriately trained, permit a high level of classification accuracy. Typically, these networks are applied to uncompressed image data, since a corresponding training was also carried out using image data of similar high quality. However, if image data contains image errors, the classification accuracy deteriorates drastically. This applies in particular to coding artifacts which occur due to image and video compression. Typical application scenarios for video compression are narrowband transmission channels for which video coding is required but a subsequent classification is to be carried out on the receiver side. In this paper we present a special H.264/Advanced Video Codec (AVC) based video codec that allows certain regions of a picture to be coded with near constant picture quality in order to allow a reliable classification using neural networks, whereas the remaining image will be coded using constant bit rate. We have combined this feature with the ability to run with lowest latency properties, which is usually also required in remote control applications scenarios. The codec has been implemented as a fully hardwired High Definition video capable hardware architecture which is suitable for Field Programmable Gate Arrays. KW - H.264 KW - Advanced Video Codec (AVC) KW - Low Latency KW - Region of Interest KW - Machine Learning KW - Inference KW - FPGA KW - Hardware accelerator Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1007/s11265-021-01727-2 SN - 1939-8018 SN - 1939-8115 VL - 94 IS - 7 SP - 693 EP - 708 PB - Springer CY - New York ER - TY - JOUR A1 - Breitenreiter, Anselm A1 - Andjelković, Marko A1 - Schrape, Oliver A1 - Krstić, Miloš T1 - Fast error propagation probability estimates by answer set programming and approximate model counting JF - IEEE Access N2 - We present a method employing Answer Set Programming in combination with Approximate Model Counting for fast and accurate calculation of error propagation probabilities in digital circuits. By an efficient problem encoding, we achieve an input data format similar to a Verilog netlist so that extensive preprocessing is avoided. By a tight interconnection of our application with the underlying solver, we avoid iterating over fault sites and reduce calls to the solver. Several circuits were analyzed with varying numbers of considered cycles and different degrees of approximation. Our experiments show, that the runtime can be reduced by approximation by a factor of 91, whereas the error compared to the exact result is below 1%. KW - Circuit faults KW - Integrated circuit modeling KW - Programming KW - Analytical models KW - Search problems KW - Flip-flops KW - Encoding KW - Answer set programming KW - approximate model counting KW - error propagation KW - radhard design KW - reliability analysis KW - selective fault tolerance KW - single event upsets Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3174564 SN - 2169-3536 VL - 10 SP - 51814 EP - 51825 PB - Inst. of Electr. and Electronics Engineers CY - Piscataway ER - TY - JOUR A1 - Marco Figuera, Ramiro A1 - Riedel, Christian A1 - Rossi, Angelo Pio A1 - Unnithan, Vikram T1 - Depth to diameter analysis on small simple craters at the lunar south pole - possible implications for ice harboring JF - Remote sensing N2 - In this paper, we present a study comparing the depth to diameter (d/D) ratio of small simple craters (200-1000 m) of an area between -88.5 degrees to -90 degrees latitude at the lunar south pole containing Permanent Shadowed Regions (PSRs) versus craters without PSRs. As PSRs can reach temperatures of 110 K and are capable of harboring volatiles, especially water ice, we analyzed the relationship of depth versus diameter ratios and its possible implications for harboring water ice. Variations in the d/D ratios can also be caused by other processes such as degradation, isostatic adjustment, or differences in surface properties. The conducted d/D ratio analysis suggests that a differentiation between craters containing PSRs versus craters without PSRs occurs. Thus, a possible direct relation between d/D ratio, PSRs, and water ice harboring might exist. Our results suggest that differences in the target's surface properties may explain the obtained results. The resulting d/D ratios of craters with PSRs can help to select target areas for future In-Situ Resource Utilization (ISRU) missions. KW - craters KW - lunar exploration KW - ice harboring Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/rs14030450 SN - 2072-4292 VL - 14 IS - 3 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Chen, Junchao A1 - Lange, Thomas A1 - Andjelkovic, Marko A1 - Simevski, Aleksandar A1 - Lu, Li A1 - Krstic, Milos T1 - Solar particle event and single event upset prediction from SRAM-based monitor and supervised machine learning JF - IEEE transactions on emerging topics in computing / IEEE Computer Society, Institute of Electrical and Electronics Engineers N2 - The intensity of cosmic radiation may differ over five orders of magnitude within a few hours or days during the Solar Particle Events (SPEs), thus increasing for several orders of magnitude the probability of Single Event Upsets (SEUs) in space-borne electronic systems. Therefore, it is vital to enable the early detection of the SEU rate changes in order to ensure timely activation of dynamic radiation hardening measures. In this paper, an embedded approach for the prediction of SPEs and SRAM SEU rate is presented. The proposed solution combines the real-time SRAM-based SEU monitor, the offline-trained machine learning model and online learning algorithm for the prediction. With respect to the state-of-the-art, our solution brings the following benefits: (1) Use of existing on-chip data storage SRAM as a particle detector, thus minimizing the hardware and power overhead, (2) Prediction of SRAM SEU rate one hour in advance, with the fine-grained hourly tracking of SEU variations during SPEs as well as under normal conditions, (3) Online optimization of the prediction model for enhancing the prediction accuracy during run-time, (4) Negligible cost of hardware accelerator design for the implementation of selected machine learning model and online learning algorithm. The proposed design is intended for a highly dependable and self-adaptive multiprocessing system employed in space applications, allowing to trigger the radiation mitigation mechanisms before the onset of high radiation levels. KW - Machine learning KW - Single event upsets KW - Random access memory KW - monitoring KW - machine learning algorithms KW - predictive models KW - space missions KW - solar particle event KW - single event upset KW - machine learning KW - online learning KW - hardware accelerator KW - reliability KW - self-adaptive multiprocessing system Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1109/TETC.2022.3147376 SN - 2168-6750 VL - 10 IS - 2 SP - 564 EP - 580 PB - Institute of Electrical and Electronics Engineers CY - [New York, NY] ER - TY - JOUR A1 - Abdelwahab, Ahmed A1 - Landwehr, Niels T1 - Deep Distributional Sequence Embeddings Based on a Wasserstein Loss JF - Neural processing letters N2 - Deep metric learning employs deep neural networks to embed instances into a metric space such that distances between instances of the same class are small and distances between instances from different classes are large. In most existing deep metric learning techniques, the embedding of an instance is given by a feature vector produced by a deep neural network and Euclidean distance or cosine similarity defines distances between these vectors. This paper studies deep distributional embeddings of sequences, where the embedding of a sequence is given by the distribution of learned deep features across the sequence. The motivation for this is to better capture statistical information about the distribution of patterns within the sequence in the embedding. When embeddings are distributions rather than vectors, measuring distances between embeddings involves comparing their respective distributions. The paper therefore proposes a distance metric based on Wasserstein distances between the distributions and a corresponding loss function for metric learning, which leads to a novel end-to-end trainable embedding model. We empirically observe that distributional embeddings outperform standard vector embeddings and that training with the proposed Wasserstein metric outperforms training with other distance functions. KW - Metric learning KW - Sequence embeddings KW - Deep learning Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1007/s11063-022-10784-y SN - 1370-4621 SN - 1573-773X PB - Springer CY - Dordrecht ER - TY - JOUR A1 - Tran, Son Cao A1 - Pontelli, Enrico A1 - Balduccini, Marcello A1 - Schaub, Torsten T1 - Answer set planning BT - a survey JF - Theory and practice of logic programming N2 - Answer Set Planning refers to the use of Answer Set Programming (ASP) to compute plans, that is, solutions to planning problems, that transform a given state of the world to another state. The development of efficient and scalable answer set solvers has provided a significant boost to the development of ASP-based planning systems. This paper surveys the progress made during the last two and a half decades in the area of answer set planning, from its foundations to its use in challenging planning domains. The survey explores the advantages and disadvantages of answer set planning. It also discusses typical applications of answer set planning and presents a set of challenges for future research. KW - planning KW - knowledge representation and reasoning KW - logic programming Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1017/S1471068422000072 SN - 1471-0684 SN - 1475-3081 PB - Cambridge University Press CY - New York ER - TY - CHAP A1 - Hafer, Jörg A1 - Kostädt, Peter A1 - Lucke, Ulrike T1 - Das Corona-Virus als Treiber der Digitalisierung BT - eine kritische Analyse am Beispiel der Universität Potsdam T2 - Das Corona-Virus als Treiber der Digitalisierung N2 - Mit der Covid-19-Pandemie hat die Digitalisierung an Hochschulen weitere Bedeutung erlangt. Insbesondere dem Einsatz digitaler Medien in Lehre und Studium galt großes Augenmerk. Das legt die Hoffnung nahe, dass die Digitalisierung durch das Virus einen Schub erfahren und die Hochschulen dauerhaft verändert hat. Der Beitrag geht am Beispiel der Universität Potsdam der Frage nach, welcher Natur diese Veränderungen waren – ausgehend sowohl von den unternommenen Maßnahmen als auch von den erzielten Resultaten – und inwiefern sie von Dauer sind. Dabei werden förderliche und hemmende Faktoren identifiziert, die in Empfehlungen für weitere Digitalisierungsvorhaben übersetzt werden. Y1 - 2021 SN - 978-3-658-32608-1 SN - 978-3-658-32609-8 U6 - https://doi.org/10.1007/978-3-658-32609-8_15 SP - 219 EP - 242 PB - Springer CY - Wiesbaden ER - TY - THES A1 - Hecher, Markus T1 - Advanced tools and methods for treewidth-based problem solving N2 - In the last decades, there was a notable progress in solving the well-known Boolean satisfiability (Sat) problem, which can be witnessed by powerful Sat solvers. One of the reasons why these solvers are so fast are structural properties of instances that are utilized by the solver’s interna. This thesis deals with the well-studied structural property treewidth, which measures the closeness of an instance to being a tree. In fact, there are many problems parameterized by treewidth that are solvable in polynomial time in the instance size when parameterized by treewidth. In this work, we study advanced treewidth-based methods and tools for problems in knowledge representation and reasoning (KR). Thereby, we provide means to establish precise runtime results (upper bounds) for canonical problems relevant to KR. Then, we present a new type of problem reduction, which we call decomposition-guided (DG) that