Selbstlernende akustische Mustererkennung zur Erfassung von Bauteilfehlern im Automobil

Die Schwerpunkte dieser Promotion, die in der Volkswagen Konzernforschung in Zusammenarbeit mit dem Institut für Gerätesysteme und Schaltungstechnik der Universität Rostock angefertigt wurde, liegen in der Konzept- und Algorithmenerstellung zur automatisierten Analyse des Fahrzeuginnenraumgeräuschs mit Anwendung in der Qualitätssicherung, der Produktion und den Werkstätten. Über selbstorganisierende neuronale Karten ist das Ziel erreicht worden, zeitabhängige akustische Größen von Fahrzeuggeräuschen zu interpretieren, wodurch eine Unterscheidung von Fehlerzuständen ermöglicht wird.The main focus of this doctoral thesis at the Volkswagen Group Research and the Institute of Electronic Appliances and Circuits of University Rostock is on the development of concepts and algorithms for automatic analysis of interior vehicle sound with applications in quality control, production and dealer workshops. The main target, to calculate and analyse the parameters, whether a normal interior sound or a noticeable noise occurs, is reached by neural network algorithms. Self-Organizing Maps are used for the interpretation of acoustic patterns of two research vehicles

Evolution in Hardware : eine Experimentalplattform zum parallelen Training analoger neuronaler Netzwerke

Evolution in Hardware - Eine Experimentalplattform zum parallelen Training analoger neuronaler Netzwerke Künstliche neuronale Netzwerke eignen sich aufgrund der in den Neuronen und Synapsen verteilten Rechenoperationen für eine parallele Implementierung in hochintegrierten Schaltungen. Durch die Kombination aus analoger Berechnung und digitaler Kommunikation können mit geringem Stromverbrauch hohe Rechengeschwindigkeiten skalierbar erreicht werden. Diese Geschwindigkeit ist aber nur praktisch nutzbar, wenn die neuronale Hardware in ein System eingebettet wird, das hohe Geschwindigkeiten sowohl bei der Ansteuerung als auch bei der Implementierung der Trainingsalgorithmen sicherstellt. Diese Arbeit stellt eine Experimentalplattform vor, die einen Mikroprozessor zur Ausführung der Trainingsalgorithmen mit programmierbarer Logik und einem gemischt analog-digitalen neuronalen Netzwerkchip kombiniert. Die erste Hardwaregeneration basiert auf einer PCI-Karte, die in einem Standard-PC betrieben wird. Die zweite Generation bietet durch Verwendung eines FPGAs mit integriertem Mikroprozessor die gleiche Funktionalität auf einer einzigen Leiterplatte. Bis zu 16 dieser Netzwerkmodule können, verbunden über eine Backplane, parallel betrieben werden. Durch die Implementierung des Trainings in Software sind beliebige Algorithmen realisierbar. Um das Training mit evolutionären Algorithmen zusätzlich zu beschleunigen, wurde ein Koprozessor entwickelt, der die daten- und rechenintensiven Teile des Trainings unter vollständiger Kontrolle durch die Software innerhalb der programmierbaren Logik ausführt. Anhand von praxisrelevanten Klassifikationsproblemen konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse dieses evolutionären Trainings sehr gut mit anderen Lösungen auf der Basis neuronaler Netzwerke konkurrieren können

