Faserkunststoffverbunde (FKV) haben durch die Substitution metallischer Strukturen ein großes Leichtbaupotential. Die Integration von aktiven Materialien wie Formgedächtnislegierungen (FGL) in Bauteile aus FKV ermöglicht die Herstellung aktiver Hybridverbunde, wodurch eine zusätzliche Bauraum- und Gewichtsersparnis möglich ist bzw. völlig neue Lösungsansätze denkbar werden. Dabei hat die Kraftübertragung zwischen FGL und FKV einen entscheidenden Einfluss auf die Performance solcher aktiver Hybridverbunde. Nur bei einer ausreichenden Kraftübertragung kann das vollständige Aktorikpotential der FGL ausgenutzt werden. Dabei sind zwei Bereiche zu unterscheiden, die sich durch unterschiedliche Belastungsszenarien auszeichnen. Während im Randbereich Schubspannungen auftreten, da dort die Kraft aus der FGL in den FKV eingeleitet wird, ist der mittlere Bereich von Normalspannungen geprägt, die zu einem Ablösen der FGL vom FKV führen können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb Methoden zur Charakterisierung der Kraftübertragung in beiden Bereichen identifiziert. Zusätzlich wurden verschiedene Kraftübertragungsmechanismen vergleichend untersucht. Durch eine modellhafte Betrachtung wurde ein besseres Verständnis der Versagensmechanismen erreicht. Dabei konnte gezeigt werden, dass mittels Pull-Out Versuchen ein Vergleich zwischen verschiedenen Kraftübertragungsmechanismen möglich ist. Formschlüssige Verbindungen ermöglichten eine Steigerung der Pull-Out Kraft um mehr als das 10- fache im Vergleich zu unbehandelten Drähten. Allerdings wurde auch deutlich, dass die Temperatur großen Einfluss auf die Matrixeigenschaften und damit auf das Interface zwischen FGL und FKV hat. Durch die Verwendung einer Spannungsoptik konnte die inhomogene Spannungsverteilung sowie der Versagensfortschritt visualisiert werden. Mit Hilfe von 90°-Schälversuchen konnte gezeigt werden, dass durch das Aufsticken der FGL-Drähte auf dem FKV ein Ablösen im mittleren Bereich verhindert werden kann. Anhand von Verformungsversuchen an aktiven Hybridverbunden konnten diese Ergebnisse bestätigt werden. Durch die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse ist zukünftig möglich, die Performance aktiver Hybridverbunde zu steigern, da die von den FGL generierte Kraft nahezu vollständig in den Hybridverbund eingeleitet werden kann, ohne dass es zu einem strukturellen Versagen kommt.

Die Nachrechnung bestehender Bauwerke muss grundsätzlich auf Basis der aktuellen, bauaufsichtlich eingeführten technischen Baubestimmungen geführt werden. Dazu werden charakteristische Materialkennwerte der verwendeten Baustoffe benötigt. Im Rahmen einer Vordimensionierung kann die Betondruckfestigkeit durch Umrechnung von aus der Herstellzeit dokumentierten Werten abgeschätzt werden. Für eine abgesicherte Nachrechnung hingegen muss die charakteristische Betondruckfestigkeit durch Untersuchungen am Bauwerk ermittelt werden, um den Einfluss verschiedener last- oder zeitabhängiger Prozesse zu erfassen. Zur statistischen Bewertung der experimentell ermittelten Werte der In-situ-Betondruckfestigkeit existieren verschiedene Verfahren. Besonders bei kleinem Stichprobenumfang führen die bisher gebräuchlichen Verfahren nach DIN EN 1990:2010-12 und DIN EN 13791:2008-05 jedoch teilweise zu ingenieurmäßig als kritisch einzustufenden Ergebnissen, welche die tatsächliche In-situ-Betondruckfestigkeit erheblich über- oder unterschätzen können. Aufbauend auf Untersuchungen an realen, umfangreichen Datensätzen wurde in dieser Arbeit ein neues Verfahren mit den vom Stichprobenumfang und dem Variationskoeffizienten abhängigen modifizierten Ansätzen A und B zur Bestimmung der charakteristischen In-situ-Betondruckfestigkeit, basierend auf experimentell, mit direkten Prüfverfahren ermittelten Einzelwerten, entwickelt. Zur Bestimmung des Nachrechnungswertes der Betondruckfestigkeit gilt es über den charakteristischen Wert der In-situ-Betondruckfestigkeit hinaus auch noch den Unterschied zwischen Bauwerks- und Normprobekörperdruckfestigkeit sowie den Einfluss von Dauerstandseffekten zu bewerten. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass bei Bestandsbetonen, wie auch bereits im Neubaufall, das Verhältnis zwischen Bauwerks- und Normprobekörperfestigkeit ca. 0,85 beträgt. Auch bei der experimentellen Ermittlung der In-situ-Betondruckfestigkeit an aus dem Bauwerk entnommenen Proben ist der Unterschied zwischen Kurzzeit- und Dauerstandsfestigkeit mit dem im Neubaufall gebräuchlichen Faktor αcc = 0,85 zu berücksichtigen. Neben der Druckfestigkeit, ist im Rahmen der Nachrechnung von Bestandsbauwerken auch teilweise die Zugfestigkeit oder der Elastizitätsmodul von Bestandsbetonen zu bewerten. Die in DIN EN 1992-1-1:2011-01 enthaltenen Beziehungen zwischen Druck- und Zugfestigkeit sowie zwischen Druckfestigkeit und Elastizitätsmodul sind jedoch ausschließlich für im Neubaufall verwendete Betone nach DIN EN 206-1:2001-07 ausgelegt. Die Untersuchungen zeigen, dass die in DIN EN 1992-1-1:2011-01 enthaltene Korrelation zwischen Druck- und Zugfestigkeit auch zur groben Abschätzung der Zugfestigkeit von Bestandsbetonen verwendet werden kann. Im Einzelfall sind jedoch auch große Abweichungen nicht auzuschließen. Bedingt durch den großen Einfluss der Gesteinskörnung ist nur eine sehr grobe Abschätzung des Elastizitätsmoduls aus der In-situ-Betondruckfestigkeit möglich.

