A Model-Based Development and Verification Framework for Distributed System-on-Chip Architecture

The capabilities and thus, design complexity of VLSI-based embedded systems have increased tremendously in recent years, riding the wave of Moore’s law. The time-to-market requirements are also shrinking, imposing challenges to the designers, which in turn, seek to adopt new design methods to increase their productivity. As an answer to these new pressures, modern day systems have moved towards on-chip multiprocessing technologies. New architectures have emerged in on-chip multiprocessing in order to utilize the tremendous advances of fabrication technology. Platform-based design is a possible solution in addressing these challenges. The principle behind the approach is to separate the functionality of an application from the organization and communication architecture of hardware platform at several levels of abstraction. The existing design methodologies pertaining to platform-based design approach don’t provide full automation at every level of the design processes, and sometimes, the co-design of platform-based systems lead to sub-optimal systems. In addition, the design productivity gap in multiprocessor systems remain a key challenge due to existing design methodologies. This thesis addresses the aforementioned challenges and discusses the creation of a development framework for a platform-based system design, in the context of the SegBus platform - a distributed communication architecture. This research aims to provide automated procedures for platform design and application mapping. Structural verification support is also featured thus ensuring correct-by-design platforms. The solution is based on a model-based process. Both the platform and the application are modeled using the Unified Modeling Language. This thesis develops a Domain Specific Language to support platform modeling based on a corresponding UML profile. Object Constraint Language constraints are used to support structurally correct platform construction. An emulator is thus introduced to allow as much as possible accurate performance estimation of the solution, at high abstraction levels. VHDL code is automatically generated, in the form of “snippets” to be employed in the arbiter modules of the platform, as required by the application. The resulting framework is applied in building an actual design solution for an MP3 stereo audio decoder application.

Nurses’ Acceptance of an Internet-Based Support System in The Care of Adolescents with Depression

The overall goal of the study was to describe nurses’ acceptance of an Internet-based support system in the care of adolescents with depression. The data were collected in four phases during the period 2006 – 2010 from nurses working in adolescent psychiatric outpatient clinics and from professionals working with adolescents in basic public services. In the first phase, the nurses’ anticipated perceptions of the usefulness of the Internet-based support system before its implementation was explored. In the second phase, the nurses’ perceived ease of computer and Internet use and attitudes toward it were explored. In the third phase, the features of the support system and its implementation process were described. In the fourth phase, the nurses’ experiences of behavioural intention and actual system use of the Internet-based support were described in psychiatric out-patient care after one year use. The Technology Acceptance Model (TAM) was used to structure the various research phases. Several benefits were identified from the nurses’ perspective in using the Internet-based support system in the care of adolescents with depression. The nurses’ technology skills were good and their attitudes towards computer use were positive. The support system was developed in various phases to meet the adolescents’ needs. Before the implementation of the information technology (IT)-based support system, it is important to pay attention to the nurses’ IT-training, technology support, resources, and safety as well as ethical issues related to the support system. After one year of using the system, the nurses perceived the Internet-based support system to be useful in the care of adolescents with depression. The adolescents’ independent work with the support system at home and the program’s systematic character were experienced as conducive from the point of view of the treatment. However, the Internet-based support system was integrated only partly into the nurseadolescent interaction even though the nurses’ perceptions of it were positive. The use of the IT-based system as part of the adolescents’ depression care was seen positively and its benefits were recognized. This serves as a good basis for future IT-based techniques. Successful implementations of IT-based support systems need a systematic implementation plan and commitment from the part of the organization and its managers. Supporting and evaluating the implementation of an IT-based system should pay attention to changing the nurses’ work styles. Health care organizations should be offered more flexible opportunities to utilize IT-based systems in direct patient care in the future.

Liiketoimintatiedonhallinnan hyödyntämisen esteet päätettäessä palveluista. Case: Kunnalliset pelastustoimen liikelaitokset ja eriytetyt taseyksiköt

