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.

Optimization-Based Robotic Manipulation for Safe Interaction with Human Operators

This thesis investigates a method for human-robot interaction (HRI) in order to uphold productivity of industrial robots like minimization of the shortest operation time, while ensuring human safety like collision avoidance. For solving such problems an online motion planning approach for robotic manipulators with HRI has been proposed. The approach is based on model predictive control (MPC) with embedded mixed integer programming. The planning strategies of the robotic manipulators mainly considered in the thesis are directly performed in the workspace for easy obstacle representation. The non-convex optimization problem is approximated by a mixed-integer program (MIP). It is further effectively reformulated such that the number of binary variables and the number of feasible integer solutions are drastically decreased. Safety-relevant regions, which are potentially occupied by the human operators, can be generated online by a proposed method based on hidden Markov models. In contrast to previous approaches, which derive predictions based on probability density functions in the form of single points, such as most likely or expected human positions, the proposed method computes safety-relevant subsets of the workspace as a region which is possibly occupied by the human at future instances of time. The method is further enhanced by combining reachability analysis to increase the prediction accuracy. These safety-relevant regions can subsequently serve as safety constraints when the motion is planned by optimization. This way one arrives at motion plans that are safe, i.e. plans that avoid collision with a probability not less than a predefined threshold. The developed methods have been successfully applied to a developed demonstrator, where an industrial robot works in the same space as a human operator. The task of the industrial robot is to drive its end-effector according to a nominal sequence of grippingmotion-releasing operations while no collision with a human arm occurs.

Large Numerical Models in Continuous Hybrid Simulation

Hybrid simulation is a technique that combines experimental and numerical testing and has been used for the last decades in the fields of aerospace, civil and mechanical engineering. During this time, most of the research has focused on developing algorithms and the necessary technology, including but not limited to, error minimisation techniques, phase lag compensation and faster hydraulic cylinders. However, one of the main shortcomings in hybrid simulation that has pre- vented its widespread use is the size of the numerical models and the effect that higher frequencies may have on the stability and accuracy of the simulation. The first chapter in this document provides an overview of the hybrid simulation method and the different hybrid simulation schemes, and the corresponding time integration algorithms, that are more commonly used in this field. The scope of this thesis is presented in more detail in chapter 2: a substructure algorithm, the Substep Force Feedback (Subfeed), is adapted in order to fulfil the necessary requirements in terms of speed. The effects of more complex models on the Subfeed are also studied in detail, and the improvements made are validated experimentally. Chapters 3 and 4 detail the methodologies that have been used in order to accomplish the objectives mentioned in the previous lines, listing the different cases of study and detailing the hardware and software used to experimentally validate them. The third chapter contains a brief introduction to a project, the DFG Subshake, whose data have been used as a starting point for the developments that are shown later in this thesis. The results obtained are presented in chapters 5 and 6, with the first of them focusing on purely numerical simulations while the second of them is more oriented towards a more practical application including experimental real-time hybrid simulation tests with large numerical models. Following the discussion of the developments in this thesis is a list of hardware and software requirements that have to be met in order to apply the methods described in this document, and they can be found in chapter 7. The last chapter, chapter 8, of this thesis focuses on conclusions and achievements extracted from the results, namely: the adaptation of the hybrid simulation algorithm Subfeed to be used in conjunction with large numerical models, the study of the effect of high frequencies on the substructure algorithm and experimental real-time hybrid simulation tests with vibrating subsystems using large numerical models and shake tables. A brief discussion of possible future research activities can be found in the concluding chapter.

