Framework for middleware executed on mobile devices

Die ubiquitäre Datenverarbeitung ist ein attraktives Forschungsgebiet des vergangenen und aktuellen Jahrzehnts. Es handelt von unaufdringlicher Unterstützung von Menschen in ihren alltäglichen Aufgaben durch Rechner. Diese Unterstützung wird durch die Allgegenwärtigkeit von Rechnern ermöglicht die sich spontan zu verteilten Kommunikationsnetzwerken zusammen finden, um Informationen auszutauschen und zu verarbeiten. Umgebende Intelligenz ist eine Anwendung der ubiquitären Datenverarbeitung und eine strategische Forschungsrichtung der Information Society Technology der Europäischen Union. Das Ziel der umbebenden Intelligenz ist komfortableres und sichereres Leben. Verteilte Kommunikationsnetzwerke für die ubiquitäre Datenverarbeitung charakterisieren sich durch Heterogenität der verwendeten Rechner. Diese reichen von Kleinstrechnern, eingebettet in Gegenstände des täglichen Gebrauchs, bis hin zu leistungsfähigen Großrechnern. Die Rechner verbinden sich spontan über kabellose Netzwerktechnologien wie wireless local area networks (WLAN), Bluetooth, oder UMTS. Die Heterogenität verkompliziert die Entwicklung und den Aufbau von verteilten Kommunikationsnetzwerken. Middleware ist eine Software Technologie um Komplexität durch Abstraktion zu einer homogenen Schicht zu reduzieren. Middleware bietet eine einheitliche Sicht auf die durch sie abstrahierten Ressourcen, Funktionalitäten, und Rechner. Verteilte Kommunikationsnetzwerke für die ubiquitäre Datenverarbeitung sind durch die spontane Verbindung von Rechnern gekennzeichnet. Klassische Middleware geht davon aus, dass Rechner dauerhaft miteinander in Kommunikationsbeziehungen stehen. Das Konzept der dienstorienterten Architektur ermöglicht die Entwicklung von Middleware die auch spontane Verbindungen zwischen Rechnern erlaubt. Die Funktionalität von Middleware ist dabei durch Dienste realisiert, die unabhängige Software-Einheiten darstellen. Das Wireless World Research Forum beschreibt Dienste die zukünftige Middleware beinhalten sollte. Diese Dienste werden von einer Ausführungsumgebung beherbergt. Jedoch gibt es noch keine Definitionen wie sich eine solche Ausführungsumgebung ausprägen und welchen Funktionsumfang sie haben muss. Diese Arbeit trägt zu Aspekten der Middleware-Entwicklung für verteilte Kommunikationsnetzwerke in der ubiquitären Datenverarbeitung bei. Der Schwerpunkt liegt auf Middleware und Grundlagentechnologien. Die Beiträge liegen als Konzepte und Ideen für die Entwicklung von Middleware vor. Sie decken die Bereiche Dienstfindung, Dienstaktualisierung, sowie Verträge zwischen Diensten ab. Sie sind in einem Rahmenwerk bereit gestellt, welches auf die Entwicklung von Middleware optimiert ist. Dieses Rahmenwerk, Framework for Applications in Mobile Environments (FAME²) genannt, beinhaltet Richtlinien, eine Definition einer Ausführungsumgebung, sowie Unterstützung für verschiedene Zugriffskontrollmechanismen um Middleware vor unerlaubter Benutzung zu schützen. Das Leistungsspektrum der Ausführungsumgebung von FAME² umfasst: • minimale Ressourcenbenutzung, um auch auf Rechnern mit wenigen Ressourcen, wie z.B. Mobiltelefone und Kleinstrechnern, nutzbar zu sein • Unterstützung für die Anpassung von Middleware durch Änderung der enthaltenen Dienste während die Middleware ausgeführt wird • eine offene Schnittstelle um praktisch jede existierende Lösung für das Finden von Diensten zu verwenden • und eine Möglichkeit der Aktualisierung von Diensten zu deren Laufzeit um damit Fehlerbereinigende, optimierende, und anpassende Wartungsarbeiten an Diensten durchführen zu können Eine begleitende Arbeit ist das Extensible Constraint Framework (ECF), welches Design by Contract (DbC) im Rahmen von FAME² nutzbar macht. DbC ist eine Technologie um Verträge zwischen Diensten zu formulieren und damit die Qualität von Software zu erhöhen. ECF erlaubt das aushandeln sowie die Optimierung von solchen Verträgen.

