Die vorliegende Dissertation hat einen technologischen und einen anwendungsbezogenen Schwerpunkt. Technologisch ordnen sich die präsentierten Forschungsergebnisse in das Gebiet der "Swarm Intelligence" (dt.: Schwarm-Intelligenz) ein. Swarm Intelligence ist ein Teilbereich der Informatik, der sich an der Überschneidung zwischen der Multi-Agenten Systeme Forschung der Künstlichen Intelligenz und dem Forschungsgebiet "Artificial Life" (dt.: Künstliches Leben) befindet. Im Gegensatz zur Swarm Intelligence im allgemeinen, überträgt der spezielle Ansatz "Synthetic Ecosystems" (dt.: synthetische Ökosysteme) nicht nur Koordinationsmechanismen aus biologischen Multi-Agenten Systemen, wie zum Beispiel Insekten Kolonien, in den Entwurf künstlicher Systeme. Vielmehr sollen die grundlegenden Prinzipien "natürlich" entstandener komplexer Systeme, also auch zum Beispiel einer Aktienbörse, übernommen werden. Als anwendungsbezogener Hintergrund der Dissertation wurde die verteilte Steuerung moderner industrieller Fertigungsanlagen gewählt. Die Fertigungssteuerung ist ein geeignetes Anwendungsfeld für die Technologien, die im Rahmen der Forschungsarbeiten entwickelt wurden. Damit dient die Präsentation eines synthetischen Ökosystems für die Fertigungssteuerung der Demonstration des neuartigen Ansatzes zum Entwurf, Realisierung und Evaluierung komplexer, industriell relevanter Systeme. Gleichzeitig leistet die vorgestellte Architektur der Fertigungssteuerung und die darin verwandten Koordinationsverfahren einen Beitrag zur Weiterentwicklung holonischer Produktionssysteme. Der holonische Ansatz zur Produktionsplanung und -steuerung genießt derzeit große Aufmerksamkeit sowohl in der Forschung als auch in der Industrie. Als Teilgebiet der Entwicklung intelligenter Fertigungssysteme (engl.: IMS - Intelligent Manufacturing Systems), propagiert der holonische Ansatz eine Abkehr von der traditionell zentralistischen und hierarchischen Planung und Steuerung hin zu selbst-organisierenden Systemen autonom (inter-)agierender Individuen ("Holone"). Bei der praktischen Umsetzung holonischer Systeme werden sehr häufig Technologien aus der Multi-Agenten Systeme Forschung angewandt. Mit dieser Dissertation rücken auch synthetische Ökosysteme in das Blickfeld holonischer Systeme. Natürliche Agentensysteme im allgemeinen und Kolonien sozialer Insekten im besonderen faszinieren durch ihre Robustheit, ihre Flexibilität und ihre Anpassungsfähigkeit. Solche Systeme bestehen häufig aus sehr vielen, sehr einfachen Individuen und doch weisen sie ein komplexes und koordiniertes Gesamtverhalten auf. Es gibt mehrere Zweige in unterschiedlichen Wissenschaften, zum Beispiel in der Biologie, Physik, Ökonomie oder in der Informatik, die sich mit verteilten Systemen lokal interagierender Individuen beschäftigen. Ihre Erforschung resultiert in einer Reihe wiederholt beobachteter grundlegender Eigenschaften. Um künstlich erschaffene Systeme mit ähnlichen Eigenschaften auszustatten werden Entwurfsprinzipien für das Design von Multi-Agenten Systemen in dieser Dissertation vorgeschlagen. Jedes Entwurfsprinzip wird systematisch eingeführt, motiviert und in seinen Konsequenzen für Anwendungen in der Fertigungssteuerung diskutiert. Stigmergie ist ein grundlegendes Konzept der Koordination einer großen Anzahl von Individuen unter anderem in Kolonien sozialer Insekten. Die Formulierung dieses Konzepts ist auf den Biologen Grassè zurückzuführen, welcher in der Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts das Schwarmverhalten von Termiten untersuchte. Stigmergie beruht auf der Tatsache, daß das Verhalten eines jeden Individuums durch die aktuelle Konfiguration seiner lokalen Umwelt bestimmt wird. Die Umwelt wiederum, wird durch die Aktivitäten der Individuen verändert. Diese Wechselwirkung führt in Verbindung mit entsprechend ausgelegten individuellen Verhaltensmustern zur Emergenz einer global koordinierten Erfüllung der anstehenden Aufgaben der Kolonie. Im Detail wird sematektonische von marker-basierter Stigmergie unterschieden, wobei bei sematektonischer Stigmergie der Zustand der Aufgabenerfüllung selbst (z.B. Stand des Nestbaus) das Individualverhalten beeinflußt, während marker-basierte Stigmergie aufgabenunabhängige Marker (z.B. Pheromone) in der Umwelt platziert. Multi-Agenten Systeme finden ihre Realisierung in Software, welche gegebenenfalls an physische Aktuatoren gekoppelt ist. Im allgemeinen besteht diese Software aus einer Laufzeitumgebung und den darin ausgeführten Agenten. Die vorliegende Dissertation präsentiert eine Erweiterung von Laufzeitumgebungen um eine anwendungsunabhängige Pheromon Infrastruktur (PI). Die PI ermöglicht es den Softwareagenten des jeweiligen synthetischen Ökosystems, künstliche Pheromone als Datenstrukturen in einem virtuellen Raum abzulegen und wahrzunehmen. Diese Datenstrukturen dienen als Marker in stigmergetischen Koordinationsmechanismen. Die Algorithmen der PI operieren auf diesen künstlichen Pheromonen und emulieren die natürlichen Vorgänge der räumlichen Ausbreitung und Verdunstung von Pheromonen auf abstrakter Ebene. Zusätzlich wird das natürliche Vorbild um eine automatische Aufbereitung von Informationen erweitert. Die Funktionalität der PI wird in dieser Dissertation spezifiziert. Des weiteren wird ein formales Modell erstellt, welches die Grundlage einer numerischen Analyse der Eigenschaften der PI bildet. Die Analyse liefert Vorhersagen für das Entstehen von räumlichen