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We introduce bloomRF as a unified method for approximate membership testing that supports both point- and range-queries. As a first core idea, bloomRF introduces novel prefix hashing to efficiently encode range information in the hash-code of the key itself. As a second key concept, bloomRF proposes novel piecewisemonotone hash-functions that preserve local order and support fast range-lookups with fewer memory accesses. bloomRF has near-optimal space complexity and constant query complexity. Although, bloomRF is designed for integer domains, it supports floating-points, and can serve as a multi-attribute filter. The evaluation in RocksDB and in a standalone library shows that it is more efficient and outperforms existing point-range-filters by up to 4× across a range of settings and distributions, while keeping the false-positive rate low.
Werkzeugmaschinen sind im Bereich des Maschinen- und Anlagenbau die größte Branche, mit denen auch in Unternehmen anderer Bereiche (z. B. Automobilbau, Aerospace) wesentliche Teile der Bruttowertschöpfung stattfinden. (Destatis, 2022) Das dynamische Verhalten von Werkzeugmaschinen beeinflusst in entscheidendem Maße die Produktivität der Produktionsanlage und die Qualität der darauf erzeugten Werkstücke. Sowohl fremderregte Schwingungen (z. B. Unwucht, Pulsation, periodisch schwankende Prozesskräfte) als auch selbsterregte Schwingungen (z. B. Rattern) führen zu schlechter Qualität der gefertigten Bauteile. Das dynamische Verhalten vonWerkzeugmaschinen wird durch die Masse, Dämpfung und Steifigkeit der einzelnen Komponenten (z. B. Maschinenbett, Ständer, Schlitten) als auch der im Kraftfluss liegenden Fügestellen (z. B. Führungen, Antriebe) beeinflusst. In diesem Beitrag werden die Auswirkungen von konstruktiven Modifikationen der Dämpfung in Gestellbauteilen bezüglich des dynamischen Verhaltens an der Zerspanstelle näher beleuchtet.
Simulation eines dezentralen Regelungssystems zur netzdienlichen Erzeugung von grünem Wasserstoff
(2023)
Wasserstoff wird einen bedeutenden Beitrag zum Wandel von Industrie und Gesellschaft in eine klimaneutrale Zukunft leisten. Der Aufbau und die ökologisch und ökonomisch sinnvolle Nutzung einer Wasserstoffinfrastruktur sind hierbei die zentralen Herausforderungen. Ein notwendiger Baustein ist die effiziente Bereitstellung von grünem Strom und dem daraus produzierten grünen Wasserstoff. Der vorliegende Beitrag stellt ein dezentrales Regel- und Kommunikationssystem vor, mit dem Angebot und Nachfrage von grünem Strom und Wasserstoff in einem System aus dezentralen Akteuren in Einklang gebracht werden. In einer hierzu entwickelten Simulationsumgebung wird die Funktion und der Nutzen dieses dezentralen Ansatzes verdeutlicht.
Das Motto der diesjahrigen Informatics Inside wird, wie ich finde, in beeindruckender Weise gegenwärtig durch Werkzeuge der generativen KI demonstriert. ChatGPT, Midjourney und Co. ermöglichen uns eine innovative Interaktion mit Information, die uns auffordert unsere bisherigen Vorstellungen von Erkenntnisfähigkeit und Wertschöpfung zu überdenken. Diese Notwendigkeit ist in der Informatik zwar bereits seit den 1930er Jahren bekannt, aber erst die praktische Umsetzung mit modernen Computern macht die formalen Überlegungen hierzu erfahrbar. Daraus resultierende Verunsicherungen, beispielsweise im Hinblick auf Arbeitsplatze, sind gleichermaßen Herausforderung und Chance dieses wichtige Thema einer breiten Öffentlichkeit bekannt zu machen. Hierbei wird einmal mehr deutlich wie tiefgreifend die Informatik in unsere Leben hineinwirkt und welche Verantwortung damit verbunden ist. Vor diesem großen Hintergrund könnte der Hinweis auf Bits und Bytes im Tagungsmotto fast schon wie ein unbedeutendes Detail wirken, was jedoch weit gefehlt wäre. Folgen aus Null und Eins bilden nach wie vor die Bausteine der Informatik und es ist die Aufgabe der angewandten Informatik hieraus nützliche und sinnvolle Anwendungen zu kombinieren.
