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Mathematical Modeling of the Influence of Equilibrium Coefficient Variation on the Steady-State Transport of a Binary Electrolyte in the Cross-Section of a Desalination Channel
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Conveying Nonverbal Communication in Mixed Reality-based Telepresence Systems
No full textCommunication represents a fundamental aspect of human interaction, and advancements
in technology have enabled the transmission of increasingly complex information over
vast distances. Technological advancement has seen the evolution of communication from
the use of rudimentary signals, such as smoke signals and Morse code, to the advent of
sophisticated solutions, including video conferencing. Recently, Mixed Reality (MR) has
demonstrated considerable potential for the transmission of rich spatial data, particularly
with regard to nonverbal communication cues such as full-body gestures or authentic eye
contact. Despite the existence of early versions of immersive 3D telepresence applications,
their widespread adoption is hindered by limitations, notably the obstruction of facial
expressions by head-mounted displays (HMDs). The HMD obstructs the ability to discern
facial expressions. This dissertation addresses the key challenges of current immersive
telepresence systems by combining self-developed hardware prototypes and off-the-shelf
hardware with novel software solutions from the field of deep learning.
The core contributions of this work include novel approaches to face tracking under an
HMD, face rendering, and face animation. For decades, computer graphics researchers
have sought to render human faces in a manner that is as authentic as possible, often
requiring a significant amount of manual effort in 3D modeling. This dissertation is fo-
cused on the development of photorealistic facial rendering and animation techniques that
employ Generative Adversarial Networks (GANs) and Implicit Neural Representations
(INRs). These techniques yield superior visual quality with less computing power than
traditional methods, while also enabling the automatic creation of a face avatar in a
fraction of the time required for manual 3D modeling. To animate these avatars in an
immersive MR setting, we introduce a hardware prototype of a face-tracking HMD that
captures facial expressions via Convolutional Neural Networks (CNNs).
In addition, we present a middleware that standardizes interfaces for various full-body
tracking systems. This simplifies the operation and integration of different systems signifi-
cantly and standardizes the data representation of gestures and nonverbal communication,
for example, through the use of a standardized animation skeleton.
Two user studies provide empirical evidence to support the technological advancements
presented in this thesis. The first study demonstrates the influence of personalized avatars
on social presence, whereas the second quantifies the efficiency gains in remote collabo-
ration facilitated by nonverbal communication through a shared task space supported by
pointing gestures. Additionally, the dissertation presents design guidelines for remote col-
laboration systems derived from a literature review. By introducing novel solutions for
effective remote collaboration, this dissertation has the potential to reduce the necessity
for physical travel and its associated environmental impacts in the futurKommunikation ist ein grundlegender Aspekt der menschlichen Interaktion, und die
Fortschritte in der Technologie haben die Übertragung von immer komplexeren Informatio-
nen über große Entfernungen ermöglicht. Der technologische Fortschritt hat die Entwick-
lung der Kommunikation von der Verwendung rudimentärer Signale wie Rauchzeichen und
Morsezeichen bis hin zu hochentwickelten Lösungen wie Videokonferenzen ermöglicht. In
jüngster Zeit hat Mixed Reality (MR) ein beträchtliches Potenzial für die Übertragung
umfangreicher räumlicher Daten gezeigt, insbesondere im Hinblick auf nonverbale Kom-
munikationshinweise wie Ganzkörpergesten oder authentischen Blickkontakt. Obwohl es
bereits frühe Versionen von immersiven 3D-Telepräsenzanwendungen gibt, wird ihre weit-
ere Verbreitung durch Einschränkungen behindert, insbesondere durch die Verdeckung
der Mimik durch Head-Mounted Displays (HMDs). Das HMD behindert die Fähigkeit,
Gesichtsausdrücke zu erkennen. Diese Dissertation befasst sich mit den zentralen Her-
ausforderungen aktueller immersiver Telepräsenzsysteme, indem sie selbst entwickelte
Hardware-Prototypen und handelsübliche Hardware mit neuartigen Softwarelösungen aus
dem Bereich des Deep Learning kombiniert.