Pelastuslaitosten liiketoimintatiedonhallinnalla, tietoperusteisuudella ja tietojohtamisella on tulevaisuudessa merkittävä rooli päätettäessä palveluista. Julkisen pelastustoimen kuntien liikelaitoksina ja eriytettyinä taseyksiköinä toimivien pelastuslaitosten haasteet tulevat olemaan jatkossa tehokkaiden ja vaikuttavien palveluiden strategisessa johtamisessa ja suunnittelussa. Näistä asioista päättäminen on kriittinen vaihe onnistumisen kannalta. Päätöksenteko eri tasoilla tarvitsee tuekseen toiminnasta ja palveluista kanavoitua analysoitua tietoa. Asiakastarpeesta lähtevä vaikuttavuus ja laatu korostuvat. Liiketoimintatiedonhallinta ja tietoperusteisuus haastavat pelastuslaitoksen johtamisjärjestelmän. Johtamisen kyvykkyys ja henkilöstön osaaminen ovat tietoperusteisuuden ja tiedonhallinnan keskiössä. Systemaattisen liiketoimintatiedonhallinnan ja tietoperusteisuuden erottaa perinteisestä virkamiehen tietojen hyväksikäytöstä käsitteen kokonaisvaltaisuus ja järjestelmällisyys kaikessa tiedollisessa toiminnassa. Tämä kattaa tietojärjestelmät, mittarit, prosessit, strategian suunnitelmat, asiakirjat, raportoinnin, kehittämisen ja tutkimuksen. Liiketoimin-tatiedonhallinta ja tietojohtaminen linkittävät kaiken toisiinsa muodostaen keskinäisriippuvaisen yhtenäisen järjestelmän ja kokonaisvaltaisen ymmärryksen. Tutkimukseni on laadullinen tutkimus jossa tiedon keruu ja analysointi on toteutettu toisiaan tukevilla tutkimusotteilla. Metodologia nojaa teorialähtöiseen systemaattiseen analyysiin, jossa on valikoituja osia sisällön analyysistä. Tutkimuksessa on käytetty aineisto- ja menetelmätriangulaatioita. Tutkimuksen aineisto on kerätty teemahaastatteluilla valittujen kohde pelastuslaitosten asiantuntijoilta palveluiden päätös- ja suunnittelutasolta, johtoryhmistä ja joh-tokunnista. Haastatteluja varten tutkija on tutustunut kohdepelastuslaitosten palveluita mää-rittävään tiedolliseen dokumentaatioon kuten palvelutasopäätöksiin ja riskianalyyseihin. Ai-neisto keruun kohteiksi valikoitui pääkaupunkiseudun alueen pelastuslaitokset: Helsingin kaupungin pelastuslaitos sekä Itä-, Keski- ja Länsi-Uudenmaan pelastuslaitokset. Tulosten mukaan pelastuslaitosten keskeiset liiketoimintatiedonhallinnan esteet muodostuvat johtamisen ongelmista, organisaation muutosvastarinnasta ja päätöksenteon tietoperusteen puutteesta. Nämä ilmenevät strategisen johtamisen puutteina, vaikuttavuuden mittaamisen sekä tiedon jalostamisen ongelmina. Keskeistä tiedollista yhdistävää ja linkittävää tekijää ei tunnisteta ja löydetä. Tiedollisessa liiketoimintatiedonhallinnan prosessityössä voisi olla tulos-ten mukaan mahdollisuuksia tämän tyhjiön täyttämiseen. Pelastuslaitoksille jää tulevaisuudessa valinta suunnasta johon ne haluavat edetä tiedonhal-linnan, tietojohtamisen ja tietoperusteisuuden kanssa. Tämä vaikuttaa kehitykseen ja tavoitteeseen keskeisistä palveluiden päätöksentekoa tukevista johtamis- ja tietojärjestelmistä, tietoa kokoavista ja luovista dokumenteista sekä organisaation joustavasta rakenteesta. Tietoprosessiin, tiedon prosessimaiseen johtamiseen ja systemaattiseen tiedonhallintaan meneminen vaikuttaa tutkimuksen tulosten mukaan lupaavalta mahdollisuudelta. Samalla se haastaa pelauslaitokset suureen kulttuuriseen muutokseen ja asettaa uusien vaikuttavuusmittareiden tuottaman tiedon ennakoivan hyväksynnän vaateen strategiselle suunnittelulle. Tämä vaatii pelastuslaitosten johdolta ja henkilöstöltä osaamista, yhteisymmärrystä, muutostarpeiden hyväksyntää sekä asiakkaan asettamista vaikuttavuuden keskiöön.