Adaptive optimization of focused compound libraries

Das Ziel des adaptiven Entwurfs von Substanzbibliotheken ist es, die vollständige biologische Testung einer molekularen Screeningbibliothek zu vermeiden. Stattdessen erfolgt, geleitet durch Optimierungsalgorithmen, eine "intelligente" Navigation durch den chemischen Raum, um so bevorzugt Substanzen mit gewünschten Eigenschaften auszuwählen. In einer retrospektiven Studie wurden die Optimierungsalgorithmen "Zufallssuche", "Simulated Annealing", "Evolutionsstrategie" und "Partikelschwarmoptimierung" im Hinblick auf den Entwurf von Bibliotheken von Serinproteaseinhibitoren systematischen verglichen. Die Gesamtzahl verfügbarer Substanztestungen wurde auf 300 beschränkt, um Laborbedingungen zu simulieren. Als Ergebnis zeigten sich besonders die Evolutionsstrategien für einen Einsatz in einer Niedrigdurchsatzscreening-Kampagne geeignet, da diese effizient mit großen Populationen und wenigen Iterationen arbeiteten. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt den erfolgreichen Entwurf einer fokussierten Bibliothek von RNA-Liganden. In einer hybriden, prospektiven Optimierungsstudie wurden nach dem Vorbild einer iterativen Niedrigdurchsatzscreening-Kampagne vom Computer vorgeschlagene Moleküle im Labor getestet. Die Substanzen wurden auf Inhibition einer spezifischen molekularen Wechselwirkung im Replikationszyklus von HIV getestet (Tat-TAR-Interaktion). In vier Generationen wurden 9 von 170 untersuchten Verbindungen positiv auf Inhibition der Tat-TAR-Interaktion getestet (Trefferquote: 5,3%), wobei lediglich 0,089% der Verbindungen der Screeningbibliothek untersucht wurden. Die zwei potentesten Kandidaten wiesen einen IC50 von 51 uM bzw. 116 uM auf.The goal of adaptive library design is to avoid biological testing of a complete screening compound library. Instead, the idea is to navigate chemical space in an "intelligent" way, guided by optimization algorithms and "cherry-picking" primarily molecules with desired properties. In a retrospective study the optimization algorithms "random search", "simulated annealing", "evolution strategy", and "particle swarm optimization" were systematically compared with respect to the design of libraries of serine protease inhibitors. To simulate laboratory conditions the total number of compound tests was restricted to 300. As a result evolution strategies showed to be particularly suited for an employment in a low-throughput screening campaign as they operated efficiently with large populations and a small number of iterations. Next, the successful design of a focused library of RNA ligands is described. In a hybrid, prospective optimization study compounds were suggested by a computer program and tested in the lab in an iterative manner, following the spirit of a low-throughput screening campaign. The compounds were tested for inhibition of a specific molecular interaction in the replication cycle of HIV (Tat-TAR interaction). Within four generations 9 out of 170 screened compounds were found to inhibit the Tat-TAR interaction (hit rate: 5.3%) while only 0.089% of the screening library compounds were examined. The two most potent candidates exhibited an IC50 of 51 uM and 116 uM, respectively

Urban Data Mining : Operationalisierung der Strukturerkennung und Strukturbildung von Ähnlichkeitsmustern über die gebaute Umwelt [mit CD]

Durch den schnellen Fortschritt in der Informationstechnologie und das rapide Anwachsen raumbezogener Daten steigen die Anforderungen an Systeme, die Wissen aus diesen Daten extrahieren und darstellen. "Urban Data Mining" wird als Methodik zur Problemlösung verstanden, um logische oder mathematische, zum Teil komplexe Beschreibungen von Mustern und Regelmäßigkeiten in Datensätzen zu entdecken. Auf der Grundlage von bestehenden Methoden des Data Mining und der Knowledge Discovery wird ein für die Stadt- und Regionalforschung strukturiertes methodisches Arbeitskonzept erarbeitet und am deutschen Gemeindesystem empirisch-analytisch vorgestellt. Neben Methoden, die eine kritische Bestandsaufnahme und Auseinandersetzung mit vorhandenen räumlichen Eigenschaften und Entwicklungstendenzen ermöglichen, werden Vorgehensweisen gesucht, die sich eignen, bereits vorhandene Informationen oder Erkenntnisse auf weitere Objekte zu übertragen

"Conditions for the possibility of knowledge" : evolutionary and cognitive foundations of space-time-physics

