BMBF Ausschreibung MaterialDigital 2

Rolle und Leistungen der Plattform MaterialDigital und ihre Wechselwirkung mit der aktuellen BMBF Ausschreibung MaterialDigital vom 01.03.2021 und Stichtag 01.07.2021

Stand 12.05.2021; Die folgenden Ausführungen spiegeln Sicht und Planungsstand der Plattformverantwortlichen wider. Im Falle von Widersprüchen gegenüber den Formulierungen im Ausschreibungstext gilt der Ausschreibungstext. Bitte beachten Sie, dass die Plattform MaterialDigital aufgrund ihres Entstehungsprozesses Veränderungen unterliegt. Aktuelle Informationen finden Sie stets unter www.materialdigital.de.

Zur Plattform MaterialDigital

Überblick Plattform MaterialDigital

Der Zweck der Plattform MaterialDigital (PMD) ist, den Umgang mit Daten in der Disziplin der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik zu vereinheitlichen. In Zukunft sollen Forschende im Stande sein, Datensätze, Fachwissen und Auswertungsmethoden Anderer nachzuvollziehen und wiederzuverwenden. Dazu entwickelt die PMD ontologische Datenstrukturen, Laufzeit- und Entwicklungsumgebungen, sowie eine umfassende Infrastruktur, die geltende Prinzipien dezentraler Datenhaltung und -souveränität erfüllen.

Die PMD ist ein Verbundprojekt der Plattformträger, bestehend aus der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik (IWM), des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE), sowie des Leibniz-Instituts für werkstofforientierte Technologien (IWT). Sie wird im Rahmen mehrerer angebundener Forschungsprojekte (“Use Cases”) anwendungsnah weiterentwickelt, auf neue Bereiche ausgeweitet und mit wissenschaftlichen Inhalten angereichert. Mithilfe des aktuellen Förderaufrufs sollen solche anbindbaren Forschungsprojekte durch die industrielle Community ermöglicht werden.

Klärung Begrifflichkeiten

Plattform MaterialDigital
Die Plattform MaterialDigital (PMD) ist die Infrastruktur, die für einen einheitlichen Austausch und die Verknüpfung von Daten, Softwarelösungen und Ontologien zum Umgang mit Materialien notwendig ist. Sie stellt damit die vereinheitlichende technologische Basis dar, mit der Daten und Software aus verschiedenen Anwendungsfeldern miteinander verknüpft werden können. Die Plattform wird erstellt und repräsentiert durch die Plattformverantwortlichen und die geförderten wissenschaftlichen Projekte.
Plattformverantwortliche/Plattformträger
Das Konsortium, das die Plattform MaterialDigital PMD seit ihrem Beginn im Juli 2019 betreut, bestehend aus der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), dem Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), dem Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik (IWM) und dem Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien (IWT).
Use Cases
Anwendungsfälle, die auf Basis der Plattform implementiert, im Rahmen geförderter Projekte erzeugt und kompatibel mit der Plattform strukturiert werden.
Domänenexperten/Community:
Wissenschaftliche Expertinnen und Experten, die im Rahmen von Use Cases ihr Fachgebiet innerhalb der PMD (weiter-)entwickeln. Die wissenschaftliche Community als Ganzes prägt dabei die PMD sowohl durch ihren Beitrag als auch durch Partizipationsmethoden. Die Auswahl der in der PMD repräsentierten wissenschaftlichen Teilbereiche basiert auf den Beiträgen der Domänenexperten.
Vision der Plattform

Übergeordnetes Ziel der Anstrengung ist die Entwicklung einer nachhaltigen Dateninfrastruktur für die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Diese Infrastruktur basiert auf dezentral kommunizierenden Serverinstanzen auf Basis des VPNs der International Data Spaces (IDS). Durch eine geteilte Vertrauensbasis können beteiligte Server sich dabei gegenseitig nach NutzerInnen individualisierte Lese-, Editier- sowie Ressourcennutzungsrechte erteilen. Dadurch garantiert die PMD Datensouveränität und Relevanz für industrielle Anwendungen. Forschungsdaten sowie Fachwissen legt die PMD auf Basis geteilter Ontologien strukturiert und gemäß der FAIR-Prinzipien ab. Reproduzierbare Auswertungsroutinen bauen innerhalb gemeinsamer Laufzeitumgebungen auf den so strukturierten Informationen auf. Die PMD wird somit zentrales Vehikel zukünftigen wissenschaftlichen Erkenntnisgewinns. Für Projekte, die nachhaltige Daten- und Wissensstrukturierung zum Ziel haben, wird die PMD zum festen Bezugs- und Anlaufpunkt.
Ziel der Ausschreibung

Die vom BMBF im Kontext der PMD am 01.03.2021 veröffentlichte „ Richtlinie zur Förderung von Projekten im Rahmen der Initiative zur Digitalisierung der Materialforschung in Deutschland (MaterialDigital 2) zielt zunächst grundsätzlich darauf ab, “die Effizienz der Material- und Produktentwicklung in Deutschland zu steigern.” Dadurch sollen gemäß Ausschreibungstext Entwicklungszeiten verkürzt und die Qualität der Ergebnisse verbessert werden.

