20. Theorietag der GI-Fachgruppe "Automaten und Formale Sprachen''

Die Fachgruppe AFS (früher Fachgruppe 0.1.5) der Gesellschaft für Informatik veranstaltet seit 1991 einmal im Jahr ein Treffen der Fachgruppe im Rahmen eines Theorietags, der traditionell eineinhalb Tage dauert. Seit dem Jahr 1996 wird dem eigentlichen Theorietag noch ein eintägiger Workshop zu speziellen Themen der theoretischen Informatik vorangestellt. In diesem Jahr wurde der Theorietag vom Fachgebiet "Theoretische Informatik" des Fachbereichs Elektrotechnik/Informatik der Universität Kassel organisiert. Er fand vom 29.9. bis 1.10.2010 in Baunatal bei Kassel statt. Dabei stand der begleitende Workshop unter dem allgemeinen Thema "Ausgewählte Themen der Theoretischen Informatik". Als Vortragende für diesen Workshop konnten Carsten Damm (Göttingen), Markus Holzer (Giessen), Peter Leupold (Kassel), Martin Plátek (Prag) und Heribert Vollmer (Hannover) gewonnen werden. Das Programm des eigentlichen Theorietags bestand aus 20 Vorträgen sowie der Sitzung der Fachgruppe AFS. In diesem Band finden sich die Zusammenfassungen aller Vorträge sowohl des Workshops als auch des Theorietags. Desweiteren enthält er das Programm und die Liste aller Teilnehmer.

Modellbasiertes Service Level Management verteilter Anwendungssysteme

Zur Senkung von Kosten werden in vielen Unternehmen Dienstleistungen, die nicht zur Kernkompetenz gehören, an externe Dienstleister ausgelagert. Dieser Prozess wird auch als Outsourcing bezeichnet. Die dadurch entstehenden Abhängigkeiten zu den externen Dienstleistern werden mit Hilfe von Service Level Agreements (SLAs) vertraglich geregelt. Die Aufgabe des Service Level Managements (SLM) ist es, die Einhaltung der vertraglich fixierten Dienstgüteparameter zu überwachen bzw. sicherzustellen. Für eine automatische Bearbeitung ist daher eine formale Spezifikation von SLAs notwendig. Da der Markt eine Vielzahl von unterschiedlichen SLM-Werkzeugen hervorgebracht hat, entstehen in der Praxis Probleme durch proprietäre SLA-Formate und fehlende Spezifikationsmethoden. Daraus resultiert eine Werkzeugabhängigkeit und eine limitierte Wiederverwendbarkeit bereits spezifizierter SLAs. In der vorliegenden Arbeit wird ein Ansatz für ein plattformunabhängiges Service Level Management entwickelt. Ziel ist eine Vereinheitlichung der Modellierung, so dass unterschiedliche Managementansätze integriert und eine Trennung zwischen Problem- und Technologiedomäne erreicht wird. Zudem wird durch die Plattformunabhängigkeit eine hohe zeitliche Stabilität erstellter Modelle erreicht. Weiteres Ziel der Arbeit ist, die Wiederverwendbarkeit modellierter SLAs zu gewährleisten und eine prozessorientierte Modellierungsmethodik bereitzustellen. Eine automatisierte Etablierung modellierter SLAs ist für eine praktische Nutzung von entscheidender Relevanz. Zur Erreichung dieser Ziele werden die Prinzipien der Model Driven Architecture (MDA) auf die Problemdomäne des Service Level Managements angewandt. Zentrale Idee der Arbeit ist die Definition von SLA-Mustern, die konfigurationsunabhängige Abstraktionen von Service Level Agreements darstellen. Diese SLA-Muster entsprechen dem Plattformunabhängigen Modell (PIM) der MDA. Durch eine geeignete Modelltransformation wird aus einem SLA-Muster eine SLA-Instanz generiert, die alle notwendigen Konfigurationsinformationen beinhaltet und bereits im Format der Zielplattform vorliegt. Eine SLA-Instanz entspricht damit dem Plattformspezifischen Modell (PSM) der MDA. Die Etablierung der SLA-Instanzen und die daraus resultierende Konfiguration des Managementsystems entspricht dem Plattformspezifischen Code (PSC) der MDA. Nach diesem Schritt ist das Managementsystem in der Lage, die im SLA vereinbarten Dienstgüteparameter eigenständig zu überwachen. Im Rahmen der Arbeit wurde eine UML-Erweiterung definiert, die eine Modellierung von SLA-Mustern mit Hilfe eines UML-Werkzeugs ermöglicht. Hierbei kann die Modellierung rein graphisch als auch unter Einbeziehung der Object Constraint Language (OCL) erfolgen. Für die praktische Realisierung des Ansatzes wurde eine Managementarchitektur entwickelt, die im Rahmen eines Prototypen realisiert wurde. Der Gesamtansatz wurde anhand einer Fallstudie evaluiert.