Merkmale von Multimedia-Aufgaben und ihre Bedeutung für das Lernen

In der bereits vorhandenen Literatur wird berichtet, dass der Lernerfolg von Schülern bei der Bearbeitung von Aufgaben im Physikunterricht sowie ihre Art der Aufgabenbearbeitung maßgeblich von den in den Aufgaben vorgegebenen Zielen abhängen. Außerdem wird dem Vorwissen der Schüler eine entscheidende Rolle beim Lernerfolg zugesprochen. Zentrale Anliegen der hier vorliegenden Studie sind es, diese Ergebnisse auf eine computerbasierte Experimentierumgebung zum Federpendel in der Oberstufe zu übertragen. Es wird außerdem untersucht, inwiefern der Lernerfolg bei der Beschäftigung mit der Experimentierumgebung von der Art der Aufgabenbearbeitung abhängt. Zum Zweck der Lernerfolgsmessung sowie der Bestimmung des Vorwissens wurden Testaufgaben entwickelt, mit deren Hilfe das Wissen der Schüler vor und nach dem Einsatz der Multimedia-Aufgaben ermittelt werden konnte. Die Art der Aufgabenbearbeitung jedes Schülers wurde mit Hilfe der Analyse und anschließenden Kategorisierung von Bildschirmvideos, die die Arbeit mit der Experimentierumgebung dokumentieren, sowie durch den Einsatz eines Fragebogens bestimmt. Als zentrales Ergebnis dieser Studie ist festzuhalten, dass sich die in der Literatur zu findenden Aussagen nicht vollends auf die verwendete computerbasierte Experimentierumgebung übertragen lassen. Vielmehr scheint es Hinweise darauf zu geben, dass neben den Zielvorgaben und der Art der Aufgabenbearbeitung noch weitere Faktoren entscheidenden Einfluss auf den Lernerfolg der Schüler bei der Bearbeitung von Multimedia-Aufgaben ausüben.

Bedingungsfaktoren der Lernwirksamkeit von Multimedia-Aufgaben

In der bereits vorhandenen Literatur wird berichtet, dass der Lernerfolg von Schülern bei der Bearbeitung von Aufgaben im Physikunterricht sowie ihre Art der Aufgabenbearbeitung maßgeblich von den in den Aufgaben vorgegebenen Zielen abhängen. Außerdem wird dem Vorwissen der Schüler eine entscheidende Rolle beim Lernerfolg zugesprochen. Zentrale Anliegen der hier vorliegenden Studie sind es, diese Ergebnisse auf eine computerbasierte Experimentierumgebung zum Federpendel in der Oberstufe zu übertragen. Es wird außerdem untersucht, inwiefern der Lernerfolg bei der Beschäftigung mit der Experimentierumgebung von der Art der Aufgabenbearbeitung abhängt. Zum Zweck der Lernerfolgsmessung sowie der Bestimmung des Vorwissens wurden Testaufgaben entwickelt, mit deren Hilfe das Wissen der Schüler vor und nach dem Einsatz der Multimedia-Aufgaben ermittelt werden konnte. Die Art der Aufgabenbearbeitung jedes Schülers wurde mit Hilfe der Analyse und anschließenden Kategorisierung von Bildschirmvideos, die die Arbeit mit der Experimentierumgebung dokumentieren, sowie durch den Einsatz eines Fragebogens bestimmt. Als zentrales Ergebnis dieser Studie ist festzuhalten, dass sich die in der Literatur zu findenden Aussagen nicht vollends auf die verwendete computerbasierte Experimentierumgebung übertragen lassen. Vielmehr scheint es Hinweise darauf zu geben, dass neben den Zielvorgaben und der Art der Aufgabenbearbeitung noch weitere Faktoren entscheidenden Einfluss auf den Lernerfolg der Schüler bei der Bearbeitung von Multimedia-Aufgaben ausüben.

An Experimental Multimedia Process Control Room

The centralised control rooms of large industrial plants have separated people from the processes they should control. Perception is restricted mainly to the visual sense. Only telephone or radio links provide narrow-band voice communication with maintenance personnel down in the plant. Multimedia equipment can perceptionally bring back the operator into the plant while bodily keeping him the comfortable and safe control room. This involves video and audio transmission from process components as well as sights and sounds artificially generated from measurements. Groupware systems support inter-action between operators, engineers, and managers in different plants. With support from the German government, the state of Hessen, and industrial companies the Laboratory for Systems Engineering and Human-Machine Systems at the University of Kassel establishes an Experimental Multimedia Process Control Room. Core of this set-up are two high-performance graphics workstations linked to one of several process or vehicle simulators. Multimedia periphery includes video and teleconferencing equipment and a vibration and sound generation system.

The DIADEM Software Development Methodology extended to Multimedia Interfaces

DIADEM, created by THOMSON-CSF, is a methodology for specifying and developing user interfaces. It improves productivity of the interface development process as well as quality of the interface. The method provides support to user interface development in three aspects. (1) DIADEM defines roles of people involved and their tasks and organises the sequence of activities. (2) It provides graphical formalisms supporting information exchange between people. (3) It offers a basic set of rules for optimum human-machine interfaces. The use of DIADEM in three areas (process control, sales support, and multimedia presentation) was observed and evaluated by our laboratory in the European project DIAMANTA (ESPRIT P20507). The method provides an open procedure that leaves room for adaptation to a specific application and environment. This paper gives an overview of DIADEM and shows how to extend formalisms for developing multimedia interfaces.

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.