Quantitative Emergenz

Die heutigen technischen Systeme werden immer komplexer. Um diese Komplexität zu beherrschen, werden Systeme der Zukunft aus einer Vielzahl von Soft- und Hardware-Komponenten bestehen, die aufgrund - einfacher - lokaler Regeln miteinander interagieren, um die funktionalen Anforderungen des globalen Systems zu erfüllen. Organic Computing (OC) hat in diesem Zusammenhang die die Vision entwickelt, die zunehmende Komplexität zu bewältigen, indem technische Systeme mit lebensähnliehen (organischen) Eigenschaften, wie SeIbstheilung, Selbstkonfiguration, Selbstoptimierung (den sog. Selbst-x-Eigenschaften) ausgestattet werden. Dies kann nur realisiert werden, indem die Systeme flexibel und die Systemelemente mit gewissen Freiheitsgraden ausgestattet werden. Aus der Interaktion dieser Elemente können emergente Effekte entstehen (auch als Emergenz bezeichnet), die sowohl positiv (erwünscht) als auch negativ (unerwünscht) im Hinblick auf das globale Ziel sein können. Da der Entwickler in der Entwurfsphase in den meisten Fällen nicht alle möglichen Systemzustände und Korrekturmaßnahmen vorhersehen kann, erfordert der Entwurf derartiger organischen Systeme ein tieferes Verständnis der Effekte emergenten globalen Verhaltens in Netzwerken aus intelligenten autonomen Einheiten als auch neue Entwurfsmethoden und -architekturen, um mit neuen (emergenten) Situationen zur Laufzeit umgehen zu können. Emergenz findet in vielen Wissenschaftsgebieten Anwendung. Sie kann allgemein als die Entstehung von Ordnung aus Unordnung basierend auf Selbstorganisation definiert werden. Bis jetzt wurde über deren Entstehung in einem gegebenen System intuitiv von Menschen entschieden. Um sie allerdings technisch zu nutzen, ist ihre automatisierte Erkennung anhand von festgelegten Metriken notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methodik für die Beobachtung des (globalen) Systemverhaltens eines organischen Systems im Allgemeinen und für die Messung von Emergenzeffekten im Speziellen entwickelt. Die Messung des globalen Systemverhaltens basiert auf der informationstheoretischen Definition der Entropie nach Claude Shannon. Das entwickelte Messverfahren erlaubt zusätzlich zur Messung im Zeitbereich eine Messung im Frequenzbereich durchzuführen und somit verschiedene Ordnungsformen zu erkennen. Die entwickelten Werkzeuge wurden in einer Kontrollarchitektur, der sog. ObserverjController-Architektur als Entwurfsmuster für organische Systeme integriert. Die resultierenden Konzepte und die ausgearbeitete Architektur wurden anhand von Beispielsystemen, die ein emergentes Verhalten aufweisen, getestet und validiert.