Mustern von Pheromonkonzentrationen in der PI. Diese Vorhersagen können dann in der Feineinstellung und der Evaluierung von Koordinationsmechanismen verwendet werden. Außerdem dient das formale Modell als Grundlage für den Beweis der globalen Stabilität der PI. Damit ist gesichert, daß unabhängig von der gewählten räumlichen Struktur und den von der jeweiligen Anwendung generierten Pheromonen die Konzentrationen der Pheromone immer in ihrer Stärke begrenzt sind. Der Beweis der globalen Stabilität ist eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung der PI in praktischen Anwendungen. Die Spezifikation einer verteilten Realisierung der PI bildet den Abschluß der allgemeinen Betrachtung. Die Agenten, welche die (virtuelle) räumliche Struktur der PI widerspiegeln, werden im Detail spezifiziert. Auf der Basis dieser Spezifikation ist im Rahmen der Dissertation ein Prototyp der PI realisiert worden. Dieser Prototyp diente dem Nachweis des vorhergesagten Verhaltens der Infrastruktur und der späteren Evaluierung des entwickelten Fertigungssteuerungssystems. Im weiteren Verlauf der vorliegenden Dissertation wird ein neuartiger Ansatz zur Fertigungssteuerung betrachtet. Die absehbaren Veränderungen der äußeren Bedingungen der industriellen Produktion, ausgelöst durch den globalen Übergang von Anbieter- zu Verbrauchermärkten, erfordert die Fertigung immer komplexerer und variantenreicherer Produkte in ständig schwankenden Stückzahlen und deutlich verkürzten Lebenszyklen bei gleichzeitig sinkenden Kosten. Zur Erfüllung dieser Anforderungen in der Massenproduktion wandelt sich die traditionell starr verkettete Strangfertigung (z.B. Transferstraßen) zur flexiblen Fließfertigung (z.B. flexible Bearbeitungszentren). Die Steuerung einer flexiblen Fließfertigung erfordert neue Herangehensweisen. In einer holonischen Fertigung, zum Beispiel, organisiert sich die Produktionsplanung und Produktionssteuerung selbst um die Erfüllung der aktuellen Aufträge. Dabei werden in der Steuerung verteilte, reaktive Verfahren verwendet, welche eine deutlich gesteigerte Robustheit und Flexibilität gegenüber Störungen und Veränderungen aufweisen. Der Übergang zur flexiblen Fließfertigung bedeutet die Einführung von Flexibilität in der Bearbeitung aber auch im Transport des Materials. Es ist eine grundlegende Eigenschaft dieser Fertigungssysteme, daß zu einem beliebigen Zeitpunkt eine Reihe möglicher Transportwege und damit eine Vielzahl möglicher Muster im Materialfluß zur Verfügung stehen. Dabei führt aber nur eine kleine Menge dieser Muster zu einer bestmöglichen Erfüllung der globalen Produktionsziele (z.B. hoher globaler Durchsatz). Es ist also die Aufgabe der Fertigungssteuerung in jeder Situation das bestmögliche Materialflußmuster zu erreichen. Ist ein verteilter Ansatz für die Steuerung gewählt worden, so muß diese Optimierung nach globalen Produktionszielen in die lokalen Steuerungsentscheidungen integriert werden, ohne die Autonomie der lokalen Einheiten zu verletzen. Die Dissertation präsentiert ein sogenanntes geführtes Fertigungssteuerungssystem (GFSS), welches einen verteilten und reaktiven Steuerungsansatz mit einer Flußoptimierung unter Beachtung globaler Produktionsziele in neuartiger Weise verbindet. Der Entwurf des GFSS folgte den vorgeschlagenen Prinzipien für synthetische Ökosysteme und die Agenten im GFSS werden mit Hilfe der Pheromon Infrastruktur koordiniert. Die Agenten und Pheromone des GFSS werden detailliert spezifiziert und in einem realistischen Beispiel aus der Automobilindustrie evaluiert. In der Evaluierung wird von den Ergebnissen der Analyse der PI Gebrauch gemacht. Die dabei gewählte numerische Beschreibung des Einzelverhaltens und die darauf aufbauende Betrachtung des emergierenden Gesamtverhaltens weist den Weg zu einer systematischen Evaluierung von emergenten Systemeigenschaften in synthetischen Ökosystemen. In einem abschließenden Kapitel werden die drei inhaltlichen Schwerpunkte der Dissertation noch einmal betrachtet. Vor dem Hintergrund des GFSS werden die vorgeschlagenen Entwurfsprinzipien für synthetische Ökosysteme systematisch auf ihre Anwendbarkeit und praktische Bedeutung hin überprüft. Außerdem wird die allgemeine Verwendung der PI für den Austausch von Informationen zwischen Agenten untersucht. Und schließlich wird die Fertigungssteuerung aus der Sicht abstrakter Zustandsräume diskutiert. Die vorliegende Dissertation weist den Weg für eine Reihe weiterführender Forschungsarbeiten. So werden zum einen detaillierte Konzepte für die Erweiterung des GFSS um eine automatische Strategiebewertung und -generierung und um ein Visualisierungssystem vorgestellt. Zum anderen werden aber auch notwendige Ergänzungen der Entwurfsprinzipien und mögliche Verbesserungen der PI und des darauf basierenden Evaluierungsansatzes vorgeschlagen. / The synthetic ecosystems approach attempts to adopt basic principles of natural ecosystems in the design of multiagent systems. Natural agent systems like insect colonies are fascinating in that they are robust, flexible, and adaptive. Made up of millions of very simple entities, these systems express a highly complex and coordinated global behavior. There are several branches in different sciences, for instance in biology, physics, economics, or in computer science, that focus on distributed systems of locally interacting entities. Their research yields a number of commonly observed characteristics. To supply engineered systems with