Institut für Informatik und Computational Science
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MUP
(2020)
Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) is one of the dominating protocols for edge- and cloud-based Internet of Things (IoT) solutions. When a security vulnerability of an IoT device is known, it has to be fixed as soon as possible. This requires a firmware update procedure. In this paper, we propose a secure update protocol for MQTT-connected devices which ensures the freshness of the firmware, authenticates the new firmware and considers constrained devices. We show that the update protocol is easy to integrate in an MQTT-based IoT network using a semantic approach. The feasibility of our approach is demonstrated by a detailed performance analysis of our prototype implementation on a IoT device with 32 kB RAM. Thereby, we identify design issues in MQTT 5 which can help to improve the support of constrained devices.
MUP
(2020)
Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) is one of the dominating protocols for edge- and cloud-based Internet of Things (IoT) solutions. When a security vulnerability of an IoT device is known, it has to be fixed as soon as possible. This requires a firmware update procedure. In this paper, we propose a secure update protocol for MQTT-connected devices which ensures the freshness of the firmware, authenticates the new firmware and considers constrained devices. We show that the update protocol is easy to integrate in an MQTT-based IoT network using a semantic approach. The feasibility of our approach is demonstrated by a detailed performance analysis of our prototype implementation on a IoT device with 32 kB RAM. Thereby, we identify design issues in MQTT 5 which can help to improve the support of constrained devices.
This paper is part of the investigation of some operations on words and languages with motivations coming from DNA biochemistry, namely three variants of hairpin completion and three variants of hairpin reduction. Since not all the hairpin completions or reductions of semilinear languages remain semilinear, we study sufficient conditions for semilinear languages to preserve their semilinearity property after applying the non-iterated hairpin completion or hairpin reduction. A similar approach is then applied to the iterated variants of these operations. Along these lines, we define the hairpin reduction root of a language and show that the hairpin reduction root of a semilinear language is not necessarily semilinear except the universal language. A few open problems are finally discussed.
Arousal is one of the dimensions of core affect and frequently used to describe experienced or observed emotional states. While arousal ratings of facial expressions are collected in many studies it is not well understood how arousal is displayed in or interpreted from facial expressions. In the context of socioemotional disorders such as Autism Spectrum Disorder, this poses the question of a differential use of facial information for arousal perception. In this study, we demonstrate how automated face-tracking tools can be used to extract predictors of arousal judgments. We find moderate to strong correlations among all measures of static information on one hand and all measures of dynamic information on the other. Based on these results, we tested two measures, average distance to the neutral face and average facial movement speed, within and between neurotypical individuals (N = 401) and individuals with autism (N = 19). Distance to the neutral face was predictive of arousal in both groups. Lower mean arousal ratings were found for the autistic group, but no difference in correlation of the measures and arousal ratings could be found between groups. Results were replicated in an high autistic traits group. The findings suggest a qualitatively similar perception of arousal for individuals with and without autism. No correlations between valence ratings and any of the measures could be found, emphasizing the specificity of our tested measures. Distance and speed predictors share variability and thus speed should not be discarded as a predictor of arousal ratings.
User Experience (UX) describes the holistic experience of a user before, during, and after interaction with a platform, product, or service. UX adds value and attraction to their sole functionality and is therefore highly relevant for firms. The increased interest in UX has produced a vast amount of scholarly research since 1983. The research field is, therefore, complex and scattered. Conducting a bibliometric analysis, we aim at structuring the field quantitatively and rather abstractly. We employed citation analyses, co-citation analyses, and content analyses to evaluate productivity and impact of extant research. We suggest that future research should focus more on business and management related topics.
Die Setzung strategischer Ziele sowie die Zuordnung und Umsetzung dazugehörender Maßnahmen sind ein wesentliches Element, um die Innovationsfähigkeit von Organisationen zu erhalten. In den vergangenen Jahren ist auch an Hochschulen die Strategiebildung deutlich vorangetrieben worden. Dies betrifft verschiedene Handlungsfelder, und es werden verschiedene Ansätze verfolgt. Der vorliegende Beitrag greift am Beispiel der Universität Potsdam drei in den vergangenen Jahren adressierte Strategiebereiche heraus: IT, E-Learning und Forschungsdaten. Die damit verbundenen Prozesse waren in unterschiedlichem Maß von Partizipation geprägt. Die gesammelten Erfahrungen werden reflektiert, und es werden Empfehlungen für Strategieentwicklungsprozesse abgeleitet.