Die räumliche Planung begegnet häufig Herausforderungen, zu deren Bewältigung nicht auf existierendes Wissen zurückgegriffen werden kann. Um neuartiges Wissen zu erzielen, werden insbesondere Modellvorhaben – kleinmaßstäbliche, befristete reale Feldexperimente – als Instrument eingesetzt. Diese zielen darauf ab, wiederverwendbares Wissen reproduzierbar zu erzeugen. Im Rahmen eines Modellvorhabens werden in verschiedenen Modellräumen vielfältige innovative Projekte initiiert, über einen festen Zeitraum umgesetzt sowie bewertet. Akademische oder private Institutionen begleiten Modellvorhaben wissenschaftlich, um allgemeingültige und übertragbare Erkenntnisse zu identifizieren. Die Ergebnisse dieser umfassenden Evaluation werden in einem Abschlussbericht dokumentiert. Erfahrungen zeigen allerdings, dass dies zur Verteilung der Ergebnisse nicht ausreicht, um die Nutzung und Wiederverwendung der in Modellvorhaben generierten Erkenntnisse sicherzustellen. Dies liegt insbesondere daran, dass die Abschlussberichte zu wenig anwendungsorientiert und zu umfangreich sind. So ist der Vergleich zwischen vorhandenen Berichten und einem laufenden Modellvorhaben mit einem zu hohen Aufwand verbunden, wodurch sich ein unausgeglichenes Aufwand-Ertrag-Verhältnis ergibt. Somit wird das Lernen aus Modellvorhaben erschwert. Um eine effektive und effiziente Dissemination und Verstetigung sowie Wiederverwendbarkeit von Wissen generiert in Modellvorhaben zu erzielen, wurde im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit ein Modell entwickelt. In einem ersten Schritt wurde für die Analyse von Modellvorhaben eine allgemeingültige Struktur geschaffen, die mit dem generellen Ablauf eines Projekts im Rahmen des Projektmanagements vergleichbar ist. Diese Struktur reduziert den Aufwand Erkenntnisse und Wissen jeweils für die folgenden hier definierten Phasen zu nutzen: Identifikation einer neuen Herausforderung; Projektaufruf; Bewerbungen der möglichen Teilnehmer; Bewertungen der Bewerbungen durch den Initiator; Durchführung; Auswertung; Dissemination, Transfer und Verstetigung. Im nächsten Schritt wurde in die einzelnen Phasen eines Modellvorhabens ein Wissensmanagementprozess – die Bausteine Wissensziele, -identifikation, -erwerb, - entwicklung, -bewertung, -bewahrung, -(ver)teilung und -nutzung – integriert, um die gemeinsame Nutzungseinheit vom umfassenden Abschlussbericht auf kleinere, in sich abgeschlossene Informationseinheiten zu reduzieren. Auf diese Weise wird der Aufwand für die Identifikation, den Erwerb und die Nutzung von Wissen verringert. Am Ende jeder Phase wird eine Bewertung durchgeführt sowie das erzielte Wissen effizient geteilt. Dafür ist eine systematische Interaktion zwischen Akteuren von Modellvorhaben und eine zentrale Sammlung des Wissens notwendig. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuartigen Austauschinfrastruktur, die das generierte Wissen einerseits bewahrt und andererseits systematisch verteilt. Dadurch kann bereits im Verlauf eines Modellvorhabens gewonnenes Wissen ausgetauscht und wiederverwendet werden, sodass die Phase der Dissemination, Transfer und Verstetigung in den Prozess verschoben wird. Die Infrastruktur soll frei zugänglich sein und nutzerfreundlich gestaltet werden. Durch das entwickelte Modell wird eine effektive und effiziente Wiederverwendung von Wissen generiert in Modellvorhaben ermöglicht sowie eine belastbare Grundlage für neue Projekte in der räumlichen Planung geschaffen.

Die Arbeit fokussiert sich auf die Frage, ob unter bestimmten individuellen Bedingungen der Lehrkräfte und unter Berücksichtigung der organisationalen Bedingungen, die Implementierung von iPads zu einer Veränderung der Lehr- und Lernprozesse führt, die einen problemorientierten, schülerzentrierten Unterricht favorisieren. Zuerst werden die Potentiale der Informations- und Kommunikationstechnik beschrieben, das „iPad“ vorgestellt und die verschiedenen Unterrichtsformen definiert. Danach werden die einzelnen Bedingungsfaktoren für den iPad-Einsatz auf Individuallevel sowie auf der Ebene der Organisation Schule aufgezählt, die Begrifflichkeiten geklärt und jeweils ein Bezug zur praktischen Umsetzung hergestellt. Anhand der Literatur zu theoretischen und empirischen Arbeiten wird versucht, eine Antwort auf die Frage zu finden, welche Bedingungen für eine qualitativ hochwertige Implementierung von iPads notwendig sind. Abschließend werden diese Innovationsbedingungen kritisch reflektiert und die wichtigsten Erkenntnisse herausgestellt, um den Prozess einer iPad-Implementierung an einer Grundschule anzuregen und Empfehlungen zu einem iPad-Konzept zu geben.

