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konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Jahresbericht 2012

konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Jahresbericht 2012

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Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin

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Gestaltung

CB.e Clausecker | Bingel AG, Agentur für Kommunikation

ISSN: 0934-5892

© 2013 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin

konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin vorwort | 1

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

vorwort | 2


Gebäude des Konrad-Zuse-Zentrums für Informationstechnik Berlin in Berlin-Dahlem

vorwort | 3


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.


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

peter deuflHArd uNd dAs Zib | 12

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.


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:


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


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

orGANisAtioN | 22


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)


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

http://www.heise.de/newsticker/meldung/Nokia-uebernimmt-Berliner-bit-side-GmbH-202794.html

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

konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin NumeriscHe ANAlysis uNd modellieruNG | 30

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


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.


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 werden. 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.

www.zib.de/de/jb2012/implantatdesign


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.


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


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.


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

www.zib.de/de/jb2012/resonatoren


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.


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

www.zib.de/de/jb2012/reproduktionsmedizin


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)


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.


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

http://feature.mpi-inf.mpg.de/

http://feature.mpi-inf.mpg.de/

isgwww.cs.uni-magdeburg.de/visual

http://www.zib.de/de/visual/algorithms.html


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

http://amira.zib.de/


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.


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.


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 .


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.


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


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.


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



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


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



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



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

https://www.informs.org/Community/RAS/Problem-Solving-Competition/2012-RAS-Problem-Solving-Competition

https://www.informs.org/Community/RAS/Problem-Solving-Competition/2012-RAS-Problem-Solving-Competition

http://scip.zib.de/


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.

http://www.zib.de/de/optimierung/traffic/projekte.html

http://www.zib.de/de/optimierung/traffic/projekte.html


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


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


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


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.


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.


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.


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.


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

ada

Italie

n

Gro

ßb

rita

nn

ien

Bra

silie

n

Fran

krei

ch

US

A

Deu

tsch

lan

d


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


TrafficLogistic/Matheon-B15

mitarbeiter: R. Borndörfer,

M. Grötschel, M. Karbstein,

partner: ViP Verkehrsbetrieb Potsdam, Stadt

Potsdam, Matheon-B3, Matheon-B20,

Matheon-F4


DFG-Forschungszentrum Matheoninhalt: Entwicklung mathematischer Opti-

mierungsmethoden zur Angebotsplanung

im öffentlichen Nahverkehr.

Matheon-b20:

optimierung von Gastransportnetzen


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


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


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


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


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.

http://www.zib.de/de/optimierung/energy/projekte/projekte-kurz-archiv-detail/article/n-kap.html

www.zib.de/Optimization/Projects/TrafficLogistic/

http://www.zib.de/de/optimierung/projekte/projektdetails/article/matheon-b15-service-design-in-public-transport.html

http://www.zib.de/de/optimierung/projekte/projektdetails/article/matheon-b3.html

http://www.zib.de/de/optimierung/projekte/projektdetails/article/matheon-b20-optimierung-von-gastransport.html

http://www.zib.de/de/optimierung/projekte/projektdetails/article/exactip.html

http://www.zib.de/de/optimierung/projekte/projektdetails/article/siemens.html

http://www.zib.de/de/optimierung/energy/projekte/projektdetails/article/forne.html

http://www.zib.de/de/projekte/aktuelle-projekte/projekte-detail/article/saser-siegfried-1.html

http://www.zib.de/de/optimierung/projekte/projektdetails/article/multiperiod-network-optimization.html

www.zib.de/de/optimierung/traffic/projekte-lang/matheon-b22


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


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


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


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


für Bildung und Forschung (BMBF)

inhalt: Fahrtrassenallokation im Schienen-

güterverkehr.

vr-opt – fahrzeugumlaufplanung für die

db fernverkehr AG


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


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


für Wirtschaft und Technologie (BMWi,

IT2Green-Programm)

inhalt: Energieeffizienz in Tele-

kommunikations netzen.

sAp

Neue technologien zur lösung von scm-

problemen


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.

http://www.zib.de/de/optimierung/traffic/projekte-lang/vs-opt-rail.html

http://www.zib.de/de/optimierung/traffic/projekte-lang/vehicle-rotation-planning/article/vehicle-rotation-planning.html

http://www.zib.de/de/optimierung/traffic/projekte-lang/ws-opt.html

http://www.zib.de/de/optimierung/projekte/projektdetails/article/neue-technologien-zur-loesung-von-scm-problemen.html

http://www.zib.de/de/optimierung/projekte/projektdetails/article/multifttx.html

www.zib.de/de/optimierung/mip/projekte-lang/sfb1026-sustainablemanufacturing/article/

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

http://www.zib.de/de/si.html

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.


