Gasleckortungsmethoden für autonome mobile Inspektionsroboter mit optischer Gasfernmesstechnik in industrieller Umgebung

In vielen Industrieanlagen werden verschiedenste Fluide in der Produktion eingesetzt, die bei einer Freisetzung, z. B. durch ihre toxische oder karzinogene Eigenschaft oder wegen der Brand- und Explosionsgefahr, sowohl die Umwelt als auch Investitionsgüter gefährden können. In Deutschland sind zur Risikominimierung die maximal zulässigen Emissionsmengen von Stoffen und Stoffgruppen in verschiedenen Umweltvorschriften festgelegt, wodurch zu deren Einhaltung eine ausreichende Überwachung aller relevanten Anlagenkomponenten seitens der Betreiber notwendig ist. Eine kontinuierliche und flächendeckende Überwachung der Anlagen ist aber weder personell, noch finanziell mit klassischer In-situ-Sensorik realisierbar. In der vorliegenden Arbeit wird die Problemstellung der autonomen mobilen Gasferndetektion und Gasleckortung in industrieller Umgebung mittels optischer Gasfernmesstechnik adressiert, die zum Teil im Rahmen des Verbundprojekts RoboGasInspector entstand. Neben der Beschreibung des verwendeten mobilen Robotersystems und der Sensorik, werden die eingesetzten Techniken zur Messdatenverarbeitung vorgestellt. Für die Leckortung, als Sonderfall im Inspektionsablauf, wurde die TriMax-Methode entwickelt, die zusätzlich durch einen Bayes-Klassifikator basierten Gasleckschätzer (Bayes classification based gas leak estimator (BeaGLE)) erweitert wurde, um die Erstellung von Leckhypothesen zu verbessern. Der BeaGLE basiert auf Techniken, die in der mobilen Robotik bei der Erstellung von digitalen Karten mittels Entfernungsmessungen genutzt werden. Die vorgestellten Strategien wurden in industrieller Umgebung mittels simulierter Lecks entwickelt und getestet. Zur Bestimmung der Strategieparameter wurden diverse Laborund Freifelduntersuchungen mit dem verwendeten Gasfernmessgerät durchgeführt. Die abschließenden Testergebnisse mit dem Gesamtsystem haben gezeigt, dass die automatische Gasdetektion und Gaslecksuche mittels autonomer mobiler Roboter und optischer Gasfernmesstechnik innerhalb praktikabler Zeiten und mit hinreichender Präzision realisierbar sind. Die Gasdetektion und Gasleckortung mittels autonomer mobiler Roboter und optischer Gasfernmesstechnik ist noch ein junger Forschungszweig der industriellen Servicerobotik. In der abschließenden Diskussion der vorliegenden Arbeit wird deutlich, dass noch weitergehende, interessante Forschungs- und Entwicklungspotentiale erkennbar sind.

