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Adjusting the friction response of the wheel-rail interface is a key factor in the mitigation of wear and rollingcontact fatigue (RCF) in rails. The use of top-of-rail (TOR) friction conditioners has the potential to reduce maintenance costs significantly. Unfortunately, conflicting results on the use of commercial TOR conditioners have been presented in the literature. In this work, the performance of commercial TOR conditioners and a laboratory-made formulation were tested, both on the lab scale and in field measurements. Friction results are discussed together with the structural and chemical analysis of the tested materials.
In this paper, we propose a novel method for real-time control of electric distribution grids with a limited number of measurements. The method copes with the changing grid behaviour caused by the increasing number of renewable energies and electric vehicles. Three AI based models are used. Firstly, a probabilistic forecasting estimates possible scenarios at unobserved grid nodes. Secondly, a state estimation is used to detect grid congestion. Finally, a grid control suggests multiple possible solutions for the detected problem. The best countermeasures are then detected by evaluating the systems stability for the next time-step.
Nowadays, the importance of early active patient mobilization in the recovery and rehabilitation phase has increased significantly. One way to involve patients in the treatment is a gamification-like approach, which is one of the methods of motivation in various life processes. This article shows a system prototype for patients who require physical activity because of active early mobilization after medical interventions or during illness. Bedridden patients and people with a sedentary lifestyle (predominantly lying in bed) are also potential users. The main idea for the concept was non-contact system implementation for the patients making them feel effortless during its usage. The system consists of three related parts: hardware, software, and game application. To test the relevance and coherence of the system, it was used by 35 people. The participants were asked to play a video game requiring them to make body movements while lying down. Then they were asked to take part in a small survey to evaluate the system's usability. As a result, we offer a prototype consisting of hardware and software parts that can increase and diversify physical activity during active early mobilization of patients and prevent the occurrence of possible health problems due to predominantly low activity. The proposed design can be possibly implemented in hospitals, rehabilitation centers, and even at home.
Sleep analysis using a Polysomnography system is difficult and expensive. That is why we suggest a non-invasive and unobtrusive measurement. Very few people want the cables or devices attached to their bodies during sleep. The proposed approach is to implement a monitoring system, so the subject is not bothered. As a result, the idea is a non-invasive monitoring system based on detecting pressure distribution. This system should be able to measure the pressure differences that occur during a single heartbeat and during breathing through the mattress. The system consists of two blocks signal acquisition and signal processing. This whole technology should be economical to be affordable enough for every user. As a result, preprocessed data is obtained for further detailed analysis using different filters for heartbeat and respiration detection. In the initial stage of filtration, Butterworth filters are used.
Die Frage „Wozu braucht man das?“ vonseiten der Studierenden oder Aussagen wie „Das habe ich im Beruf später nie mehr benötigt.“ von ehemaligen Studierenden ist den meisten Mathematikdozierenden sehr vertraut. Im Projekt BiLeSA wird dem Wunsch nach Integration von Praxisnähe im Mathematikunterricht mithilfe einer Smartphone-App, welche ausgewählte Themen in der Mathematik anhand von digitalen Bildern sichtbar macht, umgesetzt. Bei den ausgewählten Themen handelt es sich um (affin) lineare Abbildungen, Ableitungen in höheren Raumdimensionen und Potenzen von Komplexen Zahlen. Die Konzeptionierung des Lernobjekts erfolgte mit dem Design Based Research (DBR) Ansatz, welches im Basisprojekt des IBH-Labs „Seamless Learning“ konzipiert und entwickelt wurde.
Wer schon einmal dicht gedrängt vor der Konzertbühne stand kann sich die aussichtslose Lage, wenn die Stimmung kippt und Panik aufkommt, gut vorstellen. Es ist sehr wichtig, Räume und Events, die zeitweise von sehr vielen Menschen aufgesucht werden, so zu gestalten und zu planen, dass maximale Sicherheit gewährleistet ist. Damit eine öffentliche Veranstaltung reibungslos verläuft ist eine gründliche Planung, also ein qualitativ hochwertiges Crowd Management unabdingbar.
Reed-Muller (RM) codes have recently regained some interest in the context of low latency communications and due to their relation to polar codes. RM codes can be constructed based on the Plotkin construction. In this work, we consider concatenated codes based on the Plotkin construction, where extended Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH) codes are used as component codes. This leads to improved code parameters compared to RM codes. Moreover, this construction is more flexible concerning the attainable code rates. Additionally, new soft-input decoding algorithms are proposed that exploit the recursive structure of the concatenation and the cyclic structure of the component codes. First, we consider the decoding of the cyclic component codes and propose a low complexity hybrid ordered statistics decoding algorithm. Next, this algorithm is applied to list decoding of the Plotkin construction. The proposed list decoding approach achieves near-maximum-likelihood performance for codes with medium lengths. The performance is comparable to state-of-the-art decoders, whereas the complexity is reduced.
Automotive computing applications like AI databases, ADAS, and advanced infotainment systems have a huge need for persistent memory. This trend requires NAND flash memories designed for extreme automotive environments. However, the error probability of NAND flash memories has increased in recent years due to higher memory density and production tolerances. Hence, strong error correction coding is needed to meet automotive storage requirements. Many errors can be corrected by soft decoding algorithms. However, soft decoding is very resource-intensive and should be avoided when possible. NAND flash memories are organized in pages, and the error correction codes are usually encoded page-wise to reduce the latency of random reads. This page-wise encoding does not reach the maximum achievable capacity. Reading soft information increases the channel capacity but at the cost of higher latency and power consumption. In this work, we consider cell-wise encoding, which also increases the capacity compared to page-wise encoding. We analyze the cell-wise processing of data in triple-level cell (TLC) NAND flash and show the performance gain when using Low-Density Parity-Check (LDPC) codes. In addition, we investigate a coding approach with page-wise encoding and cell-wise reading.
Large persistent memory is crucial for many applications in embedded systems and automotive computing like AI databases, ADAS, and cutting-edge infotainment systems. Such applications require reliable NAND flash memories made for harsh automotive conditions. However, due to high memory densities and production tolerances, the error probability of NAND flash memories has risen. As the number of program/erase cycles and the data retention times increase, non-volatile NAND flash memories' performance and dependability suffer. The read reference voltages of the flash cells vary due to these aging processes. In this work, we consider the issue of reference voltage adaption. The considered estimation procedure uses shallow neural networks to estimate the read reference voltages for different life-cycle conditions with the help of histogram measurements. We demonstrate that the training data for the neural networks can be enhanced by using shifted histograms, i.e., a training of the neural networks is possible based on a few measurements of some extreme points used as training data. The trained neural networks generalize well for other life-cycle conditions.
The growing error rates of triple-level cell (TLC) and quadruple-level cell (QLC) NAND flash memories have led to the application of error correction coding with soft-input decoding techniques in flash-based storage systems. Typically, flash memory is organized in pages where the individual bits per cell are assigned to different pages and different codewords of the error-correcting code. This page-wise encoding minimizes the read latency with hard-input decoding. To increase the decoding capability, soft-input decoding is used eventually due to the aging of the cells. This soft-decoding requires multiple read operations. Hence, the soft-read operations reduce the achievable throughput, and increase the read latency and power consumption. In this work, we investigate a different encoding and decoding approach that improves the error correction performance without increasing the number of reference voltages. We consider TLC and QLC flashes where all bits are jointly encoded using a Gray labeling. This cell-wise encoding improves the achievable channel capacity compared with independent page-wise encoding. Errors with cell-wise read operations typically result in a single erroneous bit per cell. We present a coding approach based on generalized concatenated codes that utilizes this property.
Die Automobilindustrie steht wirtschaftlich aktuell besser da, als von manchem erwartet. Sie steht aber gleichzeitig großen Herausforderungen gegenüber, denn wir erleben die Überlagerung dreier Transformationen, deren Auswirkungen sich wohl in keinem Markt so gravierend niederschlagen wie in diesem. Um hierbei die Rolle als Leitmarkt zu erhalten, braucht es mehr Veränderungsintelligenz und eine noch höhere Innovationsdynamik. Diese sind mit beidhändigen Organisationen zu erreichen, die die Ambidextrie beherrschen, gleichzeitig das Kerngeschäft zu optimieren und mit strategischer Innovation Zukunft zu erfinden.
A key objective of this research is to take a more detailed look at a central aspect of resilience in small and medium-sized enterprises (SMEs). A literature review and expert interviews were used to investigate which factors have an impact on the innovative capacity of start-ups and whether these can also be adapted by SMEs. First of all, it must be stated that there are considerable structural and process-related differences between start-ups and SMEs. These can considerably inhibit cooperation between the two forms of enterprise. However, in the same context, success factors and issues in the start-up sector could also be identified that can improve cooperation with SMEs. These and other findings are then discussed in both an economic and an academic context. This article was written as part of the research activities of the Smart Services Competence Centre (proper name: Kompetenzzentrum Smart Services), a central contact point for all questions in the area of smart service digitalization in Baden-Wuerttemberg. Here, companies can obtain information about various digital technologies and take advantage of various measures for the development of new ideas and innovative services (Kompetenzzentrum Smart Services BW: Über das Kompetenzzentrum, 2021).
