20 Jahre. Mathematik und Informatik

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1 20 Jahre Fakultät für Mathematik und Informatik Passau im Juli 2003

2 Postanschrift: Fakultät für Mathematik und Informatik Universität Pasau Innstr. 33 D Passau Redaktion: Prof. Dr. Gunter Ritter

3 Inhaltsverzeichnis Grußwort des Rektors 1 Status der Fakultät für Mathematik und Informatik 1 2 Informatik Lehrstuhl für Theoretische Informatik Arbeitsgruppe Algorithmik Lehrstuhl für Informationsmanagement Lehrstuhl für Rechnerstrukturen Lehrstuhl für Systemprogrammierung Lehrstuhl für Dialogorientierte Systeme Lehrstuhl für Programmierung Lehrstuhl für Unternehmensforschung und Systemtheorie Lehrstuhl für Softwaresysteme Lehreinheit für Logik und Berechenbarkeit Mathematik Lehrstuhl für Numerische Mathematik und Analysis Schwerpunkt Maß und Integrationstheorie Schwerpunkt Stochastische Prozesse Lehrstuhl für Mathematische Stochastik Schwerpunkt algebraische Geometrie Lehrstuhl für Algebra

4 4 Institute Forschungsinstitut für Wissensbasierte Systeme Institut für Informationssysteme und Softwaretechnik Allgemeines Die Professoren der Fakultät bis heute Dekane Prodekane Studiendekan Ehrungen Nebenfach Medizinische Informatik Angestellte und Funktionsstellen der Fakultät Bibliothek Die Fachschaft der Fakultät für Mathematik und Informatik Die Student Branch Patavia des Institute of Electrical and Electronic Engineers Wie alles begann Erinnerungen eines Ehemaligen

5 Grußwort des Rektors In diesem Jahr werden an der Universität Passau zwei Jubiläen gefeiert. Im November begeht die Universität Passau ihr 25-jähriges Bestehen mit einer Reihe von Festveranstaltungen. Vorher am 4. Juli dieses Jahres lädt die Fakultät für Mathematik und Informatik aus Anlass ihres 20-jährigen Bestehens zu einer Akademischen Feier ein, bei der auch die Fakultät ihrem Gründungsdekan, Professor Dr. Manfred Broy, jetzt Technische Universität München, die Ehrendoktorwürde verleiht. Welchen erfolgreichen Weg die Fakultät für Mathematik und Informatik in den letzten 20 Jahren gegangen ist und welche Leistungen sie in Lehre und Forschung erbracht hat, darüber legt die vorliegende Festschrift ein beredtes Zeugnis ab. Als Rektor der Universität Passau, der auch einer der Geburtshelfer dieser Fakultät war, empfinde ich Stolz und Freude über die geleistete Arbeit und möchte darum im Namen der gesamten Universität den Professoren der Fakultät und allen ihren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sehr herzlich gratulieren. Als sich 1983 zu den bestehenden vier traditionellen Fakultäten der Universität Passau die Fakultät für Mathematik und Informatik gesellte, bedeutete das für die Universität zugleich eine Zäsur. Bis dahin nahezu rein geistes- und sozialwissenschaftlich ausgerichtet, bekam sie mit der neuen Fakultät eine mathematische und ingenieurwissenschaftliche Komponente, was sich als große Bereicherung und als unschätzbarer Gewinn für die gesamte Universität erweisen sollte. Hervorragend vorbereitet durch die erfolgreiche Arbeit des Struktur- und Berufungsausschusses unter der Leitung von Professor Dr. Dr. h.c. mult. F. L. Bauer, nahm die Fakultät für Mathematik und Informatik zum Wintersemester 1983/84 ihre Lehr- und Forschungstätigkeit auf. Wenn heute die Fakultät für Mathematik und Informatik auf die ersten 20 Jahre zurückblickt, so meine ich kann sie eine stolze Leistungsbilanz ziehen: Die elf Lehrstühle und 5 C3-Professuren haben eine vielseitige und erfolgreiche Lehr- und Forschungstätigkeit entwickelt. Das Ausbauziel von 400 Studienplätzen für den Diplom-Studiengang Informatik wurde nach fünf Jahren überschritten derzeit liegt die Auslastung mit über 600 Studierenden 50 % über dem ursprünglichen Ausbauziel. Das Studienfach Informatik kann heute mit einer Reihe interessanter Neben- und Sondernebenfächer kombiniert werden, die von Linguistik bis zu Medizinischer Informatik reichen. Die Informatik ist inzwischen auch fester Bestandteil bei vielen Studiengängen der