Zu den wichtigsten Beiträgen dieser Arbeit gehören neuartige Ansätze des Face Track-
ing unter einem HMD, zum Face Rendering und zur Face Animation. Seit Jahrzehnten
versuchen Forscher im Bereich der Computergrafik, menschliche Gesichter immer authen-
tischer darzustellen, was oft einen erheblichen manuellen Aufwand bei der 3D-Modellierung
voraussetzt. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung von fotorealistischen
Face Rendering sowie Animationstechniken, die Generative Adversarial Networks (GANs)
und Implizite Neuronale Repräsentationen (INRs) verwenden. Diese Techniken liefern
eine bessere visuelle Qualität bei geringerer Rechenleistung als klassische Methoden der
Computergrafik und ermöglichen gleichzeitig die automatische Erstellung eines Gesicht-
savatars in einem Bruchteil der Zeit, die für die manuelle 3D-Modellierung erforderlich
wäre. Um diese Avatare in einer immersiven MR-Umgebung zu animieren, stellen wir
Hardware-Prototypen eines Face-Tracking-HMDs vor, der Gesichtsausdrücke über Convo-
lutional Neural Networks (CNNs) erfasst.
Zusätzlich stellen wir eine Middleware vor, die Schnittstellen für verschiedene Ganzkörper-
Tracking-Systeme standardisiert. Dies vereinfacht die Bedienung und Integration ver-
schiedener Systeme erheblich und standardisiert die Datendarstellung von Gesten und
nonverbaler Kommunikation, z.B. durch die Verwendung eines standardisierten Anima-
tionsskeletts.
Zwei Nutzerstudien liefern empirische Belege für die in dieser Arbeit vorgestellten tech-
nologischen Weiterentwicklungen. Die erste Studie zeigt den Einfluss von personalisierten
Avataren auf die soziale Präsenz, während die zweite Studie die Effizienzgewinne bei der
entfernten Zusammenarbeit quantifiziert, die durch nonverbale Kommunikation in einem
durch Zeigegesten unterstützten Shared Task Space ermöglicht werden. Darüber hinaus
werden in dieser Dissertation Design Guidelines für Systeme der entfernten Zusam-
menarbeit vorgestellt, die aus einer Literaturübersicht abgeleitet wurden. Durch die
Entwicklung neuartiger Lösungen für eine effektive entfernte Zusammenarbeit hat diese
Arbeit das Potenzial, die Notwendigkeit physischer Reisen und die damit verbundenen
Umweltauswirkungen in Zukunft zu verringern
Scheduling the charging (and possible discharging) events of Battery Electric Vehicles to avoid intolerable conditions in the electrical power grid
Full text link4 published peer-reviewed papers: one in Elsevier (not open-access), 3 in MDPI (all open-access)A key factor in reaching the climate protection targets established by the German Federal
Government for the transport sector is the shift to electromobility. However, in order to reach
high electric vehicles (EVs) penetration levels and thereby help to improve air quality and safe
energy, resilient and flexible low-voltage (LV) distribution networks are required that are
capable of handling the increasing load demand without jeopardizing the grid’s stability,
causing unacceptable operating states or shutting down grid branches. While the roll-out of
EVs and consumers´ stochastic behavior might pose challenges mainly for the "last mile" (i.e.,
individual LV cables), they can also provide opportunities for LV grids. In this respect, this
cumulative thesis, which is composed of three peer-reviewed publications, aims to evaluate
the effects of both coordinated and uncoordinated battery electric vehicles (BEVs)
charging/discharging on LV grid's bottlenecks in private areas.
Paper #1 examines the resilience of a typical metropolitan urban grid in Germany given
the simultaneous charging of BEVs under both worst-case and real-world scenarios.
Afterwards, the main findings of an additional published, peer-reviewed paper (referred to as
the supplementary insights) are incorporated into this work as a follow-up to paper #1; this
study conducts a systematic evaluation on the performance of representative LV grids in
German urban, suburban, and rural areas in relation to BEV charging at various BEV
penetration levels. Simulation results of these two papers indicate that currently and in the
short term, the charging of BEVs is not considered to pose any fundamental, large-scale
obstacles to the grid. However, voltage band violations or overloads at local grid bottlenecks
are to be expected with a high local penetration of BEVs and in particular with simultaneous
operation of other consumers such as electric heat pumps (HPs). Following the analysis of
possible drawbacks of BEV charging on LV grids, papers #2 and #3 explore the grid-friendly
charging control and bidirectional Vehicle-to-Grid (V2G) technologies as solutions to improve
grid functionality. Paper #2 introduces a novel V2G application to model EV charging and
discharging under various scheduling strategies in order to simultaneously satisfy the needs
of EV owners and the power grid. Afterwards, paper #3 expands the proposed approach from
paper #2 by incorporating photovoltaic systems (PVs) into the V2G algorithm. Simulation
results of these two papers demonstrate that the proposed V2G strategies significantly
improve the grid performance due to the peak-shaving through the EVs discharging during
peak hours and shifting EVs charging to the off-peak hours, hence delaying the need for grid
upgrades.