Supervised machine learning to assess methane emissions of a dairy building with natural ventilation
(2020)
A reliable quantification of greenhouse gas emissions is a basis for the development of adequate mitigation measures. Protocols for emission measurements and data analysis approaches to extrapolate to accurate annual emission values are a substantial prerequisite in this context. We systematically analyzed the benefit of supervised machine learning methods to project methane emissions from a naturally ventilated cattle building with a concrete solid floor and manure scraper located in Northern Germany. We took into account approximately 40 weeks of hourly emission measurements and compared model predictions using eight regression approaches, 27 different sampling scenarios and four measures of model accuracy. Data normalization was applied based on median and quartile range. A correlation analysis was performed to evaluate the influence of individual features. This indicated only a very weak linear relation between the methane emission and features that are typically used to predict methane emission values of naturally ventilated barns. It further highlighted the added value of including day-time and squared ambient temperature as features. The error of the predicted emission values was in general below 10%. The results from Gaussian processes, ordinary multilinear regression and neural networks were least robust. More robust results were obtained with multilinear regression with regularization, support vector machines and particularly the ensemble methods gradient boosting and random forest. The latter had the added value to be rather insensitive against the normalization procedure. In the case of multilinear regression, also the removal of not significantly linearly related variables (i.e., keeping only the day-time component) led to robust modeling results. We concluded that measurement protocols with 7 days and six measurement periods can be considered sufficient to model methane emissions from the dairy barn with solid floor with manure scraper, particularly when periods are distributed over the year with a preference for transition periods. Features should be normalized according to median and quartile range and must be carefully selected depending on the modeling approach.
E-Assessment etablieren
(2020)
Elektronische Lernstandserhebungen, sogenannte E-Assessments, bieten für Lehrende und Studierende viele Vorteile z. B. hinsichtlich schneller Rückmeldungen oder kompetenzorientierter Fragenformate, und ermöglichen es, unabhängig von Ort und Zeit Prüfungen zu absolvieren. In diesem Beitrag werden die Einführung von summativen Lernstandserhebungen, sogenannter E-Klausuren, am Beispiel der Universität Potsdam, der Aufbau einer länderübergreifenden Initiative für E-Assessment sowie technische Möglichkeiten für dezentrale elektronische Klausuren vorgestellt. Dabei werden der aktuelle Stand, die Ziele und die gewählte stufenweise Umsetzungsstrategie der Universität Potsdam skizziert. Darauf aufbauend folgt eine Beschreibung des Vorgehens, der Kooperationsmöglichkeiten für den Wissens- und Erfahrungsaustausch sowie Herausforderungen der E-Assessment- Initiative. Abschließend werden verschiedene E-Klausurformen und technische Möglichkeiten zur Umsetzung komplexer Prüfungsumgebungen klassifiziert sowie mit ihren charakteristischen Vor- und Nachteilen diskutiert und eine integrierte Lösung vorgeschlagen.
Das größte der fächerübergreifenden Projekte im Potsdamer Projekt Qualitätspakt Lehre hatte die flächendeckende Etablierung von digitalen Medien als einen integralen Bestandteil von Lehre und Studium zum Gegenstand. Im Teilprojekt E-Learning in Studienbereichen (eLiS) wurden dafür Maßnahmen in den Feldern Organisations-, technische und Inhaltsentwicklung zusammengeführt. Der vorliegende Beitrag präsentiert auf Basis von Ausgangslage und Zielsetzungen die Ergebnisse rund um die Digitalisierung von Lehre und Studium an der Universität Potsdam. Exemplarisch werden fünf Dienste näher vorgestellt, die inzwischen größtenteils in den Regelbetrieb der Hochschule übergegangen sind: die Videoplattform Media.UP, die mobile App Reflect.UP, die persönliche Lernumgebung Campus. UP, das Self-Service-Portal Cook.UP und das Anzeigesystem Freiraum.UP. Dabei wird jeweils ein technischer Blick „unter die Haube“ verbunden mit einer Erläuterung der Nutzungsmöglichkeiten, denen eine aktuelle Einschätzung von Lehrenden und Studierenden der Hochschule gegenübergestellt wird. Der Beitrag schließt mit einer Einbettung der vorgestellten Entwicklungen in einen größeren Kontext und einem Ausblick auf die weiterhin anstehenden Aufgaben.