6 anderen Fakultäten der Universität Passau. Unlängst wurden der Bachelor-Studiengang Informatik und die Lehramtsstudiengänge Informatik an Realschulen und Gymnasien sowie Mathematik an Gymnasien eingerichtet. Seit zwei Jahren führt die Fakultät auch Lehrernachqualifizierungen in Informatik durch. Vielerlei Anstrengungen unternimmt die Fakultät für Mathematik und Informatik, um bei Schülerinnen und Schülern das Interesse am Studienfach Informatik zu wecken. Beispielhaft sei nur das seit acht Jahren veranstaltete Informatik-Sommercamp genannt. Über die rege und vielseitige Forschungstätigkeit der einzelnen Lehrstühle und Professuren berichtet ausführlich die vorliegende Festschrift. Ich möchte deshalb hier nur auf die erfolgreiche Arbeit des Bayerischen Forschungszentrums für Wissensbasierte Systeme (FOR- WISS), an dem die Fakultät für Mathematik und Informatik mit der Forschungsgruppe Entscheidungsunterstützende Systeme beteiligt ist, und das Institut für Informationssysteme und Softwaretechnik (IFIS) hinweisen. Die erfolgreiche Einwerbung von Drittmitteln ist immer ein untrügliches Zeichen für gute Forschungsarbeit. Wenn hierbei die Fakultät für Mathematik und Informatik bundesweit Plätze im oberen Drittel belegt, sich also im Spitzenbereich aller deutschen Universitäten befindet, spricht das für die Qualität der an der Fakultät für Mathematik und Informatik geleisteten Forschung. Ich wünsche allen Mitgliedern der Passauer Fakultät für Mathematik und Informatik weiterhin eine erfolgreiche Lehr- und Forschungstätigkeit. Professor Dr. Walter Schweitzer Rektor der Universität Passau

7 1 Status der Fakultät für Mathematik und Informatik Die Fakultät für Mathematik und Informatik feiert in diesem Jahr ihr 20-jähriges Bestehen. Genauso lange gibt es auch den Diplom-Studiengang Informatik. Derzeit befinden sich gut 600 Studierende in diesem Studiengang, womit wir etwa 50 % über dem ursprünglichen Ausbauziel von 400 Studierenden in dieser Fakultät liegen. Die Informatik entwickelt sich immer mehr zu einer Querschnittsdisziplin, die Bestandteil vieler anderer Studiengänge geworden ist. Schon seit langem beteiligt sich die Informatik an vielen anderen Studienfächern der Universität Passau, wie dem Diplomstudiengang Sprachen, Kultur- und Wirtschaftsräume (KuWi), dem Bachelor-Studiengang European Studies, dem Diplomstudiengang Betriebswirtschaft mit den zwei Hauptstudiumssäulen Informatik (Datenbanken und Rechnernetze) sowie Unternehmensforschung und den Magisterstudiengängen. Gemäß dem Senatsbeschluss wird sich die Fakultät für Mathematik und Informatik auch an dem neu einzurichtenden Bachelor-Studiengang Wirtschaftsinformatik beteiligen. Es ist selbstverständlich so, dass diese Lehrangebote zielgruppenspezifisch ausgearbeitet werden. Schon seit langer Zeit gibt es beispielsweise dedizierte Lehrveranstaltungen für die KuWi und European Studies-Studierenden. Neben dem seit 20 Jahren etablierten Diplom-Studiengang Informatik hat die Fakultät zum Wintersemester 2002/2003 mehrere neue Studiengänge eingerichtet. Bei dem neuen Bachelor-Studiengang Informatik handelt es sich um einen dreijährigen berufsqualifizierenden Studiengang. Der Übergang vom Bachelor-Studiengang in den höher-qualifizierenden Diplomstudiengang wird ermöglicht, so dass auch Diplom-Studierende den Bachelor-Abschluss erwerben können. Dieser zusätzliche Abschluss hat mehrere Vorteile für die Studierenden. (1) Höhere Sicherheit: Der Bachelor ist ein berufsqualifizierender Abschluss, der den Studierenden schon nach drei Jahren gute Berufsperspektiven eröffnet. (2) Bessere Transfermöglichkeiten: Der Bachelor ist ein international anerkannter Abschluss, der den Transfer an internationale Universitäten (z.b. als Gaststudent/in) deutlich vereinfacht. (3) Höhere Flexibilität: Mit dem international anerkannten Bachelor-Abschluss kann man leichter in andere, verwandte Master-Studiengänge (Master of Science, Master of Business Administration MBA, oder dergleichen) wechseln. Der Bachelor-Grad bildet einen ersten berufsbefähigenden Abschluss des Studiums der Informatik. Die Studierenden erwerben Kenntnisse in den Grundlagen der Praktischen, Technischen und Theoretischen 1

