Lernen komplexer Aufgaben aus Demonstration und eigener Erfahrung

Heutige Industrieproduktionen wären nicht möglich ohne die Erfindung von Robotern, die effizient und präzise sich ständig wiederholende Aufgaben ausführen. Gleichzeitig stellt die industrielle Fertigung das bisher einzige Gebiet dar, in dem Roboter in großem Maßstab eingesetzt werden. Dabei gibt es auch in anderen Bereichen des Alltags Aufgaben, bei denen Roboter Menschen sinnvoll unterstützen können. Für die Entwicklung von Servicerobotern für diese neuen Einsatzgebiete ergeben sich eine Reihe von Herausforderungen. So ist etwa eine Programmierung, die ab Werk alle Ausprägungen der Aufgabe und Rahmenbedingungen berücksichtigt, nicht mehr praktikabel. In diesem Vortrag werden daher Verfahren vorgestellt, mit deren Hilfe Roboter die benötigten Fähigkeiten auf eine intuitive Art und Weise erlernen und sie bei Bedarf an neue Situationen anpassen und ergänzen können. Als Voraussetzung zum Erlernen von Aktionen wird zunächst ein Verfahren zur Segmentierung und Klassifizierung von Bewegungstrajektorien einerseits und zur Erzeugung generalisierter Bewegungen zwischen beliebigen Endpunkten andererseits vorgestellt. Durch den Einsatz einesiterativen Segmentierungs- und Klassifizierungsalgorithmus sowie eines gemeinsamen probabilistischen Aktionsmodells werden dabei systematische Segmentierungsfehler vermieden. Darauf aufbauend werden Lernverfahren vorgestellt, die Bestärkendes Lernen und Lernen aus Demonstrationen kombinieren, um Robotern das Lösen komplexer Aufgaben durch eine gezielte Kombination einfacher Fähigkeiten beizubringen. Dabei werden zunächst sequentielle Aufgaben betrachtet, bei denen die heterogene Zusammensetzung des Zustands- und Aktionsraumes sowie die variable Länge der zu lernenden Aktionssequenzen besondere Herausforderungen darstellen. Diesen begegnet der daraufhin vorgestellte Ansatz durch eine probabilistische Approximation der Nutzenfunktion über Zustands- und Aktionspaare mit einem speziell entwickelten, kombinierten Kernel. Diese Approximation liefert die Grundlage für eine Bayessche Explorationsstrategie, die auf der Optimierung der Erwarteten Veränderung basiert und ein effizientes Bestärkendes Lernen ermöglicht. Um eine bestmögliche Integration des Bestärkenden Lernens mit Expertenwissen aus Demonstrationen zu erreichen, wird ein mehrstufiges Entscheidungssystem genutzt, das in jeder Situation bestimmt, welches der beiden Lernmodule das geeignetere ist und so ein sicheres, aber gleichzeitig auch effizientes Lernen von Bewegungssequenzen ermöglicht. Um auch komplexe Aufgaben effizient lösen zu können, wird zu guter Letzt ein hierarchisches Lernverfahren vorgestellt, das durch Nutzung von Abstraktionsmöglichkeiten eine verbesserte Skalierbarkeit bietet. Dabei wird die MAXQ-Methode für hierarchisches Bestärkendes Lernen für die Nutzung in kontinuierlichen Zustandsräumen erweitert. Mittels einer Gauß-Prozess-Approximation der MAXQ-Zerlegung für jede Teilaufgabe werden dabei rekursiv probabilistische Schätzungen der Q-Werte entlang der Aufgabenhierarchie berechnet. Auf diese Weise kann das bereits erfolgreich zum Lernen von Aktionssequenzen eingesetzte Bayessche Explorationskriterium auch zum effizienten Lernen von MAXQ-Hierarchien angewandt werden.Darüber hinaus nutzt das Verfahren die hierarchische Aufgabenstruktur, um gezielt Demonstrationen nur für Aufgabenteile anfordern werden, in denen diese tatsächlich benötigt werden und somit unnötige redundante Demonstrationen zu vermeiden. Die vorgestellten Verfahrenwurden durch Experimente in einer simulierten Umgebung und auf einem humanoiden Roboter evaluiert

Neurologische Langzeitentwicklung von eineiigen Zwillingen im Alter von sechs und zehn Jahren nach intrauteriner Laser-Therapie bei Feto-Fetalem-Transfusionssyndrom