Ausgangspunkt dieser Dissertation ist die Frage: „Was ist fundamentaler als die Raum-Zeit?“ Nach Immanuel Kant sind aber Raum & Zeit als reine Formen der sinnlichen Anschauung „a priori“ aller Erfahrung und allen Denkens und konstituieren somit die „Bedingungen, unter denen Erfahrung erst möglich ist“. Im Jahre 1941 hat Konrad Lorenz diese Apriori biologisch interpretiert und damit das Konzept einer Evolutionären Erkenntnislehre formuliert. Deren Hauptthese lautet: „Unser Erkenntnis-Apparat ist ein Ergebnis der Evolution. Die Subjektiven Erkenntnisstrukturen passen auf die Welt, weil sie sich im Laufe der Evolution in Anpassung an eben diese reale Welt herausgebildet haben. Sie stimmen mit den realen Strukturen (teilweise) überein, weil nur eine solche Übereinstimmung das Überleben ermöglichte.“ Wendet man dies auf die Erfahrung von Raum & Zeit an, so gelangt man zur Kognitionswissenschaft von Raum & Zeit. Das Ergebnis der Analyse der Kognition von Raum & Zeit lässt sich wie folgt zusammenfassen. Im Kognitiven System des Menschen gibt es mehrere Informationsrepräsentationssysteme. Ein Sprachlichlogisches Repräsentationssystem, ein Nonverbales Repräsentationssystem zur Speicherung von Multimodalen Spatiotemporalen Informationen und ein Internes Repräsentationssystem zur Speicherung von Subjektiven Informationen über interne Körperzustände. Das Multimodal-Spatiotemporale Repräsentationssystem lässt sich dann weiter in Modalitätsspezifische Repräsentationssysteme für die einzelnen Sinnesmodalitäten und ein Amodales Repräsentationssystem für Spatiotemporale Information untergliedern. Letzteres ist weiter in Amodale Repräsentationssysteme für Reinräumliche Informationen, Spatiotemporale Informationen & Reinzeitliche Informationen untergliedert. Mit dem Reintemporalen Repräsentationssystem hat dieses Amodale Repräsentationssystem auch Anteil am Internen Körperrepräsentationssystem. Für die Kognition der Zahlen kommt nur noch ein Zahlenrepräsentationssystem für die Zahlen 1-3 als eigenständiges Repräsentationssystem hinzu. Alle anderen Zahlenrepräsentationen benutzen das Räumliche oder das Sprachlichlogische Repräsentationssystem. Alle diese Repräsentationssysteme sind das Ergebnis von Phylogenetischen, Ontogenetische & Psychogenetischen Entwicklungsprozessen. Aus diesen Erkenntnissen wird anschließend untersucht, naturphilosophische Konsequenzen für die Raum-Zeit-Physik ergeben. Insbesondere geht es um die Frage von Gerhard Vollmer, die lautet: „Nach der Evolutionären Erkenntnistheorie sind die subjektiven Strukturen des Erkenntnis-Apparates für die Erkenntnis konstitutiv. Gilt dies für alle Stufen des Erkenntnis-Prozesses?“ Das Ergebnis dieser Analyse ist, dass das Visuospatiotemporale Informationsrepräsentationssystem die Kognitive Basis der Physikalischen Theorien mit Klassischem Materiekonzept bildet, mit dessen Hilfe das Visuell-Nonverbale Sensomotorische System diese Theorien mit Hilfe von Kognitionsprozessen aus Interaktionen mit der Physikalischen Außenwelt konstruiert hat. Darüber hinaus beruhen diese Theorien auch auf dem Sprachlichlogischen Informationsrepräsentations-System als Kognitiver Basis und sind das Produkt von Kognitiven Math. Basisfähigkeiten, mit deren Hilfe sie ebenfalls aus Interaktionen mit der Physikalischen Außenwelt abgeleitet wurden. Dabei dominiert das Visuospatiotemporale Informationsrepräsentationssystem in der Kognitiven Basis gegenüber dem Sprachlichlogischen Informationsrepräsentationssystem eindeutig! Auch die Quantenmechanik hat diese beiden Informationsrepräsentationssysteme als Kognitive Basis. Allerdings dominiert hier das Sprachlichlogische Informationsrepräsentationssystem gegenüber dem Visuospatiotemporalen Informationsrepräsentationssystem! Da das Sprachlichlogische Informationsrepräsentationssystem aber ein Symbolisches Informationsrepräsentationssystem ist, bedarf es zu seiner Funktionsfähigkeit der Abbildung seiner Symbole auf Informationsstrukturen des Multimodalen Spatiotemporalen Informationsrepräsentationssystems, damit die mit seiner Hilfe repräsentierten Sprachlichlogischen Informationen überhaupt Teil des Informationellen Modells der Außenwelt des Kognitiven Systems sein können. Damit lässt sich die oben gestellte Frage wie folgt beantworten: Ja, diese Kognitiven Strukturen sind nicht nur für die Ebenen der Wahrnehmungs- & Erfahrungserkenntnis konstitutiv, sondern für alle Stufen des Erkenntnisprozesses. Das heißt: „Auch die Wissenschaftliche Erkenntnis ist biologisch/genetisch determiniert!“Starting point of this thesis is the question: „What is more fundamental than space time?