Optimierung von Betriebsstrategien für elektrifizierte Antriebskonzepte

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine gemeinsame Optimierung der Hybrid-Betriebsstrategie und des Verhaltens des Verbrennungsmotors vorgestellt. Die Übernahme von den im Steuergerät verwendeten Funktionsmodulen in die Simulationsumgebung für Fahrzeuglängsdynamik stellt eine effiziente Applikationsmöglichkeit der Originalparametrierung dar. Gleichzeitig ist es notwendig, das Verhalten des Verbrennungsmotors derart nachzubilden, dass das stationäre und das dynamische Verhalten, inklusive aller relevanten Einflussmöglichkeiten, wiedergegeben werden kann. Das entwickelte Werkzeug zur Übertragung der in Ascet definierten Steurgerätefunktionen in die Simulink-Simulationsumgebung ermöglicht nicht nur die Simulation der relevanten Funktionsmodule, sondern es erfüllt auch weitere wichtige Eigenschaften. Eine erhöhte Flexibilität bezüglich der Daten- und Funktionsstandänderungen, sowie die Parametrierbarkeit der Funktionsmodule sind Verbesserungen die an dieser Stelle zu nennen sind. Bei der Modellierung des stationären Systemverhaltens des Verbrennungsmotors erfolgt der Einsatz von künstlichen neuronalen Netzen. Die Auswahl der optimalen Neuronenanzahl erfolgt durch die Betrachtung des SSE für die Trainings- und die Verifikationsdaten. Falls notwendig, wird zur Sicherstellung der angestrebten Modellqualität, das Interpolationsverhalten durch Hinzunahme von Gauß-Prozess-Modellen verbessert. Mit den Gauß-Prozess-Modellen werden hierbei zusätzliche Stützpunkte erzeugt und mit einer verminderten Priorität in die Modellierung eingebunden. Für die Modellierung des dynamischen Systemverhaltens werden lineare Übertragungsfunktionen verwendet. Bei der Minimierung der Abweichung zwischen dem Modellausgang und den Messergebnissen wird zusätzlich zum SSE das 2σ-Intervall der relativen Fehlerverteilung betrachtet. Die Implementierung der Steuergerätefunktionsmodule und der erstellten Steller-Sensor-Streckenmodelle in der Simulationsumgebung für Fahrzeuglängsdynamik führt zum Anstieg der Simulationszeit und einer Vergrößerung des Parameterraums. Das aus Regelungstechnik bekannte Verfahren der Gütevektoroptimierung trägt entscheidend zu einer systematischen Betrachtung und Optimierung der Zielgrößen bei. Das Ergebnis des Verfahrens ist durch das Optimum der Paretofront der einzelnen Entwurfsspezifikationen gekennzeichnet. Die steigenden Simulationszeiten benachteiligen Minimumsuchverfahren, die eine Vielzahl an Iterationen benötigen. Um die Verwendung einer Zufallsvariablen, die maßgeblich zur Steigerung der Iterationanzahl beiträgt, zu vermeiden und gleichzeitig eine Globalisierung der Suche im Parameterraum zu ermöglichen wird die entwickelte Methode DelaunaySearch eingesetzt. Im Gegensatz zu den bekannten Algorithmen, wie die Partikelschwarmoptimierung oder die evolutionären Algorithmen, setzt die neu entwickelte Methode bei der Suche nach dem Minimum einer Kostenfunktion auf eine systematische Analyse der durchgeführten Simulationsergebnisse. Mit Hilfe der bei der Analyse gewonnenen Informationen werden Bereiche mit den bestmöglichen Voraussetzungen für ein Minimum identifiziert. Somit verzichtet das iterative Verfahren bei der Bestimmung des nächsten Iterationsschrittes auf die Verwendung einer Zufallsvariable. Als Ergebnis der Berechnungen steht ein gut gewählter Startwert für eine lokale Optimierung zur Verfügung. Aufbauend auf der Simulation der Fahrzeuglängsdynamik, der Steuergerätefunktionen und der Steller-Sensor-Streckenmodelle in einer Simulationsumgebung wird die Hybrid-Betriebsstrategie gemeinsam mit der Steuerung des Verbrennungsmotors optimiert. Mit der Entwicklung und Implementierung einer neuen Funktion wird weiterhin die Verbindung zwischen der Betriebsstrategie und der Motorsteuerung erweitert. Die vorgestellten Werkzeuge ermöglichten hierbei nicht nur einen Test der neuen Funktionalitäten, sondern auch eine Abschätzung der Verbesserungspotentiale beim Verbrauch und Abgasemissionen. Insgesamt konnte eine effiziente Testumgebung für eine gemeinsame Optimierung der Betriebsstrategie und des Verbrennungsmotorverhaltens eines Hybridfahrzeugs realisiert werden.

Entwicklung eines ökonomisch ausgerichteten Zuchtprogramms für die bedrohte Schweinerasse „Bunte Bentheimer“

