Off to new shores

In the last years, the main orientation of Formal Concept Analysis (FCA) has turned from mathematics towards computer science. This article provides a review of this new orientation and analyzes why and how FCA and computer science attracted each other. It discusses FCA as a knowledge representation formalism using five knowledge representation principles provided by Davis, Shrobe, and Szolovits [DSS93]. It then studies how and why mathematics-based researchers got attracted by computer science. We will argue for continuing this trend by integrating the two research areas FCA and Ontology Engineering. The second part of the article discusses three lines of research which witness the new orientation of Formal Concept Analysis: FCA as a conceptual clustering technique and its application for supporting the merging of ontologies; the efficient computation of association rules and the structuring of the results; and the visualization and management of conceptual hierarchies and ontologies including its application in an email management system.

Conceptual knowledge processing with formal concept analysis and ontologies

Among many other knowledge representations formalisms, Ontologies and Formal Concept Analysis (FCA) aim at modeling ‘concepts’. We discuss how these two formalisms may complement another from an application point of view. In particular, we will see how FCA can be used to support Ontology Engineering, and how ontologies can be exploited in FCA applications. The interplay of FCA and ontologies is studied along the life cycle of an ontology: (i) FCA can support the building of the ontology as a learning technique. (ii) The established ontology can be analyzed and navigated by using techniques of FCA. (iii) Last but not least, the ontology may be used to improve an FCA application.

Iceberg query lattices for datalog

In this paper we study two orthogonal extensions of the classical data mining problem of mining association rules, and show how they naturally interact. The first is the extension from a propositional representation to datalog, and the second is the condensed representation of frequent itemsets by means of Formal Concept Analysis (FCA). We combine the notion of frequent datalog queries with iceberg concept lattices (also called closed itemsets) of FCA and introduce two kinds of iceberg query lattices as condensed representations of frequent datalog queries. We demonstrate that iceberg query lattices provide a natural way to visualize relational association rules in a non-redundant way.

A finite state model for on-line analytical processing in triadic contexts

About ten years ago, triadic contexts were presented by Lehmann and Wille as an extension of Formal Concept Analysis. However, they have rarely been used up to now, which may be due to the rather complex structure of the resulting diagrams. In this paper, we go one step back and discuss how traditional line diagrams of standard (dyadic) concept lattices can be used for exploring and navigating triadic data. Our approach is inspired by the slice & dice paradigm of On-Line-Analytical Processing (OLAP). We recall the basic ideas of OLAP, and show how they may be transferred to triadic contexts. For modeling the navigation patterns a user might follow, we use the formalisms of finite state machines. In order to present the benefits of our model, we show how it can be used for navigating the IT Baseline Protection Manual of the German Federal Office for Information Security.

Ontology merging with formal concept analysis

Ontologies have been established for knowledge sharing and are widely used as a means for conceptually structuring domains of interest. With the growing usage of ontologies, the problem of overlapping knowledge in a common domain becomes critical. In this short paper, we address two methods for merging ontologies based on Formal Concept Analysis: FCA-Merge and ONTEX. --- FCA-Merge is a method for merging ontologies following a bottom-up approach which offers a structural description of the merging process. The method is guided by application-specific instances of the given source ontologies. We apply techniques from natural language processing and formal concept analysis to derive a lattice of concepts as a structural result of FCA-Merge. The generated result is then explored and transformed into the merged ontology with human interaction. --- ONTEX is a method for systematically structuring the top-down level of ontologies. It is based on an interactive, top-down- knowledge acquisition process, which assures that the knowledge engineer considers all possible cases while avoiding redundant acquisition. The method is suited especially for creating/merging the top part(s) of the ontologies, where high accuracy is required, and for supporting the merging of two (or more) ontologies on that level.

Efficient mining of association rules based on formal concept analysis

Association rules are a popular knowledge discovery technique for warehouse basket analysis. They indicate which items of the warehouse are frequently bought together. The problem of association rule mining has first been stated in 1993. Five years later, several research groups discovered that this problem has a strong connection to Formal Concept Analysis (FCA). In this survey, we will first introduce some basic ideas of this connection along a specific algorithm, TITANIC, and show how FCA helps in reducing the number of resulting rules without loss of information, before giving a general overview over the history and state of the art of applying FCA for association rule mining.

