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Time-Sensitive Networking (TSN) is the most promising time-deterministic wired communication approach for industrial applications. To extend TSN to "IEEE 802.11" wireless networks two challenging problems must be solved: synchronization and scheduling. This paper is focused on the first one. Even though a few solutions already meet the required synchronization accuracies, they are built on expensive hardware that is not suited for mass market products. While next Wi-Fi generation might support the required functionalities, this paper proposes a novel method that makes possible high-precision wireless synchronization using commercial low-cost components. With the proposed solution, a standard deviation of synchronization error of less than 500 ns can be achieved for many use cases and system loads on both CPU and network. This performance is comparable to modern wired real-time field busses, which makes the developed method a significant contribution for the extension of the TSN protocol to the wireless domain.
Multiple Object Tracking (MOT) is a long-standing task in computer vision. Current approaches based on the tracking by detection paradigm either require some sort of domain knowledge or supervision to associate data correctly into tracks. In this work, we present a self-supervised multiple object tracking approach based on visual features and minimum cost lifted multicuts. Our method is based on straight-forward spatio-temporal cues that can be extracted from neighboring frames in an image sequences without supervision. Clustering based on these cues enables us to learn the required appearance invariances for the tracking task at hand and train an AutoEncoder to generate suitable latent representations. Thus, the resulting latent representations can serve as robust appearance cues for tracking even over large temporal distances where no reliable spatio-temporal features can be extracted. We show that, despite being trained without using the provided annotations, our model provides competitive results on the challenging MOT Benchmark for pedestrian tracking.
An Empirical Study of Explainable AI Techniques on Deep Learning Models For Time Series Tasks
(2021)
Decision explanations of machine learning black-box models are often generated by applying Explainable AI (XAI) techniques. However, many proposed XAI methods produce unverified outputs. Evaluation and verification are usually achieved with a visual interpretation by humans on individual images or text. In this preregistration, we propose an empirical study and benchmark framework to apply attribution methods for neural networks developed for images and text data on time series. We present a methodology to automatically evaluate and rank attribution techniques on time series using perturbation methods to identify reliable approaches.
A Hybrid Optoelectronic Sensor Platform with an Integrated Solution‐Processed Organic Photodiode
(2021)
Hybrid systems, unifying printed electronics with silicon‐based technology, can be seen as a driving force for future sensor development. Especially interesting are sensing elements based on printed devices in combination with silicon‐based high‐performance electronics for data acquisition and communication. In this work, a hybrid system integrating a solution‐processed organic photodiode in a silicon‐based system environment, which enables flexible device measurement and application‐driven development, is presented. For performance evaluation of the integrated organic photodiode, the measurements are compared to a silicon‐based counterpart. Therefore, the steady state response of the hybrid system is presented. Promising application scenarios are described, where a solution‐processed organic photodiode is fully integrated in a silicon system.
To demonstrate how deep learning can be applied to industrial applications with limited training data, deep learning methodologies are used in three different applications. In this paper, we perform unsupervised deep learning utilizing variational autoencoders and demonstrate that federated learning is a communication efficient concept for machine learning that protects data privacy. As an example, variational autoencoders are utilized to cluster and visualize data from a microelectromechanical systems foundry. Federated learning is used in a predictive maintenance scenario using the C-MAPSS dataset.
Herzfehler sind weltweit die häufigste Form von angeborenen Organdefekten. In unterschiedlichen Studien wird die Inzidenz zumeist zwischen vier und elf von 1.000 Lebendgeburten angegeben (1–5). Im Rahmen der multizentrischen PAN-Studie (PAN: Prävalenz angeborener Herzfehler bei Neugeborenen), welche die Häufigkeit angeborener Herzfehler bei Neugeborenen in Deutschland zwischen Juli 2006 und Juni 2007 untersuchte, ergab sich eine Gesamtprävalenz von 107,6 pro 10.000 Lebendgeburten. Gegenstand dieser Arbeit sind Untersuchungen an Implantaten zur Behandlung von Atriumseptumdefekten (ASD). Vorhofseptumdefekte machen mit 17,0%, nach den Ventrikelseptumdefekten (VSD) mit 48,9%die zweithäufigste Art von Herzfehlern aus (6, 7).Als Vorhofseptumdefekte werden Öffnungen in der Scheidewand zwischen den Herzvorhöfen bezeichnet. Bei der Therapie eines ASD ist der minimalinvasive Verschluss mittels sogenannter Okkluder heute das Mittel der Wahl. Diese werden über einen femoralen Zugang im Rahmen einer Herzkatheteruntersuchung unter Ultraschallkontrolle und Durchleuchtung an die Implantationsstelle vorgeschoben und dort platziert(8). Die Okkluder bestehen in der Regel aus einem Drahtgeflecht aus Nitinol und haben die typische Form eines sogenannten Doppelschirmchens. Dabei weichen die unterschiedlichen Okkluder der einzelnen Firmen hinsichtlich Form und Beschaffenheit oft erheblich voneinander ab. Derzeit gibt es keine Untersuchungsmethode, die die auf dem Markt befindlichen Okkluder hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften vergleichbar macht. Diese Arbeit solleinen Beitrag erbringen, um grundlegende, die Okkludermodelle charakterisierende Parameter zu schaffen, um so deren interindividuelle Vergleichbarkeit zu ermöglichen. Hierzu werden in-vitro Messungen durchgeführt, welche geeignet sind das Verhalten der untersuchten Modelle unter unterschiedlichen Bedingungen und bei variierenden Defektgrößen zu charakterisieren.
MINT-College TIEFE
(2021)
Das Projekt MINT-College TIEFE konnte in der zweiten Förderperiode die verschiedenen Maßnahmen der vorangegangenen Förderperiode weiter ausbauen und verstetigen. Die Angebote im Rahmen des Projekts MINT-College TIEFE begleiteten die Studierenden über den Student-Life-Cycle hinweg über das komplette Studium der technischen Studiengänge, beginnend in der Schule und endend beim Übergang in den Beruf. Um die Qualität der Lehre an der Hochschule Offenburg zu verbessern, wurden darüber hinaus verschiedene digital unterstützte Lehrformate weiterentwickelt und ausgebaut. Zentrale Angebote des MINT-College, das 2019 zentrale Einrichtung der Hochschule Offenburg wurde, sind die für die Studieneingangsphase entwickelten Angebote der Einführungstage, des Mentorenprogramms, der Brückenkurse, des Lernzentrums und Angebote für den Übergang in den Beruf, wie das Gründerbüro. Die mediendidaktischen Unterstützungsangebote für Lehrende unterstützten den Lernkulturwandel an der Hochschule. Es wurden systematisch nachhaltige Strukturen aufgebaut, um Innovationen für das Lehren und das Lernen auch künftig entwickeln, erproben und etablieren zu können.
Dementia is a clinical diagnosis reflecting many possible underlying pathologies, for example, vascular dementia and neurodegenerative disorders such as frontotemporal dementia, Lewy body-type disorder or Alzheimer’s disease (AD). The breakthrough of 99mtechnetium-labelled perfusion tracers in the 1990s resulted in many SPECT studies of flow changes in AD. In the first decade of 2000, the role of perfusion SPECT was shifted from diagnosis towards differential diagnosis, parallel to the growing attention for diagnosing early stages of dementia. Previously a diagnosis based largely on a process of exclusion, new guidelines have emerged increasingly employing positive criteria to establish the diagnosis, including neuroimaging biomarkers. Nowadays, FDG PET has largely limited the role of perfusion SPECT, although it is still considered a valuable and cost-effective alternative when PET is not available.
In dieser Arbeit wurde ein Getriebesteuergerät für ein Zweigang-Schaltgetriebe entwickelt. Dieses soll sowohl im manuellen als auch im autonomen Fahrbetriebe des Schluckspecht 5 einen Gangwechsel mittels eines Elektromotors ermöglichen. Da für den autonomen Fahrbetrieb eine rechnergestützte Ansteuerung der Drosselklappe erforderlich ist, wurde auch der Anschluss eines dafür gedachten Servomotors vorgesehen und die Auswertung des Motordrehzahlsensors realisiert. Für die eigentliche Getriebesteuerung wurden ein Raddrehzahlsensor, ein Getriebeeingangsdrehzahlsensor, Endlagensensoren für die beweglichen Teile sowie ein Stromsensor zum Schutz des Elektromotors und des Motortreibers vor thermischer Überlastung an den ausgewählten Mikrocontroller angeschlossen und der notwendige Source-Code zur Auswertung bzw. Ansteuerung geschrieben. Darüber hinaus wurden Zustandsautomaten für die Elektromotor- und die Getriebesteuerung vorbereitet.
Investigation of the Angle Dependency of Self-Calibration in Multiple-Input-Multiple-Output Radars
(2021)
Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) is a key technology in improving the angular resolution (spatial resolution) of radars. In MIMO radars the amplitude and phase errors in antenna elements lead to increase in the sidelobe level and a misalignment of the mainlobe. As the result the performance of the antenna channels will be affected. Firstly, this paper presents analysis of effect of the amplitude and phase errors on angular spectrum using Monte-Carlo simulations. Then, the results are compared with performed measurements. Finally, the error correction with a self-calibration method is proposed and its angle dependency is evaluated. It is shown that the values of the errors change with an incident angle, which leads to a required angle-dependent calibration.
Die freie Software OpenSSH erlaubt den sicheren Fernzugriff auf entfernte Rechner über das Netzwerk oder Internet und kommt auf vielen Linux-Rechnern zum Einsatz. OpenSSH ermöglicht verschiedene Wege der Authentifizierung, unter anderem mit Hilfe von asymmetrischen Schlüsseln. Im Standardfall existiert hierbei für jedes Nutzerkonto auf dem Zielrechner eine Datei mit den public-Keys der zugriffsberechtigten Nutzer, welche manuell gepflegt wird. Diese Art der Zugriffskontrolle wird jedoch schnell unübersichtlich, sobald viele Mitarbeiter auf viele Server zugreifen dürfen. Um den Überblick über zugriffsberechtigte Nutzer zu behalten, ist es deshalb notwendig, zur Verwaltung eine zusätzliche Software einzusetzen. Im Rahmen dieser Arbeit soll eine solche Verwaltungssoftware konzipiert werden. Nach einer Analyse bestehender Systeme werden die Gründe für die Wahl eines der Tools dargestellt sowie die anschließende Weiterentwicklung der gewählten Software dokumentiert.