allows us to precisely monitor the treewidth when reducing from one problem to another problem. This new reduction type will be the basis for a long-open lower bound result for quantified Boolean formulas and allows us to design a new methodology for establishing runtime lower bounds for problems parameterized by treewidth. Finally, despite these lower bounds, we provide an efficient implementation of algorithms that adhere to treewidth. Our approach finds suitable abstractions of instances, which are subsequently refined in a recursive fashion, and it uses Sat solvers for solving subproblems. It turns out that our resulting solver is quite competitive for two canonical counting problems related to Sat. N2 - In den letzten Jahrzehnten konnte ein beachtlicher Fortschritt im Bereich der Aussagenlogik verzeichnet werden. Dieser äußerte sich dadurch, dass für das wichtigste Problem in diesem Bereich, genannt „Sat“, welches sich mit der Fragestellung befasst, ob eine gegebene aussagenlogische Formel erfüllbar ist oder nicht, überwältigend schnelle Computerprogramme („Solver“) entwickelt werden konnten. Interessanterweise liefern diese Solver eine beeindruckende Leistung, weil sie oft selbst Probleminstanzen mit mehreren Millionen von Variablen spielend leicht lösen können. Auf der anderen Seite jedoch glaubt man in der Wissenschaft weitgehend an die Exponentialzeithypothese (ETH), welche besagt, dass man im schlimmsten Fall für das Lösen einer Instanz in diesem Bereich exponentielle Laufzeit in der Anzahl der Variablen benötigt. Dieser vermeintliche Widerspruch ist noch immer nicht vollständig geklärt, denn wahrscheinlich gibt es viele ineinandergreifende Gründe für die Schnelligkeit aktueller Sat Solver. Einer dieser Gründe befasst sich weitgehend mit strukturellen Eigenschaften von Probleminstanzen, die wohl indirekt und intern von diesen Solvern ausgenützt werden. Diese Dissertation beschäftigt sich mit solchen strukturellen Eigenschaften, nämlich mit der sogenannten Baumweite. Die Baumweite ist sehr gut erforscht und versucht zu messen, wie groß der Abstand von Probleminstanzen zu Bäumen ist (Baumnähe). Allerdings ist dieser Parameter sehr generisch und bei Weitem nicht auf Problemstellungen der Aussagenlogik beschränkt. Tatsächlich gibt es viele weitere Probleme, die parametrisiert mit Baumweite in polynomieller Zeit gelöst werden können. Interessanterweise gibt es auch viele Probleme in der Wissensrepräsentation (KR), von denen man davon ausgeht, dass sie härter sind als das Problem Sat, die bei beschränkter Baumweite in polynomieller Zeit gelöst werden können. Ein prominentes Beispiel solcher Probleme ist das Problem QSat, welches sich für die Gültigkeit einer gegebenen quantifizierten, aussagenlogischen Formel (QBF), das sind aussagenlogische Formeln, wo gewisse Variablen existenziell bzw. universell quantifiziert werden können, befasst. Bemerkenswerterweise wird allerdings auch im Zusammenhang mit Baumweite, ähnlich zu Methoden der klassischen Komplexitätstheorie, die tatsächliche Komplexität (Härte) solcher Problemen quantifiziert, wo man die exakte Laufzeitabhängigkeit beim Problemlösen in der Baumweite (Stufe der Exponentialität) beschreibt. Diese Arbeit befasst sich mit fortgeschrittenen, Baumweite-basierenden Methoden und Werkzeugen für Probleme der Wissensrepräsentation und künstlichen Intelligenz (AI). Dabei präsentieren wir Methoden, um präzise Laufzeitresultate (obere Schranken) für prominente Fragmente der Antwortmengenprogrammierung (ASP), welche ein kanonisches Paradigma zum Lösen von Problemen der Wissensrepräsentation darstellt, zu erhalten. Unsere Resultate basieren auf dem Konzept der dynamischen Programmierung, die angeleitet durch eine sogenannte Baumzerlegung und ähnlich dem Prinzip „Teile-und-herrsche“ funktioniert. Solch eine Baumzerlegung ist eine konkrete, strukturelle Zerlegung einer Probleminstanz, die sich stark an der Baumweite orientiert. Des Weiteren präsentieren wir einen neuen Typ von Problemreduktion, den wir als „decomposition-guided (DG)“, also „zerlegungsangeleitet“, bezeichnen. Dieser Reduktionstyp erlaubt es, Baumweiteerhöhungen und -verringerungen während einer Problemreduktion von einem bestimmten Problem zu einem anderen Problem präzise zu untersuchen und zu kontrollieren. Zusätzlich ist dieser neue Reduktionstyp die Basis, um ein lange offen gebliebenes Resultat betreffend quantifizierter, aussagenlogischer Formeln zu zeigen. Tatsächlich sind wir damit in der Lage, präzise untere Schranken, unter der Annahme der Exponentialzeithypothese, für das Problem QSat bei beschränkter Baumweite zu zeigen. Genauer gesagt können wir mit diesem Konzept der DG Reduktionen zeigen, dass das Problem QSat, beschränkt auf Quantifizierungsrang ` und parametrisiert mit Baumweite k, im Allgemeinen nicht besser als in einer Laufzeit, die `-fach exponentiell in der Baumweite und polynomiell in der Instanzgröße ist1, lösen. Dieses Resultat hebt auf nicht-inkrementelle Weise ein bekanntes Ergebnis für Quantifizierungsrang 2 auf beliebige Quantifizierungsränge, allerdings impliziert es auch sehr viele weitere Konsequenzen. Das Resultat über die untere Schranke des Problems QSat erlaubt es, eine neue Methodologie zum Zeigen unterer Schranken einer Vielzahl von Problemen der Wissensrepräsentation und künstlichen Intelligenz, zu etablieren. In weiterer Konsequenz können wir damit auch zeigen, dass die oberen Schranken sowie die DG Reduktionen dieser Arbeit unter der Hypothese ETH „eng“ sind, d.h., sie können wahrscheinlich nicht mehr signifikant verbessert werden. Die Ergebnisse betreffend der unteren Schranken für QSat und die dazugehörige Methodologie konstituieren in gewisser Weise eine Hierarchie von über Baumweite parametrisierte Laufzeitklassen. Diese Laufzeitklassen können verwendet werden, um die Härte von Problemen für das Ausnützen von Baumweite zu quantifizieren und diese entsprechend ihrer Laufzeitabhängigkeit bezüglich Baumweite zu kategorisieren. Schlussendlich und trotz der genannten Resultate betreffend unterer Schranken sind wir im Stande, eine effiziente Implementierung von Algorithmen basierend auf dynamischer Programmierung, die entlang einer Baumzerlegung angeleitet wird, zur Verfügung zu stellen. Dabei funktioniert unser Ansatz dahingehend, indem er probiert, passende Abstraktionen von Instanzen zu finden, die dann im Endeffekt sukzessive und auf rekursive Art und Weise verfeinert und verbessert werden. Inspiriert durch die enorme Effizienz und Effektivität der Sat Solver, ist unsere Implementierung ein hybrider Ansatz, weil sie den starken Gebrauch von Sat Solvern zum Lösen diverser Subprobleme, die während der dynamischen Programmierung auftreten, pflegt. Dabei stellt sich heraus, dass der resultierende Solver unserer Implementierung im Bezug auf Effizienz beim Lösen von zwei kanonischen, Sat-verwandten Zählproblemen mit bestehenden Solvern locker mithalten kann. Tatsächlich sind wir im Stande, Instanzen, wo die oberen Schranken von Baumweite 260 übersteigen, zu lösen. Diese überraschende Beobachtung zeigt daher, dass Baumweite ein wichtiger Parameter sein könnte, der wohl in modernen Designs von Solvern berücksichtigt werden sollte. KW - Treewidth KW - Dynamic Programming KW - Knowledge Representation and Reasoning KW - Artificial Intelligence KW - Computational Complexity KW - Parameterized Complexity KW - Answer Set Programming KW - Exponential Time Hypothesis KW - Lower Bounds KW - Algorithms KW - Algorithmen KW - Antwortmengenprogrammierung KW - Künstliche Intelligenz KW - Komplexitätstheorie KW - Dynamische Programmierung KW - Exponentialzeit Hypothese KW - Wissensrepräsentation und Schlussfolgerung KW - Untere Schranken KW - Parametrisierte Komplexität KW - Baumweite Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512519 ER - TY - THES A1 - Moebert, Tobias T1 - Zum Einfluss von Adaptivität auf die Wahrnehmung von Komplexität in der Mensch-Technik-Interaktion T1 - On the Influence of Adaptivity upon the Perception of Complexity in Human-Technology Interaction BT - dargestellt am Beispiel Bildungstechnologie N2 - Wir leben in einer Gesellschaft, die von einem stetigen Wunsch nach Innovation und Fortschritt geprägt ist. Folgen dieses Wunsches sind die immer weiter fortschreitende Digitalisierung und informatische Vernetzung aller Lebensbereiche, die so zu immer komplexeren sozio-technischen Systemen führen. Ziele dieser Systeme sind u. a. die Unterstützung von Menschen, die Verbesserung ihrer Lebenssituation oder Lebensqualität oder die Erweiterung menschlicher Möglichkeiten. Doch haben neue komplexe technische Systeme nicht nur positive soziale und gesellschaftliche Effekte. Oft gibt es unerwünschte Nebeneffekte, die erst im Gebrauch sichtbar werden, und sowohl Konstrukteur*innen als auch Nutzer*innen komplexer vernetzter Technologien fühlen sich oft orientierungslos. Die Folgen können von sinkender Akzeptanz bis hin zum kompletten Verlust des Vertrauens in vernetze Softwaresysteme reichen. Da komplexe Anwendungen, und damit auch immer komplexere Mensch-Technik-Interaktionen, immer mehr an Relevanz gewinnen, ist es umso wichtiger, wieder Orientierung zu finden. Dazu müssen wir zuerst diejenigen Elemente identifizieren, die in der Interaktion mit vernetzten sozio-technischen Systemen zu Komplexität beitragen und somit Orientierungsbedarf hervorrufen. Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag geleistet werden, um ein strukturiertes Reflektieren über die Komplexität vernetzter sozio-technischer Systeme im gesamten Konstruktionsprozess zu ermöglichen. Dazu wird zuerst eine Definition von Komplexität und komplexen Systemen erarbeitet, die über das informatische Verständnis von Komplexität (also der Kompliziertheit von Problemen, Algorithmen oder Daten) hinausgeht. Im Vordergrund soll vielmehr die sozio-technische Interaktion mit und in komplexen vernetzten Systemen stehen. Basierend auf dieser Definition wird dann ein Analysewerkzeug entwickelt, welches es ermöglicht, die Komplexität in der Interaktion mit sozio-technischen Systemen sichtbar und beschreibbar zu machen. Ein Bereich, in dem vernetzte sozio-technische Systeme zunehmenden Einzug finden, ist jener digitaler Bildungstechnologien. Besonders adaptiven Bildungstechnologien wurde in den letzten Jahrzehnten ein großes Potential zugeschrieben. Zwei adaptive Lehr- bzw. Trainingssysteme sollen deshalb exemplarisch mit dem in dieser Arbeit entwickelten Analysewerkzeug untersucht werden. Hierbei wird ein besonderes Augenmerkt auf den Einfluss von Adaptivität auf die Komplexität von Mensch-Technik-Interaktionssituationen gelegt. In empirischen Untersuchungen werden die Erfahrungen von Konstrukteur*innen und Nutzer*innen jener adaptiver Systeme untersucht, um so die entscheidenden Kriterien für Komplexität ermitteln zu können. Auf diese Weise können zum einen wiederkehrende Orientierungsfragen bei der Entwicklung adaptiver Bildungstechnologien aufgedeckt werden. Zum anderen werden als komplex wahrgenommene Interaktionssituationen identifiziert. An diesen Situationen kann gezeigt werden, wo aufgrund der Komplexität des Systems die etablierten Alltagsroutinen von Nutzenden nicht mehr ausreichen, um die Folgen der Interaktion mit dem System vollständig erfassen zu können. Dieses Wissen kann sowohl Konstrukteur*innen als auch Nutzer*innen helfen, in Zukunft besser mit der inhärenten Komplexität moderner Bildungstechnologien umzugehen. N2 - We live in a society that is characterized by a constant desire for innovation and progress. The consequences of this desire are the ever-increasing digitalization and networking of all areas of life, which thus lead to ever more complex socio-technical systems. The goals of these systems include supporting people, improving their living situation or quality of life, or expanding human possibilities. But new complex technical systems do not only have positive social and