Nachhaltige Energie für ländliche Entwicklung in dem Sub-Sahara Afrika: interdisziplinäre Herangehensweise und organisatorische Herausforderung

Angesichts der Geschichte der Entwicklungspolitik, ist diese Arbeit darauf ausgerichtet, einige Beobachtungen in Bezug auf die so genannte Entwicklung hervorzuheben; insbesondere auf die andauernde prekäre Situation und Armut in ländlichen afrikanischen Gebieten. Armut ist nach Amartya SEN – weiter präzisiert von J.L. Dubois – die Deprivation von „Fähigkeiten“, die Individuen und lokale Gemeinschaften zu ausgeschlossenen und vergessenen Akteuren des Systems machen. Das nennt Paulo Freire, das Menschen zu „Objekten“ gemacht werden. Es rechtfertigt die starke Annahme, die in dieser Studie getroffen wird, dass vielmehr die Menschen als „Subjekte“ ihrer Veränderung und Entwicklung im Mittelpunkt stehen. Die Arbeit zeigt und erklärt in historischer Chronologie, wie die Entwicklungspolitiken und unterschiedliche Beteiligte auf allen Ebenen diese Situation verursachen. Trotz alledem bleiben die Individuen und lokalen Gemeinschaften, die in Symbiose mit ihrer natürlichen Umwelt leben, die reich an verschiedenen Ressourcen und Potentialen ist, als Reaktion darauf und gleichzeitig als Überlebensstrategie zutiefst verbunden mit dem, was sie vor Ort haben, womit sie eine tiefere und intensive Beziehung besitzen, wenn man von ihrer Geschichte, ihrer Kultur und der Handlungslogik ausgeht. Für externe Akteure, die sie über das vorhandene System dominieren und beeinflussen bleiben sie „Objekte“, aber in der Vielzahl ihrer endogenen Initiativen, zeigen sie die Fähigkeit und Substanz, die beweisen, dass sie auf ihrer Ebene das eigentliche Subjekt sind, die dynamischen Akteure. Aber isolierte Initiativen auf spezifische reale Bedürfnisse bei gleichzeitiger Dominierung durch das System mit seiner Marktlogik, führt dies langfristig nur zu dem Zirkulus Vitiosus der Armut. Daher ist eine ganzheitliche Sicht entscheidend für nachhaltige Entwicklung und für die notwendige Veränderung. Es geht nicht nur um die Veränderung des Systems und die Wahl politischer Maßnahmen, sondern genau genommen um das Verhalten der Akteure auf allen Ebenen und die Art der Beziehungen zwischen ihnen allen. Es ist eine Frage des erneuten Überdenkens des Entwicklungspfades, der andere Logik, Visionen, Interessen und Strategien aller Beteiligten, unserer so genannten Akteure einschließt. Ob dies von endogenen Initiativen oder neuen gemeinsamen Projekten ausgeht: man wird in einen Prozess kollektiven Lernens eintreten, den Paul Singer und Clarita Müller-Plantenberg erläutern und entwickeln in dem Konzept der Inkubation und Solidarischen Ökonomie, die Eigeninitiative, Selbstbestimmung und Selbstverwaltung von lokalen Gemeinschaften und die Öffnung für eine Neu-Konzeptualisierung und Institutionalisierung einschließt. So ein Prozess ist nur mit einem interdisziplinären Rahmen möglich. Dieser Rahmen soll auf einer zusätzlicher Kommunikation zwischen den Akteuren und Sozialwissenschaften beruhen und mit jenen, die auf dem Feld der Technologie arbeiten. So können dann technische „Experten“ angesichts eines technischen Projektfehlers, der aufgrund von bestimmten sozialen und kulturellen Realitäten zustande kam sagen, „es ist kein Scheitern ; es war ein Schritt innerhalb eines Lernprozesse der in die technischen Projekte und Studien einbezogen werden muss“. Wir haben das Energiethema gewählt; und insbesondere, Energie für eine nachhaltige ländliche Entwicklung in Subsahara-Afrika, um den Weg von der Theorie in die Praxis zu illustrieren und experimentell auszuprobieren, den Weg von den Beobachtungen zu der Veränderung, wobei Fragen, Annahmen, Strategien und konkrete Aktionen für den Wandel behandelt werden. Wir nennen unseren experimentellen Weg: DRIEE, das heißt auf Deutsch Ländliche Entwicklung und Inkubation von Energieunternehmen. Dabei gehen wir davon aus, dass: - Energie im Allgemeinen auf der internationalen Ebene fast gleichbedeutend mit Elektrizität ist. Heute bestehen die wichtigsten Bedürfnisse nach Energie dort wo die agro-pastorale Produktion, das Kochen, die Nahrungsmittelkonservierung und Verarbeitung …etc. stattfindet. - Diese ländliche Bevölkerung zu etwa 80% der nationalen Wirtschaft ausmacht. Dass sie gleichzeitig aber nur zu weniger als 5% der Energieproduktion Zugang hat, was oft auf Licht reduziert ist und nicht einmal ihrer Produktion zugute kommen kann. - Die Projekte für Energie und Elektrizität vor allem auf die Technologischen Fragen konzentriert sind und weniger auf die Bedürfnisse. Fast die Gesamtheit der Fonds für Energie wird in Bezug auf die Investitionen Infrastruktur der Produktion und Verteilung durch die konventionellen zentralisierten Netze geplant. Angesichts dieser Analysen gehen die in dieser Arbeit vorgenommenen Studien in Gambia und Kamerun von Bestandsaufnahmen und / oder beschreibenden regionalen Analysen aus: - von Bedürfnissen, von Praktiken und lokalen Initiativen von Fragen der Energie, für einzelne Professionen, Haushalte, Gruppen, spezifische Gruppen, wie Frauen, ländliche Gemeinden mit ihren spezifischen Charakteristika. - Von Potentialen: natürliche lokale Energieressourcen, soziokulturelle Ressourcen – so z.B. die empirisch feststellbaren menschliche Ressourcen wie endogenes Wissen und praktische organisatorische Fähigkeiten gegenüber den Problemen der Energie. Dieser experimentelle Schritt von Handlungsforschung (DRIEE) in Kamerun führte zu der Gründung einer Organisation, über die und mit der wir die Logik der Inkubation und Solidarischen Ökonomie einführen. Das ist FERDEDSI, das heißt auf Deutsch „Forum für Erneuerbare Energie – Nachhaltige Entwicklung und Internationale Solidarität“. Zunächst war dies eine Energiegenossenschaft und dann (im Prozess) wurde es zu einer institutionellen Nische von mehreren Mikro Initiativen in ländlichen Gebieten. FERDEDSI ist ein Prozess der Inkubation und ein Inkubator ist also gleichzeitig ein inkubiertes Energieunternehmen aber auch ein Inkubator für lokale Organisationen. Die ersten Aktionen finden in den Departments von Noun und Ménoua in der westlichen Provinz von Kamerun statt. Während der Forschungsperiode findet akademische Austausch statt (Nord-Süd und Süd-Süd), diese ist dabei zu formalen Partnerschaften zu werden, nicht nur zwischen Universitäten sondern genauer lokale Organisationen und Universitäten. Dieser letzte Typ von Partnerschaften, die die solidarische Ökonomie ausmachen ist auch eine Innovation des Prozesses für die afrikanischen Fälle, die dem Beispiel dessen, was in Lateinamerika geschieht, folgen. So kommt es zu gegenseitiger sinnvoller Ausbildung in den internationalen Arbeitsgruppen und Seminaren der Universität.

