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Context Modeling in the Domain of Ambient Intelligent Production Environments
(2010)
- Ever since Mark Weiser’s vision of Ubiquitous Computing the importance of context has increased in the computer science domain. Future Ambient Intelligent Environments will assist humans in their everyday activities, even without them being constantly aware of it. Objects in such environments will have small computers embedded into them which have the ability to predict human needs from the current context and adapt their behavior accordingly. This vision equally applies to future production environments. In modern factories workers and technical staff members are confronted with a multitude of devices from various manufacturers, all with different user interfaces, interaction concepts and degrees of complexity. Production processes are highly dynamic, whole modules can be exchanged or restructured. Both factors force users to continuously change their mental model of the environment. This complicates their workflows and leads to avoidable user errors or slips in judgement. In an Ambient Intelligent Production Environment these challenges have to be approached. The SmartMote is a universal control device for ambient intelligent production environments like the SmartFactoryKL. It copes with the problems mentioned above by integrating all the user interfaces into a single, holistic and mobile device. Following an automated Model-Based User Interface Development (MBUID) process it generates a fully functional graphical user interface from an abstract task-based description of the environment during run-time. This work introduces an approach to integrating context, namely the user’s location, as an adaptation basis into the MBUID process. A Context Model is specified, which stores location information in a formal and precise way. Connected sensors continuously update the model with new values. The model is complemented by a reasoning component which uses an extensible set of rules. These rules are used to derive more abstract context information from basic sensor data and for providing this information to the MBUID process. The feasibility of the approach is shown by using the example of Interaction Zones, which let developers describe different task models depending on the user’s location. Using the context model to determine when a user enters or leaves a zone, the generator can adapt the graphical user interface accordingly. Context-awareness and the potential to adapt to the current context of use are key requirements of applications in ambient intelligent environments. The approach presented here provides a clear procedure and extension scheme for the consideration of additional context types. As context has significant influence on the overall User Experience, this results not only in a better usefulness, but also in an improved usability of the SmartMote.
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Evaluation of a Model-Based Development Process for Automotive Embedded Systems - Model-Based Development of an Adaptive Cruise Control System
(2009)
- Nowadays, vehicle control systems such as anti-lock braking systems, electronic stability control, and cruise control systems yield many advantages. The electronic control units that are deployed in this specific application domain are embedded systems that are integrated in larger systems to achieve predefined applications. Embedded systems consist of embedded hardware and a large software part. Model-based development for embedded systems offers significant software-development benefits that are pointed out in this thesis. The vehicle control system Adaptive Cruise Control is developed in this thesis using a model-based software development process for embedded systems. As a modern industrial design tool that is prevalent in this domain, simulink,is used for modeling the environment, the system behavior, for determining controller parameters, and for simulation purposes. Using an appropriate toolchain, the embedded code is automatically generated. The adaptive cruise control system could be successfully implemented and tested within this short timespan using a waterfall model without increments. The vehicle plant and important filters are fully deduced in detail. Therefore, the design of further vehicle control systems needs less effort for development and precise simulation.
