Model-driven development of sensor network applications with optimization of non-functional constraints

Wireless sensor networks (WSNs) differ from conventional distributed systems in many aspects. The resource limitation of sensor nodes, the ad-hoc communication and topology of the network, coupled with an unpredictable deployment environment are difficult non-functional constraints that must be carefully taken into account when developing software systems for a WSN. Thus, more research needs to be done on designing, implementing and maintaining software for WSNs. This thesis aims to contribute to research being done in this area by presenting an approach to WSN application development that will improve the reusability, flexibility, and maintainability of the software. Firstly, we present a programming model and software architecture aimed at describing WSN applications, independently of the underlying operating system and hardware. The proposed architecture is described and realized using the Model-Driven Architecture (MDA) standard in order to achieve satisfactory levels of encapsulation and abstraction when programming sensor nodes. Besides, we study different non-functional constrains of WSN application and propose two approaches to optimize the application to satisfy these constrains. A real prototype framework was built to demonstrate the developed solutions in the thesis. The framework implemented the programming model and the multi-layered software architecture as components. A graphical interface, code generation components and supporting tools were also included to help developers design, implement, optimize, and test the WSN software. Finally, we evaluate and critically assess the proposed concepts. Two case studies are provided to support the evaluation. The first case study, a framework evaluation, is designed to assess the ease at which novice and intermediate users can develop correct and power efficient WSN applications, the portability level achieved by developing applications at a high-level of abstraction, and the estimated overhead due to usage of the framework in terms of the footprint and executable code size of the application. In the second case study, we discuss the design, implementation and optimization of a real-world application named TempSense, where a sensor network is used to monitor the temperature within an area.

Die Privatisierung der Öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV) und die damit verbundene Problematik des marktwirtschaftlichen und interventionistischen Dualismus am Beispiel des Schienenpersonennahverkehrs (SPNV) in der Fläche

Der SPNV als Bestandteil des ÖPNV bildet einen integralen Bestandteil der öffentlichen Daseinsvorsorge. Insbesondere Flächenregionen abseits urbaner Ballungszentren erhalten durch den SPNV sowohl ökonomisch als auch soziokulturell wichtige Impulse, so dass die Zukunftsfähigkeit dieser Verkehrsart durch geeignete Gestaltungsmaßnahmen zu sichern ist. ZIELE: Die Arbeit verfolgte das Ziel, derartige Gestaltungsmaßnahmen sowohl grundlagentheoretisch herzuleiten als auch in ihrer konkreten Ausformung für die verkehrswirtschaftliche Praxis zu beschreiben. Abgezielt wurde insofern auf strukturelle Konzepte als auch praktische Einzelmaßnahmen. Der Schwerpunkt der Analyse erstreckte sich dabei auf Deutschland, wobei jedoch auch verkehrsbezogene Privatisierungserfahrungen aus anderen europäischen Staaten und den USA berücksichtigt wurden. METHODEN: Ausgewertet wurden deutschsprachige als auch internationale Literatur primär verkehrswissenschaftlicher Ausrichtung sowie Fallbeispiele verkehrswirtschaftlicher Privatisierung. Darüber hinaus wurden Entscheidungsträger der Deutschen Bahn (DB) und DB-externe Eisenbahnexperten interviewt. Eine Gruppe 5 DB-interner und 5 DB-externer Probanden nahm zusätzlich an einer standardisierten Erhebung zur Einschätzung struktureller und spezifischer Gestaltungsmaßnahmen für den SPNV teil. ERGEBNISSE: In struktureller Hinsicht ist die Eigentums- und Verfügungsregelung für das gesamte deutsche Bahnwesen und den SPNV kritisch zu bewerten, da der dominante Eisenbahninfrastrukturbetreiber (EIU) in Form der DB Netz AG und die das Netz nutzenden Eisenbahnverkehrs-Unternehmen (EVUs, nach wie vor zumeist DB-Bahnen) innerhalb der DB-Holding konfundiert sind. Hieraus ergeben sich Diskriminierungspotenziale vor allem gegenüber DB-externen EVUs. Diese Situation entspricht keiner echten Netz-Betriebs-Trennung, die wettbewerbstheoretisch sinnvoll wäre und nachhaltige Konkurrenz verschiedener EVUs ermöglichen würde. Die seitens der DB zur Festigung bestehender Strukturen vertretene Argumentation, wonach Netz und Betrieb eine untrennbare Einheit (Synergie) bilden sollten, ist weder wettbewerbstheoretisch noch auf der Ebene technischer Aspekte akzeptabel. Vielmehr werden durch die gegenwärtige Verquickung der als Quasimonopol fungierenden Netzebene mit der Ebene der EVU-Leistungen Innovationspotenziale eingeschränkt. Abgesehen von der grundsätzlichen Notwendigkeit einer konsequenten Netz-Betriebs-Trennung und dezentraler Strukturen sind Ausschreibungen (faktisch öffentliches Verfahren) für den Betrieb der SPNV-Strecken als Handlungsansatz zu berücksichtigen. Wettbewerb kann auf diese Weise gleichsam an der Quelle einer EVU-Leistung ansetzen, wobei politische und administrative Widerstände gegen dieses Konzept derzeit noch unverkennbar sind. Hinsichtlich infrastruktureller Maßnahmen für den SPNV ist insbesondere das sog. "Betreibermodell" sinnvoll, bei dem sich das übernehmende EIU im Sinne seiner Kernkompetenzen auf den Betrieb konzentriert. Die Verantwortung für bauliche Maßnahmen sowie die Instandhaltung der Strecken liegt beim Betreiber, welcher derartige Leistungen am Markt einkaufen kann (Kostensenkungspotenzial). Bei Abgabeplanungen der DB Netz AG für eine Strecke ist mithin für die Auswahl eines Betreibers auf den genannten Ausschreibungsmodus zurückzugreifen. Als kostensenkende Einzelmaßnahmen zur Zukunftssicherung des SPNV werden abschließend insbesondere die Optimierung des Fahrzeugumlaufes sowie der Einsatz von Triebwagen anstatt lokbespannter Züge und die weiter forcierte Ausrichtung auf die kundenorientierte Attraktivitätssteigerung des SPNV empfohlen. SCHLUSSFOLGERUNGEN: Handlungsansätze für eine langfristige Sicherung des SPNV können nicht aus der Realisierung von Extrempositionen (staatlicher Interventionismus versus Liberalismus) resultieren, sondern nur aus einem pragmatischen Ausgleich zwischen beiden Polen. Dabei erscheint eine Verschiebung hin zum marktwirtschaftlichen Pol sinnvoll, um durch die Nutzung wettbewerbsbezogener Impulse Kostensenkungen und Effizienzsteigerungen für den SPNV herbeizuführen.