Improving the tribological properties of Stainless Steels by low-temperature surface hardening
(2022)
Thema der Masterarbeit ist die Zukunft des Generalunternehmers. Auf Grund verschiedener Entwicklungen in den letzten Monaten und Jahren, wie zum Beispiel dem Auflösen der Generalunternehmungssparte des Schweizer Pioniers Steiner AG, stellt sich in der Baubranche die Frage, ob das Modell des GU zukunftsfähig ist oder ob in nächster Zeit ein disruptiver Prozess Einzug erhalten könnte.
Das primäre Ziel der Arbeit ist es, herauszufinden, ob für das Geschäftsmodell des Generalunternehmers bereits oder zukünftig eine Bedrohung besteht. Dabei wird die vergangene, derzeitige und zu-künftige Lage der Baubranche analysiert. Eine Rolle spielen dabei die betrieblichen Triebkräfte, Marktanalysen und Trends. Weiterhin sollen verschiedene Trends und Innovationen in der Baubranche er-mittelt, sowie den hieraus entstehenden Einfluss für den Generalunternehmer abgeschätzt werden. Zusätzlich soll ein Analysetool entworfen werden, mit Hilfe dessen man in Zukunft schnell, einheitlich und verlässlich Trends und Innovationen analysieren und bewerten kann.
Zuerst wird das Geschäftsmodell des Generalunternehmers erläutert. Hierbei wird unter anderem die Wertschöpfung des Generalunternehmers behandelt. Danach werden die Five Forces nach Porter betrachtet. Weiterhin wird die Rolle der Unternehmenskultur hinsichtlich ihres Einflusses auf den Betriebserfolg untersucht. Im darauffolgenden Kapitel geht es um die vergangene, derzeitige und kurzfristige Entwicklung der Baubranche in Europa. Im abschließenden Kapitel werden verschiedene Trends, die das Generalunternehmer Modell betreffen, ermittelt. Zu guter Letzt wird aufgezeigt, wie wichtig Trendanalysen für die langfristige Zukunft von Generalunternehmern sind. Außerdem wird ein Analysetool erstellt und an den Trends BIM und Nachhaltigkeit angewendet.
Das Ergebnis der Masterarbeit zeigt, dass das Modell des Generalunternehmers im Vergleich zur über-geordneten Branche derzeit nicht wesentlicher bedroht ist. Der stetige Zuwachs der Inanspruchnahme von Dienstleistungen und der steigende Fachkräftemangel in der ganzen Baubranche sind Indikatoren, die die Attraktivität des GU Modells auf dem Markt anheben. Termin- Kosten- und Qualitätsrisiken liegen beim GU aufgrund des Fachkräftemangels und steigender Materialpreise in der Baubranche. Die Digitalisierungstrends bieten für die Baubranche und somit auch für den GU neue Möglichkeiten für produktivere Projektabwicklungen. Sie dienen damit mehr als Werkzeug denn als Ersatz für das GU Modell. Die Lieferengpässe und die Bauteuerungen beeinträchtigen derzeitige und zukünftige Projekte branchenübergreifend. Abhilfe könnte hier die Mietung von Hallen bzw. Lagerflächen leisten, um das Material frühzeitig zu bestellen und zu lagern. Einzig neue Vertragsgestaltungen, wie sie zum Teil schon in England, Australien und den USA angewendet werden, können eine Bedrohung für das GU-Modell darstellen. Da in diesen Verträgen eine Kernkompetenz des GU, die Koordination zwischen den Ge-werken, durch die Kooperation zwischen den Gewerken, bedroht wird. Jedoch sträuben sich bislang die Planer und die Bauherren dagegen. Der Baubranche werden allgemein stabile Prognosen mit leichtem Umsatzplus zugesagt. Aus Sicht des Marktes besteht somit vorerst keine Gefahr für das GU Modell. Um den Einfluss von Trends und Entwicklungen auf das GU Modell anhand verschiedener Indikatoren einschätzen zu können, wurde ein Analysetool entwickelt, damit auch zukünftig der Einfluss von Neuerungen auf den GU Markt abgeleitet werden kann. Bei der Analyse der Trends spielt vor allem die Beschaffung von verlässlichen Informationen eine tragende Rolle. Die Einsatzgebiete von Trendanalysen sind in einem Unternehmen sehr vielfältig. Das Ergebnis der untersuchten Trends BIM und Nachhaltigkeit hat ergeben, dass diese eher Chancen anstatt Risiken für die Baubranche und somit auch für das GU Modell darstellen. Die allgemeine Umfrage zur Bedrohung des Geschäftsmodells GU hat ergeben, dass aus Sicht der Probanden eine mittlere Bedrohung vorliegt. Umfragewerte sind hinsichtlich ihrer Subjektivität und der aktuellen durch Krisen bestimmten Lage jedoch immer hinsichtlich Ihrer Aussagekraft in Kontext zu setzen.
With the high resolution of modern sensors such as multilayer LiDARs, estimating the 3D shape in an extended object tracking procedure is possible. In recent years, 3D shapes have been estimated in spherical coordinates using Gaussian processes, spherical double Fourier series or spherical harmonics. However, observations have shown that in many scenarios only a few measurements are obtained from top or bottom surfaces, leading to error-prone estimates in spherical coordinates. Therefore, in this paper we propose to estimate the shape in cylindrical coordinates instead, applying harmonic functions. Specifically, we derive an expansion for 3D shapes in cylindrical coordinates by solving a boundary value problem for the Laplace equation. This shape representation is then integrated in a plain greedy association model and compared to shape estimation procedures in spherical coordinates. Since the shape representation is only integrated in a basic estimator, the results are preliminary and a detailed discussion for future work is presented at the end of the paper.
In this paper, approximating the shape of a sailing boat using elliptic cones is investigated. Measurements are assumed to be gathered from the target's surface recorded by 3D scanning devices such as multilayer LiDAR sensors. Therefore, different models for estimating the sailing boat's extent are presented and evaluated in simulated and real-world scenarios. In particular, the measurement source association problem is addressed in the models. Simulated investigations are conducted with a static and a moving elliptic cone. The real-world scenario was recorded with a Velodyne Alpha Prime (VLP-128) mounted on a ferry of Lake Constance. Final results of this paper constitute the extent estimation of a single sailing boat using LiDAR data applying various measurement models.
Gamification is one of the recognized methods of motivating people in various life processes, and it has spread to many spheres of life, including healthcare. This article proposes a system design for long-term care patients using the method mentioned. The proposed system aims to increase patient engagement in the treatment and rehabilitation process via gamification. Literature research on available and earlier proposed systems was conducted to develop a suited system design. The primary target group includes bedridden patients and a sedentary lifestyle (predominantly lying in bed). One of the main criteria for selecting a suitable option was its contactless realization for the mentioned target groups in long-term care cases. As a result, we developed the system design for hardware and software that could prevent bedsores and other health problems from occurring because of low activity. The proposed design can be tested in hospitals, nursing homes, and rehabilitation centers.
The respiratory rate is a vital sign indicating breathing illness. It is necessary to analyze the mechanical oscillations of the patient's body arising from chest movements. An inappropriate holder on which the sensor is mounted, or an inappropriate sensor position is some of the external factors which should be minimized during signal registration. This paper considers using a non-invasive device placed under the bed mattress and evaluates the respiratory rate. The aim of the work is the development of an accelerometer sensor holder for this system. The normal and deep breathing signals were analyzed, corresponding to the relaxed state and when taking deep breaths. The evaluation criterion for the holder's model is its influence on the patient's respiratory signal amplitude for each state. As a result, we offer a non-invasive system of respiratory rate detection, including the mechanical component providing the most accurate values of mentioned respiratory rate.
Determination of accelerometer sensor position for respiration rate detection: Initial research
(2022)
Continuous monitoring of a patient's vital signs is essential in many chronic illnesses. The respiratory rate (RR) is one of the vital signs indicating breathing diseases. This article proposes the initial investigation for determining the accelerometric sensor position of a non-invasive and unobtrusive respiratory rate monitoring system. This research aims to determine the sensor position in relation to the patient, which can provide the most accurate values of the mentioned physiological parameter. In order to achieve the result, the particular system setup, including a mechanical sensor holder construction was used. The breathing signals from 5 participants were analyzed corresponding to the relaxed state. The main criterion for selecting a suitable sensor position was each patient's average acceleration amplitude excursion, which corresponds to the respiratory signal. As a result, we provided one more defined important parameter for the considered system, which was not determined before.
Botswana serves as a role model for other African countries due to its rapid development in recent decades. Since the country is sparsely populated and a large part of the rural population depends on agriculture, especially livestock, this sector forms the backbone of the national economy. The digitization of this sector offers promising opportunities for economic growth and driving Botswana's evolution to a digital economy, while real value is being created for smallholder farmers. To support this process, an ITU research project made the key recommendation for the development of a digital crowdfarming tool and marketplace to create a digital ecosystem for smallholder agriculture. Within the research project, infrastructural challenges such as the creation of rural electricity supply and internet access, as well as the smallholders' need for remote monitoring, management, and better connectivity, were identified.
Based on the findings of the ITU research report, this bachelor's thesis aims to identify potential innovations for the digital development of smallholder agriculture in Botswana and to conceptualize proposals to address the identified challenges and needs of smallholder farmers. To achieve this, solutions were developed through literature research, technology analysis and expert involvement. These included the design of a decentralized mini-grid for power supply, proposals to create internet access, and the graphic visualization of a conceptual app. The latter addresses smallholder farmers' needs for remote monitoring, market access, knowledge enhancement, and connection to colleagues, buyers, and investors.