Positive und konservative Verfahren höherer Ordnung

In der Anwendung treten häufig Differentialgleichungssysteme auf, deren Komponenten über das Lösen mit einer vorgegeben Genauigkeit hinaus Anforderungen an die, zur Näherung verwendeten, numerischen Verfahren stellen. Die Arbeit widmet sich hierbei den beiden Forderungen 1. Erhaltung der Positivität aller positiven Größen (z.B. Massen, Konzentrationen, Energie) und 2. Erhaltung der Masse in abgeschlossenen Systemen. Ausgehend von einem komplexen ökologischen 2D Modell zur Beschreibung von Algendynamiken in flachen Gewässern auf Grund der verfügbaren Phosphorvorkommen wird ein problemangepasstes Finite-Volumen-Verfahren entwickelt. Den in diesem Rahmen auftauchenden gewöhnlichen Differentialgleichungssystemen wird spezielle Aufmerksamkeit geschenkt. Es werden die bestehenden Begriffe auf eine gemeinsame formale Basis gestellt und die bestehenden Verfahren (Bruggeman und modifizierte Patankar Ansätze) mit Hilfe dieser vereinheitlichten Basis formuliert. Anschließend werden die diesen Ansätzen jeweils eigenen Schwierigkeiten und Einschränkungen (Ordnungsschranke von zwei, Erhaltung der Konservativität nur für Gleichungen mit einfacher Struktur, nicht für steife Systeme geeignet) betrachtet. Danach werden zwei Verfahrensverallgemeinerungen des modifizierten Patankar Euler Verfahrens präsentiert, welche jeweils eine der bestehenden Schwächen aufhebt. 1. Das extrapolierte mod. Pat. Euler Verfahren ermöglicht in Abhängigkeit des zu Grunde liegenden Problems die Erzeugung von Näherungen beliebig hoher Ordnung. 2. Das verallgemeinerte mod. Pat. Euler Verfahren erlaubt den Erhalt der Masse auch für komplexe Strukturen. Anschließend befasst sich die Arbeit mit der Vorstellung des verwendeten FVV, einer angepassten Form der 2D DLR Taucodes. Im weiteren Verlauf werden sämtliche theoretischen Aussagen zu den Verfahren an Hand entsprechend gewählter praktischer Testfälle demonstriert. Abschließend wird die Wirksamkeit des Gesamtverfahrens in seiner Anwendung auf das Algendynamikmodell vorgeführt.