Case Management in der ambulanten gerontopsychiatrischen Versorgung

In der vorliegenden Arbeit wird ein am Strengths-Modell orientiertes Case Management-Projekt zur Prozess- und Ergebnisoptimierung der bereits bestehenden ambulanten gerontopsychiatrischen Versorgungsstruktur untersucht. Dazu arbeitete eine Krankenpflegerin mit psychiatrischer Fachausbildung in einer Berliner Sozialstation auf Basis einer professionellen Beziehung für 4-6 Wochen bei Klientinnen mit gerontopsychiatrischen Problemlagen, erstellte ein Assessment, leistete notwendige Unterstützung zunächst selbst, vermittelte gestützt auf die eigenen Erfahrungen weiterführende Dienste, leitete diese Dienste an, zog sich dann aus dem direkten Kontakt mit den Klientinnen zurück und blieb beratend für die weiterführenden Dienste verfügbar. Zur Untersuchung des Projekts wurden qualitative und quantitative Verfahren eingesetzt. Zur Beschreibung der Inhalte wurden die für jede Klientin verfasste Dokumentation und die Ergebnisse von grob strukturierten Interviews mit der Case Managerin, angelehnt an eine reduzierte Form der Methode Grounded Theory, in einem iterativen Prozess analysiert. In einem zweiten Schritt wurde dann untersucht, inwieweit die einzelnen Arbeitsinhalte des Case Managements die sozial-räumlichdingliche Umweltanpassung und Proaktivität der Klientinnen unterstützten. Die Wirkungen des Projektes auf Kognition, Aktivitäten des täglichen Lebens (ADL), Instrumentelle Aktivitäten des täglichen Lebens (IADL), Stimmung sowie soziales und störendes Verhalten wurden mittels eines standardisierten Fragebogens mit einem quasi-experimentellen prospektiven Untersuchungsdesign analysiert. Zur Analyse der subjektiven Wirkung des Projektes auf Angehörige wurden in den Ergebnissen von grob strukturierten Interviews mittels eines iterativen Prozesses Themen identifiziert. Die Klientinnen (n=11) erhielten durchschnittlich 23 Stunden Case Management. Neben den typischen Case Management-Aufgaben führte die Case Managerin, basierend auf den Gewohnheiten, Interessen und Selbsteinschätzungen der Klientinnen, therapeutische und pflegerische Maßnahmen durch und unterstützte dabei die sozial-dinglichräumliche Umweltanpassung und Proaktivität der Klientinnen. Zusätzlich wurden Hauspflegerinnen von der Case Managerin individuell in der Wohnung von Klientinnen hinsichtlich der Kommunikation mit und Unterstützung der Proaktivität von Klientinnen angeleitet. Die Hauspflegerinnen führten die von der Case Managerin eingeleiteten Maßnahmen erfolgreich fort. Bei den Klientinnen zeigten sich signifikante Verbesserungen in Gedächtnis, Stimmung, IADL-Funktionen und Sozialverhalten, aber nicht in ADL-Funktionen und störendem Verhalten. Diese Verbesserungen wurden subjektiv von den Angehörigen (n=7) bestätigt. Zusätzlich empfanden Angehörige eine zeitliche aber keine psychische Entlastung. Mit diesem Projekt wurde gezeigt, dass ein zeitlich begrenztes klientenzentriertes Case Management kognitive, soziale und emotionale Funktionen von gerontopsychiatrisch Erkrankten verbessert, Angehörige zeitlich entlastet und dass Hauspflegerinnen bei entsprechender Anleitung die vom Case Management eingeleiteten Maßnahmen fortführen können. In Folgestudien mit größerem Umfang sollten diese Ergebnisse überprüft werden um dann zu entscheiden, ob dieser Ansatz geeignet ist, die ambulante gerontopsychiatrische Versorgung gemeindenah zu verbessern.