societal effects. Often there are undesirable side effects that only become apparent during use, and both designers and users of complex networked technologies often feel disoriented. The consequences can range from decreasing acceptance to a complete loss of trust in networked software systems. As complex applications, and thus increasingly complex human-technology interactions, become more and more relevant, it is all the more important to find orientation again. For this purpose, we first have to identify those elements that contribute to complexity in the interaction with networked socio-technical systems and thus create a need for orientation. This work is intended to contribute to a structured reflection on the complexity of networked socio-technical systems throughout the entire construction process. For this purpose, a definition of complexity and complex system is first developed, which goes beyond the informatics understanding of complexity (i.e. the complexity of problems, algorithms, or data). The focus will rather be on the socio-technical interaction with and within complex networked systems. Based on this definition, an analysis tool will be developed, which allows us to make the complexity in the interaction with socio-technical systems visible and describable. One area in which networked socio-technical systems are becoming increasingly important is that of digital educational technologies. Adaptive educational technologies in particular have been attributed a great potential in the last decades. Therefore, two adaptive teaching and training systems will be examined with the analysis tool developed in this thesis. Special attention will be paid to the influence of adaptivity on the complexity of human-technology interaction situations. In empirical studies, the experiences of users and constructors of those adaptive systems will be examined to determine the decisive criteria for complexity. In this way, recurring questions of orientation in the development of adaptive educational technologies can be uncovered. Furthermore, interaction situations perceived as complex are identified. These situations can be used to show where, due to the complexity of the system, the established everyday routines of users are no longer sufficient to fully grasp the consequences of interaction with the system. This knowledge can help both designers and users to better deal with the inherent complexity of modern educational technologies in the future. KW - Bildungstechnologien KW - Mensch-Technik-Interaktion KW - Komplexität KW - Adaptivität KW - Methodik KW - Adaptivity KW - Educational Technologies KW - Complexity KW - Human-Technology Interaction KW - Methodology Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-499926 ER - TY - THES A1 - Dehne, Julian T1 - Möglichkeiten und Limitationen der medialen Unterstützung forschenden Lernens N2 - Forschendes Lernen und die digitale Transformation sind zwei der wichtigsten Einflüsse auf die Entwicklung der Hochschuldidaktik im deutschprachigen Raum. Während das forschende Lernen als normative Theorie das sollen beschreibt, geben die digitalen Werkzeuge, alte wie neue, das können in vielen Bereichen vor. In der vorliegenden Arbeit wird ein Prozessmodell aufgestellt, was den Versuch unternimmt, das forschende Lernen hinsichtlich interaktiver, gruppenbasierter Prozesse zu systematisieren. Basierend auf dem entwickelten Modell wurde ein Softwareprototyp implementiert, der den gesamten Forschungsprozess begleiten kann. Dabei werden Gruppenformation, Feedback- und Reflexionsprozesse und das Peer Assessment mit Bildungstechnologien unterstützt. Die Entwicklungen wurden in einem qualitativen Experiment eingesetzt, um Systemwissen über die Möglichkeiten und Grenzen der digitalen Unterstützung von forschendem Lernen zu gewinnen. N2 - Research-based learning and digital transformation are two of the most important influences on the development of pedagogies of universities in German-speaking countries. While research-based learning as a normative theory explains the should, the digital tools, both old and new, provide the can in many areas. In the present work, a process model was developed, which captures research-based learning with regard to interactive, group-based processes. Based on this model a software prototype was implemented that can accompany the entire research process. Thereby group formation, feedback and reflection processes and peer assessment are supported with educational technology. The developed software was used in a qualitative experiment to gain knowledge about the possibilities and limits of digital support for research-based learning. T2 - Limits and chances of supporting inquiry-based learning with digital media KW - Forschendes Lernen KW - Digitale Medien KW - Modellierung KW - Bildungstechnologien KW - Educational Technologies KW - Digital Media KW - Inquiry-based learning KW - Modelling Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-497894 ER - TY - JOUR A1 - Bordihn, Henning A1 - Vaszil, György T1 - Reversible parallel communicating finite automata systems JF - Acta informatica N2 - We study the concept of reversibility in connection with parallel communicating systems of finite automata (PCFA in short). We define the notion of reversibility in the case of PCFA (also covering the non-deterministic case) and discuss the relationship of the reversibility of the systems and the reversibility of its components. We show that a system can be reversible with non-reversible components, and the other way around, the reversibility of the components does not necessarily imply the reversibility of the system as a whole. We also investigate the computational power of deterministic centralized reversible PCFA. We show that these very simple types of PCFA (returning or non-returning) can recognize regular languages which cannot be accepted by reversible (deterministic) finite automata, and that they can even accept languages that are not context-free. We also separate the deterministic and non-deterministic variants in the case of systems with non-returning communication. We show that there are languages accepted by non-deterministic centralized PCFA, which cannot be recognized by any deterministic variant of the same type. KW - Finite automata KW - Reversibility KW - Systems of parallel communicating KW - automata Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1007/s00236-021-00396-9 SN - 0001-5903 SN - 1432-0525 VL - 58 IS - 4 SP - 263 EP - 279 PB - Springer CY - Berlin ; Heidelberg ; New York, NY ER - TY - THES A1 - Hitz, Michael T1 - Modellierung und Generierung kombinierbarer Benutzungsschnittstellenvarianten und deren gemeinschaftliche Nutzung in Dienst-Ökosystemen T1 - Modeling and generation of composable user interface variants and their shared use in digital service ecosystems N2 - Digitalisierung ermöglicht es uns, mit Partnern (z.B. Unternehmen, Institutionen) in einer IT-unterstützten Umgebung zu interagieren und Tätigkeiten auszuführen, die vormals manuell erledigt wurden. Ein Ziel der Digitalisierung ist dabei, Dienstleistungen unterschiedlicher fachlicher Domänen zu Prozessen zu kombinieren und vielen Nutzergruppen bedarfsgerecht zugänglich zu machen. Hierzu stellen Anbieter technische Dienste bereit, die in unterschiedliche Anwendungen integriert werden können. Die Digitalisierung stellt die Anwendungsentwicklung vor neue Herausforderungen. Ein Aspekt ist die bedarfsgerechte Anbindung von Nutzern an Dienste. Zur Interaktion menschlicher Nutzer mit den Diensten werden Benutzungsschnittstellen benötigt, die auf deren Bedürfnisse zugeschnitten sind. Hierzu werden Varianten für spezifische Nutzergruppen (fachliche Varianten) und variierende Umgebungen (technische Varianten) benötigt. Zunehmend müssen diese mit Diensten anderer Anbieter kombiniert werden können, um domänenübergreifend Prozesse zu Anwendungen mit einem erhöhten Mehrwert für den Endnutzer zu verknüpfen (z.B. eine Flugbuchung mit einer optionalen Reiseversicherung). Die Vielfältigkeit der Varianten lässt die Erstellung von Benutzungsschnittstellen komplex und die Ergebnisse sehr individuell erscheinen. Daher werden die Varianten in der Praxis vorwiegend manuell erstellt. Dies führt zur parallelen Entwicklung einer Vielzahl sehr ähnlicher Anwendungen, die nur geringes Potential zur Wiederverwendung besitzen. Die Folge sind hohe Aufwände bei Erstellung und Wartung. Dadurch wird häufig auf die Unterstützung kleiner Nutzerkreise mit speziellen Anforderungen verzichtet (z.B. Menschen mit physischen Einschränkungen), sodass diese weiterhin von der Digitalisierung ausgeschlossen bleiben. Die Arbeit stellt eine konsistente Lösung für diese neuen Herausforderungen mit den Mitteln der modellgetriebenen Entwicklung vor. Sie präsentiert einen Ansatz zur Modellierung von Benutzungsschnittstellen, Varianten und Kompositionen und deren automatischer Generierung für digitale Dienste in einem verteilten Umfeld. Die Arbeit schafft eine Lösung zur Wiederverwendung und gemeinschaftlichen Nutzung von Benutzungsschnittstellen über Anbietergrenzen hinweg. Sie führt zu einer Infrastruktur, in der eine Vielzahl von Anbietern ihre Expertise in gemeinschaftliche Anwendungen einbringen können. Die Beiträge bestehen im Einzelnen in Konzepten und Metamodellen zur Modellierung von Benutzungsschnittstellen, Varianten und Kompositionen sowie einem Verfahren zu deren vollständig automatisierten Transformation in funktionale Benutzungsschnittstellen. Zur Umsetzung der gemeinschaftlichen Nutzbarkeit werden diese ergänzt um eine universelle Repräsentation der Modelle, einer Methodik zur Anbindung unterschiedlicher Dienst-Anbieter sowie einer Architektur zur verteilten Nutzung der Artefakte und Verfahren in einer dienstorientierten Umgebung. Der Ansatz bietet die Chance, unterschiedlichste Menschen bedarfsgerecht an der Digitalisierung teilhaben zu lassen. Damit setzt die Arbeit Impulse für zukünftige Methoden zur Anwendungserstellung in einem zunehmend vielfältigen Umfeld. N2 - Digitalization enables us to interact with partners (e.g., companies, institutions) and perform operations in an IT-supported, digital environment. A major objective of the digitalization efforts is to combine and integrate services of different business domains in order to make them accessible to a wide variety of users. To achieve that objective, service suppliers provide technical services that can be integrated into applications. This brings new challenges for the development of applications. An important aspect is the needs-oriented accessibility of services for users. To interact with technical services, human users need user interfaces (UIs) tailored to suit their needs. This requires a variety of UI variants focusing on the different requirements of special user groups (user specific variants) and tailored for multiple technical environments (technical variants). In addition, user interfaces increasingly need to combine services from different suppliers and business domains to build applications with added value for the customer (e.g., a flight booking in combination with a travel insurance product). The diversity of the variants lets the development of user interfaces seems to be a complex and very individual task. Therefore, in daily practice variants are mostly built manually. This leads to concurrent developments of very similar, yet hardly reusable applications. This results in increasing expenses for application building and maintenance. One consequence is that service providers shy away from the effort to build variants for small user groups with special needs (e.g., visually impaired persons), excluding them from digital offerings and leaving them behind. This thesis offers a consistent solution for these new challenges by applying model driven development techniques to the problem. It presents an approach for modeling dialog-based