“ However, after Immanuel Kant space & time are pure forms of cognitive evidence and therefore as "a priori" of all experience and all thinking constitute the „conditions under which experience is only possible“. In 1941 Konrad Lorenz gives a biological interpretation of this apriori and by this formulates the idea of an evolutionary epistemology at first time. The main thesis of the evolutionary epistemology is: „Our cognitive apparatus is a result of evolution. Our subjective knowledge structures fit on the world because they have developed in the course of evolution in adaptation to just this real world. They are matching with the structures of the real world (as least partially) because only such a correspondence allowed the survival.“ Applying this to cognition of space & time, one reaches to Cognitive Science of space & time. The result of analysis of cognition of space & time can be summarised as follows. In the human cognitive system exist at least two different information representation systems. A linguistic-propositional representation system for storage of linguistic information and a non-verbal representation system for storage of multi-modal spatio-temporal information. In addition, there is one more internal representation system for storage of subjective information about internal body states as for example feelings, pains, etc. The multi-modal-spatio-temporal representation system by itself is subdivide further in modality-specific representation systems for each modal type of information and an amodal representation system for spatio-temporal information. And then the latter by itself is subdivided further again in amodal representation systems for pure spatial information, spatio-temporal information & pure temporal information. The pure temporal representation system also contains chronobiological rhythms & the “internal clocks". In form of the pure temporal representation system the amodal representation system also participates in the internal body representation system. In addition there is only one independent representation system for the representation of the three numbers 1-3. All the other number representations use the spatial or the linguistic-propositional representation system. And all these cognitive representation systems are the result of phylogenetic, ontogenetic & psychogenetic development processes. Then the discourse is running further from cognition of space & time to space-time physics and afterwards philosophical implications for space-time physics, arising from cognitive science and evolutionary epistemology are examined. In particular the question of Gerhard Vollmer is examinated, which is: „After the evolutionary epistemology the subjective structures of our cognitive apparatus are constitutive for experience. Does this be valid for all steps of the cognitive process ?“ (Die Natur der Erkenntnis, p.53) The result of this analysis is the visuo-spatio-temporal information representation system forms the cognitive base of physical theories with classical matter concept. With whose help the visual-non-verbal senso-motoric system has constructed these theories with the help of cognition processes from interactions with the physical outside world. In addition, these theories are also based on the linguistic-propositional information representation system as their cognitive base and are the product of the cognitive fundamental mathematical abilities with whose help they were also derived from interactions with the physical outside world. Besides, the visuo-spatio-temporal information representation system dominates in the cognitive base compared with the linguistic-propositional information representation system unambiguously! Also quantum mechanics has these both information representation systems as its cognitive base. Indeed, here the linguistic-propositional information representation system dominates compared with the visuo-spatio-temporal information representation system! Because the linguistic-propositional information representation system is, however, a symbolic information representation system, it requires to its effectiveness of the mapping of his symbols on information-structures of the multi-modal spatio-temporal information representation system, so that the linguistic-propositional information represented with its help can become a part of the informational model of the outside world of the cognitive system. With it the question put on top can be answered as follows: Yes, these cognitive structures are constitutive not only for the levels of sensual perception & every day experience, but for all steps of the cognitive process. That is: „Also scientific knowledge is determined biologically/genetically!