8 1 Status der Fakultät für Mathematik und Informatik Informatik sowie grundlegende Kenntnisse in Mathematik und in einem Nebenfach. Der Software-technische Schwerpunkt des Studiums befähigt sie, komplexe Softwaresysteme anzuwenden und systematisch zu entwickeln. Dadurch sind sie auf einen frühen Übergang (nach nur drei Jahren) in die Berufspraxis vorbereitet. Nachdem das Fach Informatik in Bayern als Pflichtfach in den Gymnasien eingeführt wurde, hat die Fakultät für Mathematik und Informatik seit dem Wintersemester 2002/2003 auch die Lehramtausbildung in Informatik und Mathematik mit in ihr Repertoire aufgenommen. Informatik ist erst seit Kurzem Pflichtfach an Bayersichen Gymnasien; an Realschulen gilt dies schon länger. Es gibt ca 400 Gymnasien in Bayern aber derzeit gibt es Bayern-weit nur ca. 100 Informatik-Lehrer (mit Fakultas) hier herrscht also ein hoher Nachholbedarf. Bislang war Informatik in der Lehramtausbildung nur als Ergänzungsfach möglich, jetzt ist es ein vollwertiges Lehramt-Studienfach, das in Passau in folgenden Fächerkombinationen für das Lehramt an Gymnasien studiert werden kann: Informatik/Englisch Informatik/Wirtschaft Informatik/Mathematik Für das Lehramt an Realschulen haben die Passauer Studierenden die Wahl zwischen Informatik/Englisch und Informatik/Wirtschaft. Das Lehramtfach Mathematik für das Lehramt an Gymnasien wurde auch zum Wintersemester 2003/2003 neu eingerichtet. (Wegen der geringen Personalressourcen ist derzeit eine Ausweitung auf das Lehramt für Realschulen nicht möglich). Die in Passau möglichen Kombinationen sind: Informatik/Mathematik Mathematik/kath. Religion Mathematik/Wirtschaft Die Einrichtung der Lehramtfächer war nur möglich wegen der Reform der Lehramt- Prüfungsordnung (LPO), die jetzt eine dezentrale Zwischenprüfung und somit mehr Flexibilität in der Studienplangestaltung zulässt. Für die Einrichtung des Lehramtfachs Informatik hat die Fakultät eine Anschubfinanzierung des Wissenschaftsministeriums erhalten. Dadurch war die Besetzung einer C3-Professur in algorithmischer Informatik möglich. Neben der grundständigen Lehramtsausbildung führt die Fakultät seit zwei Jahren Lehrernachqualifizierungen in Informatik durch. Diese Lehrkräfte erwerben berufsbegleitend innerhalb von zwei Jahren durch kombinierte virtuelle und Präsenzveranstaltungen die Fakultas in Informatik. Die Nachqualifizierungskurse basieren auf Unterrichtsmodulen des NELLI-Projekts (Netzgestützter Nachqualifizierungskurs für Lehrer in Informatik), das 2

9 vom Wissenschaftsministerium im Rahmen der High-Tech-Offensive gefördert wurde. Daran waren neben Passau mehrere andere Bayerische Universitäten beteiligt (TUM, LMU, Univ. Erlangen). In Passau sind derzeit ca. 45 Lehrkräfte in der Ausbildung, von denen etwa 20 schon im Herbst 2003 die Fakultas erwerben werden. Die anderen werden ein Jahr später fertig, so dass wir dann den Südost-Bayerischen Raum einigermaßen gut mit Informatik-Lehrkräften versorgt haben. Die Konjunkturschwäche der Wirtschaft und insbesondere die schlechte Arbeitsmarktlage geht auch an uns nicht spurlos vorüber. Genau wie in allen etablierten deutschen Informatik-Studiengängen gingen die Studierendenzahlen im letzten Herbst zurück. Es macht sich auch schon wieder eine latente Technikfeindlichkeit (insbesondere in einigen Medienberichten) breit, so dass man schon wieder befürchten muss, dass die Anfängerzahlen in den ingenieurwissenschaftlichen Studiengängen (inklusive der Informatik) unter das Niveau sinken könnte, das für eine innovative Wirtschaftskraft in diesem High- Tech-Sektor notwendig ist. Deshalb haben wir in der Fakultät für Mathematik und Informatik frühzeitig beschlossen, diesem negativen Trend gegenzusteuern. Es gibt eine Task- Force FMI-Marketing mit folgenden Zielen bzw. Aufgaben: Einrichtung eines freiwilligen Assessment-Centers für Schüler/innen, Erhöhung des Frauenanteils unter den Studierenden, der aufgrund unserer langjährigen Schulkontakte schon immer über dem bundesweiten Durchschnitt liegt und Pflege der Schulkontakte. Seit letztem Jahr werden die besten Abiturienten der Niederbayerischen Gymnasien mit einem FMI-Preis ausgezeichnet. Darüberhinaus betreiben wir eine intensive Kontaktpflege mit den umliegenden Gymnasien über die Lehrer der Nachqualifizierungskurse. Bereits seit 8 Jahren veranstalten wir sehr erfolgreich jedes Jahr das deutschlandweit bekannte Informatik-Sommercamp. Dieses Informatik-Sommercamp bietet etwa 130 Schüler/innen die Möglichkeit, sich eine Woche lang im Rahmen eines Schnupperstudiums mit der Informatik zu beschäftigen. Die Unterbringung erfolgt in der Passauer Jugendherberge. Das Ziel des Sommercamps besteht darin, die talentiertesten jungen Leute für ein Informatikstudium zu begeistern. Die Internationalisierung ist ein Markenzeichen der Universität Passau und auch der Passauer Informatik. Wir haben seit vier Jahren den Auslandsorientierten Schwerpunkt mit einem obligatorischen Auslandsanteil. Dieser Informatik-Schwerpunkt hat als Nebenfach Angewandte Fremdsprachen, wobei deutschsprachige Studierende Englisch und eine weitere Fremdsprache erlernen. Durch das neu entstehende Zentrum für Internationale Beziehungen wird dieser Auslandsorientierte Schwerpunkt des Informatikstudiums zusätzlich bereichert, da wir unsere Auslandsbeziehungen zu internationalen Informatik- Spitzenuniversitäten ausbauen können. Wir haben schon jetzt einige Sokrates-Partneruniversitäten und sehr gute Kontakte zur University of Edinburgh (der besten Informatik- Universität in Großbritannien). Die Fakultät betreibt in ihrer Gesamtheit eine ausgewogene Mischung zwischen grundlegender und angewandter Forschung. Dies dokumentieren die aus sehr unterschiedlichen Quellen stammenden Drittmittel. Sie reichen von der DFG bis zu direkter Förderung durch Firmen, wie Siemens, BMW, Audi, und SAP um nur einige wenige zu nennen. Wir stehen 3