user interfaces, variants and compositions including their completely automatic generation as UIs for digital services in a distributed environment. The thesis provides a solution for reuse and sharing of user interfaces across different domains and suppliers. It leads to an infrastructure where a variety of suppliers can share their expertise to build applications. The contributions of this work are concepts and metamodels for modeling user interfaces, variants and compositions along with a process for a completely automated transformation into fully functional UIs. To achieve reusability and shareability the solutions are complemented by a universal representation of the models, a method to reuse them with different service suppliers and a distributed architecture for sharing the artifacts and functional components of the approach in a service oriented environment. The approach offers the opportunity to a variety of people to participate in digitalization. It provides impetus for future application development methods within an increasingly diverse environment. KW - Digitalisierung KW - Dienst-Ökosysteme KW - Dialogbasierte Benutzerschnittstellen KW - Multimodale Benutzerschnittstellen KW - Modellgetriebene UI Entwicklung KW - UI-Komponenten KW - Digitalisation KW - Service Ecosystems KW - Tailored UI Variants KW - User Interfaces KW - Dialog-based User Interfaces KW - Multimodal User Interfaces KW - Model Driven UI Development KW - Automatic UI Generation KW - Reuseable UIs KW - UI Components KW - Composed UIs KW - UI Metamodels KW - Softwareentwicklung KW - Domänenspezifische Sprachen KW - Generative Programmierung KW - Modellgetriebene Softwareentwicklung KW - Serviceorientierte Architektur KW - Benutzungsschnittstellen Ontologien KW - Linked Data Anwendungen KW - Applications and Software Development KW - Model-Driven Software Development KW - Service Oriented Architectures KW - Software Engineering KW - User Interface Ontologies KW - Linked Data Application Modelling KW - Application Aggregation KW - Generative Programming KW - Domain-Specific Languages Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-500224 ER - TY - JOUR A1 - Bordihn, Henning A1 - Holzer, Markus T1 - On the number of active states in finite automata JF - Acta informatica N2 - We introduce a new measure of descriptional complexity on finite automata, called the number of active states. Roughly speaking, the number of active states of an automaton A on input w counts the number of different states visited during the most economic computation of the automaton A for the word w. This concept generalizes to finite automata and regular languages in a straightforward way. We show that the number of active states of both finite automata and regular languages is computable, even with respect to nondeterministic finite automata. We further compare the number of active states to related measures for regular languages. In particular, we show incomparability to the radius of regular languages and that the difference between the number of active states and the total number of states needed in finite automata for a regular language can be of exponential order. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1007/s00236-021-00397-8 SN - 0001-5903 SN - 1432-0525 VL - 58 IS - 4 SP - 301 EP - 318 PB - Springer CY - Berlin ; Heidelberg [u.a.] ER - TY - THES A1 - Reuß, Florian T1 - Entwicklung eines Prototyps einer Lernumgebung für interaktive Funktionsanalyse-Übungen nach einem Gamification- Ansatz T1 - On the development of a prototypical learning environment for music theory exercises following a gamification approach N2 - In vielen Studiengängen kommt es durch die oft heterogenen Vorkenntnisse in der Studieneingangsphase zu mangelnder Motivation durch Über- oder Unterforderung. Dieses Problem tritt auch in der musiktheoretischen Grundausbildung an Hochschulen auf. Durch Einsatz von Elementen, die aus dem Unterhaltungskontext geläufig sind, kann eine Steigerung der Motivation erreicht werden. Die Nutzung solcher Elemente wird als Gamification bezeichnet. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, am Fallbeispiel der musiktheoretischen Grundausbildung zu analysieren, ob Lerngelegenheiten durch einen gamifizierten interaktiven Prototyp einer Lernumgebung unterstützt werden können. Dazu wird die folgende Forschungsfrage gestellt: Inwieweit wirkt Gamification auf die Motivation bei den Lernenden zur Beschäftigung mit dem Thema (musikalische) Funktionsanalyse? Um die Forschungsfragen zu beantworten, wurde zunächst ein systematisches, theoriegeleitetes Vorgehensmodell zur Gamification von Lernumgebungen entwickelt und angewandt. Der so entstandene Prototyp wurde anschließend um alle Game-Design-Elemente reduziert und im Rahmen einer experimentellen Studie mit zwei unabhängigen Versuchsgruppen mit der gamifizierten Variante verglichen. Die Untersuchung zeigte, dass die Gamification einer Lernanwendung nach dem entwickelten Vorgehensmodell grundsätzlich das Potenzial besitzt, manche Aspekte des Nutzungserlebnisses (UX) positiv zu beeinflussen. Insbesondere hatte die Gamification positive Effekte auf die Joy of Use und die Immersivität. Allerdings blieb das Ausmaß der beobachteten Effekte deutlich hinter den Erwartungen zurück, die auf Basis verschiedener Motivationstheorien getroffen wurden. Daher erscheint Gamification besonders in außeruniversitären Kontexten vielversprechend, in denen der Fokus auf einer Erhöhung der Joy of Use oder einer Steigerung der Immersivität liegt. Allerdings lassen sich durch die Untersuchung neue Erkenntnisse zur emotionalen Wirkung von Gamification und zu einem systematischen Vorgehen bei der Gamification von Lernanwendungen herausstellen. Weiterführende Forschung könnte an diese Erkenntnisse anknüpfen, indem sie die emotionale Wirkung von Gamification und deren Einfluss auf die Motivation näher untersucht. Darüber hinaus sollte sie Gamification auch aus einer entscheidungstheoretischen Perspektive betrachten und Analysemethoden entwickeln, mit denen entschieden werden kann, ob der Einsatz von Gamification zur Motivationssteigerung in einem spezifischen Anwendungsfall zielführend ist. Unter Verwendung des entwickelten Vorgehensmodells kann es sinnvoll sein, näher zu untersuchen, welche Faktoren insgesamt für das Gelingen einer Gamification-Maßnahme in Bildungskontexten entscheidend sind. Die Erkenntnisse einer solchen Untersuchung könnten entscheidend zur Verbesserung und Validierung des Vorgehensmodells beitragen.  N2 - In many academic courses, the often heterogeneous previous knowledge in the introductory phase leads to a lack of motivation in students due to over- or under-challenging. This problem also occurs in basic music theory training at universities. By using elements that are familiar from entertainment contexts, an increase in motivation can be achieved. The use of such elements is called gamification. The aim of this paper is to analyse whether learning opportunities can be supported by a gamified interactive prototype of a learning environment, using music theory as a case study. For this purpose, the following research question is posed: To what extent does gamification affect motivation in learners to engage with the topic of (musical) functional analysis? In order to answer the research questions, a systematic, theory-based procedure model for the gamification of learning environments was first developed and applied. The resulting prototype was then reduced by all game design elements and compared with the gamified version in an experimental study with two independent experimental groups. The study showed that the gamification of a learning application according to the developed procedure model has the potential to positively influence some aspects of the user experience (UX). In particular, gamification had positive effects on the joy of use and immersivity. However, the extent of the observed effects remained significantly below the expectations made on the basis of various motivation theories. Therefore, gamification seems to be particularly promising in non-university contexts where the focus is on increasing the joy of use or immersivity. However, new insights into the emotional impact of gamification and a systematic approach to gamification of learning applications can be highlighted. Further research could carry on these investigations by regarding on the emotional impact of gamification and its influence on motivation in detail. Furthermore, gamification should be analysed from a decision-theoretical perspective: it is important to develop methods of analysis that can be used to decide whether the use of gamification is profitable in a specific use case. Using the process model developed, it may be useful to investigate more closely which factors are decisive for the overall success of a gamification measure in educational contexts. The findings of such an investigation could contribute to the improvement and validation of the process model developed. KW - Gamification KW - Gamification KW - Nutzungserlebnis KW - User Experience KW - Gebrauchstauglichkeit KW - Usability KW - Lernumgebung KW - Learning environment KW - Prototyping KW - Prototyping KW - Motivation KW - Motivation KW - Game-Design-Elemente KW - game design elements Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519041 ER - TY - THES A1 - Zoerner, Dietmar T1 - Förderung von Aufmerksamkeit und Motivationserhalt durch digitale spielbasierte Lernsysteme mit spezifischer Eignung bei Autismus T1 - Promotion of attention and preservation of motivation through digital game-based learning systems with particular suitability for autism N2 - Institutionelle Bildung ist für autistische Lernende mit vielgestaltigen und spezifischen Hindernissen verbunden. Dies gilt insbesondere im Zusammenhang mit Inklusion, deren Relevanz nicht zuletzt durch das Übereinkommen der Vereinten Nationen über die Rechte von Menschen mit Behinderung gegeben ist. Diese Arbeit diskutiert zahlreiche lernrelevante Besonderheiten im Kontext von Autismus und zeigt Diskrepanzen zu den nicht immer ausreichend angemessenen institutionellen Lehrkonzepten. Eine zentrale These ist hierbei, dass die ungewöhnlich intensive Aufmerksamkeit von Autist*innen für ihre Spezialinteressen dafür genutzt werden kann, das Lernen mit fremdgestellten Inhalten zu erleichtern. Darauf aufbauend werden Lösungsansätze diskutiert, welche in einem neuartigen Konzept für ein digitales mehrgerätebasiertes Lernspiel resultieren. Eine wesentliche Herausforderung bei der Konzeption spielbasierten Lernens besteht in der adäquaten Einbindung von Lerninhalten in einen fesselnden narrativen Kontext. Am Beispiel von Übungen zur emotionalen Deutung von Mimik, welche für das Lernen von sozioemotionalen Kompetenzen besonders im Rahmen von Therapiekonzepten bei Autismus Verwendung finden, wird eine angemessene Narration vorgestellt, welche die störungsarme Einbindung dieser sehr speziellen Lerninhalte ermöglicht. Die Effekte der einzelnen Konzeptionselemente werden anhand eines prototypisch entwickelten Lernspiels untersucht. Darauf aufbauend zeigt eine quantitative Studie die gute Akzeptanz und Nutzerfreundlichkeit des Spiels und belegte vor allem die Verständlichkeit der Narration und der Spielelemente. