Die MOSAIK-Partner: Friedrich-Alexander-Universität

Heute stellen wir im Rahmen unserer Blogserie “Die MOSAIK-Partner” die Friedrich-Alexander-Universität vor.

Die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) verbindet wissenschaftliche Vielfalt und ein einzigartiges Fächerspektrum mit zahlreichen Kontakten zur Wirtschaft und zu außeruniversitären Forschungseinrichtungen. Die FAU gilt als eine der innovativsten Universitäten Europas. Am neu gegründeten Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik, insbesondere Technische Informationssysteme werden unter der Leitung von Prof. Andreas Harth Methoden zur semantischen Wissensrepräsentation und Informationsintegration, zur Interoperation in serviceorientierten Architekturen sowie zur Koordination in dezentralisierten Systemen erforscht. 

Prof. Dr. Andreas Harth (Bild: FAU/Georg Pöhlein)

Herr Prof. Harth, Sie sind Inhaber des Lehrstuhls für Wirtschaftsinformatik an der Universität Erlangen-Nürnberg. Ihr Forschungsinteresse betrifft die Entwicklung von Methoden und Technologien für dezentrale Informationssysteme, wie z.B. im World Wide Web oder in Blockchain-Umgebungen. Mit welchen konkreten Forschungsthemen beschäftigen Sie sich aktuell?

Unser übergreifendes Forschungsthema betrifft Datenintegration. Also die Frage: Wie bekomme ich Daten aus unterschiedlichen Systemen so miteinander verbunden, dass diese Daten automatisiert integriert und abgefragt werden können? Dabei spielen formale Sprachen basierend auf mathematischer Logik eine tragende Rolle.

In der industriellen Anwendung kommen Daten oft von Sensoren, welche über eine drahtlose Verbindung kommunizieren. Nachdem die Daten verfügbar gemacht wurden und integriert sind, ist der nächste Schritt die Veredelung der Rohdaten hin zu Ereignissen, die für die Prozesse in Unternehmen relevant sind.

Neben Datenintegration, bei der es hauptsächlich um das Lesen von Daten geht, ist im industriellen Umfeld auch das Schreiben von Daten relevant. Das heißt, die Systeme müssen nicht nur Sensordaten auslesen können, sondern auch Aktoren steuern können. Daher reicht es nicht mehr, Daten aus verschiedenen Systemen zu integrieren. Die Systeme müssen so verschaltet werden, dass sie zusammenarbeiten, also interoperieren.

Generell besteht die Problematik in solchen Umgebungen immer darin, dass viele Systeme zusammenspielen müssen, um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen.

Was war der Anreiz für Sie das MOSAIK Projekt zu initiieren?

In vielen Szenarien muss auf Daten zugegriffen und diese müssen integriert werden. Außerdem müssen Systeme interoperieren. Dabei ist hoher manueller Aufwand nötig. Die resultierenden Systeme sind oft eng miteinander verwoben und daher nicht sehr robust.

Um diese verteilten Systeme robuster zu machen, ist mehr Autonomie bei den Einzelsystemen notwendig. Idealerweise ist das Gesamtsystem dezentral organisiert, damit trotz des Ausfalls eines Teilsystems das Gesamtsystem noch funktioniert.

Allerdings wird in vielen IT-Systeme eine zentrale Organisation vorausgesetzt. Obwohl es erste Ansätze aus der Informatik gibt, welche auf einer dezentralen Organisation beruhen, stecken diese Ansätze noch in den Kinderschuhen. Aber aus anderen Gebieten, wie der Physik oder den Wirtschaftswissenschaften, gibt es Ansätze, die beschreiben, wie globale Effekte aus lokalen Interaktionen entstehen können. Auch aus dem Bereich der Natur lassen sich für dezentrale Organisation interessante Ansätze finden.

Die spannende Herausforderung besteht nun darin, Ergebnisse aus anderen Disziplinen auf die Architektur von Informatiksystemen zu übertragen und entsprechend anzupassen.

Ziel des Projekts ist es, Methoden der Selbstorganisation zu erforschen, um Szenarien im Internet der Dinge (IoT) dezentralisiert umsetzen zu können. Was bedeutet für Sie “Selbstorganisation”?

Das MOSAIK-Projekt baut auf zwei grundlegenden Ideen auf, um dezentral organisierte IT-Systeme zum laufen zu bringen: Stigmergie und Selbstorganisation.

Die ersten grundlegende Idee kommt aus der Biologie. Stigmergie ist ein Mechanismus zur Kommunikation, welche nicht direkt zwischen den Teilnehmern vonstatten geht, sondern welche immer über die Umgebung vermittelt ist. Statt sich Nachrichten direkt zu schicken, findet Kommunikation zwischen Akteuren immer durch Schreiben in die Umgebung und Lesen aus der Umgebung statt.

Eine Analogie kann der Austausch von Dokumenten sein. Statt Dokumente als Anhänge in E-Mails zu verschicken, werden Dokumente im Web zur Verfügung gestellt und dort direkt editiert. Dabei sehen alle Teilnehmer die gleiche Version. Dadurch werden Versionskonflikte vermieden, alle sind immer auf dem selben Stand und die Bearbeitung der Dokumente wird einfacher und robuster.

Die zweite grundlegende Idee ist die der Selbstorganisation. Dazu finden wir im Projekt gerade eine gemeinsame Definition. Für mich bedeutet Selbstorganisation, dass Akteure auf lokal verfügbaren Informationen Entscheidungen treffen, daraus in der Gesamtheit aber ein globaler Effekt zustande kommt.

Ein Beispiel aus der Biologie ist das Schwarmverhalten von Fischen und Vögeln. Die einzelnen Tiere in einem Schwarm treffen die Entscheidung, wohin sie schwimmen bzw. fliegen, nur auf Basis der anderen Tiere in der direkten Umgebung. In der Summe agiert der Schwarm dann trotzdem so, dass ein Beobachter den Eindruck bekommen kann, als wäre ein Plan dahinter.

Ein weiteres Beispiel ist das El Farol Bar Problem. Das Problem ist folgendermaßen formuliert: Jeden Donnerstag müssen sich die Leute im Ort entscheiden, ob sie in die Bar gehen oder nicht. Die Leute würden nur gehen wollen, wenn die Bar nicht zu voll ist. Wenn zu viele Leute denken, dass wenig los ist, gehen viele in die Bar und es wird sehr voll. Wenn zu viele Leute denken, dass viel los ist, geht niemand in die Bar. In der Formulierung des Problems dürfen sich die Leute nicht absprechen oder zentral koordinieren. Lösungsansätze für dieses Problem gibt es aus den unterschiedlichsten Disziplinen, welche sich mit komplexen Systemen beschäftigen. Eine praktische Anwendung von Lösungen für dieses Problem kann z.B. die dezentral organisierte Allokation von Ressourcen sein.

Welche Rolle hat ihr Lehrstuhl innerhalb des MOSAIK Projekts und welchen Mehrwert sehen Sie für Ihre Forschungstätigkeiten?

Wir sind Konsortialführer von MOSAIK. Die Förderung durch das BMBF gibt uns die Möglichkeit, an einem spannenden Thema grundlagenorientiert zu forschen, damit wir mittelfristig die Ergebnisse in den praktischen Einsatz bringen können.  

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