Von "weiblichen Vollmenschen" und Klassenkämpferinnen

Zusammenfassung zur Inaugural-Dissertation: Von „weiblichen Vollmenschen“ und Klassenkämpferinnen – Frauengeschichte und Frauenleitbilder in der proletarischen Frauenzeitschrift „Die Gleichheit“ (1891-1923). Die wissenschaftliche Bedeutung, die der SPD-Frauenzeitschrift „Die Gleichheit“ (1891-1923) als Quelle der Geschichte der Frauenbewegung zukommt, spiegelt sich weder in Darstellungen zur Geschichte der SPD noch in der Geschichtsschreibung der deutschen Frauenbewegung wider. Auch ist die „Gleichheit“, Presseorgan der organisierten proletarischen Frauenbewegung Deutschlands und der Sozialistischen Fraueninternationale, bisher kaum Gegenstand einer umfassenden publizistischen Analyse gewesen. Es galt daher, zumindest das Hauptblatt der „Gleichheit“, die an ihr beteiligten Personen, ihre Strukturen und ihr Selbstverständnis möglichst detailliert und anhand publizistischer Kriterien darzustellen. Wandlungen ihres Erscheinungsbildes, ihrer editorischen und personellen Strukturen oder ihres Seitenumfangs markieren entscheidende Wendepunkte der deutschen Politik während des deutschen Kaiserreichs und der Weimarer Republik. Ihr Niveau lag deutlich über dem einer allgemeinen Frauenzeitschrift, eines Mitteilungs- oder Unterhaltungsblattes. Ihr Ziel war es, sowohl politisches Schulungsblatt für die engagierten Genossinnen als auch Agitationsmittel für die indifferenten Proletarierinnen zu sein. Inwieweit sie mit dieser Zielsetzung erfolgreich war, kann jedoch selbst die große Zahl ihrer Abonnements (der Höchststand lag 1914 bei 124.000 Exemplaren) nicht validieren. Tatsächlich ließ gerade der von ihrer langjährigen Redakteurin Clara Zetkin (1857-1933) angestrebte hohe intellektuelle Anspruch die „Gleichheit“ jedoch nicht zu einem Medium der Massen werden. Im Mai 1917 entschied sich der SPD-Parteivorstand, der dem Burgfrieden abträglichen, konsequent sozialistischen und internationalistischen Haltung Zetkins keine öffentliche Plattform mehr zu geben und entließ sie aus der Redaktion. Die Leitung der „Gleichheit“, die auch bis zu diesem Zeitpunkt durchaus keine „One-Woman-Show“ war, oblag schließlich bis zu ihrem letztmaligen Erscheinen im September 1923 noch einigen weiteren Redakteurinnen und Redakteuren (Marie Juchacz (1879-1956), Heinrich Schulz (1872-1932), Clara Bohm-Schuch (1879-1936), Elli Radtke-Warmuth (?-?) und Mathilde Wurm (1874-1935)). Deren Tätigkeit für die „Gleichheit“ wurde jedoch bisher kaum wissenschaftlich reflektiert. Dies gilt auch für die ausgesprochen internationale Zusammensetzung oder die männlichen Mitglieder des MitarbeiterInnenstabes. Indem sie sich selbst in der Tradition und als Teil eines Netzwerkes deutscher Frauen­öffentlichkeit („Die Frauen-Zeitung“ (1849-1852), „Die Staatsbürgerin“ (1886) und „Die Arbeiterin“ (1890-1891)) sah und indem sie besonders mittels frauen­geschichtlicher und frauenbiographischer Inhalte das Selbstbewusstsein ihrer Leserinnen zu fördern versuchte, betrieb die „Gleichheit“ gezielt Frauengeschichtsschreibung. Zahlreiche Artikel porträtieren Frauen aus Geschichte und Gegenwart und stellen in ihrem elaborierten Stil „Typen“ bzw. „Vorbilder“ dar. Um die Frage beantworten zu können, welche Frauen der Geschichte und welche ihrer Charaktereigenschaften von der „Gleichheit“ als vorbildlich für Sozialdemokratinnen erachtet wurden, wurden die biographischen Artikel zu 173 Frauen nach Analyse ihrer Inhalte und ihres Duktus vier Frauenleitbildern zugeordnet. Die Kategorisierung der einzelnen Frauenleitbilder „weiblicher Vollmensch“, „sozialistische Mutter“, „sozialistische Ehefrau“ und „Klassenkämpferin“ lehnt sich wiederum an den von Zetkin bereits 1898 veröffentlichten Artikel „Nicht Haussklavin, nicht Mannweib, weiblicher Vollmensch” (Die Gleichheit, Jg. 08/ Nr. 02/ 19.11.1898/ S. 1.) an. Sämtliche frauenbiographischen Artikel appellieren an die „Gleichheit“-Leserinnen, die oft selbst gesetzten Grenzen ihrer Handlungs – und Entwicklungsmöglichkeiten zu sprengen. Die sich daraus ableitenden Identifikationsangebote waren somit nicht auf dem Reissbrett ent­worfen, sondern basierten auf geschichtlicher Erfahrung und antizipierendem Bewusstsein. Diese Leitbilder versuchten, Realität und Utopie miteinander zu verbinden und konnten daher kaum frei von Widersprüchen sein. Wie die „Gleichheit“ selbst, so blieben auch ihre Ansätze politischer Frauen­bildung teilweise zwischen revolu­tionärem Umsturz und traditioneller Kontinuität gefangen. Indem sich die „Gleichheit“ historischer Vorbilder bediente, machte sie jedoch konkrete Ansprüche geltend: Sie forderte den weiblichen Anteil an Geschichte, an politischer Macht und am öffentlichen Bewusstsein.