Die Inhalte der Projekte sollten dabei im Rahmen der Ausschreibung stets auch als Use Cases für die PMD verstanden werden. Nur anhand der Projektbeiträge kann die Funktionalität der Plattform wachsen und neue Anwendungsgebiete entsprechend den individuellen Projektzielen abdecken. Die Plattformträger sind der Ansicht, dass Projekte im Rahmen der Ausschreibung daher neben der eigenen Forschung auch stets die Weiterentwicklung der Plattform zum Ziel haben sollten. Den Plattformträgern wird es nicht möglich sein, sämtliche Datenrepräsentationsansprüche der Projekte selbst zu erfüllen.

Die praktikabelste Herangehensweise, Use Cases im Rahmen der PMD zu repräsentieren, muss daher vor allem von den materialwissenschaftlichen Domänenexperten im Rahmen der Förderung beantwortet werden.

Zu den Wechselwirkungen zwischen Plattform & Projekten

Die Plattformträger stellen den Projekten das technologische Fundament der Plattform MaterialDigital in Form einer ersten leichtgewichtigen Version bereit. Diese berücksichtigt bereits zahlreiche Ansprüche der PMD-Vision.

Die Einbettung der Use Cases in die existierende PMD-Infrastruktur basiert auf der harmonisierten Bearbeitung mehrerer Teilgebiete, die mittlerweile identifiziert wurden. Hierzu zählen (1) die rechtlichen Aspekte der Plattforminteraktion, (2) der Arbeitsbereich Ontologien, (3) der Arbeitsbereich Workflows, sowie (4) die gemeinsame Arbeitsorganisation.

Für jedes Teilgebiet gilt es, effiziente Methoden und Ansätze zu entwickeln, die ein gemeinsames Vorankommen vieler Stakeholder sowie heterogener Fachdisziplinen und Ansprüche über geografische und kommunikative Hürden hinweg ermöglichen. Das plattformverantwortliche Konsortium empfiehlt der MaterialDigital-Community hierfür methodische Ansatzpunkte und lädt zu derer gemeinsamen Ausdifferenzierung im Rahmen der geförderten Projekte ein.

(1) Rechtliche Aspekte der Plattforminteraktion

Die rechtlichen Aspekte der Plattforminteraktion sind heute noch nicht vollständig abgegrenzt und können daher noch nicht mit Handlungsempfehlungen durch die Plattformträger untermauert werden.

Eine zentrale rechtliche Fragestellung wirft dabei schon zum aktuellen Zeitpunkt der Umgang mit Lizenzen auf, die für die heterogenen und zu verschiedenen Ausmaßen zugänglichen Plattformressourcen gelten. Laut Ausschreibungstext wird von den Zuwendungsempfängern im Rahmen der Projekte unter anderem erwartet „ihre Erkenntnisse aus den Projekten der Innovationsplattform in geeigneter Weise zur Verfügung zu stellen“ (S.3). Die für die Plattform geeignete Aufbereitung der eigenen Ergebnisse impliziert dabei jedoch nicht etwa, dass sämtliche Ergebnisse auch im Rahmen der Plattform öffentlich zugänglich sein müssen. So hat sich die PMD insgesamt zum Ziel gesetzt auch unter Berücksichtigung industrieller Interessen eine flexible Infrastruktur zu entwickeln, die Zugangsbeschränkungen auf sämtliche Ressourcen organisations- und usergranular ermöglicht. Das plattformverantwortliche Konsortium weist darauf hin, dass die Implementierung von Zugangsbeschränkungen auf Ressourcen aus informationstechnologischer Perspektive komplexer ist als Open Access und insofern bei den entsprechenden Projekten ein erhöhtes Maß an Expertise notwendig sein kann.

