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- Fakultät Elektrotechnik, Medizintechnik und Informatik (EMI) (ab 04/2019) (73)
- Fakultät Maschinenbau und Verfahrenstechnik (M+V) (43)
- Fakultät Wirtschaft (W) (39)
- INES - Institut für nachhaltige Energiesysteme (13)
- ivESK - Institut für verlässliche Embedded Systems und Kommunikationselektronik (12)
- CRT - Campus Research & Transfer (7)
- Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik (E+I) (bis 03/2019) (7)
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- IMLA - Institute for Machine Learning and Analytics (6)
Open Access
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Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften einer Rohrleitung, insbesondere der Position eines Abzweigs einer Abwasserrohrleitung,(a) bei dem ein Schallwellensendesignal (S, S') an einem vorgegebenen Einspeisepunkt in die Rohrleitung (1) eingespeist wird und sich in axialer Richtung der Rohrleitung (1) ausbreitet,(b) wobei das Frequenzspektrum des Schallwellensendesignals (S, S') eine Frequenzkomponente oder einen Spektralbereich aufweist, dessen maximale Frequenz kleiner ist als die untere Grenzfrequenz (f) für die erste Obermode,(c) bei dem innerhalb der Rohrleitung (1) reflektierte Anteile (S, S, S, S', S', S') des Schallwellensendesignals (S, S') als Schallwellenempfangssignal (E, E') detektiert werden, und(d) bei dem die Rohrleitung (1) durch eine Auswertung des Schallwellenempfangssignal (E, E') in Bezug auf das Schallwellensendesignal (S, S') hinsichtlich des Vorhandenseins von Schallwellenreflexionen (S, S, S, S', S', S') verursachenden Reflexionsorten entlang der Rohrleitung (1) untersucht wird,(e) wobei mittels der Auswertung des Schallwellenempfangssignals (E, E') zumindest jeweils der Abstand (I) eines Reflexionsortes von dem Einspeisepunkt bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,(f) dass die Schallgeschwindigkeit (c) der Grundmode bei der aktuellen Temperatur innerhalb der Rohrleitung (1) unter Verwendung eines Schallwellenmesssignals ermittelt wird, welches eine Frequenz oder ein Frequenzspektrum aufweist, bei dem das Schallwellenmesssignal innerhalb der Rohrleitung (1) mit ausreichender Genauigkeit als ebene Schallwelle behandelt werden kann, wobei hierzu die Laufzeiten des Schallwellenmesssignals über eine vorbekannte Strecke (L) in beiden Richtungen gemessen wird,(g) dass die so ermittelte Schallgeschwindigkeit (c) einer ebenen Schallwelle gleich der tatsächlichen Schallgeschwindigkeit der Grundmode bei der aktuellen Temperatur innerhalb der Rohrleitung (1) gesetzt wird, und(h) dass die so bestimmte Schallgeschwindigkeit zur Bestimmung des Abstand (I) eines Reflexionsortes von dem Einspeisepunkt verwendet wird.
Für Verkehrsunternehmen stellt die Erprobung neuer Technologien eine große Herausforderung dar.
Sowohl Wasserstoff-Busse als auch Batterie-Busse können ihren Beitrag zur Umstellung des ÖPNV auf emissionsfreie Mobilität leisten. Je nach Anwendungsmuster können sich beide Technologien gut ergänzen und zu einem volkswirtschaftlichen Optimum führen. Es gilt, die Technologien im realen Umfeld zu erproben, um praxisnahe Erfahrung zu sammeln und dabei Mitarbeiter auszubilden, ohne die Qualität des Betriebes zu gefährden. Bei der aktuellen Kostenlage sehen beide Technologien ihre Einführung in den Betrieb mit Mehrkosten im Vergleich zu der aktuellen Diesel-Lösung verbunden.
Bei einer Batterie-basierten Lösung mit Pantograph-Schnellladung sind kürzere Linien gute Kandidaten für eine elektrische Umstellung ohne Auswirkungen auf die Größe der Busflotte. Auch Liniensysteme beliebiger Länge mit Knotenpunkten in regelmäßigen Abständen ermöglichen eine gemeinsame Nutzung der Ladeinfrastruktur und stellen somit reduzierte Aufbaukosten der Ladeinfrastruktur in Aussicht. In diesem Fall sind aber auch Fahrplanmanagement-Aspekte hinsichtlich der Ladezeit am Pantograph mit zu berücksichtigen, die nicht Bestandteil dieser Studie gewesen sind. Allgemein lassen die Kosten-Prognosen für Batterie und Batterie-elektrische Fahrzeuge eine signifikante Kostenreduzierung bis 2030 erkennen, die in manchen Konfigurationen zur Kostenparität und sogar geringeren Kosten als mit der Diesel-Variante führen würde.