similar characteristics this thesis proposes a set of principles that should be observed when designing synthetic ecosystems. Each principle is systematically stated and motivated, and its consequences for the manufacturing control domain are discussed. Stigmergy has shown its usefulness in the coordination of large crowds of agents in a synthetic ecosystem. Sign-based stigmergy through synthetic pheromones is supported by an extension to runtime environments for software agents called the pheromone infrastructure. In this thesis the operation of the pheromone infrastructure is specified, formally modeled and analyzed, and an implementation is presented. The guided manufacturing control system for flexible flow shops is designed following the proposed principles and it uses the pheromone infrastructure to coordinate its agents. It comprises two subsystems. The control (sub)system, which enables production, is distributed and reactive. The advisory (sub)system observes the operation of the control system and advises the manufacturing execution under global considerations. This thesis specifies the guided manufacturing control system and evaluates its operation in a simple but realistic example adapted from the automotive industry. The applicability of the design principles, the usage of the pheromone infrastructure, and the operation of manufacturing control in abstract state spaces are considered on the basis of the guided manufacturing control system.

Die Untersuchung des Phänotyps bringt z.B. bei genetischen Krankheiten ein Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen mit sich. Aufgrund dessen wurden neue Technologien wie RNA-Interferenz (RNAi) entwickelt, die Genfunktionen entschlüsseln und mehr phänotypische Daten erzeugen. Interpretation der Ergebnisse solcher Versuche ist insbesondere bei heterogenen Daten eine große Herausforderung. Wenige Ansätze haben bisher Daten über die direkte Verknüpfung von Genotyp und Phänotyp hinaus interpretiert. Diese Dissertation zeigt neue Methoden, die Entdeckungen in Phänotypen über Spezies und Methodik hinweg ermöglichen. Es erfolgt eine Erfassung der verfügbaren Datenbanken und der Ansätze zur Analyse ihres Inhalts. Die Grenzen und Hürden, die noch bewältigt werden müssen, z.B. fehlende Datenintegration, lückenhafte Ontologien und der Mangel an Methoden zur Datenanalyse, werden diskutiert. Der Ansatz zur Integration von Genotyp- und Phänotypdaten, PhenomicDB 2, wird präsentiert. Diese Datenbank assoziiert Gene mit Phänotypen durch Orthologie über Spezies hinweg. Im Fokus sind die Integration von RNAi-Daten und die Einbindung von Ontologien für Phänotypen, Experimentiermethoden und Zelllinien. Ferner wird eine Studie präsentiert, in der Phänotypendaten aus PhenomicDB genutzt werden, um Genfunktionen vorherzusagen. Dazu werden Gene aufgrund ihrer Phänotypen mit Textclustering gruppiert. Die Gruppen zeigen hohe biologische Kohärenz, da sich viele gemeinsame Annotationen aus der Gen-Ontologie und viele Protein-Protein-Interaktionen innerhalb der Gruppen finden, was zur Vorhersage von Genfunktionen durch Übertragung von Annotationen von gut annotierten Genen zu Genen mit weniger Annotationen genutzt wird. Zuletzt wird der Prototyp PhenoMIX präsentiert, in dem Genotypen und Phänotypen mit geclusterten Phänotypen, PPi, Orthologien und weiteren Ähnlichkeitsmaßen integriert und deren Gruppierungen zur Vorhersage von Genfunktionen, sowie von phänotypischen Wörtern genutzt. / In diseases with a genetic component, examination of the phenotype can aid understanding the underlying genetics. Technologies to generate high-throughput phenotypes, such as RNA interference (RNAi), have been developed to decipher functions for genes. This large-scale characterization of genes strongly increases phenotypic information. It is a challenge to interpret results of such functional screens, especially with heterogeneous data sets. Thus, there have been only few efforts to make use of phenotype data beyond the single genotype-phenotype relationship. Here, methods are presented for knowledge discovery in phenotypes across species and screening methods. The available databases and various approaches to analyzing their content are reviewed, including a discussion of hurdles to be overcome, e.g. lack of data integration, inadequate ontologies and shortage of analytical tools. PhenomicDB 2 is an approach to integrate genotype and phenotype data on a large scale, using orthologies for cross-species phenotypes. The focus lies on the uptake of quantitative and descriptive RNAi data and ontologies of phenotypes, assays and cell-lines. Then, the results of a study are presented in which the large set of phenotype data from PhenomicDB is taken to predict gene annotations. Text clustering is utilized to group genes based on their phenotype descriptions. It is shown that these clusters correlate well with indicators for biological coherence in gene groups, such as functional annotations from the Gene Ontology (GO) and protein-protein interactions. The clusters are then used to predict gene function by carrying over annotations from well-annotated genes to less well-characterized genes. Finally, the prototype PhenoMIX is presented, integrating genotype and phenotype data with clustered phenotypes, orthologies, interaction data and other similarity measures. Data grouped by these measures are evaluated for theirnpredictiveness in gene functions and phenotype terms.

Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit ist ein spieltheoretisches Modell für die dezentrale Erzeugung von Netzwerken durch eigennützige Agenten. Diese Akteure verfolgen das Ziel, ein zusammenhängendes Netzwerk aufzubauen, welches ihre individuelle Verbindungsqualität maximiert. Direktverbindungen im Netzwerk haben Kosten, weshalb die Agenten ihre Ausgaben für das Erstellen von Direktverbindungen und die damit erzielten Kommunikationskosten ausbalancieren müssen. Dieses Modell wurde vor einem Jahrzehnt von Fabrikant, Luthra, Maneva, Papadimitriou und Shenker eingeführt, um reale Netzwerke, welche aus der Interaktion von eigenützigen Parteien entstanden sind, zu verstehen. Zu solchen Netzwerken zählen das Internet und auch soziale Netzwerke. Die vorliegende Arbeit trägt zu diesem Forschungsvorhaben bei, indem die sogenannten Network Creation Games aus drei Perspektiven betrachtet werden. Die erste Sichtweise ist die Approximationsperspektive. Es wird untersucht, welche Netzwerke von sehr einfachen, in ihrer Berechnungsstärke eingeschränkten Agenten erzeugt werden und wie diese im Vergleich mit Netzwerken von Agenten, die beliebige Berechnungsstärke haben, abschneiden. Als zweite Sichtweise wird die Dynamikperspektive betrachtet. Dazu werden sequentielle Versionen des Modells definiert und anhand dieser wird explizit der Prozess der Netzwerkerzeugung untersucht. Die Hauptfragestellung ist, ob unter der natürlichen Annahme, dass Agenten stets ihre Situation verbessern wollen, der Prozess zu einem Gleichgewicht konvergiert und, falls dem so ist, wie dieser Prozess beschleunigt werden kann. Die Abhandlung wird mit der dritten Sichtweise, der Strukturperspektive, abgerundet. Es werden eine Vielfalt neuer Struktureigenschaften für verschiedene Gleichgewichtskonzepte bewiesen und neue Werkzeuge, die bei der Analyse von Gleichgewichtsnetzwerken mit hohen Direktverbindungskosten hilfreich sind, vorgestellt. / The subject of study in this thesis is a game-theoretic model for decentralized network creation by selfish agents. These agents aim to create a connected network among themselves which maximizes their individual connection quality. Links in the network are costly and therefore agents try to find a trade-off between their cost spent on creating edges and their cost incurred by communicating within the network. This model was proposed a decade ago by Fabrikant, Luthra, Maneva, Papadimitriou and Shenker with the goal of understanding real networks which emerge from the interaction of selfish entities without explicit central coordination, e.g. the Internet or social networks. We contribute to this research endeavor in many ways by considering these so-called Network Creation Games from three perspectives. Our first point of view on these games is the approximation perspective. We analyze which networks are created by very simple computationally bounded selfish agents and how these networks compare to networks built by agents having unlimited computational resources. The second point of view is the dynamics perspective. We turn the model into a sequential version and focus on the process of selfish network creation. For this, we investigate whether natural dynamics like best response dynamics are guaranteed to converge to an equilibrium of the game and if so, how this convergence process may be sped up. We complete the treatment of Network Creation Games with our third point of view: the structure perspective. We provide new structural insights for several equilibrium concepts and introduce new tools which shed light on the structure of equilibrium networks for high edge-cost.