Ein journalistisches Unterrichtsprojekt als politische Medienbildung

Gegenstand der Arbeit ist ein journalistisches Unterrichtsprojekt zur Förderung einer politischen Medienbildung. Das Projekt wurde deutschlandweit in 20 Haupt- und Gesamtschulklassen mit rund 400 Schülern und Schülerinnen durchgeführt und qualitativ untersucht. Im theoretischen Teil werden Konzepte von Medienbildung, medienpädagogische Ansätze und Ergebnisse empirischer Untersuchungen vorgestellt, die für die Arbeit und das Projekt relevant waren. Kapitel 2 thematisiert das Phänomen „TV-Journalismus“ vor dem Hintergrund der Cultural Studies (v. a. Stuart Hall, Margret Lünenborg) und diskutiert es im Hinblick auf medienpädagogische Fragestellungen. Journalismus wird dabei als ein möglicher Weg gesehen, eine politische Bildung mit einer Medienbildung zu verknüpfen. Allerdings führen die Schwerpunkte Journalismus und Politik auch zu Schwierigkeiten bei der Umsetzung, wenn man bedenkt, dass sowohl journalistische Genres als auch Politik in der jugendlichen Lebenswelt keine maßgebliche Rolle spielen, wie aktuelle Jugendstudien zeigen (z. B. JIM- und Deutsche-Shell-Studien). Sinnvoll erscheint hier die Öffnung entsprechender Konzepte hin zu einem weiteren, lebensweltbezogenen Politik- und Journalismusverständnis, um Jugendlichen Bezugspunkte zu ihrer Alltagswelt zu bieten. Kapitel 3 und 4 stellen leitende theoretische Konzepte von Medienbildung/Medienkompetenz (etwa Winfried Marotzki, Manuela Pietraß) sowie medienpädagogische Ansätze (z. B. den handlungsorientierten, themenzentrierten Ansatz von Bernd Schorb) dar. „Medienbildung“ wird in der Arbeit verstanden als Beziehung des Menschen zu sich selbst und zur gegenständlichen und sozialen Welt, wie sie ihm medienvermittelt begegnet. Bildung ist dann das Ergebnis des kritisch-reflexiven Umgangs mit der medial vermittelten Welt. Eine Medienbildung umfasst dabei auch eine Medienkompetenz im Sinne von medienspezifischem Wissen und Fähigkeiten des Umgangs mit Medien. Eine „politische Medienbildung“ wird in Anlehnung an David Buckingham dann zum einen als ein kritisches „Lesen“ medialer Texte definiert, in welchen die soziale Welt vermittelt wird. Zum anderen bedeutet eine „politische Medienbildung“ auch die eigene Gestaltung medialer Texte und die Teilhabe an einer medialen Kultur. Kapitel 5 beschreibt die konkrete forschungsmethodische Herangehensweise: Das medienpädagogische Projekt wurde qualitativ im Hinblick auf eine Medienbildung untersucht. Anders als in bisherigen Medienkompetenz-Studien wurde nicht nach den Wissenszuwächsen und erlernten Fähigkeiten nach Projektende gefragt. Im Zentrum des Interesses standen die im Unterrichtsprojekt beobachteten Situationen und Prozesse einer reflexiven Auseinandersetzung mit journalistisch vermittelten Themen und Darstellungsweisen. Verschiedene Methoden und Datenquellen wurden miteinander kombiniert, um die Unterrichtsrealität angemessen erfassen zu können. Zu den Erhebungsmethoden gehörten etwa die Unterrichtsaufzeichnung, die Gruppendiskussion und das Sammeln von alltagskulturellem Material. Die dabei gewonnenen Daten wurden mit den Auswertungsverfahren der Text- und Bildanalyse untersucht. Die Ergebnisse folgen schließlich in Kapitel 6. Dieses wird im Hinblick auf die konkretisierten Forschungsfragen differenziert in: • Kapitel 6.1: Hier geht es um die Auseinandersetzung der Schüler/innen mit Wissen über Medien. Relevant sind hier Fragen nach einem Vorwissen von Jugendlichen über journalistische Gestaltungsmittel und wie die Schüler/innen ein solches Vorwissen im Kontext des Unterrichts einbrachten. • Kapitel 6.2: Diese Ergebnisse zeigen auf, wie sich die Jugendlichen mithilfe journalistischer Texte mit einem Thema auseinandersetzten, z. B. wie sie diese hinsichtlich ihrer Glaubwürdigkeit oder ihrer Darstellung bewerteten. • Kapitel 6.3: In diesem Kapitel finden sich Ergebnisse aus den Gruppenarbeiten, in welchen die Schüler/innen selbst ein mediales Konzept entwarfen. Die Aufzeichnungen in den Gruppen deckten auf, wie die Schüler/innen an diese Aufgabe herangingen, welche inhaltlichen Schwerpunkte sie setzten, wie sie Sichtweisen in der Gruppe aushandelten und welche formale Darstellungsweise sie planten. Die Kapitel 6.4 und 7 liefern eine Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse und eine kritische Diskussion, welche Chancen und Probleme ein journalistisches Projekt im Kontext der Schule und insbesondere für die Zielgruppe einer niedrigen Bildungszugehörigkeit mit sich bringt.

