Information Exchange and Fusion in Dynamic and Heterogeneous Distributed Environments

Context awareness, dynamic reconfiguration at runtime and heterogeneity are key characteristics of future distributed systems, particularly in ubiquitous and mobile computing scenarios. The main contributions of this dissertation are theoretical as well as architectural concepts facilitating information exchange and fusion in heterogeneous and dynamic distributed environments. Our main focus is on bridging the heterogeneity issues and, at the same time, considering uncertain, imprecise and unreliable sensor information in information fusion and reasoning approaches. A domain ontology is used to establish a common vocabulary for the exchanged information. We thereby explicitly support different representations for the same kind of information and provide Inter-Representation Operations that convert between them. Special account is taken of the conversion of associated meta-data that express uncertainty and impreciseness. The Unscented Transformation, for example, is applied to propagate Gaussian normal distributions across highly non-linear Inter-Representation Operations. Uncertain sensor information is fused using the Dempster-Shafer Theory of Evidence as it allows explicit modelling of partial and complete ignorance. We also show how to incorporate the Dempster-Shafer Theory of Evidence into probabilistic reasoning schemes such as Hidden Markov Models in order to be able to consider the uncertainty of sensor information when deriving high-level information from low-level data. For all these concepts we provide architectural support as a guideline for developers of innovative information exchange and fusion infrastructures that are particularly targeted at heterogeneous dynamic environments. Two case studies serve as proof of concept. The first case study focuses on heterogeneous autonomous robots that have to spontaneously form a cooperative team in order to achieve a common goal. The second case study is concerned with an approach for user activity recognition which serves as baseline for a context-aware adaptive application. Both case studies demonstrate the viability and strengths of the proposed solution and emphasize that the Dempster-Shafer Theory of Evidence should be preferred to pure probability theory in applications involving non-linear Inter-Representation Operations.

Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien

Sowohl die Ressourcenproblematik als auch die drohenden Ausmaße der Klimaänderung lassen einen Umstieg auf andere Energiequellen langfristig unausweichlich erscheinen und mittelfristig als dringend geboten. Unabhängig von der Frage, auf welchem Niveau sich der Energiebedarf stabilisieren lässt, bleibt dabei zu klären, welche Möglichkeiten sich aus technischer und wirtschaftlicher Sicht in Zukunft zur Deckung unseres Energiebedarfs anbieten. Eine aussichtsreiche Option besteht in der Nutzung regenerativer Energien in ihrer ganzen Vielfalt. Die Arbeit "Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien" konzentriert sich mit der Stromversorgung auf einen Teilaspekt der Energieversorgung, der zunehmend an Wichtigkeit gewinnt und als ein Schlüssel zur nachhaltigen Energieversorgung interpretiert werden kann. Die Stromversorgung ist heute weltweit für etwa die Hälfte des anthropogenen CO2-Ausstoßes verantwortlich. In dieser Arbeit wurden anhand verschiedener Szenarien Möglichkeiten einer weitgehend CO2–neutralen Stromversorgung für Europa und seine nähere Umgebung untersucht, wobei das Szenariogebiet etwa 1,1 Mrd. Einwohner und einen Stromverbrauch von knapp 4000 TWh/a umfasst. Dabei wurde untersucht, wie die Stromversorgung aufgebaut sein sollte, damit sie möglichst kostengünstig verwirklicht werden kann. Diese Frage wurde beispielsweise für Szenarien untersucht, in denen ausschließlich heute marktverfügbare Techniken berücksichtigt wurden. Auch der Einfluss der Nutzung einiger neuer Technologien, die bisher noch in Entwicklung sind, auf die optimale Gestaltung der Stromversorgung, wurde anhand einiger Beispiele untersucht. Die Konzeption der zukünftigen Stromversorgung sollte dabei nach Möglichkeit objektiven Kriterien gehorchen, die auch die Vergleichbarkeit verschiedener Versorgungsansätze gewährleisten. Dafür wurde ein Optimierungsansatz gewählt, mit dessen Hilfe sowohl bei der Konfiguration als auch beim rechnerischen Betrieb des Stromversorgungssystems weitgehend auf subjektive Entscheidungsprozesse verzichtet werden kann. Die Optimierung hatte zum Ziel, für die definierte möglichst realitätsnahe Versorgungsaufgabe den idealen Kraftwerks- und Leitungspark zu bestimmen, der eine kostenoptimale Stromversorgung gewährleistet. Als Erzeugungsoptionen werden dabei u.a. die Nutzung Regenerativer Energien durch Wasserkraftwerke, Windenergiekonverter, Fallwindkraftwerke, Biomassekraftwerke sowie solare und geothermische Kraftwerke berücksichtigt. Abhängig von den gewählten Randbedingungen ergaben sich dabei unterschiedliche Szenarien. Das Ziel der Arbeit war, mit Hilfe unterschiedlicher Szenarien eine breite Basis als Entscheidungsgrundlage für zukünftige politische Weichenstellungen zu schaffen. Die Szenarien zeigen Optionen für eine zukünftige Gestaltung der Stromversorgung auf, machen Auswirkungen verschiedener – auch politischer – Rahmenbedingungen deutlich und stellen so die geforderte Entscheidungsgrundlage bereit. Als Grundlage für die Erstellung der Szenarien mussten die verschiedenen Potentiale erneuerbarer Energien in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung ermittelt werden, mit denen es erstmals möglich war, die Fragen einer großräumigen regenerativen Stromversorgung ohne ungesicherte Annahmen anhand einer verlässlichen Datengrundlage anzugehen. Auch die Charakteristika der verschiedensten Energiewandlungs- und Transportsysteme mussten studiert werden und sind wie deren Kosten und die verschiedenen Potentiale in der vorliegenden Arbeit ausführlich diskutiert. Als Ausgangsszenario und Bezugspunkt dient ein konservatives Grundszenario. Hierbei handelt es sich um ein Szenario für eine Stromversorgung unter ausschließlicher Nutzung erneuerbarer Energien, die wiederum ausschließlich auf heute bereits entwickelte Technologien zurückgreift und dabei für alle Komponenten die heutigen Kosten zugrundelegt. Dieses Grundszenario ist dementsprechend auch als eine Art konservative Worst-Case-Abschätzung für unsere Zukunftsoptionen bei der regenerativen Stromversorgung zu verstehen. Als Ergebnis der Optimierung basiert die Stromversorgung beim Grundszenario zum größten Teil auf der Stromproduktion aus Windkraft. Biomasse und schon heute bestehende Wasserkraft übernehmen den überwiegenden Teil der Backup-Aufgaben innerhalb des – mit leistungsstarker HGÜ (Hochspannungs–Gleichstrom–Übertragung) verknüpften – Stromversorgungsgebiets. Die Stromgestehungskosten liegen mit 4,65 €ct / kWh sehr nahe am heute Üblichen. Sie liegen niedriger als die heutigen Preisen an der Strombörse. In allen Szenarien – außer relativ teuren, restriktiv ”dezentralen” unter Ausschluss großräumig länderübergreifenden Stromtransports – spielt der Stromtransport eine wichtige Rolle. Er wird genutzt, um Ausgleichseffekte bei der dargebotsabhängigen Stromproduktion aus erneuerbaren Quellen zu realisieren, gute kostengünstige Potentiale nutzbar zu machen und um die Speicherwasserkraft sowie die dezentral genutzte Biomasse mit ihrer Speicherfähigkeit für großräumige Backup-Aufgaben zu erschließen. Damit erweist sich der Stromtransport als einer der Schlüssel zu einer kostengünstigen Stromversorgung. Dies wiederum kann als Handlungsempfehlung bei politischen Weichenstellungen interpretiert werden, die demnach gezielt auf internationale Kooperation im Bereich der Nutzung erneuerbarer Energien setzen und insbesondere den großräumigen Stromtransport mit einbeziehen sollten. Die Szenarien stellen detaillierte und verlässliche Grundlagen für wichtige politische und technologische Zukunftsentscheidungen zur Verfügung. Sie zeigen, dass bei internationaler Kooperation selbst bei konservativen Annahmen eine rein regenerative Stromversorgung möglich ist, die wirtschaftlich ohne Probleme zu realisieren wäre und verweisen den Handlungsbedarf in den Bereich der Politik. Eine wesentliche Aufgabe der Politik läge darin, die internationale Kooperation zu organisieren und Instrumente für eine Umgestaltung der Stromversorgung zu entwickeln. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass nicht nur ein sinnvoller Weg zu einer CO2–neutralen Stromversorgung beschritten würde, sondern sich darüber hinaus ausgezeichnete Entwicklungsperspektiven für die ärmeren Nachbarstaaten der EU und Europas eröffnen.