Das Feto-Fetale-Transfusionssyndrom tritt bei ungefähr 15 % aller monochorialen Zwillingsschwangerschaften auf. Dabei kommt es durch Gefäßanastomosen zwischen den beiden Feten zu einem chronischen Ungleichgewicht der transfetalen Blutflüsse. FFTS birgt eine hohe perinatale Morbidität und Mortalität und führt unbehandelt in ungefähr 90 % der Fälle zum intrauterinen Fruchttod. Ursächlich für die erhöhte Morbidität und Mortalität sind vor allem Gefahren eines vorzeitigen Blasensprungs bei Polyhydramnion, die Minderperfusion des Donators, die zu Wachstums- und Entwicklungsverzögerung führt, und kardiale Komplikationen beim Akzeptor, die durch Volumenbelastung ausgelöst werden. Darüber hinaus besteht bei beiden Feten die Gefahr zerebraler Schäden durch das chronische Ungleichgewicht der Blutflüsse. Verschiedene Therapieverfahren sind zur Behandlung des FFTS entwickelt worden, darunter Amniodrainage, Septostomie und Laserkoagulation der Gefäßanastomosen. Die Laserkoagulation stellt das einzige kausale Therapieverfahren dar und ist bei den 200 Zwillingspaaren dieser Studie durch Professor Dr. Hecher in Hamburg durchgeführt worden. Ziel der Studie war es, die 254 überlebenden Kinder im Langzeitverlauf zu begleiten und die neurologische und kognitive Entwicklung zu beurteilen. Geprüft wurde, ob die neurologischen Untersuchungsergebnisse zu den verschiedenen Untersuchungszeitpunkten konstant blieben. Außerdem wurde im Hinblick auf die unterschiedliche pränatale Ausgangssituation von Akzeptoren und Donatoren untersucht, inwiefern sich die Ergebnisse dieser beiden Gruppen unterscheiden. Darüber hinaus wurde nach Unterschieden in der Entwicklung überlebender Einlinge im Vergleich zu Zwillingen gefahndet. Dafür sind die Kinder mit 2, 6 und 10 Jahren in der Universitätskinderklinik nachuntersucht worden. Inhalt dieser Arbeit sind die Untersuchungen mit 6 und 10 Jahren. Im Rahmen der „6-Jahres-Untersuchung“ wurden 190 Kinder neurologisch nachuntersucht bzw. mit Hilfe von Kinderuntersuchungsheften und Fragebögen beurteilt. Außerdem wurde mit 82 Kindern die Kaufman-Assessment Battery for Children durchgeführt. Es handelt sich bei diesem Teil der Arbeit um eine retrospektive Datenauswertung. Die Patienten wurden hinsichtlich ihres neurologischen Untersuchungsbefundes in drei Gruppen eingeteilt. Die Gruppe I beinhaltete neurologisch unauffällige Patienten. Zur Gruppe II wurden Patienten mit leichten neurologischen Störungen, wie Sprachentwicklungsverzögerungen, Koordinationsstörungen, Strabismus oder auditiven Wahrnehmungsstörungen gezählt. Gruppe III beinhaltete Patienten mit schweren neurologischen Beeinträchtigungen, wie spastische Zerebralparese, Hemiparese und schwere mentale Retardierung. Im Rahmen einer weiteren Untersuchung im Alter von 10 Jahren wurden 62 der 254 Kinder erneut neurologisch untersucht. Darüber hinaus wurden mit 60 dieser Kinder der HAWIK-IV, der ZVT und der TLD durchgeführt. Dieser Teil der Arbeit ist eine prospektive, klinische Studie. Bei der „6-Jahres-Untersuchung“ erwiesen sich 79,5 % der Kinder als neurologisch unauffällig, 11,6 % der Kinder als leicht beeinträchtigt, und 8,9 % der Kinder wiesen schwerwiegende neurologische Beeinträchtigungen auf. Beim Vergleich der Ergebnisse der „2-Jahres-Untersuchung“ mit den Ergebnissen der „6-Jahres-Untersuchung“ fällt ein Trend zur Verschlechterung der neurologischen Ergebnisse auf, so enthielt die Gruppe II bei der „2-Jahres-Untersuchung“ nur 8,9 % der Kinder und die Gruppe III nur 6,8 % der Kinder. Die Verschlechterung beruht zum Teil auf Sprachentwicklungsstörungen, die im Rahmen der „2-Jahres-Untersuchung“ noch nicht aufgedeckt werden konnten. Darüber hinaus konnte mit 6 Jahren ein größeres Leistungsspektrum untersucht werden, so dass sich die Wahrscheinlichkeit, pathologische Befunde festzustellen, erhöhte. Bei der K-ABC erzielten die Akzeptoren in der Skala intellektueller Fähigkeiten signifikant bessere Ergebnisse als die Donatoren, bei den anderen Unterskalen gab es lediglich einen Trend zum besseren Abschneiden. Insgesamt lagen die Test-Ergebnisse im durchschnittlichen Bereich. Bei der „10-Jahres-Untersuchung“ wurden 83,9 % der Kinder der Gruppe I zugeordnet, 6,5 % der Gruppe II und 9,7 % der Gruppe III. Dabei konnte mit Hilfe des HAWIK-IV kein statistisch signifikanter Unterschied im Abschneiden der Akzeptoren und Donatoren mehr festgestellt werden. Im Laufe der drei Untersuchungszeitpunkte blieben die Ergebnisse der neurologischen Untersuchung bei 72,6 % der Kinder stabil. Gruppenwechsel gab es aufgrund von Sprachentwicklungsverzögerungen bei 7 Kindern. Dieser Rückstand wurde allerdings bis zur „10-Jahres-Untersuchung“ wieder aufgeholt. So sind die Ergebnisse insgesamt als stabil zu bezeichnen. Die Entwicklung der Zwillinge ist als erfreulich anzusehen, zumal bei der Beurteilung berücksichtigt werden muss, dass es sich bei der Mehrzahl der Zwillinge um Frühgeborene handelt, die eine erhöhte Morbidität haben. Die neurologischen Ergebnisse liegen im Bereich anderer Studien zur neurologischen Langzeitentwicklung nach FFTS. Es gibt jedoch außer dieser bisher keine Langzeitstudien bis zum Alter von 10 Jahren