10 1 Status der Fakultät für Mathematik und Informatik in den Erhebungen des CHE (Centrum für Hochschul-Entwicklung) aus den Jahren 1999 und 2003 hinsichtlich der Einwerbung von Forschungsgeldern im bundesweiten Vergleich im oberen Drittel. In diesem Statusbericht kann ich mich bezüglich der Forschungsaktivitäten kurz fassen, da diese in den nachfolgenden Darstellungen der Forschungsgruppen detaillierter erläutert werden. Es gibt zwei erfolgreiche Institute an der der Fakultät für Mathematik und Informatik: (1) das etablierte FORWISS-Institut (Forschungsinstitut für Wissensbasierte Systeme) und (2) das vor Kurzem im Rahmen der High-Tech-Offensive gegründete IFIS-Institut (Institut für Informationssysteme und Softwaretechnik). IFIS wird im Rahmen der Regionalförderung der Bayerischen High-Tech-Offensive gefördert Beide Institute zeichnen sich durch eine enge Zusammenarbeit mit der regionalen und überregionalen Industrie aus. Weitere Bestrebungen zur Bündelung von Forschungsinteressen sind in der Fakultät derzeit im Gange. Dazu zählt der Forschungsverbund FORSIP, an dem zwei Passauer Lehrstühle beteiligt sind. Dieser inter-universitäre Bayerische Forschungsverbund für Situierung, Individualisierung und Personalisierung in der Mensch-Maschine-Interaktion hat die Vision, die wissenschaftlichen Voraussetzungen zu schaffen, um die Technik menschengerechter, individualisierter und emotionaler zu gestalten. In einem inner-universitären Forschungsverbund wird der Themenbereich der IT-Sicherheit behandelt. In diesem Verbund kooperieren fünf Lehrstühle der Fakultät, um diese Thematik in der Lehre und der Forschung abzudecken. Zusätzlich streben wir hier auch die Zusammenarbeit mit der Juristischen Fakultät an. Neben der erfolgreichen Drittmitteleinwerbung und dem damit verbundenen Technologietransfer hat sich die Fakultät für Mathematik und Informatik auch im Bereich der wissenschaftlichen Nachwuchsförderung sehr erfolgreich etabliert. Gerade in den letzten paar Jahren wurden eine Reihe von Nachwuchswissenschaftlern aus der FMI auf renommierte Professuren berufen: Prof. Sergej Gorlatch an die TU Berlin, Prof. Donald Kossmann an die TU München, Prof. Ulrike Lechner an die Universität Bremen, Prof. Michael Mendler an die Universität Bamberg und Prof. Andreas Zeller an die Universität Saarbrücken. Wir sind dem Freistaat Bayern sehr dankbar, dass uns in Anerkennung unserer Forschungsarbeiten und zum Zwecke des weiteren Ausbaus dieser Projektarbeiten ein (im wahrsten Sinne des Wortes) großzügiges Zentrum für Anwendungen der Informatik im Rahmen der High-Tech-Offensive zugesprochen wurde. Dieses Zentrumsgebäude befindet sich derzeit im Bau und wird Ende 2005 bezugsfertig sein, so dass wir ab diesem Zeitpunkt die bislang immer herrschende räumliche Enge endgültig überwunden haben sollten. Nachdem ich hier den wie ich meine sehr positiven Status der Fakultät dargestellt habe, ist es an der Zeit, den Gründungsdekan dieser Fakultät für Mathematik und Informatik, der all das ins Rollen gebracht hat zu ehren. Die Fakultät für Mathematik und Informatik hat beschlossen, zum Anlass ihres 20-jährigen Bestehens Herrn Prof. Dr. Manfred Broy von der Technischen Universität München die Ehrendoktorwürde zu verleihen. Es ist für uns eine große Ehre, Herrn Kollegen Broy diese wohlverdiente Anerkennung für den Aufbau unserer 4

