Multi-Robot Task Allocation for Inspection Problems with Cooperative Tasks Using Hybrid Genetic Algorithms

In dieser Dissertation werden Methoden zur optimalen Aufgabenverteilung in Multirobotersystemen (engl. Multi-Robot Task Allocation – MRTA) zur Inspektion von Industrieanlagen untersucht. MRTA umfasst die Verteilung und Ablaufplanung von Aufgaben für eine Gruppe von Robotern unter Berücksichtigung von operativen Randbedingungen mit dem Ziel, die Gesamteinsatzkosten zu minimieren. Dank zunehmendem technischen Fortschritt und sinkenden Technologiekosten ist das Interesse an mobilen Robotern für den Industrieeinsatz in den letzten Jahren stark gestiegen. Viele Arbeiten konzentrieren sich auf Probleme der Mobilität wie Selbstlokalisierung und Kartierung, aber nur wenige Arbeiten untersuchen die optimale Aufgabenverteilung. Da sich mit einer guten Aufgabenverteilung eine effizientere Planung erreichen lässt (z. B. niedrigere Kosten, kürzere Ausführungszeit), ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von Lösungsmethoden für das aus Inspektionsaufgaben mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben folgende Such-/Optimierungsproblem. Ein neuartiger hybrider Genetischer Algorithmus wird vorgestellt, der einen teilbevölkerungbasierten Genetischen Algorithmus zur globalen Optimierung mit lokalen Suchheuristiken kombiniert. Zur Beschleunigung dieses Algorithmus werden auf die fittesten Individuen einer Generation lokale Suchoperatoren angewendet. Der vorgestellte Algorithmus verteilt die Aufgaben nicht nur einfach und legt den Ablauf fest, sondern er bildet auch temporäre Roboterverbünde für Zweiroboteraufgaben, wodurch räumliche und zeitliche Randbedingungen entstehen. Vier alternative Kodierungsstrategien werden für den vorgestellten Algorithmus entworfen: Teilaufgabenbasierte Kodierung: Hierdurch werden alle möglichen Lösungen abgedeckt, allerdings ist der Suchraum sehr groß. Aufgabenbasierte Kodierung: Zwei Möglichkeiten zur Zuweisung von Zweiroboteraufgaben wurden implementiert, um die Effizienz des Algorithmus zu steigern. Gruppierungsbasierte Kodierung: Zeitliche Randbedingungen zur Gruppierung von Aufgaben werden vorgestellt, um gute Lösungen innerhalb einer kleinen Anzahl von Generationen zu erhalten. Zwei Umsetzungsvarianten werden vorgestellt. Dekompositionsbasierte Kodierung: Drei geometrische Zerlegungen wurden entworfen, die Informationen über die räumliche Anordnung ausnutzen, um Probleme zu lösen, die Inspektionsgebiete mit rechteckigen Geometrien aufweisen. In Simulationsstudien wird die Leistungsfähigkeit der verschiedenen hybriden Genetischen Algorithmen untersucht. Dazu wurde die Inspektion von Tanklagern einer Erdölraffinerie mit einer Gruppe homogener Inspektionsroboter als Anwendungsfall gewählt. Die Simulationen zeigen, dass Kodierungsstrategien, die auf der geometrischen Zerlegung basieren, bei einer kleinen Anzahl an Generationen eine bessere Lösung finden können als die anderen untersuchten Strategien. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben, die entweder von einem einzelnen mobilen Roboter erledigt werden können oder die Zusammenarbeit von zwei Robotern erfordern. Eine Erweiterung des entwickelten Algorithmus zur Behandlung von Aufgaben, die mehr als zwei Roboter erfordern, ist möglich, würde aber die Komplexität der Optimierungsaufgabe deutlich vergrößern.