In summary, this thesis offers a thorough framework for comprehending the challenges
associated with integrating BEVs into LV grids and reveals how V2G technologies can be used
as an efficient approach of assisting in the transition to a more robust and sustainable energy
system.Ein wesentlicher Faktor zur Erreichung der Klimaschutzziele der Bundesregierung für den
Verkehrssektor ist der Umstieg auf Elektromobilität. Um einen hohen Durchdringungsgrad von
Elektrofahrzeugen zu erreichen und damit einen Beitrag zur Verbesserung der Luftqualität
und zur sicheren Energieversorgung zu leisten, sind jedoch belastbare und flexible
Niederspannungsnetze erforderlich, die in der Lage sind, den steigenden Lastbedarf zu
bewältigen, ohne die Netzstabilität zu gefährden, unzulässige Betriebszustände zu
verursachen oder Netzteile abzuschalten. Während die Einführung von Elektrofahrzeugen
und das stochastische Verhalten der Verbraucher vor allem für die „letzte Meile“ (d.h. die
einzelnen Niederspannungskabel) eine Herausforderung darstellen, können sie auch
Chancen für die Niederspannungsnetze bieten. In dieser Hinsicht zielt diese kumulative
Dissertation, die aus drei peer-reviewed Publikationen besteht, darauf ab, die Auswirkungen
des koordinierten und unkoordinierten Ladens/Entladens von batteriebetriebenen
Elektrofahrzeugen (BEVs) auf die Engpässe des Niederspannungsnetzes im privaten Bereich
zu bewerten.
Papier #1 untersucht die Belastbarkeit eines typischen städtischen Stromnetzes in
Deutschland bei gleichzeitigem Laden von BEVs sowohl unter Worst-Case- als auch unter
realen Szenarien. Anschließend werden die wichtigsten Ergebnisse eines weiteren
veröffentlichten, peer-reviewten Papiers (als „ergänzende Erkenntnisse“ bezeichnet) in diese
Arbeit als Follow-up zu Papier #1 eingearbeitet; diese Studie führt eine systematische
Bewertung der Leistung von repräsentativen Niederspannungsnetzen in deutschen
städtischen, vorstädtischen und ländlichen Gebieten in Bezug auf das Laden von BEVs bei
verschiedenen BEV-Durchdringungsgraden durch. Die Simulationsergebnisse dieser beiden
Arbeiten zeigen, dass das Laden von BEVs derzeit und kurzfristig keine grundsätzlichen,
massiven Hindernisse für das Netz darstellen dürfte. Allerdings sind
Spannungsbandverletzungen oder Überlastungen an lokalen Netzengpässen bei einer hohen
lokalen Durchdringung von BEVs und insbesondere bei gleichzeitigem Betrieb anderer
Verbraucher wie Wärmepumpen zu erwarten. Nach der Analyse möglicher Nachteile des
BEV-Ladens in Niederspannungsnetzen werden in den Papieren #2 und #3 die
netzfreundliche Ladesteuerung und bidirektionale Vehicle-to-Grid (V2G)-Technologien als
Lösungen zur Verbesserung der Netzfunktionsfähigkeit untersucht. In Papier #2 wird eine
innovative V2G-Anwendung vorgestellt, die das Laden und Entladen von E-Fahrzeugen unter
verschiedenen Zeitplanungsstrategien modelliert, um gleichzeitig die Bedürfnisse von E-
Fahrzeugbesitzern und des Stromnetzes zu erfüllen. Anschließend wird in Papier #3 der
vorgeschlagene Ansatz aus Papier #2 erweitert, indem Photovoltaikanlagen (PV) in den V2G-
Algorithmus einbezogen werden. Die Simulationsergebnisse dieser beiden Beiträge zeigen,
dass die vorgeschlagenen V2G-Strategien die Leistung des Stromnetzes erheblich
verbessern, da die E-Fahrzeuge während der Spitzenlastzeiten entladen und die Ladung der
E-Fahrzeuge in die Schwachlastzeiten verlagert wird, wodurch sich der Bedarf an Netzausbau
verzögert.