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


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

https://opencast.jira.com/secure/attachment/12260/comment1.png


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.


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.


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.


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


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


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


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


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

http://www.kobv.de/ueber_den_kobv/fe_projekte



http://www.kobv.de/infos_fuer_bibliotheken/services_fuer_bibliotheken/fernleihe/

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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


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


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

�


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


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.


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.


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


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.


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.


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.


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


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


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


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)


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


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


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


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.


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


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


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


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)


projekte der AbteiluNG pArAllele uNd verteilte systemeAlle projekte im Netz ausführlich unter: www.zib.de/PVS

http://www.zib.de/de/pvs/projekte/projektdetails/article/4caast.html

http://www.zib.de/de/pvs/projekte/archiv-details/article/astro-vdz.html

http://www.zib.de/de/pvs/projekte/projektdetails/article/c3-inad.html

http://www.zib.de/de/pvs/projekte/projektdetails/article/contrail.html

http://www.zib.de/de/pvs/projekte/projektdetails/article/dgrid-kernknoten.html

http://www.zib.de/de/pvs/projekte/projektdetails/article/dgsi.html

http://www.zib.de/de/pvs/projekte/projektdetails/article/enhance.html

http://www.zib.de/de/pvs/projekte/projektdetails/article/harness.html


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


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


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


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


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


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


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.

http://www.zib.de/de/pvs/projekte/projektdetails/article/labimif.html

http://www.zib.de/de/pvs/projekte/projektdetails/article/metrik.html

http://www.zib.de/de/pvs/projekte/projektdetails/article/mosgrid.html

http://www.zib.de/de/pvs/projekte/projektdetails/article/wissgrid.html

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.


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)


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


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


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.


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.

http://www.zib.de/de/its/it-service.html


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.


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.


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

konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fAkteN uNd ZAHleN | 111

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.


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


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

http://www.zib.de/de/publikationen/zib-reports2012.html


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.


21. R. Borndörfer and M. Karbstein. A direct connection approach to inte-grated line planning and passengerrouting. In D. Delling and L. Liberti (eds.), editors, 12th Workshop on Algo-rithmic Approaches for Transportation Modelling, Optimization, and Systems, volume 25 of Open Access Series in Informatics (OASIcs), pages 47 – 57, Dagstuhl, Germany, 2012. Schloss Dagstuhl – Leibniz-Zentrum für Infor-matik.

22. R. Borndörfer, B. Erol, T. Graffag-nino, T. Schlechte, and E. Swarat. op-timizing the simplon railway corridor. Annals of Operations Research, pages 1 – 14, 2012.

23. R. Borndörfer, I. Friedow, and M. Karbstein. optimierung des linien-plans 2010 in potsdam. Der Nah-verkehr, 4:34 – 39, 2012.

24. R. Borndörfer, M. Karbstein, and M. E. Pfetsch. models for fare planning in public transport. Discrete Appl. Math., 160(18):2591– 2605, 2012.

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.

27. R. Borndörfer, A. Löbel, M. Reuther,T. Schlechte, and S. Weider. rapid branching. In J. C. Muñoz and S. Voß (eds.), Proceedings of the 12th Interna-tional Conference on Advanced Sys-tems for Public Transport (CASPT12), Santiago, Chile, 2012.

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.

30. R. Borndörfer, G. Sagnol, and E. Swarat. An ip Approach to toll en-forcement optimization on German motorways. D. Klatte, H.-J. Lüthi, and K. Schmedders (eds.), Operations Re-search Proceedings 2011, Operations Research Proceedings, pages 317 – 322. Springer Berlin, Heidelberg, 2012.

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.

43. F. D’Andreagiovanni, C. Mannino,and A. Sassano. on the solution of wireless network design problems by cycle deletion. Proc. of the 11th INFORMS Telecommunications Confer-ence, Boca Raton, USA, 2012.