Die Informatics Inside bietet hierfür einen entsprechenden Rahmen bereits in der akademischen Ausbildung. Unsere Studierenden planen, organisieren und gestalten diese Tagung jedes Jahr eigenstandig. Auch die Themen für die Fachbeiträge wurden von den Studierenden eigenstandig ausgewählt. Aus meiner Sicht bilden die resultierenden Ausarbeitungen in diesem Tagungsband die spannende Vielfalt von Anwendungsthemen des Human Centered Computings sehr gut ab. Dabei zeigt sich ebenfalls deutlich die Bereitschaft unserer Studierenden, die Verantwortung für eine sinnvolle und kreative Gestaltung der digitalen Zukunft zu übernehmen.
Reutlingen, den 15.11.2023 Prof. Dr. rer. medic. Christian Thies
Mit zunehmender Dynamik im Forschungsumfeld – Digitalisierung der Produktentwicklung – steigen neben der Komplexität auch die technischen Anforderungen an die künftigen Entscheidungsprozesse. Die Einführung von neuen IT-Systemen zur Automation von Entscheidungen haben Anpassungen in den derzeitigen Geschäftsprozessen der Unternehmen zur Folge. Für eine erfolgreiche Implementierung neuer IT-Informationstools gilt es im Voraus mögliche Auswirkungen auf die bisherigen Anwendersysteme genauer zu untersuchen. Neue Technologien, KI-Informationssysteme oder auch neues Wissen entstehen in der Wissenschaft oft durch Interpretation und Synthese von bestehendem Wissen. Aus diesem Grund nimmt die Qualität von Literaturanalysen eine immer größere Relevanz in der Ingenieur- und Informatikwissenschaft ein. Neben der Anzahl an Publikationen wächst auch der Aufwand für die strukturierte Literaturrecherche (SLA). Die Autoren stellen in diesem Paper den Rechercheprozess und die Ergebnisse einer SLA vor. Mit dieser Arbeit soll der derzeitige Forschungsstand zur Entscheidungsunterstützung in der Produktentwicklung von Klein- und mittelständischen Unternehmen sowie Großunternehmen in der
Automobilbranche ermittelt und nach Analyse sowie Bewertung mögliche Forschungslücken zu automatisierten Entscheidungsunterstützungssystemen (aEUS) aufgezeigt werden.
Die folgende Veröffentlichung ist ein Konferenzband, der im Sommersemester 2023 stattgefundenen Studierendenkonferenz Informatics Inisde, die für die Fakultät Informatik und die Studierenden ein besonderes Ereignis ist. Mit der Veröffentlichung Ihrer Artikel in diesem Konferenzband haben die Studierende eine handfeste Publikation, die durch ein Peer-Review inhaltlich qualitätsgesichert ist.
In diesem Jahr gibt es eine neue Herausforderung: Seit dem Jahr 2022 steht ChatGPT von OpenAI zur Verfügung, das verblüffende Texte mit nachvollziehbarer Argumentation verfassen kann. Eine Nutzung des Werkzeugs für die Erstellung eines wissenschaftlichen Artikels ist denkbar und gleichzeitig schwer zu beweisen. Ein kritischer Umgang mit Technologie ist wichtiger als ein pauschales Verbot. Dennoch braucht es Regeln im Umgang mit Künstlicher Intelligenz, die einen ethisch richtigen Einsatz solcher Werkzeuge begrenzt. Umso wichtiger ist es, dass umfassender Sachverstand und kritisches Denken vermittelt wird, damit mögliche Fehler oder Plagiatsfälle entlarvt werden können.
