Methodische Ansätze für die agentenorientierte Softwareentwicklung im Maschinen-und Anlagenbau

Der Anteil dezentraler eingebetteter Systeme steigt in zahlreichen Andwendungsfeldern, wie der Kfz-Elektronik oder der Anlagenautomatisierung [ScZu03]. Zudem steigen die Anforderungen and die Flexibilität und den Funktionsumfang moderner automatisierungs-technischer Systeme. Der Einsatz agentenorientierter Methoden ist diesbezüglich ein geeigneter Ansatz diesen Anforderungen gerecht zu werden [WGU03]. Mit Agenten können flexible, anpassungsfähige Softwaresysteme entwickelt werden, welche die Verteilung von Informationen, Aufgaben, Ressourcen oder Entscheidungsprozessen der realen Problemstellung im Softwaresystem widerspiegeln. Es ist somit möglich, die gewünschte Flexibilität des Systems, bezüglich der Struktur oder des Verhaltens gezielt zu entwerfen. Nachteilig ist jedoch der Indeterminismus des Verhaltens des Gesamtsystems, der sich aufgrund von schwer vorhersagbaren Interaktionen ergibt [Jen00]. Dem gegenüber stehen statische Softwaresysteme, welche zwar einen hohen Determinismus aufweisen aber wenig flexibel in Bezug auf Änderungen der Struktur des Systems oder des Ablaufs des realen Prozesses sind. Mit der steigenden Komplexität der Systeme ist allerdings selbst mit einem statischen Entwurf die Vorhersagbarkeit immer weniger zu gewährleisten. Die Zahl der möglichen Zustände einer Anlage wird mit der Berücksichtigung von allen möglichen Fehlern, Ausfällen und externen Einflüssen (dynamische Umgebung) so groß, daß diese mit vertretbarem Aufwand kaum noch erfassbar sind und somit auch nicht behandelt werden können. Das von der DFG geförderten Projekt AVE [AVE05], welches in Kooperation mit dem Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik der Universität Stuttgart bearbeitet wird, beschäftigt sich in diesem Kontext mit dem Konflikt, die Vorteile der Flexibilität und Anpassungsfähigkeit von agentenorientierter Software mit den spezifischen Anforderungen der Domäne der Echtzeitsysteme, wie Zeit- und Verlässlichkeitsanforderungen, zu verknüpfen. In einer detaillierten Analyse dieser Anforderungen wurde untersucht, wie die Eigenschaften der Anpassungsfähigkeit und Flexibilität prinzipiell die Anforderungen an Echtzeit- und Verlässlichkeitseigenschaften beeinflussen und wie umgekehrt Anforderungen an Echtzeit- und Verlässlichkeitseigenschaften die Anpassungsfähigkeit und Flexibilität beschränken können. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen werden Methoden und Konzepte für den Entwurf und die Implementierung von Agentensystemen auf gängiger Automatisierungshardware, insbesondere Speicher Programmierbare Steuerungen (SPS), entwickelt. In diesem Rahmen wird ein Konzept für die Modellierung von Sicherheit in Agentensystemen vorgestellt, welches insbesondere den modularen Charakter von Agenten berücksichtigt. Kernaspekt ist es, dem Entwickler einen Rahmen vorzugeben, der ihn dabei unterstützt ein möglichst lückenloses Sicherheitskonzept zu erstellen und ihm dabei genug Freiheiten lässt den Aufwand für die Strategien zur Fehlererkennung, Fehlerdiagnose und Fehlerbehandlung je nach Anforderung für jedes Modul individuell festzulegen. Desweiteren ist besonderer Wert darauf gelegt worden, dass die verwendeten Darstellungen und Diagramme aus der Domäne stammen und eine gute Vorlage für die spätere Implementierung auf automatisierungstechnischer Hardware bieten.