The proposed solutions and developed concepts provide impulses for further research and can serve as a basis for an extended evaluation through further involvement of experts and stakeholders.
Global agriculture will face major challenges in the future. In addition to the increasing demand for food due to constant population growth, the consequences of climate change will make it even more difficult to operate agriculture and supply people with food. In addition to further productivity increases in traditional agriculture, new concepts for sustainable and scalable food production are needed. Vertical farming offers a promising approach.
The aim of this project is to demonstrate how vertical farming can be used to ensure sustainable food production and how this concept can be applied in the pioneering Maun Science Park project in Botswana. In doing so, the Maun Science Park will address future challenges such as demographics, governance and climate change and become a best practice model for Botswana, the whole of Africa and the world. The country of Botswana grew to become one of the most prosperous countries in Africa in recent decades due to strong economic growth from mining. However, the population faces great challenges in the future; in addition to great social inequality, climate change threatens the country's overall supply.
With the help of a literature review and qualitative and quantitative interviews with stakeholders from Maun (Botswana), the potentials and challenges for vertical farming in Botswana could be identified and future measures for a possible realization could be derived. Basically, some challenges in Botswana are addressed by the technology, for example, Vertical Farming offers high food security through year-round production of food through the closed ecosystem and creates independence from current and future climatic conditions, poor conditions for traditional agriculture (e.g. infertile soils) and foreign imports. However, the main structural problems of agriculture in Botswana, such as the lack of infrastructure, know-how and policy support, are not addressed.
Projekte aus dem Hochbau, wie z.B. Schulgebäude sind eine klassische Aufgabe der Tragwerksplanung. Dabei steht eine Vielzahl an unterschiedlichen Bauweisen zur Verfügung. Vor dem Hintergrund der Klimakrise und den damit verbundenen Klimaschutzzielen von Paris besteht akuter Handlungsbedarf in allen Bereichen des Lebens, besonders aber im Bausektor, welcher maßgeblich zu den gesamten Treibhausgasemissionen beiträgt. Deshalb wird momentan vermehrt auf Lösungen in Holzbauweise zurückgegriffen. Neben der Gründung nehmen die Geschossdecken den größten Anteil an den Umweltwirkungen ein. Dieser Anteil steigt mit zunehmender Deckenfläche an. Dadurch besteht ein großes Potenzial bei der Verringerung der Treibhausgasemissionen durch geeignete Auswahl des Deckensystems und Optimierung der Tragstruktur.
In Diskussionen über den Klimawandel wird oft eine nachhaltige Entwicklung thematisiert. Für den Vergleich wurde eine Optimierung durchgeführt zur Beurteilung des CO2-Einsparpotenziales. Um alle Aspekte der Nachhaltigkeit zu erfüllen, wurden die gefundenen Varianten auf Basis gängiger Zertifizierungssysteme für Nachhaltigkeit bewertet. Jede Variante erfüllt dabei die Anforderungen an maximale Spannungen und Verformungen. Durch die Optimierung und den folgenden Vergleich wurde das Optimierungspotenzial verdeutlicht. Gleichzeitig entstehen teilweise nutzungsbedingte Konflikte aus der Optimierung und Anforderungen aus dem Schallschutz.
In der vorliegenden Arbeit wird eine Vorlage für ein generalisiertes Betonfertigteil-Tracking für die Bauindustrie geschaffen. In dem ersten der vier Kapitel wird zuerst der Prozess des Fertigteil-Trackings dargestellt. Dieser wird anhand von Experteninterviews modifiziert und es wird ein Standardprozess als Vorlage präsentiert. Dieser Standardprozess soll für projektspezifische Wünsche modular erweiterbar sein. Hierfür werden Vorteile, Probleme und Verbesserungswünsche der Anwender eingearbeitet. Um den Prozess auf die gesamte Baubranche erweitern zu können, werden die softwaretechnischen Voraussetzungen für eine Standardschnittstelle der Fertigteil-Werke analysiert. Um Probleme bei der Implementierung und Durchführung des Trackings zu verhindern, werden die Partikularinteressen aller Beteiligten analysiert. Die Ergebnisse werden aus Experteninterviews generiert sowie durch Literaturrecherche und die eigenen Erfahrungen bei der Implementierung des Fertigteil-Trackings auf der Baustelle Telekom Areal der Ed. Züblin AG ergänzt.
In diesem Aufsatz, der im Rahmen eines Freistellungssemesters entstanden ist, werden technische, umwelttechnische, ethische und rechtliche Themen zum Autonomen Fahren im Hinblick auf die Umsetzung in der Lehre betrachtet. Curricula zum Autonomen Fahren der Kettering University und Udacity werden vorgestellt.
Bei der Auslegung des Verteilergetriebes leistungsverzweigter Hybridantriebe müssen die Übersetzungen sorgfältig hinsichtlich des Wirkungsgrades ausgewählt werden. Die ungünstige Leistungsübertragung im seriellen, elektrischen Zweig sowie die Blindleistung sind zu minimieren. Die Formelzusammenhänge werden in diesem Aufsatz, der im Rahmen eines Freistellungssemesters entstanden ist, hergeleitet.
Welche Kompetenzen brauchen Führungskräfte, damit der Ansatz Compliance und Integrity als Führungsaufgabe in Organisationen verfängt? Und wie lassen sich diese systematisch nutzen und trainieren? Der Beitrag stellt den ersten Baustein eines am Konstanz Institut für Corporate Governance angesiedelten Forschungsprojekts vor, das darauf abzielt, bestehende Compliance-Systeme in Unternehmen praxistauglicher zu machen und die Wirksamkeit der Maßnahmen eines Compliance-Management-Systems (CMS) zu steigern.
We call for a paradigm shift in engineering education. We are entering the era of the Fourth Industrial Revolution (“4IR”), accelerated by Artificial Intelligence (“AI”). Disruptive changes affect all industrial sectors and society, leading to increased uncertainty that makes it impossible to predict what lies ahead. Therefore, gradual cultural change in education is no longer an option to ease social pain. The vast majority of engineering education and training systems, which have remained largely static and underinvested for decades, are inadequate for the emerging 4IR and AI labour markets. Nevertheless, some positive developments can be observed in the reorientation of the engineering education sector. Novel approaches to engineering education are already providing distinctive, technology-enhanced, personalised, student-centred curriculum experiences within an integrated and unified education system. We need to educate engineering students for a future whose key characteristics are volatility, uncertainty, complexity and ambiguity (“VUCA”). Talent and skills gaps are expected to increase in all industries in the coming years. The authors argue for an engineering curriculum that combines timeless didactic traditions such as Socratic inquiry, mastery-based and project-based learning and first-principles thinking with novel elements, e.g., student-centred active and e-learning with a focus on case studies, as well as visualization/metaverse and gamification elements discussed in this paper, and a refocusing of engineering skills and knowledge enhanced by AI on human qualities such as creativity, empathy and dexterity. These skills strengthen engineering students’ perceptions of the world and the decisions they make as a result. This 4IR engineering curriculum will prepare engineering students to become curious engineers and excellent collaborators who navigate increasingly complex multistakeholder ecosystems.
Personalized remote healthcare monitoring is in continuous development due to the technology improvements of sensors and wearable electronic systems. A state of the art of research works on wearable sensors for healthcare applications is presented in this work. Furthermore, a state of the art of wearable devices, chest and wrist band and smartwatches available on the market for health and sport monitoring is presented in this paper. Many activity trackers are commercially available. The prices are continuously reducing and the performances are improving, but commercial devices do not provide raw data and are therefore not useful for research purposes.
Es wird über die Erfahrungen an der Universtität Limerick und zum Klimaschutz in Irland im Zuge des Freistellungs- und Forschungssemester im WS 2021/22 berichtet. Der Aufenthalt konnte trotz Pandemie erfolgreich durchgeführt werden. Neben den Erfahrungen zu Organisation und Lehre an der UL wird über die Möglichkeiten zu weiteren Kooperation der HTWG mit UL berichtet. In einem zweiten Teil wird der Weg und Beitrag Irlands zu mehr Klimaschutz beschrieben. Hier fließen zahlreiche persönliche Recherchen, Besuche und Erfahrungen des Forschungsaufenthaltes ein.
The digital transformation of business processes and the integration of IT systems leads to opportunities and risks for small and medium-sized enterprises (SMEs). Risks that can result in a lack of IT Governance, Risk and Compliance (IT-GRC). The purpose of this paper is to present the current state of the research project. With this, the Design Science Research approach based on Hevner is using. Based on the phase of Problem Identification and Objectives, this paper will deal with the development of an artefact and thus present the draft of the Design phase. The artefact will be developed by selecting relevant existing frameworks and standards and the identification of SME-specific conditions.
An IT-GRC approach in SME
(2022)
The digital transformation of business processes and the integration of IT systems leads to opportunities and risks for small and medium-sized enterprises (SMEs). Risks that can result in a lack of IT compliance. The purpose of this research-in-progress paper is to present the current state of a IT-Governance-Risk-Compliance (IT-GRC) research-project. First, the results of an already conducted literature research will be discussed, combined with qualitative interviews (expert survey) of persons close to IT compliance. In the context of this paper, a first design approach will be developed by selecting relevant existing frameworks and standards and the identification of SME-specific conditions. The first design is intended to contribute a further artefact conception of tailoring approaches and standards and the creation of a guidance.