Autonomie und Anerkennung

Die Studie betrachtet die berufliche Selbstständigkeit von Sozialarbeiter(innen) mit zwei zentralen Fragestellungen: 1. Wie konstituiert sich die wirtschaftliche, die fachliche und die persönlich-biographische Existenz der selbstständigen Sozialarbeitenden in der Sozialen Arbeit? 2. Welche professions- und sozialpolitischen Bedingungen und Auswirkungen hat die Arbeitsform? Die Arbeit erweitert das bestehende Wissen zum Thema, indem sie durch die Befragung von 11 Selbstständigen in Erst- und z.T. Wiederholungsinterviews einen Bogen spannt von den biographischen und fachlichen Ausgangslagen der Gründer über die Gründung und Etablierung der Selbständigkeit hinaus, bis hin zur Auf- und Übergabe der Selbstständigkeit und liefert somit erstmals eine prozessorientierte empirische Untersuchung. Die Titelkategorien Autonomie und Anerkennung sind die zentralen Themen der selbstständigen Sozialarbeitenden: mit ihrer Selbstständigkeit versuchen sie auf individueller Ebene, ihre Autonomie und Anerkennung durch den Wechsel der Arbeitsform zu stärken. Diese Motivation verweist darauf, dass ihnen der Beruf im Angestelltenverhältnis inhaltlich, strukturell und finanziell die gewünscht Autonomie und Anerkennung nicht gewährleistete und führt zur Diskussion über die Probleme der Professionalisierung, der Organisation und Finanzierung sowie der sozialpolitischen Abhängigkeiten Sozialer Arbeit. Selbstständige Sozialarbeitende verkehren ihre Arbeitssituation konsequent ins Gegenteil: im Kontext der Autonomiewahrung sind die erfolgreichen Selbstständigen höchst flexibel organisiert, nutzen mehrere Finanzierungsquellen, bieten verschiedene Dienste an und etablieren ihre Arbeit auf unterschiedlichen Ebenen mit Adressaten Sozialer Arbeit, auf der Beratungs- und Schulungsebene. Je pluraler selbstständige Sozialarbeiter(innen) ihre Arbeitsgebiete und Finanzierungsstrategien ausrichten, umso handlungsfähiger sind sie und desto eigenständiger können sie arbeiten. Die Kategorie der Anerkennung beinhaltet finanzielle und fachliche Fragen gleichzeitig. Ziel ist ein Gehalt im akademischen Bereich und höher. Bei den erfolgreichen Selbstständigen müssen Breite und Tiefe der angewandten sozialarbeiterischen Kompetenzen geeignet sein, sowohl für die Adressaten, als auch für sich selbst befriedigende Arbeitsprozesse gestalten zu können. Eine mittel- und langfristig erfolgreiche berufliche Selbstständigkeit definiert sich über Qualität: Gute Qualität Sozialer Arbeit heißt für die erfolgreichen Selbstständigen, sich in der Entwicklung ihrer Angebote eng an den Bedürfnissen und Kompetenzen der Adressaten zu orientieren. Selbstständige Sozialarbeit muss sich über Qualität definieren, weil sie einen Wettbewerb braucht, der einen existenzsichernden Preis garantiert. Daneben profitieren die selbstständigen Sozialarbeiter(innen) davon, dass es Bereiche gibt, in denen das bestehende Angebote Sozialer Arbeit Bedarfe nicht erfüllt. Selbstständige Sozialarbeiter(innen) haben nicht die Veränderung sozialpolitischer Systeme zum Ziel. Sie suchen Nischen im eigenen Sinn bedürfniserfüllend arbeiten können. Dabei sind sie immer aufmerksam, flexibel und in Entwicklung zu bleiben, um sich veränderten Rahmenbedingungen anpassen zu können bzw. die funktionablen Rahmenbedingungen zu erhalten. Ihre Grenzen in der Arbeit werden plural ausgerichteten selbstständigen Sozialarbeitern nicht mehr wie als Angestellte durch die Logik bürokratisch-technischer Realitäten gesetzt, sondern durch persönliche Kompetenzen, Risikobereitschaft, Zeit und wirtschaftliche Spielräume. Ausschlaggebend für ausreichende Handlungs- und Entwicklungsmöglichkeiten als Selbstständige sind die persönlichen und fachlichen Kompetenzen sowie Netzwerke. Eine Innovationswirkung für den Berufsstand geht von den erfolgreichen selbständigen Sozialarbeiter(innen) dieser Studie insofern aus, als dass sie in den Arbeitsbereichen, die keine klassisch sozialstaatlichen sind, neue und andere Adressaten ansprechen. Sie erweitern die potentiellen Arbeitgebiete. In sozialstaatlich verankerten Bereichen können selbständige Sozialarbeiter(innen) durch ihre flexible Arbeitsform Innovationen erzeugen, die sich durch eine stärkere Orientierung an Bedürfnissen von Adressaten auszeichnen und somit Alternativen zu bestehenden Konzepten bilden.

