Konrad-Zuse-Zentrum Für Informationstechnik Berlin Takustraße 7 D-14195 Berlin-Dahlem

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Herausgegeben vom Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin Takustraße 7 D-14195 Berlin-Dahlem

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Gestaltung CB.e Clausecker | Bingel AG, Agentur für Kommunikation

ISSN: 0934-5892

Vorwort

Am 1. Oktober 2012 hat Prof. Dr. Dr. h.c. Peter Deuflhard, der über 25 Jahre Präsident des Kon- rad-Zuse-Zentrums war, den Staffelstab an mich weitergegeben. Eine passendere Stelle als das Vorwort zum Jahresbericht 2012 gibt es nicht, um Dank zu sagen. Das möchte ich hier ganz per- sönlich und auch im Namen aller Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des ZIB tun. Peter Deuflhard hat das ZIB mit ganzem Herzen, großem intellektuellem und hohem persönlichem Einsatz zu einem exzellenten wissenschaftlichen Institut entwickelt. Ich danke für sein Engagement, die gute kollegiale Zusammenarbeit und seinen festen Stand „auf der Brücke“ – insbesondere bei hohem Wellengang.

Im vergangenen Jahr gab es für das ZIB eine zweite wichtige personelle Veränderung. Wir konnten Prof. Dr. Christof Schütte, unseren Wunschkandidaten, als neuen Vizepräsidenten gewinnen. Er ist Hochschullehrer im Fachbereich Mathematik und Informatik der Freien Universität Berlin und dem ZIB seit vielen Jahren verbunden.

Wie in den Jahren zuvor stellen wir in diesem Jahresbericht unseren interessierten Freunden, Kooperationspartnern und aufmerksamen Beobachtern nur einige wenige ausgewählte Leucht- turmprojekte im Detail vor. Die Gesamtheit der Projekte, die Publikationen und wissenschaftlichen Aktivitäten finden sich auf unseren Webseiten (www.zib.de).

Das ZIB war wie bisher in einer Fülle von Projekten aus seinen Anwendungsschwerpunkten in der Mathematik und Informatik aktiv. In der Abteilung „Numerische Analysis und Modellierung“ lag der Focus z. B. auf dem mathematischen Entwurf von Implantaten, der Spurensuche im Trink- wasser, optischen Resonanzen in Nanostrukturen und auf der modellgestützten Medikation in der Reproduktionsmedizin.

In der „Visualisierung und Datenanalyse“ haben wir u.a. folgende Projekte bearbeitet: die realistische 3D-Modellierung von neuronalen Netzwerken auf Basis von Mikroskopiebildern sowie die 3D-Rekonstruktion von anatomischen Strukturen aus 2D-Röntgenbildern für die individualisierte Therapieplanung. Weiterhin haben wir eine Software für iPads entwickelt, die es Museen ermöglicht, Kontexte zu Exponaten begreifbar zu machen; sie wurde erfolgreich im Pergamon- museum eingesetzt.

In der „Optimierung“ haben wir uns im Jahr 2012 neben vielem anderem mit robusten Kommu- nikationsnetzen und mit der Optimierung des Mautkontrollsystems auf deutschen Autobahnen beschäftigt; wir haben die Organisation des ISMP 2012 (mit über 1.700 Vorträgen) durch mathematische Optimierung unterstützt und verbesserte Methoden der ganzzahligen Programmierung für das „Supply Chain Management“ entwickelt.

Im der Abteilung „Wissenschaftliche Information“ standen die Dokumentenklassifikation sowie verschiedene Hosting-Projekte für Bibliotheksanwendungen im Vordergrund. Seit Oktober 2012 ist die neue Servicestelle Digitalisierung des Landes Berlin „digiS“ am ZIB beheimatet. Das Pro- jekt „EWIG“ beschäftigte sich mit Workflowkomponenten für die Langzeitarchivierung von For- schungsdaten in den Geowissenschaften.

Zentrale Themen im Bereich „Informatik“ waren das verteilte Datenmanagement sowie die Bear- beitung skalierbarer und hardwarenaher Algorithmen. Der neue Supercomputer HLRN-III wurde mit einem Investitionsvolumen von 30 Mio. € ausgeschrieben, im Dezember 2012 ging der Bau- auftrag an die Firma Cray. Der neue Großrechner wird den HLRN-II im September 2013 ablösen. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Vorwort | 2

Die Summe aller Projekte führte zu einer Einwerbung von Drittmitteln in Höhe von fast 5 Mio. €. Wie in den Vorjahren war das ZIB in zahlreichen Kooperationen mit FU, HU, TU und Charité sowie mit vielen außeruniversitären Forschungseinrichtungen aktiv. Das von TU, FU, HU, WIAS und ZIB gemeinsam getragene DFG-Forschungszentrum Matheon ist bis Mitte 2014 durch die DFG-Förderung gesichert. Im Mai 2012 bewilligte die Einstein Stiftung das Einsteinzentrum ECMath. Es soll nach Ablauf der Matheon-Förderung seine Arbeit aufnehmen. In einer Start-up- Phase werden derzeit die institutionellen Strukturen für eine enge Kooperation zwischen dem Matheon, der Berlin Mathematical School (BMS) und dem Deutschen Zentrum für Lehrerbildung in der Mathematik (DZLM) geschaffen.

Erfolgreiche Verbundprojekte im Bereich „Service“ des ZIB sind weiterhin der Kooperative Bibliotheksverbund Berlin-Brandenburg (KOBV), das landeseigene Wissenschaftsnetz BRAIN und unsere langfristige Datenarchivierung sowie die bereits erwähnte neue Servicestelle Digitalisie- rung digiS.

Der Wissenschaftliche Beirat des ZIB tagte am 24. und 25. September 2012. Wir sind erschüttert darüber, dass uns Prof. Dr. Michael Hofmeister hierbei letztmalig mit seinem Rat und seiner Ex- pertise zur Seite stand. Im Februar 2013 vernahmen wir die traurige Nachricht von seinem Tod. Er war dem ZIB über viele Jahre verbunden. Wir werden ihn als kompetenten und freundlichen Kollegen in Erinnerung behalten.

Der Wissenschaftliche Beirat würdigte in seiner Sitzung die Arbeit des langjährigen Präsidenten Prof. Deuflhard und den gleichbleibend hohen Stand der wissenschaftlichen Arbeit im ZIB, die „sowohl in der Grundlagenforschung als auch bei der Umsetzung von Anwendungsproblemen zu spektakulären Ergebnissen in ganz unterschiedlichen Bereichen führt“. Zusammenfassend führte er aus:

„Durch seine wissenschaftlichen Erfolge ist das ZIB ein Aushängeschild für Berlin, das junge Wis- senschaftler nach Berlin zieht und den Arbeitsmarkt durch Spin-Offs bereichert“.

Ende September konnte das ZIB einen weiteren spektakulären Erfolg verbuchen. Zusammen mit der Freien Universität gewann es (bei 96 Antragstellern und als einziger Antrag aus der Mathe- matik) eines der zehn vom Bundesministerium für Bildung und Forschung ausgeschriebenen Projekte der Förderinitiative „Forschungscampus – öffentlich-private Partnerschaft für Innova tionen“. Hierdurch wird die langfristige Zusammenarbeit von ZIB und FU mit Industrieunterneh- men mit rund 20 Mio. € gefördert.

Wir gehen trotz mancher finanzieller Engpässe zuversichtlich in das neue Jahr 2013. Wir sind stolz auf unsere hoch motivierten Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, auf die hervorragenden For scherinnen und Forscher, die erneut vielfache wissenschaftliche Auszeichnungen erhalten haben. Auch im Jahr 2012 haben wir wiederum große, anspruchsvolle Forschungsprojekte eingeworben und zur Lösung wichtiger Fragen in der Mathematik und Informatik beigetragen. Wir sind ent- schlossen, den Weg, den wir eingeschlagen haben, gemeinsam erfolgreich und kraftvoll weiter- zugehen.

Berlin, im April 2013

Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Martin Grötschel Präsident konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Vorwort | 3

Gebäude des Konrad-Zuse-Zentrums für Informationstechnik Berlin in Berlin-Dahlem konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin INHALT | 4 inhalt

8 Executive Summary 10 Konrad Zuse – Der Namenspatron des ZIB 12 Peter Deuflhard und das ZIB 14 Das Zuse-Institut Berlin: „Schnelle Algorithmen – Schnelle Rechner“ 16 Gliederung der Wissenschaftlichen Bereiche 18 Organisationsstruktur des ZIB 20 Wirtschaftliche Situation 21 Personelle Entwicklung 22 Organisation 25 Spin-Off Firmen

28 Numerische Analysis und Modellierung 32 Implantatdesign 34 Spurenstoffe im Trinkwasser 36 Optische Resonanzen in Nanostrukturen 38 Modellgestützte Medikation in der Reproduktionsmedizin 40 Projekte der Abteilung Numerische Analysis und Modellierung

42 Visualisierung und Datenanalyse 46 3D-Modellierung und visuelle Analyse von neuronalen Netzen 48 Anatomische 3D-Modelle aus Röntgenbildern für die individualisierte Therapieplanung 50 Antike Kontexte begreifbar machen – iPads im Pergamonmuseum 52 Projekte der Abteilung Visualisierung und Datenanalyse

54 Optimierung 58 Autobahnmautkontrolle 60 Robuste Kommunikationsnetze 62 Supply Chain Management 64 Mathematik in der Konferenzplanung 66 Projekte der Abteilung Optimierung

68 Wissenschaftliche Information 72 Webtechnologie und Multimedia 74 Kooperativer Bibliotheksverbund Berlin-Brandenburg (KOBV) 76 digiS – Spartenübergreifende Beratungsstelle für Digitalisierungsprojekte 77 EWIG – Langzeitarchivierung von Forschungsdaten in den Geowissenschaften 78 Projekte der Abteilung Wissenschaftliche Information 79 Projekte der Abteilung KOBV

80 Parallele und verteilte Systeme 84 Große Pattern Datenbanken für heuristische Suchverfahren 86 Modellierung von Transaktionen in Graphdatenbanken 88 MosGrid: Molecular Simulation Grid 90 Projekt Enhance: Heterogene Rechner einfacher erschließen 92 Projekte der Abteilung Parallele und Verteilte Systeme konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin inhalt | 5

94 Supercomputing 96 Der HLRN-Supercomputer am ZIB 98 HLRN-Fachberatung 100 BRAIN – Das Berliner Wissenschaftsnetz

102 IT-Service 104 IT-Service 106 Zentrale Datenhaltung im ZIB

108 Fakten und Zahlen 111 Wissenschaftliche Nachwuchsförderung 112 Auszeichnungen und Rufe 113 Publikationen 123 Vorträge und Lehrveranstaltungen von ZIB-Mitarbeitern und -Mitarbeiterinnen 137 Tagungen und Gäste am ZIB 140 Mathematik und Informatik für die Öffentlichkeit 141 Software und Service

Allgemeiner Teil

Excecutive Summary

Konrad Zuse – der Namenspatron des ZIB

Peter Deuflhard und das ZIB

DAs Zuse-Institut Berlin

Gliederung der wissenschaftlichen Bereiche

Organisationsstruktur des ZIB

Wirtschaftliche Situation

Personelle Entwicklung

Organisation

Spin-off-Firmen konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin excecutive summary | 8

Excecutive Summary

Fast Algorithms – Fast Computers Numerical Mathematics The Zuse Institute has, in its more than 25 This area divides into the two departments years of existence, been driven by the ambi- „Numerical Analysis and Modelling“, and „Visu- tion to reach high performance in whatever alization and Data Analysis“ that concentrate it does. In this period it has developed into on the modeling, simulation and optimization an institution that combines research, devel- of complex systems from the life sciences, ma- opment, and service in a unique way for the terial sciences and optical technologies, and on benefit of science, industry and society. The the corresponding development of novel and abbreviation ZIB has become an international effective methods for visual data analysis. trademark. Our colleagues, partners, and cus- tomers can be sure that we deliver. 2012 was a year with many exceptional research highlights of which we can only report a Challenging applications from science and en- few in detail: From the departments “Numeri- gineering, economy, or information technolo- cal Analysis and Modelling“ we focus on (A) gy are the focus of our research. We combine the optimal design of implants and the under- deep insights of mathematical methodology lying progress in PDE-constrained non-convex and powerful machinery of modern comput- optimization problems, (B) on new techniques er science to design and analyze algorithms for detecting trace elements and their transfor- theoretically and to provide implementations mation products in the water cycle and for ana- that stand the test of practice. Many projects lyzing potential risks, (C) on a new finite-ele- funded by industry, DFG, BMBF, etc. are testi- ment code for reliable simulation and design of monials of our success. This work is done in nano-optical devices with unrivalled efficiency, ZIB’s branches Numerical Mathematics, Dis- and (D) on the model-based optimal medica- crete Mathematics, and Computer Science tion in reproduction medicine. which are linked by professorships to FU, TU, and HU. ZIB is fully integrated in many col- From the department „Visualization and Data laborative research activities in Berlin, most Analysis“ we highlight (A) the construction notably in the DFG Research Center Matheon of 3D-anatomy models based on clinical 2D- and the Berlin Mathematical School. Several X-ray images and its application in medical spin-off companies grew out of our activities. diagnostics and therapy planning, (B) the full- They provide exciting new jobs and transfer complexity 3D-modelling and visual analysis our research directly into industry. of neuronal nets based on experimental image data for the somatosensoric cortex of the rat, We work hard to deliver top quality service and (C) the iPad-based visual guide developed in high performance computing on our fast in ZIB that was successfully used in an exhibi- computers to which only top scientists get tion of the Pergamon museum. access in case they pass the filter of our external Evaluation Committee. ZIB provides On May 9, the Executive Board of the Einstein additional support by its internal „HPC pilots“ Foundation established the new Einstein Cent- who help making best use of the HLRN com- er for Mathematics Berlin (ECMath) as the first puting power. center of its kind. The area Numerical Math- ematics was strongly involved in the concep- The last years have seen a significant growth tual design of two of the Innovation Areas of of various IT-services for a broad scientific ECMath, „Mathematics in Clinical Research“ community. ZIB hosts the Kooperativer Bibli- and Health Care and Mathematics in Optical otheksverbund Berlin-Brandenburg (KOBV), a Technologies. A good example for the kind of consortium of all university, public and many research and knowledge transfer intended to other libraries in Berlin and Brandenburg and take place in ECMATH is our spin-off company provides a large number of electronic ser- „1000Shapes“ that was granted the first Trans- vices for librarians and library users. ZIB also fer Award of the DFG Research Center Matheon operates 2,000 km of fiber cables that connect in May 2012. 150 locations of 45 scientific and cultural in- stitutions in Berlin. ZIB offers various scientific information services, and in 2012, it was chosen to host the Berlin Service Center for Digitalization „digiS“. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin excecutive summary | 9

Discrete Mathematics Computer Science The two departments Optimization and Sci- This area carries out research and service pro- entific Information of this area contribute to jects in the fields of high performance com- the progress and the promotion of scientific puting, data management, and wide area net- computing methods for the solution of difficult works. It divides into the departments „Parallel problems in technology and society. The year and Distributed Systems“, „Supercomputing“, 2012 was extraordinarily successful with re- and „IT-Service“. spect to the participation in and the acquisition of collaborative research endeavors. From the „Parallel and Distributed Systems“ department we selected three research high- On January 1, the new DFG Collaborative Re- lights for this report. The first is perhaps the search Center (SFB 1026) „Sustainable Manu- most impressive: We were able to build pow- facturing – Shaping Global Value Creation“ erful heuristics, so-called pattern databases, (Chair Prof. Seliger, TU Berlin) took off. Two for solving shortest path problems in explicitly mathematical projects in this Sonderforschun- defined graphs. Our pattern databases are two gsbereich, A5 Multicriteria Optimization (a joint to three orders of magnitude larger than any project with the combinatorics group at TU previously published table. The second project Berlin) and A6 System Dynamics, establish a is on the modelling of transactions in graph da- strong link of the ZIB Optimization department ta-bases by graph transformation. It allows to into an exciting area in engineering. check the consistency and to analyze extremely big data volumes, such as those collected by On September 25, the BMBF granted to ZIB social networks. The third project is on com- and its partner FU Berlin the Research Campus plex computational workflows in quantum Mathematical Optimization and Data Analysis chemistry, molecular dynamics, and molecular Laboratory (MODAL) as a part of the Hightech docking in the German D-Grid. The fourth pro- Strategy 2020 of the German Government. ject aims at lowering the barriers for the use of Three of the four labs of MODAL, the RailLab, energy-efficient graphics processors (GPUs). the GasLab, and the SynLab, are „spin-offs“ of We developed a performance framework that the respective research groups at our Optimi- predicts the runtime behavior of real-world ap- zation department. The advancement of MOD- plications for GPUs and thereby helps develop- AL will be a considerable future challenge. ers in porting their codes from CPUs to GPUs.

This year we report in detail about the optimi- The „Supercomputing“ department spent zation of toll control tours, the design of robust much time and effort on the European procure- telecommunication networks, methods for ment for the next HLRN supercomputer. In De- solving large-scale supply chain management cember 2012 we signed the contract with Cray problems and conference planning with inte- and we are now eagerly awaiting the installa- ger programming. tion of the new Cray Cascade system in August 2013. The new system will be almost ten times The Scientific Information department sup- as powerful as the current unit, although it will ports a large number of libraries and museums occupy only one fourth of the floorspace. and continues the development of its highly esteemed organizational and IT-services. This The „IT Service“ department extended in 2012 year we report about our web technology and its archival storage capacity by installing new multimedia activities, the KOBV (Kooperativer tape drives. Apart from the 5-fold increased Bibliotheksverbund Berlin-Brandenburg) ser- data capacity, the new drives provide an end- vice and the development of work flow com- to-end integrity check in order to avoid silent ponents for long term archiving. We are proud data corruption. that the State of Berlin decided to locate its Ser- vice Center for Digitalization (digiS) at ZIB. This project started its pilot phase in October 2012 and has the task to coordinate and support digitalization efforts of cultural assets in Berlin. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin konrad zuse – der namenspatron des zib | 10

KONRAD ZUSE – DER NAMENSPARTRON DES ZIB

Konrad Zuse, geboren 1910 in Berlin, ist der Namenspatron des Konrad-Zuse-Zentrums für Informationstechnik Berlin (ZIB). Nach dem Abitur studierte er Maschinenbau und Architektur am Vorläufer der heutigen TU Berlin. Mit der Z3 entwickelte er 1941 den weltweit ersten frei programmierbaren Computer. Nach Ende des Zweiten Weltkriegs baute er seine eigene Firma auf, die Zuse KG. Nach seiner Pensionierung widmete er sich vermehrt seiner zweiten Leidenschaft: der Malerei. Konrad Zuse, der selbst nie promoviert hat, erhielt zahlreiche Ehren- doktoren und Auszeichnungen. Er verstarb 85-jährig in Hünfeld bei Fulda. Im Jahr 2010 wurde anlässlich des 100. Geburtstages von Konrad Zuse mit vielen Veranstaltungen deutschlandweit an sein Wirken erinnert.

Konrad Zuse, heute bekannt als der Erfinder des weltweit ersten frei programmierbaren Compu- ters, ist der Namenspatron des ZIB.

Berufung zwischen Kunst und Technik Konrad Zuse wurde 1910 in Berlin geboren. Er besaß eine ausgeprägte Begabung für Technik und Kunst und machte schon als Kind erste intelligente Erfindungen. So entwarf er bereits in der Schulzeit ein Straßensystem für seine visionäre Zukunftsstadt, inspiriert durch den Film „Metro- polis“ (unser heutiges ZIB-Logo). Er versuchte sich an einem „automatisierten Fotolabor“ und an einem „Geld wechselnden Warenautomaten“.

1928 legte er sein Abitur in Hoyerswerda ab und nahm an der Technischen Hochschule Berlin- Charlottenburg (Vorläufer der TU Berlin) zunächst das Studium des Maschinenbaus auf, wechselte dann aber schnell zur Architektur und schließlich zum Bauingenieurwesen. Diese Kombination deckte beide Interessengebiete ab, die ihm wichtig waren, damit konnte er zugleich Ingenieur und Künstler sein.

Computerbau im Wohnzimmer Nach dem Abschluss seines Ingenieurstudiums arbeitete er als Statiker bei den Henschel Flug- zeugwerken in Schönefeld, gleichzeitig baute er im Wohnzimmer seiner Eltern eine „Erfinder- werkstatt“ auf. Er sammelte Geld von Freunden und in der Familie, um das Werkzeug und die Bauteile bezahlen zu können. Das Resultat war der 1938 fertig gestellte, zunächst noch vollme- chanische, programmierbare Ziffernrechner Z1, der seine Befehle von Lochstreifen ablas. Erst- mals verwendet er das binäre Zahlensystem, um die Programme zu steuern. Der Ingenieur Zuse verstand schon früh die Einheit von arithmetischen und logischen Operationen. Das Versuchs- modell Z1 war wegen der in der Praxis fehlenden Genauigkeit seiner mechanischen Bauteile jedoch nie funktionsfähig.

1940 erhielt er von der Aerodynamischen Versuchsanstalt (Göttingen) Unterstützung. Er baute die Z2, eine verbesserte Version der Z1 mit Telefonrelais, im gleichen Jahr gründete er die „Zuse Apparatebau“, um programmierbare Rechner herzustellen. Es folgte 1941 die Entwicklung der Z3 in einer kleinen Wohnung in der Berlin-Kreuzberger Methfesselstraße. Die Z3 gilt heute als erster funktionstüchtiger Computer der Welt. Zwischen 1945 und 1947 entwickelte Konrad Zuse auch den Plankalkül, die erste objektorientierte Programmiersprache der Welt, die allerdings erst Jahr- zehnte später publiziert wurde. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin konrad zuse – der namenspatron des zib | 11

KONRAD ZUSE ALS UNTERNEHMER 1945 wurde die Z3 durch Bomben zerstört. Die zu diesem Zeitpunkt teilweise fertig gestellte Z4 war rechtzeitig von seinen Mitarbeitern zerlegt, verpackt und nach Süddeutschland, in ein Dorf im Allgäu, in Sicherheit gebracht worden. Dort besuchten ihn die Schweizer Mathematiker Eduard Stiefel und Heinz Rutishauser und schauten sich den Rechner an, der in einer Scheune stand. Die Z4 war die einzige in Europa verfügbare Maschine. Konrad Zuse erhielt 30.000 Franken, die Z4 wurde fertig gestellt und an der ETH Zürich installiert. Es war das erste Mal, dass ein Rechner seinem Schöpfer wirtschaftlichen Erfolg bescherte.

1949 gründete Konrad Zuse in Neukirchen die Zuse KG. Bis 1967 baute die Firma insgesamt 251 Computer. 1964 verließ Konrad Zuse sein Unternehmen, es wurde zunächst von der BBC Mann- heim, Anfang 1967 dann von Siemens übernommen.

DER KÜNSTLER KUNO SEE Nach seiner Pensionierung widmete er sich seiner zweiten großen Leidenschaft – der Malerei. Un- ter dem Pseudonym „Kuno See“ schuf er abstrakte Bilder und Portraits berühmter Zeitgenossen. Zwei seiner Bilder hängen heute als Schenkung Zuses in den Räumlichkeiten des ZIB.

Konrad Zuse erhielt zahlreiche Würdigungen, u. a. wurden ihm das Bundesverdienstkreuz sowie im Jahre 1995 das Große Bundesverdienstkreuz mit Stern und Schulterband, zahlreiche Ehren- doktortitel und zwei Ehrenprofessuren verliehen. Er erlebte die Vorplanungen für den Neubau des Konrad-Zuse-Zentrums für Informationstechnik Berlin noch mit, ein Jahr nach seinem Tod wurde das neue Gebäude in Berlin-Dahlem eingeweiht.

Quellen

Konrad Zuse: Der Computer: Mein Lebenswerk. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1984.

Wolfgang K. Giloi: Die Ungnade der frühen Geburt. Vortrag, gehalten am 12.12.1996 in memoriam Konrad Zuse.

Jürgen Alex, Hermann Flessner, Wilhelm Mons, Horst Zuse: Konrad Zuse: Der Vater des Computers. Fulda 2000.

Raul Rojas (Hrsg.): Die Rechenmaschinen von Konrad Zuse. Springer, Berlin 1998.

Hadwig Dorsch: Der erste Computer. Konrad Zuses Z1 – Berlin 1936. Beginn und Entwicklung einer technischen Revolution. Mit Beiträgen von Konrad Zuse und Otto Luhrs. Museum für Verkehr und Technik, Berlin 1989.

Clemens Kieser: „Ich bin zu faul zum Rechnen“– Konrad Zuses Computer Z22 im Zentrum für Kunst und Medientechnologie Karlsruhe. In: Denkmalpflege in Baden-Württemberg, 4/34/2005, Esslingen am Neckar, S. 180–184.

Arno Peters: Was ist und wie verwirklicht sich Computer-Sozialismus: Gespräche mit Konrad Zuse. Verlag Neues Leben, Berlin 2000.

Paul Janositz: Informatik und Konrad Zuse: Der Pionier des Computerbaus in Europa – Das verkannte Genie aus Adlershof. In: Der Tagesspiegel Nr. 19127, Berlin, 9. März 2006, Beilage Seite B3.

Friedrich Christian Delius: Die Frau, für die ich den Computer erfand. Biographischer Roman,Rowohlt, Reinbek bei Hamburg 2009. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Peter Deuflhard und das ZIB | 12

Peter Deuflhard und das ZIB Eine persönliche Sicht auf den langjährigen Präsidenten des ZIB, die besondere Qualität seines Wirkens und die Konsequenzen daraus Christof Schütte, Peter Deuflhards Nachfolger im ZIB

 Zum Abschluss des zu seinen Ehren veran stalteten Wissenschaft liche Kolloquiums „Mathematics in our changing world – How visions shape reality“ erhält Peter Deuflhard die goldene Ehrennadel der Freien Universität Berlin (FU) aus den Händen des Kanzlers der FU, Peter Lange. Quelle: FU Berlin

Als Peter Deuflhard 1986 die Leitung des ZIB übernahm, begann eine neue Ära – nicht nur für das ZIB. Aus einer als Rechenzentrum mit Dienstleistungsaufgaben konzipierten Einrichtung entwickelte er das erste deutsche Forschungsinstitut für Scientific Computing, das „in der Summe der wissenschaftlichen Bemühungen in angewandter Mathematik und Informatik die Komplexitäts- grenze der auf Computern simulierten technischen Anwendungen möglichst weit vorschieben“ solle, so seine eigene Formulierung in seinem Konzeptpapier „Plädoyer für die Errichtung eines Zentrum für Scientific Computing“ aus dem Oktober 1984.

Das ist nun fast 30 Jahre her und das ZIB hat dieses Ziel durch das Wirken von Peter Deuflhard und seinen Mitstreitern in vielerlei Anwendungsfeldern immer und immer wieder erreicht und verfügt deshalb über höchste internationale Sichtbarkeit. Peter hat mit herausragenden wissenschaftlichen Erfolgen dazu beigetragen: Er leistete bahnbrechende Beiträge zur Numerischen Mathematik (für die Experten unter den Lesern seien Multiple Shooting, effiziente Integratoren für steife Differentialgleichungen, affin-invariante Newton-Verfahren, kaskadische Mehrgitter- verfahren beispielhaft genannt), immer in Wechselwirkung mit neuen Anwendungsfeldern in Medizin, Polymerchemie, Verbrennung, Molekularforschung, Nanooptik und vielen anderen mehr. Das ist eine großartige Leistung, die in ihrer Breite in der Angewandten Mathematik in Deutschland vielleicht unerreicht ist. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Peter Deuflhard und das ZIB | 13

Aber es ist meiner Ansicht nach nicht seine zentrale Leistung. Die liegt woanders: Zur Zeit der Gründung des ZIB hatte die Forschung in der angewandten Mathematik zum Ziel, den Anwen- dungswissenschaften mathematische Werkzeuge zur Lösung ihrer Probleme an die Hand zu geben. Peter und seine Mitstreiter schufen das moderne Profil der angewandten Mathematik, in der neben dem Erschaffen neuer Werkzeuge auch das ganz konkrete Lösen der Anwendungs- probleme in interdisziplinärer Kooperation mit den Anwendern zum Ziel gehört. Seine Arbeits- weise beruhte immer auf dem „Scheibenwischerprinzip“: Von der mathematischen Grundlagen- forschung in die Anwendung, sehen wie weit man dort ganz konkret kommt und dann wieder zurück in die Grundlagenforschung und die wirklich passende mathematische Struktur hinter dem Anwendungsproblem suchen. Und das wieder und wieder, immer den Blick für den Weg zum Ziel freihaltend.

Mit dem ZIB hat Peter Deuflhard einen festen Raum geschaffen und immer wieder verteidigt, in dem der nachfolgenden Generationen von Forscherinnen und Forschern Zeit und Kraft für diesen intellektuell sehr fordernden Spagat zwischen Grundlagenforschung und konkreter An- wendung gegeben wurde. Hier konnten sie wachsen und ein Profil entwickeln, das international erfolgreich ist und überall auf der Welt Nachahmer findet. Die Liste seiner Schüler beweist das und die Liste der aus dem ZIB hervorgegangenen Wissenschaftler mit internationaler Reputati- on erst recht.

Darüber hinaus hat er es geschafft, diesem Raum ein sinnstiftendes Gebäude hinzuzufügen, das diesem Wirken eine Heimat und Zukunft gibt. Und er hat entscheidend mitgewirkt an der Errichtung des DFG-Forschungszentrums Matheon, das ein Zusammenwirken der gesamten Angewandten Mathematik in Berlin unter dem Titel „Mathematik für Schlüsseltechnologien“ ermöglicht. Die Sichtbarkeit und Reichweite der anfänglich aus dem ZIB stammenden Philo- sophie der direkten Zusammenarbeit mit Anwendern und Industrie wurde nochmals deutlich gesteigert. Das ZIB selbst hat sich durch die Verknüpfung von Mathematik und Informatik, Hoch- leistungsrechnen und informationstechnischen Diensten für die Wissenschaft international als beispielgebende Einrichtung etabliert und zeigt, dass die im Spannungsfeld von Forschung, Anwendung und Dienstleistung entstehenden Konzepte zu nachhaltiger Innovation führen.

Das Wirken von Peter Deuflhard hat international höchste Anerkennung erfahren, zum Beispiel durch den hochkarätigen Maxwell-Preis der SIAM, der ihm 2007 für seine „originären, tief grei- fenden und unvergleichlichen Verdienste in der Angewandten Mathematik“ verliehen wurde oder die Ehrendoktorwürde der Universität Genf für seine „Pioniertätigkeit in der Numerischen Mathematik für gewöhnliche Differentialgleichungen“.

Nun geht der Lotse von Bord und wir, die nachfolgende Generation und natürlich insbesondere ich als sein Nachfolger im ZIB, werden die Erfolgsgeschichte zu neuen Ufern fortsetzen. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin DAs Zuse-Institut-Berlin „Schnelle Algorithmen – schnelle Rechner“ | 14

Das Zuse-Institut-Berlin „Schnelle Algorithmen – Schnelle Rechner“

Organisationsstruktur des ZIB

Verwaltungsrat Freie Universität Berlin (FUB) Humboldt-Universität zu Berlin (HUB) Technische Universität Berlin (TUB) Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) Senat von Berlin – Senatsverwaltung für Wissenschaft und Forschung sowie Senatsverwaltung für Wirtschaft

Präsident Peter Deuflhard ( bis 30.09.2012) Martin Grötschel (ab 01.10.2012)

Vizepräsident Martin Grötschel (bis 30.09.2012) Christof Schütte (ab 10.01.2013)

Verwaltung Numerische Diskrete Informatik und Bibliothek Mathematik Mathematik Annerose Steinke Peter Deuflhard (bis 30.09.2012) Martin Grötschel Alexander Reinefeld Christof Schütte (ab 10.01.2013) konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin DAs Zuse-Institut-Berlin „Schnelle Algorithmen – schnelle Rechner“ | 15

Struktur und Ziele Das Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin (ZIB) wurde 1984 durch Gesetz als An- stalt des öffentlichen Rechts und außeruniversitäre Forschungseinrichtung des Landes Berlin ge- gründet. Das Zuse-Institut betreibt in enger fächerübergreifender Kooperation mit den Hochschu- len und wissenschaftlichen Einrichtungen des Landes Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Informationstechnik, vorzugsweise in anwendungsorientierter Algorithmischer Mathematik und Praktischer Informatik. Zugleich bietet es Hochleistungsrechnerkapazität und langfristige Da- tenhaltung als die dazugehörige Dienstleistung an.

Forschung und Entwicklung Schwerpunkte der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des ZIB sind die Gebiete Numerische Mathematik, Diskrete Mathematik und Informatik. Diese Gebiete umfassen:

• die theoretische Analyse mathematischer Modelle, welche komplexe naturwissenschaftliche, technische, gesellschaftliche oder ökonomische Prozesse beschreiben, • die Entwicklung effizienter Algorithmen zur Simulation und Optimierung derartiger Modelle, • die Umsetzung der Algorithmen in leistungsfähige Computercodes.

Theorie- und Algorithmenentwicklung, die Erprobung der Algorithmen an leistungsfähigen Com- putersystemen und der Test der mathematischen Modelle auf ihre praktische Brauchbarkeit gehen dabei eine nachhaltige Synthese ein.

Anwendungsorientierte Forschung und Kooperationen Das ZIB leistet Beiträge zur Lösung drängender Fragen in Wissenschaft, Technik, Umwelt und Ge- sellschaft, die mit herkömmlichen Methoden nicht gelöst werden können, aber mathematischer Analyse zugänglich sind. Der Anteil des ZIB besteht dabei in der Entwicklung innovativer Algo- rithmen und dem Einsatz von Hochleistungsrechnern in enger Zusammenarbeit mit Partnern aus Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft.

Die Finanzierung der Forschungsarbeiten erfolgt im Rahmen der Grundfinanzierung des Landes Berlin und – überwiegend – durch eingeworbene Drittmittel. Neben Kooperationen mit wissenschaftlichen Einrichtungen betreibt das ZIB zurzeit gemeinsame Projekte mit Partnern aus den Bereichen Telekommunikation, Medizintechnik, Biotechnologie, Systembiologie, Öffentlicher Per- sonennahverkehr, Transport und Logistik, Fahrzeugbau, Chemie-, Elektro- und Computerindustrie, Energieversorgung und Nano-Optik. Das ZIB ist zudem, neben den drei Berliner Universitäten FU, TU und HU sowie dem WIAS, eine der fünf Institutionen, die das von der DFG geförderte For- schungszentrum Matheon „Mathematik für Schlüsseltechnologien: Modellierung, Simulation und Optimierung realer Prozesse“ tragen.

Supercomputing Das ZIB betreibt in Berlin im Rahmen des Norddeutschen Verbundes für Hoch- und Höchstlei- stungsrechnen (HLRN) als Dienstleistung für Hochschulen und wissenschaftliche Einrichtungen in Norddeutschland ein Hochleistungsrechnersystem. Ein identisches System ist am HLRN-Standort Hannover installiert. Die Zuteilung von Rechenzeit an Großprojekte erfolgt nach wissenschaftlichen Kriterien der DFG durch einen vom ZIB unabhängigen Wissenschaftlichen Ausschuss. Alle befür- worteten Projekte werden je durch einen Fachberater („HPC-Lotsen“) begleitet.

Langfristige Datenhaltung als Dienstleistung Für die Arbeiten im ZIB und zur Nutzung durch andere wissenschaftliche Einrichtungen betreibt das ZIB ein modernes Speichersystem. Die Server des Instituts ermöglichen den Zugriff auf etwa ein Petabyte Plattenspeicher. Als Erweiterung des Plattenspeichers dient ein Bandarchiv zur Langzeit- speicherung. Dieses Archiv ist ein schnelles „Hochregallager“ für Bandkassetten, die auf Anforde- rung der Server durch Roboter in die Bandlaufwerke geladen werden. Die Server sorgen automatisch dafür, dass sich auf dem Plattenspeicher immer die aktuell benutzten Daten befinden. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin gliederung der wissenschaftlichen bereiche | 16

Gliederung der wissenschaftlichen Bereiche

Im Jahr 2011 wurden die Abteilungen und Arbeitsgruppen der Bereiche entsprechend den aktuellen Forschungsschwerpunkten neu gegliedert wie folgt:

Numerische Mathematik Diskrete Mathematik Informatik

Numerische Analysis Visualisierung Wissenschaftliche Parallele und Optimierung und Modellierung und Datenanalyse Information Verteilte Algorithmen forschung

Berliner Museums-Software Supercomputer Massendatenspeicher Wissenschaftsnetz KOBV DIENSTE BRAIN

Numerische Mathematik

Der Bereich Numerische Mathematik gliedert sich in zwei Abteilungen:

• Numerische Analysis und Modellierung • Visualisierung und Datenanalyse

Aufgabe der Abteilung Numerische Analysis und Modellierung ist die Forschung und Entwicklung im Bereich der algorithmisch orientierten Numerischen Mathematik mit Schwerpunkt nichtlineare Modelle, insbesondere Differentialgleichungsmodelle. Ziel ist die Konstruktion von effizienten und verlässlichen Algorithmen zur Simulation, Identifikation und Optimierung (inklusive optimaler Steu- erung) bei komplexen technologischen Problemen. Dabei sind Fragen der mathematischen Model- lierung häufig zwingend mit einzubeziehen. Die Abteilung gliedert sich in die vier Arbeitsgruppen:

• Virtuelle Medizin • Mathematischer Molekül-Entwurf • Mathematische Nano-Optik • Mathematische Systembiologie

Ziel der Forschungsarbeiten in der Abteilung Visualisierung und Datenanalyse ist die Entwicklung neuer, effektiver Verfahren zur Visuellen Datenanalyse. Hierfür werden Algorithmen aus den Be- reichen Bild- und Datenanalyse, Geometrieverarbeitung, Computergrafik und Visualisierung entwickelt. Die Abteilung gliedert sich in die vier Arbeitsgruppen:

• Visualisierungsalgorithmen • Visualisierungssysteme • Medizinische Planung

Die entwickelten Verfahren finden Anwendung in der Molekülphysik, der Neuro- und Pflanzenbio- logie, der medizinischen Therapieplanung, der computergestützten Chirurgie, der Geo- und Astro- physik sowie der Strömungsanalyse. Die Abteilung stellt Visualisierungs-Software und -Hardware (z. B. das Studio da Vinci) zur Verfügung und unterstützt Anwender bei der Realisierung komplexer Visualisierungsprojekte. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin gliederung der wissenschaftlichen bereiche | 17

Diskrete Mathematik

Der Bereich Diskrete Mathematik gliedert sich in die Abteilungen:

• Optimierung • Wissenschaftliche Information

Geforscht wird in der Abteilung Optimierung in den Bereichen algorithmische Diskrete Mathema- tik sowie lineare und nichtlineare ganzzahlige Optimierung. Ziel ist die mathematische Analyse und, darauf aufbauend, die Entwicklung und Implementierung effizienter Verfahren zur Lösung von schwierigen praxisrelevanten Problemen, bei denen diskrete Entscheidungen getroffen werden müssen. Die Abteilung gliedert sich in die vier Arbeitsgruppen:

• Verkehr und Logistik • Lineare und nichtlineare ganzzahlige Optimierung • Telekommunikation • Energie

Anwendungsschwerpunkte sind die Optimierung von Gas-, Telekommunikations- und Verkehrs- netzen.

Die Abteilung Wissenschaftliche Information beschäftigt sich mit der Konzeption, Entwicklung und Realisierung mathematischer Informationssysteme. Beispielhaft für Internet-basierte Informati- onstechnologie sind die Projekte „Informationsdienste für die Mathematik im Internet (Math-Net)“ und „Informationstechnische Werkzeuge für Museen“ sowie der „Kooperative Bibliotheksverbund Berlin-Brandenburg (KOBV)“. In 2012 wurde außerdem die „Servicestelle Digitalisierung“ des Lan- des Berlin in der Abteilung eingerichtet.

Informatik

Der Bereich Informatik untergliedert sich in die Abteilungen:

• Parallele und Verteilte Systeme • Supercomputing • IT-Service

Im Zentrum des Forschungsinteresses liegen die Theorie und Praxis paralleler und verteilter Sys- teme. Profitiert wird dabei vom Zugriff auf modernste Hochleistungsrechner und Cluster, die im ZIB als Dienstleistung für die Wissenschaft betrieben werden. Die Erfahrungen aus dem Produkti- onsbetrieb der Parallelrechner bilden den Hintergrund für die Entwicklung zuverlässiger, skalierbarer Dienste in verteilten Systemen. Zurzeit liegt der Forschungsschwerpunkt der Abteilung im Management sehr großer Datenmengen in C-Systemen, einer Problematik, die in unserer ver- netzten und mobilen Welt zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Zu den Hauptaufgaben der Abteilung Supercomputing gehören Auswahl, Bereitstellung und Be- trieb von Hochleistungsrechnerkapazität sowie die fachliche Beratung der Anwender zur effizienten Nutzung der Systeme, insbesondere bei Neuentwicklungen und Anpassungen der Codes an die spezifischen Eigenschaften der im Norddeutschen Verbund für Hoch- und Höchstleistungsrech- nen (HLRN) betriebenen Systeme. Die Abteilung koordiniert auch das Berliner Wissenschaftsnetz BRAIN und betreut den Wissenschaftlichen Ausschuss des HLRN. Aufgabe der Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen der Abteilung IT-Service ist es, die Forschungsarbeiten im ZIB durch Planung, Beschaffung und Wartung der Ausstattung mit Software und Hardware zu unterstützen. Hierzu zählen sämtliche im Haus betriebenen Arbeitsplatzsysteme, Server, Netzkomponenten, Periphe- riegeräte sowie Web- und Mail-Services. Ferner berät und betreut die Abteilung die Nutzer der langfristigen Datenhaltung im Haus. Diesen Service stellt das ZIB seit 2009 auch externen wissenschaftlichen Einrichtungen zur Verfügung. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin organisationsstruktur des zib | 18

Organisationsstruktur des ZIB

Organigramm

Numerische Mathematik Diskrete Mathematik Deuflhard/Schütte* Grötschel

Numerische Analysis Visualisierung Optimierung Wissenschaftliche und Modellierung und Datenanalyse Grötschel/Borndörfer Information Weiser Hege Koch

Virtuelle Medizin Visualisierungs- Verkehr und Webtechnologie Weiser, Zachow algorithmen Logistik und Multimedia Hege Borndörfer Dalitz

Mathematischer Visualisierungs- Lineare und Nichtlineare Informationssysteme Molekül-Entwurf systeme Ganzzahlige Optimierung Koch Weber Prohaska Koch

Mathematische Medizinische Telekommunikation Museums-Software Nano-Optik Planung Werner Saro Schmidt Zachow

Mathematische Energie KOBV Systembiologie Hiller Koch/Rusch Röblitz

Servicestelle Digitalisierung Koch * Der Bereich wurde bis zum 30.09.2012 von Prof. Dr. Dr. h.c. Peter Deuflhard geleitet und steht ab 10.01.2013 unter der Leitung von Prof. Dr. Christof Schütte

Am ZIB arbeiten Forschung und Service eng zusammen.

Im Jahr 2012 wurden die Abteilungen und Arbeitsgruppen der Bereiche entsprechend den aktuellen Forschungsschwerpunkten gegliedert.

Forschung (Bereiche und Abteilungen) Forschung (Arbeitsgruppen) Service (Abteilungen und Arbeitsgruppen) konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin organisationsstruktur des zib | 19

Informatik Verwaltung und Bibliothek Reinefeld A. Steinke

Parallele und Supercomputing IT-Service Verteilte Systeme Reinefeld Pyszkalski Reinefeld/Schintke

Verteiltes Supercomputer- Massendaten Datenmanagement Fachberatung speicher Schintke Reinefeld/ T. Steinke Pyszkalski / Pham

Skalierbare Supercomputer- Server und Netze Algorithmen Systeme Krickel, Düring Schütt Laubender

Hardwarenahe Berliner Wissenschaftsnetz Algorithmen BRAIN T. Steinke Pyszkalski konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin wirtschaftliche situation | 20

Wirtschaftliche Situation

Drittmitteleinnahmen ZIB nach Herkunft:

748.416 EUR 13% BMBF/BMWi

747.215 EUR 1.733.405 EUR 13 % 31 % DFG Wirtschaft/Industrie

590.741 EUR 10 % EU

916.181 EUR 16 % 964.686 EUR Sonstige öffentliche Mittel 17 % Matheon

Das Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin (ZIB) finanziert seine wissenschaftliche Arbeit vor allen aus drei Quellen: der Grundfinanzierung des Landes Berlin, aus eingeworbenen Drittmitteln öffentlicher Träger sowie aus Industriekooperationen.

Auch im Jahr 2012 hat das ZIB eine Vielzahl von Drittmittelprojekten eingeworben. Die Finanzie- rung des Instituts aus öffentlich-rechtlichen projektbezogenen Drittmitteln blieb in etwa gleich, der Anteil der industriellen Drittmittelprojekte im Vergleich zum Vorjahr zurück. Die Industriemittel sind in wirtschaftlich schwierigen Zeiten in besonderem Maße Schwankungen unterworfen. Zu- dem verfügt das ZIB über keine Rücklagen mehr, die für die Anbahnung von Industrieprojekten notwendig sind. Trotzdem konnte das ZIB wieder interessante Forschungsprojekte akquirieren und bleibt ein gefragter Kooperationspartner für große und mittelständische innovative Unter- nehmen.

Der Personalbestand im ZIB ging im Berichtsjahr wegen der notwendigen Kosteneinsparungen infolge eines gesunkenen Zuschusses des Landes Berlin um 7,5% auf 218 Personen zurück, im Jahr 2011 arbeiteten 236 Personen am ZIB (234 Personen in 2010). Auch in 2012 musste das Institut große Anstrengungen unternehmen, exzellente Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen für den Standort Berlin zu begeistern, da zum einen immer weniger gut ausgebildete Mathematiker/innen und Informatiker/innen auf dem Markt zur Verfügung stehen und zum anderen die Gehälter der Angestellten des Öffentlichen Dienstes in Berlin auch nach der Tarifumstellung auf den TV-L immer noch deutlich unter denen der anderen Bundesländer liegen.

Der neue Hochleistungsrechner der Norddeutschen Länder HLRN-III wurde in 2012 ausgeschrieben, im Dezember 2012 wurde der Firma CRAY der Zuschlag erteilt. Im September 2013 wird der neue HLRN-III ans Netz gehen. Die langfristige Datenhaltung des Instituts wurde weiter ausgebaut, erfreulicherweise konnten zahlreiche neue Forschungskooperationen mit Berliner Einrich- tungen in diesem Bereich geschlossen werden.

Das Land Berlin bewilligte für 2012 einen ausgabewirksamen, konsumtiven Zuschuss in Höhe von 6.978 T€ (ohne BRAIN und KOBV-Anteile), der investive Bereich des ZIB wurde mit 424 T€ unter- stützt. Die Drittmitteleinnahmen aus öffentlichen Projekten und aus Industrieprojekten in Höhe von 5.701 T€ in 2012 lagen um 416 T€ unter dem Niveau von 2011 (6.117 T€). Zurückzuführen ist dies vor allem auf einen Rückgang der Industriemittel, sie lagen in 2012 mit 1.733 T€ deutlich unter den Erträgen von 2011 (2.161 T€). Herausgerechnet und an dieser Stelle nicht erfasst wurden selbstverständlich alle Mittel, die im Zuge von Projektkooperationen an Forschungspartner weitergegeben wurden. Die Drittmitteleinnahmen aus öffentlich geförderten Projekten blieben mit 3.967 T€ gegenüber 2011 (3.957 T€) konstant. Ein wichtiges Standbein waren wiederum die Pro- jekte des DFG-Forschungszentrums Matheon, das im Frühjahr 2014 auslaufen wird. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Personelle Entwicklung | 21

Drittmitteleinnahmen in EUR:

7.000.000 Wirtschaft/Industrie

Matheon

6.000.000 Öffentliche Mittel

5.000.000

4.000.000

3.000.000

2.000.000

1.000.000

0 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2 011 2012

Personelle Entwicklung

Die Personalmittel für die planmäßigen Mitarbeiter in Höhe von 80,5 Stellen sind aufgrund einer Änderung der gesetzlichen Grundlagen seit 1997 im Wirtschaftsplan des ZIB ausgewiesen. Durch die deutlich über dem Durchschnitt liegende Altersstruktur im Bereich der unbefristet beschäftigten Belegschaft sowie die Anpassungen des TV-L und die jährlichen Tarifsteigerungen besteht im Per- sonalhaushalt eine besondere finanzielle Belastung, die auch 2012 durch personalwirtschaftliche Maßnahmen und Drittmitteleinnahmen abgefedert werden musste.

Im Jahr 2012 wurden 218 Personen am ZIB beschäftigt. Finanziert wurden die zusätzlichen Mit arbeiter/innen über Drittmittelprojekte.

Zahl der Beschäftigten zum 01.01.2013 im Vergleich zum Vorjahr:

01.01.12 01.01.13 davon davon

gesamt unbefristet befristet gesamt unbefristet befristet Leitung 4 4 0 4 4 0

Wissenschaftler 107 19 88 102 19 83

Service-Personal 47 39 8 45 37 8

KOBV-Zentrale 15 7 8 16 7 9

Student. Hilfskräfte | Auszubildene 63 0 63 51 0 51

Total 234 67 167 218 67 151 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Organisation | 22 organisation

Das Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin (ZIB) wurde durch Gesetz über das Zentrum für Informationstechnik (ZInfG) vom 17. Juli 1984 gegründet. Das ZIB ist eine rechts- fähige Anstalt öffentlichen Rechts mit kaufmännischer Buchführung. Zur Erfüllung seiner Auf- gaben erhält das ZIB einen Zuschuss des Landes Berlin, das auch Dienstherr und Arbeitgeber für die Beschäftigten des ZIB ist.

Organe Organe des ZIB sind der Präsident und der Verwaltungsrat.

Präsident des ZIB war Prof. Dr. Dr. h.c. Peter Deuflhard bis zum 30.09.2012, Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Martin Grötschel ab 01.10.2012. Als Vizepräsident amtierte Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Martin Grötschel bis zum 30.09.2012, Prof. Dr. Christof Schütte ab 10.01.2013.

Der Verwaltungsrat setzte sich 2011 wie folgt zusammen:

• Prof. Dr. Peter Frensch, HUB, Vorsitzender • Prof. Dr. Paul Uwe Thamsen, TUB, stellvertretender Vorsitzender • Prof. Dr. Brigitta Schütt, FUB • Bernd Lietzau, Senatsverwaltung für Wirtschaft, Technologie und Forschung • N.N. Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Wissenschaft • Prof. Dr. Manfred Hennecke, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung • Prof. Dr. Anke Kaysser-Pyzalla, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie • Prof. Dr. Nikolaus Rajewsky, Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin

Der Verwaltungsrat tagte am 14.02.2012, am 04.07.2012 und am 28.11.2012.

Satzung Die vom Verwaltungsrat in seiner Sitzung am 30.06.2005 beschlossene Satzung legt Funktion und Verfahrensweise der einzelnen Organe des ZIB fest, definiert die Aufgaben in Forschung und Entwicklung sowie die Dienstleistungsfunktionen und regelt die Zusammensetzung und Aufgabenstellung des Wissenschaftlichen Beirats.

Wissenschaftlicher Beirat Aufgabe des Wissenschaftlichen Beirats ist die Beratung des ZIB in wissenschaftlichen und technischen Fragen sowie die Unterstützung und Förderung der Arbeit des ZIB bei der Herstellung und Aufrechterhaltung von Kooperationen mit Universitäten, Forschungseinrichtungen und der Industrie. Der Verwaltungsrat hat als Mitglieder des Wissenschaftlichen Beirats bestellt:

• Prof. Dr. Alfred Louis, Universität des Saarlandes, Saarbrücken, Sprecher des Beirats • Prof. Dr. Michael Hofmeister (†), Siemens AG, München • Prof. Dr. Thomas Liebling, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne-Ecublens, Schweiz • Prof. Dr. Jörg-Rüdiger Sack, Carleton University, Ottawa, Kanada • Dipl.-Math. Ludger D. Sax , Open Grid Europe GmbH, Essen • Dr. Horst D. Simon, NERSC, Lawrence Berkley National Laboratory, USA • Dr. Reinhard Uppenkamp, Berlin Chemie AG, Berlin

Der Wissenschaftliche Beirat tagte am 24. und 25.09.2012 im ZIB. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Organisation | 23

Mitgliedschaften Das ZIB ist Mitglied in folgenden Organisationen:

• DFN – Verein zur Förderung eines Deutschen Forschungsnetzes e. V. • DMV – Deutsche Mathematiker-Vereinigung • ECMI – European Consortium for Mathematics in Industry • ERL – Europractice Research laboratory • FAV – Forschungs- und Anwendungsverbund Verkehrssystemtechnik Berlin • Forum für Zukunftsenergien e. V. • Friedrich-Althoff-Konsortium e. V. • GA – Gauß Allianz • IDW – Informationsdienst Wissenschaft e. V. • Konrad-Zuse-Gesellschaft e. V. • NAG Users Association • OpTecBB – Optische Technologien aus Berlin und Brandenburg • SIAM – Society for Industrial and Applied Mathematics • ZKI – Zentrum für Kommunikation und Informationsverarbeitung in Lehre und Forschung e. V. • Zuse-Park e. V.

ZIB-Fellows Präsident und Vizepräsident vergeben an wenige ausgewählte Wissenschaftler und Wissenschaft- lerinnen das Konrad-Zuse-Fellowship, in dessen Rahmen im Jahre 2012 die folgenden Projekte bearbeitet wurden:

Senior-Fellowship Prof. Dr. Dietrich Braess (Ruhr-Universität Bochum) Nichtlineare Mechanik und Locking-Phänomene

Prof. Dr. Herbert W. Franke „Math goes Art“

Junior-Fellowship Dr. Arie M.C.A. Koster (RWTH Aachen) Diskrete Optimierung für Multi-Layer Telekommunikationsnetze

Prof. Dr. Sven O. Krumke (TU Kaiserslautern) Online-Disposition von Einsatzfahrzeugen

Prof. Dr. Marc Steinbach (Leibniz Universität Hannover) Optimierung in Energie- und Versorgungswirtschaft konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin organisation | 24

Prof. Dr. Gerd Teschke (Hochschule Neubrandenburg) Inverse Probleme und Signalanalyse in der Meteorologie

Prof. Dr. Max Wardetzky (Universität Göttingen) Geometrische Variationsmethoden in der Flächenbearbeitung

Prof. Dr. Thomas Wolf (Brock University, Ontario, Canada) Symbolische Lösung von Differentialgleichungen und Differentialgleichungssystemen; symbolisches Rechnen in der allgemeinen Relativitätstheorie; parallele Verfahren in der Computer Algebra; Mitglied des kanadischen Supercomputer-Verbunds SHARCNET

Selbstverwaltung Der Personalrat setzte sich vom 01.01.2012 bis zum 08.11.2012 wie folgt zusammen:

• Wolfgang Dalitz (Vorsitzender) • Marlies Engelke • Bodo Erdmann • Dirk Krickel • Marika Karbstein • Uwe Pöhle • Dr. Stefan Zachow

Am 08.11.2012 fanden im ZIB Personalratswahlen statt. Am 09.11.2012 begann die Amtsperiode des neu gewählten Personalrats, die konstituierende Sitzung fand am 19.11.2012 statt.