Assessment of the strategies of organic fruit production and fruit drying in Uganda

Organic agriculture in Uganda is developing at a fast pace and despite this trend Uganda is still unable to produce enough fresh and dry organic fruits mainly pineapple to meet the exporters demand. This current research investigated the strategies of farmers at production level by assessing the pros and cons of fruit growing, organic agriculture and fruit drying in order to understand the underlying causal factor for the low production of organic dry fruits in a major fruit producing district of Uganda. The study was carried out in two separate and distinctive areas; one which only produces and export fresh organic pineapple and the other which exports dried fruits (mainly pineapple and papaya). About 10% of the farmers in the two study areas were surveyed using questionnaires which were further followed by semi-structured interviews and participatory rural appraisals activities with various types of farmers in order to understand the different decisions and strategies of farmers. 82% and 74% of farmers in the two study areas grew fruits as it gave better economic returns and for 77% and 90% respectively in the two study areas, the reasons for growing fruit was the ease of selling compared to other crops. All the farmers were relying on coffee husk for growing organic pineapples. However, 50% of the farmers want to grow pineapples (either organic or conventional) but couldn't afford to buy coffee husk. Fruit drying was mainly a strategy to utilize cheap fruits during harvesting seasons for value addition. 71% and 42% of farmers in the two study areas wanted to dry fruits but it was beyond their economic capacity to buy the driers. Decision of the farmers whether to grow fruits or cereals, organic or conventional agriculture and selling the fruits as fresh or dry were dependent mainly on the economic, knowledge and resource availability of each type of practices. It is concluded that the main barrier for an increase in the production of organic dried fruits is at the processing level, and the limited capacity for investments in drying facilities.

Sprachentwicklung und Fachlernen im Mechanikunterricht

Die empirische Studie untersucht das Wechselspiel zwischen der fachbezogenen Sprachentwicklung und dem Fachlernen von Schülerinnen und Schülern bei der Einführung in den Kraftbegriff. Sie betrachtet also sowohl sprachliche wie auch kognitive Aspekte des Lernens in der Mechanik. Dafür wurde ein Unterrichtskonzept entwickelt, das den Gebrauch des Fachwortes Kraft in der Wissenschaft und in der alltäglichen Sprache besonders thematisiert. Dieses Unterrichtskonzept basiert auf Empfehlungen und Ergebnissen der Kognitionspsychologie, Linguistik, Philosophie, Sprachlehrforschung und der Didaktiken der Physik und der Fremdsprachen. Im Rahmen des Unterrichts wurden die Schülerinnen und Schüler mit zwei Aufgabentypen konfrontiert: Beim ersten Aufgabentyp waren die Lerner aufgefordert, den Kraftbegriff so zu verwenden, wie es einer fachsprachlich angemessenen Form entspräche, etwa um die Bewegung eines Zuges zu beschreiben. Aufgaben des zweiten Typs sahen vor, dass die Schülerinnen und Schüler kurze Texte danach klassifizierten, ob sie der Alltagssprache oder der Fachsprache angehörten. Diese als Metadiskurs bezeichnete Form der Auseinandersetzung mit sprachlichen Aspekten verhalf den Schülerinnen und Schülern zu einer Gelegenheit, ihr eigenes Verständnis des Kraftbegriffs zu thematisieren. Weiter lieferte der Metadiskurs wichtige Hinweise darauf, ob die Schülerinnen und Schüler sich bei ihren Beurteilungen eher auf formal-sprachliche oder inhaltliche Aspekte der Sprache bezogen. Für die Datenerhebung wurden alle Unterrichtsstunden videografiert und transkribiert. Zusammen mit schriftlichen Arbeitsergebnissen und Tests stand ein umfangreicher Datensatz zur Verfügung, für dessen Auswertung ein inhaltsanalytisches Verfahren Anwendung fand. Die Ergebnisse zeigen, dass das Lernen im Fach Physik bestimmte Ähnlichkeiten mit dem Lernen einer Fremdsprache zeigt: Wenn die Schülerinnen und Schüler den Kraftbegriff fachsprachlich verwenden sollen, sehen sie sich oft einer Alternativentscheidung gegenüber. Entweder sie versuchen, einer fachsprachlichen Form zu gehorchen und verlieren dabei den Inhalt aus den Augen, oder sie konzentrieren sich auf den Inhalt, drücken sich dabei aber in ihrer Alltagssprache aus und folgen Alltagskonzepten, die weit entfernt von den fachlich intendierten liegen. Ähnliche Beobachtungen kann man im Sprachunterricht machen, wenn Schüler eine neue grammatische Regel einüben: Sie konzentrieren sich entweder auf die neu zu erlernende Regel, oder aber auf den Inhalt des Gesagten, wobei sie die grammatische Regel, die an sich Gegenstand der Übung ist, verletzen. Meistens fällt diese Entscheidung derart, dass die Konzentration auf den Inhalt des Gesagten gerichtet ist, nicht oder wenig auf seine Form. Im Unterschied zum Sprachunterricht ist der Physikunterricht allerdings nicht nur darauf gerichtet, fachsprachlich angemessene Formen einzuüben, sondern insbesondere darauf, den Blick für neue und ungewohnte Konzepte zu öffnen. Damit müssen die Schülerinnen und Schüler hier häufig sprachliche und kognitive Hürden zur selben Zeit bewältigen. Die detaillierte Analyse des Metadiskurses zeigt, dass das Problem des Nebeneinanders zweier unterschiedlicher Anforderung entschäft werden kann: Während die Schüler im Metadiskurs unterschiedliche Aspekte der Sprache diskutieren, sind sie eher in der Lage, sowohl formale wie inhaltsbezogene Merkmale der Sprache wahrzunehmen. Der Text referiert weitere Parallelen zwischen dem Physikunterricht und dem Fremdsprachenlernen, sodass die Auffassung gerechtfertigt ist, dass die Fremdsprachendidaktik als Ideenlieferantin dafür dienen kann, neue Verbesserungsmöglichkeiten für den Physikunterricht aufzufinden.