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Perzeption und Effekte von herbivorieinduzierten Pflanzenvolatilen auf Blattschneiderameisen und ihren symbiotischen Pilz
(2010)
- Das Futtersuchverhalten von Blattschneiderameisen (BSA) weist zwei Besonderheiten auf, die bislang nicht mit der Theorie des optimalen Nahrungserwerbs in Übereinstimmung gebracht werden konnten: sie (i) verlassen ihre Nahrungspflanzen frühzeitig bevor diese komplett entlaubt sind und (ii) ernten Bäume in beträchtlicher Distanz , obwohl conspezifische Bäume (mit scheinbar gleicher Blattqualität) näher am Nest liegen. Eine mögliche kausale Erklärung bietet die Hypothese induzierter Pflanzenabwehr (induced-defence hypothesis), durch welche die beobachteten Futtersuchmuster als zeitlich und räumlich dynamisches Mosaik aus induzierter, wenig induzierter und nicht induzierter Pflanzenabwehr in Pflanzenindividuen und Pflanzenteilen zu verstehen wären. In diesem Kontext war es das Ziel meiner Diplomarbeit zu klären ob und mit welcher Wirkung herbivorieinduzierte Pflanzenvolatile (HIPVs) von BSA perzipiert werden. Der Fokus lag dabei auf der jeweils spezifischen Rolle der beiden symbiontischen Partner des BSA-Systems (Ameisen und Pilz) und möglichen Interaktionen zwischen ihnen. Im ersten Untersuchungsabschnitt wurden Atta colombica-Arbeiterinnen in olfaktometrischen Wahlexperimenten mit einzelnen Komponenten und dem naturgetreuen Mix der HIPVs der Limabohne (Phaseolus lunatus) konfrontiert. Da hierbei kein Eintrag induzierter Blätter in die Kolonie stattfand, blieb der symbiotische Pilz unbeeinflusst von den HIPVs. Um andererseits spezifisch die Reaktion des Pilzpartners auf die HIPVs der Limabohne zu beurteilen, wurden Wachstumsassays mit Kulturen des Gartenpilzes Leucoagaricus gongylophorus durchgeführt. Zentrale Ergebnisse meiner Untersuchung waren: (1) BSA-Arbeiterinnen zeigten im Olfaktometer keine Reaktion auf verschiedene Konzentrationen der Limabohnen-HIPVs (Abb. 1); (2) Hingegen konnten für eine Reihe von HIPVs antimykotische Eigenschaften auf den symbiotischen Pilz nachgewiesen werden (Abb. 2). Im Lichte dieser Ergebnisse sind viele bisher publizierte Hinweise auf die repellente Wirkung von HIPV-Komponenten auf BSA-Kolonien/Arbeiterinnen (Aigner 2007, Tremmel 2008) nur dann zu verstehen, wenn man sie als eine nachträgliche, vom symbiotischen Pilz vermittelte‚ verzögerte Ablehnung (so genannte delayed rejection hypothesis, sensu Knapp et al 1990) interpretiert. Pilz-inhibierende Substanzen werden dabei zunächst von BSA- Arbeiterinnen in die Kolonie eingetragen und zu einem späteren Zeitpunkt abgelehnt. Die vorliegende Studie kann somit als Unterstützung der induced-defence hypothesis gelten.
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Risikomanagement mikrobiologischer Hochsicherheitslaboratorien
(2009)
- Obwohl in mikrobiologischen Hochsicherheitslaboratorien einzelne Methoden des Risikomanagements durch gesetzliche Vorgaben verankert sind bzw. aufgrund von negativen Erfahrungen mit Laborinfektionen und prospektiver Sicherheitsforschung eingeführt wurden, fehlt bisher meist ein systematischer Riskomanagementansatz. Eine Möglichkeit zur Implementierung von „Risikomanagement als Führungsprozess” mittels der neuen, generischen Norm ISO 31000 „Risk management - Principles and guidelines” sollte in dieser Arbeit auf seine Eignung für ein Hochsicherheitslabor betrachtet werden. Dabei zeigte sich am konkreten Beispiel, dass durch die aktuelle Einführung eines QM-Systems die für ein Risikomanagementsystem notwendigen Strukturen prinzipiell vorhanden sind und genutzt werden können, aber dennoch ein erheblicher Schulungsbedarf bei den Mitarbeitern hinsichtlich methodischer Kompetenzen bestehen dürfte. Trotz theoretisch guter Integrierbarkeit des Risikomanagements in das QM-System würde die Einführung ein mittelfristiges, personalintensives Projekt darstellen. Als erfolgskritische Faktoren für die Einführung wurden weiterhin die Unterstützung durch die Leitung des Labors und die Entwicklung einer adäquaten, offenen Risikokultur identifiziert. Die Öffnung einer eher hierarchisch geprägten Organisationskultur würde ebenfalls Zeit kosten und wäre wahrscheinlich nicht ohne externe Beratung zu bewältigen. Erst dann könnte die gewünschte Risikokultur verwirklicht werden. Der grundlegende Wunsch zu einem veränderten Management im Labor ist aber auf allen Ebenen des betrachteten Forschungsinstituts spürbar, auch die Laborleitung unterstützt partizipative Elemente explizit. Das Rahmenwerk für ein Risikomanagementsystem wurde daher entworfen und in seinen Elementen für ein Hochsicherheitslabor betrachtet. Die jeweilige Ausgestaltung sollte durch eine Projektgruppe entwickelt werden. Dies stellt aufgrund der guten Erfahrungen mit Projektarbeit im betrachteten Institut keine relevante Hürde dar. Es erscheint daher möglich, mit der künftigen ISO 31000 (unter Zuhilfenahme verwandter Dokumente), ein Risikomanagementsystem für ein mikrobiologisches Hochsicherheitslabor einzuführen.