Rigorous development of safety-critical systems

Nowadays, computer-based systems tend to become more complex and control increasingly critical functions affecting different areas of human activities. Failures of such systems might result in loss of human lives as well as significant damage to the environment. Therefore, their safety needs to be ensured. However, the development of safety-critical systems is not a trivial exercise. Hence, to preclude design faults and guarantee the desired behaviour, different industrial standards prescribe the use of rigorous techniques for development and verification of such systems. The more critical the system is, the more rigorous approach should be undertaken. To ensure safety of a critical computer-based system, satisfaction of the safety requirements imposed on this system should be demonstrated. This task involves a number of activities. In particular, a set of the safety requirements is usually derived by conducting various safety analysis techniques. Strong assurance that the system satisfies the safety requirements can be provided by formal methods, i.e., mathematically-based techniques. At the same time, the evidence that the system under consideration meets the imposed safety requirements might be demonstrated by constructing safety cases. However, the overall safety assurance process of critical computerbased systems remains insufficiently defined due to the following reasons. Firstly, there are semantic differences between safety requirements and formal models. Informally represented safety requirements should be translated into the underlying formal language to enable further veri cation. Secondly, the development of formal models of complex systems can be labour-intensive and time consuming. Thirdly, there are only a few well-defined methods for integration of formal verification results into safety cases. This thesis proposes an integrated approach to the rigorous development and verification of safety-critical systems that (1) facilitates elicitation of safety requirements and their incorporation into formal models, (2) simplifies formal modelling and verification by proposing specification and refinement patterns, and (3) assists in the construction of safety cases from the artefacts generated by formal reasoning. Our chosen formal framework is Event-B. It allows us to tackle the complexity of safety-critical systems as well as to structure safety requirements by applying abstraction and stepwise refinement. The Rodin platform, a tool supporting Event-B, assists in automatic model transformations and proof-based verification of the desired system properties. The proposed approach has been validated by several case studies from different application domains.

Semantic and fuzzy modelling for human behaviour recognition in smart spaces : a case study on ambient assisted living.

Human activity recognition in everyday environments is a critical, but challenging task in Ambient Intelligence applications to achieve proper Ambient Assisted Living, and key challenges still remain to be dealt with to realize robust methods. One of the major limitations of the Ambient Intelligence systems today is the lack of semantic models of those activities on the environment, so that the system can recognize the speci c activity being performed by the user(s) and act accordingly. In this context, this thesis addresses the general problem of knowledge representation in Smart Spaces. The main objective is to develop knowledge-based models, equipped with semantics to learn, infer and monitor human behaviours in Smart Spaces. Moreover, it is easy to recognize that some aspects of this problem have a high degree of uncertainty, and therefore, the developed models must be equipped with mechanisms to manage this type of information. A fuzzy ontology and a semantic hybrid system are presented to allow modelling and recognition of a set of complex real-life scenarios where vagueness and uncertainty are inherent to the human nature of the users that perform it. The handling of uncertain, incomplete and vague data (i.e., missing sensor readings and activity execution variations, since human behaviour is non-deterministic) is approached for the rst time through a fuzzy ontology validated on real-time settings within a hybrid data-driven and knowledgebased architecture. The semantics of activities, sub-activities and real-time object interaction are taken into consideration. The proposed framework consists of two main modules: the low-level sub-activity recognizer and the high-level activity recognizer. The rst module detects sub-activities (i.e., actions or basic activities) that take input data directly from a depth sensor (Kinect). The main contribution of this thesis tackles the second component of the hybrid system, which lays on top of the previous one, in a superior level of abstraction, and acquires the input data from the rst module's output, and executes ontological inference to provide users, activities and their in uence in the environment, with semantics. This component is thus knowledge-based, and a fuzzy ontology was designed to model the high-level activities. Since activity recognition requires context-awareness and the ability to discriminate among activities in di erent environments, the semantic framework allows for modelling common-sense knowledge in the form of a rule-based system that supports expressions close to natural language in the form of fuzzy linguistic labels. The framework advantages have been evaluated with a challenging and new public dataset, CAD-120, achieving an accuracy of 90.1% and 91.1% respectively for low and high-level activities. This entails an improvement over both, entirely data-driven approaches, and merely ontology-based approaches. As an added value, for the system to be su ciently simple and exible to be managed by non-expert users, and thus, facilitate the transfer of research to industry, a development framework composed by a programming toolbox, a hybrid crisp and fuzzy architecture, and graphical models to represent and con gure human behaviour in Smart Spaces, were developed in order to provide the framework with more usability in the nal application. As a result, human behaviour recognition can help assisting people with special needs such as in healthcare, independent elderly living, in remote rehabilitation monitoring, industrial process guideline control, and many other cases. This thesis shows use cases in these areas.

