konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Jahresbericht 2012
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Jahresbericht 2012
impressum
Herausgegeben vom
Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin
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T +49(0)30-841 85-0
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Gestaltung
CB.e Clausecker | Bingel AG, Agentur für Kommunikation
ISSN: 0934-5892
© 2013 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin
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Am 1. Oktober 2012 hat Prof. Dr. Dr. h.c. Peter Deuflhard, der über 25 Jahre Präsident des Kon-rad-Zuse-Zentrums war, den Staffelstab an mich weitergegeben. Eine passendere Stelle als das Vorwort zum Jahresbericht 2012 gibt es nicht, um Dank zu sagen. Das möchte ich hier ganz per-sönlich und auch im Namen aller Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des ZIB tun. Peter Deuflhard hat das ZIB mit ganzem Herzen, großem intellektuellem und hohem persönlichem Einsatz zu einem exzellenten wissenschaftlichen Institut entwickelt. Ich danke für sein Engagement, die gute kollegiale Zusammenarbeit und seinen festen Stand „auf der Brücke“ – insbesondere bei hohem Wellengang.
Im vergangenen Jahr gab es für das ZIB eine zweite wichtige personelle Veränderung. Wir konn-ten Prof. Dr. Christof Schütte, unseren Wunschkandidaten, als neuen Vizepräsidenten gewinnen. Er ist Hochschullehrer im Fachbereich Mathematik und Informatik der Freien Universität Berlin und dem ZIB seit vielen Jahren verbunden.
Wie in den Jahren zuvor stellen wir in diesem Jahresbericht unseren interessierten Freunden, Kooperationspartnern und aufmerksamen Beobachtern nur einige wenige ausgewählte Leucht-turmprojekte im Detail vor. Die Gesamtheit der Projekte, die Publikationen und wissenschaftli-chen Aktivitäten finden sich auf unseren Webseiten (www.zib.de).
Das ZIB war wie bisher in einer Fülle von Projekten aus seinen Anwendungsschwerpunkten in der Mathematik und Informatik aktiv. In der Abteilung „Numerische Analysis und Modellierung“ lag der Focus z. B. auf dem mathematischen Entwurf von Implantaten, der Spurensuche im Trink-wasser, optischen Resonanzen in Nanostrukturen und auf der modellgestützten Medikation in der Reproduktionsmedizin.
In der „Visualisierung und Datenanalyse“ haben wir u.a. folgende Projekte bearbeitet: die rea-listische 3D-Modellierung von neuronalen Netzwerken auf Basis von Mikroskopiebildern sowie die 3D-Rekonstruktion von anatomischen Strukturen aus 2D-Röntgenbildern für die individuali-sierte Therapieplanung. Weiterhin haben wir eine Software für iPads entwickelt, die es Museen ermöglicht, Kontexte zu Exponaten begreifbar zu machen; sie wurde erfolgreich im Pergamon-museum eingesetzt.
In der „Optimierung“ haben wir uns im Jahr 2012 neben vielem anderem mit robusten Kommu-nikationsnetzen und mit der Optimierung des Mautkontrollsystems auf deutschen Autobahnen beschäftigt; wir haben die Organisation des ISMP 2012 (mit über 1.700 Vorträgen) durch mathe-matische Optimierung unterstützt und verbesserte Methoden der ganzzahligen Programmierung für das „Supply Chain Management“ entwickelt. Im der Abteilung „Wissenschaftliche Information“ standen die Dokumentenklassifikation sowie verschiedene Hosting-Projekte für Bibliotheksanwendungen im Vordergrund. Seit Oktober 2012 ist die neue Servicestelle Digitalisierung des Landes Berlin „digiS“ am ZIB beheimatet. Das Pro-jekt „EWIG“ beschäftigte sich mit Workflowkomponenten für die Langzeitarchivierung von For-schungsdaten in den Geowissenschaften.
Zentrale Themen im Bereich „Informatik“ waren das verteilte Datenmanagement sowie die Bear-beitung skalierbarer und hardwarenaher Algorithmen. Der neue Supercomputer HLRN-III wurde mit einem Investitionsvolumen von 30 Mio. € ausgeschrieben, im Dezember 2012 ging der Bau-auftrag an die Firma Cray. Der neue Großrechner wird den HLRN-II im September 2013 ablösen.
Vorwort
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Die Summe aller Projekte führte zu einer Einwerbung von Drittmitteln in Höhe von fast 5 Mio. €. Wie in den Vorjahren war das ZIB in zahlreichen Kooperationen mit FU, HU, TU und Charité sowie mit vielen außeruniversitären Forschungseinrichtungen aktiv. Das von TU, FU, HU, WIAS und ZIB gemeinsam getragene DFG-Forschungszentrum Matheon ist bis Mitte 2014 durch die DFG-Förderung gesichert. Im Mai 2012 bewilligte die Einstein Stiftung das Einsteinzentrum ECMath. Es soll nach Ablauf der Matheon-Förderung seine Arbeit aufnehmen. In einer Start-up-Phase werden derzeit die institutionellen Strukturen für eine enge Kooperation zwischen dem Matheon, der Berlin Mathematical School (BMS) und dem Deutschen Zentrum für Lehrerbildung in der Mathematik (DZLM) geschaffen.
Erfolgreiche Verbundprojekte im Bereich „Service“ des ZIB sind weiterhin der Kooperative Bibliotheksverbund Berlin-Brandenburg (KOBV), das landeseigene Wissenschaftsnetz BRAIN und unsere langfristige Datenarchivierung sowie die bereits erwähnte neue Servicestelle Digitalisie-rung digiS.
Der Wissenschaftliche Beirat des ZIB tagte am 24. und 25. September 2012. Wir sind erschüttert darüber, dass uns Prof. Dr. Michael Hofmeister hierbei letztmalig mit seinem Rat und seiner Ex-pertise zur Seite stand. Im Februar 2013 vernahmen wir die traurige Nachricht von seinem Tod. Er war dem ZIB über viele Jahre verbunden. Wir werden ihn als kompetenten und freundlichen Kollegen in Erinnerung behalten.
Der Wissenschaftliche Beirat würdigte in seiner Sitzung die Arbeit des langjährigen Präsidenten Prof. Deuflhard und den gleichbleibend hohen Stand der wissenschaftlichen Arbeit im ZIB, die „sowohl in der Grundlagenforschung als auch bei der Umsetzung von Anwendungsproblemen zu spektakulären Ergebnissen in ganz unterschiedlichen Bereichen führt“. Zusammenfassend führte er aus:
„Durch seine wissenschaftlichen Erfolge ist das ZIB ein Aushängeschild für Berlin, das junge Wis-senschaftler nach Berlin zieht und den Arbeitsmarkt durch Spin-Offs bereichert“.
Ende September konnte das ZIB einen weiteren spektakulären Erfolg verbuchen. Zusammen mit der Freien Universität gewann es (bei 96 Antragstellern und als einziger Antrag aus der Mathe-matik) eines der zehn vom Bundesministerium für Bildung und Forschung ausgeschriebenen Projekte der Förderinitiative „Forschungscampus – öffentlich-private Partnerschaft für Innova-tionen“. Hierdurch wird die langfristige Zusammenarbeit von ZIB und FU mit Industrieunterneh-men mit rund 20 Mio. € gefördert.
Wir gehen trotz mancher finanzieller Engpässe zuversichtlich in das neue Jahr 2013. Wir sind stolz auf unsere hoch motivierten Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, auf die hervorragenden For-scherinnen und Forscher, die erneut vielfache wissenschaftliche Auszeichnungen erhalten haben. Auch im Jahr 2012 haben wir wiederum große, anspruchsvolle Forschungsprojekte eingeworben und zur Lösung wichtiger Fragen in der Mathematik und Informatik beigetragen. Wir sind ent-schlossen, den Weg, den wir eingeschlagen haben, gemeinsam erfolgreich und kraftvoll weiter-zugehen.
Berlin, im April 2013
Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Martin GrötschelPräsident
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Gebäude des Konrad-Zuse-Zentrums für Informationstechnik Berlin in Berlin-Dahlem
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inhalt
Executive Summary
Konrad Zuse – Der Namenspatron des ZIB
Peter Deuflhard und das ZIB
Das Zuse-Institut Berlin: „Schnelle Algorithmen – Schnelle Rechner“
Gliederung der Wissenschaftlichen Bereiche
Organisationsstruktur des ZIB
Wirtschaftliche Situation
Personelle Entwicklung
Organisation
Spin-Off Firmen
NumeriscHe ANAlysis uNd modellieruNGImplantatdesign
Spurenstoffe im Trinkwasser
Optische Resonanzen in Nanostrukturen
Modellgestützte Medikation in der Reproduktionsmedizin
Projekte der Abteilung Numerische Analysis und Modellierung
visuAlisieruNG uNd dAteNANAlyse3D-Modellierung und visuelle Analyse von neuronalen Netzen
Anatomische 3D-Modelle aus Röntgenbildern für die individualisierte Therapieplanung
Antike Kontexte begreifbar machen – iPads im Pergamonmuseum
Projekte der Abteilung Visualisierung und Datenanalyse
optimieruNGAutobahnmautkontrolle
Robuste Kommunikationsnetze
Supply Chain Management
Mathematik in der Konferenzplanung
Projekte der Abteilung Optimierung
wisseNscHAftlicHe iNformAtioNWebtechnologie und Multimedia
Kooperativer Bibliotheksverbund Berlin-Brandenburg (KOBV)
digiS – Spartenübergreifende Beratungsstelle für Digitalisierungsprojekte
EWIG – Langzeitarchivierung von Forschungsdaten in den Geowissenschaften
Projekte der Abteilung Wissenschaftliche Information
Projekte der Abteilung KOBV
pArAllele uNd verteilte systemeGroße Pattern Datenbanken für heuristische Suchverfahren
Modellierung von Transaktionen in Graphdatenbanken
MosGrid: Molecular Simulation Grid
Projekt Enhance: Heterogene Rechner einfacher erschließen
Projekte der Abteilung Parallele und Verteilte Systeme
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supercomputiNGDer HLRN-Supercomputer am ZIB
HLRN-Fachberatung
BRAIN – Das Berliner Wissenschaftsnetz
it-serviceIT-Service
Zentrale Datenhaltung im ZIB
fAkteN uNd ZAHleNWissenschaftliche Nachwuchsförderung
Auszeichnungen und Rufe
Publikationen
Vorträge und Lehrveranstaltungen von ZIB-Mitarbeitern und -Mitarbeiterinnen
Tagungen und Gäste am ZIB
Mathematik und Informatik für die Öffentlichkeit
Software und Service
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allgemeiner teil excecutiVe summary
konrad zuse – der namenspatron des zib
peter deuflhard und das zib
das zuse-institut berlin
gliederung der wissenschaftlichen bereiche
organisationsstruktur des zib
wirtschaftliche situation
personelle entwicklung
organisation
spin-off-firmen
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excecutiVe summary
fAst AlGoritHms – fAst computersThe Zuse Institute has, in its more than 25 years of existence, been driven by the ambi-tion to reach high performance in whatever it does. In this period it has developed into an institution that combines research, devel-opment, and service in a unique way for the benefit of science, industry and society. The abbreviation ZIB has become an international trademark. Our colleagues, partners, and cus-tomers can be sure that we deliver.
Challenging applications from science and en-gineering, economy, or information technolo-gy are the focus of our research. We combine deep insights of mathematical methodology and powerful machinery of modern comput-er science to design and analyze algorithms theoretically and to provide implementations that stand the test of practice. Many projects funded by industry, DFG, BMBF, etc. are testi-monials of our success. This work is done in ZIB’s branches Numerical Mathematics, Dis-crete Mathematics, and Computer Science which are linked by professorships to FU, TU, and HU. ZIB is fully integrated in many col-laborative research activities in Berlin, most notably in the DFG Research Center Matheon and the Berlin Mathematical School. Several spin-off companies grew out of our activities. They provide exciting new jobs and transfer our research directly into industry.
We work hard to deliver top quality service in high performance computing on our fast computers to which only top scientists get access in case they pass the filter of our ex-ternal Evaluation Committee. ZIB provides additional support by its internal „HPC pilots“ who help making best use of the HLRN com-puting power.
The last years have seen a significant growth of various IT-services for a broad scientific community. ZIB hosts the Kooperativer Bibli-otheksverbund Berlin-Brandenburg (KOBV), a consortium of all university, public and many other libraries in Berlin and Brandenburg and provides a large number of electronic ser-vices for librarians and library users. ZIB also operates 2,000 km of fiber cables that connect 150 locations of 45 scientific and cultural in-stitutions in Berlin. ZIB offers various scien-tific information services, and in 2012, it was chosen to host the Berlin Service Center for Digitalization „digiS“.
NumericAl mAtHemAticsThis area divides into the two departments „Numerical Analysis and Modelling“, and „Visu-alization and Data Analysis“ that concentrate on the modeling, simulation and optimization of complex systems from the life sciences, ma-terial sciences and optical technologies, and on the corresponding development of novel and effective methods for visual data analysis.
2012 was a year with many exceptional re-search highlights of which we can only report a few in detail: From the departments “Numeri-cal Analysis and Modelling“ we focus on (A) the optimal design of implants and the under-lying progress in PDE-constrained non-convex optimization problems, (B) on new techniques for detecting trace elements and their transfor-mation products in the water cycle and for ana-lyzing potential risks, (C) on a new finite-ele-ment code for reliable simulation and design of nano-optical devices with unrivalled efficiency, and (D) on the model-based optimal medica-tion in reproduction medicine.
From the department „Visualization and Data Analysis“ we highlight (A) the construction of 3D-anatomy models based on clinical 2D-X-ray images and its application in medical diagnostics and therapy planning, (B) the full-complexity 3D-modelling and visual analysis of neuronal nets based on experimental image data for the somatosensoric cortex of the rat, and (C) the iPad-based visual guide developed in ZIB that was successfully used in an exhibi-tion of the Pergamon museum.
On May 9, the Executive Board of the Einstein Foundation established the new Einstein Cent-er for Mathematics Berlin (ECMath) as the first center of its kind. The area Numerical Math-ematics was strongly involved in the concep-tual design of two of the Innovation Areas of ECMath, „Mathematics in Clinical Research“ and Health Care and Mathematics in Optical Technologies. A good example for the kind of research and knowledge transfer intended to take place in ECMATH is our spin-off company „1000Shapes“ that was granted the first Trans-fer Award of the DFG Research Center Matheon in May 2012.
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discrete mAtHemAticsThe two departments Optimization and Sci-entific Information of this area contribute to the progress and the promotion of scientific computing methods for the solution of difficult problems in technology and society. The year 2012 was extraordinarily successful with re-spect to the participation in and the acquisition of collaborative research endeavors.
On January 1, the new DFG Collaborative Re-search Center (SFB 1026) „Sustainable Manu-facturing – Shaping Global Value Creation“ (Chair Prof. Seliger, TU Berlin) took off. Two mathematical projects in this Sonderforschun-gsbereich, A5 Multicriteria Optimization (a joint project with the combinatorics group at TU Berlin) and A6 System Dynamics, establish a strong link of the ZIB Optimization department into an exciting area in engineering.
On September 25, the BMBF granted to ZIB and its partner FU Berlin the Research Campus Mathematical Optimization and Data Analysis Laboratory (MODAL) as a part of the Hightech Strategy 2020 of the German Government. Three of the four labs of MODAL, the RailLab, the GasLab, and the SynLab, are „spin-offs“ of the respective research groups at our Optimi-zation department. The advancement of MOD-AL will be a considerable future challenge.
This year we report in detail about the optimi-zation of toll control tours, the design of robust telecommunication networks, methods for solving large-scale supply chain management problems and conference planning with inte-ger programming.
The Scientific Information department sup-ports a large number of libraries and museums and continues the development of its highly esteemed organizational and IT-services. This year we report about our web technology and multimedia activities, the KOBV (Kooperativer Bibliotheksverbund Berlin-Brandenburg) ser-vice and the development of work flow com-ponents for long term archiving. We are proud that the State of Berlin decided to locate its Ser-vice Center for Digitalization (digiS) at ZIB. This project started its pilot phase in October 2012 and has the task to coordinate and support digitalization efforts of cultural assets in Berlin.
computer scieNceThis area carries out research and service pro-jects in the fields of high performance com-puting, data management, and wide area net-works. It divides into the departments „Parallel and Distributed Systems“, „Supercomputing“, and „IT-Service“.
From the „Parallel and Distributed Systems“ department we selected three research high-lights for this report. The first is perhaps the most impressive: We were able to build pow-erful heuristics, so-called pattern databases, for solving shortest path problems in explicitly defined graphs. Our pattern databases are two to three orders of magnitude larger than any previously published table. The second project is on the modelling of transactions in graph da-ta-bases by graph transformation. It allows to check the consistency and to analyze extremely big data volumes, such as those collected by social networks. The third project is on com-plex computational workflows in quantum chemistry, molecular dynamics, and molecular docking in the German D-Grid. The fourth pro-ject aims at lowering the barriers for the use of energy-efficient graphics processors (GPUs). We developed a performance framework that predicts the runtime behavior of real-world ap-plications for GPUs and thereby helps develop-ers in porting their codes from CPUs to GPUs.
The „Supercomputing“ department spent much time and effort on the European procure-ment for the next HLRN super computer. In De-cember 2012 we signed the contract with Cray and we are now eagerly awaiting the installa-tion of the new Cray Cascade system in August 2013. The new system will be almost ten times as powerful as the current unit, although it will occupy only one fourth of the floorspace.
The „IT Service“ department extended in 2012 its archival storage capacity by installing new tape drives. Apart from the 5-fold increased data capacity, the new drives provide an end-to-end integrity check in order to avoid silent data corruption.
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konrad zuse –der namenspartron des zib
Konrad Zuse, geboren 1910 in Berlin, ist der Namenspatron des Konrad-Zuse-Zentrums fürInformationstechnik Berlin (ZIB). Nach dem Abitur studierte er Maschinenbau und Architekturam Vorläufer der heutigen TU Berlin. Mit der Z3 entwickelte er 1941 den weltweit ersten freiprogrammierbaren Computer. Nach Ende des Zweiten Weltkriegs baute er seine eigene Firma auf, die Zuse KG. Nach seiner Pensionierung widmete er sich vermehrt seiner zweiten Leidenschaft: der Malerei. Konrad Zuse, der selbst nie promoviert hat, erhielt zahlreiche Ehren-doktoren und Auszeichnungen. Er verstarb 85-jährig in Hünfeld bei Fulda. Im Jahr 2010 wurde anlässlich des 100. Geburtstages von Konrad Zuse mit vielen Veranstaltungen deutschlandweit an sein Wirken erinnert.
Konrad Zuse, heute bekannt als der Erfinder des weltweit ersten frei programmierbaren Compu-ters, ist der Namenspatron des ZIB.
berufuNG ZwiscHeN kuNst uNd tecHNikKonrad Zuse wurde 1910 in Berlin geboren. Er besaß eine ausgeprägte Begabung für Technik und Kunst und machte schon als Kind erste intelligente Erfindungen. So entwarf er bereits in der Schulzeit ein Straßensystem für seine visionäre Zukunftsstadt, inspiriert durch den Film „Metro-polis“ (unser heutiges ZIB-Logo). Er versuchte sich an einem „automatisierten Fotolabor“ und an einem „Geld wechselnden Warenautomaten“.
1928 legte er sein Abitur in Hoyerswerda ab und nahm an der Technischen Hochschule Berlin- Charlottenburg (Vorläufer der TU Berlin) zunächst das Studium des Maschinenbaus auf, wechselte dann aber schnell zur Architektur und schließlich zum Bauingenieurwesen. Diese Kombination deckte beide Interessengebiete ab, die ihm wichtig waren, damit konnte er zugleich Ingenieur und Künstler sein.
computerbAu im woHNZimmerNach dem Abschluss seines Ingenieurstudiums arbeitete er als Statiker bei den Henschel Flug-zeugwerken in Schönefeld, gleichzeitig baute er im Wohnzimmer seiner Eltern eine „Erfinder-werkstatt“ auf. Er sammelte Geld von Freunden und in der Familie, um das Werkzeug und die Bauteile bezahlen zu können. Das Resultat war der 1938 fertig gestellte, zunächst noch vollme-chanische, programmierbare Ziffernrechner Z1, der seine Befehle von Lochstreifen ablas. Erst-mals verwendet er das binäre Zahlensystem, um die Programme zu steuern. Der Ingenieur Zuse verstand schon früh die Einheit von arithmetischen und logischen Operationen. Das Versuchs-modell Z1 war wegen der in der Praxis fehlenden Genauigkeit seiner mechanischen Bauteile jedoch nie funktionsfähig.
1940 erhielt er von der Aerodynamischen Versuchsanstalt (Göttingen) Unterstützung. Er baute die Z2, eine verbesserte Version der Z1 mit Telefonrelais, im gleichen Jahr gründete er die „Zuse Apparatebau“, um programmierbare Rechner herzustellen. Es folgte 1941 die Entwicklung der Z3 in einer kleinen Wohnung in der Berlin-Kreuzberger Methfesselstraße. Die Z3 gilt heute als erster funktionstüchtiger Computer der Welt. Zwischen 1945 und 1947 entwickelte Konrad Zuse auch den Plankalkül, die erste objektorientierte Programmiersprache der Welt, die allerdings erst Jahr-zehnte später publiziert wurde.
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koNrAd Zuse Als uNterNeHmer1945 wurde die Z3 durch Bomben zerstört. Die zu diesem Zeitpunkt teilweise fertig gestellte Z4 war rechtzeitig von seinen Mitarbeitern zerlegt, verpackt und nach Süddeutschland, in ein Dorf im Allgäu, in Sicherheit gebracht worden. Dort besuchten ihn die Schweizer Mathematiker Eduard Stiefel und Heinz Rutishauser und schauten sich den Rechner an, der in einer Scheune stand. Die Z4 war die einzige in Europa verfügbare Maschine. Konrad Zuse erhielt 30.000 Franken, die Z4 wurde fertig gestellt und an der ETH Zürich installiert. Es war das erste Mal, dass ein Rechner seinem Schöpfer wirtschaftlichen Erfolg bescherte.
1949 gründete Konrad Zuse in Neukirchen die Zuse KG. Bis 1967 baute die Firma insgesamt 251 Computer. 1964 verließ Konrad Zuse sein Unternehmen, es wurde zunächst von der BBC Mann-heim, Anfang 1967 dann von Siemens übernommen.
der kÜNstler kuNo seeNach seiner Pensionierung widmete er sich seiner zweiten großen Leidenschaft – der Malerei. Un-ter dem Pseudonym „Kuno See“ schuf er abstrakte Bilder und Portraits berühmter Zeitgenossen. Zwei seiner Bilder hängen heute als Schenkung Zuses in den Räumlichkeiten des ZIB.
Konrad Zuse erhielt zahlreiche Würdigungen, u. a. wurden ihm das Bundesverdienstkreuz sowie im Jahre 1995 das Große Bundesverdienstkreuz mit Stern und Schulterband, zahlreiche Ehren-doktortitel und zwei Ehrenprofessuren verliehen. Er erlebte die Vorplanungen für den Neubau des Konrad-Zuse-Zentrums für Informationstechnik Berlin noch mit, ein Jahr nach seinem Tod wurde das neue Gebäude in Berlin-Dahlem eingeweiht.
Quellen
Konrad Zuse: der computer: mein lebenswerk. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1984.
Wolfgang K. Giloi: die ungnade der frühen Geburt. Vortrag, gehalten am 12.12.1996 in memoriam Konrad Zuse.
Jürgen Alex, Hermann Flessner, Wilhelm Mons, Horst Zuse: konrad Zuse: der vater des computers. Fulda 2000.
Raul Rojas (Hrsg.): die rechen maschinen von konrad Zuse. Springer, Berlin 1998.
Hadwig Dorsch: der erste computer. konrad Zuses Z1 – berlin 1936. beginn und entwicklung einer technischen revolution. Mit Beiträgen von Konrad Zuse und Otto Lührs. Museum für Verkehr und Technik, Berlin 1989.
Clemens Kieser: „ich bin zu faul zum rechnen“– konrad Zuses computer Z22 im Zentrum für kunst und medientechnologie karlsruhe. In: Denkmalpflege in Baden-Württemberg, 4/34/2005, Esslingen am Neckar, S. 180–184.
Arno Peters: was ist und wie verwirklicht sich computer-sozialismus: Gespräche mit konrad Zuse. Verlag Neues Leben, Berlin 2000.
Paul Janositz: Informatik und Konrad Zuse: der pionier des computerbaus in europa – das verkannte Genie aus Adlershof. In: Der Tagesspiegel Nr. 19127, Berlin, 9. März 2006, Beilage Seite B3.
Friedrich Christian Delius: die frau, für die ich den computer erfand. Biographischer Roman,Rowohlt, Reinbek bei Hamburg 2009.
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peter deuflhard und das zibeine persönliche sicht auf den langjährigen präsidenten des zib, die besondere Qualität seines wirkens und die konsequenzen daraus Christof Schütte, Peter Deuflhards Nachfolger im ZIB
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Als Peter Deuflhard 1986 die Leitung des ZIB übernahm, begann eine neue Ära – nicht nur für das ZIB. Aus einer als Rechenzentrum mit Dienstleistungsaufgaben konzipierten Einrichtung entwi-ckelte er das erste deutsche Forschungsinstitut für Scientific Computing, das „in der Summe der wissenschaftlichen Bemühungen in angewandter Mathematik und Informatik die Komplexitäts-grenze der auf Computern simulierten technischen Anwendungen möglichst weit vorschieben“ solle, so seine eigene Formulierung in seinem Konzeptpapier „Plädoyer für die Errichtung eines Zentrum für Scientific Computing“ aus dem Oktober 1984.
Das ist nun fast 30 Jahre her und das ZIB hat dieses Ziel durch das Wirken von Peter Deuflhard und seinen Mitstreitern in vielerlei Anwendungsfeldern immer und immer wieder erreicht und verfügt deshalb über höchste internationale Sichtbarkeit. Peter hat mit herausragenden wissen-schaftlichen Erfolgen dazu beigetragen: Er leistete bahnbrechende Beiträge zur Numerischen Mathematik (für die Experten unter den Lesern seien Multiple Shooting, effiziente Integratoren für steife Differentialgleichungen, affin-invariante Newton-Verfahren, kaskadische Mehrgitter-verfahren beispielhaft genannt), immer in Wechselwirkung mit neuen Anwendungsfeldern in Medizin, Polymerchemie, Verbrennung, Molekularforschung, Nanooptik und vielen anderen mehr. Das ist eine großartige Leistung, die in ihrer Breite in der Angewandten Mathematik in Deutschland vielleicht unerreicht ist.
� ��Zum Abschluss des zu
seinen Ehren ver an-
stalteten Wissenschaft-
liche Kolloquiums
„Mathe matics in our
changing world – How
visions shape reality“
erhält Peter Deuflhard die
goldene Ehrennadel der
Freien Universität Berlin
(FU) aus den Händen des
Kanzlers der FU, Peter
Lange.
Quelle: FU Berlin
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Aber es ist meiner Ansicht nach nicht seine zentrale Leistung. Die liegt woanders: Zur Zeit der Gründung des ZIB hatte die Forschung in der angewandten Mathematik zum Ziel, den Anwen-dungswissenschaften mathematische Werkzeuge zur Lösung ihrer Probleme an die Hand zu ge-ben. Peter und seine Mitstreiter schufen das moderne Profil der angewandten Mathematik, in der neben dem Erschaffen neuer Werkzeuge auch das ganz konkrete Lösen der Anwendungs-probleme in interdisziplinärer Kooperation mit den Anwendern zum Ziel gehört. Seine Arbeits-weise beruhte immer auf dem „Scheibenwischerprinzip“: Von der mathematischen Grundlagen-forschung in die Anwendung, sehen wie weit man dort ganz konkret kommt und dann wieder zurück in die Grundlagenforschung und die wirklich passende mathematische Struktur hinter dem Anwendungsproblem suchen. Und das wieder und wieder, immer den Blick für den Weg zum Ziel freihaltend.
Mit dem ZIB hat Peter Deuflhard einen festen Raum geschaffen und immer wieder verteidigt, in dem der nachfolgenden Generationen von Forscherinnen und Forschern Zeit und Kraft für diesen intellektuell sehr fordernden Spagat zwischen Grundlagenforschung und konkreter An-wendung gegeben wurde. Hier konnten sie wachsen und ein Profil entwickeln, das international erfolgreich ist und überall auf der Welt Nachahmer findet. Die Liste seiner Schüler beweist das und die Liste der aus dem ZIB hervorgegangenen Wissenschaftler mit internationaler Reputati-on erst recht.
Darüber hinaus hat er es geschafft, diesem Raum ein sinnstiftendes Gebäude hinzuzufügen, das diesem Wirken eine Heimat und Zukunft gibt. Und er hat entscheidend mitgewirkt an der Errichtung des DFG-Forschungszentrums Matheon, das ein Zusammenwirken der gesamten Angewandten Mathematik in Berlin unter dem Titel „Mathematik für Schlüsseltechnologien“ ermöglicht. Die Sichtbarkeit und Reichweite der anfänglich aus dem ZIB stammenden Philo-sophie der direkten Zusammenarbeit mit Anwendern und Industrie wurde nochmals deutlich gesteigert. Das ZIB selbst hat sich durch die Verknüpfung von Mathematik und Informatik, Hoch-leistungsrechnen und informationstechnischen Diensten für die Wissenschaft international als beispielgebende Einrichtung etabliert und zeigt, dass die im Spannungsfeld von Forschung, Anwendung und Dienstleistung entstehenden Konzepte zu nachhaltiger Innovation führen.
Das Wirken von Peter Deuflhard hat international höchste Anerkennung erfahren, zum Beispiel durch den hochkarätigen Maxwell-Preis der SIAM, der ihm 2007 für seine „originären, tief grei-fenden und unvergleichlichen Verdienste in der Angewandten Mathematik“ verliehen wurde oder die Ehrendoktorwürde der Universität Genf für seine „Pioniertätigkeit in der Numerischen Mathematik für gewöhnliche Differentialgleichungen“.
Nun geht der Lotse von Bord und wir, die nachfolgende Generation und natürlich insbesondere ich als sein Nachfolger im ZIB, werden die Erfolgsgeschichte zu neuen Ufern fortsetzen.
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das zuse-institut-berlin „schnelle algorithmen – schnelle rechner“
verwAltuNGsrAt
Freie Universität Berlin (FUB) Humboldt-universität zu berlin (HUB) Technische Universität Berlin (TUB) Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC)Senat von Berlin – Senatsverwaltung für Wissenschaft und Forschung sowie Senatsverwaltung für Wirtschaft
wisseNscHAftlicHer beirAt
M. Hofmeister | München (†)Th. Liebling | LausanneA. k. louis | saarbrückenJ. Sack | OttawaL. D. Sax | EssenH. D. Simon | BerkeleyR. Uppenkamp | Berlin
präsideNt
peter deuflhard ( bis 30.09.2012)
martin Grötschel (ab 01.10.2012)
viZepräsideNt
martin Grötschel (bis 30.09.2012)
christof schütte (ab 10.01.2013)
diskrete mAtHemAtik
martin Grötschel
NumeriscHe mAtHemAtik
peter deuflhard (bis 30.09.2012)
christof schütte (ab 10.01.2013)
iNformAtik
Alexander reinefeld
verwAltuNGuNd bibliotHek
Annerose steinke
orGANisAtioNsstruktur des Zib
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struktur uNd ZieleDas Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin (ZIB) wurde 1984 durch Gesetz als An-stalt des öffentlichen Rechts und außeruniversitäre Forschungseinrichtung des Landes Berlin ge-gründet. Das Zuse-Institut betreibt in enger fächerübergreifender Kooperation mit den Hochschu-len und wissenschaftlichen Einrichtungen des Landes Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Informationstechnik, vorzugsweise in anwendungsorientierter Algorithmischer Mathematik und Praktischer Informatik. Zugleich bietet es Hochleistungsrechnerkapazität und langfristige Da-tenhaltung als die dazugehörige Dienstleistung an.
forscHuNG uNd eNtwickluNGSchwerpunkte der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des ZIB sind die Gebiete Numerische Mathematik, Diskrete Mathematik und Informatik. Diese Gebiete umfassen:
• die theoretische Analyse mathematischer Modelle, welche komplexe naturwissenschaftliche, technische, gesellschaftliche oder ökonomische Prozesse beschreiben,
• die Entwicklung effizienter Algorithmen zur Simulation und Optimierung derartiger Modelle,• die Umsetzung der Algorithmen in leistungsfähige Computercodes.
Theorie- und Algorithmenentwicklung, die Erprobung der Algorithmen an leistungsfähigen Com-putersystemen und der Test der mathematischen Modelle auf ihre praktische Brauchbarkeit gehen dabei eine nachhaltige Synthese ein.
ANweNduNGsorieNtierte forscHuNG uNd kooperAtioNeNDas ZIB leistet Beiträge zur Lösung drängender Fragen in Wissenschaft, Technik, Umwelt und Ge-sellschaft, die mit herkömmlichen Methoden nicht gelöst werden können, aber mathematischer Analyse zugänglich sind. Der Anteil des ZIB besteht dabei in der Entwicklung innovativer Algo-rithmen und dem Einsatz von Hochleistungsrechnern in enger Zusammenarbeit mit Partnern aus Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft.
Die Finanzierung der Forschungsarbeiten erfolgt im Rahmen der Grundfinanzierung des Landes Berlin und – überwiegend – durch eingeworbene Drittmittel. Neben Kooperationen mit wissen-schaftlichen Einrichtungen betreibt das ZIB zurzeit gemeinsame Projekte mit Partnern aus den Bereichen Telekommunikation, Medizintechnik, Biotechnologie, Systembiologie, Öffentlicher Per-sonennahverkehr, Transport und Logistik, Fahrzeugbau, Chemie-, Elektro- und Computerindustrie, Energieversorgung und Nano-Optik. Das ZIB ist zudem, neben den drei Berliner Universitäten FU, TU und HU sowie dem WIAS, eine der fünf Institutionen, die das von der DFG geförderte For-schungszentrum Matheon „Mathematik für Schlüsseltechnologien: Modellierung, Simulation und Optimierung realer Prozesse“ tragen.
supercomputiNG Das ZIB betreibt in Berlin im Rahmen des Norddeutschen Verbundes für Hoch- und Höchstlei-stungsrechnen (HLRN) als Dienstleistung für Hochschulen und wissenschaftliche Einrichtungen in Norddeutschland ein Hochleistungsrechnersystem. Ein identisches System ist am HLRN-Standort Hannover installiert. Die Zuteilung von Rechenzeit an Großprojekte erfolgt nach wissenschaftlichen Kriterien der DFG durch einen vom ZIB unabhängigen Wissenschaftlichen Ausschuss. Alle befür-worteten Projekte werden je durch einen Fachberater („HPC-Lotsen“) begleitet.
lANGfristiGe dAteNHAltuNG Als dieNstleistuNGFür die Arbeiten im ZIB und zur Nutzung durch andere wissenschaftliche Einrichtungen betreibt das ZIB ein modernes Speichersystem. Die Server des Instituts ermöglichen den Zugriff auf etwa ein Petabyte Plattenspeicher. Als Erweiterung des Plattenspeichers dient ein Bandarchiv zur Langzeit-speicherung. Dieses Archiv ist ein schnelles „Hochregallager“ für Bandkassetten, die auf Anforde-rung der Server durch Roboter in die Bandlaufwerke geladen werden. Die Server sorgen automa-tisch dafür, dass sich auf dem Plattenspeicher immer die aktuell benutzten Daten befinden.
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
NumeriscHe mAtHemAtik
Der Bereich Numerische Mathematik gliedert sich in zwei Abteilungen:
• Numerische Analysis und Modellierung• Visualisierung und Datenanalyse
Aufgabe der Abteilung Numerische Analysis und Modellierung ist die Forschung und Entwicklung im Bereich der algorithmisch orientierten Numerischen Mathematik mit Schwerpunkt nichtlineare Modelle, insbesondere Differentialgleichungsmodelle. Ziel ist die Konstruktion von effizienten und verlässlichen Algorithmen zur Simulation, Identifikation und Optimierung (inklusive optimaler Steu-erung) bei komplexen technologischen Problemen. Dabei sind Fragen der mathematischen Model-lierung häufig zwingend mit einzubeziehen. Die Abteilung gliedert sich in die vier Arbeitsgruppen:
• Virtuelle Medizin• Mathematischer Molekül-Entwurf• Mathematische Nano-Optik• Mathematische Systembiologie
Ziel der Forschungsarbeiten in der Abteilung Visualisierung und Datenanalyse ist die Entwicklung neuer, effektiver Verfahren zur Visuellen Datenanalyse. Hierfür werden Algorithmen aus den Be-reichen Bild- und Datenanalyse, Geometrieverarbeitung, Computergrafik und Visualisierung entwi-ckelt. Die Abteilung gliedert sich in die vier Arbeitsgruppen:
• Visualisierungsalgorithmen• Visualisierungssysteme• Medizinische Planung
Die entwickelten Verfahren finden Anwendung in der Molekülphysik, der Neuro- und Pflanzenbio-logie, der medizinischen Therapieplanung, der computergestützten Chirurgie, der Geo- und Astro-physik sowie der Strömungsanalyse. Die Abteilung stellt Visualisierungs-Software und -Hardware (z. B. das Studio da Vinci) zur Verfügung und unterstützt Anwender bei der Realisierung komplexer Visualisierungsprojekte.
forscHuNG
dieNsteSupercomputer MassendatenspeicherBerliner
Wissenschaftsnetz BRAIN
Museums-SoftwareKOBV
Numerische mathematik diskrete mathematik informatik
gliederung der wissenschaftlichen bereiche
GliederuNG der wisseNscHAftlicHeN bereicHe | 16
Numerische Analysis und Modellierung
Visualisierung und Datenanalyse
Wissenschaftliche InformationOptimierung Parallele und
Verteilte Algorithmen
Im Jahr 2011 wurden die Abteilungen und Arbeitsgruppen der Bereiche entsprechend den aktuellen Forschungsschwerpunkten neu gegliedert wie folgt:
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
diskrete mAtHemAtik
Der Bereich Diskrete Mathematik gliedert sich in die Abteilungen:
• Optimierung• Wissenschaftliche Information
Geforscht wird in der Abteilung Optimierung in den Bereichen algorithmische Diskrete Mathema-tik sowie lineare und nichtlineare ganzzahlige Optimierung. Ziel ist die mathematische Analyse und, darauf aufbauend, die Entwicklung und Implementierung effizienter Verfahren zur Lösung von schwierigen praxisrelevanten Problemen, bei denen diskrete Entscheidungen getroffen wer-den müssen. Die Abteilung gliedert sich in die vier Arbeitsgruppen:
• Verkehr und Logistik• Lineare und nichtlineare ganzzahlige Optimierung• Telekommunikation• Energie
Anwendungsschwerpunkte sind die Optimierung von Gas-, Telekommunikations- und Verkehrs-netzen.
Die Abteilung Wissenschaftliche Information beschäftigt sich mit der Konzeption, Entwicklung und Realisierung mathematischer Informationssysteme. Beispielhaft für Internet-basierte Informati-onstechnologie sind die Projekte „Informationsdienste für die Mathematik im Internet (Math-Net)“ und „Informationstechnische Werkzeuge für Museen“ sowie der „Kooperative Bibliotheksverbund Berlin-Brandenburg (KOBV)“. In 2012 wurde außerdem die „Servicestelle Digitalisierung“ des Lan-des Berlin in der Abteilung eingerichtet.
iNformAtik
Der Bereich Informatik untergliedert sich in die Abteilungen:
• Parallele und Verteilte Systeme • Supercomputing• IT-Service
Im Zentrum des Forschungsinteresses liegen die Theorie und Praxis paralleler und verteilter Sys-teme. Profitiert wird dabei vom Zugriff auf modernste Hochleistungsrechner und Cluster, die im ZIB als Dienstleistung für die Wissenschaft betrieben werden. Die Erfahrungen aus dem Produkti-onsbetrieb der Parallelrechner bilden den Hintergrund für die Entwicklung zuverlässiger, skalier-barer Dienste in verteilten Systemen. Zurzeit liegt der Forschungsschwerpunkt der Abteilung im Management sehr großer Datenmengen in C-Systemen, einer Problematik, die in unserer ver-netzten und mobilen Welt zunehmend an Bedeutung gewinnt.
Zu den Hauptaufgaben der Abteilung Supercomputing gehören Auswahl, Bereitstellung und Be-trieb von Hochleistungsrechnerkapazität sowie die fachliche Beratung der Anwender zur effizi-enten Nutzung der Systeme, insbesondere bei Neuentwicklungen und Anpassungen der Codes an die spezifischen Eigenschaften der im Norddeutschen Verbund für Hoch- und Höchstleistungsrech-nen (HLRN) betriebenen Systeme. Die Abteilung koordiniert auch das Berliner Wissenschaftsnetz BRAIN und betreut den Wissenschaftlichen Ausschuss des HLRN. Aufgabe der Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen der Abteilung IT-Service ist es, die Forschungsarbeiten im ZIB durch Planung, Beschaffung und Wartung der Ausstattung mit Software und Hardware zu unterstützen. Hierzu zählen sämtliche im Haus betriebenen Arbeitsplatzsysteme, Server, Netzkomponenten, Periphe-riegeräte sowie Web- und Mail-Services. Ferner berät und betreut die Abteilung die Nutzer der langfristigen Datenhaltung im Haus. Diesen Service stellt das ZIB seit 2009 auch externen wissen-schaftlichen Einrichtungen zur Verfügung.
GliederuNG der wisseNscHAftlicHeN bereicHe | 17
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin orGANisAtioNsstruktur des Zib | 18
organisationsstruktur des zib
visualisierung und datenanalyseHege
wissenschaftlicheinformationKoch
optimierungGrötschel/Borndörfer
Numerische mathematikDeuflhard/Schütte*
diskrete mathematikGrötschel
Numerische Analysis und modellierungWeiser
orGANiGrAmm
Im Jahr 2012 wurden die Abteilungen und Arbeitsgruppen der Bereiche entsprechend den aktuellen Forschungsschwerpunkten gegliedert.
* Der Bereich wurde bis zum 30.09.2012 von Prof. Dr. Dr. h.c. Peter Deuflhard geleitet und steht ab 10.01.2013 unter der Leitung von Prof. Dr. Christof Schütte
virtuelle medizinWeiser, Zachow
mathematischermolekül-entwurfWeber
mathematischeNano-optikSchmidt
mathematischesystembiologieRöblitz
visualisierungs-systemeProhaska
visualisierungs-algorithmenHege
medizinischeplanungZachow
lineare und NichtlineareGanzzahlige optimierung
Koch
verkehr undlogistikBorndörfer
telekommunikationWerner
energieHiller
webtechnologie und multimediaDalitz
Forschung (Bereiche und Abteilungen)Forschung (Arbeitsgruppen)Service (Abteilungen und Arbeitsgruppen)
kobvKoch/Rusch
museums-softwareSaro
Am Zib ArbeiteN forscHuNG uNd service eNG ZusAmmeN.
informationssystemeKoch
servicestelledigitalisierungKoch
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin orGANisAtioNsstruktur des Zib | 19
parallele und verteilte systemeReinefeld/Schintke
informatikReinefeld
verwaltung und bibliothekA. Steinke
skalierbareAlgorithmenSchütt
verteiltes datenmanagementSchintke
Hardwarenahe AlgorithmenT. Steinke
it-servicePyszkalski
server und NetzeKrickel, Düring
massendaten-speicherPyszkalski / Pham
berliner wissenschaftsnetz brAiN
Pyszkalski
supercomputer- systemeLaubender
supercomputingReinefeld
supercomputer-fachberatungReinefeld/ T. Steinke
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin wirtscHAftlicHe situAtioN | 20
Das Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin (ZIB) finanziert seine wissenschaftliche Arbeit vor allen aus drei Quellen: der Grundfinanzierung des Landes Berlin, aus eingeworbenen Drittmitteln öffentlicher Träger sowie aus Industriekooperationen.
Auch im Jahr 2012 hat das ZIB eine Vielzahl von Drittmittelprojekten eingeworben. Die Finanzie-rung des Instituts aus öffentlich-rechtlichen projektbezogenen Drittmitteln blieb in etwa gleich, der Anteil der industriellen Drittmittelprojekte im Vergleich zum Vorjahr zurück. Die Industriemittel sind in wirtschaftlich schwierigen Zeiten in besonderem Maße Schwankungen unterworfen. Zu-dem verfügt das ZIB über keine Rücklagen mehr, die für die Anbahnung von Industrieprojekten notwendig sind. Trotzdem konnte das ZIB wieder interessante Forschungsprojekte akquirieren und bleibt ein gefragter Kooperationspartner für große und mittelständische innovative Unter-nehmen.
Der Personalbestand im ZIB ging im Berichtsjahr wegen der notwendigen Kosteneinsparungen infolge eines gesunkenen Zuschusses des Landes Berlin um 7,5% auf 218 Personen zurück, im Jahr 2011 arbeiteten 236 Personen am ZIB (234 Personen in 2010). Auch in 2012 musste das Institut große Anstrengungen unternehmen, exzellente Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen für den Standort Berlin zu begeistern, da zum einen immer weniger gut ausgebildete Mathematiker/innen und Informatiker/innen auf dem Markt zur Verfügung stehen und zum anderen die Gehälter der Angestellten des Öffentlichen Dienstes in Berlin auch nach der Tarifumstellung auf den TV-L immer noch deutlich unter denen der anderen Bundesländer liegen.
Der neue Hochleistungsrechner der Norddeutschen Länder HLRN-III wurde in 2012 ausgeschrie-ben, im Dezember 2012 wurde der Firma CRAY der Zuschlag erteilt. Im September 2013 wird der neue HLRN-III ans Netz gehen. Die langfristige Datenhaltung des Instituts wurde weiter ausge-baut, erfreulicherweise konnten zahlreiche neue Forschungskooperationen mit Berliner Einrich-tungen in diesem Bereich geschlossen werden.
Das Land Berlin bewilligte für 2012 einen ausgabewirksamen, konsumtiven Zuschuss in Höhe von 6.978 T€ (ohne BRAIN und KOBV-Anteile), der investive Bereich des ZIB wurde mit 424 T€ unter-stützt. Die Drittmitteleinnahmen aus öffentlichen Projekten und aus Industrieprojekten in Höhe von 5.701 T€ in 2012 lagen um 416 T€ unter dem Niveau von 2011 (6.117 T€). Zurückzuführen ist dies vor allem auf einen Rückgang der Industriemittel, sie lagen in 2012 mit 1.733 T€ deutlich un-ter den Erträgen von 2011 (2.161 T€). Herausgerechnet und an dieser Stelle nicht erfasst wurden selbstverständlich alle Mittel, die im Zuge von Projektkooperationen an Forschungspartner wei-tergegeben wurden. Die Drittmitteleinnahmen aus öffentlich geförderten Projekten blieben mit 3.967 T€ gegenüber 2011 (3.957 T€) konstant. Ein wichtiges Standbein waren wiederum die Pro-jekte des DFG-Forschungszentrums Matheon, das im Frühjahr 2014 auslaufen wird.
wirtschaftliche situation
drittmitteleiNNAHmeN Zib NAcH HerkuNft:
747.215 EUR
13 % DFG
1.733.405 EUR
31 % Wirtschaft/Industrie
916.181 EUR
16 % Sonstige öffentliche Mittel
748.416 EUR
13% BMBF/BMWi
590.741 EUR
10 % EU
964.686 EUR
17 % Matheon
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin persoNelle eNtwickluNG | 21
personelle entwicklungDie Personalmittel für die planmäßigen Mitarbeiter in Höhe von 80,5 Stellen sind aufgrund einer Änderung der gesetzlichen Grundlagen seit 1997 im Wirtschaftsplan des ZIB ausgewiesen. Durch die deutlich über dem Durchschnitt liegende Altersstruktur im Bereich der unbefristet beschäftigten Belegschaft sowie die Anpassungen des TV-L und die jährlichen Tarifsteigerungen besteht im Per-sonalhaushalt eine besondere finanzielle Belastung, die auch 2012 durch personalwirtschaftliche Maßnahmen und Drittmitteleinnahmen abgefedert werden musste.
Im Jahr 2012 wurden 218 Personen am ZIB beschäftigt. Finanziert wurden die zusätzlichen Mit-arbeiter/innen über Drittmittelprojekte.
gesamt unbefristet befristet gesamt unbefristet befristet
Leitung 4 4 0 4 4 0
Wissenschaftler 107 19 88 102 19 83
Service-Personal 47 39 8 45 37 8
KOBV-Zentrale 15 7 8 16 7 9
Student. Hilfskräfte | Auszubildene 63 0 63 51 0 51
total 234 67 167 218 67 151
01.01.12davon
01.01.13davon
drittmitteleiNNAHmeN iN eur:
ZAHl der bescHäftiGteN Zum 01.01.2013 im verGleicH Zum vorjAHr:
0
1.000.000
2.000.000
3.000.000
4.000.000
5.000.000
6.000.000
7.000.000
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Wirtschaft/Industrie
Matheon
Öffentliche Mittel
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
Das Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin (ZIB) wurde durch Gesetz über das Zentrum für Informationstechnik (ZInfG) vom 17. Juli 1984 gegründet. Das ZIB ist eine rechts- fähige Anstalt öffentlichen Rechts mit kaufmännischer Buchführung. Zur Erfüllung seiner Auf-gaben erhält das ZIB einen Zuschuss des Landes Berlin, das auch Dienstherr und Arbeitgeber für die Beschäftigten des ZIB ist.
orGANeOrgane des ZIB sind der Präsident und der Verwaltungsrat.
Präsident des ZIB war Prof. Dr. Dr. h.c. Peter Deuflhard bis zum 30.09.2012, Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Martin Grötschel ab 01.10.2012.Als Vizepräsident amtierte Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Martin Grötschel bis zum 30.09.2012, Prof. Dr. Christof Schütte ab 10.01.2013.
Der Verwaltungsrat setzte sich 2011 wie folgt zusammen:
• Prof. Dr. Peter Frensch, HUB, Vorsitzender • Prof. Dr. Paul Uwe Thamsen, TUB, stellvertretender Vorsitzender• Prof. Dr. Brigitta Schütt, FUB• Bernd Lietzau, Senatsverwaltung für Wirtschaft, Technologie und Forschung•N.N. Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Wissenschaft• Prof. Dr. Manfred Hennecke, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung • Prof. Dr. Anke Kaysser-Pyzalla, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie • Prof. Dr. Nikolaus Rajewsky, Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin
Der Verwaltungsrat tagte am 14.02.2012, am 04.07.2012 und am 28.11.2012.
sAtZuNGDie vom Verwaltungsrat in seiner Sitzung am 30.06.2005 beschlossene Satzung legt Funktion und Verfahrensweise der einzelnen Organe des ZIB fest, definiert die Aufgaben in Forschung und Entwicklung sowie die Dienstleistungsfunktionen und regelt die Zusammensetzung und Aufgabenstellung des Wissenschaftlichen Beirats.
wisseNscHAftlicHer beirAtAufgabe des Wissenschaftlichen Beirats ist die Beratung des ZIB in wissenschaftlichen und tech-nischen Fragen sowie die Unterstützung und Förderung der Arbeit des ZIB bei der Herstellung und Aufrechterhaltung von Kooperationen mit Universitäten, Forschungseinrichtungen und der Industrie. Der Verwaltungsrat hat als Mitglieder des Wissenschaftlichen Beirats bestellt:
• Prof. Dr. Alfred Louis, Universität des Saarlandes, Saarbrücken, Sprecher des Beirats• Prof. Dr. Michael Hofmeister (†), Siemens AG, München• Prof. Dr. Thomas Liebling, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne-Ecublens, Schweiz• Prof. Dr. Jörg-Rüdiger Sack, Carleton University, Ottawa, Kanada• Dipl.-Math. Ludger D. Sax , Open Grid Europe GmbH, Essen• Dr. Horst D. Simon, NERSC, Lawrence Berkley National Laboratory, USA• Dr. Reinhard Uppenkamp, Berlin Chemie AG, Berlin
Der Wissenschaftliche Beirat tagte am 24. und 25.09.2012 im ZIB.
organisation
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mitGliedscHAfteNDas ZIB ist Mitglied in folgenden Organisationen:
• DFN – Verein zur Förderung eines Deutschen Forschungsnetzes e. V.• DMV – Deutsche Mathematiker-Vereinigung• ECMI – European Consortium for Mathematics in Industry• ERL – Europractice Research laboratory• FAV – Forschungs- und Anwendungsverbund Verkehrssystemtechnik Berlin• Forum für Zukunftsenergien e. V.• Friedrich-Althoff-Konsortium e. V.• GA – Gauß Allianz• IDW – Informationsdienst Wissenschaft e. V.• Konrad-Zuse-Gesellschaft e. V.• NAG Users Association• OpTecBB – Optische Technologien aus Berlin und Brandenburg• SIAM – Society for Industrial and Applied Mathematics• ZKI – Zentrum für Kommunikation und Informationsverarbeitung in Lehre und Forschung e. V.• Zuse-Park e. V.
Zib-fellowsPräsident und Vizepräsident vergeben an wenige ausgewählte Wissenschaftler und Wissenschaft-lerinnen das Konrad-Zuse-Fellowship, in dessen Rahmen im Jahre 2012 die folgenden Projekte bearbeitet wurden:
seNior-fellowsHipProf. Dr. Dietrich Braess (Ruhr-Universität Bochum) Nichtlineare Mechanik und Locking-Phänomene
Prof. Dr. Herbert W. Franke „Math goes Art“
juNior-fellowsHipDr. Arie M.C.A. Koster (RWTH Aachen) Diskrete Optimierung für Multi-Layer Telekommunikationsnetze
Prof. Dr. Sven O. Krumke (TU Kaiserslautern) Online-Disposition von Einsatzfahrzeugen
Prof. Dr. Marc Steinbach (Leibniz Universität Hannover) Optimierung in Energie- und Versorgungswirtschaft
orGANisAtioN | 23
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin orGANisAtioN | 24
Prof. Dr. Gerd Teschke (Hochschule Neubrandenburg) Inverse Probleme und Signalanalyse in der Meteorologie
Prof. Dr. Max Wardetzky (Universität Göttingen) Geometrische Variationsmethoden in der Flächenbearbeitung
Prof. Dr. Thomas Wolf (Brock University, Ontario, Canada) Symbolische Lösung von Differentialgleichungen und Differentialgleichungssystemen; symbolisches Rechnen in der allgemeinen Relativitätstheorie; parallele Verfahren in der Computer Algebra; Mitglied des kanadischen Supercomputer-Verbunds SHARCNET
selbstverwAltuNGDer Personalrat setzte sich vom 01.01.2012 bis zum 08.11.2012 wie folgt zusammen:
•Wolfgang Dalitz (Vorsitzender)•Marlies Engelke•Bodo Erdmann•Dirk Krickel•Marika Karbstein•Uwe Pöhle• Dr. Stefan Zachow
Am 08.11.2012 fanden im ZIB Personalratswahlen statt. Am 09.11.2012 begann die Amtsperiode des neu gewählten Personalrats, die konstituierende Sitzung fand am 19.11.2012 statt.