11 Fakultät im Speziellen und für seine herausragenden Leistungen in der Informatikforschung im Allgemeinen verleihen zu können. Bei allen Kollegen möchte ich mich für ihre Beiträge zu diesem Forschungsbericht der Fakultät für Mathematik und Informatik bedanken. Einen ganz besonderen Dank verdient der Herausgeber dieses Berichts, Herr Kollege Ritter, der viel Mühe auf sich genommen hat, diesen Band zusammenzustellen. Prof. Alfons Kemper, Ph. D. Dekan 5

12 1 Status der Fakultät für Mathematik und Informatik 6

13 2 Informatik 2.1 Lehrstuhl für Theoretische Informatik Prof. Dr. Franz J. Brandenburg Sekretariat Lenz, Susanne Wissenschaftliche Mitarbeiter 1 Bachmaier, Christian Forster, Michael Pick, Andreas Raitner, Marcus Dipl.-Inf., wissenschaftlicher Mitarbeiter Dipl.-Inf., wissenschaftlicher Mitarbeiter Dipl.-Inf., wissenschaftlicher Mitarbeiter Dipl.-Inf., wissenschaftlicher Mitarbeiter Forschungsprojekte Zeichnen von Graphen Das zentrale Forschungsthema am Lehrstuhl ist das Zeichnen von Graphen, Graph Drawing. Gegenstand sind Algorithmen für die Visualisierung von Graphen bzw. von Strukturen, die durch Graphen modelliert werden. Der Aufgabenbereich reicht von der theoretischen Analyse von Algorithmen bis hin zu der Entwickung von Systemen, die professionellen An- sprüchen genügen. International ist Graph Drawing seit 10 Jahren ein sehr aktivbetriebenes Forschungsgebiet. Seitdem gibt es das jährlich stattfindende Graph Drawing Symposium; dieses fand 1995 in Passau statt. Durch die erfolgreichen und kontiniuerlichen Forschungsarbeiten ist Passau ein anerkanntes Zentrum im Graph Drawing. Das Zeichnen von Graphen hat sehr vielseitige Anwendungen, z.b. bei der Visualierung von hierarchi- 1 Weiterhin waren die folgenden ehemaligen MitarbeiterInnen an den Forschungsarbeiten beteiligt: Dr. Sabine Bachl, Dipl.-Inf. Walter Bachl, Dr. Frank Börncke, Dipl.-Inf. Fred Dichtl, Dr. Bernhard Gruber, Dr. Timo Hickl, Dr. Michael Himsolt, Dipl.-Inf. Janina Patolla, Dipl.-Inf. Robert Schirmer, Dr. Falk Schreiber, Dr. Konstantin Skodinis, Dipl.-Inf. Katja Strecker, Dr. Andreas Stübinger 7