Modelling the simultaneous effects of intellectual capital and knowledge management on the organisational performance of Finnish companies

The aim of this study was to contribute to the current knowledge-based theory by focusing on a research gap that exists in the empirically proven determination of the simultaneous but differentiable effects of intellectual capital (IC) assets and knowledge management (KM) practices on organisational performance (OP). The analysis was built on the past research and theoreticised interactions between the latent constructs specified using the survey-based items that were measured from a sample of Finnish companies for IC and KM and the dependent construct for OP determined using information available from financial databases. Two widely used and commonly recommended measures in the literature on management science, i.e. the return on total assets (ROA) and the return on equity (ROE), were calculated for OP. Thus the investigation of the relationship between IC and KM impacting OP in relation to the hypotheses founded was possible to conduct using objectively derived performance indicators. Using financial OP measures also strengthened the dynamic features of data needed in analysing simultaneous and causal dependences between the modelled constructs specified using structural path models. The estimates were obtained for the parameters of structural path models using a partial least squares-based regression estimator. Results showed that the path dependencies between IC and OP or KM and OP were always insignificant when analysed separate to any other interactions or indirect effects caused by simultaneous modelling and regardless of the OP measure used that was either ROA or ROE. The dependency between the constructs for KM and IC appeared to be very strong and was always significant when modelled simultaneously with other possible interactions between the constructs and using either ROA or ROE to define OP. This study, however, did not find statistically unambiguous evidence for proving the hypothesised causal mediation effects suggesting, for instance, that the effects of KM practices on OP are mediated by the IC assets. Due to the fact that some indication about the fluctuations of causal effects was assessed, it was concluded that further studies are needed for verifying the fundamental and likely hidden causal effects between the constructs of interest. Therefore, it was also recommended that complementary modelling and data processing measures be conducted for elucidating whether the mediation effects occur between IC, KM and OP, the verification of which requires further investigations of measured items and can be build on the findings of this study.

Intellectual capital, knowledge management practices and firm performance

Researchers have widely recognised and accepted that firm performance is increasingly related to knowledge-based issues. Two separately developed literature streams, intellectual capital (IC) and knowledge management (KM), have been established as the key discussions related to knowledge-based competitive advantage of the firm. Intellectual capital has provided evidence on the strategic key intangible resources of the firm, which could be deployed to create competitive advantage. Knowledge management, in turn, has focused on the managerial processes and practices which can be used to leverage IC to create competitive advantage. Despite extensive literature on both issues, some notable research gaps remain to be closed. In effect, one major gap within the knowledge management research is the lack of understanding related to its influence on firm performance, while IC researchers have articulated a need to utilise more finegrained conceptual models to better understand the key strategic value-creating resources of the firm. In this dissertation, IC is regarded as the entire intellectual capacity, knowledge and competences of the firm that can be leveraged to achieve sustained competitive advantage. KM practices are defined as organisational and managerial activities that enable the firm to leverage its IC to create value. The objective of this dissertation is to answer the research question: “What is the relationship between intellectual capital, knowledge management practices and firm performance?” Five publications have addressed the research question using different approaches. The first two publications were systematic literature reviews of the extant empirical IC and KM research, which established the current state of understanding regarding the relationship between IC, KM practices and firm performance. Publications III and IV were empirical research articles that assessed the developed conceptual model related to IC, KM practices and firm performance. Finally, Publication V was among the first research papers to merge IC and KM disciplines in order to find out which configurations could yield organisational benefits in terms of innovation and market performance outcomes.

Tietämyksenhallinta kirurgiassa

Tässä kandidaatin työssä tavoitteena oli selvittää tietämyksenhallinnan ongelmia Etelä-Karjalan keskussairaalan kirurgisella osastolla empiirisen case-tutkimuksen avulla. Tutkimuksessa haastateltiin kolmea Etelä-Karjalan keskussairaalan kirurgia, joiden vastausten avulla pyrittiin luomaan ankkuroitua teoria-tutkimusmenetelmää hyväksi käyttäen keskeisimpiä vastauksia tutkimusongelmiin. Kirurgisen osaston tietämyksenhallinnan ongelmat perustuivat pääosin tietojärjestelmien hajanaisuuteen, hitauteen sekä käyttäjäystävällisyyteen. Lisäksi hiljaisen tiedon vaikuttavuus tietämyksenhallinnassa nähtiin ongelmana, koska se lisää epävarmuutta hoitopäätöksissä sekä uuden tiedon luomisessa. Tuloksista voidaan todeta, että tietojärjestelmiä täytyisi parantaa lääkäreiden työn nopeuttamiseksi sekä laadun parantamiseksi. Lisäksi työssä tehtiin kirjallisuuskatsaus tietämyksenhallinnasta terveydenhuollon näkökulmasta.

