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While reading this sentence, you probably gave (more or less deliberately) instructions to approximately 100 to 200 muscles of your body. A sceptical face or a smile, your fingers scrolling through the text or holding a printed version of this work, holding your head, sitting, and much more.
All these processes take place almost automatically, so they seem to be no real achievement. In the age of digitalization it is a defined goal to transfer human (psychological and physiological) behavior to machines (robots). However, it turns out that it is indeed laborious to obtain human facial expression or walking from robots. To optimize this transfer, a deeper understanding of a muscle's operating principle is needed (and of course an understanding of the human brain, which will, however, not be part of this thesis).
A human skeletal muscle can be shortened willingly, but not lengthened, thereto it takes an antagonist. The muscle's change in length is dependent on the incoming stimulus from the central nervous system, the current length of the muscle itself, and certain muscle--specific quantities (parameters) such as the maximum force. Hence, a muscle can be mathematically described by a differential equation (or more exactly a coupled differential--algebraic system, DAE), whose structure will be revealed in the following chapters. The theory of differential equations is well-elaborated. A multitude of applicable methods exist that may not be known by muscle modelers. The purpose of this work is to link the methods from applied mathematics to the actual application in biomechanics.
The first part of this thesis addresses stability theory. Let us remember the prominent example from middle school physics, in which the resting position of a ball was obviously less susceptible towards shoves when lying in a bowl rather than balancing at the tip of a hill. Similarly, a dynamical (musculo-skeletal) system can attain equilibrium states that react differently towards perturbations.
We are going to compute and classify these equilibria.
In the second part, we investigate the influence of individual parameters on model equations or more exactly their solutions. This method is known as sensitivity analysis.
Take for example the system "car" containing a value for the quantity "pressure on the break pedal while approaching a traffic light". A minor deviation of this quantity upward or downward may lead to an uncomfortable, abrupt stop or even to a collision, instead of a smooth stop with a sufficient gap.
The considered muscle model contains over 20 parameters that, if changed slightly, have varying effects on the model equation solutions at different instants of time. We will investigate the sensitivity of those parameters regarding different sub--models, as well as the whole model among different dynamical boundary conditions.
The third and final part addresses the \textit{optimal control} problem (OCP).
The muscle turns a nerve impulse (input or control) into a length change and therefore a force response (output). This forward process is computable by solving the respective DAE. The reverse direction is more difficult to manage. As an everyday example, the OCP is present regarding self-parking cars, where a given path is targeted and the controls are the position of the
steering wheel as well as the gas pedal.
We present two methods of solving OCPs in muscle modeling: the first is a conjunction of variational calculus and optimization in function spaces, the second is a surrogate-based optimization.
While Virtual Reality has been around for decades it gained new life in recent years. The release of the first consumer hardware devices allows fully immersive and affordable VR for the user at home. This availability lead to a new focus of research on technical problems as well as psychological effects. The concepts of presence, describing the feeling of being in the virtual place, body ownership and their impact are central topics in research for a long time and still not fully understood.
To enable further research in the area of Mixed Reality, we want to introduce a framework that integrates the users body and surroundings inside a visual coherent virtual environment. As one of two main aspects we want to merge real and virtual objects to a shared environment in a way such that they are no longer visually distinguishable. To achieve this the main focus is not supposed to be on a high graphical fidelity but on a simplified representation of reality. The essential question is, what level of visual realism is necessary to create a believable mixed reality environment that induces a sense of presence in the user? The second aspect considers the integration of virtual persons. Can characters be recorded and replayed in a way such that they are perceived as believable entities of the world and therefore act as a part of the users environment?
The purpose of this thesis was the development of a framework called Mixed Reality Embodiment Platform. This inital system implements fundamental functionalities to be used as a basis for future extensions to the framework. We also provide a first application that enables user studies to evaluate the framework and contribute to aforementioned research questions.
Science education has been facing important challenges in the recent years: the decline in student’s interest in scientific topics, and moreover, the decrease of students pursuing science beyond their compulsory studies (Bennett, Hogarth, Lubben, 2003). As a result, research has focus on examining different approaches that could attempt to improve the situation. One of these approaches has been the use of context-based problem-solving tasks (Kölbach & Sumfleth, 2011; Bennett, Hogarth, Lubben, 2003). While research into context-based problem-solving tasks suggest that they are very motivating for students, it is still unclear how they influence motivation. Following an experimental pretest-postest design, two studies examined the effects of context-based task characteristics of contextualization, complexity, and transparency, on students’ motivational variables, performance, and metacognitive experiences.
