Konzeption, Entwicklung und Organisation einer webbasierten Lernumgebung für die ingenieur-technische Ausbildung am Beispiel Grundlagen der Elektrotechnik

In der vorliegenden Arbeit wird ein systematisches und durchgängiges Prozess- und Vorgehensmodell zur Entwicklung von webbasierten Lernumgebungen mit Fokus auf die Ingenieurwissenschaften beschrieben. In diesem Rahmen werden die Konzeption, Erstellung, Verarbeitung und Verwaltung von Lernobjekten mit einem Datenbankmanagementsystems nach dem LOM-Standard eingebettet. Die Arbeit lässt sich dabei in die Reihe der Forschungen am Fachgebiet Grundlagen der Elektrotechnik zu multimedialen und webbasierten Lernumgebungen einordnen. Am Beispiel GETsoft werden konkrete Problemstellungen bei der Umsetzung von Komponenten einer Lernumgebung aufgezeigt und fachspezifische Lösungsmodelle angeboten. Die Motivation und Zielsetzung, die Einordnung der Arbeit und die Vorgehensweise sowie eine Analyse von geleisteten Vorarbeiten sind im ersten Kapitel dargestellt. Neben einer umfassenden Analyse von Lernumgebungen in ingenieur-wissenschaftlichen Disziplinen ist die Konzeption eines adaptierbaren Prozess- und Vorgehensmodells zur Erstellung einer Lernumgebung bestehend aus Lernobjekten und Komponenten die Aufgabenstellung dieser Arbeit.Mit den Grundlagen von webbasierten Lernumgebungen im ingenieur-wissenschaftlichen Bereich, E-Learning-Standards, Softwareentwicklungsprozessen und Datenbanktechnologien beschäftigt sich das zweite Kapitel. Bereits im Grundlagen¬kapitel wird die Idee eines Ebenenmodells für Lernumgebungen in Kombination mit einem speziellen Modell von Lernobjekten entwickelt.Das dritte Kapitel analysiert anhand eines Kriterienkataloges den Stand der Technik auf dem Gebiet webbasierter Lernumgebungen in einigen ingenieur-wissenschaftlichen Grund¬lagenfächern. Detailliert wird die aktuelle Situation in den Fächern Physik, Mathematik, Maschinenbau und Elektrotechnik analysiert. Daneben wird kurz auf Chemie und Medizin sowie den internationalen Sprachraum eingegangen. Die medientechnische Analyse und Konzeption eines adaptierbaren Prozess- und Vorgehensmodells für die Entwicklung webbasierter Lernumgebungen wird im vierten Kapitel beschrieben. Evolutionäres Prototyping und objektorientierter Entwurf stehen hier im Mittelpunkt eines Vorgehensmodells zur ebenenbasierten System- und Lern¬objektentwicklung.Das fünfte Kapitel schildert konkrete Umsetzungen der allgemeinen Konzeption an Beispielen aus GETsoft. Anschauliche Umsetzungen der Mediengestaltungskonzepte über¬führen die Theorie in die Praxis. Die Funktionalitäten und Schnittstellen der GETsoft-Datenbank für standardisierte wiederverwendbare Lernobjekte und ihre Meta¬daten stellen hier einen Schwerpunkt dar.Im Kapitel sechs werden Beispiele und Ansätze zum Transfer, der Vernetzung sowie zur Verbreiterung von GETsoft vorgestellt. Das letzte Kapitel stellt Überlegungen zu Erfolgsfaktoren von Lernumgebungen an, diskutiert kurz offene Wissensressourcen als Zukunftsmodell und bettet darüber Ideen zur Weiterentwicklung von GETsoft ein

Robotereinsatz in der werkstattorientierten Fertigung

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Segmentierung medizinischer Bilddaten und bildgestützte intraoperative Navigation

