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.

Von der Idee zum Mythos. Die Rezeption des Bauhaus in beiden Teilen Deutschlands in Zeiten des Neuanfangs (1945 und 1989)

Von der Idee zum Mythos. Die Rezeption des Bauhaus in beiden Teilen Deutschlands in Zeiten des Neuanfangs (1945 und 1989) Das Bauhaus wird 1919 durch Zusammenlegung der Großherzoglich Sächsischen Kunstgewerbeschule und der Hochschule für Bildende Kunst von Walter Gropius gegründet. Dabei geht es in seinem programmatischen Ansatz weit über seine institutionellen Vorgänger hinaus. Das Bauhaus-Konzept zielt nicht auf die Erschaffung einer zeitgemäßen Formsprache, sondern auf die Veränderung der gesellschaftlichen Wirklichkeit mit den Mitteln der Kunst. Diese Haltung ist eine Reaktion auf die Bewusstseinskrise, die durch den Ersten Weltkrieg ausgelöst worden war: Der zunehmenden Entfremdung von Kunst und Leben soll entgegengewirkt und dabei die versprengten Einzelkünste unter dem Primat der Architektur wieder zusammengeführt werden: Weil sich dieser sozial-moralische Impetus, der gemeinhin mit dem Schlagwort ‚Bauhaus-Idee’ umschrieben wird, äußerst vielschichtig darstellt, lässt er sich in die verschiedensten Kulturkonzepte einpassen. Die Arbeit legt die Bauhaus-Rezeption in Deutschland zu zwei verschiedenen Zeiten vergleichend dar. Im ersten Schritt wird die Ost- mit der Westrezeption verglichen. Dieser synchrone Vergleich wird zu zwei epochalen Umbruchsituationen durchgeführt; zum einen von 1945 bis Mitte der 50er Jahre, zum anderen von 1989 bis Mitte der 90er Jahre. Auf dieser Grundlage wird geprüft, wie sich die östliche als auch die westliche Wahrnehmung des Bauhaus von 1945-1955 gegenüber der Bauhausrezeption nach 1989 abhebt (diachroner Vergleich). Die Jahre 1945-1955 beschreiben die Entwicklung des Auseinanderbrechens der deutschen Nation in zwei autonome deutsche Staaten. Mit dem Jahr 1989 wird die Entwicklung umgekehrt: Deutschland wächst zu einer Kulturnation zusammen. Durch die Periodisierung (1945/1989) wird geklärt, wie das wiedervereinigte Deutschland auf kultureller Ebene mit der Vergangenheit des Kalten Krieges umgeht. Weil sich an der Bauhaus-Pädagogik am ehesten die reale Umsetzung der ‚Bauhaus-Idee’ ablesen lässt, analysiert meine Arbeit die pädagogischen Konzeptionen an deutschen Kunstschulen. Dabei wird in den Institutionsgeschichten der politisch-gesellschaftliche Rahmen stets mitgedacht, der Restituierungsversuche ermöglicht oder scheitern lässt. Im Zentrum meiner Arbeit steht nicht die Analyse der Sache ‚Bauhaus, sondern dessen Missdeutung und Umdeutung in politisch divergenten Zeiten. Für die Zeit 1945-1955 beschreibe ich auf westdeutscher Seite die Hochschule für Gestaltung in Ulm und die Werkakademie bzw. Werkkunstschule in Kassel. Im Osten konzentriert sich der Blick auf die historischen Bauhaus-Stätten: Weimar und Dessau. Nach der Wende vermischen sich die bis dahin getrennten Rezeptionsstränge von Ost und West. In der wiedervereinigten Bundesrepublik existieren neben dem Bauhaus-Archiv nunmehr zwei zusätzliche Institutionen: die Bauhaus-Universität in Weimar und die Stiftung Bauhaus Dessau. Wie wird in dieser historischen Situation das Bauhaus-Erbe aufgeteilt und verwaltet?