Das Ziel dieser Arbeit war, ein ökonomisch ausgerichtetes Zuchtprogramm für die bedrohte Schweinerasse „Bunte Bentheimer“ (BB) zu entwickeln. Ein wesentlicher Bestandteil von Zuchtprogrammen für bedrohte Rassen ist der Erhalt der genetischen Diversität durch Vermeidung von weiterer Inzucht und Reduzierung des Inzuchtzuwachses. In Kapitel 2 wurde die Population der BB unter Berücksichtigung der vorhandenen Abstammungsinformationen in Bezug auf genetische Diversität, Inzucht und Verwandtschaft analysiert. Durchschnittlicher Inzuchtkoeffizient und Inzuchtzunahme lagen mit 12% und 1,66% pro Generation auf einem relativ hohen Niveau. Effektive Maßnahmen zur Inzuchtkontrolle sollten daher im Zuchtprogramm integriert werden. Durch die Bestimmung optimaler Einsatzfrequenzen selektierter Tiere ist es möglich, Inzucht zu kontrollieren und gleichzeitig Zuchtfortschritt zu generieren. Das konnte am Beispiel von Zuchtwerten für Fruchtbarkeitsmerkmale gezeigt werden. Basierend auf den optimalen Einsatzfrequenzen der selektierten Elterntiere wurden zur weiteren Reduzierung der Inzucht in der Folgegeneration konkrete Anpaarungspläne erstellt. Die Anpaarungen wurden unter Berücksichtigung der Natursprungproblematik durch Festlegung von Zuchtgebieten konzipiert. Die Umsetzung dieser wurde allerdings erschwert durch die eingeschränkte Verfügbarkeit der Eber. Schließt man die künstliche Besamung als mögliche Alternative aus, müssten die Zuchtgebiete so optimiert werden, dass die vorgeschlagenen Anpaarungen auch in die Praxis umgesetzt werden können. Die Gestaltung eines Zuchtprogramms erfordert zudem die Verfügbarkeit populationsgenetischer Parameter. Für die Fruchtbarkeitsmerkmale „Anzahl lebend geborener Ferkel“ (NBA) und „abgesetzter Ferkel“ (NW) lagen die Heritabilitäten bei jeweils 12%. Auch die genetischen Varianzen lagen in einem guten Bereich, so dass für beide Merkmale Zuchtfortschritt durch Selektion möglich ist. In Kapitel 3 wurden genetische Parameter für Fleischleistungs- und Fleischqualitätsmerkmale geschätzt. Als Grundlage dafür dienten sowohl in vivo Ultraschallmessungen am lebenden Tier, als auch Messungen, die am Schlachtkörper bzw. an einer Fleischprobe erfolgten. Zucht-, Mast- und Schlachttiere wurden am RYR1 Genort typisiert, um Allel-Substitutionseffekte zu schätzen. Die quantitativen- und molekulargenetischen Ansätze wurden genutzt, um darauf aufbauend zur Verbesserung der Fleischqualität Zuchtstrategien zu entwickeln. Für das Fleischqualitätsmerkmal intramuskulärer Fettgehalt (IMF) wurde die höchste Heritabilität von 0,78 bei einer ebenfalls hohen additiv-genetischen Varianz geschätzt. Dennoch ist die Erfassung dieses Merkmals mit einem hohen Kostenaufwand verbunden. Ein mögliches Hilfsmerkmal ist die Rückenspeckdicke (BFiv), die direkt am Selektionskandidaten erfasst werden kann. Die genetische Korrelation zwischen beiden Merkmale lag bei rg = 0,39. Die Assoziationsstudie am RYR1 Genort zeigte, dass die Anwesenheit des ungewünschten Allels einen negativen Effekt auf IMF hatte, d.h. der IMF Gehalt wurde reduziert. Darauf aufbauend wurde eine Zuchtstrategie entwickelt, die Phänotyp (BFiv) und Marker-Informationen am RYR1 Genort des Selektionskandidaten kombiniert. Durch die zusätzliche Berücksichtigung der Marker-Informationen konnten eine höhere Genauigkeit und ein höherer Zuchtfortschritt erzielt werden im Vergleich zu einer Strategie, die nur auf den phänotypischen Leistungen basiert. In Kapitel 4 wurde basierend auf einer Konsumentenbefragung mit integrierter Verkostung von Fleischproben indirekt die Zahlungsbereitschaft für unterschiedliche Fleischqualitäten erfasst. Alle Fleischproben wurden zusätzlich hinsichtlich der instrumental erfassbaren Fleischqualität untersucht und durch ein geschultes Panel im Sensorik Labor in Bezug auf die sensorische Qualität beurteilt. Außerdem wurde die direkte Zahlungsbereitschaft für unterschiedliche Qualitätsausprägungen der optischen Merkmale „Fleischfarbe“, „Fleischmarmorierung“ und „Fleischsaftverlust“ anhand von Fotografien erfasst. Die Ergebnisse dieser Befragung wurden genutzt, um ökonomischen Gewichte abzuleiten. Für IMF ergab sich ein hohes ökonomisches Gewicht von 57,52 € pro Merkmalseinheit bei dem aktuellen Populationsdurchschnitt von 1,57%. Mit steigendem Populationsmittel sinkt das ökonomische Gewicht und nähert sich ab einem Mittelwert von 2% einem Wert von 0,00 €. Aus züchterischer Sicht wäre daher ein durchschnittlicher IMF Gehalt von mindestens 2% anzustreben. Für Fleischqualitätsmerkmale, die beim Verzehr nicht direkt erfassbar sind, wie die Farbhelligkeit oder der Tropfsaftverlust, ist die direkte Methode zur Erfassung der Zahlungsbereitschaft (basierend auf den Fotografien) der indirekten (basierend auf der Verkostung) vorzuziehen, um ökonomische Gewichte abzuleiten. Genetische Parameter ökonomischen Gewichte wurden anschließend für Zuchtplanungsrechnungen verwendet. Im Zuchtziel wurde in erster Linie die Fruchtbarkeit (NBA) und Fleischqualität (IMF) berücksichtigt. Zur Vermeidung hoher Kosten und der besseren Anpassung an kleine Betriebsstrukturen wurde u.a. ein Zuchtprogramm modelliert, das auf in vivo Ultraschallmessungen für BFiv basiert, direkt erfasst am Selektionskandidaten. Der Züchtungsgewinn für diese Zuchtstrategie lag bei 35,92 € pro Tier. Der Zuchtfortschritt für IMF war allerdings erwartungsgemäß geringer als bei direkter Selektion auf das Merkmal. Basierend auf den Ergebnissen wurde in Kapitel 5 ein Entwurf für ein Zuchtprogramm erstellt, das die notwendigen Maßnahmen zur Inzuchtkontrolle beinhaltet und Zuchtfortschritt für rassespezifische Merkmale zulässt. Zudem ist dieser Entwurf angepasst an die kleinen Betriebsstrukturen und die unterschiedlichen Vermarktungsstrategien, die sich bereits etabliert haben.