Authentisches Bewerten und Urteilen unter Unsicherheit - Arbeitsmaterialien und didaktische Kommentare für den Themenbereich "Bayessche Regel" für den Stochastikunterricht der Sekundarstufe I

Die vorliegende Unterrichtsreihe basiert auf zwei grundlegenden Vorstellungen zum Lernen und Lehren von Wahrscheinlichkeitsrechnung für Anfänger in der Sekundarstufe I. Zum einen ist die grundsätzliche Überzeugung der Autoren, dass ein sinnvoller und gewinnbringender Unterricht in Stochastik über den aufwendigeren Weg möglichst authentischer und konkreter Anwendungen im täglichen Leben gehen sollte. Demzufolge reicht eine Einkleidung stochastischer Probleme in realistisch wirkende Kontexte nicht, sondern es sollte eine intensive Erarbeitung authentischer Problemstellungen, z.B. mit Hilfe von realen Medientexten, erfolgen. Die Schüler sollen vor allem lernen, reale Probleme mathematisch zu modellieren und gefundene mathematische Ergebnisse für die reale Situation zu interpretieren und kritisch zu diskutieren. Eine weitere Besonderheit gegenüber traditionellen Zugängen zur Wahrscheinlichkeitsrechnung basiert auf kognitionspsychologischen Ergebnissen zur menschlichen Informationsverarbeitung. Durch eine Serie von Studien wurde gezeigt, dass Menschen – und natürlich auch Schüler – große Probleme haben, mit Wahrscheinlichkeiten (also auf 1 normierte Maße) umzugehen. Als viel einfacher und verständnisfördernder stellte sich die kognitive Verarbeitung von Häufigkeiten (bzw. Verhältnissen von natürlichen Zahlen) heraus. In dieser Reihe wird deshalb auf eine traditionelle formale Einführung der Bayesschen Regel verzichtet und es werden spezielle, auf Häufigkeiten basierende Hilfsmittel zur Lösungsfindung verwendet. Die erwähnten Studien belegen den Vorteil dieser Häufigkeitsdarstellungen gegenüber traditionellen Methoden im Hinblick auf den sofortigen und insbesondere den längerfristigen Lernerfolg (vgl. umfassend zu diesem Thema C. Wassner (2004). Förderung Bayesianischen Denkens, Hildesheim: Franzbecker, http://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hebis:34-2006092214705). Die vorliegende Schrift wurde zuerst im Jahre 2004 als Anhang zur o.g. Schrift bei Franzbecker Hildesheim veröffentlicht. Der Verlag hat einer elektronischen Veröffentlichung in der KaDiSto-Reihe zugestimmt.