Identität der Identität und Differenz von Raum und Zeit bei Schelling mit Blick auf die Relativitäts- und Quantentheorie

In genannter Schrift soll versucht werden, einen aus der Kantschen und Fichteschen Erkenntnistheorie erfolgenden allgemeinen Zusammenhang herzustellen zwischen dem kategorialen Denken hinsichtlich Denken und Anschauen und dem Problem von Raum und Zeit, wie es sich mit der Entwicklung der modernen Physik durch die Relativitäts- und Quantentheorie deutlich aufdrängt. Es wird gezeigt, dass F.W.J. Schelling grundlegende Lösungsansätze hierzu bereitstellt, welche auf dem Gebiet der Logik, der Epistomologie und Naturphilosophie in der Nachfolge von Kant, Fichte und Spinoza stattfinden, jedoch weit über seine Zeit hinausreichen. Diese Ansätze werden von Schelling selbst unter den Begriff einer „Identität der Identität und Differenz“ gesetzt. In der genannten Dissertation sollen Denkbewegungen dargestellt werden, die eine Anbindung der Schellingschen Naturphilosophie an die sich mit den genannten unterschiedlichen Theorien bzw. deren problematischer Vereinheitlichung beschäftigende Physik zu erreichen versuchen. Der formelle Aufbau der Arbeit gehorcht der inhaltlichen Struktur dieser Anbindungsbemühung, insofern unterstellt wird, dass diese rein nur aus einem dialektischen Denken (sowohl in der Erkenntnistheorie, als auch Naturphilosophie) heraus überhaupt erreicht werden kann. So werden sowohl die Tätigkeiten des Verstandes als die des Anschauens in ihrem Zusammenspiel, wie aber auch die Verstandes- und Anschauungstätigkeiten an sich selbst betrachtet, dialektisch vermittelt dargestellt, was innerhalb der formellen Deduktion der Kantschen Kategorien und der korrespondierenden Anschauungsformen selbst durchgeführt wird. Schellings Intention seines späteren Denkens, die philosophischen Probleme auf die Geschichtlichkeit, die Freiheit und den Erfahrungsbezug des Menschen zu beziehen, wird nicht als Gegenposition zu den frühen Ansätze der Logik und Transzendentalphilosophie gedeutet, sondern selbst als Endpunkt einer dialektischen Entwicklung des Schellingschen Denkens gefasst. Dies ergibt folgenden formellen Aufbau der Arbeit: Zunächst wird in einem einleitenden Abschnitt über die Aufgabe der Philosophie selbst und ihrer Darstellbarkeit im Zusammenhang mit der Hegel-Schelling-Kontroverse gearbeitet, um Schelling als adäquaten Bezugspunkt für unsere moderne Diskussion auf der methodischen und sprachlichen Ebene einzuführen. Im Hauptteil werden die wesentlichen Momente der für Schelling wichtigen Transzendentalphilosophie der Jahrhundertwende dargestellt, um diese dann an den späteren phänomenologisch-epistemologischen Ansätzen zu spiegeln. Von der theoretischen Seite kommend werden die Hauptmomente der praktischen Philosophie Schellings aufgezeigt, um dann den Menschen in einem dritten Schritt Symbol der Ununterschiedenheit von logischen und freien Tätigkeiten bzw. von Leib und Seele zu deuten. Diese Resultate bleiben zunächst einmal liegen, um in dem zweiten Hauptabschnitt auf grundlegende naturphilosophische Voraussetzungen und Resultate derjenigen Physik einzugehen, welche die prinzipiellen Verständnisschwierigkeiten der Physik des frühen 20. Jahrhundert in die heutige kosmologische und atomistische Diskussion mitbringt. Der dritte Hauptabschnitt stellt den Versuch dar, Schellings Naturphilosophie an symptomatische Anschauungen der Physik heranzuführen, um ihn als zeitgenössischen Kritiker einzuführen, wie aber auch als einen, der bestimmte moderne naturwissenschaftliche bzw. physikalische Resultate im Besonderen vorwegzunehmen vermochte. Die Einführung seiner Philosophie in aktuelle naturphilosophische Diskussion wird als unabdingbare Voraussetzung zu einem zukünftigen Verständnis des Natur, des Kosmos´ und des Menschen gefordert.