Die Entwicklung von Algorithmen zur automatischen oder semi-automatischen Verarbeitung von medizinischen Bilddaten hat in den letzten Jahren mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. Das liegt zum einen an den immer besser werdenden medizinischen Aufnahmemodalitäten, die den menschlichen Körper immer feiner virtuell abbilden können. Zum anderen liegt dies an der verbesserten Computerhardware, die eine algorithmische Verarbeitung der teilweise im Gigabyte-Bereich liegenden Datenmengen in einer vernünftigen Zeit erlaubt. Das Ziel dieser Habilitationsschrift ist die Entwicklung und Evaluation von Algorithmen für die medizinische Bildverarbeitung. Insgesamt besteht die Habilitationsschrift aus einer Reihe von Publikationen, die in drei übergreifende Themenbereiche gegliedert sind: -Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen -Experimentelle Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen -Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien Im Bereich Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen wurden verschiedene graphbasierte Algorithmen in 2D und 3D entwickelt, die einen gerichteten Graphen mittels einer Vorlage aufbauen. Dazu gehört die Bildung eines Algorithmus zur Segmentierung von Wirbeln in 2D und 3D. In 2D wird eine rechteckige und in 3D eine würfelförmige Vorlage genutzt, um den Graphen aufzubauen und das Segmentierungsergebnis zu berechnen. Außerdem wird eine graphbasierte Segmentierung von Prostatadrüsen durch eine Kugelvorlage zur automatischen Bestimmung der Grenzen zwischen Prostatadrüsen und umliegenden Organen vorgestellt. Auf den vorlagenbasierten Algorithmen aufbauend, wurde ein interaktiver Segmentierungsalgorithmus, der einem Benutzer in Echtzeit das Segmentierungsergebnis anzeigt, konzipiert und implementiert. Der Algorithmus nutzt zur Segmentierung die verschiedenen Vorlagen, benötigt allerdings nur einen Saatpunkt des Benutzers. In einem weiteren Ansatz kann der Benutzer die Segmentierung interaktiv durch zusätzliche Saatpunkte verfeinern. Dadurch wird es möglich, eine semi-automatische Segmentierung auch in schwierigen Fällen zu einem zufriedenstellenden Ergebnis zu führen. Im Bereich Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen wurden verschiedene frei verfügbare Segmentierungsalgorithmen anhand von Patientendaten aus der klinischen Routine getestet. Dazu gehörte die Evaluierung der semi-automatischen Segmentierung von Hirntumoren, zum Beispiel Hypophysenadenomen und Glioblastomen, mit der frei verfügbaren Open Source-Plattform 3D Slicer. Dadurch konnte gezeigt werden, wie eine rein manuelle Schicht-für-Schicht-Vermessung des Tumorvolumens in der Praxis unterstützt und beschleunigt werden kann. Weiterhin wurde die Segmentierung von Sprachbahnen in medizinischen Aufnahmen von Hirntumorpatienten auf verschiedenen Plattformen evaluiert. Im Bereich Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien wurden Softwaremodule zum Begleiten von intra-operativen Eingriffen in verschiedenen Phasen einer Behandlung (Therapieplanung, Durchführung, Kontrolle) entwickelt. Dazu gehört die erstmalige Integration des OpenIGTLink-Netzwerkprotokolls in die medizinische Prototyping-Plattform MeVisLab, die anhand eines NDI-Navigationssystems evaluiert wurde. Außerdem wurde hier ebenfalls zum ersten Mal die Konzeption und Implementierung eines medizinischen Software-Prototypen zur Unterstützung der intraoperativen gynäkologischen Brachytherapie vorgestellt. Der Software-Prototyp enthielt auch ein Modul zur erweiterten Visualisierung bei der MR-gestützten interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie, welches unter anderem die Registrierung eines gynäkologischen Brachytherapie-Instruments in einen intraoperativen Datensatz einer Patientin ermöglichte. Die einzelnen Module führten zur Vorstellung eines umfassenden bildgestützten Systems für die gynäkologische Brachytherapie in einem multimodalen Operationssaal. Dieses System deckt die prä-, intra- und postoperative Behandlungsphase bei einer interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie ab

Aufgabenorientierte Multi-Robotersteuerungen auf Basis des SBC-Frameworks und DEVS: vorgelegt von Birger Freymann