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Distributed Compliant Control for Biologically Inspired Behavior-Based Robots
(2009)
- In its rather short history robotic research has come a long way in the half century since it started to exist as a noticeable scientic eld. Due to its roots in engineering, computer science, mathematics, and several other 'classical' scientic branches,a grand diversity of methodologies and approaches existed from the very beginning. Hence, the researchers in this eld are in particular used to adopting ideas that originate in other elds. As a fairly logical consequence of this, scientists tended to biology during the 1970s in order to nd approaches that are ideally adapted to the conditions of our natural environment. Doing so allows for introducing principles to robotics that have already shown their great potential by prevailing in a tough evolutionary selection process for millions of years. The variety of these approaches spans from efficient locomotion, to sensor processing methodologies and all the way to control architectures. Thus, the full spectrum of challenges for autonomous interaction with the surroundings while pursuing a task can be covered by such means. A feature that has proven to be amongst the most challenging to recreate is the human ability of biped locomotion. This is mainly caused by the fact that walking,running and so on are highly complex processes involving the need for energy efficient actuation, sophisticated control architectures and algorithms, and an elaborate mechanical design while at the same time posting restrictions concerning stability and weight. However, it is of special interest since our environment is favoring this specic kind of locomotion and thus promises to open up an enormous potential if mastered. More than the mere scientic interest, it is the fascination of understanding and recreating parts of oneself that drives the ongoing eorts in this area of research. The fact that this is not at all an easy task to tackle is not only caused by the highly dynamical processes but also has its roots in the challenging design process. That is because it cannot be limited to just one aspect like e.g. the control architecture, actuation, sensors, or mechanical design alone. Each aspect has to be incorporated into a sound general concept in order to allow for a successful outcome in the end. Since control is in this context inseparably coupled with the mechanics of the system, both has to be dealt with here.
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A Java Content Repository backed by the native XML Database System XTC
(2008)
- JSR 170 spezifiziert die Java Content Repository (JCR) Schnittstelle. Diese Schnittstelle wird als Standard im Bereich Web-Anwendungen und Content Management akzeptiert. Sie gliedert sich in Level 1 (lesender Zugriff) and Level 2 (Lese- und Schreibzugriffe) und beschreibt darüber hinaus vier weitere optionale Funktionen. Das in JSR 170 beschriebene hierarchische Datenmodell weist starke Analogie zu XML auf. Jedoch verwenden die meisten JCR-Implementierungen relationale Datenbanken. Durch native XML Datenbanken, wie XTC, können XML-Daten effizient verwaltet werden. Diese Arbeit beschreibt das Design und die Implementierung eines Level 2 JCRs, welches alle Anforderungen an die Persistenz mit Hilfe von DOM und XQuery Operationen auf XML-Dokumenten in XTC erfüllt. Die optionalen FuJSR 170 spezifiziert die Java Content Repository (JCR) Schnittstelle. Diese Schnittstelle wird als Standard im Bereich Web-Anwendungen und Content Management akzeptiert. Sie gliedert sich in Level 1 (lesender Zugriff) und Level 2 (Lese- und Schreibzugriffe) und beschreibt darüber hinaus vier weitere optionale Funktionen. Das in JSR 170 beschriebene hierarchische Datenmodell weist starke Analogie zu XML auf. Jedoch verwenden die meisten JCR-Implementierungen relationale Datenbanken. Durch native XML Datenbanken, wie XTC, können XML-Daten effizient verwaltet werden. Diese Arbeit beschreibt das Design und die Implementierung eines Level 2 JCRs, welches alle Anforderungen an die Persistenz mit Hilfe von DOM und XQuery Operationen auf XML-Dokumenten in XTC erfüllt. Die optionalen Funktionen “Versionierung” und “Transaktionen” werden ebenfalls unterstützt. Um die Implementierung zu testen werden zwei Demo-Anwendungen (Blog & Wiki) entwickelt und Vergleichstests gegen die Referenzimplementierung angestellt.
