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Motto der Herbstkonferenz Informatics Inside 2020 ist KInside. Wieder einmal blicken Studierende inside und schauen sich Methoden, Anwendungen und Zusammenhänge genauer an. Die Beiträge sind vielfältig und entsprechend dem Studiengang human-centered. Es ist der Anspruch, dass sich die Themen um die Bedürfnisse der Menschen drehen und eingesetzte Methoden kein Selbstzweck sind, sondern am Nutzen für den Menschen gemessen werden.
The Twelfth International Conference on Advances in Databases, Knowledge, and Data Applications (DBKDA 2020) continued a series of events covering a large spectrum of topics related to advances in fundamentals on databases, evolution of relation between databases and other domains, data base technologies and content processing, as well as specifics in applications domains databases. Advances in different technologies and domains related to databases triggered substantial improvements for content processing, information indexing, and data, process and knowledge mining. The push came from Web services, artificial intelligence, and agent technologies, as well as from the generalization of the XML adoption. High-speed communications and computations, large storage capacities, and load-balancing for distributed databases access allow new approaches for content processing with incomplete patterns, advanced ranking algorithms and advanced indexing methods. Evolution on e-business, ehealth and telemedicine, bioinformatics, finance and marketing, geographical positioning systems put pressure on database communities to push the ‘de facto’ methods to support new requirements in terms of scalability, privacy, performance, indexing, and heterogeneity of both content and technology.
Steady state efficiency optimization techniques for induction motors are state of the art and various methods have already been developed. This paper provides new insights in the efficiency optimized operation in dynamic regime. The paper proposes an anticipative flux modification in order to decrease losses during torque and speed transients. These trajectories are analyzed based on a numerical study for different motors. Measurement results for one motor are given as well.
Matthias Varga von Kibéd und Insa Sparrer unterscheiden zwischen drei verschiedenen Aufstellungsmethoden (Sparrer und Varga von Kibéd, o. D.): Der spezifisch (konkreten), der virtuellen und der prototypischen Aufstellung. Bei spezifischen Aufstellungen wird ein konkretes Anliegen eines Klienten betrachtet. Im Gegensatz dazu, werden bei virtuellen Aufstellungen eine Übungsumgebung geschaffen. In dieser können Aufstellungstechniken und Interventionsmethoden geübt werden. Bei prototypischen Strukturaufstellungen werden Themen zusammengefasst, die mehrere Teilnehmer im Seminar berühren bzw. in deren Alltag immer wieder auftreten können. Dieses Thema wird wie eine spezifische Aufstellung bearbeitet jedoch ohne ein konkretes vorliegendes Anliegen. Beispiele für prototypische Strukturaufstellungen kommen aus vielen Bereichen z.B. dem Führungsalltag, Teamentwicklung, Konfliktmanagement, Gesprächsführung, Zeit‐ und Selbstmanagement.
The automation of work by means of disruptive technologies such as Artificial Intelligence (AI) and Robotic Process Automation (RPA) is currently intensely discussed in business practice and academia. Recent studies indicate that many tasks manually conducted by humans today will not in the future. In a similar vein, it is expected that new roles will emerge. The aim of this study is to analyze prospective employment opportunities in the context of RPA in order to foster our understanding of the pivotal qualifications, expertise and skills necessary to find an occupation in a completely changing world of work. This study is based on an explorative, content analysis of 119 job advertisements related to RPA in Germany. The data was collected from major German online job platforms, qualitatively coded, and subsequently analyzed quantitatively. The research indicates that there indeed are employment opportunities, especially in the consulting sector. The positions require different technological expertise such as specific programming languages and knowledge in statistics. The results of this study provide guidance for organizations and individuals on reskilling requirements for future employment. As many of the positions require profound IT expertise, the generally accepted perspective that existing employees affected by automation can be retrained to work in the emerging positions has to be seen extremely critical. This paper contributes to the body of knowledge by providing a novel perspective on the ongoing discussion of employment opportunities, and reskilling demands of the existing workforce in the context of recent technological developments and automation.
Massive data transfers in modern key/value stores resulting from low data-locality and data-to-code system design hurt their performance and scalability. Near-data processing (NDP) designs represent a feasible solution, which although not new, have yet to see widespread use.
In this paper we introduce nKV, which is a key/value store utilizing native computational storage and near-data processing. On the one hand, nKV can directly control the data and computation placement on the underlying storage hardware. On the other hand, nKV propagates the data formats and layouts to the storage device where, software and hardware parsers and accessors are implemented. Both allow NDP operations to execute in host-intervention-free manner, directly on physical addresses and thus better utilize the underlying hardware. Our performance evaluation is based on executing traditional KV operations (GET, SCAN) and on complex graph-processing algorithms (Betweenness Centrality) in-situ, with 1.4×-2.7× better performance on real hardware – the COSMOS+ platform.
Massive data transfers in modern data intensive systems resulting from low data-locality and data-to-code system design hurt their performance and scalability. Near-data processing (NDP) and a shift to code-to-data designs may represent a viable solution as packaging combinations of storage and compute elements on the same device has become viable.
The shift towards NDP system architectures calls for revision of established principles. Abstractions such as data formats and layouts typically spread multiple layers in traditional DBMS, the way they are processed is encapsulated within these layers of abstraction. The NDP-style processing requires an explicit definition of cross-layer data formats and accessors to ensure in-situ executions optimally utilizing the properties of the underlying NDP storage and compute elements. In this paper, we make the case for such data format definitions and investigate the performance benefits under NoFTL-KV and the COSMOS hardware platform.