Wearable activity recognition aims to identify and assess human activities with the help of computer systems by evaluating signals of sensors which can be attached to the human body. This provides us with valuable information in several areas: in health care, e.g. fluid and food intake monitoring; in sports, e.g. training support and monitoring; in entertainment, e.g. human-computer interface using body movements; in industrial scenarios, e.g. computer support for detected work tasks. Several challenges exist for wearable activity recognition: a large number of nonrelevant activities (null class), the evaluation of large numbers of sensor signals (curse of dimensionality), ambiguity of sensor signals compared to the activities and finally the high variability of human activity in general. This thesis develops a new activity recognition strategy, called invariants classification, which addresses these challenges, especially the variability in human activities. The core idea is that often even highly variable actions include short, more or less invariant sub-actions which are due to hard physical constraints. If someone opens a door, the movement of the hand to the door handle is not fixed. However the door handle has to be pushed to open the door. The invariants classification algorithm is structured in four phases: segmentation, invariant identification, classification, and spotting. The segmentation divides the continuous sensor data stream into meaningful parts, which are related to sub-activities. Our segmentation strategy uses the zero crossings of the central difference quotient of the sensor signals, as segment borders. The invariant identification finds the invariant sub-activities by means of clustering and a selection strategy dependent on certain features. The classification identifies the segments of a specific activity class, using models generated from the invariant sub-activities. The models include the invariant sub-activity signal and features calculated on sensor signals related to the sub-activity. In the spotting, the classified segments are used to find the entire activity class instances in the continuous sensor data stream. For this purpose, we use the position of the invariant sub-activity in the related activity class instance for the estimation of the borders of the activity instances. In this thesis, we show that our new activity recognition strategy, built on invariant sub-activities, is beneficial. We tested it on three human activity datasets with wearable inertial measurement units (IMU). Compared to previous publications on the same datasets we got improvement in the activity recognition in several classes, some with a large margin. Our segmentation achieves a sensible method to separate the sensor data in relation to the underlying activities. Relying on sub-activities makes us independent from imprecise labels on the training data. After the identification of invariant sub-activities, we calculate a value called cluster precision for each sensor signal and each class activity. This tells us which classes can be easily classified and which sensor channels support the classification best. Finally, in the training for each activity class, our algorithm selects suitable signal channels with invariant sub-activities on different points in time and with different length. This makes our strategy a multi-dimensional asynchronous motif detection with variable motif length.

The focus of this work is to provide and evaluate a novel method for multifield topology-based analysis and visualization. Through this concept, called Pareto sets, one is capable to identify critical regions in a multifield with arbitrary many individual fields. It uses ideas found in graph optimization to find common behavior and areas of divergence between multiple optimization objectives. The connections between the latter areas can be reduced into a graph structure allowing for an abstract visualization of the multifield to support data exploration and understanding. The research question that is answered in this dissertation is about the general capability and expandability of the Pareto set concept in context of visualization and application. Furthermore, the study of its relations, drawbacks and advantages towards other topological-based approaches. This questions is answered in several steps, including consideration and comparison with related work, a thorough introduction of the Pareto set itself as well as a framework for efficient implementation and an attached discussion regarding limitations of the concept and their implications for run time, suitable data, and possible improvements. Furthermore, this work considers possible simplification approaches like integrated single-field simplification methods but also using common structures identified through the Pareto set concept to smooth all individual fields at once. These considerations are especially important for real-world scenarios to visualize highly complex data by removing small local structures without destroying information about larger, global trends. To further emphasize possible improvements and expandability of the Pareto set concept, the thesis studies a variety of different real world applications. For each scenario, this work shows how the definition and visualization of the Pareto set is used and improved for data exploration and analysis based on the scenarios. In summary, this dissertation provides a complete and sound summary of the Pareto set concept as ground work for future application of multifield data analysis. The possible scenarios include those presented in the application section, but are found in a wide range of research and industrial areas relying on uncertainty analysis, time-varying data, and ensembles of data sets in general.

Graphs and flow networks are important mathematical concepts that enable the modeling and analysis of a large variety of real world problems in different domains such as engineering, medicine or computer science. The number, sizes and complexities of those problems permanently increased during the last decades. This led to an increased demand of techniques that help domain experts in understanding their data and its underlying structure to enable an efficient analysis and decision making process. To tackle this challenge, this work presents several new techniques that utilize concepts of visual analysis to provide domain scientists with new visualization methodologies and tools. Therefore, this work provides novel concepts and approaches for diverse aspects of the visual analysis such as data transformation, visual mapping, parameter refinement and analysis, model building and visualization as well as user interaction. The presented techniques form a framework that enriches domain scientists with new visual analysis tools and help them analyze their data and gain insight from the underlying structures. To show the applicability and effectiveness of the presented approaches, this work tackles different applications such as networking, product flow management and vascular systems, while preserving the generality to be applicable to further domains.

Verkündungsblatt der TU Kaiserslautern Nr. 6/17.12.2019

Verkündungsblatt der TU Kaiserslautern Nr. 4/09.07.2019

Verkündungsblatt der TU Kaiserslautern Nr. 2/28.02.2019

3D joint kinematics can provide important information about the quality of movements. Optical motion capture systems (OMC) are considered the gold standard in motion analysis. However, in recent years, inertial measurement units (IMU) have become a promising alternative. The aim of this study was to validate IMU-based 3D joint kinematics of the lower extremities during different movements. Twenty-eight healthy subjects participated in this study. They performed bilateral squats (SQ), single-leg squats (SLS) and countermovement jumps (CMJ). The IMU kinematics was calculated using a recently-described sensor-fusion algorithm. A marker based OMC system served as a reference. Only the technical error based on algorithm performance was considered, incorporating OMC data for the calibration, initialization, and a biomechanical model. To evaluate the validity of IMU-based 3D joint kinematics, root mean squared error (RMSE), range of motion error (ROME), Bland-Altman (BA) analysis as well as the coefficient of multiple correlation (CMC) were calculated. The evaluation was twofold. First, the IMU data was compared to OMC data based on marker clusters; and, second based on skin markers attached to anatomical landmarks. The first evaluation revealed means for RMSE and ROME for all joints and tasks below 3°. The more dynamic task, CMJ, revealed error measures approximately 1° higher than the remaining tasks. Mean CMC values ranged from 0.77 to 1 over all joint angles and all tasks. The second evaluation showed an increase in the RMSE of 2.28°– 2.58° on average for all joints and tasks. Hip flexion revealed the highest average RMSE in all tasks (4.87°– 8.27°). The present study revealed a valid IMU-based approach for the measurement of 3D joint kinematics in functional movements of varying demands. The high validity of the results encourages further development and the extension of the present approach into clinical settings.