Anders als für Batterie-Busse stellt die Linien-Konfiguration keinen wirtschaftlichen Einflussfaktor auf den Betrieb von Wasserstoff-Bussen dar. Die derzeitige Reichweite der H2-Busse reicht aus, um die zu erwartende tägliche Fahrleistung zu decken. Bei der Wasserstoffmobilität sind aber die Versorgungsinfrastruktur und die damit verbundenen Kraftstoffkosten von entscheidender Bedeutung. Ihr Aufbau ist mit hohen Investitionskosten und gesetzlichen Verpflichtungen verbunden (BImSchG, BetrSichV), die für eine erste Erprobung der Technologie im kleinen Maßstab eine Hürde für Verkehrsunternehmen darstellen könnte. Die H2 Mobility Deutschland bietet die Möglichkeit an, 700 bar Tankstellen mit einem 350 bar Modul zu erweitern, das die tägliche Versorgung von ca. 6 Bussen ermöglicht. Mit begrenzten Risiken für die Verkehrsunternehmen bietet es sich daher an, die H2 Mobilität auf eine limitierte Busflotte zu erproben. Da der Aufbau des H2-Mobility Deutschland Tankstellennetzes eine Lücke in Offenburg und Umgebung aufweist, wäre es vorstellbar, an der Errichtung einer solchen Tankstelle zu arbeiten, die die Betankung und Erprobung von Wasserstoff-Bussen ermöglicht. Auf längerer Sicht ist die Sicherstellung einer gut platzierten zuverlässigen und nachhaltigen Wasserstoffquelle von entscheidender Bedeutung. Derzeit liegen vorhandene Wasserstoffquellen in mehr als 100 km Entfernung. Eine Nutzung der Wasserkraft des naheliegenden Rheins erscheint durchaus sinnvoll, sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus umwelttechnischen Gründen (erneuerbarer Strom, Stromkostenreduzierung durch Eigenversorgung, kürzere Transportwege, möglicher Nutzen für die Eurometropole Straßburg).
Es lässt sich festhalten, dass für die Region Offenburg zunächst die Erprobung beider Technologien, der Elektromobilität als auch der Wasserstoffmobilität, empfohlen wird. Es sollte zeitnah in den Erfahrungsaufbau in beide Technologien investiert werden. Zudem sollte bei der Elektromobilität das Flottenmanagement untersucht und evaluiert werden und bei der Wasserstoffmobilität die Möglichkeiten der Kooperation für den Aufbau der Wasserstofftankstelle. Im Rahmen der nächsten Ausschreibungsrunde für den öffentlichen Nahverkehr in Offenburg wird empfohlen, diesen emissionsfrei auszuschreiben. Es ist absehbar, dass aus Kostengründen (Kostenparität der Elektromobilität mit der Dieselvariante) als auch aus Gründen der Anforderung bzgl. der Emissionsgrenzwerte der ÖPNV emissionsfrei umgesetzt werden sollte.
In der Tiefengeothermie spielen – unter den jeweiligen geologischen Rahmenbedingungen – thermische, hydraulische, chemische und mechanische (THCM-) Prozesse eine grundlegende Rolle hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Nachhaltigkeit einer geothermischen Nutzung. Die Etablierung einer neuen Technologie wird sich darüber hinaus ohne Akzeptanz in der Bevölkerung mittel- und langfristig nicht behaupten können. Deshalb bilden Transparenz (z.B. Überwachung der induzierten Seismizität) und ein Transfer von Ergebnissen der Geothermie-Forschung in die Öffentlichkeit wesentliche Grundlagen zur Schaffung einer hinreichenden Akzeptanz der Tiefengeothermie.
Das Verbundprojekt GEO.Cool von Partnern im Landesforschungszentrum Geothermie (LFZG) hat zum Ziel, Möglichkeiten sowie Grenzen der Kühlung mit oberflächennaher Geothermie in interdisziplinärer Arbeit zu erheben und daraus Impulse für Innovationen in diesem Bereich zu gewinnen.
Das Vorhaben ist in die folgenden sechs Arbeitspakete (AP) gegliedert:
AP 1: Bedarfe und Systemaspekte
AP 2: Systemtechnik und Planung von Anlagen zur Kühlung mit oberflächennaher Ge-othermie
AP 3: Analyse von Best-Practice-Beispielen
AP 4: Thermisches und hydrogeologisches Verhalten des Untergrunds
AP 5: Genehmigungspraxis und Grenzwerte
AP 6: Synopse, Innovationspotenzial und Transfer.
Das Projekt hat eine Laufzeit vom 23.01.2017 bis zum 30.09.2019 (Förderzeitraum für alle Arbeitspakete und Projektpartner).
In den letzten Jahren sind verstärkt große Batteriespeichersysteme in der Mittel- und Hochspannungsebene in Deutschland installiert worden. Neben dem Einsatz für lokale Anwendungszwecke wie Eigenverbrauchsmaximierung oder Lastspitzenkappung sind seit 2016 etwa 250 MW aus Batteriespeichern für die Teilnahme am Markt für Primärregelleistung (PRL) präqualifiziert worden. Damit können bereits 40 % des aktuellen Bedarfs der deutschen Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) gedeckt werden. Für einen zuverlässigen Betrieb von Batteriespeichern sind intelligente Betriebsstrategien erforderlich, die im Rahmen dieser Analyse vorgestellt werden.
The Humboldt Portal has been designed and implemented as part of an ongoing research project to develop an information system on the Internet to share the documents and rare books of Alexander von Humboldt, a 19th century German scientist and explorer, who viewed the natural world holistically and described the harmony of nature among the diversity of the physical world. Even after more than two centuries he is admired for his ability to see the natural world and human nature in the context of a complex network of relationships. The design and implementation of the Humboldt Portal are also oriented to support further research on Humboldt’s intellectual perspective.
Although all of Humboldt's works can be found on the internet as digitized documents, the complexity and internal inter-connectivity of his vision of nature cannot be adequately represented only by digitized papers or scanned documents in digital libraries.
As a consequence a specific portal of the Humboldt's documents was developed, which extends the standards of digital libraries and offers a technical approach for the adequate presentation of highly interconnected data.
Due to the continuous scientific and literary research, new insights and requirements for the digital presentation of Humboldt documents are constantly emerging, so that this article only provides a summary of the concepts realized at now. Consequently, the design and implementation of the Humboldt Portal is both: a consequence of a continuing research project and oriented to support more research on Humboldt´s intellectual holistic perspective, which was an anticipation to the System Approach of the last Century.
