Kaiserslautern - Fachbereich Informatik
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In Laufe der letzten Jahrzehnte ist der Prozeß der Softwareentwicklung methodisiert und zum Teil auch formalisiert worden. I.a. unterteilt man den Vorgang in grobe Stufen, Entwicklungsphasen genannt. Jede dieser Phasen betrachtet den entstehenden Entwurf des Projekts aus verschiedenen Sichtweisen. Aus dieser Sichtweise resultieren etliche Modelle und Darstellungsformen und mit ihnen auch verschiedene rechnergestützte Entwicklungswerkzeuge. In frühen Phasen sind beispielsweise Datenflußdiagramme eine nützliche Darstellungsform, in späteren konkrete Algorithmenbeschreibungen. Entwurfsänderungen im Laufe der Entwicklungszeit müssen in allen betroffenen Ebenen neu formuliert werden, eine automatisierte phasenübergreifende Behandlung ist
daher i.a. nicht oder nur teilweise möglich. Um effizienter und weniger fehleranfällig arbeiten zu können, wurden aus diesem Grund in letzter Zeit Ansätze gemacht, den gesamten Softwareentwicklungsprozeß von der ·Anforderungsanalyse bis hin zur Wartungsphase einem einheitlichen Konzept und einer einheitlichen Darstellungsform zu unterwerfen, die sich darüberhinaus zur Realisation auf Rechnersystemen eignen. Der vorliegende Bericht entstand im Rahmen eines solchen Projekts. Es wurden eine allumfassende Systementwurfssprache und die dazugehörigen Konzepte entwickelt, die sämtliche Entwurfsphasen und die wichtigsten -prinzipien zu unterstützen vermögen. Es liegen bereits zwei Arbeiten zu diesem Projekt vor. Sie stellen im wesentlichen neben der eigentlichen Definition der Systementwurfssprache zwei Entwicklungswerkzeuge vor, die auf einer einheitlichen Datenbasis operieren [GK-91, Kel-90]. Ein Bereich innerhalb der Forschungen ist die Wiederverwendung von Softwareentwürfen. Schon existierende Lösungen sollen bei der Entwicklung eines neuen Entwurfs durch Vergleich und Bewertung des Grades der Ähnlichkeit ausgewählt und dem Entwickler nutzbar gemacht werden. Dieser Bericht beschäftigt sich mit einem Kernpunkt der Wiederverwendung, dem Vergleich zweier Softwareentwürfe. Es werden zunächst grundsätzliche Konzepte ausgearbeitet, die den Ähnlichkeitsaspekt unter verschiedenen Gesichtspunkten charakterisieren. Daraufhin werden Algorithmen konstruiert, die verschiedenartige Vergleichsfunktionen realisieren und zu einer Gesamtfunktion kombinieren. Um zu einem späteren Zeitpunkt die Leistungsfähigkeit dieser
Funktionen in der Praxis untersuchen zu können, liegt darüberhinaus ein lauffähiges
Programm vor.
In der CAGD Literatur werden häufig Ableitungen und Graderhöhungen von Bezierkurven und -flächen wiederum in Bezierform angegeben [1][2][3][6]. Meistens werden diese Darstellungen nur für theoretische Betrachtungen verwendet, z.B. geometrischer Deutung von Stetigkeiten zwischen angrenzenden Flächenstücken. Für praktische Anwendungen reicht die Menge der Operationen jedoch nicht aus. Farouki und Rajan [4] zeigten, daß die Resultate arithmetischer Operationen, wie Addition und Multiplikation auf Bezierkurven auch als Bezierkurven darstellbar sind. Hier werden wir die Operationen auf polynomiale und rationale Tensorprodukt Bezierflächen und Flächen über Dreiecken ausdehnen. Eine Erweiterung auf rationale Flächen ermöglicht insbesondere die Ausführung einer Division, wie sie für viele Anwendungen benötigt wird. Das Rechnen mit Flächen hat im Gegensatz zu punktweisen Auswertungen den Vorteil gleichzeitig mit Hilfe von notwendigen Bedingungen an das entstandene Beziernetz sichere Ergebnisabschätungen angeben zu können. Diese lassen sich für adaptive Verfahren nutzen und sind insbesondere dort wichtig, wo es auf exakte Aussagen über das Verhalten von Flächen ankommt, wie z.B. bei der Qualitätsanalyse von Freiformflächen [5]. Mit Hilfe der hier vorgestellten Operationen läßt sich u.a. an Vorzeichenwechseln erkennen, ob eine zu untersuchende Bezierfläche konvex ist oder nicht (siehe Kapitel 4). Außerdem können Fehler, die bei punktweisen Auswertungen auf Gittern mit großer Maschenweite entstehen, vermieden werden. Nachdem in Kapitel 2 die zum Verständnis nötigen Definitionen und Schreibweisen erläutert wurden, werden in Kapitel 3 die grundlegenden Operationen für eine Arithmetik
auf Bezierflächen beschrieben. Dabei werden Formeln angegeben, die die Bezierpunkte und Gewichte der Ergebnisfläche aus denen der Operandenflächen bestimmen. Durch Aneinanderreihung und Verkettung einzelner Operationen lassen sich dann komplexe Berechnungen mit der gesamten Fläche ausführen. Zum Schluß werden in Kapitel 4 einige Beispiele aus dem Bereich der Qualitätsanalyse von Freiformflächen angegeben.