Full error detection and correction method applied on pipelined structure using two approaches
(2020)
In this paper, two approaches are evaluated using the Full Error Detection and Correction (FEDC) method for a pipelined structure. The approaches are referred to as Full Duplication with Comparison (FDC) and Concurrent Checking with Parity Prediction (CCPP). Aforementioned approaches are focused on the borderline cases of FEDC method which implement Error Detection Circuit (EDC) in two manners for the purpose of protection of combinational logic to address the soft errors of unspecified duration. The FDC approach implements a full duplication of the combinational circuit, as the most complex and expensive implementation of the FEDC method, and the CCPP approach implements only the parity prediction bit, being the simplest and cheapest technique, for soft error detection. Both approaches are capable of detecting soft errors in the combinational logic, with single faults being injected into the design. On the one hand, the FDC approach managed to detect and correct all injected faults while the CCPP approach could not detect multiple faults created at the output of combinational circuit. On the other hand, the FDC approach leads to higher power consumption and area increase compared to the CCPP approach.
A triple modular redundancy (TMR) based design technique for double cell upsets (DCUs) mitigation is investigated in this paper. This technique adds three extra self-voter circuits into a traditional TMR structure to enable the enhanced error correction capability. Fault-injection simulations show that the soft error rate (SER) of the proposed technique is lower than 3% of that of TMR. The implementation of this proposed technique is compatible with the automatic digital design flow, and its applicability and performance are evaluated on an FIFO circuit.
Die Fehlerkorrektur in der Codierungstheorie beschäftigt sich mit der Erkennung und Behebung von Fehlern bei der Übertragung und auch Sicherung von Nachrichten.
Hierbei wird die Nachricht durch zusätzliche Informationen in ein Codewort kodiert.
Diese Kodierungsverfahren besitzen verschiedene Ansprüche, wie zum Beispiel die maximale Anzahl der zu korrigierenden Fehler und die Geschwindigkeit der Korrektur.
Ein gängiges Codierungsverfahren ist der BCH-Code, welches industriell für bis zu vier Fehler korrigiere Codes Verwendung findet. Ein Nachteil dieser Codes ist die technische Durchlaufzeit für die Berechnung der Fehlerstellen mit zunehmender Codelänge.
Die Dissertation stellt ein neues Codierungsverfahren vor, bei dem durch spezielle Anordnung kleinere Codelängen eines BCH-Codes ein langer Code erzeugt wird. Diese Anordnung geschieht über einen weiteren speziellen Code, einem LDPC-Code, welcher für eine schneller Fehlererkennung konzipiert ist.
Hierfür wird ein neues Konstruktionsverfahren vorgestellt, welches einen Code für einen beliebige Länge mit vorgebbaren beliebigen Anzahl der zu korrigierenden Fehler vorgibt. Das vorgestellte Konstruktionsverfahren erzeugt zusätzlich zum schnellen Verfahren der Fehlererkennung auch eine leicht und schnelle Ableitung eines Verfahrens zu Kodierung der Nachricht zum Codewort. Dies ist in der Literatur für die LDPC-Codes bis zum jetzigen Zeitpunkt einmalig.
Durch die Konstruktion eines LDPC-Codes wird ein Verfahren vorgestellt wie dies mit einem BCH-Code kombiniert wird, wodurch eine Anordnung des BCH-Codes in Blöcken erzeugt wird. Neben der allgemeinen Beschreibung dieses Codes, wird ein konkreter Code für eine 2-Bitfehlerkorrektur beschrieben. Diese besteht aus zwei Teilen, welche in verschiedene Varianten beschrieben und verglichen werden. Für bestimmte Längen des BCH-Codes wird ein Problem bei der Korrektur aufgezeigt, welche einer algebraischen Regel folgt.
