ahresbericht 2011 der Fakultät EIM - Universität Paderborn: ONT

06 Berichte Forschung
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Jahresbericht 2011
Entwicklung eines vielseitig einsetzbaren
Werkzeugs ZUR LÖSUNG elektromagnetischer
inverser Streuprobleme
PROFESSORIN DR. ANDREA WALTHER AN BMBF-PROJEKT „HPC-FLIS“ BETEILIGT
Wie kann die Materialverteilung in einem Gegenstand analysiert werden, ohne diesen dafür kaputt
machen zu müssen? Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt
„HPC-FliS“ setzt sich mit dieser Fragestellung auseinander. Das Institut für Mathematik ist daran durch
die Arbeitsgruppe „Mathematik und ihre Anwendungen“ von Professorin Dr. Andrea Walther beteiligt.
Die Abkürzung HPC-FliS steht für High Performance Computing-Framework zur Lösung inverser Streuprobleme
auf strukturierten Gittern mittels Manycore-Systemen und Anwendungen für 3D-bildgebende
Verfahren. Bekannt sind solche Methoden unter anderem in der Medizin, in der die Ultraschalldiagnostik,
das Röntgen oder die Computertomografi e zum Einsatz kommen. Angewendet werden sie auch in
der Fernerkundung im Weltall. „Die bewährten Verfahren sind nicht immer praktikabel, etwa wegen der
Strahlenbelastung, ungünstigen geometrischen Bedingungen oder aber der Größenordnung des Objekts,
wenn man beispielsweise an große Turbinen zur Energieerzeugung denkt“, so Professorin Dr. Walther
weiter. Zur Konzeption einer neuartigen Technik, welche auf verschiedenste Fragestellungen angewendet
werden kann, gehören drei wichtige Komponenten: Der Versuchsaufbau, die computergestützte
Simulation und die Optimierung zur korrekten Rekonstruktion der Materialparameter.
VIELE HERAUSFORDERUNGEN
Die Paderborner Arbeitsgruppe um Professorin Dr. Walther und die Doktorandin Dipl.-Math. Maria Brune
kümmert sich hauptsächlich um den Teilbereich Optimierung. In diesem Bereich gilt es einige Herausforderungen
zu bewältigen, z.B. die genaue Rekonstruktion der Materialverteilung innerhalb des Objektes
und die Berücksichtigung von Messungenauigkeiten wie etwa Rauschen. Eine Anwendung dieses
Frameworks ist die sogenannte Radialspaltmessung. „Letztendlich geht es darum, dass die Turbine
nicht an das Gehäuse schlägt. Da eine entsprechende Messung zum Abstand der Turbinenschaufeln im
laufenden Betrieb im Prinzip nicht möglich ist, werden die Gehäuse derzeit einfach groß genug gebaut“,
erklärt Dipl.-Math. Brune. Sollte es gelingen, an dieser Stelle entsprechende Messungen durchzuführen,
kann die Effi zienz solcher Turbinen zur Energieerzeugung deutlich gesteigert werden. Auch bei diesen
vergleichsweise geometrisch kleinen Abmessungen handelt es sich um numerisch große Probleme, die
insbesondere bei der Anwendung iterativer Optimierungsstrategien HPC erfordern.
Das HPC-FliS-Projekt ist auf drei Jahre angelegt und gehört zur BMBF-Ausschreibung „HPC-Software
für skalierbare Parallelrechner“. Koordinator ist die E-Technik der Technischen Universität Dresden. Neben
der Universität Paderborn sind auch noch das Zentrum für Informationsdienste und Hochleistungsrechnen
(ZIH) Dresden, die Automation & Drive Group der Siemens AG und das Deutsche Zentrum für
Luft- und Raumfahrt (DLR) Köln beteiligt. Das Gesamtvolumen des Projekts liegt bei einer Million Euro.
Nach Paderborn fl ießen davon knapp 250.000 Euro. Im September wird es in Paderborn ein Projektmeeting
zu den aktuellen Entwicklungen geben.
1 Gruppenfoto der Projektgruppe HPC-Flis mit Professorin Dr. Andrea Walther (vorne Mitte) und
Dipl.-Math. Maria Brune (3.v.l.) 2 Die Grafi k links zeigt das zu rekonstruierende Objekt, während die
mittlere Grafi k die Startverteilung des Materials, also der Permittivitäten, darstellt. Von der mittleren
Permitttivität wird Rekonstruktion/Optimierung begonnen. Die Grafi k rechts zeigt das Ergebnis, welches
durch die Optimierung erreicht werden soll. Fotos: Universität Paderborn