DLR.de • Folie 1 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung Andreas Schreiber Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Köln-Porz / Berlin-Zentrum / Braunschweig DLR.de • Folie 2 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 "Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung" von Andreas Schreiber (DLR) ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz. Alle Bilder: DLR (CC-BY 3.0), soweit nicht explizit anders gekennzeichnet. DLR.de • Folie 3 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Überblick • Vorstellung • Das DLR • Beispiele aus dem DLR • Space Debris • MDAO • Quantencomputing DLR.de • Folie 4 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Vorstellung Werdegang Studium Technomathematik Soldat (SIGINT, COMINT) Wissenschaftler DLR.de • Folie 5 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Vorstellung Heute Wissenschaftler, Abteilungsleiter Gründer, Geschäftsführer, Patient und Anwender Communities DLR.de • Folie 6 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Das DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt • Forschungseinrichtung • Raumfahrt-Agentur • Projektträger Forschungsgebiete • Luftfahrt • Raumfahrt • Engergie • Verkehr • Sicherheit DLR.de • Folie 7 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Das DLR Standorte und Personal Circa 8.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter arbeiten in 33 Instituten und Einrichtungen in 16 Standorten. Stade Hamburg Bremen Trauen Berlin Braunschweig Büros in Brüssel, Paris, Tokio und Washington. Einrichtung für SoftwareForschung: Simulations- und Softwaretechnik Köln-Porz, Berlin-Zentrum, Braunschweig Neustrelitz Göttingen Jülich Köln Bonn Lampoldshausen Stuttgart Augsburg Oberpfaffenhofen Weilheim DLR.de • Folie 8 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Bilder: DLR (CC-BY 3.0) DLR.de • Folie 9 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 DLR Simulations- und Softwaretechnik Aktuelle Forschungsgebiete Usability Quantencomputing Big Data Multidisziplinäre Simulation Modellbasiertes Systems Engineering Mobile Systeme Sicherheit High Performance Computing Software Engineering Wissensmanagement Verteilte Systeme Virtual und Augmented Reality Interaktive Visualisierung Eingebettete Systeme Datenmanagement DLR.de • Folie 10 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Beispiele aus dem DLR Space Debris Bild: DLR (CC-BY 3.0) MDAO Bild: DLR (CC-BY 3.0) Quantum Computing Bild: © D-Wave Systems, Inc. DLR.de • Folie 11 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Space Debris DLR.de • Folie 12 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Lower Orbit 300 – 2000 km Geostationary Orbit ≈36,000 km DLR.de • Folie 13 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Über 50 Jahre Raumfahrt • Fast 5000 gestartete Raketen • Mehr als 6000 Satelliten im Orbit platziert • Derzeit ca. 1000 aktive Satelliten ... die sind aber nur ein kleiner Teil der Objekte DLR.de • Folie 14 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Space Debris – Weltraumschrott February 2009: Collision Iridium-33 & Kosmos-2251 January 2007: FengYun-1C DLR.de • Folie 15 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Weltraumschrott wird Katalogisiert DLR.de • Folie 16 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 29,000 Objekte größer als 10 cm DLR.de • Folie 17 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 750,000 Objekte größer als 1 cm DLR.de • Folie 18 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 150 Mio. Objekte größer als 1 mm DLR.de • Folie 19 Impact > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 DLR.de • Folie 20 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Detektieren von Weltraumschrott Optical Radar Laser DLR.de • Folie 21 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Objekt-Erkennung mit optischen Teleskopen DLR.de • Folie 22 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Objekt-Korrellation • Separation of real / false tracklets above threshold of loss function (chisquared distribution) • Filter rate depends on accuracy, time difference, survey strategy, … DLR.de • Folie 23 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Operativer Betrieb Lage im Weltraum in Echtzeit Missionsunterstützung • Orbit-Berechnung • Kollisionserkennung • Wiedereintrittsvorhersage System BACARDI • Backbone Catalogue of