Verfahren zur echtzeitfähigen Simulation dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Schadstoffe von Ottomotoren

Im Rahmen dieser Arbeit werden Modellbildungsverfahren zur echtzeitfähigen Simulation wichtiger Schadstoffkomponenten im Abgasstrom von Verbrennungsmotoren vorgestellt. Es wird ein ganzheitlicher Entwicklungsablauf dargestellt, dessen einzelne Schritte, beginnend bei der Ver-suchsplanung über die Erstellung einer geeigneten Modellstruktur bis hin zur Modellvalidierung, detailliert beschrieben werden. Diese Methoden werden zur Nachbildung der dynamischen Emissi-onsverläufe relevanter Schadstoffe des Ottomotors angewendet. Die abgeleiteten Emissionsmodelle dienen zusammen mit einer Gesamtmotorsimulation zur Optimierung von Betriebstrategien in Hybridfahrzeugen. Im ersten Abschnitt der Arbeit wird eine systematische Vorgehensweise zur Planung und Erstellung von komplexen, dynamischen und echtzeitfähigen Modellstrukturen aufgezeigt. Es beginnt mit einer physikalisch motivierten Strukturierung, die eine geeignete Unterteilung eines Prozessmodells in einzelne überschaubare Elemente vorsieht. Diese Teilmodelle werden dann, jeweils ausgehend von einem möglichst einfachen nominalen Modellkern, schrittweise erweitert und ermöglichen zum Abschluss eine robuste Nachbildung auch komplexen, dynamischen Verhaltens bei hinreichender Genauigkeit. Da einige Teilmodelle als neuronale Netze realisiert werden, wurde eigens ein Verfah-ren zur sogenannten diskreten evidenten Interpolation (DEI) entwickelt, das beim Training einge-setzt, und bei minimaler Messdatenanzahl ein plausibles, also evidentes Verhalten experimenteller Modelle sicherstellen kann. Zum Abgleich der einzelnen Teilmodelle wurden statistische Versuchs-pläne erstellt, die sowohl mit klassischen DoE-Methoden als auch mittels einer iterativen Versuchs-planung (iDoE ) generiert wurden. Im zweiten Teil der Arbeit werden, nach Ermittlung der wichtigsten Einflussparameter, die Model-strukturen zur Nachbildung dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Abgaskomponenten vor-gestellt, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Stickstoffmonoxid (NO) sowie Kohlenmono-xid (CO). Die vorgestellten Simulationsmodelle bilden die Schadstoffkonzentrationen eines Ver-brennungsmotors im Kaltstart sowie in der anschließenden Warmlaufphase in Echtzeit nach. Im Vergleich zur obligatorischen Nachbildung des stationären Verhaltens wird hier auch das dynami-sche Verhalten des Verbrennungsmotors in transienten Betriebsphasen ausreichend korrekt darge-stellt. Eine konsequente Anwendung der im ersten Teil der Arbeit vorgestellten Methodik erlaubt, trotz einer Vielzahl von Prozesseinflussgrößen, auch hier eine hohe Simulationsqualität und Ro-bustheit. Die Modelle der Schadstoffemissionen, eingebettet in das dynamische Gesamtmodell eines Ver-brennungsmotors, werden zur Ableitung einer optimalen Betriebsstrategie im Hybridfahrzeug ein-gesetzt. Zur Lösung solcher Optimierungsaufgaben bieten sich modellbasierte Verfahren in beson-derer Weise an, wobei insbesondere unter Verwendung dynamischer als auch kaltstartfähiger Mo-delle und der damit verbundenen Realitätsnähe eine hohe Ausgabequalität erreicht werden kann.