Results from both studies suggest that the task characteristic of contextualization directly influences how students’ interest is triggered and maintained throughout the task. On the other hand, the task characteristics of complexity and transparency had different effects for the other dependent variables of effort, difficulty, and solution correctness.
Moreover, data shows that other motivational variables such as anxiety and success expectancies are strongly influenced by the interaction of the parameters under study. The dissertation concludes that appropriate design and use of context-based task characteristics can benefit students’ learning processes and outcomes.
In Part I: "The flow-decomposition problem", we introduce and discuss the flow-decomposition problem. Given a flow F, this problem consists of decomposing the flow into a set of paths optimizing specific properties of those paths. We introduce different types of decompositions, such as integer decompositions and alpha-decompositions, and provide two formulations of the set of feasible decompositions.
We show that the problem of minimizing the longest path in a decomposition is NP-hard, even for fractional solutions. Then we develop an algorithm based on column generation which is able to solve the problem.
Tight upper bounds on the optimal objective value help to improve the performance.
To find upper bounds on the optimal solution for the shortest longest path problem, we develop several heuristics and analyze their quality. On pearl graphs we prove a constant approximation ratio of 2 and 3 respectively for all heuristics. A numerical study on random pearl graphs shows that the solutions generated by the heuristics are usually much better than this worst-case bound.
In Part II: "Construction and analysis of evacuation models using flows over time", we consider two optimization models in the context of evacuation planning. The first model is a parameter-based quickest flow model with time-dependent supply values. We give a detailed description of the network construction and of how different scenarios are modeled by scenario parameters. In a second step we analyze the effect of the scenario parameters on the evacuation time. Understanding how the different parameters influence the evacuation time allows us to provide better advice for evacuation planning and allows us to predict evacuation times without solving additional optimization problems. To understand the effect of the time-dependent supply values, we consider the quickest path problem with time-dependent supply values and provide a solution algorithm. The results from this consideration are generalized to approximate the behavior of the evacuation times in the context of quickest flow problems.
The second model we consider is a path-based model for evacuation in the presence of a dynamic cost function. We discuss the challenges of this model and provide ideas for how to approach the problem from different angles. We relate the problem to the flow-decomposition problem and consider the computation of evacuation paths with dynamic costs for large capacities. For the latter method we provide heuristics to find paths and compare them to the optimal solutions by applying the methods to two evacuation scenarios. An analysis shows that the paths generated by the heuristic yield close to optimal solutions and in addition have several desirable properties for evacuation paths which are not given for the optimal solution.
This thesis is providing an overview over the current topics and influences of mobile components on Enterprise Content Management (ECM). With a literature review the core topics of enterprise mobility and ECM have been identified and projected on the context of using mobile Apps within the environment of ECM. An analysis of three ECM systems and their mobile software lead to an understanding of the functionalities and capabilities mobile systems are providing in the ECM environment. These findings lead to a better un- derstanding for the usage of mobile Enterprise Content Management and is preparation. The thesis focuses the most important topics, which need to be considered for the usage and adoption of mobile Apps in ECM.
Reaktiv lokale Algorithmen sind verteilte Algorithmen, die den Anforderungen großer, batteriebetriebener, Drahtloser Ad Hoc und Sensornetzwerke im besonderen Maße gerecht werden. Durch Vermeidung überflüssiger Nachrichtenübertragungen sowie Verzicht auf proaktive Ermittlung von Nachbarschaftstabellen (d.h. beaconing) minimieren solche Algorithmen den Kommunikationsaufwand und skalieren gut bei wachsender Netzgröße. Auf diese Weise werden Ressourcen wie Bandbreite und Energie geschont, es kommt seltener zu Nachrichtenkollisionen und dadurch zu einer Erhöhung der Paketempfangsrate, sowie einer Reduktion der Latenzen.
