University of Kaiserslautern
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Menschenzentrierte industrielle Künstliche Intelligenz: Ansätze zur Gestaltung akzeptierter und vertrauenswürdiger KI-basierter Services in der Produktion
Get PDFDas Ziel der vorliegenden Forschungsarbeit besteht darin, einen Beitrag zur erfolgreichen Gestaltung auf Künstlicher Intelligenz (KI) basierender Services in Produktionsumgebungen zu leisten, der über eine rein technisch-getriebene Entwicklungsperspektive hinausgeht. Dafür wird eine ganzheitliche Betrachtungsperspektive entlang der Ebenen Mensch, Technik und Organisation eingenommen. In einer ersten Analyse wurden Herausforderungen und Erfolgsfaktoren im Zusammenhang mit der Entwicklung, Einführung und dem Betrieb von industriellen KI-basierten Services auf allen Ebenen eines sozio-technischen Systems identifiziert. In einem zweiten Schritt wurden Möglichkeiten zur Stärkung ausgewählter Erfolgsfaktoren oder Lösung spezifischer Herausforderungen definiert, die sowohl menschenzentrierte als auch organisatorische Bereiche betreffen. In anwendungsnahen Forschungsprojekten wurden unter Berücksichtigung der Erfahrungen von Expertinnen und Experten für industrielle KI-Anwendungen zwei Lösungsbereiche ermittelt, die zu einer Optimierung im industriellen Umfeld führen können. Zum einen wurde der Bedarf eines Rollenmodells zur Entwicklung interner KI-basierter Services identifiziert, zum anderen wurde erkannt, dass Ansätze aus dem Bereich Human-Centered Artificial Intelligence (HCAI) ein hohes Potenzial haben, zentrale Herausforderungen der KI-Entwicklung und KI Nutzung im industriellen Kontext zu überwinden. Insbesondere die Anwendung von HCAI Design Prinzipien wird als wertvoll für die industrielle Praxis angesehen. Deutlich wurde aber auch, dass es im breiten Forschungsfeld HCAI einer Kontextualisierung bestehender Ansätze bedarf und eine an die produktionsspezifischen Rahmenbedingungen angepasste Konzeption von Methoden notwendig ist. Auf dieser Erkenntnis aufbauend wurden zwei Modelle konzipiert, die als methodische Unterstützung für primär technisch versierte Entwicklerinnen und Entwickler KI-basierter Services in der Produktion dienen. Dies ist zum einen das „Generische Rollenmodell zur systematischen Entwicklung interner KI basierter Services in der Produktion“ und zum anderen das „Vorgehensmodell zur Nutzung von Design Prinzipien in der ko kreativen Gestaltung menschenzentrierter KI-basierter Services“. Durch die Anwendung der Modelle können zentrale Herausforderungen der KI Entwicklung überwunden und ausgewählte Erfolgsfaktoren gestärkt werden. Das Rollenmodell beschreibt entlang der Entwicklungsphasen eines KI-basierten Services idealtypisch, welche Rollen an der Entwicklung beteiligt werden sollen, welche zentralen Aufgaben die einzelnen Rollen übernehmen und wie intensiv diese in den Entwicklungsprozess eingebunden werden sollen. Das Vorgehensmodell fokussiert die menschenzentrierte Entwicklung KI-basierter Services, indem es durch einen ko-kreativen Ansatz die Anwendung von Design-Prinzipien bei der Gestaltung industrieller KI-basierter Services unterstützt. Beide Modelle fördern die stärkere Einbindung verschiedener Mitarbeitenden, insbesondere auch von Endanwenderinnen und Endanwendern, in den Entwicklungsprozess. Insgesamt trägt die Arbeit dazu bei, industrielle KI basierte Services aus einer ganzheitlichen, menschenzentrierten Perspektive zu betrachten und durch die Anwendung der Modelle die Akzeptanz von KI-basierten Services zu stärken und die Vertrauenswürdigkeit zu erhöhen.The aim of this dissertation is to provide a contribution to the successful design of Artificial Intelligence (AI)-based services in production environments, going beyond a purely technology driven development perspective. A holistic view of people, technology, and organization is taken to achieve this. A first analysis identified challenges and success factors related to the development, implementation, and operation of industrial AI based services at all levels of a socio-technical system. In a second step, possibilities for strengthening selected success factors or addressing specific challenges were identified, covering both human centered and organizational issues. In application-oriented research projects, considering the experience of experts in industrial AI applications, two solution areas have been identified that could lead to optimization in an industrial environment. On the one hand, the need for a role model for the development of internal AI-based services was identified. On the other hand, it was recognized that approaches from the field of Human-Centered Artificial Intelligence (HCAI) have a high potential to overcome