• Wolfgang Dalitz (Vorsitzender)• Marlies Engelke (Stellvertretende Vorsitzende)• Susanne Gottwald• Marika Karbstein• Oasama Bach• Dirk Krickel• Dr. Stefan Zachow
frAueNvertretuNG
•Uta Kaminsky (bis 13.11.2012) •Kathrin Peter (bis 31.10.2011)
Im November 2012 fanden ebenfalls Wahlen zur Frauenvertretung statt. Ab 14.11.2012 wird die Frauenvertretung wahrgenommen von:
•Meike Winderlich (Frauenvertreterin)•Julia Goltz (Stellvertretende Frauenvertreterin)
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
mitArbeiteriNNeN uNd mitArbeiter des Zib HAbeN bisHer die folGeNdeN firmeN AusGeGrÜNdet:
computing in technology GmbH (cit) | 1992 | www.cit-wulkow.deModellierung und Entwicklung von numerischer Software für die technische Chemie
risk-coNsultiNG prof. dr. weyer GmbH | 1994 | www.risk-consulting.deDatabase Marketing für Versicherungen
intranetz GmbH | 1996 | www.intranetz.deSoftwareentwicklung für Logistik, Database Publishing, eGovernment
Aktuardata GmbH | 1998 | www.aktuardata.deEntwicklung und Vertrieb von Risikobewertungssystemen zur Krankenversicherung
visage imaging GmbH (hervorgegangen aus dem spin-off indeed-visual concepts GmbH) | 1999 | www.visageimaging.comVisualisierung und Datenanalyse (Amira etc.), Medizinische Visualisierung (RIS=Radiology Information System, PACS=Picture Archiving and Communication System), Virtual Reality System Integration (früher)
atesio GmbH | 2000 | www.atesio.deEntwicklung von Software und Dienstleistungen für die Planung, Konfiguration und Optimierung von Telekommunikationsnetzen bit-side GmbH | 2000 | www.bit-side.comMobiltelefon-Anwendungen, Visualisierung dres. löbel, borndörfer & weider Gbr | 2000 | www.lbw-berlin.de Optimierung und Unternehmensberatung im ÖPNV
lenné3d GmbH | 2005 | www.lenne3d.com3D-Landschaftsvisualisierung, Softwareentwicklung und Dienstleistungen
jcmwave GmbH | 2006 | www.jcmwave.comSimulationssoftware für optische Komponenten
onscale solutions GmbH | 2006 | www.onscale.deSoftwareentwicklung, Beratung und Dienstleistungen für parallele und verteilte Speicher- und Rechnersysteme
molconcept GmbH | 2008 | www.molconcept.comMathematische Konzepte für molekulares Design, Softwareentwicklungen für den computergestützten Wirkstoffentwurf
laubwerk GmbH | 2009 | www.laubwerk.comErstellung von digitalen Pflanzenmodellen
1000shapes GmbH | 2010 | www.1000shapes.comStatistische Formanalyse
tAsk – berthold Gleixner Heinz koch Gbr | 2010Verbreitung, Wartung und Beratung zur ZIB Optimization Suite
spin-off-firmen
spiN-off-firmeN | 25
forschungnumerische analysis und modellierung
Visualisierung und datenanalyse
optimierung
wissenschaftliche information
parallele und Verteilte systeme
supercomputing
it-serVice
numerische analysis und modellierungNumerische Mathematik für komplexe Systeme
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missioN Die Effizienz numerischer Algorithmen spielt in vielen Problemen der Natur- und Ingenieurwis-senschaften eine Schlüsselrolle. Allerdings gilt: Je intensiver Numeriker mit Vertretern der An-wendungsdisziplinen kooperieren, desto wich-tiger werden auch Fragen der mathematischen Modellierung. Diesem Zusammenhang trägt der Name der Abteilung Rechnung. Dabei be-zeichnet „Numerische Analysis“ schwerpunkt-mäßig die theoretische Herleitung und Analyse von Algorithmen, während „Modellierung“ die mathematische Problemformulierung sowie die numerische Simulation (oft auch „nume-rische Modellierung“ genannt) im Anwen-dungskontext umfasst.
struktur Die Abteilung gliedert sich derzeit in vier Arbeitsgruppen (AGs), die mehrheitlich von Nachwuchswissenschaftlern geleitet werden:
•virtuelle medizin (Dr. Martin Weiser | Dr. Stefan Zachow)
•mathematischer molekül-entwurf (PD Dr. Marcus Weber)
•mathematische Nano-optik (Prof. Dr. Frank Schmidt)
•mathematische systembiologie (Dr. Susanna Röblitz)
AusZeicHNuNGeN uNd rufe F. Schmidt wurde zum Honorarporfessor an der Freien Universität Berlin ernannt. P. Deuflhard erhielt einen Ruf an die King Abdullah Univer-sity of Science and Technology, Saudi Arabien und die Ehrenprofessur der Beijing University of Technology.
virtuelle mediZiN Das im Berichtszeitraum ins Englische über-setzte Lehrbuch „Adaptive Numerical Solu-tion of PDEs“ ist im September 2012 als De-Gruyter Textbook erschienen. Für semi-infinite Optimalsteuerungsprobleme konnte lokale Selbstkonkordanz spezieller rationaler Barri-erefunktionen nachgewiesenen werden. Dies impliziert lineare Konvergenz entsprechender Innere-Punkte-Methoden für die in der Praxis häufig auftretenden Optimierungsprobleme mit endlichdimensionaler Steuerung. Für die Formoptimierung von Knochenimplantaten wurden adaptive Composite-Step-Verfahren und glatte Geometriedarstellungen zur Vermei-dung künstlicher Eckenverfeinerungen entwi-ckelt. Unsere Arbeiten an der Kompression von Trajektorien wurden auf die Defibrillation des Herzens (AG Kunisch, Graz) angewendet, wofür die adaptive Wahl der Quantisierungstoleranz auf nichtlineare Gleichungen und Newton-CG-Verfahren erweitert werden konnte. Die Me-thodik wurde zudem auf die Kompression von Molekültrajektorien übertragen, wobei bessere Kompressionsraten als in der Literatur erzielt werden konnten. Gemeinsam mit der Charité (AG Vajkoczy) wurde eine Hirndurchblutungssi-mulation zur Entscheidungsunterstützung und Planung von Bypassoperationen entwickelt.
mAtHemAtiscHer molekÜl-eNtwurfIm Berichtszeitraum wurden im Rahmen un-seres Projektes im SFB-765 die kinetischen Modelle für multivalente Bindungsvorgänge von Liganden an Rezeptoren mathematisch neu durchdacht. Dabei liefert die Konforma-tionsdynamik mit „weichen“ Zugehörigkeits-funktionen einen Schlüssel für ein tieferes Ver-ständnis und ein neuartiges mathematisches Modell multivalenter Bindungsvorgänge. Bei der Entwicklung eines „nebenwirkungsfreien“,
numerische analysis und modellierungleitung: Prof. Dr. Dr. h.c. Peter Deuflhard, Dr. Martin Weiser
weitere informationen unter: www.zib.de/de/numerik.html
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin NumeriscHe ANAlysis uNd modellieruNG | 31
starken Schmerzmittels haben erste Tierver-suche die Richtigkeit der von uns vorherge-sagten Wirkstoffeigenschaften für den im ZIB am Rechner konstruierte Arzneistoff gezeigt. Die neue Ausgründung mathPharm GmbH soll das aus diesen Forschungen resultieren-de Wirkstoffpatent in Zukunft vermarkten. Bei der Analyse der Toxizität von Transformations-produkten von Spurenstoffen im Wasserkreis-lauf (BMBF-Verbundprojekt TransRisk) konnten unsere Computersimulationen erfolgreich ein Transformationsprodukt eines Antibiotikums identifizieren, das ersten Experimenten zu Folge eine stärkere Wirkung als dessen Mut-tersubstanz aufweist. Das Forschungsthema „Risikocharakterisierung von Spurenstoffen im Wasserkreislauf“ soll in Zukunft im ZIB in grö-ßerem Rahmen betrieben werden.
mAtHemAtiscHe NANo-optikIm Berichtszeitraum wurde unser Schwerpunkt Green Photonics, insbesondere Photo voltaik und Entwicklung energiesparender organischer LEDs, weiter ausgebaut. Im Bereich Photovol-taik haben wir uns wie schon im Vorjahr auf die Optimierung von Silizium-Dünnschichtzellen mit Tandemstruktur konzentriert. Im Verbund-projekt DEMO14 wurden erneut wesentliche Fortschritte insbesondere in der Modellierung rauer Oberflächen und der Analyse spezieller funktionaler optischer Komponenten (balan-cierte Zwischenreflektoren) erzielt. Darüber hinaus arbeiten wir bereits an neuen, innova-tiven Konzepten, die auf sogenannten Nano-drähten beruhen. Die zugehörige Kooperation mit dem HZB (AG Rech, AG Stannowski, AG Schmid), dem Verbund PVcomB und dem MPI für Physik des Lichts (AG Christiansen) werden zunehmend intensiver und umfangreicher.
Neben diesem Schwerpunktthema wurden die Arbeiten zur Computational Geometry mit An-wendungen in der Photovoltaik (ETH Zürich, AG Norris) und Bereich optische Metamate-rialien fortgesetzt. Unser Projekt im SFB 787 „Halbleiter-Nanophotonik“ hat eine Reihe neu-er Kooperationsprojekte zum Thema optische Resonatoren initiiert. Dabei spielt zunehmend auch die Entwicklung neuer Materialmodelle, die quantenoptischen Effekten Rechnung tra-gen, eine wichtige Rolle.
mAtHemAtiscHe systembioloGieIm Jahr 2012 hat sich der Anwendungsschwer-punkt auf die Modellierung chemischer Re-aktionsnetzwerke in der biotechnologischen Messtechnik verschoben. So konnte z. B. die Kooperation mit der Firma aokin, Hersteller eines Fluoreszenz-Polarometers zur Toxin-Be-stimmung in Lebensmitteln, ausgebaut werden und erste, sehr erfolgversprechende Untersu-chungen zu Wiederbindungseffekten an Sen-soroberflächen in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik in Potsdam-Golm und der Firma Förster-Tech-nik GmbH Engen durchgeführt werden. Diese Projekte sollen 2013 fortgesetzt und deutlich in-tensiviert werden. Im Bereich der endokrinolo-gischen und metabolischen Netzwerke wurde auf Grundlage von Fütterungsversuchen, die von der FU Veterinärmedizin durchgeführt wur-den, ein Modell zum Kaliumstoffwechsel bei Kühen entwickelt, welches Anknüpfungspunkte zur Diabetesforschung beim Menschen bietet. Darüber hinaus wurden weitere Schritte unter-nommen, unser Modell des weiblichen Hor-monzyklus (GynCycle) in die klinische Praxis zu übertragen. Dieses Ziel wird in Kooperation mit Medizinern, Biologen und Informatikern im Rahmen eines EU-Projektes weiter verfolgt.
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin NumeriscHe ANAlysis uNd modellieruNG | 32
1 J. Bondzio: Goal-oriented error estimation and an adapted cost functional on a numerical simulation of facial implants. Diplomarbeit FU Berlin, 2011
implantatdesignbearbeitet von: Sebastian Götschel, Lars Lubkoll, Martin Weiser, Stefan Zachow
kooperation: R. Ewers (MU Wien, Klinik f. Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie), Z. Zinser (U Köln, Klinik f. Mund-, Kiefer- und Plastische Gesichtschirurgie),
H. Sailer (Zürich, Ästhetische Gesichts-, Kiefer- und Oralchirurgie), A. Schiela (TU Berlin)
förderung: DFG Forschungszentrum Matheon (Projekt A17)
weitere informationen unter: www.zib.de/de/jb/implantatdesign
Sind im menschlichen Körper Knochen fehlge- bildet oder stark beschädigt, so müssen diese durch ein Implantat ersetzt oder ergänzt wer- den. Dabei kann, insbesondere im Gesicht, die Form des Implantats einen wesentlichen Ein- fluss auf das Erscheinungsbild des Patienten haben. Die Bestimmung der Implantatform wird gegenwärtig vom Chirurgen manuell an-hand medizinischer Bilddaten durchgeführt. Die Form des Implantats ist somit von der Er-fahrung des behandelnden Arztes abhängig. Dabei ist es dem Arzt in vielen Situationen nicht möglich, das komplexe Verhalten biolo-gischen Weichgewebes intuitiv korrekt zu erfas-sen. Auch die Abschätzung des postoperativen Erscheinungsbilds ist nur in sehr eingeschränk-tem Maße möglich.
Eine automatisierte Bestimmung der Implan-tatform erlaubt es, in diesen Punkten deutliche Verbesserungen zu erreichen. Ziel unserer Ar-beit ist deshalb die Entwicklung eines Algorith-mus, der aus der gewünschten Gesichtsform und unter Berücksichtigung vom Arzt gewähl-ter Einschränkungen eine optimale Implantat-form berechnet.
Der erste Schritt ist die Quantifizierung der Unterschiede zwischen verschiedenen Ge-sichtsformen. Da die Formwahrnehmung des Menschen ganz wesentlich durch die Beleuch-tungssituation bestimmt wird, wurde ein Ab-standsmaß entworfen, welches auf der Basis von Beleuchtungsmodellen gemittelte Hellig-keitsunterschiede bewertet.1 Dadurch wird der Formunterschied im Wesentlichen durch den Verschiebungsgradienten auf der Oberfläche bestimmt, was allerdings zu stärkerer Nicht-konvexität des Problems führt.
Die direkte Formulierung des Formoptimie-rungsproblems führt wegen des Kontakts zwischen Weichgewebe und Implantat auf ein MPEC (mathematical program with equilibrium constraints) mit globaler Nichtdurchdringungs-bedingung, das mathematisch sehr schwierig zu behandeln ist.
Aus diesem Grund wurde eine formal äquiva-lente Formulierung entwickelt, in der die vom Implantat auf das umliegende Weichgewebe ausgeübte Normalkraft als Optimierungsvaria-ble verwendet wird. Dies führt auf ein einfache-res, steuerungsbeschränktes Optimierungs-problem, wobei die Implantatform retrospektiv durch die Weichgewebeverschiebung gegeben ist (Abb. 2).
��Abb. 1:
Jochbeinimplantat
(grün) mit Weichgewebe
und darunterliegendem
Knochen.
(Koop. MU Wien)
��Abb. 2:
Die Form des Implantats
wird retrospektiv aus der
Weichgewebeverschie-
bung bestimmt.
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin NumeriscHe ANAlysis uNd modellieruNG | 33
Diese Formulierung berücksichtigt sowohl, dass das Weichgewebe über das Implantat glei-ten kann, so dass keine Tangentialkräfte wir-ken, als auch, dass keine Hohlräume zwischen Implantat und Weichgewebe auftreten sollen.
Realistische hyperelastische Materialmodelle für Weichgewebe führen auf nichtlineare, nicht-konvexe Gleichungsnebenbedingungen. Auf-grund fehlender Regularität ist sehr wenig über die Struktur von Lösungen bekannt. Dennoch konnte für ein leicht vereinfachtes Problem die Existenz einer global optimalen Lösung gezeigt werden.2
Zur numerischen Lösung des Optimalsteue-rungsproblems innerhalb der Finite-Elemente-Bibliothek kaskade 73 wird ein effizientes und robustes Composite-Step-Verfahren entwi-ckelt, das affin-konjugierte Newtonverfahren auf beschränkte Optimierungsprobleme ver-allgemeinert. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Konstruktion berechenbarer Schätzer, die die auftretenden Nichtlinearitäten im Ziel-funktional und in der Gleichungsnebenbe-dingung unter Erhalt der Invarianzstruktur
2 L. Lubkoll, A. Schiela, M. Weiser: An optimal control problem in polyconvex hyperelasticity. ZIB-Report 12-08, 2012 3 S. Götschel, M. Weiser, A. Schiela:solving optimal control problems with the kaskade 7 finite element toolbox. In A. Dedner, B. Flemisch, R. Klöfkorn: Advances in DUNE. pp. 101-112,Springer, 2012 4 F. Lehmann: inexaktheit in Newton-lagrange-verfahren für optimierungsprobleme mit elliptischen pdGl-Nebenbedingungen. Diplomarbeit FU Berlin, 2013 5 M. Weiser: on goal-oriented adaptivity for elliptic optimal control problems. Opt. Meth. Softw., angenommen 6 M.J. Zinser, S. Zachow, H.F. Sailer: bimaxillary „rotation advancement“ procedures in patients with obstructive sleep apnea: a 3-dimensional airway analysis of morphological changes
Abb. 3:
Hermite-Interpolation
zur glatten Geometriedar-
stellung vermeidet künst-
liche Gitterverfeinerung.
das proJekt in kürze: Die Form von Knochenimplantaten bestimmt wesentlich das Er-scheinungsbild des Patienten. Wir bestimmen die optimale Implantatform aus der Vorgabe einer angestrebten Gesichtsform. Dies führt auf nichtkonvexe Optimierungsprobleme mit nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen als Nebenbedingung. Dafür werden quantitative Modelle sowieeffiziente und robuste Algorithmen entwickelt.
erfassen und so eine adaptive Steuerung von Schrittweite und Gitterverfeinerung erlauben. Die iterative Berechnung des Tangentialschritts mit projizierten CG-Verfahren erfordert in jeder Iteration die Lösung einer partiellen Differenti-algleichung. Um die Effizienz zu gewährleisten, wurde die Verwendung schneller approxima-tiver Löser und deren Auswirkung auf die Kon-vergenzgeschwindigkeit des Composite-Step-Verfahrens untersucht.4
Zur effizienten Bewertung und Reduktion von Diskretisierungsfehlern wurden zielorientierte Fehlerschätzer entwickelt, die eine möglichst genaue Abschätzung der tatsächlichen Auswir-kung auf die Gesichtsform erlauben.5 Anders als bei bisher publizierten zielorientierten Feh-lerschätzern werden Diskretisierungsfehler der Verschiebung ausschließlich durch ihre Auswir-kung auf die Implantatform bewertet, wodurch gröbere Gitter verwendet werden können.
Adaptive Gitterverfeinerung führt jedoch bei Geometrien, welche durch planare Dreiecke gegeben sind, zu einer starken Verfeinerung an einspringenden künstlichen Ecken (Abb. 3). Um diesen Effekt zu minimieren, wird mit-tels Hermiteinterpolation eine Approximation der glatten Geometrie bestimmt. Im Laufe der adaptiven Gitterverfeinerung wird dann diese Näherung durch die Verschiebung neuer Rand-knoten bestmöglichst approximiert. Neben dem Effizienzgewinn wird auf diese Weise auch die Lösungsgenauigkeit durch eine bessere Geometriedarstellung erhöht.
In Zusammenarbeit mit den klinischen Part-nern6 in Wien und Zürich werden die in ver-schiedenen Fällen – Jochbein-, Orbita- und Kie-ferimplantate – patientenspezifisch ermittelten Implantatformen analysiert und evaluiert.
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin NumeriscHe ANAlysis uNd modellieruNG | 34
Routinemäßig werden in Abwasserklär- und in Trinkwasseraufbereitungsanlagen eine Rei-he von Stoffkonzentrationen gemessen. Die dabei zu messenden Stoffe (z. B. Arzneistoffe) sind teilweise gesetzlich vorgegeben. Die Dif-ferenz aus der eingeleiteten Stoffkonzentration und der Konzentration im Ablauf zeigt das ent-sprechende Abbauverhalten an. So zumindest ist die Theorie. Tatsächlich jedoch ist ein Stoff nicht unbedingt „abgebaut“ (sprich: minera-lisiert) worden, wenn er im Ablauf nicht mehr gemessen werden kann. Die eingeleiteten Chemikalien können sich auch einfach in an-dere Stoffe umgewandelt haben – sogenannte Transformationsprodukte (TPs) sind entstan-den (siehe Abb. 1).
In der RiSKWa-Ausschreibung des BMBF (Risi-komanagement von neuen Schadstoffen und Krankheitserregern im Wasserkreislauf) geht es unter anderem darum, das Risikopotential die-
ser TPs abzuschätzen, dieses Risiko der Öffent-lichkeit zu kommunizieren und entsprechende Maßnahmen einzuleiten. Besonderes Augen-merk wird dabei auf ökotoxikologische Frage-stellungen gelegt, da vor allem das aquatische Ökosystem mit den TPs in Kontakt kommt. Das ZIB beteiligt sich an dem Projekt TransRisk, indem es das (human)toxikologische Poten-tial der TPs mit rechnergestützten Methoden vorhersagen will. Da die Stoffe in nur extrem geringen Konzentrationen vorkommen, sind keine akuten Effekte zu erwarten. Hingegen unterliegen einerseits Langzeiteffekte, die sich zum Beispiel durch Auswirkungen auf den Hor-monhaushalt des Menschen ergeben, unserer besonderen Aufmerksamkeit. Andererseits könnte es bei Arzneistoffen im Sonderfall dazu kommen, dass ein Stoff nach der Transformati-on wirksamer wird als seine „Muttersubstanz“ und daher auch in niedrigen Dosen Effekte auslöst. Beide Szenarien lassen sich dadurch
��Abb. 1:
Einige der nachgewie-
senen Transformationspro-
dukte des Antibiotikums
Sulfamethoxazol (Mitte).
spurenstoffe im trinkwasserbearbeitet von: Vedat Durmaz, Jan-Martin Josten, Olga Scharkoi, Marcus Weber
finanziert durch: TransRisk (BMBF-Ausschreibung RiSKWa), Bundesanstalt für Materialforschung (BAM)
kooperationen: H. Mückter, J. Meyer (LMU München), C. Piechotta, S. Schmidt, R. Becker (BAM)
weitere informationen unter: www.zib.de/de/numerik/cmd/projekte/projektdetails/article/transrisk.html
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1 V. Durmaz, Ch. Piechotta, S. Schmidt, P. Sabri, M. Weber: A hands-off linear interaction energy approach to binding mode and affinity estimation of estrogens. In prep 2 J.-M. Josten: Östrogenitätsapproximation mittels physikochemischem oberflächenvergleich. Masterarbeit Bioinformatik, FU Berlin 2012 3 O. Scharkoi, S. Esslinger, R. Becker, M. Weber, I. Nehls: predicting sites of cytochrome p450-mediated hydroxylation applied to cyp3A4. Submitted for publication 4 O. Schar-koi, S. Esslinger, R. Becker, M. Weber, I. Nehls: phase i oxidation of alpha- and gamma-hexabromocyclododecane by cytochrome p450 enzymes: simulation of the stereoisomerism of hydroxylated metabolites. Organohalogen Compounds, 73:730-733, 2011
erklären, dass der transformierte Stoff auf be-stimmte (humane) Rezeptoren einwirkt. Dazu müsste er zumindest eine hohe Affinität zu dem entsprechenden Rezeptor aufweisen. Die-se Affinitäten lassen sich durch molekulare Si-mulationen abschätzen.
In einer Kooperation mit der BAM, die die entsprechenden Laborexperimente durchge-führt hat, haben wir bereits erfolgreich (mit hoher Korrelation) mit Hilfe des Linearen In-teraktionsmodells die Bindungsaffinitäten (∆G) von TPs an den humanen Östrogenrezep-tor vorhersagen können1. Die Simulationsrech-nungen dazu sind aufwendig und wurden auf dem HLRN durchgeführt. Der Aufwand ist je-doch gerechtfertigt, da der Vergleich mit einfa-
das proJekt in kürze: Durch Industrie, Landwirtschaft und Hauhalte gelangen Chemi kalien in den Wasserkreislauf. Diese werden in technischen oder natürlichen Prozessen abgebaut und/oder in andere Stoffe transformiert, die dann in sehr geringen Dosen teilweise auch ins Trink-wasser gelangen. Die Transformationsprodukte stellen aufgrund ihrer geringen Konzentration noch keine Bedrohung dar, werden daher wenig untersucht, sollen jedoch jetzt in das Trinkwasser-Risiko-management mit aufgenommen werden. Wir entwickeln rechnergestützte Methoden zur Ermitt-lung des Gefahrenspotentials in silico.
cheren Dockingmethoden deutlich schlechtere Korrelationen lieferte2. Bei dem Östrogenitäts-projekt konnten wir das Lineare Interaktions-modell mit Labordaten trainieren. Im Falle des Antibiotikums SMZ konnten wir auch ohne Labordaten ein TP identifizieren, das potentiell wirksamer ist als das SMZ selbst. Die prinzi-pielle Wirksamkeit dieses TPs wurde in einem späteren Laborexperiment belegt (Abb. 2). Neben der Affinität von bereits bekannten TPs wollen wir auch die biotische Transformation von Stoffen vorhersagen und möglicherweise bisher nicht-identifizierte TPs ermitteln. Dazu hat es bereits Vorarbeiten mit der BAM ge-geben, in denen es um die Identifikation von Cytochrom-P450-basierten TPs ging. Auch hier wurden rechnergestützte Methoden genutzt3, 4.
Abb. 2:
Agardiffusionstest zur
Untersuchung der
Wachstumshemmung von
Staphylococcus aureus
durch Sulfamethoxazol
und ausgewählten Trans-
formationsprodukten.
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optische resonanzen in nanostrukturenbearbeitet von: Sven Burger, Maria Rozova, Lin Zschiedrich, Frank Schmidt
kooperationen: A. Knorr, S. Reitzenstein (TU Berlin), U. Bandelow (WIAS)
förderung: SFB 787 Halbleiter-Nanophotonik
weitere informationen unter: www.zib.de/de/jb/resonatoren
Eine der wichtigen Eigenschaften des Lichts ist es, in geeigneten Strukturen Resonanzen aus-zubilden. Solche Strukturen werden Kavitäten genannt, und es ist eine Aufgabe der Mathe-matischen Nanooptik, für eine Vielzahl von ver-schiedenen Anwendungszwecken geeignete Kavitäten zu dimensionieren und zu optimieren.Einige der Anwendungsgebiete für optische Re-sonatoren sind Halbleiterlaser1, LEDs2, Frequenz-filter für nachrichtentechnische Komponenten, Biosensoren und Lichtfallen in Solarzellen. Aus numerischer Sicht besteht die Herausforderung vor allem darin, die gewünschten Resonanzzu-stände aus der Menge von oft vielen tausend möglichen Zuständen zu identifizieren und mit der gewünschten und erforderlichen Genauig-keit zu berechnen. Der Gitterresonator in Abb.1 besitzt eine sehr große optische Güte. Das be-deutet, dass das Licht im Resonanzzustand viele tausend Male im Resonator schwingt und dabei kaum mit dem Außenraum interagiert, während bei einer Wellenlänge, die nur ein Tausendstel
neben der Resonanzwellenlänge liegt, über-haupt keine Resonanz mehr festzustellen ist.
Eine vollkommen andere Technik der Realisie-rung von Kavitäten zeigt Abb. 2. Hier wird der Resonator durch eine geeignete periodische Anordnung von Löchern erzeugt. Das perio-dische Locharray besitzt eine optische Band-struktur. Das bedeutet, dass es Wellenlängen-bereiche gibt, in denen das Array transparent ist, und Wellenlängenbereiche, in denen kein Licht propagiert wird. Die Herausforderung besteht hier darin, den eigentlichen Resona-tor und die Bandstruktur des Umgebungs-mediums so aufeinander abzustimmen, dass die Resonanz exakt im gewünschten Bereich auftritt. Bei der Berechnung der Effizienz von LEDs taucht das Problem der Resonanzberech-nung in einer weiteren Form auf. Abb. 3 zeigt in einem Falschfarbenplot das Fernfeld einer Di-polquelle, die in einem periodischen Medium platziert wurde. Die periodischen Strukturen
��Abb. 1:
Zirkularer Gitterresonator
1 M. Rozova, J. Pomplun, L. Zschiedrich, F. Schmidt, S. Burger. 3d finite element simulation of optical modes in vcsels. Physics and Simulation of Optoelectronic Devices XX, B. Witzigmann, M. Osinski, F. Henneberger, Y. Arakawa (Eds.), Vol. 8255, pp. 82550K, Proc. SPIE, 2012 2 L. Zschiedrich, H. Greiner, S. Burger, F. Schmidt; Numerical analysis of nanostructures for enhanced light extraction from oleds. Submitted: Light-Emitting Diodes: Materials, Devices, and Appli-cations for Solid State Lighting XVII. Vol 8641, Proc. SPIE, 2013
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin NumeriscHe ANAlysis uNd modellieruNG | 37
bilden lokale Resonatoren, die mit benach-barten Resonatoren wechselwirken. Dadurch kommt es zu dem gezeigten ungewöhnlichen und stark strukturierten Fernfeldbild.
Zur Berechnung dieser verschiedenen Reso-nanzen haben wir unseren adaptiven FEM-Code jcmsuite im Berichtszeitraum in wich-tigen Punkten weiterentwickelt und neue Algorithmen untersucht und implementiert. Dabei gab es zwei Schwerpunkte. Zum einen haben wir gemischte Finite-Elemente-Gitter implementiert, die Gitter aus einer Kombina-
3 B. Kettner: detection of spurious modes in resonance mode computations. Free University Berlin, Department of Mathematics and Computer Science, 2012, PhD
tion von Tetraedern, Würfeln, Prismen und Py-ramiden aufbauen können, wobei innerhalb eines Elements hierarchische Formulierungen in der Ordnung verwendet wurden. Damit sind wir in der Lage, den Multiskalen-Eigenschaften vieler Komponenten, z. B. dem Auftreten von sehr dünnen Schichten im Nanometerbereich, besonders Rechnung zu tragen. Zum andern haben wir einen Algorithmus zur Identifikationvon sogenannten „spurious modes“ entwi-ckelt, der robust physikalische Moden von Diskretisierungsartifakten unterscheiden kann. Dieser Algorithmus war das Thema einer Dis-sertation3, die im Berichtszeitraum beendet und erfolgreich verteidigt wurde. Die Kernidee der Identifikation besteht in einer gleichzeitigen Be-trachtung der Konvergenz über mehrere Gitter-hierarchien und einer Sensitivitätsanalyse des Abstrahlungsverhaltens der Resonatoren. Da-mit gelingt es, automatisierte Frequenzscans durchzuführen und die Charakterisierung der Resonatoren deutlich schneller durchzuführen.
Abb. 2:
Mikrolaser-Resonator mit
photonischer Kristall-
struktur1
Abb. 3:
Winkelspektrum des
Fernfelds einer Dipol-
quelle in einem perio-
dischen Medium
das proJekt in kürze: Wir entwickeln einen adaptiven Finite-Elemente-Code hoher Ordnung mit flexiblen gemischten Gittern, der in der Lage ist, effizient und zuverlässig Resonanzen nano-optischer Bauelemente wie vertikal abstrahlende Oberflächenlaser (VCSEL), Leuchtdioden (LEDs) und funktionale Komponenten von Solarzellen zu berechnen. Die Resonanzen werden direkt im Frequenzbereich, ohne Umweg über den Zeitbereich, bestimmt. Besonderer Wert wird auf eine automatische Selektion der gesuchten Resonanzen und die Identifikation von unerwünschten „Gei-sterlösungen“ gelegt. Kürzlich durchgeführte Benchmarks bestätigen die hohe Effizienz des Codes im Vergleich zu Konkurrenzprodukten.
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin NumeriscHe ANAlysis uNd modellieruNG | 38
1 S. Röblitz, C. Stötzel, P. Deuflhard, H.M. Jones, D.-O. Azulay, P. van der Graaf, S.W. Martin: A mathematical model of the human menstrual cycle for the administration of GnrH analogues, Journal of Theoretical Biology 321:8 – 27, 2013
Der Anteil der Paare mit unerfülltem Kinder-wunsch aufgrund von Unfruchtbarkeit wird in Europa auf 12 – 15 % geschätzt, und Experten vermuten, dass sich diese Zahlen innerhalb von zehn Jahren verdoppeln werden. Neben persönlichen Leidensgeschichten sind auch der Beitrag zum Rückgang der Geburtenraten und die damit verbundenen sozio-ökonomischen Auswirkungen nicht zu vernachlässigen. In 50% der Fälle spielen gesundheitliche Probleme der Frau eine Rolle, die häufig auf endokrinolo-gischen Krankheiten beruhen, z. B. Endometri-ose oder dem Polyzystischen Ovarischen Syn-drom (PCOS).
Ein gesunder Fortpflanzungszyklus beruht auf physiologischen Vorgängen wie Follikelreifung, Ovulation und Gelbkörperentwicklung. Diese werden durch ein exakt ausbalanciertes zeit-liches Zusammenspiel zahlreicher Hormone gesteuert, u. a. luteinisierendes Hormon (LH), Follikel-stimulierendes Hormon (FSH), Estradiol (E2), Progesteron (P4) und Gonadotropin-frei-setzendes Hormon (GnRH). Moderne reproduk-tionsmedizinische Verfahren wie die In-vitro-Fertilisation (IVF) oder die intrazytoplasmatische Spermieninjektion haben die Chance auf eine erfolgreiche Fortpflanzung deutlich erhöht. Trotzdem erreichen selbst die besten Praxen nur Erfolgsraten von etwa 35%. Dies liegt vor allem daran, dass die pathophysiologischen Zusam-menhänge sowie der Einfluss äußerer Faktoren auf die Dynamik der Prozesse noch nicht voll-ständig geklärt sind.
Ein Computermodell des weiblichen Hormon-zyklus kann dazu beitragen, ein vertieftes Ver-ständnis dieser Vorgänge zu gewinnen und neue Therapieformen zu entwickeln, sowohl für die Verbesserung der natürlichen Fruchtbarkeit, als auch zur Erhöhung der Erfolgsraten bei der
künstlichen Befruchtung. Obwohl die relevanten Komponenten und Rückkopplungsmechanis-men weitgehend bekannt sind und mit Hilfe von Experimenten qualitativ beschrieben wurden, stehen dynamische, d.h. zeitabhängige, ma-thematische Modelle erst am Anfang der Ent-wicklung. Solche Modelle gestatten medizinisch fundierte, quantitative Vorhersagen über die zeitlichen Änderungen des Systems.
In Zusammenarbeit mit der Pharmaindustrie (Pfizer) haben wir in unserer Gruppe das Modell GynCycle entwickelt1, siehe Abb. 1, das die Re-gulation verschiedener Hormone sowie die Rei-fung von Follikeln und Gelbkörpern beschreibt. Das Modell generiert quasi-periodische Lö-sungen mit einer mittleren Zykluslänge von 28 Tagen. Zur Parametrisierung des Modells wur-den Daten (Blutmesswerte von LH, FSH, E2, P4) von 12 gesunden Teilnehmerinnen einer Pfizer-Studie verwendet. Zusätzlich wurden Daten ver-wendet, welche die Veränderungen in den Hor-monkonzentrationen nach der Gabe bestimmter Medikamente, sogenannter GnRH-Analoga, be-schreiben.
Es gibt zwei Arten Analoga: Agonisten und Antagonisten. Agonisten agieren genau wie
modellgestützte medikation in derreproduktionsmedizinbearbeitet von: Claudia Stötzel, Susanna Röblitz, Peter Deuflhard
kooperation: H.M. Jones, D.-O. Azulay, P.H. van der Graaf, S.W. Martin (Pfizer UK)
förderung: Pfizer, EU FP7 Project PAEON
weitere informationen unter: www.zib.de/de/jb/reproduktionsmedizin
Das Modell GynCycle
Lut1 Lut2Sc2OvFPrF
GnRH antagonistCENTRAL COMPARTMENT
GnRH antagonistDOSING COMPARTMENT
PERIPHERAL COMPARTMENT
GnRH antagonist
GnRH agonistDOSING COMPARTMENT
GnRH Ant−RecComplex
inactive GnRH−Reccomplex
complexactive GnRH−Rec
active Ago−Reccomplex
GnRH agonistCENTRAL COMPARTMENT
1cS4FA3FA2FA1FA Lut3 Lut4
inactiveGnRH Receptors
GnRH Receptorsactive
inactive Ago−Reccomplex
GnRH (G)
Progesterone (P4)
Estradiol (E2)
Inhibin B (IhB)
Inhibin A (IhA)
effective IhA (IhA )e
free LH receptorsLH(R )
LH receptor complex(LH−R)
desensitized rec.LH,des
pitpituitary LH
(LH )blood
serum LH
pit(FSH )pituitary FSH
blood(FSH )serum FSH free FSH receptors
(R )FSH
FSH receptor complex(FSH−R)
(R )
FSH,des(R )desensitized rec.
(LH )
(freq)
( s )foll. LH sensitivity
(mass)GnRH mass
GnRH frequency
��Abb. 1:
Ablaufschema des
Modells vom weiblichen
Hormonzyklus
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin NumeriscHe ANAlysis uNd modellieruNG | 39
2 Verbundprojekt Nr. 600773, model driven computation of treatments for infertility related endocrinological diseases
natürliches GnRH. Eine pulsatile Gabe stimu-liert die Ausschüttung von LH und FSH, woge-gen eine langfristige kontinuierliche Gabe, nach anfänglich stimulierendem Einfluss, hemmend wirkt. Agonisten werden bei der IVF eingesetzt, sowie zur Behandlung von Krebs und Endome-triose. GnRH-Antagonisten, welche ebenfalls bei der IVF genutzt werden, blockieren dagegen die Wirkung des natürlichen GnRH, wodurch die Freisetzung von LH und FSH sowie die Produkti-on von E2 in den Eierstöcken sofort unter drückt werden. Generell werden GnRH-Analoga einge-setzt, um den genauen Zeitpunkt der Ovulation zu steuern.
Entscheidend bei der Wirkung der Analoga ist das richtige Timing bei der Verabreichung der Medikamente. Diese Situation wird mit dem GynCycle Modell anschaulich dargestellt, sie-he Abb. 2. Je nach Zeitpunkt, Dosis und Dauer der Gabe liefert die Simulation unterschiedliche Ergebnisse bezüglich Unterdrückung bzw. Ver-schiebung der Ovulation, sowie zur Normali-sierung des Zyklus nach Ende der Behandlung. Diese Ergebnisse stimmen mit Beobachtungenaus entsprechenden Studien überein. In der Pra-xis ist es jedoch schwierig, solche Vorhersagen zu treffen, da sich Empfehlungen für die Verab-reichung der Medikamente in der Regel an Mit-telwerten orientieren. Mit individuellen mathe-
das proJekt in kürze: Mathematische Modelle zur Beschreibung zeitabhängiger physio-logischer Prozesse tragen zum Verständnis von Krankheiten bei und helfen bei der Entwicklung neuer Therapien. In der AG Mathematische Systembiologie wurde ein Modell des weiblichen Hormonzyklus entwickelt, mit dem die Gabe bestimmter Medikamente sowie deren Auswirkungen auf den Zyklus simuliert werden können. Im Rahmen des von der EU geförderten Projektes PAEON soll dieses Modell mit patienten-spezifischen Daten validiert und personalisiert werden und in der klinischen Praxis zum Einsatz kommen, um individuelle Behandlungsstrategien zu entwickeln.
Timing bei der
Medikamentengabe
matischen Modellen für einzelne Patienten ließe sich die Prognose deutlich verbessern.
Um solche individualisierten Modelle zu erstel-len, ist es notwending, Patientendaten über ei-nen längeren Zeitraum (2 – 3 Zyklen) hinweg zu erheben. Das funktioniert am besten in der kli-nischen Praxis, wo sich Patienten über mehrereWochen hinweg in ärztlicher Behandlung befin-den. Gemeinsam mit Medizinern, Biologen und Informatikern aus verschiedenen europäischen Ländern wollen wir im Rahmen des von der EU geförderten Projektes PAEON2 aus solchen Da-ten patientenspezifische Behandlungsstrategien für fertilitätsrelevante Krankheiten ableiten. Da-für stellt unsere Arbeitsgruppe geeignete Algo-rithmen zur Verfügung. Außerdem entwickeln wir neue Methoden zur Analyse von Unsicher-heiten in Modell und Daten, aus denen sich Aus-sagen über die intra- und interindividuelle Varia-bilität des Systems gewinnen lassen.
Die Methoden, die in dem Projekt entwickelt werden, sind nicht nur auf die Reproduktions-medizin anwendbar. Auch andere medizinische Bereiche oder Organismen, bei denen zeit-abhängige physiologische Prozesse mit Hilfe mathematischer Modelle abgebildet werden können, profitieren zukünftig von unseren Er-kenntnissen.
Abb. 2:
Ein regelmäßiger Zyklus
(rot-gestrichelte Kurve: LH)
durchläuft nach der Gabe
eines GnRH-Agonisten
eine temporäre Phasen-
verschiebung (blaue
Kurve). Je nach Dosiszeit-
punkt wird die Ovulation
verzögert (a), vorgezogen
(b), oder bleibt nahezu
unverändert (c).
−20 0 20 40 60 80 1000
50
100
150
200
day
(a)
−20 0 20 40 60 80 1000
50
100
150
200
day
(b)
−20 0 20 40 60 80 1000
50
100
150
200
day
(c)
(a) (b) (c)
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin NumeriscHe ANAlysis uNd modellieruNG | 40
projekte der AbteiluNG NumeriscHe ANAlysis uNd modellieruNGAlle projekte im Netz ausführlich unter: www.zib.de/Numerik/projects
multivAleNZ Als wirkpriNZip
bearbeitet von: A. Bujotzek, O. Scharkoi,
M. Weber
kooperation: FU/HU Chemie, Charité
förderung: SFB-765, DFG
inhalt: Die Kinetik eines Bindungsprozesses
wird durch die multivalente Präsentation
von Wirkstoffen verändert. Neue mathema-
tische Modelle wurden hierzu hergeleitet.
Insbesondere untersuchten wir den „rebin-
ding effect“.
trANsformAtioNsprodukte im
triNkwAsser
bearbeitet von: V. Durmaz, M. Weber
kooperation: T. Ternes (BfG), H. Mückter
(LMU)
förderung: Verbundprojekt TransRisk, BMBF
inhalt: Chemikalien werden im Wasserkreis-
lauf biotisch und abiotisch transformiert.
Wir identifizieren und priorisieren das Risi-
kopotential der Transformationsprodukte.
selektives scHmerZmittel
bearbeitet von: O. Scharkoi, M. Weber,
P. Deuflhard
kooperation: Ch. Stein (Charité), Ch. Zöll-
ner (Uniklinik Hamburg)
förderung: VIPProgramm (über Charité),
BMBF
inhalt: Wir konnten durch Laborversuche
bekräftigen, dass unser computer-designtes
Schmerzmittel keine zentralen Nebenwir-
kungen auslöst. Aufgrund dieses Erfolges
haben wir die MathPharm GmbH gegrün-
det, die den Wirkstoff vermarkten soll.
effektive molekÜlsimulAtioN
bearbeitet von: K. Fackeldey, K. Andrae,
M. Weber
kooperation: FU Chemie, BfR, Uni Zürich,
Coll. Mount St. Vincent (New York)
förderung: Matheon, Projekt A19
inhalt: In Zukunft sollen detaillierte
quan tenchemische Informationen in die
Molekülsimulationen einfließen können.
Wir haben zudem das Potential von rando-
misierten Matrix-Algorithmen und von der
Zeitextrapolation durch Markov-Operatoren
erforscht.
ANAlytiscHe cHemie
bearbeitet von: Computational Molecular
Design
kooperation: Bundesanstalt für Materialfor-
schung (BAM)
förderung: BAM
inhalt: Wir haben erfolgreich zum Verständ-
nis der Resultate chemisch-analytischer
Experimente beigetragen. In der Graduier-
tenschule SALSA forschen wir an neuen
analytischen Verfahren mit.
leHreNd lerNeN – lerNeNd
leHreN
bearbeitet von: K. Fackeldey, M. Weber,
M. Weiser
kooperation: S. Tappert (HU Berlin/
St. Franziskusschule),
inhalt: Es werden angehende Lehramtsstu-
denten mit Schülern in Kontakt gebracht
und Schülern ein Einblick in den univer-
sitären Betrieb gegeben. In der Vorlesung
werden den angehenden Lehrern praxis-
nahe Beispiele aus der Mathematik vorge-
stellt, die genutzt werden können, um den
Unterricht für die Schüler ansprechender zu
gestalten.
skelettAle biomecHANik
bearbeitet von: R. Ehrig
kooperation: W.R. Taylor (ETH Zürich),
M. Heller (U Southampton), G. Duda (JWI
HU Berlin)
inhalt: Die Verfahren zur Ermittlung skelet-
taler Parameter aus fluoroskopischen oder
markerbasierten Messungen wurden zur
Analyse der Anterior-posterior-Translation
und der inneren Rotation im Kniegelenk
bei passiver und aktiver Bewegung
angewendet. Dadurch ließen sich durch
Verletzungen oder Degeneration verursach-
te veränderte Charakteristiken der Knie-
Kinematik im Detail analysieren.
reAktioNskiNetik iN bioseNsoreN
bearbeitet von: T. Dierkes, S. Röblitz,
J. Plöntzke
kooperation: Fraunhofer IBMT Potsdam-
Golm
förderung: Förster-Technik GmbH Engen
inhalt: Es wurde ein chemisches Reaktions-
modell entwickelt, welches die Vorgänge in
einem kompetitiven Immunoassay zur Pro-
gesteronbestimmung in Milch beschreibt.
Dabei müssen Effekte wie Wiederbindung
oder unspezifische Reaktionen berücksich-
tigt werden.
HormoNZyklus uNd stoffwecHsel
der milcHkuH
bearbeitet von: C. Stötzel, J. Plöntzke,
S. Röblitz
kooperationen: M. Boer, H. Woelders (U
Wageningen), W. Heuwieser, K. Müller (FU)
inhalt: In Kooperation mit Tierwissenschaft-
lern werden anhand des am ZIB entwi-
ckelten Modells BovCycle Mechanismen
untersucht, die die Fertilität von Milchkühen
beeinflussen. Darüber hinaus entwickeln
wir ein Modell zur Regulation des Kalium-
haushalts bei Kühen.
effiZieNte AlGoritHmeN iN der
systembioloGie
bearbeitet von: T. Dierkes, S. Röblitz,
P. Deuflhard
inhalt: Ziel dieses Projektes ist die Entwick-
lung der ZIB-eigenen Software biopArkiN
(Biology-related PARameter identification in
large KINetic networks) zur Modellierung,
Parameteridentifizierung und Simulation
biologischer Systeme. biopArkiN verbin-
det effiziente numerische Algorithmen
(limex, NlscoN) mit einer graphischen
Benutzeroberfläche zur Verwaltung von
Daten und Modellen.
diskrete/koNtiNuierlicHe modellie-
ruNG iN der systembioloGie
bearbeitet von: C. Stötzel, S. Röblitz
kooperation: A. Bockmayr, H. Siebert (FU)
förderung: Matheon Projekt A18
inhalt: Um den Parameter- und Zustands-
raum von Differentialgleichungsmodellen
zu untersuchen, kann es hilfreich sein,
ein entsprechendes diskretes Korres-
pondenzmodell zu analysieren. Wir unter-
suchen, wie solche Modelle unter Erhaltung
bestimmter Strukturen, z. B. Periodizität,
geeignet konstruiert werden können.
defektrekoNstruktioN iN der
tHermoGrApHie
bearbeitet von: S. Götschel, B. Erdmann,
M. Weiser
kooperation: C. Maierhofer (BAM)
förderung: BAM
inhalt: Thermographie wird zur Erkennung
von Fehlstellen verwendet. Wir entwickeln
physikalisch motivierte Heuristiken zur
Datenvorverarbeitung und zur schnellen
Bestimmung der Tiefe und Form von
Fehlstellen.
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin NumeriscHe ANAlysis uNd modellieruNG | 41
AtlAsbAsierte seGmeNtieruNG
bearbeitet von: A. Günther, M. Weiser,
H. Lamecker, H.C. Hege
kooperation: X. Pennec (INRIA)
förderung: Matheon, Projekt F2
inhalt: Für statistische Formatlanten ist die
Herstellung einer Korrespondenz verschie-
dener Formen erforderlich. Dafür werden
numerische Optimierungsverfahren auf
Basis der LDDMM-Methoden entwickelt.
Eine unterschiedliche Diskretisierung des
Geschwindigkeitsfeldes und der Formdar-
stellung erlaubt dabei eine sehr flexible
adaptive Verfeinerung.
cHirurGieplANuNG
bearbeitet von: C. Klapproth, L. Lubkoll,
S. Götschel, M. Weiser, P. Deuflhard,
S. Zachow
kooperation: R. Kornhuber (FU Berlin),
A. Schiela (TU Berlin)
förderung: Matheon, Projekt A17
inhalt: Die computergestützte Planung or-
thopädischer Operationen erfordert die Si-
mulation der Biomechanik. Für dynamische
Kontaktprobleme im Kniegelenk wurde eine
adaptive Steuerung des kontaktstabilisier-
ten Newmark-Verfahrens entwickelt. Zudem
wurden Verfahren zur Formoptimierung
von Knochenimplantaten analysiert und
umgesetzt.
trAjektorieNkompressioN
bearbeitet von: S. Götschel, M. Weiser
kooperation: K. Polthier (FU Berlin),
K. Kunisch (U Graz)
förderung: Matheon, Projekt F9
inhalt: Die adjungierte Berechnung von
Gradienten für zeitabhängige Optimie-
rungsprobleme erfordert die Speicherung
großer Zustandstrajektorien. Wir entwickeln
verlustbehaftete Kompressionsverfahren
auf Basis hierarchischer Interpolation in
adaptiven FE-Gittern. Adaptive Quantisie-
rungen wurden für nichtlineare Probleme
der Defibrillation entwickelt.
ZerebrAle ZirkulAtioN
bearbeitet von: M. Weiser, S. Zachow
kooperation: D. Frey (Charité)
förderung: Charité
inhalt: Wir entwickeln quantitative Me-
thoden zur Vorhersage der Durchblutung
verschiedener Hirnregionen zur Entschei-
dungsunterstützung bei der Planung neuro-
chirurgischer Bypass-Operationen.
elektriscHe HerZerreGuNG
bearbeitet von: M. Weiser, B. Erdmann,
P. Deuflhard
kooperation: L. Pavarino (U Milano),
M. Minion (Stanford)
inhalt: Die Simulation der Herzerregung ist
aufgrund stark unterschiedlicher Zeit- und
Ortsskalen schwierig. Wir entwickeln
strukturausnutzende Verfahren zur Redukti-
on des Rechenaufwands bei gleichzeitiger
Kontrolle des Diskretisierungsfehlers.
demo14
bearbeitet von: M.Hammerschmidt,
D. Lockau, F. Schmidt
kooperation: Masdar PV GmbH, PVcomB,
Forschungszentrum Jülich
inhalt: Ziel ist die Entwicklung und De-
monstration einer Silizium-Dünnschichtso-
larzelle mit 14% Zellwirkungsgrad. Unsere
Aufgaben darin sind Simulation und Ent-
wicklung von Oberflächentexturierungen
und plasmonischen Strukturen, sowie Op-
timierung bestehender Designs. Es wurden
erste Strukturoptimierungen durchgeführt.
multi-dimeNsioNAle
modellieruNG uNd
simulAtioN voN vcselN
bearbeitet von: M. Rozova, F. Schmidt
kooperation: Th. Koprucki, A. Mielke,
U. Bandelow (WIAS)
förderung: SFB 787, Projekt B4
inhalt: Es wurde ein mikroskopisches Mehr-
Teilchen-Modell für 3D-VCSEL-Strukturen
entwickelt und seine opto-elektronischen
Eigenschaften analysiert. Die Generierung
von gemischten Gittern für anisotrope
VCSEL und die adaptive Steuerung der FE-
Ordnung stellen einen wichtigen Aspekt für
die zukünftige Forschung dar.
optimieruNG voN NANostruktu-
rierteN dÜNNscHicHt-solArZelleN
bearbeitet von: M. Blome, F. Schmidt
kooperation: K. McPeak (OMEL ETH Zü-
rich), J. Gansel (CFN Karlsruhe), M. Teillaud
(INRIA Sophia Antipolis, France)
förderung: Matheon, Projekt D23
inhalt: Im Rahmen eines interdisziplinären
Projektes mit der ETH Zürich wurde die
Effektivität nanostrukturierter Dünnschicht-
Solarzellen systematisch optimiert. Zur
geometrisch exakten Modellierung der
untersuchten Solarzellen wurden Compu-
ter-Aided Design Software-Tools entwickelt,
die es erlauben, parametrisierte Geome-
triemodelle zu erstellen und automatisch zu
diskretisieren.
elimiNAtioN uNpHysikAliscHer
lÖsuNGeN im resoNANZspektrum
bearbeitet von: B. Kettner, F. Schmidt
kooperation: A. Schädle (U Düsseldorf)
förderung: Matheon, Projekt D23
inhalt: Bei der numerischen Untersuchung
von Nano-Resonatoren entstehen unphysi-
kalische Lösungen. Wir haben einen Algo-
rithmus entwickelt, der aufgrund der ver-
wendeten mathematischen Modelle in der
Lage ist, die unphysikalischen Lösungen im
Resonanzspektrum zu erkennen.
rANdbediNGuNGeN fÜr periodiscHe
AusseNräume
bearbeitet von: T. Pollok, F. Schmidt
kooperation: K. Schmidt (TU Berlin)
förderung: Projekt D23, Matheoninhalt: Wir haben für Streuprobleme mit
periodischen Außenräumen eine neue
Methode für die Berechnung geeigneter
Randbedingungen entwickelt. Diese ist im
Vergleich zu anderen Methoden dimensi-
onsunabhängig und sehr viel allgemeiner.
Neue koNZepte fÜr AbsorptioNsmA-
NAGemeNt iN siliZiumdÜNNscHicHt-
solArZelleN
bearbeitet von: D. Lockau, M. Hammersch-
midt, F. Schmidt
kooperation: Helmholtz-Zentrum Berlin
inhalt: Im Kooperationsprojekt zur Simu-
lation von polykristallinen Silizium-Dünn-
schichtsolarzellen mit dem HZB wurde eine
Optimierung von geeigneten periodischen
Lichtfallenstrukturen durchgeführt. Dabei
wurde gezeigt, dass die hergestellte Struk-
tur eine größere Absorptionsverstärkung
realisiert, als durch das Limit von Yablono-
vitch gegeben.
metAlliscHe NANostruktureN Zur
plAsmoNiscHeN AbssorptioNsver-
stärkuNG iN ultrAdÜNNeN ciGs-
solArZelleN
bearbeitet von: P. Manley, F. Schmidt
kooperation: Helmholtz-Zentrum Berlin
inhalt: Ultradünne Solarzellen benötigen
besondere optische Systeme für bestmög-
liche Absorptionsverstärkung. In diesem
Projekt wird die Absorptionsverstärkung
in ultradünnen CIGS-Solarzellen durch
optimale Platzierung von plasmonischen
Silberpartikeln untersucht.
Visualisierung und datenanalyseUnsichtbares sichtbar machen
visuAlisieruNG uNd dAteNANAlyse | 44konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
Visualisierung und datenanalyseleitung: Hans-Christian Hege
weitere informationen unter: www.zib.de/de/visual.html
missioNWir schaffen Werkzeuge zur visuell gestützten Datenanalyse. Die interaktive Analyse ergänzt die automatische, wenn unbekannte Fakten, Beziehungen oder Strukturen gesucht werden, Daten zu komplex für eine vollautomatische Analyse sind, wesentliche Datenmerkmale nur qualitativ definiert sind, oder wenn erst eine Übersicht über die Daten gewonnen werden muss, ehe konkrete Fragen formuliert und Hy-pothesen gebildet werden können. Weiterhin entwickeln wir voll- und halbautomatische Ver-fahren zur Verarbeitung und Analyse von raum-zeitlichen Daten (Feldern, Bildern, Geometrien und Graphen).