• Wolfgang Dalitz (Vorsitzender) • Marlies Engelke (Stellvertretende Vorsitzende) • Susanne Gottwald • Marika Karbstein • Oasama Bach • Dirk Krickel • Dr. Stefan Zachow

Frauenvertretung

• Uta Kaminsky (bis 13.11.2012) • Kathrin Peter (bis 31.10.2011)

Im November 2012 fanden ebenfalls Wahlen zur Frauenvertretung statt. Ab 14.11.2012 wird die Frauenvertretung wahrgenommen von:

• Meike Winderlich (Frauenvertreterin) • Julia Goltz (Stellvertretende Frauenvertreterin) konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Spin-off-firmen | 25

Spin-off-Firmen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des ZIB haben bisher die folgenden Firmen ausgegründet:

Computing in Technology GmbH (CIT) | 1992 | www.cit-wulkow.de Modellierung und Entwicklung von numerischer Software für die technische Chemie

RISK-CONSULTING Prof. Dr. Weyer GmbH | 1994 | www.risk-consulting.de Database Marketing für Versicherungen

Intranetz GmbH | 1996 | www.intranetz.de Softwareentwicklung für Logistik, Database Publishing, eGovernment

AktuarData GmbH | 1998 | www.aktuardata.de Entwicklung und Vertrieb von Risikobewertungssystemen zur Krankenversicherung

Visage Imaging GmbH (hervorgegangen aus dem Spin-Off Indeed-Visual Concepts GmbH) | 1999 | www.visageimaging.com Visualisierung und Datenanalyse (Amira etc.), Medizinische Visualisierung (RIS=Radiology Information System, PACS=Picture Archiving and Communication System), Virtual Reality System Integration (früher) atesio GmbH | 2000 | www.atesio.de Entwicklung von Software und Dienstleistungen für die Planung, Konfiguration und Optimierung von Telekommunikationsnetzen bit-side GmbH | 2000 | www.bit-side.com Mobiltelefon-Anwendungen, Visualisierung

Dres. Löbel, Borndörfer & Weider GbR | 2000 | www.lbw-berlin.de Optimierung und Unternehmensberatung im ÖPNV

Lenné3D GmbH | 2005 | www.lenne3d.com 3D-Landschaftsvisualisierung, Softwareentwicklung und Dienstleistungen

JCMwave GmbH | 2006 | www.jcmwave.com Simulationssoftware für optische Komponenten onScale solutions GmbH | 2006 | www.onscale.de Softwareentwicklung, Beratung und Dienstleistungen für parallele und verteilte Speicher- und Rechnersysteme molConcept GmbH | 2008 | www.molconcept.com Mathematische Konzepte für molekulares Design, Softwareentwicklungen für den computergestützten Wirkstoffentwurf

Laubwerk GmbH | 2009 | www.laubwerk.com Erstellung von digitalen Pflanzenmodellen

1000shapes GmbH | 2010 | www.1000shapes.com Statistische Formanalyse

TASK – Berthold Gleixner Heinz Koch GbR | 2010 Verbreitung, Wartung und Beratung zur ZIB Optimization Suite

Forschung

Numerische Analysis und Modellierung

Visualisierung und Datenanalyse

Optimierung

Wissenschaftliche Information

Parallele und verteilte Systeme

Supercomputing

IT-Service

Numerische Analysis und Modellierung Numerische Mathematik für komplexe Systeme konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin numerische analysis und modellierung | 30

Numerische Analysis und Modellierung Leitung: Prof. Dr. Dr. h.c. Peter Deuflhard, Dr. Martin Weiser Weitere Informationen unter: www.zib.de/de/numerik.html

Mission Virtuelle Medizin Die Effizienz numerischer Algorithmen spielt in Das im Berichtszeitraum ins Englische über- vielen Problemen der Natur- und Ingenieurwis- setzte Lehrbuch „Adaptive Numerical Solu- senschaften eine Schlüsselrolle. Allerdings gilt: tion of PDEs“ ist im September 2012 als De- Je intensiver Numeriker mit Vertretern der An- Gruyter Textbook erschienen. Für semi-infinite wendungsdisziplinen kooperieren, desto wich- Optimalsteuerungsprobleme konnte lokale tiger werden auch Fragen der mathematischen Selbstkonkordanz spezieller rationaler Barri- Modellierung. Diesem Zusammenhang trägt erefunktionen nachgewiesenen werden. Dies der Name der Abteilung Rechnung. Dabei be- impliziert lineare Konvergenz entsprechender zeichnet „Numerische Analysis“ schwerpunkt- Innere-Punkte-Methoden für die in der Praxis mäßig die theoretische Herleitung und Analyse häufig auftretenden Optimierungsprobleme von Algorithmen, während „Modellierung“ die mit endlichdimensionaler Steuerung. Für die mathematische Problemformulierung sowie Formoptimierung von Knochenimplantaten die numerische Simulation (oft auch „nume- wurden adaptive Composite-Step-Verfahren rische Modellierung“ genannt) im Anwen- und glatte Geometriedarstellungen zur Vermei- dungskontext umfasst. dung künstlicher Eckenverfeinerungen entwickelt. Unsere Arbeiten an der Kompression von Struktur Trajektorien wurden auf die Defibrillation des Die Abteilung gliedert sich derzeit in vier Herzens (AG Kunisch, Graz) angewendet, wofür Arbeitsgruppen (AGs), die mehrheitlich von die adaptive Wahl der Quantisierungstoleranz Nachwuchswissenschaftlern geleitet werden: auf nichtlineare Gleichungen und Newton-CG- Verfahren erweitert werden konnte. Die Me- • Virtuelle Medizin thodik wurde zudem auf die Kompression von (Dr. Martin Weiser | Dr. Stefan Zachow) Molekültrajektorien übertragen, wobei bessere • Mathematischer Molekül-Entwurf Kompressionsraten als in der Literatur erzielt (PD Dr. Marcus Weber) werden konnten. Gemeinsam mit der Charité • Mathematische Nano-Optik (AG Vajkoczy) wurde eine Hirndurchblutungssi- (Prof. Dr. Frank Schmidt) mulation zur Entscheidungsunterstützung und • Mathematische Systembiologie Planung von Bypassoperationen entwickelt. (Dr. Susanna Röblitz) Mathematischer Molekül-Entwurf Auszeichnungen und Rufe Im Berichtszeitraum wurden im Rahmen un- F. Schmidt wurde zum Honorarporfessor an der seres Projektes im SFB-765 die kinetischen Freien Universität Berlin ernannt. P. Deuflhard Modelle für multivalente Bindungsvorgänge erhielt einen Ruf an die King Abdullah Univer- von Liganden an Rezeptoren mathematisch sity of Science and Technology, Saudi Arabien neu durchdacht. Dabei liefert die Konforma- und die Ehrenprofessur der Beijing University tionsdynamik mit „weichen“ Zugehörigkeits- of Technology. funktionen einen Schlüssel für ein tieferes Ver- ständnis und ein neuartiges mathematisches Modell multivalenter Bindungsvorgänge. Bei der Entwicklung eines „nebenwirkungsfreien“, konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin numerische analysis und modellierung | 31

starken Schmerzmittels haben erste Tierver- Neben diesem Schwerpunktthema wurden die suche die Richtigkeit der von uns vorherge- Arbeiten zur Computational Geometry mit An- sagten Wirkstoffeigenschaften für den im ZIB wendungen in der Photovoltaik (ETH Zürich, am Rechner konstruierte Arzneistoff gezeigt. AG Norris) und Bereich optische Metamate- Die neue Ausgründung mathPharm GmbH rialien fortgesetzt. Unser Projekt im SFB 787 soll das aus diesen Forschungen resultieren- „Halbleiter-Nanophotonik“ hat eine Reihe neu- de Wirkstoffpatent in Zukunft vermarkten. Bei er Kooperationsprojekte zum Thema optische der Analyse der Toxizität von Transformations- Resonatoren initiiert. Dabei spielt zunehmend produkten von Spurenstoffen im Wasserkreis- auch die Entwicklung neuer Materialmodelle, lauf (BMBF-Verbundprojekt TransRisk) konnten die quantenoptischen Effekten Rechnung tra- unsere Computersimulationen erfolgreich ein gen, eine wichtige Rolle. Transformationsprodukt eines Antibiotikums identifizieren, das ersten Experimenten zu Mathematische Systembiologie Folge eine stärkere Wirkung als dessen Mut- Im Jahr 2012 hat sich der Anwendungsschwer- tersubstanz aufweist. Das Forschungsthema punkt auf die Modellierung chemischer Re- „Risikocharakterisierung von Spurenstoffen im aktionsnetzwerke in der biotechnologischen Wasserkreislauf“ soll in Zukunft im ZIB in grö- Messtechnik verschoben. So konnte z. B. die ßerem Rahmen betrieben werden. Kooperation mit der Firma aokin, Hersteller eines Fluoreszenz-Polarometers zur Toxin-Be- Mathematische Nano-Optik stimmung in Lebensmitteln, ausgebaut werden Im Berichtszeitraum wurde unser Schwerpunkt und erste, sehr erfolgversprechende Untersu- Green Photonics, insbesondere Photovoltaik chungen zu Wiederbindungseffekten an Sen- und Entwicklung energiesparender organischer soroberflächen in Zusammenarbeit mit dem LEDs, weiter ausgebaut. Im Bereich Photovol- Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik taik haben wir uns wie schon im Vorjahr auf die in Potsdam-Golm und der Firma Förster-Tech- Optimierung von Silizium-Dünnschichtzellen nik GmbH Engen durchgeführt werden. Diese mit Tandemstruktur konzentriert. Im Verbund- Projekte sollen 2013 fortgesetzt und deutlich in- projekt DEMO14 wurden erneut wesentliche tensiviert werden. Im Bereich der endokrinolo- Fortschritte insbesondere in der Modellierung gischen und metabolischen Netzwerke wurde rauer Oberflächen und der Analyse spezieller auf Grundlage von Fütterungsversuchen, die funktionaler optischer Komponenten (balan- von der FU Veterinärmedizin durchgeführt wur- cierte Zwischenreflektoren) erzielt. Darüber den, ein Modell zum Kaliumstoffwechsel bei hinaus arbeiten wir bereits an neuen, innova- Kühen entwickelt, welches Anknüpfungspunkte tiven Konzepten, die auf sogenannten Nano- zur Diabetesforschung beim Menschen bietet. drähten beruhen. Die zugehörige Kooperation Darüber hinaus wurden weitere Schritte unter- mit dem HZB (AG Rech, AG Stannowski, AG nommen, unser Modell des weiblichen Hor- Schmid), dem Verbund PVcomB und dem MPI monzyklus (GynCycle) in die klinische Praxis für Physik des Lichts (AG Christiansen) werden zu übertragen. Dieses Ziel wird in Kooperation zunehmend intensiver und umfangreicher. mit Medizinern, Biologen und Informatikern im Rahmen eines EU-Projektes weiter verfolgt. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin numerische analysis und modellierung | 32

IMPLANTATDESIGN Bearbeitet von: Sebastian Götschel, Lars Lubkoll, Martin Weiser, Stefan Zachow Kooperation: R. Ewers (MU Wien, Klinik f. Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie), Z. Zinser (U Köln, Klinik f. Mund-, Kiefer- und Plastische Gesichtschirurgie), H. Sailer (Zürich, Ästhetische Gesichts-, Kiefer- und Oralchirurgie), A. Schiela (TU Berlin) Förderung: DFG Forschungszentrum Matheon (Projekt A17) Weitere Informationen unter: www.zib.de/de/jb/implantatdesign

Sind im menschlichen Körper Knochen fehlge- Die direkte Formulierung des Formoptimie- bildet oder stark beschädigt, so müssen diese rungsproblems führt wegen des Kontakts durch ein Implantat ersetzt oder ergänzt wer- zwischen Weichgewebe und Implantat auf ein den. Dabei kann, insbesondere im Gesicht, die MPEC (mathematical program with equilibrium Form des Implantats einen wesentlichen Ein- constraints) mit globaler Nichtdurchdringungs- fluss auf das Erscheinungsbild des Patienten bedingung, das mathematisch sehr schwierig haben. Die Bestimmung der Implantatform zu behandeln ist. wird gegenwärtig vom Chirurgen manuell anhand medizinischer Bilddaten durchgeführt.  Abb. 1: Die Form des Implantats ist somit von der Er- Jochbeinimplantat fahrung des behandelnden Arztes abhängig. (grün) mit Weichgewebe Dabei ist es dem Arzt in vielen Situationen und darunterliegendem nicht möglich, das komplexe Verhalten biolo- Knochen. gischen Weichgewebes intuitiv korrekt zu erfas- (Koop. MU Wien) sen. Auch die Abschätzung des postoperativen Erscheinungsbilds ist nur in sehr eingeschränk- tem Maße möglich.

Eine automatisierte Bestimmung der Implan- tatform erlaubt es, in diesen Punkten deutliche Verbesserungen zu erreichen. Ziel unserer Ar- beit ist deshalb die Entwicklung eines Algorith- Aus diesem Grund wurde eine formal äquiva- mus, der aus der gewünschten Gesichtsform lente Formulierung entwickelt, in der die vom und unter Berücksichtigung vom Arzt gewähl- Implantat auf das umliegende Weichgewebe ter Einschränkungen eine optimale Implantat- ausgeübte Normalkraft als Optimierungsvaria- form berechnet. ble verwendet wird. Dies führt auf ein einfache- res, steuerungsbeschränktes Optimierungs- Der erste Schritt ist die Quantifizierung der problem, wobei die Implantatform retrospektiv Unterschiede zwischen verschiedenen Ge- durch die Weichgewebeverschiebung gegeben sichtsformen. Da die Formwahrnehmung des ist (Abb. 2). Menschen ganz wesentlich durch die Beleuch-  Abb. 2: tungssituation bestimmt wird, wurde ein Ab- Die Form des Implantats standsmaß entworfen, welches auf der Basis wird retrospektiv aus der von Beleuchtungsmodellen gemittelte Hellig- Weichgewebeverschie- keitsunterschiede bewertet.1 Dadurch wird der bung bestimmt. Formunterschied im Wesentlichen durch den Verschiebungsgradienten auf der Oberfläche bestimmt, was allerdings zu stärkerer Nicht- konvexität des Problems führt.

1 J. Bondzio: Goal-oriented error estimation and an adapted cost functional on a numerical simulation of facial implants. Diplomarbeit FU Berlin, 2011 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin numerische analysis und modellierung | 33

DAS PROJEKT IN KÜRZE: Die Form von Knochenimplantaten bestimmt wesentlich das Er- scheinungsbild des Patienten. Wir bestimmen die optimale Implantatform aus der Vorgabe einer angestrebten Gesichtsform. Dies führt auf nichtkonvexe Optimierungsprobleme mit nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen als Nebenbedingung. Dafür werden quantitative Modelle sowie effiziente und robuste Algorithmen entwickelt.

Diese Formulierung berücksichtigt sowohl, erfassen und so eine adaptive Steuerung von dass das Weichgewebe über das Implantat glei- Schrittweite und Gitterverfeinerung erlauben. ten kann, so dass keine Tangentialkräfte wir- Die iterative Berechnung des Tangentialschritts ken, als auch, dass keine Hohlräume zwischen mit projizierten CG-Verfahren erfordert in jeder Implantat und Weichgewebe auftreten sollen. Iteration die Lösung einer partiellen Differenti- algleichung. Um die Effizienz zu gewährleisten, Realistische hyperelastische Materialmodelle wurde die Verwendung schneller approxima- für Weichgewebe führen auf nichtlineare, nicht- tiver Löser und deren Auswirkung auf die Kon- konvexe Gleichungsnebenbedingungen. Auf- vergenzgeschwindigkeit des Composite-Step- grund fehlender Regularität ist sehr wenig über Verfahrens untersucht.4 die Struktur von Lösungen bekannt. Dennoch konnte für ein leicht vereinfachtes Problem die Zur effizienten Bewertung und Reduktion von Existenz einer global optimalen Lösung gezeigt Diskretisierungsfehlern wurden zielorientierte werden.2 Fehlerschätzer entwickelt, die eine möglichst genaue Abschätzung der tatsächlichen Auswir- kung auf die Gesichtsform erlauben.5 Anders Abb. 3:  als bei bisher publizierten zielorientierten Feh- Hermite-Interpolation lerschätzern werden Diskretisierungsfehler der zur glatten Geometriedar- Verschiebung ausschließlich durch ihre Auswir- stellung vermeidet künst- kung auf die Implantatform bewertet, wodurch liche Gitterverfeinerung. gröbere Gitter verwendet werden können.

Adaptive Gitterverfeinerung führt jedoch bei Geometrien, welche durch planare Dreiecke gegeben sind, zu einer starken Verfeinerung an einspringenden künstlichen Ecken (Abb. 3). Um diesen Effekt zu minimieren, wird mittels Hermiteinterpolation eine Approximation der glatten Geometrie bestimmt. Im Laufe der adaptiven Gitterverfeinerung wird dann diese Zur numerischen Lösung des Optimalsteue- Näherung durch die Verschiebung neuer Rand- rungsproblems innerhalb der Finite-Elemente- knoten bestmöglichst approximiert. Neben Bibliothek Kaskade 73 wird ein effizientes und dem Effizienzgewinn wird auf diese Weise auch robustes Composite-Step-Verfahren entwi- die Lösungsgenauigkeit durch eine bessere ckelt, das affin-konjugierte Newtonverfahren Geometriedarstellung erhöht. auf beschränkte Optimierungsprobleme ver- allgemeinert. Das Hauptaugenmerk liegt dabei In Zusammenarbeit mit den klinischen Part- auf der Konstruktion berechenbarer Schätzer, nern6 in Wien und Zürich werden die in ver- die die auftretenden Nichtlinearitäten im Ziel- schiedenen Fällen – Jochbein-, Orbita- und Kie- funktional und in der Gleichungsnebenbe- ferimplantate – patientenspezifisch ermittelten dingung unter Erhalt der Invarianzstruktur Implantatformen analysiert und evaluiert.

2 L. Lubkoll, A. Schiela, M. Weiser: An optimal control problem in polyconvex hyperelasticity. ZIB-Report 12-08, 2012 3 S. Götschel, M. Weiser, A. Schiela: Solving Optimal Control Problems with the Kaskade 7 Finite Element Toolbox. In A. Dedner, B. Flemisch, R. Klöfkorn: Advances in DUNE. pp. 101-112, Springer, 2012 4 F. Lehmann: Inexaktheit in Newton-Lagrange-Verfahren für Optimierungsprobleme mit elliptischen PDGL-Nebenbedingungen. Diplomarbeit FU Berlin, 2013 5 M. Weiser: On goal-oriented adaptivity for elliptic optimal control problems. Opt. Meth. Softw., angenommen 6 M.J. Zinser, S. Zachow, H.F. Sailer: Bimaxillary „rotation advancement“ procedures in patients with obstructive sleep apnea: a 3-dimensional airway analysis of morphological changes konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin numerische analysis und modellierung | 34

Spurenstoffe im Trinkwasser Bearbeitet von: Vedat Durmaz, Jan-Martin Josten, Olga Scharkoi, Marcus Weber Finanziert durch: TransRisk (BMBF-Ausschreibung RiSKWa), Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) Kooperationen: H. Mückter, J. Meyer (LMU München), C. Piechotta, S. Schmidt, R. Becker (BAM) Weitere Informationen unter: www.zib.de/de/numerik/cmd/projekte/projektdetails/article/transrisk.html

 Abb. 1: Einige der nachgewiesenen Transformationspro- dukte des Antibiotikums Sulfamethoxazol (Mitte).

Routinemäßig werden in Abwasserklär- und ser TPs abzuschätzen, dieses Risiko der Öffent- in Trinkwasseraufbereitungsanlagen eine Rei- lichkeit zu kommunizieren und entsprechende he von Stoffkonzentrationen gemessen. Die Maßnahmen einzuleiten. Besonderes Augen- dabei zu messenden Stoffe (z. B. Arzneistoffe) merk wird dabei auf ökotoxikologische Frage- sind teilweise gesetzlich vorgegeben. Die Dif- stellungen gelegt, da vor allem das aquatische ferenz aus der eingeleiteten Stoffkonzentration Ökosystem mit den TPs in Kontakt kommt. Das und der Konzentration im Ablauf zeigt das ent- ZIB beteiligt sich an dem Projekt TransRisk, sprechende Abbauverhalten an. So zumindest indem es das (human)toxikologische Poten- ist die Theorie. Tatsächlich jedoch ist ein Stoff tial der TPs mit rechnergestützten Methoden nicht unbedingt „abgebaut“ (sprich: minera- vorhersagen will. Da die Stoffe in nur extrem lisiert) worden, wenn er im Ablauf nicht mehr geringen Konzentrationen vorkommen, sind gemessen werden kann. Die eingeleiteten keine akuten Effekte zu erwarten. Hingegen Chemikalien können sich auch einfach in an- unterliegen einerseits Langzeiteffekte, die sich dere Stoffe umgewandelt haben – sogenannte zum Beispiel durch Auswirkungen auf den Hor- Transformationsprodukte (TPs) sind entstan- monhaushalt des Menschen ergeben, unserer den (siehe Abb. 1). besonderen Aufmerksamkeit. Andererseits könnte es bei Arzneistoffen im Sonderfall dazu In der RiSKWa-Ausschreibung des BMBF (Risi- kommen, dass ein Stoff nach der Transformati- komanagement von neuen Schadstoffen und on wirksamer wird als seine „Muttersubstanz“ Krankheitserregern im Wasserkreislauf) geht es und daher auch in niedrigen Dosen Effekte unter anderem darum, das Risikopotential die- auslöst. Beide Szenarien lassen sich dadurch konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin numerische analysis und modellierung | 35

DAS PROJEKT IN KÜRZE: Durch Industrie, Landwirtschaft und Hauhalte gelangen Chemikalien in den Wasserkreislauf. Diese werden in technischen oder natürlichen Prozessen abgebaut und/ oder in andere Stoffe transformiert, die dann in sehr geringen Dosen teilweise auch ins Trink wasser gelangen. Die Transformationsprodukte stellen aufgrund ihrer geringen Konzentration noch keine Bedrohung dar, werden daher wenig untersucht, sollen jedoch jetzt in das Trinkwasser-Risiko management mit aufgenommen werden. Wir entwickeln rechnergestützte Methoden zur Ermitt- lung des Gefahrenspotentials in silico.

erklären, dass der transformierte Stoff auf be- cheren Dockingmethoden deutlich schlechtere stimmte (humane) Rezeptoren einwirkt. Dazu Korrelationen lieferte2. Bei dem Östrogenitäts- müsste er zumindest eine hohe Affinität zu projekt konnten wir das Lineare Interaktions- dem entsprechenden Rezeptor aufweisen. Die- modell mit Labordaten trainieren. Im Falle des se Affinitäten lassen sich durch molekulare Si- Antibiotikums SMZ konnten wir auch ohne mulationen abschätzen. Labordaten ein TP identifizieren, das potentiell wirksamer ist als das SMZ selbst. Die prinzi- In einer Kooperation mit der BAM, die die pielle Wirksamkeit dieses TPs wurde in einem entsprechenden Laborexperimente durchge- späteren Laborexperiment belegt (Abb. 2). führt hat, haben wir bereits erfolgreich (mit Neben der Affinität von bereits bekannten TPs hoher Korrelation) mit Hilfe des Linearen In- wollen wir auch die biotische Transformation teraktionsmodells die Bindungsaffinitäten von Stoffen vorhersagen und möglicherweise (∆G) von TPs an den humanen Östrogenrezep- bisher nicht-identifizierte TPs ermitteln. Dazu tor vorhersagen können1. Die Simulationsrech- hat es bereits Vorarbeiten mit der BAM ge- nungen dazu sind aufwendig und wurden auf geben, in denen es um die Identifikation von dem HLRN durchgeführt. Der Aufwand ist je- Cytochrom-P450-basierten TPs ging. Auch hier doch gerechtfertigt, da der Vergleich mit einfa- wurden rechnergestützte Methoden genutzt3, 4.

Abb. 2:  Agardiffusionstest zur Untersuchung der Wachstumshemmung von Staphylococcus aureus durch Sulfamethoxazol und ausgewählten Trans- formationsprodukten.

1 V. Durmaz, Ch. Piechotta, S. Schmidt, P. Sabri, M. Weber: A hands-off linear interaction energy approach to binding mode and affinity estimation of estrogens. In prep 2 J.-M. Josten: Östrogenitätsapproximation mittels physikochemischem Oberflächenvergleich. Masterarbeit Bioinformatik, FU Berlin 2012 3 O. Scharkoi, S. Esslinger, R. Becker, M. Weber, I. Nehls: Predicting sites of cytochrome P450-mediated hydroxylation applied to CYP3A4. Submitted for publication 4 O. Schar- koi, S. Esslinger, R. Becker, M. Weber, I. Nehls: Phase I oxidation of alpha- and gamma-hexabromocyclododecane by cytochrome P450 enzymes: simulation of the stereoisomerism of hydroxylated metabolites. Organohalogen Compounds, 73:730-733, 2011 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin numerische analysis und modellierung | 36

Optische Resonanzen in Nanostrukturen

Bearbeitet von: Sven Burger, Maria Rozova, Lin Zschiedrich, Frank Schmidt Kooperationen: A. Knorr, S. Reitzenstein (TU Berlin), U. Bandelow (WIAS) Förderung: SFB 787 Halbleiter-Nanophotonik Weitere Informationen unter: www.zib.de/de/jb/resonatoren

Eine der wichtigen Eigenschaften des Lichts ist neben der Resonanzwellenlänge liegt, über- es, in geeigneten Strukturen Resonanzen aus- haupt keine Resonanz mehr festzustellen ist. zubilden. Solche Strukturen werden Kavitäten genannt, und es ist eine Aufgabe der Mathe- Eine vollkommen andere Technik der Realisie- matischen Nanooptik, für eine Vielzahl von ver- rung von Kavitäten zeigt Abb. 2. Hier wird der schiedenen Anwendungszwecken geeignete Resonator durch eine geeignete periodische Kavitäten zu dimensionieren und zu optimieren. Anordnung von Löchern erzeugt. Das perio- Einige der Anwendungsgebiete für optische Re- dische Locharray besitzt eine optische Band- sonatoren sind Halbleiterlaser1, LEDs2, Frequenz- struktur. Das bedeutet, dass es Wellenlängen- filter für nachrichtentechnische Komponenten, bereiche gibt, in denen das Array transparent Biosensoren und Lichtfallen in Solarzellen. Aus ist, und Wellenlängenbereiche, in denen kein numerischer Sicht besteht die Herausforderung Licht propagiert wird. Die Herausforderung vor allem darin, die gewünschten Resonanzzu- besteht hier darin, den eigentlichen Resona- stände aus der Menge von oft vielen tausend tor und die Bandstruktur des Umgebungs- möglichen Zuständen zu identifizieren und mit mediums so aufeinander abzustimmen, dass der gewünschten und erforderlichen Genauig- die Resonanz exakt im gewünschten Bereich keit zu berechnen. Der Gitterresonator in Abb.1 auftritt. Bei der Berechnung der Effizienz von besitzt eine sehr große optische Güte. Das be- LEDs taucht das Problem der Resonanzberech- deutet, dass das Licht im Resonanzzustand viele nung in einer weiteren Form auf. Abb. 3 zeigt in tausend Male im Resonator schwingt und dabei einem Falschfarbenplot das Fernfeld einer Di- kaum mit dem Außenraum interagiert, während polquelle, die in einem periodischen Medium bei einer Wellenlänge, die nur ein Tausendstel platziert wurde. Die periodischen Strukturen

 Abb. 1: Zirkularer Gitterresonator

1 M. Rozova, J. Pomplun, L. Zschiedrich, F. Schmidt, S. Burger. 3D finite element simulation of optical modes inVCSEL s. Physics and Simulation of Optoelectronic Devices XX, B. Witzigmann, M. Osinski, F. Henneberger, Y. Arakawa (Eds.), Vol. 8255, pp. 82550K, Proc. SPIE, 2012 2 L. Zschiedrich, H. Greiner, S. Burger, F. Schmidt; Numerical analysis of nanostructures for enhanced light extraction from OLEDs. Submitted: Light-Emitting Diodes: Materials, Devices, and Appli cations for Solid State Lighting XVII. Vol 8641, Proc. SPIE, 2013 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin numerische analysis und modellierung | 37

Das Projekt in Kürze: Wir entwickeln einen adaptiven Finite-Elemente-Code hoher Ordnung mit flexiblen gemischten Gittern, der in der Lage ist, effizient und zuverlässig Resonanzen nano- optischer Bauelemente wie vertikal abstrahlende Oberflächenlaser (VCSEL), Leuchtdioden (LEDs) und funktionale Komponenten von Solarzellen zu berechnen. Die Resonanzen werden direkt im Frequenzbereich, ohne Umweg über den Zeitbereich, bestimmt. Besonderer Wert wird auf eine automatische Selektion der gesuchten Resonanzen und die Identifikation von unerwünschten „Gei- sterlösungen“ gelegt. Kürzlich durchgeführte Benchmarks bestätigen die hohe Effizienz des Codes im Vergleich zu Konkurrenzprodukten.

Abb. 2:  Mikrolaser-Resonator mit photonischer Kristall- struktur1

Abb. 3:  Winkelspektrum des tion von Tetraedern, Würfeln, Prismen und Py- Fernfelds einer Dipol ramiden aufbauen können, wobei innerhalb quelle in einem perio- eines Elements hierarchische Formulierungen dischen Medium in der Ordnung verwendet wurden. Damit sind wir in der Lage, den Multiskalen-Eigenschaften vieler Komponenten, z. B. dem Auftreten von sehr dünnen Schichten im Nanometerbereich, besonders Rechnung zu tragen. Zum andern haben wir einen Algorithmus zur Identifikation bilden lokale Resonatoren, die mit benach- von sogenannten „spurious modes“ entwi- barten Resonatoren wechselwirken. Dadurch ckelt, der robust physikalische Moden von kommt es zu dem gezeigten ungewöhnlichen Diskretisierungsartifakten unterscheiden kann. und stark strukturierten Fernfeldbild. Dieser Algorithmus war das Thema einer Dis- sertation3, die im Berichtszeitraum beendet und Zur Berechnung dieser verschiedenen Reso- erfolgreich verteidigt wurde. Die Kernidee der nanzen haben wir unseren adaptiven FEM- Identifikation besteht in einer gleichzeitigen Be- Code JCMsuite im Berichtszeitraum in wich- trachtung der Konvergenz über mehrere Gitter- tigen Punkten weiterentwickelt und neue hierarchien und einer Sensitivitätsanalyse des Algorithmen untersucht und implementiert. Abstrahlungsverhaltens der Resonatoren. Da- Dabei gab es zwei Schwerpunkte. Zum einen mit gelingt es, automatisierte Frequenzscans haben wir gemischte Finite-Elemente-Gitter durchzuführen und die Charakterisierung der implementiert, die Gitter aus einer Kombina- Resonatoren deutlich schneller durchzuführen.

3 B. Kettner: Detection of spurious modes in resonance mode computations. Free University Berlin, Department of Mathematics and Computer Science, 2012, PhD konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin numerische analysis und modellierung | 38

Modellgestützte Medikation in der Reproduktionsmedizin

Bearbeitet von: Claudia Stötzel, Susanna Röblitz, Peter Deuflhard Kooperation: H.M. Jones, D.-O. Azulay, P.H. van der Graaf, S.W. Martin (Pfizer UK) Förderung: Pfizer, EU FP7 Project PAEON Weitere Informationen unter: www.zib.de/de/jb/reproduktionsmedizin

Der Anteil der Paare mit unerfülltem Kinder- künstlichen Befruchtung. Obwohl die relevanten wunsch aufgrund von Unfruchtbarkeit wird in Komponenten und Rückkopplungsmechanis- Europa auf 12 – 15 % geschätzt, und Experten men weitgehend bekannt sind und mit Hilfe von vermuten, dass sich diese Zahlen innerhalb Experimenten qualitativ beschrieben wurden, von zehn Jahren verdoppeln werden. Neben stehen dynamische, d.h. zeitabhängige, ma- persönlichen Leidensgeschichten sind auch der thematische Modelle erst am Anfang der Ent- Beitrag zum Rückgang der Geburtenraten und wicklung. Solche Modelle gestatten medizinisch die damit verbundenen sozio-ökonomischen fundierte, quantitative Vorhersagen über die Auswirkungen nicht zu vernachlässigen. In 50% zeitlichen Änderungen des Systems. der Fälle spielen gesundheitliche Probleme der Frau eine Rolle, die häufig auf endokrinolo- In Zusammenarbeit mit der Pharmaindustrie Das Modell GynCycle gischen Krankheiten beruhen, z. B. Endometri- (Pfizer) haben wir in unserer Gruppe das Modell ose oder dem Polyzystischen Ovarischen Syn- GynCycle entwickelt1, siehe Abb. 1, das die Re- drom (PCOS). gulation verschiedener Hormone sowie die Rei- fung von Follikeln und Gelbkörpern beschreibt. Ein gesunder Fortpflanzungszyklus beruht auf Das Modell generiert quasi-periodische Lö- physiologischen Vorgängen wie Follikelreifung, sungen mit einer mittleren Zykluslänge von 28 Ovulation und Gelbkörperentwicklung. Diese Tagen. Zur Parametrisierung des Modells wur- werden durch ein exakt ausbalanciertes zeit- den Daten (Blutmesswerte von LH, FSH, E2, P4) liches Zusammenspiel zahlreicher Hormone von 12 gesunden Teilnehmerinnen einer Pfizer- gesteuert, u. a. luteinisierendes Hormon (LH), Studie verwendet. Zusätzlich wurden Daten ver- Follikel-stimulierendes Hormon (FSH), Estradiol wendet, welche die Veränderungen in den Hor- (E2), Progesteron (P4) und Gonadotropin-frei- monkonzentrationen nach der Gabe bestimmter setzendes Hormon (GnRH). Moderne reproduk- Medikamente, sogenannter GnRH-Analoga, be- tionsmedizinische Verfahren wie die In-vitro- schreiben. Fertilisation (IVF) oder die intrazytoplasmatische Spermieninjektion haben die Chance auf eine Es gibt zwei Arten Analoga: Agonisten und erfolgreiche Fortpflanzung deutlich erhöht. Antagonisten. Agonisten agieren genau wie Trotzdem erreichen selbst die besten Praxen nur Erfolgsraten von etwa 35%. Dies liegt vor allem GnRH frequency (freq) GnRH antagonist PERIPHERAL COMPARTMENT GnRH (G) GnRH Ant−Rec daran, dass die pathophysiologischen Zusam- Complex  Abb. 1: GnRH mass (mass) active GnRH−Rec GnRH antagonist GnRH antagonist complex CENTRAL COMPARTMENT DOSING COMPARTMENT menhänge sowie der Einfluss äußerer Faktoren active Ablaufschema des GnRH Receptors GnRH agonist GnRH agonist CENTRAL COMPARTMENT DOSING COMPARTMENT auf die Dynamik der Prozesse noch nicht voll- inactive GnRH−Rec inactive active Ago−Rec Modells vom weiblichen complex GnRH Receptors complex ständig geklärt sind. inactive Ago−Rec Hormonzyklus complex Estradiol (E2)

pituitary LH serum LH free LH receptors (LH pit ) (LH blood ) (R LH ) Progesterone (P4) Ein Computermodell des weiblichen Hormon- LH receptor complex desensitized rec. (LH−R) (R LH,des )

Inhibin B (IhB) zyklus kann dazu beitragen, ein vertieftes Ver- pituitary FSH serum FSH free FSH receptors (FSH pit ) (FSH blood ) (R FSH ) foll. LH sensitivity effective IhA (IhA ) e ( s ) ständnis dieser Vorgänge zu gewinnen und FSH receptor complex desensitized rec. (FSH−R) (R FSH,des ) neue Therapieformen zu entwickeln, sowohl für Inhibin A (IhA) die Verbesserung der natürlichen Fruchtbarkeit, AF1 AF2 AF3 AF4 PrF OvF Sc1 Sc2 Lut1 Lut2 Lut3 Lut4 als auch zur Erhöhung der Erfolgsraten bei der

1 S. Röblitz, C. Stötzel, P. Deuflhard, H.M. Jones, D.-O. Azulay, P. van der Graaf, S.W. Martin: A mathematical model of the human menstrual cycle for the administration of GnRH analogues, Journal of Theoretical Biology 321:8 – 27, 2013 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin numerische analysis und modellierung | 39

Das Projekt in Kürze: Mathematische Modelle zur Beschreibung zeitabhängiger physio- logischer Prozesse tragen zum Verständnis von Krankheiten bei und helfen bei der Entwicklung neuer Therapien. In der AG Mathematische Systembiologie wurde ein Modell des weiblichen Hormonzyklus entwickelt, mit dem die Gabe bestimmter Medikamente sowie deren Auswirkungen auf den Zyklus simuliert werden können. Im Rahmen des von der EU geförderten Projektes PAEON soll dieses Modell mit patienten-spezifischen Daten validiert und personalisiert werden und in der klinischen Praxis zum Einsatz kommen, um individuelle Behandlungsstrategien zu entwickeln.

Abb. 2:  (a) (b) (c) 200 200 200 Ein regelmäßiger Zyklus (rot-gestrichelte Kurve: LH) 150 150 150 durchläuft nach der Gabe eines GnRH-Agonisten 100 100 100 eine temporäre Phasen 50 verschiebung (blaue 50 50

Kurve). Je nach Dosiszeit- 0 0 0 −20 0 20 40 60 80 100 −20 0 20 40 60 80 100 −20 0 20 40 60 80 100 punkt wird die Ovulation day day day verzögert (a), vorgezogen (c) (b), oder bleibt nahezu (a) (b) unverändert (c). natürliches GnRH. Eine pulsatile Gabe stimu- matischen Modellen für einzelne Patienten ließe liert die Ausschüttung von LH und FSH, woge- sich die Prognose deutlich verbessern. gen eine langfristige kontinuierliche Gabe, nach anfänglich stimulierendem Einfluss, hemmend Um solche individualisierten Modelle zu erstel- wirkt. Agonisten werden bei der IVF eingesetzt, len, ist es notwending, Patientendaten über ei- sowie zur Behandlung von Krebs und Endome- nen längeren Zeitraum (2 – 3 Zyklen) hinweg zu triose. GnRH-Antagonisten, welche ebenfalls erheben. Das funktioniert am besten in der kli- bei der IVF genutzt werden, blockieren dagegen nischen Praxis, wo sich Patienten über mehrere die Wirkung des natürlichen GnRH, wodurch die Wochen hinweg in ärztlicher Behandlung befin- Freisetzung von LH und FSH sowie die Produkti- den. Gemeinsam mit Medizinern, Biologen und on von E2 in den Eierstöcken sofort unterdrückt Informatikern aus verschiedenen europäischen werden. Generell werden GnRH-Analoga einge- Ländern wollen wir im Rahmen des von der EU setzt, um den genauen Zeitpunkt der Ovulation geförderten Projektes PAEON2 aus solchen Da- zu steuern. ten patientenspezifische Behandlungsstrategien für fertilitätsrelevante Krankheiten ableiten. Da- Timing bei der Entscheidend bei der Wirkung der Analoga ist für stellt unsere Arbeitsgruppe geeignete Algo- Medikamentengabe das richtige Timing bei der Verabreichung der rithmen zur Verfügung. Außerdem entwickeln Medikamente. Diese Situation wird mit dem wir neue Methoden zur Analyse von Unsicher- GynCycle Modell anschaulich dargestellt, sie- heiten in Modell und Daten, aus denen sich Aus- he Abb. 2. Je nach Zeitpunkt, Dosis und Dauer sagen über die intra- und interindividuelle Varia- der Gabe liefert die Simulation unterschiedliche bilität des Systems gewinnen lassen. Ergebnisse bezüglich Unterdrückung bzw. Ver- schiebung der Ovulation, sowie zur Normali- Die Methoden, die in dem Projekt entwickelt sierung des Zyklus nach Ende der Behandlung. werden, sind nicht nur auf die Reproduktions- Diese Ergebnisse stimmen mit Beobachtungen medizin anwendbar. Auch andere medizinische aus entsprechenden Studien überein. In der Pra- Bereiche oder Organismen, bei denen zeit- xis ist es jedoch schwierig, solche Vorhersagen abhängige physiologische Prozesse mit Hilfe zu treffen, da sich Empfehlungen für die Verab- mathematischer Modelle abgebildet werden reichung der Medikamente in der Regel an Mit- können, profitieren zukünftig von unseren Er- telwerten orientieren. Mit individuellen mathe- kenntnissen.

2 Verbundprojekt Nr. 600773, Model Driven Computation of Treatments for Infertility Related Endocrinological Diseases konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin numerische analysis und modellierung | 40

Projekte der Abteilung Numerische Analysis und Modellierung Alle Projekte im Netz ausführlich unter: www.zib.de/Numerik/projects

MULTIVALENZ ALS WIRKPRINZIP ANALYTISCHE CHEMIE HORMONZYKLUS UND STOFFWECHSEL Bearbeitet von: A. Bujotzek, O. Scharkoi, Bearbeitet von: Computational Molecular DER MILCHKUH M. Weber Design Bearbeitet von: C. Stötzel, J. Plöntzke, Kooperation: FU/HU Chemie, Charité Kooperation: Bundesanstalt für Materialfor- S. Röblitz Förderung: SFB-765, DFG schung (BAM) Kooperationen: M. Boer, H. Woelders (U Inhalt: Die Kinetik eines Bindungsprozesses Förderung: BAM Wageningen), W. Heuwieser, K. Müller (FU) wird durch die multivalente Präsentation Inhalt: Wir haben erfolgreich zum Verständ- Inhalt: In Kooperation mit Tierwissenschaft- von Wirkstoffen verändert. Neue mathema- nis der Resultate chemisch-analytischer lern werden anhand des am ZIB entwi- tische Modelle wurden hierzu hergeleitet. Experimente beigetragen. In der Graduier- ckelten Modells BovCycle Mechanismen Insbesondere untersuchten wir den „rebin- tenschule SALSA forschen wir an neuen untersucht, die die Fertilität von Milchkühen ding effect“. analytischen Verfahren mit. beeinflussen. Darüber hinaus entwickeln wir ein Modell zur Regulation des Kalium- TRANSFORMATIONSPRODUKTE IM LEHREND LERNEN – LERNEND haushalts bei Kühen. TRINKWASSER LEHREN Bearbeitet von: V. Durmaz, M. Weber Bearbeitet von: K. Fackeldey, M. Weber, EFFIZIENTE ALGORITHMEN IN DER Kooperation: T. Ternes (BfG), H. Mückter M. Weiser SYSTEMBIOLOGIE (LMU) Kooperation: S. Tappert (HU Berlin/ Bearbeitet von: T. Dierkes, S. Röblitz, Förderung: Verbundprojekt TransRisk, BMBF St. Franziskusschule), P. Deuflhard Inhalt: Chemikalien werden im Wasserkreis- Inhalt: Es werden angehende Lehramtsstu- Inhalt: Ziel dieses Projektes ist die Entwick- lauf biotisch und abiotisch transformiert. denten mit Schülern in Kontakt gebracht lung der ZIB-eigenen Software BioPARKIN Wir identifizieren und priorisieren das Risi- und Schülern ein Einblick in den univer- (Biology-related PARameter identification in kopotential der Transformationsprodukte. sitären Betrieb gegeben. In der Vorlesung large KINetic networks) zur Modellierung, werden den angehenden Lehrern praxis- Parameteridentifizierung und Simulation SELEKTIVES SCHMERZMITTEL nahe Beispiele aus der Mathematik vorge- biologischer Systeme. BioPARKIN verbin- Bearbeitet von: O. Scharkoi, M. Weber, stellt, die genutzt werden können, um den det effiziente numerische Algorithmen P. Deuflhard Unterricht für die Schüler ansprechender zu (LIMEX, NLSCON) mit einer graphischen Kooperation: Ch. Stein (Charité), Ch. Zöll- gestalten. Benutzeroberfläche zur Verwaltung von ner (Uniklinik Hamburg) Daten und Modellen. Förderung: VIPProgramm (über Charité), SKELETTALE BIOMECHANIK BMBF Bearbeitet von: R. Ehrig DISKRETE/KONTINUIERLICHE MODELLIE- Inhalt: Wir konnten durch Laborversuche Kooperation: W.R. Taylor (ETH Zürich), RUNG IN DER SYSTEMBIOLOGIE bekräftigen, dass unser computer-designtes M. Heller (U Southampton), G. Duda (JWI Bearbeitet von: C. Stötzel, S. Röblitz Schmerzmittel keine zentralen Nebenwir- HU Berlin) Kooperation: A. Bockmayr, H. Siebert (FU) kungen auslöst. Aufgrund dieses Erfolges Inhalt: Die Verfahren zur Ermittlung skelet- Förderung: Matheon Projekt A18 haben wir die MathPharm GmbH gegrün- taler Parameter aus fluoroskopischen oder Inhalt: Um den Parameter- und Zustands- det, die den Wirkstoff vermarkten soll. markerbasierten Messungen wurden zur raum von Differentialgleichungsmodellen Analyse der Anterior-posterior-Translation zu untersuchen, kann es hilfreich sein, EFFEKTIVE MOLEKÜLSIMULATION und der inneren Rotation im Kniegelenk ein entsprechendes diskretes Korres Bearbeitet von: K. Fackeldey, K. Andrae, bei passiver und aktiver Bewegung pondenzmodell zu analysieren. Wir unter- M. Weber angewendet. Dadurch ließen sich durch suchen, wie solche Modelle unter Erhaltung Kooperation: FU Chemie, BfR, Uni Zürich, Verletzungen oder Degeneration verursach- bestimmter Strukturen, z. B. Periodizität, Coll. Mount St. Vincent (New York) te veränderte Charakteristiken der Knie- geeignet konstruiert werden können. Förderung: Matheon, Projekt A19 Kinematik im Detail analysieren. Inhalt: In Zukunft sollen detaillierte DEFEKTREKONSTRUKTION IN DER quantenchemische Informationen in die REAKTIONSKINETIK IN BIOSENSOREN THERMOGRAPHIE Molekülsimulationen einfließen können. Bearbeitet von: T. Dierkes, S. Röblitz, Bearbeitet von: S. Götschel, B. Erdmann, Wir haben zudem das Potential von rando- J. Plöntzke M. Weiser misierten Matrix-Algorithmen und von der Kooperation: Fraunhofer IBMT Potsdam- Kooperation: C. Maierhofer (BAM) Zeitextrapolation durch Markov-Operatoren Golm Förderung: BAM erforscht. Förderung: Förster-Technik GmbH Engen Inhalt: Thermographie wird zur Erkennung Inhalt: Es wurde ein chemisches Reaktions- von Fehlstellen verwendet. Wir entwickeln modell entwickelt, welches die Vorgänge in physikalisch motivierte Heuristiken zur einem kompetitiven Immunoassay zur Pro- Datenvorverarbeitung und zur schnellen gesteronbestimmung in Milch beschreibt. Bestimmung der Tiefe und Form von Dabei müssen Effekte wie Wiederbindung Fehlstellen. oder unspezifische Reaktionen berücksich- tigt werden. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin numerische analysis und modellierung | 41

ATLASBASIERTE SEGMENTIERUNG ELEKTRISCHE HERZERREGUNG ELIMINATION UNPHYSIKALISCHER Bearbeitet von: A. Günther, M. Weiser, Bearbeitet von: M. Weiser, B. Erdmann, LÖSUNGEN IM RESONANZSPEKTRUM H. Lamecker, H.C. Hege P. Deuflhard Bearbeitet von: B. Kettner, F. Schmidt Kooperation: X. Pennec (INRIA) Kooperation: L. Pavarino (U Milano), Kooperation: A. Schädle (U Düsseldorf) Förderung: Matheon, Projekt F2 M. Minion (Stanford) Förderung: Matheon, Projekt D23 Inhalt: Für statistische Formatlanten ist die Inhalt: Die Simulation der Herzerregung ist Inhalt: Bei der numerischen Untersuchung Herstellung einer Korrespondenz verschie- aufgrund stark unterschiedlicher Zeit- und von Nano-Resonatoren entstehen unphysi- dener Formen erforderlich. Dafür werden Ortsskalen schwierig. Wir entwickeln kalische Lösungen. Wir haben einen Algo- numerische Optimierungsverfahren auf strukturausnutzende Verfahren zur Redukti- rithmus entwickelt, der aufgrund der ver- Basis der LDDMM-Methoden entwickelt. on des Rechenaufwands bei gleichzeitiger wendeten mathematischen Modelle in der Eine unterschiedliche Diskretisierung des Kontrolle des Diskretisierungsfehlers. Lage ist, die unphysikalischen Lösungen im Geschwindigkeitsfeldes und der Formdar- Resonanzspektrum zu erkennen. stellung erlaubt dabei eine sehr flexible DEMO14 adaptive Verfeinerung. Bearbeitet von: M.Hammerschmidt, RANDBEDINGUNGEN FÜR PERIODISCHE D. Lockau, F. Schmidt AUssENRÄUME CHIRURGIEPLANUNG Kooperation: Masdar PV GmbH, PVcomB, Bearbeitet von: T. Pollok, F. Schmidt Bearbeitet von: C. Klapproth, L. Lubkoll, Forschungszentrum Jülich Kooperation: K. Schmidt (TU Berlin) S. Götschel, M. Weiser, P. Deuflhard, Inhalt: Ziel ist die Entwicklung und De- Förderung: Projekt D23, Matheon S. Zachow monstration einer Silizium-Dünnschichtso- Inhalt: Wir haben für Streuprobleme mit Kooperation: R. Kornhuber (FU Berlin), larzelle mit 14% Zellwirkungsgrad. Unsere periodischen Außenräumen eine neue A. Schiela (TU Berlin) Aufgaben darin sind Simulation und Ent- Methode für die Berechnung geeigneter Förderung: Matheon, Projekt A17 wicklung von Oberflächentexturierungen Randbedingungen entwickelt. Diese ist im Inhalt: Die computergestützte Planung or- und plasmonischen Strukturen, sowie Op- Vergleich zu anderen Methoden dimensi- thopädischer Operationen erfordert die Si- timierung bestehender Designs. Es wurden onsunabhängig und sehr viel allgemeiner. mulation der Biomechanik. Für dynamische erste Strukturoptimierungen durchgeführt. Kontaktprobleme im Kniegelenk wurde eine NEUE KONZEPTE FÜR ABSORPTIONSMA- adaptive Steuerung des kontaktstabilisier- MULTI-DIMENSIONALE NAGEMENT IN SILIZIUMDÜNNSCHICHT- ten Newmark-Verfahrens entwickelt. Zudem MODELLIERUNG UND SOLARZELLEN wurden Verfahren zur Formoptimierung SIMULATION VON VCSELN Bearbeitet von: D. Lockau, M. Hammersch- von Knochenimplantaten analysiert und Bearbeitet von: M. Rozova, F. Schmidt midt, F. Schmidt umgesetzt. Kooperation: Th. Koprucki, A. Mielke, Kooperation: Helmholtz-Zentrum Berlin U. Bandelow (WIAS) Inhalt: Im Kooperationsprojekt zur Simu- TRAJEKTORIENKOMPRESSION Förderung: SFB 787, Projekt B4 lation von polykristallinen Silizium-Dünn- Bearbeitet von: S. Götschel, M. Weiser Inhalt: Es wurde ein mikroskopisches Mehr- schichtsolarzellen mit dem HZB wurde eine Kooperation: K. Polthier (FU Berlin), Teilchen-Modell für 3D-VCSEL-Strukturen Optimierung von geeigneten periodischen K. Kunisch (U Graz) entwickelt und seine opto-elektronischen Lichtfallenstrukturen durchgeführt. Dabei Förderung: Matheon, Projekt F9 Eigenschaften analysiert. Die Generierung wurde gezeigt, dass die hergestellte Struk- Inhalt: Die adjungierte Berechnung von von gemischten Gittern für anisotrope tur eine größere Absorptionsverstärkung Gradienten für zeitabhängige Optimie- VCSEL und die adaptive Steuerung der FE- realisiert, als durch das Limit von Yablono- rungsprobleme erfordert die Speicherung Ordnung stellen einen wichtigen Aspekt für vitch gegeben. großer Zustandstrajektorien. Wir entwickeln die zukünftige Forschung dar. verlustbehaftete Kompressionsverfahren METALLISCHE NANOSTRUKTUREN ZUR auf Basis hierarchischer Interpolation in OPTIMIERUNG VON NANOSTRUKTU- PLASMONISCHEN ABSSORPTIONSVER- adaptiven FE-Gittern. Adaptive Quantisie- RIERTEN DÜNNSCHICHT-SOLARZELLEN STÄRKUNG IN ULTRADÜNNEN CIGS- rungen wurden für nichtlineare Probleme Bearbeitet von: M. Blome, F. Schmidt SOLARZELLEN der Defibrillation entwickelt. Kooperation: K. McPeak (OMEL ETH Zü- Bearbeitet von: P. Manley, F. Schmidt rich), J. Gansel (CFN Karlsruhe), M. Teillaud Kooperation: Helmholtz-Zentrum Berlin ZEREBRALE ZIRKULATION (INRIA Sophia Antipolis, France) Inhalt: Ultradünne Solarzellen benötigen Bearbeitet von: M. Weiser, S. Zachow Förderung: Matheon, Projekt D23 besondere optische Systeme für bestmög- Kooperation: D. Frey (Charité) Inhalt: Im Rahmen eines interdisziplinären liche Absorptionsverstärkung. In diesem Förderung: Charité Projektes mit der ETH Zürich wurde die Projekt wird die Absorptionsverstärkung Inhalt: Wir entwickeln quantitative Me- Effektivität nanostrukturierter Dünnschicht- in ultradünnen CIGS-Solarzellen durch thoden zur Vorhersage der Durchblutung Solarzellen systematisch optimiert. Zur optimale Platzierung von plasmonischen verschiedener Hirnregionen zur Entschei- geometrisch exakten Modellierung der Silberpartikeln untersucht. dungsunterstützung bei der Planung neuro- untersuchten Solarzellen wurden Compu- chirurgischer Bypass-Operationen. ter-Aided Design Software-Tools entwickelt, die es erlauben, parametrisierte Geome- triemodelle zu erstellen und automatisch zu diskretisieren.

Visualisierung und Datenanalyse Unsichtbares sichtbar machen konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Visualisierung und Datenanalyse | 44

Visualisierung und Datenanalyse Leitung: Hans-Christian Hege Weitere Informationen unter: www.zib.de/de/visual.html

Mission Spin-Offs Wir schaffen Werkzeuge zur visuell gestützten Aus der Abteilung sind bisher fünf Spin-Offs Datenanalyse. Die interaktive Analyse ergänzt hervorgegangen; die jüngste („1000shapes die automatische, wenn unbekannte Fakten, GmbH“) wurde im Jahr 2010 gegründet. Beziehungen oder Strukturen gesucht werden, Daten zu komplex für eine vollautomatische PREISE UND AUSZEICHNUNGEN Analyse sind, wesentliche Datenmerkmale nur Jens Kasten, Ingrid Hotz und Hans-Christian qualitativ definiert sind, oder wenn erst eine Hege erhielten den Best Short Paper Award Übersicht über die Daten gewonnen werden der Eurographics Conference on Visualization muss, ehe konkrete Fragen formuliert und Hy- (EuroVis 2012) für die Arbeit „Vortex Merge Gra- pothesen gebildet werden können. Weiterhin phs in Two-dimensional Unsteady Flow Fields“. entwickeln wir voll- und halbautomatische Ver- Moritz Ehlke, Heiko Ramm, Hans Lamecker fahren zur Verarbeitung und Analyse von raum- und Stefan Zachow erhielten den Best Poster zeitlichen Daten (Feldern, Bildern, Geometrien Award des Eurographics Workshop on Visual und Graphen). Computing for Biology and Medicine (VCBM 2012) für den Beitrag „Efficient projection and Zum Einsatz kommen Methoden der Bild- und deformation of volumetric intensity models for Geometrieverarbeitung, der Datenanalyse so- accurate simulation of X-ray images“. Norbert wie der Computergrafik, Datenvisualisierung Lindow, Daniel Baum, Ana-Nicoleta Bondar und und Mensch-Computer-Interaktion. Ziel unserer Hans-Christian Hege erhielten einen Honorable methodischen Forschungen und der Software- Mention Award für die Arbeit „Dynamic Chan- Entwicklungen sind praxistaugliche Lösungen. nels in Biomolecular Systems: Path Analysis Die Forschungsprojekte sind daher in konkrete and Visualization“ auf dem IEEE Symposium Anwendungskontexte gebettet. Anwendungs- on Biological Data Visualization (BioVis 2012). gebiete sind die Natur-, Ingenieur- und Umwelt- Stefan Zachow und Hans Lamecker erhielten wissenschaften sowie die Medizin. den Matheon-Ausgründungspreis für den erfolgreichen Transfer von Forschungsergebnis- Struktur sen aus dem Matheon in die Wirtschaft durch Die Abteilung besteht aus vier Arbeitsgruppen: Gründung des Spin-Offs 1000Shapes GmbH.