Künstliche Randbedingungen und Algebraische Äquivalenzen in der Elastizitätstheorie

In dieser Arbeit werden zwei Aspekte bei Randwertproblemen der linearen Elastizitätstheorie untersucht: die Approximation von Lösungen auf unbeschränkten Gebieten und die Änderung von Symmetrieklassen unter speziellen Transformationen. Ausgangspunkt der Dissertation ist das von Specovius-Neugebauer und Nazarov in "Artificial boundary conditions for Petrovsky systems of second order in exterior domains and in other domains of conical type"(Math. Meth. Appl. Sci, 2004; 27) eingeführte Verfahren zur Untersuchung von Petrovsky-Systemen zweiter Ordnung in Außenraumgebieten und Gebieten mit konischen Ausgängen mit Hilfe der Methode der künstlichen Randbedingungen. Dabei werden für die Ermittlung von Lösungen der Randwertprobleme die unbeschränkten Gebiete durch das Abschneiden mit einer Kugel beschränkt, und es wird eine künstliche Randbedingung konstruiert, um die Lösung des Problems möglichst gut zu approximieren. Das Verfahren wird dahingehend verändert, dass das abschneidende Gebiet ein Polyeder ist, da es für die Lösung des Approximationsproblems mit üblichen Finite-Element-Diskretisierungen von Vorteil sei, wenn das zu triangulierende Gebiet einen polygonalen Rand besitzt. Zu Beginn der Arbeit werden die wichtigsten funktionalanalytischen Begriffe und Ergebnisse der Theorie elliptischer Differentialoperatoren vorgestellt. Danach folgt der Hauptteil der Arbeit, der sich in drei Bereiche untergliedert. Als erstes wird für abschneidende Polyedergebiete eine formale Konstruktion der künstlichen Randbedingungen angegeben. Danach folgt der Nachweis der Existenz und Eindeutigkeit der Lösung des approximativen Randwertproblems auf dem abgeschnittenen Gebiet und im Anschluss wird eine Abschätzung für den resultierenden Abschneidefehler geliefert. An die theoretischen Ausführungen schließt sich die Betrachtung von Anwendungsbereiche an. Hier werden ebene Rissprobleme und Polarisationsmatrizen dreidimensionaler Außenraumprobleme der Elastizitätstheorie erläutert. Der letzte Abschnitt behandelt den zweiten Aspekt der Arbeit, den Bereich der Algebraischen Äquivalenzen. Hier geht es um die Transformation von Symmetrieklassen, um die Kenntnis der Fundamentallösung der Elastizitätsprobleme für transversalisotrope Medien auch für Medien zu nutzen, die nicht von transversalisotroper Struktur sind. Eine allgemeine Darstellung aller Klassen konnte hier nicht geliefert werden. Als Beispiel für das Vorgehen wird eine Klasse von orthotropen Medien im dreidimensionalen Fall angegeben, die sich auf den Fall der Transversalisotropie reduzieren lässt.