Sweaty has already participated four times in RoboCup soccer competitions (Adult Size) and came second three times. While 2016 Sweaty needed a lot of luck to be finalist, 2017 Sweaty was a serious adversary in the preliminary rounds. In 2018 Sweaty showed up in the final with some lack of experience and room for improvements, but not without any chance. This paper describes the intended improvements of the humanoid adult size robot Sweaty in order to qualify for the RoboCup 2019 adult size competition.
More than 200 years ago, the scientist Alexander von Humboldt noted in his travel diaries that "everything is interconnectedness", when he was fascinated by nature and the phenomena observed. The view of nature has become much more detailed through the knowledge of phenomena and natural processes, which led to a more precise view of nature shaped by Humboldt. Technological progress and the artificial intelligence of highly developed computer systems are upsetting this view and changing the established world view through a new, unprecedented interaction between man and machinery. Thus we need digital axioms and comprehensive rules and laws for such autonomous acting systems that determine human interaction between cybernetic systems and biological individuals. This digital humanism should encompass our relationship to nature, our handling of the complexity and diversity of nature and the technological influences on society in order to avoid technical colonialism through supercomputers.
Heat generation that is coupled with electricity usage, like combined heat and power generators or heat pumps, can provide operational flexibility to the electricity sector. In order to make use of this in an optimized way, the flexibility that can be provided by such plants needs to be properly quantified. This paper proposes a method for quantifying the flexibility provided through a cluster of such heat generators. It takes into account minimum operational time and minimum down-time of heat generating units. Flexibility is defined here as the time period over which plant operation can be either delayed or forced into operation, thus providing upward or downward regulation to the power system on demand. Results for one case study show that a cluster of several smaller heat generation units does not provide much more delayed operation flexibility than one large unit with the same power, while it more than doubles the forced operation flexibility. Considering minimum operational time and minimum down-time of the units considerably limits the available forced and delayed operation flexibility, especially in the case of one large unit.
Wireless sensor networks have found their way into a wide range of applications, among which environmental monitoring systems have attracted increasing interests of researchers. Main challenges for these applications are scalability of the network size and energy efficiency of the spatially distributed nodes. Nodes are mostly battery-powered and spend most of their energy budget on the radio transceiver module. In normal operation modes most energy is spent waiting for incoming frames. A so-called Wake-On-Radio (WOR) technology helps to optimize trade-offs between energy consumption, communication range, complexity of the implementation and response time. We already proposed a new protocol called SmartMAC that makes use of such WOR technology. Furthermore, it gives the possibility to balance the energy consumption between sender and receiver nodes depending on the use case. Based on several calculations and simulations, it was predicted that the SmartMAC protocol was significantly more efficient than other schemes being proposed in recent publications, while preserving a certain backward compatibility with standard IEEE802.15.4 transceivers. To verify this prediction, we implemented the SmartMAC protocol for a given hardware platform. This paper compares the realtime performance of the SmartMAC protocol against simulation results, and proves the measured values are very close to the estimated values. Thus we believe that the proposed MAC algorithms outperforms all other Wake-on-Radio MACs.
Die öffentliche Diskussion über den Einsatz digitaler Medien in Schule und Unterricht verkennt die zugrundeliegenden Interessen. Seit über 30 Jahren wird jede neue Generation von Digitaltechnik in die Schulen gedrückt. 1984 waren es Personal Computer (PC), in den 1990er Jahren Laptops, aktuell sind es WLAN, Tablets und Smartphones. Die Argumente sind identisch: Angeblich sorgen die Geräte für moderneren, innovativeren Unterricht, höhere Motivation der Schüler/innen, bessere Lernergebnisse. Wissenschaftlich valide Studien belegen das Gegenteil. Der pädagogische Nutzen war und ist bis heute negativ. PISA-Koordinator Andreas Schleicher: „Wir müssen es als Realität betrachten, dass Technologie in unseren Schulen mehr schadet als nützt.“ (Schleicher, 2016) Der Aktionsrat Bildung bestätigt in einer Studie für die Vereinigung der Bayerischer Wirtschaft (vbw) „statistisch signifikant niedrigere Kompetenzen in den Domänen Mathematik und Naturwissenschaften“, wenn Grundschülerinnen und Grundschüler im Unterricht mindestens einmal wöchentlich Computer einsetzen im Vergleich zu Grundschulkindern, die seltener als einmal pro Woche Computer im Unterricht nutzten - und fordert trotzdem, die Schulen müssten schneller digitalisiert werden.
Es geht offensichtlich um Anderes. Es sind wirtschaftliche Interessen der IT-Wirtschaft und der Global Education Industries (GEI), die die Bildungsmärkte nach angelsächsischem Vorbild privatisieren und kommerzialisieren wollen. Es sind zugleich die Geschäftsmodelle der Daten-Ökonomie, die alle Lebensbereiche verdaten und Menschen per Algorithmus und kybernetischen Modellen steuern wollen – wie in den 1950er Jahren (Behaviorismus, programmiertes Lernen). Die Digitalisierung ist „nur“ die technische Infrastruktur zur Datenerhebung, die empirische Bildungsforschung das Instrumentarium zur Quantifizierung auch des Sozialen (Mau, 2018). Nach Arbeitsmarkt und Kommunikation stehen derzeit Bildung und Gesundheit auf der Agenda der Digitalisten. Das Problem: Werden soziale Systeme nach der binären Logik der IT umgebaut, verlieren sie alles Soziale. Daher ist die vordringliche Aufgabe der Pädagogik, die derzeit dominierenden Denkstrukturen von BWL und IT, Empirie, Kennzahlenfixierung und behavioristischen Lerntheorien als dysfunktionalen und a-sozialen Irrweg zu kennzeichnen und stattdessen Schule und Unterricht wieder vom Menschen und seinen Lernprozessen her zu denken.
