620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
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Aktuelle Fachvorträge aus dem internationalen Spektrum des Bauingenieurwesens an der HTWG Konstanz, anlässlich des 100-jährigen Bestehens der Fakultät BI. Themenbereiche: Bauerhaltung und Bausanierung, Geotechnik, Konstruktiver Ingenieurbau, Höhepunkte des Hochbaus im 21. Jahrhundert, Verkehrswesen, Wasserwirtschaft, Wirtschaftsingenieurwesen. Gefördert wurde die Veranstaltung von: ADK Modulraum GmbH ; Architektenkammer BW ; Bauen mit Stahl ; Beton Marketing Süd ; Bund Deutscher Architekten BDA ; Institut Feuerverzinken ; Form TL - Ingenieure für Tragwerk und Leichtbau GmbH ; OTT Ziegel Pfullendorf ; Stahlbauzentrum Schweiz ; Euro Poles Pfleiderer ; Ingenieurk@mmer Baden-Württemberg
This thesis deals with the object tracking problem of multiple extended objects. For instance, this tracking problem occurs when a car with sensors drives on the road and detects multiple other cars in front of it. When the setup between the senor and the other cars is in a such way that multiple measurements are created by each single car, the cars are called extended objects. This can occur in real world scenarios, mainly with the use of high resolution sensors in near field applications. Such a near field scenario leads a single object to occupy several resolution cells of the sensor so that multiple measurements are generated per scan. The measurements are additionally superimposed by the sensor’s noise. Beside the object generated measurements, there occur false alarms, which are not caused by any object and sometimes in a sensor scan, single objects could be missed so that they not generate any measurements.
To handle these scenarios, object tracking filters are needed to process the sensor measurements in order to obtain a stable and accurate estimate of the objects in each sensor scan. In this thesis, the scope is to implement such a tracking filter that handles the extended objects, i.e. the filter estimates their positions and extents. In context of this, the topic of measurement partitioning occurs, which is a pre-processing of the measurement data. With the use of partitioning, the measurements that are likely generated by one object are put into one cluster, also called cell. Then, the obtained cells are processed by the tracking filter for the estimation process. The partitioning of measurement data is a crucial part for the performance of tracking filter because insufficient partitioning leads to bad tracking performance, i.e. inaccurate object estimates.
In this thesis, a Gaussian inverse Wishart Probability Hypothesis Density (GIW-PHD) filter was implemented to handle the multiple extended object tracking problem. Within this filter framework, the number of objects are modelled as Random Finite Sets (RFSs) and the objects’ extent as random matrices (RM). The partitioning methods that are used to cluster the measurement data are existing ones as well as a new approach that is based on likelihood sampling methods. The applied classical heuristic methods are Distance Partitioning (DP) and Sub-Partitioning (SP), whereas the proposed likelihood-based approach is called Stochastic Partitioning (StP). The latter was developed in this thesis based on the Stochastic Optimisation approach by Granström et al. An implementation, including the StP method and its integration into the filter framework, is provided within this thesis.
The implementations, using the different partitioning methods, were tested on simulated random multi-object scenarios and in a fixed parallel tracking scenario using Monte Carlo methods. Further, a runtime analysis was done to provide an insight into the computational effort using the different partitioning methods. It emphasized, that the StP method outperforms the classical partitioning methods in scenarios, where the objects move spatially close. The filter using StP performs more stable and with more accurate estimates. However, this advantage is associated with a higher computational effort compared to the classical heuristic partitioning methods.
If the process contains a delay (dead time), the Nyquist criterion is well suited to derive a PI or PID tuning rule because the delay is taken into account without approximation. The tuning of the speed of the closed loop enters naturally by the crossover frequency. The goal of robustness and performance is translated into the phase margin.