Mit der vorliegenden Bachelorarbeit wird der Roboter mit dem Namen Pepper evaluiert und dokumentiert. Die Hochschule Offenburg besitzt einen dieser Roboter seit 2019 und will diesen in Forschungsprojekten und in Verbindung mit dem Labor Autonome Systeme einsetzen. Im Laufe dieser Arbeit werden die Sensoren und Aktuatoren auf ihre Genauigkeit, Beschaffenheit und Fehleranfälligkeit getestet. Neben dieser allgemeinen Evaluierung wird ermittelt, ob der Pepper mit Hilfe seiner Bewegungserfassung zur Aktivierung von Senioren geeignet ist. Im Weiteren wird eine Aufgabe für das Labor Autonome Systeme ausgearbeitet. Bei dieser Aufgabe sollen die Studenten der Hochschule, über die NAOqi API des Roboters, Anweisungen an den Pepper übermitteln, welche dieser anschließend selbstständig ausführt. Abschließend werden die gesammelten Evaluierungsergebnisse der Sensoren, Aktuatoren und Verwendungsmöglichkeiten innerhalb der Hochschule oder einem Pflegeheim veranschaulicht.
Im Rahmen dieser Abschlussarbeit wurde die Steuereinheit für das elektrisch angetriebene Hocheffizienzfahrzeug Schluckspecht 6 entworfen. Im Detail wurde die bestehende Steuereinheit analysiert. Durch sorgfältiges Betrachten der Leistungselektronik und deren Elemente, der Signalaufbereitungsplatine, der Stromsensorplatine und der DC/DC-Wandlerplatine, wurden die bestehenden Fehler in deren Schaltplänen behoben. Im Zuge dieser Fehlerbehebung, wurde die Übersichtlichkeit der Schaltpläne verbessert. Des Weiteren wurden die Leistungselektronik und deren Elemente zu der neuen Control Unit fusioniert. Um eine möglichst nachhaltige Hardware zu erhalten, wurde die alte Platine optimiert. Dazu sind die Ein-/ und Ausgänge und der CAN-Bus von dem Entwicklerboard an den Leiterplattenrand geführt worden. Damit die CAN-Signale vom Entwicklerboard verarbeitet werden können, wurde zusätzlich eine Schaltung für die Signal-konvertierung entwickelt. Die zusammengeführte Leiterplatte wurde für eine bessere Zugänglichkeit während des Shell-Eco-Marathon, einseitig bestückt. Um die Fehlerbehebung zu erleichtern, sind Messpunkte, zusammen mit einer Messtabelle, auf deren Schaltpläne integriert worden. Zusätzlich wurde ein Jumper für die Energieversorgung des Entwicklerboards hinzugefügt, damit dieses intern oder extern versorgt werden kann. Für die Control Unit wurden Schnittstellen zur besseren Erweiterung ausgesucht. Nach Abschluss des Optimierungsprozesses und der Komponentenauswahl, wurden die Schaltpläne und ein Board der Control Unit entworfen. Für diesen Entwurf wurde eine Leiterplatte bestellt, welche im SMD-Labor bestückt und verlötet wurde. Anschließend wurde an dieser ein Funktionstest und eine Inbetriebnahme im Schluckspecht 6 durchgeführt. Ein weiterer Teil der Arbeit war die Planung des Gehäuses für die neu entworfene Control Unit, die Auswahl der Anschlussstecksysteme und die Fixierung der Leiterplatte in der Energiebox, sowie die Verdrahtung zwischen der Control Unit und den Stecksystemen.
Implementierung und Automatisierung von Performance-Tests aus den Erkenntnissen von Last-Tests
(2021)
Die Website des bayerischen Fußball-Verbandes hatte anfangs Performance Probleme, weshalb es zu Abstürzen der Seite kam. Um das Problem zu lösen wurden Last-Tests eingeführt. Diese können allerdings nicht immer ausgeführt werden, weshalb ein Performance-Test erstellt werden soll. In dieser Arbeit wird das Verhalten von Webservern unter Last analysiert, um einen Performance-Test zu entwickeln.
Um das Verhalten beurteilen zu können, wurden auf einem lokalen Computer Last-Tests ausgeführt und analysiert. Dabei fiel auf, dass die Steigung der Response Time nicht linear ansteigt im Vergleich zu den virtuellen Usern. Die Funktion steigt ab einem gewissen Punkt stark und nähert sich einer Asymptote an. Dieser Punkt ist durch eine Formel berechenbar.
Aus diesen Ergebnissen wurde eine Berechnungsformel entwickelt, die anhand von Messungen die Performance einer Website berechnen kann. Die Formel wurde in ein Testskript integriert, das die Website Ressourcen automatisch scannt und die Messungen ausführt. Der erstellte Test wird zum Schluss ausgeführt und teilweise automatisiert.
PET and SPECT in Psychiatry
(2021)
This book provides a comprehensive overview of the use of PET and SPECT in the classic psychiatric disorders such as depression, bipolar disorder, anxiety disorders, and schizophrenia. In addition, it discusses the application of these functional neuroimaging techniques in a variety of other conditions, including sleep disorders, eating disorders, autism, and chronic fatigue syndrome. The new edition has been extensively revised and updated to reflect the latest advances and results in nuclear imaging within the field. Most chapters are written jointly by a clinical psychiatrist and a nuclear medicine expert to ensure a multidisciplinary approach. This state of the art compendium will be of value for all who have an interest in the field of neuroscience, from psychiatrists and radiologists/nuclear medicine specialists to interested general practitioners and cognitive psychologists. Companion volumes on the use of PET and SPECT in neurology and for the imaging of neurobiological systems complete a trilogy.
Analyse domänenseitiger Optimierungen für Deep Reinforcement Learning in der RoboCup Umgebung
(2021)
Mit dem Team "magmaOffenburg" nimmt die Hochschule Offenburg seit 2009 am internationalen Wettbewerb "RoboCup" in der 3D-Simulationsliga für Fußball teil. Dabei kommt es vor allem auf den Einsatz guter Lauf- und Kickverhalten an. Seit 2019 ist es dem Team magmaOffenburg möglich auch Deep Reinforcement Learning für die Weiterentwicklung der Verhalten einzusetzen. Während auf diese Weise schon verwendbare Ergebnisse für das Kicken produziert wurden, so fehlt noch ein Fortschritt beim Laufen lernen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den nötigen Optimierungen auf der Domänenseite, um das gelernte Laufen zu verbessern. Das beinhaltet die Optimierung des Observation- und Actionspaces, sowie auch eine Optimierung der Rewardfunktion. Dabei wurde versucht, die einzelnen Einflüsse verschiedener Parameter und Techniken innerhalb dieser drei Bereiche zu evaluieren. So konnte zum Schluss eine Verbesserung in der Laufgeschwindigkeit von etwas unter einem Meter pro Sekunde auf bis zu 1,8 Metern pro Sekunde erreicht werden. Ausschlaggebend für dieses Ergebnis waren vor allem der Verbesserungen in der Rewardfunktion.
An der Offenburger Hochschule wurde eine neue Art der Ansteuerungsmethode für Handprothesen und -orthesen entwickelt, die auf der Verwendung einer Augmented Reality Brille basiert. Dieses neue Prothesensystem soll in einer ersten Studie an Probanden auf seine Alltagstauglichkeit getestet werden. Ziel dieser Arbeit ist es, die regulatorischen Anforderungen an eine solche Studie zusammenzustellen, mit Schwerpunkt auf einem Antrag bei einer Ethikkommission. Außerdem sind mittels Literaturrecherche Tests zu identifizieren und zu analysieren, die für die Beurteilung von Handprothesen verwendet werden. Hierfür wird erörtert was Alltagstauglichkeit bedeutet und welche Eigenschaften und Ziele identifizierte Tests haben.
eLetter zum Artikel "Plague Through History" von Nils Chr. Stenseth, veröffentlicht in Science, Vol. 321, Issue 5890, Seite 773-774 (doi.org/10.1126/science.1161496)
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer E-Learning Anwendung zum Peer-to-Peer Algorithmus Content Addressable Network (CAN). Ein CAN ist eine verteilte Hashtabelle zur dezentralen Verwaltung von Daten in Form von Schlüssel-Wert Paaren. Zweck der Anwendung ist eine didaktisch sinnvolle Aufbereitung und Darstellung der grundlegenden Abläufe im CAN. Die Anwendung simuliert ein CAN und bietet ein grafisches Interface zur Interaktion. Die Anwendung soll unterstützend im Rahmen des Moduls Advanced Networking im Informatik Master an der Hochschule Offenburg eingesetzt werden.
Thema der Bachelorarbeit ist die OTA-Technologie, welche es ermöglicht, die Firmware eines Embedded Systems zu aktualisieren. Es wird die Funktionsweise eines OTA-Updates an einer reellen Implementierung gezeigt. Anschließend wird eine Komplettlösung für OTA-Updates, die Amazon IoT Core Platform, aufgezeigt. Die Nachteile dieser Komplettlösung sollen in die Konzeption und Implementierung einer Alternative mittels eines Mesh-Netzwerks einfließen.
Estimation of Scattering and Transfer Parameters in Stratified Dispersive Tissues of the Human Torso
(2021)
The aim of this study is to understand the effect of the various layers of biological tissues on electromagnetic radiation in a certain frequency range. Understanding these effects could prove crucial in the development of dynamic imaging systems under operating environments during catheter ablation in the heart. As the catheter passes through some arterial paths in the region of interest inside the heart through the aorta, a three-dimensional localization of the catheter is required. In this paper, a study is given on the detection of the catheter by using electromagnetic waves. Therefor, an appropriate model for the layers of the human torso is defined and simulated without and with an inserted electrode.
Das Ziel der vorliegenden Abschlussarbeit war es, ein automatisches Testsystem für die Entwicklung der Embedded-C++-Softwarebibliothek semf zu erstellen. Bei den Software-Modulen die dabei getestet werden, handelt es sich um sogenannte Hardware-Abstraktionen, die die Verwendung der von den Mikrocontroller Herstellern bereitgestellten Hal-Bibliotheken vereinfachen.
Die wohl größte Herausforderung dieser Abschlussarbeit bestand darin, die von dem zu testenden Gerät nach außen gesendeten Nachrichten zu validieren, so wie von außen kommende Nachrichten zu generieren, mit welchem die Leseoperationen des zu testenden Gerätes überprüft werden können. Mithilfe einer Helper-Gegenstelle konnte dies jedoch umgesetzt werden. Das Ergebnis ist ein System mit welchem bestehende und zu entwickelnde Hardware-Abstraktionen zuverlässig, automatisch und effizient validiert werden können.
Diese Abschlussarbeit ist sowohl für Nutzer von semf, als auch für diejenigen Softwareentwickler interessant, die sich für das Testen von eingebetteten Systemen interessieren.