Untersuchungen zum thermisch induzierten Luftwechselpotential von Kippfenstern

Die sogenannte natürliche Lüftung - Lüftung infolge Temperatur- und Windeinfluss - über geöffnete Fenster und Türen ist im Wohnbereich noch immer die häufigste Form des Lüftens. Die Wirkung des Lüftens wird einerseits von den baulichen Gegebenheiten, z.B. der Fenstergröße, Öffnungsfläche und Laibungstiefe sowie andererseits durch den Nutzer, der z.B. eine Gardine oder Rollos anbringt, beeinflusst. Über den genauen Einfluss von verschiedenen Faktoren auf den Luftwechsel existieren zur Zeit noch keine gesicherten Erkenntnisse. Die Kenntnis des Luftwechsels ist jedoch für die Planung und Ausführung von Gebäuden in Hinblick auf das energiesparende Bauen sowie unter bauphysikalischen und hygienischen Aspekten wichtig. Der Einsatz von Dreh-Kippfenstern sowie das Lüften über die Kippstellung ist in Deutschland üblich, so dass die Bestimmung des Luftwechsels über Kippfenster von großem Interesse ist. Ziel dieser Arbeit ist es, den thermisch induzierten Luftwechsel über ein Kippfenster unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen zu beschreiben. Hierbei werden Variationen der Kippweite, Laibungs- und Heizungsanordnung berücksichtigt. Die Arbeit gliedert sich in drei Teile: im ersten Teil werden messtechnische Untersuchungen durchgeführt, im zweiten Teil exemplarisch einige messtechnisch untersuchten Varianten mit CFD simuliert und im dritten Teil ein verbesserter Modellansatz zur Beschreibung des Luftwechsels aus den Messwerten abgeleitet. Die messtechnischen Untersuchungen bei einer Kippweite von 10 cm zeigen, dass bei dem Vorhandensein einer raumseitigen Laibung oder einem unterhalb des Fensters angeordneten Heizkörpers mit einer Reduktion des Volumenstroms von rund 20 Prozent gegenüber einem Fenster ohne Laibung bzw. ohne Heizkörper gerechnet werden muss. Die Kombination von raumseitiger Laibung und Heizung vermindert das Luftwechselpotential um ca. 40 Prozent. Simuliert wird die Variante ohne Laibung und ohne Heizung für die Kippweiten 6 cm und 10 cm. Die Ergebnisse der mit CFD simulierten Tracergas-Messung weisen für beide Kippweiten im Mittel rund 13 Prozent höhere Zuluftvolumenströme im Vergleich zu den Messwerten auf. Die eigenen Messdaten bilden die Grundlage für die Anpassung eines Rechenmodells. Werden vor Ort die lichte Fensterhöhe und -breite, die Kippweite, die Rahmen- und Laibungstiefe sowie die Abstände der Laibung zum Flügelrahmen gemessen, kann die Öffnungsfläche in Abhängigkeit von der Einbausituation bestimmt werden. Der Einfluss der Heizung - bei einer Anordnung unterhalb des Fensters - wird über den entsprechenden Cd-Wert berücksichtigt.

Innovation and Globalization Policy in Small Transition Countries ; Case study: Macedonia and Slovenia

