1 Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik!Dr. Margrit Klitz Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Berlin / Braunschweig / Köln
2 Vorstellung Margrit KlitzDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Vorstellung Margrit Klitz Geboren irgendwann Anfang der 80‘er in Husum Studium Mathematik an der Uni Bonn SHK seit 2003: Numerische Mathematik, Simulation, Strömungsmechanik Diplom 2007 Doktorarbeit abgeschlossen 2015 3 Töchter (2008, 2010, 2013) PostDoc für ein halbes Jahr Im DLR seit August 2015 Wissenschaftliche Mitarbeiterin der Simulations- und Softwaretechnik: Parallelisierung von Codes, Strömungsmechanik, Hubschrauberdynamik, Softwareentwicklung
3 Zusammenfassung Interessante aktuelle Projekte im DLRTU Darmstadt > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen DLR! > Zusammenfassung Interessante aktuelle Projekte im DLR Überall Mathematik, überall Softwareentwicklung Die Einrichtung Simulations- und Softwaretechnik Anforderungen an Mathematikerinnen
4 Wie sieht das Flugzeug der Zukunft aus?DLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Wie sieht das Flugzeug der Zukunft aus? Blended Wing Body (Nurflügler) Mehr Platz für Passagiere, leichter, weniger Treibstoffverbrauch Die Auslegung (z.B. theoretische Berechnungen der Aerodynamik oder Aeroelastik) im Computer gehen jeder Neuentwicklung in der Luftfahrt voraus Rump fließend in Flügel Aerodynamische Analyse: Farben = Druckverteilung
5 15 Meter über dem Boden: ATRA sammelt InsektenDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > 15 Meter über dem Boden: ATRA sammelt Insekten Entwicklung sogenannter Laminarflügler Geringer Strömungswiderstand Einsparpotenizial nur wenn keine Insektenhaftungen die laminare Strömung stören Messung Verschmutzung durch Insekten bei versch. Flugzuständen
6 SpaceLiner im Flug Suborbitalflug in 80 km HöheDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > SpaceLiner im Flug Suborbitalflug in 80 km Höhe Vor dem Start aufrecht, Raketentriebwerke Nach 8 min. Gleitflug mit 20-facher Schallgeschwindigkeit In 90 min. nach Australien 50 Mitflieger in Passagierkapsel
7 Das Auto von morgen kommuniziert mit der VerkehrsinfrastrukturDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Das Auto von morgen kommuniziert mit der Verkehrsinfrastruktur Informationen von Ampeln zur Geschwindigkeitssteuerung Autonomes Fahren
8 WindenergieforschungDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Windenergieforschung - Knowhow aus der Luftfahrt für leistungsstärkere, leisere und leichtere Windkraftwerke
9 Landminen schneller aufspürbar durch RadarDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Landminen schneller aufspürbar durch Radar Durchsuchung von bis zu 100 qm in wenigen Minuten Bisher Spürhunde, Metalldetekteoren, Bodenradar deutlich weniger effektiv Antennen im Ultrahochfrequenzbereich zw. 500 Mhz und 4 Ghz seitwärts schräg nach unten Reflektierte Radarsignale werden mit Hilfe geeigneter Algorithmen zu Intensitätskarten
10 Die Entwicklungen des DLR beeinflussen unsere Welt von Morgen...DLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Die Entwicklungen des DLR beeinflussen unsere Welt von Morgen...