BMBF-Programm "Anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung an Fachhochschulen Schlussbericht FKZ 17086 00 Ausgangssituation Bei der Entwässerung von Siedlungsgebieten sind teure Maßnahmen zum Schutz der Siedlungen und der Gewässer vor Hochwasser und Schmutzstoffen erforderlich. Mit den Zielsetzungen „Kosteneinsparung“ und “Verbesserung des Gewässerschutzes“ hat der Beratende Ingenieur Dipl.-Ing.(FH) Harald Güthler (1996) aus Waldshut-Tiengen das Verfahren des „HydrOstyx“ gebremsten Abflusses entwickelt und im Dezember 1995 zum Patent angemeldet. Die im Rahmen des Verfahrens benutzte neue technische Einrichtung ist die HydrOstyx-Abflussbremse. Bei der HydrOstyx-Abflussbremse handelt es sich um eine technische Einrichtung, die wegen ihrer Einfachheit ein preiswertes Drosselorgan im Abwasserkanal darstellt, das ohne Fremdenergie weitgehend wartungsfrei und betriebssicher funktioniert. Die HydrOstyx-Abflussbremse kann sowohl in bestehende als auch in neue Abwasserkanäle eingebaut werden. Ziele Mit der Hydrostyx-Abflußbremse können u. a. folgende Ziele erreicht werden: Reduzierung von Neubaumaßnahmen durch Aktivierung bisher ungenutzter Speicher. Da im Sinne der Richtlinien für die Bemessung und Gestaltung von Regenentlastungsanlagen in Mischwasserkanälen nach ATV-Arbeitsblatt A 128 die Anrechenbarkeit solcher Speicherräume zulässig ist, kann bei geschickter Nutzung der aktivierten Retentionsvolumen eine Redimensionierung der bisher geplanten Regenbecken erfolgen. Beseitigung von Konfliktpunkten im Kanalnetz. Durch Aktivierung von Retentionsvolumen lassen sich Abflussspitzen reduzieren. Überlastete Kanäle können nun die abflussverzögerte Wassermenge transportieren, der Austausch bzw. Neubau von Kanälen kann entfallen. Minderung von Überflutungshäufig und Belastungen von Flüssen und Bächen aus Regenwasserentlastungen. Der Einstau des Wassers im Kanal führt zu einer Retentionswirkung, dadurch werden die Abflussspitzen bei Regenwasserentlastungen in die Vorfluter häufig wesentlich reduziert. Die führt zu Verbesserungen beim Hochwasserschutz und bei der Gewässerökologie. Optimierung des Wirkungsgrades von Kläranlagen durch verbesserte Ausschöpfung der zulässigen Beaufschlagung. Kläranlagen sind durch den diskontinuierlichen Zufluss von Schmutz- bzw. Mischwasser Schwankungen im Betriebsablauf unterzogen, die durch entsprechende Reserven in den Becken ausgeglichen werden können. Durch die Aktivierung von Retentionsraum lassen sich Stoßbelastungen reduzieren und bei Regenwetter kann ein größerer Teil des verschmutzten Wasser als bisher auf der Kläranlage gereinigt werden. Im Rahmen des BMBF-Forschungsprojekts wurden folgende Teilaufgaben bearbeitet: Hydraulische Untersuchung der Hydrostyx-Abflussbremse im Wasserbaulabor der HTWG Konstanz. Ziel war die Ermittlung der Schachtverluste, der Überfall- und Durchflussbeiwerte für die HydrOstyx-Abflussbremse. Auswertung und Beurteilung der Abfluss- und Schmutzfrachtmessungen an den Regenüberläufen Hoppetenzell und Zizenhausen/Stampfwiese vor und nach dem Einbau von 4 HydrOstyx-Abflussbremsen. Durchführung von Schmutzfrachtberechnungen mittels Langzeitsimulation mit dem Simulationsmodell KOSIM XL vom Institut für technisch-wissenschaftliche Hydrologie in Hannover. Die Simulationsberechnungen erfolgen mit und ohne Hydrostyx-Abflussbremsen für die Einzugsgebiete der beiden Regenüberläufe. Mit Hilfe der hydraulischen Untersuchungen im Wasserbaulabor und durch die Auswertung der Naturmessungen sollten die hydraulischen und hydrologischen Bemessungsgrundlagen für die Neuentwicklung erarbeitet werden. Die Untersuchungsergebnisse liefern auch wichtige Grundlagen für die wasserwirtschaftliche Beurteilung des neuen Verfahrens. Verwertung der Ergebnisse Das Projekt hat insgesamt gezeigt, dass mit Hilfe von HydrOstyx-Abflussbremsen erhebliche Einsparpotentiale sowohl bei der hydraulischen Sanierung als auch bei der Regenwasserbehandlung in Mischwasserkanalisationen möglich sind. Die Ergebnisse dieses Projekts tragen sicher dazu bei, dass beim weiteren Ausbau der Regenwasserbehandlung und bei der Sanierung von Mischwasserkanalisationen verstärkt nach kostengünstigen Alternativen gesucht wird. Hierzu kann das Verfahren des HydrOstyx gebremsten Abflusses einen wesentlichen Beitrag leisten.