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Überprüfung von Standard-Abflussbeiwerten durch Niederschlag-Abfluss-Simulation
(2000)
- Zur Untersuchung des Abflussverhaltens gängiger Befestigungsarten wurden mit Hilfe des Modells KOSMO Niederschlag-Abfluss-Simulationen durchgeführt. Betrachtet wurden hier-bei sowohl Einheitsflächen als auch ganze Einzugsgebiete verschiedener städtebaulicher Struktur. Die Berechnungen erfolgten unter Vorgabe empfohlener Verlustparameter zur Benetzung und zur Muldenauffüllung sowie angepasster Parameterwerte zur Beschreibung der Versickerung. Die Abflusssimulationen wurden für ein weitreichendes Spektrum bemessungsrelevanter Niederschlagsbelastungen vollzogen. Es wurden Einzelregen konstanter und variabler Intensität unterschiedlicher Regendauer sowie eine neunmonatige Nieder-schlagsreihe simuliert. Aus der Bilanzierung des Niederschlag-Abfluss-Prozesses wurden die verschiedenen Abflussbeiwerte der unterschiedlichen Flächenarten ermittelt. Die Modellsimulationen haben gezeigt, dass eine signifikante Abhängigkeit der rechneri-schen Abflussbeiwerte von der zugrunde gelegten Niederschlagsbelastung besteht, die mit zunehmender Versickerungsfähigkeit der Flächen ansteigt. Während die weitestgehend undurchlässigen Flächentypen recht konstante Werte aufweisen, sind die Abflussbeiwerte der durchlässig befestigten Flächen großen niederschlagsbedingten Schwankungen von bis zu 0,5 unterlegen. Hierbei spielen sowohl die Regenintensität als auch die Regendauer und der zeitliche Verlauf des Regens eine Rolle. Die Berechnungsergebnisse für den mittleren Abflussbeiwert, den Endabflussbeiwert sowie den Spitzenabflussbeiwert zeigten für die Simulation von Einzelereignissen unter Berück-sichtigung der belastungsbezogenen Abhängigkeit eine gute Übereinstimmung mit den Richtwerten. Den Berechnungen des mittleren Abflussbeiwertes und des Endabflussbeiwertes wurden hierbei wesentlich geringere Parameterwerte zur Versickerung zugrunde gelegt als für den Spitzenabflussbeiwert, für den die Richtwerte nur mit deutlich höher angesetzten Infiltrationsleistungen bestätigt werden konnten. Diese Versickerungsleistungen liegen zwar noch deutlich unter den von Borgwardt und Muth in neueren Untersuchungen festgestellten Werten und sind somit wissenschaftlich begründet. Dennoch erscheint es fraglich, ob das Versickerungsvermögen durchlässig befestigter Flächen tatsächlich derart hoch ist. Diese Frage kann jedoch anhand der vorliegenden Untersuchung nicht geklärt werden. Des Weiteren wurde festgestellt, dass die Langzeitsimulation von Niederschlagsreihen mit den an Einzelereignisse angepassten Modellparametern sehr geringe Ergebniswerte für den mittleren Abflussbeiwert und teilweise auch für den Endabflussbeiwert der durchlässigen Flächenbefestigungen liefert. Hier stellt sich die Frage, ob der Abflussbeitrag von diesen Flächen im Jahresmittel tatsächlich derart gering ausfällt. Dies wäre aufgrund der Abhängigkeit der Abflussbeiwerte von der Regenbelastung durchaus plausibel, da ein Großteil der jährlichen Niederschlagsereignisse nur