The simulation of physical phenomena involving the dynamic behavior of fluids and gases has numerous applications in various fields of science and engineering. Of particular interest is the material transport behavior, the tendency of a flow field to displace parts of the medium. Therefore, many visualization techniques rely on particle trajectories. Lagrangian Flow Field Representation. In typical Eulerian settings, trajectories are computed from the simulation output using numerical integration schemes. Accuracy concerns arise because, due to limitations of storage space and bandwidth, often only a fraction of the computed simulation time steps are available. Prior work has shown empirically that a Lagrangian, trajectory-based representation can improve accuracy [Agr+14]. Determining the parameters of such a representation in advance is difficult; a relationship between the temporal and spatial resolution and the accuracy of resulting trajectories needs to be established. We provide an error measure for upper bounds of the error of individual trajectories. We show how areas at risk for high errors can be identified, thereby making it possible to prioritize areas in time and space to allocate scarce storage resources. Comparative Visual Analysis of Flow Field Ensembles. Independent of the representation, errors of the simulation itself are often caused by inaccurate initial conditions, limitations of the chosen simulation model, and numerical errors. To gain a better understanding of the possible outcomes, multiple simulation runs can be calculated, resulting in sets of simulation output referred to as ensembles. Of particular interest when studying the material transport behavior of ensembles is the identification of areas where the simulation runs agree or disagree. We introduce and evaluate an interactive method that enables application scientists to reliably identify and examine regions of agreement and disagreement, while taking into account the local transport behavior within individual simulation runs. Particle-Based Representation and Visualization of Uncertain Flow Data Sets. Unlike simulation ensembles, where uncertainty of the solution appears in the form of different simulation runs, moment-based Eulerian multi-phase fluid simulations are probabilistic in nature. These simulations, used in process engineering to simulate the behavior of bubbles in liquid media, are aimed toward reducing the need for real-world experiments. The locations of individual bubbles are not modeled explicitly, but stochastically through the properties of locally defined bubble populations. Comparisons between simulation results and physical experiments are difficult. We describe and analyze an approach that generates representative sets of bubbles for moment-based simulation data. Using our approach, application scientists can directly, visually compare simulation results and physical experiments.

Visualization is vital to the scientific discovery process. An interactive high-fidelity rendering provides accelerated insight into complex structures, models and relationships. However, the efficient mapping of visualization tasks to high performance architectures is often difficult, being subject to a challenging mixture of hardware and software architectural complexities in combination with domain-specific hurdles. These difficulties are often exacerbated on heterogeneous architectures. In this thesis, a variety of ray casting-based techniques are developed and investigated with respect to a more efficient usage of heterogeneous HPC systems for distributed visualization, addressing challenges in mesh-free rendering, in-situ compression, task-based workload formulation, and remote visualization at large scale. A novel direct raytracing scheme for on-the-fly free surface reconstruction of particle-based simulations using an extended anisoptropic kernel model is investigated on different state-of-the-art cluster setups. The versatile system renders up to 170 million particles on 32 distributed compute nodes at close to interactive frame rates at 4K resolution with ambient occlusion. To address the widening gap between high computational throughput and prohibitively slow I/O subsystems, in situ topological contour tree analysis is combined with a compact image-based data representation to provide an effective and easy-to-control trade-off between storage overhead and visualization fidelity. Experiments show significant reductions in storage requirements, while preserving flexibility for exploration and analysis. Driven by an increasingly heterogeneous system landscape, a flexible distributed direct volume rendering and hybrid compositing framework is presented. Based on a task-based dynamic runtime environment, it enables adaptable performance-oriented deployment on various platform configurations. Comprehensive benchmarks with respect to task granularity and scaling are conducted to verify the characteristics and potential of the novel task-based system design. A core challenge of HPC visualization is the physical separation of visualization resources and end-users. Using more tiles than previously thought reasonable, a distributed, low-latency multi-tile streaming system is demonstrated, being able to sustain a stable 80 Hz when streaming up to 256 synchronized 3840x2160 tiles and achieve 365 Hz at 3840x2160 for sort-first compositing over the internet, thereby enabling lightweight visualization clients and leaving all the heavy lifting to the remote supercomputer.

This manuscript presents a topology-based analysis and visualization framework that enables the effective exploration of feature evolution in large-scale simulations. Such simulations pose additional challenges to the already complex task of feature tracking and visualization, since the vast number of features and the size of the simulation data make it infeasible to naively identify, track, analyze, render, store, and interact with data. The presented methodology addresses these issues via three core contributions. First, the manuscript defines a novel topological abstraction, called the Nested Tracking Graph (NTG), that records the temporal evolution of features that exhibit a nesting hierarchy, such as superlevel set components for multiple levels, or filtered features across multiple thresholds. In contrast to common tracking graphs that are only capable of describing feature evolution at one hierarchy level, NTGs effectively summarize their evolution across all hierarchy levels in one compact visualization. The second core contribution is a view-approximation oriented image database generation approach (VOIDGA) that stores, at simulation runtime, a reduced set of feature images. Instead of storing the features themselves---which is often infeasable due to bandwidth constraints---the images of these databases can be used to approximate the depicted features from any view angle within an acceptable visual error, which requires far less disk space and only introduces a neglectable overhead. The final core contribution combines these approaches into a methodology that stores in situ the least amount of information necessary to support flexible post hoc analysis utilizing NTGs and view approximation techniques.