The DIADEM Software Development Methodology extended to Multimedia Interfaces

DIADEM, created by THOMSON-CSF, is a methodology for specifying and developing user interfaces. It improves productivity of the interface development process as well as quality of the interface. The method provides support to user interface development in three aspects. (1) DIADEM defines roles of people involved and their tasks and organises the sequence of activities. (2) It provides graphical formalisms supporting information exchange between people. (3) It offers a basic set of rules for optimum human-machine interfaces. The use of DIADEM in three areas (process control, sales support, and multimedia presentation) was observed and evaluated by our laboratory in the European project DIAMANTA (ESPRIT P20507). The method provides an open procedure that leaves room for adaptation to a specific application and environment. This paper gives an overview of DIADEM and shows how to extend formalisms for developing multimedia interfaces.

Möglichkeiten und Chancen zur Reurbanisierung der historischen Stadtmitte durch stadtplanerische und handlungsstrategische Maßnahmen

Die Untersuchung zeigt, dass die Reurbanisierung der historischen Stadtmitte durch stadtplanerische und handlungsstrategische Maßnahmen eine Chance hat, wenn die Stadtmitte im gesamtstädtischen Kontext und Gleichgewichtsgarant betrachtet wird. Dabei ist das Gleichgewicht zwischen Erneuern, Bewahren, Innovation und Tradition zu wahren und die Stadtentwicklung durch prozessgesteuerte und formale Planung zu steuern.

Systems of Parallel Communicating Restarting Automata

In der vorliegenden Dissertation werden Systeme von parallel arbeitenden und miteinander kommunizierenden Restart-Automaten (engl.: systems of parallel communicating restarting automata; abgekürzt PCRA-Systeme) vorgestellt und untersucht. Dabei werden zwei bekannte Konzepte aus den Bereichen Formale Sprachen und Automatentheorie miteinander vescrknüpft: das Modell der Restart-Automaten und die sogenannten PC-Systeme (systems of parallel communicating components). Ein PCRA-System besteht aus endlich vielen Restart-Automaten, welche einerseits parallel und unabhängig voneinander lokale Berechnungen durchführen und andererseits miteinander kommunizieren dürfen. Die Kommunikation erfolgt dabei durch ein festgelegtes Kommunikationsprotokoll, das mithilfe von speziellen Kommunikationszuständen realisiert wird. Ein wesentliches Merkmal hinsichtlich der Kommunikationsstruktur in Systemen von miteinander kooperierenden Komponenten ist, ob die Kommunikation zentralisiert oder nichtzentralisiert erfolgt. Während in einer nichtzentralisierten Kommunikationsstruktur jede Komponente mit jeder anderen Komponente kommunizieren darf, findet jegliche Kommunikation innerhalb einer zentralisierten Kommunikationsstruktur ausschließlich mit einer ausgewählten Master-Komponente statt. Eines der wichtigsten Resultate dieser Arbeit zeigt, dass zentralisierte Systeme und nichtzentralisierte Systeme die gleiche Berechnungsstärke besitzen (das ist im Allgemeinen bei PC-Systemen nicht so). Darüber hinaus bewirkt auch die Verwendung von Multicast- oder Broadcast-Kommunikationsansätzen neben Punkt-zu-Punkt-Kommunikationen keine Erhöhung der Berechnungsstärke. Desweiteren wird die Ausdrucksstärke von PCRA-Systemen untersucht und mit der von PC-Systemen von endlichen Automaten und mit der von Mehrkopfautomaten verglichen. PC-Systeme von endlichen Automaten besitzen bekanntermaßen die gleiche Ausdrucksstärke wie Einwegmehrkopfautomaten und bilden eine untere Schranke für die Ausdrucksstärke von PCRA-Systemen mit Einwegkomponenten. Tatsächlich sind PCRA-Systeme auch dann stärker als PC-Systeme von endlichen Automaten, wenn die Komponenten für sich genommen die gleiche Ausdrucksstärke besitzen, also die regulären Sprachen charakterisieren. Für PCRA-Systeme mit Zweiwegekomponenten werden als untere Schranke die Sprachklassen der Zweiwegemehrkopfautomaten im deterministischen und im nichtdeterministischen Fall gezeigt, welche wiederum den bekannten Komplexitätsklassen L (deterministisch logarithmischer Platz) und NL (nichtdeterministisch logarithmischer Platz) entsprechen. Als obere Schranke wird die Klasse der kontextsensitiven Sprachen gezeigt. Außerdem werden Erweiterungen von Restart-Automaten betrachtet (nonforgetting-Eigenschaft, shrinking-Eigenschaft), welche bei einzelnen Komponenten eine Erhöhung der Berechnungsstärke bewirken, in Systemen jedoch deren Stärke nicht erhöhen. Die von PCRA-Systemen charakterisierten Sprachklassen sind unter diversen Sprachoperationen abgeschlossen und einige Sprachklassen sind sogar abstrakte Sprachfamilien (sogenannte AFL's). Abschließend werden für PCRA-Systeme spezifische Probleme auf ihre Entscheidbarkeit hin untersucht. Es wird gezeigt, dass Leerheit, Universalität, Inklusion, Gleichheit und Endlichkeit bereits für Systeme mit zwei Restart-Automaten des schwächsten Typs nicht semientscheidbar sind. Für das Wortproblem wird gezeigt, dass es im deterministischen Fall in quadratischer Zeit und im nichtdeterministischen Fall in exponentieller Zeit entscheidbar ist.