Die digitale Transformation von Geschäftsprozessen und die stärkere Einbindung von IT-Systemen erzeugen bei kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) Chancen und Risiken zugleich. Risiken, die insbesondere in einer fehlenden IT-Compliance resultieren können. Wie Studien zeigen, sind KMU in Bezug auf IT-Compliance-Maßnahmen im Vergleich zu kapitalmarktorientierten Unternehmen jedoch im Rückstand [1]. Im Beitrag wird mithilfe von Experteninterviews und einer qualitativen Datenanalyse der Frage nachgegangen, welcher Status quo an Maßnahmen aktuell implementiert und wie der empfundene Compliance-Reifegrad ist. Weiterhin werden die Gründe und Motive erörtert, die zu diesem Zustand geführt haben. Letztlich sind Treiber identifiziert worden, die zu einem höheren Bewusstsein in der Zukunft führen können. Die Arbeit zeigt interessante Erkenntnisse aus der Praxis, da die Experteninterviews Einblicke in den aktuellen Status quo in Bezug auf IT-Compliance liefern.
This policy brief presents the possibilities of using big data analytics for safe, decarbonised and climate-resilient infrastructure. The policy brief focuses on current constraints and limitations to applying big data analytics to the infrastructure ecosystem and presents several examples and best practices for different infrastructure sectors and at different policy levels (national, municipal) to highlight recommendations and policy requirements needed for deep digital transformation and sustainable solutions in infrastructure planning and delivery.
Traggerüste
(2022)
Ziel des Forschungsprojekts "Ekont" ist es, ein handgeführtes Gerät zum Betonabtrag an Innenkanten und Störstellen in Kernkraftwerken (KKW) zu entwickeln. Um die Reaktionskräfte zu reduzieren wird hierbei der neuartige Ansatz eines gegenläufigen Fräsprozesses untersucht. Ergebnis ist eine Getriebelösung, bei der eine mittlere Frässcheibe mit annähernd derselben Umfangsgeschwindigkeit in die entgegengesetzte Richtung von weiteren Frässcheiben rotiert.
Der Prozess der Optimierung ist in Bereichen wie der Mathematik, Wirtschaft sowie sämtlichen Ingenieurswissenschaften ein zentrales und nicht mehr wegzudenkendes Werkzeug. Mit der Motivation der Nachhaltigkeit, Effizienz und Kosteneinsparung wird im Bauwesen ein optimaler Einsatz der Materialien gefordert unter Einhaltung der geforderten statischen Nachweise.
Die Methode der Verformungsreduzierung durch Materialumverteilung (kurz: MVM) greift die Anforderung auf, Material möglichst effizient einzusetzen. Diese Methode basiert darauf, die Steifigkeiten innerhalb eines geometrisch festgelegten und bereits vordimensionierten Tragwerkes durch Materialumverteilung in einem iterativen Prozess neu zu positionieren, wodurch die Verformung an einem vorab definierten kritischen Punkt reduziert wird und gleichzeitig die Verteilung der Ausnutzung vergleichmäßigt wird.
Ziel dieser Bachelorarbeit ist es, das in einer vorherigen Abschlussarbeit bereits entwickelte Grasshopper-Skript für eine praxisbezogene Anwendung zu optimieren und zu erweitern. Dieses Grasshopperskript soll neu strukturiert und auf Fehler untersucht werden. Ebenso soll ein Abbruchkriterium implementiert werden, das die Optimierung automatisch abbricht, sobald keine nennenswerte Reduzierung der Verformung infolge der Materialumverteilung mehr erfolgt. Dabei soll stetig die Tragfähigkeit aller Stäbe eingehalten sein.
Das optimierte Tool soll abschließend anhand geeigneter praxisorientierter Beispiele angewandt und validiert werden.
Because process and product innovations are usually no longer sufficient to establish a company in the market or to generate a competitive advantage, Business Model Innovation is considered a powerful tool, especially for start-ups for which innovation is at the core of their business. Due to the complexity of this process, frameworks should help entrepreneurs with executing Business Model Innovation. However, theory and practice diverge. The aim of this paper is to identify the needs of a start-up regarding Business Model Innovation frameworks, underlining the importance of Business Model Innovation for start-ups as well as the relevance of a supporting framework. The research results aim to contribute to an ideal process for Business Model Innovation when applied to start-ups.
In order to support entrepreneurs in the Business Model Innovation (BMI) process, practice-oriented frameworks such as the St. Gallen Business Model NavigatorTM (BMN) are considered to be a powerful tool. The aim of this paper is to identify strengths and limitations of the BMN when applied to start-ups in their early stages and to contribute to the optimization of the BMN in terms of applicability for start-ups. Furthermore, the paper aims to emphasize the importance of BMI for start-ups and the relevance of a supporting framework as well as formulating a unified catalogue of requirements of BMI frameworks for start-ups.
Die vorliegende Studie analysiert die Barrierefreiheit der
Stadt Konstanz im Hinblick auf Angebote für und Nachfrage von Touristinnen und Touristen. Die Datenerhebung basierte auf einem Methodenmix aus Interviews und Umfragen von Probanden und Probandinnen mit Behinderungen und zuständigen Akteurinnen und Akteuren in der Stadtplanung sowie Begehungen vor Ort. Als theoretische Grundlage wird das Modell der Unabhängigkeit nach
Nosek and Fuhrer (1992) verwendet. Die Untersuchung zeigt, dass der Bedarf an barrierefreien Angeboten sehr divers ist und die Umsetzung im Sinne eines Universal Design durch die zunehmende Nachfrage zentral. Die Analyse des Tourismusraum Konstanz zeigt Schwachpunkte und Stärken, mit denen sich Implikationen für andere Tourismusregionen ableiten lassen.
Uzbekistan is an emerging tourism destination that has experienced a strong increase in tourists since 2017. However, little research on tourism development in Uzbekistan exists to date. This study therefore analyzes possible research topics and proposes a tourism research agenda for Uzbekistan. A mix of methods was used consisting of participant observation, semi-structured qualitative expert interviews and qualitative content anal- ysis. The results revealed a variety of research deficits in different areas, which could be synthesized into a total of ten research fields, which were clustered into three overarching areas, namely market research, management, and culture & environment. The subordi- nate research fields identified are Demand, Statistics, Potentials, Governance, Products, Infrastructure & Development, Marketing, Heritage & Nation-building, Sustainability as well as Peace & Conflict Prevention. A strategic research plan based on this tourism research agenda could help to foster a purposeful scientific debate. Tourism research in these fields has both the potential to investigate and compare theoretical issues in an unique context and to produce applied research results that can make a relevant contri- bution to tourism development in Uzbekistan.
The present contribution proposes a novel method for the indirect measurement of the ground reaction forces (GRF) induced by a pedestrian during walking on a vibrating structure. Its main idea is to formulate and solve an inverse problem in the time domain with the aim of finding the optimal time dependent moving point force describing the GRF of a pedestrian (input data), which minimizes the difference between a set of computed and a set of measured structural responses (output data). The solution of the inverse problem is addressed by means of the gradient-based trust region optimization strategy. The moving force identification process uses output data from a set of acceleration and displacement time histories recorded at different locations on the structure. The practicability and the accuracy of the proposed GRF identification method is firstly evaluated using simulated measurements, which revealed a high accuracy, robustness and stability of the results in relation to high noise levels. Subsequently, a comprehensive experimental validation process using real measurement data recorded on the HUMVIB experimental footbridge on the campus of the Technical University of Darmstadt (Germany) was carried out. Besides the conventional sensors for the acquisition of structural responses, an array of biomechanical force plates as well as classical load cells at the supports were used for measurement reference GRFs needed in the experimental validation process. The results show that the proposed method delivers a very accurate estimation of the GRF induced by a subject during walking on the experimental structure.
Wirkung von Design verstehen
(2022)
Um das Konstrukt Corporate Design verstehen zu lernen und einen methodischen Ansatz zur Schulung des gestalterischen Gespürs im Gestaltungsprozess zu generieren, untersucht die Independent Study bestehende Marken mithilfe theoretischer Grundlagen aus der Rhetorik. In vier Case Studies werden Corporate Designs oder Aspekte dieser unter gestalterischen sowie rhetorischen Regeln betrachtet. Die Beschäftigung mit Marken auf diese Art und Weise schafft Erfahrungen mit der Thematik, während die angewendeten Methodiken systematisches Denken in der Gestaltung fördert und einen methodischen Werkzeugkasten ermöglicht.