Konzept und Prototyp eines interoperablen und offenen Simulationssystems

Simulation hat sich in der Vergangenheit als unterstützendes Planungsinstrument und Prognosemethode zur Untersuchung von Materialflusssystemen in verschiedenen Branchen etabliert. Dafür werden neben Simulationswerkzeugen auch zunehmend Virtual Reality (VR), insbesondere mit dem Ansatz Digitale Fabrik, eingesetzt. Ein Materialflusssimulator, der für den VR–Einsatz geeignet ist,existiert noch nicht, so dass Anwender gegenwärtig mit verschiedenen Systemen arbeiten müssen, um Untersuchungen eines Simulationsmodells in einem VR–Umfeld wie beispielsweise in einem CAVE zu ermöglichen. Zeitlicher Aufwand ist dadurch vorprogrammiert und das Auftreten von Fehlern bei der Konvertierung des Simulationsmodells möglich. Da auch der hauseigene Materialflusssimulator SIMFLEX/3D nicht für beide Anwendungsgebiete genutzt werden kann und für einen solchen Einsatz mit sehr hohem Aufwand angepasst werden müsste, wurde stattdessen ein neues Simulationssystem entworfen. Das Simulationssystem wird in der vorliegenden Arbeit als ein interoperables und offenes System beschrieben, das über eine flexible Softwarearchitektur verfügt und in einem vernetzten Umfeld mit anderen Werkzeugen Daten austauschen kann. Die grundlegende Idee besteht darin, eine flexible Softwarearchitektur zu entwerfen, die zunächst interaktive und ereignisorientierte 3D–Simulation erlaubt, aber zusätzlich für andere Anwendungszwecke offen gehalten wird. Durch den offenen Ansatz können Erweiterungen, die in Form von Plugins entwickelt werden, mit geringem Aufwand in das System integriert werden, wodurch eine hohe Flexibilität des Systems erreicht wird. Für interoperable Zwecke werden Softwaremodule vorgestellt, die optional eingesetzt werden können und standardisierte Formate wie bspw. XML benutzen. Mit dem neuen Simulationssystem wird die Lücke zwischen Desktop– und VR–Einsatz geschlossen und aus diesem Grund der Zeitaufwand und Fehlerquellen reduziert. Darüber hinaus ermöglicht der offene Ansatz, das Simulationssystem rollen- und aufgabenspezifisch anzupassen, indem die erforderlichen Plugins bereitgestellt werden. Aus diesem Grund kann das Simulationssystem mit sehr geringem Aufwand um weitere Untersuchungsschwerpunkte wie beispielsweise Avatare ergänzt werden. Erste Untersuchungen in einem CAVE wurden erfolgreich durchgeführt. Für die Digitale Fabrik kann der Prototyp eingesetzt werden, um die Produktionsplanung mit Hilfe der Simulation und die Entwicklung mit Hilfe der entwickelten Viewer zu unterstützen. Letzteres ist möglich, da die Viewer zahlreiche CAD–Formate lesen und um weitere Formate ergänzt werden können. Das entwickelte System ist für den Einsatz in verschiedenen Prozessen einer Wertschöpfungskette geeignet,um es als Untersuchungs-, Kommunikations- und Steuerungswerkzeug einzusetzen.

Untersuchungen zu Fabry-Pérot Filterfeldern: Herstellung mittels Nanoimprinttechnologie, experimentelle Charakterisierung und Anwendungen

Die spektrale Zusammensetzung von Licht ändert sich, wenn es mit gasförmiger, flüssiger oder fester Materie d.h. mit Ionen, Atomen, Molekülen, Atom- und Molekülverbänden und amorphen oder kristallinen Festkörpern interagiert. Spektroskopische Messungen des Lichts nach der Wechselwirkung geben Aufschluss über die Eigenschaften der zu untersuchenden Materie [2]. Viele der heute noch nicht realisierbaren Ideen und Konzepte in den verschiedensten Anwendungsfeldern der Sensorik benötigen aber für ihre Umsetzung extrem miniaturisierte Spektrometer als Kernbestandteil der Sensoren. Ziel ist es jedoch nicht, dem Anwender dieser Sensoren Informationen über das Spektrum zu liefern, sondern die ausgewerteten spektralen Information als Indikator zum Handeln zu nutzen. Derartige intelligente Sensoren werden in Zukunft unter anderem dazu beitragen intelligente persönliche Umgebungen (engl.: smart rooms, smart buildings, smart cities, samrt personal environments) zu entwerfen und zu realisieren. Grundvoraussetzung für die Erschließung der verschiedenen Anwendungsgebiete sind Spektrometer, die die Anforderungen an niedrige Kosten, hohe Stückzahlen sowie geringe Größe und geringes Gewicht besser als verfügbare Hochleistungsgitter-Spektrometer erfüllen, die zwar bereits in den Bereich weniger Zentimeter miniaturisiert wurden, aber immer noch makroskopisch sind. Ziel dieser Arbeit ist es, zu zeigen, dass es möglich ist, ein Fabry-Pérot Filterfeld herzustellen, welches später den Kern eines Nanospektrometers darstellen soll, bei dem die unterschiedlichen Kavitäten in einem einzigen Schritt mithilfe der Nanoimprint-Technologie erzeugt werden. Angesichts des Forschungsdefizits hinsichtlich der Nutzung der Nanoimprint-Technologie zur Fertigung von in ihrer Höhe exakten Strukturen werden in der vorliegenden Arbeit zwei Nanoimprint-Technologien untersucht: Das Heißprägen und das UV-Prägen. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein Fabry-Pérot Filterfeld, welches mittels geeigneter Nanoimprint-Technologie hergestellt wurde und demonstriert, dass ein Nanospektrometer auf der Basis eines Feldes von Filtern technisch realisierbar ist. Dazu werden im praktischen Teil dieser Arbeit (Untersuchung der Prägeprozesse) verschiedene technologische Methoden und Maschinen vorgestellt und die damit erreichten Ergebnisse hinsichtlich der Fabry-Pérot-Filterfelder verglichen. Die hergestellten Filterfelder wurden systematisch spektral vermessen. Diese Analyse zeigt 64 Transmissionsbänder der einzelnen Filter eines Feldes. Ein Vergleich mit publizierten Arbeiten des Standes der Wissenschaft und Technik zeigt, dass im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine deutliche Verbesserung erreicht wurde. So konnte eine drastische Steigerung der transmittierten Lichtintensität der Filter erzielt werden und eine Nanoimprint-Methode identifiziert werden, mit welcher es möglich ist, einen Demonstrator herzustellen. Aufgrund der im Rahmen einer ausführlichen Charakterisierung ermittelten sehr guten experimentellen Ergebnisse des Demonstrators kann ein Nanospektrometer mit dem Fabry-Pérot-Filterfeld als Kernbestandteil in Zukunft hergestellt werden.