Adaptive Real-time Anomaly-based Intrusion Detection using Data Mining and Machine Learning Techniques

Die zunehmende Vernetzung der Informations- und Kommunikationssysteme führt zu einer weiteren Erhöhung der Komplexität und damit auch zu einer weiteren Zunahme von Sicherheitslücken. Klassische Schutzmechanismen wie Firewall-Systeme und Anti-Malware-Lösungen bieten schon lange keinen Schutz mehr vor Eindringversuchen in IT-Infrastrukturen. Als ein sehr wirkungsvolles Instrument zum Schutz gegenüber Cyber-Attacken haben sich hierbei die Intrusion Detection Systeme (IDS) etabliert. Solche Systeme sammeln und analysieren Informationen von Netzwerkkomponenten und Rechnern, um ungewöhnliches Verhalten und Sicherheitsverletzungen automatisiert festzustellen. Während signatur-basierte Ansätze nur bereits bekannte Angriffsmuster detektieren können, sind anomalie-basierte IDS auch in der Lage, neue bisher unbekannte Angriffe (Zero-Day-Attacks) frühzeitig zu erkennen. Das Kernproblem von Intrusion Detection Systeme besteht jedoch in der optimalen Verarbeitung der gewaltigen Netzdaten und der Entwicklung eines in Echtzeit arbeitenden adaptiven Erkennungsmodells. Um diese Herausforderungen lösen zu können, stellt diese Dissertation ein Framework bereit, das aus zwei Hauptteilen besteht. Der erste Teil, OptiFilter genannt, verwendet ein dynamisches "Queuing Concept", um die zahlreich anfallenden Netzdaten weiter zu verarbeiten, baut fortlaufend Netzverbindungen auf, und exportiert strukturierte Input-Daten für das IDS. Den zweiten Teil stellt ein adaptiver Klassifikator dar, der ein Klassifikator-Modell basierend auf "Enhanced Growing Hierarchical Self Organizing Map" (EGHSOM), ein Modell für Netzwerk Normalzustand (NNB) und ein "Update Model" umfasst. In dem OptiFilter werden Tcpdump und SNMP traps benutzt, um die Netzwerkpakete und Hostereignisse fortlaufend zu aggregieren. Diese aggregierten Netzwerkpackete und Hostereignisse werden weiter analysiert und in Verbindungsvektoren umgewandelt. Zur Verbesserung der Erkennungsrate des adaptiven Klassifikators wird das künstliche neuronale Netz GHSOM intensiv untersucht und wesentlich weiterentwickelt. In dieser Dissertation werden unterschiedliche Ansätze vorgeschlagen und diskutiert. So wird eine classification-confidence margin threshold definiert, um die unbekannten bösartigen Verbindungen aufzudecken, die Stabilität der Wachstumstopologie durch neuartige Ansätze für die Initialisierung der Gewichtvektoren und durch die Stärkung der Winner Neuronen erhöht, und ein selbst-adaptives Verfahren eingeführt, um das Modell ständig aktualisieren zu können. Darüber hinaus besteht die Hauptaufgabe des NNB-Modells in der weiteren Untersuchung der erkannten unbekannten Verbindungen von der EGHSOM und der Überprüfung, ob sie normal sind. Jedoch, ändern sich die Netzverkehrsdaten wegen des Concept drif Phänomens ständig, was in Echtzeit zur Erzeugung nicht stationärer Netzdaten führt. Dieses Phänomen wird von dem Update-Modell besser kontrolliert. Das EGHSOM-Modell kann die neuen Anomalien effektiv erkennen und das NNB-Model passt die Änderungen in Netzdaten optimal an. Bei den experimentellen Untersuchungen hat das Framework erfolgversprechende Ergebnisse gezeigt. Im ersten Experiment wurde das Framework in Offline-Betriebsmodus evaluiert. Der OptiFilter wurde mit offline-, synthetischen- und realistischen Daten ausgewertet. Der adaptive Klassifikator wurde mit dem 10-Fold Cross Validation Verfahren evaluiert, um dessen Genauigkeit abzuschätzen. Im zweiten Experiment wurde das Framework auf einer 1 bis 10 GB Netzwerkstrecke installiert und im Online-Betriebsmodus in Echtzeit ausgewertet. Der OptiFilter hat erfolgreich die gewaltige Menge von Netzdaten in die strukturierten Verbindungsvektoren umgewandelt und der adaptive Klassifikator hat sie präzise klassifiziert. Die Vergleichsstudie zwischen dem entwickelten Framework und anderen bekannten IDS-Ansätzen zeigt, dass der vorgeschlagene IDSFramework alle anderen Ansätze übertrifft. Dies lässt sich auf folgende Kernpunkte zurückführen: Bearbeitung der gesammelten Netzdaten, Erreichung der besten Performanz (wie die Gesamtgenauigkeit), Detektieren unbekannter Verbindungen und Entwicklung des in Echtzeit arbeitenden Erkennungsmodells von Eindringversuchen.