Der ProLan-X - Sprachreport
(1992)
Bei der Realisierung großer Software-Projekte treten immer wieder Probleme auf, was die
Koordination der Mitarbeiter, die Ausnutzung der vorhandenen Ressourcen und nicht zuletzt die
Qualität der erzeugten Produkte angeht. Um die Vorgänge bei der Produktion von Software
durchschaubarer und verständlicher zu machen, versucht man, diese aus der Sicht von Meta-Modellen zu beschreiben. Dabei fließen die individuellen Rahmenbedingungen einer jeden
Entwicklungsumgebung ein; die vorhandenen Ressourcen werden ebenso modellien wie die
durchzuführenden Tätigkeiten und ihre Abhängigkeiten. Die Beschreibungssprache für den Software-Prozeß ProLan-X dient der (konkreten) Beschreibung der Bestandteile des Meta-Modells MoMo, das ebenfalls in dieser Arbeitsgruppe entwickelt wurde [Schramm]. Die am Projekt beteiligten Personen, Hardware- und Software-Ressourcen und ihre Aufgaben werden in möglichst natürlicher Weise verhaltensorientien beschrieben. Aus dieser Beschreibung kann eine Ablaufumgebung generien werden, die die Durchführung des Projekts unterstützt und protokolliert. Der vorliegende Bericht faßt die Eigenschaften der Sprache ProLan-X zusammen und erläuten ihre Verwendung. Er setzt das MoMo-Modell als bekannt voraus.
Vorliegender Bericht ist eine Studie für einen möglichen Immissionsdatenverbund in Österreich. Die Grundlage dieser ersten Version der Studie sind Gespräche, welche Anfang Januar 1992 im Forschungszentrum Seibersdorf und im Umweltbundesamt in Wien stattfanden. Seit einigen Jahren beschäftigt sich die von mir geleitete Gruppe Umweltinformatik an der Universität Kaiserslautern mit den besonderen Schwierigkeiten bei der Vernetzung und Integration heterogener Systeme, welche darüberhinaus unter unterschiedlichen Vollzugshoheiten stehen können. Wir haben diese Problemstellung bei der Führung verfahrenstechnischer Anlagen weitestgehend gelöst und beschäftigen uns, zum Teil in Zusammenarbeit mit Kollegen aus anderen Institutionen, nun hauptsächlich mit der Umsetzung dieser Lösungen in verteilten Systemen im Umweltschutz. Unsere derzeitigen Arbeiten haben zum Ziel, möglichst allgemeine Ansätze für die Integration in verteilten, offenen Umweltinformationssystemen (UIS) zu entwickeln. Dabei sind wir uns darüber bewußt, daß diese allgemeinen Ansätze nur aus den konkreten Gegebenheiten, Zielen und Vorstellungen abgeleitet werden können. Diese Studie soll zwei Dinge bezwecken: einerseits will ich versuchen, den Blick dafür zu öffnen, wie ein Immissionsdatenverbund aussehen könnte, welcher allen Betreibern eine hohe Funktionalität und großen Komfort bietet. Es soll auch diskutiert werden, welcher technischer und organisatorischer Aufwand unter Verwendung welcher Konzepte entsteht. Auch wenn man sich in naher Zukunft nicht dazu entschließen sollte, die von mir vorgeschlagenen oder ähnliche Wege zu gehen, so könnte man doch bei der Realisierung auf