• Visualisierungsalgorithmen Visualisierungsalgorithmen1 (Ltg. Hans-Christian Hege) Für die Visualisierung von Strukturen in un- • Visualisierungssysteme scharfen Daten, die durch nicht-parametrische (Ltg. Dr. Steffen Prohaska) Zufallsverteilungen charakterisiert sind, wurden • Vergleichende Visualisierung Verfahren zur Quantifizierung von Unsicher- – bis Aug. 2012 – (Ltg. Dr. Ingrid Hotz) heiten entwickelt. Die Analyse von instationären • Medizinische Planung Strömungen wurde durch Techniken zur Extrak- (Ltg. Dr. Stefan Zachow). tion von Wirbelstrukturen2 und ein allgemeines Schema für charakteristische Kurven in Strö- mungen verbessert3. In der Molekülvisualisie- rung wurden neue Verfahren zur interaktiven

1 www.zib.de/de/visual/algorithmen.html 2 Koop.: B.R. Noack, Institute P’, Poitiers, Frankreich, www.pprime.fr 3 Koop.: H. Theisel, Universität Magdeburg, AG Visual Computing isgwww.cs.uni-magdeburg.de/visual und T. Weinkauf, Max-Planck-Institut Informatik, AG Feature-Based Data Analysis, http://feature.mpi-inf. mpg.de 4 Koop.: A.-N. Bondar, Freie Universität Berlin, Physik, AG Theoretische Molekulare Biophysik, www.physik.fu-berlin.de/einrichtungen/ag/ag-bondar 5 Koop.: M. Oberländer, Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik, Tübingen, www.kyb.tuebingen.mpg.de/de/forschung/fg/oberlaendergroup.html und B. Sakmann, Max Planck Florida Institute, www.maxplanckflorida.org6 Virtual gastrointestinal tract, www.vigorpp.eu 7 Koop.: L. Goubergrits, U. Kertzscher, K. Affeld; Charité Berlin, Labor für Biofluidmechanik, www.charite.de/biofluidmechanik/8 www.zib.de/de/visual/visualisierungssysteme.html konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Visualisierung und Datenanalyse | 45

Exploration der Hohlraumdynamik in biomole- deren Entstehung sowie Verschmelzung entwi- kularen Systemen entwickelt4. Im Projekt „Cor- ckelt15. Neben dieser strukturellen Strömungs- tex in Silico“ wurden die vorhandenen Verfah- analyse wurde eine automatische illustrative ren zur Rekonstruktion von großen neuronalen Visualisierung entwickelt, die Handskizzen von Netzwerken erweitert und durch Werkzeuge Anwendern simuliert. Hierfür wurden robuste zur Analyse von synaptischen Verbindungen und effiziente Algorithmen entwickelt, die auch ergänzt5. Im Rahmen des EU-Projekts Vigor++6 eine Hierarchisierung der Wirbelstrukturen in wurden Verfahren zur Unterstützung der Stadi- Wirbelbäume erlauben und eine interaktive sta- enbestimmung bei Morbus Crohn sowie eine tistische Analyse ermöglichen. Zur Analyse von allgemeine Technik zum interaktiven Auswählen Belastungstensoren im Kontext von Bauteilent- von Strukturen in 3D-Volumendarstellungen wurf und -gestaltung, wurde das Konzept von entwickelt. Die Arbeiten zu zerebralen Aneurys- Merkmalsräumen weiter entwickelt und durch men ergaben ein differenzierteres Bild zum Risi- neue Visualisierungsmethoden ergänzt16, u. a. in- ko, dass diese aufreißen.7 teraktive Texturerzeugungsmethoden, basierend auf einer anisotropen Verallgemeinerung von Visualisierungssysteme8 Delaunay- und Voronoistrukturen. Visualisierungsverfahren werden in die Soft- waresysteme Amira und Avizo integriert.9 Ko Medizinische Planung17 operationspartner des ZIB erhalten diese kosten- Ein Schwerpunkt der Arbeitsgruppe liegt auf der frei.10 Die Verfahren zur Analyse des Porenraums Entwicklung von Verfahren zur geometrischen in CT-Aufnahmen von Bodenproben und in Rekonstruktion komplexer 3D-Strukturen aus Asphalt und zur Analyse von Rissen in CT-Auf- digitalen Messdaten (Tomografien, Röntgen- nahmen11 wurden weiterentwickelt, ebenso wie bildern, Fotografien), u. a. auf Basis von Form- automatische und semi-automatische Verfahren wissen, und deren Einsatz in vielfältigen An- zur Rekonstruktion von kompletten Mikrotubuli- wendungsgebieten (Medizin, Materialprüfung, Spindeln aus mehreren Elektronentomogram- Geowissenschaften). Zu diesem Zweck wurde an men12 und Verfahren zur Integration von Daten robusten Formanpassungs-, Segmentierungs- aus 2D- und 3D-Bildgebungsverfahren zur Un- und Rekonstruktionsverfahren gearbeitet; wei- tersuchung des Heilungsprozesses in Knochen- terhin wurden statistische Formmodelle um In- gewebe.13 Im Rahmen des Berliner Skulpturen- tensitätsinformation und Gelenkfreiheitsgrade netzwerks wurde die im Vorjahr entwickelte erweitert.18 Neu entwickelte Verfahren zur auto- iPad-Anwendung für die Vermittlung von Zusatz- matischen Generierung von FE-Vernetzungen für informationen in der aktuellen Pergamon-Son- komplexe geometrische Konstellationen wurden derausstellung eingesetzt und nach erfolgreicher in die Software ZIB-Amira integriert. Ferner wur- Evaluierung im App-Store veröffentlicht. den Methoden zum Design von Implantaten und deren Anpassung an anatomische Strukturen Vergleichende Visualisierung14 entwickelt und für Anwendungen in der orthopä- Ziel der Arbeitsgruppe ist die Visualisierung von dischen Chirurgie und der Gesichtschirurgie ein- tensor- und vektorwertigen Daten. Zur Visua- gesetzt. In einer klinischen Kooperation wurde lisierung zeitabhängiger Strömungen wurden der Einfluss von Kiefersegmentverlagerungen Methoden zur Verfolgung von Wirbelstrukturen, auf die Atemwege untersucht19.

9 Koop.: Visualization Sciences Group, www.vsg3d.com 10 www.amira.zib.de 11 Koop.: BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, www.bam.de 12 Koop. T. Hyman, Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik, www.mpi-cbg.de 13 Koop.: P. Fratzl, Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenz flächenforschung, www.mpikg.mpg.de 14 www.zib.de/index.php?id=85 15 Koop.: B.R. Noack, Institute P’, Poitiers, Frankreich, www.pprime.fr 16 Koop.: M.Stommel, Institut für Polymerwerkstoffe, Universität des Saarlandes, www.lpw.uni-saarland.de 17 www.zib.de/de/visual/medizinische-planung.html 18 Förderung u. a.: EU FP7 – MXL, www.m-x-l.eu, Matheon F2, University of Calgary (CA), Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) 19 Koop.: Universitätsklinik Köln, Klinik Prof. Sailer AG in Zürich, CH konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Visualisierung und Datenanalyse | 46

3D-MODELLIERUNG UND VISUELLE ANALYSE VON NEURONALEN NETZEN

Bearbeitet von: Vincent J. Dercksen, Hans-Christian Hege Kooperation: Marcel Oberlaender (Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik), Bert Sakmann (Max Planck Florida Institute) Förderung: Max-Planck-Institut für Neurobiologie Weitere Informationen unter: www.zib.de/jb2012/cortex-in-silico

Eine der großen Fragen der Neurobiologie ist, den können. Die rekonstruierten 3D-Netzwerke wie sensorische Information im Gehirn verar- ermöglichen ein besseres Verständnis der Ana- beitet wird und wie sich daraus Verhalten ablei- tomie des somatosensorischen Cortex und bil- tet. Ein häufig verwendetes Modellsystem zur den den Ausgangspunkt für die Simulation der Untersuchung dieser Frage ist das somatosen- neuronalen Informationsverarbeitung. sorische System der Ratte, bei dem eine Eins- zu-eins-Beziehung zwischen individuellen Bart- ANATOMIEREKONSTRUKTION haaren und eindeutig abgrenzbaren Bereichen Die anatomische Grundlage für das 3D-Netz- in Thalamus und Cortex besteht. In jedem die- werkmodell bilden aus Bilddaten rekonstru- ser Bereiche wird die sensorische Information ierte Neurone, sowie Daten über deren Anzahl je eines Barthaares verarbeitet. Im Cortex sind und räumliche Verteilung. Zur Gewinnung der diese Bereiche zylinderförmig und werden des- Morphologien der Neurone wurde ein halb- halb „kortikale Säulen“ genannt (Abb. 1). automatischer Prozess entwickelt, mit dem im Hochdurchsatz sowohl dendritische als auch axonale Neuronmorphologien rekonstruiert  Abb. 1: werden können2. Damit konnte relativ schnell Somatosensorisches eine repräsentative Auswahl von Neuronen System der Ratte: rekonstruiert werden, die es erlaubte, biolo- Tastinformation von gische Aussagen, z. B. bezüglich Zellklassifi- einem Barthaar wird kation (Abb. 3), stimulusabhängigen Verarbei- zu korrespondierenden tungspfaden oder Plastizitäten quantitativ zu Bereichen im Hirnstamm belegen. Auch wurde eine Methode entwickelt, (1), Thalamus (VPM, 2) um in 3D-Bilddaten neuronale Zellkörper au- und anschließend zum tomatisch zu detektieren3. Mit dieser Methode Cortex (3) weitergeleitet. konnte die Anzahl und Verteilung der verschie- Die zylinderförmigen kor- denen Neuronentypen in einzelnen Säulen4 tikalen Säulen enthalten und im gesamten somatosensorischen Cortex Neuronenzellen verschie- (noch unveröffentlicht) bestimmt werden. denen Typs, die nach der Schicht (L1–L6) in der sie 3D-MODELLIERUNG NEURONALER NETZE hauptsächlich auftreten Durch realitätsgetreue 3D-Modellierung und Die neuronalen Netze werden modelliert, in- benannt sind1. numerische Simulation der neuronalen Schalt- dem Einzelzellen entsprechend den für die ver- kreise dieses biologischen Systems hofft man, schiedenen Neuronentypen ermittelten Dichte- neue Erkenntnisse über Prozesse im Säuger- verteilungen in ein Referenzmodell (definiert hirn zu gewinnen, die traditionellen in-vivo/ durch die Säulengeometrie) integriert werden5. in-vitro Methoden verborgen bleiben. Unsere Dazu werden die Neuronmorphologien repli- Aufgabe im Verbundprojekt „Cortical column in ziert und im Raum verteilt, so dass die Zellkör- silico“ ist es, Werkzeuge zu entwickeln, mit de- per der vorgegebenen Dichte- und Typvertei- nen, ausgehend von mikroskopischen Daten, lung entsprechen. Die Anzahl der synaptischen anatomisch realistische neuronale Netze re- Verbindungen zwischen den Neuronen wird konstruiert und visuell gestützt analysiert wer- durch Betrachtung des strukturellen Überlapps

1 Bild (modifiziert) aus: M. Helmstaedter, et al., Reconstruction of an average cortical column in silico. Brain Res Rev 55(2), pp. 193–203, 2007. 2 Dercksen, V. et al., Visualization in Medicine and Life Sciences II, L. Linsen, H. Hagen, B. Hamann, H.-C. Hege (Eds.), pp. 27–44, Springer, Berlin, 2012. 3 Oberlaender, M. et al., Automated three-dimensional detection and counting of neuron somata. J Neurosci Methods, 180:1 (2009), pp. 147-160. 4 Meyer, H.S. et al., Number and Laminar Distribution of Neurons in a Thalamocortical Projection Column of Rat Vibrissal Cortex, Cereb Cortex, 20:10 (2010), pp. 2277–2286. 5 Egger, R. et al., 3D Reconstruction and Standardization of the Rat Vibrissal Cortex for Precise Registration of Single Neuron Morphology. PLoS Comput Biol 8:12 (2012), e1002837. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Visualisierung und Datenanalyse | 47

Das Projekt in Kürze: Eine Grundfrage der Neurobiologie ist, wie sensorische Information vom Gehirn verarbeitet wird und sich daraus Verhalten ableitet. Zur Untersuchung dieser Frage wird ein Ausschnitt des somatosensorischen Cortex der Ratte, der von Barthaaren aufgenommene Tastinformation verarbeitet, als anatomisches Modell nachgebildet. Es wurden Methoden entwickelt, um die Nervenzellen aus Bilddaten zu rekonstruieren, in ein Modell zu integrieren, und ihre Struktur sowie synaptische Konnektiviät visuell und quantitativ zu analysieren. Anhand des 3D-Modells kann die anatomische Grundlage der Signalverarbeitung besser verstanden und die neuronale Informa tionsverarbeitung simuliert werden.

abgeschätzt („Peter’s rule“). Dabei werden die VISUELL GESTÜTZTE ANALYSE lokal vorhandenden präsynaptischen Kontakt- Die geometrische Beschreibung der Neuron- stellen (die Boutons auf den Axonen) auf die population erlaubt es, die synaptische Konnek- lokal vorhandenen postsynaptischen Stellen tivität auf subzellulärer, zellulärer und Popu- (Spines auf den Dendriten) verteilt. Auf diese lationsebene zu berechnen. Durch zusätzliche Weise wurden 3D-Modelle erzeugt, die eine Annotation des Modells mit Metadaten zu den kortikale Säule, ja sogar den gesamten soma- Säulen, Zelltypen und subzellulären Strukturen tosensorischen Cortex repräsentieren6. können spezifische, biologisch relevante Frage- stellungen untersucht werden, wie etwa: Von welchen Säulen und Zelltypen wird eine Zelle, oder eine Gruppe von Zellen aktiviert? Wie sind Abb. 2:  Synapsen auf postsynaptischen Zellen verteilt? Modellierung des soma- Gibt es zelltypspezifische Häufungen? Um die tosensorischen Cortex Konnektivitätsdaten zugänglich zu machen und der Ratte. Jeder Model- derartige Fragen zu beantworten, wurde ein lierungsschritt wird in je Werkzeug entwickelt mit dem sich die synap- einer Säule gezeigt: (a) tische Konnektivität – von der subzellulären Zellkörperverteilung, (b) Ebene bis zur Populationsebene – explorativ Zelltypzuweisung, (c) Plat- und quantitativ analysieren lässt. zierung der dendritische Morphologien und (d) Die Netzwerkmodelle, inklusive der synapti Platzierung der schen Verbindungen, bilden die anatomische Axonmorphologien. Grundlage für die numerische Simulation der Signalverarbeitung in neuronalen Netzen. Die- ses Thema soll künftig bearbeitet werden.

Abb. 3:  Die entwickelte Pipeline erlaubt es, neuronale Morphologien zu re konstruieren. So konnten die dendritischen Bäume von ca. 100 Neuronen rekonstruiert und nach geometrischen Eigen- schaften und Position klassifiziert werden. Es resultierten neun verschiedene Zelltypen.7

6 Dercksen, V. et al., Synaptic Connectivity in Anatomically Realistic Neural Networks: Modeling and Visual Analysis. Eurographics Workshop on Visual Compu- ting for Biology and Medicine (VCBM), pp. 17–24, 2012. 7 Oberlaender, M. et al., Cell Type-SpecificT hree-Dimensional Structure of Thalamocortical Circuits in a Column of Rat Vibrissal Cortex, Cereb Cortex, 22:10 (2012), pp. 2375–2391. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Visualisierung und Datenanalyse | 48

ANATOMISCHE 3D-MODELLE AUS RÖNTGENBILDERN FÜR DIE INDIVIDUALISIERTE THERAPIEPLANUNG

Bearbeitet von: Moritz Ehlke, Heiko Ramm, Matthias Bindernagel, Hans Lamecker, Stefan Zachow Kooperation: Charité Berlin, Zentrum für Muskuloskelettale Chirurgie; University of Southampton, School of Bioengineering; University of Calgary, Centre for Bioengineering, Research and Education; ETH Zürich, Institut für Biomechanik; 1000shapes GmbH Förderung: EU FP7, Projekt MXL; DFG-Forschungszentrum Matheon F2; medizintechnische Industrie Weitere Informationen unter: www.zib.de/jb2012/2d-3d-recon

Die modellgestützte Therapieplanung auf Ba- sis von medizinischen Bilddaten spielt in der  Abb. 1: rekonstruktiven Chirurgie eine immer wich- Klinisches Röntgenbild tigere Rolle. So lässt sich vor einer Operation eines menschlichen nicht nur die Ist-Situation bewerten, sondern Beckens (Hintergrund) durch Planung und Simulation – z. B. eines Ge- überlagert mit einem lenkersatzes durch eine Prothese – auch das zu 3D- Form- und Intensi- erwartende Ergebnis einschließlich der Funk- tätsmodell (Vordergrund tion abschätzen.1,2 Solch eine modellgestützte rechts) und einer daraus Planung basiert u. a. auf drei-dimensionalen erstellten Röntgensimula- (3D) Modellen der individuellen Patienten- tion (Vordergrund links). anatomie, die typischerweise aus tomogra phischen Bildgebungsverfahren (CT/MRT) gewonnen werden. Röntgenbild, wobei diejenige Instanz identifi- Obwohl die Zahl der CT-Untersuchungen in ziert wird, deren Projektion der anatomischen den letzten Jahren stetig ansteigt, kommt für Struktur im Röntgenbild am ähnlichsten ist. Diagnostik und Therapieplanung in der or- thopädischen Chirurgie immer noch deutlich Werden als Modell hoch aufgelöste CT-Daten- häufiger konventionelle Röntgentechnik zum sätze verwendet, dann lassen sich mittels Ray- Einsatz.3 Gründe hierfür sind die breite Ver- Casting-Verfahren realitätsnahe Röntgenbilder fügbarkeit der Röntgengeräte, aber auch Ab- erzeugen (Abb. 1). Die Berechnung plausibel wägungen von Kosten und Strahlendosis zum deformierter Instanzen von hochaufgelösten erwarteten Nutzen – vor allem in Hinblick auf strukturierten Gittern ist jedoch selbst auf mo- häufig durchzuführende Nachuntersuchungen. dernen Mehrkern-Architekturen zeitaufwendig. Außerdem lassen sich mit projektivem Rönt- Als effizient deformierbares 3D-Modell haben gen Gelenke in Bewegung, unter Last des Kör- sich statistische Formmodelle (SFM) etabliert. pergewichtes und auch während eines opera- Ziel ist es, die Darstellungsqualität des Ray- tiven Eingriffs abbilden. Casting mit den Deformationseigenschaften von SFM zu kombinieren. Zu diesem Zweck Die Abschätzung einer 3D-Form aus 2D-Pro- wurden SFM zu volumetrischen statistischen jektionsbildern ist ein aktuelles Forschungs- Form- und Intensitätsmodellen (SFIM) erwei- thema.4,5,6,7 Das methodische Vorgehen ist tert, auf deren Elementen eine Intensitäts- bzw. dabei wie folgt: Instanzen eines geometrisch Dichteinformation kodiert werden kann. Solche Lambert-Beersches Gesetz: deformierbaren 3D-Modells der zu rekon- SFIM bieten eine kompakte Repräsentation der struierenden Struktur werden bei bekannten in einer Population typischen Variationsbreite Aufnahmeparametern (Abstand der Röntgen- von Knochenform und Knochendichte. beschreibt die Abschwächung quelle zum Detektor und dessen Größe, Pati- eines Röntgenstrahles mit der entenposition, etc.) in eine Bildebene projiziert. Um Röntgenbilder aus SFIM zu generieren, Intensität I0 auf seinem Weg Diese Projektion erlaubt einen indirekten Ver- wurden am ZIB effiziente Algorithmen entwi- d durch Material i mit dem gleich des 3D-Modells mit einem gegebenen ckelt, die den physikalischen Prozess der Rönt- Absorptionskoeffizienten µi .

1 Ramm, H., Zachow, S.: Individuelle Anpassung von Endoprothesen am virtuellen Patienten unter Berücksichtigung mechanischer Simulation, Computer Aided Medical Engineering, 2012 (im Druck). 2 Ramm, H., Zachow, S.: Computergestützte Planung für die individuelle Implantatversorgung, Health Academy, 2012 (im Druck) 3 Umweltbundesamt: Häufigkeit und Dosis röntgendiagnostischer Untersuchungen in Deutschland. 06.02.2013 4 Lamecker, H. et al.: Atlas- based 3D-Shape Reconstruction from X-Ray Images, Proc. Int. Conf. Pattern Recognition, vol. 1, pp. 371-374, 2006 5 Dworzak, J. et al.: 3D Reconstruction of the Human Rib Cage from 2D Projection Images using a Statistical Shape Model, Int. J. Comput. Assist. Radiol. Surg., vol. 5, no. 2, pp. 111-124, 2010 6 Zheng, G.: Statistically deformable 2D/3D registration for estimating post-operative cup orientation from a single standard AP X-ray radiograph, Annals of biomedical engineering, vol. 38, no. 9, pp. 2910–27, 2010 7 Baka, N. et al.: 2D-3D Shape Reconstruction of the Distal Femur from Stereo X-ray Imaging using Statistical Shape Models, Medical Image Analysis, vol. 15, no. 6, pp. 840–50, 2011 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Visualisierung und Datenanalyse | 49

Das Projekt in Kürze: Diagnostik und Therapieplanung basieren in der orthopädischen Chirurgie häufig noch auf gewöhnlichen Röntgenbildern. Dazu benötigte Röntgengeräte sind weit verbreitet und Röntgenuntersuchungen verursachen im Vergleich zu CT eine geringere Strahlen- belastung. Aus der für Röntgenbilder typischen, projektionsbedingten Überlagerung resultieren jedoch Mehrdeutigkeiten, die eine verlässliche Interpretation der abgebildeten Strukturen erschweren. Am ZIB werden auf Basis von Modellwissen Verfahren entwickelt, um aus einem oder wenigen 2D-Röntgenbildern drei-dimensionale anatomische Strukturen zu rekonstruieren, die für eine modellgestützte Therapieplanung genutzt werden können.

Zur 3D-Rekonstruktion anatomischer Strukturen Abb. 2:  aus Röntgenbildern werden Ähnlichkeitsmaße Die entwickelten GPU- untersucht, die es erlauben, SFIM-Projektionen basierten Verfahren mit klinischen Röntgenbildern zu vergleichen. erlauben eine effiziente De- Für die Steuerung der SFIM-Deformation sind formation und Projektion effiziente, hierarchische Optimierungsmetho- der SFIM bei gleichzeitig den gefordert, die ausgehend von einem re- hoher Projektionsqualität. duzierten Bild- und Modellparameterraum suk- Ohne große Geschwin- zessiv den Rekonstruktionsprozess steuern. Die digkeitseinbußen lassen Berlin-Brandenburg School for Regenerative sich Bernsteinpolynome Therapies (BSRT) fördert die Entwicklung und höheren Grades projizieren den Ausbau dieser für die Qualität der Rekon- (Diagram). Dabei werden struktion kritischen Techniken mit einem Promo- feinere Strukturen deutlich tionsstipendium, um den Einsatz in klinischen besser abgebildet (Nah Anwendungen zu ermöglichen. ansichten rechts). genabsorbtion nach dem Lambert-Beerschen Gesetz auf modernen Grafikprozessoren hoch- Die entwickelten Verfahren werden in Zusam- parallel simulieren.8 Die Projektionsrate und menarbeit mit klinischen Partnern unter an- die Darstellungsqualität hängen dabei von derem dazu genutzt, die Größe und Lage von Anzahl und Größe der Volumenelemente, der Endoprothesen präoperativ zu planen12 bzw. Menge der gespeicherten Intensitätswerte pro deren Funktion postoperativ unter Last und in Element und der Interpolation zwischen die- Bewegung auszuwerten (z. B. die Erkennung sen ab (Abb. 2). kleinster Lageveränderungen des Implantates im Knochen).13 In Zukunft sollen die Techniken Um die Anzahl der Elemente so gering wie auch eine genaue relative Lagebestimmung möglich zu halten und trotzdem eine bestmög- von Gelenkstrukturen aus Fluoroskopie-Zeitrei- liche Projektionsqualität zu erlangen, werden hen ermöglichen. Solche Untersuchungen sind zur Interpolation der Intensität in den Ele- wichtig, um etwa den Erfolg einer Operation zu menten Bernsteinpolynome höherer Ordnung bewerten und frühzeitig Probleme zu erkennen. Abb. 3:  verwendet.9 Dadurch ist es trotz geringer Auflö- Für die Entwick- sung des Gitters möglich, eine hohe räumliche lungen im Bereich der Auflösung der Dichtefunktion zu erreichen. effizienten Simulation Zudem wurde ein GPU-basiertes Deforma- realistischer Röntgen- tionsverfahren implementiert, das auf teure bilder wurde die AG Kopieroperationen zwischen Haupt- und Gra- Medizinische Planung fikspeicher verzichtet.10,11 Auf diese Art lässt sich auf der Eurographics eine Beschleunigung um den Faktor 5 bis 10 im VCBM 2012 mit einem Vergleich zu hybriden CPU- und GPU-basierten von der Firma NVIDIA Methoden realisieren (Abb. 2). Das Verfahren gesponserten Preis wurde mit dem NVIDIA Best-Poster Award aus- ausgezeichnet. gezeichnet (Abb. 3).

8 Ehlke, M. et al.: Fast and accurate DRRs for X-ray based Joint Surgery Planning, 12th Meeting of Comp. Assist. Orthop. Surg., no. 293, 2012 9 Yao, J., Taylor, R.: Tetrahedral Mesh Modeling of Density Data for Anatomical Atlases and Intensity-based Registration, MICCAI, Springer, LNCS 1935, pp. 531-40, 2000 10 Ehlke, M.: Simulating X-ray Images from Deformable Shape and Intensity Models on the GPU, Masterarbeit, Technische Universität Berlin, 2012 11 Ehlke, M. et al.: Efficient projection and deformation of volumetric shape and intensity models for accurate simulation of X-ray images, EG Workshop on Visual Computing for Biology and Medicine, (ZIB-Report 12-40), 2012 12 Galloway, F. et al.: A Large Scale Finite Element Study of a of a Cementless Osseointegrated Tibial Tray, Journal of Biomechanics, 2013 (submitted) 13 Saevarsson, S.K. et al.: Kinematic Differences Between Gender Specific andT raditional Knee Implants, Journal of Arthroplasty, 2013 (accepted) konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Visualisierung und Datenanalyse | 50

Antike Kontexte begreifbar machen – iPads im Pergamonmuseum

Bearbeitet von: Marco Klindt, Daniel Baum, Steffen Prohaska, Hans-Christian Hege Förderung: BMBF – Bundesministerium für Bildung und Forschung Weitere Informationen unter: www.zib.de/jb2012/pergamon

Die Anwendung präsentiert Kontexte über ver-  Abb. 1: schiedene, sich ergänzende und interaktiv explo- Einstiegsansicht: Stapel rierbare Ansichten. Als zentrale Metapher wurde die Postkarte gewählt, um eine selbsterklärende Nutzung zu ermöglichen. Die Zuordnung der Inhalte erfolgt über eine Abbildung des Expo- nates auf der Vorderseite der „Postkarte“. Die Einordnung in den antiken architektonischen Zusammenhang und die Fundumstände werden auf mehreren Rückseiten in Kombination von Text und Bild (aktuelle und historische Fo- tos der Exponate und Fundsituationen, Skizzen, Tagebucheinträgen sowie hypothesenbasierte Darstellungen aus einem neuen Rekonstrukti- Das Verbundprojekt „Berliner Skulpturennetz- onsmodell) präsentiert (Abb. 2). werk – Kontextualisierung und Übersetzung antiker Plastik“, eine Kooperation des Instituts für Der Zugriff auf die „Postkarten“ erfolgt über Klassische Archäologie der FU Berlin, der Staat- sechs verschiedene Ansichten, von denen drei lichen Museen zu Berlin, des Deutschen Archä- den direkten Zugriff auf die Exponate ermög- ologischen Instituts, der BTU Cottbus und des lichen und die restlichen eine Verortung über ZIB, widmete sich der historisch differenzierten Kontexte bieten. Rekonstruktion antiker Ausstellungskontexte und der Erfassung und digitalen Publikation an- Der erste Zugang stellt die Karten als Fotostapel tiker Skulpturen. (Abb. 1) in einer spielerischen Umgebung dar, in der die Karten nach ihrem physischen Vorbild Die Ergebnisse wurden im Rahmen einer groß- mit bis zu zehn Fingern gleichzeitig hin- und en Ausstellung im Pergamonmuseum zur anti- hergeschoben werden können. Diese Ansicht ken Metropole Pergamon in einer Kombination stellt die Anfangskonfiguration dar und bietet aus Skulpturen, Gipsabgüssen und einer künst- Besuchern einen intuitiven Einstieg. Die zweite lerischen Panoramainstallation von Yadegar Ansicht präsentiert alle Karten in einem über- Asisi präsentiert. Für die Präsentation der Expo- sichtlichen Gitter, das mit Fingergesten als Gan- naten dieser Ausstellung konzipierte und entwi- zes verschiebbar und in der Größe veränderbar ckelte das ZIB eine multitouch-fähige Kioskan- ist. Die dritte Ansicht ordnet die Karten in Kate- wendung für das iPad (Abb. 1). gorien ein, entsprechend der Zugehörigkeit des Exponats zu architektonischen Baukomplexen.

 Abb. 2: Rückseite der Karte zur Zeus-Athena-Gruppe konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Visualisierung und Datenanalyse | 51

Das Projekt in Kürze: Wie kann man Museumsbesuchern die vergangenen räumlichen und zeitlichen Kontexte antiker Plastiken vermitteln? In diesem Projekt haben wir gemeinsam mit Archäologen eine iPad-Anwendung für eine Ausstellung entwickelt, mit der Besucher das antike Umfeld von Exponaten, deren Bedeutung, Fundumstände und Interpretationen durch die Wissen- schaft spielerisch nachvollziehen können. Die Software wurde im Pergamonmuseum erfolgreich eingesetzt; sie ist für andere Ausstellungen anpassbar und kostenlos im App-Store erhältlich.

Die erste der Verortungsansichten präsentiert Anwendung wurde von mindestens einem Ach- dem Besucher eine computergrafisch erstellte tel der Besucher benutzt, obwohl die Aufstel- Übersicht des oberen pergamenischen Burg- lung der iPads in der Ausstellung eher ungün- berges und erlaubt es auf einer zweiten Ebene, stig war. Die durchschnittliche Nutzungsdauer die Exponate in der Rekonstruktion wiederzu- betrug etwa sieben Minuten; die Mehrzahl der finden. Die zweite der Ansichten zeigt die Ex- Besucher benutzten die Anwendung in Grup- ponate an ihrem Standort in der Ausstellung pen von zwei oder mehr Personen. Die durch- (Grundriss des Pergamonmuseums) und er- geführten Benutzerbefragungen ergaben, dass möglicht den Zugriff über den heutigen Raum. 90% der Befragten die Anwendung als eine Die letzte Ansicht zeigt ein um 360 Grad dreh- sinnvolle Erweiterung der Ausstellung be- bares Bild des Panoramas von Y. Asisi, in dem trachteten. Obwohl etwa 40% der Befragten die Ausstellungsstücke direkt lokalisiert sind keinerlei vorherige iPad oder Tablet-Erfahrung (Abb. 3). Der Benutzer kann von seinem Stand- hatten, gaben 99% an, sie sei leicht oder sehr punkt aus in eine Fotografie überblenden, die leicht zu benutzen. den Zustand des Burgberges im heutigen Ber- gama darstellt und die Grundlage zur Erstel- Da die Besucher der Pergamonausstellung das lung des Panoramabildes bildete. Dies ermög- Konzept der Bedienungsoberfläche und den licht es, auf intuitiv erfahrbare und ästhetisch Zugriff auf die Kontexte der Exponate sehr gut ansprechende Weise die große Leistung der angenommen hatten, wurde die Plattform der- Archäologie hinsichtlich der Rekonstruktion art modifiziert, dass Inhalte und Navigationsan- antiker Kontexte nachzuvollziehen. sichten ohne Programmieraufwand für andere Ausstellungen angepasst werden können2. Auch Der Mehrwert einer derartigen interaktiven An- die grafische Gestaltung kann den Vorgaben wendung im musealen Ausstellungsraum wur- des Kurators oder des Ausstellungsgestalters de durch Aufzeichnen von Benutzerereignissen folgend sehr frei angepasst werden. Das Frame- in der Anwendung selbst, durch Benutzerbeo- work ist kostenlos im App-Store erhältlich3 und bachtungen und durch Befragungen von Be- wird inzwischen von mehreren kulturell orien- nutzern quantitativ und qualitativ evaluiert1. Die tierten Institutionen auch international genutzt.

Abb. 3:  Pergamon 129 n. Chr. und heute. Mit freundlicher Genehmigung von Y. Asisi

1 M. Klindt, D. Baum, S. Prohaska, H.-C. Hege. Conveying Archaeological Contexts to Museum Visitors: Case Study Pergamon Exhibition. In Short Paper Proc. VAST 2012, Brighton UK, pp 25 – 28, 2012. 2 M. Klindt, D. Baum, S. Prohaska, H.-C. Hege. iCon.text – a customizable iPad app for kiosk applications in museum exhibitions. In Proc. EVA Berlin 2012, pp 150–155, 2012. 3 www.zib.de/en/visual/software/icontext.html konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Visualisierung und Datenanalyse | 52

Projekte der Abteilung Visualisierung und Datenanalyse Alle Projekte im Netz ausführlich unter: www.zib.de/visual/projects

AMMONITES Inhalt: Rekonstruktion von zerebralen An- ENTIRE MOUSE BRAIN Bearbeitet von: M. Ehlke, S. Zachow eurysmen; Analyse und Visualisierung von Bearbeitet von: S. Prohaska Kooperation: Institut für Geologie, Mine- Blutströmungen; Suche nach geometrischen Kooperation: MPI Florida ralogie und Geophysik, Uni Bochum; MPI und strömungstechnischen Faktoren, die das Inhalt: Bildverarbeitung für großräumige Informatik, Saarbrücken Rupturrisiko beeinflussen Konfokalmikroskopie Förderung: DFG Inhalt: Entrauschung von Mikrotomogra- CORTEX IN SILICO FLOW VIS phie-Daten zur automatischen Segmentie- Bearbeitet von: V. Dercksen, H.-C. Hege Bearbeitet von: C. Petz, K. Pöthkow, rung von fossilen Ammoniten Kooperation: MPI biologische Kybernetik H.-C. Hege Tübingen; MPI Florida; MPI Neurobiologie Kooperation: Charité Berlin, Labor für ANISOTROPIC SAMPLING Martinsried; Uni Heidelberg Biofluiddynamik Bearbeitet von: A. Kratz, I. Hotz Förderung: MPI Neurobiologie Martinsried Inhalt: Methoden zur Extraktion und Visu- Inhalt: Effiziente Erzeugung anisotroper Inhalt: Methoden zur bildbasierten Rekon- alisierung von Merkmalen in Strömungs- Sampleverteilungen struktion von anatomisch realistischen feldern, insbesondere an der Grenzschicht neuronalen Netzwerken und zur Analyse der zur umströmten Geometrie ASPHALT neuronalen Konnektivität Bearbeitet von: U. Homberg, D. Baum, HD(CP)2 S. Prohaska CVT Bearbeitet von: A. Kuhn, H.-C. Hege Kooperation: BAM Berlin Bearbeitet von: J. Reininghaus, J. Kasten, Kooperation: DLR; Unis Leipzig, Köln, Förderung: BAM Berlin I. Hotz Mainz; DKRZ Inhalt: Entwicklung von Bildanalyse Inhalt: Entwicklung von Verfahren der Förderung: BMBF verfahren für die Analyse von Asphalt kombinatorischen Skalar- und Vektorfeld- Inhalt: Tracking von deterministischen und Topologie stochastischen Strukturen in Klimasimula- AVR tionen Bearbeitet von: A. Kratz, J. Reininghaus, CRANIOSYNOS I. Hotz Bearbeitet von: H. Lamecker, S. Zachow KNEE-KINEMATICS Inhalt: Entwicklung einer adaptiven Kooperation: Charité Berlin, Campus Bearbeitet von: H. Ramm, R. Lieck, Methode höherer Ordnung für Volumen- Virchow, Klinik für Neurochirurgie S. Zachow Rendering Inhalt: Entwicklung von objektiven Kriterien Kooperation: Uni Calgary, Canada - Centre und Methoden zur präoperativen Planung for Bioengineering Research and Education BONE HEALING bei Kraniosynostose Förderung: Uni Calgary Bearbeitet von: D. Baum, S. Prohaska Inhalt: Modellgestützte Rekonstruktion von Kooperation: MPI Kolloid- und Grenzflächen- DENTAL anatomischen Strukturen und Implantaten forschung Potsdam-Golm Bearbeitet von: D. Kainmüller, H. Lamecker, aus medizinischen Bilddaten, Analyse von Förderung: MPI Kolloid- und Grenzflächen- S. Zachow Form und beweglichen Freiheitsgraden von forschung Potsdam-Golm Kooperation: Universitätsklinik Köln, Klinik Gelenkstrukturen Inhalt: Verfahren zur Integration von Infor- für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie mationen aus verschiedenen 2D- und 3D- Inhalt: Entwicklung automatischer Verfahren Matheon F2 Bildgebungsverfahren in ein einheitliches zur Segmentierung von Kieferknochen, Zäh- Bearbeitet von: A. Günther, H. Lamecker, M. Referenzsystem nen und Alveolarnerven aus CT-Bilddaten Weiser, H.-C. Hege, S. Zachow Kooperation: Charité Berlin; INRIA Sophia CAS – GESICHTSCHIRURGIE DIGITAL MORPHOLOGY Antipolis; Matheon Projekte F1, F4, F6, F10, Bearbeitet von: L. Lubkoll, M. Weiser, Bearbeitet von: M. Grewe, H. Lamecker, F13, A17, C28; DKFZ Heidelberg; MIC U Lü- S. Zachow S. Zachow beck; MPI Jena; 1000shapes GmbH; Visage Kooperation: Universitätsklinikum Köln; Kooperation: Universitätskliniken Kiel und Imaging GmbH Privatklinik Prof. Sailer in Zürich Freiburg; Institut für Biochemie und Biologie Förderung: DFG Matheon, Projekt F2 Förderung: Klinik Prof. Sailer AG der Universität Potsdam; Dermatologikum Inhalt: Korrespondenzfindung zwischen Inhalt: Bimaxilläre, rotatorische Vorverlage- Hamburg geometrischen Formen mit adaptiven finiten rung von Kiefersegmenten zur kieferchirur- Inhalt: Entwicklung und Einsatz von Verfah- Elementen; automatische 3D-Rekonstruktion gischen Behandlung von Schlafapnoen ren zur 3D-Form- und Wachstumsanalyse von anatomischen Strukturen aus medizi- von Gesichtern nischen Bilddaten auf Basis von Formwissen CEREBRAL ANEURYSMS Bearbeitet von: K. Pöthkow, C. Petz, ECHOBETONVIZ MICROTUBULES H.-C. Hege Bearbeitet von: O. Paetsch, S. Prohaska Bearbeitet von: B. Weber, D. Baum, Kooperation: Charité Berlin, Labor für Kooperation: BAM Berlin S. Prohaska, H.-C. Hege Biofluidmechanik; Helios Klinikum Berlin Förderung: BAM Berlin Kooperation: MPI molekulare Zellbiologie Förderung: DFG Inhalt: Visualisierung von Daten aus und Genetik; EMBL Heidelberg Bodenradar- und Ultraschallmessungen an Betonbauteilen konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Visualisierung und Datenanalyse | 53

Förderung: MPI molekulare Zellbiologie und PERGAMON TECHNOLOGIETRANSFER AMIRA/AVIZO Genetik, Dresden Bearbeitet von: M. Klindt, D. Baum, Bearbeitet von: M. Leborgne, S. Schuberth, Inhalt: Segmentierung von subzellulären S. Prohaska, H.-C. Hege C. Petz, D. Baum, S. Prohaska Strukturen, insbesondere von Mikrotubuli, Kooperation: FU Berlin; Pergamonmuseum, Kooperation: Visage Imaging, Berlin; aus Elektronentomogrammen Berlin; DAI Berlin; TU Cottbus; Uni Köln; VSG Bordeaux Lenné3D Berlin Förderung: Visage Imaging, Berlin; VSG MOL ANALYSIS Förderung: BMBF Bordeaux Bearbeitet von: N. Lindow, D. Baum, Inhalt: Virtuelle Rekonstruktion des antiken Inhalt: Überführung neuer Algorithmen in H.-C. Hege Pergamons und Kontextualisierung von die kommerzielle Software Amira/Avizo Kooperation: Uni Saarbrücken (Material Skulpturen forschung); FU Berlin (Physik) TENSOR HKS Inhalt: Multiskalenvisualisierung von PORE SPACE Bearbeitet von: V. Zobel, I. Hotz molekularen Systemen; Berechnung von Bearbeitet von: U. Homberg, D. Baum, Inhalt: Wärmeleitungskern-Signatur zur Transportpfaden in komplexen molekularen S. Prohaska Multiskalenvisualisierung von Tensorfeldern Systemen Kooperation: BAM Berlin; Uni Weimar; FH Leipzig TENSOR SEGMENTATION MXL Förderung: DFG Bearbeitet von: C. Auer, I. Hotz Bearbeitet von: H. Ramm, M. Grewe, Inhalt: Entwicklung von Verfahren zur bildba- Kooperation: IDAV, University of California H. Lamecker, S. Zachow sierten Analyse von Gefüge- und Porenstruk- Davis Kooperation: HU Berlin (Charité); Unis turen Inhalt: Entwicklung von topologie-basierten Southampton, Delft, Leiden, Bologna; Verfahren zur Segmentierung und Texturie- ESI Group; SCS Mailand QM MOL rung von Tensorfeldern auf 2D-Mannigfal- Förderung: EU FP7 Bearbeitet von: C. Mielack, H.-C. Hege tigkeiten Inhalt: Entwicklung verbesserter Verfahren Kooperation: FU Berlin; U Potsdam zur Rekonstruktion anatomischer Strukturen Inhalt: Entwicklung von Verfahren zur TENSOR VIS aus medizinischen Bilddaten, zur Aufberei- Visualisierung von quantenmechanischen Bearbeitet von: A. Kratz, I. Hotz tung von FE-Modellen sowie zur biomecha- Prozessen in Molekülen Kooperation: Uni Saarbrücken; Uni Leipzig nischen Modellierung und Analyse für die Inhalt: Entwicklung von Verfahren zur Visu- Planung von Gelenkoperationen RISSBETON alisierung und explorativen Analyse von Bearbeitet von: O. Paetsch, D. Baum, 3D-Tensorfeldern NOSE – HNO-CHIRURGIE S. Prohaska Bearbeitet von: C. Petz, S. Zachow Kooperation: BAM Berlin UNCERTAINTY VIS Kooperation: Limmatklinik Zürich, Rhinolo- Förderung: BAM Berlin Bearbeitet von: K. Pöthkow, C. Petz, gie und Rhinochirurgie; Klinikum Karlsruhe, Inhalt: Entwicklung von Bildanalyseverfah- H.-C. Hege HNO-Klinik; Charité Berlin, Labor für Bio ren für die Identifikation von Rissflächen in Kooperation: Biofluiddynamik-Labor Charité fluiddynamik Beton zur zerstörungsfreien Werkstoffprü- Berlin Inhalt: Rhinochirurgie unter Berücksichti- fung Inhalt: Entwicklung von probabilistischen gung der optimalen Nasenatmung Verfahren zur Extraktion und Visualisierung SHAPEDEV von geometrischen und topologischen NUMREL VIS Bearbeitet von: S.Zachow, H. Seim, O. Pae- Merkmalen in unscharfen Daten Bearbeitet von: V. Zobel, I. Hotz, H.-C. Hege tsch, S. Prohaska Kooperation: MPI Gravitationsphysik (Albert- Kooperation: BAM Berlin VIGOR++ Einstein-Institut), Potsdam Förderung: BAM Berlin Bearbeitet von: A. Wiebel, D. Kainmüller, Förderung: MPI Inhalt: Zerstörungsfreie Vermessung von H. Ramm, H.-C. Hege Inhalt: Entwicklung neuer Methoden für die mechanischen Bauteilen in Computertomo- Kooperation: Delft University of Technology; Analyse und Visualisierung von Vektor- und grafieaufnahmen University College London Hospitals; ETH Tensor-Feldern aus numerischen Simu- Zürich; Biotronics3D Ltd; Uni Amsterdam lationen zur speziellen und allgemeinen TECHNOLOGIETRANSFER 1000shapes (Academisch Medisch Centrum); Vodera Ltd Relativitätstheorie Bearbeitet von: B. Bleuzé, H. Lamecker, Förderung: EU FP7 S. Zachow Inhalt: Visualisierung von Bilddaten, insbe- PELVIZ Kooperation: 1000shapes GmbH Berlin sondere aus der dynamischen kontrastmit- Bearbeitet von: H. Ramm, M. Grewe, Förderung: 1000shapes GmbH Berlin telverstärkten Magnetresonanztomographie S. Zachow Inhalt: Entwicklung von Algorithmen zur (DCE-MRI) des Abdomens, zur Diagnose Kooperation: Aesculap AG, Tuttlingen; Unterstützung der Planung für die rekon- und Beobachtung des Krankheitsverlaufs Muskuloskelettale Chirugie, Charité struktive Chirurgie bei Morbus Crohn Förderung: Aesculap AG Inhalt: 3-dimensionale Formanalyse des menschlichen Beckens aus CT-Daten

Optimierung Simply the best! konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Optimierung | 56

OPTIMIERUNG Leitung: Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Martin Grötschel, Prof. Dr. Ralf Borndörfer Weitere Informationen unter: http://www.zib.de/optimierung.html

MISSION • Armin Fügenschuh: Ruf auf eine W2-Profes- Je komplexer die in den Hochtechnologien zu sur an der Universität der Bundeswehr Ham- beherrschenden technischen, ökonomischen, burg (angenommen) ökologischen, sozialen oder medizinischen Pro- • Marika Karbstein: Ultimative Matheon zesse werden, desto mehr gewinnen Modellie- Adventskalenderaufgabe 20126 (Abb. 1) rung, Simulation und Optimierung an Bedeu- • Andreas Löbel, Christof Schulz: Step 4 in der tung. „MSO“ hat sich längst zu einer eigenen SPEC7 CPUv68 für 505.mcf Schlüseltechnologie entwickelt, die mit großer • SCIP -Team: Nicht-lineare Kategorien der Dynamik immer weitere Anwendungsgebiete Pseudo-Boolean Competition 20129 erobert und durch die Schönheit und Eleganz • Thomas Schlechte: GOR-Dissertationspreis ihrer mathematischen Theorie begeistert. 201210; VBKI-Dissertationspreis 2012

STRUKTUR VERKEHR UND LOGISTIK11 Mit der neu gebildeten AG Energie besteht die Die Eisenbahnoptimierung ist mit dem BMBF- Abteilung aus nunmehr vier Arbeitsgruppen: Projekt „Optimale Zugführung im Schienen- güterverkehr“, dem Matheon-Projekt B22 zur • Verkehr und Logistik Zugumlaufplanung, einem Folgeprojekt zur (Ltg. Prof. Dr. Ralf Borndörfer) Anpassungsoptimierung von ICE-Umläufen • Lineare und nichtlineare ganzzahlige für DB Fernverkehr, einem Projekt zur mehrtä- Optimierung (Ltg. Dr. habil. Thorsten Koch) gigen zyklischen Umlaufoptimierung mit LBW, • Energie (Ltg. Dr. Benjamin Hiller) einem neuen Pilotprojekt zur Zugdisposition • Telekommunikation (Ltg. Dr. Axel Werner). mit Siemens und dem 2013 startenden „Bahn- Lab“ im neuen Forschungscampus MODAL das SPIN-OFFS größte Anwendungsgebiet. In den Projekten • atesio 1: Telekommunikationsoptimierung „Optimierung der LKW-Autobahnmautkontrol- • Intranetz2: Informationslogistik le“ (S. 58) für das Bundesamt für Güterverkehr • LBW3: Verkehrsoptimierung und „Wochenschemaoptimierung“ für LBW • T ASK: Wartungs- und Beratungsleistungen wurde der Durchbruch in die Praxis geschafft, für die SCIP Optimization Suite4 im Matheon-Projekt B15 zur „Angebotspla- nung im öffentlichen Nahverkehr“ wurde eine PREISE UND AUSZEICHNUNGEN neue Theorie des Pfadzusammenhangs entwi- • R alf Borndörfer: Berufung auf eine W2-S-Pro- ckelt. Mit zwei neuen Projekten über „Multikri- fessur an der FU Berlin terielle Optimierung“ (gemeinsam mit Prof. • F abio D’Andreagiovanni: Doctoral Disser- Skutella, TU Berlin) und „System Dynamics“ tation Award 2012 der Sapienza Università im neuen „SFB 1026 Nachhaltige Produktions- Editrice; Excellent Presentation Award of the technik“ (Sprecher Prof. Seliger, TU Berlin) hat ESF-JSPS Frontier Science Conference for die AG einen neuen Schwerpunkt gewonnen. Young Researchers • F rank Fischer (TU Chemnitz), Boris Grimm, Torsten Klug: Third Prize in der RAS Problem Solving Competition 20125

1 http://www.atesio.de 2 http://www.intranetz.de 3 http://www.lbw-berlin.de 4 http://www.scip.zib.de 5 http://www.informs.org/Community/RAS/ Problem-Solving-Competition/2012-RAS-Problem-Solving-Competition konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Optimierung | 57

LINEARE UND NICHTLINEARE GANZZAHLIGE Implementierung erfolgt in Zusammenarbeit OPTIMIERUNG12 mit der AG Lineare und Nichtlineare Ganz- Im Jahr 2012 lag der Mittelpunkt der Forschung zahlige Optimierung. Daneben arbeiten wir in der Arbeitsgruppe auf der Entwicklung und an Methoden für eine effektive Überprüfung Implementierung von neuen Algorithmen der technischen Realisierbarkeit gebuchter zur Lösung von gemischt-ganzzahligen nicht- Transportkapazitäten. Im Jahr 2012 wurde das linearen nicht-konvexen Problemen (MINLP). BMWi-geförderte Projekt „Untersuchung der Mit dem Release 3.0 ist die SCIP Optimization technischen Kapazität von Gasnetzen“ erfolg- Suite nun in der Lage, allgemeine MINLP-Pro- reich abgeschlossen. Ein Buch mit den Projekt- bleme global optimal zu lösen. Benchmarks ergebnissen wird gerade fertiggestellt. zeigen, dass es uns gelungen ist, auch hier wieder die Grenze des Machbaren zu erwei- TELEKOMMUNIKATION14

Abb. 1:  tern. Dabei konnte gleichzeitig die Leistung im Zukunftsweisende Netzwerktechnologie, Next Marika Karbstein gewinnt linear-ganzzahligen Teil weiter verbessert wer- Generation Networks und Energieeffizienz von zum zweiten Mal in den. Hierzu wurden auch umfangreiche Unter- Telekommunikationsnetzen stellen die zentra- Folge den Preis für die suchungen zur automatischen Dekomposition len Themen dar, an denen in der AG gearbeitet Ultimative Mathekalender- von Problemen durchgeführt, was gerade im wird. Im BMWi-Projekt DESI wird zusammen Aufgabe. Bereich großer Supply Chain Management- mit den Projektpartnern ein Demonstrator Probleme sehr erfolgreich zur Beschleunigung aufgebaut, der energieeffizienten Netzbetrieb beigetragen hat (S. 62). Ebenso wurden Ver- verdeutlichen soll. Durch die Verwendung von fahren zur Parallelisierung weiter intensiv un- modernen Technologien wie adaptiven Bitraten tersucht. und flexiblen Bandbreiten werden neue Mög- lichkeiten für den sicheren und stromsparenden ENERGIE13 Betrieb von Netzen geschaffen, die im Ende Das zentrale Projekt der AG Energie ist die 2012 gestarteten BMBF-Projekt SASER ausge- „Forschungskooperation Netzoptimierung“ lotet werden. Bereits Anfang 2012 startete das (ForNe), in der unter Federführung des ZIB sie- DFG-Projekt Multi-FTTx, in dem (zusammen ben Forschergruppen mit Open Grid Europe mit Prof. Ljubic, Universität Wien, im Rahmen (OGE), dem Betreiber des größten deutschen des D-A-CH-Abkommens) multikriterielle Me- Gastransportnetzes, Methoden zur Planung thoden zur Planung von optischen Zugangsnet- und Optimierung von Gastransportnetzen zen untersucht werden. Im Projekt ROBUKOM entwickeln. Die AG Energie beschäftigt sich (S. 60) wurden neue theoretische Konzepte zur hauptsächlich mit Fragen der Ausbauplanung, robusten Optimierung entwickelt. also der Bestimmung kostengünstiger Maß- nahmen, die eine flexiblere Nutzung der beste- henden Transportkapazitäten bzw. deren Erhö- hung ermöglichen. Hierfür werden vor allem Techniken der gemischt-ganzzahligen nichtlinearen Optimierung sowie Struktureinsichten in die zugrundeliegenden nichtlinearen Model- le der Gasphysik genutzt. Die Entwicklung und

6 http://www.mathekalender.de/index.php?page=problemPollEval 7 Standard Performance Evaluation Corporation, eine Organisation von Hardwareherstellern zum Benchmarking von CPUs 8 http://www.spec.org/cpuv6 9 http://www.cril.univ-artois.fr/PB12/ 10 https://gor.uni-paderborn.de/index. php?id=302 11 http://www. zib.de/de/optimierung/traffic/projekte.html 12 http://www.zib.de/de/optimierung/telekommunikation/projekte.html 13 http://www.zib.de/de/optimierung/energy 14 http://www.zib.de/de/optimierung/telekommunikation.html konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Optimierung | 58

AUTOBAHNMAUTKONTROLLE MAUTPRELLEN IST DOCH NUR EIN SPIEL...