The tale of 1000 cores: an evaluation of concurrency control on real(ly) large multi-socket hardware
(2020)
In this paper, we set out the goal to revisit the results of “Starring into the Abyss [...] of Concurrency Control with [1000] Cores” and analyse in-memory DBMSs on today’s large hardware. Despite the original assumption of the authors, today we do not see single-socket CPUs with 1000 cores. Instead multi-socket hardware made its way into production data centres. Hence, we follow up on this prior work with an evaluation of the characteristics of concurrency control schemes on real production multi-socket hardware with 1568 cores. To our surprise, we made several interesting findings which we report on in this paper.
In this paper, we present a new approach for achieving robust performance of data structures making it easier to reuse the same design for different hardware generations but also for different workloads. To achieve robust performance, the main idea is to strictly separate the data structure design from the actual strategies to execute access operations and adjust the actual execution strategies by means of so-called configurations instead of hard-wiring the execution strategy into the data structure. In our evaluation we demonstrate the benefits of this configuration approach for individual data structures as well as complex OLTP workloads.
Modern mixed (HTAP)workloads execute fast update-transactions and long running analytical queries on the same dataset and system. In multi-version (MVCC) systems, such workloads result in many short-lived versions and long version-chains as well as in increased and frequent maintenance overhead.
Consequently, the index pressure increases significantly. Firstly, the frequent modifications cause frequent creation of new versions, yielding a surge in index maintenance overhead. Secondly and more importantly, index-scans incur extra I/O overhead to determine, which of the resulting tuple versions are visible to the executing transaction (visibility-check) as current designs only store version/timestamp information in the base table – not in the index. Such index-only visibility-check is critical for HTAP workloads on large datasets.
In this paper we propose the Multi Version Partitioned B-Tree (MV-PBT) as a version-aware index structure, supporting index-only visibility checks and flash-friendly I/O patterns. The experimental evaluation indicates a 2x improvement for analytical queries and 15% higher transactional throughput under HTAP workloads. MV-PBT offers 40% higher tx. throughput compared to WiredTiger’s LSM-Tree implementation under YCSB.
Energy efficient electric control of drives is more and more important for electric mobility and manufacturing industries. Online dynamic optimization of induction machines is challenging due to the computational complexity involved and the variable power losses during dynamic operation of induction machines. This paper proposes a simple technique for sub-optimal online loss optimization using rotor flux linkage templates for energy efficient dynamic operation of induction machines. Such a rotor flux linkage template is given by a rotor flux linkage trajectory which is optimal for a specific scenario. This template is calculated in an offline optimization process. For a specific scenario during real time operation the rotor flux linkage is calculated by appropriately scaling the given template.
In this work, a brushless, harmonic-excited wound-rotor synchronous machine is investigated which utilizes special stator and rotor windings. The windings magnetically decouple the fundamental torque-producing field from the harmonic field required for the inductive power transfer to the field coil. In contrast to conventional harmonic-excited synchronous machines, the whole winding is utilized for both torque production and harmonic excitation such that no additional copper for auxiliary windings is needed. Different rotor topologies using rotating power electronic components are investigated and their efficiencies have been compared based on Finite-Element calculation and circuit analysis.
Companies are becoming aware of the potential risks arising from sustainability aspects in supply chains. These risks can affect ecological, economic or social aspects. One important element in managing those risks is improved transparency in supply chains by means of digital transformation. Innovative technologies like blockchain technology can be used to enforce transparency. In this paper, we present a smart contract-based Supply Chain Control Solution to reduce risks. Technological capabilities of the solution will be compared to a similar technology approach and evaluated regarding their benefits and challenges within the framework of supply chain models. As a result, the proposed solution is suitable for the dynamic administration of complex supply chains.
In diesem Beitrag wird ein neuer Ansatz vorgestellt, welcher eine schwerkraftreduzierte Navigation innerhalb einer VR-Umgebung erlaubt, wie beispielsweise ein simulierter Mondspaziergang. Zur Navigation in der VR-Umgebung wird der Cyberith Virtualizer ein-gesetzt. Die Schwerkraftsimulation erfolgt mittels eines einstellbaren Gurtsystems, das anelastischen Seilen aufgehängt wird und abgestufte Schwerkraftkompensationen erlaubt. Als Umgebung wurde ein Raumschiffszenario sowie eine Mondoberfläche generiert. Hier sind in der aktuellen Anwendung einfache Interaktionen möglich. In Anlehnung an existierende Gravity Offload Systeme wird die Lösung ViRGOS bezeichnet. ViRGOS wurde bereits bei verschiedenen Besuchsterminen und Hochschulevents eingesetzt, so dass erste Rückmeldungen von Nutzern eingeholt werden konnten.
JumpAR kombiniert die Welt der Augmented Reality (AR) mit dem weltbekannten Jump ’n’ Run Genre in einem Mobile Game. Der Spieler kreiert einen individuellen Spielparcours in seiner realen Umgebung und navigiert seine Spielfigur auf virtuellen Plattformen durch diesen. Der mit Unity entwickelte JumpAR Prototyp wurde nach Umsetzungen der Grundfunktionen und Mechaniken im Rahmen eines Nutzertests analysiert. Die Integration von echten Gegenständen aus dem Umfeld des Spielers führt im Spielfluss zu einer starken Verknüpfung der virtuellen und realen Welt, was eine neue AR-Interaktionsform für Handyspiele darstellt.