Modelling and simulation of a photovoltaic fuel cell hybrid system

A stand-alone power system is an autonomous system that supplies electricity to the user load without being connected to the electric grid. This kind of decentralized system is frequently located in remote and inaccessible areas. It is essential for about one third of the world population which are living in developed or isolated regions and have no access to an electricity utility grid. The most people live in remote and rural areas, with low population density, lacking even the basic infrastructure. The utility grid extension to these locations is not a cost effective option and sometimes technically not feasible. The purpose of this thesis is the modelling and simulation of a stand-alone hybrid power system, referred to as “hydrogen Photovoltaic-Fuel Cell (PVFC) hybrid system”. It couples a photovoltaic generator (PV), an alkaline water electrolyser, a storage gas tank, a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), and power conditioning units (PCU) to give different system topologies. The system is intended to be an environmentally friendly solution since it tries maximising the use of a renewable energy source. Electricity is produced by a PV generator to meet the requirements of a user load. Whenever there is enough solar radiation, the user load can be powered totally by the PV electricity. During periods of low solar radiation, auxiliary electricity is required. An alkaline high pressure water electrolyser is powered by the excess energy from the PV generator to produce hydrogen and oxygen at a pressure of maximum 30bar. Gases are stored without compression for short- (hourly or daily) and long- (seasonal) term. A proton exchange membrane (PEM) fuel cell is used to keep the system’s reliability at the same level as for the conventional system while decreasing the environmental impact of the whole system. The PEM fuel cell consumes gases which are produced by an electrolyser to meet the user load demand when the PV generator energy is deficient, so that it works as an auxiliary generator. Power conditioning units are appropriate for the conversion and dispatch the energy between the components of the system. No batteries are used in this system since they represent the weakest when used in PV systems due to their need for sophisticated control and their short lifetime. The model library, ISET Alternative Power Library (ISET-APL), is designed by the Institute of Solar Energy supply Technology (ISET) and used for the simulation of the hybrid system. The physical, analytical and/or empirical equations of each component are programmed and implemented separately in this library for the simulation software program Simplorer by C++ language. The model parameters are derived from manufacturer’s performance data sheets or measurements obtained from literature. The identification and validation of the major hydrogen PVFC hybrid system component models are evaluated according to the measured data of the components, from the manufacturer’s data sheet or from actual system operation. Then, the overall system is simulated, at intervals of one hour each, by using solar radiation as the primary energy input and hydrogen as energy storage for one year operation. A comparison between different topologies, such as DC or AC coupled systems, is carried out on the basis of energy point of view at two locations with different geographical latitudes, in Kassel/Germany (Europe) and in Cairo/Egypt (North Africa). The main conclusion in this work is that the simulation method of the system study under different conditions could successfully be used to give good visualization and comparison between those topologies for the overall performance of the system. The operational performance of the system is not only depending on component efficiency but also on system design and consumption behaviour. The worst case of this system is the low efficiency of the storage subsystem made of the electrolyser, the gas storage tank, and the fuel cell as it is around 25-34% at Cairo and 29-37% at Kassel. Therefore, the research for this system should be concentrated in the subsystem components development especially the fuel cell.

Entwicklung und Perspektiven der Schulaufsicht als Steuerungsinstrument für Schulentwicklung in Hessen seit 1945