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der minimalinvasiven Untersuchung möglicher Störungen des Spielerlebnisses durch den Wechsel zwischen verschiedenen Endgeräten, für die ein innovatives Messverfahren entwickelt wurde. Im Ergebnis beleuchtet diese Arbeit die Bedeutung und die Grenzen von spielbasierten Ansätzen für autistische Lernende. Ein großer Teil der vorgestellten Konzepte lässt sich auf andersartige Lernszenarien übertragen. Das dafür entwickelte technische Framework zur Realisierung narrativer Lernpfade ist ebenfalls darauf vorbereitet, für weitere Lernszenarien, gerade auch im institutionellen Kontext, Verwendung zu finden. N2 - Institutional education is associated with multifaceted and specific obstacles for autistic learners. This is especially true in the context of inclusion, the relevance of which is given not least by the United Nations Convention on the Rights of Persons with Disabilities. This thesis discusses numerous learning-relevant peculiarities in the context of autism and shows discrepancies with institutional teaching concepts that are not always sufficiently appropriate. A central thesis is that the unusually intense attention of autistic students to their special interests can be used to facilitate learning with foreign content. Based on this, solutions are discussed, which result in an innovative concept for a digital multi-devicebased learning game. A key challenge in designing game-based learning is to adequately integrate learning content into a compelling narrative context. Using the example of exercises for the emotional interpretation of facial expressions, which are used for learning socioemotional competencies especially in the context of therapy concepts for autism, an appropriate narration is presented, which enables the low-disturbance integration of this very specific learning content. The effects of the individual conceptual elements are examined based on a prototypically developed learning game. Based on this, a quantitative study shows the good acceptance and user-friendliness of the game and especially proves the comprehensibility of the narration and the game elements. Another focus is the minimally invasive investigation of possible disturbances of the game experience by switching between different end devices, for which an innovative measurement method was developed. As a result, this work sheds light on the importance and limitations of game-based approaches for autistic learners. A large part of the presented concepts can be transferred to other types of learning scenarios. The technical framework developed for the realization of narrative learning paths is also prepared to be used for other learning scenarios, especially in an institutional context. KW - Autismus KW - Spielbasiertes Lernen KW - Aufmerksamkeit KW - Attention KW - Autism KW - game based learning Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-523725 ER - TY - THES A1 - Weise, Matthias T1 - Auswahl von Selektions- und Manipulationstechniken für Virtual Reality-Anwendungen T1 - Choosing selection and manipulation techniques for Virtual Reality applications N2 - Die stetige Weiterentwicklung von VR-Systemen bietet neue Möglichkeiten der Interaktion mit virtuellen Objekten im dreidimensionalen Raum, stellt Entwickelnde von VRAnwendungen aber auch vor neue Herausforderungen. Selektions- und Manipulationstechniken müssen unter Berücksichtigung des Anwendungsszenarios, der Zielgruppe und der zur Verfügung stehenden Ein- und Ausgabegeräte ausgewählt werden. Diese Arbeit leistet einen Beitrag dazu, die Auswahl von passenden Interaktionstechniken zu unterstützen. Hierfür wurde eine repräsentative Menge von Selektions- und Manipulationstechniken untersucht und, unter Berücksichtigung existierender Klassifikationssysteme, eine Taxonomie entwickelt, die die Analyse der Techniken hinsichtlich interaktionsrelevanter Eigenschaften ermöglicht. Auf Basis dieser Taxonomie wurden Techniken ausgewählt, die in einer explorativen Studie verglichen wurden, um Rückschlüsse auf die Dimensionen der Taxonomie zu ziehen und neue Indizien für Vor- und Nachteile der Techniken in spezifischen Anwendungsszenarien zu generieren. Die Ergebnisse der Arbeit münden in eine Webanwendung, die Entwickelnde von VR-Anwendungen gezielt dabei unterstützt, passende Selektions- und Manipulationstechniken für ein Anwendungsszenario auszuwählen, indem Techniken auf Basis der Taxonomie gefiltert und unter Verwendung der Resultate aus der Studie sortiert werden können. N2 - The constant advancement of VR systems offers new possibilities of interaction with virtual objects in three-dimensional space, but also poses new challenges for developers of VR applications. Selection and manipulation techniques have to be chosen in dependence of the application scenario, the users and the available input and output devices. This work contributes to support the selection of suitable interaction techniques. A representative quantity of selection and manipulation techniques has been investigated and a taxonomy has been developed based on existing classification systems which allows the analysis of the techniques with respect to properties relevant for interaction. Based on this taxonomy, techniques were selected and compared in an exploratory study in order to draw conclusions about the dimensions of the taxonomy and to generate new evidence for advantages and disadvantages of the techniques in specific application scenarios. The results of the work lead to a web application, which supports the developer of VR applications in choosing suitable selection and manipulation techniques for an application scenario by filtering techniques based on the taxonomy and sorting them using the results of the study. KW - Virtual Reality KW - Interaktionstechniken KW - Mensch-Computer-Interaktion KW - Virtual Reality KW - interaction techniques KW - human computer interaction Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-534586 ER - TY - JOUR A1 - Kreowsky, Philipp A1 - Stabernack, Christian Benno T1 - A full-featured FPGA-based pipelined architecture for SIFT extraction JF - IEEE access : practical research, open solutions / Institute of Electrical and Electronics Engineers N2 - Image feature detection is a key task in computer vision. Scale Invariant Feature Transform (SIFT) is a prevalent and well known algorithm for robust feature detection. However, it is computationally demanding and software implementations are not applicable for real-time performance. In this paper, a versatile and pipelined hardware implementation is proposed, that is capable of computing keypoints and rotation invariant descriptors on-chip. All computations are performed in single precision floating-point format which makes it possible to implement the original algorithm with little alteration. Various rotation resolutions and filter kernel sizes are supported for images of any resolution up to ultra-high definition. For full high definition images, 84 fps can be processed. Ultra high definition images can be processed at 21 fps. KW - Field programmable gate arrays KW - Convolution KW - Signal processing KW - algorithms KW - Kernel KW - Image resolution KW - Histograms KW - Feature extraction KW - Scale-invariant feature transform (SIFT) KW - field-programmable gate array KW - (FPGA) KW - image processing KW - computer vision KW - parallel processing KW - architecture KW - real-time KW - hardware architecture Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3104387 SN - 2169-3536 VL - 9 SP - 128564 EP - 128573 PB - Inst. of Electr. and Electronics Engineers CY - New York, NY ER - TY - THES A1 - Sahlmann, Kristina T1 - Network management with semantic descriptions for interoperability on the Internet of Things T1 - Netzwerk Management mit semantischen Beschreibungen für Interoperabilität im Internet der Dinge N2 - The Internet of Things (IoT) is a system of physical objects that can be discovered, monitored, controlled, or interacted with by electronic devices that communicate over various networking interfaces and eventually can be connected to the wider Internet. [Guinard and Trifa, 2016]. IoT devices are equipped with sensors and/or actuators and may be constrained in terms of memory, computational power, network bandwidth, and energy. Interoperability can help to manage such heterogeneous devices. Interoperability is the ability of different types of systems to work together smoothly. There are four levels of interoperability: physical, network and transport, integration, and data. The data interoperability is subdivided into syntactic and semantic data. Semantic data describes the meaning of data and the common understanding of vocabulary e.g. with the help of dictionaries, taxonomies, ontologies. To achieve interoperability, semantic interoperability is necessary. Many organizations and companies are working on standards and solutions for interoperability in the IoT. However, the commercial solutions produce a vendor lock-in. They focus on centralized approaches such as cloud-based solutions. This thesis proposes a decentralized approach namely Edge Computing. Edge Computing is based on the concepts of mesh networking and distributed processing. This approach has an advantage that information collection and processing are placed closer to the sources of this information. The goals are to reduce traffic, latency, and to be robust against a lossy or failed Internet connection. We see management of IoT devices from the network configuration management perspective. This thesis proposes a framework for network configuration management of heterogeneous, constrained IoT devices by using semantic descriptions for interoperability. The MYNO framework is an acronym for MQTT, YANG, NETCONF and Ontology. The NETCONF protocol is the IETF standard for network configuration management. The MQTT protocol is the de-facto standard in the IoT. We picked up the idea of the NETCONF-MQTT bridge, originally proposed by Scheffler and Bonneß[2017], and extended it with semantic device descriptions. These device descriptions provide a description of the device capabilities. They are based on the oneM2M Base ontology and formalized by the Semantic Web Standards. The novel approach is using a ontology-based device description directly on a constrained device in combination with the MQTT protocol. The bridge was extended in order to query such descriptions. Using a semantic annotation, we achieved that the device capabilities are self-descriptive, machine readable and re-usable. The concept of a Virtual Device was introduced and implemented, based on semantic device descriptions. A Virtual Device aggregates the capabilities of all devices at the edge network and contributes therefore to the scalability. Thus, it is possible to control all devices via a single RPC call. The model-driven NETCONF Web-Client is generated automatically from this YANG model which is generated by the bridge based on the semantic device description. The Web-Client provides a user-friendly interface, offers RPC calls and displays sensor values. We demonstrate the feasibility of this approach in different use cases: sensor and actuator scenarios, as well as event configuration and triggering. The semantic approach results in increased memory overhead. Therefore, we evaluated CBOR and RDF HDT for optimization of ontology-based device descriptions for use on constrained devices. The evaluation shows that CBOR is not suitable for long strings and RDF HDT is a promising candidate but is still a W3C Member Submission. Finally, we used an optimized JSON-LD format for the syntax of the device descriptions. One of the security tasks of network management is the distribution of firmware updates. The MYNO Update Protocol (MUP) was developed and evaluated on constrained devices CC2538dk and 6LoWPAN. The MYNO update process is focused on freshness and authenticity of the firmware. The evaluation shows that it is challenging but feasible to bring the firmware updates to constrained devices using MQTT. As a new requirement for the next MQTT version, we propose to add a slicing feature for the better support of constrained devices. The MQTT broker should slice data to the maximum packet size specified by the device and transfer it slice-by-slice. For the performance and scalability evaluation of MYNO framework, we setup the High Precision Agriculture demonstrator with 10 ESP-32 NodeMCU boards at the edge of the network. The ESP-32 