In der Industrie sind Roboter bereits seit Jahrzehnten als leistungsfähige und flexible Werkzeuge etabliert. Mit neuen Anwendungsbereichen und Anforderungen, wie sie zum Beispiel im Rahmen der Industrie 4.0 Initiative definiert werden, kommt der effizienten Entwicklung von Robotersteuerungen eine immer größere Bedeutung zu. Diese Tendenz erfordert die Entwicklung neuer Methoden zur herstellerunabhängigen und applikationsübergreifenden Programmierung von Roboteranwendungen. Entscheidend sind hierbei systematische Vorgehensmodelle, theoriekonforme und modellbasierte Entwicklungsmethoden sowie moderne Programmiersysteme als Entwicklungswerkzeuge. Die Vielzahl der herstellerspezifischen Entwicklungsumgebungen auf dem Markt zeigt, dass sich existierende Standards im Bereich der Steuerungsentwicklung für Roboter bisher kaum durchsetzen konnten. Die methodische und softwaretechnische Diversität erschwert es, unterschiedliche Robotertypen und Roboter unterschiedlicher Hersteller in Teams zu gruppieren, um leistungsfähige, flexible und kostengünstige Multi-Robotersysteme (MRS) umzusetzen. Durchgängige Toolketten sowie Methoden der Modellbildung und Simulation spielen dabei eine wichtige Rolle. In der Literatur wird in diesem Zusammenhang vom Rapid-Control-Prototyping (RCP) gesprochen. Gegenwärtig sind RCP-basierte Techniken in der industriellen Robotik fast immer herstellerspezifisch. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur durchgängigen, modellbasierten und herstellerunabhängigen Steuerungsentwicklung für Roboterteams mit industriellen Knickarmrobotern entwickelt. Aufbauend auf dem Simulation-Based-Control (SBC)-Ansatz und dem Task-Oriented-Control (TOC)-Ansatz werden Entwicklungsmethoden aus dem Bereich von Single-Robotersystemen (SRS) auf MRS übertragen. Es werden mögliche Interaktionen zwischen Robotern untersucht und hierauf aufbauend Interaktionsklassen definiert. Zur Umsetzung einer durchgängigen Steuerungsentwicklung wird der Discrete-Event-System-Specification (DEVS)-Formalismus diskutiert und es werden Erweiterungen zur Echtzeit- und Prozessanbindung untersucht. Hieraus abgeleitet wird ein modifizierter Formalismus entwickelt und dessen Eignung zur durchgängigen, modellbasierten Steuerungsentwicklung anhand eines Fallbeispiels demonstriert. Zur Spezifikation der entwickelten Modelle wird die DEVS-Diagramm-Notation verwendet und um zusätzliche Beschreibungsmittel erweitert. Basierend auf den zuvor definierten Interaktionsklassen werden Lösungsansätze zur TOC-basierten Umsetzung von Interaktionen mittels modularer und wiederverwendbarer Aufgaben erarbeitet. Anschließend wird deren prototypische Umsetzung anhand von Fallbeispielen mittels des neu entwickelten DEVS-Formalismus gezeigt. Die Komplexität der Interaktionen steigt mit jedem Fallbeispiel an. Zur besseren Handhabung der Komplexität wird mit dem Erweiterten System-Entity-Structure/Model-Base (SES/MB)-Ansatz eine zusätzliche modellbasierte Technik eingeführt, mit dem SBC- sowie dem TOC-Ansatz integriert und anhand eines Fallbeispiels der bisherigen Vorgehensweise gegenübergestellt.Robots have been established in industry for decades as powerful and flexible tools. With new application areas and requirements, such as those defined in the context of the Industry 4.0 initiative, the efficient development of robot controllers is becoming increasingly important. This trend requires the development of new methods for the manufacturer-independent and application-independent programming of robot applications. The decisive factors here are systematic procedural models, theory-compliant and model-based development methods, and modern programming systems as development tools. The large number of manufacturer-specific development environments on the market shows that existing standards in the area of control development for robots have hardly been able to establish themselves. The methodological and software diversity makes it difficult to group different robot types and robots from different manufacturers in teams in order to implement powerful, flexible and cost-effective multi-robot systems (MRS). Continuous tool chains as well as methods of modeling and simulation play an important role in this context. In the literature, rapid control prototyping (RCP) is spoken of in this context. Currently, RCP-based techniques in industrial robotics are almost always manufacturer-specific. In this thesis, an approach for end-to-end, model-based and vendor-independent control development for robot teams with industrial jointed-arm robots is developed. Based on the Simulation-Based-Control (SBC) approach and the Task-Oriented-Control (TOC) approach, development methods from the field of single robot systems (SRS) are transferred to MRS. Possible interactions between robots are investigated and, based on this, interaction classes are defined. For the implementation of an integrated control development the Discrete-Event-System-Specification (DEVS) formalism is discussed and extensions for real-time and process integration are investigated. Derived from this, a modified formalism is developed and its suitability for integrated, model-based control development is demonstrated by means of a case study. For the specification of the developed models the DEVS diagram notation is used and extended by additional descriptive means. Based on the previously defined interaction classes, approaches for the TOC-based implementation of interactions are developed using modular and reusable tasks. Subsequently, their prototypical implementation is shown on the basis of case studies using the newly developed DEVS formalism. The complexity of the interactions increases with each case study. For a better handling of the complexity, the Extended System-Entity-Structure/Model-Base (SES/MB) approach is introduced as an additional model-based technique, integrated with the SBC and TOC approaches, and compared with the previous approach using a case study