Bearbeitet von: Ralf Borndörfer, Guillaume Sagnol, Elmar Swarat Kooperation/Förderung: Förderung durch das Bundesamt für Güterverkehr, Kooperation mit der IVU Traffic Technologies AG Weitere Informationen unter: http://www.zib.de/de/optimization/projects/details/article/tollcontrolopt.html

Im Jahr 2005 wurde auf deutschen Autobahnen  Abb. 1: eine Maut für LKW ab einem zulässigen Ge- Geschätzte Prellerrate samtgewicht von 12 t eingeführt. Das Mautsy- abhängig von der Länge stem ist elektronisch und basiert zum großen der Fahrt und der Uhrzeit, Teil auf On-Board-Units in den LKWs, die auto- an der die Fahrt zur Hälfte matisch die Mautabrechnung vornehmen. Das zurückgelegt ist. Bundesamt für Güterverkehr (BAG) hat die Auf- gabe, die Bezahlung der Maut zu kontrollieren. Dies geschieht zum einen durch von der Firma Toll-Collect betriebene stationäre Mautbrücken und zum anderen durch mobile Kontrollen des BAG. Bei diesen fahren Teams von zwei Kon- trolleuren durch das Autobahnnetz und kon-  Abb. 2: trollieren beim Überholen von LKWs, ob diese Mobile Kontrollteams die Maut ordnungsgemäß entrichtet haben. DATENANALYSE ermitteln per Infrarot- Bei Verdacht auf Nichtzahlung können sie die Zu diesem Projekt gehört eine sorgfältige Ana- Technik, ob passierte LKW anhalten und kontrollieren. lyse von Daten über gebuchte Mautfahrten und LKW im automatischen Beanstandungen. Wir haben ein Wahrschein- System eingebucht sind. Das ZIB hat mit dem BAG ein Projekt für eine ef- lichkeitsmodell erstellt, das eine Schätzung der fizientere Planung der mobilen Kontrollen durch Prellerrate abhängig von bestimmten Fahrten- den Einsatz von mathematischen Optimierungs- merkmalen, wie z. B. Länge, Abfahrtszeit oder algorithmen gestartet. Die Touren sollen auf der Emissionsklasse der Fahrt, ermöglicht. Ein Bei- Basis eines Optimierungsmodells automatisch spiel der Ergebnisse des Mautprellermodells bestimmmt werden, und zwar zusammen mit ist in Abb. 1 angezeigt. Dieses Modell wird in konkreten Einsatzplänen für die Kontrolleure, einem von uns erstellten Simulationsprogramm siehe Abb. 4. Zielgrößen der Optimierung sind verwendet (Abb. 3), um die Güte unserer Lö- einerseits eine netzweite Kontrolle als auch eine sungsansätze zu testen. Es dient auch dazu, Maximierung der Anzahl an kontrollierten Fahr- Parameter zu berechnen, welche für einen spiel-  Abb. 3: zeugen. Als besonders komplex gestaltet sich theoretischen Ansatz gebraucht werden. Screenshot des Maut die Einhaltung der Regeln zu Diensten und de- kontrollsimulators ren Reihenfolgen. Um diese Aufgaben zu lösen, METHODEN DER OPTIMIERUNG haben wir den Algorithmus TC-OPT entwickelt. Das Mautsystem kann als eine Konfliktsitua- tion betrachtet werden, in der manche LKW- Fahrer versuchen, möglichst wenig Kosten zu  Abb. 4: haben, während die Kontrolleure das Mautein- Ausschnitt eines von kommen maximieren möchten. Spieltheorie ist TC-OPT berechneten eine Disziplin der Mathematik, die verwendet Einsatzplanes werden kann, um Konfliktsituationen dieser Art zu studieren. Im Fall der LKW-Maut kann die beste Strategie der Kontrolleure durch das Konzept der Stackelberg Equilibria beschrieben konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Optimierung | 59

Das Projekt in Kürze: Das Ziel des Projektes „Optimierung der Autobahnmautkontrolle“ besteht in der Entwicklung eines Algorithmus zur automatisierten, mathematisch optimalen Berech nung von Dienst- und Einsatzplänen für die mobilen Touren des Bundesamtes für Güterverkehr zur Kontrolle der LKW-Maut auf deutschen Autobahnen. Es müssen viele komplexe Regeln für die Tou- ren, die Dienste und die Reihenfolge der Dienste berücksichtigt werden. Ein sehr wichtiger Aspekt ist die spieltheoretische Analyse der LKW-Fahrer und der Mautpreller, so dass daraus entwickelte Kennzahlen als Zielgröße für das Optimierungsmodell verwendet werden können.

werden, d. h. eine Situation, in der die Maut cken über zwei Zeiträume. Der blau darge- einnahmen maximal sind, unter der Annahme, stellte Fluss stellt also den Dienst eines Kon- dass die LKW-Fahrer die Maut prellen, wenn es trollteams dar, das während der Zeitintervalle für sie günstiger ist. „Morgen“, „Mittag“ und „Nachmittag“ jeweils auf den Kontrollstrecken C, D und B patroul- In unserem spieltheoretischen Modell werden lieren muss. die Strategien der LKW-Fahrer als Flüsse in

Abb. 5:  einem Graphen mit zwei Ebenen dargestellt. Ein Equilibrium kann in diesem Spiel mithilfe Zeitliche Verteilung Die obere Ebene enthält Autobahnstrecken der Linearen Programmierung berechnet wer- der Kontrollen für eine sowie weitere Strecken, die befahren werden den2. Als Ergebnis bekommt man einen rando- Referenzlösung des BAG können, um der Maut auszuweichen. Die unte- misierten Dienstplan, der beschreibt, mit wel- und unseres Algorithmus re Ebene stellt das Mautprellen auf dem Auto- cher Wahrscheinlichkeit welcher Dienst geplant (TC-OPT)1. bahnnetz dar, wo Nichtzahler kontrolliert wer- werden sollte. Der tatsächliche Dienstplan den können und ggf. eine Strafe bekommen. wird dann mit einem gemischt-ganzzahligen Zum Beispiel bildet der blau hervorgehobene Programm über einen Zeithorizont von einem Fluss in Abb. 7 (links) eine Fahrt von 2 nach 6 ab, Monat ermittelt. Dies sorgt dafür, dass ver- wobei die Maut auf 2 > 4 > 5 bezahlt und auf schiedene gesetzliche und tarifliche Regeln be- 5 > 6 geprellt wird. Die Strategie der Kontrol- achtet werden, wie ausreichende Ruhezeiten, leure wird auch durch Flüsse repräsentiert, je- Wochenarbeitszeiten oder zulässige Einsatzge- doch in einem sog. zyklischen Dienstgraphen. biete. In den Abb. 5 und 6 sind die berechneten Die Knoten dieses Graphen stellen Kontroll- zeitlichen und geographischen Kontrollvertei- strecken dar, d. h. eine Menge von Autobahn- lungen angezeigt. Mit dem spieltheoretischen strecken, die innerhalb eines vorgegebenen Modell kann die Planung der Kontrollen stark Zeitraumes kontrolliert werden müssen. Ein verbessert werden, da erstmals das Verhalten

Abb. 6:  Fluss in dem Dienstgraphen entspricht also der LKW-Fahrer berücksichtigt wird. Optimale Kontroll einer Reihenfolge von Kontrollaufgaben, häufigkeit auf dem Auto- d. h. dem Einsatz eines Kontrollteams für ei- Bei der spieltheoretischen Strategie müssen bahnnetz. Warme Farben nen Tag. Die Abb. 7 (rechts) zeigt ein Beispiel 60,4% mehr Fahrer damit rechnen, regelmäßig bedeuten mehr Kontrolle. eines Dienstgraphen. Hier bilden die schwar- kontrolliert zu werden als bei einer Strategie, zen Kanten ein Netz von Kontrollstrecken zu die nur das Verkehrsaufkommen berücksich- verschiedenen Zeiträumen, und die roten tigt3. Der Algorithmus TC-OPT befindet sich Kanten verbinden benachbarte Kontrollstre- beim BAG im Testbetrieb.

Abb. 7:  Beispiel eines Zwei-Ebenen- Graphen (links) und eines zyklischen Dienstgraphen (rechts), die jeweils für die Darstellung der Strategie der Fahrer und der Kon trolleure verwendet werden.

1 R. Borndörfer, G. Sagnol, and E. Swarat. A Case Study on Optimizing Toll Enforcements on Motorways. In 3rd Student Conference on Operational Research, volume 22 of OpenAccess Series in Informatics (OASIcs), pages 1–10, 2012 2 R. Borndörfer, B. Omont, G. Sagnol, and E. Swarat. A Stackelberg game to optimize the distribution of controls in transportation networks. In Proceedings of the 3rd International Conference on Game Theory for Networks (GAMENETS 2012), volume 105 of Lecture Notes of the ICST, pages 224–235, 2012 3 R. Borndörfer, G. Sagnol, and E. Swarat. Optimizing Toll Enforcement in Transportation Networks: a Game-Theoretic Approach. To appear in Electronic Notes in Discrete Mathematics, Proceedings of the International Network Optimization Confe- rence, INOC 2013 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Optimierung | 60

ROBUSTE TELEKOMMUNIKATIONSNETZE ENTWICKLUNG NEUER ROBUSTER OPTIMIERUNGSMODELLE UND ALGORITHMEN FÜR DAS NETZWERKDESIGN1

Bearbeitet von: Fabio D’Andreagiovanni, Martin Grötschel Kooperation/Förderung: Gefördert vom BMBF; Kooperation mit RWTH Aachen, TU Berlin, TU Chemnitz, DFN-Verein e. V., Nokia Siemens Networks Weitere Informationen unter: http://www.robukom.de

In den letzten Jahren haben Telekommunika- tischen Aspekte und Anforderungen aus den tionsnetzwerke an Größe und Komplexität Augen zu verlieren. zugenommen. Durch die Anwendung mathematischer Optimierungsmethoden können da- Im Rahmen von ROBUKOM werden im Wesent- bei das Design von Netzen deutlich verbessert lichen zwei Arten von Unsicherheiten betrach- und Anforderungen berücksichtigt werden, tet:5 Unsicherheit im Hinblick auf das Verkehrs- bei denen die traditionellen Ansätze der Netz- aufkommen und Unsicherheit über mögliche  Abb. 2: werkingenieure an ihre Grenzen stoßen. Eine Ausfälle. Erstere betrifft Abweichungen im Verkehr auf drei verschie- besondere Herausforderung besteht dabei Verkehr, die auf natürliche Weise entstehen: Die denen Verbindungen in Unsicherheiten bei der Netzwerkplanung: Menge der übertragenen Daten verändert sich in einem Netz; von den Häufig haben selbst geringfügig veränderte im Laufe der Zeit und erreicht Spitzenwerte, Durchschnittswerten Eingabedaten für ein Problem eine deutlich die deutlich vom Durchschnittswert abweichen abweichende Spitzen suboptimale Lösung zur Folge, oder zulässige können. Die Auslegung des Netzes auf Grund- treten selten zu gleicher Lösungen erweisen sich als unzulässig. Das lage des (unwahrscheinlichen) gleichzeitigen Zeit auf.3 Projekt ROBUKOM1, eine Kooperation aus fünf Auftretens aller Spitzenwerte (vgl. Abb. 2) wäre Forschungsgruppen zusammen mit dem Deut- zu teuer, denn sie würde die Installation von schen Forschungsnetz und Nokia Siemens Net- großen Kapazitäten erforderlich machen, wel- works, widmet sich dieser Herausforderung: che jedoch die meiste Zeit über gar nicht genutzt Optimierungsmodelle und Algorithmen für ein würden. Die zweite Art der Unsicherheit betrifft Netzdesign zu entwickeln, das robust gegen- Ausfälle von Netzwerkkomponenten: Knoten über Abweichungen von den erwarteten Wer- und Verbindungen eines Netzes fallen aus ei- ten in kritischen Daten ist. ner Vielzahl von Gründen aus, z. B. weil Kabel bei Bauarbeiten durchtrennt werden oder es zu  Abb. 1: Topologie X-WiN Funktionsstörungen in der technischen Ausrü- Wissenschaftsnetz X-WiN stung kommt. Das Netzwerk sollte ausreichend des Deutschen For- redundant ausgelegt sein, um schnell Ersatz für schungsnetzes.2 unterbrochene Kommunikationswege zu schaffen, ohne dass die Nutzer davon beeinträchtigt werden. Ähnlich wie im ersten Fall würde eine „zu hohe“ Redundanz, die Schutz vor extremen Ausfallszenarien bietet (wenn zahlreiche Kom- ponenten gleichzeitig ausfallen), ein zu teures Netz erforderlich machen, bei dem ein großer Teil der vorgehaltenen Kapazität über längere Zeit hinweg ungenutzt bliebe. Während Netzwerkdesign mit vollständigen und exakten Daten bereits vielfältig untersucht Um Schutz vor Datenunsicherheit zu bieten, wurde, ist die Forschung bei der Berücksichti- ohne in übermäßigen Konservatismus zu ver- gung von Unsicherheiten noch relativ jung. Wir fallen, sind daher spezielle Ansätze nötig. In konzentrieren uns daher darauf, wichtige theo- ROBUKOM untersuchen wir neueste Model- retische Lücken zu füllen, ohne dabei die prak- le und Algorithmen im Bereich der Robusten

1 A. Koster, C. Helmberg, A. Bley, M. Grötschel, and T. Bauschert. BMBF Project ROBUKOM: Robust Communication Networks. In Proceedings of the ITG Workshop Euro View. VDE Verlag, 2012 2 http://www.dfn.de/xwin 3 C. Raack. Capacitated Network Design – Multi-Commodity Flow Formulations, Cutting Planes, and Demand Uncertainty. PhD thesis, Technische Universität Berlin, 2012. URL https://www.createspace.com/3934530 4 A. Bley, F. D’Andreagiovanni, and A. Hanemann. Robustness in communication networks: Scenarios and mathematical approaches. In Proceedings of the ITG Symposium on Photonic Networks, number 228 in ITG Fachbericht, pages 105–112. VDE Verlag, 2011 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Optimierung | 61

Das Projekt in Kürze: Der Umgang mit Unsicherheiten im Netzwerkdesign ist eine Heraus- forderung, die in realen Telekommunikations-Netzwerkumgebungen nicht länger ignoriert werden kann. Das Projekt ROBUKOM zielt darauf ab, Optimierungsmodelle und Algorithmen zu entwickeln, die Abweichungen im Verkehrsaufkommen und Ausfälle von Netzwerkkomponenten berücksichti- gen. Die ZIB-Forschungsgruppe konzentriert sich auf die Entwicklung eines neuen Multiband-Ab- weichungsmodells für Robuste Optimierung, das das klassische Einbandmodell von Bertsimas und Sinn erweitert, dessen Eleganz, Einfachheit und rechnerische Durchführbarkeit jedoch beibehält.

# Abweichungen Optimierung. Ein wesentliches Merkmal in der Verfügung stehen, beispielsweise durch Ver- Robusten Optimierung ist die Einführung zu- kehrsmessungen; so kann die Verteilung von sätzlicher Nebenbedingungen, die Lösungen beobachteten Daten besser (vgl. Abb. 5) ange- ausschließen, die nicht gegenüber „ungün- nähert und effektiv in ein Optimierungsmodell stigen“ Abweichungen von Koeffizienten ge- überführt werden. In der Tat führt dieses Mo-

− dmax dmax schützt sind. Hierfür haben wir ein Unsicher- dell zu weniger konservativen und damit kos- Abb. 3:  heitsmodell entwickelt, welches das klassische, tengünstigeren Lösungen, wie erste Testrech- Abweichungsintervall von Bertsimas und Sim eingeführte Modell nungen nahelegen (Abb. 6). beim Einband-Modell erweitert und verfeinert. Das Bertsimas-Sim- Modell5 geht davon aus, dass jeder unsichere Aus mathematischer Sicht führt der Übergang # Abweichungen Koeffizient innerhalb eines symmetrischen In- vom Einband- zum Multiband-Modell dazu, tervalls (Bands) variiert, das um den erwarteten dass sich einige Resultate von Bertsimas und Wert zentriert ist (Abb. 3) und zudem höchstens Sim nicht mehr so einfach übertragen las- verschiedene Koeffizienten zu einem gege- sen. Wir konnten jedoch einige Eigenschaf- benen Zeitpunkt von ihrem jeweiligen erwarten zeigen, welche für die Lösbarkeit robuster − dmax dmax teten Wert abweichen. Die Verwendung eines gemischt-ganzzahliger linearer Programme Abb. 4:  einzigen, symmetrischen Bands für die Ver- (MILP) besonders wichtig sind.7 Zum einen ist Abweichungsintervall teilung schränkt jedoch die Möglichkeiten für ein auf dem Multiband-Modell basierendes ro- beim Multiband-Modell die Optimierung sehr stark ein: Im Bertsimas- bustes MILP kompakt, das heißt, aufgrund der Sim-Modell tauchen nur noch die Extremwerte Robustheit kommt nur eine polynomiale Anzahl # Abweichungen auf, was zu einer unrealistischen und unnötig von Variablen und Bedingungen zusätzlich ins großen Unsicherheitsmenge führt, falls z. B. Spiel; darüber hinaus ist es linear, das heißt, es die Abweichungen von den erwarteten Wer- bleibt ein (kontinuierliches) lineares Programm, ten asymmetrisch verteilt sind. Für praxisnahe falls die Version ohne Berücksichtigung von Ro- Anwendungen wird daher ein realistischeres bustheit bereits ein solches war. Zum anderen -100% 100% Modell mit einer besseren Auflösung des Ab- kann die Separation von Kandidaten für eine Abb. 5:  weichungsbands benötigt. Dies wird dadurch robuste Lösung (robustness cut) durch das Lö- Histogramm von gemes- erreicht,6 dass das gesamte Intervall in meh- sen eines Min-Cost-Flow-Problems ausgeführt senen Daten; der dunkle rere kleine Bänder aufgeteilt wird, von denen werden; dies impliziert, dass die Identifikation Balken kennzeichnet die jedes einen eigenen Maximalwert für die An- von nicht-robusten Lösungen in einem Schnitt Anzahl der Koeffizienten zahl der abweichenden Koeffizienten hat (Abb. ebenenverfahren, bei dem die Robustheitsbe- mit Abweichung zwischen 4). Dieses Modell ist besonders nützlich, wenn dingungen im Laufe des Lösungsprozesses 40% und 50% vom erwar- historische Daten über die Unsicherheit zur sukzessive hinzugefügt werden, effizient ist. teten Wert.

Abb. 6:  Kostenersparnis bei der Verwendung des Multiband-Modells ge- genüber dem klassischen Bertsimas-Sim-Modell

5 D. Bertsimas and M. Sim. The price of robustness. Opererations Research, 52(1):35–53, 2004 6 C. Büsing and F. D’Andreagiovanni. New results about multi-band uncertainty in robust optimization. In Proceedings of the 11th International Conference on Experimental Algorithms, SEA 2012, pages 63–74. Springer Verlag, 2012 7 C. Büsing and F. D’Andreagiovanni. Robust Optimization under Multi-band Uncertainty – Part I: Theory. ZIB Report 13-10, ZIB, Takustr. 7, 14195 Berlin, 2013. URL http://opus.kobv.de/zib/volltexte/2013/TODO konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Optimierung | 62

SUPPLY CHAIN MANAGEMENT ENTWICKLUNG NEUER METHODEN DER LINEAREN UND GANZZAHLIGEN PROGRAM- MIERUNG ZUR LÖSUNG VON SUPPLY-CHAIN-MANAGEMENT-PROBLEMEN

Bearbeitet von: Gerald Gamrath, Thorsten Koch, Matthias Miltenberger Kooperation/Förderung: SAP Deutschland AG & Co. KG, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Weitere Informationen unter: http://www.zib.de/Optimization/Projects/MIP/scm

Zeitperioden (z. B. Tage oder Wochen) werden  Abb. 1: außerdem feststehende Warenzugänge, Kun- Symbolische Darstellung denbestellungen und Nachfrageprognosen an- eines Supply-Chain- gegeben. Zur Optimierung der Supply-Chain Netzwerks. Materialien wird aus diesen Daten dann ein gemischt- werden bei Zulieferern ganzzahliges lineares Optimierungsproblem (links) eingekauft und in (MIP) generiert. Im folgenden Optimierungs- Fabriken (Mitte links) zu prozess kommt es weniger auf exakte Opti- Zwischen- und Endpro- mallösungen an, als vielmehr auf verlässliche dukten weiterverarbeitet. Supply-Chain-Management (SCM) beschäftigt und zulässige Lösungen, die schnell berechnet Endprodukte werden zu sich mit der Optimierung der Wertschöpfungs- werden, um bei der Planung und Organisation Distributionszentren (Mit- kette eines Unternehmens. Dies fängt bei der komplexer Versorgungsnetze eingesetzt werte rechts) transportiert Wahl der Zulieferer an und reicht bis zur Auslie- den zu können. und von dort an Kunden ferung produzierter Güter an den Kunden. Da- (rechts) ausgeliefert. zwischen werden Entscheidungen über Einkauf, Ziel dieses Projekts ist es, die akademische Transport, Lagerung und Weiterverarbeitung Softwarebibliothek der SCIP Optimization Sui- der Güter getroffen. Die Wertschöpfungskette te so an die Problemstellung anzupassen, dass ist symbolisch in Abb. 1 dargestellt. Eine zentra- sie für diesen Zweck effektiv eingesetzt werden le Rolle nimmt hierbei die Produktionsplanung kann. Dazu werden sowohl bestehende Kom-  Abb. 2: ein: Basierend auf gegebenen Kundenbestel- ponenten verbessert als auch neue entwickelt. Bewertungsfunktion: pb lungen oder der prognostizierten Nachfrage Hierfür wurden vom Industriepartner eine Viel- ist der Zielfunktionswert entscheidet sie, wann welche Produkte wo pro- zahl anonymisierter Testinstanzen bereitgestellt, der besten im Zeitlimit duziert werden. Dabei stellt sie sicher, dass die die aus dem aktuellen Betrieb stammen. Dabei gefundenen Lösung. für die Produktion benötigten Materialien am handelt es sich um verschiedene Kundenmodel- jeweiligen Standort im ausreichenden Maße le, die in unterschiedlichen Verfeinerungsstufen vorhanden sind, berücksichtigt Kapazitätsre- vorliegen. So variiert die Größe der Instanzen striktionen, wie z. B. die Anzahl der verfügbaren zwischen eher klein, mit wenigen tausend Va- Arbeiter, und versucht, Lagerkosten durch mög- riablen und Bedingungen, und sehr groß, mit lichst späte Produktion zu reduzieren. mehreren Millionen Variablen und Nebenbe- dingungen. Die meisten der Instanzen enthal-  Abb. 3: Die integrierte Planung des gesamten Wert- ten Ganzzahligkeitsbedingungen für einen Teil Vergleich der SCIP Opti- schöpfungsprozesses beinhaltet ein hohes Op- der Variablen. Für diese ist ein festes Zeitlimit mization Suite mit dem timierungspotenzial und ist daher von großer vorgegeben, in dem eine zulässige Lösung ge- Referenzlöser. Auf einem Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit von Unter- funden werden muss. Die restlichen Instanzen Großteil der Instanzen nehmen. Unser Industriepartner SAP entwickelt stammen aus Modellen, die zu komplex sind, sind beide gleichwertig, eine Software, die Unternehmen die Möglich- um in annehmbarer Zeit mit Ganzzahligkeits- auf einigen (links) besteht keit bietet, ihre Wertschöpfungskette detailliert bedingungen gelöst zu werden, weswegen sie noch Verbesserungs- zu modellieren. Dies beinhaltet u. a. genaue als reines LP1 modelliert wurden. Im Laufe des potenzial, während auf Beschreibungen der Produktionsmodelle, Ka- Projekts sind die Instanzen in regelmäßigen Ab- anderen (Mitte, rechts) pazitätsrestriktionen, Produktions-, Lager-, ständen aktualisiert und mit unserer Hilfe verein besseres Lösungsver- Transport- und Lieferkosten. Für verschiedene bessert worden. halten erziehlt wird.

1 Lineares Programm konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Optimierung | 63

Das Projekt in Kürze: Das Projekt beschäftigt sich mit der schnellen Lösung vor allem numerisch anspruchsvoller und großer Instanzen aus dem Supply-Chain-Management. Hierbei ist nicht primär die Optimallösung gesucht, sondern eine möglichst gute Lösung innerhalb fest vorgege- bener Zeitbeschränkungen. Zur Berechnung wird die SCIP Optimization Suite verwendet, die im Laufe des Projekts um neue Komponenten erweitert wurde. Außerdem wird die Modellgenerierung auf Industrieseite mit unserer Hilfe schrittweise verbessert, um grundlegende Probleme schon im Ansatz zu vermeiden.

Um den Projektfortschritt zu messen, eignet Es wurden zahlreiche Codeverbesserungen und sich die in Abb. 2 definierte Score-Funktion, die Neuimplementierungen vorgenommen, um die beste von SCIP gefundene Lösung in Re- diese Ergebnisse zu ermöglichen. Zum einen lation zu der des Referenzlösers setzt. Die ak- sind hier Verbesserungen in SoPlex3 zu nennen, tuellen Scores der Testinstanzen sind in Abb. 3 die die Berechnungen der LP-Relaxierungen dargestellt. im MIP-Lösungsprozess beschleunigen. Es gab strukturelle Neuentwicklungen im Pricing, also Abb. 4:  Eine numerische Schwierigkeit besteht in den der Pivotauswahl im Simplexalgorithmus, und Darstellung des Simplex- mitunter sehr unterschiedlich großen Koeffizi- im Ratio-Test, welcher hauptverantwortlich für algorithmus. enten der Modelle, die sich bis zu Größenord- die Stabilität des Verfahrens ist. Ein weiterer nungen von mehreren Milliarden unterschei- wichtiger Punkt sind Arbeiten im Bereich des den können. Probleme dieser Art sind überaus Presolvings4. Es ist speziell unter den Bedin- schlecht konditioniert2 und numerisch schwierig gungen dieses Projekts von großer Wichtigkeit, zu handhaben. So lassen sich einige Probleme eine gute Presolving-Strategie zu haben. Auf der nur dann korrekt lösen, wenn die Rechenge einen Seite sollen viele Fixierungen und Verein- nauigkeit verfeinert, das heißt, die Zulässig- fachungen gefunden werden, um das spätere Abb. 5:  keitstoleranz verschärft wird. Da die Kondition Lösen zu beschleunigen, auf der anderen Sei- Visualisierung der vom eine Eigenschaft des Problems selbst ist, kann te muss nach dem Presolving noch genug Zeit Komponentenpresolver sie nur bedingt algorithmisch behandelt wer- bleiben, um Lösungen zu finden. Besonders erkannten Teilprobleme. den und erfordert vielmehr eine vorausschau- hervorzuheben ist hierbei der Komponentenpre- Zeilen und Spalten sind so ende Modellierung. Daher ist ein weiteres Ziel solver, der hauptverantwortlich für den großen umsortiert, dass die Struk- des Projekts, die Modellierungsschnittstelle zu Fortschritt zwischen Version 2.1.0 und 2.1.1 ist tur der Matrix erkennbar verbessern und die Anwender und Designer für (siehe Abb. 6). In den Instanzen sind oft einzelne wird. Der Presolver kann diese Problematik zu sensibilisieren. In Abb. 6 Standorte oder Produktlinien vollständig unab- daraufhin die zu den lässt sich der Fortschritt in Bezug auf die Lösbar- hängig von dem Rest des Problems. Der Pre- vier kleineren Blöcken keit der Instanzen ablesen. So werden mit der solver erkennt diese Teilprobleme und löst sie korrespondierenden aktuellen Version der SCIP Optimization Suite separat. Dies geschieht vollständig automatisch Teilprobleme in wenigen innerhalb der vorgegebenen Zeit Lösungen für und lässt sich sehr effizient einsetzen. Einige der Hundertstelsekunden zur alle Instanzen gefunden, wobei ca. die Hälfte Instanzen zerfallen in mehrere hundert unab- Optimalität lösen und die der Probleme zur Optimalität gelöst wird und hängige Teilprobleme. Die Matrixstruktur einer Problemgröße damit um für weitere 15% der Instanzen der Optimalitäts- Instanz mit fünf unabhängigen Problemen ist in fast 30% reduzieren. gap unter 10% liegt. Abb. 5 dargestellt. In Planung sind außerdem problemspezifische Heuristiken, also Verfahren, Abb. 6:  welche Kenntnisse über die Beschaffenheit des Prozentuale Verteilung Problems ausnutzen, um zulässige Lösungen zu aller MIPs in vier Klassen erzeugen. Darüber hinaus sind weitere Dekom- und deren Entwicklung im positionstechniken denkbar, die in jedem Schritt Laufe des Projekts. Mit der immer nur einen Teil der Produkte oder Perio- neuesten Version werden den betrachten, obwohl diese im Gegensatz zu zu allen Problemen zuläs- der aktuell durchgeführten Dekomposition nicht sige Lösungen gefunden. unabhängig vom Rest des Problems sind.

2 Die Kondition eines Problems ist die Variabilität der Lösung bei Störungen in den Ausgangsdaten. 3 SoPlex ist eine Implementierung des Simplexalgorithmus und Teil der SCIP Optimization Suite. 4 Presolving bezeichnet Problemreduzierungen und -vereinfachungen, die vor dem eigentlichen Lösen durchgeführt werden. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Optimierung | 64

MATHEMATIK IN DER KONFERENZPLANUNG OPTIMIERTER PROGRAMMPLAN Für Die ISMP2012 Bearbeitet von: Ralf Borndörfer, Alexander Tesch Weitere Informationen unter: http://ismp2012.mathopt.org/

Rund 1700 angemeldete Vorträge mussten auf  Abb. 1: 600 „Sessions“ zu je drei Vorträgen verteilt wer- Das Logo der ISMP2012. den, die dann zu täglich drei festen Vortrags- zeiten stattfinden sollten. Um die große Anzahl an Vorträgen unterbringen zu können, fanden zu jedem Zeitpunkt 40 Sessions gleichzeitig in verschiedenen Räumen statt.

Das Planungsproblem bestand darin, allen Ses- sions einen festen Vortragszeitpunkt und einen festen Raum zuzuordnen. Dabei waren sehr viele Bedingungen einzuhalten, was eine Pla- nung per Hand nahezu unmöglich machte. Da- raufhin wurde eigens für diese Konferenz eine Das International Symposium on Mathematical Optimierungssoftware entwickelt. Unser Ansatz Programming (ISMP) ist die größte Konferenz zerlegt das Grundproblem in drei kleinere, ein- im Bereich der mathematischen Optimierung. fachere Teilprobleme, die nacheinander gelöst Alle drei Jahre findet sie in einer anderen Stadt werden. Die Teilprobleme gliedern sich dabei in: auf der Welt statt. Für den 19.–24. August 2012 zeitliche Zuordnung, Zuordnung zu „Streams“ war Berlin als Veranstaltungsort gewählt wor- und räumliche Zuordnung von Sessions. Die den (Abb. 1 und 3). Die Hörsäle und Räume der zeitliche Zuordnung teilt jeder vorhandenen TU Berlin sollten dafür genutzt werden, den Session einen festen Vortragszeitpunkt in der  Abb 2: rund 2000 Besuchern ausreichend Platz für fach- Konferenz zu. Dabei wird beachtet, dass zu je- Verteilung von populären lichen Austausch und interessante Vorträge zu dem Zeitpunkt nur die Sessions stattfinden, die Sessions (rot) auf Räume gewähren. Das ZIB wurde dabei mit der Aufga- bezüglich einer prognostizierten Teilnehmeran- mit unterschiedlichen be betraut, einen Programmablaufplan für die zahl in die vorhandenen Räume passen. Diese Kapazitäten (rechts). Konferenz zu erstellen. hatten unterschiedliche Kapazitäten von 20 bis 390 Sitzplätzen. Das Programm verwendet zur Die ISMP2012 war die größte Optimierungsta- Prognose ein integriertes Attraktivitätsmodell, gung, die jemals stattfand (Tab. 1 und 2). das die erwarteten Teilnehmerzahlen für jede Session berechnet. Zudem wird dahingehend  Abb. 3: optimiert, dass thematisch ähnliche sowie sehr Im Konzerthaus am Gen- beliebte Sessions über die Länge der Konferenz darmenmarkt fand die gleichverteilt werden (Abb. 2 und 6). Damit soll Eröffnungveranstaltung ein gleichmäßig interessantes Programm für der ISMP2012 statt. Dort die gesamte Dauer der Konferenz gesichert wer- wurden zahlreiche Preise den. Hinzu kamen 250 zusätzliche individuelle der Mathematical Opti- Anfragen seitens der Vortragenden. Beispiels- mization Society (MOS) weise haben viele Teilnehmer einen Termin für verliehen. ihren Vortrag priorisiert, da ihnen ein Verbleib über die gesamte Konferenz nicht möglich war. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Optimierung | 65

Das Projekt in Kürze: Für die ISMP2012 sollte ein Programmplan für den Ablauf der 600 angemeldeten Sessions erstellt werden. In der Woche der Konferenz fanden zu täglich drei Vor- tragszeiten 40 parallele Sessions statt. Dafür musste jeder Session ein fester Raum- und Zeitslot zugewiesen werden, wobei Überlagerungen von verschiedenen Sessions ausgeschlossen werden mussten. Es wurde unter anderem nach folgenden Kriterien optimiert: gleichmäßige Themen verteilung, gleichmäßige Verteilung von attraktiven Sessions, Zuordnung von attraktiven Sessions in große Räume, individuelle Terminanfragen und Minimierung der Raumwechselzeiten.

Abb. 4:  abschließenden räumlichen Zuordnung wird je- Kurze Wege zwischen dem Stream ein Raum zugewiesen. Dabei sollen ähnlichen Sessions. Streams, die thematisch ähnliche Sessions enthalten, in nah beieinander liegenden Räumen stattfinden (Abb. 4). Für die kurzen Pausen zwischen den Vorträgen werden so die Laufwege deutlich verkürzt. Hektische Wechsel zwischen Stockwerken oder gar zwischen den zwei verwendeten Gebäuden werden ausgeschlossen.

Abb 5:  SPIEGEL-Online veröf- fentlicht einen Artikel über die Optimierung des ISMP2012-Konferenzplans.

Abb. 6:  Zeitliche Verteilung von Clustern und Attraktivität der Sessions. Solche Nebenbedingungen werden bei der zeit- Die Programmoptimierung war ein voller Er- lichen Zuordnung ebenfalls berücksichtigt. Im folg. Eine Konferenzplanung dieser Art gab es nächsten Optimierungsschritt werden Sessions unseres Wissens bisher noch nicht. SPIEGEL- zu sogenannten Streams zusammengefasst. Ein Online berichtete zu diesem Anlass direkt von Stream beschreibt eine Sequenz von Sessions, der ISMP in dem Artikel: „Das optimieren wir die zeitlich aufeinanderfolgend in einem Raum mal“ (Abb. 5). stattfinden, vorerst ohne einem konkreten Tab. 1:  Raum zugeordnet zu sein. Hierbei sollen the- CPAIOR ’11 ISMP 2012 Die Zahlen im Vergleich: matisch ähnliche Vorträge zeitlich nacheinander Teilnehmer 150 2.191 CPAIOR am Konrad-Zuse- innerhalb desselben Streams stattfinden. Auf Teilnehmerländer 19 68 Institut und die ISMP2012 diese Weise soll ein Bezug zwischen dem Raum Talks 37 1.741 an der TU-Berlin. und den dort vorgestellten Themen geschaffen Sessions 9 595 werden. Die Orientierung für die meist interna- Cluster 4 24 tionalen Gäste wird denkbar erleichtert. Bei der parallele Streams 1 40

Tab. 2:  Die Besucher der ISMP2012 kamen aus 68

Ländern von sechs Nation Deutschland USA Frankreich Brasilien Großbritannien Italien Kanada Niederlande Japan Österreich China Schweiz Schweden Spanien Russland Indien Belgien Singapur Chile Israel Türkei Portugal Kontinenten. Teilnehmerzahl 477 452 127 99 84 74 65 59 55 53 46 44 37 35 35 32 31 26 25 24 24 24 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Optimierung | 66

Projekte der Abteilung optimierung Alle Projekte im Netz ausführlich unter: www.zib.de/de/optimierung/projekte.html

Matheon-B3: Forschungsförderung: DFG-Forschungszen- Forschungsförderung: Open Grid Europe Integrierte Planung von Multi-layer trum Matheon Inhalt: Analyse und Optimierung von Gas- Telekommunikationsnetzen Inhalt: Identifizierung und Analyse typischer transportnetzen. URL: www.zib.de/Optimization/Projects/ Strukturen in Umlaufplanungsproblemen Telecom/Matheon-B3 im Schienenverkehr. BMWi-GASNET Mitarbeiter: M. Grötschel, C. Raack, Kapazitätsauswirkungen von Netzerweite- R. Wessäly Exakte Ganzzahlige Optimierung rungen und Netzzusammenlegungen Partner: atesio, DFN-Verein, Nokia Sie- URL: www.zib.de/Optimization/Projects/ URL: www.zib.de/de/optimierung/energy/ mens Networks, IBM/ILOG, RWTH Aachen, MIP/ExactIP projekte/projekte-kurz-archiv-detail/article/ Telecommunication Networks Group der TU Mitarbeiter: M. Grötschel, T. Koch, n-kap.html Berlin, Matheon-B15 K. Wolter Mitarbeiter: B. Hiller, J. Humpola, T. Koch, Forschungsförderung: Partner: Georgia Institute of Technology R. Schwarz, J. Schweiger DFG-Forschungszentrum Matheon (Atlanta), TU Braunschweig, U de Chile Partner: U Erlangen-Nürnberg, U Hannover, Inhalt: Realistische Modelle und geeignete (Santiago de Chile) U Duisburg-Essen, HU Berlin, TU Braun- Algorithmen zur Netzplanung. Forschungsförderung: DFG-Schwerpunkt- schweig programm 1307 „Algorithm Engineering“ Forschungsförderung: Bundesministerium Matheon-B15: Inhalt: Das Ziel dieses Projektes ist die Ent- für Wirtschaft und Technologie (BMWi) Angebotsplanung im wicklung eines exakten IP-Lösers. Inhalt: Verfahren, die es gestatten, in Gas- öffentlichen Nahverkehr netzen vorhandene Transportkapazitäten URL: www.zib.de/Optimization/Projects/ IBM/ZIB-Kooperation auszunutzen bzw. kostengünstig Engpässe TrafficLogistic/Matheon-B15 URL: www.zib.de/Optimization/Projects/MIP zu beseitigen. Mitarbeiter: R. Borndörfer, Mitarbeiter: T. Berthold, M. Grötschel, M. Grötschel, M. Karbstein, T. Koch, C. Raack, Y. Shinano SASER Partner: ViP Verkehrsbetrieb Potsdam, Stadt Partner/Forschungsförderung: IBM/ILOG Safe and Secure European Routing Potsdam, Matheon-B3, Matheon-B20, Inhalt: Forschungsergebnisse zur allgemei- URL: http://www.zib.de/de/projekte/ Matheon-F4 nen ganzzahligen Optimierung, die in den aktuelle-projekte/projekte-detail/article/ Forschungsförderung: Lösern SCIP und CPLEX eingesetzt werden. saser-siegfried-1.html DFG-Forschungszentrum Matheon Mitarbeiter: F. D'Andreagiovanni, Inhalt: Entwicklung mathematischer Opti- Siemens/ZIB-Kooperation F. Pfeuffer, A. Werner mierungsmethoden zur Angebotsplanung URL: www.zib.de/Optimization/Projects/ Partner: TU Berlin, Nokia Siemens Net- im öffentlichen Nahverkehr. MIP/Siemens works Mitarbeiter: A. Gleixner, M. Grötschel, Forschungsförderung: Bundesministe- Matheon-B20: T. Koch rium für Bildung und Forschung (BMBF, Optimierung von Gastransportnetzen Partner: Siemens, TU Darmstadt EUREKA) URL: www.zib.de/Optimization/Projects/ Forschungsförderung: Siemens Inhalt: Potential von flexiblen Bit-Raten MIP/Matheon-B20 Inhalt: Weiterentwicklung von LP- und und dynamischem Verkehr in zukünftigen Mitarbeiter: T. Berthold, B. Hiller, IP-Lösungssoftware, insbesondere SCIP optischen Netzen. M. Grötschel, A. Gleixner, S. Heinz, T. Koch, und SoPlex, unter besonderer Berücksichti- S. Vigerske (HU Berlin), K. Wolter, F. Serrano gung von Anforderungen, die bei Siemens Multiperiod Network Optimization Partner: Matheon-B15, Matheon-C7, entstehen. Planung beweisbar optimaler Telekommu- ForNe, TU Braunschweig, TU Darmstadt, HU nikationsnetze Berlin, Siemens, IBM, GAMS Development ugFRAME URL: www.zib.de/de/optimierung/projekte/ Forschungsförderung: Mitarbeiter: S. Heinz, T. Koch, Y. Shinano projektdetails/article/multiperiod-network- DFG-Forschungszentrum Matheon Partner: Chuo University, Japan optimization.html Inhalt: Lösung von Optimierungsproblemen, Inhalt: Entwicklung einer Bibliothek für Mitarbeiter: M. Grötschel, J. Pulaj wie sie im Gastransport und anderen Anwen- massivparalleles MIP-Lösen. Partner: Warsaw University of Technology, dungen auftreten. Department of Computer Networks and FORNE Switching Matheon-B22: Optimierung von Gastransportnetzen Forschungsförderung: DFG, Ministerium f. Umlaufplanung im Schienenverkehr URL: www.zib.de/Optimization/Projects/ Bildung u. Wissenschaft, Polen URL: www.zib.de/de/optimierung/traffic/ energy/forne Inhalt: Planung beweisbar optimaler projekte-lang/Matheon-b22 Mitarbeiter: A. Fügenschuh, M. Grötschel, Telekomminikationsnetze unter Berück- Mitarbeiter: R. Borndörfer, M. Grötschel, B. Hiller, J. Humpola, T. Koch, T. Lehmann, sichtigung unsicherer und über die Zeit O. Heismann R. Schwarz, J. Schweiger, F. Serrano veränderlicher Bedarfe. Partner: Matheon-B15, -B23 Partner: U Hannover, U Duisburg-Essen, HU Berlin, U Erlangen-Nürnberg, TU Braunschweig, WIAS konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Optimierung | 67

ROBUKOM Partner/Forschungsförderung: Multi-FTTX Robuste Kommunikationsnetze DB Fernverkehr AG Multikriterielle Optimierung zur Planung URL: www.robukom.de Inhalt: Entwicklung eines voll integrierten von FTTx-Netzen Mitarbeiter: F. D’Andreagiovanni, Modells und Lösungsverfahrens. URL: http://www.zib.de/de/optimierung/ M. Grötschel projekte/projektdetails/article/multifttx.html Partner: RWTH Aachen University, Tollcontrolopt Mitarbeiter: M. Grötschel, A. Werner Lehrstuhl II für Mathematik, TU Berlin, Ar- Optimierung des Mautkontrolldienstes Partner: Universität Wien, TU Wien beitsgruppe Kombinatorische Optimierung URL: www.zib.de/de/optimierung/projekte/ Forschungsförderung: DFG-D-A-CH- und Graphenalgorithmen, TU Chemnitz, projektdetails/article/tollcontrolopt.html Förderung. Arbeitsgruppe Algorithmische und Diskrete Mitarbeiter: R. Borndörfer, E. Swarat, Inhalt: Entwicklung von multikriteriellen Mathematik, TU Chemnitz, Arbeitsgruppe G. Sagnol Optimierungsmodellen und algorith- Kommunikationsnetze Partner/Forschungsförderung: mischen Ansätzen für die Glasfaserzu- Forschungsförderung: Bundesministerium Bundesamt für Güterverkehr gangsnetzplanung. für Bildung und Forschung (BMBF) Inhalt: Planung der Touren und Dienste der Inhalt: Im Projekt ROBUKOM werden effizi- mobilen Kontrollteams für die LKW-Maut SFB – Sustainable Manufacturing ente Algorithmen zur Lösung von robusten auf deutschen Autobahnen. (Teilprojekte A5 und A6) Multilayer-Netzwerkproblemen entwickelt. URL: www.zib.de/de/optimierung/mip/ WS-Opt projekte-lang/sfb1026-sustainable- VS-OPT-Rail Zyklische Dienstreihenfolgeplanung im manufacturing/article/sfb-1026-sustainable- Mehrtägige zyklische Umlaufplanung für öffentl. Nahverkehr manufacturing.html Züge URL: www.zib.de/de/optimierung/traffic/ Mitarbeiter: R. Borndörfer, A. Fügenschuh, URL: www.zib.de/de/optimierung/traffic/ projekte-lang/ws-opt.html S. Schenker, I. Vierhaus projekte-lang/vs-opt-rail.html Mitarbeiter: R. Borndörfer, C. Schulz, Partner: TU Berlin, BA f. Materialprüfung, Mitarbeiter: R. Borndörfer, C. Schulz, S. Weider Fraunhofer IPK, WZB S. Weider Partner/Finanzierung: LBW, IVU Traffic Finanzierung: DFG Partner/Finanzierung: LBW, IVU Traffic Technologies Inhalt: Entwicklung mathematischer Metho- Technologies Inhalt: Entwicklung eines Verfahrens zur den zur Lösung von multikriteriellen (A5) Inhalt: Entwicklung eines Verfahrens zur Wochenschemaoptimierung. und systemdynamischen (A6) Optimie- zyklischen Umlaufoptimierung im Sinne rungsproblemen beim Entwurf nachhal- einer „Giant Rotation“. DESI tiger Wertschöpfungsnetze. Durchgängig energiesensible IKT- KOSMOS Produktion Turan URL: www.zib.de/de/optimierung/traffic/ URL: www.desi-it2green.de Das hypergraphische Turan-Problem projekte-lang/kosmos.html Mitarbeiter: I. Olthoff, F. Pfeuffer, A. Werner Mitarbeiter: A. Raymond Mitarbeiter: R. Borndörfer, A. Fügenschuh, Partner: Deutsche Telekom AG, Laborato- Forschungsförderung: ZIB Stipendium T. Klug, T. Schlechte ries, Alcatel-Lucent Deutschland AG, Joulex Inhalt: Polyedrische Untersuchung des Partner: Arbeitsgruppe Diskrete Optimie- GmbH, PASM Power and Air Condition hypergraphischen Turan-Problems. rung, TU Darmstadt, Arbeitsgruppe Algo- Solution Management GMbH rithmische und Diskrete Mathematik, TU Forschungsförderung: Bundesministerium Chemnitz, Arbeitsgruppe Mathematische für Wirtschaft und Technologie (BMWi, Optimierung, TU Braunschweig, Arbeits- IT2Green-Programm) gruppe Verkehrssysteme und -logistik, TU Inhalt: Energieeffizienz in Tele Dortmund, DB Mobility Logistics, kommunikationsnetzen. Matheon Projekt B24: Scheduling Material Flows in Logistics Networks SAP Forschungsförderung: Bundesministerium Neue Technologien zur Lösung von SCM- für Bildung und Forschung (BMBF) Problemen Inhalt: Fahrtrassenallokation im Schienen- URL: www.zib.de/Optimization/Projects/ güterverkehr. MIP/scm Mitarbeiter: G. Gamrath, T. Koch, M. Milten- VR-OPT – Fahrzeugumlaufplanung für die berger DB Fernverkehr AG Partner: SAP, U Erlangen-Nürnberg URL: www.zib.de/de/optimierung/traffic/ Forschungsförderung: SAP projekte-lang/vehicle-rotation-planning/ Inhalt: Entwicklung neuer Methoden der article/vehicle-rotation-planning.html linearen und ganzzahligen Programmie- Mitarbeiter: R. Borndörfer, M. Reuther, rung zur Lösung von Supply-Chain-Ma- T. Schlechte, S. Weider nagement-Problemen.

Wissenschaftliche Information Yes, we can! konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Wissenschaftliche Information | 70

Wissenschaftliche Information Leitung: Dr. Thorsten Koch Weitere Informationen unter: www.zib.de/de/sis

Die Abteilung Wissenschaftliche Information Die Partner unserer Projekte sind sowohl öf- besteht aus den Arbeitsgruppen fentliche Einrichtungen, wie die wissenschaftlichen Bibliotheken und Museen, als auch • Informationssysteme Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen • Kooperativer Bibliotheksverbund Berlin anderer Hochschuleinrichtungen und wissen- Brandenburg (KOBV) schaftlicher Institute. • Museumsprojekt • Webtechnologie und Multimedia. Im Berichtszeitraum ist es gelungen, mit der Servicestelle Digitalisierung (digiS) ein beson- Wir verbinden modernste Informationstechno- ders ambitioniertes Projekt des Landes Berlin in logie mit Anwendungen für die Wissenschaft. der Abteilung aufzubauen. Berlin spielt hier eine Dabei verstehen wir uns sowohl als Dienstlei- Vorreiterrolle für eine spartenübergreifende ster wie auch als Motor für die Erforschung und Koordinierung von Digitalisierungsprojekten. Entwicklung neuer Methoden und Werkzeuge. In unserem neuen Projekt EWIG wird zudem konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Wissenschaftliche Information | 71

der Aspekt der langfristigen Speicherung von Die Arbeitsgruppe Webtechnologie und Mul- Forschungsdaten in Kooperation mit dem Geo- timedia betreibt diverse Dienstleistungen ForschungsZentrum in Potsdam und dem Insti- und Entwicklungen, um mathematisch rele- tut für Meteorologie der FU Berlin untersucht. vante Informationen einer größeren Öffent- lichkeit zur Verfügung zu stellen. Neben der Die Arbeitsgruppe Informationssysteme entwi- technischen und inhaltlichen Betreuung von ckelt Anwendungen, um mathematische Doku- Webservern gehört dazu auch der Betrieb von mente automatisch zu klassifizieren und mithilfe Open Access Journalen (Mathematical Pro- bibliometrischer Analyseverfahren Ähnlichkeite- gramming Computation) und von Konferenz- nuntersuchungen durchzuführen. servern, die im wissenschaftlichen Umfeld eingesetzt werden können. Der KOBV ist der zentrale Dienstleister und das Entwicklungszentrum für die Bibliotheken in der Im Berichtszeitraum wurde der Internetauftritt Region Berlin-Brandenburg. In prototypischen des 21st International Symposium on Mathe- Anwendungen werden Suchmaschinentechno- matical Programming (ISMP) in der Arbeits- logien weiterentwickelt und eingesetzt. gruppe realisiert. Mit über 1.700 Vorträgen und 2.000 Teilnehmern ist dieser Kongress eine der Das Kerngeschäft des KOBV ist der Betrieb des großen Veranstaltungen der internationalen Bibliotheksportals, in dem über die Kataloge der Mathematik. beteiligten Einrichtungen gesucht werden kann. Zusätzlich wird weiterhin die Erfassung von Die Arbeitsgruppe Museumsprojekt betreut seit einzelnen Veranstaltungen auf Videomaterial er- vielen Jahren die von ihr entwickelte auf Doku- probt. Die inhaltliche und strukturelle Weiterver- mentation und Inventarisierung spezialisierte arbeitung dieses Materials steht dabei im Mittel- Datenbankanwendung. punkt. Mit der Opensource Software Matterhorn steht erstmals auch ein für unsere Zwecke Die erfolgreiche Software ist bei über zehn Ko brauchbares Werkzeug zur Verfügung, welches operationspartnern im Einsatz. zukünftig in der Arbeitsgruppe eingesetzt wird. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Wissenschaftliche Information | 72

Webtechnologie und Multimedia Bearbeitet von: Wolfgang Dalitz, Tim Hasler (seit 05/2006) Weitere Informationen unter: www.zib.de/de/si/web-technologie-und-multimedia.html

 Abb. 1: Die Funktionen von Opencast Matterhorn sind hier entlang eines Workflows durch die vier Komponenten des Systems abgebildet. Quelle: http://opencast.org/ matterhorn/features

E-Lecture Auch für Forschungseinrichtungen werden zu- Opencast Matterhorn2 ist eine Multimedia künftig Aufzeichnungen und Verbreitung von umgebung, die die Möglichkeit bietet, (auto- wissenschaftlich bedeutenden Veranstaltungen matisiert) Vorträge aufzuzeichnen und aufzube- ein strategisch wichtiger Bereich. E-Lectures reiten. Der Kontext hierzu ist üblicherweise der werden zunehmend als ein eigenständiger Pu- E-Learning Einsatz an Universitäten mit festem blikationszweig aufgefasst und haben darüber Veranstaltungsprogramm. Am ZIB ist das Ein- hinaus die Bedeutung, Aspekte beim Vortra- satzszenario eher der Aufbau einer Sammlung genden aufzuzeigen, die in bisherigen Publika- von herausragenden Vorträgen. Aufgezeichnet tionen naturgemäß nicht zum Tragen kommen wurden bisher Auslandsreisen von ZIB Mitar- können (Betonung, Mimik und Ausdruck)1. beitern oder Gastvorträge bekannter Persön- lichkeiten am ZIB selbst. In der nächsten Phase Die Arbeitsgruppe Webtechnologie und Multi- wird dieser Dienst auch auch den Lehrenden media hat im Berichtszeitraum die Opensource am ZIB angeboten, die ihren Veranstaltungen Software Opencast Matterhorn evaluiert und an der TU bzw. FU eine E-Learningkomponente plant, zukünftig damit eigene Veranstaltungen hinzufügen wollen. aufzuzeichnen und zu verbreiten.

1 http://www.tagesspiegel.de/wissen/digitale-revolution-der-lehre-harvard-fuer-alle/7593300.html (abgerufen 8.1.2013) 2 http://opencast.org/matterhorn/ konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Wissenschaftliche Information | 73

Das Projekt in Kürze: Die Arbeitsgruppe Webtechnologie und Multimedia wird nach der erfolgreichen Evaluation, die Opensource Software Opencast Matterhorn einsetzen, um zukünftig eigene Veranstaltungen damit aufzuzeichnen und zu verbreiten. Matterhorn bietet eine hohe Flexi- bilät beim Aufzeichnen und bei der Verteilung der Vorträge über das Netz. Durch die weite Verbrei- tung im universitären Umfeld hat sich in den letzten Jahren eine stabile Community gebildet, die eine langfristige Nutzung garantiert.

Matterhorn greift auf eine Sammlung von die Textinhalte der Präsentation durchsuchbar. Werkzeugen aus der Open Source Communi- Die Folienwechsel werden zur Segmentierung ty zurück. Vermittelt durch ein Java Framework der Präsentation genutzt. So kann über eine (Apache Felix) kommen hier Tools wie FFmpeg Thumbnailvorschau direkt zu einer betref- zur Videobearbeitung, OCRopus mit Tesseract fenden Folie in der Präsentation gesprungen zur Texterkennung oder SOLR zur Indexierten werden. Suche zum Einsatz. Die Kommunikation der Mo- dule untereinander erfolgt über Java APIs oder Dadurch, dass Präsentation und Vortragender im bevorzugt verteilten Fall über REST Services. in getrennten Aufzeichnungen vorliegen, kann der Nutzer beim Abspielen des Vortrages Matterhorn bietet die Möglichkeit, verschie- selbst entscheiden, wie er seinen Schwerpunkt dene Workflows zusammenzustellen, je nach setzen möchte, eher auf das Vortragen oder gewünschtem Output, etwa für die populären aber die Präsentation. iTunes University oder YouTube Channel. Da- bei wird der Videostream in die gewünschten Nach den gemachten sehr guten Erfahrungen Formate transformiert, zur Ausgabe auf mo- wird jetzt ein Produktivsystem mit drei Servern bilen Geräten oder im Browserfenster in HD. (Admin, Worker, Deployment) installiert. Open- Die Präsentation wird nach einer Videoanalyse cast Matterhorn skaliert problemlos, so dass komprimiert und einer Texterkennung unterzo- bei zusätzlichem Bedarf, beispielsweise im De- gen (eine Texterkennung aus dem Audiomate- ployment, weitere Server mit diesem Profil ins rial ist in der Entwicklung). Als Ergebnis sind Framework aufgenommen werden können.

Abb. 2:  Der Matterhorn Engage Player bietet im Brow- serfenster ohne spezialisierte Software die Möglichkeit, die Größe der Viedeostreams zu ver- ändern und zu einzelnen Segmenten der Vorlesung zu springen. Quelle: Markus Ketterl, http://opencast.jira.com/ secure/attachment/12260/ comment1.png konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Wissenschaftliche Information | 74

Kooperativer Bibliotheksverbund Berlin-Brandenburg (KOBV)

Bearbeitet von: Steffi Conrad-Rempel, Hildegard Franck, Julia Goltz, Björn Kirchhoff (01-04/2012), Thorsten Koch, Renate Kraft, Monika Lill, Stefan Lohrum, Jannis Polojannis, Wolfgang Peters-Kottig, Beate Rusch, Alexander Sichwardt (seit 06/2012), Edouard Simon (seit 10/2012), Jens Schwidder, Sascha Szott, Doreen Thiede, Signe Weihe Förderung: Senatskanzlei – Kulturelle Angelegenheiten; Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Brandenburg Kooperation: Bibliotheken aus der Region Berlin-Brandenburg Weitere Informationen unter: http://www.kobv.de

Strategiediskussionen und Zukunfts- Aus dieser Perspektive erkennt der Wissen- aufgaben schaftsrat deutliche Redundanzen und Mehr- Wie muss die zukünftige Informationsinfra- fachangebote. In den „Empfehlungen zur Zu- struktur gestaltet sein, um die Wissenschaften kunft des bibliothekarischen Verbundsystems am digitalen Arbeitsplatz angemessen unter- in Deutschland“ vom Februar 2011 sprach stützen zu können? Sind die vorhandenen, sich der Wissenschaftsrat dann auch für eine föderalen Strukturen für drängende Fragen strukturelle Neuordnung aus, in der föderale wie die Lizenzverwaltung von elektronischen Grenzen zugunsten einer neuen innovativen Medien, die Unterstützung von Open Access, Arbeitsteilung aufgehoben werden. die Langzeitverfügbarkeit von digitalen For- schungsdaten und digitaler Reproduktionen Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat sich und den Aufbau und Betrieb von intelligenten, diesem Votum angeschlossen und im Januar virtuellen Wissenschaftlerarbeitsplätzen ge- 2012 das Programm „Neuausrichtung überre- eignet? Wie kann der Nachweis von Biblio- gionaler Informationsservices“ ausgeschrie- theksbeständen kostengünstiger organisiert ben. Diese Förderung richtet sich ausdrücklich werden? Wie stellt sich dabei das Verhältnis auch an die Bibliotheksverbünde und hat eine zwischen Verbünden als Serviceanbietern für bibliothekspolitische Neuordnung zum Ziel. Bibliotheken und den kommerziellen Software- anbietern dar? Einem Vorschlag der Kultus Der Kooperative Bibliotheksverbund Berlin- ministerkonferenz folgend hat der Wissen- Brandenburg versteht sich in dieser Diskus- schaftsrat im Jahr 2011 in einem aufwändigen sion als Vorbild. In der strategischen Allianz Verfahren die deutsche Verbundlandschaft auf zwischen dem KOBV und dem Bayerischen ihre Zukunftsfähigkeit hin evaluiert. Organi- Bibliotheksverbund BVB wird die geforderte satorisch und finanziell sehr unterschiedlich Arbeitsteilung und Entwicklungskooperation aufgestellt, differieren die sechs Bibliotheks- bereits gelebt. Die Katalogisierung mit den verbünde in Deutschland hinsichtlich ihrer nachfolgenden Datenflüssen wird für drei Größe und ihrer technischen Ausrichtung und Bundesländer gemeinsam organisiert. In ei- arbeiten dennoch in einem engen Geflecht aus ner strategischen Entwicklungspartnerschaft Kooperationsbeziehungen miteinander. So gilt werden gemeinsame Projekte gestaltet. Diese die deutsche Fernleihe international als vor- Kooperation ist als Partnerschaft auf Augen- bildlich. Historisch bedingt gibt es allerdings höhe mit kooperativen Beteiligungsstrukturen nur für die Zeitschriften nicht aber für Mono- ausgelegt und durch Vereinbarungen finanziell grafien einen nationalen Nachweis. und organisatorisch festgeschrieben.