Ziel des LiBaLu-Teilprojekts Modellierung und Simulation war die Unterstützung der Elektroden- und Zellentwicklung mit Hilfe umfangreicher Computersimulationen im Sinne des computergestützten Engineering (CAE). Zwei verschiedene Schwerpunkte standen im Mittelpunkt der Untersuchungen. Zum einen wurde das mechanistische Verständnis der komplexen Elektrochemie in Lithium-Luftbatterien durch mikrokinetische Modelle aufgeklärt. Auf Basis von postulierten Mehrschrittmechanismen wurden makroskopische Eigenschaften (Entlade-/Ladekennlinien, Zyklovoltammogramme) vorhergesagt und mit experimentellen Daten der Projektpartner verglichen. Zum anderen wurde das Design der Prototypzelle mit Hilfe numerischer Simulationen untersucht und optimiert. So konnten z. B. optimale Schichtdicken oder die Rolle von Gastransportlimitierungen identifiziert werden.
Ziel des Projekts STABIL war die Vorhersage der Alterung und Verbesserung der Lebensdauer von mobilen und stationären Lithium-Ionen-Batterien. Batterien sind zentrale Komponenten der Elektromobilität und der stationären Speicherung von regenerativem Strom. Die im Stand der Technik unzureichende Lebensdauer der Batterie ist heute wesentlicher Kostentreiber. Im Projekt wurde daher in einem skalenübergreifenden und interdisziplinären Ansatz das Verhalten von einzelnen Batteriezellen und ganzen Batteriesystemen unter zwei unterschiedlichen systemischen Randbedingungen untersucht.
Im Zentrum des Gesamtprojektes stand die nutzerzentrierte Entwicklung einer praxisorientierten Lern- und Anleitungsumgebung, in der kontextbezogene Informationen direkt in den Arbeitsbereich projiziert werden – das Lernen also sowohl am Arbeitsplatz als auch situiert erfolgen kann. Durch die Projektion in Verbindung mit Interaktivität werden Lerninhalte im wahrsten Sinne des Wortes „begreifbar“. So wurde ein kontextbewusstes System geschaffen, das Lernende interaktiv wie ein Coach begleitet und motiviert.
Die Möglichkeit zur digitalen Verbindung geographischer Orte mit Aufgaben, Herausforderungen oder Lernmaterialien hat eine Vielzahl von Anwendungen auch außerhalb der Mathematikbildung inspiriert. Dieser Beitrag stellt eine exemplarische Auswahl solcher Applikationen vor und versucht, die technischen, organisatorischen und konzeptionellen Gestaltungselemente zu systematisieren. Die Ausführungen sollen als Anregung bei der Anlage von Mathematiktrails sowie bei der Weiterentwicklung technischer Lösungen für den Lehreinsatz dienen.
Die Kombination von Reibung und Kompressibilität wird bei der Rohrströmung, der Kugelumströmung und der laminaren und turbulenten Plattengrenzschicht untersucht. Das Auftreten von Verdichtungsstößen führt zur Stoß-Grenzschicht-Interferenz und auf den Tsien-Parameter. Die Mach-Reynoldszahl Ähnlichkeit in der Gasdynamik führt zur Abgrenzung der verschiedenen Strömungsbereiche. Resultate von Windkanaluntersuchungen sowie analytischen und numerischen Berechnungen werden für das Rhombusprofil und das NACA 0012 Profil analysiert.
Ausgehend von eindimensionalen reibungsfreien Strömungen wird die Bernoulli-Gleichung und die Energiebilanz hergeleitet. Mit der Eulerschen Betrachtungsweise wird der Unterschied zwischen stationären und zeitabhängigen Strömungen verdeutlicht und an zahlreichen Beispielen angewandt. Die zweidimensionalen reibungsfreien und inkompressiblen Strömungen werden mit der Potenzialtheorie behandelt. Die Lösungseigenschaften werden am Beispiel der Zylinderumströmung ohne und mit Zirkulation aufgezeigt.
Die Navier-Stokes Gleichungen bilden mit der Energiegleichung die Basis zur Beschreibung reibungsbehafteter Strömungen. Kennzahlen bilden die Grundlage der Ähnlichkeitsbetrachtungen und Modellgesetze. Lösungen werden für laminare und turbulente Strömungen ermittelt. Der Impulssatz dient zur Berechnung von Kraftwirkungen. Druckverluste bei Durchströmungen und Strömungswiderstände bei Umströmungen werden an Beispielen ermittelt. Die Grenzschichttheorie findet bei hohen Reynoldszahlen Anwendung.
Die Eigenschaften von Fluiden sind zur Beschreibung von Strömungsvorgängen mit den Erhaltungssätzen für Masse, Impuls und Energie notwendig. Für inkompressible Fluide wird die Grenze der Dichteänderung in Abhängigkeit der Machzahl angegeben. Die Rheologie behandelt die Fließeigenschaften der Fluide bei Deformationen in Strömungen. Die Viskosität tritt beim newtonschen Schubspannungsansatz auf. Das Verhalten von Druck und Dichte in der Hydro- und Aerostatik wird beschrieben.
The Future of FDI: Achieving the Sustainable Development Goals 2030 through Impact Investment
(2019)
Publicized as a global call for action in 2015, the United Nations General Assembly passed a resolution on the Sustainable Development Goals 2030 (SDGs). Before issuing the SDGs in 2015, the United Nations Conference on Trade and Development (UNCTAD) has already identified in 2014, as part of their World Investment Report, that especially developing countries are facing an estimated USD 2.5 trillion funding gap annually in the efforts to achieve the SDGs. Yet, the investment opportunities and challenges for investors, when contributing to the closure of this funding gap while benefiting from its economic potential have not been widely discussed. Despite that Foreign Direct Investments (FDI) are a key driver to sustainable economic growth and prosperity of a nation, policies and a holistic framework linking the 2030 Agenda to actionable investment opportunities for private investors are missing. Furthermore, a global platform capturing, channeling and promoting investment projects aiming to achieve the SDGs through impact investment has not been established. Utilizing global financial resources more effectively while developing new approaches and tools to promote impact investments, which demonstrate the benefits for investors to tap into the funding gap of the 2030 Agenda, will have the potential to significantly shape and influence the future of FDI.