The Integrated Polarization of Spiral Galaxy Disks

We present integrated polarization properties of nearby spiral galaxies at 4.8 GHz, and models for the integrated polarization of spiral galaxy disks as a function of inclination. Spiral galaxies in our sample have observed integrated fractional polarization in the range < 1% to 17.6%. At inclinations less than 50 degrees, the fractional polarization depends mostly on the ratio of random to regular magnetic field strength. At higher inclinations, Faraday depolarization associated with the regular magnetic field becomes more important. The observed degree of polarization is lower (<4%) for more luminous galaxies, in particular those with L_{4.8} > 2 x 10^{21} W/Hz. The polarization angle of the integrated emission is aligned with the apparent minor axis of the disk for galaxies without a bar. In our axially symmetric models, the polarization angle of the integrated emission is independent of wavelength. Simulated distributions of fractional polarization for randomly oriented spiral galaxies at 4.8 GHz and 1.4 GHz are presented. We conclude that polarization measurements, e.g. with the SKA, of unresolved spiral galaxies allow statistical studies of the magnetic field in disk galaxies using large samples in the local universe and at high redshift. As these galaxies behave as idealized background sources without internal Faraday rotation, they can be used to detect large-scale magnetic fields in the intergalactic medium.Comment: 13 pages, 6 figures; Accepted for publication in The Astrophysical Journa

The magnetic field of M31 from multi-wavelength radio polarization observations

The configuration of the regular magnetic field in M31 is deduced from radio polarization observations at the wavelengths 6, 11 and 20 cm. By fitting the observed azimuthal distribution of polarization angles, we find that the regular magnetic field, averaged over scales 1--3 kpc, is almost perfectly axisymmetric in the radial range 8 to 14 kpc, and follows a spiral pattern with pitch angles of p\simeq -19\degr to p\simeq -8\degr. In the ring between 6 and 8 kpc a perturbation of the dominant axisymmetric mode may be present, having the azimuthal wave number m=2. A systematic analysis of the observed depolarization allows us to identify the main mechanism for wavelength dependent depolarization -- Faraday rotation measure gradients arising in a magneto-ionic screen above the synchrotron disk. Modelling of the depolarization leads to constraints on the relative scale heights of the thermal and synchrotron emitting layers in M31; the thermal layer is found to be up to three times thicker than the synchrotron disk. The regular magnetic field must be coherent over a vertical scale at least similar to the scale height of the thermal layer, estimated to be h\therm\simeq 1 kpc. Faraday effects offer a powerful method to detect thick magneto-ionic disks or halos around spiral galaxies.Comment: 17 pages, 16 figures, accepted for publication in A&

Schulentwicklung durch Freie Lernorte

Der folgende Beitrag stellt zwei Ganztagsschulen vor, die sich das engagierte Ziel gesetzt haben, durch die Integration von neuen und traditionellen Medien in den Schulalltag das selbstgesteuerte Lernen der Schülerinnen und Schüler voranzutreiben. Die Grund- und Ganztagsschule Im Vogelsang in Saarlouis und die Gesamtschule Hardt in Mönchengladbach haben durch die Einrichtung von Freien Lernorten Lernkultur verändert und beeinflussen somit die Entwicklung ihrer Schule. (DIPF/Orig.