30. Forum Bauinformatik

Die Bauhaus-Universität Weimar ist seit langer Zeit mit dem Forum Bauinformatik eng verbunden. So wurde die Veranstaltung 1989 hier durch den Arbeitskreis Bauinformatik ins Leben gerufen und auch das 10. und 18. Forum Bauinformatik (1998 bzw. 2006) fand in Weimar statt. In diesem Jahr freuen wir uns daher besonders, das 30. Jubiläum an der Bauhaus-Universität Weimar ausrichten zu dürfen und viele interessierte Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen aus dem Bereich der Bauinformatik in Weimar willkommen zu heißen. Das Forum Bauinformatik hat sich längst zu einem festen Bestandteil der Bauinformatik im deutschsprachigen Raum entwickelt. Dabei steht es traditionsgemäß unter dem Motto „von jungen Forschenden für junge Forschende“, wodurch insbesondere Nachwuchswissenschaftlerinnen und ‑wissenschaftlern die Möglichkeit geboten wird, ihre Forschungsarbeiten zu präsentieren, Problemstellungen fachspezifisch zu diskutieren und sich über den neuesten Stand der Forschung zu informieren. Zudem wird eine ausgezeichnete Gelegenheit geboten, in die wissenschaftliche Gemeinschaft im Bereich der Bauinformatik einzusteigen und Kontakte mit anderen Forschenden zu knüpfen. In diesem Jahr erhielten wir 49 interessante und qualitativ hochwertige Beiträge vor allem in den Themenbereichen Simulation, Modellierung, Informationsverwaltung, Geoinformatik, Structural Health Monitoring, Visualisierung, Verkehrssimulation und Optimierung. Dafür möchten wir uns ganz besonders bei allen Autoren, Co-Autoren und Reviewern bedanken, die durch ihr Engagement das diesjährige Forum Bauinformatik erst möglich gemacht haben. Wir danken zudem Professor Große und Professor Díaz für die Unterstützung bei der Auswahl der Beiträge für die Best Paper Awards. Ein herzliches Dankeschön geht an die Kollegen an der Professur Informatik im Bauwesen der Bauhaus-Universität Weimar für die organisatorische, technische und beratende Unterstützung während der Planung der Veranstaltung