Home health applications have evolved over the last few decades. Assistive systems such as a data platform in connection with health devices can allow for health-related data to be automatically transmitted to a database. However, there remain significant challenges concerning intermodular communication. Central among them is the challenge of achieving interoperability, the ability of devices to communicate and share data with each other. A major goal of this project was to extend an existing data platform (COMES®) and establish working interoperability by connecting assistive devices with differing approaches. We describe this process for a sleep monitoring and a physical exercise device. Furthermore, we aimed to test this setup and the implementation with a data platform in both a laboratory and an in-home setting with 11 elderly participants. The platform modification was realized, and the relevant changes were made so that the incoming data could be processed by the data platform, as well as visually displayed in real-time. Data was recorded by the respective device and transmitted into the data server with minor disruptions. Our observations affirmed that difficulties and data loss are far more likely to occur with increasing technical complexity, in the event of instable internet connection, or when the device setup requires (elderly) subjects to take specific steps for proper functioning. We emphasize the importance for tests and evaluations of home health technologies in real-life circumstances.
The influence of sleep on human life, including physiological, psychological, and mental aspects, is remarkable. Therefore, it is essential to apply appropriate therapy in the case of sleep disorders. For this, however, the irregularities must first be recognised, preferably conveniently for the person concerned. This dissertation, structured as a composition of research articles, presents the development of mathematically based algorithmic principles for a sleep analysis system. The particular focus is on the classification of sleep stages with a minimal set of physiological parameters. In addition, the aspects of using the sleep analysis system as part of the more complex healthcare systems are explored. Design of hardware for non-obtrusive measurement of relevant physiological parameters and the use of such systems to detect other sleep disorders, such as sleep apnoea, are also referred to. Multinomial logistic regression was selected as the basis for development resulting from the investigations carried out. By following a methodical procedure, the number of physiological parameters necessary for the classification of sleep stages was successively reduced to two: Respiratory and Movement signals. These signals might be measured in a contactless way. A prototype implementation of the developed algorithms was performed to validate the proposed method, and the evaluation of 19324 sleep epochs was carried out. The results, with the achieved accuracy of 73% in the classification of Wake/NREM/REM stages and Cohen's kappa of 0.44, outperform the state of the art and demonstrate the appropriateness of the selected approach. In the future, this method could enable convenient, cost-effective, and accurate sleep analysis, leading to the detection of sleep disorders at an early stage so that therapy can be initiated as soon as possible, thus improving the general population's health status and quality of life.
In many cases continuous monitoring of vital signals is required and low intrusiveness is an important requirement. Incorporating monitoring systems in the hospital or home bed could have benefits for patients and caregivers. The objective of this work is the definition of a measurement protocol and the creation of a data set of measurements using commercial and low-cost prototypes devices to estimate heart rate and breathing rate. The experimental data will be used to compare results achieved by the devices and to develop algorithms for feature extraction of vital signals.
The scoring of sleep stages is an essential part of sleep studies. The main objective of this research is to provide an algorithm for the automatic classification of sleep stages using signals that may be obtained in a non-obtrusive way. After reviewing the relevant research, the authors selected a multinomial logistic regression as the basis for their approach. Several parameters were derived from movement and breathing signals, and their combinations were investigated to develop an accurate and stable algorithm. The algorithm was implemented to produce successful results: the accuracy of the recognition of Wake/NREM/REM stages is equal to 73%, with Cohen's kappa of 0.44 for the analyzed 19324 sleep epochs of 30 seconds each. This approach has the advantage of using the only movement and breathing signals, which can be recorded with less effort than heart or brainwave signals, and requiring only four derived parameters for the calculations. Therefore, the new system is a significant improvement for non-obtrusive sleep stage identification compared to existing approaches.
The importance of sleep for human life is enormous. It affects physical, mental, and psychological health. Therefore, it is vital to recognise sleep disorders in a timely manner in order to be able to initiate therapy. There are two methods for measuring sleep-related parameters - objective and subjective. Whether the substitution of a subjective method for an objective one is possible is investigated in this paper. Such replacement may bring several advantages, including increased comfort for the user. To answer this research question, a study was conducted in which 75 overnight recordings were evaluated. The primary purpose of this study was to compare both ways of measurement for total sleep time and sleep efficiency, which are essential parameters for, e.g., insomnia diagnosis and treatment. The evaluation results demonstrated that, on average, there are 32 minutes of difference between the two measurement methods when total sleep time is analysed. In contrast, on average, both measurement methods differ by 7.5% for sleep efficiency measurement. It should also be noted that people typically overestimate total sleep time and efficiency with the subjective method, where the perceived values are measured.
Healthy sleep is required for sufficient restoration of the human body and brain. Therefore, in the case of sleep disorders, appropriate therapy should be applied timely, which requires a prompt diagnosis. Traditionally, a sleep diary is a part of diagnosis and therapy monitoring for some sleep disorders, such as cognitive behaviour therapy for insomnia. To automatise sleep monitoring and make it more comfortable for users, substituting a sleep diary with a smartwatch measurement could be considered. With the aim of providing accurate results, a study with a total of 30 night recordings was conducted. Objective sleep measurement with a Samsung Galaxy Watch 4 was compared with a subjective approach (sleep diary), evaluating the four relevant sleep characteristics: time of getting asleep, wake up time, sleep efficiency (SE), and total sleep time (TST). The performed analysis has demonstrated that the median difference between both measurement approaches was equal to 7 and 3 minutes for a time of getting asleep and wake up time correspondingly, which allows substituting a subjective measurement with a smartwatch. The SE was determined with a median difference between the two measurement methods of 5.22%. This result also implicates a possibility of substitution. Some single recordings have indicated a higher variance between the two approaches. Therefore, the conclusion can be made that a substitution provides reliable results primarily in the case of long-term monitoring. The results of the evaluation of the TST measurement do not allow to recommend substitution of the measurement method.
Recognition of sleep and wake states is one of the relevant parts of sleep analysis. Performing this measurement in a contactless way increases comfort for the users. We present an approach evaluating only movement and respiratory signals to achieve recognition, which can be measured non-obtrusively. The algorithm is based on multinomial logistic regression and analyses features extracted out of mentioned above signals. These features were identified and developed after performing fundamental research on characteristics of vital signals during sleep. The achieved accuracy of 87% with the Cohen’s kappa of 0.40 demonstrates the appropriateness of a chosen method and encourages continuing research on this topic.
In recent decades, it can be observed that a steady increase in the volume of tourism is a stable trend. To offer travel opportunities to all groups, it is also necessary to prepare offers for people in need of long-term care or people with disabilities. One of the ways to improve accessibility could be digital technologies, which could help in planning as well as in carrying out trips. In the work presented, a study of barriers was first conducted, which led to selecting technologies for a test setup after analysis. The main focus was on a mobile app with travel information and 360° tours. The evaluation results showed that both technologies could increase accessibility, but some essential aspects (such as usability, completeness, relevance, etc.) need to be considered when implementing them.
Die durch den Klimawandel verursachten Auswirkungen und die daraus resultierende Betroffenheit nehmen stetig zu, dennoch ist das Bewusstsein für den Klimaschutz noch immer stärker verankert als das für die Klimaanpassung. Letztere sollte jedoch zum Schutz der Gesundheit der Bevölkerung und bestehender Infrastruktur mehr in das Bewusstsein rücken.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Frage, wie Städte widerstandsfähiger gegenüber den Folgen des Klimawandels werden können. Dazu werden die Prozesse der Stadtplanung auf diesen Kontext bezogen untersucht.
Um die Prozesse abzubilden, wird zunächst eine Übersicht über allgemeine Handlungsmöglichkeiten gegeben, bevor die Stadt Konstanz genauer betrachtet wird und die Ergebnisse, der dort geführten Experteninterviews ausgewertet werden. Mitarbeiter der Stadtverwaltung wurden in diesem Rahmen nach ihren Erfahrungen, bestehenden Prozessen und notwendigen Veränderungen befragt. Im letzten Schritt wurde der Untersuchungsraum erweitert, um Erfahrungen aus Städten, die bereits aktiv Klimaanpassung umsetzen, einzubringen. Aus diesen Ergebnissen werden Handlungsempfehlungen für die Klimaanpassung abgeleitet und beschrieben.
CoKLIMAx
(2022)
Der Beitrag beschreibt beispielhaft die administrativen, organisatorischen und sozialen Voraussetzungen gelungener Austauschprogramme mit chinesischen Partnerhochschulen. Hierzu gehört neben einer intensiven Beziehungspflege mit diesen Partnerinstitutionen eine gelebte Willkommenskultur für chinesische Studierende an der deutschen Hochschule. Letztere beinhaltet eine über die notwendigen administrativen Prozesse hinausgehende Betreuung, besondere Kursangebote sowie eine kontinuierliche Vernetzung und Einbindung der chinesischen Studierenden durch verschiedene extracurriculare Aktivitäten zur Integration in den Studienalltag und in das Alltagsleben über verschiedene Phasen hinweg (vor der Ausreise, bei der Ankunft, im Verlauf des Studiums, bei der Gestaltung von Praxisphasen sowie beim Übergang ins Berufsleben). Als Teil
dieses Maßnahmenplans fördern interkulturelle Kursangebote in kulturell gemischten Gruppen nicht nur die Integration der chinesischen Studierenden. Sie leisten auch einen wichtigen Beitrag zur Stärkung der internationalen Ausbildung deutscher Studierender im Sinne einer internationalization@home. Entsprechende Angebote erhöhen damit die Wertschätzung von Internationalisierung als Mehrwert für die gesamte Hochschule. Gleichzeitig unterstützen sie den Ausbau interkultureller Sensibilität als wichtiger Qualifikation für das zukünftige Berufsleben für die Studierenden beider Seiten. Um all diese Maßnahmen zu verwalten und umzusetzen, sind personelle Ressourcen zur Betreuung und Evaluation der Programme erforderlich. Darüber hinaus bedarf es einer konstruktiven Kommunikationskultur zwischen verschiedenen Abteilungen der Hochschule sowie hinreichend mit China-Kompetenz ausgestatteter Akteur*innen (Mitarbeiter*innen im Akademischen Auslandsamt, Professor*innen, Auslands- und Regionalbeauftragte etc.).