Design, implementation and application of a generic framework for integrated regional land-use modeling

Land use is a crucial link between human activities and the natural environment and one of the main driving forces of global environmental change. Large parts of the terrestrial land surface are used for agriculture, forestry, settlements and infrastructure. Given the importance of land use, it is essential to understand the multitude of influential factors and resulting land use patterns. An essential methodology to study and quantify such interactions is provided by the adoption of land-use models. By the application of land-use models, it is possible to analyze the complex structure of linkages and feedbacks and to also determine the relevance of driving forces. Modeling land use and land use changes has a long-term tradition. In particular on the regional scale, a variety of models for different regions and research questions has been created. Modeling capabilities grow with steady advances in computer technology, which on the one hand are driven by increasing computing power on the other hand by new methods in software development, e.g. object- and component-oriented architectures. In this thesis, SITE (Simulation of Terrestrial Environments), a novel framework for integrated regional sland-use modeling, will be introduced and discussed. Particular features of SITE are the notably extended capability to integrate models and the strict separation of application and implementation. These features enable efficient development, test and usage of integrated land-use models. On its system side, SITE provides generic data structures (grid, grid cells, attributes etc.) and takes over the responsibility for their administration. By means of a scripting language (Python) that has been extended by language features specific for land-use modeling, these data structures can be utilized and manipulated by modeling applications. The scripting language interpreter is embedded in SITE. The integration of sub models can be achieved via the scripting language or by usage of a generic interface provided by SITE. Furthermore, functionalities important for land-use modeling like model calibration, model tests and analysis support of simulation results have been integrated into the generic framework. During the implementation of SITE, specific emphasis was laid on expandability, maintainability and usability. Along with the modeling framework a land use model for the analysis of the stability of tropical rainforest margins was developed in the context of the collaborative research project STORMA (SFB 552). In a research area in Central Sulawesi, Indonesia, socio-environmental impacts of land-use changes were examined. SITE was used to simulate land-use dynamics in the historical period of 1981 to 2002. Analogous to that, a scenario that did not consider migration in the population dynamics, was analyzed. For the calculation of crop yields and trace gas emissions, the DAYCENT agro-ecosystem model was integrated. In this case study, it could be shown that land-use changes in the Indonesian research area could mainly be characterized by the expansion of agricultural areas at the expense of natural forest. For this reason, the situation had to be interpreted as unsustainable even though increased agricultural use implied economic improvements and higher farmers' incomes. Due to the importance of model calibration, it was explicitly addressed in the SITE architecture through the introduction of a specific component. The calibration functionality can be used by all SITE applications and enables largely automated model calibration. Calibration in SITE is understood as a process that finds an optimal or at least adequate solution for a set of arbitrarily selectable model parameters with respect to an objective function. In SITE, an objective function typically is a map comparison algorithm capable of comparing a simulation result to a reference map. Several map optimization and map comparison methodologies are available and can be combined. The STORMA land-use model was calibrated using a genetic algorithm for optimization and the figure of merit map comparison measure as objective function. The time period for the calibration ranged from 1981 to 2002. For this period, respective reference land-use maps were compiled. It could be shown, that an efficient automated model calibration with SITE is possible. Nevertheless, the selection of the calibration parameters required detailed knowledge about the underlying land-use model and cannot be automated. In another case study decreases in crop yields and resulting losses in income from coffee cultivation were analyzed and quantified under the assumption of four different deforestation scenarios. For this task, an empirical model, describing the dependence of bee pollination and resulting coffee fruit set from the distance to the closest natural forest, was integrated. Land-use simulations showed, that depending on the magnitude and location of ongoing forest conversion, pollination services are expected to decline continuously. This results in a reduction of coffee yields of up to 18% and a loss of net revenues per hectare of up to 14%. However, the study also showed that ecological and economic values can be preserved if patches of natural vegetation are conservated in the agricultural landscape. -----------------------------------------------------------------------