Energietechnik
(2019)
Kurz und prägant werden die Energieumwandlungsprozesse dargestellt. Die Schwerpunkte reichen von der kompletten Beschreibung der nachhaltigen, erneuerbaren Energietechniken, über Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke sowie Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen bis hin zur Energieverteilung und zum Kyoto-Protokoll. Zu allen Kapiteln gibt es Aufgaben mit vollständigen Lösungen im Anhang. In der aktuellen Auflage sind die Grundlagen der Energiewandlung deutlich um verfügbare Energiequellen, Energieträger und den globalen Energiebedarf erweitert. Das Kapitel 19 wurde von seinem neuen Autor grundlegend neu gefasst und heißt nun „Marktliberalisierung und Energiewende“. Alle Kapitel wurden aktualisiert und die Inhalte didaktisch noch verständlicher dargestellt.
Das vorliegende Buch richtet sich vorwiegend an Webentwickler und Webinteressierte. Zunächst wird ein Überblick über Digital Storytelling, seine Geschichte und die verschiedenen heutigen Ausprägungen gegeben. Dabei liegt der Fokus auf Digital Storytelling im Web auf Basis von Animation.
Besonders die Idee der scroll-activated animation als zeitgemäßes Konzept für das Storytelling wird in diesem Buch in den Mittelpunkt gestellt.
Als technische Möglichkeiten zur Umsetzung von Webanimationen werden CSS3, SVG und HTML5-Canvas vorgestellt und diese in der Folge detailliert beschrieben.
Im Rahmen eines umfangreich dokumentierten Demoprojekts wird intensiv auf die Konzeption einer scroll-actived animation basierten Website und deren technische Umsetzung mittels HTML5, CSS3, JavaScript/jQuery und ScrollMagic sowie die damit verbundenen Herausforderungen eingegangen. Dies erlaubt dem Leser das detaillierte Nachvollziehen der Erstellung und die davon abgeleitete Entwicklung eigener Projekte.
Der Inhalt des Buches
- Definition, Entwicklung und psychologische Wirkungsweisen
- Medienformen
- Digital Storytelling
- Animationen im Web
- Technische Umsetzung
Die Zielgruppen des Buches
- Konzepter
- Webentwickler
- Mediengestalter
- Studenten, Azubis
- Webinteressierte
In the area of cloud computing, judging the fulfillment of service-level agreements on a technical level is gaining more and more importance. To support this we introduce privacy preserving set relations as inclusiveness and disjointness based ao Bloom filters. We propose to compose them in a slightly different way by applying a keyed hash function. Besides discussing the correctness of set relations, we analyze how this impacts the privacy of the sets content as well as providing privacy on the sets cardinality. Indeed, our solution proposes to bring another layer of privacy on the sizes. We are in particular interested how the overlapping bits of a Bloom filter impact the privacy level of our approach. We concretely apply our solution to a use case of cloud security audit on access control and present our results with real-world parameters.
This work discusses several use cases of post-mortem mobile device tracking in which privacy is required e.g. due to client-confidentiality agreements and sensibility of data from government agencies as well as mobile telecommunication providers. We argue that our proposed Bloomfilter based privacy approach is a valuable technical building block for the arising General Data Protection Regulation (GDPR) requirements in this area. In short, we apply a solution based on the Bloom filters data structure that allows a 3rd party to performsome privacy saving setrelations on a mobiletelco’s access logfile or other mobile access logfile from harvesting parties without revealing any other mobile users in the proximity of a mobile base station but still allowing to track perpetrators.
Finding clusters in high dimensional data is a challenging research problem. Subspace clustering algorithms aim to find clusters in all possible subspaces of the dataset, where a subspace is a subset of dimensions of the data. But the exponential increase in the number of subspaces with the dimensionality of data renders most of the algorithms inefficient as well as ineffective. Moreover, these algorithms have ingrained data dependency in the clustering process, which means that parallelization becomes difficult and inefficient. SUBSCALE is a recent subspace clustering algorithm which is scalable with the dimensions and contains independent processing steps which can be exploited through parallelism. In this paper, we aim to leverage the computational power of widely available multi-core processors to improve the runtime performance of the SUBSCALE algorithm. The experimental evaluation shows linear speedup. Moreover, we develop an approach using graphics processing units (GPUs) for fine-grained data parallelism to accelerate the computation further. First tests of the GPU implementation show very promising results.
In many application domains, in particular automotives, guaranteeing a very low failure rate is crucial to meet functional and safety standards. Especially, reliable operation of memory components such as SRAM cells is of essential importance. Due to aggressive technology downscaling, process and runtime variations significantly impact manufacturing yield as well as functionality. For this reason, a thorough memory failure rate assessment is imperative for correct circuit operation and yield improvement. In this regard, Monte Carlo simulations have been used as the conventional method to estimate the variability induced failure rate of memory components. However, Monte Carlo methods become infeasible when estimating rare events such as high-sigma failure rates. To this end, Importance Sampling methods have been proposed which reduce the number of required simulations substantially. However, existing methods still suffer from inaccuracies and high computational efforts, in particular for high-sigma problems. In this paper, we fill this gap by presenting an efficient mixture Importance Sampling approach based on Bayesian optimization, which deploys a surface model of the objective function to find the most probable failure points. Its advantages include constant complexity independent of the dimensions of design space, the potential to find the global extrema, and higher trustworthiness of the estimated failure rate by accurately exploring the design space. The approach is evaluated on a 6T-SRAM cell as well as a master-slave latch based on a 28nm FDSOI process. The results show an improvement in accuracy, resulting in up to 63× better accuracy in estimating failure rates compared to the best state-of-the-art solutions on a 28nm technology node.
