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Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung Andreas Schreiber Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Köln-Porz / Berlin-Zentrum / Braunschweig
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DLR.de • Folie 2 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
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• Vorstellung
• Das DLR
• Beispiele aus dem DLR
• Space Debris • MDAO • Quantencomputing
> Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 DLR.de • Folie 3
Überblick
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Vorstellung Werdegang
DLR.de • Folie 4 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
Studium Technomathematik
Soldat (SIGINT, COMINT)
Wissenschaftler
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Vorstellung Heute
DLR.de • Folie 5 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
Wissenschaftler, Abteilungsleiter
Gründer, Geschäftsführer, Patient und Anwender
Communities
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Das DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
DLR.de • Folie 6 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
• Forschungseinrichtung • Raumfahrt-Agentur • Projektträger
Forschungsgebiete • Luftfahrt • Raumfahrt • Engergie • Verkehr • Sicherheit
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Das DLR Standorte und Personal
DLR.de • Folie 7 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
Circa 8.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter arbeiten in 33 Instituten und Einrichtungen in 16 Standorten.
Büros in Brüssel, Paris, Tokio und Washington. Einrichtung für Software-Forschung: Simulations- und Softwaretechnik Köln-Porz, Berlin-Zentrum, Braunschweig
Köln
Oberpfaffenhofen
Braunschweig
Göttingen
Berlin
Bonn
Neustrelitz
Weilheim
Bremen Trauen
Lampoldshausen
Hamburg
Stuttgart
Stade
Augsburg
Jülich
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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)
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DLR Simulations- und Softwaretechnik Aktuelle Forschungsgebiete
DLR.de • Folie 9 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
High Performance Computing Software Engineering
Verteilte Systeme
Sicherheit
Big Data
Wissensmanagement
Eingebettete Systeme
Modellbasiertes Systems Engineering Mobile Systeme
Datenmanagement Virtual und Augmented Reality
Interaktive Visualisierung
Multidisziplinäre Simulation Quantencomputing Usability
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Beispiele aus dem DLR
DLR.de • Folie 10 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
Space Debris MDAO
Quantum Computing
Bild: DLR (CC-BY 3.0) Bild: DLR (CC-BY 3.0)
Bild: © D-Wave Systems, Inc.
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> Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 DLR.de • Folie 11
Space Debris
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Lower Orbit 300 – 2000 km
Geostationary Orbit ≈36,000 km
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• 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
> Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 DLR.de • Folie 13
Über 50 Jahre Raumfahrt
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Space Debris – Weltraumschrott
DLR.de • Folie 14 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
January 2007: FengYun-1C
February 2009: Collision Iridium-33 & Kosmos-2251
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Weltraumschrott wird Katalogisiert
DLR.de • Folie 15 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
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29,000 Objekte größer als 10 cm
DLR.de • Folie 16 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
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750,000 Objekte größer als 1 cm
DLR.de • Folie 17 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
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150 Mio. Objekte größer als 1 mm
DLR.de • Folie 18 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
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Impact
DLR.de • Folie 19 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
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Detektieren von Weltraumschrott
DLR.de • Folie 20 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
Optical Radar Laser
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Objekt-Erkennung mit optischen Teleskopen
DLR.de • Folie 21 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
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• Separation of real / false tracklets above threshold of loss function (chi-squared distribution)
• Filter rate depends on accuracy, time difference, survey strategy, …
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Objekt-Korrellation
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Missionsunterstützung
• Orbit-Berechnung
• Kollisionserkennung
• Wiedereintrittsvorhersage
System BACARDI
• Backbone Catalogue of Relational Debris Information
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Operativer Betrieb Lage im Weltraum in Echtzeit
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> Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 DLR.de • Folie 24
Verteiltes Datenbank- und Analysesystem BACARDI
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MDAO
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Multidisziplinäre Analyse und Design-Optimierung Beispiel: Neue Flugzeugkonfigurationen
DLR.de • Folie 26 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
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Viele Disziplinen
DLR.de • Folie 27 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
ΠCOM
ηCOM
Power Equation LP Spool
Power Equ. HP Sp.
HPT Cooling
ΠCOM
ηCOM
Power Equation LP Spool
Power Equ. HP Sp.
HPT Cooling
-20000
2000
-500
0
2000
4000
6000
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Entwurfsprozesse – heterogen, verteilt
DLR.de • Folie 28 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
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Integrierte Umgebungen für Analyse und Entwurf
DLR.de • Folie 29 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
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Multidisziplinäre Analyse und Design-Optimierung Beispiel: Raumschiffe
DLR.de • Folie 30 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
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Model
DLR.de • Folie 31 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
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SpaceLiner
DLR.de • Folie 32 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
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Wärmeschutzsystem Magnetohydrodynamik mit supraleitenden Magneten
DLR.de • Folie 33 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
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Analyse-Workflow
DLR.de • Folie 34 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
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DLR.de • Folie 35 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
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> Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 DLR.de • Folie 36
Quantum Computing
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Diskrete Optimierung ist die Grundlage für viele Probleme
→ Packungen
→ Partitionen NP-schwere Probleme!
→ Zuordnungen
→ Scheduling
Hoffnung: Quantencomputer löst diese schneller als klassische Rechner
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Neuer Ansatz: Quantencomputing
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Quantencomputing Unterschiede zum klassischen Computer
DLR.de • Folie 38 > Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
Klassische Bits
• „0“ oder „1“
• Elektrische Spannung
Quantenbits (Qubits)
• Überlagerung („Superposition“) komplexer Basiszustände
1
0
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Bisher ist ein Quantencomputer kommerziell verfügbar
• Firma D-Wave Systems • System mit ca. 1200 Qubits
(„D-Wave 2X“) • Adiabatischer
Quantencomputer
> Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 DLR.de • Folie 39
Quantencomputer Hardware
Bilder: © D-Wave Systems, Inc.
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Quantencomputer D-Wave Topologie der Qubits
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1. Das Problem irgendwie in ein diskretes Optimierungsproblem (QUBO; Quadratic unconstrained binary optimization) umformulieren:
2. Vorbelegen der physikalischen Qubits mit den Gewichten und Stärken
> Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 DLR.de • Folie 41
“Programmieren” eines Quantencomputers Problem auf den Rechner bringen
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3. Die eigentliche “Berechnung”: Langsame (adiabatische) Überführung des Energiezustands in einen Zustand, welcher der Lösung des Optimierungsproblems entspricht
4. Physikalische Messung zum Auslesen der Energien
> Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 DLR.de • Folie 42
„Programmieren” eines Quantencomputers Problem auf den Rechner bringen
Ene
rgie
Anfangssystem Zielsystem
Zeit
Energieniveaus
Langsame Änderung
bestimmt Laufzeit
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> Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 DLR.de • Folie 43
Bild: © D-Wave Systems, Inc.
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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
> Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 DLR.de • Folie 44
Viele (Teil-)Probleme aus Luft- und Raumfahrt lassen sich als diskrete Optimierungsprobleme beschreiben
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Save the date… 28.11. – 30.11.2016 DLR Conference Center, Köln-Porz
@PyDataCologne
> Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015 DLR.de • Folie 45
PyData Cologne 2016
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> Big-Data-Konferenz #2, Startplatz > A. Schreiber • Analyse großer heterogener Daten in der Luft- und Raumfahrtforschung > 08.12.2015
DLR.de • Chart 46
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