Diese Arbeit befasst sich mit der Innovations- und Globalisierungspolitik in kleinen Transformationsländern am Beispiel Mazedoniens; diese wurde mit der Lage in Slowenien verglichen, einem Land von ungefähr gleicher Größe und mit gemeinsamer Vergangenheit als Teilrepublik der Jugoslawischen Föderation, aber mit einem wesentlich höheren ökonomischen Entwicklungsstand. Innovation wird dabei verstanden als „Herstellung, Anpassung und Ausnutzung von Neuerungen“, und sie wird durch das Umfeld, in dem sie stattfindet, beeinflusst. Anpassung und Ausnutzung sind gerade für kleine Transformationsländer von erheblicher Bedeutung, da ihre Fähigkeit zu Herstellung von Neuerungen sehr begrenzt sind. Die Rolle der Innovationspolitik besteht hierbei darin, institutionelle und organisationelle Regulierungen einzuführen, die ein günstiges Umfeld sowohl für Innovationen als auch für die Entwicklung eines nationalen Innovationssystems schaffen. Die Rolle der Politik besteht also nicht in der Innovation als solcher, sondern in der Herstellung der notwendigen Bedingungen für die Industrie und die Forschungseinrichtungen dahingehend zu schaffen, dass sie ihr Wissen, ihre Fertigkeiten und ihre praktischen Erfahrungen für innovative Tätigkeiten einsetzen können. Auf der einen Seite gibt es Institutionen und Organisationen, ohne die die Unternehmen rückständig und wenig leistungsstark wären (etwa das Patentamt oder Institutionen höherer Bildung), und auf der anderen Seite gibt es Institutionen und Organisationen, welche die Unternehmen dabei unterstützen, dass sie ihre Tätigkeit weiter unterstützen (z.B. durch Technologietransfer-Zentren und Netzwerke). Die Leistungen dieser Institutionen und Organisationen sind von großer Bedeutung für die nationalen Innovationssysteme und sollten ihrerseits durch Innovationspolitik unterstützt werden; dies bedeutet jedoch nicht, dass diese Leistungen vom Staat bereitgestellt werden, vielmehr sollte die Wirtschaftspolitik Möglichkeiten für die öffentlich/private oder sogar rein private Bereitstellung solcher Leistungen in Erwägung ziehen; dies würde nicht nur die Kosten für den Staat senken, sondern auch die Effizienz bei der Erstellung dieser Leistungen steigern. Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass das größte Problem der Innovationspolitik in Mazedonien darin besteht, dass es sie gar nicht gibt, und zwar nicht als Folge einer bewussten Entscheidung darüber. Tatsächlich müssen Ressourcen und Zeit für die Schaffung eines nationalen Innovationssystems eingesetzt werden mit Hilfe einer Politik, die sich auf die wesentlichen Umrisse konzentriert, wobei die Nachfrage nach Technologie im Unternehmensbereich gesteigert wird und das Wissen und das Informationsangebot restrukturiert wird. Dieses System muss offen sein, unter beständigem Verbesserungsdruck stehen und fähig sein, sich an Veränderungen anzupassen. Damit eine solche Politik erfolgreich ist, muss es einen Konsens darüber zwischen allen beteiligten Akteuren geben und darüber hinaus auch eine Kohärenz zwischen den verschiedenen politischen Institutionen. Das ist deswegen wichtig, weil der Innovationsprozess komplex ist und verschiedene Politikbereiche berührt. Ziel sollte die Schaffung eines Systems sein, das einerseits auf Autonomie und Kooperation aufbaut, andererseits aber auch Wettbewerb zwischen den beteiligten Institutionen und Organisationen fördert. Eine wichtige Bedingung für ein positives Investitionsklima im Bereich der Innovation ist die Erreichung von makroökonomischer Stabilität. Die gegenwärtige Situation ist gekennzeichnet durch Instabilität des Rechtswesens, durch Korruption und Probleme des Vertragsschutzes, die sowohl ausländische als auch inländische Akteure davon abhält, sich in wirtschaftlichen Aktivitäten in Mazedonien zu engagieren. Bei der Suche nach einem Ausweg aus diesen Problemen ist es wichtig für Mazedonien, von anderen Ländern wie Slowenien zu lernen, die ähnliche Probleme haben, aber auch schon Erfahrungen in der Problemlösung. Man muss dabei beachten, dass der Entwicklungsstand, das wirtschaftliche und das politische Umfeld in beiden Vergleichsländern sich erheblich unterscheiden, so dass die Lektionen, die Mazedonien von Slowenien lernen könnte, nicht direkt übertragen und kopiert werden können, sondern entsprechend angepasst werden müssen. Die vorliegende Arbeit liefert Einsichten in die Probleme der Innovationspolitik in Transformationsländern und liefert daher sowohl einen Anreiz als auch eine Quelle von Informationen für künftige Analysen der wirtschaftlichen Bedingungen und vor allem Innovationspolitik in Transformationsländern.

Goal-oriented recovery bei nichtlinearen Scheibenproblemen

Es werden die Grundlagen und wichtigsten Konzepte für zielorientierte Fehlerschätzer bei linearen und nichtlinearen Problemen vorgestellt. Mit ihrer Hilfe lassen sich Aussagen über die Güte einzelner lokaler Werte treffen und es ist möglich, das Netz innerhalb von adaptiven Verfahren derart zu optimieren, dass die betrachtete lokale Größe möglichst genau berechnet werden kann.