the central challenges of AI development and AI application in an industrial context. In particular, the application of HCAI design principles is seen as valuable for industrial practice. However, it also became clear that in the broad field of HCAI research, existing approaches need to be contextualized and methods adapted to the production-specific framework. Building on this insight, two models were designed to provide methodological support for developers of AI-based services in production who are primarily technically experienced. The first is the "Generic role model for the systematic development of internal AI-based services in production". The second is the "Process model for applying design principles in the co-creative design of human-centered IAI based services". By applying the models, key challenges of AI development can be overcome, and selected success factors can be strengthened. Along the development phases of an AI-based service, the Role Model ideally describes which roles should be involved in developing the service, what key tasks each role should take on, and how intensively they should be involved in the development process. The process model focuses on the human-centered development of AI based services by using a co-creative approach to support the application of design principles in the design of industrial AI-based services. Both models promote a greater involvement of different stakeholders, especially end users, in the development process. Overall, the work contributes to a holistic, human-centered view of industrial AI-based services and, through the application of the models, increases the acceptance and trustworthiness of AI-based services
Modellierung von Dienstleistungen, Capabilities und Skills zur Einbindung von Unternehmen in eine marktplatzbasierte Fertigung
Get PDFDiese Dissertation erläutert die Umsetzung eines RAMI 4.0 konformen Marktplatz in der spanenden Bearbeitung. Ziel ist es einen Lösungsansatz zu definieren, in dem firmenübergreifende Prozessketten für kleine Losgrößen automatisiert identifiziert werden und die Fertigung eines individuellen Produktes realisiert wird. Die Extraktion von Produktinformationen, die Fertigung eines individualisierten Produktes sowie die Beschreibung der Informationen in den Verwaltungsschalen wird validiert. Vor allem stellt sich als Herausforderung für die Zukunft heraus, eine gemeinsame Semantik für die Beschreibung von Capabilities zu definieren. Diese würde ermöglichen, dass ein Matching zwischen proprietären Produktinformationen und Skills möglich wird
Zum Beitrag der mathematischen Modellierung zur Bildung für nachhaltige Entwicklung - ein Leitfaden zum Mathematikunterricht
Get PDFDer weltweite Transformationsprozess der Agenda 2030 (United Nations 2015) muss, soll er gelingen, von der Gesellschaft mitgetragen und vollzogen werden. In der im Nachhaltigkeitsziel 4.7 verankerten Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) nimmt auch die Schule als Bildungsträger eine relevante Rolle ein. BNE impliziert ein erneutes Nachdenken über Bildung, ihre Funktionen und ihre institutionelle und strukturelle Einbettung in Bildungsinstituten. Auch die Mathematik leistet zur Lösung globaler Probleme entscheidende Beiträge. Mit dem Blick auf den Bedarf an Menschen mit Expertise in interdisziplinären Denk- und Arbeitsweisen bezieht sich die mathematische Bildung jedoch zu wenig auf konkrete Lernaufgaben aus den realen sozialen, ökologischen, wirtschaftlichen sowie politischen Kontexten. Große Potenziale des Mathematikunterrichts bleiben so ungenutzt. Das soll sich ändern. Deshalb geht diese Forschungsarbeit „Zum Beitrag der mathematischen Modellierung zur Bildung für nachhaltige Entwicklung – ein Leitfaden zum Mathematikunterricht“ der Frage nach, wie BNE in den Mathematikunterricht integriert werden kann.
Auf Basis von Forschungsergebnissen der letzten Jahrzehnte konnte gezeigt werden, dass sich mathematische Modellierungen auch zur Darstellung von realen (nachhaltigen) Entwicklungsprozessen eignen. Der Bildungsanspruch der Mathematik im Kontext der BNE wird in der Fallstudienanalyse an prägnanten Modellierungsaufgaben beschrieben. Die Potenziale von Modellierungsaufgaben ermöglichen es, den Lernenden „notwendige Kenntnisse und Qualifikationen zur Förderung nachhaltiger Entwicklung“ (SDG 4.7) zu vermitteln.
Im Zentrum steht die Lernaufgabe als bedeutender Dreh- und Angelpunkt eines Mathematikunterrichts. Sie soll komplexe reale Zusammenhänge in den Mathematikunterricht integrieren und gleichzeitig fachliche und überfachliche Kompetenzen der Mathematik vermitteln. Diese scheinbare Kluft wird mit einer kompetenzfördernden und kognitiv-aktivierenden „BNE-Aufgabenkultur“ überwunden.