Schüler-Schwierigkeiten und Schüler-Strategien beim Bearbeiten von Modellierungsaufgaben als Bausteine einer lernprozessorientierten Didaktik

Die Arbeit beschäftigt sich mit didaktischen Aspekten einer neuen Aufgabenkultur und mit ihrem Kern, den Modellierungsaufgaben. Im ersten Teil der Dissertation wird ein Überblick über ausgewählte Theorien und empirische Ergebnisse aus den Bereichen Lehr-Lernforschung, Problemlöseforschung, kognitive Psychologie sowie Allgemeindidaktik und den Fachdidaktiken gegeben. Es zeigt sich, dass Schüler-Schwierigkeiten und Schüler-Strategien eine bedeutende Rolle für den Lernprozess spielen, jedoch bei den Modellierungsaufgaben nicht ausreichend erforscht sind. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Schüler-Schwierigkeiten und -Strategien bei der Bearbeitung von Modellierungsaufgaben empirisch zu erfassen, mit kognitiven Lern- und Problemlösetheorien zu verbinden und erste Bausteine einer Didaktik der Aufgabenkultur zu entwerfen. Drei zentrale Fragestellungen sind dabei: 1. Welche Schwierigkeiten haben Schüler beim Bearbeiten von Modellierungsaufgaben? 2. Welche Strategien wenden sie bei der Aufgabenbearbeitung an? 3. Welche didaktischen Konsequenzen können aufgrund der Antworten auf die erste und zweite Frage für die Didaktik der neuen Aufgabenkultur gezogen werden? Die Analyse der Bearbeitung von drei Modellierungsaufgaben durch vier Neuntklässler unterschiedlicher Kompetenzstufen (12 Fälle) mit Hilfe der Grounded Theory erfolgte hypothesenorientiert und erbrachte folgende Ergebnisse: Die Schüler-Schwierigkeiten bei der Bearbeitung der Modellierungsaufgaben lassen sich in drei Tätigkeitsbereiche aufschlüsseln: (1) die Aufgabe lesen und verstehen, (2) den Zusammenhang zwischen Gegebenheiten der Situation und mathematischer Lösungsstruktur verstehen sowie (3) Umformung mathematischer Strukturen, Ausführung der Rechenoperationen und Interpretieren der Ergebnisse. In den genannten Tätigkeitsbereichen wurden jeweils erfolgversprechende Strategien wie z.B. die Organisationsstrategie „Zeichnen und Beschriften einer Skizze“, die kooperative Strategie „Wechsel zwischen individueller Konstruktion und kooperativer Ko-Konstruktion“ oder die metakognitive Strategie „Planung“ identifiziert und ihre Ausführung dokumentiert. Aus den empirischen Analysen lässt sich eine Reihe von wichtigen Stichpunkten nennen, die einen bedeutsamen Bestandteil der Didaktik einer neuen Aufgabenkultur bilden. Wichtige Stichworte dazu sind die Einbettung der Aufgaben in Lernumgebungen, der Einbezug kooperativer Strategien, ein neues Verständnis von Lehrerinterventionen, das Diagnose und lernbegleitende Unterstützung stärker akzentuiert, Selbstregulierung und Individualisierung, Problem- und Lernprozessorientierung im Unterricht. Wird der letzte Punkt genau analysiert, zeigt sich, dass es zur erfolgreichen Lernprozessgestaltung notwendig ist, längerfristig die Zielperspektive, unter der die Schüler Aufgaben bearbeiten, zu verändern. Beim Bearbeiten der Aufgaben sollen Schülerhandlungen, statt sich nur auf die Lösung einer Aufgabe zu beschränken, auf den individuellen Erwerb von Wissen, Kompetenzen und Strategien ausgerichtet werden (Prozess-Ergebnis-Orientierung). Erreicht werden soll die Prozess-Ergebnis-Orientierung durch eine bessere strategische Durcharbeitung des Unterrichts, der gleichermaßen das Ausschöpfen des Potentials für die Selbststeuerung des Lernens bei den Schülern sowie die dafür notwendige Weiterentwicklung des diagnostischen und unterstützenden Handelns von Lehrerinnen und Lehrern betont.