NodeMCU boards, connected by WLAN, were equipped with six sensors and two actuators. The performance evaluation shows that the processing of ontology-based descriptions on a Raspberry Pi 3B with the RDFLib is a challenging task regarding computational power. Nevertheless, it is feasible because it must be done only once per device during the discovery process. The MYNO framework was tested with heterogeneous devices such as CC2538dk from Texas Instruments, Arduino Yún Rev 3, and ESP-32 NodeMCU, and IP-based networks such as 6LoWPAN and WLAN. Summarizing, with the MYNO framework we could show that the semantic approach on constrained devices is feasible in the IoT. N2 - Ein Netzwerk von physischen Objekten (Dingen), die von elektronischen Geräten entdeckt, überwacht und gesteuert werden können, die über verschiedene Netzwerkschnittstellen kommunizieren und schließlich mit dem Internet verbunden werden können, bezeichnet man als Internet of Things (Internet der Dinge, IoT) [Guinard und Trifa, 2016]. Die elektronischen Geräte sind mit Sensoren und Aktuatoren ausgestattet und verfügen oft nur über begrenzte Rechenressourcen wie Leistung, Speicher, Netzwerkbandbreite und Energie. Interoperabilität ist die Fähigkeit verschiedener Systemtypen reibungslos zusammenzuarbeiten und kann helfen, heterogenen Geräte im IoT zu verwalten. Die Semantische Interoperabilität stellt sicher, dass die Bedeutung von Daten und das gemeinsame Verständnis des Vokabulars zwischen den Systemen vorhanden ist. Viele Organisationen und Unternehmen arbeiten an Standards und Lösungen für die Interoperabilität im IoT, bieten aber nur Insellösungen an. Die kommerziellen Lösungen führen jedoch zu einer Lieferantenbindung. Sie konzentrieren sich auf zentralisierte Ansätze wie Cloud-basierte Lösungen. Wir verfolgen einen dezentralen Ansatz, nämlich Edge Computing, und sehen die Verwaltung von IoT-Geräten aus der Perspektive des Netzwerkkonfigurationsmanagements. In dieser Arbeit wird ein Framework für das Netzwerkkonfigurationsmanagement heterogener IoT-Geräte mit begrenzten Rechenressourcen unter Verwendung semantischer Beschreibungen für die Interoperabilität vorgestellt. Das MYNO-Framework steht für die verwendeten Technologien MQTT, YANG, NETCONF und Ontologie. Das NETCONF-Protokoll ist der IETF-Standard für das Netzwerkkonfigurations-management und verwendet YANG als Datenmodellierungssprache. Das MQTT-Protokoll ist der De-facto-Standard im IoT. Die semantischen Beschreibungen enthalten eine detaillierte Liste der Gerätefunktionen. Sie basieren auf der oneM2M Base-Ontologie und verwenden Semantic Web Standards. Das Konzept eines Virtuellen Geräts wurde basierend auf den semantischen Gerätebeschreibungen eingeführt und implementiert. Der modellgesteuerte NETCONF Web-Client wird automatisch auf Basis von YANG generiert, das auf Basis der semantischen Gerätebeschreibung erstellt wird. Wir demonstrieren die Machbarkeit des MYNO Ansatzes in verschiedenen Anwendungsfällen: Sensor- und Aktuator-Szenarien sowie Ereigniskonfiguration und -auslösung. Eine der Sicherheitsaufgaben des Netzwerkmanagements ist die Verteilung von Firmware-Updates. Das MYNO Update Protocol (MUP) wurde auf den Geräten CC2538dk und 6LoWPAN Netzwerk entwickelt und evaluiert. Für die Bewertung der Leistung und Skalierbarkeit des MYNO-Frameworks wurde ein Precision Agriculture Demonstrator mit 10 ESP-32 NodeMCU Geräten eingerichtet. Zusammenfassend konnten wir mit dem MYNO-Framework zeigen, dass der semantische Ansatz für Geräte mit limitierten Rechenressourcen im Internet of Things machbar ist. KW - Internet of Things KW - Network Management KW - MQTT KW - Ontology KW - Interoperability KW - Netzwerk Management KW - Interoperabilität KW - Sensornetzwerke KW - Ontologie KW - 6LoWPAN KW - Semantic Web KW - IoT KW - NETCONF KW - oneM2M Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-529846 ER - TY - THES A1 - Grum, Marcus T1 - Construction of a concept of neuronal modeling N2 - The business problem of having inefficient processes, imprecise process analyses, and simulations as well as non-transparent artificial neuronal network models can be overcome by an easy-to-use modeling concept. With the aim of developing a flexible and efficient approach to modeling, simulating, and optimizing processes, this paper proposes a flexible Concept of Neuronal Modeling (CoNM). The modeling concept, which is described by the modeling language designed and its mathematical formulation and is connected to a technical substantiation, is based on a collection of novel sub-artifacts. As these have been implemented as a computational model, the set of CoNM tools carries out novel kinds of Neuronal Process Modeling (NPM), Neuronal Process Simulations (NPS), and Neuronal Process Optimizations (NPO). The efficacy of the designed artifacts was demonstrated rigorously by means of six experiments and a simulator of real industrial production processes. N2 - Die vorliegende Arbeit addressiert das Geschäftsproblem von ineffizienten Prozessen, unpräzisen Prozessanalysen und -simulationen sowie untransparenten künstlichen neuronalen Netzwerken, indem ein Modellierungskonzept zum Neuronalen Modellieren konstruiert wird. Dieses neuartige Konzept des Neuronalen Modellierens (CoNM) fungiert als flexibler und effizienter Ansatz zum Modellieren, Simulieren und Optimieren von Prozessen mit Hilfe von neuronalen Netzwerken und wird mittels einer Modellierungssprache, dessen mathematischen Formalisierung und technischen Substanziierung sowie einer Sammlung von neuartigen Subartefakten beschrieben. In der Verwendung derer Implementierung als CoNM-Werkzeuge können somit neue Arten einer Neuronalen-Prozess-Modellierung (NPM), Neuronalen-Prozess-Simulation (NPS) sowie Neuronalen-Prozess-Optimierung (NPO) realisiert werden. Die Wirksamkeit der erstellten Artefakte wurde anhand von sechs Experimenten demonstriert sowie in einem Simulator in realen Produktionsprozessen gezeigt. T2 - Konzept des Neuronalen Modellierens KW - Deep Learning KW - Artificial Neuronal Network KW - Explainability KW - Interpretability KW - Business Process KW - Simulation KW - Optimization KW - Knowledge Management KW - Process Management KW - Modeling KW - Process KW - Knowledge KW - Learning KW - Enterprise Architecture KW - Industry 4.0 KW - Künstliche Neuronale Netzwerke KW - Erklärbarkeit KW - Interpretierbarkeit KW - Geschäftsprozess KW - Simulation KW - Optimierung KW - Wissensmanagement KW - Prozessmanagement KW - Modellierung KW - Prozess KW - Wissen KW - Lernen KW - Enterprise Architecture KW - Industrie 4.0 Y1 - 2021 ER - TY - JOUR A1 - Bauer, Chris A1 - Herwig, Ralf A1 - Lienhard, Matthias A1 - Prasse, Paul A1 - Scheffer, Tobias A1 - Schuchhardt, Johannes T1 - Large-scale literature mining to assess the relation between anti-cancer drugs and cancer types JF - Journal of translational medicine N2 - Background: There is a huge body of scientific literature describing the relation between tumor types and anti-cancer drugs. The vast amount of scientific literature makes it impossible for researchers and physicians to extract all relevant information manually. Methods: In order to cope with the large amount of literature we applied an automated text mining approach to assess the relations between 30 most frequent cancer types and 270 anti-cancer drugs. We applied two different approaches, a classical text mining based on named entity recognition and an AI-based approach employing word embeddings. The consistency of literature mining results was validated with 3 independent methods: first, using data from FDA approvals, second, using experimentally measured IC-50 cell line data and third, using clinical patient survival data. Results: We demonstrated that the automated text mining was able to successfully assess the relation between cancer types and anti-cancer drugs. All validation methods showed a good correspondence between the results from literature mining and independent confirmatory approaches. The relation between most frequent cancer types and drugs employed for their treatment were visualized in a large heatmap. All results are accessible in an interactive web-based knowledge base using the following link: . Conclusions: Our approach is able to assess the relations between compounds and cancer types in an automated manner. Both, cancer types and compounds could be grouped into different clusters. Researchers can use the interactive knowledge base to inspect the presented results and follow their own research questions, for example the identification of novel indication areas for known drugs. KW - Literature mining KW - Anti-cancer drugs KW - Tumor types KW - Word embeddings KW - Database Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1186/s12967-021-02941-z SN - 1479-5876 VL - 19 IS - 1 PB - BioMed Central CY - London ER - TY - JOUR A1 - Huang, Yizhen A1 - Richter, Eric A1 - Kleickmann, Thilo A1 - Wiepke, Axel A1 - Richter, Dirk T1 - Classroom complexity affects student teachers’ behavior in a VR classroom JF - Computers & education : an international journal N2 - Student teachers often struggle to keep track of everything that is happening in the classroom, and particularly to notice and respond when students cause disruptions. The complexity of the classroom environment is a potential contributing factor that has not been empirically tested. In this experimental study, we utilized a virtual reality (VR) classroom to examine whether classroom complexity affects the likelihood of student teachers noticing disruptions and how they react after noticing. Classroom complexity was operationalized as the number of disruptions and the existence of overlapping disruptions (multidimensionality) as well as the existence of parallel teaching tasks (simultaneity). Results showed that student teachers (n = 50) were less likely to notice the scripted disruptions, and also less likely to respond to the disruptions in a comprehensive and effortful manner when facing greater complexity. These results may have implications for both teacher training and the design of VR for training or research purpose. This study contributes to the field from two aspects: 1) it revealed how features of the classroom environment can affect student teachers' noticing of and reaction to disruptions; and 2) it extends the functionality of the VR environment-from a teacher training tool to a testbed of fundamental classroom processes that are difficult to manipulate in real-life. KW - Augmented and virtual reality KW - Simulations KW - Improving classroom KW - teaching KW - Media in education KW - Pedagogical issues Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1016/j.compedu.2020.104100 SN - 0360-1315 SN - 1873-782X VL - 163 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Hawro, Tomasz A1 - Przybylowicz, Katarzyna A1 - Spindler, Max A1 - Hawro, Marlena A1 - Steć, Michał A1 - Altrichter, Sabine A1 - Weller, Karsten A1 - Magerl, Markus A1 - Reidel, Ulrich A1 - Alarbeed, Ezzat A1 - Alraboni, Ola A1 - Maurer, Marcus A1 - Metz, Martin T1 - The characteristics and impact of pruritus in adult dermatology patients BT - a prospective, cross-sectional study JF - Journal of the American Academy of Dermatology N2 - Background: Pruritus often accompanies chronic skin diseases, exerting considerable burden on many areas of patient functioning; this burden and the features of pruritus remain insufficiently characterized. Objective: To investigate characteristics, including localization patterns, and burden of pruritus in patients with chronic dermatoses. Methods: We recruited 800 patients with active chronic skin diseases. We assessed pruritus intensity, localization, and further characteristics. We used validated questionnaires to assess quality of life, work productivity and activity impairment, anxiety, depression, and sleep quality. Results: Nine out of every 10 patients had