Die Aufarbeitung der Wechselwirkung von Politik, Schulentwicklung und dem mit dem Verfassungsauftrag verbundenen Verantwortungsbereich der Schulaufsicht und ihrer Steuerungsfunktion im Bildungswesen ist Thema der Studie. Es sollen die Kontexte von Bildungsplanung, Steuerung der Schulentwicklung und Schulaufsicht bezogen auf die „autonome“ Schule am Beispiel Hessens dargestellt, analysiert und Perspektiven aufgezeigt werden. Die rechtlichen Grundlagen der Schulentwicklung und ihre bildungspolitischen Ausprägungen und die Strukturen und die Organisation der Bildungsverwaltung – mit einer Fokussierung auf die „inneren“ und „äußeren“ Schulangelegenheiten - werden dargestellt und die Entwicklungsprozesse analysiert. An den Beispielen Mittelpunktschule/Förderstufe und Schulprogramm wird der Versuch unternommen, die veränderten Rollen und Funktionen der Schulaufsicht in Verbindung mit den jeweiligen Entwicklungsphasen der Schulaufsichtsorganisation seit 1945 aufzuzeigen. Im Spannungsfeld von Politik, Pädagogik und Ökonomie war und ist die Steuerung der Schulentwicklung durch die Bildungsverwaltung ein zentrales gestaltendes Element. Die Schulforschung hat in der Vergangenheit dem Bereich der Bildungsverwaltung, hier insbesondere der Schulaufsicht, relativ wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Dabei ist die Schulaufsicht nicht nur im Grundgesetz sondern in allen Länderverfassung als „hoheitliche“ Aufgabe verankert und in den entsprechenden Schulgesetzen als Dienst-, Fach- und Rechtsaufsicht über die Schulen ein fester Bestandteil des staatlichen Gewaltmonopols. Nicht nur die Schulaufsicht als Teil der Bildungsverwaltung und ihre direkte und indirekte Rolle bei der Steuerung der Schulentwicklung in Hessen, auch der Einfluss der Finanzpolitik sowie die Auswirkungen der internationalen Vergleichsuntersuchungen und der Europäisierung (TIMSS, PISA, IGLU, Bologna, Lissabon, EU-Programme, internationale Organisationen) werden kontextuell behandelt. Die Auswirkungen finanzpolitischer Entscheidungen ("schlanker Staat") und die Einführung der Neuen Verwaltungssteuerung in Hessen auf die weiteren Perspektiven der Schulaufsicht und die Bildungsverwaltung insgesamt werden im Kontext zu den übrigen Bundesländern auf Grund aktueller politischer Entscheidungen im Zusammenhang mit der Diskussion um Qualitätssicherung im Bildungswesen aufgezeigt und künftige Funktionen und Gestaltungsmöglichkeiten der Schulaufsicht als „regionaler Qualitätsagentur“ perspektivisch entwickelt.

Herrschen durch Delegation

Am Beispiel der in der Wetterau gelegenen Reichsgrafschaft Solms-Rödelheim werden in der Dissertation die Existenzbedingungen der kleinen und kleinsten selbstständigen Reichsstände im Heiligen Römischen Reich Deutscher Nation der Frühen Neuzeit untersucht. Erkenntnisleitend ist dabei die Frage, ob und wie solche Territorien nicht nur trotz wiederkehrender Existenzbedrohungen bis zum Ende des Alten Reichs überleben konnten, sondern durch welche Strategien es ihnen gelang, dabei teilweise recht erfolgreich zu sein, wobei sich Erfolg durch politische Stabilität und wirtschaftliche Effizienz äußern konnte. Diese Frage rückt die zahlreichen kleinen Stände in den Fokus, nachdem diese lange Zeit marginalisiert und als bloße Objekte im Spiel der mächtigen Fürsten angesehen wurden. Insofern füllt sie eine bis heute evidente Lücke in der historischen Forschung zu frühneuzeitlicher Landesherrschaft, aber auch zum Funktionieren des Reichs als Verbund von Hoch-adelsherrschaften insgesamt. Zu ihrer Beantwortung werden zunächst systematisch die territorialen und rechtlichen Grundlagen reichsgräflicher Herrschaft herausgearbeitet, die aus einer größeren Zahl einzelner Rechts- und Herrschaftstitel zusammengesetzt waren. Die Herrschaft der Reichsgrafen unterschied sich also im 18. Jahrhundert deutlich von derjenigen der meisten Fürsten, die oft eine autonome und einheitliche Landeshoheit hatten herausbilden können. Die verstreut liegenden Gebiete, auf die sie sich bezog, wurden durch eine wirtschaftliche und herrschaftliche Administration verwaltet, die trotz kleiner Dimensionen als auf der Höhe der Zeit befindlich und leistungsfähig bezeichnet werden kann. Sowohl Herrschaft als auch Ökonomie waren dabei jederzeit stark auf die Person des regierenden Reichsgrafen ausge-richtet, weshalb in der Dissertation der Begriff „personale Ökonomie“ analog zur geläufigen „personalen Herrschaft“ entwickelt wird. Die schmale territoriale Basis konnte im späten 17. und im 18. Jahrhundert auf verschiedenen Wegen erweitert werden. Durch eine rigidere Kontrolle über die Weitergabe durch Vererbung durch die Durchsetzung der Primogenitur gelang es zudem, eine neuerliche Zersplitterung beim Tod eines Regenten weitgehend zu verhindern. Dass dies jedoch nicht die Lösung aller Probleme bedeutete, zeigt die Untersuchung der Position des Sekundogenitus, die – insbesondere wenn er der Erbe eines verfeindeten Bruders war – große Bedeutung für die Entwicklung einer Reichsgrafschaft gewinnen konnte. Im letzten Kapitel schließlich rückt das in der Dissertation entwickelte Konzept der „Herrschaft durch Delegation“ in den Mittelpunkt. Danach funktionierte eine Landesherrschaft kleiner und kleinster Reichsstände angesichts der großen Herausforderungen bei gleichzeitig geringer Macht und vergleichsweise wenig leistungsfähiger Verwaltungen dann besonders gut, wenn die Landesherren darauf verzichteten, alle ihnen prinzipiell zustehenden Rechte selbst auszuüben, sondern sie statt dessen an Dritte delegierten. Für die Reichsgrafen von Solms-Rödelheim wird herausgearbeitet, dass besonders Haus und Familie, Ständische Bündnissysteme wie der Wetterauer Grafenverein, der Oberrheinische Reichskreis und innerterritoriale Mediatgewalten, hier v.a. die Gemeinden, große Bedeutung als Träger delegierter Herrschaft besaßen.