Understanding Recreational Services of Urban Riverfront Space for Planning Purposes

In the process of urbanization, natural and semi-natural landscapes are increasingly cherished as open space and recreational resource. Urban rivers are part of this kind of resource and thus play an important role in managing urban resilience and health. Employing the example of Tianjin, this doctoral dissertation research aims at learning to understand how to plan and design for the interface zones between urban water courses and for the land areas adjacent to such water courses. This research also aims at learning how to link waterfront space with other urban space in order to make a recreational space system for the benefit of people. Five questions of this dissertation are: 1) what is the role of rivers in spatial and open space planning? 2) What are the human needs regarding outdoor open space? 3) How do river and water front spatial structures affect people's recreational activities? 4) How to define the recreational service of urban river and waterfront open space? 5) How might answering these question change planning and design of urban open space? Quantitative and qualitative empirical approaches were combined in this study for which literature review and theoretical explorations provide the basis. Empirical investigations were conducted in the city of Tianjin. The quantitative approach includes conducting 267 quantitative interviews, and the qualitative approach includes carrying out field observations and mappings. GIS served to support analysis and visualization of empirical information that was generated through this study. By responding to the five research questions, findings and lessons include the following: 1) In the course of time rivers have gained importance in all levels and scales of spatial planning and decision making. Regarding the development of ecological networks, mainly at national scale, rivers are considered significant linear elements. Regarding regional and comprehensive development, river basins and watersheds are often considered as the structural link for strategic ecological, economic, social and recreational planning. For purposes of urban planning, particularly regarding recreational services in cities, the distribution of urban open spaces often follows the structure of river systems. 2) For the purpose of classifying human recreational needs that relate to outdoor open space Maslow's hierarchy of human needs serves as theoretical basis. The classes include geographical, safety, physiological, social and aesthetic need. These classes serve as references while analyzing river and waterfront open space and other kinds of open space. 3) Regarding the question how river and waterfront spatial structures might affect people's recreational activities, eight different landscape units were identified and compared in the case study area. Considering the thermal conditions of Tianjin, one of these landscape units was identified as affording the optimal spatial arrangement which mostly meets recreational needs. The size and the shape of open space, and the plants present in an open space have been observed as being most relevant regarding recreational activities. 4) Regarding the recreational service of urban river and waterfront open space the results of this research suggest that the recreational service is felt less intensively as the distances between water 183 front and open space user’s places of residence are increasing. As a method for estimating this ‘Service Distance Effect’ the following formula may be used: Y = a*ebx. In this equation Y means the ‘Service Distance’ between homes and open space, and X means the percentage of the people who live within this service distance. Coefficient "a" represents the distance of the residential area nearest to the water front. The coefficient "b" is a comprehensive capability index that refers to the size of the available and suitable recreational area. 5) Answers found to the questions above have implications for the planning and design of urban open space. The results from the quantitative study of recreational services of waterfront open space were applied to the assessment of river-based open space systems. It is recommended that such assessments might be done employing the network analysis function available with any GIS. In addition, several practical planning and designing suggestions are made that would help remedy any insufficient base for satisfying recreational needs. The understanding of recreational need is considered helpful for the proposing planning and designing ideas and for the changing of urban landscapes. In the course of time Tianjin's urban water system has shrunk considerably. At the same time rivers and water courses have shaped Tianjin's urban structure in noticeable ways. In the process of urbanization water has become increasingly important to the citizens and their everyday recreations. Much needs to be changed in order to improve recreational opportunities and to better provide for a livable city, most importantly when considering the increasing number of old people. Suggestions made that are based on results of this study, might be implemented in Tianjin. They are 1) to promote the quality of the waterfront open space and to make all linear waterfront area accessible recreational spaces. Then, 2), it is advisable to advocate the concept of green streets and to combine green streets with river open space in order to form an everyday recreational network. And 3) any sound urban everyday recreational service made cannot rely on only urban rivers; the whole urban structure needs to be improved, including adding small open space and optimize the form of urban communities, finally producing a multi-functional urban recreational network.