Für den Wissenschaftsrat standen nicht die ein- Dem DFG-Aufruf, Informationsservices für die zelnen Organisationen im Mittelpunkt sondern Wissenschaften neu und gleichzeitig bundes- das bibliothekarische Verbundsystem in der weit auszurichten, ist der KOBV zusammen Gesamtheit, die erst aus der Zusammenschau mit seinem strategischen Partner, dem Bibli- der existierenden, weitgehend regional agie- otheksverbund Bayern, und weiteren Mitwir- renden, sechs Bibliotheksverbünde entsteht. kenden mit drei Projektanträgen gefolgt. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Wissenschaftliche Information | 75

Der KOBV bietet den Zugang zu den Katalogen und Benutzerdiensten zahlreicher Bibliotheken in Berlin und Brandenburg. Für ihre Bibliotheken wirkt die KOBV-Zentrale am Zuse-Institut als Dienst- leistungs- und Entwicklungszentrum. KOBV-Mitgliedsbibliotheken (inkl. Gäste) sind 23 Universitäts- und Hochschulbibliotheken aus der Region, eine Bibliothek der privaten Hochschulen, beide Landes- bibliotheken, die Staatsbibliothek zu Berlin, zehn Bibliotheken der Obersten Bundesbehörden und 43 Forschungs- und Spezialbibliotheken. Dazu kommen als Partner der Verbund Öffentlicher Biblio- theken Berlins und Verbund der Öffentlichen Bibliotheken des Landes Brandenburg.

Die Zukunft von bibliothekarischem Metadaten- Als Zukunftsthema gewinnt die Langzeitverfüg- management sehen KOBV und BVB ebenso barkeit von digitalen Medien eine immer stär- wie der hessische Verbund HeBIS nicht natio- kere Bedeutung. Hier will sich der KOBV mit nal sondern international in Cloudstrukturen weiteren potenten Partnern am Aufbau einer verankert. Diesen Übergang gilt es konzeptio- Nationalen Langzeitarchivierungsinfrastruktur nell, organisatorisch und technisch frühzeitig für das kulturelle Erbe beteiligen. Mit dem zu begleiten. Dabei nehmen es die beteiligten KOBV, dem Projekt digiS und der Arbeitsgrup- Bibliotheken in Kauf, ihre Datenflüsse, Daten- pe Massendatenspeicher ist das ZIB hier abtei- strukturen und Systemarchitekturen grundle- lungsübergreifend aktiv. Das ZIB liefert eine gend zu reorganisieren. Für den KOBV gilt nach exzellente Speicherinfrastruktur, auf der der wie vor die Gründungsmaxime der Heteroge- KOBV archivische Dienstleistungen für Biblio- nität. Den Bibliotheken muss die Wahl ihrer theken und digiS für Museen und Archive an- Softwareumgebung frei gestellt bleiben, auch bieten will. wenn sie sich in neuen internationalen Cloud- strukturen bewegen. In einem DFG-Projekt will GRACE steht für eine verteilte, generalisierte sich der KOBV diesen Strukturen stellen, durch Cloudanwendung für die Wissenschaft, an der Standardisierung Entscheidungsfreiheit bei der sich die Bibliotheken und Bibliotheksverbün- Systemwahl gewährleisten und kommerziellen de wie der KOBV zusammen mit Hochschulre- Monopolbildungen entgegenwirken. Dabei gilt chenzentren beteiligen wollen. Ziel ist es, ein es, die Hoheit über die Daten nicht zu verlieren Angebot für verteilt arbeitende Forschergrup- und die vielfältigen existierenden Kooperati- pen zu schaffen, in der sich eine gemeinsame onsbeziehungen aufrechtzuerhalten. Auch die Arbeitsumgebung aus einzelnen Bausteinen Funktion von Verbundzentralen als regionale individuell zusammenstellen lässt. Speicher- Ansprechpartner und Kümmerer gerade für kapazitäten, aber auch Wikis, Webseiten, Mai- kleine Bibliotheken ist neu zu definieren. linglisten und Literaturverwaltungsprogramme zum kollaborativen Arbeiten sollen einfach ver- fügbar sein und dediziert für die Wissenschaft betrieben werden.

Entsprechende Förderanträge für eine Anschub- finanzierung sind im Oktober 2012 bei der DFG eingereicht worden. Eine Entscheidung wird im März 2013 erwartet. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Wissenschaftliche Information | 76 digiS – SPARTENÜBERGREIFENDE BERATUNGS STELLE FÜR DIGITALISIERUNGSPROJEKTE

Bearbeitet von: Anne Bauknecht (seit 09/2012), Ralph Böhmert (seit 10/2012), Thorsten Koch, Marko Klindt (seit 10/2012), Anja Müller (seit 09/2012), Beate Rusch Förderung: Senatskanzlei – Kulturelle Angelegenheiten Berlin Weitere Informationen unter: http://www.servicestelle-digitalisierung.de

2012 hat das Land Berlin ein Förderprogramm Im Rahmen der 2012 geförderten Digitalisie- zur Unterstützung von Berliner Kulturinstituti- rungsprojekte sammelten die Pilotpartner viel- onen bei der Digitalisierung ihrer Sammlungen fältige Erfahrungen bei der Digitalisierung von initiiert. Parallel dazu wurde die Servicestelle sehr unterschiedlichen Medienformen: Digitalisierung am ZIB eingerichtet. digiS hat die Aufgabe, die am Förderprogramm beteili- Brücke-Museum – Innerhalb des Projekts wer- gten Einrichtungen bei der Digitalisierung ihrer den ca. 2.000 Ektachrom-Diapositive digitali- Kulturgüter, deren Präsentation und der Siche- siert und präsentiert. rung der Langzeitverfügbarkeit zu beraten. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in den Bereichen Bröhan-Museum – Das Projekt umfasst die Di- Wissenstransfer und IT-Dienstleistung. gitalisierung und Präsentation von Gemälden, sowie die Präsentation bereits digitalisierter Ziel des Förderprogramms ist es, die öf- Metall- und Glasobjekte aus der Sammlung fentliche Sichtbarkeit des kulturellen Erbes des Museums. Berlins auch im Hinblick auf die Deutsche Digi- tale Bibliothek zu erhöhen sowie für die Siche- Stadtmuseum Berlin – Das Stadtmuseum di- rung der Langzeitverfügbarkeit der digitalen gitalisiert ca. 1.000 Objekte (Großformate, 3D- Objekte Sorge zu tragen. Ein eigenes Förderpro- Darstellung) mit Berlinbezug sowie in einem gramm des Landes begründet sich aus dem der- zweiten Teilprojekt bisher unveröffentlichtes zeitigen Mangel an (nationalen) Fördermöglich- Material aus der Zille-Sammlung. keiten, insbesondere für kleinere Einrichtungen mit interessanten Beständen zur Stadtgeschich- Zentral- und Landesbibliothek – Die ZLB digitali- te und Kultur sowie dem stetig steigenden An- siert historische Berliner Adress- und Telefonbü - spruch der Öffentlichkeit, Kulturgüter auch im cher, die online präsentiert und mit einer Crowd Internet finden zu wollen. Das Land Berlin ist sourcing Komponente angereichert werden. mit der Gründung der Servicestelle ein bundes- weiter Vorreiter für eine spartenübergreifende Landesarchiv – In zwei Teilprojekten werden der und landesweit zentrale Koordination von Di- Gebrauchskatalog der Landesbildstelle mit ca. gitalisierungsprojekten. digiS kooperiert auf 190.000 Fotos sowie 25.000 Glasplattennega- regionaler Ebene mit der Koordinierungsstelle tive aus Fotografennachlässen mit Berlinbezug Brandenburg-digital und bundesweit auch mit digitalisiert und im Web verfügbar gemacht. der Deutschen Digitalen Bibliothek. Zudem werden 1.300 historische Kartenblätter im Maßstab 1:4000 in einem prototypischen Geoinformationssystem digital präsentiert.

digiS – die Servicestelle Digitalisierung Berlin ist ein Pilotprojekt zur spartenübergreifenden Bera- tung, Unterstützung und Koordinierung von Digitalisierungsprojekten von kulturellem Erbe in Ber- lin. digiS ist seit Oktober 2012 am ZIB in der Abteilung Wissenschaftliche Information angesiedelt. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Wissenschaftliche Information | 77

EWIG – LANGZEITARCHIVIERUNG VON FORSCHUNGS- DATEN IN DEN GEOWISSENSCHAFTEN

Bearbeitet von: Tim Hasler (seit 05/2012), Thorsten Koch, Gabriel Müller (bis 08/2012), Wolfgang Peters-Kottig, Beate Rusch, Jens Schwidder (bis 03/2012) Kooperation: Helmholtz-Zentrum Potsdam, Deutsches GeoForschungsZentrum, Institut für Meteorologie der Freien Universität Berlin Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft Weitere Informationen unter: http://ewig.gfz-potsdam.de

Ingest Abb. 1:  EWIG zielt auf die Optimierung der Übergabeschnittstelle Private Research Shared Research Permanent zwischen Datenproduzent und Langzeitarchiv. Domain Domain Domain

Access

Das Projekt EWIG ist auf die Unterstützung der zept eines „Werkzeugkastens“ an, der diverse Übertragung von Forschungsdaten aus unter- Softwarebausteine zur Prüfung der Integrität schiedlichen Forschungsumgebungen in digi- und Authentizität gelieferter Datenobjekte tale Langzeitarchive ausgerichtet. Der Fokus verfügbar macht. Da der Ingestprozess von der Arbeiten besteht in der Optimierung des Forschungsdaten in ein Langzeitarchiv den Ingestprozesses an der Übergabeschnittstelle größten Anteil an den Kosten der langfristigen zwischen (disziplinspezifischem) Datenpro- Archivierung ausmacht, kommt der Prüfung duzent und Langzeitarchiv. Das Projektkon- von Inkonsistenzen und Fehlern hier besonde- sortium besteht neben dem KOBV im ZIB aus re Bedeutung zu. zwei geowissenschaftlichen Institutionen: dem GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) und Bei den Projektpartnern werden in der zweiten dem Institut für Meteorologie der Freien Uni- Projektphase institutionelle Policies zum For- versität Berlin. In den Geowissenschaften sind schungsdatenmanagement entwickelt, die als die Workflows und Infrastrukturen zum For- Mustervorlage für verschiedene geowissen- schungsdatenmanagement bereits vergleichs- schaftliche Institutionen dienen können. Poli- weise weit entwickelt – dennoch gibt es Lücken cies regeln die organisatorischen Aspekte des im Datenfluss zwischen den unterschiedlichen Umgangs mit produzierten Daten. Stationen im „Digital Curation Continuum“. Außerdem werden in EWIG Konzepte für Lehr- Die erste Projektphase diente zur Identifizie- und Weiterbildungsveranstaltungen entworfen rung von vorhandenen Lücken und Vernetzung und in der universitären Ausbildung erprobt, mit vergleichbaren Projekten in Deutschland um das Thema Forschungsdatenmanagement durch insgesamt 20 Expertengespräche mit stärker in der Fachwissenschaft zu etablieren. Infrastruktureinrichtungen und Datenzentren. Im Wintersemester 2012/2013 startete dieser In der zweiten Phase wird am ZIB das Problem Projektteil mit dem Modul „Datenmanage- der technischen Qualitätssicherung von For- ment“ in der Bachelor-Ausbildung des Instituts schungsdaten bearbeitet. Hier setzt das Kon- für Meteorologie. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Wissenschaftliche Information | 78

Projekte der Abteilung Wissenschaftliche Information Alle Projekte im Netz ausführlich unter: http://www.zib.de/de/si.html

ISMP 2012 E-Lecture URL: http://www.ismp2012.org URL: http://cine.zib.de/ Mitarbeiter: Wolfgang Dalitz, Klaus-Dietrich Mitarbeiter: Tim Hasler, Simon Putzke, Engel, Julia Goltz, Thorsten Koch, Winfried Wolfgang Dalitz Neun, Uwe Pöhle Inhalt: Am ZIB stattfindende Veranstal- Inhalt: Der Webauftritt für das International tungen werden per Video aufgezeichnet Symposium on Mathematical Program- und zur Nachnutzung ins Netz gestellt. ming (ISMP), Veranstaltungsort war die TU Berlin. MPC – elektronisches Journal ‚Mathemati- cal Programming Computation’ (MPC) Computeralgebra (REDUCE) URL: http://mpc.zib.de URL: http://www.reduce-algebra.com Mitarbeiter: Thorsten Koch, Wolfgang Dalitz Mitarbeiter: Winfried Neun Inhalt: Das Journal MPC bietet einen voll- Inhalt: REDUCE ist ein interaktives Compu- ständigen elektronischen Workflow teralgebrasystem, das am ZIB seit vielen (Einreichung, Review, Revision und Veröf- Jahren mitentwickelt und auf viele Systeme fentlichung). portiert wird. Fachgruppe IuK der DMV/ÖMG Museumsprojekt URL: http://www.zib.de/IuK-DMV URL: http://www.zib.de/de/si/museums- Mitarbeiter: Uwe Pöhle, Wolfgang Dalitz software.html Inhalt: Web-Server der Fachgruppe Mitarbeiter: Harald Eggers, Barbara Fichtl, „Information und Kommunikation“ der Beate Jahn, Carlos Saro Deutschen Mathematiker-Vereinigung/ Inhalt: Das Projekt „Entwicklung informa- Österreichischen Mathematischen tionstechnischer Werkzeuge für Museen“ Gesellschaft(DMV/ÖMG). ZIB Mitarbeiter bietet EDV-technische Unterstützung von sind seit vielen Jahren im Sprechergremi- Inventarisations- und Dokumentationsvor- um der Fachgruppe. haben in Museen an und unterstüzt die Vermittlung und Verbreitung international Math-Net anerkannter Standards in der deutschen URL: http://www.math-net.org Museumswelt. Mitarbeiter: Wolfgang Dalitz, Martin Grötschel Klassifikation und Ähnlichkeitsanalyse Inhalt: Koordinierungsstelle der mathematischer Publikationen Aktivitäten im IuK-Bereich der Mathematik Mitarbeiter: Susanne Gottwald, Thoralf in Deutschland. Klein, Thorsten Koch, Gunar Maiwald Inhalt: Das Ziel ist es, einen Proof-of-Con- cept für die Mathematik zu entwickeln, der basierend auf einem umfassenden Meta- datengraphen mathematische Dokumente klassifizieren, sie bibliometrisch analysieren und Ähnlichkeiten der Dokumente untereinander bestimmen kann.

OPUS URL: http://opus4.kobv.de Mitarbeiter: Susanne Gottwald, Thoralf Klein, Thorsten Koch, Gunar Maiwald, Beate Rusch, Jens Schwidder, Eduard Simon, Sascha Szott, Doreen Thiede Inhalt: Das am ZIB entwickelte OPUS 4 System ermöglicht den Bibliotheken und Hochschulen die Verwaltung ihrer Publi- kationen. Es ist als Open Source Projekt realisiert und bietet Such- und Veröffentli- chungsfunktionen. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Wissenschaftliche Information | 79

Projekte deS KOBV Alle Projekte im Netz ausführlich unter: www.kobv.de/ueber_den_kobv/fe_projekte

Automatische Fehleranalyse in Bibliotheks- Dienstleistungen für Benutzer aus katalogen (Mable+) Bildung und Wissenschaft URL: www.kobv.de/ueber_den_kobv/ fe_projekte KOBV-Bibliothekenführer Mitarbeiter: Julia Goltz, Jens Schwidder http://bibinfo.kobv.de/ Partner: Bibliotheksverbund Bayern (BVB) Inhalt: Konzeption und prototypische Ent- KOBV-Portal mit Online-Fernleihe wicklung eines Baukastensystems für die http://digibib.kobv.de/ automatisierte Analyse und Bearbeitung von bibliographischen Metadaten. Virtueller Verbundkatalog (Film, Judaica, Noten) Contentvisualisierung fur Bibliotheks http://digibib.kobv.de/ kataloge URL: www.kobv.de/ueber_den_kobv/ Dienstleistungen für Bibliotheken fe_projekte Partner: Bibliotheksverbund Bayern (BVB) Automatisierte Fernleihe Mitarbeiter: Julia Goltz, Jens Schwidder www.kobv.de/infos_fuer_bibliotheken/ Inhalt: Konzeptstudie zum Einsatz von services_fuer_bibliotheken/fernleihe/ Visualisierungsmöglichkeiten z. B. der Regensburger Verbundklassifikation in ASP-Dienst ALBERT – Library Search Engine Bibliothekskatalogen. http://albert.kobv.de/

EWIG – Entwicklung von Workflow ASP-Dienst OPUS- und Archivierungsdienste komponenten für die Langzeitarchivie- www.kobv.de/bib_opus_archvierung.html rung von Forschungsdaten in den Geo wissenschaften ASP-Dienst Portale und SFX URL: http://ewig.gfz-potsdam.de www.kobv.de/bib_konsortial.html Mitarbeiter: Tim Hasler, Wolfgang Peters- Kottig ASP-Dienst Primo Partner: Helmholtz-Zentrum Deutsches www.kobv.de/bib_primo.html GeoForschungsZentrum Potsdam, Institut für Meteorologie der FU Berlin ASP-Dienst Verde Inhalt: Optimierung der Workflows zur www.kobv.de/bib_verde.html Übergabe von Forschungsdaten an digitale Langzeitarchive. Hosting für lokale Applikationen www.kobv.de/bib_hosting_software.html Gemeinsame Normdatei für Aleph URL: www.kobv.de/ueber_den_kobv/ KOBV-Index fe_projekte www.kobv.de/kobvindex.html Mitarbeiter: Beate Rusch Partner: Hochschulbibliothekszentrum NRW, Bibliotheksverbund Bayern, Österrei- chischer Bibliothekenverbund und Service GmbH, Ex Libris GmbH Inhalt: Konzeption und Implementierung der Software zur Unterstützung der neuen nationalen Normdatei für Personen, Körperschaften und Sachschlagwörter in den ALEPH-Katalogisierungsdatenbanken (abgeschlossen in I Q 2012). 15355

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16282 14123 16539 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Parallele und verteilte Systeme | 82

Parallele und Verteilte Systeme Leitung: Prof. Dr. Alexander Reinefeld, Dr. Florian Schintke Weitere Informationen unter: www.zib.de/PVS

Mission Verteiltes Datenmanagement Parallele und Verteilte Systeme sind in der In- Diese Arbeitsgruppe entwickelt Methoden zur formatik zum „Mainstream“ geworden. Mit Verwaltung global verteilter Daten. Replikation dem zunehmenden Einsatz von Multi- und Ma- und Synchronisation, Konsistenz und Fehler- ny-Core-Prozessoren findet jetzt – nach mehr toleranz spannen die zentralen Problemfelder als einem halben Jahrhundert sequentieller unserer Forschung in diesem Gebiet auf. Programmierung – ein Paradigmenwechsel statt. Waren parallele Algorithmen früher nur Das Cloud-Dateisystem XtreemFS ist eines für Supercomputer und teure Server von Be- unserer Schlüsselprojekte. Mit über zwan- deutung, so werden sie heute sogar schon in zig Personenjahren Entwicklungszeit hat die Smartphones für komplexe Berechnungen ein- XtreemFS-Software nun nahezu die Qualität gesetzt. Unsere langjährige Erfahrung in der einer Produktionssoftware erreicht und wird Entwicklung hochparalleler Algorithmen trifft daher auch bereits im täglichen Betrieb als daher auf großes Interesse in Wissenschaft leistungsfähiges Dateisystem eingesetzt, bei- und Wirtschaft. spielsweise auf Servern für den schnellen Zu- griff auf Filmsequenzen, als Dateisystem von Cloud-Computing, Web-Services und Peer-to- Cluster-Systemen und zur Dateiverwaltung von Peer-Protokolle haben aus dem Internet eine Chemiedaten im Projekt MoSGrid. interaktive Plattform mit vielfältigen Dienst- leistungen und großer wirtschaftlicher Bedeu- Mit seinem objektorientierten Ansatz verwaltet tung gemacht. Unsere Forschung dient dem XtreemFS die Metadaten separat von den Ob- besseren Verständnis und der Erweiterung jektdaten, was zusammen mit dem Daten-Stri- der theoretischen Grundlagen. Mit praktischen ping einen schnellen Datenzugriff im Internet Implementationen fehlertoleranter, adaptiver ermöglicht. Die Entwicklung der Software wird Softwaresysteme im Internet validieren wir zum größten Teil von der Europäischen Union unsere Ergebnisse. Forschungsschwerpunkte mit dem Projekt CONTRAIL (2010-13) sowie sind verteilte Dateisysteme, skalierbare Inter- den angelaufenen Projekten HARNESS und net-Dienste und die effiziente Nutzung von he- IES-Cities finanziell gefördert. Aufbauend auf terogenen Systemen. XtreemFS sind auch im Jahr 2012 wieder zwei Dissertationen abgeschlossen worden, diesmal Struktur zu den Themen ausfallsichere Lease-Protokolle Die Abteilung besteht aus drei Arbeitsgruppen: und verteilte Snapshots.

• Verteiltes Datenmanagement Scalaris ist unser zweites, international be- (Leitung Dr. Florian Schintke) kanntes Schlüsselprojekt. Bei seiner Entwick- • Skalierbare Algorithmen lung war Scalaris der weltweit erste verteilte (Leitung Dr. Thorsten Schütt) Key/Value-Speicher, der Transaktionen auf • Hardwarenahe Algorithmen replizierten Daten in einem strukturierten (Leitung Dr. Thomas Steinke) Overlay-Netzwerk realisiert. Mittlerweile haben einige Cloud-Provider (insbes. Amazon) nachgezogen und bieten nun für ihre Kunden konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Parallele und verteilte Systeme | 83

neben der schwachen Datenkonsistenz auch kannten PDBs. Mit ihrer Hilfe lassen sich nun Protokolle für strenge Datenkonsistenz an. in wenigen Minuten kostenoptimale Pfade in Diese ist bei bestimmten Transaktionen (z. B. implizit definierten Graphen berechnen. beim Abschluss eines Kaufvertrages) zwingend notwendig, während die weniger aufwendige Hardwarenahe Algorithmen schwache Datenkonsistenz beispielsweise bei In den letzten Jahren sind die Energiekosten der Auswahl von Waren und der Zusammen- überproportional angestiegen und bilden nun stellung des virtuellen Warenkorbes ausreicht. – neben den Investitionskosten – den wich- tigsten Kostenfaktor beim Betrieb von Hoch- Skalierbare Algorithmen leistungsrechnern. In dieser AG konzentriert sich unsere Forschung auf die Aspekte Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit Als stromsparende und leistungsstarke Alter- und Effizienz. Unter Skalierbarkeit verstehen native bieten sich Grafikprozessoren (GPUs) wir, dass einer wachsenden Anfragelast durch und Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) das Hinzufügen weiterer Prozessoren begegnet an. Ihre Programmierung ist allerdings auf- werden kann. Zuverlässig ist ein Algorithmus, wendig und sie sind nicht für alle Problemklas- wenn einzelne Rechnerausfälle den Fortschritt sen geeignet. 4CaaSt der Berechnung nur peripher beeinflussen und effizient ist er, wenn er unabhängig von der Wir evaluieren Einsatzmöglichkeiten von Eingabe stets sehr schnell ein Ergebnis liefert. GPUs und FPGAs in verschiedenen Anwen- dungsgebieten wie z. B. der Simulation ato- Diese drei Eigenschaften lassen sich mit Peer- marer Prozesse und molekularer Systeme. Als to-Peer-Algorithmen realisieren. Hier wird der Mitbegründer des OpenFPGA-Konsortiums Algorithmus nicht funktional, sondern fraktal und der OpenAccelerator-Initiative treiben wir parallel auf gleichberechtigten Komponenten die Entwicklung einheitlicher Programmier- ausgeführt. Wir haben schnelle Routingverfah- standards voran. ren für strukturierte Overlay-Netzwerke entwickelt, die in logarithmischer Zeit das gewünsch- In dem im Jahr 2012 neu angelaufenen EU- te Ziel erreichen. Diese Verfahren, die teilweise Projekt HARNESS suchen wir nach Methoden patentiert sind, bilden die Basis für die oben zur effizienten Nutzung von FPGAs und Flash- vorgestellte Scalaris-Software. Speicher in Cloud-Systemen und im BMBF- Projekt ENHANCE (siehe Projektbeschreibung) Im Jahr 2012 haben wir unsere hochparallelen entwickeln wir Modelle zur Laufzeitvorhersa- Algorithmen zur Berechnung kürzester Pfade ge industrieller Anwendungen auf GPUs. Die auf Graphen verbessert und können damit nun Anwendungsklassen umfassen Fahrzeug-Op- wesentlich schwerere Probleme lösen. Mit dem timierung, Schadstoffausbreitung, Sequenz- MapReduce-Programmiermodell haben wir Analyse sowie Wirkstoffentwurf. sehr leistungsfähige Heuristiken, sogenannte Pattern Datenbanken (PDBs), berechnet, die um zwei bis drei Größenordnungen umfangreicher sind als die bislang in der Literatur be- konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Parallele und verteilte Systeme | 84

GROSSE PATTERN DATENBANKEN FÜR HEURISTISCHE SUCHVERFAHREN

Bearbeitet von: Robert Döbbelin, Thorsten Schütt, Alexander Reinefeld Weitere Informationen unter: www.zib.de/PVS

Die Kürzeste-Wege-Suche gehört zu den Ba- GROSSE PDBs ERSTELLEN sisalgorithmen auf Graphen. Viele Anwen- Das Erstellen sehr großer PDBs wird durch die Abb. 1: dungen der kombinatorischen Optimierung, zwei Faktoren Zeit und Raum begrenzt. Neben Ein Pattern für das 3x3-Puzzle

Softwareverifikation, Bioinformatik oder des der eigentlichen Pattern Datenbank müssen  maschinellen Lernens lassen sich darauf abbil- für die Breitensuche eine Open- und eine Clo- den. Die Zahl der zu betrachtenden Zustände sed-Liste gespeichert werden. Wir haben einen kann mit Hilfe einer Heuristik stark reduziert speicherplatzeffizienten parallelen Algorith- werden. Eine Heuristik ist eine exakte Lösung mus entwickelt, um PDBs zu erstellen. Durch für ein vereinfachtes Problem und somit eine den Einsatz des gesamten aggregierten Haupt- Abschätzung für die Kosten des ursprüng- speichers und der vereinten Rechenleistung lichen Problems. Werden diese Kosten nie mehrerer paralleler Rechner sind wir erstmals überschätzt, führt die Heuristik zu einer opti- in der Lage, sehr große PDBs zu erzeugen. Für malen Lösung. die Breitensuche wird eine bijektive Hashfunk- tion eingesetzt, die jeder Patternkonfiguration PATTERN DATENBANKEN einen Index in das Array zuordnet. Neben der Eine Art, das Problem zu vereinfachen, sind Tiefe speichern wir für jede Patternkonfigurati- Abb. 2: so genannte Pattern. Ein Pattern umfasst eine on eine Open- und eine Closed-Liste für die Po- Lösung des 3x3-Puzzles

Teilmenge der Zustandsvariablen des Original- sitionen des Freifelds. Die Breitensuche wird  problems. Abb. 1 zeigt ein Beispiel eines Pat- iterativ ausgeführt, wobei das Hauptspeicher- terns für das 3x3-Schiebepuzzle. Hier ist eine array auf alle parallelen Prozessoren aufgeteilt Patternkonfiguration über die Positionen der wird. Jeder Prozessor scannt in jeder Iteration Teilchen 1, 4 und 7 definiert. Die unbeschrif- seinen Teil des Array und berechnet die Nach- teten Teilchen sind vorhanden, aber nicht un- folger aller Zustände der aktuellen Tiefe. Die terscheidbar. Der Zustandsraum, der durch Nachfolger werden lokal gesammelt und in dieses Pattern aufgespannt wird, ist wesent- einem Kommunikationsschritt ausgetauscht. lich kleiner als der Zustandsraum des 3x3- Anschließend können die Statusinformationen Puzzles und somit leichter zu berechnen. Eine für die nächste Tiefe aktualisiert werden. So- Pattern Datenbank (PDB) speichert in einem bald keine Nachfolger mehr erzeugt werden, Hauptspeicherarray für jede Patternkonfigura- ist die Breitensuche abgeschlossen. tion deren Entfernung zur Konfiguration der Lösung und liefert somit eine Heuristik für das Im Zuge dieser Arbeit1 haben wir PDBs für das Originalproblem. Die Distanzen werden in ei- 5x5 Puzzle erzeugt. Die bisher größte PDB für ner Breitensuche ermittelt. Mehrere PDBs kön- diese Problemdomäne hat einen Umfang von nen kombiniert werden, indem das Maximum 486 MB. Sie besteht aus vier additiven PDBs über die Heuristikwerte ermittelt wird. Unter mit jeweils sechs Teilchen (6-6-6-6 PDB). Wir bestimmten Voraussetzungen können die Heu- haben eine 8-8-8, eine 9-8-7 und eine 9-9-6 ristikwerte mehrerer disjunkter Pattern addiert PDB erzeugt mit Speichergrößen von 122 GB, werden (sog. additive PDBs). Die Größe einer 733 GB bzw. 1381 GB. Hierfür haben wir 256 PDB wächst mit der Zahl der betrachteten Vari- MPP-Knoten des HLRN-II genutzt. Um die PDBs ablen, gleichzeitig erhöht sich die Leistungsfä- effizient nutzen zu können, müssen sie bei der higkeit der Heuristik. Suche in den Hauptspeicher geladen werden.

¹ R. Döbbelin, T. Schütt, A. Reinefeld: Building Large Compressed PDBs for the Sliding Tile Puzzle. ZIB Technical Report 2013 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Parallele und verteilte Systeme | 85

Das Projekt in Kürze: Pattern Datenbanken (PDBs) sind sehr leistungsfähige Heuristiken in Form von vorberechneten Speichertabellen für Kürzeste-Wege-Suchen auf Graphen. Größere PDBs liefern bessere Kostenabschätzungen und erlauben somit eine stärkere Reduktion des Suchraums. Wir haben mit Hilfe eines parallelen Algorithmus PDBs erzeugt, die drei Größenordnungen größer sind als die bislang größte PDB in der gewählten Problemdomäne.

Ausschnitt

Abb. 3:  Kumulative Verteilung der h-Werte für 100.000.000 Zufallsinstanzen

Daher haben wir für die Analyse der Leistungs- Experiment haben wir 50 Zufallsinstanzen fähigkeit der erstellten PDBs eine SGI Ultra- optimal gelöst und die Zahl der expandierten Violett des HLRN-II mit 2 TB RAM verwendet. Knoten in Relation zur Knotenexpansion mit Abb. 3 zeigt das statistische Ergebnis der der 6-6-6-6 PDB gesetzt. Abb. 4 stellt die er- Leistung mittels Samplings. Dabei wurden zielte Reduktion dar. Mit Hilfe der 9-9-6 PDB 100.000.000 Zufallsinstanzen des 5x5 Puzzles konnte die Zahl der expandierten Knoten im erzeugt und deren Heuristikwert (h-Wert) be- Mittel um den Faktor 7 reduziert werden. Die stimmt. Die Abbildung zeigt die kumulative maximale Reduktion beträgt 31. Verteilung der h-Werte. Für die heuristische Suche ist insbesondere die Reduktion kleiner Das vorgestellte Verfahren erlaubt es, große h-Werte von Bedeutung. Im Vergleich zur 6-6- PDBs effizient im Hauptspeicher zu erzeugen. Wir 6-6 PDB liefern die großen Heuristiken deut- haben gezeigt, dass größere PDBs die Zahl der lich weniger kleine h-Werte. In einem zweiten expandierten Knoten deutlich reduzieren können.

Abb. 4:  Reduktion der expandierten Knoten durch die erzeugten PDBs konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Parallele und verteilte Systeme | 86

Modellierung von Transaktionen in Graphdatenbanken

Bearbeitet von: Ulrike Golas Weitere Informationen unter: www.zib.de/jb2012/gt4gdb

Graphen sind eine beliebte Modellierungs-  Abb. 1: technik, um verschiedenste Probleme mit Hilfe Eines der populärsten von Knoten, Kanten und ihren Beziehungen Beispiele für Bezie- zueinander zu veranschaulichen. Ein typisches hungsnetzwerke sind die Beispiel sind Beziehungsnetzwerke, die Ak- Graphen sozialer Netz- teure als Knoten und deren Beziehungen als werke wie Facebook oder Kanten darstellen (siehe Abb. 1 und 2). Sowohl LinkedIn, die Millionen in Knoten als auch Kanten können Eigenschaf- von Knoten und Kanten ten – sogenannte Attribute oder Properties – enthalten. (Bildquelle: gespeichert werden, um die Ausdrucksmäch- LinkedIn) tigkeit des Modells zu erhöhen.

Graphdatenbanken Graphtransformation Für das Speichern von Graphen, insbesonde- Häufig sollen Graphen nicht nur gespeichert, re bei großen Datenmengen mit vielen unter- sondern auch verändert und angepasst wer- schiedlichen Beziehungen, sowie deren schnel- den. Graphtransformation2 beschreibt die rele Auswertung und Analyse sind relationale gelbasierte Veränderung von Graphen. Ein Datenbanken nicht gut geeignet. Vor allem Beispiel für eine Regel ist in Abb. 3 zu sehen JOIN-Operationen zur Verknüpfung mehrerer – sie beschreibt das Einfügen einer neuen Be- Tabellen – eine der häufigsten Abfrage-Ope- ziehung „bekannt“ mit der Interpretation, dass rationen – sind speicher- und rechenintensiv, eine Person die Freunde ihres Ehepartners weil immer wieder große Datenmengen ko- kennt. Regeln können automatisch auf einen piert werden müssen. gespeicherten Graphen angewendet werden, um so z. B. alle „bekannt“-Kanten einzufügen. Eine Alternative stellen Graphdatenbanken1 dar, die nicht nur Datenknoten und ihre Eigen- Der Graphtransformation liegt eine vielfäl- M-adhäsive Kategorien ba- schaften, sondern auch deren Beziehungen tige mathematische Theorie zu Grunde, um sieren auf einer Klasse M von als Kanten explizit speichern. Über Graphtra- unterschiedlichste Eigenschaften von Trans- Abbildungen, die die mög- versierung, d. h. das Ablaufen eines Graphs formationssystemen zu analysieren. Die ka- lichen Regeln einschränkt. In entlang seiner Kanten, können lokale Bezie- tegorientheoretische Grundlage der Graph- ihnen gilt die van Kampen- hungen schnell und kostengünstig abgefragt transformation erlaubt die Behandlung vieler Eigenschaft, die die Kompati- werden. Der Hauptvorteil ist, dass ausgehend unterschiedlicher Graphtypen und graphähn- bilität von Vereinigungen und von einem konkreten Objekt nur dessen di- licher Strukturen auf Basis sogenannter M- Schnitten sicherstellt. rekte Nachbarn betrachtet und nicht der kom- adhäsiver Kategorien. Insbesondere können plette Datenbestand bearbeitet werden müs- Regeln bezüglich ihrer Abhängigkeit bzw. Un- sen, wie dies bei relationalen Datenbanken abhängigkeit voneinander überprüft werden. der Fall ist. Durch die Angabe von Constraints und Anwen- dungsbedingungen können bewiesene Eigen- schaften eines Systems über die Anwendung von Regeln hinweg bewahrt werden.

1 S. Edlich, A. Friedland, J. Hampe, B. Brauer, M. Brückner: NoSQL – Einstieg in die Welt nichtrelationaler Web 2.0 Datenbanken. Hanser-Verlag, 2011 2 H. Ehrig, K. Ehrig, U. Prange, G. Taentzer: Fundamentals of Algebraic Graph Transformations. Springer-Verlag, 2006 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Parallele und verteilte Systeme | 87

Das Projekt in Kürze: Graphdatenbanken werden immer häufiger zum Speichern von Daten mit vielen unterschiedlichen Beziehungen untereinander verwendet. In diesem Projekt wird Graph- transformation zur Modellierung der Transaktionen in Graphdatenbanken eingesetzt. Damit wird eine mathematisch fundierte Grundlage geschaffen, um Konsistenz- und Modelleigenschaften der gespeicherten Graphen nachweisen zu können.

Abb. 2:  Während Transaktionen in relationalen Da- Ein typischer Ausschnitt tenbanken sehr gut untersucht sind und ver- eines Beziehungsnetz- schiedene Mechanismen und Optimierungen werks, in dem ver- implementiert wurden, fehlt ein entsprechend schiedene Akteure, ihre fundiertes und mathematisch unterlegtes Mo- Beziehungen untereinan- dell für Graphdatenbanken. Hier bietet sich die der und deren verschie- Graphtransformation als Grundlage an. Die M- dene Attribute dargestellt adhäsiven Kategorien können zu -adhäsiven werden. Kategorien erweitert werden, in denen fast die gleichen Eigenschaften gelten.ω 4 Die Pro- perty-Graph-Datenmodelle, die den meisten Graphdatenbanken zugrunde liegen, sind eine Abb. 3:  Instanz dieser -adhäsiven Kategorien. Als Er- Eine Graphtransfor- gebnis können diese Graphen mit Graphtrans- ω mationsregel, die eine formation verändert und die Transformationen „bekannt“-Kante (orange) analysiert werden. zwischen einer Person und einem Freund (blau) Ausblick des Ehepartners (rot) Im weiteren Projekt sollen Transaktionen in einfügt. Datenbanken durch Transformationen modelliert werden, um ein beweisbares Verhalten Transaktionen in Graphdatenbanken sicherzustellen. Die einzelnen Teiloperationen In Datenbanken werden Veränderungen trans- einer Transaktion sollen über Graphregeln aktionsbasiert durchgeführt. Eine Transaktion modelliert werden, die entsprechend zusam- In einer -adhäsiven Kate- besteht aus mehreren Teiloperationen, von mengefasst und gruppiert werden können. Die gorie müssen zusätzlich zu denen entweder alle oder keine angewendet Analysemöglichkeiten der Graphtransformati- ω den Regeln auch die Matches werden sollen, um ein konsistentes System on insbesondere im Hinblick auf Abhängigkeit bestimmte Eigenschaften sicher zu stellen. In relationalen Datenbanken und Unabhängigkeit von Regelanwendungen erfüllen. Dies schränkt sollen typischerweise die Eigenschaften Ato- sollen dazu genutzt werden, Strategien für zwar die Möglichkeiten des marität, Konsistenzerhaltung, Isolation und die Nebenläufigkeitskontrolle zu entwickeln. Modellierers etwas ein, ga- Dauerhaftigkeit (ACID) sicher gestellt werden. Abhängig vom Einsatzgebiet sollen Regel- rantiert aber, dass nach jeder Im Gegensatz dazu werden diese in Graphda- mengen für verschiedene Konsistenzmodel- Regelanwendung wieder ein tenbanken nicht notwendigerweise gefordert. le definiert werden, deren Anwendung in der gültiger Graph entsteht. Abhängig vom Datenmodell und dem Ein- Graphdatenbank die entsprechenden Eigen- satzgebiet können auch weniger strikte Konsi- schaften sicherstellt. Damit ist – abhängig von stenzmodelle wie BASE3 zum Einsatz kommen. den gewählten Regeln – sowohl das striktere Dieses beschreibt den Verzicht auf strikte Kon- ACID- als auch das weniger strikte BASE-Mo- sistenz im Tausch gegen bessere Verfügbarkeit dell für Graphdatenbanken anwendbar. und schnellere Antwortzeiten.

3 W. Vogels: Eventually Consistent. ACM Queue Vol. 6, Nr. 6, 2008 4 U. Golas: A General Attribution Concept for Models in M-Adhesive Transformation Systems. In: H. Ehrig, G. Engels, H.-J. Kreowski, and G. Rozenberg, Ed., Graph Transformations. Proc. ICGT 2012, LNCS Vol. 7562, S. 187-202. Springer, 2012 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Parallele und verteilte Systeme | 88

MoSGrid: Molecular Simulation Grid Bearbeitet von: Patrick Schäfer, Thomas Steinke Weitere Informationen unter: http://www.zib.de/de/pvs/projekte/projektdetails/article/mosgrid.html

zu erwartenden Ausgabeparameter im Erfolgs-  Abb. 1: fall. Dieser Workflow wird an UNICORE über- Das MoSGrid Portal geben, und damit der Job auf dem Grid ausge- führt. Zwischen- sowie Ergebnisdaten werden abschließend zurück an das Portal geliefert. Aus den Ergebnisdaten werden Metadaten extra- hiert, die für nachfolgende Suchschritte aufbe- reitet und über das Portal präsentiert werden.

In MoSGrid werden eine Vielzahl an Simulati- Molekülsimulationen bieten neue Erkenntnisse onscodes (Gromacs, Gaussian, Turbomole, etc.), zur Struktur von Molekülen und deren Funkti- Strukturformaten von Molekülen (CML, PDB, on. Es existieren eine Vielzahl von Simulations- SDF) und Anwendungsdomänen (Moleküldyna- codes, die Forscher bei der Verarbeitung großer mik, Docking, Quantenchemie) unterstützt. Datenmengen im Bereich der Quantenchemie, Molekulardynamik und Docking unterstützen. Für die Verwaltung abstrakter Simulationsvor- Das Ziel von MoSGrid liegt in der Entwicklung schriften (Rezepte) wurde in MoSGrid das MS- eines Portals, der Infrastruktur zur Langzeit-Ar- ML-Format (Molecular Simulation Markup Lan- chivierung und der Ausführung von Simulati- guage) entwickelt, das auf der Chemical Markup XtreemFS ist ein am ZIB onen im Kontext des D-Grids (Abb. 1). Language (CML) aufbaut. Die MSML erlaubt es, entwickeltes, verteiltes Datei eine programmneutrale Beschreibung einer Si- system in dem Metadaten Die MoSGrid Infrastruktur mulation zu erstellen, die vor Ausführung der und die Rohdaten einer Datei Über das MoSGrid Portal1, 2 wird Forschern ein Simulation um konkrete Eingabedaten für einen auf unterschiedlichen Servern einfacher Zugang zu seinen Daten, Simulati- Simulationscode und ein zu simulierendes Sys- gespeichert werden. Diese onscodes und den Rechenressourcen im D- tem erweitert werden muss. Im Laufe der Simu- Trennung von Metadaten und Grid geboten. MoSGrid wurde basierend auf lation wird die MSML um Zwischenergebnisse, Rohdaten erhöht die Skalier- den Softwarekomponenten WS-PGRADE, dem Ergebnisdaten sowie Metadaten erweitert. barkeit. Zugriff auf XtreemFS Workflow-Manager und -Monitor gUSE, der wird u. a. über eine Client- Grid-Middleware UNICORE und dem verteilten MoSGrid Datenmanagement Komponente angeboten, die Dateisystem XtreemFS entwickelt (Abb. 2). Die- Unsere Hauptaufgabe in MoSGrid liegt im POSIX-konforme Dateisy- se Komponenten werden verbunden über eine Datenmanagement, das die persistente Spei- stem-Aufrufe in RPC-Aufrufe Sicherheitsinfrastuktur bestehend aus X.509 cherung von Simulationsdaten, der Erfassung an die korrespondierenden Zertifikaten und SAML-Assertions. von Metadaten und Verwaltung von Rezepten Dienste übersetzt. XtreemFS beinhaltet. wurde im Rahmen von MoS- WS-PGRADE und gUSE ermöglichen die Ver- Grid in WS-PGRADE, gUSE, waltung von chemischen Simulationen in Form Die in MoSGrid entwickelte MSML stellt die UNICORE und die D-Grid von Workflows. Ein Workflow setzt sich zusam- zentrale Informationsanlaufstelle dar, aus der Sicherheitsinfrastruktur inte- men aus mehreren Jobs (Simulationsschritten). über eine Reihe von Konvertierungs- und Ana- griert und an den Standorten Ein Job setzt sich zusammen aus einem Rezept lyseschritten konkrete Eingabedaten für jeden der Projektpartner in Berlin, (dem zu verwendenden Simulationscode) und nachfolgenden Simulations- oder Analyseschritt Dresden, Köln, Tübingen und den benötigten Eingabeparametern sowie der generiert werden. Die Übersetzung der MSML Paderborn installiert.

1 Gesing, Herres-Pawlis, Birkenheuer, Brinkmann, Grunzke, Kacsuk, Kohlbacher, Kozlovszky, Krüger, Müller-Pfefferkorn, Schäfer, Steinke: A Science Gateway Get- ting Ready for Serving the International Molecular Simulation Community. Proceedings of Science, 2012 2 Gesing, Grunzke, Krüger, Birkenheuer, Wewior, Schäfer, Schuller, Schuster, Herres-Pawlis, Breuers, Balasko, Kozlovszky, Szikszay Fabri, Packschies, Kacsuk, Blunk, Steinke, Brinkmann, Fels, Müller-Pfefferkorn, Jäkel, Kohlbacher: A Single Sign-On Infrastructure for Science Gateways on a Use Case for Structural Bioinformatics. Journal of Grid Computing, 2012 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Parallele und verteilte Systeme | 89

Das Projekt in Kürze: Das Ziel von MoSGrid liegt in der Entwicklung einer Infrastruktur zur Ausführung von Simulationscodes in den Bereichen Quantenchemie, Molekulardynamik und Docking auf der D-Grid-Infrastruktur.

Abb. 2:  Die MoSGrid Software- architektur bestehend aus den Softwarekomponen- ten gUSE, WS-PGRADE, UNICORE, XtreemFS und dem D-Grid

Abb. 3:  Das Datenmanagement in MoSGrid

• Die aus der MSML extrahierten Metadaten werden über den UNICORE Metadata Service, der auf Apache Lucene aufbaut, für nachfolgende Analyseschritte bereitgestellt.

Am Anfang einer Simulation werden die Ein- gabedaten in Form der MSML in XtreemFS ge- gUSE ist ein Web-Service in die konkreten Eingabedaten für die Simula- speichert. Am Ende einer Simulation werden die zur Verwaltung und dem tionscodes wird über Parser und Extraktoren Ergebnisse in Form der MSML aus dem D-Grid Monitoring von Workflows in realisiert. Ergebnisdaten werden über Adapter zurück nach XtreemFS gespeichert. Dies erfolgt Grid-sowie Cloud-Infrastruk- zurück in die MSML geschrieben. transparent, ohne Interaktion des Anwenders turen. WS-PGRADE ist ein durch UNICORE und gUSE. web-basiertes Interface für Dabei stand die Integration der Softwarekompo- gUSE basierend auf Liferay. nenten in den MoSGrid-Software-Stack im Vor- Ausblick dergrund (Abb. 3): XtreemFS wurde transparent in den MoSGrid Softwarestack zur Speicherung von Simulati- • WS-PGRADE bietet einen vereinheitlichten Zu- onsdaten integriert. Die XtreemFS Installation UNICORE ist eine Grid-Midd- gang zu gUSE, XtreemFS und den Metadaten. in MoSGrid umfasst 96 TiByte an Speicherplatz. leware, die einen einfachen • gUSE wird zur Verwaltung von Rezepten in Am Ende des Förderzeitraums von MoSGrid und sicheren Zugriff auf eine Form von Workflows und Übergabe der Jobs setzte sich die Community aus etwa 120 Anwen- Grid-Infrastruktur bietet. an das darunterliegende D-Grid eingesetzt. dern vieler Anwendungsgebiete der Chemie Zusätzliche von UNICORE in • X treemFS speichert Zwischenergebnisse, Mo- und Bioinformatik in Deutschland zusammen. MoSGrid genutzte Funkti- leküldaten und Ergebnisse chemischer Simu- In Form EU-geförderter Folgeprojekte existieren onen sind das Daten- und lationen in Form der MSML sicher, persistent Bestrebungen diese Aktivitäten auf Forschungs- Metadaten-Management. und redundant. gruppen außerhalb Deutschlands zu erweitern. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Parallele und verteilte Systeme | 90

Projekt ENHANCE: Heterogene Rechner einfacher erschlieSSen

Bearbeitet von: Sebastian Dreßler, Igor Merkulow , Thomas Steinke, Florian Wende Förderung: BMBF Weitere Informationen unter: http://www.enhance-project.de

 Die Abbildung zeigt die Visualisierung von Laufzeitdaten mit der in ENHANCE entwickelten Web-Applikation „EPerF Analyzer“. Mehrere Lauf- zeitexperimente, hier in unterschiedlicher Farben zwei Messungen der Anwendung Octree auf CPUs und GPU, können in übersichtlicher Weise analysiert werden.

Heterogene Rechnersysteme sind jüngst von Einsatz heterogener Systeme zu vereinfachen. besonderem Interesse, da sie neben Stan- Gemeinsam mit Projektpartnern aus dem in- dardprozessoren spezialisierte Many-Core-Pro- dustriellen und akademischen Umfeld werden zessoren wie Graphic Processing Units (GPU) neue Verfahren entwickelt, die die Migration oder Field Programmable Gate Arrays (FPGA) von Anwendungen auf heterogene Plattformen integrieren. Diese Many-Core-Prozessoren bie- und die Verwaltung der heterogenen Rechen- ten Leistungssteigerungen bei minimiertem ressourcen vereinfachen. Anhand von Anwen- Energieverbrauch, da deren Architektur für be- dungen mit industrieller Relevanz wie der Fahr- stimmte Anwendungsbereiche besonders opti- zeug-Optimierung, der Schadstoffausbreitung, miert ist. der Next-Generation-Sequencing-Analyse oder dem Wirkstoffentwurf wird die Eignung der ent- Die Nutzung heterogener Systeme ist momen- wickelten Werkzeuge validiert. tan durch einige Herausforderungen und Ein- schränkungen bezüglich Produktivität bei der Am ZIB werden einerseits Fragen bezüglich der programmtechnischen Umsetzung, der System Modellierung und Vorhersage des Laufzeitver- integration und dem Ressourcenmanage- haltens sowie Verfahren zur Abstraktion von ment gekennzeichnet. Das Projekt ENHANCE Hardware bearbeitet. Diese Themengebiete (enabling heterogeneous hardware accelerati- stellen wichtige Bindeglieder zwischen Anwen- on using novel programming and scheduling dungsentwicklung und Ressourcenmanage- models) adressiert diese Probleme, um den ment dar. Des weiteren werden am ZIB durch konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Parallele und verteilte Systeme | 91

Das Projekt in Kürze: Zunehmend sind heterogene Rechnersysteme im Einsatz, in denen Standardprozessoren um dedizierte, spezialisierte Many-Core-Prozessoren wie Graphic Processing Units (GPU) ergänzt werden. Sie bieten eine Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Reduzierung der Energieaufnahme. Die Migration von Anwendungen und deren Nutzung auf heterogenen Systemen ist jedoch mit zusätzlichen Herausforderungen verbunden, die im BMBF-Projekt ENHANCE adressiert werden. Die Entwicklung dieser Ansätze wird anhand von Anwendungen aus dem industriellen und dem akademischen Umfeld validiert.