Printed systems spark immense interest in industry, and for several parts such as solar cells or radio frequency identification antennas, printed products are already available on the market. This has led to intense research; however, printed field-effect transistors (FETs) and logics derived thereof still have not been sufficiently developed to be adapted by industry. Among others, one of the reasons for this is the lack of control of the threshold voltage during production. In this work, we show an approach to adjust the threshold voltage (Vth) in printed electrolyte-gated FETs (EGFETs) with high accuracy by doping indium-oxide semiconducting channels with chromium. Despite high doping concentrations achieved by a wet chemical process during precursor ink preparation, good on/off-ratios of more than five orders of magnitude could be demonstrated. The synthesis process is simple, inexpensive, and easily scalable and leads to depletion-mode EGFETs, which are fully functional at operation potentials below 2 V and allows us to increase Vth by approximately 0.5 V.
Development of Fully Printed Oxide Field-Effect Transistors using Graphene Passive Structures
(2019)
During the past decade to the present time, the topic of printed electronics has gained a lot of attention for their potential use in a number of practical applications, including biosensors, photovoltaic devices, RFIDs, flexible displays, large-area circuits, and so on. To fully realize printed electronic components and devices, effective techniques for the printing of passive structures and electrically and chemically compatible materials in the printed devices need to be developed first. The opportunity of using electrically conducting graphene inks will enable the integration of passive structures into active devices, as for example, printed electrolyte-gated transistors (EGTs). Accordingly, in this study, we present the parametric results obtained on fully printed electrolyte-gated transistors having graphene as the passive electrodes, an inorganic oxide semiconductor as the active channel, and a composite solid polymer electrolyte (CSPE) as the gate insulating material. This configuration offers high chemical and electrical stability while at the same time allowing EGT operation at low potentials, implying the distinct advantage of operation at low input voltages. The printed in-plane EGTs we developed exhibit excellent performance with device mobility up to 16 cm2 V–1 s–1, an ION/IOFF ratio of 105, and a subthreshold slope of 120 mV dec–1.
Printed electronics (PE) circuits have several advantages over silicon counterparts for the applications where mechanical flexibility, extremely low-cost, large area, and custom fabrication are required. The custom (personalized) fabrication is a key feature of this technology, enabling customization per application, even in small quantities due to low-cost printing compared with lithography. However, the personalized and on-demand fabrication, the non-standard circuit design, and the limited number of printing layers with larger geometries compared with traditional silicon chip manufacturing open doors for new and unique reverse engineering (RE) schemes for this technology. In this paper, we present a robust RE methodology based on supervised machine learning, starting from image acquisition all the way to netlist extraction. The results show that the proposed RE methodology can reverse engineer the PE circuits with very limited manual effort and is robust against non-standard circuit design, customized layouts, and high variations resulting from the inherent properties of PE manufacturing processes.
Printed electronics (PE) is a fast growing technology with promising applications in wearables, smart sensors and smart cards since it provides mechanical flexibility, low-cost, on-demand and customizable fabrication. To secure the operation of these applications, True Random Number Generators (TRNGs) are required to generate unpredictable bits for cryptographic functions and padding. However, since the additive fabrication process of PE circuits results in high intrinsic variation due to the random dispersion of the printed inks on the substrate, constructing a printed TRNG is challenging. In this paper, we exploit the additive customizable fabrication feature of inkjet printing to design a TRNG based on electrolyte-gated field effect transistors (EGFETs). The proposed memory-based TRNG circuit can operate at low voltages (≤ 1 V ), it is hence suitable for low-power applications. We also propose a flow which tunes the printed resistors of the TRNG circuit to mitigate the overall process variation of the TRNG so that the generated bits are mostly based on the random noise in the circuit, providing a true random behaviour. The results show that the overall process variation of the TRNGs is mitigated by 110 times, and the simulated TRNGs pass the National Institute of Standards and Technology Statistical Test Suite.
Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung, insbesondere vom öffentlichen Stromnetz unabhängige Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung, mit einem positiven (204) und einem negativen (206) Lastanschluss für den Anschluss einer elektrischen Last, mit einer Mehrzahl von photovoltaischen Zellen (104) und einer wiederaufladbaren Batterie (5), welche wenigstens zwei in Serie geschaltete Batteriezellen (112) umfasst. Nach der Erfindung sind die photovoltaischen Zellen (104) zu einer der Anzahl der Batteriezellen (112) entsprechenden Anzahl von seriell verbundenen Teilstrings (108) verschaltet und jeder Teilstring (108) ist mit einem positiven Teilstringanschluss mit einem Pluspol und mit einem negativen Teilstringanschluss mit einem Minuspol einer zugeordneten Batteriezelle (112) oder mehreren zugeordneten parallel geschalteten Batteriezellen (112) verbunden. Dabei kann jeder Teilstring (108) zwischen dem positiven und negativen Teilstringanschluss eine maximale Leerlaufspannung erzeugen, die kleiner oder gleich einer vorgegebenen Ladeschlussspannung der zugeordneten Batteriezelle (112) oder der zugeordneten parallel geschalteten Batteriezellen (112) ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie, die zur Realisierung einer derartigen Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung geeignet ist.