Muscular imbalances of the trunk muscles are held responsible for changes in body posture. At the same time, whole-body electromyostimulation (WB-EMS) has been established as a new training method that enables simultaneous stimulation of many muscle groups. This study was aiming to analyze if a 10 weeks WB-EMS training changes posture-relevant parameters and/or improves isometric strength of the trunk extensors and flexors, and if there are differences based on stimulation at 20 Hz and 85 Hz. Fifty eight untrained adult test persons were divided into three groups (control, CON; training with 20 Hz stimulation, TR20; training with 85 Hz, TR85). Anthropometric parameters, trunk extension and flexion forces and torques, and posture parameters were determined before (n = 58) and after (n = 53: CON: n = 15, TR20: n = 19, TR85: n = 19) a 10 weeks WB-EMS training program (15 applications, 9 exercises). Differences between the groups were calculated for pre- and post-tests using univariate ANOVA and between the test times using repeated (2 × 3) ANOVA. Comparisons of pairs were calculated post hoc based on Fisher (LSD). No differences between the groups were found for the posture parameters. The post hoc analysis of both trunk flexion and trunk extension forces and torques showed a significant difference between the groups TR85 and CON but no difference between the other group pairs. A 10 weeks whole-body electrostimulation training with a stimulation frequency of 85 Hz in contrast to training with a stimulation frequency of 20 Hz improves the trunk muscle strength of an untrained group but does not significantly change posture parameters.

Planar force or pressure is a fundamental physical aspect during any people-vs-people and people-vs-environment activities and interactions. It is as significant as the more established linear and angular acceleration (usually acquired by inertial measurement units). There have been several studies involving planar pressure in the discipline of activity recognition, as reviewed in the first chapter. These studies have shown that planar pressure is a promising sensing modality for activity recognition. However, they still take a niche part in the entire discipline, using ad hoc systems and data analysis methods. Mostly these studies were not followed by further elaborative works. The situation calls for a general framework that can help push planar pressure sensing into the mainstream. This dissertation systematically investigates using planar pressure distribution sensing technology for ubiquitous and wearable activity recognition purposes. We propose a generic Textile Pressure Mapping (TPM) Framework, which encapsulates (1) design knowledge and guidelines, (2) a multi-layered tool including hardware, software and algorithms, and (3) an ensemble of empirical study examples. Through validation with various empirical studies, the unified TPM framework covers the full scope of application recognition, including the ambient, object, and wearable subspaces. The hardware part constructs a general architecture and implementations in the large-scale and mobile directions separately. The software toolkit consists of four heterogeneous tiers: driver, data processing, machine learning, visualization/feedback. The algorithm chapter describes generic data processing techniques and a unified TPM feature set. The TPM framework offers a universal solution for other researchers and developers to evaluate TPM sensing modality in their application scenarios. The significant findings from the empirical studies have shown that TPM is a versatile sensing modality. Specifically, in the ambient subspace, a sports mat or carpet with TPM sensors embedded underneath can distinguish different sports activities or different people's gait based on the dynamic change of body-print; a pressure sensitive tablecloth can detect various dining actions by the force propagated from the cutlery through the plates to the tabletop. In the object subspace, swirl office chairs with TPM sensors under the cover can be used to detect the seater's real-time posture; TPM can be used to detect emotion-related touch interactions for smart objects, toys or robots. In the wearable subspace, TPM sensors can be used to perform pressure-based mechanomyography to detect muscle and body movement; it can also be tailored to cover the surface of a soccer shoe to distinguish different kicking angles and intensities. All the empirical evaluations have resulted in accuracies well-above the chance level of the corresponding number of classes, e.g., the `swirl chair' study has classification accuracy of 79.5% out of 10 posture classes and in the `soccer shoe' study the accuracy is 98.8% among 17 combinations of angle and intensity.

Im Gegensatz zum Übertragungsnetz, dessen Struktur hinreichend genau bekannt ist, sind passende Netzmodelle für Mittelspannungsnetze (MS-Netze) wegen der hohen Anzahlen der MS-Netze und Verteilnetzbetreiber (VNB) nur schwer abzubilden. Des Weiteren ist eine detaillierte Darstellung realer MS-Netze in wissenschaftlichen Publikationen aus datenschutzrechtlichen Gründen meist nicht erwünscht. In dieser Arbeit werden MS-Netzmodelle sowie ihre Entwicklung im Detail erklärt. Damit stehen erstmals für die Öffentlichkeit nachvollziehbare MS-Netzmodelle für den deutschsprachigen Raum zur Verfügung. Sie können als Benchmark für wissenschaftliche Untersuchungen sowie zur Methodenentwicklung verwendet werden.

Spatial regression models provide the opportunity to analyse spatial data and spatial processes. Yet, several model specifications can be used, all assuming different types of spatial dependence. This study summarises the most commonly used spatial regression models and offers a comparison of their performance by using Monte Carlo experiments. In contrast to previous simulations, this study evaluates the bias of the impacts rather than the regression coefficients and additionally provides results for situations with a non-spatial omitted variable bias. Results reveal that the most commonly used spatial autoregressive (SAR) and spatial error (SEM) specifications yield severe drawbacks. In contrast, spatial Durbin specifications (SDM and SDEM) as well as the simple SLX provide accurate estimates of direct impacts even in the case of misspecification. Regarding the indirect `spillover' effects, several - quite realistic - situations exist in which the SLX outperforms the more complex SDM and SDEM specifications.