11 Genug Arbeit für MathematikerDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Genug Arbeit für Mathematiker Zur Entwicklung aller Systeme brauchen wir Mathematik Algorithmen Datenanalyse Simulation Visualisierung Und vieles mehr… Zentraler Bestandteil: Softwareentwicklung
12 Vorstellung Einrichtung: Simulations- und SoftwaretechnikDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Vorstellung Einrichtung: Simulations- und Softwaretechnik Geboren irgendwann Ende der 90‘er im DLR: Aufbau einer zentralen Einrichtung mit Softwarekompetenz Beteiligung an internationaler SW-Forschung Erschließung neuer Softwaretechnologien für das DLR Verbesserung der Softwareentwicklung in den DLR-Instituten Kurse für Softwareentwickler, Informations- netzwerke …
13 DLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > 08.06.2016Simulations- und Softwaretechnik Software für Raumfahrtsysteme und interaktive Visualisierung Designanalyse von Raumfahrzeugen Interaktive Satellitenmodellierung Model-basierte Visualisierung von Raumfahrzeugen Planung von Raumfahrtmissionen und Raumfahrzeugen in interaktiven virtuellen Umgebungen z. B. als On-Board-Satelliten-Software für die Lageregelung Analyse von Software für eingebettete Systeme
14 DLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > 08.06.2016Simulations- und Softwaretechnik Verteilte Systeme und Komponentensoftware Die Abteilung Verteilte Systeme und Komponentensoftware Steht für innovatives Software Engineering, Entwickelt anspruchsvolle Individualsoftwarelösungen für das DLR und Ist Partner in wissenschaftlichen Projekten im Bereich Simulations- und Softwaretechnologie
15 Verfahren und Software entwickelnDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Verfahren und Software entwickeln
16 Gemeinsam an Lösungen arbeitenDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Gemeinsam an Lösungen arbeiten
17 DLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > 08.06.2016Voneinander lernen
18 Hauptarbeitsgebiet für Mathematiker: High Performance ComputingDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Hauptarbeitsgebiet für Mathematiker: High Performance Computing
19 Hubschrauber-Simulation: FreewakeDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Hubschrauber-Simulation: Freewake Berechnet Strömung im Nachlauf des Rotors Ziel: Simulation der Rotorsteuerung Flugverhalten Lautstärke Kraftstoffverbrauch Materialbelastung Kurze Rechenzeiten benötigt: → modellbasierte Vortex-Lattice-Methode Zukünftige Herausforderungen: Gesamthubschrauber-Simulation → Differential-Algebraisches System Rotorblätter und Wirbel beim schnellen Vorwärtsflug
20 DLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > 08.06.2016Extremes Number-Crunching – Wie berechnet man Eigenwerte einer Matrix mit 1000 Milliarden Zeilen? Anwendung aus der Physik: „Wundermaterial” Graphen, Eletronisches Verhalten, Schrödinger Supercomputer mit Millionen CPUs (SuperMUC: > cores) Modifikation des Kohlenstoffs mit 2D bienenwabenförmiger Struktur Graphenoxid gasdicht und permeabel für Wassermoleküle: Wasserfilter, Destillator Speicherzellen Superkondensatoren und Akkus Umdenken in der Numerik: Effizienz ist (fast) alles Fehlertolerante und selbstorganisierende Verfahren Teilweise neue mathematische Analyse erforderlich
21 DLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > 08.06.2016Weltraumschrott Bezeichnet alle nicht-aktiven, nicht-kooperativen orbitalen Objekte, wie z.B. Ausgebrannte oder defekte Satelliten Verlorene Werkzeuge Trümmer aller Art (z.B. aus Kollisionen von Satelliten) Gefahr bereits ab 1 cm Größe Objekte, rund katalogisiert
22 Einsatz mathematischer MethodenDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Einsatz mathematischer Methoden Bahnbestimmung für Objekte Propagation Objektidentifikation Kollisionsvorhersagen (Missionsunterstützung) Tracking von Weltraummüll mit Hilfe von Lasern Quelle: GSOC (M. Weigel)
23 OptimierungsalgorithmenDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Optimierungsalgorithmen Optimierung ist eine wichtige mathematische Methode beispielsweise beim Design von Raumfahrzeugen und Flugzeugen Typische Szenarien: Viele verschiedene Disziplinen Mehrere nichtlineare Zielfunktionen Nichtlineare Nebenbedingungen Meist keine Gradienten der Zielfunktion vorhanden Das, was minimiert werden soll, zum Beispiel ein Abstand, nennt man Zielfunktion. Das, was variiert wird, sind die Parameter oder Variablen der Zielfunktion.
24 OptimierungsalgorithmenDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Optimierungsalgorithmen Methoden: Approximation der Zielfunktionen durch Ersatzmodelle Strategien der multidisziplinären Design-Optimierung (MDO) Verwendung von Integrationsframeworks um verschiedene Simulationsprogramme zu verbinden Entwicklung neuer Algorithmen Ableitungsfreier Optimierungsalgorithmus ECDFO für nichtlineare Gleichheitsnebenbedingungen und ungleichungsbeschränkte Nebenbedingungen ECDFO: Equality and bound-Constrained Derivative-Free Optimization was minimiert werden soll, zum Beispiel ein Abstand, nennt man Zielfunktion. Das, was variiert wird, sind die Parameter oder Variablen der Zielfunktion. 2D: (also zwei unabhängige Parameter) kann man sich die Zielfunktion räumlich vorstellen, indem die Parameter die Längen- und Tiefenachse aufspannen. Die Höhe ist dann der Zielfunktionswert. Im Allgemeinen entsteht so ein „Gebirge“ mit Bergen und Tälern.
25 Optimierung mit QuantencomputernDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Optimierung mit Quantencomputern Lösung sehr schwerer kombinatorischer Probleme Suche nach erdähnlichen Planeten Missionsplanung Quelle: NASA, Kepler Mission Quelle: NASA Quelle: DLR-SC
26 Quantencomputer Qubits statt BitsDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Quantencomputer Qubits statt Bits Quanteneffekte erlauben die Betrachtung aller Bitmanipulationen gleichzeitig Optimierung: Finden des tiefsten Punktes einer Landschaft Parameter = Koordinaten und die Höhe = Kosten der Lösung Klassische Computer wandern über die Landschaft Quantencomputer können die Landschaft untertunneln mögliche Lösungen in einer Sekunde D-Wave: Quantum Annealing: Qubits von Superpositionszustand → Grundzustand Quelle: D-Wave Sys. D-Wave adiabatischer Quantencomputer Lösung von diskreten Optimierungsproblemen
27 Programmieren auf QuantencomputernDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Programmieren auf Quantencomputern D-Wave Maschine löst ein quadratisches binäres Optimierungsproblem: Hardwareeinschränkung: keine vollständigen Graphen Klassifizierung der Graphen nach Problemklassen Abbildung der Anwendungsprobleme auf Hardware min 𝑖 𝐻 𝑖 𝑠 𝑖 + 𝑖𝑗 𝐽 𝑖𝑗 𝑠 𝑖 𝑠 𝑗 with 𝑠 𝑖 ∈ 0,1 Quelle: D-Wave Sys. Zur Lösung diskreter Optimierungsprobleme Probleme können als Graph dargestellt werden Diese Graphen müssen auf D-Wave Hardware abgebildet werden Hier nur unvollständige Graphen erlaubt Sofern dies möglich ist und die Probleme nicht zu groß werden Schnellere Problemlösung möglich Quelle: D-Wave Sys. Hardware: Keine vollständigen Graphen
28 Anforderungen an MathematikerinnenDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Anforderungen an Mathematikerinnen
29 In der Simulations- und Softwaretechnik…DLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > In der Simulations- und Softwaretechnik… Interesse am Entwickeln von Software Informatikkenntnisse Mathematische Verfahren müssen (effizient) implementiert werden Die Software muss hohe Qualität haben Nutzung moderner Softwareentwicklungswerkzeuge Testen von Software Performanz Performance-Engineering Offen sein für neue Programmiersprachen und -modelle
30 http://www.dlr.de/jobs/#Mathematik Jobs im DLRDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Jobs im DLR Angebote für Studenten: Praktika, Studienarbeiten, Bachelorarbeiten, Masterarbeiten, Diplomarbeiten, Doktorarbeiten Karriere: Student, wissenschaftl. Mitarbeiter, Projektleitung, Abteilungsleitung, Instituts-/Einrichtungsleitung, … Was es sonst noch gibt: Ausbildungen, Duale Studiengänge, technische und wissenschaftliche Mitarbeiter
31 Diskutieren Kontakt Margrit Klitz Simulations- und SoftwaretechnikDLR Köln > Margrit Klitz • Heute Mathe, morgen Simulations- und Softwaretechnik! > Diskutieren Kontakt Margrit Klitz Simulations- und Softwaretechnik Abt. Verteilte Systeme und Komponentensoftware