Grafikkarten (Graphic Implementierungen die Many-Core-Prozessor wurde eine Web-Applikation entwickelt, die eine Processing Units, GPUs) und architekturen (NVIDIA GPU, Convey HC-1, Intel schnelle vergleichende Analyse von Messungen Many-Core-Prozessoren sind Xeon Phi) detailliert untersucht. aus unterschiedlichen Experimenten ermögli- gängige Komponenten in hecht. Somit sind Verbesserungen und Defizite bei terogenen Rechnersystemen. Die Modellierung des Laufzeitverhaltens von alternativen Implementierungen schnell und Der Einsatzzweck von GPUs Anwendungen unterstützt den Entwickler vorab übersichtlich erkennbar. hat sich in den letzten Jahren bei der Kosten-Nutzen-Analyse einer geplanten von der reinen Visualisie- Migration auf eine heterogene Plattform. Zu- Eine besondere Herausforderung, die im EN- rung hin zur hochparallelen sätzlich dienen Vorhersagen der Laufzeit auf HANCE-Projekt bearbeitet wird, ist die Unterstüt- Verarbeitung von Daten ge- den unterschiedlichen Rechenressourcen dem zung von Time-Sharing auf den Many-Core-Pro- wandelt. Mit dem Intel Xeon Ressourcenmanagement (Scheduling). Zur Mo- zessoren als Teil des Ressourcenmanagements. Phi ist jüngst ein weitere dellierung der Laufzeit wurde am ZIB ein Modell Der vom Projektpartner Paderborn entwickelte Many-Core-Prozessorarchi- erarbeitet, das auf der statischen Analyse des Scheduler ermöglicht die dynamische Zuwei- tektur verfügbar, der speziell Programmquelltextes basiert und das Laufzeit- sung von Anwendungsblöcken auf heterogenen für numerisch aufwendige verhalten vorhersagt. Die Neuerung unseres Komponenten. Für die Entscheidung der Pla- Berechnungen konzipiert ist. Herangehens besteht in der Verwendung des zierung von Anwendungen auf die Ressourcen Als weitere heterogene offenen LLVM-Compilers, welcher den origi- werden Zusatzinformationen (Metadaten) für Prozessorarchitektur sind nalen Quelltext in eine intermediäre Darstellung jede Anwendungsfunktion benötigt. Die Affini- für spezielle Anwendungs- überführt. Damit wird die übliche funktionelle tät ist ein Metadatum, um die Optimalität einer bereich Field Programmable Abhängigkeit von einer Hochsprache aufgelöst Software-Hardware-Kombination zu beschrei- Gate Arrays (FPGA) im und eine generische Modellierung möglich. Für ben. Sie wird aus der Modellierung der Laufzeit Einsatz, die eine direkte die Beschreibung der Zielplattform der Model- und aus Laufzeitmessungen auf unterschied- Umsetzung von Algorithmen lierung wurde ein abstraktes Plattformmodell lichen Plattformen gewonnen. in Hardware ermöglichen. definiert, mit dem heute existierende und künf- tige Plattformen abgebildet werden können. In heutigen Plattformen haben Many-Core-Pro- zessoren als heterogene Komponente keinen di- Für die Modellvalidierung und das Ressour- rekten Zugriff auf Daten im normalen Speicher cenmanagement zur Ausführungszeit ist die des Hosts. Daher benötigt der Scheduler als Erfassung von Laufzeiten in komplexen Anwen- weiteres Metadatum das zu transferierende Da- dungsszenarien notwendig. Dazu wurde am tenvolumen, wenn Daten vom normalen Spei- ZIB das ENHANCE Performance Frameworks cher des Hosts auf Speicher der heterogenen (EPerF1) entwickelt, mit dem in einfacher Weise Komponente übertragen werden müssen. der Entwickler in Laufzeitexperimenten präzi- Die für den Datentransfer benötigte Zeit muss se und plattformneutral definierte Teile seiner beim Scheduling berücksichtigt werden. Ist für Anwendung zeitlich vermessen kann. In Er- eine Komponente die Datentransferzeit größer gänzung zu existierenden Werkzeugen, deren als die eigentliche Rechenzeit, so wäre die Ver- Nutzung zusätzliches Wissen erfordert, verwendung dieser Komponente kontraproduktiv. einfacht EPerF diese Aufgabe durch Verwen- Zur Bestimmung des zu übertragenden Daten- dung einfacher Schnittstellen und durch die volumens haben wir ein Verfahren entwickelt, Beschränkung auf spezifische Messgrößen. Für welches die benötigten Informationen automa- die Visualisierung und Analyse der Messdaten tisiert bereitstellt.2

1 ENHANCE Performance Framework, http://github.com/sdressler/EPerF 2 Dreßler, S. und Steinke, T., A Novel Hybrid Approach to Automatically Determine Kernel Interface Data Volumes, ZIB-Report 12-23, 2012 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Parallele und verteilte Systeme | 92

Projekte der Abteilung Parallele und Verteilte Systeme Alle Projekte im Netz ausführlich unter: www.zib.de/PVS

4CaaSt – Contrail – Partner: Universitäten Paderborn, Building the PaaS Cloud of the Future Open Computing Infrastructures for Elastic Dortmund, Dresden, Heidelberg; GWDG, URL: www.zib.de/de/pvs/projekte/ Services LRZ, Platform Computing, FhG SCAI, FhG projektdetails/article/4caast.html URL: www.zib.de/de/pvs/projekte/ FIRST, Bonn-Aachen Int. Center f. Informa- Mitarbeiter: N. Kruber, F. Schintke, T. Schütt projektdetails/article/contrail.html tion Tech. Partner: Telefonica, SAP, France Telecom, Mitarbeiter: M. Berlin, R. Döbbelin, Forschungsförderung: BMBF Telecom Italia, Ericsson, Nokia Siemens B. Kolbeck, M. Noack, P. Schäfer, T. Schütt, Inhalt: Das DGSI-Projekt beschäftigt sich Networks, UP Madrid, Uni Stuttgart, Uni J. Stender mit der Interaktion und Kooperation zwi- Tilburg, Uni St Gallen, Bull SAS, 2nd Qua- Partner: CNR (Italien), Constellation Tech- schen autonomen Schedulern im Grid. Das drant, Flexiant, UC Madrid, NTU, Bonitasoft nologies (UK), Genias Benelux (Nieder- Ziel ist die Verbesserung der Ressourcen- Forschungsförderung: EU (FP7-ICT-258862) lande), HP-Italy Innovation Centre (Italien), auslastung und eine gerechtere Verteilung Inhalt: Entwicklung einer Cloud-Plattform, INRIA (Frankreich), STFC (UK), Petals Link der Rechenzeit im D-Grid-Verbund. Dazu die es ermöglicht, Dienste und Anwen- (Frankreich), Tiscali (Italien), VU Amsterdam sollen Meta-Scheduler über zwei Delegati- dungen zusammenzustellen, auszuführen, (Niederlande), XLAB Industries (Slowenien) onsmechanismen, der Aktivitäts-Delegation zu verwalten und zu handeln. Wir bringen Forschungsförderung: EU (FP7-ICT-257438) und der Ressourcen-Delegation, miteinan- unsere Scalaris-Datenspeichersoftware in Inhalt: Entwicklung eines Open-Source der kooperieren. Soweit möglich, werden das Projekt ein und implementieren Me- Software-Stacks für Cloud-Provider. Neben in DGSI etablierte Standards verwendet. thoden, um plötzlich steigende Anfragelast der Virtualisierung von Ressourcen (IaaS) (sog. flash crowds) flexibel bedienen zu wird dieser auch für das Bereitstellen ENHANCE – können. Für die Einbettung in PostgreSQL vordefinierter Benutzerapplikationen in Enabling heterogeneous hardware acce- wird Scalaris um entsprechende Schnittstel- der Cloud benutzt (PaaS). Ein Hauptau- leration using novel programming and len ergänzt. genmerk von Contrail ist die Föderierung scheduling models von Clouds, um Anwenderprogramme auf URL: www.zib.de/de/pvs/projekte/ Astro VDZ mehreren Cloud-Systemen ausführen zu projektdetails/article/enhance.html URL: http://www.zib.de/de/pvs/projekte/ können. Mitarbeiter: T. Steinke, S. Dreßler, archiv-details/article/astro-vdz.html I. Merkulow, F. Wende Mitarbeiter: F. Schintke, P. Schäfer D-Grid Kernknoten Partner: Uni Paderborn, Fraunhofer SCAI, Partner: AIP Potsdam URL: www.zib.de/de/pvs/projekte/ Uni Bielefeld, TMS mbH, TWT Science & Forschungsförderung: BMBF projektdetails/article/dgrid-kernknoten.html Innovation GmbH, GETLIG & TAR GbR Inhalt: Einrichtung und Betrieb eines Mitarbeiter: F. Schintke, M. Högqvist, Forschungsförderung: BMBF verteilten, virtuellen Datenzentrums für M. Jorra, B. Kolbeck, K. Sobe, P. Schäfer, Inhalt: Es werden Software-Werkzeuge für astronomische Daten unter Nutzung des T. Steinke heterogene Systeme (Multi-Core, GPU, verteilten Dateisystems XtreemFS. Partner: div. Partner des D-Grid-Verbunds FPGA) entwickelt und exemplarisch auf Forschungsförderung: BMBF reale Anwendungen im industriellen und C3-INAD – Inhalt: Als Teil der deutschlandweiten akademischen Umfeld (Fahrzeug-Optimie- Infrastructure for General Access to D-Grid-Infrastruktur betreiben wir Speicher- rung, Schadstoffausbreitung, Next-Genera- Climate Data und Rechenressourcen mit ca. 350 T Byte tion-Sequencing-Analyse, Wirkstoffentwurf) URL: www.zib.de/de/pvs/projekte/ Festplattenspeicher und 480 Rechenknoten, abgestimmt. Wir bearbeiten dabei Themen projektdetails/article/c3-inad.html sowie Archivkomponenten zur Daten- der Leistungsmodellierung und -vorhersa- Mitarbeiter: J. Bachmann, U. Golas, sicherung auf Magnetbändern. Mit den ge sowie Methoden der Hardware-Abstrak- M. Jorra, F. Schintke vom BMBF geförderten Ressourcen wird tion fur Anwendungsentwickler. Partner: AWI Bremerhaven, FUB, CSC, erstmals in Deutschland eine einheitliche, DKRZ, TU Dortmund, Uni Köln, DLR, DFD, gemeinsam nutzbare Rechenumgebung HARNESS SISTEC, PIK über sehr viele Standorte hinweg realisiert, URL: www.zib.de/de/pvs/projekte/ Forschungsförderung: BMBF die auch wir für unsere Simulationen und projektdetails/article/harness.html Inhalt: Für die Klimawissenschaften soll Praxistests verteilter und paralleler Anwen- Mitarbeiter: T. Schütt eine Umgebung zur verteilten Abarbeitung dungen nutzen. Partner: Imperial College London (UK), von diagnostischen Workflows im Grid École Polytechnique Fédérale de Lausanne implementiert werden. Das ZIB entwickelt DGSI – (Schweiz), Université de Rennes 1 (Frank- hierfür eine „Representational State Trans- D-Grid Scheduler Integration reich), Maxeler Technologies (UK), SAP AG fer Architektur“, kurz REST Web Services für URL: www.zib.de/de/pvs/projekte/ (Irland) das Management verteilter Daten. projektdetails/article/dgsi.html Forschungsförderung: EU (FP7-ICT-318521) Mitarbeiter: F. Schintke, M. Högqvist konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Parallele und verteilte Systeme | 93

Inhalt: Im EU-Projekt Harness wird ein Inhalt: Ziel des Vorhabens ist es, präzise Inhalt: Das MoSGrid-Projekt ermöglicht die Platform-as-a-Service (PaaS) Software Anforderungen an die Langzeitarchivierung Nutzung verteilter Systeme für Molekülsi- Stack entwickelt, der heterogene Hardware- für biomedizinische Daten zu erarbeiten mulationen, indem es Wissenschaftler aus Ressourcen und innovative Netzwerk-Tech- und für diese Aufgabe ein technologisches dem chemischen Umfeld bei der Ausfüh- nologien unterstützt. Wir sind hauptsächlich Konzept zu entwickeln. Im Projekt werden rung von Simulationsrechnungen im Grid im Storage-Bereich tätig und werden durch zunächst beispielhaft das Datenmanage- unterstützt. Über ein webbasiertes Portal den gemischten Einsatz von Festplatten und ment in der medizinischen Bildverarbeitung wird den Nutzern Zugriff auf Anwendungs- SSDs individuell für den Benutzer konfigu- und der Genomforschung näher betrachtet. Workflows und Datenrepositorien gegeben. rierte Storage-Lösungen entwickeln. Dazu Aufgrund der Komplexität des Manage- Letztere beinhalten Moleküldatenbanken, setzen wir XtreemFS ein. Der Benutzer ments langfristiger Daten im allgemeinen um auf Simulationsergebnisse und –proto- wird pro Volume festlegen können, ob der biomedizinischen Kontext werden wichtige kolle für die bereitgestellten Anwendungen Datenzugriff – zum Beispiel für den Einsatz Aspekte mit einer mehrstufigen Methodik zugreifen zu können. Unsere Aufgabe im von Datenbanken – für den schnellen in Zusammenarbeit mit der Arbeitsge- Projekt besteht in der Entwicklung von wahlfreien Zugriff (random access) oder meinschaft der Wissenschaftlichen Me- Technologien zum Betrieb von chemischen für schnellen sequentiellen Zugriff (data dizinischen Fachgesellschaften (AWMF) Datenrepositorien und deren technischer streaming) optimiert werden soll. Über herausgearbeitet. Umsetzung. Service Level Agreements (SLAs) kann der Benutzer definieren, welche Leistung er für METRIK – PneumoGrid seine Anwendung benötigt. Modellbasierte Entwicklung von Techno- URL: www.pneumogrid.de logien für selbstorganisierende dezentrale Mitarbeiter: K. Sobe, T. Steinke IRIS – Informationssysteme im Katastrophenma- Inhalt: Wir stellen Ressourcen für den Integratives Forschungsinstitut für die nagement Betrieb eines Bildarchivierungs- und Kom- Naturwissenschaften Adlershof URL: www.zib.de/de/pvs/projekte/ munikationssystems (PACS) bereit, das URL: www.iris-adlershof.de projektdetails/article/metrik.html medizinische Bilddaten der Berliner Charite Mitarbeiter: A. Reinefeld, T. Steinke Mitarbeiter: J. Geibig, K. Sobe für die Nutzer des PneumoGrid bereit- Partner: HU Berlin, HZB, FHI Forschungsförderung: DFG Graduierten- halt. Gemeinsam mit der Charite werden Forschungsförderung: HU Berlin kolleg Anwendungsszenarien, die eine Visualisie- Inhalt: Als assoziiertes Gründungsmitglied Inhalt: Am METRIK-Graduiertenkolleg der rung der Prozesskette erfordern, auf dem bringen wir unsere Erfahrungen in der Humboldt-Universität sind wir mit den Visualisierungscluster am ZIB erprobt. interdisziplinären Zusammenarbeit von Forschungsthemen „Selbstorganisierende Wissenschaftlern der Physik, Chemie und Datenreplikation in drahtlosen Maschen- WissGrid – Mathematik/Informatik ein. Wir bieten Lehr- netzwerken“ und „Fehlertolerierende Codes Grid für die Wissenschaft veranstaltungen zum Einsatz von MPI und für verteilte Datenspeicherung“ beteiligt. URL: www.zib.de/de/pvs/projekte/ OpenMP an. Es ist geplant, die IRIS-Partner Wir entwickeln verteilte Algorithmen, die projektdetails/article/wissgrid.html bei der Parallelisierung ihrer Anwendungen selbst bei korrelierten Knotenausfällen Mitarbeiter: F. Schintke, K. Sobe für massiv-parallele Multicore-Systeme zu (z. B. im Erdbebengebiet) die Verfügbarkeit Partner: Universitäten Göttingen, Wup- unterstützen. wichtiger Daten garantieren. pertal, Dortmund, Heidelberg, Köln, Trier; Astrophysikalisches Institut Potsdam, LABIMI/F MoSGrid – Staats- u. Universitätsbibliothek Göttingen, URL: www.zib.de/de/pvs/projekte/ Molecular Simulation Grid Universitätsmedizin Göttingen, AWI Bre- projektdetails/article/labimif.html URL: www.zib.de/de/pvs/projekte/ merhaven, DESY, DKRZ, Inst. für Deutsche Mitarbeiter: T. Steinke projektdetails/article/mosgrid.html Sprache Mannheim Partner: Universitätsmedizin Göttingen, Mitarbeiter: T. Steinke, P. Schäfer Forschungsförderung: BMBF Universitätsklinikum Magdeburg, Uni- Partner: Universitäten Köln, Tübingen, Inhalt: Als D-Grid-Projekt hat sich WissGrid versitätsklinikum Schleswig-Holstein, Paderborn, Dresden; Bayer, BioSolveIT, die nachhaltige Etablierung von organisato- Arbeitsgemeinschaft der Wissenschaftli- COSMOlogic, GETLIG & TAR, Origines, rischen und technischen Strukturen für den chen Medizinischen Fachgesellschaft e. V., FZ Jülich, Turbomole, Sun Microsystems, akademischen Bereich im D-Grid zum Ziel Technologie- und Methodenplattform für Schrödinger gesetzt. Dabei bündelt WissGrid die hetero- die vernetzte medizinische Forschung e. V. Forschungsförderung: BMBF genen Anforderungen aus verschiedenen Forschungsförderung: DFG wissenschaftlichen Disziplinen und entwickelt so konzeptionelle Grundlagen für die nachhaltige Nutzung der Grid-Infrastruktur sowie IT-technische Lösungen.

Supercomputing Schnelle Computer, schnelle Algorithmen konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Supercomputing | 96

DER HLRN-SUPERCOMPUTER AM ZIB

Bearbeitet von: Wolfgang Baumann, Hans-Hermann Frese, Detlef Kehl, Rainer Klaus, Guido Laubender, Matthias Läuter, Christian Schimmel, Frank Schmitz, Thomas Steinke, Manfred Stolle, Christian Tuma, Matthias Wittenberg, Stefan Wollny Weitere Informationen unter: www.zib.de/de/HPC/serv und www.hlrn.de

 Das HLRN-System am ZIB umfasst insgesamt 49 Computerschränke. Dabei befinden sich die Rechnersysteme in 28, die Plattensysteme in 13, die InfiniBand-Netzwerk- Switche in sechs und die Verwaltungsserver in zwei Schränken.

Das ZIB betreibt im Rahmen des Norddeut- diesem Verbund arbeiten Forscher sowohl aus schen Verbundes für Hoch- und Höchstlei- den Anwendungswissenschaften Physik, Che- stungsrechnen (HLRN) parallele Supercom- mie, Erdsystemforschung und Ingenieurwis- putersysteme, die zu den leistungsfähigsten senschaften, als auch aus den Methodenwis- sowohl in Deutschland als auch weltweit gehö- senschaften Mathematik und Informatik. Neben ren. In Verbindung mit der wissenschaftlichen dem ZIB ist das Regionale Rechenzentrum für Fachberatung stellt dieses System eine zentra- Niedersachsen in Hannover der zweite Betrei- le Dienstleistung des ZIB für Wissenschaft und berstandort für den HLRN-Supercomputer. Forschung dar. SYSTEMARCHITEKTUR DES HLRN-II DER HLRN-VERBUND Die Systemarchitektur des HLRN-Supercom- Im HLRN-Verbund haben sich die sechs Bun- puters spiegelt die besonderen Anforderungen desländer Berlin, Bremen, Hamburg, Mecklen- der Wissenschaftler im norddeutschen Bereich burg-Vorpommern, Niedersachsen und Schles- wider. Als Hauptkomponente steht ein massiv- wig-Holstein zusammengeschlossen, um das paralleler Hochleistungsrechner (MPP-System) wissenschaftliche Hoch- und Höchstleistungs- mit Infiniband-Netzwerk für Programme mit rechnen im norddeutschen Raum zu fördern. mehreren tausend parallelen Prozessen zur Mit dem im Dezember 2012 erfolgten Beitritt Verfügung. Daneben existieren kleinere Teilsy- des Landes Brandenburg zum HLRN-Verbund steme (SMP-System) für Programme, die bei werden in Zukunft auch die Brandenburger moderater Parallelität einen großen gemein- Wissenschaftler von der Supercomputer-Infra- samen Hauptspeicher benötigen. Die Technik struktur und der HPC-Fachberatung profitieren des HLRN-II-Systems wurde von der Firma SGI können. Ergänzend zum Rechnerbetrieb bietet geliefert und besteht aus zwei identischen In- der HLRN den Rahmen für einen Kompetenz- stallationen an den Standorten Berlin und Han- verbund für wissenschaftliches Rechnen. In nover. Der Endausbau des HLRN-II-Systems konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Supercomputing | 97

Das Projekt in Kürze: Das ZIB betreibt gemeinsam mit dem Regionalen Rechenzentrum für Niedersachsen das verteilte Hochleistungsrechnersystem des Norddeutschen Verbundes für Hoch- und Höchstleistungsrechnen. Der HLRN-Supercomputer stellt Rechenkapazität sowohl für hochparallele Anwendungen als auch für moderat parallele Anwendungen mit sehr großen Haupt- speicheranforderungen von bis zu 2 TB zur Verfügung. Mit der Vertragsunterzeichung im Dezember 2012 für das Nachfolgesystem HLRN-III wurden die Grundlagen für die erfolgreiche Fortführung des Hochleistungsrechnens im norddeutschen Raum gelegt.

umfasst pro Standort 48 Knoten vomTyp XE, 320 Vergleich zu dem derzeit betriebenen HLRN-II Knoten vom Typ ICE1, 960 Knoten vom Typ ICE2 (als Summe über beide Komplexe in Berlin und und fünf Systeme vom Typ Ultra-Violet. Damit Hannover). Der HLRN-III besteht aus MPP- und können moderat parallele Anwendungen bis zu SMP-Komponenten und wird wie bisher etwa 2 TByte Hauptspeicher pro Einzelprozess adres- symmetrisch verteilt an den HLRN-Standorten sieren. Hochparallele Anwendungen können Berlin und Hannover betrieben. Die MPP-Kom- sogar über bis zu 7680 Rechenkerne verfügen, ponente ist ein CRAY XC30-System und wird die über das Message Passing Interface Daten im Endausbau ca. 85.000 CPU-Kerne und ca. austauschen können. 222 TB Hauptspeicher mit einer Spitzenleistung von nahezu 2.5 PFlop/s umfassen. Von dieser Das Nachfolgesystem HLRN-III Architektur werden insbesondere die hoch- Im Herbst 2013 wird am ZIB die Berliner Kom- parallel skalierenden Anwendungen profitie- ponente des nachfolgenden HLRN-Supercom- ren. Die SMP-Komponente mit ca. 2.300 CPU- putersystems in Betrieb gehen. Dazu wurde im Kernen und 24 TB Hauptspeicher eignet sich Dezember 2012 der Kaufvertrag zwischen dem dagegen für speicherintensive Anwendungen ZIB und und der Firma CRAY unterzeichnet. Mit moderater Parallelität. Die Kapazität des glo- dem neuen HLRN-III-System, basierend auf den balen Festplattensystems, das auf einem Lus- neuesten Prozessor-, Netzwerk- und Speicher- tre-Dateisystem basiert, wird sich auf ca. 7 PB techniken, wird den Nutzern rund die 10-fache erhöhen. Mit diesem im Vergleich zum HLRN-II Anwendungsleistung zur Verfügung stehen. fast fünffachen Volumen wird das System dem Das folgende Schema zeigt die technischen steigenden Bedarf an Datenhaltungskapazi- Daten des zukünftigen HLRN-III-Systems im täten komplexer Anwendungen gerecht.

Vergleich HLRN-II und  HLRN-III (Berlin und Hannover) konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Supercomputing | 98

HLRN-FACHBERATUNG Bearbeitet von: Wolfgang Baumann, Hans-Hermann Frese, Detlef Kehl, Rainer Klaus, Guido Laubender, Matthias Läuter, Christian Schimmel, Frank Schmitz, Thomas Steinke, Manfred Stolle, Christian Tuma, Matthias Wittenberg, Stefan Wollny Weitere Informationen: www.zib.de/HPC und www.hlrn.de

 Rechenzeitverbrauch 2012 der Fachgebiete auf dem 15,9 % HLRN-Supercomputer Ingenieurwissenschaften 35,0 % Physik, Materialwissenschaften

10,7 % Chemie

8,2 % Mathematik

30,2 % Erdsystemforschung

Die Modellierung und Simulation von Vorgän- mie liegen. Die im norddeutschen Raum pro- Das Profil des HLRN gen in Natur und Technik ist in zahlreichen na- minent vertretene Erdsystemforschung reicht turwissenschaftlichen Forschungsgebieten als von der Ozeanografie über die Klimamodel- gleichberechtigte tragende Säule neben der lierung bis hin zur Meteorologie. Die Ingeni- Theoriebildung und der Durchführung von eurwissenschaften realisieren hauptsächlich Experimenten etabliert. Damit ermöglicht das Strömungssimulationen (z. B. von Schiffs- und wissenschaftliche Hochleistungsrechnen aber Flugzeugprofilen), bei denen moderne Finite- auch Validierungsmöglichkeiten im Wechsel- Elemente- und Finite-Volumen-Codes Verwen- spiel zwischen Experiment und Simulation. dung finden. Im Fachgebiet Mathematik sind Algorithmen der kombinatorischen Optimie- Das ZIB stellt für Wissenschaft und Forschung rung, Graphalgorithmen sowie methodenwis- den Berliner Komplex des HLRN-Supercompu- senschaftliche Codes zusammengefasst. ters zur Verfügung. Die Nutzer kommen aus den Fachgebieten Chemie, Erdsystemforschung, HLRN-Fachberatung Ingenieurwissenschaften, Mathematik und Als Teil des HLRN-Kompetenznetzwerks stehen Die Fachberatung als Teil des Physik, siehe Abbildung. Den größten Rechen- für die Nutzerbetreuung sowohl eine Rechner- HLRN-Kompetenznetzwerks zeitverbrauch haben Projekte aus den Fachge- administrationsgruppe mit langjähriger Erfah- bieten Physik, Erdsystemforschung und Ingeni- rung als auch wissenschaftliche Fachberater eurwissenschaften. Die Physik umfasst hierbei aus den Anwendungsgebieten zur Verfügung. sowohl klassische Physikanwendungen, wie z. B. Vielteilchenmodelle, Quantendynamik und Im Vergleich mit früheren Rechnern besitzen Astrophysik, als auch Anwendungen der Mate- heutige Hochleistungsrechner eine weitaus rialwissenschaften, die im Grenzgebiet zur Che- komplexere Systemarchitektur mit hundert konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Supercomputing | 99

Das Projekt in Kürze: Das ZIB ist seit den achtziger Jahren des vorigen Jahrhunderts Zen- trum für Supercomputing in Deutschland. Seit dem Jahr 2002 betreibt das ZIB seine Supercompu- ter im Rahmen des HLRN-Verbundes. In den Supercomputing-Aktivitäten spielt die Fachberatung eine zentrale Rolle. Die Beratung erstreckt sich auf alle Fragen der Rechnernutzung mit Schwer- punkten in Portierung, Parallelisierung, Optimierung von Programmcodes, effizienter Datenhaltung sowie der Aus- und Weiterbildung der Nutzer.

tausenden von Rechenkernen, einem schnellen zwischen den einzelnen Fachberatern und den Kommunikationsnetzwerk und einem ausge- Anwendern aus den zugehörigen Fachgebieten wogen konfigurierten System für parallele Ein- sind eine entscheidende Voraussetzung für die und Ausgabe. Für die Supercomputer-Nutzer erfolgreiche Durchführung der Projekte. wird es daher immer schwieriger, ihre Pro- grammcodes, die ihrerseits auch immer kom- Für den Kompetenzverbund koordiniert das ZIB, plexer werden, stets an den neuesten Stand unterstützt durch das RRZN in Hannover, den  Ein durch H-Brücken an der Hardware und Systemsoftware anzupas- HLRN-Support und führt regelmäßige Treffen zur einer Zirkoniumdioxid- sen. Unterstützt werden sie dabei in erster gegenseitigen Information und Weiterbildung oberfläche gebundenes Linie durch die Fachberater – Wissenschaftler der Fachberater und Anwenderbetreuer aus den Glycerolmolekül aus dem jeweiligen Anwendungsgebiet oder Universitätsrechenzentren der am HLRN beteilig aus einem verwandten Fach. Die Fachberatung ten Länder durch. Die Fachberater-Workshops umfasst die Mitarbeit in Forschungsvorhaben, finden zweimal im Jahr an unterschiedlichen die Diskussion geeigneter numerischer Verfah- Orten im HLRN-Gebiet statt und werden jeweils ren und der anzuwendenden Algorithmen so- von einem dort ansässigen HLRN-Berater orga- wie die Mithilfe bei der effizienten Nutzung des nisiert. Ein wichtiges Thema des letzten Treffens Rechnersystems. Weiter werden den Nutzern in Rostock war die Vorbereitung der Ausschrei- die technischen Möglichkeiten, die organisato- bung des Nachfolgesystems HLRN-III. Diskutiert rischen und fachlichen Belange der Systemnut- wurden von den Teilnehmern u. a. die Software- zung und Möglichkeiten der Systemoptimie- Anforderungen aus Nutzersicht sowie die Anfor- rung erklärt. Einen wichtigen Punkt stellt dabei derungen an ausschreibungsrelevante Anwen- auch die Unterstützung der Projekte in Bezug dercodes als Bestandteil der Benchmarksuite. auf Datenhaltung und Datenverarbeitung dar. Die Erzeugung, Verarbeitung, Organisation Computational Chemistry und langfristige Speicherung stetig wachsen- Unter der aktiven Mitarbeit der Fachberater ist der Datenmengen erfordert oft einen beträcht- es in einem chemischen Forschungsprojekt ge- lichen Aufwand und Zeitanteil im Arbeitsablauf lungen, Vorhersagen darüber zu treffen, ob und der Projekte. wie sich thermische Zersetzungsreaktionen bestimmter organischer Grundsubstanzen (Gly- Die Fachberater decken die Forschungsschwer- cerol, Propylenglykol, Triacetin) in Gegenwart punkte im HLRN ab, realisieren Anwendungen ausgewählter Festkörperoberflächen beein- auf dem Supercomputer, publizieren in wis- flussen lassen. Dazu wurden massiv parallele senschaftlichen Zeitschriften, geben regelmä- Rechnungen mit Methoden der Dichtefunktio- ßig Kurse (z. B. zur Einzelprozessor-Optimie- naltheorie an periodischen Strukturmodellen rung und zur Parallelen Programmierung mit mit mehreren Hundert Atomen durchgeführt. MPI und OpenMP) und Lehrveranstaltungen, Die Ergebnisse können z. B. wichtige Hinweise  Vortrag und Betreuung organisieren Anwenderworkshops und beteili- darauf geben, welche Materialien und Bedin- der Programmierübungen gen sich an Forschungsprojekten, die dem wis- gungen im alltäglichen Bereich der Nahrungs- im Kurs „Parallele Pro- senschaftlichen Austausch und der Überfüh- zubereitung (Kochen und Braten) die Bildung grammierung mit MPI rung neuester HPC-Softwaremethodik in die gesundheitsschädlicher Substanzen begünsti- und OpenMP“ Anwendungsgebiete dienen. Enge Kontakte gen bzw. erschweren1.

1 Tuma, C., Laino, T., Martin, E., Stolz, S., Curioni, A., ChemPhysChem 14 (2013) 88 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Supercomputing | 100

BRAIN – DAS BERLINER WISSENSCHAFTSNETZ Bearbeitet von: Ursula Droebes, Stefan Wollny, Marek Fröhlich Weitere Informationen unter: www.zib.de/brain und www.brain.de

Teilnehmende Einrichtungen AIP | BAM | BBAW | BBB | BHT | Charité | DAI | DFG | DFN | DHM | DHZB | DIPF | DIW | DK | ESCPEAP | FIRST | FOKUS | FMP | FUB | FVB | GWZ | HTW | HUB | HWR | HZB | IZW | ITDZ | MBI | MPG | PTB | SPK | SPSG | TUB | UdK | UP | WIAS | WissF | WiKo | WISTA | WZB | ZIB | ZLB

BRAIN verbindet derzeit 42 Einrichtungen mit mehr als 150 Standorten, welche einen oder mehrere BRAIN-Dienste nutzen.

BRAIN-Dienste Glasfasern/Bandbreiten • zur direkten Verbindung zweier Standorte und/oder • zur physikalischen Anbin- BRAIN ist das leistungsstarke Breitbandnetz gisch unabhängige Übertragungskanäle (sog. dung an das Internet über für alle aus öffentlichen Mitteln geförderten Bandbreiten) parallel über eine physikalische den DFN-Verein (Regelan- Wissenschafts-, Kultur- und Bildungseinrich- Faser übertragen. Grundsätzlich können einzel- schluss2) tungen in Berlin/Potsdam. Technische Voraus- ne Standorte einer Einrichtung über dedizierte Verbundnetz setzung für die Teilnahme am BRAIN ist die Glasfasern oder Bandbreiten direkt miteinan- mit Einzelanschlüssen bis zu Erschließung der Standorte durch Glasfasern der verbunden werden. In der Regel nutzen die 10.000 Mbit/s des Landes Berlin. Unabhängig von der üb- Einrichtungen jedoch inzwischen verstärkt die • für leistungsstarke Verbin- rigen Nutzung des Landesnetzes durch die Dienste des Verbundnetzes in Ethernet-Technik, dungen der Einrichtungen Berliner Verwaltungen steht BRAIN ein Kontin- da dieses nicht nur den Datenaustausch der oder einzelner Standorte gent von 2.000 km Einzelfasern zur Verfügung. Standorte derselben Einrichtung ermöglicht, miteinander für direkten Die Vergabe und der Betrieb dieser Fasern des sondern auch den Datentransfer zwischen ver- IP-Datenaustausch Glasfasernetzes wird von BRAIN selbständig schiedenen Einrichtungen. • als Zugangsportal zum koordiniert. Engpässe in dem seit 2005 be- Intranet des Landes Berlin reits ausgeschöpften Kontingent werden mit- VERBUNDNETZ (Berliner Landesnetz BeLa) tels WDM1- Technik des Herstellers Transmode Das Verbundnetz besteht aus einem ringför- • als Zuleitung zum Internet aufgelöst. Durch Ausnutzung der besonderen migen Kernnetz mit zusätzlichen Querverbin- via Portanschluss3 über den Eigenschaften des Lichtes werden mehrere lo- dungen und den Zugangsleitungen für die DFN-Verein

1 WDM: Wavelength Division Multiplexing ermöglicht den zeitgleichen Transport vieler Datenströme durch Nutzung unterschiedlicher Wellenlängen in einem optischen Leiter (Glasfaser). 2 Regelanschluss: Der DFN-Verein ist für die Bereitstellung des physikalischen Anschlusses einer Einrichtung (Zuleitung) zur Nutzung des DFNInternet-Dienstes zuständig. 3 Portanschluss: Bei dieser Art des DFNInternet-Zugangs (<= 100 Mbit/s) muss die nutzende Einrichtung die Zuleitung zum nächsten DFN-Router selbst stellen. Das Verbundnetz kann hierfür als Zuleitung zum DFN-Netzknoten im ZIB genutzt werden. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Supercomputing | 101

Das Projekt in Kürze: Seit 1994 ist BRAIN (Berlin Research Area Information Network) das Hochgeschwindigkeitsdatennetz für Hochschulen, Forschungsinstitute, Bildungs- sowie andere öffentliche Einrichtungen in Berlin. Grundlage ist das landeseigene Glasfasernetz, das in enger Zusammenarbeit mit dem IT-Dienstleistungszentrum Berlin (ITDZ) stetig weiter ausgebaut wird. BRAIN nutzt hiervon 2.000 km Einzelfaser und bietet regionalen Wissenschaftseinrichtungen leistungsstarke Kommunikationsverbindungen untereinander, Zugang zum Berliner Landesnetz (BeLa) und die Anbindung an das Internet über das Deutsche Forschungsnetz (DFN).

Verbundnetz Einrichtungen, die über Ethernet angebunden räte und die Unterstützung der Anwender im • 9 BRAIN-Netzknoten sind. Das Kernnetz wird aufgespannt durch Störungsfall. Die Fehleranalyse im Glasfaser- Netiron MLX an Wissen- neun über Berlin und Potsdam verteilt auf- netz wird mit eigens dafür beschafftem Mes- schaftsstandorten gestellte Netzknoten der Firma Brocade vom sequipment selbst durchgeführt. Soweit wie • 28 Teilnehmer aus Typ NetIron MLX. Die Kernnetzstrecken sind möglich erfolgt die Fehlerbeseitigung durch Berlin/Potsdam in 10-Gigabit-Ethernet-Technik realisiert und BRAIN-Mitarbeiter, andernfalls auch durch be- • 78 angeschlossene Standorte haben eine Gesamtlänge von 268 km. Jeder auftragte Dritte. • ca. 4,4 PetaByte akkumu- Kernnetzknoten ist mit zwei bis vier anderen liertes Datenaufkommen verbunden; dies sorgt für hohe Redundanz PILOTPROJEKT: FREE-SPACE-OPTIC5 (FSO) an Teilnehmer-Ports in 2012 im Leitungsnetz, so dass der normale Betrieb Was ist zu tun, wenn auf Grund örtlicher Ge- während einer Leitungsunterbrechung an einer gebenheiten ein Standort nicht durch Glasfa- TU beliebigen Stelle im Kernnetz gesichert ist. Die sern erschlossen werden kann? Eine Alterna- UP CVK Kernnetzstrecken basieren auf von BRAIN be- tive zur klassischen Glasfaseranbindung kann Topologie triebenen WDM-Strecken. Der aktuelle Status FSOTechnik sein. Um Erfahrungswerte mit der Kernnetz kann unter www.brain.de/manage eingesehen Verwendung dieser laserbasierten Technik für ZIB SPK WAS HU werden. Das Management erfolgt zentral von die Datenübertragung mit großen Bandbreiten der BRAIN-Geschäftsstelle im ZIB. (bis zu 1GBit/s) zu sammeln, hat BRAIN auf dem Dach des Jacob-und-Wilhelm-Grimm- ADH HTW MANAGEMENT UND SERVICE Zentrums und dem Dach des Berliner Zeug- Zum Tagesgeschäft der BRAIN-Mitarbeiter hauses FSO-Technik installiert und in Betrieb NetIron MLX gehören neben Konfiguration, Betrieb und genommen. Während der Laufzeit des Pilot- • non-blocking 400Gbps Überwachung der Netztechnik auch die Be- projekts erfolgen Last-, Performance- und Ver- Switching-Kapazität ratung von Teilnehmern in allen Fragen der fügbarkeitstests. Die Laufzeit wird mindestens • Wire-speed Dual Stack Anbindung von Standorten an das BRAIN, z. ein Jahr betragen, um alle jahreszeitlich be- für IPv4/IPv6 B. die Planung neuer Glasfaserstrecken, Bera- dingten Beeinflussungen (Schnee, Starkregen, • MPLS4 tung bei der Konfiguration der Anwenderge- Nebel etc.) beurteilen zu können. • Quality of Service/Class of Service für Datenfluss priorisierung • umfangreicher BGP-4-Sup- port für Internet-Routing

Transmode, TS-1100 • Modular erweiterbar • 4 optische Kanäle zu je 10Gbit/s über eine einzelne Glasfaser mehrfach pro Chassis konfigurierbar • Zeitmultiplexing mehrerer Anwendungen pro optischen Kanal

4 MPLS: Multi-Protokoll Label Switching wird genutzt für Virtual leased line (VLL), Virtual private LAN Service (VPLS), BGP MPLS/VPN, Multi-VRF, FastReroute. 5 Free-Space-Optic: Laserbasierte Optische Freiraumübertragung

IT-Service Service für die Forschung konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin IT-Service | 104

IT-Service Leitung: Wolfgang Pyszkalski Weitere Informationen im WEB unter: http://its.zib.de

Unser IP-Datennetz stellt mit ca. 1.800 Gigabit Ethernet Ports in den Netzkomponen- ten für jeden Arbeitsplatz im ZIB die erforderliche Zahl von Anschlüssen mit der Geschwindigkeit von einem Gigabit zur Verfügung. Im Bereich der Server und Außenanbindungen stehen im Netz Anschlüsse mit einer Geschwindigkeit von 10 Gigabit/s über OM3-Licht- wellenleiter zur Verfügung. Zwei Switche mit 88 Ports vom Typ 10 GE FCoE und 24 Die Abteilung IT-Service plant, beschafft, instal- organisieren wir als Plattform für diesen Zweck Fibre Channel Ports verbin- liert und wartet die gesamte IT-Infrastruktur im regelmäßig gut besuchte Veranstaltungen, den das IP-Netz mit dem Fibre ZIB. Durch die enge Kooperation mit führenden bei denen jeweils etwa die Hälfte der Zeit für Channel Speichernetzwerk Herstellern besitzt die Abteilung Zugriff auf Gastvorträge anderer wissenschaftlicher Ein- (SAN). neueste Produkte und kann diese teilweise richtungen vorgesehen wird. bereits vor der Markteinführung unter praxis Über das Speichernetzwerk nahen Bedingungen evaluieren. Die Ergeb- AKTIVITÄTEN IM JAHR 2012 mit seinen 672 Ports sind der- nisse kommen nicht nur den Herstellern Die Aktivitäten in diesem Jahr waren haupt- zeit 36 Server mit 1.638 Plat- zugute, sondern dienen auch der Planung zu- sächlich von einer Erneuerung, Verbesserung ten in 17 Arrays verbunden. künftiger Erweiterungen der IT-Infrastruktur am und Erweiterung der den vorhandenen Dien- Einige der Server, die Platten- ZIB, das dadurch häufig eine Vorreiterrolle bei sten zu Grunde liegen IT-Infrastruktur geprägt. kapazität über IP-Protokolle der Einführung neuer Technologien spielt. bereitstellen, sind über das Einen großen Raum nahmen auch technische Speichernetzwerk zusätzlich Unsere aktuellen Erkenntnisse bringen wir Untersuchungen und weitere Arbeiten für die mit den Bandrobotern ver- zeitnah in die Lehre ein. In Zusammenarbeit Erstellung konkreter Planungen und Kalkula bunden, die mit 24 Robotern mit der Hochschule für Wirtschaft und Recht in tionen zur Durchführung von Vorhaben des auf Magnetbandkassetten in Berlin (HWR) bieten wir Ausbildungsplätze ZIB ein, die für 2013 vorgesehen sind und für 18.000 Stellplätzen zugreifen für die Fachrichtung Informatik mit dem die wir um technische Unterstützung gebeten und die Bänder zwischen den Vertiefungsschwerpunkt Systemadministra wurden. Stellplätzen und den 60 Lauf- tion an. werken transportieren. Passend zum Termin von 20 Jahren Daten Das erworbene Wissen vermitteln wir auch in haltung mit Nutzung von Bandspeicher unseren Veranstaltungen. Um die Förderung systemen konnten wir in diesem Jahr unsere des Austausches zwischen den IT-Diensten Bandspeichersysteme um Laufwerke der neu- wissenschaftlicher Einrichtungen bemüht, esten Technologie erweitern.

Weiterführende Informationen über die Aktivitäten der Abteilung IT-Service, die verwendeten Techniken, Informationen über unsere Projekte und die Mitarbei- ter sind im WEB unter its.zib.de verfügbar. Dort befinden sich auch Hinweise auf Veranstaltungen, Kontaktadressen und technische Berichte über durchgeführte Arbeiten. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin IT-Service | 105

Die Abteilung IT-Service plant, beschafft, installiert und wartet die gesamte IT-Infrastruktur im ZIB. Durch die enge Kooperation mit führenden Herstellern, insbesondere mit den Firmen Oracle und NetApp, ist die Abteilung in der Lage, neueste Produkte teilweise bereits im Prototypstadium unter praxisnahen Bedingungen im ZIB zu testen und so zur Verbesserung der Produkte beizu- tragen. Im Jahr 2008 ist die Abteilung als „Sun Center of Excellence für Daten- und Speicherma- nagement“ ausgezeichnet worden. Diese Form der Zusammenarbeit ist inzwischen mit Oracle erneuert worden.

JUBILÄUM DER DATENHALTUNG IM ZIB neuen Laufwerke sind mit 240 MB/s doppelt so 20 Jahre Erfahrung mit einer Datenhaltung, die schnell wie ihre Vorgänger T10000 B. auf Bandarchiven mit Robotern basiert, sind Grund genug für einen kurzen Rückblick. Die NEUE FUNKTIONALITÄTEN folgende Tabelle zeigt die über die Zeit verwen- Ein bislang immer vorhandenes Problem war deten Typen von Bandspeichersystemen und der Nachweis, dass die auf Band geschrie- Bandlaufwerken sowie die jeweils maximale benen Daten und die Daten auf den Platten Kapazität pro Band. wirklich völlig identisch sind. Die eingesetzten Verfahren zur automatischen Korrektur von Fehlern, mindestens aber zu deren Erkennung, sollten so etwas eigentlich sicherstellen. Nun gibt es in all den beteiligten Systemen (Plat- tenspeicher, Rechner, Datennetze, Bandspei- Wärmeabgabe und Strom- chersystem) ein als „silent data corruption“ be- verbrauch sind neben der kanntes Problem. Dabei kann, wenn auch nur Frage des Umweltschutzes mit extrem geringer Wahrscheinlichkeit, eine auch eine technisch nicht zu Kombination von gleichzeitig auftretenden Feh- vernachlässigende Grö- lern dazu führen, dass das Problem in der ent- ße. Auch die Frage einer sprechenden Komponente nicht erkannt wird. automatisierten Abschaltung bei andauerndem Ausfall Die Abhilfe bestand bislang darin, die Daten der Stromversorgung ist bei auf das Band zu schreiben, dann vom Band unserer von Virtualisierung Bei jeder Erweiterung oder Erneuerung der wieder in eine Kopie auf der Platte zu lesen und auf allen Ebenen geprägten Bandspeichersysteme durch neue Technologien schließlich Original und Kopie auf der Platte zu IT eine Herausforderung. im Bereich der Laufwerke migrieren wir Teile vergleichen. Dies ist ein hoher Aufwand, der Aus diesem Grund rüsten des vorhandenen Datenbestandes auf Bänder jedoch für Daten, bei denen auch die geringste wir unsere Systemschränke der neuen Technologie. Dabei haben wir in- Abweichung gravierende Auswirkungen haben mit speziellen Stromvertei- zwischen einen Stand erreicht, der uns solche kann, angebracht ist. lungseinheiten (PDU) aus, die Aktivitäten im laufenden Betrieb und ohne Be sowohl Messungen, als auch einträchtigung der Nutzung ermöglicht. Die neuen Laufwerke bieten nun, zusammen Schaltvorgänge mittels eige- mit der aktuellen Version der von uns ein ner Software ermöglichen. In diesem Jahr ist es uns gelungen, unsere gesetzten Software SAM-FS (Storage and Bandspeichersysteme mit einer größeren Zahl Archive Manager File System), die Möglich- der zur Zeit neuesten Laufwerke vom Typ T10000 keit einer automatischen Prüfung auf System C hochzurüsten, was mehrere Vorteile bietet. ebene, bei der die abschließende Prüfung ohne Zurückkopieren der Daten, direkt im Bandlauf- Durch die deutlich höhere Kapazität brauchen werk, erfolgen kann. Für das spätere Lesen wir für die gleiche Menge an Daten weni- der Daten sind diese neu eingesetzten Prüf ger Stellplätze. Anders ausgedrückt bedeutet verfahren natürlich ebenso hilfreich. dies, dass wir ohne Erweiterung der Speicher systeme mehr Daten unterbringen können. Die konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin IT-Service | 106

Zentrale Datenhaltung im ZIB Bearbeitet von: Wolfgang Pyszkalski, Dirk Krickel, The Anh Pham Weitere Informationen unter: http://its.zib.de

Die Bandarchive befinden sich in einem Tresorraum, der auch extremer Hitze mehrere Stunden lang widerstehen kann, ohne dass sich im Innenbereich eine für die Ma- gnetbänder kritische Tempe- ratur entwickelt. Im Alarmfall wird der Tresor automatisch versiegelt und vollständig mit Löschgas geflutet.

In diesem Tresorraum fungie- ren drei Bandspeichersysteme SL8500 als zwei voneinander unabhängige Archive, in de- Die wissenschaftlichen Daten sind das wich- ENERGIESPARENDE SPEICHERHIERARCHIE nen auf Anforderung unserer tigste Gut im ZIB. Entsprechend hoch ist der Das Grundprinzip unserer zentralen Daten Server insgesamt 24 Roboter von uns betriebene Aufwand in Bezug auf haltung besteht deshalb aus einem mehr Magnetbandkassetten zwi- Sicherheit, Geschwindigkeit und Kapazität der stufigen Speicherkonzept mit einem Verbund schen den 18.000 Stellplätzen zentralen Datenhaltung. aus Platten und Bandspeicher. Die zentralen und den 60 Bandlaufwerken Server der Datenhaltung ermöglichen Anwen- transportieren. Der Bedarf an Speicherkapazität wächst ex dern auf verschiedenen technischen Wegen Zu- ponentiell, was die Strategie einer bestän- griff auf zur Zeit etwa 1 Petabyte Plattenspeicher. Jede Datei wird immer in digen Erweiterung der Plattenkapazitäten Ohne Eingriff der Anwender werden neue Daten zwei Kopien auf die Bänder nicht als zukunftsweisendes Konzept erschei- kontinuierlich vom Plattenspeicher in das Band geschrieben. Da wir dafür sor- nen lässt. Insbesondere der damit stark zuneh- archiv kopiert, wobei immer zwei Kopien auf gen, dass die Kopien immer mende Stromverbrauch setzt hier Grenzen. verschiedene Bänder geschrieben werden. So- auf die beiden voneinander Dies um so mehr, als die bei weitem überwie- bald der Platz auf dem Plattenspeicher knapp unabhängigen Archive verteilt gende Zahl der Daten nur relativ selten gele- wird, erfolgt automatisch eine Löschung lange werden, kann ein Fehler in sen wird. Eine stromsparende Möglichkeit zur nicht benutzter Daten auf den Platten, wobei die einem der Archive niemals Speicherung selten benutzter Daten ist die Verwaltungsdaten erhalten bleiben. Der Nutzer beide Kopien gleichzeitig Ablage auf Magnetbändern. Strom wird im- hat so den Eindruck, dass alle seine jemals er- beschädigen. mer nur dann verbraucht, wenn Daten gelesen zeugten Dateien auf den Platten liegen. Wenn oder neu geschrieben werden. Dieses Verfah- auf eine so ausgelagerte Datei zugegriffen wird, Die räumlichen Dimensionen ren ist nicht nur kostengünstig, sondern stellt laden die Server die entsprechenden Daten sind in dem Bild erkennbar, auch einen schonenden Umgang mit der Um- automatisch aus dem Bandarchiv auf die Platten das im rechten Teil einen Mit- welt dar. Um die Anwender von der Mühe des zurück. Wenn ein Anwender eine Datei löscht, arbeiter in einem der sechs Schreibens von Daten auf Band zu befreien, bleiben die Kopien auf Band noch einige Zeit Gänge der Bandspeicher haben wir ein hierarchisches Speichersystem erhalten und werden dann von den zentralen systeme bei Wartungsar- (HSM) aufgebaut. Servern auch dort gelöscht. beiten zeigt.

Das Projekt in Kürze: Für die Arbeiten im ZIB und zur Nutzung durch andere wissenschaftliche Einrichtungen betreiben wir ein modernes Speichersystem. Unsere Server ermöglichen den Zugriff auf etwa ein Petabyte Plattenspeicher. Als Erweiterung des Plattenspeichers dient ein Bandarchiv zur Langzeitspeicherung. Dieses Archiv ist ein schnelles „Hochregallager“ für Bandkas- setten, die auf Anforderung der Server durch Roboter in die Bandlaufwerke geladen werden. Die Server sorgen automatisch dafür, dass sich auf dem Plattenspeicher immer die aktuell benutzten Daten befinden, wodurch er den Anwendern praktisch als unendlich groß erscheint.

Durch eine regelmäßige KOOPERATIONEN MIT HERSTELLERN SCHUTZ UNWIEDERBRINGLICHER DATEN Nachrüstung mit neuester Für die einzelnen Komponenten unserer Daten Ein nicht zu unterschätzendes Problem bei der Technologie müssen die Daten haltung nutzen wir etablierte Software und Lagerung von Bändern ist die Alterung des gelegentlich auf neuere Me- Technik höchster Qualität. Durch unser Gesamt- Materials. Unser Ziel ist es, sich anbahnende dien migriert werden. Solche konzept, spezielle Konfigurationen und einige Probleme so frühzeitig zu erkennen, dass wir Migrationen erfolgen durch Zusätze erreichen wir jedoch mehr Leistung die Lesbarkeit der Daten unabhängig vom uns im laufenden Betrieb. und Sicherheit, als die einzelnen Komponen- Grad der Nutzung über beliebige Zeiträume Ein Beispiel dafür ist eine ten standardmäßig bieten. Der Grad unserer garantieren können. Dazu verfügen wir über Migration von Daten, die 2009 Fähigkeiten spiegelt sich nicht zuletzt in dem die Möglichkeit, Probleme beim Schreiben und erfolgte. Dabei wurden in nur Zustandekommen einer Kooperation unter Lesen auf Bänder zu erkennen, die als physi vier Wochen 1.325 Bänder mit dem Titel „Oracle Center of Excellence Da- kalisch bedingte, normale Ereignisse immer 300TB von SGI/DMF/Powder- ten- und Speichermanagement am Zuse- mal wieder auftreten. Entsprechend werden horn/ T9940B nach Sun/SAM- Institut Berlin“ sowie einer Reihe formloser solche Ereignisse im Normalfall nicht an die FS/ SL8500/T10000B migriert. Zusammenarbeiten zum gegenseitigen Nutzen Server gemeldet. Gleichwohl gibt es bei Pro- Dies erforderte nicht nur ein mit weiteren Herstellern wider. Dadurch, dass blemen mit dem Bandmaterial grenzwertige einfaches Umkopieren, son- uns Hersteller neueste, noch nicht auf dem Situationen, wo eine Vielzahl solcher Ereig- dern auch den grundlegenden Markt verfügbare Produkte und technische nisse auf ein sich anbahnendes Problem hin- Wechsel über mehrere Techno- Dokumentationen zur Verfügung stellen, kön- deutet. Wirkungslos wäre diese Technik natür- logien und Formate. nen wir Verfahren und Musterlösungen ent lich bei Bändern, die lange Zeit nicht gelesen wickeln, die einerseits die Datenhaltung im wurden. Bänder der langfristigen Datenhal- Es ist zu erkennen, dass die ZIB ständig verbessert, andererseits aber auch tung lesen wir deshalb außerhalb der nor- Geschwindigkeit dieser Mi- für die Hersteller und deren eigenen Entwick- malen Anforderungen mittels einer speziellen gration außerordentlich hoch lungen interessant sind. Überwachung regelmäßig zur Probe. Wenn war. Aber wir waren nicht nur dabei die erwähnten Fehler auftreten, erfolgen schnell, sondern haben auch DAUERHAFTE SPEICHERUNG VON DATEN entsprechende Alarme, damit wir über das durch doppelte Berechnung Eine zunehmende Rolle spielt die Speiche- weitere Vorgehen entscheiden und das Band von Prüfsummen verifi- rung von unwiederbringlichen Daten, wie z. B. gegebenenfalls rechtzeitig vor dem Auftreten ziert, dass die Daten im Ziel Daten aus der Molekularbiologie, Ergeb- echter Probleme umkopieren können. wirklich absolut unverändert nisse von Messungen aus Experimenten, angekommen sind. digitalisierte Artefakte und Dokumente. Für Da der Reinheit der Umgebung bei der Band- solche Daten nutzen wissenschaftliche Ein- verarbeitung eine große Rolle zukommt, ver- Mit den in diesem Jahr be- richtungen im Rahmen von Projekten un fügt der Datenhaltungsraum über eine eigene schafften Bandlaufwerken des sere Infrastruktur. Dafür stellen wir ihnen auf Klimatisierung. Die Luft wir gemäß der euro- neuesten Typs und der aktu- leistungsstarken Servern virtuelle Rechner zur päischen Norm EN779 Filterklasse F7 gefiltert. ellen HSM-Software (SAM-FS) Verfügung, über die sie Zugriff auf Kapazitäten ist eine automatische Verifizie- unserer Datenhaltung haben. Wir stellen eine Zwei voneinander unabhängige Über rung der Authentizität auf Band Reproduzierbarkeit der Daten sicher, ohne uns wachungen prüfen ständig die Temperatur geschriebener Daten möglich um deren Inhalte zu kümmern. Auch ein durch und die Luftfeuchtigkeit im Raum. Bei Abwei- (Nachweis, dass die Daten auf die Weiterentwicklung bedingter Wechsel der zu chungen vom optimalen Wert alarmieren die Band absolut identisch mit den Grunde liegenden Technik und das dadurch not- beiden Systeme die Haustechnik und die Abtei- Daten auf den Platten sind). wendige Migrieren von Daten erfolgt durch uns. lung IT-Service.