niedrigerem funktionalen Niveau zukünftige Möglichkeiten schon heute berücksichtigen und damit zukünftige Entwicklungen begünstigen. Ich hoffe, daß die Leser dieser Studie in dieser Hinsicht von meinen Erfahrungen profitieren. Zum zweiten ist diese Studie für meine Arbeitsgruppe ein Einstieg in die konkreten Problemstellungen großer verteilter UIS. Meßnetze sind inhärente Komponenten solcher UIS und weisen aufgrund ihrer technischen Orientierung interessante Merkmale auf. Daher erhoffen wir uns, hier wichtige Erkenntnisse auch für unsere Arbeiten zu gewinnen. Im Prinzip weiß heute noch niemand, wie man einen großen Umweltdatenverbund organisieren könnte. Ein Teil eines solchen Verbundes sind die Meßnetze. Die damit verbundenen Probleme alleine technischer Art sind riesig und es gibt bisher nur wenige Personen, die in der Umweltinformatik sich überhaupt mit diesen Themen beschäftigen. Diese Studie versteht sich daher hochgradig als Diskussionpapier. Jegliche geäußerten Ideen und Konzepte sollen von Lesern kritisch bewertet, notfalls angegriffen und vernichtend geschlagen werden - sofern sie dies verdienen. Diese Diskussion ist notwendig, damit wir überhaupt einmal eine Ahnung davon bekommen, wohin die Umweltinformatik der verteilten Systeme gehen kann.
Neuronale Netze sind ein derzeit (wieder) aktuelles Thema. Trotz der oft eher schlagwortartigen
Verwendung dieses Begriffs beinhaltet er eine Vielfalt von Ideen, unterschiedlichste methodische
Ansätze und konkrete Anwendungsmöglichkeiten. Die grundlegenden Vorstellungen sind dabei nicht neu, sondern haben eine mitunter recht lange Tradition in angrenzenden Disziplinen wie Biologie, Kybernetik , Mathematik und Physik . Vielversprechende Forschungsergebnisse der letzten Zeit haben dieses Thema wieder in den Mittelpunkt des Interesses gerückt und eine Vielzahl neuer Querbezüge zur Informatik und Neurobiologie sowie zu anderen, auf den ersten Blick weit entfernten Gebieten offenbart. Gegenstand des Forschungsgebiets Neuronale Netze ist dabei die Untersuchung und Konstruktion informationsverarbeitender Systeme, die sich aus vielen mitunter nur sehr primitiven, uniformen Einheiten zusammensetzen und deren wesentliches Verarbeitungsprinzip die Kommunikation zwischen diesen Einheiten ist, d.h. die Übertragung von Nachrichten oder Signalen. Ein weiteres
Charakteristikum dieser Systeme ist die hochgradig parallele Verarbeitung von Information innerhalb
des Systems. Neben der Modellierung kognitiver Prozesse und dem Interesse, wie das menschliche Gehirn komplexe kognitive Leistungen vollbringt, ist über das rein wissenschaftliche Interesse hinaus in zunehmendem Maße auch der konkrete Einsatz neuronaler Netze in verschiedenen technischen Anwendungsgebieten zu sehen. Der vorliegende Report beinhaltet die schriftlichen Ausarbeitungen der Teilnehmerinnen des Seminars Theorie und Praxis neuronaler Netze , das von der Arbeitsgruppe Richter im Sommersemester 1993 an der Universität Kaiserslautern veranstaltet wurde. Besonderer Wert wurde darauf gelegt, nicht nur die theoretischen Grundlagen neuronaler Netze zu behandeln, sondern auch deren Einsatz in der Praxis zu diskutieren. Die Themenauswahl spiegelt einen Teil des weiten Spektrums der Arbeiten auf diesem Gebiet wider. Ein Anspruch auf Vollständigkeit kann daher nicht erhoben werden. Insbesondere sei darauf verwiesen, daß für eine intensive, vertiefende Beschäftigung mit einem Thema auf die jeweiligen Originalarbeiten zurückgegriffen werden sollte. Ohne die Mitarbeit der Teilnehmerinnen und Teilnehmer des Seminars wäre dieser Report nicht möglich gewesen. Wir bedanken uns daher bei Frank Hauptmann, Peter Conrad, Christoph Keller, Martin Buch, Philip Ziegler, Frank Leidermann, Martin Kronenburg, Michael Dieterich, Ulrike Becker, Christoph Krome, Susanne Meyfarth , Markus Schmitz, Kenan Çarki, Oliver Schweikart, Michael Schick und Ralf Comes.