Die Auswahl passender Lizenzmodelle zur Verwendung sowohl durch die PMD als auch im Kontext weiterer Beiträge (z.B. Code, Ontologien, Spezifikationen) wird durch die Plattform-verantwortlichen nach Möglichkeit unterstützt. Während die PMD grundsätzlich zum Ziel hat gemeinsame Lizenzstandards für Ressourcen unter Open Access besser zu verstehen, zu entwickeln und zu empfehlen wird dies für individuell eingeschränkte Lizenzierungsbedingun-gen einzelner Projekte kaum möglich sein. Die Plattform kann in diesem Rahmen den Zugang nur technologisch ermöglichen. Die Lizenzierung unter Ausgestaltung rechtlicher Gesichts-punkte muss bilateral zwischen Ressourcenbereitstellenden und -nutzenden Teilnehmern erfolgen.

Allgemeine Fragen zur Lizenzierung werden in Zukunft auf den technologischen Funktionalitäten der Plattform basieren. Hierzu zählen unter anderem: Es gilt diese und weitere Unklarheiten nach Anlaufen der Förderung gemeinsam mit den Projekten und der Community zu klären.

(2) Aufgabenbereich Ontologien

Ontologien dienen innerhalb der PMD der Repräsentation inhaltlicher Bezüge aus Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Sie dienen zur einheitlichen, standardisierten und anpassbaren Datenorganisation. Ontologisch vorgehaltenes Wissen in Form eines Wissensgraphen ermöglicht so FAIRe Datennachnutzung, neue Analysemethoden, sowie die Erkenntnisgewinnung selbst, wie mit Hilfe von Reasoning. Dabei werden, bspw. aufgrund von Transitivität logische Inferenzen zwischen semantischen Tripeln abgeleitet. Aufgrund ihrer Komplexität findet die Ontologie-Entwicklung nicht isoliert statt, sondern wird als gemeinsame Anstrengung der materialwissenschaftlichen Community in Angriff genommen.

Klärung Begrifflichkeiten

Ontologie
Explizite, formelle Strukturierung geteilter Konzepte, die eine Domäne ausmachen. Eine Ontologie enthält dabei inhaltliche Verknüpfungen, entweder deskriptiv oder formell. Sie geht über eine reine taxonomische Kategorisierung hinaus und kann dadurch mehr leisten als eine Stan-dardisierung. Eine Ontologie für die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik muss wann immer möglich den skalenübergreifenden Charakter der Disziplin berücksichtigen. Sie muss in sich über eine relationale Beschreibung hinaus einen logischen Mehrwert bieten.
Anwendungsontologie
Eine (Teil-)Ontologie, die spezielle Konzepte für einen definierten Anwendungsfall beinhaltet und strukturiert. Es ist davon auszugehen, dass pro Use Case der PMD und somit je gefördertem Projekt mindestens eine Anwendungsontologie erstellt werden muss, um die erzeugten Informationen wiederauffindbar zu integrieren.
Wissensgraph
Der Wissensgraph repräsentiert die gesammelten Informationen, die anhand von Ontologien strukturiert und instanziiert wurden. Mittels Wissensgraphen können große Datenmengen aggregiert und gesammelt Erkenntnisse abgeleitet werden.
FAIR
Nach Wilkinson et al. (2016) sollten Daten Findable, Accessible, Interoperable, sowie Reusable sein. Das Akronym ist in der jüngeren Vergangenheit populär geworden, um die übergeordneten vereinheitlichten Datenorganisationsziele der Wissenschaft zusammenzufassen.

Folgende grundlegende Prinzipien zur Entwicklung der Ontologie sind nach Ansicht der Plattformträger zentral:

Ontologien für die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik müssen von Domänenexperten und somit der jeweiligen Community, den Beitragenden und letztlichen Nutzern und Nutzerinnen definiert werden. Typischerweise findet diese Definition in einem „Bottom-Up“ Prozess statt. Dabei tragen Informationswissenschaften nur die grundlegende Struktur als Fundament des benötigten Datenraums bei.

Ontologien für die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik müssen gemäß geltender Forschungsgrundsätze auf eine Weise entwickelt werden, die niemals Vollständigkeit impliziert, sondern stets Adaptivität und weiteres Wachstum ermöglicht.

Ontologien für die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik müssen anwendungsorientiert im Rahmen von Teildomänen beginnen, organisch wachsen und sich so langfristig zu einer stärker gesamtheitlichen Abbildung der kompletten wissenschaftlichen Disziplin fügen.

Der Nutzen einer entwickelten Ontologie muss sich in erster Linie an deren praktischem Anwendungsnutzen für die Ziele Daten- und Wissensstrukturierung, -zugänglichkeit, -wiederverwendbarkeit und -auswertung bemessen. Eine Ontologie ohne Anwendungsnutzen ist irrelevant. Datenstandardisierung ist dabei nur eine der erwarteten Nutzendimensionen der Ontologie.