Students' knowledge about tobacco one year after receiving the PAL smoking prevention program

A review of literature revealed that the control of cigarette smoking could do more to improve health than any other single action in the field of preventive medicine. In Ontario, since 1989, both Public Health Units and Boards ofEducations have been mandated to provide educational studies related to tobacco use prevention. Even given this fact, there has been an increase in smoking behaviQurs at an earlier age and in females in particular. Smoking prevention progralns must use the most effective means to assist students to obtain the knowledge and skills required to remain or becom'e nonsmokers. In the Niagara Region, PAL smoking prevention programs are offered in some, but not all, schools. As a form of program evaluation, this research sought to determine if students who had PAL could answer correctly a greater number of smoking-related questions than students who did not have this program. Findings reported that students who had PAL in Grade 6 were able to correctly answer more knowledge-based questions (at a statistically significant level), could provide ways to refuse cigarettes at a greater rate, and were able to provide more reasons for remaining nonsmokers. Students who had smoking prevention programming re,ported smoking behavio'urs at a lower rate than those who did not receive this type of program.

The Implementations of Professional Learning Communities (PLCs) in Beijing and Ontario Schools

Since the knowledge-based economy has become a fashion over the last few decades, the concept of the professional learning community (PLC) has started being accepted by educational institutions and governments as an effective framework to improve teachers’ collective work and collaboration. The purpose of this research was to compare and contrast the implementations of PLCs between Beijing schools and Ontario schools from principals’ personal narratives. In order to discover the lessons and widen the scope to understand the PLC, this research applied qualitative design to collect the data from two principal participants in each location by semistructured interviews. Four themes emerged: (a) structure and technology, (b) identity and climate, (c) task and support, and (d) change and challenge. This research found that the root of the characteristics of the PLCs in Beijing and Ontario was the different existing teaching and learning systems as well as the test systems. Teaching Research Groups (TRGs) is one of the systems that help Chinese to organize routine time and input resources to improve teachers’ professional development. However, Canadian schools lack a similar system that guarantees the time and resources. Moreover, standardized test plays different roles in China and Canada. In China, standardized tests, such as the college entrance examination, are regarded as the important purpose of education, whereas Ontario principals saw the Education Quality and Accountability Office (EQAO) as a tool rather than a primary purpose. These two main differences influenced principals’ beliefs, attitudes, strategies, and practices. The implications based on this discovery provide new perspectives for principals, teachers, policy makers, and scholars to widen and deepen the research and practice of the PLC.

Video-based analysis of Gait pathologies

L’analyse de la marche a émergé comme l’un des domaines médicaux le plus im- portants récemment. Les systèmes à base de marqueurs sont les méthodes les plus fa- vorisées par l’évaluation du mouvement humain et l’analyse de la marche, cependant, ces systèmes nécessitent des équipements et de l’expertise spécifiques et sont lourds, coûteux et difficiles à utiliser. De nombreuses approches récentes basées sur la vision par ordinateur ont été développées pour réduire le coût des systèmes de capture de mou- vement tout en assurant un résultat de haute précision. Dans cette thèse, nous présentons notre nouveau système d’analyse de la démarche à faible coût, qui est composé de deux caméras vidéo monoculaire placées sur le côté gauche et droit d’un tapis roulant. Chaque modèle 2D de la moitié du squelette humain est reconstruit à partir de chaque vue sur la base de la segmentation dynamique de la couleur, l’analyse de la marche est alors effectuée sur ces deux modèles. La validation avec l’état de l’art basée sur la vision du système de capture de mouvement (en utilisant le Microsoft Kinect) et la réalité du ter- rain (avec des marqueurs) a été faite pour démontrer la robustesse et l’efficacité de notre système. L’erreur moyenne de l’estimation du modèle de squelette humain par rapport à la réalité du terrain entre notre méthode vs Kinect est très prometteur: les joints des angles de cuisses (6,29◦ contre 9,68◦), jambes (7,68◦ contre 11,47◦), pieds (6,14◦ contre 13,63◦), la longueur de la foulée (6.14cm rapport de 13.63cm) sont meilleurs et plus stables que ceux de la Kinect, alors que le système peut maintenir une précision assez proche de la Kinect pour les bras (7,29◦ contre 6,12◦), les bras inférieurs (8,33◦ contre 8,04◦), et le torse (8,69◦contre 6,47◦). Basé sur le modèle de squelette obtenu par chaque méthode, nous avons réalisé une étude de symétrie sur différentes articulations (coude, genou et cheville) en utilisant chaque méthode sur trois sujets différents pour voir quelle méthode permet de distinguer plus efficacement la caractéristique symétrie / asymétrie de la marche. Dans notre test, notre système a un angle de genou au maximum de 8,97◦ et 13,86◦ pour des promenades normale et asymétrique respectivement, tandis que la Kinect a donné 10,58◦et 11,94◦. Par rapport à la réalité de terrain, 7,64◦et 14,34◦, notre système a montré une plus grande précision et pouvoir discriminant entre les deux cas.