W-Lisp Sprachbeschreibung
(1993)
W-Lisp [Wippennann 91] ist eine Sprache, die im Bereich der Implementierung höherer
Programmiersprachen verwendet wird. Ihre Anwendung ist nicht auf diesen Bereich beschränkt. Gute Lesbarkeit der W-Lisp-Notation wird durch zahlreiche Anleihen aus dem Bereich der bekannten imperativen Sprachen erzielt. W-Lisp-Programme können im Rahmen eines Common Lisp-Systems ausgeführt werden. In der WLisp Notation können alle Lisp-Funktionen (inkl. MCS) verwendet werden, so daß die Mächtigkeit von Common-Lisp [Steele 90] in dieser Hinsicht auch in W-Lisp verfügbar ist.
In den Modellierungssystemen des CAD/CAM werden oft unterschiedliche Methoden zur mathematischen Beschreibung von Freiformkurven und -flächen eingesetzt. Als Basisfunktionen können sowohl Monome, Bernstein-Polynome, B-Spline-Basisfunktionen als auch nicht lineare Funktionen auftreten. In den einzelnen CAD-Systemen kann der maximal zulässige Grad dieser Basisfunktionen variieren. Müssen nun Daten zwischen verschiedenen CAD-Systemen ausgetauscht werden, so muß u. U. eine Basistransformation
und/oder eine Gradanpassung durchgeführt werden. Diese Transformationen sind i.a. nicht exakt möglich. Hier sind geeignete, möglichst optimale Approximationen nötig. Bisher wurden verschiedene Verfahren entwickelt. Das älteste geht zurück auf Forrest [Forr72]. Farin [FAR90] invertiert den Prozeß der Graderhöhung. Watkins und Worsey [Wat88] sowie Lachance [Lach88] reduzieren den Polynomgrad in der Tschebyscheff-Basis. Hoschek et al. [Hos89] sowie Plass und Stone [Plas83] approximieren die Kurve bzw. Fläche punktweise. Dadurch lassen sich alle Kurven- und Flächenrepräsentationen durch eine Bézier-Darstellung approximieren. Ein Approximationsfehler kann jedoch auch nur punktweise garantiert werden. Durch einen anschließenden Parameteriterationsprozeß läßt sich eine weitere Approximationsverbesserung erzielen. Eine solche Parameterkorrektur ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn die Parametrisierung der Approximationskurve bzw. -fläche frei gewählt werden kann. In Fällen, in denen die Funktionswerte dei; zu approximierenden Flächen bzgl. ihrer Parameterwerte mit anderen Flächen korrespondieren, darf keine Parameteränderung durchgeführt werden, wie z.B. bei der Approximation sogenannter Eigenschaftsflächen, die eine bestimmte Eigenschaft einer anderen Fläche, wie etwa die Gausskrümmung oder die Normalenrichtung darstellen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur optimalen Gradreduktion von Bézierkurven und -flächen vorgestellt. Damit eine \(C^0\)-stetige Approximation innerhalb einer vom Benutzer vorgegebenen Fehlertoleranz durchgeführt werden kann, muß die Approximation mindestens eine Berührordnung ersten Grades mit der Originalkurve bzw. -fläche aufweisen. Mit Hilfe arithmetischer Operationen auf Bézierdarstellungen [Faro88], [Schr92] werden lineare Gleichungssysteme für eine optimale Belegung der freien Parameter aufgestellt, sowie eine Fehlerkurve bzw. -fläche in Bézierform berechnet, um die Einhaltung einer Fehlertoleranz zu gewährleisten.