Constraint Satisfaction Probleme tauchen in vielen Gebieten der theoretischen Informatik auf. Häufig lassen sie sich auf natürliche Weise als Homomorphieprobleme für eine festgelassene Struktur Gamma formulieren: Die Berechnungsaufgabe besteht dann darin, für eine gegebene Struktur S mit der gleichen relationalen Signatur wie Gamma festzustellen, ob es einen Homomorphismus von S nach Gamma gibt. Dieses Problem wurde für enliche Strukturen Gamma intensiv untersucht. Viele der Constraint Satisfaction Probleme, die in der Literatur betrachtet werden, lassen sich jedoch nicht mit endlichen Schablonen Gamma formulieren. Diese Arbeit verallgemeinert Techniken zur Untersuchung der Berechnungskomplexität von Constraint Satisfaction Problemen mit endlichen Schablonen auf unendliche Schablonen. Insbesondere betrachten wir abzählbar kategorische Schablonen, die von zentraler Bedeutung in Modelltheorie sind. / Constraint satisfaction problems occur in many areas of computer science. Often they have a natural formulation as a homomorphism problem for a fixed relational structure Gamma: Given a structure S with the same relational signature as Gamma, is there a homomorphism from S to Gamma? This problem is known as the constraint satisfaction problem CSP(Gamma) for the template Gamma and is intensively studied for relational structures Gamma with a finite domain. However, many constraint satisfaction problems in the literature can not be formulated with a finite template. This thesis generalizes techniques to determine the complexity of constraint satisfaction with finite templates to constraint satisfaction with templates over an infinite domain. In particular, we study templates that are countably categorical. Such structures are a central and well-studied concept in model-theory.

In der vorliegenden Arbeit werden praktische Protokolle für spontane drahtlose Multi-Hop Maschennetze vorgestellt, diese betrachten das drahtlose System ganzheitlich und berücksichtigen damit die Besonderheiten des drahtlosen Mediums, wie Fading, Interferenz sowie starke Signaldämpfung aufgrund von Entfernung bzw. Hindernissen. Interferenz ist eine Hauptursache für Paketverlust, Durchsatz und Latenz können durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer interferenzfreier Kanäle verbessert werden. In Sensor- bzw. Community-Netzen kommt preiswerte und energiesparende Hardware zum Einsatz, die Verwendung zusätzlicher Antennen bzw. Radios ist deshalb nicht möglich. Andererseits werden aber zukünftige drahtlose Netze eine 100-mal höhere Knotendichte, verglichen mit heutigen Netzen, zeigen. Durch die Ausnutzung der im System inhärent vorliegenden Ressource Nutzer (Multi-User Diversität) werden durch Kooperation virtuelle Multi-Antennen und Multi-Radiosysteme aufgebaut. Aufgrund des großen Abstands zwischen den Knoten erreicht man erstens eine hohe räumliche Diversität und zweitens lassen sich damit auch negative Effekte, wie Interferenz zwischen benachbarten Kanälen, minimieren. Es werden Algorithmen sowohl für die Mediumzugriff- als auch die Routing-Schicht vorgestellt. Da keine spezielle physikalische Schicht notwendig ist, kann IEEE 802.11 verwendet werden. Schließlich kann auch auf die bereits heute verfügbare IEEE 802.11 Hardware, die nur eine Kanalumschaltzeit im Millisekundenbereich erlaubt, zurückgegriffen werden. Die zwei vorgestellten Protokolle eignen sich für Umgebungen mit hoher bzw. geringer Interferenz durch fremde WiFi-Netze. Bezüglich Durchsatz werden moderne Protokolle, wie DSR auf Basis von IEEE 802.11 und ETX-Metrik, um ein Vielfaches übertroffen, außerdem ist die Latenz klein und das TCP/IP-Protokoll kann unverändert verwendet werden. / In this work practical protocols are introduced for spontaneous wireless multi-hop mesh networks which contemplate the wireless system integrally and therefore take into account particular features of the wireless medium, like fading, interference as well as strong signal attenuation due to distance or obstacles. Interference is one of the main causes for packet loss. Throughput and latency can be improved by the simultaneous use of several non-interfering channels. In sensor or community networks inexpensive and energy-saving hardware is used. Additional antennas or radios are impossible therefore; on the other hand future wireless networks will show a 100 times higher node density in comparison with today''s networks, however. By the usage of the resource user (multi-user diversity), that is inherently present in the system virtual multi-antennas and multi-radio systems can be built up by cooperation. Firstly, a high spatial diversity can be achieved due to the large distance between the nodes and secondly, negative effects like interference can be minimized between neighboring channels. Algorithms are introduced both for medium access and routing layer. Since a special physical layer is not required IEEE 802.11 can be used. These days already available 802.11 hardware, which allows a channel switching time in milliseconds, is finally usable. The two protocols introduced here are suitable for environments with a high or low interference caused by foreign WiFi networks. Regarding their performance modern protocols like DSR based on 802.11 and ETX metric are surpassed by far. Moreover, the latency is small and the TCP/IP protocol can be used in its unchanged form.