Dieser Beitrag beschreibt eine Lernumgebung für Schülerinnen und Schüler der Unter- und Mittelstufe mit einem Schwerpunkt im Fach Mathematik. Das Thema dieser Lernumgebung ist die Simulation von Entfluchtungsprozessen im Rahmen von Gebäudeevakuierungen. Dabei wird das Konzept eines zellulären Automaten vermittelt, ohne dabei Programmierkenntnisse vorauszusetzen oder anzuwenden. Anhand dieses speziellen Simulationswerkzeugs des zellulären Automaten werden Eigenschaften, Kenngrößen sowie Vor- und Nachteile von Simulationen im Allgemeinen thematisiert. Dazu gehören unter anderem die experimentelle Datengewinnung, die Festlegung von Modellparametern, die Diskretisierung des zeitlichen und räumlichen Betrachtungshorizonts sowie die zwangsläufig auftretenden (Diskretisierungs-)Fehler, die algorithmischen Abläufe einer Simulation in Form elementarer Handlungsanweisungen, die Speicherung und Visualisierung von Daten aus einer Simulation sowie die Interpretation und kritische Diskussion von Simulationsergebnissen. Die vorgestellte Lernumgebung ermöglicht etliche Variationen zu weiteren Aspekten des Themas „Evakuierungssimulation“ und bietet dadurch auch vielfältige Differenzierungsmöglichkeiten.

Der vorliegende Band 6 der Schriftenreihe Wasser Infrastruktur Ressourcen ist als Festschrift der Verabschiedung von Prof. Dr.-Ing. Theo G. Schmitt gewidmet. Theo Schmitt wird im April 2019 nach über 26 Jahren als aktiver Professor an der TU Kaiserslautern in den Ruhestand treten. Er trat im Oktober 1992 als Nachfolger von Karlheinz Jacobitz die Leitung des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft an der damaligen Universität Kaiserslautern - heute TU Kaiserslautern - an. Theo Schmitts persönliche Schwerpunkte liegen im Bereich der Siedlungsentwässerung, er lässt sich mitnichten darauf reduzieren. Seine Arbeiten sind geprägt durch die Überzeugung, dass siedlungswasserwirtschaftliche Handlungsstrategien und Lösungskonzepte in die Zukunft gerichtet ‚Wandel und Ungewissheit‘ bedenken müssen. Daraus resultiert u. a. seine große Offenheit gegenüber neuen Herausforderungen und interdisziplinärer Vernetzung von Wissen und Sichtweisen. Schon früh hat das Fachgebiet beispielsweise mit der Technomathematik, der Elektrotechnik und der Informatik im Bereich der künstlichen Intelligenz fachübergreifend zusammen gearbeitet. Die Verzahnung von Ingenieur- und Naturwissenschaften hat häufig unmittelbar über seine MitarbeiterInnen am Fachgebiet stattgefunden. Dadurch ist eine große Breite an bearbeiteten Themen entstanden, die weite Bereiche der Siedlungswasserwirtschaft umfassen, von hydraulischen und stofflichen Fragestellungen zu urbanen Regenwasserabflüssen über den Systemwandel in der Abwasserentsorgung bis hin zu innovativen Verfahren der Abwasserreinigung und Kläranlagen als Regelbaustein der Energiewende. Die insgesamt 14 Beiträge dieser Festschrift belegen diese Vielfalt, die sich insbesondere auch durch den Stil der Offenheit und Vielfältigkeit, mit der Theo Schmitt das Fachgebiet geleitet hat, entwickeln konnte. Drei Generationen von SiedlungswasserwirtschaftlerInnen, angefangen bei Theo Schmitts Doktorvater Prof. Hermann H. Hahn, bis hin zu ehemaligen Doktorkindern und deren MitarbeiterInnen tragen mit ihren persönlichen Themen zur Festschrift bei. Hermann H. Hahn blickt mit dem Abstand des vor Jahren emeritierten Professors kritisch auf die aktuellen Entwicklungen in der siedlungswasserwirtschaftlichen Forschung. Die weiteren Beiträge promovierter Doktorkinder zeigen die enorme thematische Breite aktueller und abgeschlossener Forschungsprojekte und Doktorarbeiten, die Theo Schmitt initiiert und begleitet hat. Der etwas ungewöhnlich anmutende Titel dieser Festschrift ‚From K-Town to KOSMOS‘ spielt zum einen auf die von ihm entwickelte Software zur Kontinuierlichen Schmutzfrachtmodellierung (KOSMO) an, die mit seinen modelltechnischen Ansätzen (u. a. hydrodynamischer Simulationskern, Schmutzstoffakkumulation- und Abtrag) seiner Zeit und kommerziellen Lösungen weit voraus war und die ihn bis heute zu dem deutschlandweit gefragten und geschätzten Spezialisten und Problemlöser auf diesem Gebiet macht. Zum anderen hebt der Titel darauf ab, dass Theo Schmitts Expertise in der Siedlungswasserwirtschaft von der TU Kaiserslautern aus nach außen wirkt. Seine von ‚K-Town‘ ausgehenden Arbeiten haben wegweisende Fachbeiträge für Deutschland geliefert und insbesondere das nationale Regelwerk weiter entwickelt. Dies sind hohe Verdienste, die die DWA durch die Verleihung der Max-Prüß-Medaille im Oktober 2018 gewürdigt hat. Seine stets auch auf die globalen Problemstellungen gerichtete Sicht, beispielsweise zum Umgang mit den Folgen des Klimawandels, rechtfertigt schließlich die Erweiterung des Wortspiels zu ‚KOSMOS‘.