14 2 Informatik schen Strukturen, Netzplänen, Daten- und Prorammstrukturen oder Netzwerken. Es sind Verfahren aus dem Zeichnen von Graphen gemeint, wenn von Diagrammen für diskrete Strukturen die Rede ist. In den theoretischen Arbeiten wurden zuletzt das Problem großer isomorpher Subgraphen betrachtet [1]. Graph-Isomorphie ist ein wichtiges Ästhetikkriterium, welches Ähnlichkeiten in Strukturen widerspiegelt. Für die Berechnung von Isomorphien wurden neue Heuristiken entwickelt und in Zeichenverfahren integriert. Graphlet Graphlet ist ein portables, objektorientiertes Toolkit zur Implementierung von Grapheneditoren und Algorithmen zum Zeichnen von Graphen. Es ist die Plattform für die Forschungsarbeiten des Lehrstuhls im Graph Drawing. Graphlet wurde in seinen wesentlichen Teilen von M. Himsolt entwickelt. Der Graphlet Editor ermöglicht ein einfaches Editieren und Bearbeiten von Graphen und stellt dafür eine Vielzahl von Werkzeugen zur Verfügung. Von zentraler Bedeutung sind Layoutverfahren für das automatische Zeichnen von Graphen. Hier verfügt Graphlet über eine breite Palette an Algorithmen für allgemeine Graphen, hierachische Graphen und Bäume, siehe Abb Die Entwicklung von Graphlet wurde im DFG Schwerpunktprogramm Entwicklung effiziente Alorithmen für Anwendungen gefördert. Graphlet wurde 1997 und 1999 auf der Cebit präsentiert und wird seit 2001 von Brainsys Informatiksysteme vermarktet. Weltweit hat Graphlet mehrere tausend Nutzer und es kommen stetig neue hinzu. Inzwischen wird am Nachfolgersystem Grafitti gearbeitet, welches sich auf die Java Technologie abstützt. Abbildung 2.1: Graphlet Graph Template Library (GTL) Die Graph Template Library besteht aus einer C++ Bibliothek mit den grundlegenden Datenstrukturen und Algorithmen für Graphen sowie einer Reihe fortgeschrittener Verfahren wie Wege- und Flußalgorithmen oder zur Partitionierung eines Graphen. GTL orientiert sich an den Konzepten der Standard Template Library (STL) und ist auf allen gängigen Plattformen verfügbar. 8

15 2.1 Lehrstuhl für Theoretische Informatik GTL wird seit 1999 als Basis von Graphlet verwendet und findet darüber hinaus in vielen Projekten weltweit eine Anwendung. Die Homepage von GTL wird pro Woche mehrere hundert Mal abgerufen, die Zahl der Nutzer geht in die Tausende. BioPath Die Life Sciences gelten als die Wissenschaft der Gegenwart. Eines der langfristigen Ziele ist das grundsätzliche Verständnis von biochemischen Vorgängen, die das Leben ausmachen. Dies war und ist Gegenstand intensivster Forschungen. Im Bereich der metabolischen Reaktionen gibt es einen umfangreichen Wissensstand. Biochemiker sind es gewohnt, graphisch mit Diagrammen zu arbeiten. Als Partner in dem vom BMBF geförderten Projekt Elektronische Weiterentwicklung der Biochemical Pathways wurde die Visualisierungskomponente realisiert und in das Gesamtsystem BioPath integriert. BioPath ist ein Web-basiertes System zur Navigation durch matabolische Reaktionen und deren Visualisierung als Reaktionsdiagramme, und das erste und derzeit einzige seiner Art, welches eine dynamische Visualisierung der Reaktionsdiagramme ermöglicht [3], siehe Abb. 2.2 Hierarchische Graphen Sehr große Graphen mit mehreren Tausend Knoten sind eine Abbildung 2.2: Beispiel für BioPath aktuelle Herausforderung für effiziente Algorithmen und die Visualisierung. Beispiele sind der WWW-Graph mit über einer Milliarde Domains, Strassenkarten oder Programmgraphen aus der Programmanalyse. Die Behandlung derartiger Strukturen erfordert neuartige 9