Machine learning (ML) techniques are rapidly evolving, both in academia and practice. However, enterprises show different maturity levels in successfully implementing ML techniques. Thus, we review the state of adoption of ML in enterprises. We find that ML technologies are being increasingly adopted in enterprises, but that small and medium-size enterprises (SME) are struggling with the introduction in comparison to larger enterprises. In order to identify enablers and success factors we conduct a qualitative empirical study with 18 companies in different industries. The results show that especially SME fail to apply ML technologies due to insufficient ML knowhow. However, partners and appropriate tools can compensate this lack of resources. We discuss approaches to bridge the gap for SME.
The promise of the EVs is twofold. First, rejuvenating a transport sector that still heavily depends on fossil fuels and second, integrating intermittent renewable energies into the power mix. However, it is still not clear how electricity networks will cope with the predicted increase in EVs and their charging demand, especially in combination with conventional energy demand. This paper proposes a methodology which allows to predict the impact of EV charging behavior on the electricity grid. Moreover, this model simulates the driving and charging behavior of heterogeneous EV drivers which differ in their mobility pattern, decision-making heuristics and charging strategies. The simulations show that uncoordinated charging results in charging load clustering. In contrast, decentralized coordination allows to fill the valleys of the conventional load curve and to integrate EVs without the need of a costly expansion of the electricity grid.
The process for the production of customized bras is really challenging. Although the need is very clear, the lingerie industry is currently facing a lack of data, knowledge and expertise for the realization of an automated process chain. Different studies and surveys have shown, that the majority of women wear the incorrect bra size. In addition to aesthetic problems, health risks such as headaches, back problems or digestive problems of the wearers can result from this. An important prerequisite for improvements is the basic knowledge about the female breast, both in terms of body measurements and different breast shapes. The current size systematic for bras only defines a bra size by the relation between bust girth and underbust girth and standardized cup forms do not justice to the high variability of the human body. As the bra type shapes the female breast, basic knowledge about the relation of measurements and shapes from the clothed and the unclothed breast is missing.
In the present project, studies are conducted to explore the female breast and to derive new breast-specific body measurements, different breast shapes and deformation knowledge using existing bras.
Furthermore, an innovative process is being developed that leads from 3D scanning to individual and interactive pattern construction, which allows an automatic pattern creation based on individual body measurements and the influence of different material parameters.
In the course of the presentation, the current project status will be shown and the future developments and project steps will be introduced.
Today's pattern making methods for industrial purposes are including construction principles, which are based on mathematical formula and sizing charts. As a result, there are two-dimensional flats, which can be converted into a three-dimensional garment. Because of their high linearity, those patterns are incapable of recreating the complexity of the human body, which results in insufficient fit. Subsequent changes of the pattern require a high degree of experience and lead to an inefficient product development process. It is known that draping allows the development of more complex and demanding patterns, which corresponds more to the actual body shape. Therefore, this method is used in custom tailoring and haute couture to achieve perfect garment fit but is also associated with time.
So, there is the act of defiance to improve the fit of garments, to speed up production but maintain a good value for money. Reutlingen University is therefore working on the development of 3D-modelled body shapes for 3D draping, considering different layers of clothing, such as jackets or coats. For this purpose, 3D modelling is used to develop 3D-bodies that correspond to the finished dimensions of the garment. By flattening of the modelled body, it is then possible to obtain an optimal 2D Pattern of the body. The comparison of the conventional method and the developed method is done by 3D simulation.
Finally, the optical fit test is demonstrated by the simulated basic cuts, that a significantly better body wrapping through the newly developed methodology could be achieved. Unlike in the basic cuts, which were achieved by classical design principles have been created, only a few adjustments are necessary to obtain an optimized basic cut. Also, when considering the body distance, it is shown that the newly developed basic patterns provide a more even enclosure of the body.
Systemische Betrachtung des therapeutischen Roboters Paro im Vergleich zu dem Haustierroboter AIBO
(2020)
Roboter sind in der heutigen Zeit nicht nur in der Industrie zu finden, sondern werden immer häufiger in privaten Lebensbereichen eingesetzt. Ein Beispiel hierfür ist der soziale Therapie-Roboter Paro. Dieser ist dem Verhalten und Aussehen einer jungen Robbe nachempfunden, drückt Gefühle aus und wird besonders in Pflegeheimen eingesetzt. Dabei zeigt er positive Auswirkungen auf das Wohlbefinden pflegebedürftiger Menschen. Diese Arbeit stellt den Roboter Paro in einer systemischen Analyse dar: hierbei werden Systemkontext, Anwendungsfälle, Anforderungen und Struktur betrachtet. Anschließend erfolgt eine Analyse des Haustierroboters AIBO, welcher einem Welpen ähnelt und verstärkt der Unterhaltung von Privatpersonen dient. Es werden Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den Systemen herausgearbeitet. Dabei wird ersichtlich, dass beide Systeme dem Nutzer vorrangig Gesellschaft leisten, jedoch verschiedene Anforderungen besitzen und in unterschiedlichen Anwendungsdomänen eingesetzt werden. Zudem besitzt AIBO vielfältigere Fähigkeiten und einen höheren Bewegungsgrad als Paro. Dies spiegelt sich in einer komplexeren Struktur der Hardware wider.
Unter dem Begriff Innovation Enabling wird im Folgenden ein Konzept für die ganzheitliche Unterstützung interdisziplinärer Teams beim kreativen und innovativen Problemlösen vor-gestellt. Dieses Konzept unterstützt Moderatoren und Teilnehmergleichermaßen und ein damit realisiertes System bleibt durch die implizite Interaktion für den Nutzer im Hintergrund. Eine zentrale Rolle spielt das Konzept der Awareness Pipeline zur Implementation einer impliziten Interaktion auf Basis eines Sensor-Aktor-Systems, welches in diesem Artikel vorgestellt wird. Die Unterstützung der begleitenden Moderations- und Administrationsaufgaben, wie beispielsweise der automatisierten Dokumentation der Sitzung, sollen in Zukunft einen deutlichen Mehrwert gegenüber einer klassischen Brainstorming-Sitzung bieten.