Vorhandene Ressourcen und Herangehensweise an die Ontologieentwicklung

Die Plattform MaterialDigital und die verbundenen Projekte haben bereits erste Expertise zur Entwicklung geeigneter Ontologien sammeln können. So zeigt sich immer wieder, dass diese vom speziellen Konzept ausgehen und darauf basierend in allgemeinere Konzepte abstrahiert werden müssen, um die Relevanz des Entwickelten sicherzustellen.

Basierend auf der eigenen Erfahrung mit beispielhaften Use Cases hat die PMD daher begonnen eine sogenannte PMD-Core („Kern“)-Ontologie zu entwickeln, die für sämtliche externen Anwendungsfälle in Zukunft die übergeordnete Struktur bilden und allgemeine Konzepte bereitstellen soll. Dies funktioniert, indem spezielle Konzepte der Anwendungsfälle übergeordneten Klassen zugeordnet werden. So ist beispielsweise das Konzept „Prozess“ anwendungs-agnostisch und daher ein Konzept von PMD-Core. Die PMD-Core-Ontologie hilft in Zukunft dabei, heterogene Anwendungsfälle gleichsam zu strukturieren. Sie ist unter https://www.material-digital.de/download in Version 0.1 verfügbar (Login erforderlich). Es ist davon auszugehen, dass die PMD-Core-Ontologie gemeinsam mit allen Projektbeteiligten iterativ weiterentwickelt werden muss, um Unzulänglichkeiten bei der Repräsentation spezieller, doch für bestimmte Anwendungsfälle notwendiger Konzepte gerecht zu werden. Dafür entwickelt die PMD geeignete Kollaborationsmethoden.

Aus allgemeiner Sicht auf die Arbeit mit Ontologien stellt die PMD-Core keine Top- oder Upper-Level-Ontologie dar. Diese sind in der Regel domänenunabhängig. Beispiele sind die „Basic Formal Ontology“ und die „European Materials Modelling Ontology“. Mittelfristig ist geplant, ein Mapping zwischen diesen und der PMD-Core Ontology zu gewährleisten, um die PMD-Core-Ontologie so auch in den größeren Kontext der forschungsübergreifenden, rasch wachsenden Ontologie-Aktivitäten einzusortieren. Es ist aus diesem Grund aus Sicht der PMD auch durchaus möglich, andere Ontologien als die PMD-Core zur abstrakteren Einordnung der eigenen Anwendungsontologie zu verwenden. Allerdings zeigt die Erfahrung, dass eine zu abstrakte Ansiedelung die Arbeit erschwert.

Die Entwicklung der eigenen Anwendungsontologie, sowie deren Instanziierung und Verwendung im Rahmen des entwickelten Systems wirft mehrere Fragen auf, sowohl bzgl. der Entwicklungsmethodik als auch der verwendbaren Werkzeuge. Die PMD hat sich zum Ziel gesetzt, hierbei mit Hilfe ihrer bereits gesammelten Erfahrung die Projekte zu unterstützten. Die PMD wird jedoch keine fertig verwendbare Einheitslösung bereitstellen können. Die Mitarbeit der geförderten Projekte an der (Weiter-)Entwicklung der Prozesse und des vorhandenen Toolstacks ist daher unumgänglich. Grundsätzlich ist zu beachten, dass der hohe Koordinierungsaufwand der PMD nur durch eine proaktive Herangehensweise durch die Projekte geleistet werden kann.

Erläuterung zu den Angaben in der Ausschreibung

Ausschreibung: „[…] sollen in der Ontologie alle relevanten Eigenschaften und Prozesse in Bezug auf eine Materialklasse […] erfasst und abgebildet werden“ (S.2)“

Konsequenz Plattform:

(Weiter-)Entwicklung und Bereitstellung einer Core-Ontologie, die es vermag, Anwendungsontologien zu strukturieren.

Bereitstellung einer beispielhaften Anwendungsontologie zur nachvollziehbaren Darstellung der Erwartungen an die Lösungen.

Entwicklung und Bereitstellung einer Kollaborationsumgebung zur Ontologieentwicklung.

Ansprüche an eine Ontologie beispielhaft definieren.

Konsequenz für Zuwendungsempfänger:

Entwicklung einer Ontologie für die eigenen Anwendungsfälle sowie deren Integration innerhalb der erzeugten Umgebung und Anforderungen. Möglichkeit der Anwendung vorhandener Ansätze zur Ontologiemodellierung überprüfen.