Damit sind wir mitten im Thema: Informatik ist allgegenwärtig und in äußerst vielen Produkten in der Industrie und des täglichen Lebens vorhanden. Die vielfältigen Aufsätze dieser Konferenz zeigen das. Sehen Sie selbst, wie breit die Verfahren, Algorithmen, Methoden und Technologieanwendungen sind: Von Augmented-Reality, über Videoübertragung im Operationssaal, hin zu Standards für strukturierten Daten und Künstlicher Intelligenz zeigen die Beiträge doch, wie weit läufig die Informatik inzwischen ist. Allen gemeinsam ist eines: Die menschzentrierte Anwendung von Technologie, die in dem Master Human-centered Computing als Basis aller Veranstaltungen aufgefasst werden.
Artificial Intelligence (AI) in der Markenführung: Künstliche Neuronale Netze zur Markenimagemessung
(2023)
Da Künstliche Neuronale Netze die Modellierung nichtlinearer und vielschichtiger Beziehungen ermöglichen, befasst sich dieser Beitrag mit deren Einsatzmöglichkeiten für die methodisch anspruchsvolle Analyse und Messung des Markenimages. Zur Veranschaulichung des konzeptionellen Ansatzes wird am empirischen Beispiel des Sportartikelherstellers adidas ein mehrschichtiges Künstliches Neuronales Netz zwischen den Bewertungen spezifischer Markenattribute und der Gesamtbewertung der Marke erzeugt. Auf der Grundlage einer Analyse der Verbindungsgewichte des Künstliches Neuronales Netzes wird die Bedeutung verschiedener Markenattribute für die Markenbewertung gemessen, wodurch sich konkrete Implikationen für die Praxis der Markenführung ableiten lassen.
Online-Portal "MINTFabrik"
(2023)
Das browserbasierte Online-Portal "MINTFabrik" entstand im Zuge der Maßnahmen zur Minderung von Lernrückständen mit der Idee, eine Lücke zu schließen, die es oft bei großen Online-Brückenkursen gibt: Ein Mangel an Übungsaufgaben, die schnell zugänglich sind, einfach ausgesucht werden können und gut auf bestimmte Lehrveranstaltungen und deren Anforderungen zugeschnitten sind. Die Entwicklung erfolgte in einer Kooperation der Hochschule Reutlingen mit der Tübinger Softwarefirma "Let´s Make Sense GmbH". Das Portal verzichtet bewusst auf eine Lektionsstruktur und besteht ausschließlich aus einzelnen Lernbausteinen (Items), d.h. Video-Tutorials, VisuApps und Aufgaben, die über eine komfortable Suche mit Filtern erreichbar sind und direkt bearbeitet werden können. Ein besonderes Merkmal der MINTFabrik sind Mikrokurse, die von Lehrenden und Studierenden erstellt werden können. Das sind kleine Einheiten aus einigen wenigen Items, die beliebig miteinander kombinierbar sind.
In dem Beitrag wurden exemplarisch Möglichkeiten aufgezeigt, die mittels der Verknüpfung unterschiedlicher Technologien zur Steigerung von Genauigkeit und Effizienz bei der Bearbeitung genutzt werden können. Dabei sind Kenntnisse aus unterschiedlichen Bereichen erforderlich. Dies sind sowohl Bearbeitungs- und Prozesstechnologie, die Konstruktion von Maschinen, Vorrichtungen und Werkzeugen, sowie Mess- und Steuerungstechnik. Daneben sind auch neue Geschäftsmodelle und Technologien für die Nutzung und Verfügbarmachung von Daten und Informationen erforderlich.
Die additive Fertigung hat sich in den vergangenen Jahren wesentlich weiterentwickelt. Dabei wurde die Prozesstechnologie, Anlagen und die Werkstoffe optimiert. Für die industrielle Anwendung auch bei größeren Stückzahlen in der flexiblen Fertigung fehlen noch automatisierte Lösungen für die gesamte Prozesskette. In diesem Beitrag werden Werkzeuge und Technologie für die Reinigung interner Strukturelemente dargestellt.