Public transport maps are typically designed in a way to support route finding tasks for passengers while they also provide an overview about stations, metro lines, and city-specific attractions. Most of those maps are designed as a static representation, maybe placed in a metro station or printed in a travel guide. In this paper we describe a dynamic, interactive public transport map visualization enhanced by additional views for the dynamic passenger data on different levels of temporal granularity. Moreover, we also allow extra statistical information in form of density plots, calendar-based visualizations, and line graphs. All this information is linked to the contextual metro map to give a viewer insights into the relations between time points and typical routes taken by the passengers. We illustrate the usefulness of our interactive visualization by applying it to the railway system of Hamburg in Germany while also taking into account the extra passenger data. As another indication for the usefulness of the interactively enhanced metro maps we conducted a user experiment with 20 participants.
The objective of the project presented here is to develop an intelligent control algorithm for an energy system consisting of a biogas CHP (combined heat and power), various storage technologies, such as thermal energy storages (TES) and gas storages, and other renewable energy sources, such as photovoltaics. A corresponding algorithm based on the Monte-Carlo method has already been developed at Reutlingen University for CHP units running on natural gas and for heat pumps. The project presented here concentrates on the further development of this algorithm for application to biogas CP units. In this context, an adequate implementation of the gas storage is of primary importance, as it mainly determines the flexibility of the plant. In the course of the validation of the new optimization algorithm, simulations were carried out based on data from the Lower Lindenhof, an agricultural experimental station of the University of Hohenheim. Both an optimization with regard to onsite electricity utilization and an optimization driven by residual load were investigated. Preliminary results show that the optimization algorithm can improve the operation of the biogas CHP unit depending on the selected target function.
Our paper gives first answers on a fundamental question: how can the design of architectures of intelligent digital systems and services be accomplished methodologically? Intelligent systems and services are the goals of many current digitalization efforts today and part of massive digital transformation efforts based on digital technologies. Digital systems and services are the foundation of digital platforms and ecosystems. Digtalization disrupts existing businesses, technologies, and economies and promotes the architecture of open environments. This has a strong impact on new value-added opportunities and the development of intelligent digital systems and services. Digital technologies such as artificial intelligence, the Internet of Things, services computing, cloud computing, big data with analytics, mobile systems, and social enterprise networks systems are important enablers of digitalization. The current publication presents our research on the architecture of intelligent digital ecosystems and products and services influenced by the service-dominant logic. We present original methodological extensions and a new reference model for digital architectures with an integral service and value perspective to model intelligent systems and services that effectively align digital strategies and architectures with artificial intelligence as main elements to support intelligent digitalization.
Power line communications (PLC) reuse the existing power-grid infrastructure for the transmission of data signals. As power line the communication technology does not require a dedicated network setup, it can be used to connect a multitude of sensors and Internet of Things (IoT) devices. Those IoT devices could be deployed in homes, streets, or industrial environments for sensing and to control related applications. The key challenge faced by future IoT-oriented narrowband PLC networks is to provide a high quality of service (QoS). In fact, the power line channel has been traditionally considered too hostile. Combined with the fact that spectrum is a scarce resource and interference from other users, this requirement calls for means to increase spectral efficiency radically and to improve link reliability. However, the research activities carried out in the last decade have shown that it is a suitable technology for a large number of applications. Motivated by the relevant impact of PLC on IoT, this paper proposed a cooperative spectrum allocation in IoT-oriented narrowband PLC networks using an iterative water-filling algorithm.
Automatic classification of rotating machinery defects using Machine Learning (ML) algorithms
(2020)
Electric machines and motors have been the subject of enormous development. New concepts in design and control allow expanding their applications in different fields. The vast amount of data have been collected almost in any domain of interest. They can be static; that is to say, they represent real-world processes at a fixed point of time. Vibration analysis and vibration monitoring, including how to detect and monitor anomalies in vibration data are widely used techniques for predictive maintenance in high-speed rotating machines. However, accurately identifying the presence of a bearing fault can be challenging in practice, especially when the failure is still at its incipient stage, and the signal-to-noise ratio of the monitored signal is small. The main objective of this work is to design a system that will analyze the vibration signals of a rotating machine, based on recorded data from sensors, in the time/frequency domain. As a consequence of such substantial interest, there has been a dramatic increase of interest in applying Machine Learning (ML) algorithms to this task. An ML system will be used to classify and detect abnormal behavior and recognize the different levels of machine operation modes. The proposed solution can be deployed as predictive maintenance for Industry 4.0.
Anhaltend erlebt die Künstliche Intelligenz (KI) eine Renaissance in vielen Branchen. Der Trend, komplexe Zusammenhänge in Daten zu erfassen und zu nutzen, hält an. Hierbei ist jedoch der Grundgedanke des Maschinellen Lernens basierend auf empirischen Daten nicht neu. Es bleibt nach wie vor die Herausforderung, erst ein oft auch interdisziplinäres Verständnis von komplexen Zusammenhängen für verschiedenste Anwendungs-Domänen zu gewinnen, um zum Beispiel KI sinnvoll zum Einsatz zu bringen. Als Besucher der Konferenz erwarten Sie Beiträge aus den unterschiedlichsten Bereichen. Hierzu gehören zum Beispiel Müdigkeitserkennungssysteme im Automobil, ein Tastsinn auch für Roboter, aber auch neue Ansätze zur Erzeugung und Nutzung von Virtuellen Realitäten für die Erprobung des autonomen Fahrens bis hin zur Simulation von Außenboardeinsätzen in der Raumfahrt.