Foundations and applications of human-machine interaction

Zugleich gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin unter der ISBN 978-3-7983-2624-8.Der vorliegende Abstractband zur 10 Berliner Werkstatt MMS gibt einen Einblick in die aktuelle Forschung im Bereich der Mensch-Maschine-Interaktion. Einen besonderen Fokus stellt das Wechselspiel von Grundlagenforschung und anwendungsbezogener Forschung dar, was sich im breiten Themenspektrum widerspiegelt, welches von theoretischen und methodischen Betrachtungen bis hin zu anwendungsnahen Fragestellungen reicht. Dabei finden Inhalte aus allen Phasen des Forschungsprozesses Beachtung, sodass auch im Rahmen der 10. Berliner Werkstatt MMS wieder sowohl neue Untersuchungskonzepte als auch abschließende Befunde diskutiert werden. Zentrale Themengebiete sind u. a. Fahrer-Fahrzeug Interaktion, Assistenzsysteme, User Experience, Usability, Ubiquitous Computing, Mixed & Virtual Reality, Robotics & Automation, Wahrnehmungsspezifika sowie Psychophysiologie und Beanspruchung in der Mensch-Maschine-Interaktion.The abstracts of the 10th Berlin Workshop Human-Machine Systems provide an insight into the current research in the field of human-machine interaction. The main focus lies on the interplay between basic and applied research, which is reflected in the wide range of subjects: from theoretical and methodological issues to application oriented considerations. Again all stages of the research process are represented in the contributions of the 10th Berlin Workshop HMS. This means new research concepts as well as final results are subject of this volume. Central topics include driver-vehicle interaction, assistance systems, user experience, usability, ubiquitous computing, mixed and virtual reality, robotics & automation, perception specifics, as well as psychophysiology and workload in human-machine interaction

Realisierung nutzeradaptiven Interaktionsverhaltens für mobile Assistenzroboter

Im Zentrum dieser Dissertation steht die soziale Assistenzrobotik. In den letzten Jahren hat die Bedeutung dieses Teilgebietes der mobilen Robotik stark zugenommen und zusammen mit der Diversifizierung robotischer Fähigkeiten hat sich die Nutzergruppe hin zur breiten Masse mit potentiellen technischen Laien gewandelt. Aus dieser Situation heraus erwachsen an die Interaktionsfähigkeiten sozialer Assistenzroboter umfangreiche Anforderungen. Insbesondere stehen in dieser Arbeit die Multimodalität der Interaktion und die Anpassungsfähigkeiten an den konkreten Nutzer im Vordergrund. Am Beispiel eines Serviceroboters für die häusliche Gesundheitsassistenz, wie er in einem vom Autor mit bearbeiteten Forschungsprojekt realisiert wurde, wird zunächst der Analyse- und Entwurfsprozess für dessen Umsetzung geschildert. Im Anschluss daran wird gezeigt, wie sich aus der Systemspezifikation eine mehrschichtige Systemarchitektur ableiten lässt, welche auch auf andere Robotikanwendungen übertragbar ist. Der Fokus liegt dabei auf der modularen Realisierung einer Ablauf- und Dialogsteuerung. Um dem System eine Persönlichkeit zu geben und ein im Langzeiteinsatz akzeptierbares Dialogverhalten zu generieren, wurde ein frame-basierter Dialogmanager konzipiert und umgesetzt. Dabei wurden Aspekte wie Modularität durch ein App-Konzept, leichte Erweiterbarkeit und die Möglichkeit, nutzeradaptive Dialoge zu realisieren, berücksichtigt. Im Kern des vorgestellten Dialogsystems kommt eine gänzlich neue Methode der probabilistischen online-Planung von Dialogsequenzen zum Einsatz. Ein eigens konzipiertes Realweltexperiment konnte zeigen, dass es mit diesem System möglich ist, anhand von systeminternen aber auch nutzergetriebenen Bewertungen, das Dialogverhalten im Rahmen von durch den Designer vorgegebenen Freiheiten zur Laufzeit zu optimieren. Die Gestaltung des robotischen Gesundheitsassistenten wurde durch weitere Teilsysteme abgerundet. Unter diesen spielen verschiedene taktile Sensoriken und ein Emotionsmodell eine entscheidende Rolle für die Realisierung eines liebenswerten Begleiters. Letztendlich konnte in sehr erfolgreichen teils mehrtägigen Nutzerstudien mit Senioren die Praktikabilität des entwickelten Interaktionskonzepts und der Systemarchitektur nachgewiesen werden.The central topic of this thesis concerns social service robotics. In recent years this branch of mobile robotics in general has seen increasing interest. Due to increasing capabilities and growing fields of application of such robots, the group of potential users has changed. Unexperienced users raise extensive requirements regarding the interaction capabilities of such robots. The multi-modality of human-robot dialog and its adaptivity regarding user's preferences and needs are in the focus of this thesis. First, the analysis and specification process for such a system is explained by means of an example, which is a service robot for health assistance in home environments, as it has been developed in a research project at which the author participated. Following this, it is shown how a multi-layer system architecture is derived from that specification, which is applicable to other robotic applications as well. Though the main focus is on a modular realization for the control structures and the dialog handling. In order to enable a long term acceptability of such a system and to give it a personality, a frame-based dialog manager has been designed and is explained in detail. Aspects of interest there are modularity by means of an app-concept, extendablility, and adaptivity of the interaction skills regarding users' qirks and demands. In the core of the presented dialog system, there is a unique planning mechanism based on probabilistic reasoning in a factor graph model of the dialog going on. In a real world experiment it could be shown that this online learning concept is able to optimize dialog behavior regarding system internal as well as user driven reward signals. During the implementation of the health assistant robot further system components have been developed in order to realize a likeable companion. Among them, there are two kinds of tactile sensors and an emotion model, which are presented in this thesis as well. Finally, very successful real world user trials of the health assistant robot involving 9 elderly people are described to show that the presented concepts for system architecture and dialog modelling are viable