geringe Intensitäten aufweist. Der Ansatz geringerer Parameterwerte zur Versickerung erscheint im Hinblick auf die in der Literatur genannten Untersuchungsergebnisse nicht sinnvoll. Darüber hinaus trat hinsichtlich der Endabflussbeiwerte die Problematik auf, dass sich aus der Definitionsgleichung für stark durchlässige Flächenbefestigungen unzutreffenden Werte ergeben. Die Langzeitsimulation von Einzugsgebieten mit einem hohen Anteil versickerungsintensiver Flächen muss daher als problematisch beurteilt werden. Betrachtungen zur Genauigkeit der durchgeführten Untersuchungen (hier nicht aufgeführt) haben gezeigt, dass zahlreiche gebiets- und modellspezifische Faktoren Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Berechnungsergebnisse haben. Die rechnerischen Abflussbeiwerte weisen insbesondere hinsichtlich der Parameterwerte im Versickerungsansatz nach Horton eine starke Sensitivität auf, die bei der Anwendung von Abflussmodellen zur Berechnung des Oberflächenabflusses berücksichtigt werden muss. Aufgrund der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Modellberechnungen kann die Kompatibilität von Berechnungen des Oberflächenabflusses durch Abflusssimulation mit den empfohlenen Standardwerten der einschlägigen Literatur grundsätzlich festgestellt werden. Durch die Anwendung gängiger Modellansätze zur Beschreibung der Abflussbildung unter Ansatz angepasster Parameterwerte können insbesondere bei der Simulation von Einzelereignissen weitgehend übereinstimmende Ergebnisse erzielt werden. Es ist jedoch zu beachten, dass die Simulationsergebnisse entscheidend von der angesetzten Niederschlagsbelastung bestimmt werden, so dass die Anwendung von Berechnungsmodellen nur bezogen auf bestimmte Niederschlagsbelastungen erfolgen kann. Darüber hinaus empfiehlt es sich dringendst, das eingesetzte Modell vorab unter Berück-sichtigung der gebietsspezifischen Gegebenheiten bezüglich der angesetzten Parameterwerte zu eichen. Die Anwendung von Abfluss- und Schmutzfrachtmodellen setzt daher stets voraus, dass die abflussrelevanten Randbedingungen sorgfältig erfasst und bei der Abflusssimulation ausreichend berücksichtigt werden. Die Anwendung von Abflussmo-dellen zur Berechnung des Oberflächenabflusses ist insbesondere im Hinblick auf eine differenzierte Betrachtung der Teilflächen und der Berücksichtigung des Versickerungsbei-trages durchlässiger Befestigungsarten sinnvoll, während diesbezüglich die Angaben des ATV-Arbeitsblattes A 118 nicht ausreichend sind. Des Weiteren machten die Untersuchungen deutlich, dass der derzeitige Kenntnisstand bezüglich des Infiltrationsvermögens durchlässig befestigter Flächen nicht ausreicht. Die vorzugebenden Modellparameter zur Versickerung sind bislang noch mit größeren Unsicherheiten behaftet, die sich unmittelbar auf die Zuverlässigkeit der Berechnungsergebnisse niederschlagen. Hier werden langfristige und großflächig angelegte Freilandmessungen empfohlen, die zur Erarbeitung von Versickerungswerten als Eingangsgrößen in die Abflussberechnungen und zur Festlegung von Abflussbeiwerten dienen können.