Autonomes Performance-Management in dienstorientierten Architekturen

Die Bedeutung des Dienstgüte-Managements (SLM) im Bereich von Unternehmensanwendungen steigt mit der zunehmenden Kritikalität von IT-gestützten Prozessen für den Erfolg einzelner Unternehmen. Traditionell werden zur Implementierung eines wirksamen SLMs Monitoringprozesse in hierarchischen Managementumgebungen etabliert, die einen Administrator bei der notwendigen Rekonfiguration von Systemen unterstützen. Auf aktuelle, hochdynamische Softwarearchitekturen sind diese hierarchischen Ansätze jedoch nur sehr eingeschränkt anwendbar. Ein Beispiel dafür sind dienstorientierte Architekturen (SOA), bei denen die Geschäftsfunktionalität durch das Zusammenspiel einzelner, voneinander unabhängiger Dienste auf Basis deskriptiver Workflow-Beschreibungen modelliert wird. Dadurch ergibt sich eine hohe Laufzeitdynamik der gesamten Architektur. Für das SLM ist insbesondere die dezentrale Struktur einer SOA mit unterschiedlichen administrativen Zuständigkeiten für einzelne Teilsysteme problematisch, da regelnde Eingriffe zum einen durch die Kapselung der Implementierung einzelner Dienste und zum anderen durch das Fehlen einer zentralen Kontrollinstanz nur sehr eingeschränkt möglich sind. Die vorliegende Arbeit definiert die Architektur eines SLM-Systems für SOA-Umgebungen, in dem autonome Management-Komponenten kooperieren, um übergeordnete Dienstgüteziele zu erfüllen: Mithilfe von Selbst-Management-Technologien wird zunächst eine Automatisierung des Dienstgüte-Managements auf Ebene einzelner Dienste erreicht. Die autonomen Management-Komponenten dieser Dienste können dann mithilfe von Selbstorganisationsmechanismen übergreifende Ziele zur Optimierung von Dienstgüteverhalten und Ressourcennutzung verfolgen. Für das SLM auf Ebene von SOA Workflows müssen temporär dienstübergreifende Kooperationen zur Erfüllung von Dienstgüteanforderungen etabliert werden, die sich damit auch über mehrere administrative Domänen erstrecken können. Eine solche zeitlich begrenzte Kooperation autonomer Teilsysteme kann sinnvoll nur dezentral erfolgen, da die jeweiligen Kooperationspartner im Vorfeld nicht bekannt sind und – je nach Lebensdauer einzelner Workflows – zur Laufzeit beteiligte Komponenten ausgetauscht werden können. In der Arbeit wird ein Verfahren zur Koordination autonomer Management-Komponenten mit dem Ziel der Optimierung von Antwortzeiten auf Workflow-Ebene entwickelt: Management-Komponenten können durch Übertragung von Antwortzeitanteilen untereinander ihre individuellen Ziele straffen oder lockern, ohne dass das Gesamtantwortzeitziel dadurch verändert wird. Die Übertragung von Antwortzeitanteilen wird mithilfe eines Auktionsverfahrens realisiert. Technische Grundlage der Kooperation bildet ein Gruppenkommunikationsmechanismus. Weiterhin werden in Bezug auf die Nutzung geteilter, virtualisierter Ressourcen konkurrierende Dienste entsprechend geschäftlicher Ziele priorisiert. Im Rahmen der praktischen Umsetzung wird die Realisierung zentraler Architekturelemente und der entwickelten Verfahren zur Selbstorganisation beispielhaft für das SLM konkreter Komponenten vorgestellt. Zur Untersuchung der Management-Kooperation in größeren Szenarien wird ein hybrider Simulationsansatz verwendet. Im Rahmen der Evaluation werden Untersuchungen zur Skalierbarkeit des Ansatzes durchgeführt. Schwerpunkt ist hierbei die Betrachtung eines Systems aus kooperierenden Management-Komponenten, insbesondere im Hinblick auf den Kommunikationsaufwand. Die Evaluation zeigt, dass ein dienstübergreifendes, autonomes Performance-Management in SOA-Umgebungen möglich ist. Die Ergebnisse legen nahe, dass der entwickelte Ansatz auch in großen Umgebungen erfolgreich angewendet werden kann.