Selbstorganisierte drahtlose (ad hoc) Multihopnetzwerke können als einfach einsetzbare, robuste und rekonfigurierbare Kommunikationsinfrastruktur zum Beispiel in Katastrophenszenarien eingesetzt werden. Solche drahtlosen Netzwerke nutzen die Luft als geteiltes Kommunikationsmedium, was bedeutet, dass die Parameter des Netzwerks sehr orts- und zeitveränderlich sowie verrauscht sind. Intelligente Roboter können als Netzwerkknoten diese Herausforderungen bewältigen, indem sie sensomotorische Interaktion ausnutzen. Für einzelne Roboter wurde ein Algorithmus zur Exploration unbekannter Netzwerke entwickelt. Außerdem wurde gezeigt, dass eine Klasse gradientenbasierter Navigationsalgorithmen für den Fall von Signalstärkemessungen konvergiert. Es wurde zudem gezeigt wie diese Art von Algorithmen sich auf andere Aufgaben als das Finden von Netzwerkknoten erweitern lassen. Zusätzlich wurde ein Algorithmus basierend auf internen Modellen, der dem Roboter zum Beispiel ermöglicht Netzwekknoten finden oder zwei Netzwerkknoten zu überbrücken, entwickelt. Alle Algorithmen wurden in Simulation oder mit echten Robotern implementiert und evaluiert. Für den Fall mehrerer Roboter existieren bereits viele interessante Algorithmen in der Literatur. Allerdings wird im Moment keiner dieser Algorithmen in realen Systemen eingesetzt. Einer der Gründe hierfür ist, dass naive Sachwarmalgorithmen meist nicht sicher und zuverlässig genug sind. Um dieses Problem zu lösen wurde eine Architektur, die auf internen Modellen basiert und interne Simulation nutzt, untersucht. Es wurden zwei Testszenarien analysiert: Im ersten Experiment sollte ein Roboter andere Roboter davor bewahren zu Schaden zu kommen und dabei gleichzeitig seine eigene Sicherheit gewährleisten und eine Aufgabe erfüllen. Im zweiten Experiment musste ein Roboter durch einen Korridor navigieren ohne mit anderen Robotern zusammenzustoßen. Die vorgeschlagene Architektur hat sich als sehr effektiv erwiesen. / Self-organized wireless multihop (ad hoc) networks can form an easily deployable, robust and reconfigurable communication infrastructure, which can be employed for example in a disaster scenario, when static communication infrastructure has been destroyed. As such wireless networks use the air as a shared physical medium, the parameters of these networks often show very space- and time-varying noisy characteristics. Intelligent robotic network nodes can overcome these problems posed by these dynamics and measurement noise by exploiting sensorimotor interaction. For single robots, an algorithm for network exploration of unknown networks for large scale outdoor scenarios has been developed. Furthermore, a class of gradient-based algorithms for navigation in wireless networs hase been shown to converge for the case of signal strength measurements. Additionally, it was shown how these algorithms can be extended to other tasks than locating a network node. Additionally, an internal model-based algorithm to solve tasks like locating a node or bridging two nodes has been developed. All algorithms have been implemented and evaluated either in simulation or on real robots. For the case of multiple robots, a lot of interesting algorithms for example for optimal placement of mobile network nodes have been presented in literature. However, none of them are being used in real world scenarios. One of the reasons for that is insufficient safety and fault tolerance of naive algorithms. To overcome this problem the use of an internal model-based architecture using internal simulation has been investigated. Two test scenarios have been investigated using this architecture: in the first experiment a robot had to prevent other robots from coming to harm while ensuring its own safety and fulfilling a task. In a second experiment, a robot had to navigate through a narrow corridor without colliding with other robots. The proposed architecture has been shown to be very effective.

Metamodellierung im Sinne der Meta Object Facility (MOF) stellt eine Methode für die strukturelle Definition der abstrakten Syntax von Modellierungssprachen und Modellen im Softwareentwicklungsprozess dar. Um Modellsimulation und dynamische Analysen für metamodellbasierte Sprachen zu unterstützen, fehlt es an einem Kalkül zur operationalen Semantik. In dieser Arbeit wird ausgehend von MOF die Aktionssemantik MActions entwickelt, die die Definition von operationaler Semantik als Verhalten in Metamodellen ermöglicht. Diese Erweiterung geht einher mit der Beschreibung von Laufzeitmodellen sowie Zuständen und Parallelitätseigenschaften, so dass eine Verifikation von dynamischen Eigenschaften möglich wird. Zu diesem Zweck wird mit der Linear Temporal Object Constraint Language (LT-OCL) exemplarisch eine prädikatenlogische Temporallogik entwickelt, die eine metamodellunabhängige Analyse für ausführbare Modelle erlaubt. Dabei ist die Semantik von temporalen Ausdrücken über Zuständsänderungen von (aufgezeichneten) Ausführungsläufen beschrieben, wobei eine Linearisierung parallele Änderungen zusammenführt. Als weiteren Anwendungsfall der dynamischen Analyse untersuchen wir die Relation zum Verhaltensvergleich im Sinne der Bisimulationstheorie. Metamodelle, Aktionssemantik und Temporallogik werden mittels einer erweiterten Abstract State Machine (ASM) formal beschrieben und kommen in zwei Fallstudien zur Anwendung (Timed Automata und C#). / Object-oriented metamodelling as defined by the Meta Object Facility (MOF) provide a means to describe the structure of models and the abstract syntax of modelling languages at various stages in a software development process. However, MOF lacks concepts for the definition of operational semantics and there is no support for dynamic model analysis based on the semantics and abstract states of a language definition. This thesis investigates on extending the metamodelling framework with an action semantics - the MActions - to support the definition of operational semantics in metamodels and enable simulation as well as verification of dynamic properties. For this purpose, runtime models are incorporated with semantics for states, time, and properties of parallelism that allow a generic analysis solely bound to a certain metamodel definition. Furthermore, we develop the Linear Temporal Object Constraint Language (LT-OCL) to perform a dynamic analysis of execution runs based on the executable models. The semantics of this temporal predicate logic is bound to state changes of (recorded) execution traces that are linearizations of parallel changes of the runtimes model. This establishes the link to the theory of bisimulation as a second application case of dynamic analysis. Abstract State Machines (ASM) have been used to formally define the action language in conjunction with metamodels and the temporal logic. As proof of concept of the whole approach, the framework has been implemented and applied to two languages as case studies (namely Timed Automata and C#).