Derzeit wird diese Algorithmenklasse hauptsächlich für Geografisches Routing, sowie zur Topologiekontrolle, insbesondere zur Ermittlung der Adjazenzliste eines Knotens in zusammenhängenden, kantenschnittfreien (planaren) Repräsentationen des Netzgraphen, eingesetzt. Ersteres ermöglicht drahtlose multi-hop Kommunikation auf Grundlage von geografischen Knotenpositionen ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Netzwerkinfrastruktur, wohingegen Letzteres eine hinreichende Grundlage für effiziente, lokale Lösungen einer Reihe algorithmischer Problemstellungen ist.
Die vorliegende Dissertation liefert neue Erkenntnisse zum Forschungsgebiet der reaktiven Algorithmen, zum Einen auf einer abstrakten Ebene und zum Anderen durch die Einführung neuer Algorithmen.
Erstens betrachtet diese Arbeit reaktive Algorithmen erstmalig im Ganzen und als eigenständiges Forschungsfeld. Es wird eine umfangreiche Literaturstudie zu dieser Thematik präsentiert, welche die aus der Literatur bekannten Algorithmen, Techniken und Anwendungsfelder systematisch auflistet, klassifiziert und einordnet. Weiterhin wird das mathematische Konzept der O- und Omega-reaktiv lokalen Topologiekontrolle eingeführt. Dieses Konzept ermöglicht erstmals die eindeutige Unterscheidung reaktiver von konventionellen, beacon-basierten, verteilten Topologiekontrollalgorithmen. Darüber hinaus dient es als Klassifikationsschema für existierende, sowie zukünftige Algorithmen dieser Art. Zu guter Letzt ermöglicht dieses Konzept grundlegende Aussagen über die Mächtigkeit des reaktiven Prinzips, welche über Entwurf und Analyse von Algorithmen hinaus reichen.
Zweitens werden in dieser Arbeit neue reaktiv lokale Algorithmen zur Topologiekontrolle und Geografischem Routing eingeführt, wobei drahtlose Netze durch Unit Disk bzw. Quasi Unit Disk Graphen modelliert werden. Diese Algorithmen berechnen für einen gegebenen Knoten die lokale Sicht auf zusammenhängende, planare, Euklidische bzw. Topologische Spanner mit konstanter Spannrate bzgl. des Netzgraphen und routen Nachrichten reaktiv entlang der Kanten dieser Spanner, wobei die Nachrichtenauslieferung garantiert wird. Alle bisher bekannten Verfahren sind entweder nicht reaktiv oder gewährleisten keine konstanten Euklidischen oder Topologischen Spannraten. Ein wesentliches Teilergebnis dieser Arbeit ist der Nachweis, dass die partielle Delaunay Triangulierung (PDT) ein Euklidischer Spanner mit konstanter Spannrate für Unit Disk Graphen ist.
Die in dieser Dissertation gewonnenen Erkenntnisse bilden die Basis für grundlegende und strukturierte Forschung auf diesem Gebiet und zeigen, dass das reaktive Prinzip ein wichtiges Werkzeug des Algorithmenentwurfs für Drahtlose Ad Hoc und Sensornetzwerke ist.
In recent years head mounted displays (HMD) and their abilities to create virtual realities comparable with the real world moved more into the focus of press coverage and consumers. The reason for this lies in constant improvements in available computing power, miniaturisation of components as well as the constantly shrinking power consumption. These trends originate in the general technical progress driven by advancements made in smartphone sector. This gives more people than ever access to the required components to create these virtual realities. However at the same time there is only limited research which uses the current generation of HMDs especially when comparing the virtual and real world against each other. The approach of this thesis is to look into the process of navigating both real and virtual spaces while using modern hardware and software. One of the key areas are the spatial and peripheral perception without which it would be difficult to navigate a given space. The influence of prior real and virtual experiences on these will be another key aspect. The final area of focus is the influence on the emotional state and how it compares to the real world. To research these influences a experiment using the Oculus Rift DK2 HMD will be held in which subjects will be guided through a real space as well as a virtual model of it. Data will be gather in a quantitative manner by using surveys. Finally, the findings will be discussed based on a statistical evaluation. During these tests the different perception of distances and room size will the compared and how they change based on the current reality. Furthermore, the influence of prior spatial activities both in the real and the virtual world will looked into. Lastly, it will be checked how real these virtual worlds are and if they are sufficiently sophisticated to trigger the same emotional responses as the real world.