Die Pflege der Volksdichtung und ihre Bedeutung für die heutige Zeit

von August Gräv

Sincronização idêntica em redes de osciladores caóticos

A presente dissertação versa sobre a sincronização idêntica em redes de osciladores caóticos. Uma perspectiva razoavelmente histórica sobre a literatura da área é apresentada . O conceito de caos é introduzido junto com outras idéias da dinâmica não-linear: sistemas dinâmicos, exemplos de sistemas, atratores, expoentes de Liapunov, etc. A integração numérica de equações diferenciais é largamente utilizada, principalmente, para o cálculo de expoentes e o desenho do diagrama de fases. A sincronização idêntica é definida, inicialmente, em redes que não passam de um par de osciladores. A variedade de sincronização (conjunto de pontos no espaço de fases no qual a solução do sistema é encontrada se há sincronização) é determinada. Diferentes variantes de acoplamentos lineares são enfocadas: acoplamento interno, externo, do tipo mestre-escravo e birecional, entre outras. Para detectar sincronização, usa-se o conceito de expoente de Liapunov transversal, uma extensão do conceito clássico de expoente de Liapunov que caracteriza a sincronização como a existência de um atrator na variedade de sincronização. A exposição é completada com exemplos e atinge relativo detalhe sobre o assunto, sem deixar de ser sintética com relação à ampla literatura existente. Um caso de sincronização em antifase que usa a mesma análise é incluído. A sincronização idêntica também é estudada em redes de osciladores idênticos com mais de dois osciladores. As possibilidades de sincronização completa e parcial são explanadas. As técnicas usadas para um par de osciladores são expandidas para cobrir este novo tipo de redes. A existência de variedades de sincronização invariantes é considerada como fator determinante para a sincronização. A sincronização parcial gera estruturas espaciais, analisadas sob a denominação de padrões. Algumas relações importantes entre as sincronizações são explicitadas, principalmente as degenerescências e a relação entre a sincronização parcial e a sincronização completa do respectivo estado sincronizado para alguns tipos de acoplamento. Ainda são objetos de interesse as redes formadas por grupos de osciladores idênticos que são diferentes dos osciladores dos outros grupos. A sincronização parcial na qual todos os grupos de osciladores têm seus elementos sincronizados é chamada de sincronização primária. A sincronização secundária é qualquer outro tipo de sincronização parcial. Ambas são exemplificadas e analisadas por meio dos expoentes transversais e novamente por meio da existência de invariantes de sincronização. Obtém-se, então, uma caracterização suficientemente ampla, completada por casos específicos

Backward dilepton production in color dipole and parton models

The Drell–Yan dilepton production at backward rapidities is studied in proton-nucleus collisions at Relativistic Heavy Ion Collider and LHC energies by comparing two different approaches: the kT factorization at next-to-leading order with intrinsic transverse momentum and the same process formulated in the target rest frame, i.e., the color dipole approach. Our results are expressed in terms of the ratio between pðdÞ A and p p collisions as a function of transverse momentum and rapidity. Three nuclear parton distribution functions are used: EKS (Eskola, Kolhinen, and Ruuskanen), EPS08, and EPS09 and, in both approaches, dileptons show sensitivity to nuclear effects, specially regarding the intrinsic transverse momentum. Also, there is room to discriminate between formalisms: the color dipole approach lacks soft effects introduced by the intrinsic kT. Geometric scaling GBW (Golec-Biernat and Wusthoff ) and BUW (Boer, Utermann, and Wessels) color dipole cross section models and also a DHJ (Dumitru, Hayashigaki, and Jalilian-Marian) model, which breaks geometric scaling, are used. No change in the ratio between collisions is observed, showing that this observable is not changed by the particular shape of the color dipole cross section. Furthermore, our kT factorization results are compared with color glass condensate results at forward rapidities: the results agree at Relativistic Heavy Ion Collider although disagree at LHC, mainly due to the different behavior of target gluon and quark shadowing

Der darstellende Unterricht

von Aug. Graev