Der Einfluss institutioneller Rahmenbedingungen auf die nationalen Innovationssysteme in Frankreich und Deutschland

Die Dissertation beschäftigt sich mit der komparativen Analyse der deutschen und französischen Innovationssysteme. Ausgehend von der evolutorisch-orientierten Innovationsforschung und der Institutionenökonomik werden die Akteure und deren Interaktionen in den jeweiligen institutionellen Rahmenbedingungen in beiden Innovationssystemen untersucht. Die Arbeit beleuchtet dieses Thema aus verschiedenen Perspektiven und zeichnet sich durch ein breites Methodenspektrum aus. Die Grenzen und Defizite des linearen Innovationsmodells werden aufgezeigt und für ein systemisches, interaktives Verständnis der Entstehung von Innovationen plädiert. Dieses interaktive Modell wird auf die Ebene des nationalen Innovationssystems transponiert, und damit wird der konzeptionelle Rahmen für die weitere Analyse geschaffen. Für die Gestaltung der Innovationssysteme wird die Bedeutung der institutionellen Konfigurationen betont, die von den Innovationsakteuren gewählt werden. Hierfür werden jeweils die Fallbeispiele Frankreich und Deutschland ausführlich untersucht und nach der gleichen Systematik empirisch betrachtet und schließlich werden beide Innovationssysteme systematisch verglichen. Dabei wird auch auf die Pfadabhängigkeiten in beiden Innovationssystemen eingegangen, sowie auf die Notwendigkeit der Berücksichtigung kultureller und historischer Eigenarten der verglichenen Länder. Expertengespräche mit deutschen und französischen Experten, ergänzen die zuvor erzielten Ergebnisse der Arbeit: Durch eine interdisziplinäre Herangehensweise werden politikwissenschaftliche und ökonomische Ansätze miteinander verknüpft, sowie kulturelle Eigenarten berücksichtigt, die Innovationssysteme beeinflussen können. In seinen Schlussfolgerungen kommt der Verfasser zu dem Ergebnis, dass „lernende Politik“ über institutionellen Wandel und Wissenstransfer ein wichtiger Faktor bei der Gestaltung hybrider Institutionen und der staatlichen Innovationspolitik von der „Missions- zur Diffusionsorientierung“ hin ist. Die Betrachtung zweier nationaler Systeme sowie deren Einbindung in internationale Kontexte führt zum Ergebnis, dass die Steuerung der Schnittstelle „Forschung-Industrie“, insbesondere die Rolle der Universitäten und Forschungseinrichtungen in heterogenen Kooperationspartnerschaften, über neue forschungs-und technologiepolitische Instrumente über transnationales Lernen von Institutionen geschehen kann. Dieser institutionelle Wandel wird als Lernprozess betrachtet, der im Übergang zur wissensbasierten Wirtschaft als “comparative institutional advantage“ ein wichtiger Faktor bei der Gestaltung der Institutionen und der staatlichen Technologiepolitik ist.