Automatisierung unscharfer Bewertungsverfahren - Modellierung und prototypische Umsetzung am Beispiel von Virtual Reality Projekten

Die Konfrontation mit innovativen IT-Technologien und deren Beurteilung gehört heute zu den Kernaufgaben des Informationsmanagements. Es muss permanent entscheiden, ob neue IT-Technolgien im Unternehmen nutzenstiftend eingesetzt werden können. Zur Beurteilung von IT-Projekten liefert die Teildisziplin des IT-Controllings, die Elemente der Wirtschaftsinformatik und des Controllings vereint, diverse Methoden und Ansätze. Diese Ansätze bilden die Basis für die vorliegende Arbeit, in der insbesondere der Aspekt der Nutzenbewertung von IT-Innovationen diskutiert wird. Bei der Bewertung von IT-Innovationen treten spezifische Probleme auf, denen der Autor mit der Fortentwicklung der vorhandenen Instrumente begegnet. Der Einsatz von unscharfen Methoden (Fuzzy Logik) führt zu einer adäquaten Darstellung von vagen Größen in Form von Zugehörigkeitsfunktionen. Durch den Einsatz von Regelbasen wird ein Expertenwissen repräsentiert, das die Analysemethode nach außen hin vereinfacht und somit zu einer effizienteren Nutzenbetrachtung führt. Die Auswahl und Initiierung von innovativen IT-Projekten wird durch ein Vorgehensmodell gestützt, das bei der fundamentalen Fragestellung nach Schwachstellen und Verbesserungspotentialen im Unternehmen ansetzt. Für diese Analyse wird auf die Erfolgsfaktorenanalyse zurückgegriffen, die durch individuelle Faktoren angepasst wird. Aus den analysierten Schwachstellen werden innovative IT-Projekte abgeleitet und definiert. Die Aufstellung der Nutzenkriterien erfolgt aus einem allgemeinen Nutzenkatalog, der mit den analysierten Erfolgsfaktoren korrespondiert. Die konkrete Bewertung der Projekte erfolgt durch die fuzzybasierte Nutzenbewertung und liefert prägnante Empfehlungen zu den einzelnen Projekten. Die Integration des Vorgehensmodells in das IT-Controlling erfordert eine automatisierte Form, die aufgrund der UML Notation generiert werden kann. Die prototypische Umsetzung und Verwendung der unscharfen Nutzenanalyse haben gezeigt, dass die Methodik für den praktischen Einsatz tauglich ist