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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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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57. H. Enke, A. Partl, A. Reinefeld, and F. Schintke. Handling big data in as-tronomy and astrophysics: rich struc-tured queries on replicated cloud data with xtreemfs. Datenbank-Spektrum, Vol. 12, No. 3, pp. 173 –

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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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60. K. Fackeldey, M. Klimm, and M. Weber. A coarse graining method for the dimension reduction of the state space of biomolecules. Jour-nal of Mathematical Chemistry, 5(9):2623 – 2635, 2012.

61. C. Fasting, C. Schalley, M. Weber, O. Seitz, S. Hecht, B. Koksch, J. Dernedde, C. Graf, E.-W. Knapp, and R. Haag. multivalency as a chemi-cal organization and action princi-ple. Angew. Chem. Int. Ed., 51(42): 10472 –10498, 2012.

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63. T. L. Gertzen and M. Grötschel. flinders petrie, the travelling sales-man problem, and the beginning of mathematical modeling in Archaeolo-gy. In M. Grötschel (ed.), Optimization Stories, Extra Volume, pages 199 – 210. Documenta Mathematica, Bielefeld, Aug. 2012.

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


to international scale. EGI Community Forum 2012, 2012.

67. A. M. Gleixner, H. Held, W. Huang, and S. Vigerske. towards globally optimal operation of water supply net-works. Numerical Algebra, Control and Optimization (NACO), 2(4): 695 – 711, 2012.

68. A. M. Gleixner, D. Steffy, and K.Wolter. improving the accuracy of linear programming solvers with itera-tive refinement. In J. van der Hoeven and M. van Hoeij (eds.), Proceedings of the 37th International Symposium on Symbolic and Algebraic Computa-tion (ISSAC 2012), pages 187 – 194, Grenoble, France, July 2012.

69. U. Golas. A general attributionconcept for models in m-adhesivetransformation systems. In H. Ehrig, G. Engels, H.-J. Kreowski, and G. Rozenberg (eds.), Proceedings of ICGT 2012, volume 7562 of LNCS, pages 187 – 202. Springer, Sept. 2012.

70. U. Golas and T. Soboll (eds.). pro-ceedings of AccAt 2012, Electronic Proceedings in Theoretical Computer Science 93, 2012.

71. U. Golas, L. Lambers, H. Ehrig, andH. Giese. towards bridging the gap between formal foundations and cur-rent practice for triple graph gram-mars – flexible relations between source and target elements. In H. Ehrig, G. Engels, H.-J. Kreowski, and G. Rozenberg (eds.), Proceedings of ICGT 2012, volume 7562 of LNCS, pages 141–155. Springer, Sept. 2012.

72. U. Golas, L. Lambers, H. Ehrig, andF. Orejas. Attributed graph transfor-mation with inheritance: efficient conflict detection and local confluence analysis using abstract critical pairs. Theoretical Computer Science, Vol. 424, pp. 46 – 68, 2012.

73. J. Goltz and D. Thiede. cloud computing and libraries – A German perspective. IFLA SET Bulletin, 13(2): 18 –19, 2012.

74. J. Goltz, M. Groh, T. Kinstler, K. Kropf, and E. Weiser. cycling for libraries 2012 – the baltic states. BuB, 64(10): 670, 2012.

75. S. Götschel, M. Weiser, C. Maier-hofer, and R. Richter. data enhance-ment for active thermography. In G. Cardone (ed.), Proceedings of the 11th International Conference on Quantitative InfraRed Thermography, 2012. QIRT-2012-167.

76. S. Götschel, M. Weiser, and A. Schiela. solving optimal control problems with the kaskade 7 finite element toolbox. In A. Dedner, B. Flemisch, and R. Klöfkorn (eds.), Advances in DUNE, pages 101 – 112. Springer, 2012.

77. L. Goubergrits, J. Schaller, U. Kertzscher, N. van den Bruck, K. Pöthkow, C. Petz, H.-C. Hege, and A. Spuler. statistical wall shear stress maps of ruptured and unruptured middle cerebral artery aneurysms. J. R. Soc. Interface, 9(69): 677 – 688, 2012.

78. M. Grötschel. einblicke in die dis-krete mathematik. DER MATHEMATIK-UNTERRICHT – Angewandte Diskrete Mathematik mit Schülerinnen und Schülern erkunden, Jahrgang 58 (Heft 2): 4 –17, Mar. 2012.