Printed Electronics is perceived to have a major impact in the fields of smart sensors, Internet of Things and wearables. Especially low power printed technologies such as electrolyte gated field effect transistors (EGFETs) using solution-processed inorganic materials and inkjet printing are very promising in such application domains. In this paper, we discuss a modeling approach to describe the variations of printed devices. Incorporating these models and design flows into our previously developed printed design system allows for robust circuit design. Additionally, we propose a reliability-aware routing solution for printed electronics technology based on the technology constraints in printing crossovers. The proposed methodology was validated on multiple benchmark circuits and can be easily integrated with the design automation tools-set.
Printed electrolyte-gated oxide electronics is an emerging electronic technology in the low voltage regime (≤1 V). Whereas in the past mainly dielectrics have been used for gating the transistors, many recent approaches employ the advantages of solution processable, solid polymer electrolytes, or ion gels that provide high gate capacitances produced by a Helmholtz double layer, allowing for low-voltage operation. Herein, with special focus on work performed at KIT recent advances in building electronic circuits based on indium oxide, n-type electrolyte-gated field-effect transistors (EGFETs) are reviewed. When integrated into ring oscillator circuits a digital performance ranging from 250 Hz at 1 V up to 1 kHz is achieved. Sequential circuits such as memory cells are also demonstrated. More complex circuits are feasible but remain challenging also because of the high variability of the printed devices. However, the device inherent variability can be even exploited in security circuits such as physically unclonable functions (PUFs), which output a reliable and unique, device specific, digital response signal. As an overall advantage of the technology all the presented circuits can operate at very low supply voltages (0.6 V), which is crucial for low-power printed electronics applications.
Electrolyte-gated, printed field-effect transistors exhibit high charge carrier densities in the channel and thus high on-currents at low operating voltages, allowing for the low-power operation of such devices. This behavior is due to the high area-specific capacitance of the device, in which the electrolyte takes the role of the dielectric layer of classical architectures. In this paper, we investigate intrinsic double-layer capacitances of ink-jet printed electrolyte-gated inorganic field-effect transistors in both in-plane and top-gate architectures by means of voltage-dependent impedance spectroscopy. By comparison with deembedding structures, we separate the intrinsic properties of the double-layer capacitance at the transistor channel from parasitic effects and deduce accurate estimates for the double-layer capacitance based on an equivalent circuit fitting. Based on these results, we have performed simulations of the electrolyte cutoff frequency as a function of electrolyte and gate resistances, showing that the top-gate architecture has the potential to reach the kilohertz regime with proper optimization of materials and printing process. Our findings additionally enable accurate modeling of the frequency-dependent capacitance of electrolyte/ion gel-gated devices as required in the small-signal analysis in the circuit simulation.
In the domain of printed electronics (PE), field-effect transistors (FETs) with an oxide semiconductor channel are very promising. In particular, the use of high gate-capacitance of the composite solid polymer electrolytes (CSPEs) as a gate-insulator ensures extremely low voltage requirements. Besides high gate capacitance, such CSPEs are proven to be easily printable, stable in air over wide temperature ranges, and possess high ion conductivity. These CSPEs can be sensitive to moisture, especially for high surface-to-volume ratio printed thin films. In this paper, we provide a comprehensive experimental study on the effect of humidity on CSPE-gated single transistors. At the circuit level, the performance of ring oscillators (ROs) has been compared for various humidity conditions. The experimental results of the electrolyte-gated FETs (EGFETs) demonstrate rather comparable currents between 30%-90% humidity levels. However, the shifted transistor parameters lead to a significant performance change of the RO frequency behavior. The study in this paper shows the need of an impermeable encapsulation for the CSPE-gated FETs to ensure identical performance at all humidity conditions.
Die Wörz´sche Heuristik
(2019)
Radio frequency identification (RFID) antennas are popular for high frequency (HF) RFID, energy transfer and near field communication (NFC) applications. Particularly for wireless measurement systems the RFID/NFC technology is a good option to implement a wireless communication interface. In this context, the design of corresponding reader and transmitter antennas plays a major role for achieving suitable transmission quality. This work proves the feasibility of the rapid prototyping of a RFID/NFC antenna, which is used for the wireless communication and energy harvesting at the required frequency of 13.56 MHz. A novel and low-cost direct ink writing (DIW) technology utilizing highly viscous silver nanoparticle ink is used for this process. This paper describes the development and analysis of low-cost printed flexible RFID/NFC antennas on cost-effective substrates for a microelectronic vital parameter measurement system. Furthermore, we compare the measured technical parameters with existing copper-based counterparts on a FR4 substrate.
Smart Home or Smart Building applications are a growing market. An increasing challenge is to design energy efficient Smart Home applications to achieve sustainable and green homes. Using the example of the development of an Indoor Smart Gardening system with wireless monitoring and automated watering this paper is discussing in particular the design issue of energy autonomous working sensors and actuators for home automation. Most important part of the presented Smart Gardening system is a 3D printed smart flower pot for single plants. The smart flower pot has integrated a water reservoir for automated plant irrigation and an electronic for monitoring important plant parameters and the water level of the water reservoir. Energy harvesting with solar cells enables energy autonomous working of the flower pot. A low-power wireless interface also integrated in the flowerpot and an external gateway based on a Raspberry Pi 3 enables wireless networking of multiple of those flower pots. The gateway is used for evaluating the plant parameters and as a user interface. Particularly the architecture of the energy autonomous wireless flower pot will be considered, because fully energy autonomous sensors and actuators for home automation could not be implemented without special concepts for the energy supply and the overall electronic.