Zum Einsatz kommen Methoden der Bild- und Geometrieverarbeitung, der Datenanalyse so-wie der Computergrafik, Datenvisualisierung und Mensch-Computer-Interaktion. Ziel unserer methodischen Forschungen und der Software-Entwicklungen sind praxistaugliche Lösungen. Die Forschungsprojekte sind daher in konkrete Anwendungskontexte gebettet. Anwendungs-gebiete sind die Natur-, Ingenieur- und Umwelt-wissenschaften sowie die Medizin.
strukturDie Abteilung besteht aus vier Arbeitsgruppen:
• visualisierungsalgorithmen(Ltg. Hans-Christian Hege)
• visualisierungssysteme(Ltg. Dr. Steffen Prohaska)
• vergleichende visualisierung– bis Aug. 2012 – (Ltg. Dr. Ingrid Hotz)
• medizinische planung(Ltg. Dr. Stefan Zachow).
spiN-offs Aus der Abteilung sind bisher fünf Spin-Offs her vorgegangen; die jüngste („1000shapes GmbH“) wurde im Jahr 2010 gegründet.
preise uNd AusZeicHNuNGeNJens Kasten, Ingrid Hotz und Hans-Christian Hege erhielten den Best Short Paper Award der Eurographics Conference on Visualization (EuroVis 2012) für die Arbeit „Vortex Merge Gra- phs in Two-dimensional Unsteady Flow Fields“. Moritz Ehlke, Heiko Ramm, Hans Lamecker und Stefan Zachow erhielten den Best Poster Award des Eurographics Workshop on Visual Computing for Biology and Medicine (VCBM 2012) für den Beitrag „Efficient projection and deformation of volumetric intensity models for accurate simulation of X-ray images“. Norbert Lindow, Daniel Baum, Ana-Nicoleta Bondar und Hans-Christian Hege erhielten einen Honorable Mention Award für die Arbeit „Dynamic Chan- nels in Biomolecular Systems: Path Analysis and Visualization“ auf dem IEEE Symposium on Biological Data Visualization (BioVis 2012). Stefan Zachow und Hans Lamecker erhielten den Matheon-Ausgründungspreis für den er-folgreichen Transfer von Forschungsergebnis-sen aus dem Matheon in die Wirtschaft durch Gründung des Spin-Offs 1000Shapes GmbH.
visuAlisieruNGsAlGoritHmeN1
Für die Visualisierung von Strukturen in un-scharfen Daten, die durch nicht-parametrische Zufallsverteilungen charakterisiert sind, wurden Verfahren zur Quantifizierung von Unsicher-heiten entwickelt. Die Analyse von instationären Strömungen wurde durch Techniken zur Extrak-tion von Wirbelstrukturen2 und ein allgemeines Schema für charakteristische Kurven in Strö-mungen verbessert3. In der Molekülvisualisie-rung wurden neue Verfahren zur interaktiven
1 www.zib.de/de/visual/algorithmen.html 2 Koop.: B.R. Noack, Institute P’, Poitiers, Frankreich, www.pprime.fr 3 Koop.: H. Theisel, Universität Magdeburg, AG Visual Computing isgwww.cs.uni-magdeburg.de/visual und T. Weinkauf, Max-Planck-Institut Informatik, AG Feature-Based Data Analysis, http://feature.mpi-inf.mpg.de 4 Koop.: A.-N. Bondar, Freie Universität Berlin, Physik, AG Theoretische Molekulare Biophysik, www.physik.fu-berlin.de/einrichtungen/ag/ag-bondar 5 Koop.: M. Oberländer, Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik, Tübingen, www.kyb.tuebingen.mpg.de/de/forschung/fg/oberlaendergroup.html und B. Sakmann, Max Planck Florida Institute, www.maxplanckflorida.org 6 Virtual gastrointestinal tract, www.vigorpp.eu 7 Koop.: L. Goubergrits, U. Kertzscher, K. Affeld; Charité Berlin, Labor für Biofluidmechanik, www.charite.de/biofluidmechanik/ 8 www.zib.de/de/visual/visualisierungssysteme.html
visuAlisieruNG uNd dAteNANAlyse | 45konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
Exploration der Hohlraumdynamik in biomole-kularen Systemen entwickelt4. Im Projekt „Cor-tex in Silico“ wurden die vorhandenen Verfah-ren zur Rekonstruktion von großen neuronalen Netzwerken erweitert und durch Werkzeuge zur Analyse von synaptischen Verbindungen ergänzt5. Im Rahmen des EU-Projekts Vigor++6 wurden Verfahren zur Unterstützung der Stadi-enbestimmung bei Morbus Crohn sowie eine allgemeine Technik zum interaktiven Auswählen von Strukturen in 3D-Volumendarstellungen entwickelt. Die Arbeiten zu zerebralen Aneurys-men ergaben ein differenzierteres Bild zum Risi-ko, dass diese aufreißen.7
visuAlisieruNGssysteme8
Visualisierungsverfahren werden in die Soft-waresysteme Amira und Avizo integriert.9 Ko-operationspartner des ZIB erhalten diese kosten-frei.10 Die Verfahren zur Analyse des Porenraums in CT-Aufnahmen von Bodenproben und in Asphalt und zur Analyse von Rissen in CT-Auf-nahmen11 wurden weiterentwickelt, ebenso wie automatische und semi-automatische Verfahren zur Rekonstruktion von kompletten Mikrotubuli-Spindeln aus mehreren Elektronentomogram-men12 und Verfahren zur Integration von Daten aus 2D- und 3D-Bildgebungsverfahren zur Un-tersuchung des Heilungsprozesses in Knochen-gewebe.13 Im Rahmen des Berliner Skulpturen-netzwerks wurde die im Vorjahr entwickelte iPad-Anwendung für die Vermittlung von Zusatz-informationen in der aktuellen Pergamon-Son-derausstellung eingesetzt und nach erfolgreicher Evaluierung im App-Store veröffentlicht.
verGleicHeNde visuAlisieruNG14
Ziel der Arbeitsgruppe ist die Visualisierung von tensor- und vektorwertigen Daten. Zur Visua-lisierung zeitabhängiger Strömungen wurden Methoden zur Verfolgung von Wirbelstrukturen,
deren Entstehung sowie Verschmelzung entwi-ckelt15. Neben dieser strukturellen Strömungs-analyse wurde eine automatische illustrative Visualisierung entwickelt, die Handskizzen von Anwendern simuliert. Hierfür wurden robuste und effiziente Algorithmen entwickelt, die auch eine Hierarchisierung der Wirbelstrukturen in Wirbelbäume erlauben und eine interaktive sta-tistische Analyse ermöglichen. Zur Analyse von Belastungstensoren im Kontext von Bauteilent-wurf und -gestaltung, wurde das Konzept von Merkmalsräumen weiter entwickelt und durch neue Visualisierungsmethoden ergänzt16, u. a. in-teraktive Texturerzeugungsmethoden, basierend auf einer anisotropen Verallgemeinerung von Delaunay- und Voronoistrukturen.
mediZiNiscHe plANuNG17
Ein Schwerpunkt der Arbeitsgruppe liegt auf der Entwicklung von Verfahren zur geometrischen Rekonstruktion komplexer 3D-Strukturen aus digitalen Messdaten (Tomografien, Röntgen-bildern, Fotografien), u. a. auf Basis von Form-wissen, und deren Einsatz in vielfältigen An-wendungsgebieten (Medizin, Materialprüfung, Geowissenschaften). Zu diesem Zweck wurde an robusten Formanpassungs-, Segmentierungs- und Rekonstruktionsverfahren gearbeitet; wei-terhin wurden statistische Formmodelle um In-tensitätsinformation und Gelenkfreiheitsgrade erweitert.18 Neu entwickelte Verfahren zur auto-matischen Generierung von FE-Vernetzungen für komplexe geometrische Konstellationen wurden in die Software ZIB-Amira integriert. Ferner wur-den Methoden zum Design von Implantaten und deren Anpassung an anatomische Strukturen entwickelt und für Anwendungen in der orthopä-dischen Chirurgie und der Gesichtschirurgie ein-gesetzt. In einer klinischen Kooperation wurde der Einfluss von Kiefersegmentverlagerungen auf die Atemwege untersucht19.
9 Koop.: Visualization Sciences Group, www.vsg3d.com 10 www.amira.zib.de 11 Koop.: BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, www.bam.de 12 Koop. T. Hyman, Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik, www.mpi-cbg.de 13 Koop.: P. Fratzl, Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenz-flächenforschung, www.mpikg.mpg.de 14 www.zib.de/index.php?id=85 15 Koop.: B.R. Noack, Institute P’, Poitiers, Frankreich, www.pprime.fr 16 Koop.: M.Stommel, Institut für Polymerwerkstoffe, Universität des Saarlandes, www.lpw.uni-saarland.de 17 www.zib.de/de/visual/medizinische-planung.html 18 Förderung u. a.: EU FP7 – MXL, www.m-x-l.eu, Matheon F2, University of Calgary (CA), Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) 19 Koop.: Universitätsklinik Köln, Klinik Prof. Sailer AG in Zürich, CH
visuAlisieruNG uNd dAteNANAlyse | 46konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
den können. Die rekonstruierten 3D-Netzwerke ermöglichen ein besseres Verständnis der Ana-tomie des somatosensorischen Cortex und bil-den den Ausgangspunkt für die Simulation der neuronalen Informationsverarbeitung.
ANAtomierekoNstruktioNDie anatomische Grundlage für das 3D-Netz-werkmodell bilden aus Bilddaten rekonstru-ierte Neurone, sowie Daten über deren Anzahl und räumliche Verteilung. Zur Gewinnung der Morphologien der Neurone wurde ein halb-automatischer Prozess entwickelt, mit dem im Hochdurchsatz sowohl dendritische als auch axonale Neuronmorphologien rekonstruiert werden können2. Damit konnte relativ schnell eine repräsentative Auswahl von Neuronen rekonstruiert werden, die es erlaubte, biolo-gische Aussagen, z. B. bezüglich Zellklassifi-kation (Abb. 3), stimulusabhängigen Verarbei-tungspfaden oder Plastizitäten quantitativ zu belegen. Auch wurde eine Methode entwickelt, um in 3D-Bilddaten neuronale Zellkörper au-tomatisch zu detektieren3. Mit dieser Methode konnte die Anzahl und Verteilung der verschie-denen Neuronentypen in einzelnen Säulen4
und im gesamten somatosensorischen Cortex (noch unveröffentlicht) bestimmt werden.
3d-modellieruNG NeuroNAler NetZeDie neuronalen Netze werden modelliert, in-dem Einzelzellen entsprechend den für die ver-schiedenen Neuronentypen ermittelten Dichte-verteilungen in ein Referenzmodell (definiert durch die Säulengeometrie) integriert werden5. Dazu werden die Neuronmorphologien repli-ziert und im Raum verteilt, so dass die Zellkör-per der vorgegebenen Dichte- und Typvertei-lung entsprechen. Die Anzahl der synaptischen Verbindungen zwischen den Neuronen wird durch Betrachtung des strukturellen Überlapps
3d-modellierung und Visuelle analyse Von neuronalen netzenbearbeitet von: Vincent J. Dercksen, Hans-Christian Hege
kooperation: Marcel Oberlaender (Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik), Bert Sakmann (Max Planck Florida Institute)
förderung: Max-Planck-Institut für Neurobiologie
weitere informationen unter: www.zib.de/jb2012/cortex-in-silico
Eine der großen Fragen der Neurobiologie ist,wie sensorische Information im Gehirn verar-beitet wird und wie sich daraus Verhalten ablei-tet. Ein häufig verwendetes Modellsystem zur Untersuchung dieser Frage ist das somatosen-sorische System der Ratte, bei dem eine Eins-zu-eins-Beziehung zwischen individuellen Bart-haaren und eindeutig abgrenzbaren Bereichen in Thalamus und Cortex besteht. In jedem die-ser Bereiche wird die sensorische Information je eines Barthaares verarbeitet. Im Cortex sind diese Bereiche zylinderförmig und werden des-halb „kortikale Säulen“ genannt (Abb. 1).
Durch realitätsgetreue 3D-Modellierung und numerische Simulation der neuronalen Schalt-kreise dieses biologischen Systems hofft man, neue Erkenntnisse über Prozesse im Säuger-hirn zu gewinnen, die traditionellen in-vivo/in-vitro Methoden verborgen bleiben. Unsere Aufgabe im Verbundprojekt „Cortical column in silico“ ist es, Werkzeuge zu entwickeln, mit de-nen, ausgehend von mikroskopischen Daten, anatomisch realistische neuronale Netze re-konstruiert und visuell gestützt analysiert wer-
���Abb. 1:
Somatosensorisches
System der Ratte:
Tast information von
einem Barthaar wird
zu korrespondierenden
Bereichen im Hirnstamm
(1), Thalamus (VPM, 2)
und anschließend zum
Cortex (3) weitergeleitet.
Die zylinderförmigen kor-
tikalen Säulen enthalten
Neuronenzellen verschie-
denen Typs, die nach der
Schicht (L1–L6) in der sie
hauptsächlich auftreten
benannt sind1.
1 Bild (modifiziert) aus: M. Helmstaedter, et al., reconstruction of an average cortical column in silico. Brain Res Rev 55(2), pp. 193–203, 2007. 2 Dercksen, V. et al., visualization in medicine and life sciences ii, L. Linsen, H. Hagen, B. Hamann, H.-C. Hege (Eds.), pp. 27–44, Springer, Berlin, 2012. 3 Oberlaender, M. et al., Automated three-dimensional detection and counting of neuron somata. J Neurosci Methods, 180:1 (2009), pp. 147-160. 4 Meyer, H.S. et al., Number and laminar distribution of Neurons in a thalamocortical projection column of rat vibrissal cortex, Cereb Cortex, 20:10 (2010), pp. 2277–2286. 5 Egger, R. et al., 3d reconstruction and standardization of the rat vibrissal cortex for precise registration of single Neuron morphology. PLoS Comput Biol 8:12 (2012), e1002837.
visuAlisieruNG uNd dAteNANAlyse | 47konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
abgeschätzt („Peter’s rule“). Dabei werden die lokal vorhandenden präsynaptischen Kontakt-stellen (die Boutons auf den Axonen) auf die lokal vorhandenen postsynaptischen Stellen (Spines auf den Dendriten) verteilt. Auf diese Weise wurden 3D-Modelle erzeugt, die eine kortikale Säule, ja sogar den gesamten soma-tosensorischen Cortex repräsentieren6.
visuell GestÜtZte ANAlyseDie geometrische Beschreibung der Neuron-population erlaubt es, die synaptische Konnek-tivität auf subzellulärer, zellulärer und Popu-lationsebene zu berechnen. Durch zusätzliche Annotation des Modells mit Metadaten zu den Säulen, Zelltypen und subzellulären Strukturen können spezifische, biologisch relevante Frage-stellungen untersucht werden, wie etwa: Von welchen Säulen und Zelltypen wird eine Zelle, oder eine Gruppe von Zellen aktiviert? Wie sind Synapsen auf postsynaptischen Zellen verteilt? Gibt es zelltypspezifische Häufungen? Um die Konnektivitätsdaten zugänglich zu machen und derartige Fragen zu beantworten, wurde ein Werkzeug entwickelt mit dem sich die synap-tische Konnektivität – von der subzellulären Ebene bis zur Populationsebene – explorativ und quantitativ analysieren lässt.
Die Netzwerkmodelle, inklusive der synapti-schen Verbindungen, bilden die anatomische Grundlage für die numerische Simulation der Signalverarbeitung in neuronalen Netzen. Die-ses Thema soll künftig bearbeitet werden.
6 Dercksen, V. et al., synaptic connectivity in Anatomically realistic Neural Networks: modeling and visual Analysis. Eurographics Workshop on Visual Compu-ting for Biology and Medicine (VCBM), pp. 17–24, 2012. 7 Oberlaender, M. et al., cell type-specific three-dimensional structure of thalamocortical circuits in a column of rat vibrissal cortex, Cereb Cortex, 22:10 (2012), pp. 2375–2391.
Abb. 3:
Die entwickelte Pipeline
erlaubt es, neuronale
Morphologien zu re-
konstruieren. So konnten
die dendritischen Bäume
von ca. 100 Neuronen
rekonstruiert und nach
geometrischen Eigen-
schaften und Position
klassifiziert werden. Es
resultierten neun verschie-
dene Zelltypen.7
Abb. 2:
Modellierung des soma-
tosensorischen Cortex
der Ratte. Jeder Model-
lierungsschritt wird in je
einer Säule gezeigt: (a)
Zellkörperverteilung, (b)
Zelltypzuweisung, (c) Plat-
zierung der dendritische
Morphologien und (d)
Platzierung der
Axonmorphologien.
das proJekt in kürze: Eine Grundfrage der Neurobiologie ist, wie sensorische Information vom Gehirn verarbeitet wird und sich daraus Verhalten ableitet. Zur Untersuchung dieser Frage wird ein Ausschnitt des somatosensorischen Cortex der Ratte, der von Barthaaren aufgenommene Tast information verarbeitet, als anatomisches Modell nachgebildet. Es wurden Methoden ent wickelt, um die Nervenzellen aus Bilddaten zu rekonstruieren, in ein Modell zu integrieren, und ihre Struktur sowie synaptische Konnektiviät visuell und quantitativ zu analysieren. Anhand des 3D-Modells kann die anatomische Grundlage der Signalverarbeitung besser verstanden und die neuronale Informa-tionsverarbeitung simuliert werden.
visuAlisieruNG uNd dAteNANAlyse | 48konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
Röntgenbild, wobei diejenige Instanz identifi-ziert wird, deren Projektion der anatomischen Struktur im Röntgenbild am ähnlichsten ist.
Werden als Modell hoch aufgelöste CT-Daten-sätze verwendet, dann lassen sich mittels Ray-Casting-Verfahren realitätsnahe Röntgenbilder erzeugen (Abb. 1). Die Berechnung plausibel deformierter Instanzen von hochaufgelösten strukturierten Gittern ist jedoch selbst auf mo-dernen Mehrkern-Architekturen zeitaufwendig. Als effizient deformierbares 3D-Modell haben sich statistische Formmodelle (SFM) etabliert. Ziel ist es, die Darstellungsqualität des Ray-Casting mit den Deformationseigenschaften von SFM zu kombinieren. Zu diesem Zweck wurden SFM zu volumetrischen statistischen Form- und Intensitätsmodellen (SFIM) erwei-tert, auf deren Elementen eine Intensitäts- bzw. Dichteinformation kodiert werden kann. Solche SFIM bieten eine kompakte Repräsentation der in einer Population typischen Variationsbreite von Knochenform und Knochendichte.
Um Röntgenbilder aus SFIM zu generieren, wurden am ZIB effiziente Algorithmen entwi-ckelt, die den physikalischen Prozess der Rönt-
anatomische 3d-modelle aus rÖntgenbildern für die indiVidualisierte therapieplanungbearbeitet von: Moritz Ehlke, Heiko Ramm, Matthias Bindernagel, Hans Lamecker, Stefan Zachow
kooperation: Charité Berlin, Zentrum für Muskuloskelettale Chirurgie; University of Southampton, School of Bioengineering; University of Calgary,
Centre for Bioengineering, Research and Education; ETH Zürich, Institut für Biomechanik; 1000shapes GmbH
förderung: EU FP7, Projekt MXL; DFG-Forschungszentrum Matheon F2; medizintechnische Industrie
weitere informationen unter: www.zib.de/jb2012/2d-3d-recon
Die modellgestützte Therapieplanung auf Ba-sis von medizinischen Bilddaten spielt in der rekonstruktiven Chirurgie eine immer wich-tigere Rolle. So lässt sich vor einer Operation nicht nur die Ist-Situation bewerten, sondern durch Planung und Simulation – z. B. eines Ge-lenkersatzes durch eine Prothese – auch das zu erwartende Ergebnis einschließlich der Funk-tion abschätzen.1,2 Solch eine modellgestützte Planung basiert u. a. auf drei-dimensionalen (3D) Modellen der individuellen Patienten-anatomie, die typischerweise aus tomogra-phischen Bildgebungsverfahren (CT/MRT) ge-wonnen werden.
Obwohl die Zahl der CT-Untersuchungen in den letzten Jahren stetig ansteigt, kommt für Diagnostik und Therapieplanung in der or-thopädischen Chirurgie immer noch deutlich häufiger konventionelle Röntgentechnik zum Einsatz.3 Gründe hierfür sind die breite Ver-fügbarkeit der Röntgengeräte, aber auch Ab-wägungen von Kosten und Strahlendosis zum erwarteten Nutzen – vor allem in Hinblick auf häufig durchzuführende Nachuntersuchungen. Außerdem lassen sich mit projektivem Rönt-gen Gelenke in Bewegung, unter Last des Kör-pergewichtes und auch während eines opera-tiven Eingriffs abbilden.
Die Abschätzung einer 3D-Form aus 2D-Pro-jektionsbildern ist ein aktuelles Forschungs-thema.4,5,6,7 Das methodische Vorgehen ist dabei wie folgt: Instanzen eines geometrisch deformierbaren 3D-Modells der zu rekon-struierenden Struktur werden bei bekannten Aufnahmeparametern (Abstand der Röntgen-quelle zum Detektor und dessen Größe, Pati-entenposition, etc.) in eine Bildebene projiziert. Diese Projektion erlaubt einen indirekten Ver-gleich des 3D-Modells mit einem gegebenen
��Abb. 1:
Klinisches Röntgenbild
eines menschlichen
Beckens (Hintergrund)
überlagert mit einem
3D- Form- und Intensi-
tätsmodell (Vordergrund
rechts) und einer daraus
erstellten Röntgensimula-
tion (Vordergrund links).
1 Ramm, H., Zachow, S.: individuelle Anpassung von endoprothesen am virtuellen patienten unter berücksichtigung mechanischer simulation, Computer Aided Medical Engineering, 2012 (im Druck). 2 Ramm, H., Zachow, S.: computergestützte planung für die individuelle implantatversorgung, Health Academy, 2012 (im Druck) 3 Umweltbundesamt: Häufigkeit und dosis röntgendiagnostischer untersuchungen in deutschland. 06.02.2013 4 Lamecker, H. et al.: Atlas-based 3d-shape reconstruction from x-ray images, Proc. Int. Conf. Pattern Recognition, vol. 1, pp. 371-374, 2006 5 Dworzak, J. et al.: 3d reconstruction of the Human rib cage from 2d projection images using a statistical shape model, Int. J. Comput. Assist. Radiol. Surg., vol. 5, no. 2, pp. 111-124, 2010 6 Zheng, G.: statistically deformable 2d/3d registration for estimating post-operative cup orientation from a single standard Ap x-ray radiograph, Annals of biomedical engineering, vol. 38, no. 9, pp. 2910–27, 2010 7 Baka, N. et al.: 2d-3d shape reconstruction of the distal femur from stereo x-ray imaging using statistical shape models, Medical Image Analysis, vol. 15, no. 6, pp. 840–50, 2011
Lambert-Beersches Gesetz:
beschreibt die Abschwächung
eines Röntgenstrahles mit der
Intensität I0 auf seinem Weg
d durch Material i mit dem
Absorptionskoeffizienten µi .
visuAlisieruNG uNd dAteNANAlyse | 49konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
genabsorbtion nach dem Lambert-Beerschen Gesetz auf modernen Grafikprozessoren hoch-parallel simulieren.8 Die Projektionsrate und die Darstellungsqualität hängen dabei von Anzahl und Größe der Volumenelemente, der Menge der gespeicherten Intensitätswerte pro Element und der Interpolation zwischen die-sen ab (Abb. 2).
Um die Anzahl der Elemente so gering wie möglich zu halten und trotzdem eine bestmög-liche Projektionsqualität zu erlangen, werden zur Interpolation der Intensität in den Ele-menten Bernsteinpolynome höherer Ordnung verwendet.9 Dadurch ist es trotz geringer Auflö-sung des Gitters möglich, eine hohe räumliche Auflösung der Dichtefunktion zu erreichen. Zudem wurde ein GPU-basiertes Deforma-tionsverfahren implementiert, das auf teure Kopieroperationen zwischen Haupt- und Gra-fikspeicher verzichtet.10,11 Auf diese Art lässt sich eine Beschleunigung um den Faktor 5 bis 10 im Vergleich zu hybriden CPU- und GPU-basierten Methoden realisieren (Abb. 2). Das Verfahren wurde mit dem NVIDIA Best-Poster Award aus-gezeichnet (Abb. 3).
Zur 3D-Rekonstruktion anatomischer Strukturen aus Röntgenbildern werden Ähnlichkeitsmaße untersucht, die es erlauben, SFIM-Projektionen mit klinischen Röntgenbildern zu vergleichen. Für die Steuerung der SFIM-Deformation sind effiziente, hierarchische Optimierungsmetho-den gefordert, die ausgehend von einem re-duzierten Bild- und Modellparameterraum suk-zessiv den Rekonstruktionsprozess steuern. Die Berlin-Brandenburg School for Regenerative Therapies (BSRT) fördert die Entwicklung und den Ausbau dieser für die Qualität der Rekon-struktion kritischen Techniken mit einem Promo-tionsstipendium, um den Einsatz in klinischen Anwendungen zu ermöglichen.
Die entwickelten Verfahren werden in Zusam-menarbeit mit klinischen Partnern unter an-derem dazu genutzt, die Größe und Lage von Endoprothesen präoperativ zu planen12 bzw. deren Funktion postoperativ unter Last und in Bewegung auszuwerten (z. B. die Erkennung kleinster Lageveränderungen des Implantates im Knochen).13 In Zukunft sollen die Techniken auch eine genaue relative Lagebestimmung von Gelenkstrukturen aus Fluoroskopie-Zeitrei-hen ermöglichen. Solche Untersuchungen sind wichtig, um etwa den Erfolg einer Operation zu bewerten und frühzeitig Probleme zu erkennen.
das proJekt in kürze: Diagnostik und Therapieplanung basieren in der orthopädischen Chirurgie häufig noch auf gewöhnlichen Röntgenbildern. Dazu benötigte Röntgengeräte sind weit verbreitet und Röntgenuntersuchungen verursachen im Vergleich zu CT eine geringere Strahlen-belastung. Aus der für Röntgenbilder typischen, projektionsbedingten Überlagerung resultieren jedoch Mehrdeutigkeiten, die eine verlässliche Interpretation der abgebildeten Strukturen erschwe-ren. Am ZIB werden auf Basis von Modellwissen Verfahren entwickelt, um aus einem oder weni-gen 2D-Röntgenbildern drei-dimensionale anatomische Strukturen zu rekonstruieren, die für eine modellgestützte Therapieplanung genutzt werden können.
8 Ehlke, M. et al.: fast and accurate drrs for x-ray based joint surgery planning, 12th Meeting of Comp. Assist. Orthop. Surg., no. 293, 2012 9 Yao, J., Taylor, R.: tetrahedral mesh modeling of density data for Anatomical Atlases and intensity-based registration, MICCAI, Springer, LNCS 1935, pp. 531-40, 2000 10 Ehlke, M.: simulating x-ray images from deformable shape and intensity models on the Gpu, Masterarbeit, Technische Universität Berlin, 2012 11 Ehlke, M. et al.: efficient projection and deformation of volumetric shape and intensity models for accurate simulation of x-ray images, EG Workshop on Visual Computing for Biology and Medicine, (ZIB-Report 12-40), 2012 12 Galloway, F. et al.: A large scale finite element study of a of a cementless osseointegrated tibial tray, Journal of Biomechanics, 2013 (submitted) 13 Saevarsson, S.K. et al.: kinematic differences between Gender specific and traditional knee implants, Journal of Arthroplasty, 2013 (accepted)
Abb. 2:
Die entwickelten GPU-
basierten Verfahren
erlauben eine effiziente De-
formation und Projektion
der SFIM bei gleichzeitig
hoher Projektionsqualität.
Ohne große Geschwin-
digkeitseinbußen lassen
sich Bernsteinpolynome
höheren Grades projizieren
(Diagram). Dabei werden
feinere Strukturen deutlich
besser abgebildet (Nah-
ansichten rechts).
Abb. 3:
Für die Entwick-
lungen im Bereich der
effizienten Simulation
realistischer Röntgen-
bilder wurde die AG
Medizinische Planung
auf der Eurographics
VCBM 2012 mit einem
von der Firma NVIDIA
gesponserten Preis
ausgezeichnet.
visuAlisieruNG uNd dAteNANAlyse | 50konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
Die Anwendung präsentiert Kontexte über ver-schiedene, sich ergänzende und interaktiv explo-rierbare Ansichten. Als zentrale Metapher wurde die Postkarte gewählt, um eine selbsterklärende Nutzung zu ermöglichen. Die Zuordnung der Inhalte erfolgt über eine Abbildung des Expo-nates auf der Vorderseite der „Postkarte“. Die Einordnung in den antiken architektonischen Zusammenhang und die Fundumstände wer-den auf mehreren Rückseiten in Kombination von Text und Bild (aktuelle und historische Fo-tos der Exponate und Fundsituationen, Skizzen, Tagebucheinträgen sowie hypothesenbasierte Darstellungen aus einem neuen Rekonstrukti-onsmodell) präsentiert (Abb. 2).
Der Zugriff auf die „Postkarten“ erfolgt über sechs verschiedene Ansichten, von denen drei den direkten Zugriff auf die Exponate ermög-lichen und die restlichen eine Verortung über Kontexte bieten.
Der erste Zugang stellt die Karten als Fotostapel (Abb. 1) in einer spielerischen Umgebung dar, in der die Karten nach ihrem physischen Vorbild mit bis zu zehn Fingern gleichzeitig hin- und hergeschoben werden können. Diese Ansicht stellt die Anfangskonfiguration dar und bietet Besuchern einen intuitiven Einstieg. Die zweite Ansicht präsentiert alle Karten in einem über-sichtlichen Gitter, das mit Fingergesten als Gan-zes verschiebbar und in der Größe veränderbar ist. Die dritte Ansicht ordnet die Karten in Kate-gorien ein, entsprechend der Zugehörigkeit des Exponats zu architektonischen Baukomplexen.
antike kontexte begreifbar machen – ipads im pergamonmuseumbearbeitet von: Marco Klindt, Daniel Baum, Steffen Prohaska, Hans-Christian Hege
förderung: BMBF – Bundesministerium für Bildung und Forschung
weitere informationen unter: www.zib.de/jb2012/pergamon
Das Verbundprojekt „Berliner Skulpturennetz-werk – Kontextualisierung und Übersetzung an-tiker Plastik“, eine Kooperation des Instituts für Klassische Archäologie der FU Berlin, der Staat-lichen Museen zu Berlin, des Deutschen Archä-ologischen Instituts, der BTU Cottbus und des ZIB, widmete sich der historisch differenzierten Rekonstruktion antiker Ausstellungskontexte und der Erfassung und digitalen Publikation an-tiker Skulpturen.
Die Ergebnisse wurden im Rahmen einer groß-en Ausstellung im Pergamonmuseum zur anti-ken Metropole Pergamon in einer Kombination aus Skulpturen, Gipsabgüssen und einer künst-lerischen Panoramainstallation von Yadegar Asisi präsentiert. Für die Präsentation der Expo-naten dieser Ausstellung konzipierte und entwi-ckelte das ZIB eine multitouch-fähige Kioskan-wendung für das iPad (Abb. 1).
��Abb. 1:
Einstiegsansicht: Stapel
��Abb. 2:
Rückseite der Karte zur
Zeus-Athena-Gruppe
visuAlisieruNG uNd dAteNANAlyse | 51konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
Die erste der Verortungsansichten präsentiert dem Besucher eine computergrafisch erstellte Übersicht des oberen pergamenischen Burg-berges und erlaubt es auf einer zweiten Ebene, die Exponate in der Rekonstruktion wiederzu-finden. Die zweite der Ansichten zeigt die Ex-ponate an ihrem Standort in der Ausstellung (Grundriss des Pergamonmuseums) und er-möglicht den Zugriff über den heutigen Raum. Die letzte Ansicht zeigt ein um 360 Grad dreh-bares Bild des Panoramas von Y. Asisi, in dem die Ausstellungsstücke direkt lokalisiert sind (Abb. 3). Der Benutzer kann von seinem Stand-punkt aus in eine Fotografie überblenden, die den Zustand des Burgberges im heutigen Ber-gama darstellt und die Grundlage zur Erstel-lung des Panoramabildes bildete. Dies ermög-licht es, auf intuitiv erfahrbare und ästhetisch ansprechende Weise die große Leistung der Archäologie hinsichtlich der Rekonstruktion antiker Kontexte nachzuvollziehen.
Der Mehrwert einer derartigen interaktiven An-wendung im musealen Ausstellungsraum wur-de durch Aufzeichnen von Benutzer ereignissen in der Anwendung selbst, durch Benutzerbeo-bachtungen und durch Befragungen von Be-nutzern quantitativ und qualitativ evaluiert1. Die
das proJekt in kürze: Wie kann man Museumsbesuchern die vergangenen räumlichen und zeitlichen Kontexte antiker Plastiken vermitteln? In diesem Projekt haben wir gemeinsam mit Archäologen eine iPad-Anwendung für eine Ausstellung entwickelt, mit der Besucher das antike Umfeld von Exponaten, deren Bedeutung, Fundumstände und Interpretationen durch die Wissen-schaft spielerisch nachvollziehen können. Die Software wurde im Pergamonmuseum erfolgreich eingesetzt; sie ist für andere Ausstellungen anpassbar und kostenlos im App-Store erhältlich.
1 M. Klindt, D. Baum, S. Prohaska, H.-C. Hege. conveying Archaeological contexts to museum visitors: case study pergamon exhibition. In Short Paper Proc. VAST 2012, Brighton UK, pp 25 – 28, 2012. 2 M. Klindt, D. Baum, S. Prohaska, H.-C. Hege. icon.text – a customizable ipad app for kiosk applications in museum exhibitions. In Proc. EVA Berlin 2012, pp 150–155, 2012. 3 www.zib.de/en/visual/software/icontext.html
Abb. 3:
Pergamon 129 n. Chr. und
heute. Mit freundlicher
Genehmigung von Y. Asisi
Anwendung wurde von mindestens einem Ach-tel der Besucher benutzt, obwohl die Aufstel-lung der iPads in der Ausstellung eher ungün-stig war. Die durchschnittliche Nutzungsdauer betrug etwa sieben Minuten; die Mehrzahl der Besucher benutzten die Anwendung in Grup-pen von zwei oder mehr Personen. Die durch-geführten Benutzerbefragungen ergaben, dass 90% der Befragten die Anwendung als eine sinnvolle Erweiterung der Ausstellung be-trachteten. Obwohl etwa 40% der Befragten keinerlei vorherige iPad oder Tablet-Erfahrung hatten, gaben 99% an, sie sei leicht oder sehr leicht zu benutzen.
Da die Besucher der Pergamonausstellung das Konzept der Bedienungsoberfläche und den Zugriff auf die Kontexte der Exponate sehr gut angenommen hatten, wurde die Plattform der-art modifiziert, dass Inhalte und Navigationsan-sichten ohne Programmieraufwand für andere Ausstellungen angepasst werden können2. Auch die grafische Gestaltung kann den Vorgaben des Kurators oder des Ausstellungsgestalters folgend sehr frei angepasst werden. Das Frame-work ist kostenlos im App-Store erhältlich3 und wird inzwischen von mehreren kulturell orien-tierten Institutionen auch international genutzt.
visuAlisieruNG uNd dAteNANAlyse | 52konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
projekte der AbteiluNG visuAlisieruNG uNd dAteNANAlyseAlle projekte im Netz ausführlich unter: www.zib.de/visual/projects
AmmoNites
bearbeitet von: M. Ehlke, S. Zachow
kooperation: Institut für Geologie, Mine-
ralogie und Geophysik, Uni Bochum; MPI
Informatik, Saarbrücken
förderung: DFG
inhalt: Entrauschung von Mikrotomogra-
phie-Daten zur automatischen Segmentie-
rung von fossilen Ammoniten
ANisotropic sAmpliNG
bearbeitet von: A. Kratz, I. Hotz
inhalt: Effiziente Erzeugung anisotroper
Sampleverteilungen
AspHAlt
bearbeitet von: U. Homberg, D. Baum,
S. Prohaska
kooperation: BAM Berlin
förderung: BAM Berlin
inhalt: Entwicklung von Bildanalyse-
verfahren für die Analyse von Asphalt
Avr
bearbeitet von: A. Kratz, J. Reininghaus,
I. Hotz
inhalt: Entwicklung einer adaptiven
Methode höherer Ordnung für Volumen-
Rendering
boNe HeAliNG
bearbeitet von: D. Baum, S. Prohaska
kooperation: MPI Kolloid- und Grenzflächen-
forschung Potsdam-Golm
förderung: MPI Kolloid- und Grenzflächen-
forschung Potsdam-Golm
inhalt: Verfahren zur Integration von Infor-
mationen aus verschiedenen 2D- und 3D-
Bildgebungsverfahren in ein einheitliches
Referenzsystem
cAs – GesicHtscHirurGie
bearbeitet von: L. Lubkoll, M. Weiser,
S. Zachow
kooperation: Universitätsklinikum Köln;
Privatklinik Prof. Sailer in Zürich
förderung: Klinik Prof. Sailer AG
inhalt: Bimaxilläre, rotatorische Vorverlage-
rung von Kiefersegmenten zur kieferchirur-
gischen Behandlung von Schlafapnoen
cerebrAl ANeurysms
bearbeitet von: K. Pöthkow, C. Petz,
H.-C. Hege
kooperation: Charité Berlin, Labor für
Biofluidmechanik; Helios Klinikum Berlin
förderung: DFG
inhalt: Rekonstruktion von zerebralen An-
eurysmen; Analyse und Visualisierung von
Blutströmungen; Suche nach geometrischen
und strömungstechnischen Faktoren, die das
Rupturrisiko beeinflussen
cortex iN silico
bearbeitet von: V. Dercksen, H.-C. Hege
kooperation: MPI biologische Kybernetik
Tübingen; MPI Florida; MPI Neurobiologie
Martinsried; Uni Heidelberg
förderung: MPI Neurobiologie Martinsried
inhalt: Methoden zur bildbasierten Rekon-
struktion von anatomisch realistischen
neuronalen Netzwerken und zur Analyse der
neuronalen Konnektivität
cvt
bearbeitet von: J. Reininghaus, J. Kasten,
I. Hotz
inhalt: Entwicklung von Verfahren der
kombinatorischen Skalar- und Vektorfeld-
Topologie
crANiosyNos
bearbeitet von: H. Lamecker, S. Zachow
kooperation: Charité Berlin, Campus
Virchow, Klinik für Neurochirurgie
inhalt: Entwicklung von objektiven Kriterien
und Methoden zur präoperativen Planung
bei Kraniosynostose
deNtAl
bearbeitet von: D. Kainmüller, H. Lamecker,
S. Zachow
kooperation: Universitätsklinik Köln, Klinik
für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie
inhalt: Entwicklung automatischer Verfahren
zur Segmentierung von Kieferknochen, Zäh-
nen und Alveolarnerven aus CT-Bilddaten
diGitAl morpHoloGy
bearbeitet von: M. Grewe, H. Lamecker,
S. Zachow
kooperation: Universitätskliniken Kiel und
Freiburg; Institut für Biochemie und Biologie
der Universität Potsdam; Dermatologikum
Hamburg
inhalt: Entwicklung und Einsatz von Verfah-
ren zur 3D-Form- und Wachstumsanalyse
von Gesichtern
ecHobetoNviZ
bearbeitet von: O. Paetsch, S. Prohaska
kooperation: BAM Berlin
förderung: BAM Berlin
inhalt: Visualisierung von Daten aus
Bodenradar- und Ultraschallmessungen an
Betonbauteilen
eNtire mouse brAiN
bearbeitet von: S. Prohaska
kooperation: MPI Florida
inhalt: Bildverarbeitung für großräumige
Konfokalmikroskopie
flow vis
bearbeitet von: C. Petz, K. Pöthkow,
H.-C. Hege
kooperation: Charité Berlin, Labor für
Biofluiddynamik
inhalt: Methoden zur Extraktion und Visu-
alisierung von Merkmalen in Strömungs-
feldern, insbesondere an der Grenzschicht
zur umströmten Geometrie
Hd(cp)2
bearbeitet von: A. Kuhn, H.-C. Hege
kooperation: DLR; Unis Leipzig, Köln,
Mainz; DKRZ
förderung: BMBF
inhalt: Tracking von deterministischen und
stochastischen Strukturen in Klimasimula-
tionen
kNee-kiNemAtics
bearbeitet von: H. Ramm, R. Lieck,
S. Zachow
kooperation: Uni Calgary, Canada - Centre
for Bioengineering Research and Education
förderung: Uni Calgary
inhalt: Modellgestützte Rekonstruktion von
anatomischen Strukturen und Implantaten
aus medizinischen Bilddaten, Analyse von
Form und beweglichen Freiheitsgraden von
Gelenkstrukturen
Matheon f2
bearbeitet von: A. Günther, H. Lamecker, M.
Weiser, H.-C. Hege, S. Zachow
kooperation: Charité Berlin; INRIA Sophia
Antipolis; Matheon Projekte F1, F4, F6, F10,
F13, A17, C28; DKFZ Heidelberg; MIC U Lü-
beck; MPI Jena; 1000shapes GmbH; Visage
Imaging GmbH
förderung: DFG Matheon, Projekt F2
inhalt: Korrespondenzfindung zwischen
geometrischen Formen mit adaptiven finiten
Elementen; automatische 3D-Rekonstruktion
von anatomischen Strukturen aus medizi-
nischen Bilddaten auf Basis von Formwissen
microtubules
bearbeitet von: B. Weber, D. Baum,
S. Prohaska, H.-C. Hege
kooperation: MPI molekulare Zellbiologie
und Genetik; EMBL Heidelberg
visuAlisieruNG uNd dAteNANAlyse | 53konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
förderung: MPI molekulare Zellbiologie und
Genetik, Dresden
inhalt: Segmentierung von subzellulären
Strukturen, insbesondere von Mikrotubuli,
aus Elektronentomogrammen
mol ANAlysis
bearbeitet von: N. Lindow, D. Baum,
H.-C. Hege
kooperation: Uni Saarbrücken (Material-
forschung); FU Berlin (Physik)
inhalt: Multiskalenvisualisierung von
molekularen Systemen; Berechnung von
Transportpfaden in komplexen molekularen
Systemen
mxl
bearbeitet von: H. Ramm, M. Grewe,
H. Lamecker, S. Zachow
kooperation: HU Berlin (Charité); Unis
Southampton, Delft, Leiden, Bologna;
ESI Group; SCS Mailand
förderung: EU FP7
inhalt: Entwicklung verbesserter Verfahren
zur Rekonstruktion anatomischer Strukturen
aus medizinischen Bilddaten, zur Aufberei-
tung von FE-Modellen sowie zur biomecha-
nischen Modellierung und Analyse für die
Planung von Gelenkoperationen
Nose – HNo-cHirurGie
bearbeitet von: C. Petz, S. Zachow
kooperation: Limmatklinik Zürich, Rhinolo-
gie und Rhinochirurgie; Klinikum Karlsruhe,
HNO-Klinik; Charité Berlin, Labor für Bio-
fluiddynamik
inhalt: Rhinochirurgie unter Berücksichti-
gung der optimalen Nasenatmung
Numrel vis
bearbeitet von: V. Zobel, I. Hotz, H.-C. Hege
kooperation: MPI Gravitationsphysik (Albert-
Einstein-Institut), Potsdam
förderung: MPI
inhalt: Entwicklung neuer Methoden für die
Analyse und Visualisierung von Vektor- und
Tensor-Feldern aus numerischen Simu-
lationen zur speziellen und allgemeinen
Relativitätstheorie
pelviZ
bearbeitet von: H. Ramm, M. Grewe,
S. Zachow
kooperation: Aesculap AG, Tuttlingen;
Muskuloskelettale Chirugie, Charité
förderung: Aesculap AG
inhalt: 3-dimensionale Formanalyse des
menschlichen Beckens aus CT-Daten
perGAmoN
bearbeitet von: M. Klindt, D. Baum,
S. Prohaska, H.-C. Hege
kooperation: FU Berlin; Pergamonmuseum,
Berlin; DAI Berlin; TU Cottbus; Uni Köln;
Lenné3D Berlin
förderung: BMBF
inhalt: Virtuelle Rekonstruktion des antiken
Pergamons und Kontextualisierung von
Skulpturen
pore spAce
bearbeitet von: U. Homberg, D. Baum,
S. Prohaska
kooperation: BAM Berlin; Uni Weimar; FH
Leipzig
förderung: DFG
inhalt: Entwicklung von Verfahren zur bildba-
sierten Analyse von Gefüge- und Porenstruk-
turen
Qm mol
bearbeitet von: C. Mielack, H.-C. Hege
kooperation: FU Berlin; U Potsdam
inhalt: Entwicklung von Verfahren zur
Visualisierung von quantenmechanischen
Prozessen in Molekülen
rissbetoN
bearbeitet von: O. Paetsch, D. Baum,
S. Prohaska
kooperation: BAM Berlin
förderung: BAM Berlin
inhalt: Entwicklung von Bildanalyseverfah-
ren für die Identifikation von Rissflächen in
Beton zur zerstörungsfreien Werkstoffprü-
fung
sHApedev
bearbeitet von: S.Zachow, H. Seim, O. Pae-
tsch, S. Prohaska
kooperation: BAM Berlin
förderung: BAM Berlin
inhalt: Zerstörungsfreie Vermessung von
mechanischen Bauteilen in Computertomo-
grafieaufnahmen
tecHNoloGietrANsfer 1000sHApes
bearbeitet von: B. Bleuzé, H. Lamecker,
S. Zachow
kooperation: 1000shapes GmbH Berlin
förderung: 1000shapes GmbH Berlin
inhalt: Entwicklung von Algorithmen zur
Unterstützung der Planung für die rekon-
struktive Chirurgie
tecHNoloGietrANsfer AmirA/AviZo
bearbeitet von: M. Leborgne, S. Schuberth,
C. Petz, D. Baum, S. Prohaska
kooperation: Visage Imaging, Berlin;
VSG Bordeaux
förderung: Visage Imaging, Berlin; VSG
Bordeaux
inhalt: Überführung neuer Algorithmen in
die kommerzielle Software Amira/Avizo
teNsor Hks
bearbeitet von: V. Zobel, I. Hotz
inhalt: Wärmeleitungskern-Signatur zur
Multi skalenvisualisierung von Tensorfeldern
teNsor seGmeNtAtioN
bearbeitet von: C. Auer, I. Hotz
kooperation: IDAV, University of California
Davis
inhalt: Entwicklung von topologie-basierten
Verfahren zur Segmentierung und Texturie-
rung von Tensorfeldern auf 2D-Mannigfal-
tigkeiten
teNsor vis
bearbeitet von: A. Kratz, I. Hotz
kooperation: Uni Saarbrücken; Uni Leipzig
inhalt: Entwicklung von Verfahren zur Visu-
alisierung und explorativen Analyse von
3D-Tensorfeldern
uNcertAiNty vis
bearbeitet von: K. Pöthkow, C. Petz,
H.-C. Hege
kooperation: Biofluiddynamik-Labor Charité
Berlin
inhalt: Entwicklung von probabilistischen
Verfahren zur Extraktion und Visualisierung
von geometrischen und topologischen
Merkmalen in unscharfen Daten
viGor++
bearbeitet von: A. Wiebel, D. Kainmüller,
H. Ramm, H.-C. Hege
kooperation: Delft University of Technology;
University College London Hospitals; ETH
Zürich; Biotronics3D Ltd; Uni Amsterdam
(Academisch Medisch Centrum); Vodera Ltd
förderung: EU FP7
inhalt: Visualisierung von Bilddaten, insbe-
sondere aus der dynamischen kontrastmit-
telverstärkten Magnetresonanztomographie
(DCE-MRI) des Abdomens, zur Diagnose
und Beobachtung des Krankheitsverlaufs
bei Morbus Crohn
optimierungSimply the best!
optimieruNG | 56konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
optimierungleitung: Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Martin Grötschel, Prof. Dr. Ralf Borndörfer
weitere informationen unter: http://www.zib.de/optimierung.html
missioNJe komplexer die in den Hochtechnologien zu beherrschenden technischen, ökonomischen, ökologischen, sozialen oder medizinischen Pro-zesse werden, desto mehr gewinnen Modellie-rung, Simulation und Optimierung an Bedeu-tung. „MSO“ hat sich längst zu einer eigenen Schlüseltechnologie entwickelt, die mit großer Dynamik immer weitere Anwendungsgebiete erobert und durch die Schönheit und Eleganz ihrer mathematischen Theorie begeistert.
strukturMit der neu gebildeten AG Energie besteht dieAbteilung aus nunmehr vier Arbeitsgruppen:
•verkehr und logistik (Ltg. Prof. Dr. Ralf Borndörfer)• lineare und nichtlineare ganzzahlige optimierung (Ltg. Dr. habil. Thorsten Koch)• energie (Ltg. Dr. Benjamin Hiller)• telekommunikation (Ltg. Dr. Axel Werner).
spiN-offs•atesio1: Telekommunikationsoptimierung• intranetz2: Informationslogistik• lbw3: Verkehrsoptimierung• tAsk: Wartungs- und Beratungsleistungen
für die scip optimization suite4
preise uNd AusZeicHNuNGeN•ralf borndörfer: Berufung auf eine W2-S-Pro-
fessur an der FU Berlin• fabio d’Andreagiovanni: Doctoral Disser-
tation Award 2012 der Sapienza Università Editrice; Excellent Presentation Award of the ESF-JSPS Frontier Science Conference for Young Researchers
• frank fischer (TU Chemnitz), boris Grimm, torsten klug: Third Prize in der RAS Problem Solving Competition 20125
• Armin fügenschuh: Ruf auf eine W2-Profes-sur an der Universität der Bundeswehr Ham-burg (angenommen)
• marika karbstein: Ultimative MatheonAdventskalenderaufgabe 20126 (Abb. 1)
• Andreas löbel, christof schulz: Step 4 in der SPEC7 CPUv68 für 505.mcf
• scip-team: Nicht-lineare Kategorien der Pseu do-Boolean Competition 20129
• thomas schlechte: GOR-Dissertationspreis 201210; VBKI-Dissertationspreis 2012
verkeHr uNd loGistik11
Die Eisenbahnoptimierung ist mit dem BMBF-Projekt „Optimale Zugführung im Schienen-güterverkehr“, dem Matheon-Projekt B22 zur Zugumlaufplanung, einem Folgeprojekt zur Anpassungsoptimierung von ICE-Umläufen für DB Fernverkehr, einem Projekt zur mehrtä-gigen zyklischen Umlaufoptimierung mit LBW, einem neuen Pilotprojekt zur Zugdisposition mit Siemens und dem 2013 startenden „Bahn-Lab“ im neuen Forschungscampus MODAL das größte Anwendungsgebiet. In den Projekten „Optimierung der LKW-Autobahnmautkontrol-le“ (S. 58) für das Bundesamt für Güterverkehr und „Wochenschemaoptimierung“ für LBW wurde der Durchbruch in die Praxis geschafft, im Matheon-Projekt B15 zur „Angebotspla-nung im öffentlichen Nahverkehr“ wurde eine neue Theorie des Pfadzusammenhangs entwi-ckelt. Mit zwei neuen Projekten über „Multikri-terielle Optimierung“ (gemeinsam mit Prof. Skutella, TU Berlin) und „System Dynamics“ im neuen „SFB 1026 Nachhaltige Produktions-technik“ (Sprecher Prof. Seliger, TU Berlin) hat die AG einen neuen Schwerpunkt gewonnen.
1 http://www.atesio.de 2 http://www.intranetz.de 3 http://www.lbw-berlin.de 4 http://www.scip.zib.de 5 http://www.informs.org/Community/RAS/Problem-Solving-Competition/2012-RAS-Problem-Solving-Competition
optimieruNG | 57konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
liNeAre uNd NicHtliNeAre GANZZAHliGe optimieruNG12
Im Jahr 2012 lag der Mittelpunkt der Forschung in der Arbeitsgruppe auf der Entwicklung und Implementierung von neuen Algorithmen zur Lösung von gemischt-ganzzahligen nicht-linearen nicht-konvexen Problemen (MINLP). Mit dem Release 3.0 ist die scip optimization suite nun in der Lage, allgemeine MINLP-Pro-bleme global optimal zu lösen. Benchmarks zeigen, dass es uns gelungen ist, auch hier wieder die Grenze des Machbaren zu erwei-tern. Dabei konnte gleichzeitig die Leistung im linear-ganzzahligen Teil weiter verbessert wer-den. Hierzu wurden auch umfangreiche Unter-suchungen zur automatischen Dekomposition von Problemen durchgeführt, was gerade im Bereich großer Supply Chain Management-Probleme sehr erfolgreich zur Beschleunigung beigetragen hat (S. 62). Ebenso wurden Ver-fahren zur Parallelisierung weiter intensiv un-tersucht.
eNerGie13
Das zentrale Projekt der AG Energie ist die „Forschungskooperation Netzoptimierung“ (ForNe), in der unter Federführung des ZIB sie-ben Forschergruppen mit Open Grid Europe (OGE), dem Betreiber des größten deutschen Gastransportnetzes, Methoden zur Planung und Optimierung von Gastransportnetzen entwickeln. Die AG Energie beschäftigt sich hauptsächlich mit Fragen der Ausbauplanung, also der Bestimmung kostengünstiger Maß-nahmen, die eine flexiblere Nutzung der beste-henden Transportkapazitäten bzw. deren Erhö-hung ermöglichen. Hierfür werden vor allem Techniken der gemischt-ganzzahligen nichtli-nearen Optimierung sowie Struktureinsichten in die zugrundeliegenden nichtlinearen Model-le der Gasphysik genutzt. Die Entwicklung und
Implementierung erfolgt in Zusammenarbeit mit der AG Lineare und Nichtlineare Ganz-zahlige Optimierung. Daneben arbeiten wir an Methoden für eine effektive Überprüfung der technischen Realisierbarkeit gebuchter Transportkapazitäten. Im Jahr 2012 wurde das BMWi-geförderte Projekt „Untersuchung der technischen Kapazität von Gasnetzen“ erfolg-reich abgeschlossen. Ein Buch mit den Projekt-ergebnissen wird gerade fertiggestellt.
telekommuNikAtioN14
Zukunftsweisende Netzwerktechnologie, Next Generation Networks und Energieeffizienz von Telekommunikationsnetzen stellen die zentra-len Themen dar, an denen in der AG gearbeitet wird. Im BMWi-Projekt DESI wird zusammen mit den Projektpartnern ein Demonstrator aufgebaut, der energieeffizienten Netzbetrieb verdeutlichen soll. Durch die Verwendung von modernen Technologien wie adaptiven Bitraten und flexiblen Bandbreiten werden neue Mög-lichkeiten für den sicheren und stromsparenden Betrieb von Netzen geschaffen, die im Ende 2012 gestarteten BMBF-Projekt SASER ausge-lotet werden. Bereits Anfang 2012 startete das DFG-Projekt Multi-FTTx, in dem (zusammen mit Prof. Ljubic, Universität Wien, im Rahmen des D-A-CH-Abkommens) multikriterielle Me-thoden zur Planung von optischen Zugangsnet-zen untersucht werden. Im Projekt ROBUKOM (S. 60) wurden neue theoretische Konzepte zur robusten Optimierung entwickelt.
6 http://www.mathekalender.de/index.php?page=problemPollEval 7 Standard Performance Evaluation Corporation, eine Organisation von Hardwareherstellern zum Benchmarking von CPUs 8 http://www.spec.org/cpuv6 9 http://www.cril.univ-artois.fr/PB12/ 10 https://gor.uni-paderborn.de/index. php?id=302 11 http://www.zib.de/de/optimierung/traffic/projekte.html 12 http://www.zib.de/de/optimierung/telekommunikation/projekte.html 13 http://www.zib.de/de/optimierung/energy 14 http://www.zib.de/de/optimierung/telekommunikation.html
Abb. 1:
Marika Karbstein gewinnt
zum zweiten Mal in
Folge den Preis für die
Ultimative Mathe kalender-
Aufgabe.
optimieruNG | 58konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
autobahnmautkontrolle mautprellen ist doch nur ein spiel...bearbeitet von: Ralf Borndörfer, Guillaume Sagnol, Elmar Swarat
kooperation/förderung: Förderung durch das Bundesamt für Güterverkehr, Kooperation mit der IVU Traffic Technologies AG
weitere informationen unter: http://www.zib.de/de/optimization/projects/details/article/tollcontrolopt.html
Im Jahr 2005 wurde auf deutschen Autobahnen eine Maut für LKW ab einem zulässigen Ge-samtgewicht von 12 t eingeführt. Das Mautsy-stem ist elektronisch und basiert zum großen Teil auf On-Board-Units in den LKWs, die auto-matisch die Mautabrechnung vornehmen. Das Bundesamt für Güterverkehr (BAG) hat die Auf-gabe, die Bezahlung der Maut zu kontrollieren. Dies geschieht zum einen durch von der Firma Toll-Collect betriebene stationäre Mautbrücken und zum anderen durch mobile Kontrollen des BAG. Bei diesen fahren Teams von zwei Kon-trolleuren durch das Autobahnnetz und kon-trollieren beim Überholen von LKWs, ob diese die Maut ordnungsgemäß entrichtet haben. Bei Verdacht auf Nichtzahlung können sie die LKW anhalten und kontrollieren.
Das ZIB hat mit dem BAG ein Projekt für eine ef-fizientere Planung der mobilen Kontrollen durch den Einsatz von mathematischen Optimierungs-algorithmen gestartet. Die Touren sollen auf der Basis eines Optimierungsmodells automatisch bestimmmt werden, und zwar zusammen mit konkreten Einsatzplänen für die Kontrolleure, siehe Abb. 4. Zielgrößen der Optimierung sind einerseits eine netzweite Kontrolle als auch eine Maximierung der Anzahl an kontrollierten Fahr-zeugen. Als besonders komplex gestaltet sich die Einhaltung der Regeln zu Diensten und de-ren Reihenfolgen. Um diese Aufgaben zu lösen, haben wir den Algorithmus tc-opt entwickelt.
dAteNANAlyseZu diesem Projekt gehört eine sorgfältige Ana-lyse von Daten über gebuchte Mautfahrten und Beanstandungen. Wir haben ein Wahrschein-lichkeitsmodell erstellt, das eine Schätzung der Prellerrate abhängig von bestimmten Fahrten-merkmalen, wie z. B. Länge, Abfahrtszeit oder Emissionsklasse der Fahrt, ermöglicht. Ein Bei-spiel der Ergebnisse des Mautprellermodells ist in Abb. 1 angezeigt. Dieses Modell wird in einem von uns erstellten Simulationsprogramm verwendet (Abb. 3), um die Güte unserer Lö-sungsansätze zu testen. Es dient auch dazu, Parameter zu berechnen, welche für einen spiel-theoretischen Ansatz gebraucht werden.
metHodeN der optimieruNGDas Mautsystem kann als eine Konfliktsitua-tion betrachtet werden, in der manche LKW-Fahrer versuchen, möglichst wenig Kosten zu haben, während die Kontrolleure das Mautein-kommen maximieren möchten. spieltheorie ist eine Disziplin der Mathematik, die verwendet werden kann, um Konfliktsituationen dieser Art zu studieren. Im Fall der LKW-Maut kann die beste Strategie der Kontrolleure durch das Konzept der stackelberg equilibria beschrieben
� Abb. 1:
Geschätzte Prellerrate
abhängig von der Länge
der Fahrt und der Uhrzeit,
an der die Fahrt zur Hälfte
zurückgelegt ist.