Anwendungsorientierte Aufgaben für die Erstsemester-Mathematik-Veranstaltungen im Maschinenbaustudium

Dieser Werkstattbericht ist die zweite, verbesserte und um weitere Aufgaben ergänzte Version der Veröffentlichung von 2014. Hier wollen wir den aktuellen Arbeitsstand des Teilprojekts "Mathematik für Maschinenbauer" der AG Ing-Math vorstellen. Es werden eine Reihe von Anwendungsaufgaben und das zugrunde liegende Konzept vorgestellt. Die Aufgaben sind für die Veranstaltungen Mathematik 1 und 2 für Maschinenbauer konzipiert, jedoch lässt sich das Konzept auch auf andere ingenieurwissenschaftliche Studiengänge übertragen. Das Ziel ist es mit diesen Aufgaben die Motivation zu fördern und den Studierenden die Relevanz der Mathematik bereits in den ersten Semestern zu verdeutlichen.

Deutsch als L4 für Muttersprachler des Persischen

Das Erkenntnisinteresse der vorliegenden Arbeit besteht darin, im Rahmen einer explorativ-interpretativen Querschnittstudie vertiefte Einblicke in den Sprachgebrauch von mehrsprachigen Deutschlernenden am Beispiel von Verb-Nomen Kollokationen zu gewinnen. Unter Berücksichtigung der in diesem Zusammenhang bisher nicht untersuchten Sprachenkonstellation L1 Persisch, L2 Englisch, L3 Arabisch und L4 Deutsch sollen die von den Lernenden angewendeten lexikalischen Transferstrategien erforscht werden. Der Untersuchungsgegenstand sind die soziokognitiven Löseprozesse der ProbandInnen bei der dyadischen Bearbeitung von Kollokationsaufgaben. Zur Identifizierung der Transferphänomene und der TL-Strategien (Target Language-Strategien) werden Gesprächs-protokolle ausgewählter Dyaden analysiert. Überdies werden zwecks Rekonstruktion und Interpretation der Löseprozesse stimulated recall-Interviews mit den ProbandInnen herangezogen, wodurch die Datensets miteinander trianguliert werden. Zudem wird ermittelt, inwieweit ausgewählte Faktoren (Psychotypologie, Kompetenz in der Zielsprache und Kompetenz in den zuvor gelernten Sprachen) den Transferprozess beeinflussen. Hierzu dienen die Erkenntnisse aus begleitend durchgeführten Leitfadeninterviews und Sprachstandstests (TOEFL- und Arabischtest). Ferner wird der Arbeitsstil der ProbandInnen bei der dyadischen Aufgabenbearbeitung anhand des Fragebogens Style Analysis Survey von Oxford (1995) bestimmt. An der Studie, die im Deutschen Sprachinstitut Teheran durchgeführt wurde, nahmen 14 iranische Deutschlernende auf dem Niveau B2.1 und C2.2 teil. Sie wurden aufgrund ihrer mittels eines Fragebogens erhobenen Sprachlernbiografien ausgewählt. Die Gesprächsprotokolle der Dyadenarbeit und die Interviews wurden vollständig transkribiert bzw. transliteriert und anschließend qualitativ-interpretativ ausgewertet. Um ihre Wissenslücken bei der Bearbeitung der Kollokationsaufgaben zu kompensieren, setzten die ProbandInnen verschiedene inter- und intralinguale Strategien ein. Dabei ist der L1 Persisch und der L4 Deutsch insgesamt der größte Einfluss beizumessen. Diesbezüglich wird deutlich, dass zwischen Sprachniveau und Transferverhalten der Lernenden ein Zusammenhang besteht, insofern als fortgeschrittene Lernende stärker zu intralingualem Transfer neigen. Zudem lässt sich festhalten, dass ein Zusammenhang zwischen der empfundenen psychotypologischen Distanz und der Rolle der Muttersprache besteht, d.h. bei als größer empfundener psychotypologischer Distanz zwischen Persisch und Deutsch wird seltener aus dem Persischen transferiert. Überdies ist festzustellen, dass die L2 Englisch zwar gelegentlich mitaktiviert wird, jedoch nur eine untergeordnete Rolle spielt. Ein Einfluss der L3 Arabisch kann aus verschiedenen Gründen (u.a. geringes Niveau und mangelnder Gebrauch dieser Sprache) nicht festgestellt werden. Die vorliegende Arbeit versteht sich als ein Plädoyer für die Relevanz der Schulung von Kollokationen im Fremdsprachenunterricht, da die produktive Kollokationskompetenz der ProbandInnen auch auf einem hohen Niveau gravierende Defizite aufweist.