Gasleckortungsmethoden für autonome mobile Inspektionsroboter mit optischer Gasfernmesstechnik in industrieller Umgebung

In vielen Industrieanlagen werden verschiedenste Fluide in der Produktion eingesetzt, die bei einer Freisetzung, z. B. durch ihre toxische oder karzinogene Eigenschaft oder wegen der Brand- und Explosionsgefahr, sowohl die Umwelt als auch Investitionsgüter gefährden können. In Deutschland sind zur Risikominimierung die maximal zulässigen Emissionsmengen von Stoffen und Stoffgruppen in verschiedenen Umweltvorschriften festgelegt, wodurch zu deren Einhaltung eine ausreichende Überwachung aller relevanten Anlagenkomponenten seitens der Betreiber notwendig ist. Eine kontinuierliche und flächendeckende Überwachung der Anlagen ist aber weder personell, noch finanziell mit klassischer In-situ-Sensorik realisierbar. In der vorliegenden Arbeit wird die Problemstellung der autonomen mobilen Gasferndetektion und Gasleckortung in industrieller Umgebung mittels optischer Gasfernmesstechnik adressiert, die zum Teil im Rahmen des Verbundprojekts RoboGasInspector entstand. Neben der Beschreibung des verwendeten mobilen Robotersystems und der Sensorik, werden die eingesetzten Techniken zur Messdatenverarbeitung vorgestellt. Für die Leckortung, als Sonderfall im Inspektionsablauf, wurde die TriMax-Methode entwickelt, die zusätzlich durch einen Bayes-Klassifikator basierten Gasleckschätzer (Bayes classification based gas leak estimator (BeaGLE)) erweitert wurde, um die Erstellung von Leckhypothesen zu verbessern. Der BeaGLE basiert auf Techniken, die in der mobilen Robotik bei der Erstellung von digitalen Karten mittels Entfernungsmessungen genutzt werden. Die vorgestellten Strategien wurden in industrieller Umgebung mittels simulierter Lecks entwickelt und getestet. Zur Bestimmung der Strategieparameter wurden diverse Laborund Freifelduntersuchungen mit dem verwendeten Gasfernmessgerät durchgeführt. Die abschließenden Testergebnisse mit dem Gesamtsystem haben gezeigt, dass die automatische Gasdetektion und Gaslecksuche mittels autonomer mobiler Roboter und optischer Gasfernmesstechnik innerhalb praktikabler Zeiten und mit hinreichender Präzision realisierbar sind. Die Gasdetektion und Gasleckortung mittels autonomer mobiler Roboter und optischer Gasfernmesstechnik ist noch ein junger Forschungszweig der industriellen Servicerobotik. In der abschließenden Diskussion der vorliegenden Arbeit wird deutlich, dass noch weitergehende, interessante Forschungs- und Entwicklungspotentiale erkennbar sind.