Wirtschaftsprüfung
(2022)
Unternehmen stehen heute vor der Herausforderung, dass eine klare Trennung von verpflichtenden Anforderungen und freiwilliger Verantwortungsübernahme nur noch schwer möglich ist. Haftungsvermeidung, Reputationsschutz sowie der Aufbau und die Sicherung von Vertrauenskapital in Kooperationsbeziehungen gehen Hand in Hand. Der Beitrag beleuchtet Corporate Compliance und Integrity Management als Gestaltungsansätze eines gezielten und integrierten Managements der Unternehmensverantwortung. Compliance ist dabei das Rückgrat, Integrity ihr Herz.
Wie gehen mittelständische Unternehmen mit internationaler Geschäftstätigkeit mit Compliance-Risiken um? Wie gelingt das Risikomanagement spezifischer Herausforderungen der Regelkonformität in Wachstumsländern, die aus Compliance-Gesichtspunkten als Hochrisikoländer eingestuft werden? Und was beschäftigt dabei Compliance-Officer im Mittelstand?
Diesen Fragen widmete sich ein anwendungsorientiertes Forschungsprojekt am Konstanz Institut für Corporate Governance.
Die nachfolgende Publikation stellt die zentralen Studienergebnisse vor und fokussiert dabei auf Herausforderungen und Lösungen für das Compliance- und Integrity Management.
Vertrauen durch Integrität
(2022)
As organizations struggle to cope with digital transformation in
an innovation environment, partnerships between startups and established
companies have become increasingly important. Building upon years of
practical experience and empirical research, we present advantages,
obstacles, and the keys to successful corporate-startup collaboration.
Nachhaltige Entwicklung umfasst verschieden weite Definitionen und konzeptionelle Zugänge. Im Zentrum der Diskussion steht die zukünftige Entwicklungsfähigkeit von Biosphäre und Anthroposphäre im Sinne einer Koevolution. Thematisiert werden die zunehmende Eingriffstiefe in die Natur sowie die intersystemische Konkurrenz zwischen diesen beiden Sphären. Das evolutorische Verständnis der naturalen Produktion unterscheidet sich vom herkömmlichen Produktionsverständnis der Ökonomik. Aus diesen verschiedenen Zugängen ergibt sich ein Problemlösungsspektrum, das sich über eine integrative Verknüpfung der drei Strategieansätze und Handlungsfelder Effizienz, Konsistenz und Suffizienz erstreckt.
Ökonomische Aktivitäten sind auf den Input hochwertiger Energieträger angewiesen; diese sind knapp und werden in der fossil-nuklearen Energiewirtschaft aufgrund einer qualitativen Fehlanpassung zwischen Primärenergieeinsatz und Nutzenergiebedarf verschwenderisch genutzt. Daraus resultieren ökologische Probleme, insbesondere der Klimawandel, mit entsprechenden externen Kosten. Ein Umstieg auf erneuerbare Energien und effizientere Nutzungsstrukturen unterliegt diversen Pfadabhängigkeiten und ist aufgrund der multiplen Lernkosten mit hohen Pfadwechselkosten verbunden, die ebenfalls von der Gesellschaft getragen werden müssen. Unterschiedliche politökonomische Interessen der maßgeblichen Staaten verhindern derzeit harmonische weltweite Lösungen. Für eine evolutorische Energieökonomik ergeben sich einige Herausforderungen, insbesondere hinsichtlich der Klärung von sekundären und tertiären Pfadabhängigkeiten, der Erfassung systemischer Wechselwirkungen sowie der Problematik von Interventionsspiralen und der Formulierung von evolutorischen Designregeln für Energie- und Zertifikatemärkte.
Das 'essential' behandelt die technoökonomischen Grundlagen und deren Anwendung auf die Schlüsseltechnologien der Energiewende. Zunächst erfolgt eine inhaltliche Klärung und formale Herleitung von statischen und dynamischen Skaleneffekten sowie eine Übersicht bzgl. deren unterschiedlicher Kombinationsmöglichkeiten für die Diskussion von Best- und Worst-Case-Szenarien. Für eine Anwendung dieser Grundlagen stehen zunächst die diversen brennstoffbasierten KWK-Varianten, insbesondere Blockheizkraftwerke (BHKW), im Zentrum. Anschließend erfolgt eine Ausweitung der Betrachtungen auf die regenerativen Energietechnologien Photovoltaik und Windkraft. Mit einem kurzen Blick auf weitere Technologien wie Wärmepumpen sowie elektrische und thermische Energiespeicher finden diese Darstellungen ihren Abschluss.
Mit Effizienz- und Konsistenzlösungen lässt sich sowohl der Energiebedarf vermindern, als auch mit einer besseren ökologischen und strukturellen Passung im
Sinne der Bioökonomie versehen. Dieser Beitrag stellt die Möglichkeiten zur Steigerung der industriellen Energieeffizienz mittels lernenden Energieeffizienz-Netzwerken vor. Thematisiert werden Konzepte zur Überwindung von Hemmnissen durch Lernerfahrungen, insbesondere mittels des Synergiekonzeptes als innovativer Lernplattform sowie die systemischen Wechselwirkungen in diesem Kontext. Darüber hinaus werden hierzu korrespondierende innovationsorientierte Organisationsvarianten für das betriebliche Energiemanagement erläutert. Abschließend beleuchtet der Beitrag Konzepte von betrieblichen und überbetrieblichen Energieverbünden, insbesondere der gekoppelten Energieerzeugung und -nutzung, z. B. im Bereich der Wärmenutzung.
Zur Bewertung von Strategien und Handlungsoptionen im Themenfeld Bioökonomie
ist es naheliegend, eine naturinspirierte Bewertungsmethodik zu verwenden.
Dieser Beitrag stellt daher den biokybernetischen Ansatz nach Frederic Vester als
Methodik in den Mittelpunkt, um nachhaltigkeitskonforme Passungskriterien für
bioökonomische Innovationen und Konzepte zu beschreiben sowie insbesondere
die systemischen Wechselwirkungen und damit die Komplexität dieses Themenfeldes
zu erfassen. So wird auch die Ambivalenz von Innovationen im Themen- und
Handlungsfeld Bioökonomie thematisiert. Letztlich können mit diesem Ansatz
die prinzipiellen Voraussetzungen für nachhaltigkeitsorientierte bioökonomische
Innovationen in Richtung Erneuerbarkeit, Zirkularität, Effizienz, ökologische Verträglichkeit und Klimaneutralität geklärt werden.
Lignin is a potentially high natural source of biological aromatic substances. However, decomposition of the polymer has proven to be quite challenging, as the complex bonds are fairly difficult to break down chemically. This article is intended to provide an overview of various recent methods for the catalytic chemical depolymerization of the biopolymer lignin into chemical products. For this purpose, nickel-, zeolite- and palladium-supported catalysts were examined in detail. In order to achieve this, various experiments of the last years were collected, and the efficiency of the individual catalysts was examined. This included evaluating the reaction conditions under which the catalysts work most efficiently. The influence of co-catalysts and Lewis acidity was also investigated. The results show that it is possible to control the obtained product selectivity very well by the choice of the respective catalysts combined with the proper reaction conditions.
Durch eine Aufweitung des Kristallgitters mittels Niedertemperatur-Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoffatomen können in der Randzone von nichtrostenden Stählen eine hohe Härte und eine hohe Verschleißbeständigkeit erzeugt werden, ohne dass zusätzliche Legierungselemente verwendet werden müssen. Die metallkundlichen Hintergründe für die Härtung, die Wirkung auf Verschleißvorgänge und mögliche Anwendungsbereiche werden geschildert. Anhand von Reibwerten wird gezeigt, in welcher Weise das Reibungsverhalten bei Schraubverbindungen durch die Behandlung verändert wird. Über Migrationsversuche wird nachgewiesen, dass die Ionenabgabe durch die Oberflächenhärtung nicht erhöht, sondern sogar abgesenkt wird. Neben dem besseren Verschleißschutz und einer höheren Dauerfestigkeit sichert diese Oberflächenbehandlung am nichtrostenden Stahl den Schutz gegen die Kontamination von Pharmaprodukten durch Metallabrieb/-ionen. Tests an oberflächengehärteten Edelstahlproben ergaben weiterhin, dass durch die Oberflächenhärtung die Biokompatibilität des nichtrostenden Edelstahls nicht beeinträchtigt wird.