Conversion of natural vegetation into cattle pastures and croplands results in altered emissions of greenhouse gases (GHG), such as carbon dioxide (CO2), methane (CH4), and nitrous oxide (N2O). Their atmospheric concentration increase is attributed the main driver of climate change. Despite of successful private initiatives, e.g. the Soy Moratorium and the Cattle Agreement, Brazil was ranked the worldwide second largest emitter of GHG from land use change and forestry, and the third largest emitter from agriculture in 2012. N2O is the major GHG, in particular for the agricultural sector, as its natural emissions are strongly enhanced by human activities (e.g. fertilization and land use changes). Given denitrification the main process for N2O production and its sensitivity to external changes (e.g. precipitation events) makes Brazil particularly predestined for high soil-derived N2O fluxes.
In this study, we followed a bottom-up approach based on a country-wide literature research, own measurement campaigns, and modeling on the plot and regional scale, in order to quantify the scenario-specific development of GHG emissions from soils in the two Federal States Mato Grosso and Pará. In general, N2O fluxes from Brazilian soils were found to be low and not particularly dynamic. In addition to that, expected reactions to precipitation events stayed away. These findings emphasized elaborate model simulations in daily time steps too sophisticated for regional applications. Hence, an extrapolation approach was used to first estimate the influence of four different land use scenarios (alternative futures) on GHG emissions and then set up mitigation strategies for Southern Amazonia. The results suggested intensification of agricultural areas (mainly cattle pastures) and, consequently, avoided deforestation essential for GHG mitigation.
The outcomes of this study provide a very good basis for (a) further research on the understanding of underlying processes causing low N2O fluxes from Brazilian soils and (b) political attempts to avoid new deforestation and keep GHG emissions low.
Das Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit ist es, verschiedene vorhandene cloud-basierte Internet of Things (IoT) Entwicklungsplattformen zu untersuchen und hier im Speziellen eine Plattform (IBM Watson IoT) anhand eines Anwendungsfallszenarios detailliert zu untersuchen. Bei IoT handelt es sich um eine aufkommende Technologie mit der Vision, die virtuelle Welt (z.B. Clouds, soziale Netzwerke) und die physikalische Welt (z.B. Geräte, Autos, Kühlschrank, Menschen, Tiere) durch die Internettechnologie miteinander zu verknüpfen. Beispielsweise kann das IoT-Konzept von “smart cities”, welche das Ziel verfolgen, die Produktivität und die Geschäftsentwicklung sowie die sozialen und kulturellen Angebote in der Stadt zu verbessern, durch die Nutzung von Sensoren, Aktuatoren, Clouds und mobilen Geräten erreicht werden (IEEE, 2015). Ein Sensor (z.B. ein Temperatursensor) in einem Gebäude (globale Welt) kann Echtzeitdaten an die IoT Cloud-Plattform (virtuelle Welt) senden, wo sie überwacht, gespeichert und analysiert werden oder eine Aktion auslösen können (z.B. das Kühlsystem in einem Gebäude anschalten, wenn die Temperatur eine bestimmte Grenze überschreitet). Obwohl IoT viele Möglichkeiten in verschiedenen Bereichen schafft (z.B. Transportwesen, Gesundheitsversorgung, verarbeitende Industrie), bringt es auch Herausforderungen mit sich, wie z.B. die Standardisierung, Interoperabilität, Skalierbarkeit, Sicherheit und Privatsphäre. In diesem Bericht werden IoT Konzepte und verwandte Schlüsselprobleme behandelt.
Der Fokus dieser wissenschaftlichen Untersuchung liegt in dem Vergleich verschiedener cloud-basierter IoT Plattformen, um die geschäftlichen Aspekte und die technischen Funktionen zu verstehen, die diese bieten. Die cloud-basierten IoT Plattformen von IBM, Google, Microsoft, PTC und Amazon wurden dabei untersucht.
Für die Ausgestaltung dieser Arbeit wurde die Design Science Research (DSR) Methode verwendet; für die Nachbildung des Echtzeit-IoT Systems wurde die IOT-A modellig Methode verwendet.