Printed electronics can benefit from the deployment of electrolytesas gate insulators,which enables a high gate capacitance per unit area (1–10 μFcm−2) due to the formation of electrical double layers (EDLs). Consequently, electrolyte-gated field-effect transistors (EGFETs) attain high-charge carrier densities already in the subvoltage regime, allowing for low-voltage operation of circuits and systems. This article presents a systematic study of lumped terminal capacitances of printed electrolyte-gated transistors under various dc bias conditions. We perform voltage-dependent impedancemeasurements and separate extrinsic components from the lumped terminal capacitance.
The proposed Meyer-like capacitance model, which also accounts for the nonquasi-static (NQS) effect, agrees well with experimental data. Finally, to verify the model, we implement it in Verilog-A and simulate the transient response of an inverter and a ring oscillator circuit. Simulation results are in good agreement with the measurement data of fabricated devices.
With this generation of devices, Virtual Reality (VR) has actually made it into the living rooms of end-users. These devices feature 6-DOF tracking, allowing them to move naturally in virtual worlds and experience them even more immersively. However, for a natural locomotion in the virtual, one needs a corresponding free space in the real environment. The available space is often limited, especially in everyday environments and under normal spatial conditions. Furnishings and objects of daily life can quickly become obstacles for VR users if they are not cleared away. Since the idea behind VR is to place users into a virtual world and to hide the real world as much as possible, invisible objects represent potential obstacles. The currently available systems offer only rudimentary assistance for this problem. If a user threatens to leave the space previously defined for use, a visual boundary is displayed to allow orientation within the space. These visual metaphors are intended to prevent users from leaving the safe area. However, there is no detection of potentially dangerous objects within this part of space. Objects that have not been cleared away or that have been added in the meantime may still become obstacles. This thesis shows how possible obstacles in the environment can be detected automatically with range imaging cameras and how users can be effectively warned about them in the virtual environment without significantly disturbing their sense of presence. Four different interactive visual metaphors are used to signalize the obstacles within the VE. With the help of a user study, the four signaling variants and the obstacle detection were evaluated and tested.
Dissertation D. Dongol
Process engineering industries are now facing growing economic pressure and societies' demands to improve their production technologies and equipment, making them more efficient and environmentally friendly. However unexpected additional technical and ecological drawbacks may appear as negative side effects of the new environmentally-friendly technologies. Thus, in their efforts to intensify upstream and downstream processes, industrial companies require a systematic aid to avoid compromising of ecological impact. The paper conceptualises a comprehensive approach for eco-innovation and eco- design in process engineering. The approach combines the advantages of Process Intensification as Knowledge-Based Engineering (KBE), inventive tools of Knowledge-Based Innovation (KBI), and main principles and best-practices of Eco-Design and Sustainable Manufacturing. It includes a correlation matrix for identification of eco-engineering contradictions and a process mapping technique for problem definition, database of Process Intensification methods and equipment, as well as a set of strongest inventive operators for eco-ideation.
As engineering graduates and specialists frequently lack the advanced skills and knowledge required to run eco-innovation systematically, the paper proposes a new teaching method and appropriate learning materials in the field of eco-innovation and evaluates the learning experience and outcomes. This programme is aimed at strengthening student’s skills and motivation to identify and creatively overcome secondary eco-contradictions in case if additional environmental problems appears as negative side effects of eco-friendly solutions.
Based on a literature analysis and own investigations, authors propose to introduce a manageable number of eco-innovation tools into a standard one-semester design course in process engineering with particular focus on the identification of eco-problems in existing technologies, selection of the appropriate new process intensification technologies (knowledge-based engineering), and systematic ideation and problem solving (knowledge-based innovation and invention).
The proposed educational approach equips students with the advanced knowledge, skills and competences in the field of eco-innovation. Analysis of the student’s work allows one to recommend simple-to-use tools for a fast application in process engineering, such as process mapping, database of eco-friendly process intensification technologies, and up to 20 strongest inventive operators for solving of environmental problems. For the majority of students in the survey, even the small workload has strengthened their self-confidence and skills in eco-innovation
Growing demands for cleaner production and higher eco-efficiency in process engineering require a comprehensive analysis of technical and environmental outcomes of customers and society. Moreover, unexpected additional technical or ecological drawbacks may appear as negative side effects of new environ-mentally friendly technologies. The paper conceptualizes a comprehensive ap-proach for analysis and ranking of engineering and ecological requirements in process engineering in order to anticipate secondary problems in eco-design and to avoid compromising the environmental or technological goals. For this purpose, the paper presents a method based on integration of the Quality Func-tion Deployment approach with the Importance-Satisfaction Analysis for the requirements ranking. The proposed method identifies and classifies compre-hensively the potential engineering and eco-engineering contradictions through analysis of correlations within requirements groups such as stakehold-er requirements (SRs) and technical requirements (TRs), and additionally through cross-relationship between SRs and TRs.
The 40 Altshuller Inventive Principles with numerous sub-principles remain over decades the most frequently applied tool of the Theory of Inventive Problem Solving TRIZ for systematic idea generation. However, their application often requires a concentrated, creative and abstract way of thinking that can be fairly challenging for the newcomers to TRIZ. This paper describes an approach to reduce the abstraction level of inventive sub-principles and presents the results of the idea generation experiment conducted with three groups of undergraduate and graduate students from different years of study in mechanical and process engineering. The students were asked to generate and to record their individual ideas for three design problems using a pre-defined set of classical and modified sub-principles within 10 minutes. The overall outcomes of the experiment support the assumption that the less abstract wording of the modified sub-principles leads to higher number of ideas. The distribution of ideas between the fields of MATCHEM-IBD (Mechanical, Acoustic, Thermal, Chemical, Electrical, Magnetic, Intermolecular, Biological and Data processing) differs significantly between groups using modified and abstract sub-principles.