Mapping gewährleisten, das die eigenen Konzepte der Anwendungsontologie anhand der geteilten Konzepte der PMD-Core-Ontologie oder anderer Upper-Level-Ontologien strukturiert.

Ausschreibung: „[…] sollen in enger Abstimmung mit der Innovationsplattform MaterialDigital […] Software-Tools erstellt werden, um mit der Ontologie arbeiten zu können.“

Konsequenz Plattform:

Bereitstellung von Beispielen und Informationsmaterial zum Umgang mit Ontologien.

Konsequenz für Zuwendungsempfänger:

Implementierung bzw. Entwicklung notwendiger Software-Tools, um den Anwendungsnutzen der eigenen Ontologie erfüllen zu können. Der Anwendungsnutzen muss zuvor durch das Projekt definiert werden. Die notwendige Entwicklungsarbeit betrifft sowohl Werkzeuge zur Etablierung als auch Abfrage und Weiterverarbeitung der auf dem Wissensgraph basierenden Informationen (Bspw. GUIs, Front-Ends, Auswertungen. Vgl. Abschnitt „Aufgabenbereich Workflows“)

Ausschreibung: „Schließlich soll ein Kuratierungskonzept erarbeitet und demonstriert werden, um die Ontologie langfristig anpassen, sowie in einen größeren Kontext einbetten und gleichzeitig kompatibel zu anderen Materialklassen halten zu können“ (S.2)“

Konsequenz Plattform:

Prozesse und Ansätze zur Kuratierung initiativ entwickeln und einbringen.

Prinzipien der Kuratierung (bspw. Software-basiert, methodisch, u.a.) gemeinsam mit den Projekten strukturieren.

Konsequenz für Zuwendungsempfänger:

Kuratierungs-kritische Faktoren im Rahmen des eigenen Use Cases identifizieren.

Im Rahmen der geteilten Ansätze der Plattform Kuratierungslösungen für den eige-nen Use Case entwickeln und implementieren.

Ausschreibung: „Es wird erwartet, dass die Ontologie im Rahmen des Vorhabens am praktischen Beispiel angewendet, d. h. mit realen Daten der zugrundeliegenden Materialklasse verknüpft wird. Die semantische Abfrage von Materialinformationen auf Basis der Ontologie soll demonstriert werden.“ (S.2)“

Konsequenz Plattform:

Exemplarische Infrastruktur bereitstellen, die eine Integration der vorhandenen, praktischen Use Cases ermöglicht und demonstriert.

Konsequenz für Zuwendungsempfänger:

Einbettung der entwickelten Lösung in die Infrastruktur der Plattform. Eine nicht anhand der Plattform-Prinzipien entwickelte oder nicht zugängliche Lösung ist irrelevant.

Den zur Repräsentation des eigenen Use Cases notwendigen Tool-Stack entwickeln und implementieren. Dieser besteht in den allermeisten Fällen sowohl aus methodischen Prozessen als auch aus Implementierungen für Workflows sowie Ontologien.

Die Frage nach einer geeigneten Strukturierung der Ontologie sowie dem darauf basierenden Wissensgraph ist hierbei nur eine Teilleistung.

Weiterführende Links

(3) Aufgabenbereich Workflows

Ziel ist laut Ausschreibung die Etablierung von digitalen Workflows im Sinne des dezentralen Daten- oder Simulationskonzepts durch aktive Agenten innerhalb der Software-Umgebung der Innovationsplattform. Dabei ist die Nachhaltigkeit der Software-Lösungen und der einheitliche Zugriff auf Daten und Tools entscheidend. Die Plattform stellt zu diesem Zweck zwei initiale Workflowumgebungen mit den Namen „pyiron“ und „Simstack“ zur Verfügung. Von den Zuwendungsempfängern wird erwartet ihre Lösungen so zu gestalten, dass sie innerhalb einer dieser Workflowumgebungen lauffähig werden.

Klärung Begrifflichkeiten

Workflowumgebung
Auf einer PMD Server Instanz installierte Software, innerhalb derer weitere Softwaretools ausgeführt und in Simulationsprotokollen kombiniert werden können. Durch Workflowumgebungen werden einheitliche Schnittstellen geregelt.
Software-Tool
Einzelnes Programm für die Bearbeitung einer bestimmten materialwissenschaftlichen Aufgabe. Es wandelt einen wohldefinierten Input in einen wohldefinierten Output um. Beispiele sind DFT- oder FEM Codes.
Simulationsprotokoll
Realisierung eines materialwissenschaftlichen Workflows in einem Computerprogramm.
Zentrale PMD Instanz (PMD-C)
Am KIT eingerichtete PMD Instanz, auf der die Workflowumgebungen dauerhaft laufen und auf dem alle Tools installiert und getestet werden können.