Evolving Distributed Algorithms with Genetic Programming

Distributed systems are one of the most vital components of the economy. The most prominent example is probably the internet, a constituent element of our knowledge society. During the recent years, the number of novel network types has steadily increased. Amongst others, sensor networks, distributed systems composed of tiny computational devices with scarce resources, have emerged. The further development and heterogeneous connection of such systems imposes new requirements on the software development process. Mobile and wireless networks, for instance, have to organize themselves autonomously and must be able to react to changes in the environment and to failing nodes alike. Researching new approaches for the design of distributed algorithms may lead to methods with which these requirements can be met efficiently. In this thesis, one such method is developed, tested, and discussed in respect of its practical utility. Our new design approach for distributed algorithms is based on Genetic Programming, a member of the family of evolutionary algorithms. Evolutionary algorithms are metaheuristic optimization methods which copy principles from natural evolution. They use a population of solution candidates which they try to refine step by step in order to attain optimal values for predefined objective functions. The synthesis of an algorithm with our approach starts with an analysis step in which the wanted global behavior of the distributed system is specified. From this specification, objective functions are derived which steer a Genetic Programming process where the solution candidates are distributed programs. The objective functions rate how close these programs approximate the goal behavior in multiple randomized network simulations. The evolutionary process step by step selects the most promising solution candidates and modifies and combines them with mutation and crossover operators. This way, a description of the global behavior of a distributed system is translated automatically to programs which, if executed locally on the nodes of the system, exhibit this behavior. In our work, we test six different ways for representing distributed programs, comprising adaptations and extensions of well-known Genetic Programming methods (SGP, eSGP, and LGP), one bio-inspired approach (Fraglets), and two new program representations called Rule-based Genetic Programming (RBGP, eRBGP) designed by us. We breed programs in these representations for three well-known example problems in distributed systems: election algorithms, the distributed mutual exclusion at a critical section, and the distributed computation of the greatest common divisor of a set of numbers. Synthesizing distributed programs the evolutionary way does not necessarily lead to the envisaged results. In a detailed analysis, we discuss the problematic features which make this form of Genetic Programming particularly hard. The two Rule-based Genetic Programming approaches have been developed especially in order to mitigate these difficulties. In our experiments, at least one of them (eRBGP) turned out to be a very efficient approach and in most cases, was superior to the other representations.

The social dimension: a neglected policy item in the Bologna Process

Since its beginning in 1999, the Bologna Process has influenced various aspects of higher education in its member countries, e.g., degree structures, mobility, lifelong learning, social dimension and quality assurance. The social dimension creates the focus of this research. The social dimension entered the Bologna Process agenda in 2001. Despite a decade of reforms, it somehow remained as a vague element and received low scholarly attention. This research addresses to this gap. Firstly, different meanings of the social dimension according to the major European policy actors are analysed. Unfolding the understandings of the actors revealed that the social dimension is mostly understood in terms reflecting the diversity of population on the student body accessing to, progressing in and completing higher education, with a special concern on the underrepresented groups. However, it is not possible to observe a similar commonality concerning the actual policy measures to achieve this goal. Divergence occurs with respect to the addressed underrepresented groups, i.e., all underrepresented groups or people without formal qualifications and mature learners, and the values and institutional interests traditionally promoted by these actors. Secondly, the dissertation discusses the reflection of this social dimension understanding at the national level by looking at cases of Finland, Germany and Turkey. The in-depth analyses show an awareness of the social dimension among most of the national Bologna Process actors and a common understanding of the social dimension goals. However, this understanding has not triggered action in any of the countries. The countries acted on areas which they defined problematic before the Bologna Process. Finally, based on these findings the dissertation discusses the social dimension as a policy item that managed to get into the Bologna Process agenda, but neither grew into an implementable policy, nor drop out of it. To this aim, it makes use of the multiple streams framework and explains the low agenda status social dimension with: i. the lack of a pressing problem definition: the lack of clearly defined indicators and a comprehensive monitoring system, ii. the lack of a viable solution alternative: the proposal of developing national strategies and action plans closed the way to develop generic guidelines for the social dimension to be translated into national policy processes, iii. low political perceptivity: the recent trends opt for increasing efficiency, excellence and exclusiveness discourses rather than ensuring equality and inclusiveness iv. high constraints: the social dimension by definition requires more public funding which is less appreciated and strategic constraints of the actors in allocating their resources v. the type of policy entrepreneur: the social dimension is promoted by an international stakeholder, the European Students’ Union, instead of the ministers responsible for higher education The social dimension remains a policy item in the Bologna Process which is noble enough to agree but not urgent enough to act on.