Der BCH-Code wird sehr allgemein beschrieben, doch existiert durch bestimmte Voraussetzungen ein BCH-Code im engerem Sinne, welcher den Standard vorgibt. Dieser BCH-Code im engerem Sinne wird in dieser Dissertation modifiziert, so dass das algebraische Problem bei der 2-Bitfehler Korrektur bei der Kombination mit dem LDPC-Code nicht mehr existiert. Es wird gezeigt, dass nach der Modifikation der neue Code weiterhin ein BCH-Code im allgemeinen Sinne ist, welcher 2-Bitfehler korrigieren und 3-Bitfehler erkennen kann. Bei der technischen Umsetzung der Fehlerkorrektur wird des Weiteren gezeigt, dass die Durchlaufzeiten des modifizierten Codes im Vergleich zum BCH-Code schneller ist und weiteres Potential für Verbesserungen besitzt.
Im letzten Kapitel wird gezeigt, dass sich dieser modifizierte Code mit beliebiger Länge eignet für die Kombination mit dem LDPC-Code, wodurch dieses Verfahren nicht nur umfänglicher in der Länge zu nutzen ist, sondern auch durch die schnellere Dekodierung auch weitere Vorteile gegenüber einem BCH-Code im engerem Sinne besitzt.
In this paper, an asynchronous design for soft error detection and correction in combinational and sequential circuits is presented. The proposed architecture is called Asynchronous Full Error Detection and Correction (AFEDC). A custom design flow with integrated commercial EDA tools generates the AFEDC using the asynchronous bundled-data design style. The AFEDC relies on an Error Detection Circuit (EDC) for protecting the combinational logic and fault-tolerant latches for protecting the sequential logic. The EDC can be implemented using different detection methods. For this work, two boundary variants are considered, the Full Duplication with Comparison (FDC) and the Partial Duplication with Parity Prediction (PDPP). The AFEDC architecture can handle single events and timing faults of arbitrarily long duration as well as the synchronous FEDC, but additionally can address known metastability issues of the FEDC and other similar synchronous architectures and provide a more practical solution for handling the error recovery process. Two case studies are developed, a carry look-ahead adder and a pipelined non-restoring array divider. Results show that the AFEDC provides equivalent fault coverage when compared to the FEDC while reducing area, ranging from 9.6% to 17.6%, and increasing energy efficiency, which can be up to 6.5%.
We elaborate upon the theoretical foundations of a metric temporal extension of Answer Set Programming. In analogy to previous extensions of ASP with constructs from Linear Temporal and Dynamic Logic, we accomplish this in the setting of the logic of Here-and-There and its non-monotonic extension, called Equilibrium Logic. More precisely, we develop our logic on the same semantic underpinnings as its predecessors and thus use a simple time domain of bounded time steps. This allows us to compare all variants in a uniform framework and ultimately combine them in a common implementation.
Eclingo
(2020)
We describe eclingo, a solver for epistemic logic programs under Gelfond 1991 semantics built upon the Answer Set Programming system clingo. The input language of eclingo uses the syntax extension capabilities of clingo to define subjective literals that, as usual in epistemic logic programs, allow for checking the truth of a regular literal in all or in some of the answer sets of a program. The eclingo solving process follows a guess and check strategy. It first generates potential truth values for subjective literals and, in a second step, it checks the obtained result with respect to the cautious and brave consequences of the program. This process is implemented using the multi-shot functionalities of clingo. We have also implemented some optimisations, aiming at reducing the search space and, therefore, increasing eclingo 's efficiency in some scenarios. Finally, we compare the efficiency of eclingo with two state-of-the-art solvers for epistemic logic programs on a pair of benchmark scenarios and show that eclingo generally outperforms their obtained results.
This paper continues the line of research aimed at investigating the relationship between logic programs and first-order theories. We extend the definition of program completion to programs with input and output in a subset of the input language of the ASP grounder gringo, study the relationship between stable models and completion in this context, and describe preliminary experiments with the use of two software tools, anthem and vampire, for verifying the correctness of programs with input and output. Proofs of theorems are based on a lemma that relates the semantics of programs studied in this paper to stable models of first-order formulas.
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.
Zum Einfluss von Adaptivität auf die Wahrnehmung von Komplexität in der Mensch-Technik-Interaktion
(2021)
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.
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.
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.