Improving Context Recognition In Ubiquitous Computing Environments

Ziel dieser Arbeit ist es, kontextverarbeitende Anwendungen einer ubiquitären Informationsumgebung, systematisch umzustrukturieren und zu erweitern, so dass eine signifikante Verbesserung in der Erkennung von Kontexten erreicht werden kann. Dazu wurde das Konzept des systematischen Kontextmanagements eingeführt, das eine neue Schicht innerhalb kontextverarbeitender Systeme bildet. Voraussetzung für effiziente Qualitätssicherungsmechanismen ist eine systematische und formale Ausgestaltung der Repräsentation, Verarbeitung und Kommunikation von Kontexten. Ein solches formales Modell einer ubiquitären Informationsumgebung wurde hier eingeführt. Es bildet die Grundlage des Qualitätsmanagements für Kontexte. Der zentrale Beitrag dieser Arbeit ist ein Qualitätsmanagementsystem für Kontexte auf der Basis von Kontextattributen. Attribute sind dabei allgemeine Eigenschaften von Kontextdaten, welche von der semantischen Bedeutung, die Kontexte für die Anwendungen einer ubiquitären Informationsumgebung haben, unabhängig sind. Das vorgestellte Modell definiert vier solche Attribute: das Kontextalter, die räumliche Herkunft des Kontextes, die Verlässlichkeit der Kontextinformation und die informationelle Abhängigkeit von Kontexten. Für jedes dieser Attribute werden konkrete Algorithmen und Verfahren eingeführt, welche die quantitative Beurteilung der Qualität einer Kontextinformation erlauben. Diese werden innerhalb der neu eingeführten Kontextmanagementschicht in einem Qualitätsfilter umgesetzt. Durch die Filterkomponente erhalten alle Artefakte die Möglichkeit, dynamisch die eingehenden Kontexte auf der Basis ihrer Qualitätsmaße zu filtern und so ihre eigene Dienstqualität zu verbessern. Im Ergebnis konnte, durch das hier vorgestellte Kontextmanagementsystem, eine Verbesserung der Erkennungsrate von Artefakten einer ubiquitären Informationsumgebung um bis zu 48% nachgewiesen werden.The goal of this work was to gain a significant improvement of context recognition rates of applications in ubiquitous computing environments by systematically restructuring and enhancing them. To reach this goal the concept of "Systematic Context Management" was introduced that forms a new processing layer in context sensitive systems. Systematic and formal definitions of context representation, context processing and context communication are required to build efficient quality management mechanisms. Such a formal model of a ubiquitous computing environment is introduced in this thesis. It represents the basis of a quality management system for context data. The central contribution of this work is a quality management system for contexts on basis of Context Attributes. Context Attributes are general attributes of context data that are independent from the semantically meaning of the context for an application in a ubiquitous computing environment. The presented model defines four Context Attributes: context age, spatial origin of contexts, context reliability and informational interdependence of contexts. For each of these attributes concrete algorithms and methods have been developed that allow for the quantitative assessment of context quality. These algorithms and methods are implemented in a quality-filter that is part of the newly introduced context management layer. With this filter component artefacts gain the ability to dynamically filter contexts on basis of their quality allowing for an improvement of the service quality of those artefacts. As a result of this work, it was possible to prove that by the introduction of the context management system developed in this thesis, the context recognition rate of artefacts in a ubiquitous computing environment can be improved by up to 48%

Extraktion von Landmarken für die Navigation

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