� Abb. 4:
Ausschnitt eines von
tc-opt berechneten
Einsatzplanes
��Abb. 2:
Mobile Kontrollteams
ermitteln per Infrarot-
Technik, ob passierte
LKW im automatischen
System eingebucht sind.
��Abb. 3:
Screenshot des Maut-
kontrollsimulators
optimieruNG | 59konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
cken über zwei Zeiträume. Der blau darge-stellte Fluss stellt also den Dienst eines Kon-trollteams dar, das während der Zeitintervalle „Morgen“, „Mittag“ und „Nachmittag“ jeweils auf den Kontrollstrecken C, D und B patroul-lieren muss.
Ein Equilibrium kann in diesem Spiel mithilfe der linearen programmierung berechnet wer-den2. Als Ergebnis bekommt man einen rando-misierten Dienstplan, der beschreibt, mit wel-cher Wahrscheinlichkeit welcher Dienst geplant werden sollte. Der tatsächliche Dienstplan wird dann mit einem gemischt-ganzzahligen programm über einen Zeithorizont von einem Monat ermittelt. Dies sorgt dafür, dass ver-schiedene gesetzliche und tarifliche Regeln be-achtet werden, wie ausreichende Ruhezeiten, Wochenarbeitszeiten oder zulässige Einsatzge-biete. In den Abb. 5 und 6 sind die berechneten zeitlichen und geographischen Kontrollvertei-lungen angezeigt. Mit dem spieltheoretischen Modell kann die Planung der Kontrollen stark verbessert werden, da erstmals das Verhalten der LKW-Fahrer berücksichtigt wird.
Bei der spieltheoretischen Strategie müssen 60,4% mehr Fahrer damit rechnen, regelmäßig kontrolliert zu werden als bei einer Strategie, die nur das Verkehrsaufkommen berücksich-tigt3. Der Algorithmus tc-opt befindet sich beim BAG im Testbetrieb.
werden, d. h. eine Situation, in der die Maut-einnahmen maximal sind, unter der Annahme, dass die LKW-Fahrer die Maut prellen, wenn es für sie günstiger ist.
In unserem spieltheoretischen Modell werden die Strategien der LKW-Fahrer als Flüsse in einem Graphen mit zwei Ebenen dargestellt. Die obere Ebene enthält Autobahnstrecken sowie weitere Strecken, die befahren werden können, um der Maut auszuweichen. Die unte-re Ebene stellt das Mautprellen auf dem Auto-bahnnetz dar, wo Nichtzahler kontrolliert wer-den können und ggf. eine Strafe bekommen. Zum Beispiel bildet der blau hervorgehobene Fluss in Abb. 7 (links) eine Fahrt von 2 nach 6 ab, wobei die Maut auf 2 > 4 > 5 bezahlt und auf 5 > 6 geprellt wird. Die Strategie der Kontrol-leure wird auch durch Flüsse repräsentiert, je-doch in einem sog. zyklischen Dienstgraphen. Die Knoten dieses Graphen stellen Kontroll-strecken dar, d. h. eine Menge von Autobahn-strecken, die innerhalb eines vorgegebenen Zeitraumes kontrolliert werden müssen. Ein Fluss in dem Dienstgraphen entspricht also einer Reihenfolge von Kontrollaufgaben, d. h. dem Einsatz eines Kontrollteams für ei-nen Tag. Die Abb. 7 (rechts) zeigt ein Beispiel eines Dienstgraphen. Hier bilden die schwar-zen Kanten ein Netz von Kontrollstrecken zu verschiedenen Zeiträumen, und die roten Kanten verbinden benachbarte Kontrollstre-
das proJekt in kürze: Das Ziel des Projektes „Optimierung der Autobahnmautkontrolle“ be-steht in der Entwicklung eines Algorithmus zur automatisierten, mathematisch optimalen Berech-nung von Dienst- und Einsatzplänen für die mobilen Touren des Bundesamtes für Güterverkehr zur Kontrolle der LKW-Maut auf deutschen Autobahnen. Es müssen viele komplexe Regeln für die Tou-ren, die Dienste und die Reihenfolge der Dienste berücksichtigt werden. Ein sehr wichtiger Aspekt ist die spieltheoretische Analyse der LKW-Fahrer und der Mautpreller, so dass daraus entwickelte Kennzahlen als Zielgröße für das Optimierungsmodell verwendet werden können.
Abb. 7:
Beispiel eines Zwei-Ebenen-
Graphen (links) und eines
zyklischen Dienstgraphen
(rechts), die jeweils für die
Dar stellung der Strategie
der Fahrer und der Kon-
trolleure verwendet werden.
Abb. 5:
Zeitliche Verteilung
der Kontrollen für eine
Referenzlösung des BAG
und unseres Algorithmus
(tc-opt)1.
Abb. 6:
Optimale Kontroll-
häufigkeit auf dem Auto-
bahnnetz. Warme Farben
bedeuten mehr Kontrolle.
1 R. Borndörfer, G. Sagnol, and E. Swarat. A case study on optimizing toll enforcements on motorways. In 3rd Student Conference on Operational Research, volume 22 of OpenAccess Series in Informatics (OASIcs), pages 1–10, 2012 2 R. Borndörfer, B. Omont, G. Sagnol, and E. Swarat. A stackelberg game to opti-mize the distribution of controls in transportation networks. In Proceedings of the 3rd International Conference on Game Theory for Networks (GAMENETS 2012), volume 105 of Lecture Notes of the ICST, pages 224–235, 2012 3 R. Borndörfer, G. Sagnol, and E. Swarat. optimizing toll enforcement in transportation Networks: a Game-theoretic Approach. To appear in Electronic Notes in Discrete Mathematics, Proceedings of the International Network Optimization Confe-rence, INOC 2013
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robuste telekommunikationsnetze entwicklung neuer robuster optimierungsmodelle und algorithmen für das netzwerkdesign1
bearbeitet von: Fabio D’Andreagiovanni, Martin Grötschel
kooperation/förderung: Gefördert vom BMBF; Kooperation mit RWTH Aachen, TU Berlin, TU Chemnitz, DFN-Verein e. V., Nokia Siemens Networks
weitere informationen unter: http://www.robukom.de
In den letzten Jahren haben Telekommunika-tionsnetzwerke an Größe und Komplexität zugenommen. Durch die Anwendung mathe-matischer Optimierungsmethoden können da-bei das Design von Netzen deutlich verbessert und Anforderungen berücksichtigt werden, bei denen die traditionellen Ansätze der Netz-werkingenieure an ihre Grenzen stoßen. Eine besondere Herausforderung besteht dabei in Unsicherheiten bei der Netzwerkplanung: Häufig haben selbst geringfügig veränderte Eingabedaten für ein Problem eine deutlich suboptimale Lösung zur Folge, oder zulässige Lösungen erweisen sich als unzulässig. Das Projekt ROBUKOM1, eine Kooperation aus fünf Forschungsgruppen zusammen mit dem Deut-schen Forschungsnetz und Nokia Siemens Net-works, widmet sich dieser Herausforderung: Optimierungsmodelle und Algorithmen für ein Netzdesign zu entwickeln, das robust gegen-über Abweichungen von den erwarteten Wer-ten in kritischen Daten ist.
Während Netzwerkdesign mit vollständigen und exakten Daten bereits vielfältig untersucht wurde, ist die Forschung bei der Berücksichti-gung von Unsicherheiten noch relativ jung. Wir konzentrieren uns daher darauf, wichtige theo-retische Lücken zu füllen, ohne dabei die prak-
tischen Aspekte und Anforderungen aus den Augen zu verlieren.
Im Rahmen von ROBUKOM werden im Wesent-lichen zwei Arten von Unsicherheiten betrach-tet:5 Unsicherheit im Hinblick auf das Verkehrs-aufkommen und Unsicherheit über mögliche Ausfälle. Erstere betrifft Abweichungen im Verkehr, die auf natürliche Weise entstehen: Die Menge der übertragenen Daten verändert sich im Laufe der Zeit und erreicht Spitzenwerte, die deutlich vom Durchschnittswert abweichen können. Die Auslegung des Netzes auf Grund-lage des (unwahrscheinlichen) gleichzeitigen Auftretens aller Spitzenwerte (vgl. Abb. 2) wäre zu teuer, denn sie würde die Installation von großen Kapazitäten erforderlich machen, wel-che jedoch die meiste Zeit über gar nicht genutzt würden. Die zweite Art der Unsicherheit betrifft Ausfälle von Netzwerkkomponenten: Knoten und Verbindungen eines Netzes fallen aus ei-ner Vielzahl von Gründen aus, z. B. weil Kabel bei Bauarbeiten durchtrennt werden oder es zu Funktionsstörungen in der technischen Ausrü-stung kommt. Das Netzwerk sollte ausreichend redundant ausgelegt sein, um schnell Ersatz für unterbrochene Kommunikationswege zu schaf-fen, ohne dass die Nutzer davon beeinträchtigt werden. Ähnlich wie im ersten Fall würde eine „zu hohe“ Redundanz, die Schutz vor extremen Ausfallszenarien bietet (wenn zahlreiche Kom-ponenten gleichzeitig ausfallen), ein zu teures Netz erforderlich machen, bei dem ein großer Teil der vorgehaltenen Kapazität über längere Zeit hinweg ungenutzt bliebe.
Um Schutz vor Datenunsicherheit zu bieten, ohne in übermäßigen Konservatismus zu ver-fallen, sind daher spezielle Ansätze nötig. In ROBUKOM untersuchen wir neueste Model-le und Algorithmen im Bereich der Robusten
��Abb. 1:
Wissenschaftsnetz X-WiN
des Deutschen For-
schungsnetzes.2
��Abb. 2:
Verkehr auf drei verschie-
denen Verbindungen
in einem Netz; von den
Durchschnittswerten
abweichende Spitzen
treten selten zu gleicher
Zeit auf.3
1 A. Koster, C. Helmberg, A. Bley, M. Grötschel, and T. Bauschert. bmbf project robukom: robust communication Networks. In Proceedings of the ITGWorkshop Euro View. VDE Verlag, 2012 2 http://www.dfn.de/xwin 3 C. Raack. capacitated Network design – multi-commodity flow formulations,cutting planes, and demand uncertainty. PhD thesis, Technische Universität Berlin, 2012. URL https://www.createspace.com/3934530 4 A. Bley,F. D’Andreagiovanni, and A. Hanemann. robustness in communication networks: scenarios and mathematical approaches. In Proceedings of the ITGSymposium on Photonic Networks, number 228 in ITG Fachbericht, pages 105–112. VDE Verlag, 2011
Topologie X-WiN
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Optimierung. Ein wesentliches Merkmal in der Robusten Optimierung ist die Einführung zu-sätzlicher Nebenbedingungen, die Lösungen ausschließen, die nicht gegenüber „ungün-stigen“ Abweichungen von Koeffizienten ge-schützt sind. Hierfür haben wir ein Unsicher-heitsmodell entwickelt, welches das klassische, von Bertsimas und Sim eingeführte Modell erweitert und verfeinert. Das Bertsimas-Sim-Modell5 geht davon aus, dass jeder unsichere Koeffizient innerhalb eines symmetrischen In-tervalls (Bands) variiert, das um den erwarteten Wert zentriert ist (Abb. 3) und zudem höchstens
verschiedene Koeffizienten zu einem gege-benen Zeitpunkt von ihrem jeweiligen erwar-teten Wert abweichen. Die Verwendung eines einzigen, symmetrischen Bands für die Ver-teilung schränkt jedoch die Möglichkeiten für die Optimierung sehr stark ein: Im Bertsimas-Sim-Modell tauchen nur noch die Extremwerte auf, was zu einer unrealistischen und unnötig großen Unsicherheitsmenge führt, falls z. B. die Abweichungen von den erwarteten Wer-ten asymmetrisch verteilt sind. Für praxisnahe Anwendungen wird daher ein realistischeres Modell mit einer besseren Auflösung des Ab-weichungsbands benötigt. Dies wird dadurch erreicht,6 dass das gesamte Intervall in meh-rere kleine Bänder aufgeteilt wird, von denen jedes einen eigenen Maximalwert für die An-zahl der abweichenden Koeffizienten hat (Abb. 4). Dieses Modell ist besonders nützlich, wenn historische Daten über die Unsicherheit zur
das proJekt in kürze: Der Umgang mit Unsicherheiten im Netzwerkdesign ist eine Heraus-forderung, die in realen Telekommunikations-Netzwerkumgebungen nicht länger ignoriert werdenkann. Das Projekt ROBUKOM zielt darauf ab, Optimierungsmodelle und Algorithmen zu entwickeln, die Abweichungen im Verkehrsaufkommen und Ausfälle von Netzwerkkomponenten berücksichti-gen. Die ZIB-Forschungsgruppe konzentriert sich auf die Entwicklung eines neuen Multiband-Ab-weichungsmodells für Robuste Optimierung, das das klassische Einbandmodell von Bertsimas und Sinn erweitert, dessen Eleganz, Einfachheit und rechnerische Durchführbarkeit jedoch beibehält.
Abb. 6:
Kostenersparnis bei
der Verwendung des
Multiband-Modells ge-
genüber dem klassischen
Bertsimas-Sim-Modell
Abb. 3:
Abweichungsintervall
beim Einband-Modell
Abb. 4:
Abweichungsintervall
beim Multiband-Modell
Abb. 5:
Histogramm von gemes-
senen Daten; der dunkle
Balken kennzeichnet die
Anzahl der Koeffizienten
mit Abweichung zwischen
40% und 50% vom erwar-
teten Wert.
5 D. Bertsimas and M. Sim. the price of robustness. Opererations Research, 52(1):35–53, 2004 6 C. Büsing and F. D’Andreagiovanni. New resultsabout multi-band uncertainty in robust optimization. In Proceedings of the 11th International Conference on Experimental Algorithms, SEA 2012, pages63–74. Springer Verlag, 2012 7 C. Büsing and F. D’Andreagiovanni. robust optimization under multi-band uncertainty – part i: theory. ZIB Report 13-10,ZIB, Takustr. 7, 14195 Berlin, 2013. URL http://opus.kobv.de/zib/volltexte/2013/TODO
− dmax dmax
# Abweichungen
− dmax dmax
# Abweichungen
-100% 100%
# Abweichungen
Verfügung stehen, beispielsweise durch Ver-kehrsmessungen; so kann die Verteilung von beobachteten Daten besser (vgl. Abb. 5) ange-nähert und effektiv in ein Optimierungsmodell überführt werden. In der Tat führt dieses Mo-dell zu weniger konservativen und damit kos-tengünstigeren Lösungen, wie erste Testrech-nungen nahelegen (Abb. 6).
Aus mathematischer Sicht führt der Übergang vom Einband- zum Multiband-Modell dazu, dass sich einige Resultate von Bertsimas und Sim nicht mehr so einfach übertragen las-sen. Wir konnten jedoch einige Eigenschaf-ten zeigen, welche für die Lösbarkeit robuster gemischt-ganzzahliger linearer Programme (MILP) besonders wichtig sind.7 Zum einen ist ein auf dem Multiband-Modell basierendes ro-bustes MILP kompakt, das heißt, aufgrund der Robustheit kommt nur eine polynomiale Anzahl von Variablen und Bedingungen zusätzlich ins Spiel; darüber hinaus ist es linear, das heißt, es bleibt ein (kontinuierliches) lineares Programm, falls die Version ohne Berücksichtigung von Ro-bustheit bereits ein solches war. Zum anderen kann die Separation von Kandidaten für eine robuste Lösung (robustness cut) durch das Lö-sen eines Min-Cost-Flow-Problems ausgeführt werden; dies impliziert, dass die Identifikation von nicht-robusten Lösungen in einem Schnitt-ebenenverfahren, bei dem die Robustheitsbe-dingungen im Laufe des Lösungsprozesses sukzessive hinzugefügt werden, effizient ist.
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supply chain management entwicklung neuer methoden der linearen und ganzzahligen program-mierung zur lÖsung Von supply-chain-management-problemen
bearbeitet von: Gerald Gamrath, Thorsten Koch, Matthias Miltenberger
kooperation/förderung: SAP Deutschland AG & Co. KG, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
weitere informationen unter: http://www.zib.de/Optimization/Projects/MIP/scm
Supply-Chain-Management (SCM) beschäftigt sich mit der Optimierung der Wertschöpfungs-kette eines Unternehmens. Dies fängt bei der Wahl der Zulieferer an und reicht bis zur Auslie-ferung produzierter Güter an den Kunden. Da-zwischen werden Entscheidungen über Einkauf, Transport, Lagerung und Weiterverarbeitung der Güter getroffen. Die Wertschöpfungskette ist symbolisch in Abb. 1 dargestellt. Eine zentra-le Rolle nimmt hierbei die Produktionsplanung ein: Basierend auf gegebenen Kundenbestel-lungen oder der prognostizierten Nachfrage entscheidet sie, wann welche Produkte wo pro-duziert werden. Dabei stellt sie sicher, dass die für die Produktion benötigten Materialien am jeweiligen Standort im ausreichenden Maße vorhanden sind, berücksichtigt Kapazitätsre-striktionen, wie z. B. die Anzahl der verfügbaren Arbeiter, und versucht, Lagerkosten durch mög-lichst späte Produktion zu reduzieren.
Die integrierte Planung des gesamten Wert-schöpfungsprozesses beinhaltet ein hohes Op-timierungspotenzial und ist daher von großer Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit von Unter-nehmen. Unser Industriepartner SAP entwickelt eine Software, die Unternehmen die Möglich-keit bietet, ihre Wertschöpfungskette detailliert zu modellieren. Dies beinhaltet u. a. genaue Beschreibungen der Produktionsmodelle, Ka-pazitätsrestriktionen, Produktions-, Lager-, Transport- und Lieferkosten. Für verschiedene
Zeitperioden (z. B. Tage oder Wochen) werden außerdem feststehende Warenzugänge, Kun-denbestellungen und Nachfrageprognosen an-gegeben. Zur Optimierung der Supply-Chain wird aus diesen Daten dann ein gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsproblem (MIP) generiert. Im folgenden Optimierungs-prozess kommt es weniger auf exakte Opti-mallösungen an, als vielmehr auf verlässliche und zulässige Lösungen, die schnell berechnet werden, um bei der Planung und Organisation komplexer Versorgungsnetze eingesetzt wer-den zu können.
Ziel dieses Projekts ist es, die akademische Softwarebibliothek der scip optimization sui-te so an die Problemstellung anzupassen, dass sie für diesen Zweck effektiv eingesetzt werden kann. Dazu werden sowohl bestehende Kom-ponenten verbessert als auch neue entwickelt. Hierfür wurden vom Industriepartner eine Viel-zahl anonymisierter Testinstanzen bereitgestellt, die aus dem aktuellen Betrieb stammen. Dabei handelt es sich um verschiedene Kundenmodel-le, die in unterschiedlichen Verfeinerungsstufen vorliegen. So variiert die Größe der Instanzen zwischen eher klein, mit wenigen tausend Va-riablen und Bedingungen, und sehr groß, mit mehreren Millionen Variablen und Nebenbe-dingungen. Die meisten der Instanzen enthal-ten Ganzzahligkeitsbedingungen für einen Teil der Variablen. Für diese ist ein festes Zeitlimit vorgegeben, in dem eine zulässige Lösung ge-funden werden muss. Die restlichen Instanzen stammen aus Modellen, die zu komplex sind, um in annehmbarer Zeit mit Ganzzahligkeits-bedingungen gelöst zu werden, weswegen sie als reines LP1 modelliert wurden. Im Laufe des Projekts sind die Instanzen in regelmäßigen Ab-ständen aktualisiert und mit unserer Hilfe ver-bessert worden.
1 Lineares Programm
�� Abb. 1:
Symbolische Darstellung
eines Supply-Chain-
Netzwerks. Materialien
werden bei Zulieferern
(links) eingekauft und in
Fabriken (Mitte links) zu
Zwischen- und Endpro-
dukten weiterverarbeitet.
Endprodukte werden zu
Distributionszentren (Mit-
te rechts) transportiert
und von dort an Kunden
(rechts) ausgeliefert.
� Abb. 2:
Bewertungsfunktion: pb
ist der Zielfunktionswert
der besten im Zeitlimit
gefundenen Lösung.
� Abb. 3:
Vergleich der scip opti-
mization suite mit dem
Referenzlöser. Auf einem
Großteil der Instanzen
sind beide gleichwertig,
auf einigen (links) besteht
noch Verbesserungs-
potenzial, während auf
anderen (Mitte, rechts)
ein besseres Lösungsver-
halten erziehlt wird.
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das proJekt in kürze: Das Projekt beschäftigt sich mit der schnellen Lösung vor allem nume-risch anspruchsvoller und großer Instanzen aus dem Supply-Chain-Management. Hierbei ist nicht primär die Optimallösung gesucht, sondern eine möglichst gute Lösung innerhalb fest vorgege-bener Zeitbeschränkungen. Zur Berechnung wird die scip optimization suite verwendet, die im Laufe des Projekts um neue Komponenten erweitert wurde. Außerdem wird die Modellgenerierung auf Industrieseite mit unserer Hilfe schrittweise verbessert, um grundlegende Probleme schon im Ansatz zu vermeiden.
Um den Projektfortschritt zu messen, eignet sich die in Abb. 2 definierte Score-Funktion, die die beste von scip gefundene Lösung in Re-lation zu der des Referenzlösers setzt. Die ak-tuellen Scores der Testinstanzen sind in Abb. 3 dargestellt.
Eine numerische Schwierigkeit besteht in den mitunter sehr unterschiedlich großen Koeffizi-enten der Modelle, die sich bis zu Größenord-nungen von mehreren Milliarden unterschei-den können. Probleme dieser Art sind überaus schlecht konditioniert2 und numerisch schwierig zu handhaben. So lassen sich einige Probleme nur dann korrekt lösen, wenn die Rechenge-nauigkeit verfeinert, das heißt, die Zulässig-keitstoleranz verschärft wird. Da die Kondition eine Eigenschaft des Problems selbst ist, kann sie nur bedingt algorithmisch behandelt wer-den und erfordert vielmehr eine vorausschau-ende Modellierung. Daher ist ein weiteres Ziel des Projekts, die Modellierungsschnittstelle zu verbessern und die Anwender und Designer für diese Problematik zu sensibilisieren. In Abb. 6 lässt sich der Fortschritt in Bezug auf die Lösbar-keit der Instanzen ablesen. So werden mit der aktuellen Version der scip optimization suite innerhalb der vorgegebenen Zeit Lösungen für alle Instanzen gefunden, wobei ca. die Hälfte der Probleme zur Optimalität gelöst wird und für weitere 15% der Instanzen der Optimalitäts-gap unter 10% liegt.
2 Die Kondition eines Problems ist die Variabilität der Lösung bei Störungen in den Ausgangsdaten. 3 soplex ist eine Implementierung des Simplexalgorithmus und Teil der scip optimization suite. 4 Presolving bezeichnet Problemreduzierungen und -vereinfachungen, die vor dem eigentlichen Lösen durchgeführtwerden.
Abb. 6:
Prozentuale Verteilung
aller MIPs in vier Klassen
und deren Entwicklung im
Laufe des Projekts. Mit der
neuesten Version werden
zu allen Problemen zuläs-
sige Lösungen gefunden.
Abb. 4:
Darstellung des Simplex-
algorithmus.
Abb. 5:
Visualisierung der vom
Komponentenpresolver
erkannten Teilprobleme.
Zeilen und Spalten sind so
umsortiert, dass die Struk-
tur der Matrix erkennbar
wird. Der Presolver kann
daraufhin die zu den
vier kleineren Blöcken
korrespondierenden
Teilprobleme in wenigen
Hundertstelsekunden zur
Optimalität lösen und die
Problemgröße damit um
fast 30% reduzieren.
Es wurden zahlreiche Codeverbesserungen und Neuimplementierungen vorgenommen, um diese Ergebnisse zu ermöglichen. Zum einen sind hier Verbesserungen in soplex3 zu nennen, die die Berechnungen der LP-Relaxierungen im MIP-Lösungsprozess beschleunigen. Es gab strukturelle Neuentwicklungen im Pricing, also der Pivotauswahl im Simplexalgorithmus, und im Ratio-Test, welcher hauptverantwortlich für die Stabilität des Verfahrens ist. Ein weiterer wichtiger Punkt sind Arbeiten im Bereich des Presolvings4. Es ist speziell unter den Bedin-gungen dieses Projekts von großer Wichtigkeit, eine gute Presolving-Strategie zu haben. Auf der einen Seite sollen viele Fixierungen und Verein-fachungen gefunden werden, um das spätere Lösen zu beschleunigen, auf der anderen Sei-te muss nach dem Presolving noch genug Zeit bleiben, um Lösungen zu finden. Besonders hervorzuheben ist hierbei der Komponentenpre-solver, der hauptverantwortlich für den großen Fortschritt zwischen Version 2.1.0 und 2.1.1 ist (siehe Abb. 6). In den Instanzen sind oft einzelne Standorte oder Produktlinien vollständig unab-hängig von dem Rest des Problems. Der Pre-solver erkennt diese Teilprobleme und löst sie separat. Dies geschieht vollständig automatisch und lässt sich sehr effizient einsetzen. Einige der Instanzen zerfallen in mehrere hundert unab-hängige Teilprobleme. Die Matrixstruktur einer Instanz mit fünf unabhängigen Problemen ist in Abb. 5 dargestellt. In Planung sind außerdem problemspezifische Heuristiken, also Verfahren, welche Kenntnisse über die Beschaffenheit des Problems ausnutzen, um zulässige Lösungen zu erzeugen. Darüber hinaus sind weitere Dekom-positionstechniken denkbar, die in jedem Schritt immer nur einen Teil der Produkte oder Perio-den betrachten, obwohl diese im Gegensatz zu der aktuell durchgeführten Dekomposition nicht unabhängig vom Rest des Problems sind.
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mathematik in der konferenzplanung optimierter programmplan für die ismp2012bearbeitet von: Ralf Borndörfer, Alexander Tesch
weitere informationen unter: http://ismp2012.mathopt.org/
Das International Symposium on Mathematical Programming (ISMP) ist die größte Konferenz im Bereich der mathematischen Optimierung. Alle drei Jahre findet sie in einer anderen Stadt auf der Welt statt. Für den 19.–24. August 2012 war Berlin als Veranstaltungsort gewählt wor-den (Abb. 1 und 3). Die Hörsäle und Räume der TU Berlin sollten dafür genutzt werden, den rund 2000 Besuchern ausreichend Platz für fach-lichen Austausch und interessante Vorträge zu gewähren. Das ZIB wurde dabei mit der Aufga-be betraut, einen Programmablaufplan für die Konferenz zu erstellen.
Die ISMP2012 war die größte Optimierungsta-gung, die jemals stattfand (Tab. 1 und 2).
Rund 1700 angemeldete Vorträge mussten auf 600 „Sessions“ zu je drei Vorträgen verteilt wer-den, die dann zu täglich drei festen Vortrags-zeiten stattfinden sollten. Um die große Anzahl an Vorträgen unterbringen zu können, fanden zu jedem Zeitpunkt 40 Sessions gleichzeitig in ver-schiedenen Räumen statt.
Das Planungsproblem bestand darin, allen Ses-sions einen festen Vortragszeitpunkt und einen festen Raum zuzuordnen. Dabei waren sehr viele Bedingungen einzuhalten, was eine Pla-nung per Hand nahezu unmöglich machte. Da-raufhin wurde eigens für diese Konferenz eine Optimierungssoftware entwickelt. Unser Ansatz zerlegt das Grundproblem in drei kleinere, ein-fachere Teilprobleme, die nacheinander gelöst werden. Die Teilprobleme gliedern sich dabei in: zeitliche Zuordnung, Zuordnung zu „Streams“ und räumliche Zuordnung von Sessions. Die zeitliche Zuordnung teilt jeder vorhandenen Session einen festen Vortragszeitpunkt in der Konferenz zu. Dabei wird beachtet, dass zu je-dem Zeitpunkt nur die Sessions stattfinden, die bezüglich einer prognostizierten Teilnehmeran-zahl in die vorhandenen Räume passen. Diese hatten unterschiedliche Kapazitäten von 20 bis 390 Sitzplätzen. Das Programm verwendet zur Prognose ein integriertes Attraktivitätsmodell, das die erwarteten Teilnehmerzahlen für jede Session berechnet. Zudem wird dahingehend optimiert, dass thematisch ähnliche sowie sehr beliebte Sessions über die Länge der Konferenz gleichverteilt werden (Abb. 2 und 6). Damit soll ein gleichmäßig interessantes Programm für die gesamte Dauer der Konferenz gesichert wer-den. Hinzu kamen 250 zusätzliche individuelle Anfragen seitens der Vortragenden. Beispiels-weise haben viele Teilnehmer einen Termin für ihren Vortrag priorisiert, da ihnen ein Verbleib über die gesamte Konferenz nicht möglich war.
�� Abb 2:
Verteilung von populären
Sessions (rot) auf Räume
mit unterschiedlichen
Kapazitäten (rechts).
�� Abb. 1:
Das Logo der ISMP2012.
�� Abb. 3:
Im Konzerthaus am Gen-
darmenmarkt fand die
Eröffnungveranstaltung
der ISMP2012 statt. Dort
wurden zahlreiche Preise
der Mathematical Opti-
mization Society (MOS)
verliehen.
optimieruNG | 65konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
Abb 5:
SPIEGEL-Online veröf-
fentlicht einen Artikel
über die Optimierung des
ISMP2012-Konferenzplans.
Solche Nebenbedingungen werden bei der zeit-lichen Zuordnung ebenfalls berücksichtigt. Im nächsten Optimierungsschritt werden Sessions zu sogenannten Streams zusammengefasst. Ein Stream beschreibt eine Sequenz von Sessions, die zeitlich aufeinanderfolgend in einem Raumstattfinden, vorerst ohne einem konkreten Raum zugeordnet zu sein. Hierbei sollen the-matisch ähnliche Vorträge zeitlich nacheinander innerhalb desselben Streams stattfinden. Auf diese Weise soll ein Bezug zwischen dem Raum und den dort vorgestellten Themen geschaffen werden. Die Orientierung für die meist interna-tionalen Gäste wird denkbar erleichtert. Bei der
das proJekt in kürze: Für die ISMP2012 sollte ein Programmplan für den Ablauf der 600 angemeldeten Sessions erstellt werden. In der Woche der Konferenz fanden zu täglich drei Vor-tragszeiten 40 parallele Sessions statt. Dafür musste jeder Session ein fester Raum- und Zeitslot zugewiesen werden, wobei Überlagerungen von verschiedenen Sessions ausgeschlossen werden mussten. Es wurde unter anderem nach folgenden Kriterien optimiert: gleichmäßige Themen-verteilung, gleichmäßige Verteilung von attraktiven Sessions, Zuordnung von attraktiven Sessions in große Räume, individuelle Terminanfragen und Minimierung der Raumwechselzeiten.
Abb. 4:
Kurze Wege zwischen
ähnlichen Sessions.
Tab. 1:
Die Zahlen im Vergleich:
CPAIOR am Konrad-Zuse-
Institut und die ISMP2012
an der TU-Berlin.
Tab. 2:
Die Besucher der
ISMP2012 kamen aus 68
Ländern von sechs
Kontinenten.
Abb. 6:
Zeitliche Verteilung von
Clustern und Attraktivität
der Sessions.
CPAIOR ’11 ISMP 2012
Teilnehmer 150 2.191
Teilnehmerländer 19 68
Talks 37 1.741
Sessions 9 595
Cluster 4 24
parallele Streams 1 40
abschließenden räumlichen Zuordnung wird je-dem Stream ein Raum zugewiesen. Dabei sollen Streams, die thematisch ähnliche Sessions ent-halten, in nah beieinander liegenden Räumen stattfinden (Abb. 4). Für die kurzen Pausen zwi-schen den Vorträgen werden so die Laufwege deutlich verkürzt. Hektische Wechsel zwischen Stockwerken oder gar zwischen den zwei ver-wendeten Gebäuden werden ausgeschlossen.
Die Programmoptimierung war ein voller Er-folg. Eine Konferenzplanung dieser Art gab es unseres Wissens bisher noch nicht. SPIEGEL- Online berichtete zu diesem Anlass direkt von der ISMP in dem Artikel: „Das optimieren wir mal“ (Abb. 5).
Nation
Teilnehmerzahl 477 452 127 99 84 74 65 59 55 53 46 44 37 35 35 32 31 26 25 24 24 24
Port
uga
l
Türk
ei
Isra
el
Ch
ile
Sin
gap
ur
Bel
gie
n
Ind
ien
Ru
ssla
nd
Sp
anie
n
Sch
wed
en
Sch
wei
z
Ch
ina
Öst
erre
ich
Jap
an
Nie
der
lan
de
Kan
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Italie
n
Gro
ßb
rita
nn
ien
Bra
silie
n
Fran
krei
ch
US
A
Deu
tsch
lan
d
optimieruNG | 66konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
projekte der AbteiluNG optimieruNGAlle projekte im Netz ausführlich unter: www.zib.de/de/optimierung/projekte.html
Matheon-b3:
integrierte planung von multi-layer
telekommunikationsnetzen
url: www.zib.de/Optimization/Projects/
Telecom/Matheon-B3
mitarbeiter: M. Grötschel, C. Raack,
R. Wessäly
partner: atesio, DFN-Verein, Nokia Sie-
mens Networks, IBM/ILOG, RWTH Aachen,
Telecommunication Networks Group der TU
Berlin, Matheon-B15
forschungsförderung:
DFG-Forschungszentrum Matheoninhalt: Realistische Modelle und geeignete
Algorithmen zur Netzplanung.
Matheon-b15:
Angebotsplanung im
öffentlichen Nahverkehr
url: www.zib.de/Optimization/Projects/
TrafficLogistic/Matheon-B15
mitarbeiter: R. Borndörfer,
M. Grötschel, M. Karbstein,
partner: ViP Verkehrsbetrieb Potsdam, Stadt
Potsdam, Matheon-B3, Matheon-B20,
Matheon-F4
forschungsförderung:
DFG-Forschungszentrum Matheoninhalt: Entwicklung mathematischer Opti-
mierungsmethoden zur Angebotsplanung
im öffentlichen Nahverkehr.
Matheon-b20:
optimierung von Gastransportnetzen
url: www.zib.de/Optimization/Projects/
MIP/Matheon-B20
mitarbeiter: T. Berthold, B. Hiller,
M. Grötschel, A. Gleixner, S. Heinz, T. Koch,
S. Vigerske (HU Berlin), K. Wolter, F. Serrano
partner: Matheon-B15, Matheon-C7,
ForNe, TU Braunschweig, TU Darmstadt, HU
Berlin, Siemens, IBM, GAMS Development
forschungsförderung:
DFG-Forschungszentrum Matheoninhalt: Lösung von Optimierungsproblemen,
wie sie im Gastransport und anderen Anwen-
dungen auftreten.
Matheon-b22:
umlaufplanung im schienenverkehr
url: www.zib.de/de/optimierung/traffic/
projekte-lang/Matheon-b22
mitarbeiter: R. Borndörfer, M. Grötschel,
O. Heismann
partner: Matheon-B15, -B23
forschungsförderung: DFG-Forschungszen-
trum Matheoninhalt: Identifizierung und Analyse typischer
Strukturen in Umlaufplanungsproblemen
im Schienenverkehr.
exAkte GANZZAHliGe optimieruNG
url: www.zib.de/Optimization/Projects/
MIP/ExactIP
mitarbeiter: M. Grötschel, T. Koch,
K. Wolter
partner: Georgia Institute of Technology
(Atlanta), TU Braunschweig, U de Chile
(Santiago de Chile)
forschungsförderung: DFG-Schwerpunkt-
programm 1307 „Algorithm Engineering“
inhalt: Das Ziel dieses Projektes ist die Ent-
wicklung eines exakten IP-Lösers.
ibm/Zib-kooperAtioN
url: www.zib.de/Optimization/Projects/MIP
mitarbeiter: T. Berthold, M. Grötschel,
T. Koch, C. Raack, Y. Shinano
partner/forschungsförderung: IBM/ILOG
inhalt: Forschungsergebnisse zur allgemei-
nen ganzzahligen Optimierung, die in den
Lösern scip und cplex eingesetzt werden.
siemeNs/Zib-kooperAtioN
url: www.zib.de/Optimization/Projects/
MIP/Siemens
mitarbeiter: A. Gleixner, M. Grötschel,
T. Koch
partner: Siemens, TU Darmstadt
forschungsförderung: Siemens
inhalt: Weiterentwicklung von LP- und
IP-Lösungssoftware, insbesondere scip
und soplex, unter besonderer Berücksichti-
gung von Anforderungen, die bei Siemens
entstehen.
ugfrAme
mitarbeiter: S. Heinz, T. Koch, Y. Shinano
partner: Chuo University, Japan
inhalt: Entwicklung einer Bibliothek für
massiv paralleles MIP-Lösen.
forNe
optimierung von Gastransportnetzen
url: www.zib.de/Optimization/Projects/
energy/forne
mitarbeiter: A. Fügenschuh, M. Grötschel,
B. Hiller, J. Humpola, T. Koch, T. Lehmann,
R. Schwarz, J. Schweiger, F. Serrano
partner: U Hannover, U Duisburg-Essen,
HU Berlin, U Erlangen-Nürnberg,
TU Braunschweig, WIAS
forschungsförderung: Open Grid Europe
inhalt: Analyse und Optimierung von Gas-
transportnetzen.
bmwi-GAsNet
kapazitätsauswirkungen von Netzerweite-
rungen und Netzzusammenlegungen
url: www.zib.de/de/optimierung/energy/
projekte/projekte-kurz-archiv-detail/article/
n-kap.html
mitarbeiter: B. Hiller, J. Humpola, T. Koch,
R. Schwarz, J. Schweiger
partner: U Erlangen-Nürnberg, U Hannover,
U Duisburg-Essen, HU Berlin, TU Braun-
schweig
forschungsförderung: Bundesministerium
für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
inhalt: Verfahren, die es gestatten, in Gas-
netzen vorhandene Transportkapazitäten
auszunutzen bzw. kostengünstig Engpässe
zu beseitigen.
sAser
safe and secure european routing
url: http://www.zib.de/de/projekte/
aktuelle-projekte/projekte-detail/article/
saser-siegfried-1.html
mitarbeiter: F. D'Andreagiovanni,
F. Pfeuffer, A. Werner
partner: TU Berlin, Nokia Siemens Net-
works
forschungsförderung: Bundesministe-
rium für Bildung und Forschung (BMBF,
EUREKA)
inhalt: Potential von flexiblen Bit-Raten
und dynamischem Verkehr in zukünftigen
optischen Netzen.
multiperiod Network optimiZAtioN
planung beweisbar optimaler telekommu-
nikationsnetze
url: www.zib.de/de/optimierung/projekte/
projektdetails/article/multiperiod-network-
optimization.html
mitarbeiter: M. Grötschel, J. Pulaj
partner: Warsaw University of Technology,
Department of Computer Networks and
Switching
forschungsförderung: DFG, Ministerium f.
Bildung u. Wissenschaft, Polen
inhalt: Planung beweisbar optimaler
Telekomminikationsnetze unter Berück-
sichtigung unsicherer und über die Zeit
veränderlicher Bedarfe.
optimieruNG | 67konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
robukom
robuste kommunikationsnetze
url: www.robukom.de
mitarbeiter: F. D’Andreagiovanni,
M. Grötschel
partner: RWTH Aachen University,
Lehrstuhl II für Mathematik, TU Berlin, Ar-
beitsgruppe Kombinatorische Optimierung
und Graphenalgorithmen, TU Chemnitz,
Arbeitsgruppe Algorithmische und Diskrete
Mathematik, TU Chemnitz, Arbeitsgruppe
Kommunikationsnetze
forschungsförderung: Bundesministerium
für Bildung und Forschung (BMBF)
inhalt: Im Projekt ROBUKOM werden effizi-
ente Algorithmen zur Lösung von robusten
Multilayer-Netzwerkproblemen entwickelt.
vs-opt-rAil
mehrtägige zyklische umlaufplanung für
Züge
url: www.zib.de/de/optimierung/traffic/
projekte-lang/vs-opt-rail.html
mitarbeiter: R. Borndörfer, C. Schulz,
S. Weider
partner/finanzierung: LBW, IVU Traffic
Technologies
inhalt: Entwicklung eines Verfahrens zur
zyklischen Umlaufoptimierung im Sinne
einer „Giant Rotation“.
kosmos
url: www.zib.de/de/optimierung/traffic/
projekte-lang/kosmos.html
mitarbeiter: R. Borndörfer, A. Fügenschuh,
T. Klug, T. Schlechte
partner: Arbeitsgruppe Diskrete Optimie-
rung, TU Darmstadt, Arbeitsgruppe Algo-
rithmische und Diskrete Mathematik, TU
Chemnitz, Arbeitsgruppe Mathematische
Optimierung, TU Braunschweig, Arbeits-
gruppe Verkehrssysteme und -logistik, TU
Dortmund, DB Mobility Logistics,
Matheon Projekt B24: Scheduling Material
Flows in Logistics Networks
forschungsförderung: Bundesministerium
für Bildung und Forschung (BMBF)
inhalt: Fahrtrassenallokation im Schienen-
güterverkehr.
vr-opt – fahrzeugumlaufplanung für die
db fernverkehr AG
url: www.zib.de/de/optimierung/traffic/
projekte-lang/vehicle-rotation-planning/
article/vehicle-rotation-planning.html
mitarbeiter: R. Borndörfer, M. Reuther,
T. Schlechte, S. Weider
partner/forschungsförderung:
DB Fernverkehr AG
inhalt: Entwicklung eines voll integrierten
Modells und Lösungsverfahrens.
tollcoNtrolopt
optimierung des mautkontrolldienstes
url: www.zib.de/de/optimierung/projekte/
projektdetails/article/tollcontrolopt.html
mitarbeiter: R. Borndörfer, E. Swarat,
G. Sagnol
partner/forschungsförderung:
Bundesamt für Güterverkehr
inhalt: Planung der Touren und Dienste der
mobilen Kontrollteams für die LKW-Maut
auf deutschen Autobahnen.
ws-opt
Zyklische dienstreihenfolgeplanung im
öffentl. Nahverkehr
url: www.zib.de/de/optimierung/traffic/
projekte-lang/ws-opt.html
mitarbeiter: R. Borndörfer, C. Schulz,
S. Weider
partner/finanzierung: LBW, IVU Traffic
Technologies
inhalt: Entwicklung eines Verfahrens zur
Wochenschemaoptimierung.
desi
durchgängig energiesensible ikt-
produktion
url: www.desi-it2green.de
mitarbeiter: I. Olthoff, F. Pfeuffer, A. Werner
partner: Deutsche Telekom AG, Laborato-
ries, Alcatel-Lucent Deutschland AG, Joulex
GmbH, PASM Power and Air Condition
Solution Management GMbH
forschungsförderung: Bundesministerium
für Wirtschaft und Technologie (BMWi,
IT2Green-Programm)
inhalt: Energieeffizienz in Tele-
kommunikations netzen.
sAp
Neue technologien zur lösung von scm-
problemen
url: www.zib.de/Optimization/Projects/
MIP/scm
mitarbeiter: G. Gamrath, T. Koch, M. Milten-
berger
partner: SAP, U Erlangen-Nürnberg
forschungsförderung: SAP
inhalt: Entwicklung neuer Methoden der
linearen und ganzzahligen Programmie-
rung zur Lösung von Supply-Chain-Ma-
nagement-Problemen.
multi-fttx
multikriterielle optimierung zur planung
von fttx-Netzen
url: http://www.zib.de/de/optimierung/
projekte/projektdetails/article/multifttx.html
mitarbeiter: M. Grötschel, A. Werner
partner: Universität Wien, TU Wien
forschungsförderung: DFG-D-A-CH-
Förderung.
inhalt: Entwicklung von multikriteriellen
Optimierungsmodellen und algorith-
mischen Ansätzen für die Glasfaserzu-
gangsnetzplanung.
sfb – sustAiNAble mANufActuriNG
(teilprojekte A5 und A6)
url: www.zib.de/de/optimierung/mip/
projekte-lang/sfb1026-sustainable-
manufacturing/article/sfb-1026-sustainable-
manufacturing.html
mitarbeiter: R. Borndörfer, A. Fügenschuh,
S. Schenker, I. Vierhaus
partner: TU Berlin, BA f. Materialprüfung,
Fraunhofer IPK, WZB
finanzierung: DFG
inhalt: Entwicklung mathematischer Metho-
den zur Lösung von multikriteriellen (A5)
und systemdynamischen (A6) Optimie-
rungsproblemen beim Entwurf nachhal-
tiger Wertschöpfungsnetze.
turAN
das hypergraphische turan-problem
mitarbeiter: A. Raymond
forschungsförderung: ZIB Stipendium
inhalt: Polyedrische Untersuchung des
hypergraphischen Turan-Problems.
wissenschaftliche informationYes, we can!
wisseNscHAftlicHe iNformAtioN | 70konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
wissenschaftliche informationleitung: Dr. Thorsten Koch
weitere informationen unter: www.zib.de/de/sis
Die Abteilung Wissenschaftliche Information besteht aus den Arbeitsgruppen
• informationssysteme • kooperativer bibliotheksverbund berlin brandenburg (kobv) • museumsprojekt • webtechnologie und multimedia.
Wir verbinden modernste Informationstechno-logie mit Anwendungen für die Wissenschaft. Dabei verstehen wir uns sowohl als Dienstlei-ster wie auch als Motor für die Erforschung und Entwicklung neuer Methoden und Werkzeuge.
Die Partner unserer Projekte sind sowohl öf-fentliche Einrichtungen, wie die wissenschaft-lichen Bibliotheken und Museen, als auch Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen anderer Hochschuleinrichtungen und wissen-schaftlicher Institute.
Im Berichtszeitraum ist es gelungen, mit der Servicestelle Digitalisierung (digiS) ein beson-ders ambitioniertes Projekt des Landes Berlin in der Abteilung aufzubauen. Berlin spielt hier eine Vorreiterrolle für eine spartenübergreifende Koordinierung von Digitalisierungsprojekten. In unserem neuen Projekt EWIG wird zudem
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin wisseNscHAftlicHe iNformAtioN | 71
der Aspekt der langfristigen Speicherung von Forschungsdaten in Kooperation mit dem Geo-ForschungsZentrum in Potsdam und dem Insti-tut für Meteorologie der FU Berlin untersucht.
Die Arbeitsgruppe Informationssysteme entwi-ckelt Anwendungen, um mathematische Doku-mente automatisch zu klassifizieren und mithilfe bibliometrischer Analyseverfahren Ähnlichkeite-nuntersuchungen durchzuführen.
Der KOBV ist der zentrale Dienstleister und das Entwicklungszentrum für die Bibliotheken in der Region Berlin-Brandenburg. In prototypischen Anwendungen werden Suchmaschinentechno-logien weiterentwickelt und eingesetzt.
Das Kerngeschäft des KOBV ist der Betrieb des Bibliotheksportals, in dem über die Kataloge der beteiligten Einrichtungen gesucht werden kann.
Die Arbeitsgruppe Museumsprojekt betreut seit vielen Jahren die von ihr entwickelte auf Doku-mentation und Inventarisierung spezialisierte Datenbankanwendung.
Die erfolgreiche Software ist bei über zehn Ko-operationspartnern im Einsatz.
Die Arbeitsgruppe Webtechnologie und Mul-timedia betreibt diverse Dienstleistungen und Entwicklungen, um mathematisch rele-vante Informationen einer größeren Öffent-lichkeit zur Verfügung zu stellen. Neben der technischen und inhaltlichen Betreuung von Webservern gehört dazu auch der Betrieb von Open Access Journalen (Mathematical Pro-gramming Computation) und von Konferenz-servern, die im wissenschaftlichen Umfeld eingesetzt werden können.
Im Berichtszeitraum wurde der Internetauftritt des 21st International Symposium on Mathe-matical Programming (ISMP) in der Arbeits-gruppe realisiert. Mit über 1.700 Vorträgen und 2.000 Teilnehmern ist dieser Kongress eine der großen Veranstaltungen der internationalen Mathematik.
Zusätzlich wird weiterhin die Erfassung von einzelnen Veranstaltungen auf Videomaterial er-probt. Die inhaltliche und strukturelle Weiterver-arbeitung dieses Materials steht dabei im Mittel-punkt. Mit der Opensource Software Matterhorn steht erstmals auch ein für unsere Zwecke brauchbares Werkzeug zur Verfügung, welches zukünftig in der Arbeitsgruppe eingesetzt wird.
wisseNscHAftlicHe iNformAtioN | 72konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
webtechnologie und multimediabearbeitet von: Wolfgang Dalitz, Tim Hasler (seit 05/2006)
weitere informationen unter: www.zib.de/de/si/web-technologie-und-multimedia.html
e-lectureAuch für Forschungseinrichtungen werden zu-künftig Aufzeichnungen und Verbreitung von wissenschaftlich bedeutenden Veranstaltungen ein strategisch wichtiger Bereich. E-Lectures werden zunehmend als ein eigenständiger Pu-blikationszweig aufgefasst und haben darüber hinaus die Bedeutung, Aspekte beim Vortra-genden aufzuzeigen, die in bisherigen Publika-tionen naturgemäß nicht zum Tragen kommen können (Betonung, Mimik und Ausdruck)1.
Die Arbeitsgruppe Webtechnologie und Multi-media hat im Berichtszeitraum die Opensource Software Opencast Matterhorn evaluiert und plant, zukünftig damit eigene Veranstaltungen aufzuzeichnen und zu verbreiten.
Opencast Matterhorn2 ist eine Multimedia-umgebung, die die Möglichkeit bietet, (auto-matisiert) Vorträge aufzuzeichnen und aufzube-reiten. Der Kontext hierzu ist üblicherweise der E-Learning Einsatz an Universitäten mit festem Veranstaltungsprogramm. Am ZIB ist das Ein-satzszenario eher der Aufbau einer Sammlung von herausragenden Vorträgen. Aufgezeichnet wurden bisher Auslandsreisen von ZIB Mitar-beitern oder Gastvorträge bekannter Persön-lichkeiten am ZIB selbst. In der nächsten Phase wird dieser Dienst auch auch den Lehrenden am ZIB angeboten, die ihren Veranstaltungen an der TU bzw. FU eine E-Learningkomponente hinzufügen wollen.
1 http://www.tagesspiegel.de/wissen/digitale-revolution-der-lehre-harvard-fuer-alle/7593300.html (abgerufen 8.1.2013) 2 http://opencast.org/matterhorn/
Abb. 1:
Die Funktionen von
Opencast Matterhorn
sind hier entlang eines
Workflows durch die
vier Komponenten des
Systems ab gebildet.
Quelle: http://opencast.org/
matterhorn/features
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin wisseNscHAftlicHe iNformAtioN | 73
Matterhorn greift auf eine Sammlung von Werkzeugen aus der Open Source Communi-ty zurück. Vermittelt durch ein Java Framework (Apache Felix) kommen hier Tools wie FFmpeg zur Videobearbeitung, OCRopus mit Tesseract zur Texterkennung oder SOLR zur Indexierten Suche zum Einsatz. Die Kommunikation der Mo-dule untereinander erfolgt über Java APIs oder im bevorzugt verteilten Fall über REST Services.
Matterhorn bietet die Möglichkeit, verschie-dene Workflows zusammenzustellen, je nach gewünschtem Output, etwa für die populären iTunes University oder YouTube Channel. Da-bei wird der Videostream in die gewünschten Formate transformiert, zur Ausgabe auf mo-bilen Geräten oder im Browserfenster in HD. Die Präsentation wird nach einer Videoanalyse komprimiert und einer Texterkennung unterzo-gen (eine Texterkennung aus dem Audiomate-rial ist in der Entwicklung). Als Ergebnis sind
die Textinhalte der Präsentation durchsuchbar. Die Folienwechsel werden zur Segmentierung der Präsentation genutzt. So kann über eine Thumbnailvorschau direkt zu einer betref-fenden Folie in der Präsentation gesprungen werden.
Dadurch, dass Präsentation und Vortragender in getrennten Aufzeichnungen vorliegen, kann der Nutzer beim Abspielen des Vortrages selbst entscheiden, wie er seinen Schwerpunkt setzen möchte, eher auf das Vortragen oder aber die Präsentation.
Nach den gemachten sehr guten Erfahrungen wird jetzt ein Produktivsystem mit drei Servern (Admin, Worker, Deployment) installiert. Open-cast Matterhorn skaliert problemlos, so dass bei zusätzlichem Bedarf, beispielsweise im De-ployment, weitere Server mit diesem Profil ins Framework aufgenommen werden können.
das proJekt in kürze: Die Arbeitsgruppe Webtechnologie und Multimedia wird nach der erfolgreichen Evaluation, die Opensource Software Opencast Matterhorn einsetzen, um zukünftig eigene Veranstaltungen damit aufzuzeichnen und zu verbreiten. Matterhorn bietet eine hohe Flexi-bilät beim Aufzeichnen und bei der Verteilung der Vorträge über das Netz. Durch die weite Verbrei-tung im universitären Umfeld hat sich in den letzten Jahren eine stabile Community gebildet, die eine langfristige Nutzung garantiert.
Abb. 2:
Der Matterhorn Engage
Player bietet im Brow-
serfenster ohne spezi-
alisierte Software die
Möglichkeit, die Größe
der Viedeostreams zu ver-
ändern und zu einzelnen
Segmenten der Vorlesung
zu springen.
Quelle: Markus Ketterl,
http://opencast.jira.com/
secure/attachment/12260/
comment1.png
wisseNscHAftlicHe iNformAtioN | 74konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
kooperatiVer bibliotheksVerbund berlin-brandenburg (kobV)bearbeitet von: Steffi Conrad-Rempel, Hildegard Franck, Julia Goltz, Björn Kirchhoff (01-04/2012), Thorsten Koch, Renate Kraft, Monika Lill, Stefan Lohrum,
Jannis Polojannis, Wolfgang Peters-Kottig, Beate Rusch, Alexander Sichwardt (seit 06/2012), Edouard Simon (seit 10/2012), Jens Schwidder, Sascha Szott,
Doreen Thiede, Signe Weihe
förderung: Senatskanzlei – Kulturelle Angelegenheiten; Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Brandenburg
kooperation: Bibliotheken aus der Region Berlin-Brandenburg
weitere informationen unter: http://www.kobv.de
strAteGiediskussioNeN uNd ZukuNfts-AufGAbeN Wie muss die zukünftige Informationsinfra-struktur gestaltet sein, um die Wissenschaften am digitalen Arbeitsplatz angemessen unter-stützen zu können? Sind die vorhandenen, föderalen Strukturen für drängende Fragen wie die Lizenzverwaltung von elektronischen Medien, die Unterstützung von Open Access, die Langzeitverfügbarkeit von digitalen For-schungsdaten und digitaler Reproduktionen und den Aufbau und Betrieb von intelligenten, virtuellen Wissenschaftlerarbeitsplätzen ge-eignet? Wie kann der Nachweis von Biblio-theksbeständen kostengünstiger organisiert werden? Wie stellt sich dabei das Verhältnis zwischen Verbünden als Serviceanbietern für Bibliotheken und den kommerziellen Software-anbietern dar? Einem Vorschlag der Kultus-ministerkonferenz folgend hat der Wissen-schaftsrat im Jahr 2011 in einem aufwändigen Verfahren die deutsche Verbundlandschaft auf ihre Zukunftsfähigkeit hin evaluiert. Organi-satorisch und finanziell sehr unterschiedlich aufgestellt, differieren die sechs Bibliotheks-verbünde in Deutschland hinsichtlich ihrer Größe und ihrer technischen Ausrichtung und arbeiten dennoch in einem engen Geflecht aus Ko operationsbeziehungen miteinander. So gilt die deutsche Fernleihe international als vor-bildlich. Historisch bedingt gibt es allerdings nur für die Zeitschriften nicht aber für Mono-grafien einen nationalen Nachweis.