Erläuterung zu den Angaben in der Ausschreibung

Eine genauere Aufschlüsselung der resultierenden Arbeitsteilung zwischen dem Projekt MaterialDigital und weiteren Zuwendungsempfängern entsprechend der Vorstellung der Plattformverantwortlichen ist im Folgenden dargestellt.

Ausschreibung: „Etablierung von digitalen Workflows im Sinne des dezentralen Daten- oder Simulationskonzepts durch aktive Agenten innerhalb der Software-Umgebung der Innovationsplattform.“ (S.3)“

Konsequenz Plattform:

Es werden die Software-Umgebungen „pyiron“ und „SimStack“ zur Verfügung gestellt. Diese dienen der Programmierung und Ausführung von Simulationsprotokol-len. Für „pyiron“ ist diese Umgebung durch ein Web-Interface und Jupyter Notebooks benutzerfreundlich sichergestellt.

Konsequenz für Zuwendungsempfänger:

Für jede Software-Lösung müssen die Voraussetzungen geschaffen werden, damit sie auf einer der Workflowumgebungen „pyiron“ oder „SimStack“ lauffähig ist. Es wird empfohlen, dass dies über ein Python-Interface (idealerweise Jupyter) erfolgt. Es wird nicht ausgeschlossen, dass die hier geschaffenen aktiven Agenten von weiteren Serverumgebungen außerhalb der Plattform zusätzlich unterstützt werden.

Ausschreibung: „Es sollen im „App-Store“ der Innovationsplattform Modelle entstehen, [um] komplexe Workflows über die zugrundeliegende Architektur auf industrierelevante „echte“ Daten anzuwenden.“ (S.3)“

Konsequenz Plattform:

Zum Teilen und Verwalten von Tools steht ein Repositorium mit Docker-Images zur Verfügung. Die Workflowumgebungen werden im Conda Community Channel zum Download bereitgestellt, um eine reibungslose Installation auf verschiedenen Computersystemen zu ermöglichen. Die Tools werden entsprechend ihrer Abhängigkeiten integriert. In einem zweiten „App-Store“ können Simulationsprotokolle oder auch deren Einzelschritte geteilt werden.

Konsequenz für Zuwendungsempfänger:

Software-Lösungen sollten als Conda-Paket zur Verfügung gestellt werden. Damit diese in den App-Store integriert werden können, muss es sich um open-access Software handeln. Für jedes Tool muss es ein einziges Shell-Script geben, das aus dem Input den Output generiert.

Ausschreibung: „Dafür sollte ein dezentraler Datenserver in Betrieb genommen werden.“ (S.3)“

Konsequenz Plattform:

Es wird auf der Plattform MaterialDigital-Central (PMD-C) Instanz ausreichend Speicherplatz für Daten geben. Die PMD-C Instanz stellt die Workflowumgebungen zur Verfügung, die innerhalb von Containern genutzt werden können. Die Verwendung der Umgebung stellt automatisch (ohne, dass der Anwender Details kennen muss) sicher, dass die Daten konsistent gespeichert werden und die dazugehörigen Berechnungen auf einem Cluster ausgeführt werden.

Konsequenz für Zuwendungsempfänger:

Der Zuwendungsempfänger sollte einen eigenen PMD-S Server zur Erzeugung und Speicherung eigener Simulationsdaten einrichten oder dafür die PMD-C Instanz nutzen (Ausnahme). In einem Deployment Guide wird erläutert, wie lokale PMD-S Instanzen als Softwarestack aufgesetzt werden können.

Ausschreibung: „Alle Daten(-sammlungen) sowie dazugehörige Metadaten, die im Rahmen der öffentlichen Förderung entstehen, [sind] in die aufgebaute Infrastruktur der Innovationsplattform für verteilte Materialdaten einzupflegen.“ (S.5)“

Konsequenz Plattform:

Die Workflowumgebung arbeiten mit klar strukturierten Datenformaten. Im Falle von „pyiron“ wird hdf5 verwendet. Auf der PMD-C Instanz werden die generischen Metadaten (insb. Erzeugungsdatum, Ablageort, Zugriffsrechte) der erzeugten Daten abgelegt.