Die Arbeit befasst sich mit der Inbetriebnahme eines Batteriemanagementsystems des asiatischen Herstellers „LLT Power“ zur Verwendung im batterieelektrisch betriebenen Hocheffizienzfahrzeug der Hochschule Offenburg (Schluckspecht S6). Zudem wird eine Adapterplatine entwickelt, gefertigt und getestet, die per Schalter wahlweise einen Bluetooth- oder USB-Zugriff auf die UART-Schnittstelle des BMS ermöglicht. Gleiches gilt für die im Fahrzeug eingesetzte Spannungsversorgungsplatine die sowohl die Hupe als auch die Leistungselektronik versorgt. Darüber hinaus wird im Rahmen dieser Arbeit auf diverse Programme und Arbeitsschritte eingegangen, die für den Entwicklungsprozess benötigt wurden. Exemplarisch wird das Vorgehen bei der Auswahl der Komponenten sowie der Bestellprozess der Platine aufgezeigt. Auf den Entwurf der zugehörigen 3D-Modelle, die für die Konstruktion der Gehäuse herangezogen werdenkönnen wird ebenso wie auf die Fertigung der Platine eingegangen. Abschließend wird der Projektverlauf resümiert und ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten gegeben
In dieser Abschlussarbeit wurde die bisherige Spielstrategie des RoboCup3D-Clients an die durch den FatProxy möglich gewordenen perfekten Kicks angepasst. Dazu wurde die aktive Entscheidungslogik am Ball komplett überarbeitet und eine neue Positionierungsstrategie anhand der bisher verwendeten Architektur entwickelt.
Die neue aktive Entscheidungslogik verwendet dabei eine neue, von den Mitspielerpositionen abhängige, Positionsberechnung und mehrere neue Bewertungsmethoden, die diese Positionen bewerten. Zusätzlich gibt es nun auch eine Funktionalität, die den neu benötigten vertikalen Schusswinkel für jede Position bestimmt. Für die neue Positionierung wurde eine Rautenformation gewählt, bei der die verschiedenen Rollen jetzt eigene Spielfeldbereiche zugewiesen bekommen, die sich teilweise überlappen. Diese Bereiche sind nötig geworden, da die Rollen sich jetzt weniger am Ball und mehr direkt am Spielfeld orientieren.
Bei der zum Schluss durchgeführten Evaluation der Spielergebnisse zwischen neuen und alten Strategiekonfigurationen hat sich ergeben, dass die komplett neue Strategiezusammenstellung mit durchschnittlich zwei Toren Vorsprung gegen die alte Strategie gewinnt und damit besser mit den neuen Möglichkeiten interagiert. Mischt man neue und alte Strategiekomponenten hat das jedoch den gegenteiligen Effekt, da die Mischvarianten gegen die alte Strategie verlieren. Die neuen Komponenten benötigen also das gegenseitige Zusammenspiel, um effizient zu funktionieren.
PET and SPECT in Neurology
(2021)
This book provides a comprehensive overview of the use of PET and SPECT in not only classic neurodegenerative disorders but also cerebrovascular disorders, brain tumors, epilepsy, head trauma, coma, sleeping disorders, and inflammatory and infectious diseases of the CNS. The new edition has been revised and updated to reflect recent advances and includes additional chapters, for example on the use of artificial intelligence and machine learning in imaging data analysis, the study of brain connectivity using PET and SPECT images, and the role of PET imaging in modulation of brain functioning by deep brain stimulation. The authors are renowned experts whose dedication to the investigation of neurological disorders through nuclear medicine technology has achieved international recognition. Most chapters are written jointly by a clinical neurologist and a nuclear medicine specialist to ensure a multidisciplinary approach. This state of the art compendium will be invaluable for neurologists and radiologists/nuclear medicine specialists and will also be informative for interested general practitioners and geriatricians. Companion volumes on PET and SPECT in psychiatry and in neurobiological systems complete a trilogy.
Elektronische Türschilder zur Darstellung von Informationen sind insbesondere in öffentlichen Gebäuden zwischenzeitlich weit verbreitet. Die Varianz dieser elektronischen Türschilder reicht vom Tablet-basierten Türschild bis hin zum PC-basierten Türschild mit externem Bildschirm. Zumeist werden die Systeme mit 230 V betrieben. Bei einer großen Summe von Türschildern in öffentlichen Gebäuden kann dies zu einem signifikanten Umsatz an Energie führen. Im Rahmen dieses Papers wird die Entwicklung eines energieautarken arbeiten Türschildes vorgestellt, bei dem ein E-Paper-Display zum Einsatz kommt. Das Türschild lässt sich per Smartphone-App und NFC-Schnittstelle konfigurieren. Es wird insbesondere auf das Low-Power-Hardware-Design der Elektronik und energetische Aspekte eingegangen.
Der Südwestrundfunk ersetzt das bisher verwendete Ticketing-System Assyst
durch OTRS. Daten zu Kostenstellen, Räumen und Personen werden nicht in
diesen Systemen gepflegt und müssen deshalb regelmäßig aus den jeweiligen
Quellen synchronisiert werden. Die Datensynchronisation dieser und einiger
weiterer Systeme soll über eine neu entwickelte Schnittstelle erfolgen. Sie umfasst
das Auslesen der angebunden Systeme, die Aktualisierungslogik und das
Schreiben der veränderten Daten. Sie wird als eigenständig ausführbares Java-
Programm entwickelt.
In der vorliegenden Thesis werden Empfehlungsalgorithmen zur Verbesserung von Wein-Empfehlungen evaluiert. Der Algorithmus wird zur Entscheidung zwischen zwei Weinen eingesetzt, so dass der jeweils für den Kunden geeignetere Wein empfohlen wird. Das derzeitige System setzt Collaborative Filtering durch den Alternating Least Squares (ALS) Algorithmus um. Bei Kunden und Weinen, die nicht die notwendigen Bedingungen für die Anwendung von ALS erfüllen, wird durch Zufall entschieden.
Dem bestehenden Ansatz wurden folgenden Verfahren gegenübergestellt: Content-based Filtering mit einen Autoencoder und Hybrid Filtering mit einem neuronalen Netz sowie mit der Empfehlungsbibliothek LightFM. Die neuen Ansätze berücksichtigen immer die Weineigenschaften und können für noch nicht gekaufte Weine eingesetzt werden (Cold-Start Problem). Verglichen wurden die Ansätze durch zwei Ranking-Methoden und einen selbst-entwickelten offline A/B-Test.
Unter den neuen Ansätzen schnitt LightFM am besten ab. ALS lieferte insgesamt die besten Ranking-Werte. Durch ein online A/B-Test zwischen ALS und LightFM konnten keine signifikanten Ergebnisse ermittelt werden. Insgesamt konnte auf Basis der in den Tests gesammelten Daten keine Verbesserung der Empfehlungslogik gegenüber dem bestehenden Verfahren mittels ALS nachgewiesen werden. Für eine abschließende statistisch signifikante Beurteilung müssten mehr online A/B-Tests durchgeführt werden.
Artificial intelligence (AI), and in particular machine learning algorithms, are of increasing importance in many application areas but interpretability and understandability as well as responsibility, accountability, and fairness of the algorithms' results, all crucial for increasing the humans' trust into the systems, are still largely missing. Big industrial players, including Google, Microsoft, and Apple, have become aware of this gap and recently published their own guidelines for the use of AI in order to promote fairness, trust, interpretability, and other goals. Interactive visualization is one of the technologies that may help to increase trust in AI systems. During the seminar, we discussed the requirements for trustworthy AI systems as well as the technological possibilities provided by interactive visualizations to increase human trust in AI.
Fünf Jahre vor seinem Tod, im Jahr 1932, wurde der berühmte französische Komponist Maurice Ravel (1875–1937), der an einer frontotemporalen Demenz (M. Pick) mit primär progressiver Aphasie litt, bei einem Unfall verletzt, als er in einem Pariser Taxi saß. In diesem Fallbericht wird der Unfallmechanismus unter bestimmten Annahmen dargestellt und diskutiert. Ausgehend von diesen Überlegungen ist ein Unfall bei geringer Kollisionsgeschwindigkeit wahrscheinlich. Trotz eines Unfalls mit nur geringer Geschwindigkeit ist nicht von der Hand zu weisen, dass dieser Unfall zumindest zu einer deutlichen Verschlimmerung der Krankheitssymptome geführt haben könnte, da Ravel seit diesem Taxiunfall bis zu seinem Tod keine weiteren Kompositionen mehr vollendet hat.
In dieser Arbeit wird ein historischer Fallbericht des bis heute weit über seine Landesgrenzen bekannten italienischen Kriminalanthropologen Cesare Lombroso (1835–1909) vorgestellt. In diesem Fallbericht wird der berüchtigte und psychisch auffällige Dieb Pietro Bersone mit Hilfe eines sog. Hydrosphygmographen überführt, einem zur damaligen Zeit neuartigen technischen Gerät, das den Puls nicht-invasiv aufzeichnen konnte. Lombroso ist vermutlich einer der ersten, wenn nicht sogar der erste, der durch den Einsatz eines solchen Geräts die Idee zum „Lügendetektor“ vorweggenommen hat. Die vorgestellte Textstelle aus Lombrosos Buch „Neue Fortschritte in den Verbrecherstudien“ ist daher ein besonderes Fundstück auch für die Geschichte der Polygraphie.
eLetter zum Artikel "The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human hand" von Matteo Laffranchi et al., veröffentlicht in Science Robotics, Vol. 5, Issue 46, eabb0467 (doi.org/10.1126/scirobotics.abb0467)
eLetter: "The ancient Capua leg from 300 BC and the 1941 air raid on the Royal College of Surgeons"
(2021)
eLetter zum Artikel "The College of Surgeons, London", veröffentlicht in Science, Vol. 93, Issue 2425, Seite 587 (DOI: 10.1126/science.93.2425.587).
Der verstärkte Einsatz von Wärmepumpen bei der Realisierung einer klimaneutralen Wärmeversorgung führt zu einer signifikanten Zunahme und Änderung der elektrischen Lasten in den Verteilnetzen. Daher gilt es, Wärmepumpen so zu steuern, dass sie Verteilnetze wenig belasten oder sogar unterstützen.
Inhalt des Projekts „PV²WP - PV Vorhersage für die netzdienliche Steuerung von Wärmepumpen“ (Projektlaufzeit 1.07.2018 – 30.06.2021) war die Demonstration eines neuen Ansatzes zur Steuerung von Heizungssystemen, die auf Wärmepumpen und thermischen Speichern basieren und in Kombination mit einer Photovoltaikanlage betrieben werden. Das übergeordnete Ziel war dabei die Verbesserung der Netzintegration und Smart-Grid-Tauglichkeit entsprechender Heizungssysteme durch eine kostengünstige Technologie bei gleichzeitiger Erhöhung der Wirtschaftlichkeit.
