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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.

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.

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 Unscented Kalman Filter (UKF) is widely used for the state, disturbance, and parameter estimation of nonlinear dynamic systems, for which both process and measurement uncertainties are represented in a probabilistic form. Although the UKF can often be shown to be more reliable for nonlinear processes than the linearization-based Extended Kalman Filter (EKF) due to the enhanced approximation capabilities of its underlying probability distribution, it is not a priori obvious whether its strategy for selecting sigma points is sufficiently accurate to handle nonlinearities in the system dynamics and output equations. Such inaccuracies may arise for sufficiently strong nonlinearities in combination with large state, disturbance, and parameter covariances. Then, computationally more demanding approaches such as particle filters or the representation of (multi-modal) probability densities with the help of (Gaussian) mixture representations are possible ways to resolve this issue. To detect cases in a systematic manner that are not reliably handled by a standard EKF or UKF, this paper proposes the computation of outer bounds for state domains that are compatible with a certain percentage of confidence under the assumption of normally distributed states with the help of a set-based ellipsoidal calculus. The practical applicability of this approach is demonstrated for the estimation of state variables and parameters for the nonlinear dynamics of an unmanned surface vessel (USV).

Der Urban-Heat-Island-Effekt in Städten wird sich, angetrieben durch den globalen Klimawandel, weiter verstärken. Dem können städtebauliche Maßnahmen mildernd entgegenwirken. Aus diesem Grund soll in dieser Bachelorarbeit im Rahmen des CoKLIMAx-Projekts eine Maßnahmentoolbox für resiliente Stadtplanung erstellt werden. Im Fokusbereich Wärme werden Maßnahmen näher betrachtet, die dazu beitragen können, Städte bezüglich zu erwartender vermehrter Hitzeereignisse zukünftig klimaresilienter zu gestalten. Ziel dieser Arbeit ist die Zusammenstellung ausgewählter, konkreter Hitze-Resilienz-Maßnahmen für den städtischen Raum in einer Maßnahmentoolbox. Mithilfe dieser Toolbox sollen Möglichkeiten aufgezeigt werden, die Auswirkungen von Hitzeextremereignissen auf den städtischen Raum durch städtebauliche Maßnahmen zu minimieren beziehungsweise zu vermeiden. Adressaten sollen in erster Linie Behörden auf kommunaler Ebene sein. Diese sollen bezüglich zunehmender Hitzeextremereignisse und ihrer negativen Auswirkungen auf Mensch, Wirtschaft sowie Gebäude und Infrastruktur, besser vorbereitet bzw. handlungsfähiger gemacht werden.

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.

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.

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.

Schwerpunktthema: Zukunft

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.

Sleep is an important part of our life that significantly influences our health and well-being. The monitoring of sleep can provide data based on which sleep quality could be improved. This paper presents a system for heart rate detection during sleep. The data is collected from sensors underneath the test subjects. Though the data contains noise, it needs to be filtered to remove it. Due to the low strength of the signals, they need to be amplified after filtering. At some points of the signal, particular heartbeats may not be tracked by sensors due to the failure of a sensor or other reasons, which should be considered. The heart rate is detected in intervals of 15 s. A tool is implemented that detects the heart rate and visualizes it. The preprocessing of the data is performed with several filters: a highpass filter, a band-reject filter, a lowpass filter, and a motion detector. After the preprocessing of the data, the quality of the signal is significantly increased, and detection is possible.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.