Relational Debris Information DLR.de • Folie 24 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Verteiltes Datenbank- und Analysesystem BACARDI DLR.de • Folie 25 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 MDAO DLR.de • Folie 26 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Multidisziplinäre Analyse und Design-Optimierung Beispiel: Neue Flugzeugkonfigurationen DLR.de • Folie 27 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Viele Disziplinen Power Equation LP Spool Power Equ. HP Sp. ΠCOM ηCOM HPT Cooling 6000 4000 2000 -500 2000 0 -2000 0 DLR.de • Folie 28 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Entwurfsprozesse – heterogen, verteilt DLR.de • Folie 29 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Integrierte Umgebungen für Analyse und Entwurf DLR.de • Folie 30 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Multidisziplinäre Analyse und Design-Optimierung Beispiel: Raumschiffe DLR.de • Folie 31 Model > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 DLR.de • Folie 32 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 SpaceLiner DLR.de • Folie 33 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Wärmeschutzsystem Magnetohydrodynamik mit supraleitenden Magneten DLR.de • Folie 34 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Analyse-Workflow DLR.de • Folie 35 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 DLR.de • Folie 36 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Quantum Computing DLR.de • Folie 37 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Neuer Ansatz: Quantencomputing Diskrete Optimierung ist die Grundlage für viele Probleme → Packungen → Partitionen NP-schwere Probleme! → Zuordnungen → Scheduling Hoffnung: Quantencomputer löst diese schneller als klassische Rechner DLR.de • Folie 38 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Quantencomputing Unterschiede zum klassischen Computer Klassische Bits Quantenbits (Qubits) • „0“ oder „1“ • Überlagerung („Superposition“) komplexer Basiszustände • Elektrische Spannung 1 0 DLR.de • Folie 39 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Quantencomputer Hardware Bisher ist ein Quantencomputer kommerziell verfügbar • Firma D-Wave Systems • System mit ca. 1200 Qubits („D-Wave 2X“) • Adiabatischer Quantencomputer Bilder: © D-Wave Systems, Inc. DLR.de • Folie 40 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Quantencomputer D-Wave Topologie der Qubits 𝒈𝒈𝒊𝒊 𝒔𝒔𝒋𝒋𝒋𝒋 DLR.de • Folie 41 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 “Programmieren” eines Quantencomputers Problem auf den Rechner bringen 1. Das Problem irgendwie in ein diskretes Optimierungsproblem (QUBO; Quadratic unconstrained binary optimization) umformulieren: 2. Vorbelegen der physikalischen Qubits mit den Gewichten und Stärken DLR.de • Folie 42 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 „Programmieren” eines Quantencomputers Problem auf den Rechner bringen 3. Die eigentliche “Berechnung”: Langsame (adiabatische) Überführung des Energiezustands in einen Zustand, welcher der Lösung des Optimierungsproblems entspricht Energie Energieniveaus bestimmt Laufzeit Langsame Änderung Anfangssystem Zielsystem Zeit 4. Physikalische Messung zum Auslesen der Energien DLR.de • Folie 43 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Bild: © D-Wave Systems, Inc. DLR.de • Folie 44 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Viele (Teil-)Probleme aus Luft- und Raumfahrt lassen sich als diskrete Optimierungsprobleme beschreiben Design-Optimierung von Systemen in der Luft- und Raumfahrt Robust Design • Bewertung der Robustheit von virtuell ausgelegten Luft- und Raumfahrtsystemen unter Einbeziehung von Unsicherheiten Maschinelles Lernen • Deep Learning, Pattern Recognition, Clustering, Bilderkennung, Durchsuchen von Datenströmen Erkennen von Anomalien • Monitoring von Raumfahrtsystemen Missionsplanung • Optimierung in Bezug auf Zeit, Ressourceneinsatz, Energieverbrauch, Kosten etc. Verifikation und Validierung von Software DLR.de • Folie 45 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 PyData Cologne 2016 Save the date… 28.11. – 30.11.2016 DLR Conference Center, Köln-Porz @PyDataCologne > Big-Data-Konferenz DLR.de • Chart 46 #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 Vielen Dank! Fragen? [email protected] www.DLR.de/sc | @onyame
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