Im März 2008 führte die Fakultät Bauingenieurwesen der HTWG Konstanz eine studentische Exkursion nach China durch. Auf dem Programm standen interessante Baustellen Shanghai, Nanjing, Zhenjiang und Beijing sowie der Besuch von Hochschulen. Der Exkursionsbericht beschreibt die besuchten Bauvorhaben und gibt persönliche Eindrücke der Exkursionsteilnehmer wieder.
Hongkong steht als Welthandelsmetropole auch für Superlative des Bauens. Dies gilt für die in britischer Zeit errichteten Bauten, aber auch für die nach der Übergabe an China entstandenen Hochhäuser und Brückenbauwerke. Der Exkursionsbericht der Fakultät Bauingenieurwesen der HTWG Konstanz gibt einen Eindruck von diesen Aktivitäten. Er schildert Brücken- und Hochhausbauten, Tunnelbaustellen und die Baustelle eines Klärschlammverbrennungswerks, die während einer Exkursionswoche im September 2012 besichtigt wurden. Darüber hinaus gibt er einen Einblick in die wirtschaftliche Dynamik der Stadt.
Die große Exkursion 2010 der Fakultät Bauingenieurwesen führte in das Emirat Qatar am persischen Golf. Qatar verfügt über 15% der weltweiten Reserven anErdgas und investiert u.a. in Infrastruktur- und Bau¬maßnahmen. Deutsche Firmen sind an diesem Aufbau beteiligt. Bei der Exkursion wurden verschiedene Hoch- und Tiefbaustellen, „Mega-Projekte“ deutscher Unternehmen, aber auch eines arabischen Baukonzerns besucht. Auch das Ausstellungszentrum der Deutschen Bahn stand auf dem Programm. Der Bericht gibt die Eindrücke beim Besuch der Projekte wie auch die Reiseerlebnisse wieder.
In Ländern mit aridem Klima, z.B. in Dürregebieten, und nicht flächendeckender Energieversorgung stellt der Antrieb von Pumpen zur landwirtschaftlichen Bewässerung und zur Trinkwasserversorgung ein erhebliches Problem dar. Bisherige Bewässerungsanlagen arbeiten größtenteils mit Dieselgeneratoren, welche die Umwelt mit Emissionen belasten und zur Verstärkung des weltweiten Treibhauseffektes führen, oder über photovoltaisch betriebene Anlagen. Letztere sind in der Anschaffung sehr kostenintensiv und aufgrund ihrer Funktionsweise gegenüber Störeinwirkungen sehr anfällig. Gerade in den sogenannten Dritte-Welt-Ländern, in denen in der Regel kein geschultes Fachpersonal für Wartungsarbeiten bereitsteht, ist der Ausfall der Anlagen schon kurz nach der Inbetriebnahme eine häufig berichtete Tatsache. Im Werkstoffprüflabor der HTWG Konstanz wurde ein System zur energieautonomen Wasserförderung entwickelt, bei der zum Antrieb der Pumpen Formgedächtnislegierungen (FGL) verwendet werden [1, 2]. Bei Sonnenschein arbeitet diese geplante Bewässerungsanlage völlig energieautonom: Die Wärmeenergie der Sonne wird durch die FG-Drähte direkt in mechanische Energie umgewandelt und betreibt die Bewässerungspumpen. Die Vorteile dieses einfachen Prinzips liegen in der Bedienerfreundlichkeit, Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit der Anlage wie auch in der Fle-xibilität bezüglich weiterer Anwendungsfälle der modular einsetzbaren Wärmekraftmaschine in Industrie und Klimatechnik. Der angestrebte Einsatz von derartigen Anlagen würde zu einer entsprechenden Entlastung der immer stärker mit Emissionen belasteten Umwelt führen. Das überaus große Interesse an diesen Forschungsarbeiten sowie an einem Transfer der Bewässerungsanlage in die Industrie zeigte sich auch schon während früherer Teilnahmen an Messen, Tagungen und Konferenzen. Die Konkurrenzfähigkeit dieser sowohl neuartigen als auch sehr einfachen Systemlösung wurde, ausgehend