Zusammenfassend bietet diese Dissertation einen umfassenden Rahmen für das
Verständnis der Herausforderungen, die mit der Integration von BEVs in
Niederspannungsnetze verbunden sind, und zeigt, wie V2G-Technologien als effizienter
Ansatz zur Unterstützung des Übergangs zu einem robusteren und nachhaltigeren
Energiesystem genutzt werden können
Bericht zum Forschungsprojekt
Full text linkSoziale Schuldnerberatung und weitere Arbeitsfelder der Sozialen Arbeit sind vom Fachkräftemangel betroffen. Da Hochschulen eine Schlüsselrolle bei der Qualifizierung zukünftiger Fachkräfte einnehmen, stellt sich die Frage, welche Faktoren die Wahl von Vertiefungsmöglichkeiten beeinflussen und wie daraus Handlungsmöglichkeiten für Hochschulen und Praxis abgeleitet werden können.
Ausgangspunkt ist hierfür die Untersuchung, wie im Studium der Sozialen Arbeit Entscheidungsprozesse zur Vertiefung im Bereich Armut – Prekarität – Überschuldung bzw. zu anderen Vertiefungen oder Spezialisierungen auf Soziales Recht verlaufen, und welche Motive aus Studierendensicht hierbei relevant sind.
Um die ausschlaggebenden Motive von Studierenden zu erforschen, wurden an der Hochschule für Wirtschaft und Gesellschaft und der Hochschule RheinMain mit Studierenden des Studienschwerpunkts „Soziale Arbeit und Armut“ und der Studienrichtung „Soziales Recht“ Gruppendiskussionen durchgeführt und mithilfe der qualitativen Inhaltsanalyse ausgewertet. Ergänzend wurden Studierende desselben Jahrgangs in Ludwigshafen im Rahmen einer Onlineumfrage befragt.
Die Ergebnisse weisen auf ein komplexes Geflecht an Motiven, Präferenzen und Gegebenheiten hin. Für Hochschulen als Akteur:innen mit Gestaltungsmöglichkeiten und die berufliche Praxis als Mitgestalterin folgt daraus, dass Praxiserfahrungen und Praxisbindung im Rahmen des Studiums gestärkt und problemorientiertes Lernen ermöglicht werden könnten, um Studierende stärker beim interessengeleiteten Studium zu unterstützen. Die Verbindung eines generalistischen Studium und einer Spezialisierung hat das Potenzial, die angehenden Fachkräfte besser auf Arbeitsbedingungen vorzubereiten sowie zugleich Reflexionsräume zu eröffnen. Die Entwicklung positiver Narrative Sozialer Arbeit und eine gezielte Vorstellung von Arbeitsfeldern wie der Schuldnerberatung im Studium eröffnen weitere Orientierungspunkte für Studierende.
Die Studie verweist mit ihren Ergebnissen auf weitere Forschungsbedarfe. Für fundierte Erkenntnisse zu Wahlentscheidungen wären weiterführende Untersuchungen – etwa in Form von Langzeitstudien unter Berücksichtigung intersektionaler Verflechtungen – notwendig.Published Versio
Demand for 5G from residential customers in Germany: a quantitative online survey using the Van Westendorp method
Full text linkOpen Access funding enabled and organized by Projekt DEALPublished Versio
Kinderfreundliche Verkehrsraumgestaltung: Sicherheit und Lebensqualität für alle
Full text linkDie Ursachen für einen Unfall auf dem Weg zur Bildungseinrichtung sind vielfältig. Eine Verkehrsraumgestaltung, die die Belange von Kindern und Jugendlichen berücksichtigt, ist am besten durch einen Abstimmungsprozess, an dem alle Beteiligten aus Schule, Verwaltung und Polizei systematisch einbezogen sind, zu erreichen.Published Versio
Mobilitätsstationen im Wetteraukreis - Organisationsstrukturen für neue Mobilität
Full text linkBeispiele und Erkenntnisse aus den Projekten der BMBF-Fördermaßnahmen MobilitätsWerk'Stadt 2025 und MobilitätsZukunftsLabor 2050Published Versio
