Vieles muss zusammenspielen, damit eine Windkraftanlage zuverlässig und effizient arbeitet: Sensoren erfassen Windgeschwindigkeit oder Temperatur, Steuerungen passen die Stellung der Rotorblätter an, Software überwacht den Betrieb und hilft dabei, Fehler möglichst schnell zu lokalisieren, digitale Hardware führt alle diese Funktionen aus. Die Windkraftanlage ist damit ein Beispiel für digital gesteuerte, sogenannte cyber-physische Systeme, bei denen Software und Hardware mit der physischen Welt zusammenspielen. Entsprechend vielfältig sind die Bereiche der Informatik, die bei ihrer Entwicklung und ihrem Betrieb relevant sind, von der Rechnerarchitektur über Softwaretechnik und künstliche Intelligenz bis zur Energieinformatik. Im Graduiertenkolleg CAUSE kommen sie alle zusammen. Dabei zeigt sich auch, wie sich die Forschungsschwerpunkte der Universitäten Bremen und Oldenburg innerhalb der Northwest Alliance ergänzen.
Das Graduiertenkolleg CAUSE („Concepts and Algorithms for – and Usage of – Self-Explaining Digitally Controlled Systems“) wird seit 2024 für fünf Jahre von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit rund elf Millionen Euro gefördert. Hier kooperieren die Universität Bremen, die Universität Oldenburg und die Technische Universität Hamburg miteinander. 31 Promovierende beschäftigen sich mit verschiedenen Aspekten im Zusammenspiel digital gesteuerter technischer Anlagen am Beispiel einer Windkraftanlage.
„In CAUSE wird deutlich, wie gut sich Bremen und Oldenburg in der Informatik ergänzen“
„Windkraftanlagen sind konkrete Beispiele für cyber-physische Systeme – also Systeme, die physische und digitale Elemente vereinen“, erläutert Rolf Drechsler, Professor für Rechnerarchitektur an der Universität Bremen und Bremer Sprecher von CAUSE. Das Ziel des Graduiertenkollegs: Solche Systeme sollen sich selbst erklären können, also beispielsweise Techniker:innen detaillierte und verständliche Anweisungen geben, wo Fehlerquellen liegen.
Damit das gelingt, kommen unterschiedliche Expertisen zusammen. „In CAUSE wird deutlich, wie gut sich die Hochschulstandorte der Achse Hamburg-Bremen-Oldenburg in der Informatik ergänzen“, sagt Martin Fränzle, Professor für Cyber-physische Systemverbünde am Department für Informatik der Universität Oldenburg und Oldenburger Sprecher von CAUSE. „Dass technische Systeme ihr Verhalten erklären können, wurde bislang vor allem beim Einsatz Künstlicher Intelligenz gefordert. Der Bedarf besteht aber bei jedem komplexen System – und diese Lücke wollen wir gemeinsam schließen.“
An der Universität Bremen ist „Minds Media Machines“ einer von fünf Wissenschaftsschwerpunkten. 41 Professor:innen und 352 Forscher:innen forschen hier an Themen von Robotik über Künstliche Intelligenz bis zu Data Science. Zu den drei wissenschaftlichen Leitthemen der Universität Oldenburg gehört „Mensch und Technik“. Darin ist der Forschungsschwerpunkt „Kooperative sicherheitskritische Systeme“ verankert, dem auch das Graduiertenkolleg CAUSE zugeordnet ist.
Wenn Hardware und Software gemeinsam erklären sollen
Wie die Forschung und die Zusammenarbeit zwischen den Universitäten konkret aussehen können, zeigt das Beispiel von Caroline Dominik und Nicola Thoben. Dominik promoviert an der Universität Bremen bei Rolf Drechsler, Thoben an der Universität Oldenburg bei Heike Wehrheim, Professorin für Formale Methoden. Dominik und Thoben arbeiten aus zwei Perspektiven an der gleichen Frage: Wie lässt sich der Ursprung eines Problems nachvollziehen, und wie können technische Systeme verständlich darüber Auskunft geben?
Dabei beschäftigt sich Caroline Dominik mit der in Windturbinen eingebetteten digitalen Hardware und der Frage, wie sich solche Systeme bereits während ihrer Entwicklung zuverlässiger und nachvollziehbarer gestalten lassen. Die Systeme sollen nicht nur Fehler erkennen, sondern auch verständliche Rückmeldungen geben können – sowohl zwischen den einzelnen Systemen als auch gegenüber den Anwender:innen. Dafür arbeitet Dominik unter anderem mit virtuellen Prototypen, die das Verhalten späterer Hardware zunächst softwarebasiert abbilden.
Nicola Thoben nähert sich einer ähnlichen grundlegenden Herausforderung aus der Perspektive der Software. Ihr Forschungsgebiet ist die Fehlerlokalisierung. Sie untersucht, wie sich die Ursache eines Fehlers in einem Programm aufspüren lässt – auch dann, wenn sie sich nicht eindeutig einem einzelnen Programmteil zuordnen lässt, sondern erst durch das Zusammenspiel verschiedener Komponenten entsteht.
„Das Graduiertenkolleg zeigt mir, wie vielfältig die Informatik ist“
Dass die Promovierenden bei CAUSE nicht nur an ihren eigenen Themen arbeiten, sondern auch Einblicke in andere Forschungsbereiche bekommen, ist fest in der Struktur des Graduiertenkollegs verankert. Regelmäßig finden Treffen statt, bei denen die Promovierenden ihre Forschung vorstellen und sich über die unterschiedlichen Themen austauschen.
Hinzu kommt das Betreuungskonzept: Jede:r Promovierende hat drei Betreuer:innen. Eine Person kommt aus dem eigenen fachlichen Bereich, zwei weitere aus anderen Bereichen der Informatik und von den anderen beteiligten Standorten. So wird bewusst eine Perspektive von außen in die eigene Forschung eingebracht. Nicola Thoben wird beispielsweise von Rolf Drechsler als zweitem Betreuer begleitet.
Aus dem Austausch entstand schließlich auch eine erste Phase gemeinsamer Arbeit: Caroline Dominik entwickelte ein Modell, das das Zusammenspiel von Hardware und Software abbildet. Nicola Thoben konnte dieses Modell anschließend aus ihrer Perspektive untersuchen und auf seine Korrektheit prüfen. „Durch CAUSE stoße ich auf neue Ideen, auf die ich sonst nicht gekommen wäre“, resümiert Caroline Dominik. „Das Graduiertenkolleg zeigt mir, wie vielfältig die Informatik ist, dass es aber trotz oder sogar wegen der Unterschiede viele Möglichkeiten zur Zusammenarbeit gibt.“