Dabei wurden drei zukunftsweisende Technologien in Kombination genutzt und demonstriert: wolkenkamerabasierte Kurzfristprognosen, prädiktive Steuerung und Regelung sowie machinelearning-basierte Systemmodellierung als Basis für die Optimierung. Als Demonstrationsumgebung diente mit dem Projekthaus Ulm ein real bewohntes Einfamilienhaus.Umweltforschung
Users of a cochlear implant (CI) in one ear, who are provided with a hearing aid (HA) in the contralateral ear, so-called bimodal listeners, are typically affected by a constant and relatively large interaural time delay offset due to differences in signal processing and differences in stimulation. For HA stimulation, the cochlear travelling wave delay is added to the processing delay, while for CI stimulation, the auditory nerve fibers are stimulated directly. In case of MED-EL CI systems in combination with different HA types, the CI stimulation precedes the acoustic HA stimulation by 3 to 10 ms. A self-designed, battery-powered, portable, and programmable delay line was applied to the CI to reduce the device delay mismatch in nine bimodal listeners. We used an A-B-B-A test design and determined if sound source localization improves when the device delay mismatch is reduced by delaying the CI stimulation by the HA processing delay (τ HA ). Results revealed that every subject in our group of nine bimodal listeners benefited from the approach. The root-mean-square error of sound localization improved significantly from 52.6° to 37.9°. The signed bias also improved significantly from 25.2° to 10.5°, with positive values indicating a bias toward the CI. Furthermore, two other delay values (τ HA –1 ms and τ HA +1 ms) were applied, and with the latter value, the signed bias was further reduced in some test subjects. We conclude that sound source localization accuracy in bimodal listeners improves instantaneously and sustainably when the device delay mismatch is reduced.
IoT networks are increasingly used as entry points for cyberattacks, as often they offer low-security levels, as they may allow the control of physical systems and as they potentially also open the access to other IT networks and infrastructures. Existing intrusion detection systems (IDS) and intrusion prevention systems (IPS) mostly concentrate on legacy IT networks. Nowadays, they come with a high degree of complexity and adaptivity, including the use of artificial intelligence. It is only recently that these techniques are also applied to IoT networks. In this paper, we present a survey of machine learning and deep learning methods for intrusion detection, and we investigate how previous works used federated learning for IoT cybersecurity. For this, we present an overview of IoT protocols and potential security risks. We also report the techniques and the datasets used in the studied works, discuss the challenges of using ML, DL and FL for IoT cybersecurity and provide future insights.
The increasing number of prosumers and the accompanying greater use of decentralised energy resources (DERs) bring new opportunities and challenges for the traditional electricity systems and the electricity markets. Microgrids, virtual power plants (VPPs), peer-to-peer (P2P) trading and federated power plants (FPPs) propose different schemes for prosumer coordination and have the potential of becoming the new paradigm of electricity market and power system operation. This paper proposes a P2P trading scheme for energy communities that negotiates power flows between participating prosumers with insufficient renewable power supply and prosumers with surplus supply in such a way that the community welfare is maximized while avoiding critical grid conditions. For this purpose, the proposed scheme is based on an Optimal Power Flow (OPF) problem with a Multi-Bilateral Economic Dispatch (MBED) formulation as an objective function. The solution is realized in a fully decentralized manner on the basis of the Relaxed Consensus + Innovations (RCI) algorithm. Network security is ensured by a tariff-based system organized by a network agent that makes use of product differentiation capabilities of the RCI algorithm. It is found that the proposed mechanism accurately finds and prevents hazardous network operations, such as over-voltage in grid buses, while successfully providing economic value to prosumers’ renewable generation within the scope of a P2P, free market.
Effective medium theories (EMT) are powerful tools to calculate sample averaged thermoelectric material properties of composite materials. However, averaging over the heterogeneous spatial distribution of the phases can lead to incorrect estimates of the thermoelectric transport properties and the figure of merit ZT in compositions close to the percolation threshold. This is particularly true when the phases’ electronic properties are rather distinct leading to pronounced percolation effects. The authors propose an alternative model to calculate the thermoelectric properties of multi‐phased materials that are based on an expanded nodal analysis of random resistor networks (RRN). This method conserves the information about the morphology of the individual phases, allowing the study of the current paths through the phases and the influence of heterogeneous charge transport and cluster formation on the effective material properties of the composite. The authors show that in composites with strongly differing phases close to the percolation threshold the thermoelectric properties and the ZT value are always dominated exclusively by one phase or the other and never by an average of both. For these compositions, the individual samples display properties vastly different from EMT predictions and can be exploited for an increased thermoelectric performance.
Active participation of industrial enterprises in electricity markets - a generic modeling approach
(2021)
Industrial enterprises represent a significant portion of electricity consumers with the potential of providing demand-side energy flexibility from their production processes and on-site energy assets. Methods are needed for the active and profitable participation of such enterprises in the electricity markets especially with variable prices, where the energy flexibility available in their manufacturing, utility and energy systems can be assessed and quantified. This paper presents a generic model library equipped with optimal control for energy flexibility purposes. The components in the model library represent the different technical units of an industrial enterprise on material, media, and energy flow levels with their process constraints. The paper also presents a case study simulation of a steel-powder manufacturing plant using the model library. Its energy flexibility was assessed when the plant procured its electrical energy at fixed and variable electricity prices. In the simulated case study, flexibility use at dynamic prices resulted in a 6% cost reduction compared to a fixed-price scenario, with battery storage and the manufacturing system making the largest contributions to flexibility.
The manufacturing of conventional electronics has become a highly complicated process, which requires intensive investment. In this context, printed electronics keeps attracting attention from both academia and industry. The primary reason is the simplification of the manufacturing process via additive printing technology such as ink-jet printing. Consequently, advantages are realized such as on-demand fabrication, minimal material waste and versatile choice of substrate materials. Central to the development of printed electronic circuits are printed transistors. Recently, metal oxide semiconductors such as indium oxide have become promising materials for the fabrication of printed transistors due to their high charge mobility. Furthermore, electrolyte-gating also provides benefits such as the low-voltage operation in sub-1 V regime due to the large gate capacitance provided by electrical double layers. This opens new possibilities to fabricate printed devices and circuits for niche applications.
To facilitate the design and fabrication of printed circuits, the development of compact models is necessary. However, most of the current works have focused on the study of the static behavior of transistors, while the in-depth understanding of other characteristics such as the dynamic or noise behavior is missing. To this end, the purpose of this work is the comprehensive study on capacitance and noise properties of inkjet-printed electrolyte-gated thin-film transistors (EGT) based on indium oxide semiconductors. Proper modeling approaches are also proposed to capture accurately the electrical behaviour, which can be further utilized to enable advanced analysis of digital, analog and mixed-signal circuits.
In this work, the capacitance of EGTs is characterized using voltage-dependent impedance spectroscopy. Intrinsic and extrinsic effects are carefully separated by using de-embedding test structures. Also, a dedicated equivalent circuit model is established to offer accurate simulations of the measured frequency response of the gate impedance. Based on that, it is revealed that top-gated EGTs have the potential to reach operation frequency in the kHz regime with proper optimizations of materials and printing process. Furthermore, a Meyer-like model is proposed to accurately capture the capacitance-voltage characteristics of the lumped terminal capacitance. Both parasitic and nonquasi-static effects are considered. This further enables the AC and transient analysis of complex circuits in circuit simulators.
Following, the study of noise properties in the field of printed electronics is conducted. Low-frequency noise of EGTs is characterized using a reliable experimental setup. By examining measured noise spectra of the drain current at various gate voltages, the number fluctuation with correlated mobility fluctuation has been determined as the primary noise mechanism. Based on that, normalized flat-band voltage noise can be determined as the key performance metrics, which is only 1.08 × 10−7 V^2 µm^2, significantly lower in comparison with other thin-film technologies, which are based on dielectric gating and semiconductors such as IZO and IGZO. A plausible reason could be the large gate capacitance offered by the electrical double layers. This renders EGT technology useful for low-noise and sensitive applications such as sensor periphery circuits.
Last but not least, various circuit designs based on EGT technology are proposed, including basic digital circuits such as inverters and ring oscillators. Their performance metrics such as the propagation delay and power consumption are extensively characterized. Also, the first design of a printed full-wave rectifier is presented by using diode-connected EGTs, which features near-zero threshold voltage. As a consequence, the presented rectifier can effectively process input voltage with a small amplitude of 100 mV and a cut-off frequency of 300 Hz, which is particularly attractive for the application domain of energy harvesting. Additionally, the previously established capacitance models are verified on those circuits, which provide a satisfactory agreement between the simulation and measurement data.
Konzeption und Realisierung eines Ansatzes zur Systemintegration eines Fahrerlosen Transportsystems
(2021)
Bei dem flexiblen interaktiven Transportroboter zur mobilen Produktionsunterstützung (FLITZMO) handelt es sich um ein Transportsystem, welches zum autonomen Fahren vorbereitet werden soll. In dieser Bachelorarbeit wird die Integration von Systemkomponenten, welche das autonome Fahren ermöglichen, beschrieben.
Das Ergebnis dieser Bachelorarbeit umfasst einen Schaltplan welcher für zukünftige Teilprojekte genutzt sowie sukzessive erweitert werden kann. Zudem wird die Montage und Integration neuer Komponenten beschrieben. Durch das neue Kabelmanagement ist es möglich, die Sicherheitsrelais zu verdrahten und in Betrieb zu nehmen.
In dieser Arbeit soll ein digitaler Zwilling für ein Transportband und Anlagenteil der im Labor für Automatisierungssysteme eingesetzten Fischertechnik-Fabrik mit der Industrie 4.0 Software von Siemens NX Mechatronics Component Designer entwickelt und die Anlage virtuell und daraufhin in der Realität in Betrieb genommen werden.
It is considered necessary to implement advanced controllers such as model predictive control (MPC) to utilize the technical flexibility of a building polygeneration system to support the rapidly expanding renewable electricity grid. These can handle multiple inputs and outputs, uncertainties in forecast data, and plant constraints, amongst other features. One of the main issues identified in the literature regarding deploying these controllers is the lack of experimental demonstrations using standard components and communication protocols. In this original work, the economic-MPC-based optimal scheduling of a real-world heat pump-based building energy plant is demonstrated, and its performance is evaluated against two conventional controllers. The demonstration includes the steps to integrate an optimization-based supervisory controller into a typical building automation and control system with off-the-shelf HVAC components and usage of state-of-art algorithms to solve a mixed integer quadratic problem. Technological benefits in terms of fewer constraint violations and a hardware-friendly operation with MPC were identified. Additionally, a strong dependency of the economic benefits on the type of load profile, system design and controller parameters was also identified. Future work for the quantification of these benefits, the application of machine learning algorithms, and the study of forecast deviations is also proposed.