Rising consumption due to a growing world population and increasing prosperity, combined with a linear economic system have led to a sharp increase in garbage collection, general pollution of the environment and the threat of resource scarcity. At the same time, the perception of environmental protection becomes more sensitive as the consequences of neglecting sustainable business and eco-efficiency become more visible. The Circular Economy (CE) could reduce waste production and is able to decouple economic growth from resource consumption, but most of the products currently in use are not designed for the reuse-forms of the CE. In addition, the decision-making process of the End of-Usage (EoU) products regarding the following steps has further weaknesses in terms of economic attractiveness for the participants, which leads to low return rates and thus the disposal is often the only alternative.
This paper proposes a model of the decision-making process, which uses machine learning. For this purpose, a Machine Learning (ML) classification is created, by applying the waterfall model. An artificial neural network (ANN) uses information about the model, use phase and the obvious symptoms of the product to predict the condition of individual components. The resulting information can be used in a downstream economic and ecological evaluation to assess the possible next steps. To test this process comprehensive training data is simulated to train the ANN. The decentralized implementation, cost savings and the possibility of an incentive system for the return of an end-of-usage product could lead to increased return rates. Since electronic devices in particular are attractive for the CE, laptops are the reference object of this work. However, the obtained findings are easily applicable to other electronic devices.
Bis zum Jahr 2050 soll in Baden Württemberg mit dem Ziel „50-80-90“ der Energiebedarf um 50% reduziert werden, die erneuerbaren Energien sollen zu 80% an der Energieversorgung beteiligt sein und die Emissionen von Treibhausgasen um 90% sinken.Entsprechende Ziele sind für andere Regionen und Länder in ähnlicher Weise festgelegt.
Damit diese Ziele erreicht werden, muss bei der Gebäudewärmeversorgung ein konsequenter Umbau stattfinden. Hier spielt die Sektorenkopplung mit Hilfe von Wärmepumpen (WP) eine entscheidende Rolle. Zur Abschätzung des Potenzials sowie des Aufwandes für einen großflächigen Einsatz von Wärmepumpen ist es unmöglich, eine spezifische und angepasste Dimensionierung der Wärmepumpensysteme für jedes einzelne Gebäude durchzuführen. Stattdessen müssen auf Seiten der Bebauung Referenzgebäude definiert und auf Seiten der Wärmepumpensysteme mittlere Leistungsdaten der am Markt befindlichen Modelle verwendet werden. Während die Festlegung von Referenzgebäuden verschiedentlich in der Literatur zu finden ist, widmet sich der erste Teil der Veröffentlichung der Vorstellung von Korrelationsfunktionen für die thermische und elektrische Leistung sowie die Leistungszahl (COP) von Wärmepumpen, die auf Basis von Herstellerdaten in Abhängigkeit der Quellen- und Vorlauftemperatur ermittelt wurden.
Konkret wurden als Ausgangsbasis für die Korrelationsfunktionen Datenblätter verschiedener Sole- und Luft-Wasser Wärmepumpen (SWP, LWP) zusammengestellt und ausgewertet. Die Grundlage hierfür war die Liste „Wärmepumpen mit Prüfnachweis eines unabhängigen Prüfinstituts“ des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA).
Ein nicht unerheblicher Anteil der Autounfälle ist auf Müdigkeit am Steuer zurückzuführen. Um Unfälle aufgrund von Müdigkeit zu vermeiden, existieren schon einige Ansätze wie beispielsweise die Erkennung der Fahrweise. Im Rahmen des IOT-Labors des Masterstudiengangs Human Centered Computing der Hochschule Reutlingen sollen verschiedene Fahrassistenzsysteme entwickelt und getestet werden, um Unfälle aufgrund von Müdigkeit zu verhindern. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Müdigkeitserkennung über Computer Vision (CV) und das Elektrokardiogramm (EKG). Im Rahmen dieses Papers wird die Müdigkeitserkennung über CV am Steuer mittels den Open Source Bibliotheken OpenCV und Dlib und dem Embedded PC Nvidia Jetson Nano verwirklicht. Die Müdigkeit über EKG wird über den Herzschlag und die Herzfrequenzvariabilität erkannt. Ebenfalls wurde in dieser Arbeit eine Schnittstelle aus CV und EKG entwickelt, um aus den Python-Skripten der Müdigkeitserkennung über Computer Vision und der Müdigkeitserkennung über EKG die zur Erkennung wichtigen Daten zusammenzufassen. Diese werden anschließend zu einem gesamten Ergebnis ausgewertet.
Going forward with the requirements of missions to the Moon and further into deep space, the European Space Agency is investigating new methods of astronaut training that can help accelerate learning, increase availability and reduce complexity and cost in comparison to currently used methods. To achieve this, technologies such as virtual reality may be utilized. In this paper, an investigation into the benefits of using virtual reality as a means for extravehicular activity training in comparison to conventional training methods, such as neutral buoyancy pools is given. To help determine the requirements and current uses of virtual reality for extravehicular activity training first hand tests of currently available software as well as expert interviews are utilized. With this knowledge a concept is developed that may be used to further advance training methods in virtual reality. The resulting concept is used as a basis for development of a prototype to showcase user interactions and locomotion in microgravity simulations.