Mit der vorliegenden Dissertation soll ein Beitrag zur Steigerung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit einer sensorgestützten Objekterkennung im Fahrzeugumfeld geleistet werden. Aufbauend auf einem Erfassungssystem, bestehend aus einer Stereokamera und einem Mehrzeilen-Laserscanner, werden teils neu entwickelte Verfahren für die gesamte Verarbeitungskette vorgestellt. Zusätzlich wird ein neuartiges Framework zur Fusion heterogener Sensordaten eingeführt, welches über eine Zusammenführung der Fusionsergebnisse aus den unterschiedlichen Verarbeitungsebenen in der Lage ist, die Objektbestimmung zu verbessern. Nach einer Beschreibung des verwendeten Sensoraufbaus werden die entwickelten Verfahren zur Kalibrierung des Sensorpaares vorgestellt. Bei der Segmentierung der räumlichen Punktdaten werden bestehende Verfahren durch die Einbeziehung von Messgenauigkeit und Messspezifik des Sensors erweitert. In der anschließenden Objektverfolgung wird neben einem neuartigen berechnungsoptimierten Ansatz zur Objektassoziierung ein Modell zur adaptiven Referenzpunktbestimmung und –Verfolgung beschrieben. Durch das vorgestellte Fusions-Framework ist es möglich, die Sensordaten wahlweise auf drei unterschiedlichen Verarbeitungsebenen (Punkt-, Objekt- und Track-Ebene) zu vereinen. Hierzu wird ein sensorunabhängiger Ansatz zur Fusion der Punktdaten dargelegt, der im Vergleich zu den anderen Fusionsebenen und den Einzelsensoren die genaueste Objektbeschreibung liefert. Für die oberen Fusionsebenen wurden unter Ausnutzung der konkurrierenden Sensorinformationen neuartige Verfahren zur Bestimmung und Reduzierung der Detektions- und Verarbeitungsfehler entwickelt. Abschließend wird beschrieben, wie die fehlerreduzierenden Verfahren der oberen Fusionsebenen mit der optimalen Objektbeschreibung der unteren Fusionsebene für eine optimale Objektbestimmung zusammengeführt werden können. Die Effektivität der entwickelten Verfahren wurde durch Simulation oder in realen Messszenarien überprüft. / With the present thesis a contribution to the increase of the accuracy and reliability of a sensor-supported recognition and tracking of objects in a vehicle’s surroundings should be made. Based on a detection system, consisting of a stereo camera and a laser scanner, novel developed procedures are introduced for the whole processing chain of the sensor data. In addition, a new framework is introduced for the fusion of heterogeneous sensor data. By combining the data fusion results from the different processing levels the object detection can be improved. After a short description of the used sensor setup the developed procedures for the calibration and mutual orientation are introduced. With the segmentation of the spatial point data existing procedures are extended by the inclusion of measuring accuracy and specificity of the sensor. In the subsequent object tracking a new computation-optimized approach for the association of the related object hypotheses is presented. In addition, a model for a dynamic determination and tracking of an object reference point is described which exceeds the classical tracking of the object center in the track accuracy. By the introduced fusion framework it is possible to merge the sensor data at three different processing levels (point, object and track level). A sensor independent approach for the low fusion of point data is demonstrated which delivers the most precise object description in comparison to the other fusion levels and the single sensors. For the higher fusion levels new procedures were developed to discover and clean up the detection and processing mistakes benefiting from the competing sensor information. Finally it is described how the fusion results of the upper and lower levels can be brought together for an ideal object description. The effectiveness of the newly developed methods was checked either by simulation or in real measurement scenarios.