Business Partner Compliance
(2022)
Sleep is essential to existence, much like air, water, and food, as we spend nearly one-third of our time sleeping. Poor sleep quality or disturbed sleep causes daytime solemnity, which worsens daytime activities' mental and physical qualities and raises the risk of accidents. With advancements in sensor and communication technology, sleep monitoring is moving out of specialized clinics and into our everyday homes. It is possible to extract data from traditional overnight polysomnographic recordings using more basic tools and straightforward techniques. Ballistocardiogram is an unobtrusive, non-invasive, simple, and low-cost technique for measuring cardiorespiratory parameters. In this work, we present a sensor board interface to facilitate the communication between force sensitive resistor sensor and an embedded system to provide a high-performing prototype with an efficient signal-to-noise ratio. We have utilized a multi-physical-layer approach to locate each layer on top of another, yet supporting a low-cost, compact design with easy deployment under the bed frame.
Dissipation of heat can be a major challenge when applying sensor systems outdoors under varying environmental conditions. Typically, complex software and knowledge is needed to optimize thermal management. In this paper it is shown how the thermal optimization of a LiDAR (light detection and ranging) sensor can be performed efficiently. This approach uses standard CAD (computer aided design) software, which is readily available, and saves time and cost as the thermal design can be optimized before experimental realisation. A four-step process was developed and realized: (i) Measurement of the thermal energy distribution of the current sensor design; (ii) Simulation of the time-dependant thermal behaviour using standard CAD software; (iii) Simulation of a thermally optimized design. This was compared quantitatively with the original design and was also used for verification of sufficient increase in heat dissipation; (iv) Experimental realisation and verification of the optimized design. It could be shown that the optimized prototype shows significantly improved thermal behaviour in accordance with the predictions from the simulations. The new LiDAR sensor shows lower heat generation and optimized dissipation of thermal energy which proofs the applicability of the approach to complex sensors.
Der Gegenstand dieser Bachelorarbeit ist die automatisierte Extraktion von Polygonzügen anhand eines Grundrissbildes. Diese Polygonzüge sollen die Räumlichkeiten wiedergeben. In dieser Bachelorarbeit wurde daher ein Algorithmus für die Grundrissbildverarbeitung mittels Python entwickelt und implementiert. Zuerst wird ein Grundrissbild bereinigt, d. h. es werden unerwünschte Bildstrukturen verwaschen. Mithilfe des Canny-Kantendetektors werden anschließend die Kanten detektiert. Danach werden die Ecken im Grundrissbild via Harris-Eckendetektor lokalisiert. Um die Ecken sinnvoll zu verbinden, wird eine abgewandelte Form des Dijkstra Algorithmus herangezogen. Die daraus gewonnen Daten dienen zur Erstellung der Polygonzüge, welche für die Simulation von pFlow benötigt werden. Der entwickelte Algorithmus eignet sich insbesondere für klare und simple Grundrissbilder.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Ermittlung relevanter Parameter der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung von Überdeckelungen von Infrastrukturflächen in hybrider Bauweise im innerstädtischen Raum in Deutschland. Die untersuchte Hybridbauweise setzt sich aus Grünbrücken in Leichtbauweise und massive, bebaubare Module zusammen. Zusätzlich soll ein Berechnungsmodell entwickelt werden, in das die Werte der Parameter potenzieller Standorte eingegeben werden können. Hierüber können Bewertungen und Vergleiche der Standorte durchgeführt werden, welche später als Entscheidungsgrundlage für eine Realisierung dienen können. Mit Hilfe einer Sensitivitäts-, Szenarien- und Immobilienmarktanalyse werden die Parameter der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung analysiert, wonach den maßgeblichen Einfluss auf das Endergebnis die Grundflächenzahl und die Geschossflächenzahl haben. Die Länge der Überdeckelung hat dagegen weniger bis keinen Einfluss auf das Gesamtergebnis. Die regionalen Immobilienpreise stellen den Schlüssel zur Wirtschaftlichkeit dar. Sie können geringe Werte der Grundflächenzahl und Geschossflächenzahl ausgleichen. Die verschiedenen Gegebenheiten und regionalen Unterschiede der Standorte deutschlandweit machen derartige Großprojekte jeweils zu Individuallösungen und die Entwicklung eines standardisierten Modells schwierig. Das Modell sollte für jeden Standort leicht modifiziert werden, wie die Case Study des McGraw-Grabens in München zeigt. Das Ergebnis der Case Study fällt durch die entsprechende Bebauungsdichte und die hohen Immobilienpreise positiv aus. Trotzdem muss der Detaillierungsgrad berücksichtigt werden, wonach ein solches Modell lediglich erste Anhaltspunkte für eine Bewertung geben kann. Für eine ganzheitliche Beurteilung müssen entsprechende Erweiterungen des Modells vorgenommen werden.
The detection of anomalous or novel images given a training dataset of only clean reference data (inliers) is an important task in computer vision. We propose a new shallow approach that represents both inlier and outlier images as ensembles of patches, which allows us to effectively detect novelties as mean shifts between reference data and outliers with the Hotelling T2 test. Since mean-shift can only be detected when the outlier ensemble is sufficiently separate from the typical set of the inlier distribution, this typical set acts as a blind spot for novelty detection. We therefore minimize its estimated size as our selection rule for critical hyperparameters, such as, e.g., the size of the patches is crucial. To showcase the capabilities of our approach, we compare results with classical and deep learning methods on the popular datasets MNIST and CIFAR-10, and demonstrate its real-world applicability in a large-scale industrial inspection scenario.
Targetless Lidar-camera registration is a repeating task in many computer vision and robotics applications and requires computing the extrinsic pose of a point cloud with respect to a camera or vice-versa. Existing methods based on learning or optimization lack either generalization capabilities or accuracy. Here, we propose a combination of pre-training and optimization using a neural network-based mutual information estimation technique (MINE [1]). This construction allows back-propagating the gradient to the calibration parameters and enables stochastic gradient descent. To ensure orthogonality constraints with respect to the rotation matrix we incorporate Lie-group techniques. Furthermore, instead of optimizing on entire images, we operate on local patches that are extracted from the temporally synchronized projected Lidar points and camera frames. Our experiments show that this technique not only improves over existing techniques in terms of accuracy, but also shows considerable generalization capabilities towards new Lidar-camera configurations.
We are interested in computing a mini-batch-capable end-to-end algorithm to identify statistically independent components (ICA) in large scale and high-dimensional datasets. Current algorithms typically rely on pre-whitened data and do not integrate the two procedures of whitening and ICA estimation. Our online approach estimates a whitening and a rotation matrix with stochastic gradient descent on centered or uncentered data. We show that this can be done efficiently by combining Batch Karhunen-Löwe-Transformation [1] with Lie group techniques. Our algorithm is recursion-free and can be organized as feed-forward neural network which makes the use of GPU acceleration straight-forward. Because of the very fast convergence of Batch KLT, the gradient descent in the Lie group of orthogonal matrices stabilizes quickly. The optimization is further enhanced by integrating ADAM [2], an improved stochastic gradient descent (SGD) technique from the field of deep learning. We test the scaling capabilities by computing the independent components of the well-known ImageNet challenge (144 GB). Due to its robustness with respect to batch and step size, our approach can be used as a drop-in replacement for standard ICA algorithms where memory is a limiting factor.
Image novelty detection is a repeating task in computer vision and describes the detection of anomalous images based on a training dataset consisting solely of normal reference data. It has been found that, in particular, neural networks are well-suited for the task. Our approach first transforms the training and test images into ensembles of patches, which enables the assessment of mean-shifts between normal data and outliers. As mean-shifts are only detectable when the outlier ensemble and inlier distribution are spatially separate from each other, a rich feature space, such as a pre-trained neural network, needs to be chosen to represent the extracted patches. For mean-shift estimation, the Hotelling T2 test is used. The size of the patches turned out to be a crucial hyperparameter that needs additional domain knowledge about the spatial size of the expected anomalies (local vs. global). This also affects model selection and the chosen feature space, as commonly used Convolutional Neural Networks or Vision Image Transformers have very different receptive field sizes. To showcase the state-of-the-art capabilities of our approach, we compare results with classical and deep learning methods on the popular dataset CIFAR-10, and demonstrate its real-world applicability in a large-scale industrial inspection scenario using the MVTec dataset. Because of the inexpensive design, our method can be implemented by a single additional 2D-convolution and pooling layer and allows particularly fast prediction times while being very data-efficient.
Leveraging differences
(2022)
Multi-object tracking filters require a birth density to detect new objects from measurement data. If the initial positions of new objects are unknown, it may be useful to choose an adaptive birth density. In this paper, a circular birth density is proposed, which is placed like a band around the surveillance area. This allows for 360° coverage. The birth density is described in polar coordinates and considers all point-symmetric quantities such as radius, radial velocity and tangential velocity of objects entering the surveillance area. Since it is assumed that these quantities are unknown and may vary between different targets, detected trajectories, and in particular their initial states, are used to estimate the distribution of initial states. The adapted birth density is approximated as a Gaussian mixture, so that it can be used for filters operating on Cartesian coordinates.
Virtual measurement models (VMM) can be used to generate artificial measurements and emulate complex sensor models such as Lidar. The input of the VMM is an estimation and the output is the set of measurements this estimation would cause. A Kalman filter with extension estimation based on random matrices is used to filter mean and covariance of the real measurements. If these match the mean and covariance of the artificial measurements, then the given estimation is appropriate. The optimal input of the VMM is found using an adaptation algorithm. In this paper, the VMM approach is expanded for multi-extended object tracking where objects can be occluded and are only partially visible. The occlusion can be compensated if the extension estimation is performed for all objects together. The VMM now receives as input an estimation for the multi-object state and the output are the measurements that this multi-object state would cause.