Für den Wissenschaftsrat standen nicht die ein-zelnen Organisationen im Mittelpunkt sondern das bibliothekarische Verbundsystem in der Gesamtheit, die erst aus der Zusammenschau der existierenden, weitgehend regional agie-renden, sechs Bibliotheksverbünde entsteht.
Aus dieser Perspektive erkennt der Wissen-schaftsrat deutliche Redundanzen und Mehr-fachangebote. In den „Empfehlungen zur Zu-kunft des bibliothekarischen Verbundsystems in Deutschland“ vom Februar 2011 sprach sich der Wissenschaftsrat dann auch für eine strukturelle Neuordnung aus, in der föderale Grenzen zugunsten einer neuen innovativen Arbeitsteilung aufgehoben werden.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat sich diesem Votum angeschlossen und im Januar 2012 das Programm „Neuausrichtung überre-gionaler Informationsservices“ ausgeschrie-ben. Diese Förderung richtet sich ausdrücklich auch an die Bibliotheksverbünde und hat eine bibliothekspolitische Neuordnung zum Ziel.
Der Kooperative Bibliotheksverbund Berlin-Brandenburg versteht sich in dieser Diskus-sion als Vorbild. In der strategischen Allianz zwischen dem KOBV und dem Bayerischen Bibliotheksverbund BVB wird die geforderte Arbeitsteilung und Entwicklungskooperation bereits gelebt. Die Katalogisierung mit den nachfolgenden Datenflüssen wird für drei Bundesländer gemeinsam organisiert. In ei-ner strategischen Entwicklungspartnerschaft werden gemeinsame Projekte gestaltet. Diese Kooperation ist als Partnerschaft auf Augen-höhe mit kooperativen Beteiligungsstrukturen ausgelegt und durch Vereinbarungen finanziell und organisatorisch festgeschrieben.
Dem DFG-Aufruf, Informationsservices für die Wissenschaften neu und gleichzeitig bundes-weit auszurichten, ist der KOBV zusammen mit seinem strategischen Partner, dem Bibli-otheksverbund Bayern, und weiteren Mitwir-kenden mit drei Projektanträgen gefolgt.
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin wisseNscHAftlicHe iNformAtioN | 75
Die Zukunft von bibliothekarischem Metadaten-management sehen KOBV und BVB ebenso wie der hessische Verbund HeBIS nicht natio-nal sondern international in Cloudstrukturen verankert. Diesen Übergang gilt es konzeptio-nell, organisatorisch und technisch frühzeitig zu begleiten. Dabei nehmen es die beteiligten Bibliotheken in Kauf, ihre Datenflüsse, Daten-strukturen und Systemarchitekturen grundle-gend zu reorganisieren. Für den KOBV gilt nach wie vor die Gründungsmaxime der Heteroge-nität. Den Bibliotheken muss die Wahl ihrer Softwareumgebung frei gestellt bleiben, auch wenn sie sich in neuen internationalen Cloud-strukturen bewegen. In einem DFG-Projekt will sich der KOBV diesen Strukturen stellen, durch Standardisierung Entscheidungsfreiheit bei der Systemwahl gewährleisten und kommerziellen Monopolbildungen entgegenwirken. Dabei gilt es, die Hoheit über die Daten nicht zu verlieren und die vielfältigen existierenden Kooperati-onsbeziehungen aufrechtzuerhalten. Auch die Funktion von Verbundzentralen als regionale Ansprechpartner und Kümmerer gerade für kleine Bibliotheken ist neu zu definieren.
Als Zukunftsthema gewinnt die Langzeitverfüg-barkeit von digitalen Medien eine immer stär-kere Bedeutung. Hier will sich der KOBV mit weiteren potenten Partnern am Aufbau einer Nationalen Langzeitarchivierungsinfrastruktur für das kulturelle Erbe beteiligen. Mit dem KOBV, dem Projekt digiS und der Arbeitsgrup-pe Massendatenspeicher ist das ZIB hier abtei-lungsübergreifend aktiv. Das ZIB liefert eine exzellente Speicherinfrastruktur, auf der der KOBV archivische Dienstleistungen für Biblio-theken und digiS für Museen und Archive an-bieten will.
GRACE steht für eine verteilte, generalisierte Cloudanwendung für die Wissenschaft, an der sich die Bibliotheken und Bibliotheksverbün-de wie der KOBV zusammen mit Hochschulre-chenzentren beteiligen wollen. Ziel ist es, ein Angebot für verteilt arbeitende Forschergrup-pen zu schaffen, in der sich eine gemeinsame Arbeitsumgebung aus einzelnen Bausteinen individuell zusammenstellen lässt. Speicher-kapazitäten, aber auch Wikis, Webseiten, Mai-linglisten und Literaturverwaltungsprogramme zum kollaborativen Arbeiten sollen einfach ver-fügbar sein und dediziert für die Wissenschaft betrieben werden.
Entsprechende Förderanträge für eine Anschub-finanzierung sind im Oktober 2012 bei der DFG eingereicht worden. Eine Entscheidung wird im März 2013 erwartet.
der kobv bietet den Zugang zu den Katalogen und Benutzerdiensten zahlreicher Bibliotheken in Berlin und Brandenburg. Für ihre Bibliotheken wirkt die KOBV-Zentrale am Zuse-Institut als Dienst-leistungs- und Entwicklungszentrum. KOBV-Mitgliedsbibliotheken (inkl. Gäste) sind 23 Universitäts- und Hochschulbibliotheken aus der Region, eine Bibliothek der privaten Hochschulen, beide Landes-bibliotheken, die Staatsbibliothek zu Berlin, zehn Bibliotheken der Obersten Bundesbehörden und 43 Forschungs- und Spezialbibliotheken. Dazu kommen als Partner der Verbund Öffentlicher Biblio-theken Berlins und Verbund der Öffentlichen Bibliotheken des Landes Brandenburg.
wisseNscHAftlicHe iNformAtioN | 76konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
digis – spartenübergreifende beratungs-stelle für digitalisierungsproJektebearbeitet von: Anne Bauknecht (seit 09/2012), Ralph Böhmert (seit 10/2012), Thorsten Koch, Marko Klindt (seit 10/2012), Anja Müller (seit 09/2012), Beate Rusch
förderung: Senatskanzlei – Kulturelle Angelegenheiten Berlin
weitere informationen unter: http://www.servicestelle-digitalisierung.de
2012 hat das Land Berlin ein Förderprogramm zur Unterstützung von Berliner Kulturinstituti-onen bei der Digitalisierung ihrer Sammlungen initiiert. Parallel dazu wurde die Servicestelle Digitalisierung am ZIB eingerichtet. digiS hat die Aufgabe, die am Förderprogramm beteili-gten Einrichtungen bei der Digitalisierung ihrer Kulturgüter, deren Präsentation und der Siche-rung der Langzeitverfügbarkeit zu beraten. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in den Bereichen Wissenstransfer und IT-Dienstleistung.
Ziel des Förderprogramms ist es, die öf-fentliche Sichtbarkeit des kulturellen Erbes Berlins auch im Hinblick auf die Deutsche Digi-tale Bibliothek zu erhöhen sowie für die Siche-rung der Langzeitverfügbarkeit der digitalen Objekte Sorge zu tragen. Ein eigenes Förderpro-gramm des Landes begründet sich aus dem der-zeitigen Mangel an (nationalen) Fördermöglich-keiten, insbesondere für kleinere Einrichtungen mit interessanten Beständen zur Stadtgeschich-te und Kultur sowie dem stetig steigenden An-spruch der Öffentlichkeit, Kulturgüter auch im Internet finden zu wollen. Das Land Berlin ist mit der Gründung der Servicestelle ein bundes-weiter Vorreiter für eine spartenübergreifende und landesweit zentrale Koordination von Di-gitalisierungsprojekten. digiS kooperiert auf regionaler Ebene mit der Koordinierungsstelle Brandenburg-digital und bundesweit auch mit der Deutschen Digitalen Bibliothek.
Im Rahmen der 2012 geförderten Digitalisie-rungsprojekte sammelten die Pilotpartner viel-fältige Erfahrungen bei der Digitalisierung von sehr unterschiedlichen Medienformen:
brücke-museum – Innerhalb des Projekts wer-den ca. 2.000 Ektachrom-Diapositive digitali-siert und präsentiert.
bröhan-museum – Das Projekt umfasst die Di-gitalisierung und Präsentation von Gemälden, sowie die Präsentation bereits digitalisierter Metall- und Glasobjekte aus der Sammlung des Museums.
stadtmuseum berlin – Das Stadtmuseum di-gitalisiert ca. 1.000 Objekte (Großformate, 3D-Darstellung) mit Berlinbezug sowie in einem zweiten Teilprojekt bisher unveröffentlichtes Material aus der Zille-Sammlung.
Zentral- und landesbibliothek – Die ZLB digitali-siert historische Berliner Adress- und Telefonbü-cher, die online präsentiert und mit einer Crowd-sourcing Komponente angereichert werden.
landesarchiv – In zwei Teilprojekten werden der Gebrauchskatalog der Landesbildstelle mit ca. 190.000 Fotos sowie 25.000 Glasplattennega-tive aus Fotografennachlässen mit Berlinbezug digitalisiert und im Web verfügbar gemacht. Zudem werden 1.300 historische Kartenblätter im Maßstab 1:4000 in einem prototypischen Geoinformationssystem digital präsentiert.
digis – die servicestelle digitalisierung berlin ist ein Pilotprojekt zur spartenübergreifenden Bera-tung, Unterstützung und Koordinierung von Digitalisierungsprojekten von kulturellem Erbe in Ber-lin. digiS ist seit Oktober 2012 am ZIB in der Abteilung Wissenschaftliche Information angesiedelt.
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin wisseNscHAftlicHe iNformAtioN | 77
ewig – langzeitarchiVierung Von forschungs-daten in den geowissenschaftenbearbeitet von: Tim Hasler (seit 05/2012), Thorsten Koch, Gabriel Müller (bis 08/2012), Wolfgang Peters-Kottig, Beate Rusch, Jens Schwidder (bis 03/2012)
kooperation: Helmholtz-Zentrum Potsdam, Deutsches GeoForschungsZentrum, Institut für Meteorologie der Freien Universität Berlin
förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
weitere informationen unter: http://ewig.gfz-potsdam.de
zept eines „Werkzeugkastens“ an, der diverse Softwarebausteine zur Prüfung der Integrität und Authentizität gelieferter Datenobjekte verfügbar macht. Da der Ingestprozess von Forschungsdaten in ein Langzeitarchiv den größten Anteil an den Kosten der langfristigen Archivierung ausmacht, kommt der Prüfung von Inkonsistenzen und Fehlern hier besonde-re Bedeutung zu.
Bei den Projektpartnern werden in der zweiten Projektphase institutionelle Policies zum For-schungsdatenmanagement entwickelt, die als Mustervorlage für verschiedene geowissen-schaftliche Institutionen dienen können. Poli-cies regeln die organisatorischen Aspekte des Umgangs mit produzierten Daten.
Außerdem werden in EWIG Konzepte für Lehr- und Weiterbildungsveranstaltungen entworfen und in der universitären Ausbildung erprobt, um das Thema Forschungsdatenmanagement stärker in der Fachwissenschaft zu etablieren. Im Wintersemester 2012/2013 startete dieser Projektteil mit dem Modul „Datenmanage-ment“ in der Bachelor-Ausbildung des Instituts für Meteorologie.
Abb. 1:
EWIG zielt auf die
Optimierung der
Übergabeschnittstelle
zwischen Datenproduzent
und Langzeitarchiv.
Das Projekt EWIG ist auf die Unterstützung der Übertragung von Forschungsdaten aus unter-schiedlichen Forschungsumgebungen in digi-tale Langzeitarchive ausgerichtet. Der Fokus der Arbeiten besteht in der Optimierung des Ingestprozesses an der Übergabeschnittstelle zwischen (disziplinspezifischem) Datenpro-duzent und Langzeitarchiv. Das Projektkon-sortium besteht neben dem KOBV im ZIB aus zwei geowissenschaftlichen Institutionen: dem GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) und dem Institut für Meteorologie der Freien Uni-versität Berlin. In den Geowissenschaften sind die Workflows und Infrastrukturen zum For-schungsdatenmanagement bereits vergleichs-weise weit entwickelt – dennoch gibt es Lücken im Datenfluss zwischen den unterschiedlichen Stationen im „Digital Curation Continuum“.
Die erste Projektphase diente zur Identifizie-rung von vorhandenen Lücken und Vernetzung mit vergleichbaren Projekten in Deutschland durch insgesamt 20 Expertengespräche mit Infrastruktureinrichtungen und Datenzentren. In der zweiten Phase wird am ZIB das Problem der technischen Qualitätssicherung von For-schungsdaten bearbeitet. Hier setzt das Kon-
permanent domain
private research domain
shared research domain
Ingest
Access
wisseNscHAftlicHe iNformAtioN | 78konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
ismp 2012
url: http://www.ismp2012.org
mitarbeiter: Wolfgang Dalitz, Klaus-Dietrich
Engel, Julia Goltz, Thorsten Koch, Winfried
Neun, Uwe Pöhle
inhalt: Der Webauftritt für das International
Symposium on Mathematical Program-
ming (ISMP), Veranstaltungsort war die TU
Berlin.
computeralgebra (reduce)
url: http://www.reduce-algebra.com
mitarbeiter: Winfried Neun
inhalt: REDUCE ist ein interaktives Compu-
teralgebrasystem, das am ZIB seit vielen
Jahren mitentwickelt und auf viele Systeme
portiert wird.
museumsprojekt
url: http://www.zib.de/de/si/museums-
software.html
mitarbeiter: Harald Eggers, Barbara Fichtl,
Beate Jahn, Carlos Saro
inhalt: Das Projekt „Entwicklung informa-
tionstechnischer Werkzeuge für Museen“
bietet EDV-technische Unterstützung von
Inventarisations- und Dokumentationsvor-
haben in Museen an und unterstüzt die
Vermittlung und Verbreitung international
anerkannter Standards in der deutschen
Museumswelt.
klassifikation und ähnlichkeitsanalyse
mathematischer publikationen
mitarbeiter: Susanne Gottwald, Thoralf
Klein, Thorsten Koch, Gunar Maiwald
inhalt: Das Ziel ist es, einen Proof-of-Con-
cept für die Mathematik zu entwickeln, der
basierend auf einem umfassenden Meta-
datengraphen mathematische Dokumente
klassifizieren, sie bibliometrisch analysieren
und Ähnlichkeiten der Dokumente unterei-
nander bestimmen kann.
opus
url: http://opus4.kobv.de
mitarbeiter: Susanne Gottwald, Thoralf
Klein, Thorsten Koch, Gunar Maiwald,
Beate Rusch, Jens Schwidder, Eduard
Simon, Sascha Szott, Doreen Thiede
inhalt: Das am ZIB entwickelte OPUS 4
System ermöglicht den Bibliotheken und
Hochschulen die Verwaltung ihrer Publi-
kationen. Es ist als Open Source Projekt
realisiert und bietet Such- und Veröffentli-
chungsfunktionen.
e-lecture
url: http://cine.zib.de/
mitarbeiter: Tim Hasler, Simon Putzke,
Wolfgang Dalitz
inhalt: Am ZIB stattfindende Veranstal-
tungen werden per Video aufgezeichnet
und zur Nachnutzung ins Netz gestellt.
mpc – elektronisches journal ‚mathemati-
cal programming computation’ (mpc)
url: http://mpc.zib.de
mitarbeiter: Thorsten Koch, Wolfgang Dalitz
inhalt: Das Journal MPC bietet einen voll-
ständigen elektronischen Workflow
(Einreichung, Review, Revision und Veröf-
fentlichung).
fachgruppe iuk der dmv/ÖmG
url: http://www.zib.de/IuK-DMV
mitarbeiter: Uwe Pöhle, Wolfgang Dalitz
inhalt: Web-Server der Fachgruppe
„Information und Kommunikation“ der
Deutschen Mathematiker-Vereinigung/
Österreichischen Mathematischen
Gesellschaft(DMV/ÖMG). ZIB Mitarbeiter
sind seit vielen Jahren im Sprechergremi-
um der Fachgruppe.
math-Net
url: http://www.math-net.org
mitarbeiter: Wolfgang Dalitz, Martin
Grötschel
inhalt: Koordinierungsstelle der
Aktivitäten im IuK-Bereich der Mathematik
in Deutschland.
projekte der AbteiluNG wisseNscHAftlicHe iNformAtioNAlle projekte im Netz ausführlich unter: http://www.zib.de/de/si.html
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin wisseNscHAftlicHe iNformAtioN | 79
projekte des kobvAlle projekte im Netz ausführlich unter: www.kobv.de/ueber_den_kobv/fe_projekte
Automatische fehleranalyse in bibliotheks-
katalogen (mable+)
url: www.kobv.de/ueber_den_kobv/
fe_projekte
mitarbeiter: Julia Goltz, Jens Schwidder
partner: Bibliotheksverbund Bayern (BVB)
inhalt: Konzeption und prototypische Ent-
wicklung eines Baukastensystems für die
automatisierte Analyse und Bearbeitung
von bibliographischen Metadaten.
contentvisualisierung fur bibliotheks-
kataloge
url: www.kobv.de/ueber_den_kobv/
fe_projekte
partner: Bibliotheksverbund Bayern (BVB)
mitarbeiter: Julia Goltz, Jens Schwidder
inhalt: Konzeptstudie zum Einsatz von
Visualisierungsmöglichkeiten z. B. der
Regensburger Verbundklassifikation in
Bibliothekskatalogen.
ewiG – entwicklung von workflow-
komponenten für die langzeitarchivie-
rung von forschungsdaten in den Geo-
wissenschaften
url: http://ewig.gfz-potsdam.de
mitarbeiter: Tim Hasler, Wolfgang Peters-
Kottig
partner: Helmholtz-Zentrum Deutsches
GeoForschungsZentrum Potsdam, Institut
für Meteorologie der FU Berlin
inhalt: Optimierung der Workflows zur
Übergabe von Forschungsdaten an digitale
Langzeitarchive.
Gemeinsame Normdatei für Aleph
url: www.kobv.de/ueber_den_kobv/
fe_projekte
mitarbeiter: Beate Rusch
partner: Hochschulbibliothekszentrum
NRW, Bibliotheksverbund Bayern, Österrei-
chischer Bibliothekenverbund und Service
GmbH, Ex Libris GmbH
inhalt: Konzeption und Implementierung
der Software zur Unterstützung der neuen
nationalen Normdatei für Personen,
Körperschaften und Sachschlagwörter in
den ALEPH-Katalogisierungsdatenbanken
(abgeschlossen in I Q 2012).
dieNstleistuNGeN fÜr beNutZer Aus
bilduNG uNd wisseNscHAft
kobv-bibliothekenführer
http://bibinfo.kobv.de/
kobv-portal mit online-fernleihe
http://digibib.kobv.de/
virtueller verbundkatalog
(film, judaica, Noten)
http://digibib.kobv.de/
dieNstleistuNGeN fÜr bibliotHekeN
Automatisierte fernleihe
www.kobv.de/infos_fuer_bibliotheken/
services_fuer_bibliotheken/fernleihe/
Asp-dienst Albert – library search engine
http://albert.kobv.de/
Asp-dienst opus- und Archivierungsdienste
www.kobv.de/bib_opus_archvierung.html
Asp-dienst portale und sfx
www.kobv.de/bib_konsortial.html
Asp-dienst primo
www.kobv.de/bib_primo.html
Asp-dienst verde
www.kobv.de/bib_verde.html
Hosting für lokale Applikationen
www.kobv.de/bib_hosting_software.html
kobv-index
www.kobv.de/kobvindex.html
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18871
4730
526
3063
4512
14466
2183
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19082
1338
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1311
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7595
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18943
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2500 2494
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3775
7869
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3561
3560
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13661
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7380
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2602
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4936
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4581
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5824
4858
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3011
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3590
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8420
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16023
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2254
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4576
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1929
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2074 14269
15307
15706
18521
18522
5407
5410
9986
9989
14098 16510
pArAllele uNd verteilte systeme | 82konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
parallele und Verteilte systemeleitung: Prof. Dr. Alexander Reinefeld, Dr. Florian Schintke
weitere informationen unter: www.zib.de/PVS
missioNParallele und Verteilte Systeme sind in der In-formatik zum „Mainstream“ geworden. Mit dem zunehmenden Einsatz von Multi- und Ma-ny-Core-Prozessoren findet jetzt – nach mehr als einem halben Jahrhundert sequentieller Programmierung – ein Paradigmenwechsel statt. Waren parallele Algorithmen früher nur für Supercomputer und teure Server von Be-deutung, so werden sie heute sogar schon in Smartphones für komplexe Berechnungen ein-gesetzt. Unsere langjährige Erfahrung in der Entwicklung hochparalleler Algorithmen trifft daher auf großes Interesse in Wissenschaft und Wirtschaft.
Cloud-Computing, Web-Services und Peer-to-Peer-Protokolle haben aus dem Internet eine interaktive Plattform mit vielfältigen Dienst-leistungen und großer wirtschaftlicher Bedeu-tung gemacht. Unsere Forschung dient dem besseren Verständnis und der Erweiterung der theoretischen Grundlagen. Mit praktischen Implementationen fehlertoleranter, adaptiver Softwaresysteme im Internet validieren wir unsere Ergebnisse. Forschungsschwerpunkte sind verteilte Dateisysteme, skalierbare Inter-net-Dienste und die effiziente Nutzung von he-terogenen Systemen.
strukturDie Abteilung besteht aus drei Arbeitsgruppen:
• verteiltes datenmanagement (Leitung Dr. Florian Schintke)
• skalierbare Algorithmen (Leitung Dr. Thorsten Schütt)
• Hardwarenahe Algorithmen (Leitung Dr. Thomas Steinke)
verteiltes dAteNmANAGemeNtDiese Arbeitsgruppe entwickelt Methoden zur Verwaltung global verteilter Daten. Replikation und Synchronisation, Konsistenz und Fehler-toleranz spannen die zentralen Problemfelder unserer Forschung in diesem Gebiet auf.
Das Cloud-Dateisystem xtreemfs ist eines unserer Schlüsselprojekte. Mit über zwan-zig Personenjahren Entwicklungszeit hat die xtreemfs-Software nun nahezu die Qualität einer Produktionssoftware erreicht und wird daher auch bereits im täglichen Betrieb als leistungsfähiges Dateisystem eingesetzt, bei-spielsweise auf Servern für den schnellen Zu-griff auf Filmsequenzen, als Dateisystem von Cluster-Systemen und zur Dateiverwaltung von Chemiedaten im Projekt MoSGrid.
Mit seinem objektorientierten Ansatz verwaltet xtreemfs die Metadaten separat von den Ob-jektdaten, was zusammen mit dem Daten-Stri-ping einen schnellen Datenzugriff im Internet ermöglicht. Die Entwicklung der Software wird zum größten Teil von der Europäischen Union mit dem Projekt CONTRAIL (2010-13) sowie den angelaufenen Projekten HARNESS und IES-Cities finanziell gefördert. Aufbauend auf xtreemfs sind auch im Jahr 2012 wieder zwei Dissertationen abgeschlossen worden, diesmal zu den Themen ausfallsichere Lease-Protokolle und verteilte Snapshots.
scalaris ist unser zweites, international be-kanntes Schlüsselprojekt. Bei seiner Entwick-lung war scalaris der weltweit erste verteilte Key/Value-Speicher, der Transaktionen auf replizierten Daten in einem strukturierten Overlay-Netzwerk realisiert. Mittlerweile ha-ben einige Cloud-Provider (insbes. Amazon) nachgezogen und bieten nun für ihre Kunden
pArAllele uNd verteilte systeme | 83konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
neben der schwachen Datenkonsistenz auch Protokolle für strenge Datenkonsistenz an. Diese ist bei bestimmten Transaktionen (z. B. beim Abschluss eines Kaufvertrages) zwingend notwendig, während die weniger aufwendige schwache Datenkonsistenz beispielsweise bei der Auswahl von Waren und der Zusammen-stellung des virtuellen Warenkorbes ausreicht.
skAlierbAre AlGoritHmeNIn dieser AG konzentriert sich unsere Forschung auf die Aspekte Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit und Effizienz. Unter Skalierbarkeit verstehen wir, dass einer wachsenden Anfragelast durch das Hinzufügen weiterer Prozessoren begegnet werden kann. Zuverlässig ist ein Algorithmus, wenn einzelne Rechnerausfälle den Fortschritt der Berechnung nur peripher beeinflussen und effizient ist er, wenn er unabhängig von der Eingabe stets sehr schnell ein Ergebnis liefert.
Diese drei Eigenschaften lassen sich mit Peer-to-Peer-Algorithmen realisieren. Hier wird der Algorithmus nicht funktional, sondern fraktal parallel auf gleichberechtigten Komponenten ausgeführt. Wir haben schnelle Routingverfah-ren für strukturierte Overlay-Netzwerke entwi-ckelt, die in logarithmischer Zeit das gewünsch-te Ziel erreichen. Diese Verfahren, die teilweise patentiert sind, bilden die Basis für die oben vorgestellte scalaris-Software.
Im Jahr 2012 haben wir unsere hochparallelen Algorithmen zur Berechnung kürzester Pfade auf Graphen verbessert und können damit nun wesentlich schwerere Probleme lösen. Mit dem MapReduce-Programmiermodell haben wir sehr leistungsfähige Heuristiken, sogenannte Pattern Datenbanken (PDBs), berechnet, die um zwei bis drei Größenordnungen umfang-reicher sind als die bislang in der Literatur be-
kannten PDBs. Mit ihrer Hilfe lassen sich nun in wenigen Minuten kostenoptimale Pfade in implizit definierten Graphen berechnen.
HArdwAreNAHe AlGoritHmeNIn den letzten Jahren sind die Energiekosten überproportional angestiegen und bilden nun – neben den Investitionskosten – den wich-tigsten Kostenfaktor beim Betrieb von Hoch-leistungsrechnern.
Als stromsparende und leistungsstarke Alter-native bieten sich Grafikprozessoren (GPUs) und Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) an. Ihre Programmierung ist allerdings auf-wendig und sie sind nicht für alle Problemklas-sen geeignet.
Wir evaluieren Einsatzmöglichkeiten von GPUs und FPGAs in verschiedenen Anwen-dungsgebieten wie z. B. der Simulation ato-marer Prozesse und molekularer Systeme. Als Mitbegründer des OpenFPGA-Konsortiums und der OpenAccelerator-Initiative treiben wir die Entwicklung einheitlicher Programmier-standards voran.
In dem im Jahr 2012 neu angelaufenen EU-Projekt HARNESS suchen wir nach Methoden zur effizienten Nutzung von FPGAs und Flash-Speicher in Cloud-Systemen und im BMBF-Projekt ENHANCE (siehe Projektbeschreibung) entwickeln wir Modelle zur Laufzeitvorhersa-ge industrieller Anwendungen auf GPUs. Die Anwendungsklassen umfassen Fahrzeug-Op-timierung, Schadstoffausbreitung, Sequenz-Analyse sowie Wirkstoffentwurf.
4CaaSt
pArAllele uNd verteilte systeme | 84konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
grosse pattern datenbanken für heuristische suchVerfahrenbearbeitet von: Robert Döbbelin, Thorsten Schütt, Alexander Reinefeld
weitere informationen unter: www.zib.de/PVS
Die Kürzeste-Wege-Suche gehört zu den Ba-sisalgorithmen auf Graphen. Viele Anwen-dungen der kombinatorischen Optimierung, Softwareverifikation, Bioinformatik oder des maschinellen Lernens lassen sich darauf abbil-den. Die Zahl der zu betrachtenden Zustände kann mit Hilfe einer Heuristik stark reduziert werden. Eine Heuristik ist eine exakte Lösung für ein vereinfachtes Problem und somit eine Abschätzung für die Kosten des ursprüng-lichen Problems. Werden diese Kosten nie überschätzt, führt die Heuristik zu einer opti-malen Lösung.
pAtterN dAteNbANkeNEine Art, das Problem zu vereinfachen, sind so genannte Pattern. Ein Pattern umfasst eine Teilmenge der Zustandsvariablen des Original-problems. Abb. 1 zeigt ein Beispiel eines Pat-terns für das 3x3-Schiebepuzzle. Hier ist eine Patternkonfiguration über die Positionen der Teilchen 1, 4 und 7 definiert. Die unbeschrif-teten Teilchen sind vorhanden, aber nicht un-terscheidbar. Der Zustandsraum, der durch dieses Pattern aufgespannt wird, ist wesent-lich kleiner als der Zustandsraum des 3x3-Puzzles und somit leichter zu berechnen. Eine Pattern Datenbank (PDB) speichert in einem Hauptspeicherarray für jede Patternkonfigura-tion deren Entfernung zur Konfiguration der Lösung und liefert somit eine Heuristik für das Originalproblem. Die Distanzen werden in ei-ner Breitensuche ermittelt. Mehrere PDBs kön-nen kombiniert werden, indem das Maximum über die Heuristikwerte ermittelt wird. Unter bestimmten Voraussetzungen können die Heu-ristikwerte mehrerer disjunkter Pattern addiert werden (sog. additive PDBs). Die Größe einer PDB wächst mit der Zahl der betrachteten Vari-ablen, gleichzeitig erhöht sich die Leistungsfä-higkeit der Heuristik.
Grosse pdbs erstelleNDas Erstellen sehr großer PDBs wird durch die zwei Faktoren Zeit und Raum begrenzt. Neben der eigentlichen Pattern Datenbank müssen für die Breitensuche eine Open- und eine Clo-sed-Liste gespeichert werden. Wir haben einen speicherplatzeffizienten parallelen Algorith-mus entwickelt, um PDBs zu erstellen. Durch den Einsatz des gesamten aggregierten Haupt-speichers und der vereinten Rechenleistung mehrerer paralleler Rechner sind wir erstmals in der Lage, sehr große PDBs zu erzeugen. Für die Breitensuche wird eine bijektive Hashfunk-tion eingesetzt, die jeder Patternkonfiguration einen Index in das Array zuordnet. Neben der Tiefe speichern wir für jede Patternkonfigurati-on eine Open- und eine Closed-Liste für die Po-sitionen des Freifelds. Die Breitensuche wird iterativ ausgeführt, wobei das Hauptspeicher-array auf alle parallelen Prozessoren aufgeteilt wird. Jeder Prozessor scannt in jeder Iteration seinen Teil des Array und berechnet die Nach-folger aller Zustände der aktuellen Tiefe. Die Nachfolger werden lokal gesammelt und in einem Kommunikationsschritt ausgetauscht. Anschließend können die Statusinformationen für die nächste Tiefe aktualisiert werden. So-bald keine Nachfolger mehr erzeugt werden, ist die Breitensuche abgeschlossen.
Im Zuge dieser Arbeit1 haben wir PDBs für das 5x5 Puzzle erzeugt. Die bisher größte PDB für diese Problemdomäne hat einen Umfang von 486 MB. Sie besteht aus vier additiven PDBs mit jeweils sechs Teilchen (6-6-6-6 PDB). Wir haben eine 8-8-8, eine 9-8-7 und eine 9-9-6 PDB erzeugt mit Speichergrößen von 122 GB, 733 GB bzw. 1381 GB. Hierfür haben wir 256 MPP-Knoten des HLRN-II genutzt. Um die PDBs effizient nutzen zu können, müssen sie bei der Suche in den Hauptspeicher geladen werden.
¹ R. Döbbelin, T. Schütt, A. Reinefeld: building large compressed pdbs for the sliding tile puzzle. ZIB Technical Report 2013
� Abb. 1:
Ein Pattern für das 3x3-Puzzle
�
� Abb. 2:
Lösung des 3x3-Puzzles
�
pArAllele uNd verteilte systeme | 85konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
Daher haben wir für die Analyse der Leistungs-fähigkeit der erstellten PDBs eine SGI Ultra-Violett des HLRN-II mit 2 TB RAM verwendet. Abb. 3 zeigt das statistische Ergebnis der Leistung mittels Samplings. Dabei wurden 100.000.000 Zufallsinstanzen des 5x5 Puzzles erzeugt und deren Heuristikwert (h-Wert) be-stimmt. Die Abbildung zeigt die kumulative Verteilung der h-Werte. Für die heuristische Suche ist insbesondere die Reduktion kleiner h-Werte von Bedeutung. Im Vergleich zur 6-6-6-6 PDB liefern die großen Heuristiken deut-lich weniger kleine h-Werte. In einem zweiten
Experiment haben wir 50 Zufallsinstanzen optimal gelöst und die Zahl der expandierten Knoten in Relation zur Knotenexpansion mit der 6-6-6-6 PDB gesetzt. Abb. 4 stellt die er-zielte Reduktion dar. Mit Hilfe der 9-9-6 PDB konnte die Zahl der expandierten Knoten im Mittel um den Faktor 7 reduziert werden. Die maximale Reduktion beträgt 31.
Das vorgestellte Verfahren erlaubt es, große PDBs effizient im Hauptspeicher zu erzeugen. Wir haben gezeigt, dass größere PDBs die Zahl der expandierten Knoten deutlich reduzieren können.
das proJekt in kürze: Pattern Datenbanken (PDBs) sind sehr leistungsfähige Heuristiken in Form von vorberechneten Speichertabellen für Kürzeste-Wege-Suchen auf Graphen. Größere PDBs liefern bessere Kostenabschätzungen und erlauben somit eine stärkere Reduktion des Suchraums. Wir haben mit Hilfe eines parallelen Algorithmus PDBs erzeugt, die drei Größenordnungen größer sind als die bislang größte PDB in der gewählten Problemdomäne.
Abb. 3:
Kumulative Verteilung der
h-Werte für 100.000.000
Zufallsinstanzen
Ausschnitt
Abb. 4:
Reduktion der expan-
dierten Knoten durch die
erzeugten PDBs
pArAllele uNd verteilte systeme | 86konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
1 S. Edlich, A. Friedland, J. Hampe, B. Brauer, M. Brückner: NosQl – einstieg in die welt nichtrelationaler web 2.0 datenbanken. Hanser-Verlag, 2011 2 H. Ehrig, K. Ehrig, U. Prange, G. Taentzer: fundamentals of Algebraic Graph transformations. Springer-Verlag, 2006
modellierung Von transaktionen ingraphdatenbankenbearbeitet von: Ulrike Golas
weitere informationen unter: www.zib.de/jb2012/gt4gdb
Graphen sind eine beliebte Modellierungs-technik, um verschiedenste Probleme mit Hilfe von Knoten, Kanten und ihren Beziehungen zueinander zu veranschaulichen. Ein typisches Beispiel sind Beziehungsnetzwerke, die Ak-teure als Knoten und deren Beziehungen als Kanten darstellen (siehe Abb. 1 und 2). Sowohl in Knoten als auch Kanten können Eigenschaf-ten – sogenannte Attribute oder Properties – gespeichert werden, um die Ausdrucksmäch-tigkeit des Modells zu erhöhen.
GrApHdAteNbANkeNFür das Speichern von Graphen, insbesonde-re bei großen Datenmengen mit vielen unter-schiedlichen Beziehungen, sowie deren schnel-le Auswertung und Analyse sind relationale Datenbanken nicht gut geeignet. Vor allem JOIN-Operationen zur Verknüpfung mehrerer Tabellen – eine der häufigsten Abfrage-Ope-rationen – sind speicher- und rechenintensiv, weil immer wieder große Datenmengen ko-piert werden müssen.
Eine Alternative stellen Graphdatenbanken1 dar, die nicht nur Datenknoten und ihre Eigen-schaften, sondern auch deren Beziehungen als Kanten explizit speichern. Über Graphtra-versierung, d. h. das Ablaufen eines Graphs entlang seiner Kanten, können lokale Bezie-hungen schnell und kostengünstig abgefragt werden. Der Hauptvorteil ist, dass ausgehend von einem konkreten Objekt nur dessen di-rekte Nachbarn betrachtet und nicht der kom-plette Datenbestand bearbeitet werden müs-sen, wie dies bei relationalen Datenbanken der Fall ist.
GrApHtrANsformAtioNHäufig sollen Graphen nicht nur gespeichert, sondern auch verändert und angepasst wer-den. Graphtransformation2 beschreibt die re-gelbasierte Veränderung von Graphen. Ein Beispiel für eine Regel ist in Abb. 3 zu sehen – sie beschreibt das Einfügen einer neuen Be-ziehung „bekannt“ mit der Interpretation, dass eine Person die Freunde ihres Ehepartners kennt. Regeln können automatisch auf einen gespeicherten Graphen angewendet werden, um so z. B. alle „bekannt“-Kanten einzufügen.
Der Graphtransformation liegt eine vielfäl-tige mathematische Theorie zu Grunde, um unterschiedlichste Eigenschaften von Trans-formationssystemen zu analysieren. Die ka-tegorientheoretische Grundlage der Graph-transformation erlaubt die Behandlung vieler unterschiedlicher Graphtypen und graphähn-licher Strukturen auf Basis sogenannter M-adhäsiver Kategorien. Insbesondere können Regeln bezüglich ihrer Abhängigkeit bzw. Un-abhängigkeit voneinander überprüft werden. Durch die Angabe von Constraints und Anwen-dungsbedingungen können bewiesene Eigen-schaften eines Systems über die Anwendung von Regeln hinweg bewahrt werden.
� ��Abb. 1:
Eines der populärsten
Beispiele für Bezie-
hungsnetzwerke sind die
Graphen sozialer Netz-
werke wie Facebook oder
LinkedIn, die Millionen
von Knoten und Kanten
enthalten. (Bildquelle:
LinkedIn)
M-adhäsive Kategorien ba-
sieren auf einer Klasse M von
Abbildungen, die die mög-
lichen Regeln einschränkt. In
ihnen gilt die van Kampen-
Eigenschaft, die die Kompati-
bilität von Vereinigungen und
Schnitten sicherstellt.
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3 W. Vogels: Eventually Consistent. ACM Queue Vol. 6, Nr. 6, 2008 4 U. Golas: A General Attribution Concept for Models in M-Adhesive Transformation Systems. In: H. Ehrig, G. Engels, H.-J. Kreowski, and G. Rozenberg, Ed., Graph Transformations. Proc. ICGT 2012, LNCS Vol. 7562, S. 187-202. Springer, 2012
trANsAktioNeN iN GrApHdAteNbANkeNIn Datenbanken werden Veränderungen trans-aktionsbasiert durchgeführt. Eine Transaktion besteht aus mehreren Teiloperationen, von denen entweder alle oder keine angewendet werden sollen, um ein konsistentes System sicher zu stellen. In relationalen Datenbanken sollen typischerweise die Eigenschaften Ato-marität, Konsistenzerhaltung, Isolation und Dauerhaftigkeit (ACID) sicher gestellt werden. Im Gegensatz dazu werden diese in Graphda-tenbanken nicht notwendigerweise gefordert. Abhängig vom Datenmodell und dem Ein-satzgebiet können auch weniger strikte Konsi-stenzmodelle wie BASE3 zum Einsatz kommen. Dieses beschreibt den Verzicht auf strikte Kon-sistenz im Tausch gegen bessere Verfügbarkeit und schnellere Antwortzeiten.
Während Transaktionen in relationalen Da-tenbanken sehr gut untersucht sind und ver-schiedene Mechanismen und Optimierungen implementiert wurden, fehlt ein entsprechend fundiertes und mathematisch unterlegtes Mo-dell für Graphdatenbanken. Hier bietet sich die Graphtransformation als Grundlage an. Die M-adhäsiven Kategorien können zu ω-adhäsiven Kategorien erweitert werden, in denen fast die gleichen Eigenschaften gelten.4 Die Pro-perty-Graph-Datenmodelle, die den meisten Graph datenbanken zugrunde liegen, sind eine Instanz dieser ω-adhäsiven Kategorien. Als Er-gebnis können diese Graphen mit Graphtrans-formation verändert und die Transformationen analysiert werden.
AusblickIm weiteren Projekt sollen Transaktionen in Datenbanken durch Transformationen model-liert werden, um ein beweisbares Verhalten sicherzustellen. Die einzelnen Teiloperationen einer Transaktion sollen über Graphregeln modelliert werden, die entsprechend zusam-mengefasst und gruppiert werden können. Die Analysemöglichkeiten der Graphtransformati-on insbesondere im Hinblick auf Abhängigkeit und Unabhängigkeit von Regelanwendungen sollen dazu genutzt werden, Strategien für die Nebenläufigkeitskontrolle zu entwickeln. Abhängig vom Einsatzgebiet sollen Regel-mengen für verschiedene Konsistenzmodel-le definiert werden, deren Anwendung in der Graphdatenbank die entsprechenden Eigen-schaften sicherstellt. Damit ist – abhängig von den gewählten Regeln – sowohl das striktere ACID- als auch das weniger strikte BASE-Mo-dell für Graphdatenbanken anwendbar.
das proJekt in kürze: Graphdatenbanken werden immer häufiger zum Speichern von Daten mit vielen unterschiedlichen Beziehungen untereinander verwendet. In diesem Projekt wird Graph-transformation zur Modellierung der Transaktionen in Graphdatenbanken eingesetzt. Damit wird eine mathematisch fundierte Grundlage geschaffen, um Konsistenz- und Modelleigenschaften der gespeicherten Graphen nachweisen zu können.
Abb. 2:
Ein typischer Ausschnitt
eines Beziehungsnetz-
werks, in dem ver-
schiedene Akteure, ihre
Beziehungen untereinan-
der und deren verschie-
dene Attribute dargestellt
werden.
Abb. 3:
Eine Graphtransfor-
mationsregel, die eine
„bekannt“-Kante (orange)
zwischen einer Person
und einem Freund (blau)
des Ehepartners (rot)
einfügt.
In einer ω-adhäsiven Kate-
gorie müssen zusätzlich zu
den Regeln auch die Matches
bestimmte Eigenschaften
erfüllen. Dies schränkt
zwar die Möglichkeiten des
Modellierers etwas ein, ga-
rantiert aber, dass nach jeder
Regelanwendung wieder ein
gültiger Graph entsteht.
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mosgrid: molecular simulation gridbearbeitet von: Patrick Schäfer, Thomas Steinke
weitere informationen unter: http://www.zib.de/de/pvs/projekte/projektdetails/article/mosgrid.html
Molekülsimulationen bieten neue Erkenntnisse zur Struktur von Molekülen und deren Funkti-on. Es existieren eine Vielzahl von Simulations-codes, die Forscher bei der Verarbeitung großer Datenmengen im Bereich der Quantenchemie, Molekulardynamik und Docking unterstützen. Das Ziel von MoSGrid liegt in der Entwicklung eines Portals, der Infrastruktur zur Langzeit-Ar-chivierung und der Ausführung von Simulati-onen im Kontext des D-Grids (Abb. 1).
die mosGrid iNfrAstrukturÜber das MoSGrid Portal1, 2 wird Forschern ein einfacher Zugang zu seinen Daten, Simulati-onscodes und den Rechenressourcen im D-Grid geboten. MoSGrid wurde basierend auf den Softwarekomponenten WS-PGRADE, dem Workflow-Manager und -Monitor gUSE, der Grid-Middleware UNICORE und dem verteilten Dateisystem xtreemfs entwickelt (Abb. 2). Die-se Komponenten werden verbunden über eine Sicherheitsinfrastuktur bestehend aus X.509 Zertifikaten und SAML-Assertions.
WS-PGRADE und gUSE ermöglichen die Ver-waltung von chemischen Simulationen in Form von Workflows. Ein Workflow setzt sich zusam-men aus mehreren Jobs (Simulationsschritten). Ein Job setzt sich zusammen aus einem Rezept (dem zu verwendenden Simulationscode) und den benötigten Eingabeparametern sowie der
zu erwartenden Ausgabeparameter im Erfolgs-fall. Dieser Workflow wird an UNICORE über-geben, und damit der Job auf dem Grid ausge-führt. Zwischen- sowie Ergebnisdaten werden abschließend zurück an das Portal geliefert. Aus den Ergebnisdaten werden Metadaten extra-hiert, die für nachfolgende Suchschritte aufbe-reitet und über das Portal präsentiert werden.
In MoSGrid werden eine Vielzahl an Simulati-onscodes (Gromacs, Gaussian, Turbomole, etc.), Strukturformaten von Molekülen (CML, PDB, SDF) und Anwendungsdomänen (Moleküldyna-mik, Docking, Quantenchemie) unterstützt.
Für die Verwaltung abstrakter Simulationsvor-schriften (Rezepte) wurde in MoSGrid das MS-ML-Format (Molecular Simulation Markup Lan-guage) entwickelt, das auf der Chemical Markup Language (CML) aufbaut. Die MSML erlaubt es, eine programmneutrale Beschreibung einer Si-mulation zu erstellen, die vor Ausführung der Simulation um konkrete Eingabedaten für einen Simulationscode und ein zu simulierendes Sys-tem erweitert werden muss. Im Laufe der Simu-lation wird die MSML um Zwischenergebnisse, Ergebnisdaten sowie Metadaten erweitert.
mosGrid dAteNmANAGemeNtUnsere Hauptaufgabe in MoSGrid liegt im Datenmanagement, das die persistente Spei-cherung von Simulationsdaten, der Erfassung von Metadaten und Verwaltung von Rezepten beinhaltet.
Die in MoSGrid entwickelte MSML stellt die zentrale Informationsanlaufstelle dar, aus der über eine Reihe von Konvertierungs- und Ana-lyseschritten konkrete Eingabedaten für jeden nachfolgenden Simulations- oder Analyseschritt generiert werden. Die Übersetzung der MSML
� ��Abb. 1:
Das MoSGrid Portal
xtreemfs ist ein am ZIB
entwickeltes, verteiltes Datei-
system in dem Metadaten
und die Rohdaten einer Datei
auf unterschiedlichen Servern
gespeichert werden. Diese
Trennung von Metadaten und
Rohdaten erhöht die Skalier-
barkeit. Zugriff auf XtreemFS
wird u. a. über eine Client-
Komponente angeboten, die
POSIX-konforme Dateisy-
stem-Aufrufe in RPC-Aufrufe
an die korrespondierenden
Dienste übersetzt. xtreemfs
wurde im Rahmen von MoS-
Grid in WS-PGRADE, gUSE,
UNICORE und die D-Grid
Sicherheitsinfrastruktur inte-
griert und an den Standorten
der Projektpartner in Berlin,
Dresden, Köln, Tübingen und
Paderborn installiert.
1 Gesing, Herres-Pawlis, Birkenheuer, Brinkmann, Grunzke, Kacsuk, Kohlbacher, Kozlovszky, Krüger, Müller-Pfefferkorn, Schäfer, Steinke: A science Gateway Get-ting ready for serving the international molecular simulation community. Proceedings of Science, 2012 2 Gesing, Grunzke, Krüger, Birkenheuer, Wewior, Schäfer, Schuller, Schuster, Herres-Pawlis, Breuers, Balasko, Kozlovszky, Szikszay Fabri, Packschies, Kacsuk, Blunk, Steinke, Brinkmann, Fels, Müller-Pfefferkorn, Jäkel, Kohlbacher: A single sign-on infrastructure for science Gateways on a use case for structural bioinformatics. Journal of Grid Computing, 2012
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in die konkreten Eingabedaten für die Simula-tionscodes wird über Parser und Extraktoren realisiert. Ergebnisdaten werden über Adapter zurück in die MSML geschrieben.
Dabei stand die Integration der Softwarekompo-nenten in den MoSGrid-Software-Stack im Vor-dergrund (Abb. 3):
• WS-PGRADE bietet einen vereinheitlichten Zu-gang zu gUSE, xtreemfs und den Metadaten.
• gUSE wird zur Verwaltung von Rezepten in Form von Workflows und Übergabe der Jobs an das darunterliegende D-Grid eingesetzt.
• xtreemfs speichert Zwischenergebnisse, Mo-leküldaten und Ergebnisse chemischer Simu-lationen in Form der MSML sicher, persistent und redundant.
• Die aus der MSML extrahierten Metadaten werden über den UNICORE Metadata Service, der auf Apache Lucene aufbaut, für nachfol-gende Analyseschritte bereitgestellt.
Am Anfang einer Simulation werden die Ein-gabedaten in Form der MSML in xtreemfs ge-speichert. Am Ende einer Simulation werden die Ergebnisse in Form der MSML aus dem D-Grid zurück nach xtreemfs gespeichert. Dies erfolgt transparent, ohne Interaktion des Anwenders durch UNICORE und gUSE.
Ausblickxtreemfs wurde transparent in den MoSGrid Softwarestack zur Speicherung von Simulati-onsdaten integriert. Die xtreemfs Installation in MoSGrid umfasst 96 TiByte an Speicherplatz. Am Ende des Förderzeitraums von MoSGrid setzte sich die Community aus etwa 120 Anwen-dern vieler Anwendungsgebiete der Chemie und Bioinformatik in Deutschland zusammen. In Form EU-geförderter Folgeprojekte existieren Bestrebungen diese Aktivitäten auf Forschungs-gruppen außerhalb Deutschlands zu erweitern.
das proJekt in kürze: Das Ziel von MoSGrid liegt in der Entwicklung einer Infrastruktur zur Ausführung von Simulationscodes in den Bereichen Quantenchemie, Molekulardynamik und Docking auf der D-Grid-Infrastruktur.
Abb. 2:
Die MoSGrid Software-
architektur bestehend aus
den Softwarekomponen-
ten gUSE, WS-PGRADE,
UNICORE, xtreemfs und
dem D-Grid
Abb. 3:
Das Datenmanagement in
MoSGrid
gUSE ist ein Web-Service
zur Verwaltung und dem
Monitoring von Workflows in
Grid-sowie Cloud-Infrastruk-
turen. WS-PGRADE ist ein
web-basiertes Interface für
gUSE basierend auf Liferay.
UNICORE ist eine Grid-Midd-
leware, die einen einfachen
und sicheren Zugriff auf eine
Grid-Infrastruktur bietet.
Zusätzliche von UNICORE in
MoSGrid genutzte Funkti-
onen sind das Daten- und
Metadaten-Management.
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proJekt enhance: heterogene rechner einfacher erschliessenbearbeitet von: Sebastian Dreßler, Igor Merkulow , Thomas Steinke, Florian Wende
förderung: BMBF
weitere informationen unter: http://www.enhance-project.de
Heterogene Rechnersysteme sind jüngst von besonderem Interesse, da sie neben Stan-dardprozessoren spezialisierte Many-Core-Pro-zessoren wie Graphic Processing Units (GPU) oder Field Programmable Gate Arrays (FPGA) integrieren. Diese Many-Core-Prozessoren bie-ten Leistungssteigerungen bei minimiertem Energieverbrauch, da deren Architektur für be-stimmte Anwendungsbereiche besonders opti-miert ist.
Die Nutzung heterogener Systeme ist momen-tan durch einige Herausforderungen und Ein-schränkungen bezüglich Produktivität bei der programmtechnischen Umsetzung, der System-integration und dem Ressourcenmanage-ment gekennzeichnet. Das Projekt ENHANCE (enabling heterogeneous hardware accelerati-on using novel programming and scheduling models) adressiert diese Probleme, um den
Einsatz heterogener Systeme zu vereinfachen. Gemeinsam mit Projektpartnern aus dem in-dustriellen und akademischen Umfeld werden neue Verfahren entwickelt, die die Migration von Anwendungen auf heterogene Plattformen und die Verwaltung der heterogenen Rechen-ressourcen vereinfachen. Anhand von Anwen-dungen mit industrieller Relevanz wie der Fahr-zeug-Optimierung, der Schadstoffausbreitung, der Next-Generation-Sequencing-Analyse oder dem Wirkstoffentwurf wird die Eignung der ent-wickelten Werkzeuge validiert.
Am ZIB werden einerseits Fragen bezüglich der Modellierung und Vorhersage des Laufzeitver-haltens sowie Verfahren zur Abstraktion von Hardware bearbeitet. Diese Themengebiete stellen wichtige Bindeglieder zwischen Anwen-dungsentwicklung und Ressourcenmanage-ment dar. Des weiteren werden am ZIB durch
� ��Die Abbildung zeigt
die Visualisierung von
Laufzeitdaten mit der in
ENHANCE entwickelten
Web-Applikation „EPerF
Analyzer“. Mehrere Lauf-
zeitexperimente, hier in
unterschiedlicher Farben
zwei Messungen der
Anwendung Octree auf
CPUs und GPU, können
in übersichtlicher Weise
analysiert werden.
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1 ENHANCE Performance Framework, http://github.com/sdressler/EPerF 2 Dreßler, S. und Steinke, T., A Novel Hybrid Approach to Automatically determine kernel interface data volumes, ZIB-Report 12-23, 2012
Implementierungen die Many-Core-Prozessor-architekturen (NVIDIA GPU, Convey HC-1, Intel Xeon Phi) detailliert untersucht.
Die Modellierung des Laufzeitverhaltens von Anwendungen unterstützt den Entwickler vorab bei der Kosten-Nutzen-Analyse einer geplanten Migration auf eine heterogene Plattform. Zu-sätzlich dienen Vorhersagen der Laufzeit auf den unterschiedlichen Rechenressourcen dem Ressourcenmanagement (Scheduling). Zur Mo-dellierung der Laufzeit wurde am ZIB ein Modell erarbeitet, das auf der statischen Analyse des Programmquelltextes basiert und das Laufzeit-verhalten vorhersagt. Die Neuerung unseres Herangehens besteht in der Verwendung des offenen LLVM-Compilers, welcher den origi-nalen Quelltext in eine intermediäre Darstellung überführt. Damit wird die übliche funktionelle Abhängigkeit von einer Hochsprache aufgelöst und eine generische Modellierung möglich. Für die Beschreibung der Zielplattform der Model-lierung wurde ein abstraktes Plattformmodell definiert, mit dem heute existierende und künf-tige Plattformen abgebildet werden können.
Für die Modellvalidierung und das Ressour-cenmanagement zur Ausführungszeit ist die Erfassung von Laufzeiten in komplexen Anwen-dungsszenarien notwendig. Dazu wurde am ZIB das ENHANCE Performance Frameworks (EPerF1) entwickelt, mit dem in einfacher Weise der Entwickler in Laufzeitexperimenten präzi-se und plattformneutral definierte Teile seiner Anwendung zeitlich vermessen kann. In Er-gänzung zu existierenden Werkzeugen, deren Nutzung zusätzliches Wissen erfordert, ver-einfacht EPerF diese Aufgabe durch Verwen-dung einfacher Schnittstellen und durch die Beschränkung auf spezifische Messgrößen. Für die Visualisierung und Analyse der Messdaten
wurde eine Web-Applikation entwickelt, die eine schnelle vergleichende Analyse von Messungen aus unterschiedlichen Experimenten ermögli-cht. Somit sind Verbesserungen und Defizite bei alternativen Implementierungen schnell und übersichtlich erkennbar.
Eine besondere Herausforderung, die im EN-HANCE-Projekt bearbeitet wird, ist die Unterstüt-zung von Time-Sharing auf den Many-Core-Pro-zessoren als Teil des Ressourcenmanagements. Der vom Projektpartner Paderborn entwickelte Scheduler ermöglicht die dynamische Zuwei-sung von Anwendungsblöcken auf heterogenen Komponenten. Für die Entscheidung der Pla-zierung von Anwendungen auf die Ressourcen werden Zusatzinformationen (Metadaten) für jede Anwendungsfunktion benötigt. Die Affini-tät ist ein Metadatum, um die Optimalität einer Software-Hardware-Kombination zu beschrei-ben. Sie wird aus der Modellierung der Laufzeit und aus Laufzeitmessungen auf unterschied-lichen Plattformen gewonnen.