Konsequenz für Zuwendungsempfänger:

Um die Einheitlichkeit sicherzustellen, müssen alle Daten (Input und Output von Tools) als Python Dictionaries oder alternativen strukturierten Dateiformaten wie hdf5, JSON verfügbar sein. Die Daten müssen vollständig in diesen Formaten vorliegen (d.h. alle Informationen müssen aus den Daten erzeugbar sein), um in die Plattform integrierbar zu sein. Die Daten müssen an eine generische Ontologie gekoppelt sein. Die Metadaten (insb. Erzeugungsdatum, Ablageort, Zugriffsrechte) werden an die Plattform zur Ablage auf der PMD-C Instanz übermittelt.

Erläuterung Pyiron Workflowumgebung

Um die Methodenentwicklung in der rechnergestützten Materialwissenschaft zu koordinieren und die bestehenden Methoden in eine gemeinsame Plattform zu integrieren, wird ein Python basiertes Framework namens pyiron entwickelt. Es bietet alle notwendigen Werkzeuge, um komplexe Simulationsprotokolle, die verschiedene Computercodes kombinieren und Millionen von separaten Rechnungen auf leistungsstarken Computerclustern durchführen können, interaktiv auszuführen. Gleichzeitig ermöglicht pyiron ähnlich einer integrierten Entwicklungsumgebung (IDE), diese Simulationsprotokolle interaktiv zu entwickeln, zu implementieren und zu testen. Durch die Integration von strukturierten und unstrukturierten Daten, Metadaten und Workflows liegen diese innerhalb derselben Plattform vor und werden daher automatisch in einer effizienten hierarchischen Datenbank abgelegt. Dadurch wird die komplette materialwissenschaftliche Expertise sowohl der Entwickler als auch der Anwender in einer standardisierten Ontologie konserviert und zugänglich gemacht.

Die Grundidee hinter diesem Framework ist es, ein einziges Werkzeug mit einer einheitlichen Schnittstelle für die verschiedensten Simulationscodes sowie Analyse- und Visualisierungstools bereitzustellen. Die Verfügbarkeit dieser IDE ermöglicht es dem Benutzer, sich auf die Wissenschaft zu konzentrieren, anstatt sich mit technischen Details wie Ein-/Ausgabeformaten der Codes und Tools befassen zu müssen.

Weiterführende Links

Erläuterung SimStack Workflowumgebung

Eine zentrale Schwierigkeit in der Einbindung von Materialsimulationen in den Produktdesign-Zyklus besteht in der Notwendigkeit, auf jeden Anwendungsfall maßgeschneiderte Simulationsworkflows, die üblicherweise aus mehreren Modulen bestehen, einzubinden. Darüber hinaus erfordert die Ausführung verfügbarer Patchwork-Lösungen spezialisiertes Know-How sowohl in der Methodik, als auch in der Bedienung von Großrechnern.

Die Workflow-Umgebung SimStack ermöglicht die effizente Gestaltung und Anpassung komplexer Workflows („rapid prototyping“) mit Softwaremodulen verschiedener Anbieter per Drag-and-Drop, wobei nur für den jeweiligen Use-Case relevante Settings exponiert werden. Zusammen mit der automatisierten Ausführung der Workflows auf Großrechnern wird hierdurch die Komplexität für den Endnutzer und die benötigte Expertise minimiert. Dies ermöglicht den Transfer komplexer, wissenschaftlicher Multiskalenmethoden in die Industrie.

Weiterführende Links

(4) Zusammenarbeit Zuwendungsempfänger und Plattform

Die Plattformträger sind bemüht, abseits der vielseitigen technologischen Herausforderungen auch eine Arbeitsmethodik und -unterstützung zu etablieren, die eine enge Zusammenarbeit aller Projekte an der PMD ermöglicht.

Details der Zusammenarbeit sind aktuell erst in Entwicklung und müssen anhand der ersten Projektrunde der vorherigen Ausschreibung erprobt werden. Da diese Informationen vor allem bewilligte Projekte betreffen soll an dieser Stelle von genaueren Ausführungen abgesehen werden. Die Hinweise innerhalb der Ausschreibung sind unabhängig davon selbstverständlich zu beachten. Mittel zur Sicherstellung der effektiven Zusammenarbeit der Projekte untereinander und mit der Plattform sind einzuplanen.

Ausschreibung: „Die Fördermaßnahme fußt daher auf einer Plattform zur Strukturierung und Begleitung der Aktivitäten“ (S.3)“

Konsequenz Plattform:

Mitwirkung bei der Plattformentwicklung ist genauso Teil der Projektarbeit wie die Erarbeitung des eigenen Use Cases. Zuwendungsempfänger werden keine vollfunktionsfähige Plattform vorfinden, die ihre Bedürfnisse erfüllt.