79. M. Grötschel and G. Neumann. 10 jahre telotA. In A. Schmidt (ed.), Jahrbuch 2011, pages 202 – 215. Akade-mie-Verlag GmbH, Berlin, 2012.

80. M. Grötschel and Y. Yuan. euler, mei-ko kwan, königsberg, and a chi-nese postman. In M. Grötschel (ed.), Optimization Stories, Extra Volume, pages 43 – 50. Documenta Mathematica, Bielefeld, Aug. 2012.

81. R. Grunzke, G. Birkenheuer, D. Blunk, S. Breuers, A. Brinkmann, S. Gesing, S. Herres-Pawlis, O. Kohl-bacher, J. Krüger, M. Kruse, R. Müller-Pfefferkorn, P. Schäfer, B. Schuller, T. Steinke, and A. Zink. A data driven science gateway for computational workflows. Proceedings of the UNI-CORE Summit, Dresden, Germany, May 2012.

82. M. Hammerschmidt, D. Lockau, S. Burger, F. Schmidt, C. Schwanke, S. Kirner, S. Calnan, B. Stannowski, and B. Rech. 3d optical modeling of thin-film a-si/μc-si tandem solar cells with random textured interfaces using

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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)


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)

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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)

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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)

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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)

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kristin meisel(Abt. Numerische Analysis und Model-lierung) mathematische modellierung derknochenremodellierungBetreuerin: Susanna Röblitz (ZIB)


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

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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

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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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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

¸


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

˜


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


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


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

([email protected])

codelib

codelib umfasst Newton, Gauss- und

IVP-Codes.

Ansprechpartner: Martin Weiser

([email protected])

jcmsuite

jcmsuite ist ein kommerziell vertriebenes

Softwarepaket zur rigorosen Lösung der

Maxwell’schen Gleichungen für optische

Anwendungen.

Ansprechpartner: Frank Schmidt

([email protected])

kardos

kardos ist ein FE-Paket zur Lösung para-

bolischer Differentialgleichungssysteme.

Ansprechpartner: Bodo Erdmann

([email protected])

kAskAde 7

kAskAde 7 ist eine flexible c++-Bibliothek

zur FE-Lösung partieller Differential-

gleichungssysteme.


([email protected])

Newtonlib

Newtonlib beinhaltet Software zu Peter

Deuflhard „Newton Methods for Nonlinear

Problems-Affine Invariance and Adaptive

Algorithms“.


([email protected])

Zibgridfree

Zibgridfree ist eine Software zur thermo-

dynamischen Simulation von von Wirkstoff-

molekülen und Wirkstoff-Target-Komplexen.

Ansprechpartner: Marcus Weber

([email protected])

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

([email protected])

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.


([email protected])

biosphere3d

biosphere3d dient zur Landschaftsvisuali-

sierung. Es ermöglicht Vegetationsdarstel-

lung auch in größeren Szenarien.

webseite: www.biosphere3d.org


([email protected])

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

([email protected])

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

([email protected])

miplib 2003, miplib 2010

Hierbei handelt es sich um ein Standard-

Test-Set für den Vergleich von MIP-Lösern.


([email protected])

steinlib testdata library

Es handelt sich um eine Bibliothek von

Steinerbaumprobleminstanzen, die

beständig aktualisiert und erweitert wird.


([email protected])

sndlib – survivable Network design library

Sndlib ist eine Bibliothek von

standardisierten Testdatensätzen für

die Festnetzplanung.

Ansprechpartner: Christian Raack

([email protected])

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

([email protected])


mcf – Netzwerksimplexalgorithmus

mcf ist eine der schnellsten Implementa-

tionen des Netzwerksimplexalgorithmus,

sie ist eines der Standardprogramme zum

Testen neuer Mikroprozessoren.

Ansprechpartner: Andreas Löbel

([email protected])

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

([email protected])

wisseNscHAftlicHe iNformAtioN

reduce

Es handelt sich um ein Programmsystem

für symbolische Mathematik.

Ansprechpartner: Winfried Neun

([email protected])

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

([email protected])

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

([email protected])

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

([email protected])

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

([email protected])

theseus

theseus ist ein Framework zur Erkennung

des Faltungstyps von Proteinen.

Ansprechpartner: Thomas Steinke

([email protected])

https://code.google.com/p/scalaris/

https://code.google.com/p/scalaris/


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)

konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin NOTIZEN | 144

www.zib.de

konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin ... · x-ray images and its application in...

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