Neuartige Verfahren für die Überwachung und Diagnose von aktiv magnetgelagerten rotierenden Maschinen

Mit aktiven Magnetlagern ist es möglich, rotierende Körper durch magnetische Felder berührungsfrei zu lagern. Systembedingt sind bei aktiv magnetgelagerten Maschinen wesentliche Signale ohne zusätzlichen Aufwand an Messtechnik für Diagnoseaufgaben verfügbar. In der Arbeit wird ein Konzept entwickelt, das durch Verwendung der systeminhärenten Signale eine Diagnose magnetgelagerter rotierender Maschinen ermöglicht und somit neben einer kontinuierlichen Anlagenüberwachung eine schnelle Bewertung des Anlagenzustandes gestattet. Fehler können rechtzeitig und ursächlich in Art und Größe erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Anhand der erfassten Signale geschieht die Gewinnung von Merkmalen mit signal- und modellgestützten Verfahren. Für den Magnetlagerregelkreis erfolgen Untersuchungen zum Einsatz modellgestützter Parameteridentifikationsverfahren, deren Verwendbarkeit wird bei der Diagnose am Regler und Leistungsverstärker nachgewiesen. Unter Nutzung von Simulationsmodellen sowie durch Experimente an Versuchsständen werden die Merkmalsverläufe im normalen Referenzzustand und bei auftretenden Fehlern aufgenommen und die Ergebnisse in einer Wissensbasis abgelegt. Diese dient als Grundlage zur Festlegung von Grenzwerten und Regeln für die Überwachung des Systems und zur Erstellung wissensbasierter Diagnosemodelle. Bei der Überwachung werden die Merkmalsausprägungen auf das Überschreiten von Grenzwerten überprüft, Informationen über erkannte Fehler und Betriebszustände gebildet sowie gegebenenfalls Alarmmeldungen ausgegeben. Sich langsam anbahnende Fehler können durch die Berechnung der Merkmalstrends mit Hilfe der Regressionsanalyse erkannt werden. Über die bisher bei aktiven Magnetlagern übliche Überwachung von Grenzwerten hinaus erfolgt bei der Fehlerdiagnose eine Verknüpfung der extrahierten Merkmale zur Identifizierung und Lokalisierung auftretender Fehler. Die Diagnose geschieht mittels regelbasierter Fuzzy-Logik, dies gestattet die Einbeziehung von linguistischen Aussagen in Form von Expertenwissen sowie die Berücksichtigung von Unbestimmtheiten und ermöglicht damit eine Diagnose komplexer Systeme. Für Aktor-, Sensor- und Reglerfehler im Magnetlagerregelkreis sowie Fehler durch externe Kräfte und Unwuchten werden Diagnosemodelle erstellt und verifiziert. Es erfolgt der Nachweis, dass das entwickelte Diagnosekonzept mit beherrschbarem Rechenaufwand korrekte Diagnoseaussagen liefert. Durch Kaskadierung von Fuzzy-Logik-Modulen wird die Transparenz des Regelwerks gewahrt und die Abarbeitung der Regeln optimiert. Endresultat ist ein neuartiges hybrides Diagnosekonzept, welches signal- und modellgestützte Verfahren der Merkmalsgewinnung mit wissensbasierten Methoden der Fehlerdiagnose kombiniert. Das entwickelte Diagnosekonzept ist für die Anpassung an unterschiedliche Anforderungen und Anwendungen bei rotierenden Maschinen konzipiert.

Sensorische Erfassung von Grünlandbiomassen als Grundlage für ein teilflächenspezifisches Management im Ökologischen Landbau