Vergleichende Analyse des YouTube-Auftritts von privat- und öffentlich-rechtlichen Sendegruppen
(2020)
Lange wurde das Internet als Antagonismus zum Fernsehen gesehen. Es wurde dementsprechend zur Zuschauerrück- bzw. -gewinnung genutzt, was sich allerdings als ineffizient erwies. Inzwischen haben die einzelnen Sendegruppen das Internet jedoch als mediale Erweiterung erkannt und genutzt. Durch diese späte Akzeptanz zeigen sich starke Unterschiede im Umfang und der Vorgehensweise hinsichtlich der Nutzung des Internets als zusätzliches Medium. Am besten lässt sich dies in einem Vergleich in Bezug auf die wichtigste videotechnische Social Media Plattform YouTube darstellen.
In diesem Vergleich sollen die einzelnen Sendegruppen hinsichtlich ihrer wahrgenommenen Vorteile, Nachteile und Attraktivität bezogen auf das Nutzerverhalten und die Nutzermeinung bewertet werden. Die zielgruppenorientierte Optimierung des YouTube-Auftrittes ist von außerordentlich hoher Bedeutung für die zukünftige Marktdurchdringung.
Hyperspectral imaging opens a wide field of applications. It is a well established technique in agriculture, medicine, mineralogy and many other fields. Most commercial hyperspectral sensors are able to record spectral information along one spatial dimension in a single acquisition. For the second spatial dimension a scan is required. Beside those systems there is a novel technique allowing to sense a two dimensional scene and its spectral information within one shot. This increases the speed of hyperspectral imaging, which is interesting for metrology tasks under rough environmental conditions. In this article we present a detailed characterization of such a snapshot sensor for later use in a snapshot full field chromatic confocal system. The sensor (Ximea MQ022HG-IM-SM5X5-NIR) is based on the so called snapshot mosaic technique, which offers 25 bands mapped to one so called macro pixel. The different bands are realized by a spatially repeating pattern of Fabry-Pèrot flters. Those filters are monolithically fabricated on the camera chip.
The supply of customer-specific products is leading to the increasing technical complexity of machines and plants in the manufacturing process. In order to ensure the availability of the machines and plants, maintenance is considered as an essential key. The application of cyber-physical systems enables the complexity to be mastered by improving the availability of information, implementing predictive maintenance strategies and the provision of all relevant information in real-time. The present research project deals with the development of a cost-effective and retrofittable smart maintenance system for the application of ultraviolet (UV) lamps. UV lamps are used in a variety of applications such as curing of materials and water disinfection, where UV lamps are still used instead of UV LED due to their higher effectiveness. The smart maintenance system enables continuous condition monitoring of the UV lamp through the integration of sensors. The data obtained are compared with data from existing lifetime models of UV lamps to provide information about the remaining useful lifetime of the UV lamp. This ensures needs-based maintenance measures and more efficient use of UV lamps. Furthermore, it is important to have accurate information on the remaining useful lifetime of a UV lamp, as the unplanned breakdown of a UV lamp can have far-reaching consequences. The key element is the functional model of the envisioned cyber-physical system, describing the dependencies between the sensors and actuator, the condition monitoring system as well as the IoT platform. Based on the requirements developed and the functional model, the necessary hardware and software are selected. Finally, the system is developed and retrofitted to a simulated curing process of a 3D printer to validate its functional capability. The developed system leads to improved information availability of the condition of UV lamps, predictive maintenance measures and context-related provision of information.
Medizinprodukte sind Gegenstände, Stoffe oder Software mit medizinischer Zweckbestimmung für die Anwendung am Menschen. Diese werden von Medizinprodukteherstellern entwickelt und auf den Markt eingeführt. Da die falsche Anwendung von Medizinprodukten bei Menschen zu Verletzbarkeit des menschlichen Körpers führen kann, ist eine angemessene Qualität der Medizinprodukte zu gewährtleisten. Um die Sicherstellung der Qualität einzuhalten, sind Medizinproduktehersteller verpflichtet, sich an die Medizinprodukteverordnung (MDR) zu halten. Für risikoreiche Produkte ist ergänzend die Nutzung eines Qualitätsmanagementsystems (QMS) verpflichtend. Dieses steuert die Struktur, Verantwortlichkeiten, Verfahren und Prozesse des Unternehmens, die für die Medizinprodukteentwicklung notwendig sind. In Zeiten der Digitalisierung werden Softwarelösungen eingesetzt, um die zeitaufwendigen Dokumentations- und Administrationstätigkeiten im QMS zu reduzieren und die Prozesse zu optimieren. Mit der Einführung einer Software wird ein QMS in der Praxis auch als elektronisches QMS (eQMS) bezeichnet. Weiterhin muss das gesamte QMS mit den Regularien konform sein. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit, mithilfe der regulatorischen Anforderungen herauszuarbeiten, welche Vorgaben bei der Einführung eines eQMS zu beachten sind und wie diese erfüllt werden können. Diese Arbeit bezieht sich auf die regulatorsichen Vorgaben aus der MDR und der ISO 13485. Die Norm beinhaltet Anforderungen an ein QMS von Medizinprodukten.
Requirements Engineering (RE) umfasst sämtliche systematische Schritte zur Entwicklung eines Systems, um die Bedürfnisse der Nutzer und Vorgaben, die an dieses gestellt werden, zu erfüllen. Das RE eines ausgewählten Herstellers für klinische Informationssysteme (KIS) wurde untersucht und es stellt sich als intransparent als auch teilweise unzureichend dar. Das Ausmaß des Einsatzes von systematischen Vorgehensweisen und Methoden zum RE wurden beim ausgewählten KIS-Hersteller analysiert. Die Analyse zeigt, dass RE weit verbreitet ist, aber differenziert betrieben wird.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Stand der Technik des RE für die KIS Entwicklung zu ermitteln. Es werden wichtige Faktoren des RE für die Entwicklung von KIS beschrieben. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden als erster Schritt für die Optimierung des RE des ausgewählten KIS-Herstellers dienen.