Printed electronics, due to its manufacturability using printing technology, allows for fabrication on large areas and the usage of flexible substrates and thus enables novel applications. Non-impact printing technology, such as inkjet-printing, permits for flexible, decentralized manufacturing of electronic devices and systems. This further facilitates split-manufacturing in security-critical electrical components, as well as a maximum in design flexibility in terms of free form factors and non-standardized structures with different geometrical sizes, reaching from a few micrometers up to several millimeters.
Based on the technological benefits printed electronics offers, it provides an interesting counterpart to classical silicon-based electronics, which is usually densely integrated on miniaturized, rigid areas. By utilizing both technologies in a complementary manner, novel systems in the form of hybrid systems can be enabled. Whilst hybrid systems, incorporating passive printed components and electrically conductive wiring concepts, are already commercialized, complex printed systems, which also utilize active components remain rare. To enable more complex (hybrid) systems, various building blocks are required. This includes possibilities for lightweight, printed data storage, the capability to provide sustainable, self-powered printed components and especially circuits for secure, unique identification for holistic printed systems, deployed in the internet of things.
The presented thesis focuses on inkjet-printed electronic devices, circuits and hybrid systems. It investigates solutions for current scientific questions in the area of efficient data storage, sustainable electronics and hardware-based security in printed electronics.
For data storage, an inkjet-printed memristor is developed. The device is fully electrically evaluated with a focus on its data storage capabilities. Furthermore, the printed device is of special interest due to its easy manufacturability and integration capabilities. The experimental analysis reveals that the developed memristor is highly suitable as lightweight non-volatile memory device.
In order to enable sustainable electronic systems, an inkjet-printed full-wave rectifier based on near-zero threshold voltage electrolyte-gated transistors is developed and fully electrically characterized. The circuit is capable for small alternating voltage rectification of low-frequency vibration energy harvesters in the sub-volt region. This provides an important building block in enabling sustainable, self-powered electronic systems. The inkjet-printed full-wave rectifier is evaluated by electrical simulation and experimentally.
To tackle hardware-based security for printed electronics, two implementations for inkjet-printed physically unclonable functions are developed and presented. For unique identification, intrinsic variation in active printed devices are exploited. One implementation is based on a crossbar architecture, incorporating integrable electrolyte-gated transistor cells. The second implementation, the so-called differential circuit physically unclonable function, is based on inverter structures, which provide the basis for unique response generation. Both physically unclonable functions are evaluated using an electrical simulation-based approach and experimentally. The differential circuit approach is furthermore fully integrated within a silicon-based electronic platform environment and serves as intrinsic variation source in a hybrid system. The hybrid system physically unclonable function is fully verified regarding performance metrics and is capable to generate highly unique responses for secure identification.
The Go programming language is an increasingly popular language but some of its features lack a formal investigation. This article explains Go's resolution mechanism for overloaded methods and its support for structural subtyping by means of translation from Featherweight Go to a simple target language. The translation employs a form of dictionary passing known from type classes in Haskell and preserves the dynamic behavior of Featherweight Go programs.
We describe a prototype for power line communi- cation for grid monitoring. The PLC receiver is used to gain information about the PLC channel and the current state of the power grid. The PLC receiver uses the communication signal to obtain an accurate estimate of the current channel and provides information which can be used as a basis for further processing with the aim to detect partial discharges and other anomalies in the grid. This monitoring of the power grid takes advantage of existing PLC infrastructure and uses the data signals, which are transmitted anyway to obtain a real-time measurement of the channel transfer function and the received noise signal. Since this signal is sampled at a high sampling rate compared to simpler measurement sensors, it contains valuable information about possible degradations in the grid which need to be addressed. While channel measurements are based on a received PLC signal, information about partial discharges or other sources of interference can be gathered by a PLC receiver in the absence of a transmit signal. A prototype based on Software Defined Radio has been developed, which implements the simultaneous communication and sensing for a power grid.
The term “attribute transfer” refers to the tasks of altering images in such a way, that the semantic interpretation of a given input image is shifted towards an intended direction, which is quantified by semantic attributes. Prominent example applications are photo realistic changes of facial features and expressions, like changing the hair color, adding a smile, enlarging the nose or altering the entire context of a scene, like transforming a summer landscape into a winter panorama. Recent advances in attribute transfer are mostly based on generative deep neural networks, using various techniques to manipulate images in the latent space of the generator. In this paper, we present a novel method for the common sub-task of local attribute transfers, where only parts of a face have to be altered in order to achieve semantic changes (e.g. removing a mustache). In contrast to previous methods, where such local changes have been implemented by generating new (global) images, we propose to formulate local attribute transfers as an inpainting problem. Removing and regenerating only parts of images, our “Attribute Transfer Inpainting Generative Adversarial Network” (ATI-GAN) is able to utilize local context information to focus on the attributes while keeping the background unmodified resulting in visually sound results.
The increasing use of artificial intelligence (AI) technologies across application domains has prompted our society to pay closer attention to AI’s trustworthiness, fairness, interpretability, and accountability. In order to foster trust in AI, it is important to consider the potential of interactive visualization, and how such visualizations help build trust in AI systems. This manifesto discusses the relevance of interactive visualizations and makes the following four claims: i) trust is not a technical problem, ii) trust is dynamic, iii) visualization cannot address all aspects of trust, and iv) visualization is crucial for human agency in AI.
Der vorliegende Beitrag beschreibt die Motivation hinter den Forschungsarbeiten im Electric Mobility Competence Center (EMC^2) rund um elektrische Antriebskomponenten für die Elektromobilität sowie die Notwendigkeit, diese Forschungsarbeiten an Prüfständen zu testen und zu validieren. Zunächst wird näher auf die Charakteristik von elektrischen Maschinen eingegangen, um anschließend die verwendete Prüfstandtechnik vorzustellen.
Die Digitalisierung kann der Türöffner sein, um effizient die mittelständische Industrie und den Energiemarkt zu verbinden. Das Projekt GaIN hat das Ziel, mit hochaufgelösten Produktions- und Messdaten von zehn mittelständischen Industriebetrieben neuartige Tarife und angepasste Marktplattformen zu entwickeln, die Prognosegüte für Energiebedarf, Nachfrage und Flexibilitätsverfügbarkeit zu erhöhen, die Interaktion vieler flexibler Unternehmen im Verteilnetz und in dem Bilanzkreis zu bewerten und die Auswirkung einer Nutzung der Daten auf die Energiewende anhand einer Systemanalyse zu beurteilen.
Für viele Studierende sind Vorkurse der erste Kontakt zu Hochschullehre und Mitstudierenden. Wie kann der fachliche Einstieg in einem digitalen Lehrformat trotz fehlender Präsenz gelingen und persönliche Unterstützung, ein erstes Kennenlernen und soziale Eingebundenheit gefördert werden? Diesem Erkenntnisinteresse folgend stellt der folgende Beitrag ein digitales Brückenkursformat mit Elementen zur Interaktion, Kommunikation und Kollaboration vor, das mit ca. 400 Studierenden in zehn Kursen mit acht Lehrbeauftragten umgesetzt und entlang der o.g. Frage evaluiert wurde. Um den Transfer auf andere Lehrveranstaltungen zu erleichtern, wurde das Konzept in ein didaktisches Entwurfsmuster übertragen.
The following describes a new method for estimating the parameters of an interior permanent magnet synchronous machine (IPMSM). For the estimation of the parameters the current slopes caused by the switching of the inverter are used to determine the unknowns of the system equations of the electrical machine. The angle and current dependence of the machine parameters are linearized within a PWM cycle. By considering the different switching states of the inverter, several system equations can be derived and a solution can be found within one PWM cycle. The use of test signals and filter-based approaches is avoided. The derived algorithm is explained and validated with measurements on a test bench.
The nonlinear behavior of inverters is mainly influenced by the interlocking and switching times of the semiconductors. In the following work, a method is presented that enables the possibility of an online identification of the switching times of the semiconductors. This information allows a compensation of the non-linear behavior, a reduction of the locking time and can be used for diagnostic purposes. First, a theoretical derivation of the method is made by considering different cases when switching of the inverter and deriving identification possibilities. The method is then extended so that the entire module is taken into account. Furthermore, a possible theoretical implementation is shown. After the methodology has been investigated with possible limitations, boundary conditions and with respect to real hardware, an implementation in the FPGA is performed. Finally, the results are presented, discussed
and further improvements are presented in an outlook.
Patients with focal ventricular tachycardia are at risk of hemodynamic failure and if no treatment is provided the mortality rate can exceed 30%. Therefore, medical professionals must be adequately trained in the management of these conditions. To achieve the best treatment, the origin of the abnormality should be known, as well as the course of the disease. This study provides an opportunity to visualize various focal ventricular tachycardias using the Offenburg heart rhythm model. Modeling and simulation of focal ventricular tachycardias in the Offenburg heart rhythm model was performed using CST (Computer Simulation Technology) software from Dessault Systèms. A bundle of nerve tissue in different regions in the left and right ventricle was defined as the focus in the already existing heart rhythm model. This ultimately served as the origin of the focal excitation sites. For the simulations, the heart rhythm model was divided into a mesh consisting of 5354516 tetrahedra, which is required to calculate the electric field lines. The simulations in the Offenburg heart rhythm model were able to successfully represent the progression of focal ventricular tachycardia in the heart using measured electrical field lines. The simulation results were realized as an animated sequence of images running in real time at a frame rate of 20 frames per second. By changing the frame rate, these simulations can additionally be produced at different speeds. The Offenburg heart rhythm model allows visualization of focal ventricular arrhythmias using computer simulations.
Background: This paper presents a conceptual design for an anthropomorphic replacement hand made of silicone that integrates a sensory feedback system. In combination with a motorized orthosis, it allows performing movements and registering information on the flexion and the pressure of the fingers.
Methods: To create the replacement hand, a three-dimensional (3D) scanner was used to scan the hand of the test person. With computer-aided design (CAD), a mold was created from the hand, then 3D-printed. Bending and force sensors were attached to the mold before silicone casting to implement the sensory feedback system. To achieve a functional and anthropomorphic appearance of the replacement hand, a material analysis was carried out. In two different test series, the properties of the used silicones were analyzed regarding their mechanical properties and the manufacturing process.
Results: Individual fingers and an entire hand with integrated sensors were realized, which demonstrated in several tests that sensory feedback in such an anthropomorphic replacement hand can be realized. Nevertheless, the choice of silicone material remains an open challenge, as there is a trade-off between the hardness of the material and the maximum mechanical force of the orthosis.
Conclusion: Apart from manufacturing-related issues, it is possible to cost-effectively create a personalized, anthropomorphic replacement hand, including sensory feedback, by using 3D scanning and 3D printing techniques.
Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick über das Verhältnis zwischen Nutzen und Einschränkungen eines frühneuzeitlichen Riefelharnisches auf die Biomechanik des Menschen. Zu den zentralen Ergebnissen gehört, dass die Rüstung eine gewisse Einschränkung der Beweglichkeit bringt, jedoch durch verschiedene mechanische Konzepte versucht wurde, diese größtmöglich zu minimieren. Besonders das sogenannte Geschübe stellt hierbei einen Kompromiss zwischen Beweglichkeit und Schutzfunktion dar und findet vor allem im Bereich der Gelenke Anwendung. Steife Strukturen werden an Stellen eingesetzt, die kaum Bewegungsfreiheit fordern. Zu diesen Bereichen gehören beispielsweise der Brustkorb oder obere Teile des Rückens. Der Vorteil der steiferen Teile der Rüstung ist ihre erhöhte Schutzfunktion, die ein geringeres Verletzungsrisiko mit sich bringt.
Patients with focal ventricular tachycardia are at risk of hemodynamic failure and if no treatment is provided the mortality rate can exceed 30%. Therefore, medical professionals must be adequately trained in the management of these conditions. To achieve the best treatment, the origin of the abnormality should be known, as well as the course of the disease. This study provides an opportunity to visualize various focal ventricular tachycardias using the Offenburg cardiac rhythm model.
Disturbances of the cardiac conduction system causing reentry mechanisms above the atrioventricular (AV) node are induced by at least one accessory pathway with different conducting properties and refractory periods. This work aims to further develop the already existing and continuously expanding Offenburg heart rhythm model to visualise the most common supraventricular reentry tachycardias to provide a better understanding of the cause of the respective reentry mechanism.
Im Jahre 2010 bot die Hochschule Offenburg ein Medizintechnikstudium mit dem Schwerpunkt ’Kardiologie, Elektrophysiologie und elektronische kardiologische Implantate’ als Bachelor- und später auch Masterstudiengang an. Ziel des auf diesen Schwerpunkt ausgelegten didaktischen Lehrkonzeptes ist die Vermittlung sofort anwendungsbereiten theoretischen Wissens und praktischen Könnens, welches die Absolventinnen und Absolventen in ihrer künftigen Berufsausübung in der Industrie oder als technische Partner der behandelnden Ärztinnen und Ärzte in hochspezialisierten klinischen Einrichtungen benötigen.
Aufgrund fehlender kommerzieller Angebote ist zur Umsetzung dieses Lehrkonzeptes die ingenieurtechnische Realisierung geeigneter Lehrmittel zwingend erforderlich. Dies betrifft die hard- und softwareseitige Erstellung visueller Demonstrationsmöglichkeiten für pathologische und implantatinduzierte Herzrhythmen, sowie die synthetische Bereitstellung originalgetreuer elektrokardiographischer Ableitsignale aus der klinischen Routine. Des Weiteren den Aufbau von in-vitro Trainingssystemen zu Therapien mit elektronischen kardiologischen Implantaten sowie zur Hochfrequenz-Katheterablation.
Insbesondere die Wahlfächer ’Programmierung von Herzschrittmachern’ und ‚Programmierung von Defibrillatoren’, deren Besuch den Teilnehmenden einen besonders raschen Berufseinstieg ermöglichen sollte, wurden in didaktischer Hinsicht in engem Bezug zum 4-Komponenten-Instruktionsdesign-Modell der Lehre gestaltet.
Durch den kontinuierlichen Einsatz der Instrumente der formativen Evaluation gelangen sowohl deutliche Verbesserungen am Gesamtkonzept der Lehrveranstaltungen als auch an den dort eingesetzten, selbst realisierten Lösungen des benannten speziellen Lehr- und Trainingsequipments.
Eine summative Evaluation des Lehrkonzeptes ist aufgrund seines Alleinstellungsmerkmals schwierig. Aus diesem Grund erschien die quantitative Prüfung des Einflusses eines Besuchs des praktisch orientierten Wahlfachs ’Programmierung von Herzschrittmachern’ auf die Note der kombinierten Abschlussklausur in den Fächern ’Elektrokardiographie’ und ’Elektrostimulation’ sinnvoll. In diese Evaluation eingeschlossen wurde eine Kohorte von 221 Studierenden, 76 Frauen und 145 Männer, von denen 93 am Wahlfach nicht teilnahmen und 128 die es besucht hatten.
Über 7 zusammengefasste Studienjahre zeigte sich, dass die praktische Ausbildung im Wahlfach ’Programmierung von Herzschrittmachern’ das Leistungsniveau der Studierenden der Medizintechnik in der kombinierten Abschlussprüfung ’Elektrokardiographie und Elektrostimulation’ deutlich beeinflusste.
Das im Rahmen dieser Arbeit mitgestaltete Lehrkonzept, die realisierten Lehrmaterialien und Lehrumgebungen wurden im Bachelor- und Masterstudiengang der Medizintechnik an der Hochschule Offenburg in den Praktika, Seminaren und Vorlesungen des Schwerpunktes ’Kardiologie, Elektrophysiologie und elektronische kardiologische Implantate’ vielfältig genutzt. Sie ermöglichten die Gestaltung interaktiver praktischer Weiterbildungsveranstaltungen für ärztliches und mittleres medizinisches Personal und für auf diesen Gebieten tätige medizintechnische Firmen.
Data Science
(2021)
Know-how für Data Scientists
• Übersichtliche und anwendungsbezogene Einführung
• Zahlreiche Anwendungsfälle und Praxisbeispiele aus unterschiedlichen Branchen
• Potenziale, aber auch mögliche Fallstricke werden aufgezeigt
Data Science steht derzeit wie kein anderer Begriff für die Auswertung großer Datenmengen mit analytischen Konzepten des Machine Learning oder der künstlichen Intelligenz. Nach der bewussten Wahrnehmung der Big Data und dabei insbesondere der Verfügbarmachung in Unternehmen sind Technologien und Methoden zur Auswertung dort gefordert, wo klassische Businss Intelligence an ihre Grenzen stößt.
Dieses Buch bietet eine umfassende Einführung in Data Science und deren praktische Relevanz für Unternehmen. Dabei wird auch die Integration von Data Science in ein bereits bestehendes Business-Intelligence-Ökosystem thematisiert. In verschiedenen Beiträgen werden sowohl Aufgabenfelder und Methoden als auch Rollen- und Organisationsmodelle erläutert, die im Zusammenspiel mit Konzepten und Architekturen auf Data Science wirken.
Diese 2., überarbeitete Auflage wurde um neue Themen wie Feature Selection und Deep Reinforcement Learning sowie eine neue Fallstudie erweitert.
Printed electronics (PE) offers flexible, extremely low-cost, and on-demand hardware due to its additive manufacturing process, enabling emerging ultra-low-cost applications, including machine learning applications. However, large feature sizes in PE limit the complexity of a machine learning classifier (e.g., a neural network (NN)) in PE. Stochastic computing Neural Networks (SC-NNs) can reduce area in silicon technologies, but still require complex designs due to unique implementation tradeoffs in PE. In this paper, we propose a printed mixed-signal system, which substitutes complex and power-hungry conventional stochastic computing (SC) components by printed analog designs. The printed mixed-signal SC consumes only 35% of power consumption and requires only 25% of area compared to a conventional 4-bit NN implementation. We also show that the proposed mixed-signal SC-NN provides good accuracy for popular neural network classification problems. We consider this work as an important step towards the realization of printed SC-NN hardware for near-sensor-processing.
Emerging applications in soft robotics, wearables, smart consumer products or IoT-devices benefit from soft materials, flexible substrates in conjunction with electronic functionality. Due to high production costs and conformity restrictions, rigid silicon technologies do not meet application requirements in these new domains. However, whenever signal processing becomes too comprehensive, silicon technology must be used for the high-performance computing unit. At the same time, designing everything in flexible or printed electronics using conventional digital logic is not feasible yet due to the limitations of printed technologies in terms of performance, power and integration density. We propose to rather use the strengths of neuromorphic computing architectures consisting in their homogeneous topologies, few building blocks and analog signal processing to be mapped to an inkjet-printed hardware architecture. It has remained a challenge to demonstrate non-linear elements besides weighted aggregation. We demonstrate in this work printed hardware building blocks such as inverter-based comprehensive weight representation and resistive crossbars as well as printed transistor-based activation functions. In addition, we present a learning algorithm developed to train the proposed printed NCS architecture based on specific requirements and constraints of the technology.
Physically Unclonable Functions (PUFs) are hardware-based security primitives, which allow for inherent device fingerprinting. Therefore, intrinsic variation of imperfect manufactured systems is exploited to generate device-specific, unique identifiers. With printed electronics (PE) joining the internet of things (IoT), hardware-based security for novel PE-based systems is of increasing importance. Furthermore, PE offers the possibility for split-manufacturing, which mitigates the risk of PUF response readout by third parties, before commissioning. In this paper, we investigate a printed PUF core as intrinsic variation source for the generation of unique identifiers from a crossbar architecture. The printed crossbar PUF is verified by simulation of a 8×8-cells crossbar, which can be utilized to generate 32-bit wide identifiers. Further focus is on limiting factors regarding printed devices, such as increased parasitics, due to novel materials and required control logic specifications. The simulation results highlight, that the printed crossbar PUF is capable to generate close-to-ideal unique identifiers at the investigated feature size. As proof of concept a 2×2-cells printed crossbar PUF core is fabricated and electrically characterized.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisation eines Netzwerkgeräts für die drahtlose Kommunikation, insbesondere eines Netzwerk-Endgeräts, in einem Drahtlosnetzwerk, wobei das Netzwerkgerät einen integrierten Schaltkreis für die drahtlose Kommunikation (IWC), eine Synchronisationsevent-Detektoreinrichtung (SED) für das Detektieren von Synchronisationsevents, einen steuerbaren Clock-Generator (CCG) für das Erzeugen eines synchronisierten Zeitsignals TCCGund eine Synchronisationssteuereinrichtung (SCD) zur Steuerung des Synchronisationsvorgangs des Netzwerkgeräts umfasst. In dem Netzwerkgerät werden während einer Synchronisationsphase folgende Verfahrensschritte durchgeführt: Zunächst wird ein Synchronisations-Frame empfangen und ein Synchronisations-Timestamp TAPdetektiert. Anschließend wird ein Timestamp TBmittels einer im IWC enthaltenen IWC-Clock erzeugt, der die Empfangszeit des Synchronisations-Frames definiert. In einem weiteren Schritt wird an einem Port des IWC ein Potenzialwechsel erzeugt, der einen Synchronisationsevent darstellt. Weiterhin wird ein Timestamp TSEmittels der IWC-Clock erzeugt, der den Zeitpunkt des Synchronisationsevents definiert. Die SED detektiert den Synchronisationsevent durch Auswerten der zeitlichen Länge des Potenzialwechsels des Ports des IWC und erzeugt einen Timestamp TSunter Verwendung des synchronisierten Zeitsignals TCCG, wobei der Timestamp TSdenselben Zeitpunkt des Synchronisationsevents definiert wie der Timestamp TSE. Die Timestamps TAP, TB, TSEund TS, die mittels Verarbeitung von ein oder mehreren Synchronisationsevent-Frames gemäß den Schritten (a) bis (d) ermittelt wurden, werden dann zur Synchronisierung des vom CCG erzeugten synchronisierten Zeitsignals TCCGauf das Master-Zeitsignal verwendet.