Interferometrische Sensoren mit Modulation der optischen Weglänge für die Fertigungsmesstechnik

Ziel dieser Dissertation ist es, eine Klasse interferometrischer Messgeräte zu charakterisieren und weiter zu entwickeln. Die Modulation der optischen Weglänge (OPLM) im Referenzarm eines interferometrischen Messsystems ist ein anpassungsfähiger Ansatz. Sie ist zur Messung von Oberflächenprofilen mit einer Auflösung bis in den sub-nm-Bereich bei einem Messbereich von bis zu 100 Mikrometer geeignet. Wird ein statisches Messobjekt gemessen, tritt durch die Modulation im Referenzarm am Detektor ein periodisches Interferenzmuster auf. Dies ist in der unten stehenden Abbildung schematisch dargestellt. Bei einer Veränderung des Abstandes zwischen Objekt und Messgerät kann aus der Phasen- und/oder Hüllkurvenverschiebung im Interferenzmuster die Abstandsänderung abgeleitet werden.Im Rahmen der Arbeit sind zwei funktionsfähige OPLM-Messsysteme entwickelt, aufgebaut und getestet worden. Diese demonstrieren, dass der OPLM-Ansatz ein breites Spektrum an Anwendungen durch eine optische Messung abdecken kann. Allerdings zeigen sich an den Messsystemen auch die Limitierungen des OPLM-Ansatzes. Die Systeme basieren auf einer Punktmessung mittels einer fasergekoppelten Sonde sowie auf einer linienförmigen Messung durch eine Zeilenkamera. Um eine hohe laterale Auflösung zu erzielen, wird die Zeilenkamera mit einem Mikroskop kombiniert. Damit flächenhaft gemessen werden kann, ist es notwendig, Messobjekt und Sensor zueinander zu verschieben. Daher wird eine Theorie entwickelt, unter welchen Randbedingungen bewegte Objekte von einem OPLM-Messsystem aufgelöst werden können. Die Theorie wird anschließend experimentell überprüft und bestätigt. Für die Auswertung der bei der Modulation der optischen Weglänge entstehenden Interferenzen existieren bereits einige erprobte Algorithmen, welche auf ihre Eignung hin untersucht und mit selbst entwickelten Algorithmen verglichen werden. Auch wird darauf eingegangen, welches die zentralen Herausforderungen bei der Planung von OPLM-Interferometern sind und wie sich insbesondere die Wahl des Aktors für die OPLM auf das gesamte Messsystem auswirkt. Bei den beiden Messsystemen werden jeweils wichtige Komponenten wie analoge Elektronik und Aktorik sowie ihre Funktionsweise erläutert. Es wird detailliert beschrieben, wie ein OPLM-Messsystem charakterisiert und kalibriert werden muss, um möglichst zuverlässige Messwerte zu liefern. Abschließend werden die Möglichkeiten der beiden entwickelten Systeme durch Beispielmessungen demonstriert, sowie ihre Messgenauigkeit charakterisiert.