16 2 Informatik Techniken. Im DFG geförderten Teilprojekt Hierarchisches Clustering werden Verfahren zum Clustern von Graphen studiert, die graphentheoretische Eigenschaften herausarbeiten. Das Ziel dieser Untersuchungen ist es, Teile von Graphen zu erkennen und zusammenzufassen, die nach einer übergeordneten Vorschrift zusammengehören, z. B. aufgrund der Dichte oder einer speziellen Graphklasse. Auf diese Weise entstehen Graphen mit einer übergeordneten hierarchischen Struktur. Diese Struktur ist oft durch die spezifische Anwendung gegeben, z. B. durch eine bekannte biochemische Klassifikation. Für Graphen mit einer hierarchischen Struktur müssen neue effiziente Datenstrukturen konzipiert und realisiert werden, die es gestatten, die hierarchische Struktur effizient zu nutzen. Man will in vielfältiger Weise Navigieren und Teilstrukturen komprimieren bzw. expandieren. Zu einer optimalen Unterstützung des Anwenders gehört eine visuelle Darstellung der Strukturen. Hierzu werden für die passenden Graphenmodelle spezielle Zeichenverfahren entwickelt, wobei der Planarität eine besondere Rolle zufällt. Graph-Automaten Schon Anfang der 70-er Jahre wurden der Versuch unternommen, die klassische Theorie der formalen Sprachen auf Graphen zu verallgemeinern. Dies gelang in den 90-er Jahren mit intensiven Forschungen über Graph Grammatiken. An diesen Forschungen waren Mitarbeiter des Lehrstuhls aktiv und erfolgreich beteiligt. Hervorzuheben sind optimale Anschätzungen der Komplexität von grundlegenden Problemen. Diese Forschungen wurden wiederholt von der DFG gefördert. Die Theorie der formalen Sprachen ist durch eine Dualität zwischen generativen und erkennenden Mechanismen gekennzeichnet, d.h. durch Typen von Grammatiken und Automaten. Trotz mehrerer Anläufe stand ein entsprechendes Resultat für Graph Grammatiken lange Zeit aus. Diese Lücke konnte nun geschlossen werden [2]. Verallgemeinerte Netzwerke Bei verallgemeinerten Netzwerken werden Gewinne oder Verluste von Flüssen in die Kalkulationen einbezogen. Dies hat vielfältige Anwendungen im Transportwesen, dem Datentransfer und der Finanzwirtschaft. Aus Passauer Sicht gibt es eine Anwendung mit einem historischen Hintergrund. In der Raffelstetter Zollordnung von 903/05 ist festgelegt, dass beim Salzhandel je Schiff drei Scheffel und je Karren ein Scheffel Salz als Zollgebühren abzuliefern sind. Dies verringert die zu transportierende Menge von Waren und damit die Gesamtkosten. Die aktuellen Anwendungen liegen in einer detaillierten Mengen- und Kostenanalyse beim Datentransfer, wenn zusätzliche Routinginformationen übetragen werden und bei Geldgeschäften, wenn Gebühren und Provisionen als Transaktionskosten in die Kalkulation einer optimalen Anlagestrategie einbezogen werden. Jüngste Ergebnisse zeigen, dass die Berechnung maximaler Flüsse und kostenminimaler Flüsse NP-hart ist. Aber es gibt interessante Spezialisierungen mit weiterhin polynomialen Lösungen. 10

17 2.1.4 Forschungskooperation 2.1 Lehrstuhl für Theoretische Informatik Institit für Pflanzengenetik und Kulturpfanzenforsschung (IPK), Gatersleben Department of Computer Science and Engineering, Arizona State University, Tempe, USA Publikationen (Auswahl) [1] Bachl, S. und Brandenburg, F. J. (2001): Computing and drawing isomorphic subgraphs. In: Proceedings of the 9th International Symposium on Graph Drawing, Lecture Notes in Computer Science, 2265, [2] Brandenburg, F. J. und Skodinis, K. (2003): Pushdown graph automata and boundary graph languages. Erscheint bei Theoretical Computer Science, 2003 [3] Forster, M., Pick, A., Raitner, M., Schreiber, F. und Brandenburg, F. J. (2002): The System Architecture of BioPath. Silico Biology, (2002), IOS Press Amsterdam, 11

18 2 Informatik 2.2 Arbeitsgruppe Algorithmik Prof. Dr. Ulrik Brandes Sekretariat Vollstädt, Nathalie Wissenschaftlicher Mitarbeiter Lerner, Jürgen Dipl.-Math., wissenschaftlicher Mitarbeiter Forschungsprojekte Hauptinteresse sind algorithmische Fragestellungen wie sie bei der Analyse und Visualisierung von Netzwerken auftreten. Wir befassen uns daher einerseits mit Grundlagenforschung zu Graphenalgorithmen und spezieller dem Zeichnen von Graphen, sowie andererseits mit spezifischen Themen aus Anwendungen und hierbei insbesondere sozialen Netzwerken. Graphenalgorithmen und Algorithmen-Engineering Obwohl die bearbeiteten Themen meist aus Anwendungen motiviert sind, handelt es sich oft um Varianten bekannter Wege- und Flussprobleme. Von besonderem Interesse sind zudem Durchlaufstrategien wie zum Beispiel Tiefensuche und ihre Eigenschaften, aber auch Konzepte der algebraischen Graphentheorie. Zusätzlich interessante Aspekte beim Entwurf von Algorithmen sind die Umsetzungskomplexität und Effizienz auf realen Systemen. Im noch jungen und nicht präzise umrissenen Gebiet des Algorithmen-Engineering haben wir uns bisher vornehmlich für möglichst einfache und vielseitig einsetzbare aber trotzdem effiziente Algorithmenbausteine interessiert. Graphenzeichnen Das Zeichnen von Graphen hat sich mittlerweile zu einem eigenständigen Gebiet im Schnittbereich von algorithmischer Geometrie und Graphentheorie entwickelt, in dem es um das Layout geometrischer Graphenrepräsentationen geht. Es ist damit Grundlage für Visualisierungen vernetzter Strukturen aller Art, und entsprechend werden in der Arbeitsgruppe Grundlagenthemen zwar oft wegen spezieller, aus Anwendungen motivierter Anforderungen, aber eben auch mit Blick auf die dabei auftretenden prinzipiellen Fragstestellungen behandelt. Oft steht die Platzierung der Knoten eines Graphen im Vordergrund, mitunter ist wie in Abbildung 2.3 aber auch der Verlauf von Kanten zu bestimmen. Eine weitere Variante ist die Visualisierung dynamischer, d.h. in der Zeit veränderlicher Graphen. Hier kommt es nicht nur darauf an, die einzelnen Graphen für sich genommen den jeweiligen Kriterien genügend zu zeichnen, sondern auch darauf, die Veränderungen zwischen aufeinander folgenden Zeichnung gering zu halten. Letzteres kann für eine flüssige Animation notwendig 12