experienced pruritus throughout their disease and 73% in the last 7 days. Pruritus often affected the entire body and was not restricted to skin lesions. Patients with moderate to severe pruritus reported significantly more impairment to their sleep quality and work productivity, and they were more depressed and anxious than control individuals and patients with mild or no pruritus. Suicidal ideations were highly prevalent in patients with chronic pruritus (18.5%) and atopic dermatitis (11.8%). Conclusions: Pruritus prevalence and intensity are very high across all dermatoses studied; intensity is linked to impairment in many areas of daily functioning. Effective treatment strategies are urgently required to treat pruritus and the underlying skin disease. ( J Am Acad Dermatol 2021;84:691-700.) KW - activity KW - anxiety KW - depression KW - pruritus KW - quality of life KW - sleep quality KW - suicidal ideations KW - work productivity Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1016/J.JAAD.2020.08.035 SN - 0190-9622 SN - 1097-6787 VL - 84 IS - 3 SP - 691 EP - 700 PB - Elsevier CY - Amsterdam [u.a.] ER - TY - JOUR A1 - Brede, Nuria A1 - Botta, Nicola T1 - On the correctness of monadic backward induction JF - Journal of functional programming N2 - In control theory, to solve a finite-horizon sequential decision problem (SDP) commonly means to find a list of decision rules that result in an optimal expected total reward (or cost) when taking a given number of decision steps. SDPs are routinely solved using Bellman's backward induction. Textbook authors (e.g. Bertsekas or Puterman) typically give more or less formal proofs to show that the backward induction algorithm is correct as solution method for deterministic and stochastic SDPs. Botta, Jansson and Ionescu propose a generic framework for finite horizon, monadic SDPs together with a monadic version of backward induction for solving such SDPs. In monadic SDPs, the monad captures a generic notion of uncertainty, while a generic measure function aggregates rewards. In the present paper, we define a notion of correctness for monadic SDPs and identify three conditions that allow us to prove a correctness result for monadic backward induction that is comparable to textbook correctness proofs for ordinary backward induction. The conditions that we impose are fairly general and can be cast in category-theoretical terms using the notion of Eilenberg-Moore algebra. They hold in familiar settings like those of deterministic or stochastic SDPs, but we also give examples in which they fail. Our results show that backward induction can safely be employed for a broader class of SDPs than usually treated in textbooks. However, they also rule out certain instances that were considered admissible in the context of Botta et al. 's generic framework. Our development is formalised in Idris as an extension of the Botta et al. framework and the sources are available as supplementary material. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1017/S0956796821000228 SN - 1469-7653 VL - 31 PB - Cambridge University Press CY - Cambridge ER - TY - THES A1 - Andjelkovic, Marko T1 - A methodology for characterization, modeling and mitigation of single event transient effects in CMOS standard combinational cells T1 - Eine Methode zur Charakterisierung, Modellierung und Minderung von SET Effekten in kombinierten CMOS-Standardzellen N2 - With the downscaling of CMOS technologies, the radiation-induced Single Event Transient (SET) effects in combinational logic have become a critical reliability issue for modern integrated circuits (ICs) intended for operation under harsh radiation conditions. The SET pulses generated in combinational logic may propagate through the circuit and eventually result in soft errors. It has thus become an imperative to address the SET effects in the early phases of the radiation-hard IC design. In general, the soft error mitigation solutions should accommodate both static and dynamic measures to ensure the optimal utilization of available resources. An efficient soft-error-aware design should address synergistically three main aspects: (i) characterization and modeling of soft errors, (ii) multi-level soft error mitigation, and (iii) online soft error monitoring. Although significant results have been achieved, the effectiveness of SET characterization methods, accuracy of predictive SET models, and efficiency of SET mitigation measures are still critical issues. Therefore, this work addresses the following topics: (i) Characterization and modeling of SET effects in standard combinational cells, (ii) Static mitigation of SET effects in standard combinational cells, and (iii) Online particle detection, as a support for dynamic soft error mitigation. Since the standard digital libraries are widely used in the design of radiation-hard ICs, the characterization of SET effects in standard cells and the availability of accurate SET models for the Soft Error Rate (SER) evaluation are the main prerequisites for efficient radiation-hard design. This work introduces an approach for the SPICE-based standard cell characterization with the reduced number of simulations, improved SET models and optimized SET sensitivity database. It has been shown that the inherent similarities in the SET response of logic cells for different input levels can be utilized to reduce the number of required simulations. Based on characterization results, the fitting models for the SET sensitivity metrics (critical charge, generated SET pulse width and propagated SET pulse width) have been developed. The proposed models are based on the principle of superposition, and they express explicitly the dependence of the SET sensitivity of individual combinational cells on design, operating and irradiation parameters. In contrast to the state-of-the-art characterization methodologies which employ extensive look-up tables (LUTs) for storing the simulation results, this work proposes the use of LUTs for storing the fitting coefficients of the SET sensitivity models derived from the characterization results. In that way the amount of characterization data in the SET sensitivity database is reduced significantly. The initial step in enhancing the robustness of combinational logic is the application of gate-level mitigation techniques. As a result, significant improvement of the overall SER can be achieved with minimum area, delay and power overheads. For the SET mitigation in standard cells, it is essential to employ the techniques that do not require modifying the cell structure. This work introduces the use of decoupling cells for improving the robustness of standard combinational cells. By insertion of two decoupling cells at the output of a target cell, the critical charge of the cell’s output node is increased and the attenuation of short SETs is enhanced. In comparison to the most common gate-level techniques (gate upsizing and gate duplication), the proposed approach provides better SET filtering. However, as there is no single gate-level mitigation technique with optimal performance, a combination of multiple techniques is required. This work introduces a comprehensive characterization of gate-level mitigation techniques aimed to quantify their impact on the SET robustness improvement, as well as introduced area, delay and power overhead per gate. By characterizing the gate-level mitigation techniques together with the standard cells, the required effort in subsequent SER analysis of a target design can be reduced. The characterization database of the hardened standard cells can be utilized as a guideline for selection of the most appropriate mitigation solution for a given design. As a support for dynamic soft error mitigation techniques, it is important to enable the online detection of energetic particles causing the soft errors. This allows activating the power-greedy fault-tolerant configurations based on N-modular redundancy only at the high radiation levels. To enable such a functionality, it is necessary to monitor both the particle flux and the variation of particle LET, as these two parameters contribute significantly to the system SER. In this work, a particle detection approach based on custom-sized pulse stretching inverters is proposed. Employing the pulse stretching inverters connected in parallel enables to measure the particle flux in terms of the number of detected SETs, while the particle LET variations can be estimated from the distribution of SET pulse widths. This approach requires a purely digital processing logic, in contrast to the standard detectors which require complex mixed-signal processing. Besides the possibility of LET monitoring, additional advantages of the proposed particle detector are low detection latency and power consumption, and immunity to error accumulation. The results achieved in this thesis can serve as a basis for establishment of an overall soft-error-aware database for a given digital library, and a comprehensive multi-level radiation-hard design flow that can be implemented with the standard IC design tools. The following step will be to evaluate the achieved results with the irradiation experiments. N2 - Mit der Verkleinerung der Strukturen moderner CMOS-Technologien sind strahlungsinduzierte Single Event Transient (SET)-Effekte in kombinatorischer Logik zu einem kritischen Zuverlässigkeitsproblem in integrierten Schaltkreisen (ICs) geworden, die für den Betrieb unter rauen Strahlungsbedingungen (z. B. im Weltraum) vorgesehen sind. Die in der Kombinationslogik erzeugten SET-Impulse können durch die Schaltungen propagieren und schließlich in Speicherelementen (z.B. Flip-Flops oder Latches) zwischengespeichert werden, was zu sogenannten Soft-Errors und folglich zu Datenbeschädigungen oder einem Systemausfall führt. Daher ist es in den frühen Phasen des strahlungsharten IC-Designs unerlässlich geworden, die SET-Effekte systematisch anzugehen. Im Allgemeinen sollten die Lösungen zur Minderung von Soft-Errors sowohl statische als auch dynamische Maßnahmen berücksichtigen, um die optimale Nutzung der verfügbaren Ressourcen sicherzustellen. Somit sollte ein effizientes Soft-Error-Aware-Design drei Hauptaspekte synergistisch berücksichtigen: (i) die Charakterisierung und Modellierung von Soft-Errors, (ii) eine mehrstufige-Soft-Error-Minderung und (iii) eine Online-Soft-Error-Überwachung. Obwohl signifikante Ergebnisse erzielt wurden, sind die Wirksamkeit der SET-Charakterisierung, die Genauigkeit von Vorhersagemodellen und die Effizienz der Minderungsmaßnahmen immer noch die kritischen Punkte. Daher stellt diese Arbeit die folgenden Originalbeiträge vor: • Eine ganzheitliche Methodik zur SPICE-basierten Charakterisierung von SET-Effekten in kombinatorischen Standardzellen und entsprechenden Härtungskonfigurationen auf Gate-Ebene mit reduzierter Anzahl von Simulationen und reduzierter SET-Sensitivitätsdatenbank. • Analytische Modelle für SET-Empfindlichkeit (kritische Ladung, erzeugte SET-Pulsbreite und propagierte SET-Pulsbreite), basierend auf dem Superpositionsprinzip und Anpassung der Ergebnisse aus SPICE-Simulationen. • Ein Ansatz zur SET-Abschwächung auf Gate-Ebene, der auf dem Einfügen von zwei Entkopplungszellen am Ausgang eines Logikgatters basiert, was den Anstieg der kritischen Ladung und die signifikante Unterdrückung kurzer SETs beweist. • Eine vergleichende Charakterisierung der vorgeschlagenen SET-Abschwächungstechnik mit Entkopplungszellen und sieben bestehenden Techniken durch eine quantitative Bewertung ihrer Auswirkungen auf die Verbesserung der SET-Robustheit einzelner Logikgatter. • Ein Partikeldetektor auf Basis von Impulsdehnungs-Invertern in Skew-Größe zur Online-Überwachung des Partikelflusses und der LET-Variationen mit rein digitaler Anzeige. Die in dieser Dissertation erzielten Ergebnisse können als Grundlage für den Aufbau einer