In heutigen Plattformen haben Many-Core-Pro-zessoren als heterogene Komponente keinen di-rekten Zugriff auf Daten im normalen Speicher des Hosts. Daher benötigt der Scheduler als weiteres Metadatum das zu transferierende Da-tenvolumen, wenn Daten vom normalen Spei-cher des Hosts auf Speicher der heterogenen Komponente übertragen werden müssen. Die für den Datentransfer benötigte Zeit muss beim Scheduling berücksichtigt werden. Ist für eine Komponente die Datentransferzeit größer als die eigentliche Rechenzeit, so wäre die Ver-wendung dieser Komponente kontraproduktiv. Zur Bestimmung des zu übertragenden Daten-volumens haben wir ein Verfahren entwickelt, welches die benötigten Informationen automa-tisiert bereitstellt.2
das proJekt in kürze: Zunehmend sind heterogene Rechnersysteme im Einsatz, in denen Standardprozessoren um dedizierte, spezialisierte Many-Core-Prozessoren wie Graphic Processing Units (GPU) ergänzt werden. Sie bieten eine Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Reduzierung der Energieaufnahme. Die Migration von Anwendungen und deren Nutzung auf heterogenen Systemen ist jedoch mit zusätzlichen Herausforderungen verbunden, die im BMBF-Projekt ENHANCE adressiert werden. Die Entwicklung dieser Ansätze wird anhand von Anwendungen aus dem industriellen und dem akademischen Umfeld validiert.
Grafikkarten (Graphic
Processing Units, GPUs) und
Many-Core-Prozessoren sind
gängige Komponenten in he-
terogenen Rechnersystemen.
Der Einsatzzweck von GPUs
hat sich in den letzten Jahren
von der reinen Visualisie-
rung hin zur hochparallelen
Verarbeitung von Daten ge-
wandelt. Mit dem Intel Xeon
Phi ist jüngst ein weitere
Many-Core-Prozessorarchi-
tektur verfügbar, der speziell
für numerisch aufwendige
Be rechnungen konzipiert ist.
Als weitere heterogene
Prozess or architektur sind
für spezielle Anwendungs-
bereich Field Programmable
Gate Arrays (FPGA) im
Einsatz, die eine direkte
Umsetzung von Algorithmen
in Hardware ermöglichen.
pArAllele uNd verteilte systeme | 92konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
4cAAst –
building the paas cloud of the future
url: www.zib.de/de/pvs/projekte/
projekt details/article/4caast.html
mitarbeiter: N. Kruber, F. Schintke, T. Schütt
partner: Telefonica, SAP, France Telecom,
Telecom Italia, Ericsson, Nokia Siemens
Networks, UP Madrid, Uni Stuttgart, Uni
Tilburg, Uni St Gallen, Bull SAS, 2nd Qua-
drant, Flexiant, UC Madrid, NTU, Bonitasoft
forschungsförderung: EU (FP7-ICT-258862)
inhalt: Entwicklung einer Cloud-Plattform,
die es ermöglicht, Dienste und Anwen-
dungen zusammenzustellen, auszuführen,
zu verwalten und zu handeln. Wir bringen
unsere scalaris-Datenspeichersoftware in
das Projekt ein und implementieren Me-
thoden, um plötzlich steigende Anfragelast
(sog. flash crowds) flexibel bedienen zu
können. Für die Einbettung in PostgreSQL
wird scalaris um entsprechende Schnittstel-
len ergänzt.
Astro vdZ
url: http://www.zib.de/de/pvs/projekte/
archiv-details/article/astro-vdz.html
mitarbeiter: F. Schintke, P. Schäfer
partner: AIP Potsdam
forschungsförderung: BMBF
inhalt: Einrichtung und Betrieb eines
verteilten, virtuellen Datenzentrums für
astronomische Daten unter Nutzung des
verteilten Dateisystems xtreemfs.
c3-iNAd –
infrastructure for General Access to
climate data
url: www.zib.de/de/pvs/projekte/
projekt details/article/c3-inad.html
mitarbeiter: J. Bachmann, U. Golas,
M. Jorra, F. Schintke
partner: AWI Bremerhaven, FUB, CSC,
DKRZ, TU Dortmund, Uni Köln, DLR, DFD,
SISTEC, PIK
forschungsförderung: BMBF
inhalt: Für die Klimawissenschaften soll
eine Umgebung zur verteilten Abarbeitung
von diagnostischen Workflows im Grid
implementiert werden. Das ZIB entwickelt
hierfür eine „Representational State Trans-
fer Architektur“, kurz REST Web Services für
das Management verteilter Daten.
coNtrAil –
open computing infrastructures for elastic
services
url: www.zib.de/de/pvs/projekte/
projekt details/article/contrail.html
mitarbeiter: M. Berlin, R. Döbbelin,
B. Kolbeck, M. Noack, P. Schäfer, T. Schütt,
J. Stender
partner: CNR (Italien), Constellation Tech-
nologies (UK), Genias Benelux (Nieder-
lande), HP-Italy Innovation Centre (Italien),
INRIA (Frankreich), STFC (UK), Petals Link
(Frankreich), Tiscali (Italien), VU Amsterdam
(Niederlande), XLAB Industries (Slowenien)
forschungsförderung: EU (FP7-ICT-257438)
inhalt: Entwicklung eines Open-Source
Software-Stacks für Cloud-Provider. Neben
der Virtualisierung von Ressourcen (IaaS)
wird dieser auch für das Bereitstellen
vordefinierter Benutzerapplikationen in
der Cloud benutzt (PaaS). Ein Hauptau-
genmerk von Contrail ist die Föderierung
von Clouds, um Anwenderprogramme auf
mehreren Cloud-Systemen ausführen zu
können.
d-Grid kerNkNoteN
url: www.zib.de/de/pvs/projekte/
projekt details/article/dgrid-kernknoten.html
mitarbeiter: F. Schintke, M. Högqvist,
M. Jorra, B. Kolbeck, K. Sobe, P. Schäfer,
T. Steinke
partner: div. Partner des D-Grid-Verbunds
forschungsförderung: BMBF
inhalt: Als Teil der deutschlandweiten
D-Grid-Infrastruktur betreiben wir Speicher-
und Rechenressourcen mit ca. 350 T Byte
Festplattenspeicher und 480 Rechenknoten,
sowie Archivkomponenten zur Daten-
sicherung auf Magnetbändern. Mit den
vom BMBF geförderten Ressourcen wird
erstmals in Deutschland eine einheitliche,
gemeinsam nutzbare Rechenumgebung
über sehr viele Standorte hinweg realisiert,
die auch wir für unsere Simulationen und
Praxistests verteilter und paralleler Anwen-
dungen nutzen.
dGsi –
d-Grid scheduler integration
url: www.zib.de/de/pvs/projekte/
projekt details/article/dgsi.html
mitarbeiter: F. Schintke, M. Högqvist
partner: Universitäten Paderborn,
Dortmund, Dresden, Heidelberg; GWDG,
LRZ, Platform Computing, FhG SCAI, FhG
FIRST, Bonn-Aachen Int. Center f. Informa-
tion Tech.
forschungsförderung: BMBF
inhalt: Das DGSI-Projekt beschäftigt sich
mit der Interaktion und Kooperation zwi-
schen autonomen Schedulern im Grid. Das
Ziel ist die Verbesserung der Ressourcen-
auslastung und eine gerechtere Verteilung
der Rechenzeit im D-Grid-Verbund. Dazu
sollen Meta-Scheduler über zwei Delegati-
onsmechanismen, der Aktivitäts-Delegation
und der Ressourcen-Delegation, miteinan-
der kooperieren. Soweit möglich, werden
in DGSI etablierte Standards verwendet.
eNHANce –
enabling heterogeneous hardware acce-
leration using novel programming and
scheduling models
url: www.zib.de/de/pvs/projekte/
projektdetails/article/enhance.html
mitarbeiter: T. Steinke, S. Dreßler,
I. Merkulow, F. Wende
partner: Uni Paderborn, Fraunhofer SCAI,
Uni Bielefeld, TMS mbH, TWT Science &
Innovation GmbH, GETLIG & TAR GbR
forschungsförderung: BMBF
inhalt: Es werden Software-Werkzeuge für
heterogene Systeme (Multi-Core, GPU,
FPGA) entwickelt und exemplarisch auf
reale Anwendungen im industriellen und
akademischen Umfeld (Fahrzeug-Optimie-
rung, Schadstoffausbreitung, Next-Genera-
tion-Sequencing-Analyse, Wirkstoffentwurf)
abgestimmt. Wir bearbeiten dabei Themen
der Leistungsmodellierung und -vorhersa-
ge sowie Methoden der Hardware-Abstrak-
tion fur Anwendungsentwickler.
HArNess
url: www.zib.de/de/pvs/projekte/
projektdetails/article/harness.html
mitarbeiter: T. Schütt
partner: Imperial College London (UK),
École Polytechnique Fédérale de Lausanne
(Schweiz), Université de Rennes 1 (Frank-
reich), Maxeler Technologies (UK), SAP AG
(Irland)
forschungsförderung: EU (FP7-ICT-318521)
projekte der AbteiluNG pArAllele uNd verteilte systemeAlle projekte im Netz ausführlich unter: www.zib.de/PVS
pArAllele uNd verteilte systeme | 93konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
inhalt: Im EU-Projekt Harness wird ein
Platform-as-a-Service (PaaS) Software
Stack entwickelt, der heterogene Hardware-
Ressourcen und innovative Netzwerk-Tech-
nologien unterstützt. Wir sind hauptsächlich
im Storage-Bereich tätig und werden durch
den gemischten Einsatz von Festplatten und
SSDs individuell für den Benutzer konfigu-
rierte Storage-Lösungen entwickeln. Dazu
setzen wir xtreemfs ein. Der Benutzer
wird pro Volume festlegen können, ob der
Datenzugriff – zum Beispiel für den Einsatz
von Datenbanken – für den schnellen
wahlfreien Zugriff (random access) oder
für schnellen sequentiellen Zugriff (data
streaming) optimiert werden soll. Über
Service Level Agreements (SLAs) kann der
Benutzer definieren, welche Leistung er für
seine Anwendung benötigt.
iris –
integratives forschungsinstitut für die
Naturwissenschaften Adlershof
url: www.iris-adlershof.de
mitarbeiter: A. Reinefeld, T. Steinke
partner: HU Berlin, HZB, FHI
forschungsförderung: HU Berlin
inhalt: Als assoziiertes Gründungsmitglied
bringen wir unsere Erfahrungen in der
interdisziplinären Zusammenarbeit von
Wissenschaftlern der Physik, Chemie und
Mathematik/Informatik ein. Wir bieten Lehr-
veranstaltungen zum Einsatz von MPI und
OpenMP an. Es ist geplant, die IRIS-Partner
bei der Parallelisierung ihrer Anwendungen
für massiv-parallele Multicore-Systeme zu
unterstützen.
lAbimi/f
url: www.zib.de/de/pvs/projekte/
projekt details/article/labimif.html
mitarbeiter: T. Steinke
partner: Universitätsmedizin Göttingen,
Universitätsklinikum Magdeburg, Uni-
versitätsklinikum Schleswig-Holstein,
Arbeitsgemeinschaft der Wissenschaftli-
chen Medizinischen Fachgesellschaft e. V.,
Technologie- und Methodenplattform für
die vernetzte medizinische Forschung e. V.
forschungsförderung: DFG
inhalt: Ziel des Vorhabens ist es, präzise
Anforderungen an die Langzeitarchivierung
für biomedizinische Daten zu erarbeiten
und für diese Aufgabe ein technologisches
Konzept zu entwickeln. Im Projekt werden
zunächst beispielhaft das Datenmanage-
ment in der medizinischen Bildverarbeitung
und der Genomforschung näher betrachtet.
Aufgrund der Komplexität des Manage-
ments langfristiger Daten im allgemeinen
biomedizinischen Kontext werden wichtige
Aspekte mit einer mehrstufigen Methodik
in Zusammenarbeit mit der Arbeitsge-
meinschaft der Wissenschaftlichen Me-
dizinischen Fachgesellschaften (AWMF)
herausgearbeitet.
metrik –
modellbasierte entwicklung von techno-
logien für selbstorganisierende dezentrale
informationssysteme im katastrophenma-
nagement
url: www.zib.de/de/pvs/projekte/
projekt details/article/metrik.html
mitarbeiter: J. Geibig, K. Sobe
forschungsförderung: DFG Graduierten-
kolleg
inhalt: Am METRIK-Graduiertenkolleg der
Humboldt-Universität sind wir mit den
Forschungsthemen „Selbstorganisierende
Datenreplikation in drahtlosen Maschen-
netzwerken“ und „Fehlertolerierende Codes
für verteilte Datenspeicherung“ beteiligt.
Wir entwickeln verteilte Algorithmen, die
selbst bei korrelierten Knotenausfällen
(z. B. im Erdbebengebiet) die Verfügbarkeit
wichtiger Daten garantieren.
mosGrid –
moleculAr simulAtioN Grid
url: www.zib.de/de/pvs/projekte/
projekt details/article/mosgrid.html
mitarbeiter: T. Steinke, P. Schäfer
partner: Universitäten Köln, Tübingen,
Paderborn, Dresden; Bayer, BioSolveIT,
COSMOlogic, GETLIG & TAR, Origines,
FZ Jülich, Turbomole, Sun Microsystems,
Schrödinger
forschungsförderung: BMBF
inhalt: Das MoSGrid-Projekt ermöglicht die
Nutzung verteilter Systeme für Molekülsi-
mulationen, indem es Wissenschaftler aus
dem chemischen Umfeld bei der Ausfüh-
rung von Simulationsrechnungen im Grid
unterstützt. Über ein webbasiertes Portal
wird den Nutzern Zugriff auf Anwendungs-
Workflows und Datenrepositorien gegeben.
Letztere beinhalten Moleküldatenbanken,
um auf Simulationsergebnisse und –proto-
kolle für die bereitgestellten Anwendungen
zugreifen zu können. Unsere Aufgabe im
Projekt besteht in der Entwicklung von
Technologien zum Betrieb von chemischen
Datenrepositorien und deren technischer
Umsetzung.
pNeumoGrid
url: www.pneumogrid.de
mitarbeiter: K. Sobe, T. Steinke
inhalt: Wir stellen Ressourcen für den
Betrieb eines Bildarchivierungs- und Kom-
munikationssystems (PACS) bereit, das
medizinische Bilddaten der Berliner Charite
für die Nutzer des PneumoGrid bereit-
halt. Gemeinsam mit der Charite werden
Anwendungsszenarien, die eine Visualisie-
rung der Prozesskette erfordern, auf dem
Visualisierungscluster am ZIB erprobt.
wissGrid –
Grid für die wissenschaft
url: www.zib.de/de/pvs/projekte/
projektdetails/article/wissgrid.html
mitarbeiter: F. Schintke, K. Sobe
partner: Universitäten Göttingen, Wup-
pertal, Dortmund, Heidelberg, Köln, Trier;
Astrophysikalisches Institut Potsdam,
Staats- u. Universitätsbibliothek Göttingen,
Universitätsmedizin Göttingen, AWI Bre-
merhaven, DESY, DKRZ, Inst. für Deutsche
Sprache Mannheim
forschungsförderung: BMBF
inhalt: Als D-Grid-Projekt hat sich WissGrid
die nachhaltige Etablierung von organisato-
rischen und technischen Strukturen für den
akademischen Bereich im D-Grid zum Ziel
gesetzt. Dabei bündelt WissGrid die hetero-
genen Anforderungen aus verschiedenen
wissenschaftlichen Disziplinen und entwi-
ckelt so konzeptionelle Grundlagen für die
nachhaltige Nutzung der Grid-Infrastruktur
sowie IT-technische Lösungen.
supercomputingSchnelle Computer, schnelle Algorithmen
supercomputiNG | 96konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
der hlrn-supercomputer am zibbearbeitet von: Wolfgang Baumann, Hans-Hermann Frese, Detlef Kehl, Rainer Klaus, Guido Laubender, Matthias Läuter, Christian Schimmel, Frank Schmitz,
Thomas Steinke, Manfred Stolle, Christian Tuma, Matthias Wittenberg, Stefan Wollny
weitere informationen unter: www.zib.de/de/HPC/serv und www.hlrn.de
Das ZIB betreibt im Rahmen des Norddeut-schen Verbundes für Hoch- und Höchstlei-stungsrechnen (HLRN) parallele Supercom-putersysteme, die zu den leistungsfähigsten sowohl in Deutschland als auch weltweit gehö-ren. In Verbindung mit der wissenschaftlichen Fachberatung stellt dieses System eine zentra-le Dienstleistung des ZIB für Wissenschaft und Forschung dar.
der HlrN-verbuNdIm HLRN-Verbund haben sich die sechs Bun-desländer Berlin, Bremen, Hamburg, Mecklen-burg-Vorpommern, Niedersachsen und Schles-wig-Holstein zusammengeschlossen, um das wissenschaftliche Hoch- und Höchstleistungs-rechnen im norddeutschen Raum zu fördern. Mit dem im Dezember 2012 erfolgten Beitritt des Landes Brandenburg zum HLRN-Verbund werden in Zukunft auch die Brandenburger Wissenschaftler von der Supercomputer-Infra-struktur und der HPC-Fachberatung profitieren können. Ergänzend zum Rechnerbetrieb bietet der HLRN den Rahmen für einen Kompetenz-verbund für wissenschaftliches Rechnen. In
diesem Verbund arbeiten Forscher sowohl aus den Anwendungswissenschaften Physik, Che-mie, Erdsystemforschung und Ingenieurwis-senschaften, als auch aus den Methodenwis-senschaften Mathematik und Informatik. Neben dem ZIB ist das Regionale Rechenzentrum für Niedersachsen in Hannover der zweite Betrei-berstandort für den HLRN-Supercom puter.
systemArcHitektur des HlrN-iiDie Systemarchitektur des HLRN-Supercom-puters spiegelt die besonderen Anforderungen der Wissenschaftler im norddeutschen Bereich wider. Als Hauptkomponente steht ein massiv-paralleler Hochleistungsrechner (MPP-System) mit Infiniband-Netzwerk für Programme mit mehreren tausend parallelen Prozessen zur Verfügung. Daneben existieren kleinere Teilsy-steme (SMP-System) für Programme, die bei moderater Parallelität einen großen gemein-samen Hauptspeicher benötigen. Die Technik des HLRN-II-Systems wurde von der Firma SGI geliefert und besteht aus zwei identischen In-stallationen an den Standorten Berlin und Han-nover. Der Endausbau des HLRN-II-Systems
Das HLRN-System am
ZIB umfasst insgesamt
49 Computerschränke.
Dabei befinden sich die
Rechnersysteme in 28,
die Plattensysteme in 13,
die InfiniBand-Netzwerk-
Switche in sechs und die
Ver waltungsserver in zwei
Schränken.
supercomputiNG | 97konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
umfasst pro Standort 48 Knoten vom Typ XE, 320 Knoten vom Typ ICE1, 960 Knoten vom Typ ICE2 und fünf Systeme vom Typ Ultra-Violet. Damit können moderat parallele Anwendungen bis zu 2 TByte Hauptspeicher pro Einzelprozess adres-sieren. Hochparallele Anwendungen können sogar über bis zu 7680 Rechenkerne verfügen, die über das Message Passing Interface Daten austauschen können.
dAs NAcHfolGesystem HlrN-iiiIm Herbst 2013 wird am ZIB die Berliner Kom-ponente des nachfolgenden HLRN-Supercom-putersystems in Betrieb gehen. Dazu wurde im Dezember 2012 der Kaufvertrag zwischen dem ZIB und und der Firma CRAY unterzeichnet. Mit dem neuen HLRN-III-System, basierend auf den neuesten Prozessor-, Netzwerk- und Speicher-techniken, wird den Nutzern rund die 10-fache Anwendungsleistung zur Verfügung stehen. Das folgende Schema zeigt die technischen Daten des zukünftigen HLRN-III-Systems im
Vergleich zu dem derzeit betriebenen HLRN-II (als Summe über beide Komplexe in Berlin und Hannover). Der HLRN-III besteht aus MPP- und SMP-Komponenten und wird wie bisher etwa symmetrisch verteilt an den HLRN-Standorten Berlin und Hannover betrieben. Die MPP-Kom-ponente ist ein CRAY XC30-System und wird im Endausbau ca. 85.000 CPU-Kerne und ca. 222 TB Hauptspeicher mit einer Spitzenleistung von nahezu 2.5 PFlop/s umfassen. Von dieser Architektur werden insbesondere die hoch-parallel skalierenden Anwendungen profitie-ren. Die SMP-Komponente mit ca. 2.300 CPU-Kernen und 24 TB Hauptspeicher eignet sich dagegen für speicherintensive Anwendungen moderater Parallelität. Die Kapazität des glo-balen Festplattensystems, das auf einem Lus-tre-Dateisystem basiert, wird sich auf ca. 7 PB erhöhen. Mit diesem im Vergleich zum HLRN-II fast fünffachen Volumen wird das System dem steigenden Bedarf an Datenhaltungskapazi-täten komplexer Anwendungen gerecht.
das proJekt in kürze: Das ZIB betreibt gemeinsam mit dem Regionalen Rechenzentrum für Niedersachsen das verteilte Hochleistungsrechnersystem des Norddeutschen Verbundes für Hoch- und Höchstleistungsrechnen. Der HLRN-Supercomputer stellt Rechenkapazität sowohl für hochparallele Anwendungen als auch für moderat parallele Anwendungen mit sehr großen Haupt-speicheranforderungen von bis zu 2 TB zur Verfügung. Mit der Vertragsunterzeichung im Dezember 2012 für das Nachfolgesystem HLRN-III wurden die Grundlagen für die erfolgreiche Fortführung des Hochleistungsrechnens im norddeutschen Raum gelegt.
Vergleich HLRN-II und
HLRN-III (Berlin und
Hannover)
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hlrn-fachberatungbearbeitet von: Wolfgang Baumann, Hans-Hermann Frese, Detlef Kehl, Rainer Klaus, Guido Laubender, Matthias Läuter, Christian Schimmel, Frank Schmitz,
Thomas Steinke, Manfred Stolle, Christian Tuma, Matthias Wittenberg, Stefan Wollny
weitere informationen: www.zib.de/HPC und www.hlrn.de
Die Modellierung und Simulation von Vorgän-gen in Natur und Technik ist in zahlreichen na-turwissenschaftlichen Forschungsgebieten als gleichberechtigte tragende Säule neben der Theoriebildung und der Durchführung von Experimenten etabliert. Damit ermöglicht das wissenschaftliche Hochleistungsrechnen aber auch Validierungsmöglichkeiten im Wechsel-spiel zwischen Experiment und Simulation.
Das ZIB stellt für Wissenschaft und Forschung den Berliner Komplex des HLRN-Supercompu-ters zur Verfügung. Die Nutzer kommen aus den Fachgebieten Chemie, Erdsystemforschung, Ingenieurwissenschaften, Mathematik und Physik, siehe Abbildung. Den größten Rechen-zeitverbrauch haben Projekte aus den Fachge-bieten Physik, Erdsystemforschung und Ingeni-eurwissenschaften. Die Physik umfasst hierbei sowohl klassische Physikanwendungen, wie z. B. Vielteilchenmodelle, Quantendynamik und Astrophysik, als auch Anwendungen der Mate-rialwissenschaften, die im Grenzgebiet zur Che-
mie liegen. Die im norddeutschen Raum pro-minent vertretene Erdsystemforschung reicht von der Ozeanografie über die Klimamodel-lierung bis hin zur Meteorologie. Die Ingeni-eurwissenschaften realisieren hauptsächlich Strömungssimulationen (z. B. von Schiffs- und Flugzeugprofilen), bei denen moderne Finite-Elemente- und Finite-Volumen-Codes Verwen-dung finden. Im Fachgebiet Mathematik sind Algorithmen der kombinatorischen Optimie-rung, Graphalgorithmen sowie methodenwis-senschaftliche Codes zusammengefasst.
HlrN-fAcHberAtuNGAls Teil des HLRN-Kompetenznetzwerks stehenfür die Nutzerbetreuung sowohl eine Rechner-administrationsgruppe mit langjähriger Erfah-rung als auch wissenschaftliche Fachberater aus den Anwendungsgebieten zur Verfügung.
Im Vergleich mit früheren Rechnern besitzen heutige Hochleistungsrechner eine weitaus komplexere Systemarchitektur mit hundert-
���Rechenzeitverbrauch 2012
der Fachgebiete auf dem
HLRN-Supercomputer
Das Profil des HLRN
Die Fachberatung als Teil des
HLRN-Kompetenznetzwerks
35,0 % Physik, Materialwissenschaften
30,2 % Erdsystemforschung
8,2 % Mathematik
15,9 % Ingenieurwissenschaften
10,7 % Chemie
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tausenden von Rechenkernen, einem schnellen Kommunikationsnetzwerk und einem ausge-wogen konfigurierten System für parallele Ein- und Ausgabe. Für die Supercomputer-Nutzer wird es daher immer schwieriger, ihre Pro-grammcodes, die ihrerseits auch immer kom-plexer werden, stets an den neuesten Stand der Hardware und Systemsoftware anzupas-sen. Unterstützt werden sie dabei in erster Linie durch die Fachberater – Wissenschaftler aus dem jeweiligen Anwendungsgebiet oder aus einem verwandten Fach. Die Fachberatung umfasst die Mitarbeit in Forschungsvorhaben, die Diskussion geeigneter numerischer Verfah-ren und der anzuwendenden Algorithmen so-wie die Mithilfe bei der effizienten Nutzung des Rechnersystems. Weiter werden den Nutzern die technischen Möglichkeiten, die organisato-rischen und fachlichen Belange der Systemnut-zung und Möglichkeiten der Systemoptimie-rung erklärt. Einen wichtigen Punkt stellt dabei auch die Unterstützung der Projekte in Bezug auf Datenhaltung und Datenverarbeitung dar. Die Erzeugung, Verarbeitung, Organisation und langfristige Speicherung stetig wachsen-der Datenmengen erfordert oft einen beträcht-lichen Aufwand und Zeitanteil im Arbeitsablauf der Projekte.
Die Fachberater decken die Forschungsschwer-punkte im HLRN ab, realisieren Anwendungen auf dem Supercomputer, publizieren in wis-senschaftlichen Zeitschriften, geben regelmä-ßig Kurse (z. B. zur Einzelprozessor-Optimie-rung und zur Parallelen Programmierung mit MPI und OpenMP) und Lehrveranstaltungen, organisieren Anwenderworkshops und beteili-gen sich an Forschungsprojekten, die dem wis-senschaftlichen Austausch und der Überfüh-rung neuester HPC-Softwaremethodik in die Anwendungsgebiete dienen. Enge Kontakte
zwischen den einzelnen Fachberatern und den Anwendern aus den zugehörigen Fachgebieten sind eine entscheidende Voraussetzung für die erfolgreiche Durchführung der Projekte.
Für den Kompetenzverbund koordiniert das ZIB, unterstützt durch das RRZN in Hannover, den HLRN-Support und führt regelmäßige Treffen zur gegenseitigen Information und Weiterbildung der Fachberater und Anwenderbetreuer aus den Universitätsrechenzentren der am HLRN beteilig-ten Länder durch. Die Fachberater-Workshops finden zweimal im Jahr an unterschiedlichen Orten im HLRN-Gebiet statt und werden jeweils von einem dort ansässigen HLRN-Berater orga-nisiert. Ein wichtiges Thema des letzten Treffens in Rostock war die Vorbereitung der Ausschrei-bung des Nachfolgesystems HLRN-III. Diskutiert wurden von den Teilnehmern u. a. die Software-Anforderungen aus Nutzersicht sowie die Anfor-derungen an ausschreibungsrelevante Anwen-dercodes als Bestandteil der Benchmarksuite.
computAtioNAl cHemistryUnter der aktiven Mitarbeit der Fachberater ist es in einem chemischen Forschungsprojekt ge-lungen, Vorhersagen darüber zu treffen, ob und wie sich thermische Zersetzungsreaktionen be-stimmter organischer Grundsubstanzen (Gly-cerol, Propylenglykol, Triacetin) in Gegenwart ausgewählter Festkörperoberflächen beein-flussen lassen. Dazu wurden massiv parallele Rechnungen mit Methoden der Dichtefunktio-naltheorie an periodischen Strukturmodellen mit mehreren Hundert Atomen durchgeführt. Die Ergebnisse können z. B. wichtige Hinweise darauf geben, welche Materialien und Bedin-gungen im alltäglichen Bereich der Nahrungs-zubereitung (Kochen und Braten) die Bildung gesundheitsschädlicher Substanzen begünsti-gen bzw. erschweren1.
das proJekt in kürze: Das ZIB ist seit den achtziger Jahren des vorigen Jahrhunderts Zen-trum für Supercomputing in Deutschland. Seit dem Jahr 2002 betreibt das ZIB seine Supercompu-ter im Rahmen des HLRN-Verbundes. In den Supercomputing-Aktivitäten spielt die Fachberatung eine zentrale Rolle. Die Beratung erstreckt sich auf alle Fragen der Rechnernutzung mit Schwer-punkten in Portierung, Parallelisierung, Optimierung von Programmcodes, effizienter Datenhaltung sowie der Aus- und Weiterbildung der Nutzer.
Vortrag und Betreuung
der Programmierübungen
im Kurs „Parallele Pro-
grammierung mit MPI
und OpenMP“
Ein durch H-Brücken an
einer Zirkoniumdioxid-
oberfläche gebundenes
Glycerolmolekül
1 Tuma, C., Laino, T., Martin, E., Stolz, S., Curioni, A., ChemPhysChem 14 (2013) 88
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brain – das berliner wissenschaftsnetzbearbeitet von: Ursula Droebes, Stefan Wollny, Marek Fröhlich
weitere informationen unter: www.zib.de/brain und www.brain.de
BRAIN ist das leistungsstarke Breitbandnetz für alle aus öffentlichen Mitteln geförderten Wissenschafts-, Kultur- und Bildungseinrich-tungen in Berlin/Potsdam. Technische Voraus-setzung für die Teilnahme am BRAIN ist die Erschließung der Standorte durch Glasfasern des Landes Berlin. Unabhängig von der üb-rigen Nutzung des Landesnetzes durch die Berliner Verwaltungen steht BRAIN ein Kontin-gent von 2.000 km Einzelfasern zur Verfügung. Die Vergabe und der Betrieb dieser Fasern des Glasfasernetzes wird von BRAIN selbständig koordiniert. Engpässe in dem seit 2005 be-reits ausgeschöpften Kontingent werden mit-tels WDM1- Technik des Herstellers Transmode aufgelöst. Durch Ausnutzung der besonderen Eigenschaften des Lichtes werden mehrere lo-
gisch unabhängige Übertragungskanäle (sog. Bandbreiten) parallel über eine physikalische Faser übertragen. Grundsätzlich können einzel-ne Standorte einer Einrichtung über dedizierte Glasfasern oder Bandbreiten direkt miteinan-der verbunden werden. In der Regel nutzen die Einrichtungen jedoch inzwischen verstärkt die Dienste des Verbundnetzes in Ethernet-Technik, da dieses nicht nur den Datenaustausch der Standorte derselben Einrichtung ermöglicht, sondern auch den Datentransfer zwischen ver-schiedenen Einrichtungen.
verbuNdNetZDas Verbundnetz besteht aus einem ringför-migen Kernnetz mit zusätzlichen Querverbin-dungen und den Zugangsleitungen für die
teilNeHmeNde
eiNricHtuNGeN
AIP | BAM | BBAW | BBB |
BHT | Charité | DAI | DFG |
DFN | DHM | DHZB | DIPF |
DIW | DK | ESCPEAP | FIRST |
FOKUS | FMP | FUB | FVB |
GWZ | HTW | HUB | HWR |
HZB | IZW | ITDZ | MBI | MPG |
PTB | SPK | SPSG | TUB |
UdK | UP | WIAS | WissF |
WiKo | WISTA | WZB | ZIB | ZLB
BRAIN verbindet derzeit
42 Einrichtungen mit mehr als
150 Standorten, welche einen
oder mehrere BRAIN-Dienste
nutzen.
brAiN-dieNste
Glasfasern/bandbreiten
• zur direkten Verbindung
zweier Standorte und/oder
• zur physikalischen Anbin-
dung an das Internet über
den DFN-Verein (Regelan-
schluss2)
verbundnetz
mit Einzelanschlüssen bis zu
10.000 Mbit/s
• für leistungsstarke Verbin-
dungen der Einrichtungen
oder einzelner Standorte
miteinander für direkten
IP-Datenaustausch
• als Zugangsportal zum
Intranet des Landes Berlin
(Berliner Landesnetz BeLa)
• als Zuleitung zum Internet
via Portanschluss3 über den
DFN-Verein
1 wdm: Wavelength Division Multiplexing ermöglicht den zeitgleichen Transport vieler Datenströme durch Nutzung unterschiedlicher Wellenlängen ineinem optischen Leiter (Glasfaser). 2 regelanschluss: Der DFN-Verein ist für die Bereitstellung des physikalischen Anschlusses einer Einrichtung(Zuleitung) zur Nutzung des DFNInternet-Dienstes zuständig. 3 portanschluss: Bei dieser Art des DFNInternet-Zugangs (<= 100 Mbit/s) muss dienutzende Einrichtung die Zuleitung zum nächsten DFN-Router selbst stellen. Das Verbundnetz kann hierfür als Zuleitung zum DFN-Netzknoten im ZIBgenutzt werden.
supercomputiNG | 101konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
Einrichtungen, die über Ethernet angebunden sind. Das Kernnetz wird aufgespannt durch neun über Berlin und Potsdam verteilt auf-gestellte Netzknoten der Firma Brocade vom Typ NetIron MLX. Die Kernnetzstrecken sind in 10-Gigabit-Ethernet-Technik realisiert und haben eine Gesamtlänge von 268 km. Jeder Kernnetzknoten ist mit zwei bis vier anderen verbunden; dies sorgt für hohe Redundanz im Leitungsnetz, so dass der normale Betrieb während einer Leitungsunterbrechung an einer beliebigen Stelle im Kernnetz gesichert ist. Die Kernnetzstrecken basieren auf von BRAIN be-triebenen WDM-Strecken. Der aktuelle Status kann unter www.brain.de/manage eingesehen werden. Das Management erfolgt zentral von der BRAIN-Geschäftsstelle im ZIB.
mANAGemeNt uNd serviceZum Tagesgeschäft der BRAIN-Mitarbeiter gehören neben Konfiguration, Betrieb und Überwachung der Netztechnik auch die Be-ratung von Teilnehmern in allen Fragen der Anbindung von Standorten an das BRAIN, z. B. die Planung neuer Glasfaserstrecken, Bera-tung bei der Konfiguration der Anwenderge-
räte und die Unterstützung der Anwender im Störungsfall. Die Fehleranalyse im Glasfaser-netz wird mit eigens dafür beschafftem Mes-sequipment selbst durchgeführt. Soweit wie möglich erfolgt die Fehlerbeseitigung durch BRAIN-Mitarbeiter, andernfalls auch durch be-auftragte Dritte.
pilotprojekt: free-spAce-optic5 (fso)Was ist zu tun, wenn auf Grund örtlicher Ge-gebenheiten ein Standort nicht durch Glasfa-sern erschlossen werden kann? Eine Alterna-tive zur klassischen Glasfaseranbindung kann FSOTechnik sein. Um Erfahrungswerte mit der Verwendung dieser laserbasierten Technik für die Datenübertragung mit großen Bandbreiten (bis zu 1GBit/s) zu sammeln, hat BRAIN auf dem Dach des Jacob-und-Wilhelm-Grimm-Zentrums und dem Dach des Berliner Zeug-hauses FSO-Technik installiert und in Betrieb genommen. Während der Laufzeit des Pilot-projekts erfolgen Last-, Performance- und Ver-fügbarkeitstests. Die Laufzeit wird mindestens ein Jahr betragen, um alle jahreszeitlich be-dingten Beeinflussungen (Schnee, Starkregen, Nebel etc.) beurteilen zu können.
das proJekt in kürze: Seit 1994 ist BRAIN (Berlin Research Area Information Network) das Hochgeschwindigkeitsdatennetz für Hochschulen, Forschungsinstitute, Bildungs- sowie andere öffentliche Einrichtungen in Berlin. Grundlage ist das landeseigene Glasfasernetz, das in enger Zusammenarbeit mit dem IT-Dienstleistungszentrum Berlin (ITDZ) stetig weiter ausgebaut wird. BRAIN nutzt hiervon 2.000 km Einzelfaser und bietet regionalen Wissenschaftseinrichtungen leistungsstarke Kommunikationsverbindungen untereinander, Zugang zum Berliner Landesnetz (BeLa) und die Anbindung an das Internet über das Deutsche Forschungsnetz (DFN).
verbuNdNetZ
• 9 BRAIN-Netzknoten
Netiron MLX an Wissen-
schaftsstandorten
• 28 Teilnehmer aus
Berlin/Potsdam
• 78 angeschlossene Standorte
• ca. 4,4 PetaByte akkumu-
liertes Datenaufkommen
an Teilnehmer-Ports in 2012
4 mpls: Multi-Protokoll Label Switching wird genutzt für Virtual leased line (VLL), Virtual private LAN Service (VPLS), BGP MPLS/VPN, Multi-VRF, FastReroute. 5 free-space-optic: Laserbasierte Optische Freiraumübertragung
trANsmode, ts-1100
• Modular erweiterbar
• 4 optische Kanäle zu je
10Gbit/s über eine einzelne
Glasfaser mehrfach pro
Chassis konfigurierbar
• Zeitmultiplexing mehrerer
Anwendungen pro op-
tischen Kanal
NetiroN mlx
• non-blocking 400Gbps
Switching-Kapazität
• Wire-speed Dual Stack
für IPv4/IPv6
• MPLS4
• Quality of Service/Class
of Service für Datenfluss-
priorisierung
• umfangreicher BGP-4-Sup-
port für Internet-Routing
TU
UP
ZIB
CVK
HUWAS
HTW
SPK
ADH
TOPOLOGIEKERNNETZ
it-serViceService für die Forschung
it-service | 104konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
it-serViceleitung: Wolfgang Pyszkalski
weitere informationen im web unter: http://its.zib.de
Die Abteilung IT-Service plant, beschafft, instal-liert und wartet die gesamte IT-Infrastruktur im ZIB. Durch die enge Kooperation mit führenden Herstellern besitzt die Abteilung Zugriff auf neueste Produkte und kann diese teilweise bereits vor der Markteinführung unter praxis-nahen Bedingungen evaluieren. Die Ergeb-nisse kommen nicht nur den Herstellern zugute, sondern dienen auch der Planung zu-künftiger Erweiterungen der IT-Infrastruktur am ZIB, das dadurch häufig eine Vorreiterrolle bei der Einführung neuer Technologien spielt.
Unsere aktuellen Erkenntnisse bringen wir zeitnah in die Lehre ein. In Zusammenarbeit mit der Hochschule für Wirtschaft und Recht in Berlin (HWR) bieten wir Ausbildungs plätze für die Fachrichtung Informatik mit dem Ver tiefungsschwerpunkt Systemadministra-tion an.
Das erworbene Wissen vermitteln wir auch in unseren Veranstaltungen. Um die Förderung des Austausches zwischen den IT-Diensten wissenschaftlicher Einrichtungen bemüht,
organisieren wir als Plattform für diesen Zweck regelmäßig gut besuchte Veranstaltungen, bei denen jeweils etwa die Hälfte der Zeit für Gastvorträge anderer wissen schaftlicher Ein-richtungen vorgesehen wird.
AktivitäteN im jAHr 2012Die Aktivitäten in diesem Jahr waren haupt-sächlich von einer Erneuerung, Verbesserung und Erweiterung der den vorhandenen Dien-sten zu Grunde liegen IT-Infrastruktur geprägt.
Einen großen Raum nahmen auch technische Untersuchungen und weitere Arbeiten für die Erstellung konkreter Planungen und Kalku la-tionen zur Durchführung von Vorhaben des ZIB ein, die für 2013 vorgesehen sind und für die wir um technische Unterstützung gebeten wurden.
Passend zum Termin von 20 Jahren Daten-haltung mit Nutzung von Bandspeicher-systemen konnten wir in diesem Jahr unsere Bandspeichersysteme um Laufwerke der neu-esten Technologie erweitern.
Unser IP-Datennetz stellt mit
ca. 1.800 Gigabit Ethernet
Ports in den Netzkomponen-
ten für jeden Arbeitsplatz
im ZIB die erforderliche
Zahl von Anschlüssen mit
der Geschwindigkeit von
einem Gigabit zur Verfügung.
Im Bereich der Server und
Außenanbindungen stehen
im Netz Anschlüsse mit einer
Geschwindigkeit von
10 Gigabit/s über OM3-Licht-
wellenleiter zur Verfügung.
Zwei Switche mit 88 Ports
vom Typ 10 GE FCoE und 24
Fibre Channel Ports verbin-
den das IP-Netz mit dem Fibre
Channel Speichernetzwerk
(SAN).
Über das Speichernetzwerk
mit seinen 672 Ports sind der-
zeit 36 Server mit 1.638 Plat-
ten in 17 Arrays verbunden.
Einige der Server, die Platten-
kapazität über IP-Protokolle
bereitstellen, sind über das
Speichernetzwerk zusätzlich
mit den Bandrobotern ver-
bunden, die mit 24 Robotern
auf Magnetbandkassetten in
18.000 Stellplätzen zugreifen
und die Bänder zwischen den
Stellplätzen und den 60 Lauf-
werken transportieren.
Weiterführende Informationen über die Aktivitäten der Abteilung IT-Service, die verwendeten Techniken, Informationen über unsere Projekte und die Mitarbei-ter sind im WEB unter its.zib.de verfügbar. Dort befinden sich auch Hinweise auf Veranstaltungen, Kontaktadressen und technische Berichte über durchgeführte Arbeiten.
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jubiläum der dAteNHAltuNG im Zib20 Jahre Erfahrung mit einer Datenhaltung, die auf Bandarchiven mit Robotern basiert, sind Grund genug für einen kurzen Rückblick. Die folgende Tabelle zeigt die über die Zeit verwen-deten Typen von Bandspeichersystemen und Bandlaufwerken sowie die jeweils maximale Kapazität pro Band.
Bei jeder Erweiterung oder Erneuerung der Bandspeichersysteme durch neue Technologien im Bereich der Laufwerke migrieren wir Teile des vorhandenen Datenbestandes auf Bänder der neuen Technologie. Dabei haben wir in-zwischen einen Stand erreicht, der uns solche Aktivitäten im laufenden Betrieb und ohne Be-einträchtigung der Nutzung ermöglicht.
In diesem Jahr ist es uns gelungen, un sere Bandspeichersysteme mit einer größeren Zahl der zur Zeit neuesten Laufwerke vom Typ T10000 C hochzurüsten, was mehrere Vorteile bietet.
Durch die deutlich höhere Kapazität brauchen wir für die gleiche Menge an Daten weni-ger Stellplätze. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass wir ohne Erweiterung der Speicher-systeme mehr Daten unterbringen können. Die
neuen Laufwerke sind mit 240 MB/s doppelt so schnell wie ihre Vorgänger T10000 B.
Neue fuNktioNAlitäteNEin bislang immer vorhandenes Problem war der Nachweis, dass die auf Band geschrie-benen Daten und die Daten auf den Platten wirklich völlig identisch sind. Die eingesetzten Ver fahren zur automatischen Korrektur von Fehlern, mindestens aber zu deren Erkennung, sollten so etwas eigentlich sicherstellen. Nun gibt es in all den beteiligten Systemen (Plat-tenspeicher, Rechner, Datennetze, Bandspei-chersystem) ein als „silent data corruption“ be-kanntes Problem. Dabei kann, wenn auch nur mit extrem geringer Wahrscheinlichkeit, eine Kombination von gleichzeitig auftretenden Feh-lern dazu führen, dass das Problem in der ent-sprechenden Komponente nicht erkannt wird.
Die Abhilfe bestand bislang darin, die Daten auf das Band zu schreiben, dann vom Band wieder in eine Kopie auf der Platte zu lesen und schließlich Original und Kopie auf der Platte zu vergleichen. Dies ist ein hoher Aufwand, der jedoch für Daten, bei denen auch die geringste Abweichung gravierende Auswirkungen haben kann, angebracht ist.
Die neuen Laufwerke bieten nun, zusammen mit der aktuellen Version der von uns ein-gesetzten Software SAM-FS (Storage and Archive Manager File System), die Möglich-keit einer automatischen Prüfung auf System-ebene, bei der die abschließende Prüfung ohne Zurückkopieren der Daten, direkt im Bandlauf-werk, erfolgen kann. Für das spätere Lesen der Daten sind diese neu eingesetzten Prüf-verfahren natürlich ebenso hilfreich.
die AbteiluNG it-service plant, beschafft, installiert und wartet die gesamte IT-Infrastruktur imZIB. Durch die enge Kooperation mit führenden Herstellern, insbesondere mit den Firmen Oracle und NetApp, ist die Abteilung in der Lage, neueste Produkte teilweise bereits im Prototypstadium unter praxisnahen Bedingungen im ZIB zu testen und so zur Verbesserung der Produkte beizu-tragen. Im Jahr 2008 ist die Abteilung als „Sun Center of Excellence für Daten- und Speicherma-nagement“ ausgezeichnet worden. Diese Form der Zusammenarbeit ist inzwischen mit Oracle erneuert worden.
Wärmeabgabe und Strom-
verbrauch sind neben der
Frage des Umweltschutzes
auch eine technisch nicht zu
vernachlässigende Grö-
ße. Auch die Frage einer
automatisierten Abschaltung
bei andauerndem Ausfall
der Stromversorgung ist bei
unserer von Virtualisierung
auf allen Ebenen geprägten
IT eine Herausforderung.
Aus diesem Grund rüsten
wir unsere Systemschränke
mit speziellen Stromvertei-
lungseinheiten (PDU) aus, die
sowohl Messungen, als auch
Schaltvorgänge mittels eige-
ner Software ermöglichen.
it-service | 106konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin
zentrale datenhaltung im zibbearbeitet von: Wolfgang Pyszkalski, Dirk Krickel, The Anh Pham
weitere informationen unter: http://its.zib.de
Die wissenschaftlichen Daten sind das wich-tigste Gut im ZIB. Entsprechend hoch ist der von uns betriebene Aufwand in Bezug auf Sicherheit, Geschwindigkeit und Kapazität der zentralen Datenhaltung.
Der Bedarf an Speicherkapazität wächst ex-ponentiell, was die Strategie einer bestän-digen Erweiterung der Plattenkapazitäten nicht als zukunftsweisendes Konzept erschei-nen lässt. Insbesondere der damit stark zuneh-mende Stromverbrauch setzt hier Grenzen. Dies um so mehr, als die bei weitem überwie-gende Zahl der Daten nur relativ selten gele-sen wird. Eine stromsparende Möglichkeit zur Spei cherung selten benutzter Daten ist die Ablage auf Magnet bändern. Strom wird im-mer nur dann verbraucht, wenn Daten gelesen oder neu geschrieben werden. Dieses Verfah-ren ist nicht nur kostengünstig, sondern stellt auch einen schonenden Umgang mit der Um-welt dar. Um die Anwender von der Mühe des Schreibens von Daten auf Band zu befreien, haben wir ein hierarchisches Speichersystem (HSM) auf gebaut.
eNerGiespAreNde speicHerHierArcHieDas Grundprinzip unserer zentralen Daten-haltung besteht deshalb aus einem mehr-stufigen Speicherkonzept mit einem Verbund aus Platten und Bandspeicher. Die zentralen Server der Datenhaltung ermöglichen Anwen-dern auf verschiedenen technischen Wegen Zu-griff auf zur Zeit etwa 1 Petabyte Platten speicher. Ohne Eingriff der Anwender werden neue Daten kontinuierlich vom Plattenspeicher in das Band-archiv kopiert, wobei immer zwei Kopien auf verschiedene Bänder geschrieben werden. So-bald der Platz auf dem Plattenspeicher knapp wird, erfolgt automatisch eine Löschung lange nicht benutzter Daten auf den Platten, wobei die Verwaltungsdaten erhalten bleiben. Der Nutzer hat so den Eindruck, dass alle seine jemals er-zeugten Dateien auf den Platten liegen. Wenn auf eine so ausgelagerte Datei zugegriffen wird, laden die Server die entsprechenden Daten auto matisch aus dem Bandarchiv auf die Platten zurück. Wenn ein Anwender eine Datei löscht, bleiben die Kopien auf Band noch einige Zeit erhalten und werden dann von den zentralen Servern auch dort gelöscht.
Die Bandarchive befinden
sich in einem Tresorraum, der
auch extremer Hitze mehrere
Stunden lang widerstehen
kann, ohne dass sich im
Innenbereich eine für die Ma-
gnetbänder kritische Tempe-
ratur entwickelt. Im Alarmfall
wird der Tresor automatisch
versiegelt und vollständig mit
Löschgas geflutet.
In diesem Tresorraum fungie-
ren drei Bandspeicher systeme
SL8500 als zwei voneinander
unabhängige Archive, in de-
nen auf Anforderung unserer
Server insgesamt 24 Roboter
Magnetband kassetten zwi-
schen den 18.000 Stellplätzen
und den 60 Bandlaufwerken
transportieren.
Jede Datei wird immer in
zwei Kopien auf die Bänder
geschrieben. Da wir dafür sor-
gen, dass die Kopien immer
auf die beiden voneinander
unabhängigen Archive verteilt
werden, kann ein Fehler in
einem der Archive niemals
beide Kopien gleichzeitig
beschädigen.
Die räumlichen Dimensionen
sind in dem Bild erkennbar,
das im rechten Teil einen Mit-
arbeiter in einem der sechs
Gänge der Bandspeicher-
systeme bei Wartungsar-
beiten zeigt.
Weiterführende Informationen über die Aktivitäten der Abteilung IT-Service, die verwendeten Techniken, Informationen über unsere Projekte und die Mitarbei-ter sind im WEB unter its.zib.de verfügbar. Dort befinden sich auch Hinweise auf Veranstaltungen, Kontaktadressen und technische Berichte über durchgeführte Arbeiten.
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kooperAtioNeN mit HerstellerNFür die einzelnen Komponenten unserer Daten-haltung nutzen wir etablierte Software und Technik höchster Qualität. Durch unser Gesamt-konzept, spezielle Konfigurationen und einige Zusätze erreichen wir jedoch mehr Leistung und Sicherheit, als die einzelnen Komponen-ten standardmäßig bieten. Der Grad unserer Fähigkeiten spiegelt sich nicht zuletzt in dem Zustandekommen einer Kooperation unter dem Titel „Oracle Center of Excellence Da-ten- und Speichermanagement am Zuse-Institut Berlin“ sowie einer Reihe formloser Zusammen arbeiten zum gegenseitigen Nutzen mit weiteren Herstellern wider. Dadurch, dass uns Hersteller neueste, noch nicht auf dem Markt verfügbare Produkte und technische Dokumentationen zur Verfügung stellen, kön-nen wir Verfahren und Musterlösungen ent-wickeln, die einerseits die Datenhaltung im ZIB ständig verbessert, andererseits aber auch für die Hersteller und deren eigenen Entwick-lungen interessant sind.
dAuerHAfte speicHeruNG voN dAteNEine zunehmende Rolle spielt die Speiche-rung von unwiederbringlichen Daten, wie z. B. Daten aus der Molekularbiologie, Ergeb-nisse von Messungen aus Experimenten, digitalisierte Artefakte und Dokumente. Für solche Daten nutzen wissenschaftliche Ein-richtungen im Rahmen von Projekten un-sere Infra struktur. Dafür stellen wir ihnen auf leistungsstarken Servern virtuelle Rechner zur Verfügung, über die sie Zugriff auf Kapazitäten unserer Datenhaltung haben. Wir stellen eine Reproduzierbarkeit der Daten sicher, ohne uns um deren Inhalte zu kümmern. Auch ein durch die Weiterentwicklung bedingter Wechsel der zu Grunde liegenden Technik und das dadurch not-wendige Migrieren von Daten erfolgt durch uns.
scHutZ uNwiederbriNGlicHer dAteNEin nicht zu unterschätzendes Problem bei der Lagerung von Bändern ist die Alterung des Materials. Unser Ziel ist es, sich anbahnende Probleme so frühzeitig zu erkennen, dass wir die Lesbarkeit der Daten unabhängig vom Grad der Nutzung über beliebige Zeiträume garantieren können. Dazu verfügen wir über die Möglichkeit, Probleme beim Schreiben und Lesen auf Bänder zu erkennen, die als physi-kalisch bedingte, normale Ereignisse immer mal wieder auftreten. Entsprechend werden solche Ereignisse im Normalfall nicht an die Server gemeldet. Gleichwohl gibt es bei Pro-blemen mit dem Bandmaterial grenzwertige Situationen, wo eine Vielzahl solcher Ereig-nisse auf ein sich anbahnendes Problem hin-deutet. Wirkungslos wäre diese Technik natür-lich bei Bändern, die lange Zeit nicht gelesen wurden. Bänder der langfristigen Datenhal-tung lesen wir deshalb außerhalb der nor-malen Anforderungen mittels einer speziellen Überwachung regelmäßig zur Probe. Wenn dabei die erwähnten Fehler auftreten, erfolgen entsprechende Alarme, damit wir über das weitere Vorgehen entscheiden und das Band gegebenenfalls rechtzeitig vor dem Auftreten echter Probleme umkopieren können.
Da der Reinheit der Umgebung bei der Band-verarbeitung eine große Rolle zukommt, ver-fügt der Datenhaltungsraum über eine eigene Klimatisierung. Die Luft wir gemäß der euro-päischen Norm EN779 Filterklasse F7 gefiltert.
Zwei voneinander unabhängige Über-wachungen prüfen ständig die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit im Raum. Bei Abwei-chungen vom optimalen Wert alarmieren die beiden Systeme die Haustechnik und die Abtei-lung IT-Service.
das proJekt in kürze: Für die Arbeiten im ZIB und zur Nutzung durch andere wissenschaft-liche Einrichtungen betreiben wir ein modernes Speichersystem. Unsere Server ermöglichen den Zugriff auf etwa ein Petabyte Plattenspeicher. Als Erweiterung des Plattenspeichers dient ein Bandarchiv zur Langzeitspeicherung. Dieses Archiv ist ein schnelles „Hochregallager“ für Bandkas-setten, die auf Anforderung der Server durch Roboter in die Bandlaufwerke geladen werden. Die Server sorgen automatisch dafür, dass sich auf dem Plattenspeicher immer die aktuell benutzten Daten befinden, wodurch er den Anwendern praktisch als unendlich groß erscheint.
Durch eine regelmäßige
Nachrüstung mit neuester
Technologie müssen die Daten
gelegentlich auf neuere Me-
dien migriert werden. Solche
Migrationen erfolgen durch
uns im laufenden Betrieb.
Ein Beispiel dafür ist eine
Migration von Daten, die 2009
erfolgte. Dabei wurden in nur
vier Wochen 1.325 Bänder mit
300TB von SGI/DMF/Powder-
horn/ T9940B nach Sun/SAM-
FS/ SL8500/T10000B migriert.
Dies erforderte nicht nur ein
einfaches Umkopieren, son-
dern auch den grund legenden
Wechsel über mehrere Techno-
logien und Formate.
Es ist zu erkennen, dass die
Geschwindigkeit dieser Mi-
gration außerordentlich hoch
war. Aber wir waren nicht nur
schnell, sondern haben auch
durch doppelte Berechnung
von Prüfsummen verifi-
ziert, dass die Daten im Ziel
wirklich absolut unverändert
angekommen sind.
Mit den in diesem Jahr be-
schafften Bandlaufwerken des
neuesten Typs und der aktu-
ellen HSM-Software (SAM-FS)
ist eine automatische Verifizie-
rung der Authentizität auf Band
geschriebener Daten möglich
(Nachweis, dass die Daten auf
Band absolut identisch mit den
Daten auf den Platten sind).
fakten und zahlenmathematik und informatik authentisch erleben Veranstaltungen des zib für kinder, Jugendliche und studierende
auszeichnungen und rufe
publikationen
PreprintsMitherausgabe von PublikationenBeiträge in Zeitschriften und TagungsbändenMonographienDissertationenExamensarbeiten
Vorträge und lehrVeranstaltungen Von zib-mitarbeitern und -mitarbeiterinnen
Vorträge und GastaufenthalteVorlesungen und SeminareMitveranstalter auswärtiger Tagungen tagungen und gäste am zib
GastvorträgeGastaufenthalteTagungen und Veranstaltungen
mathematik und informatik für die Öffentlichkeit software und serVice
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wissenschaftliche nachwuchsfÖrderung am zibVeranstaltungen für kinder und Jugendliche
Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des ZIB bemühen sich seit vielen Jah-ren, mehr qualifizierte junge Menschen für Mathematik und Informatik zu in-teressieren. Zahlreiche Aktivitäten sol-len Ihnen die Vielfalt der Mathematik näher bringen, denn Mathematik ist nicht langweilig und abstrakt, sondern macht Spaß. Mit Mathematik kann man die Probleme des Alltags verstehen und lösen.