Extended Target Tracking With a Lidar Sensor Using Random Matrices and a Virtual Measurement Model
(2022)
Random matrices are widely used to estimate the extent of an elliptically contoured object. Usually, it is assumed that the measurements follow a normal distribution, with its standard deviation being proportional to the object’s extent. However, the random matrix approach can filter the center of gravity and the covariance matrix of measurements independently of the measurement model. This work considers the whole chain from data acquisition to the linear Kalman Filter with extension estimation as a reference plant. The input is the (unknown) ground truth (position and extent). The output is the filtered center of gravity and the filtered covariance matrix of the measurement distribution. A virtual measurement model emulates the behavior of the reference plant. The input of the virtual measurement model is adapted using the proposed algorithm until the output parameters of the virtual measurement model match the result of the reference plant. After the adaptation, the input to the virtual measurement model is considered an estimation for position and extent. The main contribution of this paper is the reference model concept and an adaptation algorithm to optimize the input of the virtual measurement model.
Feature-Based Proposal Density Optimization for Nonlinear Model Predictive Path Integral Control
(2022)
This paper presents a novel feature-based sampling strategy for nonlinear Model Predictive Path Integral (MPPI) control. In MPPI control, the optimal control is calculated by solving a stochastic optimal control problem online using the weighted inference of stochastic trajectories. While the algorithm can be excellently parallelized the closed- loop performance is dependent on the information quality of the drawn samples. Because these samples are drawn using a proposal density, its quality is crucial for the solver and thus the controller performance. In classical MPPI control, the explored state-space is strongly constrained by assumptions that refer to the control value variance, which are necessary for transforming the Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) equation into a linear second-order partial differential equation. To achieve excellent performance even with discontinuous cost-functions, in this novel approach, knowledge-based features are used to determine the proposal density and thus, the region of state- space for exploration. This paper addresses the question of how the performance of the MPPI algorithm can be improved using a feature-based mixture of base densities. Further, the developed algorithm is applied on an autonomous vessel that follows a track and concurrently avoids collisions using an emergency braking feature.
This paper presents a systematic comparison of different advanced approaches for motion prediction of vessels for docking scenarios. Therefore, a conventional nonlinear gray-box-model, its extension to a hybrid model using an additional regression neural network (RNN) and a black-box-model only based on a RNN are compared. The optimal hyperparameters are found by grid search. The training and validation data for the different models is collected in full-scale experiments using the solar research vessel Solgenia. The performances of the different prediction models are compared in full-scale scenarios. %To use the investigated approaches for controller design, a general optimal control problem containing the advanced models is described. These can improve advanced control strategies e.g., nonlinear model predictive control (NMPC) or reinforcement learning (RL). This paper explores the question of what the advantages and disadvantages of the different presented prediction approaches are and how they can be used to improve the docking behavior of a vessel.
In this paper, a novel feature-based sampling strategy for nonlinear Model Predictive Path Integral (MPPI) control is presented. Using the MPPI approach, the optimal feedback control is calculated by solving a stochastic optimal control (OCP) problem online by evaluating the weighted inference of sampled stochastic trajectories. While the MPPI algorithm can be excellently parallelized, the closed-loop performance strongly depends on the information quality of the sampled trajectories. To draw samples, a proposal density is used. The solver’s and thus, the controller’s performance is of high quality if the sampled trajectories drawn from this proposal density are located in low-cost regions of state-space. In classical MPPI control, the explored state-space is strongly constrained by assumptions that refer to the control value’s covariance matrix, which are necessary for transforming the stochastic Hamilton–Jacobi–Bellman (HJB) equation into a linear second-order partial differential equation. To achieve excellent performance even with discontinuous cost functions, in this novel approach, knowledge-based features are introduced to constitute the proposal density and thus the low-cost region of state-space for exploration. This paper addresses the question of how the performance of the MPPI algorithm can be improved using a feature-based mixture of base densities. Furthermore, the developed algorithm is applied to an autonomous vessel that follows a track and concurrently avoids collisions using an emergency braking feature. Therefore, the presented feature-based MPPI algorithm is applied and analyzed in both simulation and full-scale experiments.
This paper presents the swinging up and stabilization control of a Furuta pendulum using the recently published nonlinear Model Predictive Path Integral (MPPI) approach. This algorithm is based on a path integral over stochastic trajectories and can be parallelized easily. The controller parameters are tuned offline regarding the nonlinear system dynamics and simulations. Constraints in terms of state and input are taken into account in the cost function. The presented approach sequentially computes an optimal control sequence that minimizes this optimal control problem online. The control strategy has been tested in full-scale experiments using a pendulum prototype. The investigated MPPI controller has demonstrated excellent performance in simulation for the swinging up and stabilizing task. In order to also achieve outstanding performance in a real-world experiment using a controller with limited computing power, a linear quadratic controller (LQR) is designed for the stabilization task. In this paper, the determination of the controller parameters for the MPPI algorithm is described in detail. Further, a discussion treats the advantages of the nonlinear MPPI control.
Docking Control of a Fully-Actuated Autonomous Vessel using Model Predictive Path Integral Control
(2022)
This paper presents the docking control of an autonomous vessel using the nonlinear Model Predictive Path Integral (MPPI) approach. This algorithm is based on a path integral over stochastic trajectories and can be parallelized easily. The controller parameters are tuned offline using knowledge of the system and simulations, including nonlinear state and disturbance observer. The cost function implicitly contains information regarding the surrounding of the docking position. This approach allows continuous optimization of the trajectory with respect to the system state, disturbance state and actuator dynamics. The control strategy has been tested in full-scale experiments using the solar research vessel Solgenia. The investigated MPPI controller has demonstrated excellent performance in both, simulation and real-world experiments. This paper addresses the question of how the MPPI algorithm can be applied to dock a fully-actuated vessel and what benefits its application achieves.
Um gegen den Klimawandel vorzugehen, ist im Gebäudebestand eine Reduktion der Treibhausemmissionen nötig. Dafür müssen politische Entscheidungsträger, Wohnungsunternehmen und Baufirmen gemeinsam arbeiten, um CO2 Neutralität zu erreichen. Die energetische Sanierung der bedürftigen Gebäude ist mit den konventionellen Methoden bis zum Jahr 2050 nicht zu erreichen. Das Energiesprong Prinzip bietet einen Lösungsansatz, welcher finanziell interessant ist und mit weniger Personalaufwand in großer Menge umgesetzt werden kann. Es wird die Erkenntnis gewonnen, dass die bisher verwendeten konstruktiven Systeme jedoch noch Optimierungsbedarf haben, um den finanziellen Rahmen des Prinzips einzuhalten und den Massenmarkt bedienen zu können. Die Untersuchungen dieser Arbeit ergeben, dass eine im Prozess eingebundene Gebäudeaufstockung in Holzbauweise eine lohnende Ergänzung sein kann. Aus nachhaltigem Baumaterial wird mit verhältnismäßigem Mehraufwand eine größere Rentabilität der Immobilie bewirkt und dem Problem der Wohnungsknappheit in Städten entgegengewirkt.
Die Beständigkeit von hochlegierten korrosions- und säurebeständigen Stählen wird primär durch den Chromgehalt bestimmt. Allerdings gibt es entlang der Wertschöpfungskette von der Stahlerschmelzung bis zum fertigen Produkt eine Vielzahl weiterer Einflussfaktoren. Dem Schleifen kommt hier eine besondere Bedeutung zu, da es je nach Wahl der Prozessparameter sowohl zu einer signifikanten Verschlechterung als auch zu einer Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit führen kann. Im vorliegenden Beitrag wird aufgezeigt, dass die erzeugte Rauheit nur eine begrenzte Aussagekraft bietet. Vielmehr erhöhen lokale Mikrodefekte die Anfälligkeit gegen Lochfraß – je nach Ausprägung und Anzahl. Die Automatisierung für die Innenbearbeitung von Behältern im pharmazeutischen Apparatebau kann dabei zu einer signifikanten Verbesserung der Oberfläche und einem homogeneren Erscheinungsbild führen.
In dieser Arbeit wird die Ausgangssituation der klimabezogenen Stadtplanung in Konstanz in den Bereichen Wasser, Wärme und Vegetation im Hinblick auf die Anpassung an den Klimawandel untersucht. Diese dient als eine Grundlage für das Projekt CoKLIMAx.
Ziel dieses Projektes ist es, eine einfache Toolbox zu entwickeln, die Kommunen befähigt, mit Hilfe von Satelliten- und in-situ-Daten Klimaanalysen, erforderliche Gewichtungen und späteres Monitoring selbst durchführen zu können, um Entscheidungen für auf die langfristige Stadtentwicklung treffen zu können.
Für die Feststellung der Ausgangssituation in Konstanz wurden Mitarbeiter der Stadtverwaltung Konstanz befragt, ein Planungsprozess für die Klimaanpassung künftiger Bauprojekte entwickelt und eine Stakeholderidentifikation erstellt.
Zu Beginn der Arbeit werden die Ursachen für den Klimawandel und seine Auswirkungen erörtert, Anpassungsbeispiele anderer Städte betrachtet und die Funktionsprinzipien der verwendeten Satelliten und die Dienste des Copernicus-Programms erklärt.