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Anwendung und Evaluierung verhaltensbasierter Ansätze zur Entwicklung verlässlicher Automotivesysteme
(2006)
- Ein typisches Mittelklassefahrzeug hat mittlerweile 100 Computerprozessoren,die miteinander kommunizieren, und bildet damit ein komplexes Softwaresystem. Die steigende Anzahl der miteinander kommunzierenden Funktionen trägt dazu bei, dass die Komplexität der Steurungssoftware immer schwerer zu beherrschen ist. Trotz eines enormen Kostenaufwands zur Entwicklung der entsprechenden Softwarekomponenten sind Softwarefehler bei Fahrzeugen der automobilen Oberklasse eine der am häufigsten angeführten Ursachen in der Pannenstatistik. Die Tatsache, dass die angeführten Funktionalitäten verteilt und parallel auf einer steigenden Anzahl unterschiedlicher Mikrokontroller abgearbeitet werden, birgt zusätzliche Probleme. Es ist jedoch Fakt, dass der Markt nach Funktionalitäten wie ABS, ASR und ESP verlangt, die zu einem wesentlichen Teil aus Software bestehen. Es ist also notwendig, einen alternativen Softwareansatz zu finden, der die Komplexität der Steuerungssoftware beherrschbar werden lässt und dennoch den Anforderungen des automobilen Umfelds, wie zum Beispiel der Verlässlichkeit gerecht wird. Dies wird in dieser Arbeit mit hilfe einer verhaltensbasierten steuerung erreicht.
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Resonanzstrukturen in Wannier-Stark Systemen
(2001)
- In dieser Arbeit wurde die Streutheorie in Stark-Systemen auf das im Rahmen der Untersuchung von Halbleiter-Übergittern vorgeschlagene periodische Rechteck-Potential angewendet. Das Verhalten der Resonanzenergien als Funktion verschiedener Parameter wurde untersucht. Hierbei trat das Phänomen der Paarung von Linienbreiten auf, welches durch Betrachtung der Bandstruktur des korrespondierenden feldfreien Hamiltonoperators und durch Modellierung mittels eines Matrixmodells für Wannier-Stark-Leitern geklärt werden konnte. Im letzten Abschnitt wurden die Untersuchungen auf die Beschreibung von Absorptionsspektren von Halbeiter-Übergittern ausgedehnt. Es wurde mittels zeitabhängiger Störungsrechnung eine Formel zur Berechnung des Absorptionsspektrums hergeleitet. Wird das periodische Potential in Halbleiter-Übergittern durch ein geglättetes Rechteck-Potential beschrieben, so können die spektroskopisch bestimmten Linienbreiten durch unsere Theorie gut beschrieben werden. Dies führt zu dem Schluss, dass das periodische Potential der Realität nicht wie anfänglich vermutet durch ein Rechteck-Potential beschrieben werden sollte sondern durch eine geglättete Version desselben. Trotz dieser interessanten Ergebnisse bleiben noch einige Fragen ungeklärt. So ist z.B. ungeklärt, ob es möglich ist die Parameter des Matrixmodells aus semiklassischen oder quantenmechanischen Berechnungen zu bestimmen, so dass das Modell es erlaubt die Resonanzenergien ab initio zu berechnen Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Phänomen der Paarung der Lebensdauern untersucht. Hier wäre es interessant nach den Symmetrien der dazugehörigen Wellenfunktionen zu fragen. Es ist zu hoffen, dass dies Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein wird.
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Verwendung von Schalenringelementen zur Untersuchung des dynamischen Tragverhaltens von Rotationsschalen
(1999)
- Ausgehend von allgemeinen Betrachtungen dynamischer Prozesse und den dazugehörigen mechanischen Grundgleichungen sind im Rahmen dieser Arbeit zwei verschiedene Lösungsverfahren für das Bewegungsdifferentialgleichungssystem des diskretisierten Mehrmassenschwingers vorgestellt worden, die modale Analyse und das Antwortspektrenverfahren. Die modale Analyse ist hierbei zur Lösung der Bewegungsgleichung für deterministische Lasten, das Antwortspektrenverfahren für Erdbebenbelastungen eingesetzt worden. Beide Verfahren sind sinngemäß auf Rotationsschalen, die unter Verwendung von Ringelementen mit Hilfe der FE-Methode diskretisiert sind, übertragen worden. Im bestehenden FE-Programmsystem ROSHE des Lehrstuhls für Baustatik der Universität Kaiserslautern, das gerade auf diesen Ringelementen basiert, sind diese beiden Lösungsverfahren implementiert worden.