Context as a Service

In the vision of Mark Weiser on ubiquitous computing, computers are disappearing from the focus of the users and are seamlessly interacting with other computers and users in order to provide information and services. This shift of computers away from direct computer interaction requires another way of applications to interact without bothering the user. Context is the information which can be used to characterize the situation of persons, locations, or other objects relevant for the applications. Context-aware applications are capable of monitoring and exploiting knowledge about external operating conditions. These applications can adapt their behaviour based on the retrieved information and thus to replace (at least a certain amount) the missing user interactions. Context awareness can be assumed to be an important ingredient for applications in ubiquitous computing environments. However, context management in ubiquitous computing environments must reflect the specific characteristics of these environments, for example distribution, mobility, resource-constrained devices, and heterogeneity of context sources. Modern mobile devices are equipped with fast processors, sufficient memory, and with several sensors, like Global Positioning System (GPS) sensor, light sensor, or accelerometer. Since many applications in ubiquitous computing environments can exploit context information for enhancing their service to the user, these devices are highly useful for context-aware applications in ubiquitous computing environments. Additionally, context reasoners and external context providers can be incorporated. It is possible that several context sensors, reasoners and context providers offer the same type of information. However, the information providers can differ in quality levels (e.g. accuracy), representations (e.g. position represented in coordinates and as an address) of the offered information, and costs (like battery consumption) for providing the information. In order to simplify the development of context-aware applications, the developers should be able to transparently access context information without bothering with underlying context accessing techniques and distribution aspects. They should rather be able to express which kind of information they require, which quality criteria this information should fulfil, and how much the provision of this information should cost (not only monetary cost but also energy or performance usage). For this purpose, application developers as well as developers of context providers need a common language and vocabulary to specify which information they require respectively they provide. These descriptions respectively criteria have to be matched. For a matching of these descriptions, it is likely that a transformation of the provided information is needed to fulfil the criteria of the context-aware application. As it is possible that more than one provider fulfils the criteria, a selection process is required. In this process the system has to trade off the provided quality of context and required costs of the context provider against the quality of context requested by the context consumer. This selection allows to turn on context sources only if required. Explicitly selecting context services and thereby dynamically activating and deactivating the local context provider has the advantage that also the resource consumption is reduced as especially unused context sensors are deactivated. One promising solution is a middleware providing appropriate support in consideration of the principles of service-oriented computing like loose coupling, abstraction, reusability, or discoverability of context providers. This allows us to abstract context sensors, context reasoners and also external context providers as context services. In this thesis we present our solution consisting of a context model and ontology, a context offer and query language, a comprehensive matching and mediation process and a selection service. Especially the matching and mediation process and the selection service differ from the existing works. The matching and mediation process allows an autonomous establishment of mediation processes in order to transfer information from an offered representation into a requested representation. In difference to other approaches, the selection service selects not only a service for a service request, it rather selects a set of services in order to fulfil all requests which also facilitates the sharing of services. The approach is extensively reviewed regarding the different requirements and a set of demonstrators shows its usability in real-world scenarios.