Fakten und Zahlen

Mathematik und Informatik authentisch erleben Veranstaltungen des ZIB für Kinder, Jugendliche und Studierende

Auszeichnungen und Rufe

Publikationen

Preprints Mitherausgabe von Publikationen Beiträge in Zeitschriften und Tagungsbänden Monographien Dissertationen Examensarbeiten

Vorträge und Lehrveranstaltungen von ZIB-Mitarbeitern und -Mitarbeiterinnen

Vorträge und Gastaufenthalte Vorlesungen und Seminare Mitveranstalter auswärtiger Tagungen

Tagungen und Gäste am ZIB

Gastvorträge Gastaufenthalte Tagungen und Veranstaltungen

MATHEMATIK UND INFORMATIK FÜR DIE ÖFFENTLICHKEIT

Software und service konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 111

Wissenschaftliche Nachwuchsförderung am ZIB Veranstaltungen für Kinder und Jugendliche

Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Die Mitarbeiter/innen des ZIB engagie- senschaftskino im ZIB-eigenen „Studio des ZIB bemühen sich seit vielen Jah- ren sich auch im Rahmen des „Digi- Da Vinci“ besondere Highlights. Wie ren, mehr qualifizierte junge Menschen talen Adventskalender” des DFG-For- jedes Jahr hielt Prof. Horst Zuse, der für Mathematik und Informatik zu in- schungszentrum Matheon. Jedes Jahr älteste Sohn Konrad Zuses, Vorträge teressieren. Zahlreiche Aktivitäten sol- öffnen sich zur Adventszeit 24 Türchen zur Geschichte des Computers und zur len Ihnen die Vielfalt der Mathematik mit Mathe-Aufgaben. Der Schwierig- Arbeit seines Vaters, die auf großes In- näher bringen, denn Mathematik ist keitsgrad der Aufgaben entspricht etwa teresse stießen. nicht langweilig und abstrakt, sondern dem Niveau der 10. – 13. Klassenstufe. macht Spaß. Mit Mathematik kann man Diejenigen Mathebegeisterten, die die Wie bereits in den vergangenen Jahren die Probleme des Alltags verstehen Aufgabe richtig lösen, haben die Chan- beteiligte sich das ZIB auch 2012 am und lösen. ce auf einen Gewinn. Die Aufgaben des bundesweiten „Girls’ Day“. Mädchen ZIB gehören zu den spannendsten und der 5.–10. Klasse erhielten Einblicke in Die Beschäftigten des ZIB sind auch im beliebtesten, denn die ZIB-Mitarbei- die am ZIB vertretenen Berufsfelder. In Jahre 2012 häufiger Gast in Berliner und terin Marika Karbstein hat in 2011 und den angebotenen Workshops „Spiele Brandenburger Schulen gewesen und 2012 den Preis für die „Ultimative Ma- selber Programmieren“, „Online-Ver- haben dort von ihrer Arbeit erzählt und the-Aufgabe“ gewonnen. steigerungen“, „Keine Angst vor groß- sich den kritischen Fragen der Schü- en Computern“ und „Mathe-Puzzle“ lerinnen und Schüler gestellt. In den Großen Zulauf erhält das ZIB traditio- präsentierten vor allem Mitarbeite- Räumlichkeiten des ZIB fanden im Jahr nell in der „Langen Nacht der Wissen- rinnen des Instituts technische Details 2012 21 Veranstaltungen mit insgesamt schaften“. Die Veranstaltungen waren und algorithmische Probleme im Um- 290 Schülerinnen und Schülern statt. mit 1974 Besuchern wiederum gut gang mit Computern sowie Inhalte Darüber hinaus unterstützte das ZIB nachgefragt. Neben vielen Vorträgen, aktueller Arbeiten. Die teilnehmenden Schulen mit für Wissenschaftszwecke dem „Computerbasteln“ und dem Mädchen konnten das erlernte Wissen nicht mehr benötigter Hardware und „Science-Slam“, waren die Führungen in praktischen Übungen ausprobieren. betreibt die informationstechnische In- im Rechnerraum zum Hochleistungs- frastruktur für den zentralen Server der rechner, Erläuterungen zur langfri- Berlin Schulen. stigen Datenhaltung sowie das 3D-Wis- konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 112

Auszeichnungen und Rufe

Ralf Borndörfer Kiran Hiremath

• Ruf auf eine Professur „Diskrete • Ruf auf eine Assistenzprofessur Mathematik“ mit dem Schwerpunkt „Mathematik & Statistik“, Indian Insti- Diskrete Optimierung in den Ver- tute of Technology Rajasthan, Indien kehrswissenschaften an der Freien Universität Berlin (W2-S) Jens Kasten, Ingrid Hotz, Hans- Christian Hege Fabio D’Andreagiovanni • Best Paper Award für die Arbeit • Excellent Presentation Award of the „Vortex Merge Graphs in Two- ESF-JSPS Frontier Science Confe- dimensional Unsteady Flow Fields“ rence for Young Researchers (Kategorie Short Papers) auf der • Sapienza Doctoral Dissertation Award Konferenz „Eurographics Conference on Visualization – EuroVis 2012“ in Peter Deuflhard Wien, Österreich

• Goldene Ehrennadel der Freien Uni- Norbert Lindow, Daniel Baum, versität Berlin Ana-Nicoleta Bondar, Hans-Christian • Senior-Professur „Numerische Ana- Hege lysis“, Institut für Mathematik, Freie Universität Berlin • Honorable Mention Award für die • Ehrenprofessor, Beijing University of Arbeit „Dynamic Channels in Bio- Technology, China molecular Systems: Path Analysis • Ruf auf eine Professur „Applied and Visualization“ auf der Konferenz Mathematics and Computational „IEEE Symposium on Biological Data Science“, King Abdullah University Visualization 2012“ in Seattle, WA, of Science and Technology (KAUST), USA Thuwal, Saudi-Arabien: nicht realisiert Thomas Schlechte

Moritz Ehlke, Heiko Ramm, • Dissertationspreis der Gesellschaft Hans Lamecker und Stefan Zachow für Operations Research (GOR) • VBKI Wissenschaftspreis • Best Poster Award für „Efficient projection and deformation of volu- Alexander Wiebel metric intensity models for accurate simulation of X-ray images“ auf dem • Listenplatz bei Bewerbung um die „Eurographics Workshop on Visual Professur „Numerische Mathematik, Computing for Biology and Medicine Wissenschaftliches Rechnen, Visuali- (VCBM)“ in Norrköping, Schweden sierung“ an der FH Aachen

Armin Fügenschuh Stefan Zachow, Hans Lamecker

• Ruf auf eine W2-Professur „Ange- • Matheon-Ausgründungspreis für wandte Mathematik“ an der Helmut- den erfolgreichen Transfer von For- Schmidt-Universität/Universität der schungsergebnissen aus dem Bundeswehr, Hamburg Matheon in die Wirtschaft durch Gründung des ZIB Spin-offs 1000 Julia Goltz, Doreen Thiede shapes GmbH

• 2nd Best Poster Award für „Cloud- computing and Libraries - A German Perspective“ auf der „20. BOB CATSSS-Tagung“ in Amsterdam, Niederlande konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 113

Publikationen

Preprints • OR Transactions, Shanghai Scientific Alexander Reinefeld & Technological Publishing House, Der Zugriff auf die ZIB-Reports des Shanghai, China • Journal of Grid Computing (JoGC), Jahres 2012 erfolgt über den Link: • Acta Mathematica Vietnamica, A Kluwer Academic Publisher journal published under the aus- • International Journal of Grid and www.zib.de/de/publikationen/ pices of the Institute of Mathematics, Utility Computing (IJGUC) zib-reports2012.html Vietnamese Academy of Science and • International Journal of Computatio- Technology, Hanoi, Vietnam nal Sciences (IJCS) • Advances in Data Analysis and Mitherausgabe Classification (Theory, Methods, Thomas Steinke von Publikationen and Applications in Data Science), Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg • Gasteditor der Sonderausgabe „High- Ralf Borndörfer • Mathematical Programming Compu- Performance Reconfigurable Com- tation, A journal of the Mathematical puting“ der Zeitschrift International • Area Coordinator, Optimization Programming Society, Springer-Ver- Journal of Reconfigurable Compu- Online, Mathematical Programming lag, Berlin, Heidelberg, New York ting, Hindawi Publishing Corp. 2012, Society • Journal of Mathematics in Industry, Cairo, New York A new journal of the European Con- Peter Deuflhard sortium for Mathematics in Industry Martin Weiser (ECMI), Springer-Verlag, Berlin, • Numerische Mathematik, Springer Heidelberg • Journal of Applied Mathematics, International • Journal of the Operations Research Hindawi Publishing Corporation, • Computing and Visualization in Sci- Society of China, Springer-Verlag Cairo, New York ence, Springer-Verlag • Numerical Mathematics: Theory, Hans-Christian Hege Methods and Applications, Global Science Press, Beijing • Book series „Visualization and Ma- • International Journal of Compu- thematics“, Springer-Verlag, Berlin, ter Mathematics, Taylor & Francis, Heidelberg, New York London • Video series „VideoMATH“, Springer- Verlag, Berlin, Heidelberg, New York Armin Fügenschuh • GMS Medical Informatics, Biometry and Epidemiology (MIBE) • Gasteditor (mit Gerhard-Wilhelm Weber) einer Sonderausgabe der Thorsten Koch Zeitschrift „Optimization“ zur Konfe- renz EURO 2010 (erschien 2012) • Mathematical Programming Compu- tation, A journal of the Mathematical Martin Grötschel Programming Society, Springer- Verlag, Berlin, Heidelberg, New York • Mathematical Methods of Ope- • Optimization Methods and Software, rations Research, Physica Verlag, Taylor & Francis, London (Springer-Verlag), Heidelberg • Numerical Algebra, Control and • Mathematical Programming A, Optimization, American Institute of Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, Mathematical Sciences, Springfield, New York USA • Networks, John Wiley & Sons, New York, USA • Operations Research Letters, Else- vier Science Publishers, Amsterdam, Niederlande konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 114

Beiträge in Zeitschriften ming, volume 154 of The IMA Volumes 15. B. Bodermann, P.-E. Hansen, und Tagungsbänden in Mathematics and its Applications, S. Burger, M.-A. Henn, H. A. Gross, pages 427 – 444. Springer, 2012. M. Bär, F. Scholze, J. Endres, and 1. T. Achterberg, T. Berthold, and M. Wurm. First steps towards a scat- G. Hendel. Rounding and propagation 9. M. Bindernagel, D. Kainmueller, terometry reference standard. Proc. heuristics for mixed integer program- H. Ramm, H. Lamecker, and S. Zachow. SPIE, 8466: 84660E, 2012. ming. In D. Klatte, H.-J. Lüthi, and K. Analysis of inter-individual anatomical Schmedders (eds.), Operations Re- shape variations of joint structures. 16. H. Boer, C. Stötzel, S. Röblitz, and search Proceedings 2011, pages 71 – 76. Proc. Int. Society of Computer Assisted H. Woelders. A differential equation Springer Berlin, Heidelberg, 2012. Orthopaedic Surgery (CAOS), number model to investigate the dynamics 210, 2012. of the bovine estrous cycle. In I. I. 2. C. Auer, C. Stripf, A. Kratz, and I. Goryanin and A. B. Goryachev (eds.), Hotz. Glyph- and texture-based visu- 10. G. Birkenheuer, D. Blunk, S. Advances in Systems Biology, vol- alization of segmented tensor fields. Breuers, A. Brinkmann, I. dos Santos ume 736 of Advances in Experimental International Conference on Informa- Vieira, G. Fels, S. Gesing, R. Grunzke, Medicine and Biology, pages 597 – 605. tion Visualization Theory and Applica- S. Herres-Pawlis, O. Kohlbacher, J. Springer New York, 2012. tions (IVAPP’12), 2012. Krüger, U. Lang, L. Packschies, R. Mül- ler-Pfefferkorn, P. Schäfer, T. Steinke, 1 7. H. M. T. Boer, M. Apri, J. Molenaar, 3. V. E. Babicheva, S. S. Vergeles, P. E. K.Warzecha, and M.Wewior. MoSGrid: C. Stötzel, R. Veerkamp, and H. Woel Vorobev, and S. Burger. Localized Efficient data management and a ders. Candidate mechanisms underly- surface plasmon modes in a system of standardized data exchange format for ing atypical progesterone profiles as two interacting metallic cylinders. J. molecular simulations in a Grid envi- deduced from parameter perturba- Opt. Soc. Am. B, 29:1263, 2012. ronment. Journal of Cheminformatics, tions in a mathematical model of the 4 (Suppl 1): P21, May 2012. bovine estrous cycle. Dairy Science, 4. C. Becker, D. Lockau, T. Sontheimer, 95(7):3837 – 3851, 2012. P. Schubert-Bischoff, E. Rudigier-Voigt, 11. A. Bley, F. D’Andreagiovanni, and M. Bockmeyer, F. Schmidt, and B. Rech. D. Karch. WDM replacement sched- 18. R. Borndörfer and C. H. Cardonha. Large-area 2D periodic crystalline uling. Proc. of the 11th INFORMS A binary quadratic programming silicon nanodome arrays on nanoim- Telecommunications Conference, Boca approach to the vehicle positioning printed glass exhibiting photonic band Raton, USA, 2012. problem. H.-G. Bock, X. P. Hoang, R. structure effects. Nanotechnology, Rannacher, and J. P. Schlöder (eds.), 23(13):135302, 2012. 12. A. Bley, A. M. Gleixner, T. Koch, and Modeling, Simulation and Optimi- S. Vigerske. Comparing MIQCP solvers zation of Complex Processes, Pro- 5. R. Bertelmann, S. Szott, and to a specialised algorithm for mine ceedings of the Fourth International T. Höhnow. Discovery jenseits von all production scheduling. In H. G. Bock, Conference on High Performance you can eat und one size fits all. Bib- H. X. Phu, R. Rannacher, and J. P. Scientific Computing, March 2 – 6, liothek Forschung und Praxis, 36(3): Schlöder (eds.), Modeling, Simula- 2009, Hanoi, Vietnam, pages 41 – 52. 369 – 376, 2012. tion and Optimization of Complex Springer Verlag, 2012. Processes: Proceedings of the Fourth 6. T. Berthold, A. M. Gleixner, S. Heinz, International Conference on High Per- 19. R. Borndörfer and O. Heismann. T. Koch, and Y. Shinano. 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21. R. Borndörfer and M. Karbstein. 29. R. Borndörfer, M. Reuther, 36. C. Büsing and F. D’Andreagiovanni. A direct connection approach to inte- T. Schlechte, and S. Weider. Vehicle On the adoption of multi-band uncer- grated line planning and passenger rotation planning for intercity rail- tainty in robust network design. Proc. routing. In D. Delling and L. Liberti ways. J. C. Muñoz and S. Voß (eds.), of ISMP 2012, the 21st International (eds.), editors, 12th Workshop on Algo- Proceedings of the 12th International Symposium on Mathematical Pro- rithmic Approaches for Transportation Conference on Advanced Systems gramming, Berlin, Germany, 2012. Modelling, Optimization, and Systems, for Public Transport (CASPT12), volume 25 of Open Access Series in Santiago, Chile, 2012. 3 7. C. Büsing and F. D’Andreagiovanni. Informatics (OASIcs), pages 47 – 57, New results about robust network Dagstuhl, Germany, 2012. Schloss 30. R. Borndörfer, G. Sagnol, and E. design under multiband uncertainty. 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138. T. Soboll and U. Golas. A local- 145. M. Weiser and S. Götschel. State Monographien global model for multiagent systems trajectory compression for optimal – Sheaves on the category MAS. In control with parabolic pdes. SIAM 1. F. D’Andreagiovanni. New perspec- J. Filipe and A. Fred (eds.), Proceed- J. Scientific Computing, 34(1), 2012. tives on Wireless Network Design. ings of ICAART 2012, volume 2, pages Strong, stable and robust 0 –1 models 331– 334. SciTePress, 2012. 146. F. Wende, F. Cordes, and T. Steinke. by Power Discretization. Sapienza Uni- On improving the performance of versitá Editrice, Rom, Italien, 2012. 139. C. Stötzel, J. Plöntzke, W. Heu- multi-threaded CUDA applications wieser, and S. Röblitz. Advances in with concurrent kernel execution by 2. P. Deuflhard and M. Weiser. Adap- modelling of the bovine estrous cycle: kernel reordering. Symposium on Ap- tive Numerical Solution of PDEs. de Administration of PGF2alpha. Therio plication Accelerators in High Perfor- Gruyter, 2012. genology, 78(7): 1415 –1428, 2012. mance Computing (SAAHPC), 2012, pp. 74 – 83, July 2012. 3. M. Grötschel (ed.). Optimization 140. S. Szott. Vom Prototypen zum Stories. Documenta Mathematica, nachhaltigen Hosting-Service: die 1 4 7. A. Wiebel, F. M. Vos, D. Foerster, Journal der Deutschen Mathematiker- Resource Discovery Lösung ALBERT. and H.-C. Hege. WYSIWYP: What You Vereinigung, Extra Volume zur Bibliotheksdienst, 46(8/9): 683 – 686, See Is What You Pick. IEEE Transactions ISMP 2012, 2012. 2012. on Visualization and Computer Graph- ics, 18(12): 2236 – 2244, 2012. 4. C. Raack. Capacitated Network De- 141. W. Taylor, A. Fröhlich, F. Buttgereit, sign – Multi-Commodity Flow Formu- R. Ehrig, T. Witaschek, and G. Duda. 148. H.-D. Yan, P. Lemmens, J. Ahrens, lations, Cutting Planes, and Demand Metacarpophalangeal joint stiffness is M. Bröring, S. Burger, W. Daum, G. Uncertainty. PhD thesis, Technische reduced in patients affected by rheu- Lilienkamp, S. Korte, A. Lak, and M. Universität Berlin, 2012. matoid arthritis after glucocorticoid Schilling. High-density array of Au na- medication. In U. G. Kersting, nowires coupled by plasmon modes. 5. T. Schlechte. Railway Track Allocation M. M. Morlock, D. Jirova-Enzmann, Acta Phys. Sin., 61(23): 237106, 2012. – Models and Algorithms. PhD thesis, and K. Dremstrup (eds.), Proceedings Technische Universität Berlin, 2012. of the ESM-2012, Aalborg, page 39. 149. M. J. Zinser, S. Zachow, and Department of Health Science and H. F. Sailer. „Rotation Advancement“ Technology, Aalborg University, 2012. Procedures in patients with obstructive sleep apnea: A 3-dimensional 142. J. K. Tyminski, R. Popescu, airway analysis of morphological S. Burger, J. Pomplun, L. Zschiedrich, changes. International Journal of Oral T. Matsuyama, and T. Noda. Finite & Maxillofacial Surgery (in press), element models of lithographic mask 2012. topography. Proc. SPIE, 8326:83261B, 2012. 150. L. Zschiedrich, H.Greiner, J. Pom- plun, M. Hammerschmidt, S. Burger, 143. F. M. Vos, J. A. Tielbeek, R. E. Na- and F. Schmidt. FEM simulations of ziroglu, Z. Li, P. Schueffler, D. Mahapa- light extraction from nanostructured tra, A. Wiebel, C. Lavini, J. M. Buh- organic light-emitting diodes. Renew- mann, H.-C. Hege, J. Stoker, and L. J. able Energy and the Environment van Vliet. Computational modeling for Optics and Photonics Congress, page assessment of IBD: to be or not to be? LT2B.5. Optical Society of America, 2012 Annual International Conference 2012. of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), pages 3974 – 3977, 2012.

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DISSERTATIONEN Examensarbeiten Felix Langner (Abt. Parallele und Verteilte Systeme) Freie Universität Berlin Beuth-Hochschule Berlin Überlastungsschutz mit Anfrageprio- risierung für das Internetdateisystem Jens Kasten Andreas Weissenbrunner XtreemFS (Abt. Visualisierung und Datenanalyse) (Abt. Numerische Analysis und Betreuer: Alexander Reinefeld (ZIB Lagrangian feature extraction in Modellierung) und HU-Berlin) two-dimensional unsteady flows Ortsfehlerschätzer für semiimplizite Betreuer: Ingrid Hotz und Hans-Christian parabolische Löser Igor Merkulov Hege (TU Berlin und ZIB) Betreuer: Martin Weiser (ZIB) (Abt. Parallele und Verteilte Systeme) Parameter selection and evaluation Benjamin Kettner Freie Universität Berlin for programming of heterogeneous (Abt. Numerische Analysis und Model- architectures lierung) Mascha Berg Betreuer: Alexander Reinefeld, Thomas Detection of spurious modes in reso- (Abt. Numerische Analysis und Model- Steinke (ZIB und HU-Berlin) nance mode computations lierung) Betreuer: Frank Schmidt (FU Berlin und Laufzeitoptimierung der Robusten Philipp Preis ZIB) Perron Cluster Analyse (PCCA+) (Abt. Visualisierung und Datenanalyse) Betreuer: Marcus Weber, Susanna Sichtbarkeitsorientiertes Picking in Daniel Lockau Röblitz (ZIB) Direct Volume Renderings mit Be- (Abt. Numerische Analysis und leuchtungsmodellen Modellierung) Philipp Borgers Betreuer: Konrad Polthier, Alexander Optical modeling of thin film silicon (Abt. Parallele und Verteilte Systeme) Wiebel (FU Berlin und ZIB) solar cells with random and periodic Erweiterung eines verteilten Key- light management structures Value-Stores (Riak) um einen räum- Karl Ruben Betreuer: Frank Schmidt (FU Berlin lichen Index (Abt. Visualisierung und Datenanalyse) und ZIB) Betreuer: Florian Schintke (ZIB) Kugelpackungen in arbiträr geformten Volumina Jan Reininghaus Michael Brückner Betreuer: Knut Reinert, Daniel Baum, (Abt. Visualisierung und Datenanalyse) (Abt. Optimierung) Norbert Lindow (FU Berlin und ZIB) Computational discrete Morse theory Polyedrische Approximation von Betreuer: Ingrid Hotz (TU Berlin und ZIB) Punktwolken und ihre Anwendung in Alexander Surma der ICE-Abstellungsplanung (Abt. Visualisierung und Datenanalyse) Humboldt-Universität zu Berlin Betreuer: Günter Ziegler und Ralf Automatisierte Registrierung von 2D- Borndörfer (FU Berlin und ZIB) Daten in 3-dimensionalen Volumen Mikael Högqvist mit Hilfe von ZIBAmira (Abt. Parallele und Verteilte Systeme) Max Kahnt Betreuer: Günter Rote, Ingrid Hotz, Consistent Key-Based Routing in De- (Abt. Visualisierung und Datenanalyse) Daniel Baum (FU Berlin und ZIB) centralized and Reconfigurable Data Generation of constrained highquality Services multi-material tetrahedral meshes Tobias Tenbusch Betreuer: Alexander Reinefeld (ZIB und Betreuer: Konrad Polthier, Hans Lame- (Abt. Visualisierung und Datenanalyse) HU-Berlin) cker, Stefan Zachow, Heiko Ramm (FU Rendering von Partikeleffekten in Berlin und ZIB) einem Deferred Renderer Jan Stender Betreuer: Konrad Polthier, Alexander (Abt. Parallele und Verteilte Systeme) Martin Lange Wiebel (FU Berlin und ZIB) Snapshots in Large-Scale Distributed (Abt. Visualisierung und Datenanalyse) File Systems Shadow Volumes für dynamische Humboldt-Universität zu Berlin Betreuer: Alexander Reinefeld (ZIB und Dreiecksnetze auf CPU und GPU HU-Berlin) Betreuer: Konrad Polthier, Alexander Stefan Keidel Wiebel (FU Berlin und ZIB) (Abt. Parallele und Verteilte Systeme) Technische Universität Berlin Snapshots in Scalaris – Aufnahme konsistenter Zustände in einer verteil- Christian Raack ten Hashtabelle (Abt. Optimierung) Betreuer: Alexander Reinefeld (ZIB Capacitated Network Design und HU-Berlin) Multi-Commodity Flow Formulations, Cutting Planes, and Demand Uncer- tainty Betreuer: Martin Grötschel (TU Berlin und ZIB) konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 122

Maik Lange Daniel Uwazie (Abt. Parallele und Verteilte Systeme) (Abt. Optimierung) Effiziente Reparatur von Repliken in Approaches to Makespan Distributed Hash Tables Betreuer: Martin Grötschel und Ralf Betreuer: Alexander Reinefeld (ZIB und Borndörfer (TU Berlin und ZIB) HU-Berlin) Politecnico di Milano, Italien Jana Malinowski (Abt. Visualisierung und Datenanalyse) Sara Orgiu Ein kontinuierliches Optimierungs- (Abt. Visualisierung und Datenanalyse) verfahren für die Segmentierung Automatic liver segmentation in con- medizinischer Bilddaten mit Hilfe von trast enhanced CT data using 3D free- Formmodellen form deformation based on optimal Betreuer: Michael Hintermüller, Hans graph searching Lamecker (HU Berlin und ZIB) Betreuer: Pietro Cerveri,Hans Lame- cker, Dagmar Kainmüller (Politecnico Technische Universität Berlin di Milano und ZIB)

Jana Barckmann Hochschule Zittau/Görlitz (Abt. Optimierung) Optimizing cable and duct installa- Kristin Meisel tions in FTTx networks (Abt. Numerische Analysis und Model- Betreuer: Martin Grötschel und Axel- lierung) Werner (TU Berlin und ZIB) Mathematische Modellierung der Knochenremodellierung Nguyen The Duy Betreuerin: Susanna Röblitz (ZIB) (Abt. Visualisierung und Datenanalyse) Automatic segmentation for dental operation planning Betreuer: Stefan Gumhold, Stefan Za- chow, Dagmar Kainmüller (TU Berlin und ZIB)

Moritz Ehlke (Abt. Visualisierung und Datenanalyse) Simulating X-ray images from deformable shape and intensity models on the GPU Betreuer: Bernd Mahr, Stefan Zachow, Heiko Ramm (TU Berlin und ZIB)

Stephanie Jung (Abt. Optimierung) Optimierung der Bahnplanung für eine Pick-and-Place-Maschine Betreuer: Martin Grötschel und Ralf Borndörfer (TU Berlin und ZIB)

Tina Rockstroh (Abt. Optimierung) Die Primal-Dual-Methode: Überblick und Anwendung auf Netzwerk- und Approximationsalgorithmen Betreuer: Martin Grötschel und Ralf Borndörfer (TU Berlin und ZIB) konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 123

Vorträge und Lehrveranstaltungen von ZIB-Mitarbeitern und -Mitarbeiterinnen

Vorträge und 15.08.2012 Ralf Borndörfer Gastaufenthalte Measuring the Impact of Primal Heuristics 12.01.2012 FRICO 2012, Berlin Überblick Optimierung Karsten Andrae 21.08.2012 IVU UserGroup Optimization, Measuring the Impact of Primal Bayerische Oberlandbahn GmbH, 04.07.2012 Heuristics Holzkirchen Classical Hybrid Monte-Carlo Simulati- ISMP 2012, TU Berlin 12.01.2012 on of the Interconversion of Hexabro- 17.09.2012 BS-OPT mocyclododecane Stereoisomers SCIP: Solving Constraint Integer IVU UserGroup Optimization, Dynamical Systems and Differential Programs Bayerische Oberlandbahn GmbH, Equations 2012, Orlando, USA Wuhan University, School of Mathe- Holzkirchen matics and Statistics, Wuhan, China 20.02.2012 Cornelia Auer 24.09.2012 Railway Optimization and Integer Measuring the Impact of Primal Programming 24.02.2012 Heuristics Application Lecture, FU Berlin Glyph- and Texture-Based Visualization 2nd Sino-German Workshop, Beijing, 20.02.2012 of Segmented Tensor Fields China Einführung in die Diskrete IVAPP 2012, Rom, Italien 06.11.2012 Optimierung SCIP: Solving Constraint Integer Application Lecture, FU Berlin Wolfgang Baumann Programs 24.02.2012 TU Berlin Railway Optimization 14.02.2012 Workshop, Siemens Verkehrstechnik, HLRN – High Performance Computing Mark Blome ZIB in Norddeutschland 08.03.2012 Besuch von Studenten der TU Berlin 15.02.2012 Railway Optimization and Integer im ZIB (Vortrag und Führung) Modeling of complex 3D-nano Programming 07.05.2012 photonic devices: CAD techniques 5th International Conference on High- Computer-Simulationen auf Hoch- und and grid generation Performance Scientific Computing Höchstleistungsrechnern Fraunhofer-Institut für Angewandte (HPSC 2012), Hanoi ZEDAT, FU Berlin (Vortrag) Optik und Feinmechanik, Jena 12.03.2011 02.06.2012 23.02.2012 New Paths in Vehicle and Duty Supercomputer und Datenroboter Modeling of complex 3D-nano Optimization Vortrag und Führungen im Rahmen photonic devices: CAD techniques User Forum 2012, IVU Traffic Technolo- der „Langen Nacht der Wissen and grid generation gies AG, Berlin schaften“ 5th Annual Meeting Photonic Devices, 13.03.2012 13.06.2012 Matheon-Workshop, ZIB, Berlin Service Design in Public Transport Supercomputing im ZIB 20.04.2012 Matheon Center Days, TU Berlin Besuch von Studenten der HTW Berlin Optimization of thin film amorphous 13.03.2012 im ZIB (Vortrag und Führung) silicon solar cells using rigorous Rolling Stock Roster Planning for 24.10.2012 electromagnetic simulation tech- Railways Computer-Simulationen auf Hoch- und niques Matheon Center Days, TU Berlin Höchstleistungsrechnern Photonics Europe, Brüssel, Belgien 12.04.2012 ZEDAT/Fachbereich Physik (AG Seba- 02.06.2012 Railway Optimization and Integer stiani), FU Berlin (Vortrag) Vom Regenbogen zur Nano-Optik Programming Lange Nacht der Wissenschaften, Application Lecture, TU Kassel Timo Berthold Berlin 02.05.2012 03.07.2012 Optimierung der Fahrzeugumlaufpla- 23.03.2012 Modeling of complex 3D-nano nung für die DB Fernverkehr AG What are Linear Programming photonic devices using computer- Workshop, DB Fernverkehr AG, Frank- and Mixed Integer Programming? aided design techniques furt am Main Chuo University, Tokyo, Japan GEOMETRIC, INRIA Sophia Antipolis 24.08.2012 23.03.2012 14.09.2012 Configuration Models for Solving Inte- Primal Heuristics for Mixed Integer Back-reflector optimization in thinfilm grated Combinatorial Optimization Programs silicon solar cells using 3D finite Problems Chuo University, Tokyo, Japan element simulations 21st International Symposium on SCEE 2012, Zürich, Schweiz Mathematical Programming, Berlin, TU Berlin konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 124

17.09.2012 15.02.2012 07.03.2012 Railway Optimization and Integer Rigorous 3D Electromagnetic Field Improving the Efficiency of Algorithms Programming Simulations for EUV Mask Metrology for Survivable Multi-layer Network Seminar, Wuhan University, Wuhan SPIE Advanced Lithography, San Jose, Design 23.09.2012 CA, USA High Performance Scientific Compu- Robust Tail Assignment 17.02.2012 ting (HPSC 2012), Hanoi, Vietnam 2nd Sino-German Workshop on Op- Finite Element Methods for Nanoop- 08.03.2012 timization, Modeling, Methods and tics Simulations SolvingWireless Network Design Pro- Applications in Industry and Manage- Kavli Nanoscience Institute, CalTech, blems by Cycle Deletion ment, Chinese Academy of Siences, Pasadena, CA, USA High Performance Scientific Compu- Beijing 05.03.2012 ting (HPSC 2012), Hanoi, Vietnam 11.10.2012 Numerical simulations for design and 14.05.2012 Traffic Optimization analysis of metamaterials and plasmo- Introducing multi-band uncertainty in Workshop, Lufthansa Systems GmbH, nic structures Robust Optimziation ZIB 7th Workshop Ellipsometry (WSE), 4th ROBUKOM Workshop, München 22.10.2012 Leipzig 15.05.2012 Traffic Optimization 12.06.2012 Exploiting dominance criteria in the Workshop, IVU Traffic Technologies AG, JCMsuite – Finite Element Methods design of survivable multi-layer net- Berlin for Accurate Simulations of Optical works 14.11.2012 Micro- and Nanostructures 11th INFORMS Telecommunications LIDO Flight Optimization Optonet Workshop „Software für die Conference, Boca Raton, USA Workshop, Lufthansa Systems AG, Optik“, Jena 16.05.2012 Frankfurt am Main 21.06.2012 On the solution of Wireless Network 15.11.2012 Numerische Methoden für das Design Design Problems by Cycle Deletion Railway Optimization von mikrostrukturierten optischen 11th INFORMS Telecommunications Workshop, DB Netz AG, Frankfurt am Fasern Conference, Boca Raton, USA Main bayern photonics Workshop „Optische 07.06.2012 19.11.2012 Fasern“, Nürnberg New results about multi-band uncer- Railway Optimization 28.06.2012 tainty in Robust Optimziation Workshop, DSB S-Tog, Kopenhagen Finite Element Methods for Data Ana- SEA 2012, Bordeaux, Frankreich 29.11.2012 lysis in Optical Bidirectional Measure- 24.08.2012 Mathematical Infrastructure Design ments On the adoption of multi-band uncer- Italian-German Workshop on Smart EMRP meeting 2012, Espoo, Finnland tainty in robust network design Cities, Berlin 03.07.2012 ISMP 2012, Berlin 10.12.2012 Numerical simulations for design and 05.09.2012 BahnLab analysis of nanooptical structures Robust Optimization under Multiband Eröffnung des Forschungscampus (invited talk) International Conference Uncertainty MODAL, ZIB on Metamaterials, Jena AIRO 2012, Salerno, Italien 29.08.2012 15.11.2012 Alexander Bujotzek Simulationen der Lichtausbreitung im Robust Optimization under Multiband Nanokosmos Uncertainty 05.06.2012 Schülervortrag Matheon, TU Berlin 5th ROBUKOM Workshop, Berlin Quantifying the rebinding effect in 16.10.2012 23.11.2012 multivalent chemical ligand-receptor Finite Element Methods for Accurate Robust Optimization under Multiband systems Simulations of Optical Micro- and Uncertainty MESA+/SFB-765 Minisymposium, Nanostructures Seminar, RWTH Aachen Berlin Max-Born-Institut, Berlin 10.12.2012 26. – 29.09.2012 23.11.2012 A Hybrid Exact-ACO Algorithm for the Quantifying the rebinding effect in Finite-Elemente-Methoden für genaue Joint Scheduling, Power and Cluster multivalent chemical ligand-receptor und schnelle Simulationen zum De- Assignment in Cooperative Wireless interactions sign integriert-optischer Komponenten Networks Posterpräsentation, EMBO Chemical MOSAIC-meeting, Rohde & Schwarz, BIONETICS 2012, Lugano, Schweiz Biology 2012, Heidelberg München 13.12.2012 Robust Optimization under Multiband Sven Burger Fabio D’Andreagiovanni Uncertainty Seminar, IDSIA, Lugano, Schweiz 19.01.2012 01.03.2012 JCMsuite – Finite Element Methods On developing strong 0 –1 formulati- for Nanooptics Simulations ons for Wireless Network Design (invited talk) Workshop on FEM, IFH, ESF-JSPS Mathematics for Innovation: ETH Zürich, Schweiz Large and Complex Systems, Tokyo, Japan konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 125

Vincent Dercksen 12.06.2012 15.11.2012 Alfred K. Louis – Wissenschaftliche A Non-Standard Extrapolation Me- 21.03.2012 Spuren thod for Dynamical Contact Problems Light-microscopy-based anatomical Verleihung der Ehrendoktorwürde an Academy of Mathematics and System reconstruction and visual analysis of Alfred Louis, Zentrum für Technoma- Science, China cortical neural networks thematik, Universität Bremen 15.11.2012 Gesellschaft für Informatik, Workshop 16.08.2012 From Molecular Dynamics to Confor- Visual Computing in Medicine and Adaptive Multigrid Solvers for Eigen- mation Dynamics for Computational Biology, Berlin value Problems: Recent Results and Drug Design 21.04.2012 Open Problems School of Mathematics, Peking Univer- Light microscopy-based anatomical European Multigrid Conference (EMG) sity, China reconstruction, simulation and analy- 2012, Schloss Schwetzingen sis of cortical neural networks (invited 05.09.2012 Robert Döbbelin talk) Mathematical Topics in Virtual 2nd International Conference on Medicine 10. – 13.09.2012 Neural Field Theory, Reading, Großbri- IMS-IMI Joint Workshop on Mathe- An Analysis of SMP Memory Alloca- tannien matics for Industry: Biological and tors: MapReduce on Large Shared- 27.09.2012 Climatic Prospects, Singapur Memory Systems Synaptic Connectivity in Anatomically 10.09.2012 ICPPW 2012 – 41st International Con- Realistic Neural Networks: Modeling Das Lächeln der Mathematiker ference on Parallel Processing Work- and Visual Analysis Schülerbesuch des Canisius-Kollegs, shops, Pittsburgh, USA Eurographics Workshop on Visual ZIB Computing for Biology and Medicine 22.09.2012 Moritz Ehlke (VCBM), Norrköping, Schweden Lady Windermere’s Dual Fan and the Motion of her Knee 11.01.2012 Peter Deuflhard ICNAAM 2012, Kos, Griechenland Simulation of X-ray Attenuation inside 24.09.2012 Tetrahedral Meshes 05.03.2012 Übersichtsvortrag ZIB MXL project meeting, Leiden, Nieder- The Smile of the Mathematicians. Sitzung des Wissenschaftlichen Beirats lande Mathematical Modelling and Efficient des ZIB, Berlin 29.03.2012 Simulation in Facial Surgery 24.09.2012 Fast generation of virtual X-ray Department of Mathematics, Texas Der ZIB-Bereich „Numerische Mathe- images from deformable shape and A&M University, USA matik“ intensity model 24.03.2012 Sitzung des Wissenschaftlichen Beirats 10th SJTU-TUB Joint Workshop on The Smile of the Mathematicians. des ZIB, Berlin Data Science and Engineering, Shang- Mathematical Modelling and Efficient 03.10.2012 hai, China Simulation in Facial Surgery Adaptive multilevel finite element 08.06.2012 Erstes Großes Ostasiatisches DAAD methods in virtual medicine Simulating X-ray images from deform- Alumnitreffen zur Gründung über Plenary Talk, International Conference able shape and intensity models on regionaler Fachnetzwerke, Seoul, on Applied and Computational Mathe- the GPU Korea matics (ICACM), Ankara, Türkei TU Berlin Computer Graphics Collo- 09.04.2012 05.10.2012 quium, Berlin The Smile of the Mathematicians Painters, Murderers, Mathematicians 27.09.2012 King Abdullah University of Science Cognitive Science Seminar, Computer Efficient projection and deformation and Technology (KAUST), Thuwal, Engineering Science, Informatics Insti- of volumetric intensity models for Saudi Arabien tute/Department of Cognitive Science, accurate simulation of X-ray images 17.04.2012 Middle East Technical University Poster presentation at EG workshop Scientific Computing, the Hidden Key (METU), Ankara, Türkei on Visual Computing for Biology and Technology 12.11.2012 Medicine (VCBM), Norrköping, Schwe- Department of Physics, University of ScientificC omputing, the Hidden den Roma, La Sapienza, Italien Key Technology 16.11.2012 01.05.2012 College of Applied Sciences, Beijing Efficient projection and deformation From molecular dynamics to confor- University of Technology, China of volumetric intensity models for mation dynamics in computational 14.11.2012 accurate simulation of X-ray images drug design The Smile of the Mathematicians Jahrestagung der Deutschen Gesell- Department of Mathematics, Texas Symposium on Computational Ma- schaft für Computer- und Roboter A&M University, Texas, USA thematics and Applied Mathematics, assistierte Chirurgie e. V. (CURAC), Beijing University of Technology, Düsseldorf China konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 126

06.12.2012 06.03.2012 09.10.2012 Efficient projection and deformation Warum spart der Staat Steuern, wenn Branching in SCIP of volumetric intensity models for die Schüler eine halbe Stunde früher SCIP Workshop 2012, TU Darmstadt, accurate simulation of X-ray images aufstehen? Darmstadt Poster presentation at BSRT PhD sym- MathInside – Mathematik ist überall, 14.10.2012 posium The Show of Regeneration: Urania, Berlin ZIMPL 3.3: An Open Source Modelling Easy to see hard to foresee, Berlin 21.05.2012 Language Mixed-Integer Nonlinear Optimization INFORMS Annual Meeting, Phoenix, Konstantin Fackeldey Problems in Transportation Applica- USA tions 15.10.2012 13.02.2012 Bewerbungsvortrag, RWTH Aachen GCG 1.0 – A Generic Branch-Cut-and- Exploring the Energy Landscape of 24.08.2012 Price Solver Proteins for Docking Simulations Scheduling and Routing of Fly-in INFORMS Annual Meeting, Phoenix, Institut für Mathematik, Universität zu Safaris USA Lübeck 21st International Symposium on Ma- 16.10.2012 05.05.2012 thematical Programming (ISMP 2012), The SCIP Optimization Suite 3.0 – It’s Mit Mathematik Alzheimer und andere Berlin all in the bag! Krankheiten verstehen 29.10.2012 INFORMS Annual Meeting, Phoenix, Tag der Mathematik, FU Berlin Gemischt-ganzzahlige nichtlineare USA 08.05.2012 Optimierungsprobleme in zwei Trans- 16.10.2012 Clustermethoden für die modellbasier- portanwendungen Branching in SCIP te Optimierung der Versorgung Bewerbungsvortrag, Universität Ulm INFORMS Annual Meeting, Phoenix, komplexer Krankheitsbilder USA Universitätsklinikum, Mannheim Gerald Gamrath 23.10.2012 27.07.2012 Entwicklungen in SCIP und Rechen Multiscale Simulations for Biomole- 18.01.2012 ergebnisse für die MIP-Instanzen cules with Quantum-like Updates Aktuelle Entwicklungen in SCIP SAP Projektworkshop, ZIB, Berlin ECMI, Lund, Schweden SAP Projektworkshop, SAP, Walldorf 26.10.2012 13.09.2012 19.01.2012 Optimierung in der Produktions Pitfalls in atomistic to continuum An introduction to SCIP planung coupling simulations SAP Projektworkshop, SAP, Walldorf Schülerbesuch Gymnasium Remigia- ECCOMAS 2012, Wien, Österreich 29.03.2012 num, ZIB, Berlin 12.12.2012 Advanced Solver Technology for Supp- 21.11.2012 Mit Mathematik Krankheiten ly Chain Management Improving Strong Branching by Do- verstehen Matheon Rent the Center, ZIB, Berlin main Propagation Käthe-Kollwitz-Schule, Berlin 05.05.2012 Optimization Seminar, ZIB, Berlin Malen nach Zahlen Barbara Fichtl Ausstellungsbeitrag, 17. Berliner Tag Joanna Geibig der Mathematik, FU Berlin 22.05.2012 07.05.2012 17.11.2012 Relaunch der DHM-Online-Datenbank Entwicklungen in SCIP und Rechen Data Replication in Wireless Networks MAI-Tagung, Leipzig ergebnisse für die MIP-Instanzen METRIK Evaluierung Workshop, Dölln- 17.10.2012 SAP Projektworkshop, Friedrich- see Relaunch der DHM-Online-Datenbank Alexander-Universität, Erlangen (gemeinsam mit Brigitte Reineke, 11.07.2012 Ambros Gleixner DHM), Herbsttagung der Fachgruppe The SCIP Optimization Suite 3.0 – It’s Museumsdokumentation, ZIB, Berlin all in the bag! 23.03.2012 25th European Conference on Operati- Accurate Linear Programming Armin Fügenschuh onal Research (EURO), Vilnius, Litauen 1st CREST Workshop on Computati- 20.08.2012 onal Aspects of Solving Large-Scale 15.08.2011 – 15.02.2012 The SCIP Optimization Suite 3.0 – It’s Optimization Problems, Chuo Univer- Gastaufenthalt all in the bag! sity, Tokyo, Japan Georgia Institute of Technology, 21st International Symposium on Ma- 21.05.2012 Atlanta, Georgia, USA thematical Programming (ISMP 2012), Improving the Accuracy of Linear seit 01.11.2012 TU Berlin Programming Solvers with Iterative Vertretungsprofessur 04.09.2012 Refinement Friedrich-Alexander Universität Advanced Solver Technology for Supp- Egerváry Szerminárium, ELTE Univer- Erlangen-Nürnberg ly Chain Management sity, Budapest, Ungarn Matheon Rent the Center, ZIB, Berlin konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 127

25.07.2012 Julia Goltz HPSC 2012, Hanoi University of Sci- Improving the Accuracy of Linear ence and Technology, Hanoi, Vietnam Programming Solvers with Iterative 25.01.2012 12.03.2012 Refinement Cloud Computing and Libraries – A Industry-driven applications of mathe- ISSAC 2012, Grenoble, Frankreich German Perspective matics in the classroom 16.08.2012 Posterpresentation, 20. BOBCATSSS Matheon-Zentrumstage, TU-Berlin Rapid optimality-based bound 2012, Amsterdam 13.03.2012 tightening 24.05.2012 Integrated planning of multi-layer FRICO 2012, Berlin Baukastensystem für Metadatenma- networks 20.08.2012 nagement: Mable+ als Werkzeug Matheon-Zentrumstage, TU-Berlin Rapid optimality-based bound 101. Dt. Bibliothekartag 2012, Hamburg 25.04.2012 tightening 04.06.2012 Progress in Integer Programming ISMP 2012, Berlin Mein mobiles Leben mit SmartPhone International Conference on Frontiers 26.09.2012 und Tablet PC of Mathematics, IMPA, Rio de Janeiro, Optimization-based Bound Tightening (gemeinsam mit Jens Schwidder), 10. Brasilien, April 20 – 25, 2012 and Lagrangian Variable Bounds KOBV-Forum 2012, ZIB, Berlin 03.06.20120 2nd Sino-German Workshop on Op- 14.07.2012 Mathematics, operations research, timization, Modeling, Methods and Helping and learning – The project and modern industry Applications in Industry and Manage- „MUKO wiki“ as an example for a Pinhas Naor Lecture at the ORSIS 2012 ment, Chinese Academy of Sciences, hospital patient’s library supported by meeting, Kibutz Ma’aleh Ha’Hamisha, Beijing, China a nonprofit organization Israel 78. IFLA 2012, Helsinki 05.06.2012 Sebastian Götschel 30.10.2012 Optimization of gas networks Metadatenmanagement: Mable+ als Technion, Haifa, Israel 21.03.2012 Werkzeug zur Datenanalyse und -mo- 22.06.2012 Lossy Compression of State difikation Mathematical Rail Optimization and Trajectories Berliner Bibliothekswissenschaftliches Integer Programming Seminar des SFB „Mathematical Kolloquium (BBK), HU Berlin Fachkonferenz „Future Information & Optimization and Applications in Communication Technology“, TU Berlin Biomedical Sciences“, Universität Graz, Carl Martin Grewe 09.07.2012 Österreich IMU, the Making of ICM’98 & more, 27.03.2012 18.06.2012 Organizing Large Mathematical Confe- Lossy Compression of State Morphological Analysis of Facial rences: Pleasure or Nightmare? Trajectories Aging Patterns 12. International Congress on Ma- GAMM 2012, Darmstadt Dermatologikum Hamburg thematical Education (ICME 2012, 02.06.2012 13.11.2012 08. – 15.07.2012), Seoul, Korea Wie Datenkompression bei Herzkam- Statistical Shape Analysis – Digital 3D 31.07.2012 merflimmern hilft Morphometry Die Einstein Stiftung: Förderung: Lange Nacht der Wissenschaften, ZIB, Colloquium, Institute of Biochemistry Wege, Ziele, Erfolge, Pläne Berlin and Biology, University Potsdam Sitzung des Senats von Berlin, HU 11.06.2012 30.11.2012 Berlin Data Enhancement for Active Thermo- Digital 3D Facial Analysis 23.08.2012 graphy Merz Pharma GmbH, Frankfurt Hermann Minkowski and Convexity 11th Quantitative InfraRed Thermogra- 21st International Symposium on Ma- phy, Neapel, Italien Martin Grötschel thematical Programming (ISMP 2012), 19. – 24.08.2012, TU Berlin Ulrike Golas 06.02.2012 30.08.2012 Introduction to the Zuse Institute Konrad Zuse und das Zuse-Institut 25.04.2012 Berlin Workshop Interactive Model Synthesis for Scena- Treffen der Sektion Informationswis- zur Digitalisierung von Konrad Zuses rio Specifications senschaften der Leopoldina, ZIB, Berlin Nachlass, ZIB, Berlin UPC Barcelona 07.03.2012 24.09.2012 27.09.2012 Combinatorial Optimization in Action Der ZIB-Bereich „Diskrete Mathe A General Attribution Concept for Mo- Public Lecture, Hanoi University of matik“ dels in M-adhesive Transformation Science and Technology, Hanoi, Viet- Sitzung des Wissenschaftlichen Beirats Systems nam des ZIB, Berlin ICGT 2012 – International Conference 09.03.2012 27.09.2012 on Graph Transformation, 27.09.2012, Improving the Efficiency of Algorithms „Das Jüngste Gericht“ Bremen for Survivable Multi-layer Network Konferenz zur Verabschiedung von Design Peter Deuflhard, ZIB, Berlin konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 128

28.09.2012 18.02.2012 22.09.2012 Mathematik – Treiber wirtschaftlichen From Data Visualization to Music Visu- Data Visualization in Flow Analysis: Fortschritts? alization (invited talk) State-of-the-Art and Challenges VBKI-Festveranstaltung, ESMT, Berlin Retreat „Inspiration Interdisziplinarität“, (keynote talk) 23.10.2012 Universität der Künste in Berlin (UdK) 5th Symposium on Global Flow Insta- Einführungsreferat zur Podiumsdiskus- und Technische Universität Berlin bility and Control, Hersonissos, Kreta, sion: „Open Science – Chancen (TUB), Sauen Griechenland und Herausforderungn der digitalen 22.02.2012 15.10.2012 Wissenschaft“ Datenanalyse und Visualisierung im Uncertainty Modeling Jacob-Grimm-Zentrum, HU Berlin Bauwesen, Workshop Messen und Tutorial „Uncertainty and Parameter 01.11.2012 Überwachen im Bauwesen – eine Space Analysis in Visualization“, IEEE Modellieren, Simulieren, Optimieren: Zukunftsaufgabe VisWeek 2012, Seattle, WA, USA ein Versuch, Missverständnisse zu Bundesanstalt für Materialforschung 02.11.2012 klären und -prüfung (BAM), Berlin Propagation of Uncertainties: From Festvortrag anlässlich der Verleihung 19.03.2012 Diffusion Tensors to Anisotropy Indices des Klung-Wilhelmy-Weberbank- Light Microscopy-based Anatomical and Isosurfaces (invited talk) Preises der FU Berlin, FU Berlin Reconstruction, Simulation and Workshop Structural Brain Connectivi- 02.11.2012 Analysis of Cortical Neural Networks ty: Diffusion Imaging – State of the Art The IMU Secretariat in Berlin (invited talk) and Beyond, Humboldt-Universität zu Sitzung des IMU Office Committee, Bernstein Center for Computational Berlin, Germany IMUSekretariat, Berlin Neuroscience, Berlin 20.11.2012 20.04.2012 Stefan Heinz Drei Jahre Berliner Einstein Stiftung Visually Supported Data Analysis Berliner Wirtschaftsgespräche e. V., (invited talk) 23.03.2012 Satellite Office, Berlin Institute of Photonic Technology, Jena Using SCIP as a branch-and-price 30.11.2012 20.04.2012 framework Vertrauen in die/der Wissenschaft Anatomical Reconstruction, Simulati- Chuo University, Tokyo, Japan Wissenschaftliche Sitzung der BBAW on and Analysis of Cortical Neural 01.06.2012 Versammlung zum Thema: Vertrauen, Networks (invited talk) Reconsidering Mixed Integer Pro- BBAW, Berlin Institute of Photonic Technology, Jena gramming and MIP-based Hybrids for 26.04.2012 Scheduling Martin Hammerschmidt Interactive Visualization CPAIOR 2012, Nantes, Frankreich Annual Review of FP7 Project Vigor++ 13.09.2012 (Virtual Gastrointestinal Tract), Brus- Olga Heismann Modeling of thin-film silicon tandem sels, Belgien solar cells with random roughness 10.05.2012 04.12.2012 Seminar MPI für Physik des Lichts, Visualisierung von Strukturen in Daten The Hypergraph Assignment Problem Erlangen Celebration of Matheon’s 10th Anni- Discrete and Combinatorial Optimiza- versary, Technische Universität Berlin tion Group, Ruprecht-Karls-Universität Hans-Christian Hege (TUB) Heidelberg 25.05.2012 22.08.2012 07.02.2012 Quantification andV isualization of The Hypergraph Assignment Problem Visualization & Interaction: Support Uncertainties in Spatial and Spatio- 21st International Symposium on Ma- of New Diagnostic Tools for Bowel Temporal Data (invited talk) thematical Programming, Berlin Diseases Centro Nacional de Biotecnología 11.07.2012 Vigor++ (Virtual Gastrointestinal Tract) (CNB), CSIC, Madrid, Spanien The Hypergraph Assignment Problem Workshop, London, GB 03.06.2012 25th European Conference on Operati- 15.02.2012 Kugelpackungen, Bienenwaben und onal Research, Vilnius, Litauen Visual Support in Fluid Flow Analysis: Schäume 20.02.2012 State-of-the-Art, Recent Develop- Lange Nacht der Wissenschaften 2012 The hyperassignment problem and ments and Challenges (invited talk) Berlin/Potsdam, ZIB, Berlin IC/ICE rotation planning Minisymposium on Analysis and 31.07.2012 Math Slam, BMS Days, Berlin Representation of Large Data Sets, Probabilistic Features in Uncertain Universidad Politécnica de Madrid and Scalar and Vector Fields (invited talk) Benjamin Hiller Spanish Royal Academy, Spanien Simon Fraser University, Vancouver, Kanada 05.03.2012 14.09.2012 Advanced online algorithms for real- Visually Supported Data Analysis: Me- world elevator control thods and Applications (invited talk) 5th International Conference on High- DLR, Institute of Planetary Resarch, Performance Scientific Computing, Berlin, Germany Hanoi, Vietnam konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 129

05.03.2012 Professur Grundbau, Fakultät Bau Marika Karbstein From Simulation to Optimization ingenieurwesen, Bauhaus-Universität 5th International Conference on High- Weimar 21.08.2012 Performance Scientific Computing, 29.08.2012 Approximation and Min-Max Results Hanoi, Vietnam Automatic Extraction and Analysis of for the Steiner Connectivity Problem 22.03.2012 Realistic Pore Structures from μCT ISMP 2012, Berlin Vertragsdatenformat und Anpas- Data for Pore Space Characterization 13.09.2012 sungen für die Nominierungsvalidie- of Graded Soil A Dire Connection Approach to Inte- rung 6th International Conference on Scour grated Line Planning and Passenger Statusworkshop ForNe-Projekt, HU and Erosion, Paris, Frankreich Routing Berlin ATMOS 2012, Ljubljana, Slowenien 29.03.2012 Jesco Humpola Mathematical optimization for ex- Corinna Klapproth tension planning of gas transmission 05.03.2011 networks Solving Nonconvex MIQCP arising 17.02.2012 International Conference on Applied in Gas Network Extension Planning. Fast algorithms for the simulation of Mathematical Optimization and Mo- High Performance Scientific Compu- human knee joint motion delling 2012, Paderborn ting (HPSC 2012), Hanoi, Vietnam BioMed 2012, Innsbruck, Österreich 02.06.2012 18.04.2012 28.02.2012 Online-Optimierung: Von Aufzügen Topology Optimisation of Gas Trans- Efficient numerical algorithms for zum Farbensortieren und wieder mission Networks. Computational the simulation of human knee joint zurück Management Science (CMS 2012), motion Science Slam am ZIB, Lange Nacht der London, GB Computational Biomechanics, ZIB, Wissenschaften 2012 10.07.2012 Berlin 10.07.2012 Gas Network Topology Optimization. 28.03.2012 Verifying booked capacities in gas EURO XXV International Conference Consisteny results for a contact- networks (EURO 2012), Vilnius, Litauen stabilized Newmark method in time EURO 2012, Vilnius, Litauen 21.08.2012 and space 23.08.2012 Topology Optimization for Nonlinear GAMM 2012, Darmstadt Geometrie und Optimierung für den Network Flows. Handlungsreisenden 21st International Symposium on Ma- Marco Klindt Tschira-Session, 21st International thematical Programming (ISMP 2012), Symposium on Mathematical Berlin 27.03.2012 Programming (ISMP 2012), Berlin iConText – an App for Conveying Ar- 23.08.2012 Max Kahnt chaeological Contexts and Reception An automated method for verifying Histories of Exhibits to Museum booked capacities in gas networks 17.04.2012 Visitors 21st International Symposium on A multi-material FE-meshing tool Computer Applications and Quanti- Mathematical Programming FE-mesh generation workshop, ZIB, tative Methods in Archaeology (CAA (ISMP 2012), Berlin Berlin 2012), University of Southampton, UK 26.09.2012 23.11.2012 Stochastic Dominance and Online Bin Dagmar Kainmüller iCon.text – Eine Kioskanwendung zur Coloring Vermittlung antiker Kontexte: Kon- 2. Sino-German Workshop, Beijing 21.03.2012 zepte und Ergebnisse 16.10.2012 ODDS – Improving Deformable Abschlusskolloqium „Berliner Skulp- Buchungsvalidierung als Hypothesen- Surface Meshes through Omnidirectio- turennetzwerk“, Berlin Test nal Displacements and MRFs Statusworkshop ForNe-Projekt, FAU, Vortrag: Institute of Mathematics and Torsten Klug Erlangen Image Computing (MIC), Universität zu Lübeck 17.01.12 Ulrike Homberg 28.06.2012 Smart Destination-Call Elevator Con- Automatic Reconstruction Framework trol Algorithms 19. – 20.01.2012 for Bones, Nerves, and Teeth in Head Seminar, TU Warschau, Polen Gastaufenthalt CT-Data 17.01.12 Professur Grundbau, Fakultät Bauin- Vortrag: Computer Assisted Radiology The Freight Train Routing Problem genieurwesen, Bauhaus-Universität and Surgery (CARS), Pisa, Italien Seminar, TU Warschau, Polen Weimar 03.10.2012 28.06.12 19.01.2012 Automatic Detection and Classifica- Optimale Zugführung im Schienen Describing and Analyzing Particle and tion of Teeth in CT-Data güterverkehr Pore Structures of Soil from μCT Data Poster presentation at MICCAI, Nice, Kosmos Verbundtreffen, Chemnitz Frankreich konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 130