Vor dem Hintergund der Integration des wissensbasierten Managementsystems Precision Farming in den Ökologischen Landbau wurde die Umsetzung bestehender sowie neu zu entwickelnder Strategien evaluiert und diskutiert. Mit Blick auf eine im Precision Farming maßgebende kosteneffiziente Ertragserfassung der im Ökologischen Landbau flächenrelevanten Leguminosen-Grasgemenge wurden in zwei weiteren Beiträgen die Schätzgüten von Ultraschall- und Spektralsensorik in singulärer und kombinierter Anwendung analysiert. Das Ziel des Precision Farming, ein angepasstes Management bezogen auf die flächeninterne Variabilität der Standorte umzusetzen, und damit einer Reduzierung von Betriebsmitteln, Energie, Arbeit und Umwelteffekten bei gleichzeitiger Effektivitätssteigerung und einer ökonomischen Optimierung zu erreichen, deckt sich mit wesentlichen Bestrebungen im Ökogischen Landbau. Es sind vorrangig Maßnahmen zur Erfassung der Variabilität von Standortfaktoren wie Geländerelief, Bodenbeprobung und scheinbare elektrische Leitfähigkeit sowie der Ertragserfassung über Mähdrescher, die direkt im Ökologischen Landbau Anwendung finden können. Dagegen sind dynamisch angepasste Applikationen zur Düngung, im Pflanzenschutz und zur Beseitigung von Unkräutern aufgrund komplexer Interaktionen und eines eher passiven Charakters dieser Maßnahmen im Ökologischen Landbau nur bei Veränderung der Applikationsmodelle und unter Einbindung weiterer dynamischer Daten umsetzbar. Beispiele hiefür sind einzubeziehende Mineralisierungsprozesse im Boden und organischem Dünger bei der Düngemengenberechnung, schwer ortsspezifisch zuzuordnende präventive Maßnamen im Pflanzenschutz sowie Einflüsse auf bodenmikrobiologische Prozesse bei Hack- oder Striegelgängen. Die indirekten Regulationsmechanismen des Ökologischen Landbaus begrenzen daher die bisher eher auf eine direkte Wirkung ausgelegten dynamisch angepassten Applikationen des konventionellen Precision Farming. Ergänzend sind innovative neue Strategien denkbar, von denen die qualitätsbezogene Ernte, der Einsatz hochsensibler Sensoren zur Früherkennung von Pflanzenkrankheiten oder die gezielte teilflächen- und naturschutzorientierte Bewirtschaftung exemplarisch in der Arbeit vorgestellt werden. Für die häufig große Flächenanteile umfassenden Leguminosen-Grasgemenge wurden für eine kostengünstige und flexibel einsetzbare Ertragserfassung die Ultraschalldistanzmessung zur Charakterisierung der Bestandeshöhe sowie verschiedene spektrale Vegetationsindices als Schätzindikatoren analysiert. Die Vegetationsindices wurden aus hyperspektralen Daten nach publizierten Gleichungen errechnet sowie als „Normalized Difference Spectral Index“ (NDSI) stufenweise aus allen möglichen Wellenlängenkombinationen ermittelt. Die Analyse erfolgte für Ultraschall und Vegetationsindices in alleiniger und in kombinierter Anwendung, um mögliche kompensatorische Effekte zu nutzen. In alleiniger Anwendung erreichte die Ultraschallbestandeshöhe durchweg bessere Schätzgüten, als alle einzelnen Vegetationsindices. Bei den letztgenannten erreichten insbesondere auf Wasserabsorptionsbanden basierende Vegetationsindices eine höhere Schätzgenauigkeit als traditionelle Rot/Infrarot-Indices. Die Kombination beider Sensorda-ten ließ eine weitere Steigerung der Schätzgüte erkennen, insbesondere bei bestandesspezifischer Kalibration. Hierbei kompensieren die Vegetationsindices Fehlschätzungen der Höhenmessung bei diskontinuierlichen Bestandesdichtenänderungen entlang des Höhengradienten, wie sie beim Ährenschieben oder durch einzelne hochwachsende Arten verursacht werden. Die Kombination der Ultraschallbestandeshöhe mit Vegetationsindices weist das Potential zur Entwicklung kostengünstiger Ertragssensoren für Leguminosen-Grasgemenge auf. Weitere Untersuchungen mit hyperspektralen Vegetationsindices anderer Berechnungstrukturen sowie die Einbindung von mehr als zwei Wellenlängen sind hinsichtlich der Entwicklung höherer Schätzgüten notwendig. Ebenso gilt es, Kalibrierungen und Validationen der Sensorkombination im artenreichen Grasland durchzuführen. Die Ertragserfassung in den Leguminosen-Grasgemengen stellt einen wichtigen Beitrag zur Erstellung einer Ertragshistorie in den vielfältigen Fruchtfolgen des Ökologischen Landbaus dar und ermöglicht eine verbesserte Einschätzung von Produktionspotenzialen und Defizitarealen für ein standortangepasstes Management.

Principle-Based Parsing

During the past few years, there has been much discussion of a shift from rule-based systems to principle-based systems for natural language processing. This paper outlines the major computational advantages of principle-based parsing, its differences from the usual rule-based approach, and surveys several existing principle-based parsing systems used for handling languages as diverse as Warlpiri, English, and Spanish, as well as language translation.