19 2.2 Arbeitsgruppe Algorithmik Passau Abbildung 2.3: Zeichnung eines Graphen (Ausschnitt von Bahnverbindungen in Süddeutschland), bei dem die Knoten (Haltestellen) bereits feste Koordinaten haben, aber ausgewählte Kanten (Verbindungen schnellerer Züge) zur besseren Lesbarkeit gebogen dargestellt und automatisch platziert wurden. sein oder dazu dienen, einem Betrachter oder einer Betrachterin die Orientierung im jeweils nächsten Graphen zu erleichtern. Soziale Netzwerke In den Sozialwissenschaften wird die Netzwerkanalyse als Methode zur Beschreibung, Erklärung und mitunter auch Vorhersage von Strukturen und Wirkungen verwendet. Der über einen langen Zeitraum entwickelte Methodenkatalog wird in letzter Zeit auch in anderen Anwendungsgebieten verwendet und durch diese bereichert. Aus algorithmischer Sicht werden bei der Analyse sozialer Netzwerke attributierte Graphen auf anwendungsspezifische Weise analysiert und visualisiert. Ein wichtiger Bestandteil zahlreicher Analysen sind beispielsweise Bewertungen der Knoten oder Kanten eines Graphen hinsichtlich ihrer strukturellen Bedeutung. So wird etwa ein Knoten als besonders zentral angesehen, wenn er eine geringe mittlere Entfernung von den anderen hat oder besonders häufig auf kurzen Wegen zwischen anderen Knoten liegt (siehe Abbildung 2.4). Andere Fragestellungen betreffen z.b. Rollen von Netzwerkakteuren oder globale Eigenschaften der Netzwerke. Da die Netzwerkanalyse bisher vor allem aus strukturell-theoretischer Sicht betrieben wurde, die Datensätze durch die elektronischen Möglichkeiten zur Sammlung und Aufbereitung jedoch immer größer werden, entsteht ein noch weiter wachsender Bedarf an 13

20 2 Informatik % algorithmischen Techniken zur Durchführung der Analysen. Ähnliches gilt für Fragen der Visualisierung, die durch neue Ansätze in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen hat. Informationsvisualisierung Anders als bei der Visualisierung formatierter Daten % % 25 % (scientific visualization) interessieren in der Informationsvisualisierung vor allem 1.56 % 6.25 % abstrakte Informationen und Zusammenhänge. Die von uns hauptsächlich betriebene Visualisierung sozialer Netzwerke ist damit ein Spezialfall der Informationsvisualisierung. Abbildung 2.4: Visualisierung der Knotenzentralitäten in einem sozialen Netzwerk durch Positionierung in entsprechender Entfernung vom Zentrum der Zeichnung. Formen, nem kommunikationswissen- Beispielsweise wird in ei- Farben und Größen drücken weitere Attribute der Akteure schaftlichen Ansatz zur automatischen Themenbestim- und ihrer Beziehungen aus. mung in Texten die Textstruktur durch einen Graphen repräsentiert, in dem Knoten den Wörtern und Kanten den Bedeutungszusammenhängen zwischen diesen Wörtern entsprechen. Aus solchen Graphen werden dann die für die Struktur der Texte besonders relevanten Wörter herausgefiltert. Handelt es sich sogar um eine Sequenz zusammengehöriger Texte (z.b. aus einer Diskussion, einem Interview, einem Tagebuch), kann zwar jeder dieser Textbausteine als ein einzelner Graph angesehen werden, es interessieren aber vor allem Veränderungen und Querbezüge der aufeinander folgenden Texte. Diese können etwa Themenwechsel, Abschweifungen, Konvergenz oder Stillstand bedeuten Forschungskooperation Es werden intensive Kontakte zum Lehrstuhl von Prof. Dr. Dorothea Wagner im Forschungsbereich Innovative Algorithmen an der Universität Karlsruhe gepflegt. Diese sind unter anderem durch ein gemeinsames Projekt zur Analyse und Visualisierung sozialer Netzwerke im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms Algorithmik großer und komplexer Netzwerke institutionalisiert. Weitere Zusammenarbeit aufgrund gemeinsamer Forschungsinteressen besteht innerhalb der Informatik mit den Gruppen von Prof. Rober- 14