23.08.2012 Hans Lamecker 15.10.2012 An approach for solving the freight Dynamic Channels in Biomolecular train routing problem 19.11.2012 Systems: Path Analysis and Visualiza- ISMP 2012, Berlin Automatic Liver Segmentation tion 02.10.2012 Fraunhofer MeVis, Bremen IEEE VisWeek 2012, Seattle, WA, USA Optimierung auf der Schiene bunte 03.10.2012 Theorie und graue Praxis Automatic Detection and Classifica- Stefan Lohrum Schülerbesuch Albertus-Magnus- tion of Teeth in CT-Data Gymnasium Bensberg, ZIB, Berlin Poster presentation at MICCAI, Nice, 22.05.2012 06.12.2012 Frankreich Primo – aber sicher! Optimale Zugführung im Schienengü- 01.10.2012 101. Dt. Bibliothekartag 2012, Hamburg terverkehr Feature-Preserving, Multi-Material 24.05.2012 Kosmos Verbundtreffen, Erlangen Mesh Generation using Hierarchical De-Duplizierung – ein Thema auf Wie- Oracles dervorlage Thorsten Koch Poster presentation at MICCAI Work- 101. Dt. Bibliothekartag 2012, Hamburg shop on Mesh Processing in Medical 21.06.2012 22.08.2012 Image Analysis, Nice, Frankreich Servicequalität in verteilten Umge- Any progress one year after MIPLIB 16.06.2012 bungen 2010? Analysis of Inter-Individual Anatomical Oracle Bibliotheken Summit, Bonn ISMP 2012, TU Berlin Shape Variations of Joint Structures 25.09.2012 17.09.2012 Poster presentation at CAOS, Seoul, Neues aus dem KOBV From Simulation to Optimization South Korea SFX Anwendungen in Bibliotheken, School of Mathematics and Statistics, 08.05.2012 Fachhochschule Köln Wuhan University, China Patient-Specific Anatomical Models 22.09.2012 3rd VPH-noe study group on VPH Tool- Lars Lubkoll From Simulation to Optimization kit, Barcelona, Spanien 2nd Sino-German Workshop on 17.04.2012 19.06.2012 Optimization, Modeling, Methods Using TetGen and TetraGen with ZIB G1-continuous Hermite Mesh Refine- and Applications in Industry and Amira ment Management,Beijing, China FE-mesh generation workshop, ZIB, Posterpräsentation, PDESoft, Münster 28.09.2012 Berlin 29.03.2012 Solving mixed linear and nonlinear An Optimal Control Problem in Poly- problems using the SCIP Optimization Ralf Lenz convex Hyperelasticity Suite GAMM, Darmstadt The 24th RAMP Symposium, Miyagi, 20.08.2012 23.08.2012 Japan Optimization of water network opera- Optimal Control in Implant Shape 01.10.2012 tion under uncertainties Design Could we use a million cores to solve International Symposium on Mathe- ISMP 2012, Berlin an integer program? matical Programming, Berlin 03. – 07.09.2012 Seminar, Chuo University, Tokio, Japan Optimal Control in Implant Shape 06.10.2012 Monika Lill Design Could we use a million cores to solve Summer school „Modeling and an integer program? 04.06.2012 Simulation in Soft Tissue Biomecha- Seminar, Kyoto University, Japan Das „KOBV-Portal Zwei“ kommt nics: From Structure to Macroscopic KOBV-Forum 2012 , ZIB, Berlin Response“, Graz, Österreich Nico Kruber 26.06.2012 06.11.2012 Von der verteilten Suche zu VuFind – Optimales Implantatdesign 05.06.2012 Phase Null MathInside Urania, Berlin Scalaris: Scalable Web Applications VuFind Workshop, UB Leipzig with a Transactional Key-Value Store Matthias Miltenberger Berlin Buzzwords 2012, Berlin Norbert Lindow 20.11.2012 18.01.2012 Scalable Data Models with the Trans- 06.06.2012 Neuerungen und Fortschritte actional Key-Value Store Scalaris Perceptually Linear Parameter Varia- SoPlex/LP INGI 2012 Doctoral School Day in tions SAP-Projektworkshop, SAP, Walldorf Cloud Computing, Louvain-la-Neuve EuroGraphics 2012, Cagliari, Italien 28.03.2012 08.06.2012 Solving large-scale linear program- Interactive Rendering of Materials and ming problems Biological Structures on Atomic and APMOD 2012, Heinz-Nixdorf-Forum, Nanoscopic Scale Paderborn EuroVis 2012, Wien, Österreich konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 131

07.05.2012 Olaf Paetsch 24.02.2012 Neuerungen und Fortschritte Scattering problems with periodic SoPlex/LP 17.09.2012 exterior domains SAP-Projektworkshop, Friedrich- Vergleich automatischer 3D-Risserken- 5th Annual Meeting Photonic Devices, Alexander-Universität Erlangen- nungsmethoden für die quantitative ZIB, Berlin Nürnberg, Erlangen Analyse der Schadensentwicklung 23.08.2012 in Betonproben mit Computer-Tomo- Steffen Prohaska Advances in Linear Programming graphie ISMP 2012, TU Berlin DACH-Jahrestagung, Graz, Österreich 21.03.2012 06.09.2012 20.09.2012 Imaging the EntireMouse Brain at The SCIP Optimization Suite 3.0 – It’s Automated 3D Crack Detection for Cellular Resolution all in the bag! Analyzing Damage Processes in Con- Spring Workshop Visual Computing in OR 2012, Leibniz Universität Hannover crete with Computed Tomography Medicine and Biology, Berlin 12.09.2012 Conference on Industrial Computed Advances in Linear Programming Tomography, Wels, Österreich Christian Raack 3. IMA Conference on Numerical Line- ar Algebra and Optimisation, Universi- Frank Pfeuffer 26.06.2012 ty of Birmingham, Großbritannien Capacitated Network Design: Multi- 23.10.2012 20.08.2012 Commodity Flow Formulations, Verletzungen und Lösungsqualität An extension of the controlled robust- Cutting Planes, and Demand Uncer- SCIP/SoPlex und CPLEX ness model of Bertsimas and Sim tainty SAP-Projektworkshop, ZIB, Berlin 21st International Symposium on Ma- Technische Universität, Berlin thematical Programming (ISMP 2012), 03.07.2012 Anja Müller Berlin Cutset inequalities for robust network 12.09.2012 design 17.10.2012 An extension of the controlled robust- ENGOPT Conference, Rio de Janeiro, Servicestelle Digitalisierung Berlin – ness model of Bertsimas and Sim Brasil digiS Optimization Seminar, ZIB, Berlin 06.09.2012 Herbsttagung der Fachgruppe Muse- 23.10.2012 Cutset inequalities for robust network umsdokumentation, ZIB, Berlin DESI – Übergreifende Optimierung design DESI Konsortialtreffen, T-City Projekt- COApt workshop, Sabrosa-Douro, The Duy Nguyen büro, Friedrichshafen Portugal 29.11.2012 03.10.2012 Julia Plöntzke Principle Limits: Flexible bitrates and Automatic Detection and Classifica- dynamic traffic in future optical net- tion of Teeth in CT-Data 29.02. – 02.03.2012 works Poster presentation at MICCAI, Nice, Mathematical modeling of the female Kickoff – SASER project, München Frankreich estrous cycle – the cow and the wo- man Heiko Ramm Inken Olthoff Poster- und Videopräsentation, 45th Annual Conference of Physiology and 17.04.2012 02.10.2012 Pathology of Reproduction, Berlin Introduction to ZIBAmira and Tetra- Sparen durch Batterien – Wie man als Gen Stromgroßkunde Geld sparen kann Kai Pöthkow FE-mesh generation workshop, ZIB, Schülerbesuch Albertus-Magnus- Berlin Gymnasium Bensberg, ZIB, Berlin 06.06.2012 04.07.2012 23.10.2012 Probabilistic Local Features in Uncer- Using SSIMs for 3D reconstruction DESI – Übergreifende Optimierung tain Vector Fields with Spatial Corre- from 2D image data DESI Konsortialtreffen, T-City Projekt- lation MXL project meeting, Lisbon, Portugal büro, Friedrichshafen EuroVis 2012, Wien, Österreich 26.09.2012 From medical image data to finite ele- Wolfgang Peters-Kottig Therese Pollok ment meshes – Fast and accurate 3D reconstruction of musculoskeletal 04.06.2012 03.07.2012 anatomy Das „KOBV-Portal Zwei“ kommt Boundary conditions for scattering Conference workshop, EORS 2012, KOBV-Forum 2012, ZIB, Berlin problems with periodic exterior do- Amsterdam, Niederlande mains 8th Workshop on Numerical Methods for Optical Nano Structures, ETH Zürich konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 132

Alexander Reinefeld Guillaume Sagnol 02.06.2012 Neue Herausforderungen der Super- 24.10.2012 08.02.2012 computer-Programmierung HLRN: North-German Supercomputing Algorithmic aspects of large scale Lange Nacht der Wissenschaften, ZIB, Alliance optimal experimental design Berlin 2. Sino-German Workshop on „Cloud- invited talk at the ERGO seminar, Uni- 06.07.2012 based High Performance Computing“, versity of Edinburgh, Great Britain Replikation und Konsistenz im Cloud- Hasso-Plattner-Institut Potsdam 26.05.2012 Dateisystem XtreemFS A Stackelberg game to optimize the Seminar Betriebssysteme, H. Härtig, Markus Reuther distribution of controls in transportati- TU Dresden on networks 11.07.2012 3rd International conference on Game Thomas Schlechte A Rapid Branching method for the Theory for Networks (GAMENETS Vehicle Rotation Planning Problem 2012), Vancouver, Canada 17.01.2012 25th European Conference on Operati- 23.07.2012 Binpacking by SCIP onal Research (EURO 2012), Vilnius, PICOS: A python interface to conic Seminar, TU Warschau, Polen Litauen optimization solvers 18.01.2012 23.07.2012 ISMP 2012, TU Berlin Railway Track Allocation – Simulation, Vehicle Rotation Planning for Intercity Aggregation, and Optimization Railways Patrick Schäfer Seminar, TU Warschau, Polen 12st International Conference on Ad- 24.02.2012 vanced Systems for Public Transport 29.03.2012 Railway Track Allocation – Trassenallo- (CASPT12), Santiago, Chile SFA: a symbolic fourier approximation kation im Eisenbahnwesen and index for similarity search in Meeting mit Siemens Rail Automation, Susanna Röblitz high dimensional datasets ZIB, Berlin EDBT 2012, Berlin 20.08.2012 27.09.2012 Recent Developments in Railway From Molecular Simulations to Physi- Olga Scharkoi Track Allocation ology: The Role of Mathematics in ISMP 2012, TU Berlin Estrogen Modelling 25.07.2012 06.09.2012 Mathematics in Our Changing World – Computational Investigation of Mono- Railway Track Allocation – Simulation, How visions shape reality, Berlin hydroxylation by Cytochrome P450 Aggregation, and Optimization ECMI 2012, Lund, Schweden SOR 2012, Hannover Maria Rozova 12.09.2012 26.09.2012 Computationally aided design of opi Recent Developments in Railway 24.01.2012 oid analgesics selectively interacting Track Allocation Numerical method for precise simula- with opioid receptors in acidic injured Optimization Seminar, ZIB, Berlin tion of optical modes in VCSELs tissue SPIE Photonics West, San Francisco Posterpräsentation, Molecular Interac- Frank Schmidt 20.04.2012 tions 2012, Berlin 3D finite element simulation of optical 10.03.2012 modes in VCSELs Sebastian Schenker D23: Design of Photonic Devices and SFB787 School of Nanophotonics, Materials Doktorandenseminar 26.10.2012 Matheon Center Days, TU Berlin About an implementation of a 3- 20.03.2012 Beate Rusch objective linear programming solver Innovation area optical technologies Seminar, University of Coimbra ECMath Berlin 25.01.2012 13.12.2012 04.09.2012 Struktur und Aufgaben des KOBV About an implementation of a 3- Computational Nanooptics at ZIB Referendarkolloquium des KOBV, ZIB, objective linear programming solver Helmholtz-Zentrum Berlin Berlin Seminar, University of Nantes 23.10.2012 04.06.2012 Entwicklung der Reduced-Basis- Ein Blick in die Glaskugel – Verbünde Florian Schintke Method heute und übermorgen Zeiss AG, Jena KOBV-Forum 2012, ZIB, Berlin 14.02.2012 Aspekte der Langzeitarchivierung Robert Schwarz BBAW, Berlin 23.08.2012 Gas Network Design with Integrated Optimization of Topology and Dimen- sioning ISMP 2012, Berlin konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 133

07.09.2012 Thomas Steinke Doreen Thiede Extending Gas Transmission Networks OR 2012, Hannover 11.07.2012 25.01.2012 On Improving the Performance of Cloud Computing and Libraries – Jonas Schweiger Multi-threaded CUDA Applications A German Perspective with Concurrent Kernel Execution by Posterpresentation, 20. BOBCATSSS 08.02.2012 Kernel Reordering 2012, Amsterdam Multi-Scenario Topology Optimization SAAHPC, Argonne National Lab 28.03.2012 Optimierungsseminar, ZIB 13.11.2012 Entwicklung am Beispiel von OPUS 22.03.2012 Classroom Experiences at Zuse Insti- Referendarkolloquium des KOBV, ZIB, Multi-Szenario-Topologieplanung tute Berlin Berlin ForNe Statusworkhop, HU Berlin BOF Session „Parallel and Accelerated 04.06.2012 08.06.2012 Computing Experiences for Successful OPUS wird erwachsen Mathematical Programming for Gas Industry Careers in High-Performance 10. KOBV-Forum 2012, ZIB, Berlin Network Operation and Extension Computing“, SC'12, Salt Lake City 14.08.2012 5th Nordic Optimization Symposium, Helping and learning – The project NTNU, Trondheim, Norwegen Claudia Stötzel MUKOwiki as an example for a hospi- 04.07.2012 tal patient’s library supported by a Gas Network Topology Extension for 07.08. – 10.08.2012 non-profit organization Multiple Scenarios Modeling of endocrinologial networks 78. IFLA 2012, Helsinki STOPROG-2012, Nida, Litauen Posterpräsentation, SIAM Conference 10.07.2012 on the Life Sciences, San Diego, USA Ingmar Vierhaus Gas Network Topology Extension for Multiple Scenarios Elmar Swarat 30.09.2012 EURO, Vilnius, Litauen System Dynamics and Mixed Integer 21.08.2012 20.04.2012 Nonlinear Optimization Multi-Scenario Topology Optimization Optimization of Toll Enforcements on Matheon/BMS Young Researchers in Gas Networks Motorways Weekend, Blossin ISMP 2012, Berlin 3rd Student Conference on Operati- 09.10.2012 onal Research – SCOR 2012, Notting- Marcus Weber Multi-Scenario Topology Optimization ham, UK in Gas Networks 24.04.2012 23.01.2012 SCIP Workshop 2012, Darmstadt Optimization Methods for Railway Simulation von Ligand-Rezeptor- Planning Problems Bindungsvorgängen – ist die Kinetik Jens Schwidder 21. railML.org-Treffen, Dresden noch zu retten? 22.08.2012 Workshop am Fraunhofer-Institut IPK, 04.06.2012 Modeling and Solving a Toll Enforce- Berlin Mein mobiles Leben mit SmartPhone ment Problem 23.04.2012 und Tablet PC 21st International Symposium on Ma- In-Silico-Toxikologie von Transfor 10. KOBV-Forum 2012, ZIB, Berlin thematical Programming (ISMP 2012), mationsprodukten Berlin DWA-Workshop, Koblenz Yuji Shinano 15.10.2012 10.05.2012 Toll Enforcement Planning by Integer Biology – too complex? 24.08.2012 Programming Deutsche Biotechnologietage 2012, ParaSCIP and FiberSCIP – Parallel Informs Annual Meeting 2012, Phoe- Frankfurt (Main) extensions of SCIP nix, AZ, USA 20.06.2012 ISMP 2012, TU Berlin 05.12.2012 Compressive Sensing in Drug Modeling and Solving a Toll Enforce- Discovery Kathrin Sobe ment Problem SIAM Appl. Lin. Alg., Valencia, Spanien ZIB – Optimierungsseminar, Berlin 25.07.2012 19.06.2012 In-Silico Methods for Biomolecular Consistency and fault tolerance for Sascha Szott Drug Design erasure-coded data in distributed sto- ECMI 2012, Lund, Schweden rage systems 24.05.2012 18.10.2012 DIDC 2012, Delft Das Discoverysystem ALBERT: Ein Rebinding Events and Negative Reac- Baustein auf dem Weg zur Realisie- tion Rates rung des Library-as-a-Service-Kon- Internationales Symposium SFB-765, zepts Berlin Posterpresentation, 101. Dt. Bibliothe- kartag Hamburg konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 134

Martin Weiser 06.11.2012 Kati Wolter Wer traut noch dem Computer? 15.02.2012 Matheon series MathInside, Urania 09.02.2012 Kompression – die Mathematik hinter Berlin Exact Integer Programming JPG und MP3 Gastvorlesung ADM III, TU Berlin Tag der Naturwissenschaften, Axel Werner 04.07.2012 Kopernikus-Gymnasium Blankenfelde Exact Integer Programming 06.03.2012 18.01.2012 Annual meeting DFG Priority Program Goal-oriented error estimation for DESI „Algorithm Engineering“, Goethe- nonlinear optimal control problems Telecom day, ZIB Universität Frankfurt am Main 5th Conference on High Performance 11.06.2012 22.08.2012 Scientific Computing, Hanoi, Vietnam Mathematical Optimization in Tele- An Exact Rational Mixed-Integer 08.03.2012 communications Programming Solver Lossy Compression of State Trajecto- Besuch von Studenten der HTW Berlin, ISMP 2012, TU Berlin ries ZIB 24.09.2012 5th Conference on High Performance 13.06.2012 Exact Integer Programming Scientific Computing, Hanoi, Vietnam Schneller Surfen – Optimierung von Sitzung des Wissenschaftlichen 29.03.2012 Telekommunikationsnetzen Beirates des ZIB, Berlin Cardiac Simulation – from cellular Besuch von Schülern der Lenné-Schule automata to PDEs Potsdam, ZIB Stefan Zachow Besuch dänischer Studenten, ZIB, 09.07.2012 Berlin Optimizing energy consumption of 13.03.2012 13.06.2012 telecommunication networks Facial Surgery Planning Mathematik in der Therapieplanung: EURO XXV, Vilnius (Litauen) Votrag: 13th Winter Meeting of the Hyperthermie 05.09.2012 European Besuch der Lenné-Schule, ZIB, Berlin Minimization of energy consumption Academy of Facial Plastic Surgery 20.06.2012 in IP-over-WDM networks (EAFPS), Galtür, Österreich Delayed Residual Compensation for OR 2012, Hannover 27.03.2012 Bidomain Equations 10.09.2012 Using SSIMs for 3D Anatomy Re- 21st International Conference on Schneller Surfen mit Geometrie – construction from 2D Image Data Domain Decomposition Methods, Optimierung von Telekommunikations- MXL project meeting, Brussels, Bel- Rennes, Frankreich netzen gien 03.07.2012 Schülerbesuch des Canisius-Kollegs 31.03.2012 Goal-oriented error estimation for Berlin, ZIB Facial Surgery Planning: An Engineer’s nonlinear optimal control problems 13.11.2012 View WIAS, Berlin DESI – Optimierungsmodelle zur Eingeladener Vortrag: 2nd Int. Sympo- 03.08.2012 Berechnung von Energieeinsparpoten- sium on New Technologies for Diagno- Hierarchical Error Estimators in Kaska- tialen im Festnetz sis, Planning & Treatments in Maxillo- de 7 – Implementation and Application IT2Green Fachgruppentreffen, HHI, facial Surgery (3DBO), Bologna, Italien to Optimal Control Problems Berlin 04.07.2012 Computational Methods in Applied 3D Anatomy Reconstruction from 2D Mathematics 5, Berlin Alexander Wiebel X-Ray Images 23.08.2012 MXL project meeting, Lisbon, Portugal Goal-oriented error estimation for 17.08.2012 15.06.2012 nonlinear optimal control problems Sichtbarkeitsorientierte 2D-Auswahl Fast Computation of Virtual Radio- 21st International Symposium on von Strukturen in 3D-Volumendarstel- graphs for 3D Surgery Planning based Mathematical Programming lungen on X-Ray (ISMP 2012), Berlin BSV-Seminar (Universität Leipzig), Vortrag: 12th Annual meeting of the 04.09.2012 Boží Dar, Tschechische Republik Int. Society for Computer Assisted Cardiac Simulation – from cellular 11.10.2012 Orthopaedic Surgery (CAOS), Seoul, automata to PDEs Visbility-Oriented Picking in Direct Südkorea Besuch dänischer Studenten, ZIB, Volumetric Renderings 09.11.2012 Berlin Computer Science Department Collo- Three-dimensional morphometry. 12.09.2012 quium, University of California, Davis, Building an objective for surgical Optimal control for implant shape USA reconstruction of cranial deformities design 17.12.2012 Eingeladener Vortrag: Culture Meets ECCOMAS 2012, Wien, Österreich WYSIWYP: What You See Is What You Surgery. Images, Models, and Inter- 26.10.2012 Pick pretations of the Human Skull, 1st Von flimmernden Herzen und zellu- IEEE Scientific Visualization 2012, Annual Conference of ZfL, Berlin lären Automaten Seattle, USA Besuch des Gymnasiums Remigia- num, ZIB, Berlin konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 135

VORLESUNGEN UND SEMINARE S. Gottwald, Th. Klein, G. Maiwald: WS 2012/13 Numerik (VL 2 SWS, mit FU Berlin T. Dierkes, C. Stötzel) Wolfgang Baumann: Jacobs WS 2011/12 Algorithmen und Analyse University Bremen auf bibliographischen Daten (Prakti- Frank Schmidt: FU Berlin WS 2011/12 Parallel programming with kum) WS 2012/13 Computational Photonics MPI and OpenMP (Lehrveranstaltung (VL 2 SWS) und Kurs gemeinsam mit H. Stüben) Martin Grötschel: TU Berlin WS 2011/12 Seminar: Proof Techniques Marcus Weber: FU Berlin Wolfgang Baumann: TU Berlin in Polyhedral Combinatorics (Blockse- SS 2012 Lineare Algebra I (lehramtsbe- WS 2011/12 Einführung in die parallele minar, gemeinsam mit Annie Ray- zogen) (VL 4 SWS, mit A. Caiazzo) Programmierung mit MPI und Open- mond (Berlin Mathematical School)) WS 2012/13 Trans-/Inter-/Multidiszipli- MP (Lehrveranstaltung und Kurs SS 2012 Mathematics of Infrastructure näres Arbeiten (SE 2 SWS) gemeinsam mit H. Stüben) Planning (ADM III) (Vorlesung gemein- WS 2012/13 Simulation von Biomole- sam mit Ralf Borndörfer) külen (VL 2 SWS, mit K. Fackeldey, Ralf Borndörfer: TU Berlin WS 2012/13 Einführung in die Lineare B. Schmidt) WS 2011/12 Computational Integer und Kombinatorische Optimierung Programming (VL 4 SWS, mit T. Koch) (Vorlesung gemeinsam mit Benjamin Martin Weiser: FU Berlin SS 2012 Mathematics of Infrastructure Hiller) WS 2011/12 Analysis I (lehramtsbezo- Planning (VL 4 SWS, mit M. Grötschel) gen) (VL 4 SWS) Hans-Christian Hege: Mediadesign SS 2012 Analysis II (lehramtsbezogen) Ralf Borndörfer: Vietnam Academy Hochschule für Design und Informatik (VL 4 SWS, mit K. Fackeldey) of Science and Technology, Hanoi SS 2012 3D Simulation/ Echtzeitvisuali- WS 2012/13 Lineare Algebra I (VL WS 2011/12 Mathematical Optimiza- sierung (Vorlesung (Blockkurs)) 4 SWS) tion and Public Transportation (Block- kurs 6+6 S) Olga Heismann: Multinationale Akade- Alexander Wiebel: Freie Universiät mie Torgelow Berlin Sven Burger: TU Berlin 01.08.2012 – 18.08.2012 Kombinato- WS 2012/13 Scientific Visualization WS 2011/12 Computational Nanooptics rische Optimierung (zweieinhalbwö- (Vorlesung) (VL 2 SWS) chiger SchülerAkademie-Kurs) WS 2012/13 Methoden zur Berechnung der Eigenschaften von VCSELn Thoralf Klein, Gunar Maiwald: FU MITVERANSTALTER AUSWÄRTIGER und verwandter Resonatoren (VL Berlin TAGUNGEN 2 SWS) WS 2012/13 Text-Mining-Toolbox: Ver- fahren und Werkzeuge zur Textanalyse Ralf Borndörfer Peter Deuflhard: FU Berlin (Praktikum) 28. – 30.03.2012 WS 2011/12, SS 2012 Oberseminar PC International Conference on Ap- Scientific Computing (Mitveranstalter: Olaf Paetsch: Freie Universiät Berlin plied Mathematical Optimization and C.Carstensen,H.Gajewski (FUB/WIAS), 31.07. – 01.08.2012 Einführung in die Modelling (APMOD 1012), U Pader- R. Klein (FUB), R. Kornhuber (FUB), digitale Bildverarbeitung (Sommeruni) born V. Mehrmann (TUB), S. Reich (U Pots- 02. – 03.08.2012 Einführung in die Com- 20. – 24.08.2012 dam), K. Polthier (FUB), C. Schütte putergrafik (Sommeruni) OC 21st International Symposium (FUB), J. Sprekels (HU/WIAS), F. on Mathematical Programming Tröltzsch (TUB), H.Yserentanat (TUB)) Alexander Reinefeld: HU Berlin (ISMP 2012), TU Berlin WS 2011/12 Numerische Grundlagen SS 2012 Fehlertolerante Codes für par- der Systembiologie (VL 4 SWS mit S. allele Speichersysteme (Seminar) Wolfgang Dalitz Röblitz, T. Dierkes, C. Stötzel) SS 2012 NoSQL-Datenbanken (Semi- 17. – 20.09.2012 nar) Minisymposium „Information und Konstantin Fackeldey: FU Berlin SS 2012 Forschungsseminar Parallele Kommunikation in der Mathematik“ SS 2012 Analysis II (lehramtsbezogen) und Verteilte Systeme (Seminar) im Rahmen der DMV Tagung in Saar- (VL 4 SWS, mit M. Weiser) WS 2012/13 Architektur paralleler und brücken SS 2012 Fortgeschrittene Methoden in verteilter Systeme (Vorlesung und der Simulation von Biomolekülen (SE, Übungen, gemeinsam mit Florian Armin Fügenschuh mit B. Schmidt) Schintke) 20. – 24.08.2012 WS 2012/13 Simulation von Biomole- WS 2012/13 Forschungsseminar Paral- OC 21st International Symposium külen (VL 2 SWS, mit B. Schmidt, M. lele und Verteilte Systeme (Seminar) on Mathematical Programming Weber) (ISMP 2012), TU Berlin Susanna Röblitz: FU Berlin 23.08.2012 Armin Fügenschuh: FAU Erlangen- WS 2011/12 Numerische Grundlagen Organisation des Klaus Tschira Work- Nürnberg der Systembiologie (VL 4 SWS, mit shops im Rahmen der ISMP 2012 ge WS 2012/13 Kombinatorische Opti P. Deuflhard, T. Dierkes, C. Stötzel) meinsam mit Martin Skutella, mierung (VL 4 SWS) TU Berlin konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 136

Ulrike Golas 14. – 19.10.2012 Marcus Weber 01.04.2012 IEEE Visualization Conference – Vis 23. – 24.04.2012 7th ACCAT Workshop (ACCAT ’12) on 2012 (Member of SciVis ProgramCom- DWA-Fortbildungstagung für Wasser- Applied and Computational Category mittee) Seattle, WA, USA chemiker, Koblenz Theory im Rahmen der ETAPS, Tallinn, 12.11.2012 Estland Ultrascale Visualization Workshop Alexander Wiebel (Member of Program Committee) 27. – 28.09.2012 Martin Grötschel Salt Lake City, UT, USA Eurographics Workshop on Visual 05. – 09.03.2012 15.11.2012 Computing for Biology and Medicine 5th International Conference on High Karl-Heinz-Höhne-Award, 11. Jahres- (Member of Program Committee) Performance Scientific Computing, tagung für Computer- und Roboteras- Norrköping, Schweden Hanoi, Vietnam sistierte Chirurgie – CURAC 2012 17.09.2012 12. – 14.03.2012 (Member of Program Committee) Workshop GI Informatik 2012 – Trends Matheon-Zentrumstage ,TU Berlin Düsseldorf und aktuelle Entwicklungen für die 22. – 23.04.2012 computerassistierte Neurochirurgie IMU EC Meeting, Rio de Janeiro, Ulrike Homberg Braunschweig Brasilien 12.12.2012 14. – 15.10.2012 09. – 11.07.2012 ZIBAmira Workshop für Mitarbeiter 2nd IEEE Symposium on Biological Vorbereitungssitzung für ICM’2014 der BAM, Berlin Data Visualization – BioVis 2012 Seoul, Republik Korea (Member of Program Committee) 19. – 24.08.2012 Thorsten Koch Seattle, WA, USA 21st International Symposium on Ma- 22.09. – 27.09.2012 thematical Programming (ISMP 2012), The 2nd Sino-German Workshop on Stefan Zachow TU Berlin Optimization, Modeling, Methods and 17. – 18.04.2012 24.08.2012 Applications in Industry and Manage- MXL Meshing Workshop, Berlin Empfang anlässlich des 90. Geburts- ment, Beijing, China 27. – 28.09.2012 tages von Egon Balas und des Er- 20. – 24.08.2012 Eurographics Workshop on Visual scheinens seines Buches „The Will to OC 21st International Symposium Computing for Biology and Medicine Freedom“ in deutscher Sprache on Mathematical Programming (Member of Program Committee) TU Berlin (ISMP 2012), TU Berlin Norrköping, Schweden 15.11.2012 Hans-Christian Hege Olaf Paetsch 11. Jahrestagung für Computer- und 21.03.2012 12.12.2012 Roboterassistierte Chirurgie – CURAC GI Fachgruppen-Workshop Visual ZIBAmira Workshop für Mitarbeiter 2012 (Member of Program Committee) Computing in Medicine and Biology der BAM, Berlin, Deutschland Düsseldorf Berlin, Deutschland 15.11.2012 05. – 08.06.2012 Steffen Prohaska Karl-Heinz-Höhne-Award, 11. Jahres- 14th Annual Eurographics Symposium 27. – 28.09.2012 tagung für Computer- und Roboteras- on Data Visualization – EuroVis Eurographics Workshop on Visual sistierte Chirurgie – CURAC 2012 2012 (Member of Program Committee) Computing for Biology and Medicine (Member of Program Committee) Wien, Österreich (Member of Program Committee), Düsseldorf 26. – 28.06.2012 Norrköping, Schweden 16.11.2012 20th International Conference on 12. – 14.11.2012 GI Fachgruppen-Workshop Visual Computer Graphics, Visualization VMV – Workshop on Vision, Modeling Computing for Biology and Medicine and Computer Vision 2012 – WSCG & Visualization (Member of Program Düsseldorf 2012 (Member of Program Committee) Committee), Magdeburg 05.10.2012 Pilsen, Tschechische Republik MICCAI Workshop on Clinical Image- 27. – 28.09.2012 Heiko Ramm based Procedures: From Planning to Eurographics Workshop on Visual 17. – 18.04.2012 Intervention (CLIP 2012) (Member of Computing in Biology and Medicine MXL Meshing Workshop, Berlin Program Committee) – VCBM 2012 (Member of Program Nice, Frankreich Committee), Norrköping, Schweden Susanna Röblitz 14. – 15.10.2012 08.11.2012 2nd IEEE Symposium on Biological Minisymposium „Systems Biology Data Visualization – BioVis 2012 and its Modelling Schemes“ (Member of Program Committee), im Rahmen der Tagung Brazilian- Seattle, WA, USA German Frontiers of Science and Tech- nology Symposium, Brasilia, Brasilien konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 137

Tagungen und Gäste am ZIB

Gastvorträge 27.02.2012 11.06.2012 Ulrich Simon Olga Sorkine 05.01.2012 ¸ (Ulmer Zentrum für Wissenschaftliches (ETH Zürich, Schweiz) Radu Ioan Bot Rechnen) Fast Shape Deformation using (Technische Universität Chemnitz) Simulating bone regenerative pro- Skinning A Fenchel duality-based approach for cesses solving optimization problems arising 25.06.2012 in supervised learning 28.02.2012 Eric Lengyel Wolfgang Ehlers (Terathon Software, Roseville, CA, 25.01.2012 (Universität Stuttgart) USA) Chamakuri Nagaiah Towards the overall human – com- The Return of Forgotten Mathematics (University of Graz) putational biomechanics proceeding in Computer Graphics Boundary control of Bidomain from multi-component and multi-phy- equation sical tissue properties 06.08.2012 Guoyan Zheng 22.02.2012 28.02.2012 (Universität Bern, Schweiz) David J. Norris Christian Hellmich 3D Personalized Reconstruction of (ETH Zürich) (Technische Universität Wien, Öster- External Shape and Internal Intensity Thermal Plasmonics as a Route to reich) Distribution from X-ray Images: Stati- Photovoltaics? Bone structure and strength: an stical Model-based Solutions integrative physio-chemo-mechanical 22.02.2012 approach with links to biology and 11.09.2012 Harald Giessen medicine Domenico Salvagnin (Universität Stuttgart) (Universitá degli Studi di Padova, Complex 2D and 3D plasmonic nano- 28.02.2012 Italien) structures Mirjam Walloth Randomness and tree search (Rheinische Friedrich-Wilhelms- 22.02.2012 Universität Bonn) 28.09.2012 Stefano Selleri Adaptive numerical simulation of Rainer Michalzik (Universitá degli Studi di Parma, contact problems. Resolving local (Universität Ulm) Italien) effects at the contact boundary in Vertikallaserdioden (VCSEL): Status Photonic crystal fiber numerical de- space and time und Anwendungen sign for fiber lasers used in photovoltaics scribing 02.04.2012 15.11.2012 Bernd Bickel Fabrizio Grandoni 22.02.2012 (Disney Research Zürich, Schweiz) (IDSIA Lugano, Lugano, Schweiz) Bernd Kleemann Human Faces – From Reality to Reality New Approaches to Network Design (Carl Zeiss AG, Oberkochen) Integral equation method for photo- 11.04.2012 16.11.2012 nics applications in conical diffraction Daniluk Pawel Dominic Schupke (Warsaw University, Polen) (Nokia Siemens Networks) 27.02.2012 Computational complexity and an ap- Delay Performance of Resilient Cloud Horst Nackenhorst proach based on the Motzkin-Strauss Services over Networks (Leibniz Universität Hannover) theorem Computational biomechanics of bones – state of the art and recent develop- 11.04.2012 GASTAUFENTHALTE ments Maciek Dzizubinski ¸ (Warsaw University, Polen) Radu Ioan Bot 27.02.2012 Detection of local states and causality (Technische Universität Chemnitz) Rolf Krause analysis 05.01.2012 (Universitá della Svizzera Italiana, Lugano) 07.05.2012 Dany Pascal Moualeu A non-linear biphasic model for Hans-Christian von Herrmann; Kohei (University of Younde I, Kamerun) periodontal ligament: modeling and Suzuki 09.01.–31.12.2012 simulation (TU Berlin) Weißt du, wieviel Sternlein stehen? – Chamakuri Nagaiah ZumVerhältnis von Beobachtung und (Universität Graz, Österreich) Darstellung im Planetarium 23.–27.01.2012 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 138

Falco Schmidt Stefan Weltge Xin Liu (Universitätsklinikum Ulm) (Universität Magdeburg) (Chinese Academy of Sciences, 23.–24.02.2012 16.–20.07.2012 Beijing, China) 18.08.–01.09.2012 Bernd Lapatki Pietro Belotti (Universität Ulm) (Clemson University, Clemson, South Ya-xiang Yuan 23.–24.02.2012 Carolina, USA) (Chinese Academy of Sciences, 18.07.–28.08.2012 Beijing, China) Grigorios Pavliotis 27.08.–01.09.2012 (Imperial College London, UK) Akiyoshi Shioura 01.03.–31.08.2012 (Graduate School of Information Markus Leitner Sciences, Tohoku University, Japan) (Technische Universität Wien) Bernd Bickel 21.07.–31.08.2012 28.08.–29.08.2012 (Disney Research Zürich, Schweiz) 02.04.2012 Wolfgang Bangerth Michael Hofmeister (Texas A&M University, USA) (Siemens AG, München) Felipe Serrano Mussalem 23.07.2012 23.–25.09.2012 (Universidad de Chile, Santiago de Chile, Chile) Erika Kovács Alfred Louis 10.–30.04.2012 (Eötvös Loránd University, Budapest, (Universität des Saarlandes, Ungarn) Saarbrücken) Xin Liu 23.07.–23.08.2012 23.–25.09.2012 (Chinese Academy of Sciences, Beijing, China) Daniel Steffy Ludger Sax 20.–27.04.2012 (Oakland University, USA) (Open Grid Europe GmbH, Essen) 25.07.–31.08.2012 23.–26.09.2012 Burgu Tunga (Istanbul Technical University, Türkei) Guoyan Zheng Jörg Sack 14.05.–15.11.2012 (Universität Bern, Schweiz) (Carleton University, Canada) 06.08.2012 22.–26.09.2012 Olga Sorkine (ETH Zürich, Schweiz) Leqin Wu Thomas Wolf 03.06.–31.07.2012 (Chinese Academy of Sciences, (Brock University, St. Catherines, Beijing, China) Ontario, Kanada) Domenico Salvagnin 12.–25.08.2012 08.–12.10.2012 (Universität Padua, Italien) 18.06.–13.09.2012 Yafen Liu Eberhard Schrüfer (Chinese Academy of Sciences, (Fraunhofer SCAI, St. Augustin) Erich Lengyel Beijing, China) 09.–12.10.2012 (Terathon Software, Roseville, CA, 12.–25.08.2012 USA) Bülent Karasözen 25.06.2012 Zaw Win (Middle East Technical University (University of Yangon, Myanmar) (METU), Ankara, Türkei) Amir Niknejad 16.–31.08.2012 19.–20.11.2012 (The College of Saint Vincent, New York, USA) Nam Dung˜ Hóang 02.07.–20.08.2012 (Hanoi University of Science and Technology) Stefan Jacobs 16.08.–10.09.2012 (Fachhochschule Flensburg) 02.07.–30.09.2012 Rujira Ouncharan (Chiang Mai University, Thailand) Junwhan Lee 17.–25.08.2012 (Advanced Nano Device Laboratory, Pohang, Korea) Hans Mittelmann 06.–22.07.2012 (Arizona State University, Tempe, Arizona, USA) 17.–27.08.2012 konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 139

TAGUNGEN UND Veranstaltungen 15.–17.10.2012 Herbsttagung der Fachgruppe Muse- 06.02.2012 umsdokumentation Sitzung der Sektion Informatik der Barbara Fichtl, Carlos Saro, Institut für Leopoldina im ZIB Museumsforschung, Fachgruppe Martin Grötschel Dokumentation im Deutschen Muse- umsbund 23. – 24.02.2012 5th Annual Meeting Photonic Devices, 19.10.2012 Matheon-Workshop, ZIB, Berlin Präsentation von APA-Produkten und Frank Schmidt PsycNet KOBV-Zentrale, FAK-Geschaftsstelle 27. – 28.02.2012 Computational Biomechanics, 15.–16.11.2012 Matheon-Workshop, ZIB ROBUKOM-Meeting Peter Deuflhard, Corinna Klapproth, Fabio D’Andreagiovanni, Martin Gröt- Ralf Kornhuber, Oliver Sander schel, Axel Werner

21.03.2012 23.11.2012 GI Fachgruppen-Workshop Visual KOBV-Workshop Geschäftsgänge Computing in Medicine and Biology Digitalisierung Hans-Christian Hege KOBV-Zentrale

16.04.2012 15 Jahre FAK: Ziel erreicht – und wenn ja wieviele? 6. FAK-Konsortialtag KOBV-Zentrale, FAK-Geschaftsstelle

17.–18.04.2012 MXL Hands-on workshop „Meshing“ Heiko Ramm, Stefan Zachow

04.06.2012 Nur wer sich ändert, bleibt! 10. KOBV-Forum KOBV-Zentrale

05.–06.06.2012 DACHELA 2012 KOBV-Zentrale

03.07.2012 ERMS-Perspektiven für das FAK. Erfah- rungen mit dem Open Source ERMS CORAL. Workshop für Er- werbungsbibliothekar/ innen aus Mitgliedseinrichtungen des Friedrich- Althoff-Konsortium e. V. KOBV-Zentrale, FAK-Geschaftsstelle

25.–27.09.2012 Tagung „Mathematics in our Changing World – How Visions Shape Reality“ Martin Grötschel, Abteilungen der FU und des ZIB konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 140

MATHEMATIK UND INFORMATIK FÜR DIE ÖFFENTLICHKEIT

Das ZIB und seine Arbeitsbereiche er- Vorträge 13.06.2012 freuen sich seit Jahren eines ständig Schülerbesuch der Lenné-Schule steigenden Interesses bei Schüler- und 10.02.2012 Potsdam, ZIB Studentengruppen. Dies zeigt die Viel- Hilberts Visionen Martin Weiser, Therese Pollok, Axel zahl von Führungs- und Vortragsveran- Vortrag anlässlich der Vorstellung Werner, Hans-Hermann Frese, Heiko staltungen, die von Mitarbeitern des ZIB eines Buches über die jüdischen Ma- Ramm, Cornelia Auer sowohl im Haus als auch extern durch- thematikerinnen Margarete Kahn und geführt werden. Klara Löbenstein, Tertianum Berlin, 04.09.2012 Martin Grötschel Besuch einer Studentengruppe des Der Interessenschwerpunkt des Publi- Kold College Denmark, ZIB kums liegt dabei auf den Anwendungen 20.02.2012 Martin Weiser, Gerald Gamrath, Hans- der Mathematik einerseits und der Nachhilfe für Picasso: Die automa- Hermann Frese, Daniel Baum, Norbert Informationstechnik bzw. den Hoch- tische Erzeugung von Portraits und Lindow leistungsrechnern andererseits. An das TSP, Berlin der Begegnung, Gens- beispielhaften Projekten werden mathe- hagen 10.09.2012 matische Methoden, ihre Umsetzung in Einstein Stiftung Berlin, Martin Gröt- Schülerbesuch des Canisius-Kollegs spezielle Algorithmen und die Bearbei- schel Berlin, ZIB tung auf Rechnern der verschiedenen Peter Deuflhard, Frank Schmidt, Axel Leistungsklassen demonstriert. Weiter- 20.03.2012 Werner, Hans-Hermann Frese, Carl hin werden aktuelle Forschungsarbeiten Besuch einer Studierendenruppe des Martin Grewe, Olaf Paetsch aus der Informatik und die vorhandenen Niels Brock Business College, Kopen- Systeme im Rechner- und Datenraum hagen, ZIB 11.09.2012 mit den roboterbedienten Bandsilos Peter Deuflhard, Martin Weiser, Gerald Besuch einer Schülergruppe der Euro- vorgestellt. Während Rechner und Infor- Gamrath, Hans-Hermann Frese, Vin- paschule SII Utbremen, ZIB matik auf ohnehin vorhandenes breites cent Dercksen, Kai Pöthkow Hans-Hermann Frese, Olga Heismann, Interesse bei Schülern und Studenten Patrick Schäfer, Heiko Ramm, Alexan- stoßen, ist der Einsatzbereich der Ma- 17.04.2012 der Wiebel thematik nicht immer offensichtlich. Die Introduction to ZIBAmira and Tetra- Veranstaltungen tragen zur Aufklärung Gen 02.10.2012 darüber bei, in welchen Bereichen und FE-mesh generation workshop Heiko Schülerbesuch des Albertus-Magnus- mit welchen Methoden die Mathematik Ramm Gymnasiums Bensberg, ZIB überall eine Rolle spielt. Frank Schmidt, Inken Olthoff, Torsten 17.04.2012 Klug, Ursula Droebes, Guido Lau- 08.06.2012 Ein wichtiger Termin für die Using TetGen and TetraGen with ZIB bender, Valentin Zobel, Ulrike Hom- Außendarstellung des ZIB ist die jähr- Amira berg liche Teilnahme an der „Langen Nacht FE-mesh generation workshop Hans der Wissenschaften“. Lamecker 26.10.2012 Besuch einer Schülergruppe des Auch 2012 konnte das ZIB mit einer ho- 17.04.2012 Gymnasiums Remingianum Borken, hen Besucherzahl von über 1900 seine A multi-material FE-meshing tool NRW, ZIB Anziehungskraft für den wissenschaftlich FE-mesh generation workshop Max Martin Weiser, Gerald Gamrath, Wolf- interessierten Laien unter Beweis stellen. Kahnt gang Baumann, Guido Laubender, Neben den schon fast als Klassiker zu Andrea Kratz, Christoph Petz bezeichnenden Präsentationen 3D-Wis- 26.04.2012 senschaftskino sowie Besichtigung der Mathematische Puzzle, Girl’s Day 18.12.2012 Hochleistungsrechner und des Datenro- 2012, ZIB Besuch von Schülergruppen des boters wurden Vorträge aus fast allen im Annie Raymond und Axel Werner Humboldt-Gymnasiums Berlin und ZIB vertretenden Anwendungsprojekten des Heinrich-Hertz-Gymnasiums geboten: z. B. Fahrstuhlsteuerung, Com- 11.06.2012 Berlin, ZIB putergrafik, Nano-Optik, Mathematik Besuch von Studenten der HTW Berlin, Hans-Herman Frese, Patrick Schäfer, hinter Sudoku, Bundesligatabellen und ZIB Stefan Wollny, Dagmar Kainmüller, Tierbiologie. Mit lautem Schreien steu- Hans-Hermann Frese, Marco Klindt, Moritz Ehlke, Vincent Dercksen erten Kinder ein 3D-Fußballspiel, um an- Axel Werner schließend in Ruhe an Computern oder platonischen Körpern zu basteln. Prof. Horst Zuse zog wieder viele Zuhörer zu seinen interessanten Vorträgen zur Ge- schichte der Computer an. konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 141

Software und Service Folgende Software wurde im ZIB entwickelt und wird lizensiert:

Numerische Algorithmen ZIBgridfree Optimierung

BioPARKIN ZIBgridfree ist eine Software zur thermo SCIP Optimization Suite dynamischen Simulation von von Wirkstoff- BioPARKIN kombiniert eine grafische molekülen und Wirkstoff-Target-Komplexen. Die SCIP Optimization Suite umfasst Benutzeroberfläche für die Modellierung Ansprechpartner: Marcus Weber die Teilprodukte SCIP, SoPlex, GCG, UG und systembiologischer Netzwerke mit einer ([email protected]) Zimpl. Die fünf Produkte sind in einem Pa- flexiblen C++-Bibliothek zur Simulation ket zu erhalten unter http://scip.zib.de, aber und Parameteridentifizierung auch einzeln erhältlich. Ansprechpartner: T. Dierkes Visualisierung SCIP (Mixed Integer Program Solver) ([email protected]) SoPlex (Implementierung des revidierten ZIBAmira Simplexverfahrens zur Lösung von linearen CodeLib Programmen) ZIBAmira ist ein modulares Software- GCG (ein generischer Branch-Cut-and-Price CodeLib umfasst Newton, Gauss- und system mit vielfältigen Funktionen zur Löser basierend auf SCIP) IVP-Codes. Bildverarbeitung, Bildanalyse, Geometrie- UG (Ubiquity Generator, ein Framework zur Ansprechpartner: Martin Weiser Rekonstruktion und Datenvisualisierung. Es Parallelisierung von B&B basierten Lösern) ([email protected]) bietet eine Reihe von zusätzlichen Möglich- Zimpl (Programmiersprache, um das math. keiten gegenüber dem ursprünglich auch Modell eines Problems in ein lineares JCMsuite am ZIB entwickelten Amira oder gemischt-ganzzahliges Programm zu (www.amira.com). übersetzen) JCMsuite ist ein kommerziell vertriebenes Ansprechpartner: Steffen Prohaska Ansprechpartner: Thorsten Koch Softwarepaket zur rigorosen Lösung der ([email protected]), Daniel Baum ([email protected]) Maxwell’schen Gleichungen für optische ([email protected]) Anwendungen. MIPLIB 2003, MIPLIB 2010 Ansprechpartner: Frank Schmidt Lenné3D-Player ([email protected]) Hierbei handelt es sich um ein Standard- Lenné3D bezeichnet die am ZIB entwickel Test-Set für den Vergleich von MIP-Lösern. Kardos ten Landschaftsvisualisierungssysteme. Ansprechpartner: Thorsten Koch Der Lenné3D-Player stellt Szenen realis- ([email protected]) Kardos ist ein FE-Paket zur Lösung para- tisch, skizzenhaft oder gemischt dar, bietet bolischer Differentialgleichungssysteme. Kamerapfade und Videoexport für Offline- SteinLib Testdata Library Ansprechpartner: Bodo Erdmann Darstellungen. ([email protected]) Ansprechpartner: Steffen Prohaska Es handelt sich um eine Bibliothek von ([email protected]) Steinerbaumprobleminstanzen, die KASKADE 7 beständig aktualisiert und erweitert wird. Biosphere3D Ansprechpartner: Thorsten Koch KASKADE 7 ist eine flexible C++-Bibliothek ([email protected]) zur FE-Lösung partieller Differential Biosphere3D dient zur Landschaftsvisuali- gleichungssysteme. sierung. Es ermöglicht Vegetationsdarstel- Sndlib – Survivable Network Design Library Ansprechpartner: Martin Weiser lung auch in größeren Szenarien. ([email protected]) Webseite: www.biosphere3d.org Sndlib ist eine Bibliothek von Ansprechpartner: Steffen Prohaska standardisierten Testdatensätzen für NewtonLib ([email protected]) die Festnetzplanung. Ansprechpartner: Christian Raack NewtonLib beinhaltet Software zu Peter iCon.text ([email protected]) Deuflhard „Newton Methods for Nonlinear Problems-Affine Invariance and Adaptive iCon.text ist eine iPad-Anwendung zur ttplib – Library for Train Timetabling Algorithms“. kontextuellen Exploration von Museums Problems Ansprechpartner: Martin Weiser objekten. Für Ausstellungen können die ([email protected]) Inhalte und die grafische Gestaltung ohne Die Zielsetzung der Problembibliothek Programmierung angepasst werden. ttplib ist es, mathematische Modelle und Ansprechpartner: Marco Klindt Algorithmen für Fahrplanungssysteme im ([email protected]), Steffen Prohaska Bahnverkehr evaluieren zu können. ([email protected]) Ansprechpartner: Thomas Schlechte ([email protected]) konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin fakten und zahlen | 142

MCF – Netzwerksimplexalgorithmus Informatik GNDMS

MCF ist eine der schnellsten Implementa- XtreemFS GNDMS ist ein Datenmanagementsystem tionen des Netzwerksimplexalgorithmus, für Community Grids. Es wurde im Rah- sie ist eines der Standardprogramme zum XtreemFS ist ein objekt-basiertes, repli- men des Projektes C3Grid für die Klimafor- Testen neuer Mikroprozessoren. ziertes Cloud-Dateisystem für verteilte schung entwickelt, kann aber dank flexiblen Ansprechpartner: Andreas Löbel Systeme, vgl. Abschnitt XtreemFS. Die Designs leicht in anderen Grids verwendet ([email protected]) Software ist unter der BSD-Lizenz veröf- werden. Die Software bietet einen lo- fentlicht und für die Betriebssysteme Linux, gischen Workspace zur Trennung von Daten ZIB Traffic Optimization Suite Windows und MacOSX verfügbar. Doku- nach Benutzern und Anwendungsgebieten, mentation sowie Links zum Quellcode und sowie aller Funktionen, zur Bereitstellung Die ZIB Traffic Optimization Suite ist eine zu den Installationsquellen sind unter (scriptbasiertes Staging) und dem Transfer Sammlung von mathematischen Optimie- http://www.xtreemfs.org abrufbar. (mittels GridFTP bzw. HTTP) von Daten. rungstools zur Lösung von Planungsproble- Ansprechpartner: Michael Berlin GNDMS bietet REST-basierte Schnittstellen men im Nah-, Bahn, und Luftverkehr. ([email protected]) und setzt auf dem Spring-Framework auf. Sie umfasst folgende Tools: GNDMS ist unter der Apache License 2.0 • VS-OPT (Optimierungstool zur Fahrzeug BabuDB veröffentlicht. Die aktuelle Version, Do- umlaufplanung) kumentation und Entwickler-Snapshots • DS-OPT (Optimierungstool zur Dienstpla- BabuDB ist eine Datenbank zur Speiche- befinden sich unter http://gndms.zib.de. nung im öffentlichen Nahverkehr) rung von Schlüssel-Wertepaaren. Es nutzt Ansprechpartner: Ulrike Golas (golas@zib. • IS-OPT (Optimierungstool zur gleichzei- das Konzept der Log-Structured Merge- de), Florian Schintke ([email protected]) tigen Planung von Fahrzeugumläufen und Trees und wird zur persistenten Speiche- Fahrdiensten im ÖPNV) rung von Metadaten (z. B. in verteilten MR-Search • CS-OPT (Planung des Einsatzes von Flug- Dateisystemen) eingesetzt. zeugbesatzungen) Ansprechpartner: Michael Berlin MR-Search ist ein Softwarepaket für Brei- • TS-OPT (Optimierungstool zur Allokation ([email protected]) ten- und heuristische Besten-Suchverfahren von Eisenbahnfahrtrassen) mit MapReduce. Es ist sowohl auf SMP- • Veranstaltungsplaner für die „Lange Scalaris Systemen als auch in Clustern mit ver- Nacht der Wissenschaften“ teiltem Speicher einsetzbar. In der hybriden Ansprechpartner: Ralf Borndörfer Scalaris erweitert das Anwendungsspek- Implementation für Cluster mit Multikern- ([email protected]) trum von Peer-to-Peer-Systemen um stren- prozessoren nutzt es MPI und OpenMP. ge Datenkonsistenz und Transaktionen, zwei Durch sein generisches Design ist es auch Eigenschaften traditioneller Datenbank-Ma- für andere MapReduce-basierte Algorith- WISSENSCHAFTLICHE INFORMATION nagement-Systeme, ohne die Vorteile der men und auf anderen Hardwareplattformen Peer-to-Peer-Protokolle wie Ausfalltoleranz einsetzbar. REDUCE und Skalierbarkeit aufzugeben. Dies gelingt Ansprechpartner: Robert Döbbelin durch geschickte Einbettung ausfalltole- ([email protected]), Thorsten Schütt Es handelt sich um ein Programmsystem ranter Algorithmen in die zugrundelie- ([email protected]) für symbolische Mathematik. genden strukturierten Overlay-Netzwerke. Ansprechpartner: Winfried Neun Der Scalaris Programmcode und weitere Theseus ([email protected]) Informationen sind unter http://scalaris. googlecode.com zu finden. Theseus ist ein Framework zur Erkennung Ansprechpartner: Florian Schintke des Faltungstyps von Proteinen. ([email protected]), Thorsten Schütt Ansprechpartner: Thomas Steinke ([email protected]), Nico Kruber ([email protected]) ([email protected]) konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin Fakten und Zahlen | 143

Informationsdienste

Math-Net-Informationsserver

Unter der Adresse www.math-net.org befindet sich das Portal des Math-Net. Am ZIB selbst werden die Math-Net-Dienste Math-Net-Navigator, Math-Net-Links sowie Math-Net-Software angeboten. Ansprechpartner: Wolfgang Dalitz

Informationsdienste des eLib-Servers

Auf dem eLib-Server werden verschiedene Informationsdienste angeboten: www.math-net.de/links (Math-Net-Links) http://elib.zib.de/ICM98 (International Congress of Mathematics) http://webdoc.gwdg.de/ICM98 Ansprechpartner: Wolfgang Dalitz

KOBV-Dienste

Der KOBV betreibt Informationsdienste für bibliothekarische Angebote im Internet mit Schwerpunkt auf Berlin und Brandenburg. Darüber hinaus ist der KOBV regionaler Dienstleister für die Bibliotheken. www.kobv.de (KOBV-Informationsserver) http://digibib.kobv.de (KOBV-Portal Digitale Bibliothek Berlin-Brandenburg) http://digibib.kobv.de/vkfilm (Verbundkatalog Film, Literatur, DVD, Videos) http://digibib.kobv.de/vkfilm-filme (Verbundkatalog DVDs und Videos) http://digibib.kobv.de/judaica (Verbundkatalog Judaica) http://digibib.kobv.de/vknoten (Verbundkatalog Noten) http://volltexte.kobv.de (KOBV-Volltextserver) http://bibliotheken.kobv.de (Bibliothekenführer) http://opus4.kobv.de (OPUS-Server) konrad-zuse-zentrum für informationstechnik berlin NOTIZEN | 144 www.zib.de