Sprachentwicklung und Fachlernen im Mechanikunterricht

Die empirische Studie untersucht das Wechselspiel zwischen der fachbezogenen Sprachentwicklung und dem Fachlernen von Schülerinnen und Schülern bei der Einführung in den Kraftbegriff. Sie betrachtet also sowohl sprachliche wie auch kognitive Aspekte des Lernens in der Mechanik. Dafür wurde ein Unterrichtskonzept entwickelt, das den Gebrauch des Fachwortes Kraft in der Wissenschaft und in der alltäglichen Sprache besonders thematisiert. Dieses Unterrichtskonzept basiert auf Empfehlungen und Ergebnissen der Kognitionspsychologie, Linguistik, Philosophie, Sprachlehrforschung und der Didaktiken der Physik und der Fremdsprachen. Im Rahmen des Unterrichts wurden die Schülerinnen und Schüler mit zwei Aufgabentypen konfrontiert: Beim ersten Aufgabentyp waren die Lerner aufgefordert, den Kraftbegriff so zu verwenden, wie es einer fachsprachlich angemessenen Form entspräche, etwa um die Bewegung eines Zuges zu beschreiben. Aufgaben des zweiten Typs sahen vor, dass die Schülerinnen und Schüler kurze Texte danach klassifizierten, ob sie der Alltagssprache oder der Fachsprache angehörten. Diese als Metadiskurs bezeichnete Form der Auseinandersetzung mit sprachlichen Aspekten verhalf den Schülerinnen und Schülern zu einer Gelegenheit, ihr eigenes Verständnis des Kraftbegriffs zu thematisieren. Weiter lieferte der Metadiskurs wichtige Hinweise darauf, ob die Schülerinnen und Schüler sich bei ihren Beurteilungen eher auf formal-sprachliche oder inhaltliche Aspekte der Sprache bezogen. Für die Datenerhebung wurden alle Unterrichtsstunden videografiert und transkribiert. Zusammen mit schriftlichen Arbeitsergebnissen und Tests stand ein umfangreicher Datensatz zur Verfügung, für dessen Auswertung ein inhaltsanalytisches Verfahren Anwendung fand. Die Ergebnisse zeigen, dass das Lernen im Fach Physik bestimmte Ähnlichkeiten mit dem Lernen einer Fremdsprache zeigt: Wenn die Schülerinnen und Schüler den Kraftbegriff fachsprachlich verwenden sollen, sehen sie sich oft einer Alternativentscheidung gegenüber. Entweder sie versuchen, einer fachsprachlichen Form zu gehorchen und verlieren dabei den Inhalt aus den Augen, oder sie konzentrieren sich auf den Inhalt, drücken sich dabei aber in ihrer Alltagssprache aus und folgen Alltagskonzepten, die weit entfernt von den fachlich intendierten liegen. Ähnliche Beobachtungen kann man im Sprachunterricht machen, wenn Schüler eine neue grammatische Regel einüben: Sie konzentrieren sich entweder auf die neu zu erlernende Regel, oder aber auf den Inhalt des Gesagten, wobei sie die grammatische Regel, die an sich Gegenstand der Übung ist, verletzen. Meistens fällt diese Entscheidung derart, dass die Konzentration auf den Inhalt des Gesagten gerichtet ist, nicht oder wenig auf seine Form. Im Unterschied zum Sprachunterricht ist der Physikunterricht allerdings nicht nur darauf gerichtet, fachsprachlich angemessene Formen einzuüben, sondern insbesondere darauf, den Blick für neue und ungewohnte Konzepte zu öffnen. Damit müssen die Schülerinnen und Schüler hier häufig sprachliche und kognitive Hürden zur selben Zeit bewältigen. Die detaillierte Analyse des Metadiskurses zeigt, dass das Problem des Nebeneinanders zweier unterschiedlicher Anforderung entschäft werden kann: Während die Schüler im Metadiskurs unterschiedliche Aspekte der Sprache diskutieren, sind sie eher in der Lage, sowohl formale wie inhaltsbezogene Merkmale der Sprache wahrzunehmen. Der Text referiert weitere Parallelen zwischen dem Physikunterricht und dem Fremdsprachenlernen, sodass die Auffassung gerechtfertigt ist, dass die Fremdsprachendidaktik als Ideenlieferantin dafür dienen kann, neue Verbesserungsmöglichkeiten für den Physikunterricht aufzufinden.