Die Entwicklung eines Medizinproduktes benötigt in der Regel mehrere Jahre. Gesetzliche Vorgaben, wie zum Beispiel das Medizinprodukte Durchführungsgesetz, bestimmen, welche Schritte während der Entwicklung durchgeführt werden müssen. Deren Einhaltung muss in der technischen Dokumentation nachgewiesen werden. Die darin enthaltenen technischen Dokumente entstehen im Verlauf der Entwicklung. Diese bauen aufeinander auf und verweisen sich gegenseitig. Dadurch entstehen heterogene und unübersichtliche Strukturen. Eine Lösung für dieses Problem bietet Traceability. Traceability sorgt dafür, dass die Anforderungen an das Medizinprodukt mit Dokumenten, wie dem Anforderungskatalog, Lastenheft oder der Spezifikation verknüpft werden können. Somit ist jederzeit nachvollziehbar, welche Anforderungen mit welchem Test, welchen Änderungen oder welchen Ergebnissen zusammenhängen. Ein wichtiger Prozess bei der Entwicklung von Medizinprodukten ist zudem das Usability Engineering, wodurch die Sicherheit eines Medizinprodukts sichergestellt und Risiken bei der Anwendung minimiert werden sollen. In diesem Prozess entstehen viele Artefakte, wie zum Beispiel Usability-Berichte. Um den Überblick über alle Usability-Daten behalten zu können, können diese mithilfe von Traceability verknüpft werden. In diesem Artikel wird herausgestellt, welche Voraussetzungen für das Usability Engineering in der Medizintechnik an Traceability gestellt
werden.
Detecting semantic similarities between sentences is still a challenge today due to the ambiguity of natural languages. In this work, we propose a simple approach to identifying semantically similar questions by combining the strengths of word embeddings and Convolutional Neural Networks (CNNs). In addition, we demonstrate how the cosine similarity metric can be used to effectively compare feature vectors. Our network is trained on the Quora dataset, which contains over 400k question pairs. We experiment with different embedding approaches such as Word2Vec, Fasttext, and Doc2Vec and investigate the effects these approaches have on model performance. Our model achieves competitive results on the Quora dataset and complements the well-established evidence that CNNs can be utilized for paraphrase recognition tasks.
In dieser Ausarbeitung wird auf Visualisierungsmöglichkeiten von neuronalen Netzen eingegangen. Ein neuronales Netz scheint zuerst nicht von außen einsehbar und ist somit für viele eine Blackbox. Häufig genutzte Python-Bibliotheken, zum Beispiel TensorFlow, werden vorgestellt und deren Stärken wie auch Schwächen präsentiert. Anhand dieser werden bereits bestehende Visualisierungen gezeigt und ihr derzeitiger Einsatz wird erläutert. Durch einen Vergleich soll ersichtlich werden, welche Bibliothek am meisten Daten während des Trainings liefert, damit diese Informationen weiter verarbeitet werden. Diese Daten sollen so visualisiert werden, dass sie bei der Entwicklung eines neuronalen Netzes unterstützend sind. Ziel ist es, auf die Möglichkeiten einzugehen, welche geboten werden können. Durch eine Vereinfachung des Debuggings neuronaler Netze sollen weiterführende Entwicklungen in diese Richtung unterstützt werden.
In dieser Arbeit werden drei verschiedene Testumgebungen vorgestellt, welche in ein iteratives Vorgehen einfließen, um die Entwicklung von Augmented-Reality-Anwendungen zur Darstellung von autonomen Fahrfunktionen zu unterstützen.
Gestaltungsentwürfe und Softwareentwicklungen können in den Testumgebungen für unterschiedliche Zielsetzungen von Personenbefragungen vorgestellt und bewertet werden. Das entwicklungsbegleitende Testen ermöglicht eine frühzeitige Identifizierung von Änderungshinweisen, welche für einen gültigen Lösungsentwurf eingearbeitet werden können. Die entwickelten Testumgebungen sind ein verkleinertes Modell, ein Fahrsimulator und ein reales Fahrzeug. Eigenschaften, Funktionen und Aufbauten resultieren aus Erkenntnissen der Literatur und Erfahrungen aus ersten Entwicklungen. Diese und die Einsatzmöglichkeiten werden mit dieser Arbeit aufgezeigt.
Investigation of tympanic membrane influences on middle-ear impedance measurements and simulations
(2020)
This study simulates acoustic impedance measurements in the human ear canal and investigates error influences due to improperly accounted evanescence in the probe’s near field, cross-section area changes, curvature of the ear canal, and pressure inhomogeneities across the tympanic membrane, which arise mainly at frequencies above 10 kHz. Evanescence results from strongly damped modes of higher order, which can only be found in the near field of the sound source and are excited due to sharp cross-sectional changes as they occur at the transition from the probe loudspeaker to the ear canal. This means that different impedances are measured depending on the probe design. The influence of evanescence cannot be eliminated completely from measurements, however, it can be reduced by a probe design with larger distance between speaker and microphone. A completely different approach to account for the influence of evanescence is to evaluate impedance measurements with the help of a finite element model, which takes the precise arrangement of microphone and speaker in the measurement into account. The latter is shown in this study exemplary on impedance measurements at a tube terminated with a steel plate. Furthermore, the influences of shape changes of the tympanic membrane and ear canal curvature on impedance are investigated.