Konsequenz für Zuwendungsempfänger:

Moderation und Koordination um die Weiterentwicklung der Plattform im Multi-Stakeholder-Gefüge auf Basis des Konsensprinzips zu ermöglichen. Bereitstellung geeigneter Arbeits- und Strukturierungsmethoden, sowie technologischer Ansatzpunkte.

Ausschreibung: „Die Zuwendungsempfänger haben so die Gelegenheit, an der Strukturierung der digitalen Materialforschung sowie der Ausarbeitung der neuen Methoden zu partizipieren“ (S.3)“

Konsequenz Plattform:

Anwendungsnutzen der eingebrachten Beispiele gewährleisten, sowohl im Hinblick auf die Art der Datenablage, als auch den Mehrwert bei deren Analyse / automatisierter Anwendung.

Konsequenz für Zuwendungsempfänger:

Initiale Use Cases entwickeln, um Plattform- und Digitalisierungsnutzen insgesamt aufzuzeigen.

Ausschreibung: „müssen die Zuwendungs-empfänger ihre Erkenntnisse und Ergebnisse aus den Projekten der Innovationsplattform in geeigneter Weise zur Verfügung stellen“ (S.3).“

Konsequenz Plattform:

Erzeugte Ontologien und ergänzende Frameworks sind nachhaltig der Plattform zur Verfügung zu stellen. Gemeinsame Lerneffekte, die erst durch den Austausch entstehen, fließen in die Plattform ein. Darüber ergibt sich auch die übergeordnete Aufgabe, sich aktiv in die Zusammenarbeit und Abstimmung einzubringen.

Konsequenz für Zuwendungsempfänger:

Erzeugte Ontologien und ergänzende Frameworks sind nachhaltig der Plattform zur Verfügung zu stellen. Gemeinsame Lerneffekte, die erst durch den Austausch entstehen, fließen in die Plattform ein. Darüber ergibt sich auch die übergeordnete Aufgabe, sich aktiv in die Zusammenarbeit und Abstimmung einzubringen.

Ausschreibung: „Die Zuwendungsempfänger sind daher verpflichtet […] mit dem Träger der Innovationsplattform MaterialDigital zusammenzuarbeiten“ (S.5)“

Konsequenz Plattform:

Informationsbeschaffung proaktiv nach dem „Pull“-Prinzip, Verantwortung liegt bei den Use Cases.

Konsequenz für Zuwendungsempfänger:

Bereitstellung einer zugänglichen und zuverlässigen Kommunikations- und Beratungsumgebung.

Ausschreibung: „Es sind im Rahmen des Vorhabens vorrangig die Werkzeuge, Methoden und Standards, die die Innovationsplattform bereitstellt, zu nutzen“ (S.5)“

Konsequenz Plattform:

Formate und Toolempfehlungen der Plattform auf den eigenen Use Case anwenden.

Konsequenz für Zuwendungsempfänger:

Formate und Tools empfehlen und zugänglich machen.

Ausschreibung: „Die Zuwendungsempfänger sind außerdem verpflichtet, alle Daten(sammlungen) sowie dazugehörige Metadaten, die im Rahmen der öffentlichen Förderung entstehen (beispielsweise durch experimentelle Messungen oder Simulationen), in die aufgebaute Infrastruktur der Innovationsplattform für verteilte Materialdaten einzupflegen (S.5)“

Konsequenz Plattform:

Das Forschungsprojekt ist dann abgeschlossen, wenn es im Rahmen der Plattform verfügbar und integriert ist. Die unstrukturierte Bereitstellung der Forschungsergebnisse ist nicht ausreichend. Die Identifizierung des besten Weges, um diesen Zugang zu ermöglichen (bspw. als instanziierte Ontologie) ist vorrangig Aufgabe der Zuwendungsempfänger im Austausch mit der Plattform

Konsequenz für Zuwendungsempfänger:

Um heterogene Ergebnisse grundsätzlich in die Plattform einpflegen zu können, muss diese eine auf vielfältige Weise nutzbar und flexibel anpassbare Infrastruktur ermöglichen.

Ausschreibung: „Des Weiteren sind die Zuwendungsempfänger verpflichtet, an Veranstaltungen der Innovationsplattform (Workshops, Weiterbildungen etc.) teilzunehmen sowie sich inhaltlich zu beteiligen (S.5).“

Konsequenz Plattform:

Teilnahme an entsprechenden Veranstaltungen, sowie inhaltliche Beteiligung.

Konsequenz für Zuwendungsempfänger:

Kommunikation der Veranstaltungen, Zugang sicherstellen.