Neuartige Verfahren für die Überwachung und Diagnose von aktiv magnetgelagerten rotierenden Maschinen

Mit aktiven Magnetlagern ist es möglich, rotierende Körper durch magnetische Felder berührungsfrei zu lagern. Systembedingt sind bei aktiv magnetgelagerten Maschinen wesentliche Signale ohne zusätzlichen Aufwand an Messtechnik für Diagnoseaufgaben verfügbar. In der Arbeit wird ein Konzept entwickelt, das durch Verwendung der systeminhärenten Signale eine Diagnose magnetgelagerter rotierender Maschinen ermöglicht und somit neben einer kontinuierlichen Anlagenüberwachung eine schnelle Bewertung des Anlagenzustandes gestattet. Fehler können rechtzeitig und ursächlich in Art und Größe erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Anhand der erfassten Signale geschieht die Gewinnung von Merkmalen mit signal- und modellgestützten Verfahren. Für den Magnetlagerregelkreis erfolgen Untersuchungen zum Einsatz modellgestützter Parameteridentifikationsverfahren, deren Verwendbarkeit wird bei der Diagnose am Regler und Leistungsverstärker nachgewiesen. Unter Nutzung von Simulationsmodellen sowie durch Experimente an Versuchsständen werden die Merkmalsverläufe im normalen Referenzzustand und bei auftretenden Fehlern aufgenommen und die Ergebnisse in einer Wissensbasis abgelegt. Diese dient als Grundlage zur Festlegung von Grenzwerten und Regeln für die Überwachung des Systems und zur Erstellung wissensbasierter Diagnosemodelle. Bei der Überwachung werden die Merkmalsausprägungen auf das Überschreiten von Grenzwerten überprüft, Informationen über erkannte Fehler und Betriebszustände gebildet sowie gegebenenfalls Alarmmeldungen ausgegeben. Sich langsam anbahnende Fehler können durch die Berechnung der Merkmalstrends mit Hilfe der Regressionsanalyse erkannt werden. Über die bisher bei aktiven Magnetlagern übliche Überwachung von Grenzwerten hinaus erfolgt bei der Fehlerdiagnose eine Verknüpfung der extrahierten Merkmale zur Identifizierung und Lokalisierung auftretender Fehler. Die Diagnose geschieht mittels regelbasierter Fuzzy-Logik, dies gestattet die Einbeziehung von linguistischen Aussagen in Form von Expertenwissen sowie die Berücksichtigung von Unbestimmtheiten und ermöglicht damit eine Diagnose komplexer Systeme. Für Aktor-, Sensor- und Reglerfehler im Magnetlagerregelkreis sowie Fehler durch externe Kräfte und Unwuchten werden Diagnosemodelle erstellt und verifiziert. Es erfolgt der Nachweis, dass das entwickelte Diagnosekonzept mit beherrschbarem Rechenaufwand korrekte Diagnoseaussagen liefert. Durch Kaskadierung von Fuzzy-Logik-Modulen wird die Transparenz des Regelwerks gewahrt und die Abarbeitung der Regeln optimiert. Endresultat ist ein neuartiges hybrides Diagnosekonzept, welches signal- und modellgestützte Verfahren der Merkmalsgewinnung mit wissensbasierten Methoden der Fehlerdiagnose kombiniert. Das entwickelte Diagnosekonzept ist für die Anpassung an unterschiedliche Anforderungen und Anwendungen bei rotierenden Maschinen konzipiert.

A geometrical heuristic for drawing concept lattices

Concept lattices are used in formal concept analysis to represent data conceptually so that the original data are still recognizable. Their line diagrams should reflect the semantical relationships within the data. Up to now, no satisfactory automatic drawing programs for this task exist. The geometrical heuristic is the most successful tool for drawing concept lattices manually. It ueses a geometric representation as intermediate step between the list of upper covers and the line diagram of the lattice.

Attribute exploration with background implications and exceptions

Implications between attributes can represent knowledge about objects in a specified context. This knowledge representation is especially useful when it is not possible to list all specified objects. Attribute exploration is a tool of formal concept analysis that supports the acquisition of this knowledge. For a specified context this interactive procedure determines a miminal list of valid implications between attributes of this context together with a list of objects which are counterexamples for all implications not valid in the context. This paper describes how the exploration can be modified such that it determines a mimimal set of implications that fills the gap between previously given implications (called background implications) and all valid implications. The list of implications can be simplified further if exceptions are allowed for the implications.

Exploration tools in formal concept analysis

The development of conceptual knowledge systems specifically requests knowledge acquisition tools within the framework of formal concept analysis. In this paper, the existing tools are presented, and furhter developments are discussed.