Das hier vorgestellte System verbindet das neue Konzept der Peer-to-Peer-Navigation mit dem Einsatz von Augmented Reality zur Unterstützung von bettseitig durchgeführten externen Ventrikeldrainagen. Das sehr kompakte und genaue Gesamtsystem beinhaltet einen Patiententracker mit integrierter Kamera, eine Augmented-Reality-Brille mit Kamera und eine Punktionsnadel bzw. einen Pointer mit zwei Trackern, mit dessen Hilfe die Anatomie des Patienten aufgenommen wird. Die exakte Position und Richtung der Punktionsnadel wird unter Zuhilfenahme der aufgenommenen Landmarken berechnet und über die Augmented-Reality-Brille für den Chirurgen sichtbar auf dem Patienten dargestellt. Die Methode zur Kalibrierung der statischen Transformationen zwischen Patiententracker und daran befestigter Kamera beziehungsweise zwischen den Trackern der Punktionsnadel sind für die Genauigkeit sehr wichtig und werden hier vorgestellt. Das Gesamtsystem konnte in vitro erfolgreich getestet werden und bestätigt den Nutzen eines Peer-to-Peer-Navigationssystems.
Objective: To quantify the effect of inhaled 5% carbon-dioxide/95% oxygen on EEG recordings from patients in non-convulsive status epilepticus (NCSE).
Methods: Five children of mixed aetiology in NCSE were given high flow of inhaled carbogen (5% carbon dioxide/95% oxygen) using a face mask for maximum 120s. EEG was recorded concurrently in all patients. The effects of inhaled carbogen on patient EEG recordings were investigated using band-power, functional connectivity and graph theory measures. Carbogen effect was quantified by measuring effect size (Cohen's d) between "before", "during" and "after" carbogen delivery states.
Results: Carbogen's apparent effect on EEG band-power and network metrics across all patients for "before-during" and "before-after" inhalation comparisons was inconsistent across the five patients.
Conclusion: The changes in different measures suggest a potentially non-homogeneous effect of carbogen on the patients' EEG. Different aetiology and duration of the inhalation may underlie these non-homogeneous effects. Tuning the carbogen parameters (such as ratio between CO2 and O2, duration of inhalation) on a personalised basis may improve seizure suppression in future.
Significant progress in the development and commercialization of electrically conductive adhesives has been made. This makes shingling a very attractive approach for solar cell interconnection. In this study, we investigate the shading tolerance of two types of solar modules based on shingle interconnection: first, the already commercialized string approach, and second, the matrix technology where solar cells are intrinsically interconnected in parallel and in series. An experimentally validated LTspice model predicts major advantages for the power output of the matrix layout under partial shading. Diagonal as well as random shading of a 1.6-m2 solar module is examined. Power gains of up to 73.8 % for diagonal shading and up to 96.5 % for random shading are found for the matrix technology compared to the standard string approach. The key factor is an increased current extraction due to lateral current flows. Especially under minor shading, the matrix technology benefits from an increased fill factor as well. Under diagonal shading, we find the probability of parts of the matrix module being bypassed to be reduced by 40 % in comparison to the string module. In consequence, the overall risk of hotspot occurrence in matrix modules is decreased significantly.
A versatile liquid metal (LM) printing process enabling the fabrication of various fully printed devices such as intra- and interconnect wires, resistors, diodes, transistors, and basic circuit elements such as inverters which are process compatible with other digital printing and thin film structuring methods for integration is presented. For this, a glass capillary-based direct-write method for printing LMs such as eutectic gallium alloys, exploring the potential for fully printed LM-enabled devices is demonstrated. Examples for successful device fabrication include resistors, p–n diodes, and field effect transistors. The device functionality and easiness of one integrated fabrication flow shows that the potential of LM printing is far exceeding the use of interconnecting conventional electronic devices in printed electronics.
Digital transformation strengthens the interconnection of companies in order to develop optimized and better customized, cross-company business models. These models require secure, reliable, and traceable evidence and monitoring of contractually agreed information to gain trust between stakeholders. Blockchain technology using smart contracts allows the industry to establish trust and automate cross-company business processes without the risk of losing data control. A typical cross-company industry use case is equipment maintenance. Machine manufacturers and service providers offer maintenance for their machines and tools in order to achieve high availability at low costs. The aim of this chapter is to demonstrate how maintenance use cases are attempted by utilizing hyperledger fabric for building a chain of trust by hardened evidence logging of the maintenance process to achieve legal certainty. Contracts are digitized into smart contracts automating business that increase the security and mitigate the error-proneness of the business processes.
The twin concept is increasingly used for optimization tasks in the context of Industry 4.0 and digitization. The twin concept can also help small and medium-sized enterprises (SME) to exploit their energy flexibility potential and to achieve added value by appropriate energy marketing. At the same time, this use of flexibility helps to realize a climate-neutral energy supply with high shares of renewable energies. The digital twin reflects real production, power flows and market influences as a computer model, which makes it possible to simulate and optimize on-site interventions and interactions with the energy market without disturbing the real production processes. This paper describes the development of a generic model library that maps flexibility-relevant components and processes of SME, thus simplifying the creation of a digital twin. The paper also includes the development of an experimental twin consisting of SME hardware components and a PLC-based SCADA system. The experimental twin provides a laboratory environment in which the digital twin can be tested, further developed and demonstrated on a laboratory scale. Concrete implementations of such a digital twin and experimental twin are described as examples.
In bimodal cochlear implant (CI) / hearing aid (HA) users a constant interaural time delay in the order of several milliseconds occurs due to differences in signal processing of the devices. For MED-EL CI systems in combination with different HA types, we have quantified the respective device delay mismatch (Zirn et al. 2015). In the current study, we investigate the effect of the device delay mismatch in simulated and actual bimodal listeners on sound localization accuracy.
To deal with the device delay mismatch in actual bimodal listeners we delayed the CI stimulation according to the measured HA processing delay and two other values. With all delay values highly significant improvements of the rms error in the localization task were observed compared to the test without the delay. The results help to narrow down the optimal patient-specific delay value.
Zeitliche Anpassung führt zu verbesserter Schalllokalisation bei bimodal versorgten CI-/HG-Trägern
(2021)
Bei bimodal versorgten Cochlea-Implantaten (CI) / Hörgerät (HG)-Trägern entsteht durch die unterschiedliche Signalverarbeitung der Geräte eine konstante interaurale Zeitverzögerung in der Größenordnung von mehreren Millisekunden. Für MED-EL CI-Systeme in Kombination mit verschiedenen HG-Typen haben wir den jeweiligen Device-Delay-Mismatch quantifiziert. In der aktuellen Studie untersuchen wir den Einfluss der Device-Delay-Mismatch bei simulierten und tatsächlichen bimodalen Hörern auf die Genauigkeit der Schalllokalisation.
Um den Device-Delay-Mismatch bei bimodal versorgten Patienten zu verringern, haben wir die CI-Stimulation um die gemessene HG-Signallaufzeit und zwei weitere Werte verzögert. Nach einer Angewöhnungsphase war der effektive Winkelfehler bei Verzögerung um die HG-Signallaufzeit hochsignifikant reduziert im Vergleich zu der Testkondition ohne CI-Verzögerung (mittlere Verbesserung: 11 % ; p < .01, Wilcoxon Signed Rank Test). Aber auch mit den beiden weiteren Verzögerungswerten wurden Verbesserungen erreicht. Anhand der Ergebnisse lässt sich der optimale patientenspezifische Verzögerungswert näher eingrenzen.
Recently, adversarial attacks on image classification networks by the AutoAttack (Croce and Hein, 2020b) framework have drawn a lot of attention. While AutoAttack has shown a very high attack success rate, most defense approaches are focusing on network hardening and robustness enhancements, like adversarial training. This way, the currently best-reported method can withstand about 66% of adversarial examples on CIFAR10. In this paper, we investigate the spatial and frequency domain properties of AutoAttack and propose an alternative defense. Instead of hardening a network, we detect adversarial attacks during inference, rejecting manipulated inputs. Based on a rather simple and fast analysis in the frequency domain, we introduce two different detection algorithms. First, a black box detector that only operates on the input images and achieves a detection accuracy of 100% on the AutoAttack CIFAR10 benchmark and 99.3% on ImageNet, for epsilon = 8/255 in both cases. Second, a whitebox detector using an analysis of CNN feature maps, leading to a detection rate of also 100% and 98.7% on the same benchmarks.
Aerosol particles play an important role in the climate system by absorbing and scattering radiation and influencing cloud properties. They are also one of the biggest sources of uncertainty for climate modeling. Many climate models do not include aerosols in sufficient detail. In order to achieve higher accuracy, aerosol microphysical properties and processes have to be accounted for. This is done in the ECHAM-HAM global climate aerosol model using the M7 microphysics model, but increased computational costs make it very expensive to run at higher resolutions or for a longer time. We aim to use machine learning to approximate the microphysics model at sufficient accuracy and reduce the computational cost by being fast at inference time. The original M7 model is used to generate data of input-output pairs to train a neural network on it. By using a special logarithmic transform we are able to learn the variables tendencies achieving an average score of . On a GPU we achieve a speed-up of 120 compared to the original model.
Correlation Clustering, also called the minimum cost Multicut problem, is the process of grouping data by pairwise similarities. It has proven to be effective on clustering problems, where the number of classes is unknown. However, not only is the Multicut problem NP-hard, an undirected graph G with n vertices representing single images has at most edges, thus making it challenging to implement correlation clustering for large datasets. In this work, we propose Multi-Stage Multicuts (MSM) as a scalable approach for image clustering. Specifically, we solve minimum cost Multicut problems across multiple distributed compute units. Our approach not only allows to solve problem instances which are too large to fit into the shared memory of a single compute node, but it also achieves significant speedups while preserving the clustering accuracy at the same time. We evaluate our proposed method on the CIFAR10 …
A fundamental and still largely unsolved question in the context of Generative Adversarial Networks is whether they are truly able to capture the real data distribution and, consequently, to sample from it. In particular, the multidimensional nature of image distributions leads to a complex evaluation of the diversity of GAN distributions. Existing approaches provide only a partial understanding of this issue, leaving the question unanswered. In this work, we introduce a loop-training scheme for the systematic investigation of observable shifts between the distributions of real training data and GAN generated data. Additionally, we introduce several bounded measures for distribution shifts, which are both easy to compute and to interpret. Overall, the combination of these methods allows an explorative investigation of innate limitations of current GAN algorithms. Our experiments on different data-sets and multiple state-of-the-art GAN architectures show large shifts between input and output distributions, showing that existing theoretical guarantees towards the convergence of output distributions appear not to be holding in practice.