Für mobile autonome Roboter ist ein solides Modell der Umwelt eine wichtige Voraussetzung um die richtigen Entscheidungen zu treffen. Die gängigen existierenden Verfahren zur Weltmodellierung basieren auf dem Bayes-Filter und verarbeiten Informationen mit Hidden Markov Modellen. Dabei wird der geschätzte Zustand der Welt (Belief) iterativ aktualisiert, indem abwechselnd Sensordaten und das Wissen über die ausgeführten Aktionen des Roboters integriert werden; alle Informationen aus der Vergangenheit sind im Belief integriert. Wenn Sensordaten nur einen geringen Informationsgehalt haben, wie zum Beispiel Peilungsmessungen, kommen sowohl parametrische Filter (z.B. Kalman-Filter) als auch nicht-parametrische Filter (z.B. Partikel-Filter) schnell an ihre Grenzen. Das Problem ist dabei die Repräsentation des Beliefs. Es kann zum Beispiel sein, dass die gaußschen Modelle beim Kalman-Filter nicht ausreichen oder Partikel-Filter so viele Partikel benötigen, dass die Rechendauer zu groß wird. In dieser Dissertation stelle ich ein neues Verfahren zur Weltmodellierung vor, das Informationen nicht sofort integriert, sondern erst bei Bedarf kombiniert. Das Verfahren wird exemplarisch auf verschiedene Anwendungsfälle aus dem RoboCup (autonome Roboter spielen Fußball) angewendet. Es wird gezeigt, wie vierbeinige und humanoide Roboter ihre Position und Ausrichtung auf einem Spielfeld sehr präzise bestimmen können. Grundlage für die Lokalisierung sind bildbasierte Peilungsmessungen zu Objekten. Für die Roboter-Ausrichtung sind dabei Feldlinien eine wichtige Informationsquelle. In dieser Dissertation wird ein Verfahren zur Erkennung von Feldlinien in Kamerabildern vorgestellt, das ohne Kalibrierung auskommt und sehr gute Resultate liefert, auch wenn es starke Schatten und Verdeckungen im Bild gibt. / For autonomous mobile robots, a solid world model is an important prerequisite for decision making. Current state estimation techniques are based on Hidden Markov Models and Bayesian filtering. These methods estimate the state of the world (belief) in an iterative manner. Data obtained from perceptions and actions is accumulated in the belief which can be represented parametrically (like in Kalman filters) or non-parametrically (like in particle filters). When the sensor''s information gain is low, as in the case of bearing-only measurements, the representation of the belief can be challenging. For instance, a Kalman filter''s Gaussian models might not be sufficient or a particle filter might need an unreasonable number of particles. In this thesis, I introduce a new state estimation method which doesn''t accumulate information in a belief. Instead, perceptions and actions are stored in a memory. Based on this, the state is calculated when needed. The system has a particular advantage when processing sparse information. This thesis presents how the memory-based technique can be applied to examples from RoboCup (autonomous robots play soccer). In experiments, it is shown how four-legged and humanoid robots can localize themselves very precisely on a soccer field. The localization is based on bearings to objects obtained from digital images. This thesis presents a new technique to recognize field lines which doesn''t need any pre-run calibration and also works when the field lines are partly concealed and affected by shadows.

In den letzten Jahren wurden viele Methoden entwickelt, um den Schutz der Privatsphäre bei der Veröffentlichung von Daten zu gewährleisten. Die meisten Verfahren anonymisieren eine gesamte Datentabelle, sodass sensible Werte einzelnen Individuen nicht mehr eindeutig zugeordnet werden können. Deren Privatsphäre gilt als ausreichend geschützt, wenn eine Menge von mindestens k sensiblen Werten existiert, aus der potentielle Angreifer den tatsächlichen Wert nicht herausfinden können. Ausgangspunkt für die vorliegende Arbeit ist eine Sequenz von Anfragen auf personenbezogene Daten, die durch ein Datenbankmanagementsystem mit der Rückgabe einer Menge von Tupeln beantwortet werden. Das Ziel besteht darin herauszufinden, ob Angreifer durch die Kenntnis aller Ergebnisse in der Lage sind, Individuen eindeutig ihre sensiblen Werte zuzuordnen, selbst wenn alle Ergebnismengen anonymisiert sind. Bisher sind Verfahren nur für aggregierte Anfragen wie Summen- oder Durchschnittsbildung bekannt. Daher werden in dieser Arbeit Ansätze entwickelt, die den Schutz auch für beliebige Anfragen gewährleisten. Es wird gezeigt, dass die Lösungsansätze auf Matchingprobleme in speziellen Graphen zurückgeführt werden können. Allerdings ist das Bestimmen größter Matchings in diesen Graphen NP-vollständig. Aus diesem Grund werden Approximationsalgorithmen vorgestellt, die in Polynomialzeit eine Teilmenge aller Matchings konstruieren, ohne die Privatsphäre zu kompromittieren. / Over the last ten years many techniques for privacy-preserving data publishing have been proposed. Most of them anonymize a complete data table such that sensitive values cannot clearly be assigned to individuals. Their privacy is considered to be adequately protected, if an adversary cannot discover the actual value from a given set of at least k values. For this thesis we assume that users interact with a data base by issuing a sequence of queries against one table. The system returns a sequence of results that contains sensitive values. The goal of this thesis is to check if adversaries are able to link uniquely sensitive values to individuals despite anonymized result sets. So far, there exist algorithms to prevent deanonymization for aggregate queries. Our novel approach prevents deanonymization for arbitrary queries. We show that our approach can be transformed to matching problems in special graphs. However, finding maximum matchings in these graphs is NP-complete. Therefore, we develop several approximation algorithms, which compute specific matchings in polynomial time, that still maintaining privacy.