Using molecular dynamics simulation, we study nanoindentation in large samples of Cu–Zr glass at various temperatures between zero and the glass transition temperature. We find that besides the elastic modulus, the yielding point also strongly (by around 50%) decreases with increasing temperature; this behavior is in qualitative agreement with predictions of the cooperative shear model. Shear-transformation zones (STZs) show up in increasing sizes at low temperatures, leading to shear-band activity. Cluster analysis of the STZs exhibits a power-law behavior in the statistics of STZ sizes. We find strong plastic activity also during the unloading phase; it shows up both in the deactivation of previous plastic zones and the appearance of new zones, leading to the observation of pop-outs. The statistics of STZs occurring during unloading show that they operate in a similar nature as the STZs found during loading. For both cases, loading and unloading, we find the statistics of STZs to be related to directed percolation. Material hardness shows a weak strain-rate dependence, confirming previously reported experimental findings; the number of pop-ins is reduced at slower indentation rate. Analysis of the dependence of our simulation results on the quench rate applied during preparation of the glass shows only a minor effect on the properties of STZs.

In recent years, the Federal Republic of Germany has been the most significant destination for asylum-related migration in the European Union. Asylum-related migrants are those who left their country of origin to search for better life in a country that is safe and usually provides better economic opportunities. Most of these migrants sought asylum; however, not all needed international protection. There is a continuum between forced and voluntary migration and the categorization and categories of migrants are very context-dependent. The main research questions in this research report are the following: 1. What kinds of asylum-related migrants (refugees, people with a temporary residence permit, asylum seekers, non-deportable former asylum seekers and undocumented migrants) live in Germany, in particular in Rhineland-Palatinate and Kaiserslautern? 2. What are the everyday lives of asylum-related migrants like in Rhineland-Palatinate and Kaiserslautern? 3. What are the migration wishes and plans of asylum-related migrants in Rhineland-Palatinate and Kaiserslautern? 4. How and for what reasons do asylum-related migrants in Rhineland-Palatinate and Kaiserslautern use the Internet and social media? The research questions are answered based on the empirical material collected during the field research in the spring and summer of 2019. In addition, earlier research and statistics on migrants, asylum seekers and refugees in Germany are utilized. Asylum-related migrants responded according to their own views; the results indicate both their perspectives and our interpretation of them.

Eine große Bandbreite tribologisch belasteter Bauteile kann durch Verwendung einer Oberflächenbeschichtung verbessert werden. Mit Beschichtungswerkstoffen aus Hochleistungspolymeren und funktionellen Füllstoffen lassen sich in tribologischen Systemen niedrige Reib- und Verschleißwerte realisieren. Diese Arbeit zielt auf die Entwicklung von PBI (Polybenzimidazol)-Hochleitungsbeschichtungen für den Einsatz in tribologisch beanspruchten Systemen ab. Die gewonnenen Erkenntnisse ergänzen die bislang unzureichend beschriebenen bzw. erforschten Prozesse zur Herstellung von PBI-basierten Beschichtungen. Als Matrixmaterialien werden PBI sowie PAI (Polyamidimid) als Referenzsystem untersucht. Eine systematische Entwicklung von Lösungsprozessen bildet dabei das erste Prozessfenster zur Herstellung von gelöstem und flüssig verarbeitbarem PBI. Die Entwicklung der Temperprozesse, basierend auf thermischen Analysen mittels dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC), stellt in dieser Arbeit ein weiteres Prozessfenster der Beschichtungsherstellung dar. Die daraus resultierenden ungefüllten PBI-Schichten (ohne Füllstoffe) werden systematischen Untersuchungen unterzogen. Thermische Untersuchungen, wie Thermogravimetrie (TGA), die dynamisch-mechanisch-thermische Analyse (DMTA) sowie DSC-Messungen, veranschaulichen die hohe Temperaturbeständigkeit und damit ein breites Temperatureinsatzfenster der PBI-Beschichtungen. Tribologische Untersuchungsergebnisse, insbesondere der Gleitverschleißprüfungen an ungefüllten PBI-Beschichtungen, stellen dessen hervorragende tribologische Leistungsfähigkeit im Vergleich zu den am Markt etablierten PAI-Systemen dar. Begleitend zu tribologischen Analysen werden mechanische, thermische und strukturelle Untersuchungen durchgeführt und miteinander in Korrelation gebracht.Die Herstellung von PBI-PAI-Blends und die anschließenden tribologischen, mechanischen, thermischen und strukturellen Untersuchungen zeigen das Verbesserungspotential eines PAI-Systems durch die Zugabe von PBI-Anteilen. Die Ergebnisse zeigten, dass es möglich ist, ein PAI-System durch die Zugabe von PBI-Anteilen den speziellen Anwendungen entsprechend anzupassen. Die Modifizierung der PBI-Beschichtungen mit Füllstoffen wie Graphit, PTFE usw. sowie deren Bewertung anhand von Gleitverschleißuntersuchungen, bei Variation der Prüfparameter, ermöglichen einen direkten Vergleich mit marktetablierten PAI-Beschichtungscompound und einem kommerziell erhältlichen PBI-Halbzeug. Die ermittelten Messwerte verdeutlichen hierbei das Potential (Verschleißwiderstand, thermische Stabilität) von PBI-Beschichtungen in tribologisch hoch belasteten Systemen. Zur Verbesserung der Abrasivbeständigkeit werden die PBI-Beschichtungen mit harten Titancarbid-Partikeln verstärkt. Eine systematische Untersuchung der Abrasion sowie ein Modell zur Vorhersage des Abrasivverschleißes werden erarbeitet. A wide range of tribologically stressed components can be improved by using a surface coating. Coatings based on high-performance polymers and functional fillers lead to low friction and wear in tribological systems. The objective of this work is the development of high performance coatings based on polybenzimidazole for tribologically stressed systems. The investigations should complete the inadequately described or researched processes for the production of PBI-based coatings. The matrix materials investigated are PBI and PAI (reference system). The systematic development of solution processes represents the first process window for the production of dissolved and liquid processable PBI. The development of annealing processes, based on thermal analyzes (DSC), represents an additional process window of coating production in this work. The resulting pure PBI coatings (without fillers) are subjected to systematic investigations. Thermal characterizations such as Thermogravimetry (TGA), Dynamic Mechanical Thermal Analysis (DMTA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC) measurements demonstrate the high temperature resistance and a wide temperature range of PBI coatings. Tribological test results, in particular the sliding wear tests on pure PBI coatings, show their outstanding tribological performance in comparison to the PAI systems established on the market. Accompanying to tribological analyzes, mechanical, thermal and structural investigations are carried out and correlated with each other. The preparation of PBI-PAI blends and the subsequent tribological, mechanical, thermal and structural investigations show the potential for improvement of a PAI system by the addition of PBI fractions. The possibility of adapting a PAI system to the relevant applications by adding PBI fractions to reduce the high material costs of the PBI polymer is presented in this work. The modification of the PBI coatings with fillers such as graphite, PTFE, etc. as well as the subsequent sliding wear tests, with variation of the test parameters (pressure and velocity-variation), allow a direct comparison with the market-established PAI coating compound and a commercially available PBI bulk material. The measured values illustrate the suitability of PBI coatings for tribologically highly loaded systems. To improve the abrasion resistance, the PBI coatings are reinforced with hard titanium carbide particles. Systematic investigations on the abrasion wear as well as a model for the prediction of the abrasive wear are developed.