Die Informatics Inside ist seit über 13 Jahren ein fester Bestandteil des akademischen Jahres an der Fakultät für Informatik der Hochschule Reutlingen. Die Konferenz wird von Studierenden des Masterstudiengangs Human-Centered Computing selbstständig organisiert und bildet einen wichtigen Teil der wissenschaftlichen Ausbildung. Die Studierenden haben ihre Themen selbst gewählt und nicht selten sind es Fragen, die sie bereits durch das ganze Studium begleiten. Sie bereiten diese im Format einer wissenschaftlichen Ausarbeitung auf, wobei Inhalt, Vollständigkeit und Nachvollziehbarkeit entscheidende Faktoren sind. Die Ergebnisse dieser vertieften Auseinandersetzung mit relevanten Anwendungsthemen der Informatik können Sie in diesem Tagungsband nachlesen. Die Anwendungsdomänen reichen von der Medizin über Wirtschaft bis zu den Medien. Dabei werden aktuelle Fragestellungen des menschzentrierten Einsatzes von künstlicher Intelligenz, Softwaretechnik, Datenanalyse und Kommunikation sowie der digitalen Transformation behandelt. Es wird deutlich, dass der Nutzen von IT-Lösungen für den Menschen im Mittelpunkt der Veranstaltung steht. Das Motto der Veranstaltung „IT´s Future“ ist Programm und macht die Relevanz der Informatik für alle Lebensbereiche sowie die zukünftige Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit von Industrie und Forschung deutlich.
Die additive Fertigung hat sich in den vergangenen Jahren wesentlich weiter entwickelt. Dabei wurde die Prozesstechnologie, Anlagen und die Werkstoffe optimiert. Für die industrielle Anwendung auch bei größeren Stückzahlen in der flexiblen Fertigung fehlen noch automatisierte Lösungen für die gesamte Prozesskette. In diesem Beitrag werden Werkzeuge und Technologie für die Reinigung interner Strukturelemente dargestellt.
Das Motto in diesem Jahr lautet: "Zukunft mIT gestalten". Die Beiträge sind ein Spiegelbild der menschenzentrierten Rolle der Informatik in der heutigen Welt. Sie zeigen u. a. Forschungen in Künstlicher Intelligenz, Mensch-Maschine-Interkation und Mixed-Reality mit Anwendungen in der Medizin, der Wirtschaft und der Gesellschaft. Ein besonderer Höhepunkt der Konferenz ist der abschließende Gastvortrag von Frau Prof. Dr. Claudia Müller-Birn zum Thema "Human-Centered Data Science".
Der relative Vorteil von Heim- gegenüber Auswärtsteams im Sport - der sogenannte Heimvorteil - ist in mehreren Studien belegt (z.B. Nevill et al., 2002; Jamieson, 2010). Als theoretisch dem Heimvorteil zugrundeliegende Faktoren gelten u.a. folgende: die Zuschauer (durch ihre motivierende Wirkung auf Spieler oder beeinflussende Wirkung auf Schiedsrichter), Reisefaktoren (z.B. die Entfernung bzw. Dauer der Reise und die damit einhergehende Erschöpfung der Spieler) und die Vertrautheit der Heimmannschaft mit der Umgebung (z.B. die Vertrautheit mit dem Stadion und dem Spieluntergrund) (Courneya & Carron, 1992; Nevill et al., 2002). Durch die während der COVID-19-Pandemie stattfindenden Spiele ohne Zuschauer (Geisterspiele) lässt sich erstmals durch ein natürliches Experiment der Einfluss von Zuschauern auf den Heimvorteil betrachten. Ein Überblick über die Studien, die den Heimvorteil in verschiedenen Fußballligen während der pandemiebedingten Geisterspiele untersuchen, findet sich in Leitner et al. (2022).