An Empirical Investigation of Model-to-Model Distribution Shifts in Trained Convolutional Filters
(2021)
We present first empirical results from our ongoing investigation of distribution shifts in image data used for various computer vision tasks. Instead of analyzing the original training and test data, we propose to study shifts in the learned weights of trained models. In this work, we focus on the properties of the distributions of dominantly used 3x3 convolution filter kernels. We collected and publicly provide a data set with over half a billion filters from hundreds of trained CNNs, using a wide range of data sets, architectures, and vision tasks. Our analysis shows interesting distribution shifts (or the lack thereof) between trained filters along different axes of meta-parameters, like data type, task, architecture, or layer depth. We argue, that the observed properties are a valuable source for further investigation into a better understanding of the impact of shifts in the input data to the generalization abilities of CNN models and novel methods for more robust transfer-learning in this domain.
Engineering, construction and operation of complex machines involves a wide range of complicated, simultaneous tasks, which potentially could be automated. In this work, we focus on perception tasks in such systems, investigating deep learning approaches for multi-task transfer learning with limited training data. We show an approach that takes advantage of a technical systems’ focus on selected objects and their properties. We create focused representations and simultaneously solve joint objectives in a system through multi-task learning with convolutional autoencoders. The focused representations are used as a starting point for the data-saving solution of the additional tasks. The efficiency of this approach is demonstrated using images and tasks of an autonomous circular crane with a grapple.
For the past few years Low Power Wide Area Networks (LPWAN) have emerged as key technologies for the connectivity of many applications in the Internet of Things (IoT) combining low-data rates with strict cost and energy restrictions. Especially LoRa/LoRaWAN enjoys a high visibility on today’s markets, because of its good performance and its open community. Originally LoRa was designed for operation within the Sub-GHz ISM bands for Industrial, Scientific and Medical applications. However, at the end of 2018, a LoRa-based solution in the 2.4GHz ISM-band was presented promising higher bandwidths and higher data rates. Furthermore, it overcomes the limited duty-cycle prescribed by the regulations in the ISM-bands and therefore also opens doors to many novel application fields. Also, due to higher bandwidths and shorter transmission times, the use of alternative MAC layer protocols becomes very interesting, i.e. for TDMA based-approaches. Within this paper, we propose a system architecture with 2.4GHz LoRa components combining two aspects. On the one hand, we present a design and an implementation of a 2.4GHz based LoRaWAN solution that can be seamlessly integrated into existing LoRaWAN back-hauls. On the other hand, we describe deterministic setup using a Time Slotted Channel Hopping (TSCH) approach as defined in the IEEE802.15.4-2015 standard for industrial applications. Finally, measurements show the performance of the system.
It seems to be a widespread impression that the use of strong cryptography inevitably imposes a prohibitive burden on industrial communication systems, at least inasmuch as real-time requirements in cyclic fieldbus communications are concerned. AES-GCM is a leading cryptographic algorithm for authenticated encryption, which protects data against disclosure and manipulations. We study the use of both hardware and software-based implementations of AES-GCM. By simulations as well as measurements on an FPGA-based prototype setup we gain and substantiate an important insight: for devices with a 100 Mbps full-duplex link, a single low-footprint AES-GCM hardware engine can deterministically cope with the worst-case computational load, i.e., even if the device maintains a maximum number of cyclic communication relations with individual cryptographic keys. Our results show that hardware support for AES-GCM in industrial fieldbus components may actually be very lightweight.
In the last decade, deep learning models for condition monitoring of mechanical systems increasingly gained importance. Most of the previous works use data of the same domain (e.g., bearing type) or of a large amount of (labeled) samples. This approach is not valid for many real-world scenarios from industrial use-cases where only a small amount of data, often unlabeled, is available.
In this paper, we propose, evaluate, and compare a novel technique based on an intermediate domain, which creates a new representation of the features in the data and abstracts the defects of rotating elements such as bearings. The results based on an intermediate domain related to characteristic frequencies show an improved accuracy of up to 32 % on small labeled datasets compared to the current state-of-the-art in the time-frequency domain.
Furthermore, a Convolutional Neural Network (CNN) architecture is proposed for transfer learning. We also propose and evaluate a new approach for transfer learning, which we call Layered Maximum Mean Discrepancy (LMMD). This approach is based on the Maximum Mean Discrepancy (MMD) but extends it by considering the special characteristics of the proposed intermediate domain. The presented approach outperforms the traditional combination of Hilbert–Huang Transform (HHT) and S-Transform with MMD on all datasets for unsupervised as well as for semi-supervised learning. In most of our test cases, it also outperforms other state-of-the-art techniques.
This approach is capable of using different types of bearings in the source and target domain under a wide variation of the rotation speed.
The aim of this work is the application and evaluation of a method to visually detect markers at a distance of up to five meters and determine their real-world position. Combinations of cameras and lenses with different parameters were studied to determine the optimal configuration. Based on this configuration, camera images were taken after proper calibration. These images are then transformed into a bird's eye view using a homography matrix. The homography matrix is calculated with four-point pairs as well as with coordinate transformations. The obtained images show the ground plane un distorted, making it possible to convert a pixel position into a real-world position with a conversion factor. The proposed approach helps to effectively create data sets for training neural networks for navigation purposes.
The applicability of characteristics of local magnetic fields for more precise determination of localization of subjects and/or objects in indoor environments, such as railway stations, airports, exhibition halls, showrooms, or shopping centers, is considered. An investigation has been carried out to find out whether and how low-cost magnetic field sensors and mobile robot platforms can be used to create maps that improve the accuracy and robustness of later navigation with smartphones or other devices.
Object Detection and Mapping with Unmanned Aerial Vehicles Using Convolutional Neural Networks
(2021)
Significant progress has been made in the field of deep learning through intensive research over the last decade. So-called convolutional neural networks are an essential component of this research. In this type of neural network, the mathematical convolution operator is used to extract characteristics or anomalies. The purpose of this work is to investigate the extent to which it is possible in certain initial settings to input aerial recordings and flight data of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in the architecture of a neural network and to detect and map an object. Using the calculated contours or dimensions of the so-called bounding boxes, the position of the objects can be determined relative to the current UAV location.
Evaluation of Deep Learning-Based Neural Network Methods for Cloud Detection and Segmentation
(2021)
This paper presents a systematic approach for accurate short-time cloud coverage prediction based on a machine learning (ML) approach. Based on a newly built omnidirectional ground-based sky camera system, local training and evaluation data sets were created. These were used to train several state-of-the-art deep neural networks for object detection and segmentation. For this purpose, the camera-generated a full hemispherical image every 30 min over two months in daylight conditions with a fish-eye lens. From this data set, a subset of images was selected for training and evaluation according to various criteria. Deep neural networks, based on the two-stage R-CNN architecture, were trained and compared with a U-net segmentation approach implemented by CloudSegNet. All chosen deep networks were then evaluated and compared according to the local situation.
Cryptographic protection of messages requires frequent updates of the symmetric cipher key used for encryption and decryption, respectively. Protocols of legacy IT security, like TLS, SSH, or MACsec implement rekeying under the assumption that, first, application data exchange is allowed to stall occasionally and, second, dedicated control messages to orchestrate the process can be exchanged. In real-time automation applications, the first is generally prohibitive, while the second may induce problematic traffic patterns on the network. We present a novel seamless rekeying approach, which can be embedded into cyclic application data exchanges. Although, being agnostic to the underlying real-time communication system, we developed a demonstrator emulating the widespread industrial Ethernet system PROFINET IO and successfully use this rekeying mechanism.
Fifth-generation (5G) cellular mobile networks are expected to support mission-critical low latency applications in addition to mobile broadband services, where fourth-generation (4G) cellular networks are unable to support Ultra-Reliable Low Latency Communication (URLLC). However, it might be interesting to understand which latency requirements can be met with both 4G and 5G networks. In this paper, we discuss (1) the components contributing to the latency of cellular networks and (2) evaluate control-plane and user-plane latencies for current-generation narrowband cellular networks and point out the potential improvements to reduce the latency of these networks, (3) present, implement and evaluate latency reduction techniques for latency-critical applications. The two elements we detected, namely the short transmission time interval and the semi-persistent scheduling are very promising as they allow to shorten the delay to processing received information both into the control and data planes. We then analyze the potential of latency reduction techniques for URLLC applications. To this end, we develop these techniques into the long term evolution (LTE) module of ns-3 simulator and then evaluate the performance of the proposed techniques into two different application fields: industrial automation and intelligent transportation systems. Our detailed evaluation results from simulations indicate that LTE can satisfy the low-latency requirements for a large choice of use cases in each field.
It is important to minimize the unscheduled downtime of machines caused by outages of machine components in highly automated production lines. Considering machine tools such as, grinding machines, the bearing inside of spindles is one of the most critical components. In the last decade, research has increasingly focused on fault detection of bearings. In addition, the rise of machine learning concepts has also intensified interest in this area. However, up to date, there is no single one-fits-all solution for predictive maintenance of bearings. Most research so far has only looked at individual bearing types at a time.
This paper gives an overview of the most important approaches for bearing-fault analysis in grinding machines. There are two main parts of the analysis presented in this paper. The first part presents the classification of bearing faults, which includes the detection of unhealthy conditions, the position of the error (e.g. at the inner or at the outer ring of the bearing) and the severity, which detects the size of the fault. The second part presents the prediction of remaining useful life, which is important for estimating the productive use of a component before a potential failure, optimizing the replacement costs and minimizing downtime.
The present work ties in with the problem of bicycle road assessment that is currently done using expensive special measuring vehicles. Our alternative approach for road condition assessment is to mount a sensor device on a bicycle which sends accelerometer and gyroscope data via WiFi to a classification server. There, a prediction model determines road type and condition based on the sensor data. For the classification task, we compare different machine learning methods with each other, whereby validation accuracies of 99% can be achieved with deep residual networks such as InceptionTime. The main contribution of this work with respect to comparable work is that we achieve excellent accuracies on a realistic dataset classifying road conditions into nine distinct classes that are highly relevant for practice.