Arbeitsgruppe Verteilte Systeme und Künstliche Intelligenz

Das Internet der Dinge stellt Wissenschaft und Gesellschaft vor neue Herausforderungen. Zukünftige Studierende müssen solche System beherrschen und daher interdisziplinäre Fachkenntnisse erwerben. Die obige Abbildung zeigt eine typische allgemeine Struktur eines cyber-physischen Systems. Ein solches System besteht aus mehreren Agenten (schwarze Blöcke) und stellt somit ein System von Systemen dar. Diese Komponenten sind über verschiedenartige Kommunikationswege miteinander vernetzt. Das Internet der Dinge ist wiederum eine Verallgemeinerung eines cyber-physischen Systems. Hier sind mehrere Geräte/Maschinen über Netze verbunden und können auch physikalisch miteinander interagieren. Beispiele hierfür sind autonome Fahrzeuge, Robotersysteme, Smart Home und Smart City. Neben Kenntnissen über Kommunikationsnetze müssen Studierende auch Kenntnisse über Signale und Systeme mitbringen, um diese Systeme zu beherrschen. Das Internet der Dinge wird in den nächsten Jahren eine große Menge Daten erzeugen, die intelligent genutzt werden müssen. Auch hierfür müssen die Studierenden Methoden erlernen. In der Lehre möchten wir den Studierenden gerne ein ganzheitliches Bild über diese Thematik vermitteln. 

Operating Systems and Mobile Communication Systems / Betriebssysteme und Telematik (Bachelor Informatikstudiengänge)

Vorlesung Betriebssysteme (2 SWS)

• Grundlagen der Betriebssysteme
• Prozesse und Threads
• Scheduling und Lastverteilung
• Prozess-Synchronisation
• Petri-Netze und Deadlock-Erkennung
• Speicherverwaltung

Vorlesung Telematik (2 SWS)

• Grundlagen Kommunikationsnetze
• Signale: Fouriertransformation und Faltung
• Nyquist-Hartley
• Informationstheorie und Shannon-Kapazität
• Modulationsverfahren
• Abtastung und Quantisierung
• Quellenkodierung: Fano und Huffman
• Kanalkodierung: Lineare Codes, zyklische Codes, CRC-Verfahren

Verteilte Systeme (Bachelor Informatikstudiengänge)

• Architekturen Verteilter Systeme
• Schicht 2: Protokolle der Sicherungsschicht, Multiple Access Control
• Schicht 3: Routing-Algorithmen und deren verteilte Umsetzung, IP und Cisco-Grundlagen
• Schicht 4: TCP, UDP
• Threadprogrammierung: Grundlagen: Java-Threadprogrammierung, Synchronisationstechnik
• Verteilte Anwendungen: TCP-Sockets, Middleware - RMI
• Laborversuche zu Verteilten Anwendungen und IoT

Cyber-Physical Systems (Wahlfach Bachelor Informatikstudiengänge)

• Grundlagen Lineare Algebra
• Abstastung, Quantisierung, Digital-Analog-Wandlung
• Zustandsdarstellung und Modellbildung
• Z-Transformation
• Beobachter und Controller
• Grundlagen Statistik
• Lineare Schätzer
• Kalman Filter
• Multi-Agenten-Systeme

Optimization and Machine Learning / Wissensmanagement (Learning from Data, Master Informatikstudiengänge)

• Optimierungsverfahren: Konvexe Optimierungsprobleme: LP, QP, SDP, Lagrange-Dualität und Duale Probleme, KKT-Bedingungen, Verteilte Optimierung
• Supervised Machine Learning: Percetron-Learning-Algorithm, Lineare Regression, Logistische Regression und Gradienten-Abstieg, Support Vector Machines

• Unsupervised Machine Learning und Statistik: Parameter-Schätzung, Statistische Modelle, Lineare Schätzer, Clustering-Algorithmen

Technische Informatik und Software-Praktikum (und IoT-Programmierung, Bachelor Informatikstudiengänge)

• Entwicklungsumgebungen
• Grundlagen JAVA
• Ausnahmebehandlung
• GUI-Programmierung
• Netze und Protokolle mit dem Raspberry Pi
• Internetprotokoll und Internet of Things (IoT)
• IoT-Plattformen und Cloud

Betriebssysteme (Master Maschinenbau)

• Grundlagen
• Prozesse und Threads
• Prozess-Synchronisation
• Petri-Netze
• Speicherverwaltung
• Kommunikationsnetze
• Verwaltung von Betriebssystemen (Windows)

Information Technology (Englischsprachig)

• IoT-Hardware, Sensors, Signals
• Grundlagen Matlab, Datenverarbeitung
• Grundlagen der Datenanalyse: Interpolation, Regression, Modellbildung

PCB-Drucker Voltera V-One

Unser PCB-Drucker, der Voltera V-One (ein 3D-Drucker für Leiterplatten), befindet sich im KI-Labor (Raum 25-143). Er bietet unseren Studierenden die Möglichkeit, Platinen herzustellen, die sie beispielsweise für eigene IoT-Anwendungen nutzen können.

Der Voltera V-One verfügt grundlegend über drei Hauptfunktionen:

• Das Aufdrucken von Leiterbahnen.
• Das Anbringen von SMD-Bauteilen.
• Das Bohren von Löchern in die Platine.

Die Leiterbahnen (sowie die Lötpaste) werden dabei über eine Tintenkartusche aufgedruckt, die mit dem Drucker ähnlich verbunden ist wie der Druckkopf eines 3D-Druckers. Die Düse und die Tintenkartusche sind magnetisch am Drucker befestigt und können somit einfach ausgetauscht werden. Alternativ kann anstelle der Tintenkartusche ein Bohrkopf befestigt werden, um Löcher in die Platine zu bohren. Die Tinte ist leitfähig und verhärtet sich, indem das Druckbett mit der darauf liegenden Platine erhitzt wird.

Für das Aufbringen von SMD-Bauteilen wird die Lötpaste vom Drucker genauso wie die Tinte an die passenden Verbindungsstellen aufgetragen. Danach müssen die Bauteile manuell an die richtige Stelle gelegt werden. Abschließend wird die bestückte Platine erneut erhitzt, wodurch sich die Bauteile mit der Platine verbinden.

Für die Nutzung des PCB-Druckers sind keine Vorkenntnisse erforderlich, da die Software die notwendigen Arbeitsschritte in einer Schritt-für-Schritt-Anleitung erklärt. Die Anwendung des Druckers eignet sich optimal für kleinere Tests und das Rapid Prototyping. Das Design der Platinen wird in externen Programmen wie beispielsweise KiCad erstellt. Die mit diesen Programmen erstellten Dateien können dann einfach in das Softwaresystem des Druckers importiert werden.