von den damals zur Verfügung stehenden Ergebnissen, in einer bereits durchgeführten Studie nachgewiesen [2]. Im einzelnen sollten in diesem Projekt neben den anstehenden wissenschaftlichen Untersuchungen zwei Versuchsanlagen konstruiert und gefertigt werden. Dadurch sollten die nötigen Erkenntnisse gewonnen werden, um diese innovative Erfindung zu einem späteren Zeitpunkt zu einer transferfähigen Anlage fertig zu entwickeln. Diese beiden Prototypen bauen auf den bisherigen Arbeiten in diesem Projekt auf, die mit Erfolg gezeigt haben, daß das entwickelte Prinzip sehr gut funktioniert. Ziel dieses Projektes war es also, diese neuartige, innovative Wärmekraftmaschine weiterzuentwickeln, zu optimieren und die nötigen Erkenntnisse zu gewinnen, um diese Anlage nach Abschluß dieses aFuE-Projektes in Zusammenarbeit mit der beteiligten oder neu zu gründenden Firmen zur Serienreife zu bringen. Ein damit eng verbundenes, weiteres Ziel lag in der Entwicklung einer modular einsetzbaren Wärmekraftmaschine, die dann auch für die anderen nachfolgend genannten Anwendungsgebiete verwendet werden kann: • Meerwasserentsalzung • Klimatisierungstechnik • Antrieb der Pumpen bei geothermischer Wärmeeinbringung • Energierückgewinnung aus Wärmequellen (z.B. Geysire in Island) • Energierückgewinnung in industriellen Kühlwasserkreisläufen • Energierückgewinnung in der Verfahrenstechnik • Restwärmenutzung bei konventioneller Energieerzeugung.
Statische Berechnungen werden heute vorwiegend unter Verwendung von Standardsoftware erstellt. Im wesentlichen kommen dabei Programmsysteme zum Einsatz, die für spezielle Aufgaben konzipiert sind. Beispielweise gibt es zur Berechnung von Decken, Stützen und Dachkonstruktionen im Hochbau entsprechende Stabwerks- und Finite-Element-Programme. Bei der Tragwerksplanung sind jedoch auch Berechnungen durchzuführen, für die fertige Programme nicht zur Verfügung stehen. Diese werden meistens“ von Hand“ , d.h. mit Papier, Bleistift und Taschenrechner durchgeführt. Hierbei kann es sich um spezielle statische Nachweise, z. B. für besondere Bauteile wie Dübelverankerungen, Fundamentanschlüsse für Stützen, ausgeklinkte Träger u.ä. handeln. Aber auch einfache Kontrollen von Computerberechnungen und Vordimensionierungen komplizierter Systeme erfolgen heute noch in der Regel „von Hand“. Zur Durchführung solcher Berechnungen auf dem Computer fehlen heute zwar nicht mehr die allgemeinen Werkzeuge, wohl aber geeignete Software-Hilfsmittel, wie sie bei der Handrechnung etwa die einschlägigen Tabellenbücher darstellen. Diese sind aber wesentlich für eine Engineering-Desktop Anwendung auf dem Computer. Diese zeichnet sich durch eine durchgängige Verwendung des Rechners auch bei nicht standardisierten Berechnungsaufgaben im Bauingenieurwesen aus. Ziel des Projekts war die Entwicklung von Softwarebausteinen für integrierte Engineering-Desktop-Anwendungen für die Tragwerksplanung. Die Funktionalität des Softwarebaukastens lässt sich aus dem statischen ”Wissen” eines Handbuchs wie z.B. [1] ableiten. Die Softwarebausteine sind so aufgebaut, dass sie von verschiedenster Officesoftware, wie MS-Excel und Mathcad genutzt werden können. Mit diesen Bausteinen soll eine deutlich höhere Flexibilität bei der Führung statischer Nachweise erreicht werden als dies bei der derzeitigen Standardsoftware für vorgegebene Nachweisabläufe der Fall ist. Mit Hilfe der entwickelten Softwarebausteine wurde eine Implementierung in Mathcad und Excel vorgenommen.