Die Beschäftigten des ZIB sind auch im Jahre 2012 häufiger Gast in Berliner und Brandenburger Schulen gewesen und haben dort von ihrer Arbeit erzählt und sich den kritischen Fragen der Schü-lerinnen und Schüler gestellt. In den Räumlichkeiten des ZIB fanden im Jahr 2012 21 Veranstaltungen mit insgesamt 290 Schülerinnen und Schülern statt. Darüber hinaus unterstützte das ZIB Schulen mit für Wissenschaftszwecke nicht mehr benötigter Hardware und betreibt die informationstechnische In-frastruktur für den zentralen Server der Berlin Schulen.
Die Mitarbeiter/innen des ZIB engagie-ren sich auch im Rahmen des „Digi-talen Adventskalender” des DFG-For-schungszentrum Matheon. Jedes Jahr öffnen sich zur Adventszeit 24 Türchen mit Mathe-Aufgaben. Der Schwierig-keitsgrad der Aufgaben entspricht etwa dem Niveau der 10. – 13. Klassenstufe. Diejenigen Mathebegeisterten, die die Aufgabe richtig lösen, haben die Chan-ce auf einen Gewinn. Die Aufgaben des ZIB gehören zu den spannendsten und beliebtesten, denn die ZIB-Mitarbei-terin Marika Karbstein hat in 2011 und 2012 den Preis für die „Ultimative Ma-the-Aufgabe“ gewonnen.
Großen Zulauf erhält das ZIB traditio-nell in der „Langen Nacht der Wissen-schaften“. Die Veranstaltungen waren mit 1974 Besuchern wiederum gut nachgefragt. Neben vielen Vorträgen, dem „Computerbasteln“ und dem „Science-Slam“, waren die Führungen im Rechnerraum zum Hochleistungs-rechner, Erläuterungen zur langfri-stigen Datenhaltung sowie das 3D-Wis-
senschaftskino im ZIB-eigenen „Studio Da Vinci“ besondere Highlights. Wie jedes Jahr hielt Prof. Horst Zuse, der älteste Sohn Konrad Zuses, Vorträge zur Geschichte des Computers und zur Arbeit seines Vaters, die auf großes In-teresse stießen.
Wie bereits in den vergangenen Jahren beteiligte sich das ZIB auch 2012 am bundesweiten „Girls’ Day“. Mädchen der 5.–10. Klasse erhielten Einblicke in die am ZIB vertretenen Berufsfelder. In den angebotenen Workshops „Spiele selber Programmieren“, „Online-Ver-steigerungen“, „Keine Angst vor groß-en Computern“ und „Mathe-Puzzle“ präsentierten vor allem Mitarbeite-rinnen des Instituts technische Details und algorithmische Probleme im Um-gang mit Computern sowie Inhalte aktueller Arbeiten. Die teilnehmenden Mädchen konnten das erlernte Wissen in praktischen Übungen ausprobieren.
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auszeichnungen und rufe
ralf borndörfer
• Ruf auf eine Professur „Diskrete Mathematik“ mit dem Schwerpunkt Diskrete Optimierung in den Ver-kehrswissenschaften an der Freien Universität Berlin (W2-S)
fabio d’Andreagiovanni • Excellent Presentation Award of the
ESF-JSPS Frontier Science Confe-rence for Young Researchers
• Sapienza Doctoral Dissertation Award
peter deuflhard • Goldene Ehrennadel der Freien Uni-
versität Berlin• Senior-Professur „Numerische Ana-
lysis“, Institut für Mathematik, Freie Universität Berlin
• Ehrenprofessor, Beijing University of Technology, China
• Ruf auf eine Professur „Applied Mathematics and Computational Science“, King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Thuwal, Saudi-Arabien: nicht reali-siert
moritz ehlke, Heiko ramm, Hans lamecker und stefan Zachow
• Best Poster Award für „Efficient projection and deformation of volu-metric intensity models for accurate simulation of X-ray images“ auf dem „Eurographics Workshop on Visual Computing for Biology and Medicine (VCBM)“ in Norrköping, Schweden
Armin fügenschuh
• Ruf auf eine W2-Professur „Ange-wandte Mathematik“ an der Helmut- Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr, Hamburg
julia Goltz, doreen thiede
• 2nd Best Poster Award für „Cloud-computing and Libraries - A German Perspective“ auf der „20. BOB-CATSSS-Tagung“ in Amsterdam, Niederlande
kiran Hiremath
• Ruf auf eine Assistenzprofessur „Mathematik & Statistik“, Indian Insti-tute of Technology Rajasthan, Indien
jens kasten, ingrid Hotz, Hans-christian Hege
• Best Paper Award für die Arbeit „Vortex Merge Graphs in Two-dimensional Unsteady Flow Fields“ (Kategorie Short Papers) auf der Konferenz „Eurographics Conference on Visualization – EuroVis 2012“ in Wien, Österreich
Norbert lindow, daniel baum, Ana-Nicoleta bondar, Hans-christian Hege
• Honorable Mention Award für die Arbeit „Dynamic Channels in Bio-molecular Systems: Path Analysis and Visualization“ auf der Konferenz „IEEE Symposium on Biological Data Visualization 2012“ in Seattle, WA, USA
thomas schlechte
• Dissertationspreis der Gesellschaft für Operations Research (GOR)
• VBKI Wissenschaftspreis
Alexander wiebel
• Listenplatz bei Bewerbung um die Professur „Numerische Mathematik, Wissenschaftliches Rechnen, Visuali-sierung“ an der FH Aachen
stefan Zachow, Hans lamecker
• Matheon-Ausgründungspreis für den erfolgreichen Transfer von For-schungsergebnissen aus dem Matheon in die Wirtschaft durch Gründung des ZIB Spin-offs 1000 shapes GmbH
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prepriNts
Der Zugriff auf die ZIB-Reports des Jahres 2012 erfolgt über den Link:
www.zib.de/de/publikationen/zib-reports2012.html
mitHerAusGAbe voN publikAtioNeN
ralf borndörfer
• Area Coordinator, Optimization Online, Mathematical Programming Society
peter deuflhard
• Numerische Mathematik, Springer International
• Computing and Visualization in Sci-ence, Springer-Verlag
• Numerical Mathematics: Theory, Methods and Applications, Global Science Press, Beijing
• International Journal of Compu-ter Mathematics, Taylor & Francis, London
Armin fügenschuh
• Gasteditor (mit Gerhard-Wilhelm Weber) einer Sonderausgabe der Zeitschrift „Optimization“ zur Konfe-renz EURO 2010 (erschien 2012)
martin Grötschel
•Mathematical Methods of Ope-rations Research, Physica Verlag, (Springer-Verlag), Heidelberg
•Mathematical Programming A, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York
•Networks, John Wiley & Sons, New York, USA
•Operations Research Letters, Else-vier Science Publishers, Amsterdam, Niederlande
•OR Transactions, Shanghai Scientific & Technological Publishing House, Shanghai, China
•Acta Mathematica Vietnamica, A journal published under the aus-pices of the Institute of Mathematics, Vietnamese Academy of Science and Technology, Hanoi, Vietnam
• Advances in Data Analysis and Classification (Theory, Methods, and Applications in Data Science), Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg
•Mathematical Programming Compu-tation, A journal of the Mathematical Programming Society, Springer-Ver-lag, Berlin, Heidelberg, New York
• Journal of Mathematics in Industry, A new journal of the European Con-sortium for Mathematics in Industry (ECMI), Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg
•Journal of the Operations Research Society of China, Springer-Verlag
Hans-christian Hege
•Book series „Visualization and Ma-thematics“, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York
•Video series „VideoMATH“, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York
•GMS Medical Informatics, Biometry and Epidemiology (MIBE)
thorsten koch
•Mathematical Programming Compu-tation, A journal of the Mathematical Programming Society, Springer- Verlag, Berlin, Heidelberg, New York
• Optimization Methods and Software, Taylor & Francis, London
•Numerical Algebra, Control and Optimization, American Institute of Mathematical Sciences, Springfield, USA
Alexander reinefeld
• Journal of Grid Computing (JoGC), Kluwer Academic Publisher
• International Journal of Grid and Utility Computing (IJGUC)
• International Journal of Computatio-nal Sciences (IJCS)
thomas steinke
•Gasteditor der Sonderausgabe „High-Performance Reconfigurable Com-puting“ der Zeitschrift International Journal of Reconfigurable Compu-ting, Hindawi Publishing Corp. 2012, Cairo, New York
martin weiser
•Journal of Applied Mathematics, Hindawi Publishing Corporation, Cairo, New York
publikationen
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beiträGe iN ZeitscHrifteN uNd tAGuNGsbäNdeN
1. T. Achterberg, T. Berthold, andG. Hendel. rounding and propagationheuristics for mixed integer program-ming. In D. Klatte, H.-J. Lüthi, and K. Schmedders (eds.), Operations Re-search Proceedings 2011, pages 71 – 76. Springer Berlin, Heidelberg, 2012.
2. C. Auer, C. Stripf, A. Kratz, and I. Hotz. Glyph- and texture-based visu-alization of segmented tensor fields. International Conference on Informa-tion Visualization Theory and Applica-tions (IVAPP’12), 2012.
3. V. E. Babicheva, S. S. Vergeles, P. E.Vorobev, and S. Burger. localized surface plasmon modes in a system of two interacting metallic cylinders. J. Opt. Soc. Am. B, 29:1263, 2012.
4. C. Becker, D. Lockau, T. Sontheimer,P. Schubert-Bischoff, E. Rudigier-Voigt,M. Bockmeyer, F. Schmidt, and B. Rech.large-area 2d periodic crystalline silicon nanodome arrays on nanoim-printed glass exhibiting photonic band structure effects. Nanotechnology, 23(13):135302, 2012.
5. R. Bertelmann, S. Szott, andT. Höhnow. discovery jenseits von allyou can eat und one size fits all. Bib-liothek Forschung und Praxis, 36(3): 369 – 376, 2012.
6. T. Berthold, A. M. Gleixner, S. Heinz,T. Koch, and Y. Shinano. solving mixedinteger linear and nonlinear problems using the scip optimization suite. In M. Muramatsu (ed.), Proceedings of the Twenty-Fourth RAMP sympo-sium, pages 165 – 192. The Operations Research Society of Japan (RAMP: Research Association of Mathematical Programming), 2012.
7. T. Berthold, A. M. Gleixner, S. Heinz, and S. Vigerske. Analyzing the compu-tational impact of miQcp solver com-ponents. Numerical Algebra, Control and Optimization, 2(4):739 – 748, 2012.
8. T. Berthold, S. Heinz, and S. Vigerske. extending a cip framework to solve miQcps. In J. Lee and S. Leyffer (eds.), Mixed Integer Nonlinear Program-
ming, volume 154 of The IMA Volumes in Mathematics and its Applications, pages 427 – 444. Springer, 2012.
9. M. Bindernagel, D. Kainmueller,H. Ramm, H. Lamecker, and S. Zachow. Analysis of inter-individual anatomical shape variations of joint structures. Proc. Int. Society of Computer Assisted Orthopaedic Surgery (CAOS), number 210, 2012.
10. G. Birkenheuer, D. Blunk, S. Breuers, A. Brinkmann, I. dos Santos Vieira, G. Fels, S. Gesing, R. Grunzke, S. Herres-Pawlis, O. Kohlbacher, J. Krüger, U. Lang, L. Packschies, R. Mül-ler-Pfefferkorn, P. Schäfer, T. Steinke, K.Warzecha, and M.Wewior. mosGrid: efficient data management and a standardized data exchange format for molecular simulations in a Grid envi-ronment. Journal of Cheminformatics, 4 (Suppl 1): P21, May 2012.
11. A. Bley, F. D’Andreagiovanni, and D. Karch. wdm replacement sched-uling. Proc. of the 11th INFORMS Telecommunications Conference, Boca Raton, USA, 2012.
12. A. Bley, A. M. Gleixner, T. Koch, andS. Vigerske. comparing miQcp solversto a specialised algorithm for mine production scheduling. In H. G. Bock, H. X. Phu, R. Rannacher, and J. P. Schlöder (eds.), Modeling, Simula-tion and Optimization of Complex Processes: Proceedings of the Fourth International Conference on High Per-formance Scientific Computing, March 2 – 6, 2009,Hanoi,Vietnam, pages 25 – 40. Springer, 2012.
13. M. Blome, K. McPeak, S. Burger, F. Schmidt, and D. Norris. back-reflec-tor optimization in thin-film silicon solar cells using 3d finite element simulations. In Int. Conf. on Scientific Computing in Electrical Engineering (SCEE), 2012.
14. M. Bock, J. Skibina, D. Fischer,R. Grunwald, S. Burger, V. Beloglazov,and G. Steinmeyer. 10-fs pulse deliverythrough a fiber. CLEO: Science andInnovations, page CTh3G.3. Optical Society of America, 2012.
15. B. Bodermann, P.-E. Hansen, S. Burger, M.-A. Henn, H. A. Gross, M. Bär, F. Scholze, J. Endres, and M. Wurm. first steps towards a scat-terometry reference standard. Proc. SPIE, 8466: 84660E, 2012.
16. H. Boer, C. Stötzel, S. Röblitz, andH. Woelders. A differential equation model to investigate the dynamics of the bovine estrous cycle. In I. I. Goryanin and A. B. Goryachev (eds.), Advances in Systems Biology, vol-ume 736 of Advances in Experimental Medicine and Biology, pages 597 – 605. Springer New York, 2012.
17. H. M. T. Boer, M. Apri, J. Molenaar,C. Stötzel, R. Veerkamp, and H. Woel-ders. candidate mechanisms underly-ing atypical progesterone profiles as deduced from parameter perturba-tions in a mathematical model of the bovine estrous cycle. Dairy Science, 95(7):3837 – 3851, 2012.
18. R. Borndörfer and C. H. Cardonha.A binary quadratic programmingapproach to the vehicle positioningproblem. H.-G. Bock, X. P. Hoang, R. Rannacher, and J. P. Schlöder (eds.), Modeling, Simulation and Optimi-zation of Complex Processes, Pro-ceedings of the Fourth International Conference on High Performance Scientific Computing, March 2 – 6, 2009, Hanoi, Vietnam, pages 41 – 52. Springer Verlag, 2012.
19. R. Borndörfer and O. Heismann. minimum cost hyperassignmentswith applications to ice/ic rotationplanning. In D. Klatte, H.-J. Lüthi, and K. Schmedders (eds.), Operations Research Proceedings 2011, pages 59 – 64. Springer Verlag, 2012.
20. R. Borndörfer and N. D. Hoàng. determining fair ticket prices in publictransport by solving a cost allocationgame. In H.-G. Bock, X. P. Hoang, R. Rannacher, and J. P. Schlöder (eds.), Modeling, Simulation and Optimi-zation of Complex Processes, Pro-ceedings of the Fourth International Conference on High Performance Scientific Computing, March 2 – 6, 2009, Hanoi, Vietnam, pages 53 – 64. Springer Verlag, 2012.
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25. R. Borndörfer, M. Karbstein, andM. E. Pfetsch. the steiner connectivityproblem. Mathematical Programming,2012.
26. R. Borndörfer, A. Langenhan, A. Löbel, C. Schulz, and S. Weider. duty scheduling templates. In J. C. Muñoz and S. Voß (eds.), Proc. Conference on Advanced Systems for Public Transport 2012 (CASPT12), 2012.
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28. R. Borndörfer, B. Omont, G. Sa-gnol, and E. Swarat. A stackelberg game to optimize the distribution of controls in transportation networks. Proceedings of the 3rd International Conference on Game Theory for Net-works (GAMENETS 2012), volume 105 of Lecture Notes of the ICST, pages 224 – 235, Vancouver, Canada, May 2012.
29. R. Borndörfer, M. Reuther,T. Schlechte, and S. Weider. vehiclerotation planning for intercity rail-ways. J. C. Muñoz and S. Voß (eds.), Proceedings of the 12th InternationalConference on Advanced Systemsfor Public Transport (CASPT12),Santiago, Chile, 2012.
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31. R. Borndörfer, G. Sagnol, and E. Swarat. A case study on optimizingtoll enforcements on motorways. In S. Ravizza and P. Holborn (eds.), 3rd Student Conference on Operational Research, volume 22 of Open Access Series in Informatics (OASIcs), pages 1–10. Schloss Dagstuhl – Leibniz-Zen-trum für Informatik, 2012.
32. R. Borndörfer, T. Schlechte, and E. Swarat. railway track allocation – simulation, aggregation, and optimi-zation. In Y.-Q. Ni and X.-W. Ye (eds.), Proc. 1st International Workshop on High-speed and Intercity Railways (IWHIR 2011), number 148 of Lecture Notes in Electrical Engineering, pages 53 – 70, 2012.
33. F. Broecker, K. Andrae, and K. Moe-lling. premature activation of the Hiv rNase H drives the virus into suicide: A novel microbicide? AIDS Research and Human Retroviruses, 28(11): 1397 – 1403, 2012.
34. S. Burger, J. Pomplun, and F. Schmidt. finite element methods for computational nano-optics. In B. Bhushan (ed.), Encyclopedia of Nano-technology, pages 837 – 843. Springer Netherlands, 2012.
35. C. Büsing and F. D’Andragiovanni. New results about multi-band uncer-tainty in robust optimization. Proc. of SEA 2012, 11th Symposium on Experi-mental Algorithms, volume 7276 of LNCS, pages 63 – 74, Bordeaux, France, 2012.
36. C. Büsing and F. D’Andreagiovanni. on the adoption of multi-band uncer-tainty in robust network design. Proc. of ISMP 2012, the 21st International Symposium on Mathematical Pro-gramming, Berlin, Germany, 2012.
37. C. Büsing and F. D’Andreagiovanni. New results about robust network design under multiband uncertainty. Proc. of the 11th INFORMS Telecom-munications Conference, Boca Raton, USA, 2012.
38. F. D’Andreagiovanni. on devel-oping strong 0–1 formulations for wireless network design. Proc. of ESF-JSPS Mathematics for Innovation: Large and Complex Systems, Tokyo, Japan, 2012.
39. F. D’Andreagiovanni. pure 0 –1 pro-gramming approaches to wireless net-work design. 4OR: A Quarterly Journal of Operations Research, 2012.
40. F. D’Andreagiovanni and M. Grötschel. exploiting dominance criteria in the design of survivable multi-layer networks. Proc. of the 11th INFORMS Telecommunications Confer-ence, Boca Raton, USA, 2012.
41. F. D’Andreagiovanni and M. Grötschel. Improving the efficiency of algorithms for survivable multi-layer network design. Proc. of High Perfor-mance Scientific Computing (HPSC 2012), Hanoi, Vietnam, 2012.
42. F. D’Andreagiovanni, C. Mannino, and A. Sassano. Gub covers and power-indexed formulations for wire-less network design. Management Science, 2012.
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44. F. D’Andreagiovanni, C. Mannino, and A. Sassano. solving wireless network design problems by cycle deletion. Proc. of High Performance Scientific Computing (HPSC 2012), Hanoi, Vietnam, 2012.
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45. V. J. Dercksen, R. Egger, H.-C.Hege, and M. Oberlaender. synaptic connec-tivity in anatomically realistic neural networks: modeling and visual analy-sis. Eurographics Workshop on Visual Computing for Biology and Medicine (VCBM), pages 17 – 24, Norrköping, Sweden, 2012.
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47. P. Deuflhard and S. Zachow mathe-matische therapie- und operations-planung. Themenbroschüre 2012 – Ge-sundheitstandort Berlin-Brandenburg, Forschung und Anwendung in der Medizintechnik und Telemedizin, pages 89 – 90, 2012.
48. P. Deuflhard, A. Schiela, and M. Weiser. mathematical cancer therapy planning in deep regional hyperther-mia. Acta Numerica, 21:307 – 378, 2012.
49. R. Döbbelin, T. Schütt, and A. Reinefeld. An analysis of smp mem-ory allocators: mapreduce on large sharedmemory systems. Proceedings of the 41st International Conference on Parallel Processing Workshops (Fifth International Workshop on Parallel Programming Models and Systems Software for High-End Computing (P2S2)), pages 48 – 54. IEEE Computer Society, Sept. 2012.
50. U. Dorndorf, S. Droste, and T. Koch.using Zimpl formodeling production planning problems. In J. Kallrath (ed.), Algebraic Modeling Systems, pages 145 –158. Springer, 2012.
51. S. Dreßler and T. Steinke. energy consumption of cudA kernels with varying thread topology. Computer Science – Research and Development, pages 1– 9, Springer Berlin , Heidel-berg, 2012.
52. V. Durmaz, R. Becker, and M. We-ber. How to simulate affinities for host-guest systems lacking binding mode information: Application in the
liquid chromatographic separation of hexabromocyclododecane stereoiso-mers. J. Mol. Model., 18: 2399 – 2408, 2012.
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58. K. Fackeldey. multiscale me thods in time and space. Progress in In-dustrial Mathematics at ECMI 2010, volume 17 of Mathematics in Industry, pages 619 – 626, 2012.
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64. S. Gesing, R. Grunzke, J. Krüger,G. Birkenheuer, M. Wewior, P. Schäfer,B. Schuller, J. Schuster, S. Herres-Paw-lis, S. Breuers, A. Balasko, M. Kozlovs-zky, A. Szikszay Fabri, L. Packschies, P. Kacsuk, D. Blunk, T. Steinke, A. Brink-mann, G. Fels, R. Müller-Pfefferkorn, R. Jäkel, and O. Kohlbacher. A single sign-on infrastructure for science gateways on a use case for structural bioinformatics. Journal of Grid Com-puting, 2012.
65. S. Gesing, S. Herres-Pawlis, G. Birkenheuer, A. Brinkmann, R. Grunzke, P. Kacsuk, O. Kohlbacher, M. Kozlovszky, J. Krüger, R. Müller-Pfefferkorn, P. Schäfer, and T. Steinke. A science gateway getting ready for serving the international molecular simulation community. Proceedings of Science, PoS(EGICF12-EMITC2)050, 2012.
66. S. Gesing, S. Herres-Pawlis, G. Birkenheuer, A. Brinkmann, R. Grun-zke, P. Kacsuk, O. Kohlbacher, M. Kozlovszky, J. Krüger, R. Müller-Pfef-ferkorn, P. Schäfer, and T. Steinke. the mosGrid community – from national
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dissertAtioNeN
freie universität berlin
jens kasten(Abt. Visualisierung und Datenanalyse)lagrangian feature extraction in two-dimensional unsteady flowsBetreuer: Ingrid Hotz und Hans-ChristianHege (TU Berlin und ZIB)
benjamin kettner(Abt. Numerische Analysis und Model-lierung)detection of spurious modes in reso-nance mode computationsBetreuer: Frank Schmidt (FU Berlin undZIB)
daniel lockau(Abt. Numerische Analysis undModellierung)optical modeling of thin film siliconsolar cells with random and periodiclight management structuresBetreuer: Frank Schmidt (FU Berlinund ZIB)
jan reininghaus(Abt. Visualisierung und Datenanalyse)computational discrete morse theoryBetreuer: Ingrid Hotz (TU Berlin und ZIB)
Humboldt-universität zu berlin
mikael Högqvist(Abt. Parallele und Verteilte Systeme)consistent key-based routing in de-centralized and reconfigurable data servicesBetreuer: Alexander Reinefeld (ZIB und HU-Berlin)
jan stender(Abt. Parallele und Verteilte Systeme)snapshots in large-scale distributedfile systemsBetreuer: Alexander Reinefeld (ZIB und HU-Berlin)
technische universität berlin
christian raack(Abt. Optimierung) capacitated Network design multi-commodity flow formulations, cutting planes, and demand uncer-tainty Betreuer: Martin Grötschel (TU Berlin und ZIB)
exAmeNsArbeiteN
beuth-Hochschule berlin
Andreas weissenbrunner(Abt. Numerische Analysis und Modellierung) ortsfehlerschätzer für semiimplizite parabolische löser Betreuer: Martin Weiser (ZIB)
freie universität berlin
mascha berg(Abt. Numerische Analysis und Model-lierung) laufzeitoptimierung der robusten perron cluster Analyse (pccA+)Betreuer: Marcus Weber, Susanna Röblitz (ZIB)
philipp borgers(Abt. Parallele und Verteilte Systeme)erweiterung eines verteilten key-value-stores (riak) um einen räum-lichen indexBetreuer: Florian Schintke (ZIB)
michael brückner(Abt. Optimierung) polyedrische Approximation von punktwolken und ihre Anwendung in der ice-AbstellungsplanungBetreuer: Günter Ziegler und Ralf Borndörfer (FU Berlin und ZIB)
max kahnt(Abt. Visualisierung und Datenanalyse)Generation of constrained highquality multi-material tetrahedral meshesBetreuer: Konrad Polthier, Hans Lame-cker, Stefan Zachow, Heiko Ramm (FUBerlin und ZIB)
martin lange(Abt. Visualisierung und Datenanalyse)shadow volumes für dynamischedreiecksnetze auf cpu und GpuBetreuer: Konrad Polthier, AlexanderWiebel (FU Berlin und ZIB)
felix langner(Abt. Parallele und Verteilte Systeme)Überlastungsschutz mit Anfrageprio-risierung für das internetdateisystem xtreemfsBetreuer: Alexander Reinefeld (ZIB und HU-Berlin)
igor merkulov(Abt. Parallele und Verteilte Systeme)parameter selection and evaluationfor programming of heterogeneous architecturesBetreuer: Alexander Reinefeld, Thomas Steinke (ZIB und HU-Berlin)
philipp preis(Abt. Visualisierung und Datenanalyse)sichtbarkeitsorientiertes picking indirect volume renderings mit be-leuchtungsmodellenBetreuer: Konrad Polthier, AlexanderWiebel (FU Berlin und ZIB)
karl ruben(Abt. Visualisierung und Datenanalyse)kugelpackungen in arbiträr geformtenvoluminaBetreuer: Knut Reinert, Daniel Baum,Norbert Lindow (FU Berlin und ZIB)
Alexander surma(Abt. Visualisierung und Datenanalyse)Automatisierte registrierung von 2d-daten in 3-dimensionalen volumenmit Hilfe von ZibAmiraBetreuer: Günter Rote, Ingrid Hotz, Daniel Baum (FU Berlin und ZIB)
tobias tenbusch(Abt. Visualisierung und Datenanalyse)rendering von partikeleffekten in einem deferred rendererBetreuer: Konrad Polthier, AlexanderWiebel (FU Berlin und ZIB)
Humboldt-universität zu berlin
stefan keidel(Abt. Parallele und Verteilte Systeme)snapshots in scalaris – Aufnahmekonsistenter Zustände in einer verteil-ten HashtabelleBetreuer: Alexander Reinefeld (ZIB und HU-Berlin)
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 122
maik lange(Abt. Parallele und Verteilte Systeme)effiziente reparatur von repliken indistributed Hash tablesBetreuer: Alexander Reinefeld (ZIB und HU-Berlin)
jana malinowski(Abt. Visualisierung und Datenanalyse)ein kontinuierliches optimierungs-verfahren für die segmentierung medizinischer bilddaten mit Hilfe von formmodellenBetreuer: Michael Hintermüller, Hans Lamecker (HU Berlin und ZIB)
technische universität berlin
jana barckmann(Abt. Optimierung) optimizing cable and duct installa-tions in fttx networksBetreuer: Martin Grötschel und Axel-Werner (TU Berlin und ZIB)
Nguyen the duy(Abt. Visualisierung und Datenanalyse)Automatic segmentation for dental operation planningBetreuer: Stefan Gumhold, Stefan Za-chow, Dagmar Kainmüller (TU Berlin und ZIB)
moritz ehlke(Abt. Visualisierung und Datenanalyse)simulating x-ray images from deform-able shape and intensity models onthe GpuBetreuer: Bernd Mahr, Stefan Zachow,Heiko Ramm (TU Berlin und ZIB)
stephanie jung(Abt. Optimierung)optimierung der bahnplanung für einepick-and-place-maschineBetreuer: Martin Grötschel und RalfBorndörfer (TU Berlin und ZIB)
tina rockstroh(Abt. Optimierung) die primal-dual-methode: Überblick und Anwendung auf Netzwerk- und ApproximationsalgorithmenBetreuer: Martin Grötschel und RalfBorndörfer (TU Berlin und ZIB)
daniel uwazie(Abt. Optimierung) Approaches to makespanBetreuer: Martin Grötschel und RalfBorndörfer (TU Berlin und ZIB)
politecnico di milano, italien
sara orgiu(Abt. Visualisierung und Datenanalyse)Automatic liver segmentation in con-trast enhanced ct data using 3d free-form deformation based on optimalgraph searchingBetreuer: Pietro Cerveri,Hans Lame-cker, Dagmar Kainmüller (Politecnico di Milano und ZIB)
Hochschule Zittau/Görlitz
kristin meisel(Abt. Numerische Analysis und Model-lierung) mathematische modellierung derknochenremodellierungBetreuerin: Susanna Röblitz (ZIB)
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 123
vorträGe uNd GAstAufeNtHAlte
karsten Andrae
04.07.2012classical Hybrid monte-carlo simulati-on of the interconversion of Hexabro-mocyclododecane stereoisomersDynamical Systems and DifferentialEquations 2012, Orlando, USA
cornelia Auer
24.02.2012Glyph- and texture-based visualizationof segmented tensor fieldsIVAPP 2012, Rom, Italien
wolfgang baumann
14.02.2012HlrN – High performance computingin NorddeutschlandBesuch von Studenten der TU Berlin im ZIB (Vortrag und Führung)07.05.2012computer-simulationen auf Hoch- undHöchstleistungsrechnernZEDAT, FU Berlin (Vortrag)02.06.2012supercomputer und datenroboterVortrag und Führungen im Rahmen der „Langen Nacht der Wissen-schaften“13.06.2012supercomputing im ZibBesuch von Studenten der HTW Berlinim ZIB (Vortrag und Führung)24.10.2012computer-simulationen auf Hoch- undHöchstleistungsrechnernZEDAT/Fachbereich Physik (AG Seba-stiani), FU Berlin (Vortrag)
timo berthold
23.03.2012what are linear programming and mixed integer programming?Chuo University, Tokyo, Japan23.03.2012primal Heuristics for mixed integerprogramsChuo University, Tokyo, Japan
15.08.2012measuring the impact of primal HeuristicsFRICO 2012, Berlin21.08.2012measuring the impact of primal HeuristicsISMP 2012, TU Berlin17.09.2012scip: solving constraint integer programsWuhan University, School of Mathe-matics and Statistics, Wuhan, China24.09.2012measuring the impact of primal Heuristics2nd Sino-German Workshop, Beijing,China06.11.2012scip: solving constraint integer programsTU Berlin
mark blome
15.02.2012modeling of complex 3d-nano-photonic devices: cAd techniques and grid generationFraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik, Jena23.02.2012modeling of complex 3d-nano-photonic devices: cAd techniques and grid generation5th Annual Meeting Photonic Devices,Matheon-Workshop, ZIB, Berlin20.04.2012optimization of thin film amorphoussilicon solar cells using rigorous electromagnetic simulation tech-niquesPhotonics Europe, Brüssel, Belgien02.06.2012vom regenbogen zur Nano-optikLange Nacht der Wissenschaften, Berlin03.07.2012modeling of complex 3d-nano-photonic devices using computer-aided design techniquesGEOMETRIC, INRIA Sophia Antipolis14.09.2012back-reflector optimization in thinfilmsilicon solar cells using 3d finiteelement simulationsSCEE 2012, Zürich, Schweiz
ralf borndörfer
12.01.2012Überblick optimierungIVU UserGroup Optimization, Bayerische Oberlandbahn GmbH, Holzkirchen12.01.2012bs-optIVU UserGroup Optimization, Bayerische Oberlandbahn GmbH, Holzkirchen20.02.2012railway optimization and integer programmingApplication Lecture, FU Berlin20.02.2012einführung in die diskrete optimierungApplication Lecture, FU Berlin24.02.2012railway optimizationWorkshop, Siemens Verkehrstechnik,ZIB08.03.2012railway optimization and integer programming5th International Conference on High-Performance Scientific Computing (HPSC 2012), Hanoi12.03.2011New paths in vehicle and duty optimizationUser Forum 2012, IVU Traffic Technolo-gies AG, Berlin13.03.2012service design in public transportMatheon Center Days, TU Berlin13.03.2012rolling stock roster planning for railwaysMatheon Center Days, TU Berlin12.04.2012railway optimization and integer programmingApplication Lecture, TU Kassel02.05.2012optimierung der fahrzeugumlaufpla-nung für die db fernverkehr AGWorkshop, DB Fernverkehr AG, Frank-furt am Main24.08.2012configuration models for solving inte-grated combinatorial optimizationproblems21st International Symposium on Mathematical Programming, Berlin, TU Berlin
Vorträge und lehrVeranstaltungen Von zib-mitarbeitern und -mitarbeiterinnen
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 124
17.09.2012railway optimization and integer programmingSeminar, Wuhan University, Wuhan23.09.2012robust tail Assignment2nd Sino-German Workshop on Op-timization, Modeling, Methods and Applications in Industry and Manage-ment, Chinese Academy of Siences, Beijing11.10.2012traffic optimizationWorkshop, Lufthansa Systems GmbH,ZIB22.10.2012traffic optimizationWorkshop, IVU Traffic Technologies AG,Berlin14.11.2012lido flight optimizationWorkshop, Lufthansa Systems AG,Frankfurt am Main15.11.2012railway optimizationWorkshop, DB Netz AG, Frankfurt amMain19.11.2012railway optimizationWorkshop, DSB S-Tog, Kopenhagen29.11.2012mathematical infrastructure designItalian-German Workshop on Smart Cities, Berlin10.12.2012bahnlabEröffnung des Forschungscampus MODAL, ZIB
Alexander bujotzek
05.06.2012Quantifying the rebinding effect inmultivalent chemical ligand-receptorsystemsMESA+/SFB-765 Minisymposium, Berlin26. – 29.09.2012Quantifying the rebinding effect inmultivalent chemical ligand-receptorinteractionsPosterpräsentation, EMBO ChemicalBiology 2012, Heidelberg
sven burger
19.01.2012jcmsuite – finite element methodsfor Nanooptics simulations(invited talk) Workshop on FEM, IFH,ETH Zürich, Schweiz
15.02.2012rigorous 3d electromagnetic field simulations for euv mask metrologySPIE Advanced Lithography, San Jose,CA, USA17.02.2012finite element methods for Nanoop-tics simulationsKavli Nanoscience Institute, CalTech, Pasadena, CA, USA05.03.2012Numerical simulations for design andanalysis of metamaterials and plasmo-nic structures7th Workshop Ellipsometry (WSE), Leipzig12.06.2012jcmsuite – finite element methodsfor Accurate simulations of opticalmicro- and NanostructuresOptonet Workshop „Software für die Optik“, Jena21.06.2012Numerische methoden für das designvon mikrostrukturierten optischen fasernbayern photonics Workshop „OptischeFasern“, Nürnberg28.06.2012finite element methods for data Ana-lysis in optical bidirectional measure-mentsEMRP meeting 2012, Espoo, Finnland03.07.2012Numerical simulations for design andanalysis of nanooptical structures(invited talk) International Conference on Metamaterials, Jena29.08.2012simulationen der lichtausbreitung imNanokosmosSchülervortrag Matheon, TU Berlin16.10.2012finite element methods for Accuratesimulations of optical micro- and NanostructuresMax-Born-Institut, Berlin23.11.2012finite-elemente-methoden für genaueund schnelle simulationen zum de-sign integriert-optischer komponentenMOSAIC-meeting, Rohde & Schwarz,München
fabio d’Andreagiovanni
01.03.2012on developing strong 0 –1 formulati-ons for wireless Network designESF-JSPS Mathematics for Innovation:Large and Complex Systems, Tokyo, Japan
07.03.2012improving the efficiency of Algorithmsfor survivable multi-layer NetworkdesignHigh Performance Scientific Compu-ting (HPSC 2012), Hanoi, Vietnam08.03.2012solvingwireless Network design pro-blems by cycle deletionHigh Performance Scientific Compu-ting (HPSC 2012), Hanoi, Vietnam14.05.2012introducing multi-band uncertainty inrobust optimziation4th ROBUKOM Workshop, München15.05.2012exploiting dominance criteria in thedesign of survivable multi-layer net-works11th INFORMS TelecommunicationsConference, Boca Raton, USA16.05.2012on the solution of wireless Networkdesign problems by cycle deletion11th INFORMS TelecommunicationsConference, Boca Raton, USA07.06.2012New results about multi-band uncer-tainty in robust optimziationSEA 2012, Bordeaux, Frankreich24.08.2012on the adoption of multi-band uncer-tainty in robust network designISMP 2012, Berlin05.09.2012robust optimization under multibanduncertaintyAIRO 2012, Salerno, Italien15.11.2012robust optimization under multibanduncertainty5th ROBUKOM Workshop, Berlin23.11.2012robust optimization under multibanduncertaintySeminar, RWTH Aachen10.12.2012A Hybrid exact-Aco Algorithm for thejoint scheduling, power and clusterAssignment in cooperative wirelessNetworksBIONETICS 2012, Lugano, Schweiz13.12.2012robust optimization under multibanduncertaintySeminar, IDSIA, Lugano, Schweiz
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 125
vincent dercksen
21.03.2012light-microscopy-based anatomicalreconstruction and visual analysis ofcortical neural networksGesellschaft für Informatik, Workshop Visual Computing in Medicine and Biology, Berlin21.04.2012light microscopy-based anatomicalreconstruction, simulation and analy-sis of cortical neural networks (invitedtalk)2nd International Conference on Neural Field Theory, Reading, Großbri-tannien27.09.2012synaptic connectivity in Anatomicallyrealistic Neural Networks: modelingand visual AnalysisEurographics Workshop on Visual Computing for Biology and Medicine (VCBM), Norrköping, Schweden
peter deuflhard
05.03.2012the smile of the mathematicians. mathematical modelling and efficient simulation in facial surgeryDepartment of Mathematics, Texas A&M University, USA24.03.2012the smile of the mathematicians. mathematical modelling and efficient simulation in facial surgeryErstes Großes Ostasiatisches DAAD-Alumnitreffen zur Gründung über-regionaler Fachnetzwerke, Seoul, Korea09.04.2012the smile of the mathematiciansking Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Thuwal, Saudi Arabien17.04.2012scientific computing, the Hidden keytechnologyDepartment of Physics, University of Roma, La Sapienza, Italien01.05.2012from molecular dynamics to confor-mation dynamics in computationaldrug designDepartment of Mathematics, Texas A&M University, Texas, USA
12.06.2012Alfred k. louis – wissenschaftlichespurenVerleihung der Ehrendoktorwürde an Alfred Louis, Zentrum für Technoma-thematik, Universität Bremen16.08.2012Adaptive multigrid solvers for eigen-value problems: recent results andopen problemsEuropean Multigrid Conference (EMG)2012, Schloss Schwetzingen05.09.2012mathematical topics in virtual medicineIMS-IMI Joint Workshop on Mathe-matics for Industry: Biological and Climatic Prospects, Singapur10.09.2012das lächeln der mathematikerSchülerbesuch des Canisius-Kollegs,ZIB22.09.2012lady windermere’s dual fan and themotion of her kneeICNAAM 2012, Kos, Griechenland24.09.2012Übersichtsvortrag ZibSitzung des Wissenschaftlichen Beiratsdes ZIB, Berlin24.09.2012der Zib-bereich „Numerische mathe-matik“Sitzung des Wissenschaftlichen Beiratsdes ZIB, Berlin03.10.2012Adaptive multilevel finite element methods in virtual medicinePlenary Talk, International Conferenceon Applied and Computational Mathe-matics (ICACM), Ankara, Türkei05.10.2012painters, murderers, mathematiciansCognitive Science Seminar, ComputerEngineering Science, Informatics Insti-tute/Department of Cognitive Science,Middle East Technical University (METU), Ankara, Türkei12.11.2012scientific computing, the Hidden key technology College of Applied Sciences, Beijing University of Technology, China14.11.2012the smile of the mathematiciansSymposium on Computational Ma-thematics and Applied Mathematics, Beijing University of Technology, China
15.11.2012A Non-standard extrapolation me-thod for dynamical contact problemsAcademy of Mathematics and SystemScience, China15.11.2012from molecular dynamics to confor-mation dynamics for computationaldrug designSchool of Mathematics, Peking Univer-sity, China
robert döbbelin
10. – 13.09.2012An Analysis of smp memory Alloca-tors: mapreduce on large shared-memory systemsICPPW 2012 – 41st International Con-ference on Parallel Processing Work-shops, Pittsburgh, USA
moritz ehlke
11.01.2012simulation of x-ray Attenuation insidetetrahedral meshesMXL project meeting, Leiden, Nieder-lande29.03.2012fast generation of virtual x-rayimages from deformable shape andintensity model10th SJTU-TUB Joint Workshop on Data Science and Engineering, Shang-hai, China08.06.2012simulating x-ray images from deform-able shape and intensity models onthe GpuTU Berlin Computer Graphics Collo-quium, Berlin27.09.2012efficient projection and deformationof volumetric intensity models for accurate simulation of x-ray imagesPoster presentation at EG workshop on Visual Computing for Biology and Medicine (VCBM), Norrköping, Schwe-den16.11.2012efficient projection and deformationof volumetric intensity models for accurate simulation of x-ray imagesJahrestagung der Deutschen Gesell-schaft für Computer- und Roboter-assistierte Chirurgie e. V. (CURAC), Düsseldorf
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06.12.2012efficient projection and deformationof volumetric intensity models for accurate simulation of x-ray imagesPoster presentation at BSRT PhD sym-posium The Show of Regeneration: Easy to see hard to foresee, Berlin
konstantin fackeldey
13.02.2012exploring the energy landscape ofproteins for docking simulationsInstitut für Mathematik, Universität zu Lübeck05.05.2012mit mathematik Alzheimer und anderekrankheiten verstehenTag der Mathematik, FU Berlin08.05.2012clustermethoden für die modellbasier-te optimierung der versorgungkomplexer krankheitsbilderUniversitätsklinikum, Mannheim27.07.2012multiscale simulations for biomole-cules with Quantum-like updatesECMI, Lund, Schweden13.09.2012pitfalls in atomistic to continuumcoupling simulationsECCOMAS 2012, Wien, Österreich12.12.2012mit mathematik krankheitenverstehenKäthe-Kollwitz-Schule, Berlin
barbara fichtl
22.05.2012relaunch der dHm-online-datenbankMAI-Tagung, Leipzig17.10.2012relaunch der dHm-online-datenbank(gemeinsam mit Brigitte Reineke, DHM), Herbsttagung der Fachgruppe Museumsdokumentation, ZIB, Berlin
Armin fügenschuh
15.08.2011 – 15.02.2012GastaufenthaltGeorgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia, USAseit 01.11.2012vertretungsprofessurFriedrich-Alexander UniversitätErlangen-Nürnberg
06.03.2012warum spart der staat steuern, wenndie schüler eine halbe stunde früheraufstehen?MathInside – Mathematik ist überall, Urania, Berlin21.05.2012mixed-integer Nonlinear optimizationproblems in transportation Applica-tionsBewerbungsvortrag, RWTH Aachen24.08.2012scheduling and routing of fly-in safaris21st International Symposium on Ma-thematical Programming (ISMP 2012), Berlin29.10.2012Gemischt-ganzzahlige nichtlineareoptimierungsprobleme in zwei trans-portanwendungenBewerbungsvortrag, Universität Ulm
Gerald Gamrath
18.01.2012Aktuelle entwicklungen in scipSAP Projektworkshop, SAP, Walldorf19.01.2012An introduction to scip SAP Projektworkshop, SAP, Walldorf29.03.2012Advanced solver technology for supp-ly chain managementMatheon Rent the Center, ZIB, Berlin05.05.2012malen nach ZahlenAusstellungsbeitrag, 17. Berliner Tag der Mathematik, FU Berlin07.05.2012entwicklungen in scip und rechen-ergebnisse für die mip-instanzenSAP Projektworkshop, Friedrich-Alexander-Universität, Erlangen11.07.2012the scip optimization suite 3.0 – it’sall in the bag!25th European Conference on Operati-onal Research (EURO), Vilnius, Litauen20.08.2012the scip optimization suite 3.0 – it’sall in the bag!21st International Symposium on Ma-thematical Programming (ISMP 2012), TU Berlin04.09.2012Advanced solver technology for supp-ly chain managementMatheon Rent the Center, ZIB, Berlin
09.10.2012branching in scipscip Workshop 2012, TU Darmstadt,Darmstadt14.10.2012Zimpl 3.3: An open source modellinglanguageINFORMS Annual Meeting, Phoenix,USA15.10.2012GcG 1.0 – A Generic branch-cut-and-price solverINFORMS Annual Meeting, Phoenix,USA16.10.2012the scip optimization suite 3.0 – it’sall in the bag!INFORMS Annual Meeting, Phoenix,USA16.10.2012branching in scipINFORMS Annual Meeting, Phoenix,USA23.10.2012entwicklungen in scip und rechen-ergebnisse für die mip-instanzenSAP Projektworkshop, ZIB, Berlin26.10.2012optimierung in der produktions-planungSchülerbesuch Gymnasium Remigia-num, ZIB, Berlin21.11.2012improving strong branching by do-main propagationOptimization Seminar, ZIB, Berlin
joanna Geibig
17.11.2012data replication in wireless NetworksMETRIK Evaluierung Workshop, Dölln-see
Ambros Gleixner
23.03.2012Accurate linear programming1st CREST Workshop on Computati-onal Aspects of Solving Large-Scale Optimization Problems, Chuo Univer-sity, Tokyo, Japan21.05.2012improving the Accuracy of linear programming solvers with iterative refinementEgerváry Szerminárium, ELTE Univer-sity, Budapest, Ungarn
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 127
25.07.2012improving the Accuracy of linear programming solvers with iterative refinementISSAC 2012, Grenoble, Frankreich16.08.2012rapid optimality-based bound tighteningFRICO 2012, Berlin20.08.2012rapid optimality-based bound tighteningISMP 2012, Berlin26.09.2012optimization-based bound tighteningand lagrangian variable bounds2nd Sino-German Workshop on Op-timization, Modeling, Methods and Applications in Industry and Manage-ment, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China
sebastian Götschel
21.03.2012lossy compression of state trajectories Seminar des SFB „Mathematical Optimization and Applications in Biomedical Sciences“, Universität Graz, Österreich27.03.2012lossy compression of state trajectoriesGAMM 2012, Darmstadt02.06.2012wie datenkompression bei Herzkam-merflimmern hilft Lange Nacht der Wissenschaften, ZIB, Berlin11.06.2012data enhancement for Active thermo-graphy11th Quantitative InfraRed Thermogra-phy, Neapel, Italien
ulrike Golas
25.04.2012interactive model synthesis for scena-rio specifications UPC Barcelona27.09.2012A General Attribution concept for mo-dels in m-adhesive transformationsystemsICGT 2012 – International Conferenceon Graph Transformation, 27.09.2012,Bremen
julia Goltz
25.01.2012cloud computing and libraries – AGerman perspectivePosterpresentation, 20. BOBCATSSS2012, Amsterdam24.05.2012baukastensystem für metadatenma-nagement: mable+ als werkzeug101. Dt. Bibliothekartag 2012, Hamburg04.06.2012mein mobiles leben mit smartphoneund tablet pc(gemeinsam mit Jens Schwidder), 10.KOBV-Forum 2012, ZIB, Berlin14.07.2012Helping and learning – the project „muko wiki“ as an example for a hospital patient’s library supported by a nonprofit organization78. IFLA 2012, Helsinki30.10.2012metadatenmanagement: mable+ alswerkzeug zur datenanalyse und -mo-difikationBerliner BibliothekswissenschaftlichesKolloquium (BBK), HU Berlin
carl martin Grewe
18.06.2012morphological Analysis of facialAging patternsDermatologikum Hamburg13.11.2012statistical shape Analysis – digital 3dmorphometryColloquium, Institute of Biochemistry and Biology, University Potsdam30.11.2012digital 3d facial AnalysisMerz Pharma GmbH, Frankfurt
martin Grötschel
06.02.2012introduction to the Zuse institute berlinTreffen der Sektion Informationswis-senschaften der Leopoldina, ZIB, Berlin07.03.2012combinatorial optimization in ActionPublic Lecture, Hanoi University ofScience and Technology, Hanoi, Viet-nam09.03.2012improving the efficiency of Algorithmsfor survivable multi-layer Networkdesign
HPSC 2012, Hanoi University of Sci-ence and Technology, Hanoi, Vietnam12.03.2012industry-driven applications of mathe-matics in the classroomMatheon-Zentrumstage, TU-Berlin13.03.2012integrated planning of multi-layer networksMatheon-Zentrumstage, TU-Berlin25.04.2012progress in integer programmingInternational Conference on Frontiers of Mathematics, IMPA, Rio de Janeiro, Brasilien, April 20 – 25, 201203.06.20120mathematics, operations research,and modern industryPinhas Naor Lecture at the ORSIS 2012meeting, Kibutz Ma’aleh Ha’Hamisha, Israel05.06.2012optimization of gas networksTechnion, Haifa, Israel22.06.2012mathematical rail optimization andinteger programmingFachkonferenz „Future Information &Communication Technology“, TU Berlin09.07.2012imu, the making of icm’98 & more,organizing large mathematical confe-rences: pleasure or Nightmare?12. International Congress on Ma-thematical Education (ICME 2012, 08. – 15.07.2012), Seoul, Korea31.07.2012die einstein stiftung: förderung: wege, Ziele, erfolge, pläneSitzung des Senats von Berlin, HU Berlin23.08.2012Hermann minkowski and convexity21st International Symposium on Ma-thematical Programming (ISMP 2012), 19. – 24.08.2012, TU Berlin30.08.2012 konrad Zuse und das Zuse-institutworkshop zur Digitalisierung von Konrad Zuses Nachlass, ZIB, Berlin24.09.2012der Zib-bereich „diskrete mathe-matik“Sitzung des Wissenschaftlichen Beiratsdes ZIB, Berlin27.09.2012„das jüngste Gericht“Konferenz zur Verabschiedung von Peter Deuflhard, ZIB, Berlin
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 128
28.09.2012mathematik – treiber wirtschaftlichenfortschritts?VBKI-Festveranstaltung, ESMT, Berlin23.10.2012einführungsreferat zur podiumsdiskus-sion: „open science – chancenund Herausforderungn der digitalenwissenschaft“Jacob-Grimm-Zentrum, HU Berlin01.11.2012modellieren, simulieren, optimieren:ein versuch, missverständnisse zuklärenFestvortrag anlässlich der Verleihungdes Klung-Wilhelmy-Weberbank-Preises der FU Berlin, FU Berlin02.11.2012the imu secretariat in berlinSitzung des IMU Office Committee, IMUSekretariat, Berlin20.11.2012drei jahre berliner einstein stiftungBerliner Wirtschaftsgespräche e. V., Satellite Office, Berlin30.11.2012vertrauen in die/der wissenschaftWissenschaftliche Sitzung der BBAW-Versammlung zum Thema: Vertrauen, BBAW, Berlin
martin Hammerschmidt
13.09.2012modeling of thin-film silicon tandemsolar cells with random roughnessSeminar MPI für Physik des Lichts, Erlangen
Hans-christian Hege
07.02.2012visualization & interaction: supportof New diagnostic tools for boweldiseasesVigor++ (Virtual Gastrointestinal Tract)Workshop, London, GB15.02.2012visual support in fluid flow Analysis:state-of-the-Art, recent develop-ments and challenges (invited talk)Minisymposium on Analysis and Representation of Large Data Sets, Universidad Politécnica de Madrid and Spanish Royal Academy, Spanien
18.02.2012from data visualization to music visu-alization (invited talk)Retreat „Inspiration Interdisziplinarität“, Universität der Künste in Berlin (UdK) und Technische Universität Berlin (TUB), Sauen22.02.2012datenanalyse und visualisierung imbauwesen, workshop messen undÜberwachen im bauwesen – eine ZukunftsaufgabeBundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin19.03.2012light microscopy-based Anatomicalreconstruction, simulation and Analysis of cortical Neural Networks (invited talk)Bernstein Center for Computational Neuroscience, Berlin20.04.2012visually supported data Analysis (invited talk)Institute of Photonic Technology, Jena20.04.2012Anatomical reconstruction, simulati-on and Analysis of cortical NeuralNetworks (invited talk)Institute of Photonic Technology, Jena26.04.2012interactive visualizationAnnual Review of FP7 Project Vigor++(Virtual Gastrointestinal Tract), Brus-sels, Belgien10.05.2012visualisierung von strukturen in datenCelebration of Matheon’s 10th Anni-versary, Technische Universität Berlin (TUB)25.05.2012Quantification and visualization ofuncertainties in spatial and spatio-temporal data (invited talk)Centro Nacional de Biotecnología (CNB), CSIC, Madrid, Spanien03.06.2012kugelpackungen, bienenwaben undschäumeLange Nacht der Wissenschaften 2012Berlin/Potsdam, ZIB, Berlin31.07.2012probabilistic features in uncertainscalar and vector fields (invited talk)Simon Fraser University, Vancouver, Kanada14.09.2012visually supported data Analysis: me-thods and Applications (invited talk)DLR, Institute of Planetary Resarch, Berlin, Germany
22.09.2012data visualization in flow Analysis:state-of-the-Art and challenges(keynote talk)5th Symposium on Global Flow Insta-bility and Control, Hersonissos, Kreta, Griechenland15.10.2012uncertainty modelingTutorial „Uncertainty and ParameterSpace Analysis in Visualization“, IEEEVisWeek 2012, Seattle, WA, USA02.11.2012propagation of uncertainties: fromdiffusion tensors to Anisotropy indicesand isosurfaces (invited talk)Workshop Structural Brain Connectivi-ty: Diffusion Imaging – State of the Art and Beyond, Humboldt-Universität zu Berlin, Germany
stefan Heinz
23.03.2012using scip as a branch-and-price frameworkChuo University, Tokyo, Japan01.06.2012reconsidering mixed integer pro-gramming and mip-based Hybrids for schedulingCPAIOR 2012, Nantes, Frankreich
olga Heismann
04.12.2012the Hypergraph Assignment problemDiscrete and Combinatorial Optimiza-tion Group, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg22.08.2012the Hypergraph Assignment problem21st International Symposium on Ma-thematical Programming, Berlin11.07.2012the Hypergraph Assignment problem25th European Conference on Operati-onal Research, Vilnius, Litauen20.02.2012the hyperassignment problem andic/ice rotation planningMath Slam, BMS Days, Berlin
benjamin Hiller
05.03.2012Advanced online algorithms for real-world elevator control5th International Conference on High-Performance Scientific Computing, Hanoi, Vietnam
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 129