Die bedarfsgerechte Steuerung dezentraler thermischer Energiesysteme, wie Kraft-Wärme-Kopplungs- (KWK-) Anlagen und Wärmepumpen, kann einen entscheidenden Beitrag zur Deckung bzw. Reduktion der Residuallast leisten und so für eine Verringerung der konventionellen Reststromversorgung und den damit einhergehenden Treibhausgasemissionen sorgen. Dafür wurde an der Hochschule Reutlingen in mehrjähriger Forschungsarbeit ein prognosebasierter Steuerungsalgorithmus entwickelt. Gegenstand dieses Beitrags bilden neben der Vorstellung eben jenes Steuerungsalgorithmus auch dessen praktische Umsetzungsvarianten: Eine auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) rein lokal ausführbare Version sowie eine Webservice-Anwendung für den parallelen Betrieb mehrerer Anlagen – ausgehend von einem zentralen Server. Erprobungen am KWK-Prüfstand der Hochschule Reutlingen bestätigen die zuverlässige Funktionsweise des Algorithmus in den verschiedenen Umsetzungsvarianten. Gleichzeitig wird der Vorteil der bedarfsgerechten Steuerung gegenüber dem, insbesondere im Mikro-KWK-Bereich standardmäßig vorliegenden, wärmegeführten Betrieb in Form einer Steigerung der Eigenstromdeckung von bis zu 27 % aufgezeigt. Neben der bedarfsgerechten Steuerung bedient der entwickelte Algorithmus zudem noch ein weiteres Anwendungsgebiet: Den vorhersagbaren KWK-Betrieb, der beispielsweise in Form täglicher Einspeiseprognose im Rahmen des Redispatch 2.0 eingefordert wird. Die Vorhersage des KWK-Betriebs ist dabei auf zwei Weisen möglich: Als erste Option kann der wärmegeführte Betrieb direkt über den Algorithmus abgebildet und prognostiziert werden. Eine andere Möglichkeit stellt wiederum die bedarfsgerechte Steuerung der Anlage dar; der berechnete optimale Fahrplan entspricht dabei gleichzeitig der Betriebsprognose des KWK-Geräts. Damit ist der entwickelte Steuerungsalgorithmus in der Lage, auf unterschiedliche Weisen zum Gelingen der Energiewende beizutragen.
Die Zielsetzung des hier vorgestellten Projekts ist es, eine intelligente Steuerungsalgorithmik für Biogas-Blockheizkraftwerke (Biogas-BHKW) zu entwickeln und zu optimieren. Daran schließt sich eine Testphase an einer realen Biogasanlage an, an der die Algorithmik zu diesem Zweck in die Anlagensteuerung implementiert wird. Um beurteilen zu können inwieweit die Steuerungsalgorithmik einen Beitrag zur Entlastung von Stromnetzen leisten kann, wird für die Versuche neben dem elektrischen Bedarf des landwirtschaftlichen Betriebs, an dem die Anlage angesiedelt ist, zusätzlich die Residuallast des benachbarten Stromnetzes betrachtet. Diese basiert auf Daten vom nächstgelegenen Umspannwerk, die so skaliert werden, dass sie eine Siedlung repräsentieren, die von dem Biogas-BHKW der Anlage mitversorgt werden kann. Die Einbindung der Steuerungsalgorithmik in die Anlagensteuerung erfolgt über eine Kommunikationsstruktur mit einer Datenbank als zentraler Schnittstelle. Eine erste Versuchsreihe, bei der das Biogas-BHKW nach den Fahrplänen der intelligenten Steuerungsalgorithmik geregelt wird, zeigt vielversprechende Ergebnisse. Über die gesamte Versuchsreihe hinweg berechnet die Steuerungsalgorithmik zuverlässig neue Fahrpläne, die vom BHKW weitestgehend auch sehr gut umgesetzt werden. Zudem kann nachgewiesen werden, dass durch den Einsatz der Algorithmik das vorgelagerte Stromnetz entlastet wird.