It is well known that reinforcing polymers with small amounts of nano-sized fillers is one of the most effective methods for simultaneously improving their mechanical and thermal properties. However, only a small number of studies have focused on environ-mental stress cracking (ESC), which is a major issue for premature failures of plastic products in service. Therefore, the contribution of this work focused on the influence of nano-SiO2 particles on the morphological, optical, mechanical, thermal, as well as envi-ronmental stress cracking properties of amorphous-based nanocomposites. Polycarbonate (PC), polystyrene (PS) and poly(methyl methacrylate) (PMMA) nanocom-posites containing different amounts and sizes of nano-SiO2 particles were prepared using a twin-screw extruder followed by injection molding. Adding a small amount of nano-SiO2 caused a reduction in optical properties but improved the tensile, toughness, and thermal properties of the polymer nanocomposites. The significant enhancement in mechanical and thermal properties was attributed to the adequate level of dispersion and interfacial interaction of the SiO2 nanoparticles in the polymer matrix. This situation possibly increased the efficiency of stress transfer across the nanocomposite compo-nents. Moreover, the data revealed a clear dependency on the filler size. The polymer nanocomposites filled with smaller nanofillers exhibited an outstanding enhancement in both mechanical properties and transparency compared with nanocomposites filled with larger particles. The best compromise of strength, toughness, and thermal proper-ties was achieved in PC-based nanocomposites. Therefore, special attention to the influ-ence of nanofiller on the ESC resistance was given to PC. The ESC resistance of the materials was investigated under static loading with and without the presence of stress-cracking agents. Interestingly, the incorporation of nano-SiO2 greatly enhanced the ESC resistance of PC in all investigated fluids. This result was particularly evident with the smaller quantities and sizes of nano-SiO2. The enhancement in ESC resistance was more effective in mild agents and air, where the quality of the deformation process was vastly altered with the presence of nano-SiO2. This finding confirmed that the new structural arrangements on the molecular scale in-duced by nanoparticles dominate over the ESC agent absorption effect and result in greatly improving the ESC resistance of the materials. This effect was more pronounced with increasing molecular weight of PC due to an increase in craze stability and fibril density. The most important and new finding is that the ESC behavior of polymer-based nanocomposites/ stress-cracking agent combinations can be scaled using the Hansen solubility parameter. Thus allowed us to predict the risk of ESC as a function of the filler content for different stress-cracking agents without performing extensive tests. For a comparison of different amorphous polymer-based nanocomposites at a given nano-SiO2 particle content, the ESC resistance of materials improved in the following order: PMMA/SiO2 < PS/SiO2 < low molecular weight PC/SiO2 < high molecular weight PC/SiO2. In most cases, nanocomposites with 1 vol.% of nano-SiO2 particles exhibited the largest improvement in ESC resistance. However, the remarkable improvement in the ESC resistance—particularly in PC-based nanocomposites—created some challenges related to material characterization because testing times (failure time) significantly increased. Accordingly, the superposition ap-proach has been applied to construct a master curve of crack propagation model from the available short-term tests at different temperatures. Good agreement of the master curves with the experimental data revealed that the superposition approach is a suitable comparative method for predicting slow crack growth behavior, particularly for long-duration cracking tests as in mild agents. This methodology made it possible to mini-mize testing time. Additionally, modeling and simulations using the finite element method revealed that multi-field modeling could provide reasonable predictions for diffusion processes and their impact on fracture behavior in different stress cracking agents. This finding sug-gests that the implemented model may be a useful tool for quick screening and mitigat-ing the risk of ESC failures in plastic products.

Using industrial robots for machining applications in flexible manufacturing processes lacks a high accuracy. The main reason for the deviation is the flexibility of the gearbox. Secondary Encoders (SE) as an additional, high precision angle sensor offer a huge potential of detecting gearbox deviations. This paper aims to use SE to reduce gearbox compliances with a feed forward, adaptive neural control. The control network is trained with a second network for system identification. The presented algorithm is capable of online application and optimizes the robot accuracy in a nonlinear simulation.