In der Kryochirurgie wird Kälte verwendet, um tumoröses Gewebe abzutöten. Dazu werden Kryosonden in den Tumor gestochen und stark abgekühlt. Hierbei gibt es verschiedene Herausforderungen, welchen computergestützt begegnet werden kann. Diese Arbeit gibt die Ergebnisse einer Literaturrecherche zu den Herausforderungen wieder. Die vorgestellten Arbeiten beschäftigten sich mit der Simulation des im Tumor entstehenden Eisballs, dem korrekten Positionieren der Kryosonden im Tumor, dem Überwachen des Eingriffs sowie dem Entwickeln von Simulationen für Trainingszwecke. Dabei zeigt sich, dass der Einsatz von computergestützten Lösungen die Kryochirurgie für Operateur und Patient verbessern kann.
Haptisches Feedback ist nach zahlreichen Studien ein wichtiger Bestandteil in der medizinischen Robotik. Die meisten Systeme befinden sich jedoch noch im Forschungsstatus und verfolgen unterschiedliche Ansätze. In der Teleoperation wird mit sensorlosen und Sensor-Systemen geforscht. Sensoren bieten, im Gegensatz zu den Encodern in sensorlosen Systemen, genaue Messungen, sind allerdings teuer in der Anschaffung, schwer zu desinfizieren und müssen in OP-Besteck integriert werden. In Hands-On Systemen fühlt der Operateur im Gegensatz zu Teleoperationssystemen direkt die auftretenden Kräfte bei der Benutzung. Der Roboter bietet in diesen Systemen nur die benötigte Stabilität und Genauigkeit, gesteuert werden sie direkt durch den Menschen. Dagegen werden in Teleoperationssystemen gezielte Controller eingesetzt. Hier hat sich der für den OP entwickelte sigma.7 durchgesetzt. Gegenüber der für die Allgemeinheit entwickelten Konkurrenz bietet er haptisches Feedback in allen nötigen Freiheitsgraden und eine entsprechende Kraftrückkoppelung.
The field of breath analysis has developed to be of growing interest in medical diagnosis and patient monitoring. The main advantages are that it’s noninvasive, painless and repeatable in flexible cycles. Even though breath analysis is being researched for a couple of decades there are still many unanswered questions. Human breath contains volatile organic compounds which are emitted from inside the body. Some of these compounds can be assigned to specific sources, such as inflammation or cancer, but also to non health related origins. This paper gives an overview of breath analysis for the purpose of disease diagnosis and health monitoring. Therefore, literature regarding breath analysis in the medical field has been analyzed, from its early stages to the present. As a result, this paper gives an outline of the topic of breath analysis.
In Zusammenarbeit mit dem Medizinproduktehersteller ulrich medical wird eine User Experience und Usability Studie an der Software der im Moment eingesetzten Kontrastmittelinjektoren durchgeführt. Das Unternehmen möchte eine neue Variante eines Kontrastmittelinjektors entwickeln, der als Basis eine verbesserte Version dieser Softwares enthält. Benutzerstudien können mit den unterschiedlichsten Methoden durchgeführt werden. Das geeignete Vorgehen muss definiert und die Testpersonen in Bezug zur eingesetzten Methode ermittelt werden. Bei Medizinprodukten muss zusätzlich auf strikte Auflagen in Normen und Gesetzen geachtet werden. Die Grundlage zur Methodenauswahl bildet eine Recherche zu Usability und User Experience Vorgaben für Medizinprodukte. Die Studie wird anhand quantitativer Daten eines Usability Tests im Labor, Fragebögen zur User Experience und qualitativen Post Test- Interviews evaluiert. In erster Linie dient diese Studie der Ermittlung von möglichen Verbesserungen, welche in der darauf folgenden Masterthesis vertieft und umgesetzt werden.
The typed graph model
(2020)
In recent years, the Graph Model has become increasingly popular, especially in the application domain of social networks. The model has been semantically augmented with properties and labels attached to the graph elements. It is difficult to ensure data quality for the properties and the data structure because the model does not need a schema. In this paper, we propose a schema bound Typed Graph Model with properties and labels. These enhancements improve not only data quality but also the quality of graph analysis. The power of this model is provided by using hyper-nodes and hyper edges, which allows to present a data structure on different abstraction levels. We demonstrate by example the superiority of this model over the property graph data model of Hidders and other prevalent data models, namely the relational, object-oriented, and XML model.
At DBKDA 2019, we demonstrated that StrongDBMS with simple but rigorous optimistic algorithms, provides better performance in situations of high concurrency than major commercial database management systems (DBMS). The demonstration was convincing but the reasons for its success were not fully analysed. There is a brief account of the results below. In this short contribution, we wish to discuss the reasons for the results. The analysis leads to a strong criticism of all DBMS algorithms based on locking, and based on these results, it is not fanciful to suggest that it is time to re-engineer existing DBMS.
Documentation of clinical processes, especially in the perioperative are, is a base requirement for quality of service. Nonetheless, the documentation is a burden for the medical staff since it distracts from the clinical core process. An intuitive and user-friendly documentation system could increase documentation quality and reduce documentation workload. The optimal system solution would know what happened and the person documenting the step would need a single “confirm” button. In many cases, such a linear flow of activities is given as long as only one profession (e.g. anaestesiology, scrub nurse) is considered, but even in such cases, there might be derivations from the linear process flow and further interaction is required.