Assessing adaptation – Climate change and indigenous livelihood in the Andes of Bolivia

Based on a case study of Charazani – Bolivia, this article outlines the understanding of adaptive strategies to cope with climate change and its impact on environmental and socioeconomic conditions that are affecting rural livelihoods. Mainly qualitative methods were used to collect and analyze data following the framework for vulnerability assessments of a socio-ecological system. Climate data reveals an increase of precipitation and temperature during the last decades. Furthermore the occurrence of extreme weather events, particularly drought, frost, hailstorms and consequently landslides and fire are increasing. Local testimonies highlight these events as the principle reasons for agricultural losses. This climatic variability and simultaneous social changes were identified as the drivers of vulnerability. Yet, several adaptive measures were identified at household, community and external levels in order to cope with such vulnerability; e.g. traditional techniques in agriculture and risk management. Gradually, farmers complement these activities with contemporary practices in agriculture, like intensification of land use, diversification of irrigation system and use of artificial fertilizers. As part of a recent trend community members are forced to search for new off-farm alternatives beyond agriculture for subsistence. Despite there is a correspondingly large array of possible adaptation measures that families are implementing, local testimonies point out, that farmers often do not have the capacity and neither the economical resources to mitigate the risk in agricultural production. Although several actions are already considered to promote further adaptive capacity, the current target is to improve existing livelihood strategies by reducing vulnerability to hazards induced by climate change.

Ecosystem services and adaptation for agriculture and food security: analysis of two decades (1991–2011) of financing by the Global Environment Facility

Investing in global environmental and adaptation benefits in the context of agriculture and food security initiatives can play an important role in promoting sustainable intensification. This is a priority for the Global Environment Facility (GEF), created in 1992 with a mandate to serve as financial mechanism of several multilateral environmental agreements. To demonstrate the nature and extent of GEF financing, we conducted an assessment of the entire portfolio over a period of two decades (1991–2011) to identify projects with direct links to agriculture and food security. A cohort of 192 projects and programs were identified and used as a basis for analyzing trends in GEF financing. The projects and programs together accounted for a total GEF financing of US$1,086.8 million, and attracted an additional US$6,343.5 million from other sources. The value-added of GEF financing for ecosystem services and resilience in production systems was demonstrated through a diversity of interventions in the projects and programs that utilized US$810.6 million of the total financing. The interventions fall into the following four main categories in accordance with priorities of the GEF: sustainable land management (US$179.3 million), management of agrobiodiversity (US$113.4 million), sustainable fisheries and water resource management (US$379.8 million), and climate change adaptation (US$138.1 million). By aligning GEF priorities with global aspirations for sustainable intensification of production systems, the study shows that it is possible to help developing countries tackle food insecurity while generating global environmental benefits for a healthy and resilient planet.