Der Masterstudiengang Human-Centered Computing der Hochschule Reutlingen ist geprägt durch die Zusammenarbeit von Mensch und Computer. Eine wichtige Rolle an der Schnittstelle spielt die Sensorik, die der diesjährigen Konferenz Informatics Inside das Motto „perceive(it)“ verleiht. Dabei hebt das Wortspiel „it“ für die Informationstechnologie und die englische Übersetzung des Personalpronomens „es“ die Dualität der Wahrnehmung der Informationstechnologie durch den Menschen und der Realität durch den Computer hervor. Das Spannungsfeld zwischen künstlichen Sinneserweiterungen und der intelligenten Verarbeitung von Sensordaten ermöglicht unzählige Anwendungen für digitale Medien, virtuelle Welten, realitätsnahe Simulationen, computergestützte Arbeitsprozesse sowie intelligente Assistenzsysteme in der Produktion, im Haushalt, in der Medizin und in der Mobilität. Meine Aufmerksamkeit gilt hierbei der praxisnahen Forschung als Motor für diesen technischen Fortschritt.
Die zunehmende Technologie- und Produktkomplexität führen dazu, dass sich immer mehr Unternehmen für ihre F&E mit externen Organisationen vernetzen. So entstehen interorganisationale F&E-Projekte, welche temporäre Organisationen darstellen. Forschungsfragen zu diesen Projekten sind u.a. hinsichtlich der Praktiken und Verhaltensregeln offen. Über ein kulturbewusstes Projektmanagement können kooperations- und innovationsförderliche Praktiken und Verhaltensregeln aufgebaut werden, die für diese F&E-Projekte essenziell sind. So ist die Forschungsfrage dieses Beitrags, wie ein projektkulturbewusstes Management interorganisationaler F&E-Projekte erfolgen kann. Dafür wird auf Basis der theoretischen Grundlagen zum F&E-Projektmanagement, zu menschlichen Handlungssystemen und Ebenen der Zusammenarbeit, zu Kultur und Verhalten ein projektkulturbewusstes Management-Modell entwickelt. Das Modell umfasst zwei Teile. Im ersten Teil wird der Bereich aufgezeigt, in welchem sich die Projektkultur entwickelt. Im zweiten Teil wird aufgezeigt, wie die Faktoren für ein wahrscheinlich kooperatives und innovatives Verhalten innerhalb dieses Bereiches gestaltet werden sollten.
Die Bereitstellung klinischer Informationen im Operationssaal ist ein wichtiger Aspekt zur Unterstützung des chirurgischen Teams. Die roboter-assistierte Ösophagusresektion ist ein besonders komplexer Eingriff, der Potenzial zur workflowbasierten Unterstützung bietet. Wir präsentieren erste Ergebnisse der Entwicklung eines Checklisten-Tools mit der zugrundeliegenden Modellierung des chirurgischen Workflows und Informationsbedarf der Chirurgen. Das Checklisten-Tool zeigt hierfür die durchzuführenden Schritte chronologisch an und stellt zusätzliche Informationen kontextadaptiert bereit. Eine automatische Dokumentation von Start- und Endzeiten einzelner OP-Phasen und Schritte soll zukünftige Prozessanalysen der Operation ermöglichen.
Um den Übergang von der Schule zur Hochschule zu erleichtern, brauchen Studierende technischer Fächer häufig eine Auffrischung ihrer Kenntnisse in Mathematik und Physik. Ein Online-Lernsystem für Physik kann Studierende bei der Beschäftigung mit physikalischen Inhalten unterstützen. Zudem kann ein Physik-Wissenstest Lücken im individuellen Wissensstand aufzeigen und zum Lernen der fehlenden Themen motivieren. Die Arbeitsgruppe "eLearning in der Physik" der Hochschulföderation Süd-West (HfSW) bestehend aus den baden-württembergischen Hochschulen Aalen, Esslingen, Heilbronn, Mannheim und Reutlingen hat einen Aufgabenpool von über 200 Physikaufgaben für Erstsemester erarbeitet. Sie stehen den Studierenden mit Lösungen in Lernmanagementsystemen zum Selbststudium und jetzt auch im "Zentralen Open Educational Resources Repositorium der Hochschulen in Baden-Württemberg" (ZOERR) zur Verfügung. In diesem Beitrag wird über den Einsatz der Online-Übungsaufgaben in 2020/2021 berichtet, über die Ergebnisse der Wissenstests und über die in der Corona-Zeit neu eingerichteten eTutorien.