Der Vergleich verschiedener cloud-basierter IoT Entwicklungsplattformen zeigt, dass alle untersuchten Plattformen einfache IoT Funktionen bereitstellen, wie z.B. die Verbindung von IoT Geräten und der cloud-basierten IoT Plattform, das Sammeln von Daten von IoT Geräten, die Datenspeicherung und die Datenanalyse. Jedoch ist die IBM IoT Plattform den anderen Plattformen gegenüber aufgrund des integrierten Laufzeitsystems im Vorteil; dies macht sie zudem entwicklerfreundlich. Aus diesem Grund wurde die IBM Watson IoT für Bluemix für die weitere Untersuchung ihrer Einsatzmöglichkeiten ausgewählt. Das Angebot von IBM Watson IoT für Bluemix beinhalten Analytik, Risikomanagement, Verbindungs- und Informationsmanagement. Es wurde ein Anwendungsfall implementiert, um die Einsatzmöglichkeiten der IBM Watson IoT Plattform einzuschätzen. Die digitalen Artefakte (d.h. Anwendungen) wurden entwickelt, um die IoT Lösung von IBM zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass IBM eine skalierbare und entwickler- und einsetzungsfreundliche IoT Plattform bietet. Die enthaltene kognitive, kontextuelle und vorhersehbare Analytik erlaubt eine vielversprechende Funktionsweise, die Einblicke auf Basis der IoT Daten gewährt, die durch Sensoren oder andere IoT Geräte übertragen werden.
Um die Attraktivität eines Unternehmens für Bewerber zu steigern und die Zufriedenheit der Angestellten zu verbessern ist es heutzutage unumgänglich, eine Vielzahl an Work-Life-Balance Maßnahmen anzubieten. Doch die zeitlichen und finanziellen Kosten, welche deren Einführung verursacht, fordern eine Priorisierung der Maßnahmen. Zur Entwicklung einer solchen Empfehlung für Unternehmen untersucht diese Studie ob es Work-Life-Balance Maßnahmen gibt, welche einen höheren Einfluss auf die Arbeitszufriedenheit ausüben als andere, wie groß der relative Effekt von den Maßnahmen im Vergleich zu anderen arbeitsbezogenen und privaten Variablen auf die Veränderung der Arbeitszufriedenheit ist, ob es einen Zusammenhang zwischen der Effektivität einer Maßnahme und deren Nutzung gibt und ob es Unterschiede zwischen den Erwartungen der Angestellten und den Angeboten der Unternehmen gibt.
Diese Fragen sind in acht Forschungshypothesen formuliert, welche in einem quantitativen Design mit Daten von 289 Angestellten von fünfzehn verschiedenen deutschen Unternehmen aus einem Online-Fragebogen überprüft werden. Für die Bildung einer Hierarchie von Maßnahmen nach ihrem Einfluss auf die Arbeitszufriedenheit und die Untersuchung des relativen Effektes im Vergleich zu anderen Variablen wird eine multiple Regressionsanalyse verwendet, während für die Ermittlung der Unterschiede zwischen den Erwartungen der Angestellten und der Verfügbarkeit der Angebote T-Tests durchgeführt werden.
Unterstützung bei der Kindesbetreuung, Unterstützung bei ehrenamtlichen Tätigkeiten und Teambuilding-Events haben einen signifikant höheren Einfluss auf die Arbeitszufriedenheit als andere Maßnahmen, und die hypothetische Nutzung ist höher
als die tatsächliche Nutzung, was auf ein hohes Potenzial dieser Maßnahmen bezüglich der Verbesserung der Arbeitszufriedenheit durch deren Einführung schließen lässt. Darüber hinaus sind aus Sicht der Angestellten flexible Arbeitszeiten und Arbeitsorte sowie Freizeit- und Überstundenkonten die wichtigsten Maßnahmen, welche auch bereits flächendeckend in den befragten Unternehmen angeboten werden. Allgemein sind die Nutzung der verfügbaren Maßnahmen und die Anzahl der angebotenen Maßnahmen wichtiger im Hinblick auf die Arbeitszufriedenheit als die Art der Maßnahmen. Außerdem nehmen Work-Life-Balance Maßnahmen bei jüngeren Menschen einen höheren Stellenwert in Bezug auf die Arbeitszufriedenheit ein als bei älteren Menschen.