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Bau-Informatik – Kurzanalyse

Bau-Informatik – Kurzanalyse. Professuren (keine Studiengänge), i.W. in den Bau-Fakultäten z.B. M, S, DA, W, DD, CB, B, H, BS, BO, WE, KA, … kritische Masse nur bei Computational Mechanics Doppelmitgliedschaft in der Informatik eher die Ausnahme (auch bei klarem Informatik-Hintergrund)

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Bau-Informatik – Kurzanalyse

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Presentation Transcript

  1. Bau-Informatik – Kurzanalyse Professuren (keine Studiengänge), i.W. in den Bau-Fakultäten z.B. M, S, DA, W, DD, CB, B, H, BS, BO, WE, KA, … kritische Masse nur bei Computational Mechanics Doppelmitgliedschaft in der Informatik eher die Ausnahme (auch bei klarem Informatik-Hintergrund) Themen (Publikationen: v.a. Bau, ComputatMech, etwas INF) Numerische Simulation (Strukturdynamik, CFD; FEM) Strukturoptimierung CAD / CAGD / Entwurf Prozessmodellierung Produktmodellierung Co-operative Work … Beispiele für Verbundprojekte: Schwerpunktprogramme der DFG 2000-2006: „Vernetzt-kooperative Planungsprozesse im KIB“ Vorgänger-SPP Anfang der Neunzigerjahre, „OO im Bauwesen“ Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  2. Bau-Informatik – Kurzanalyse DFG SPP 1103 – Vernetzt-kooperative Planungsprozesse im Konstruktiven Ingenieurbau Beteiligte: Institute für Bau-Informatik Institute für Informatik & Numerik im Bauwesen Institute für Statik aus der Informatik: Nagl (AC), Cremers (BN), Bungartz (TUM) Querschnittsthemen / Arbeitsgruppen: Verteilte Produktmodelle Netzwerkgerechte Prozessmodellierung (Petri & more) Agentensysteme (MAS & more) Verteilte Simulation Fazit (für hier): z.T. methodisch Neues, z.T. Bekanntes (aus INF) in Bereich mit Bedarf erstmalig eingesetzt“ – OK/wissenschaftlich oder nicht? Informatik-Potenziale genutzt (z.B. im Hinblick auf Integration)? Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  3. Bsp.: Volumenorientierte Modellierung Zielsetzung: sämtliche Betrachtungen am strikt volumenorientierten Modell (Koop. mit Bauinformatik@TUM) • kein Bruch in der Modellkette: • eindeutige Transformationen in andere Darstellungsformen • Integration verschiedener Simulationsaufgaben in einer raum-zeitlich verteilten Arbeitsumgebung • Unterstützung des iterativen Planungscharakters • einheitliche Semantik zwischen Architekt und Tragwerksplaner • Reduktion der Modellvielfalt • „höherwertiges“ Modell • Reduzierung der Gefahr von Modellierfehlern • Berücksichtigung dreidimensionaler Verhältnisse Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  4. Org/Koord DB Zugriffsschicht  Client 1 Client n Oktalbaum-basiertes Framework Kooperationsframework zur Prozessintegration • Organisations- und Koordinierungskomponente (Org/Koord) • Reglementierung der Datenzugriffe (Zugriffsschicht) • Datenbank (DB) • Benachrichtigungsdienste Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  5. Org/Koord DB Zugriffsschicht  Client 1 Client n Oktalbaum-basiertes Framework Speicherung (Import) von Gebäudemodellen (IFC) als attributierte vef-Graphen in der Datenbank Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  6. Org/Koord DB Zugriffsschicht  Client 1 Client n Oktalbaum-basiertes Framework duale Sicht auf zugrunde liegende Daten • oberflächenorientiertes Modell • volumenorientiertes Modell (Oktalbaum, on-the-fly) Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  7. Org/Koord DB Zugriffsschicht  Client 1 Client n Oktalbaum-basiertes Framework automatische Konsistenzprüfung beim Zurückschreiben modifizierter Daten Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  8. Architekturmodell  volumenorientierteSimulation • Ausgangspunkt: strikt volumenorientiertes Gebäudemodell  CAD-Modell (*.sat)  IFC-Modell (*.ifc) • Ableitung und Attributierung eines Tragwerksmodells in eigener Anwendung Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  9. Architekturmodell  volumenorientierteSimulation Dekomposition und Vernetzung • Aufbau topologischer Beziehungen • Abspaltung von „Verbindungsobjekten“ • kompatible Vernetzung der Teilstrukturen Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  10. Architekturmodell  volumenorientierteSimulation Berechnung mit der p-Version der Finite-Elemente-Methode • gemischt massive und dünnwandige Strukturen einheitlich mittels Hexaedern • anisotrope Ansatzräume (Dickenrichtung p=2, Plattenebene p>2) anisotrop, adaptive Anpassung des Polynomgrades Verschiebungen unter Eigengewicht Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  11. Hierarchische Organisation der FEM • Oktalbaum auch zur Organisation und Steuerung der FEM • Idee: divide & conquer • Nested-Dissection-basierter Gleichungslöser • hier erstmalig für p-Version der FEM • Einbettung der Struktursimulation in das Framework • Struktursimulation als Dienst abrufbar • größere (d.h. komplexere) Modelle berechenbar • (implizite) Datenverteilung • inhärenter Parallelismus • Verwendung effizienter hierarchischer Gleichungslöser • keine komplette Neuberechnung im Fall von Änderungen bzw. lokalen Verfeinerungen • deutlich verkürzte Berechnungszeiten (echtzeitfähig) • schnelle Studien am komplexen Modell möglich (z.B. Simulation von Bauphasen) Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  12. Informatik für Simulanten Computational Sciences  Computer Science • kein Bindestrich – trotzdem enge Beziehungen • Computational X • meist bei den „Anwendern“ beheimatet (X=Mechanics, Physics, Engineering, …) • mancherorts „methodisch“ aufgehängt (AC, TUM, DA) • CSE@TUM: Gemeinschaftsprodukt von 7 Fakultäten, IN-Federführung • ähnliche Schwierigkeiten durchaus auch in USA und Japan • schön, aber sehr selten: • School of Computing @ University of Utah • Institute of Advanced Computing @ RIKEN • Eine Ausprägung der „Beziehungen“ : “I am interested in your Computational Sciences master’s program; my primary interests and skills are operating systems and web programming.”  und darüber hinaus?? Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  13. Computational Sciences – Relevanz Computational Science: Ensuring America‘s Competitiveness (PITAC report, June 2005): “The most scientifically important and economically promising research frontiers in the 21st century will be conquered by those most skilled with advanced computing technologies and computational science applications.” “Computational science is now indispensable to the solution of complex problems in every sector, from traditional science and engineering domains to such key areas as national security, public health, and economic innovation.” International Review of Research Using HPC in the UK (December 2005): “Progress in research … has been tightly linked to progress in computer hardware on one side and progress in software and algorithms on the other side with both sides generally acknowledged to contribute equally to the advances made…” Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  14. Perspektiven & Trends – viel Informatik! • Symbiosis: CSE as a discipline  HPC as a technology • Interaction: less batch, more steering • Integration: from islands to embedded systems • Aspects of software: • need for software engineering – finally getting HPC software • need for embedding and integration • potential of formal methods for verification? • considered as the coming main bottleneck, superseding hardware & algorithms • Aspects of architecture: • hybrid systems as standard, SMP (“pizza”) boxes as commodity building blocks? • number of levels of hierarchy, up to the grid • multi-core processors – ubiquitous parallelism • Aspects of programming: • programming models – what will come after MPI? • higher levels of abstraction (Matlab, Dune, …)? • portability vs. tuning • Aspects of algorithmics: (not enough space on the slide  ) • Aspects of organization: • HPC@DE – or even on a European level (a “CERN” for HPC)? Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  15. Lessons {Learned / to Learn} from ASCI D. Post, L. Viotta: Computational Science Demands a New Paradigm Physics Today, January 2005 • ASCI – Accelerated Strategic Computing Initiative • launched in 1996 by DOE, involving LANL, SNL, and LLNL • aim: develop computer infrastructure and application codes  to certify the reliability of the US stockpile of nuclear weapons  without testing • hardware & software for massively parallel systems + application codes • almost optimal boundary conditions (experienced staff, good funding) • detailed case study by Post and Kendall, 1996-2002 • 6 ASCI projects with almost identical requirements and goals, but different approaches to mitigate risk • 2 succeeded on time, 2 succeeded with delay, 2 were abandoned (which is better than usual) • quantitative analysis reveals: it takes about 8 years for an experienced staff of 15-30 to develop a massively parallel 3D weapons simulation • reasons for project failure: no head start – missing sound (quality) management – overly ambitious goals & schedules – attempts to integrate existing codes – lack of validation and verification possibilities missing basics (low-level!) Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  16. Lessons {Learned / to Learn} from ASCI D. Post, L. Viotta: Computational Science Demands a New Paradigm Physics Today, January 2005 • error-prone codes (in general, not ASCI-specific): • only a few existing studies of error levels in scientific computer codes • typical observations: about 7 errors per 1000 lines of FORTRAN code • famous disasters: Patriot/Scud 25.2.1991, Ariane V maiden flight 4.6.1996 • conclusions: • “The field has reached a threshold at which better organization becomes crucial. New methods of verifying and validating complex codes are mandatory if computational science is to fulfil its promise for science and society.” • “Verification, validation, and quality management, we found, are all crucial to the success of a large-scale code-writing project.” • hence need for software culture – project culture – experiment culture • astonishing? • not really (think of complexity of modern software involving CSE): millions of LoC (BMW 7 series 2009: 100 MLoC; A380: 1000 MLoC) • not the message – but the direction from where it comes! Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  17. Nochmals PITAC – hört, hört! “Today‘s computational science ecosystem is unbalanced, with a software base that is inadequate to keep pace with and support evolving hardware and application needs.” “The crisis in computational science software is multifaceted and remediation will be difficult. The crisis stems from years of inadequate investments, a lack of useful tools, a near-absence of widely accepted standards and best practices, …, and a simple lack of perseverance by the community. This indictment is broad and deep, covering applications, programming models and tools, data analysis & visualization tools, and middleware.” Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  18. Außer man tut es – schwierige Beziehungen • example software engineering, but more general (informatics) • prejudices CSE  SWE: • swe methods are performance killers, leading to “low-performance computing” • higher intellectual complexity compared with book-keeping … • if you’ve found the algorithm, the rest is mere programming • prejudices SWE  CSE: • simple codes • hacker culture • not as profitable as business software, e.g. • consequences: • hardly any contacts between the communities • mutual ignoring of core topics in education (hardly any numerics in software-oriented curricula, hardly any software engineering in computational sciences curricula) • remedies? Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  19. One First Step: Student Projects • established module in the “Software Engineering” diploma programme at Universität Stuttgart since 1996 • adopted for and adapted to the CSE/BGCE programme @ TUM in 2005 • CSE: international / English programme, 4 semesters, 7 faculties involved • with a mandatory Software Engineering course since 2001! • BGCE: Bavarian elite programme (CSE + come.tum + CE @ FAU) • main features (TUM version): • team of 5-8 students • 6-9 months, 10 ECTS credits • aim: produce a complete piece of software – from the idea to the product • “pseudo-industrial” setting: customer, roles (project manager, experts, …), fines for breach of contract, … • CSE-related topics so far: • Computational Steering (2004) • Molecular Dynamics (2005) • Fluid-Structure Interaction (2006) • Computational Finance? (2007) CiSE, IEEE, 2006 Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  20. Konsequenzen – die Rolle der Informatik? • CSE / HPC stand am Anfang im Kern der Informatikentwicklung • zunehmende Entfremdung: • Braucht die „Wissenschaft der Null&Eins“ noch die Gleitpunktzahl? • gewisse allgemeine Ent-Mathematisierung • speziell Mathematik-Shift in Richtung diskret • Auslagern in eigene Studiengänge oft einfacher („machen wir die Numerik doch dort …“)  Auslagern kann Zoff-mindernd wirken! • Brücken: • stark experimenteller Charakter (Rechnerexperiment) • Modellbasierung ( …-orientiert ) • Klammer: HW + Algorithmik + SW + Implementierung + Anwendungen • Zukunft: • kein Teilgebiet der Informatik, aber • stärkeres Einmischen der Informatik erforderlich (jenseits der „good old boys“ vom HPC) • Schwerpunkt CSE (z.B. AC, TUM, DA, …) Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

  21. Informatik und ihre Nachbarn • Grundsätzlich: Liegt uns deren IN-Ausbildung am Herzen? • „Höhere Informatik“ im Sinne einer HM? • Bsp. Physik – GIREP-Tagung Amsterdam 2006 • Informationstechnik? • Rolle als Hilfswissenschaft (zu servil?!) / Enabler • Rolle der Mathematik • TU9: Fahne hoch halten! • Erfahrungen bei der Eignungsfeststellung (Profil der Anfänger) Dagstuhl Perspektiv-Workshop „Quo vadis Informatik – Innovation dank Informatik“ Hans-Joachim Bungartz, IBFI Schloss Dagstuhl, 19.-22.11.2006

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