05.03.2012from simulation to optimization5th International Conference on High-Performance Scientific Computing, Hanoi, Vietnam22.03.2012vertragsdatenformat und Anpas-sungen für die Nominierungsvalidie-rungStatusworkshop ForNe-Projekt, HU Berlin29.03.2012mathematical optimization for ex-tension planning of gas transmission networksInternational Conference on Applied Mathematical Optimization and Mo-delling 2012, Paderborn02.06.2012online-optimierung: von Aufzügenzum farbensortieren und wieder zurückScience Slam am ZIB, Lange Nacht derWissenschaften 201210.07.2012verifying booked capacities in gas networksEURO 2012, Vilnius, Litauen23.08.2012Geometrie und optimierung für denHandlungsreisendenTschira-Session, 21st International Symposium on MathematicalProgramming (ISMP 2012), Berlin23.08.2012An automated method for verifyingbooked capacities in gas networks21st International Symposium on Mathematical Programming (ISMP 2012), Berlin26.09.2012stochastic dominance and online bincoloring2. Sino-German Workshop, Beijing16.10.2012buchungsvalidierung als Hypothesen-testStatusworkshop ForNe-Projekt, FAU,Erlangen
ulrike Homberg
19. – 20.01.2012GastaufenthaltProfessur Grundbau, Fakultät Bauin-genieurwesen, Bauhaus-Universität Weimar19.01.2012describing and Analyzing particle andpore structures of soil from μct data
Professur Grundbau, Fakultät Bau-ingenieurwesen, Bauhaus-Universität Weimar29.08.2012Automatic extraction and Analysis ofrealistic pore structures from μctdata for pore space characterizationof Graded soil6th International Conference on Scourand Erosion, Paris, Frankreich
jesco Humpola
05.03.2011solving Nonconvex miQcp arisingin Gas Network extension planning.High Performance Scientific Compu-ting (HPSC 2012), Hanoi, Vietnam18.04.2012topology optimisation of Gas trans-mission Networks. Computational Management Science (CMS 2012), London, GB10.07.2012Gas Network topology optimization.EURO XXV International Conference (EURO 2012), Vilnius, Litauen21.08.2012topology optimization for NonlinearNetwork flows. 21st International Symposium on Ma-thematical Programming (ISMP 2012), Berlin
max kahnt
17.04.2012A multi-material fe-meshing toolFE-mesh generation workshop, ZIB, Berlin
dagmar kainmüller
21.03.2012odds – improving deformablesurface meshes through omnidirectio-nal displacements and mrfsVortrag: Institute of Mathematics andImage Computing (MIC), Universität zu Lübeck28.06.2012Automatic reconstruction frameworkfor bones, Nerves, and teeth in Head ct-dataVortrag: Computer Assisted Radiologyand Surgery (CARS), Pisa, Italien03.10.2012Automatic detection and classifica-tion of teeth in ct-dataPoster presentation at MICCAI, Nice,Frankreich
marika karbstein
21.08.2012Approximation and min-max resultsfor the steiner connectivity problemISMP 2012, Berlin13.09.2012A dire connection Approach to inte-grated line planning and passengerroutingATMOS 2012, Ljubljana, Slowenien
corinna klapproth
17.02.2012fast algorithms for the simulation of human knee joint motionBioMed 2012, Innsbruck, Österreich28.02.2012efficient numerical algorithms for the simulation of human knee joint motionComputational Biomechanics, ZIB, Berlin28.03.2012consisteny results for a contact-stabilized Newmark method in time and spaceGAMM 2012, Darmstadt
marco klindt
27.03.2012icontext – an App for conveying Ar-chaeological contexts and receptionHistories of exhibits to museum visitorsComputer Applications and Quanti-tative Methods in Archaeology (CAA 2012), University of Southampton, UK23.11.2012icon.text – eine kioskanwendung zurvermittlung antiker kontexte: kon-zepte und ergebnisseAbschlusskolloqium „Berliner Skulp-turennetzwerk“, Berlin
torsten klug
17.01.12smart destination-call elevator con-trol AlgorithmsSeminar, TU Warschau, Polen17.01.12the freight train routing problemSeminar, TU Warschau, Polen28.06.12optimale Zugführung im schienen-güterverkehrKosmos Verbundtreffen, Chemnitz
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 130
23.08.2012An approach for solving the freighttrain routing problemISMP 2012, Berlin02.10.2012optimierung auf der schiene buntetheorie und graue praxisSchülerbesuch Albertus-Magnus-Gymnasium Bensberg, ZIB, Berlin06.12.2012optimale Zugführung im schienengü-terverkehrKosmos Verbundtreffen, Erlangen
thorsten koch
22.08.2012Any progress one year after miplib2010?ISMP 2012, TU Berlin17.09.2012from simulation to optimizationSchool of Mathematics and Statistics,Wuhan University, China22.09.2012from simulation to optimization2nd Sino-German Workshop on Optimization, Modeling, Methods and Applications in Industry and Management,Beijing, China28.09.2012solving mixed linear and nonlinearproblems using the scip optimizationsuiteThe 24th RAMP Symposium, Miyagi, Japan01.10.2012could we use a million cores to solvean integer program?Seminar, Chuo University, Tokio, Japan06.10.2012could we use a million cores to solvean integer program?Seminar, Kyoto University, Japan
Nico kruber
05.06.2012scalaris: scalable web Applicationswith a transactional key-value storeBerlin Buzzwords 2012, Berlin20.11.2012scalable data models with the trans-actional key-value store scalarisINGI 2012 Doctoral School Day in Cloud Computing, Louvain-la-Neuve
Hans lamecker
19.11.2012Automatic liver segmentationFraunhofer MeVis, Bremen03.10.2012Automatic detection and classifica-tion of teeth in ct-dataPoster presentation at MICCAI, Nice,Frankreich01.10.2012feature-preserving, multi-materialmesh Generation using HierarchicaloraclesPoster presentation at MICCAI Work-shop on Mesh Processing in MedicalImage Analysis, Nice, Frankreich16.06.2012Analysis of inter-individual Anatomicalshape variations of joint structuresPoster presentation at CAOS, Seoul,South Korea08.05.2012patient-specific Anatomical models3rd VPH-noe study group on VPH Tool-kit, Barcelona, Spanien17.04.2012using tetGen and tetraGen with Zib-AmiraFE-mesh generation workshop, ZIB, Berlin
ralf lenz
20.08.2012optimization of water network opera-tion under uncertaintiesInternational Symposium on Mathe-matical Programming, Berlin
monika lill
04.06.2012das „kobv-portal Zwei“ kommtKOBV-Forum 2012 , ZIB, Berlin26.06.2012von der verteilten suche zu vufind –phase NullVuFind Workshop, UB Leipzig
Norbert lindow
06.06.2012perceptually linear parameter varia-tionsEuroGraphics 2012, Cagliari, Italien08.06.2012interactive rendering of materials andbiological structures on Atomic andNanoscopic scaleEuroVis 2012, Wien, Österreich
15.10.2012dynamic channels in biomolecularsystems: path Analysis and visualiza-tionIEEE VisWeek 2012, Seattle, WA, USA
stefan lohrum
22.05.2012primo – aber sicher!101. Dt. Bibliothekartag 2012, Hamburg24.05.2012de-duplizierung – ein thema auf wie-dervorlage101. Dt. Bibliothekartag 2012, Hamburg21.06.2012servicequalität in verteilten umge-bungenOracle Bibliotheken Summit, Bonn25.09.2012Neues aus dem kobvSFX Anwendungen in Bibliotheken,Fachhochschule Köln
lars lubkoll
19.06.2012G1-continuous Hermite mesh refine-mentPosterpräsentation, PDESoft, Münster29.03.2012An optimal control problem in poly-convex Hyperelasticity GAMM, Darmstadt23.08.2012optimal control in implant shapedesign ISMP 2012, Berlin03. – 07.09.2012optimal control in implant shape designSummer school „Modeling and Simulation in Soft Tissue Biomecha-nics: From Structure to Macroscopic Response“, Graz, Österreich06.11.2012optimales implantatdesignMathInside Urania, Berlin
matthias miltenberger
18.01.2012Neuerungen und fortschritte soplex/lpSAP-Projektworkshop, SAP, Walldorf28.03.2012solving large-scale linear program-ming problemsAPMOD 2012, Heinz-Nixdorf-Forum, Paderborn
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 131
07.05.2012Neuerungen und fortschritte soplex/lpSAP-Projektworkshop, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen23.08.2012Advances in linear programmingISMP 2012, TU Berlin06.09.2012the scip optimization suite 3.0 – it’sall in the bag!OR 2012, Leibniz Universität Hannover12.09.2012Advances in linear programming3. IMA Conference on Numerical Line-ar Algebra and Optimisation, Universi-ty of Birmingham, Großbritannien23.10.2012verletzungen und lösungsqualitätscip/soplex und cplexSAP-Projektworkshop, ZIB, Berlin
Anja müller
17.10.2012servicestelle digitalisierung berlin –digisHerbsttagung der Fachgruppe Muse-umsdokumentation, ZIB, Berlin
the duy Nguyen
03.10.2012Automatic detection and classifica-tion of teeth in ct-dataPoster presentation at MICCAI, Nice,Frankreich
inken olthoff
02.10.2012sparen durch batterien – wie man alsstromgroßkunde Geld sparen kannSchülerbesuch Albertus-Magnus-Gymnasium Bensberg, ZIB, Berlin23.10.2012desi – Übergreifende optimierungDESI Konsortialtreffen, T-City Projekt-büro, Friedrichshafen
wolfgang peters-kottig
04.06.2012das „kobv-portal Zwei“ kommtKOBV-Forum 2012, ZIB, Berlin
olaf paetsch
17.09.2012vergleich automatischer 3d-risserken-nungsmethoden für die quantitative Analyse der schadensentwicklungin betonproben mit computer-tomo-graphieDACH-Jahrestagung, Graz, Österreich20.09.2012Automated 3d crack detection forAnalyzing damage processes in con-crete with computed tomographyConference on Industrial Computed Tomography, Wels, Österreich
frank pfeuffer
20.08.2012An extension of the controlled robust-ness model of bertsimas and sim21st International Symposium on Ma-thematical Programming (ISMP 2012), Berlin12.09.2012An extension of the controlled robust-ness model of bertsimas and simOptimization Seminar, ZIB, Berlin23.10.2012desi – Übergreifende optimierungDESI Konsortialtreffen, T-City Projekt-büro, Friedrichshafen
julia plöntzke
29.02. – 02.03.2012mathematical modeling of the femaleestrous cycle – the cow and the wo-manPoster- und Videopräsentation, 45th Annual Conference of Physiology and Pathology of Reproduction, Berlin
kai pöthkow
06.06.2012probabilistic local features in uncer-tain vector fields with spatial corre-lationEuroVis 2012, Wien, Österreich
therese pollok
03.07.2012boundary conditions for scatteringproblems with periodic exterior do-mains8th Workshop on Numerical Methods for Optical Nano Structures, ETH Zürich
24.02.2012scattering problems with periodic exterior domains5th Annual Meeting Photonic Devices,ZIB, Berlin
steffen prohaska
21.03.2012imaging the entiremouse brain at cellular resolutionSpring Workshop Visual Computing inMedicine and Biology, Berlin
christian raack
26.06.2012capacitated Network design: multi-commodity flow formulations,cutting planes, and demand uncer-taintyTechnische Universität, Berlin03.07.2012cutset inequalities for robust networkdesignENGOPT Conference, Rio de Janeiro,Brasil06.09.2012cutset inequalities for robust networkdesignCOApt workshop, Sabrosa-Douro, Portugal29.11.2012principle limits: flexible bitrates anddynamic traffic in future optical net-works Kickoff – SASER project, München
Heiko ramm
17.04.2012introduction to ZibAmira and tetra-GenFE-mesh generation workshop, ZIB, Berlin04.07.2012using ssims for 3d reconstructionfrom 2d image dataMXL project meeting, Lisbon, Portugal26.09.2012from medical image data to finite ele-ment meshes – fast and accurate3d reconstruction of musculoskeletalanatomyConference workshop, EORS 2012,Amsterdam, Niederlande
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 132
Alexander reinefeld
24.10.2012HlrN: North-German supercomputing Alliance2. Sino-German Workshop on „Cloud-based High Performance Computing“,Hasso-Plattner-Institut Potsdam
markus reuther
11.07.2012A rapid branching method for the vehicle rotation planning problem25th European Conference on Operati-onal Research (EURO 2012), Vilnius,Litauen23.07.2012vehicle rotation planning for intercityrailways12st International Conference on Ad-vanced Systems for Public Transport(CASPT12), Santiago, Chile
susanna röblitz
27.09.2012from molecular simulations to physi-ology: the role of mathematics inestrogen modellingMathematics in Our Changing World –How visions shape reality, Berlin
maria rozova
24.01.2012Numerical method for precise simula-tion of optical modes in vcselsSPIE Photonics West, San Francisco20.04.20123d finite element simulation of opticalmodes in vcselsSFB787 School of Nanophotonics, Doktorandenseminar
beate rusch
25.01.2012struktur und Aufgaben des kobvReferendarkolloquium des KOBV, ZIB,Berlin04.06.2012ein blick in die Glaskugel – verbündeheute und übermorgenKOBV-Forum 2012, ZIB, Berlin
Guillaume sagnol
08.02.2012Algorithmic aspects of large scale optimal experimental designinvited talk at the ERGO seminar, Uni-versity of Edinburgh, Great Britain26.05.2012A stackelberg game to optimize thedistribution of controls in transportati-on networks3rd International conference on GameTheory for Networks (GAMENETS 2012), Vancouver, Canada23.07.2012picos: A python interface to conicoptimization solversISMP 2012, TU Berlin
patrick schäfer
29.03.2012sfA: a symbolic fourier approximationand index for similarity search inhigh dimensional datasetsEDBT 2012, Berlin
olga scharkoi
25.07.2012computational investigation of mono-hydroxylation by cytochrome p450ECMI 2012, Lund, Schweden12.09.2012computationally aided design of opi-oid analgesics selectively interactingwith opioid receptors in acidic injuredtissuePosterpräsentation, Molecular Interac-tions 2012, Berlin
sebastian schenker
26.10.2012About an implementation of a 3-objective linear programming solverSeminar, University of Coimbra13.12.2012About an implementation of a 3-objective linear programming solverSeminar, University of Nantes
florian schintke
14.02.2012Aspekte der langzeitarchivierungBBAW, Berlin
02.06.2012Neue Herausforderungen der super-computer-programmierungLange Nacht der Wissenschaften, ZIB,Berlin06.07.2012replikation und konsistenz im cloud-dateisystem xtreemfsSeminar Betriebssysteme, H. Härtig,TU Dresden
thomas schlechte
17.01.2012binpacking by scipSeminar, TU Warschau, Polen18.01.2012railway track Allocation – simulation,Aggregation, and optimizationSeminar, TU Warschau, Polen24.02.2012railway track Allocation – trassenallo-kation im eisenbahnwesenMeeting mit Siemens Rail Automation,ZIB, Berlin20.08.2012recent developments in railwaytrack AllocationISMP 2012, TU Berlin06.09.2012railway track Allocation – simulation,Aggregation, and optimizationSOR 2012, Hannover26.09.2012recent developments in railwaytrack AllocationOptimization Seminar, ZIB, Berlin
frank schmidt
10.03.2012d23: design of photonic devices andmaterialsMatheon Center Days, TU Berlin20.03.2012innovation area optical technologiesECMath Berlin04.09.2012computational Nanooptics at ZibHelmholtz-Zentrum Berlin23.10.2012entwicklung der reduced-basis-methodZeiss AG, Jena
robert schwarz
23.08.2012Gas Network design with integratedoptimization of topology and dimen-sioningISMP 2012, Berlin
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 133
07.09.2012extending Gas transmission NetworksOR 2012, Hannover
jonas schweiger
08.02.2012multi-scenario topology optimizationOptimierungsseminar, ZIB22.03.2012multi-szenario-topologieplanungForNe Statusworkhop, HU Berlin08.06.2012mathematical programming for GasNetwork operation and extension5th Nordic Optimization Symposium, NTNU, Trondheim, Norwegen04.07.2012Gas Network topology extension formultiple scenariosSTOPROG-2012, Nida, Litauen10.07.2012Gas Network topology extension formultiple scenariosEURO, Vilnius, Litauen21.08.2012multi-scenario topology optimizationin Gas NetworksISMP 2012, Berlin09.10.2012multi-scenario topology optimizationin Gas NetworksSCIP Workshop 2012, Darmstadt
jens schwidder
04.06.2012mein mobiles leben mit smartphoneund tablet pc10. KOBV-Forum 2012, ZIB, Berlin
yuji shinano
24.08.2012parascip and fiberscip – parallel extensions of scip ISMP 2012, TU Berlin
kathrin sobe
19.06.2012consistency and fault tolerance forerasure-coded data in distributed sto-rage systems DIDC 2012, Delft
thomas steinke
11.07.2012on improving the performance ofmulti-threaded cudA Applicationswith concurrent kernel execution bykernel reorderingSAAHPC, Argonne National Lab13.11.2012classroom experiences at Zuse insti-tute berlin BOF Session „Parallel and Accelerated Computing Experiences for Successful Industry Careers in High-Performance Computing“, SC'12, Salt Lake City
claudia stötzel
07.08. – 10.08.2012modeling of endocrinologial networksPosterpräsentation, SIAM Conferenceon the Life Sciences, San Diego, USA
elmar swarat
20.04.2012optimization of toll enforcements onmotorways3rd Student Conference on Operati-onal Research – SCOR 2012, Notting-ham, UK24.04.2012optimization methods for railwayplanning problems21. railML.org-Treffen, Dresden22.08.2012modeling and solving a toll enforce-ment problem21st International Symposium on Ma-thematical Programming (ISMP 2012), Berlin15.10.2012toll enforcement planning by integerprogrammingInforms Annual Meeting 2012, Phoe-nix, AZ, USA05.12.2012modeling and solving a toll enforce-ment problemZIB – Optimierungsseminar, Berlin
sascha szott
24.05.2012das discoverysystem Albert: einbaustein auf dem weg zur realisie-rung des library-as-a-service-kon-zepts Posterpresentation, 101. Dt. Bibliothe-kartag Hamburg
doreen thiede
25.01.2012cloud computing and libraries – A German perspectivePosterpresentation, 20. BOBCATSSS2012, Amsterdam28.03.2012entwicklung am beispiel von opusReferendarkolloquium des KOBV, ZIB,Berlin04.06.2012opus wird erwachsen10. KOBV-Forum 2012, ZIB, Berlin14.08.2012Helping and learning – the projectmukowiki as an example for a hospi-tal patient’s library supported by anon-profit organization78. IFLA 2012, Helsinki
ingmar vierhaus
30.09.2012system dynamics and mixed integerNonlinear optimizationMatheon/BMS Young ResearchersWeekend, Blossin
marcus weber
23.01.2012simulation von ligand-rezeptor-bindungsvorgängen – ist die kinetiknoch zu retten?Workshop am Fraunhofer-Institut IPK,Berlin23.04.2012in-silico-toxikologie von transfor-mationsproduktenDWA-Workshop, Koblenz10.05.2012biology – too complex?Deutsche Biotechnologietage 2012,Frankfurt (Main)20.06.2012compressive sensing in drug discoverySIAM Appl. Lin. Alg., Valencia, Spanien25.07.2012in-silico methods for biomoleculardrug designECMI 2012, Lund, Schweden18.10.2012rebinding events and Negative reac-tion ratesInternationales Symposium SFB-765,Berlin
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 134
martin weiser
15.02.2012kompression – die mathematik hinterjpG und mp3Tag der Naturwissenschaften,Kopernikus-Gymnasium Blankenfelde06.03.2012Goal-oriented error estimation fornonlinear optimal control problems5th Conference on High PerformanceScientific Computing, Hanoi, Vietnam08.03.2012lossy compression of state trajecto-ries5th Conference on High PerformanceScientific Computing, Hanoi, Vietnam29.03.2012cardiac simulation – from cellular automata to pdesBesuch dänischer Studenten, ZIB, Berlin13.06.2012mathematik in der therapieplanung:HyperthermieBesuch der Lenné-Schule, ZIB, Berlin20.06.2012delayed residual compensation forbidomain equations21st International Conference on Domain Decomposition Methods, Rennes, Frankreich03.07.2012Goal-oriented error estimation fornonlinear optimal control problemsWIAS, Berlin03.08.2012Hierarchical error estimators in kaska-de 7 – implementation and Application to optimal control problemsComputational Methods in Applied Mathematics 5, Berlin23.08.2012Goal-oriented error estimation fornonlinear optimal control problems21st International Symposium onMathematical Programming (ISMP 2012), Berlin04.09.2012cardiac simulation – from cellular automata to pdesBesuch dänischer Studenten, ZIB, Berlin12.09.2012optimal control for implant shape designECCOMAS 2012, Wien, Österreich26.10.2012von flimmernden Herzen und zellu-lären AutomatenBesuch des Gymnasiums Remigia-num, ZIB, Berlin
06.11.2012wer traut noch dem computer?Matheon series MathInside, Urania Berlin
Axel werner
18.01.2012desiTelecom day, ZIB11.06.2012mathematical optimization in tele-communicationsBesuch von Studenten der HTW Berlin,ZIB 13.06.2012schneller surfen – optimierung vontelekommunikationsnetzenBesuch von Schülern der Lenné-SchulePotsdam, ZIB09.07.2012optimizing energy consumption of telecommunication networksEURO XXV, Vilnius (Litauen)05.09.2012minimization of energy consumptionin ip-over-wdm networksOR 2012, Hannover10.09.2012schneller surfen mit Geometrie – optimierung von telekommunikations-netzenSchülerbesuch des Canisius-KollegsBerlin, ZIB13.11.2012desi – optimierungsmodelle zur berechnung von energieeinsparpoten-tialen im festnetzIT2Green Fachgruppentreffen, HHI, Berlin
Alexander wiebel
17.08.2012sichtbarkeitsorientierte 2d-Auswahlvon strukturen in 3d-volumendarstel-lungenBSV-Seminar (Universität Leipzig), Boží Dar, Tschechische Republik11.10.2012visbility-oriented picking in direct volumetric renderingsComputer Science Department Collo-quium, University of California, Davis, USA17.12.2012wysiwyp: what you see is what youpickIEEE Scientific Visualization 2012, Seattle, USA
kati wolter
09.02.2012exact integer programmingGastvorlesung ADM III, TU Berlin04.07.2012exact integer programmingAnnual meeting DFG Priority Program„Algorithm Engineering“, Goethe-Universität Frankfurt am Main22.08.2012An exact rational mixed-integer programming solverISMP 2012, TU Berlin24.09.2012exact integer programmingSitzung des Wissenschaftlichen Beirates des ZIB, Berlin
stefan Zachow
13.03.2012facial surgery planningVotrag: 13th Winter Meeting of the EuropeanAcademy of Facial Plastic Surgery(EAFPS), Galtür, Österreich27.03.2012using ssims for 3d Anatomy re-construction from 2d image dataMXL project meeting, Brussels, Bel-gien31.03.2012facial surgery planning: An engineer’sviewEingeladener Vortrag: 2nd Int. Sympo-sium on New Technologies for Diagno-sis, Planning & Treatments in Maxillo-facial Surgery (3DBO), Bologna, Italien04.07.20123d Anatomy reconstruction from 2dx-ray imagesMXL project meeting, Lisbon, Portugal15.06.2012fast computation of virtual radio-graphs for 3d surgery planning basedon x-rayVortrag: 12th Annual meeting of the Int. Society for Computer Assisted Orthopaedic Surgery (CAOS), Seoul, Südkorea09.11.2012three-dimensional morphometry.building an objective for surgicalreconstruction of cranial deformitiesEingeladener Vortrag: Culture MeetsSurgery. Images, Models, and Inter-pretations of the Human Skull, 1st Annual Conference of ZfL, Berlin
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 135
vorlesuNGeN uNd semiNAre
wolfgang baumann: jacobs university bremenWS 2011/12 Parallel programming withMPI and OpenMP (Lehrveranstaltungund Kurs gemeinsam mit H. Stüben)
wolfgang baumann: tu berlinWS 2011/12 Einführung in die paralleleProgrammierung mit MPI und Open-MP (Lehrveranstaltung und Kurs gemeinsam mit H. Stüben)
ralf borndörfer: tu berlinWS 2011/12 Computational IntegerProgramming (VL 4 SWS, mit T. Koch)SS 2012 Mathematics of InfrastructurePlanning (VL 4 SWS, mit M. Grötschel)
ralf borndörfer: vietnam Academyof science and technology, HanoiWS 2011/12 Mathematical Optimiza-tion and Public Transportation (Block-kurs 6+6 S)
sven burger: tu berlinWS 2011/12 Computational Nanooptics(VL 2 SWS)WS 2012/13 Methoden zur Berechnungder Eigenschaften von VCSELnund verwandter Resonatoren (VL2 SWS)
peter deuflhard: fu berlinWS 2011/12, SS 2012 OberseminarScientific Computing (Mitveranstalter:C.Carstensen,H.Gajewski (FUB/WIAS),R. Klein (FUB), R. Kornhuber (FUB),V. Mehrmann (TUB), S. Reich (U Pots-dam), K. Polthier (FUB), C. Schütte(FUB), J. Sprekels (HU/WIAS), F. Tröltzsch (TUB), H.Yserentanat (TUB))WS 2011/12 Numerische Grundlagender Systembiologie (VL 4 SWS mit S. Röblitz, T. Dierkes, C. Stötzel)
konstantin fackeldey: fu berlinSS 2012 Analysis II (lehramtsbezogen)(VL 4 SWS, mit M. Weiser)SS 2012 Fortgeschrittene Methoden inder Simulation von Biomolekülen (SE,mit B. Schmidt)WS 2012/13 Simulation von Biomole-külen (VL 2 SWS, mit B. Schmidt, M. Weber)
Armin fügenschuh: fAu erlangen-NürnbergWS 2012/13 Kombinatorische Opti-mierung (VL 4 SWS)
s. Gottwald, th. klein, G. maiwald:fu berlinWS 2011/12 Algorithmen und Analyseauf bibliographischen Daten (Prakti-kum)
martin Grötschel: tu berlinWS 2011/12 Seminar: Proof Techniquesin Polyhedral Combinatorics (Blockse-minar, gemeinsam mit Annie Ray-mond (Berlin Mathematical School))SS 2012 Mathematics of InfrastructurePlanning (ADM III) (Vorlesung gemein-sam mit Ralf Borndörfer)WS 2012/13 Einführung in die Lineareund Kombinatorische Optimierung (Vorlesung gemeinsam mit Benjamin Hiller)
Hans-christian Hege: mediadesignHochschule für design und informatikSS 2012 3D Simulation/ Echtzeitvisuali-sierung (Vorlesung (Blockkurs))
olga Heismann: multinationale Akade-mie torgelow01.08.2012 – 18.08.2012 Kombinato-rische Optimierung (zweieinhalbwö-chiger SchülerAkademie-Kurs)
thoralf klein, Gunar maiwald: fuberlinWS 2012/13 Text-Mining-Toolbox: Ver-fahren und Werkzeuge zur Textanalyse(Praktikum)
olaf paetsch: freie universiät berlin31.07. – 01.08.2012 Einführung in die digitale Bildverarbeitung (Sommeruni)02. – 03.08.2012 Einführung in die Com-putergrafik (Sommeruni)
Alexander reinefeld: Hu berlinSS 2012 Fehlertolerante Codes für par-allele Speichersysteme (Seminar)SS 2012 NoSQL-Datenbanken (Semi-nar)SS 2012 Forschungsseminar Paralleleund Verteilte Systeme (Seminar)WS 2012/13 Architektur paralleler undverteilter Systeme (Vorlesung und Übungen, gemeinsam mit Florian Schintke)WS 2012/13 Forschungsseminar Paral-lele und Verteilte Systeme (Seminar)
susanna röblitz: fu berlinWS 2011/12 Numerische Grundlagender Systembiologie (VL 4 SWS, mitP. Deuflhard, T. Dierkes, C. Stötzel)
WS 2012/13 Numerik (VL 2 SWS, mitT. Dierkes, C. Stötzel)
frank schmidt: fu berlinWS 2012/13 Computational Photonics(VL 2 SWS)
marcus weber: fu berlinSS 2012 Lineare Algebra I (lehramtsbe-zogen) (VL 4 SWS, mit A. Caiazzo)WS 2012/13 Trans-/Inter-/Multidiszipli-näres Arbeiten (SE 2 SWS)WS 2012/13 Simulation von Biomole-külen (VL 2 SWS, mit K. Fackeldey,B. Schmidt)
martin weiser: fu berlinWS 2011/12 Analysis I (lehramtsbezo-gen) (VL 4 SWS)SS 2012 Analysis II (lehramtsbezogen)(VL 4 SWS, mit K. Fackeldey)WS 2012/13 Lineare Algebra I (VL4 SWS)
Alexander wiebel: freie universiätberlinWS 2012/13 Scientific Visualization(Vorlesung)
mitverANstAlter AuswärtiGer
tAGuNGeN
ralf borndörfer28. – 30.03.2012PC International Conference on Ap-plied Mathematical Optimization andModelling (APMOD 1012), U Pader-born20. – 24.08.2012OC 21st International Symposiumon Mathematical Programming (ISMP 2012), TU Berlin
wolfgang dalitz17. – 20.09.2012Minisymposium „Information undKommunikation in der Mathematik“im Rahmen der DMV Tagung in Saar-brücken
Armin fügenschuh20. – 24.08.2012OC 21st International Symposiumon Mathematical Programming (ISMP 2012), TU Berlin23.08.2012Organisation des Klaus Tschira Work-shops im Rahmen der ISMP 2012 ge-meinsam mit Martin Skutella, TU Berlin
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 136
ulrike Golas01.04.20127th ACCAT Workshop (ACCAT ’12) onApplied and Computational CategoryTheory im Rahmen der ETAPS, Tallinn, Estland
martin Grötschel05. – 09.03.20125th International Conference on HighPerformance Scientific Computing,Hanoi, Vietnam12. – 14.03.2012Matheon-Zentrumstage ,TU Berlin22. – 23.04.2012IMU EC Meeting, Rio de Janeiro, Brasilien09. – 11.07.2012Vorbereitungssitzung für ICM’2014Seoul, Republik Korea19. – 24.08.201221st International Symposium on Ma-thematical Programming (ISMP 2012),TU Berlin24.08.2012Empfang anlässlich des 90. Geburts-tages von Egon Balas und des Er-scheinens seines Buches „The Will to Freedom“ in deutscher SpracheTU Berlin
Hans-christian Hege21.03.2012GI Fachgruppen-Workshop VisualComputing in Medicine and BiologyBerlin, Deutschland05. – 08.06.201214th Annual Eurographics Symposiumon Data Visualization – EuroVis2012 (Member of Program Committee)Wien, Österreich26. – 28.06.201220th International Conference onComputer Graphics, Visualizationand Computer Vision 2012 – WSCG2012 (Member of Program Committee)Pilsen, Tschechische Republik27. – 28.09.2012Eurographics Workshop on VisualComputing in Biology and Medicine– VCBM 2012 (Member of ProgramCommittee), Norrköping, Schweden14. – 15.10.20122nd IEEE Symposium on BiologicalData Visualization – BioVis 2012(Member of Program Committee),Seattle, WA, USA
14. – 19.10.2012IEEE Visualization Conference – Vis2012 (Member of SciVis ProgramCom-mittee) Seattle, WA, USA12.11.2012Ultrascale Visualization Workshop(Member of Program Committee)Salt Lake City, UT, USA15.11.2012Karl-Heinz-Höhne-Award, 11. Jahres-tagung für Computer- und Roboteras-sistierte Chirurgie – CURAC 2012(Member of Program Committee)Düsseldorf
ulrike Homberg12.12.2012ZibAmira Workshop für Mitarbeiterder BAM, Berlin
thorsten koch22.09. – 27.09.2012The 2nd Sino-German Workshop onOptimization, Modeling, Methods andApplications in Industry and Manage-ment, Beijing, China20. – 24.08.2012OC 21st International Symposiumon Mathematical Programming (ISMP 2012), TU Berlin
olaf paetsch12.12.2012ZibAmira Workshop für Mitarbeiterder BAM, Berlin, Deutschland
steffen prohaska27. – 28.09.2012Eurographics Workshop on VisualComputing for Biology and Medicine(Member of Program Committee),Norrköping, Schweden12. – 14.11.2012VMV – Workshop on Vision, Modeling& Visualization (Member of ProgramCommittee), Magdeburg
Heiko ramm17. – 18.04.2012MXL Meshing Workshop, Berlin
susanna röblitz08.11.2012Minisymposium „Systems Biologyand its Modelling Schemes“im Rahmen der Tagung Brazilian-German Frontiers of Science and Tech-nology Symposium, Brasilia, Brasilien
marcus weber23. – 24.04.2012DWA-Fortbildungstagung für Wasser-chemiker, Koblenz
Alexander wiebel27. – 28.09.2012Eurographics Workshop on VisualComputing for Biology and Medicine(Member of Program Committee)Norrköping, Schweden17.09.2012Workshop GI Informatik 2012 – Trendsund aktuelle Entwicklungen für diecomputerassistierte NeurochirurgieBraunschweig14. – 15.10.20122nd IEEE Symposium on BiologicalData Visualization – BioVis 2012(Member of Program Committee)Seattle, WA, USA
stefan Zachow17. – 18.04.2012MXL Meshing Workshop, Berlin27. – 28.09.2012Eurographics Workshop on VisualComputing for Biology and Medicine(Member of Program Committee)Norrköping, Schweden15.11.201211. Jahrestagung für Computer- undRoboterassistierte Chirurgie – CURAC2012 (Member of Program Committee)Düsseldorf15.11.2012Karl-Heinz-Höhne-Award, 11. Jahres-tagung für Computer- und Roboteras-sistierte Chirurgie – CURAC 2012(Member of Program Committee)Düsseldorf16.11.2012GI Fachgruppen-Workshop VisualComputing for Biology and MedicineDüsseldorf05.10.2012MICCAI Workshop on Clinical Image-based Procedures: From Planning toIntervention (CLIP 2012) (Member ofProgram Committee)Nice, Frankreich
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 137
tagungen und gäste am zib
GAstvorträGe
05.01.2012radu ioan bot(Technische Universität Chemnitz)A fenchel duality-based approach forsolving optimization problems arisingin supervised learning
25.01.2012chamakuri Nagaiah(University of Graz)boundary control of bidomain equation
22.02.2012david j. Norris(ETH Zürich)thermal plasmonics as a route tophotovoltaics?
22.02.2012Harald Giessen(Universität Stuttgart)complex 2d and 3d plasmonic nano-structures
22.02.2012stefano selleri(Universitá degli Studi di Parma, Italien)photonic crystal fiber numerical de-sign for fiber lasers used in photovol-taics scribing
22.02.2012bernd kleemann(Carl Zeiss AG, Oberkochen)integral equation method for photo-nics applications in conical diffraction
27.02.2012Horst Nackenhorst(Leibniz Universität Hannover)computational biomechanics of bones– state of the art and recent develop-ments
27.02.2012rolf krause(Universitá della Svizzera Italiana, Lugano)A non-linear biphasic model for periodontal ligament: modeling and simulation
27.02.2012ulrich simon(Ulmer Zentrum für WissenschaftlichesRechnen)simulating bone regenerative pro-cesses
28.02.2012wolfgang ehlers(Universität Stuttgart)towards the overall human – com-putational biomechanics proceeding from multi-component and multi-phy-sical tissue properties
28.02.2012christian Hellmich(Technische Universität Wien, Öster-reich)bone structure and strength: an integrative physio-chemo-mechanical approach with links to biology and medicine
28.02.2012mirjam walloth(Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn)Adaptive numerical simulation ofcontact problems. resolving localeffects at the contact boundary inspace and time
02.04.2012bernd bickel(Disney Research Zürich, Schweiz)Human faces – from reality to reality
11.04.2012daniluk pawel(Warsaw University, Polen)computational complexity and an ap-proach based on the motzkin-strausstheorem
11.04.2012maciek dzizubinski(Warsaw University, Polen)detection of local states and causalityanalysis
07.05.2012Hans-christian von Herrmann; koheisuzuki(TU Berlin)weißt du, wieviel sternlein stehen? –Zumverhältnis von beobachtung unddarstellung im planetarium
¸
11.06.2012olga sorkine(ETH Zürich, Schweiz)fast shape deformation using skinning
25.06.2012eric lengyel(Terathon Software, Roseville, CA, USA) the return of forgotten mathematics in computer Graphics
06.08.2012Guoyan Zheng(Universität Bern, Schweiz)3d personalized reconstruction ofexternal shape and internal intensitydistribution from x-ray images: stati-stical model-based solutions
11.09.2012domenico salvagnin(Universitá degli Studi di Padova, Italien)randomness and tree search
28.09.2012rainer michalzik(Universität Ulm)vertikallaserdioden (vcsel): statusund Anwendungen
15.11.2012fabrizio Grandoni(IDSIA Lugano, Lugano, Schweiz)New Approaches to Network design
16.11.2012dominic schupke(Nokia Siemens Networks)delay performance of resilient cloudservices over Networks
GAstAufeNtHAlte
radu ioan bot(Technische Universität Chemnitz)05.01.2012
dany pascal moualeu(University of Younde I, Kamerun)09.01.–31.12.2012
chamakuri Nagaiah(Universität Graz, Österreich)23.–27.01.2012
¸
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 138
falco schmidt(Universitätsklinikum Ulm)23.–24.02.2012
bernd lapatki (Universität Ulm)23.–24.02.2012
Grigorios pavliotis(Imperial College London, UK)01.03.–31.08.2012
bernd bickel(Disney Research Zürich, Schweiz)02.04.2012
felipe serrano mussalem(Universidad de Chile, Santiago de Chile, Chile)10.–30.04.2012
xin liu(Chinese Academy of Sciences, Beijing, China)20.–27.04.2012
burgu tunga(Istanbul Technical University, Türkei)14.05.–15.11.2012
olga sorkine(ETH Zürich, Schweiz)03.06.–31.07.2012
domenico salvagnin(Universität Padua, Italien)18.06.–13.09.2012
erich lengyel(Terathon Software, Roseville, CA, USA)25.06.2012
Amir Niknejad(The College of Saint Vincent, New York, USA)02.07.–20.08.2012
stefan jacobs(Fachhochschule Flensburg)02.07.–30.09.2012
junwhan lee(Advanced Nano Device Laboratory, Pohang, Korea)06.–22.07.2012
xin liu(Chinese Academy of Sciences, Beijing, China)18.08.–01.09.2012
ya-xiang yuan(Chinese Academy of Sciences, Beijing, China)27.08.–01.09.2012
markus leitner(Technische Universität Wien)28.08.–29.08.2012
michael Hofmeister(Siemens AG, München)23.–25.09.2012
Alfred louis(Universität des Saarlandes, Saarbrücken)23.–25.09.2012
ludger sax(Open Grid Europe GmbH, Essen)23.–26.09.2012
jörg sack(Carleton University, Canada)22.–26.09.2012
thomas wolf(Brock University, St. Catherines, Ontario, Kanada)08.–12.10.2012
eberhard schrüfer(Fraunhofer SCAI, St. Augustin)09.–12.10.2012
bülent karasözen(Middle East Technical University (METU), Ankara, Türkei)19.–20.11.2012
stefan weltge(Universität Magdeburg)16.–20.07.2012
pietro belotti(Clemson University, Clemson, SouthCarolina, USA)18.07.–28.08.2012
Akiyoshi shioura(Graduate School of InformationSciences, Tohoku University, Japan)21.07.–31.08.2012
wolfgang bangerth(Texas A&M University, USA)23.07.2012
erika kovács(Eötvös Loránd University, Budapest, Ungarn)23.07.–23.08.2012
daniel steffy(Oakland University, USA)25.07.–31.08.2012
Guoyan Zheng(Universität Bern, Schweiz)06.08.2012
leqin wu(Chinese Academy of Sciences, Beijing, China)12.–25.08.2012
yafen liu(Chinese Academy of Sciences, Beijing, China)12.–25.08.2012
Zaw win(University of Yangon, Myanmar)16.–31.08.2012
Nam dung Hóang(Hanoi University of Science and Technology)16.08.–10.09.2012
rujira ouncharan(Chiang Mai University, Thailand)17.–25.08.2012
Hans mittelmann(Arizona State University, Tempe, Arizona, USA)17.–27.08.2012
˜
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 139
tAGuNGeN uNd verANstAltuNGeN
06.02.2012sitzung der sektion informatik derleopoldina im ZibMartin Grötschel
23. – 24.02.20125th Annual meeting photonic devices,Matheon-workshop, Zib, berlinFrank Schmidt
27. – 28.02.2012computational biomechanics,Matheon-workshop, ZibPeter Deuflhard, Corinna Klapproth, Ralf Kornhuber, Oliver Sander
21.03.2012Gi fachgruppen-workshop visualcomputing in medicine and biologyHans-Christian Hege
16.04.201215 jahre fAk: Ziel erreicht – und wennja wieviele? 6. fAk-konsortialtagKOBV-Zentrale, FAK-Geschaftsstelle
17.–18.04.2012mxl Hands-on workshop „meshing“Heiko Ramm, Stefan Zachow
04.06.2012Nur wer sich ändert, bleibt! 10. kobv-forumKOBV-Zentrale
05.–06.06.2012dAcHelA 2012KOBV-Zentrale
03.07.2012erms-perspektiven für das fAk. erfah-rungen mit dem open sourceerms corAl. workshop für er-werbungsbibliothekar/ innen aus mitgliedseinrichtungen des friedrich-Althoff-konsortium e. v.KOBV-Zentrale, FAK-Geschaftsstelle
25.–27.09.2012tagung „mathematics in our changingworld – How visions shape reality“Martin Grötschel, Abteilungen der FUund des ZIB
15.–17.10.2012Herbsttagung der fachgruppe muse-umsdokumentationBarbara Fichtl, Carlos Saro, Institut fürMuseumsforschung, Fachgruppe Dokumentation im Deutschen Muse-umsbund
19.10.2012präsentation von ApA-produkten undpsycNetKOBV-Zentrale, FAK-Geschaftsstelle
15.–16.11.2012robukom-meetingFabio D’Andreagiovanni, Martin Gröt-schel, Axel Werner
23.11.2012kobv-workshop Geschäftsgänge digitalisierungKOBV-Zentrale
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 140
mathematik und informatik für die Öffentlichkeit
Das ZIB und seine Arbeitsbereiche er-freuen sich seit Jahren eines ständig steigenden Interesses bei Schüler- undStudentengruppen. Dies zeigt die Viel-zahl von Führungs- und Vortragsveran-staltungen, die von Mitarbeitern des ZIB sowohl im Haus als auch extern durch-geführt werden.
Der Interessenschwerpunkt des Publi-kums liegt dabei auf den Anwendungender Mathematik einerseits und der Informationstechnik bzw. den Hoch-leistungsrechnern andererseits. An beispielhaften Projekten werden mathe-matische Methoden, ihre Umsetzung in spezielle Algorithmen und die Bearbei-tung auf Rechnern der verschiedenen Leistungsklassen demonstriert. Weiter-hin werden aktuelle Forschungsarbeiten aus der Informatik und die vorhandenen Systeme im Rechner- und Datenraum mit den roboterbedienten Bandsilos vorgestellt. Während Rechner und Infor-matik auf ohnehin vorhandenes breites Interesse bei Schülern und Studenten stoßen, ist der Einsatzbereich der Ma-thematik nicht immer offensichtlich. Die Veranstaltungen tragen zur Aufklärung darüber bei, in welchen Bereichen und mit welchen Methoden die Mathematik überall eine Rolle spielt.
08.06.2012 Ein wichtiger Termin für dieAußendarstellung des ZIB ist die jähr-liche Teilnahme an der „Langen Nachtder Wissenschaften“.
Auch 2012 konnte das ZIB mit einer ho-hen Besucherzahl von über 1900 seine Anziehungskraft für den wissenschaftlich interessierten Laien unter Beweis stellen. Neben den schon fast als Klassiker zu bezeichnenden Präsentationen 3D-Wis-senschaftskino sowie Besichtigung der Hochleistungsrechner und des Datenro-boters wurden Vorträge aus fast allen im ZIB vertretenden Anwendungsprojekten geboten: z. B. Fahrstuhlsteuerung, Com-putergrafik, Nano-Optik, Mathematik hinter Sudoku, Bundesligatabellen und Tierbiologie. Mit lautem Schreien steu-erten Kinder ein 3D-Fußballspiel, um an-schließend in Ruhe an Computern oder platonischen Körpern zu basteln. Prof. Horst Zuse zog wieder viele Zuhörer zu seinen interessanten Vorträgen zur Ge-schichte der Computer an.
vorträGe
10.02.2012Hilberts visionenVortrag anlässlich der Vorstellung eines Buches über die jüdischen Ma-thematikerinnen Margarete Kahn und Klara Löbenstein, Tertianum Berlin, Martin Grötschel
20.02.2012Nachhilfe für picasso: die automa-tische erzeugung von portraits und das tsp, berlin der begegnung, Gens-hagenEinstein Stiftung Berlin, Martin Gröt-schel
20.03.2012besuch einer studierendenruppe desNiels brock business college, kopen-hagen, Zib Peter Deuflhard, Martin Weiser, GeraldGamrath, Hans-Hermann Frese, Vin-cent Dercksen, Kai Pöthkow
17.04.2012introduction to ZibAmira and tetra-GenFE-mesh generation workshop HeikoRamm
17.04.2012using tetGen and tetraGen with Zib-AmiraFE-mesh generation workshop Hans Lamecker
17.04.2012A multi-material fe-meshing toolFE-mesh generation workshop MaxKahnt
26.04.2012mathematische puzzle, Girl’s day2012, ZibAnnie Raymond und Axel Werner
11.06.2012besuch von studenten der Htw berlin,ZibHans-Hermann Frese, Marco Klindt, Axel Werner
13.06.2012schülerbesuch der lenné-schulepotsdam, ZibMartin Weiser, Therese Pollok, AxelWerner, Hans-Hermann Frese, HeikoRamm, Cornelia Auer
04.09.2012besuch einer studentengruppe deskold college denmark, ZibMartin Weiser, Gerald Gamrath, Hans-Hermann Frese, Daniel Baum, NorbertLindow
10.09.2012schülerbesuch des canisius-kollegsberlin, ZibPeter Deuflhard, Frank Schmidt, AxelWerner, Hans-Hermann Frese, Carl Martin Grewe, Olaf Paetsch
11.09.2012besuch einer schülergruppe der euro-paschule sii utbremen, Zib Hans-Hermann Frese, Olga Heismann,Patrick Schäfer, Heiko Ramm, Alexan-der Wiebel
02.10.2012schülerbesuch des Albertus-magnus-Gymnasiums bensberg, ZibFrank Schmidt, Inken Olthoff, TorstenKlug, Ursula Droebes, Guido Lau-bender, Valentin Zobel, Ulrike Hom-berg
26.10.2012besuch einer schülergruppe desGymnasiums remingianum borken,Nrw, ZibMartin Weiser, Gerald Gamrath, Wolf-gang Baumann, Guido Laubender, Andrea Kratz, Christoph Petz
18.12.2012besuch von schülergruppen desHumboldt-Gymnasiums berlin unddes Heinrich-Hertz-Gymnasiums berlin, ZibHans-Herman Frese, Patrick Schäfer,Stefan Wollny, Dagmar Kainmüller, Moritz Ehlke, Vincent Dercksen
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 141
software und serVicefolGeNde softwAre wurde im Zib eNtwickelt uNd wird liZeNsiert:
NumeriscHe AlGoritHmeN
biopArkiN
biopArkiN kombiniert eine grafische
Benutzeroberfläche für die Modellierung
systembiologischer Netzwerke mit einer
flexiblen c++-Bibliothek zur Simulation
und Parameteridentifizierung
Ansprechpartner: T. Dierkes
codelib
codelib umfasst Newton, Gauss- und
IVP-Codes.
Ansprechpartner: Martin Weiser
jcmsuite
jcmsuite ist ein kommerziell vertriebenes
Softwarepaket zur rigorosen Lösung der
Maxwell’schen Gleichungen für optische
Anwendungen.
Ansprechpartner: Frank Schmidt
kardos
kardos ist ein FE-Paket zur Lösung para-
bolischer Differentialgleichungssysteme.
Ansprechpartner: Bodo Erdmann
kAskAde 7
kAskAde 7 ist eine flexible c++-Bibliothek
zur FE-Lösung partieller Differential-
gleichungssysteme.
Ansprechpartner: Martin Weiser
Newtonlib
Newtonlib beinhaltet Software zu Peter
Deuflhard „Newton Methods for Nonlinear
Problems-Affine Invariance and Adaptive
Algorithms“.
Ansprechpartner: Martin Weiser
Zibgridfree
Zibgridfree ist eine Software zur thermo-
dynamischen Simulation von von Wirkstoff-
molekülen und Wirkstoff-Target-Komplexen.
Ansprechpartner: Marcus Weber
visuAlisieruNG
ZibAmira
ZibAmira ist ein modulares Software-
system mit vielfältigen Funktionen zur
Bildverarbeitung, Bildanalyse, Geometrie-
Rekonstruktion und Datenvisualisierung. Es
bietet eine Reihe von zusätzlichen Möglich-
keiten gegenüber dem ursprünglich auch
am ZIB entwickelten Amira
(www.amira.com).
Ansprechpartner: Steffen Prohaska
([email protected]), Daniel Baum
lenné3d-player
lenné3d bezeichnet die am ZIB entwickel-
ten Landschaftsvisualisierungssysteme.
Der lenné3d-player stellt Szenen realis-
tisch, skizzenhaft oder gemischt dar, bietet
Kamerapfade und Videoexport für Offline-
Darstellungen.
Ansprechpartner: Steffen Prohaska
biosphere3d
biosphere3d dient zur Landschaftsvisuali-
sierung. Es ermöglicht Vegetationsdarstel-
lung auch in größeren Szenarien.
webseite: www.biosphere3d.org
Ansprechpartner: Steffen Prohaska
icon.text
icon.text ist eine iPad-Anwendung zur
kontextuellen Exploration von Museums-
objekten. Für Ausstellungen können die
Inhalte und die grafische Gestaltung ohne
Programmierung angepasst werden.
Ansprechpartner: Marco Klindt
([email protected]), Steffen Prohaska
optimieruNG
scip optimization suite
Die scip optimization suite umfasst
die Teilprodukte scip, soplex, GcG, uG und
Zimpl. Die fünf Produkte sind in einem Pa-
ket zu erhalten unter http://scip.zib.de, aber
auch einzeln erhältlich.
scip (Mixed Integer Program Solver)
soplex (Implementierung des revidierten
Simplexverfahrens zur Lösung von linearen
Programmen)
GcG (ein generischer Branch-Cut-and-Price
Löser basierend auf scip)
uG (Ubiquity Generator, ein Framework zur
Parallelisierung von B&B basierten Lösern)
Zimpl (Programmiersprache, um das math.
Modell eines Problems in ein lineares
oder gemischt-ganzzahliges Programm zu
übersetzen)
Ansprechpartner: Thorsten Koch
miplib 2003, miplib 2010
Hierbei handelt es sich um ein Standard-
Test-Set für den Vergleich von MIP-Lösern.
Ansprechpartner: Thorsten Koch
steinlib testdata library
Es handelt sich um eine Bibliothek von
Steinerbaumprobleminstanzen, die
beständig aktualisiert und erweitert wird.
Ansprechpartner: Thorsten Koch
sndlib – survivable Network design library
Sndlib ist eine Bibliothek von
standardisierten Testdatensätzen für
die Festnetzplanung.
Ansprechpartner: Christian Raack
ttplib – library for train timetabling
problems
Die Zielsetzung der Problembibliothek
ttplib ist es, mathematische Modelle und
Algorithmen für Fahrplanungssysteme im
Bahnverkehr evaluieren zu können.
Ansprechpartner: Thomas Schlechte
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 142
mcf – Netzwerksimplexalgorithmus
mcf ist eine der schnellsten Implementa-
tionen des Netzwerksimplexalgorithmus,
sie ist eines der Standardprogramme zum
Testen neuer Mikroprozessoren.
Ansprechpartner: Andreas Löbel
Zib traffic optimization suite
Die ZIB Traffic Optimization Suite ist eine
Sammlung von mathematischen Optimie-
rungstools zur Lösung von Planungsproble-
men im Nah-, Bahn, und Luftverkehr.
Sie umfasst folgende Tools:
• VS-OPT (Optimierungstool zur Fahrzeug-
umlaufplanung)
• DS-OPT (Optimierungstool zur Dienstpla-
nung im öffentlichen Nahverkehr)
• IS-OPT (Optimierungstool zur gleichzei-
tigen Planung von Fahrzeugumläufen und
Fahrdiensten im ÖPNV)
• CS-OPT (Planung des Einsatzes von Flug-
zeugbesatzungen)
• TS-OPT (Optimierungstool zur Allokation
von Eisenbahnfahrtrassen)
• Veranstaltungsplaner für die „Lange
Nacht der Wissenschaften“
Ansprechpartner: Ralf Borndörfer
wisseNscHAftlicHe iNformAtioN
reduce
Es handelt sich um ein Programmsystem
für symbolische Mathematik.
Ansprechpartner: Winfried Neun
iNformAtik
xtreemfs
xtreemfs ist ein objekt-basiertes, repli-
ziertes Cloud-Dateisystem für verteilte
Systeme, vgl. Abschnitt xtreemfs. Die
Software ist unter der BSD-Lizenz veröf-
fentlicht und für die Betriebssysteme Linux,
Windows und MacOSX verfügbar. Doku-
mentation sowie Links zum Quellcode und
zu den Installationsquellen sind unter
http://www.xtreemfs.org abrufbar.
Ansprechpartner: Michael Berlin
babudb
babudb ist eine Datenbank zur Speiche-
rung von Schlüssel-Wertepaaren. Es nutzt
das Konzept der Log-Structured Merge-
Trees und wird zur persistenten Speiche-
rung von Metadaten (z. B. in verteilten
Dateisystemen) eingesetzt.
Ansprechpartner: Michael Berlin
scalaris
scalaris erweitert das Anwendungsspek-
trum von Peer-to-Peer-Systemen um stren-
ge Datenkonsistenz und Transaktionen, zwei
Eigenschaften traditioneller Datenbank-Ma-
nagement-Systeme, ohne die Vorteile der
Peer-to-Peer-Protokolle wie Ausfalltoleranz
und Skalierbarkeit aufzugeben. Dies gelingt
durch geschickte Einbettung ausfalltole-
ranter Algorithmen in die zugrundelie-
genden strukturierten Overlay-Netzwerke.
Der scalaris Programmcode und weitere
Informationen sind unter http://scalaris.
googlecode.com zu finden.
Ansprechpartner: Florian Schintke
([email protected]), Thorsten Schütt
([email protected]), Nico Kruber
GNdms
GNdms ist ein Datenmanagementsystem
für Community Grids. Es wurde im Rah-
men des Projektes C3Grid für die Klimafor-
schung entwickelt, kann aber dank flexiblen
Designs leicht in anderen Grids verwendet
werden. Die Software bietet einen lo-
gischen Workspace zur Trennung von Daten
nach Benutzern und Anwendungsgebieten,
sowie aller Funktionen, zur Bereitstellung
(scriptbasiertes Staging) und dem Transfer
(mittels GridFTP bzw. HTTP) von Daten.
GNdms bietet REST-basierte Schnittstellen
und setzt auf dem Spring-Framework auf.
GNdms ist unter der Apache License 2.0
veröffentlicht. Die aktuelle Version, Do-
kumentation und Entwickler-Snapshots
befinden sich unter http://gndms.zib.de.
Ansprechpartner: Ulrike Golas (golas@zib.
de), Florian Schintke ([email protected])
mr-search
mr-search ist ein Softwarepaket für Brei-
ten- und heuristische Besten-Suchverfahren
mit MapReduce. Es ist sowohl auf SMP-
Systemen als auch in Clustern mit ver-
teiltem Speicher einsetzbar. In der hybriden
Implementation für Cluster mit Multikern-
prozessoren nutzt es MPI und OpenMP.
Durch sein generisches Design ist es auch
für andere MapReduce-basierte Algorith-
men und auf anderen Hardwareplattformen
einsetzbar.
Ansprechpartner: Robert Döbbelin
([email protected]), Thorsten Schütt
theseus
theseus ist ein Framework zur Erkennung
des Faltungstyps von Proteinen.
Ansprechpartner: Thomas Steinke
konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 143
iNformAtioNsdieNste
math-Net-informationsserver
Unter der Adresse www.math-net.org
befindet sich das Portal des Math-Net. Am
ZIB selbst werden die Math-Net-Dienste
Math-Net-Navigator, Math-Net-Links sowie
Math-Net-Software angeboten.
Ansprechpartner: Wolfgang Dalitz
informationsdienste des elib-servers
Auf dem eLib-Server werden verschiedene
Informationsdienste angeboten:
www.math-net.de/links (Math-Net-Links)
http://elib.zib.de/icm98
(International Congress of Mathematics)
http://webdoc.gwdg.de/icm98
Ansprechpartner: Wolfgang Dalitz
kobv-dieNste
Der KOBV betreibt Informationsdienste für
bibliothekarische Angebote im Internet mit
Schwerpunkt auf Berlin und Brandenburg.
Darüber hinaus ist der KOBV regionaler
Dienstleister für die Bibliotheken.
www.kobv.de
(KOBV-Informationsserver)
http://digibib.kobv.de
(KOBV-Portal Digitale Bibliothek
Berlin-Brandenburg)
http://digibib.kobv.de/vkfilm
(Verbundkatalog Film, Literatur,
DVD, Videos)
http://digibib.kobv.de/vkfilm-filme
(Verbundkatalog DVDs und Videos)
http://digibib.kobv.de/judaica
(Verbundkatalog Judaica)
http://digibib.kobv.de/vknoten
(Verbundkatalog Noten)
http://volltexte.kobv.de
(KOBV-Volltextserver)
http://bibliotheken.kobv.de
(Bibliothekenführer)
http://opus4.kobv.de
(OPUS-Server)
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