umfassenden Soft-Error-aware-Datenbank für eine gegebene digitale Bibliothek und eines umfassenden mehrstufigen strahlungsharten Designflusses dienen, der mit den Standard-IC-Designtools implementiert werden kann. Im nächsten Schritt werden die mit den Bestrahlungsexperimenten erzielten Ergebnisse ausgewertet. KW - Single Event Transient KW - radiation hardness design KW - Single Event Transient KW - Strahlungshärte Entwurf Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-534843 ER - TY - JOUR A1 - Schrape, Oliver A1 - Andjelkovic, Marko A1 - Breitenreiter, Anselm A1 - Zeidler, Steffen A1 - Balashov, Alexey A1 - Krstić, Miloš T1 - Design and evaluation of radiation-hardened standard cell flip-flops JF - IEEE transactions on circuits and systems : a publication of the IEEE Circuits and Systems Society: 1, Regular papers N2 - Use of a standard non-rad-hard digital cell library in the rad-hard design can be a cost-effective solution for space applications. In this paper we demonstrate how a standard non-rad-hard flip-flop, as one of the most vulnerable digital cells, can be converted into a rad-hard flip-flop without modifying its internal structure. We present five variants of a Triple Modular Redundancy (TMR) flip-flop: baseline TMR flip-flop, latch-based TMR flip-flop, True-Single Phase Clock (TSPC) TMR flip-flop, scannable TMR flip-flop and self-correcting TMR flipflop. For all variants, the multi-bit upsets have been addressed by applying special placement constraints, while the Single Event Transient (SET) mitigation was achieved through the usage of customized SET filters and selection of optimal inverter sizes for the clock and reset trees. The proposed flip-flop variants feature differing performance, thus enabling to choose the optimal solution for every sensitive node in the circuit, according to the predefined design constraints. Several flip-flop designs have been validated on IHP's 130nm BiCMOS process, by irradiation of custom-designed shift registers. It has been shown that the proposed TMR flip-flops are robust to soft errors with a threshold Linear Energy Transfer (LET) from (32.4 MeV.cm(2)/mg) to (62.5 MeV.cm(2)/mg), depending on the variant. KW - Single event effect KW - fault tolerance KW - triple modular redundancy KW - ASIC KW - design flow KW - radhard design Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1109/TCSI.2021.3109080 SN - 1549-8328 SN - 1558-0806 SN - 1057-7122 VL - 68 IS - 11 SP - 4796 EP - 4809 PB - Inst. of Electr. and Electronics Engineers CY - New York, NY ER - TY - JOUR A1 - Andjelković, Marko A1 - Chen, Junchao A1 - Simevski, Aleksandar A1 - Schrape, Oliver A1 - Krstić, Miloš A1 - Kraemer, Rolf T1 - Monitoring of particle count rate and LET variations with pulse stretching inverters JF - IEEE transactions on nuclear science : a publication of the IEEE Nuclear and Plasma Sciences Society N2 - This study investigates the use of pulse stretching (skew-sized) inverters for monitoring the variation of count rate and linear energy transfer (LET) of energetic particles. The basic particle detector is a cascade of two pulse stretching inverters, and the required sensing area is obtained by connecting up to 12 two-inverter cells in parallel and employing the required number of parallel arrays. The incident particles are detected as single-event transients (SETs), whereby the SET count rate denotes the particle count rate, while the SET pulsewidth distribution depicts the LET variations. The advantage of the proposed solution is the possibility to sense the LET variations using fully digital processing logic. SPICE simulations conducted on IHP's 130-nm CMOS technology have shown that the SET pulsewidth varies by approximately 550 ps over the LET range from 1 to 100 MeV center dot cm(2) center dot mg(-1). The proposed detector is intended for triggering the fault-tolerant mechanisms within a self-adaptive multiprocessing system employed in space. It can be implemented as a standalone detector or integrated in the same chip with the target system. KW - Particle detector KW - pulse stretching inverters KW - single-event transient KW - (SET) count rate KW - SET pulsewidth distribution Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1109/TNS.2021.3076400 SN - 0018-9499 SN - 1558-1578 VL - 68 IS - 8 SP - 1772 EP - 1781 PB - Institute of Electrical and Electronics Engineers CY - New York, NY ER - TY - JOUR A1 - Middelanis, Robin A1 - Willner, Sven N. A1 - Otto, Christian A1 - Kuhla, Kilian A1 - Quante, Lennart A1 - Levermann, Anders T1 - Wave-like global economic ripple response to Hurricane Sandy JF - Environmental research letters : ERL / Institute of Physics N2 - Tropical cyclones range among the costliest disasters on Earth. Their economic repercussions along the supply and trade network also affect remote economies that are not directly affected. We here simulate possible global repercussions on consumption for the example case of Hurricane Sandy in the US (2012) using the shock-propagation model Acclimate. The modeled shock yields a global three-phase ripple: an initial production demand reduction and associated consumption price decrease, followed by a supply shortage with increasing prices, and finally a recovery phase. Regions with strong trade relations to the US experience strong magnitudes of the ripple. A dominating demand reduction or supply shortage leads to overall consumption gains or losses of a region, respectively. While finding these repercussions in historic data is challenging due to strong volatility of economic interactions, numerical models like ours can help to identify them by approaching the problem from an exploratory angle, isolating the effect of interest. For this, our model simulates the economic interactions of over 7000 regional economic sectors, interlinked through about 1.8 million trade relations. Under global warming, the wave-like structures of the economic response to major hurricanes like the one simulated here are likely to intensify and potentially overlap with other weather extremes. KW - supply chains KW - Hurricane Sandy KW - economic ripples KW - extreme weather KW - impacts KW - loss propagation KW - natural disasters Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac39c0 SN - 1748-9326 VL - 16 IS - 12 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - JOUR A1 - Quante, Lennart A1 - Willner, Sven N. A1 - Middelanis, Robin A1 - Levermann, Anders T1 - Regions of intensification of extreme snowfall under future warming JF - Scientific reports N2 - Due to climate change the frequency and character of precipitation are changing as the hydrological cycle intensifies. With regards to snowfall, global warming has two opposing influences; increasing humidity enables intense snowfall, whereas higher temperatures decrease the likelihood of snowfall. Here we show an intensification of extreme snowfall across large areas of the Northern Hemisphere under future warming. This is robust across an ensemble of global climate models when they are bias-corrected with observational data. While mean daily snowfall decreases, both the 99th and the 99.9th percentiles of daily snowfall increase in many regions in the next decades, especially for Northern America and Asia. Additionally, the average intensity of snowfall events exceeding these percentiles as experienced historically increases in many regions. This is likely to pose a challenge to municipalities in mid to high latitudes. Overall, extreme snowfall events are likely to become an increasingly important impact of climate change in the next decades, even if they will become rarer, but not necessarily less intense, in the second half of the century. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1038/s41598-021-95979-4 SN - 2045-2322 VL - 11 IS - 1 PB - Macmillan Publishers Limited, part of Springer Nature CY - Berlin ER - TY - THES A1 - Makowski, Silvia T1 - Discriminative Models for Biometric Identification using Micro- and Macro-Movements of the Eyes N2 - Human visual perception is an active process. Eye movements either alternate between fixations and saccades or follow a smooth pursuit movement in case of moving targets. Besides these macroscopic gaze patterns, the eyes perform involuntary micro-movements during fixations which are commonly categorized into micro-saccades, drift and tremor. Eye movements are frequently studied in cognitive psychology, because they reflect a complex interplay of perception, attention and oculomotor control. A common insight of psychological research is that macro-movements are highly individual. Inspired by this finding, there has been a considerable amount of prior research on oculomotoric biometric identification. However, the accuracy of known approaches is too low and the time needed for identification is too long for any practical application. This thesis explores discriminative models for the task of biometric identification. Discriminative models optimize a quality measure of the predictions and are usually superior to generative approaches in discriminative tasks. However, using discriminative models requires to select a suitable form of data representation for sequential eye gaze data; i.e., by engineering features or constructing a sequence kernel and the performance of the classification model strongly depends on the data representation. We study two fundamentally different ways of representing eye gaze within a discriminative framework. In the first part of this thesis, we explore the integration of data and psychological background knowledge in the form of generative models to construct representations. To this end, we first develop generative statistical models of gaze behavior during reading and scene viewing that account for viewer-specific distributional properties of gaze patterns. In a second step, we develop a discriminative identification model by deriving Fisher kernel functions from these and several baseline models. We find that an SVM with Fisher kernel is able to reliably identify users based on their eye gaze during reading and scene viewing. However, since the generative models are constrained to use low-frequency macro-movements, they discard a significant amount of information contained in the raw eye tracking signal at a high cost: identification requires about one minute of input recording, which makes it inapplicable for real world biometric systems. In the second part of this thesis, we study a purely data-driven modeling approach. Here, we aim at automatically discovering the individual pattern hidden in the raw eye tracking signal. To this end, we develop a deep convolutional neural network DeepEyedentification that processes yaw and pitch gaze velocities and learns a representation end-to-end. Compared to prior work, this model increases the identification accuracy by one order of magnitude and the time to identification decreases to only seconds. The DeepEyedentificationLive model further improves upon the identification performance by processing binocular input and it also detects presentation-attacks. We find that by learning a representation, the performance of oculomotoric identification and presentation-attack detection can be driven close to practical relevance for biometric applications. Eye tracking devices with high sampling frequency and precision are expensive and the applicability of eye movement as a biometric feature heavily depends on cost of recording devices. In the last part of this thesis, we therefore study the requirements on data quality by evaluating the performance of the DeepEyedentificationLive network under reduced spatial and temporal resolution. We find that the method still attains a high identification accuracy at a temporal resolution of only 250 Hz and a precision of 0.03 degrees. Reducing both does not have an additive deteriorating effect. KW - Machine Learning Y1 - 2021 ER -