Eine „BNE-Modellierungsaufgabe“ schafft Grundlagen zur Erkenntnisgewinnung (Analyse) oder, mittels Datensammlung, zur eigenen Modellbildung (Synthese) realer Prozesse. Der integrative Lernansatz fördert ein Verständnis der Realität in all ihren Facetten und gibt der faktischen sowie ethischen Komplexität Raum. Daten und Fakten konfrontieren Lernende mit Entscheidungsdilemmata, regen zum Überdenken der eigenen Werte und zum Planen von Handlungen an. Eine konstruktive Auseinandersetzung mit gesellschaftlichen Entwicklungen liefert eine Grundlage für die Bewältigung von Anforderungen aus der unmittelbaren Lebenswelt und kann Orientierung im Alltag geben. Die Mathematik beschränkt sich hierbei auf das Beschreiben kausaler Zusammenhänge und versucht, die komplizierte Welt in eine kohärente Ordnung zu bringen. Die Wahl der Parameter und Randbedingungen einer Modellierung ermöglichen unterschiedliche Perspektiven. Dies kann auch zu voneinander abweichenden Interpretationen der Sachverhalte genutzt werden. Beispiele hierfür sind Klimamodelle oder Modellierungen im Rahmen der Covid-Krise, auf deren Ergebnissen unterschiedliche gesamtgesellschaftliche und politische Entscheidungen basierten. Dementsprechend kann ein metakognitiver Blick auf Modellierungsprozesse eine kritische und reflektierte Haltung schulen und zur Mündigkeit der Lernenden beitragen.
Die Auseinandersetzung mit den Grenzen deduktiver mathematischer Verfahren als Basis einer Visions- bzw. Prognosenbildung und eine darauf aufbauende Zukunftsgestaltung rücken in den Fokus. Ein besseres Verständnis der Mathematik und der Realität kann die Folge sein. Ziel eines BNE-orientierten Mathematikunterrichts muss es also sein, die Lernenden aufzufordern, die Welt durch die mathematische Brille zu betrachten, um gesellschaftliche Verhältnisse und Systeme kritisch zu „lesen“ und im Sinne der Nachhaltigkeit neu „schreiben“ zu können.
Dieser Lehr-Lernansatz erhält durch die qualitative Fallstudienanalyse eine wissenschaftliche Festigung. Aus den theoretischen Überlegungen zu einer integrativen Neuorientierung einer Modellierungsaufgabe im Mathematikunterricht sind neu ausgerichtete Wirkungsketten wünschens-werter Lehr-Lern-Prozesse entstanden. Sie gelten in diesem integrativen Bildungsanliegen als strukturbildend und zeigen einen Leitfaden zur Konzeption von „BNE-Modellierungsaufgaben“. Eine ergänzende Handreichung illustriert praxisnah die Entwicklung sowie Umsetzung von BNE-Lernaufgaben im Fachunterricht und regt zur Nachahmung an. Die vorgestellten BNE-Modellierungsaufgaben fügen sich in die Vorgaben der nationalen Bildungsstandards ein und wurden bereits im regulären Mathematikunterricht erprobt.
Die Einbeziehung anderer Fachbereiche spielt für den hier beschriebenen BNE-Ansatz zur Vermittlung der SDGs und der nachhaltigen Entwicklung eine zentrale Rolle. Möglichkeiten eines individuellen Engagements werden aufgezeigt. Dies kann richtungsweisend für die Nutzung der großen Potenziale der Mathematik für den notwendigen Transformationsprozess sein
Distributed Optimization of Constraint-Coupled Systems via Approximations of the Dual Function
Get PDFThis thesis deals with the distributed optimization of constraint-coupled systems. This problem class is often encountered in systems consisting of multiple individual subsystems, which are coupled through shared limited resources. The goal is to optimize each subsystem in a distributed manner while still ensuring that system-wide constraints are satisfied. By introducing dual variables for the system-wide constraints the system-wide problem can be decomposed into individual subproblems. These resulting subproblems can then be coordinated by iteratively adapting the dual variables. This thesis presents two new algorithms that exploit the properties of the dual optimization problem. Both algorithms compute a quadratic surrogate function of the dual function in each iteration, which is optimized to adapt the dual variables. The Quadratically Approximated Dual Ascent (QADA) algorithm computes the surrogate function by solving a regression problem, while the Quasi-Newton Dual Ascent (QNDA) algorithm updates the surrogate function iteratively via a quasi-Newton scheme. Both algorithms employ cutting planes to take the nonsmoothness of the dual function into account. The proposed algorithms are compared to algorithms from the literature on a large number of different benchmark problems, showing superior performance in most cases. In addition to general convex and mixed-integer optimization problems, dual decomposition-based distributed optimization is applied to distributed model predictive control and distributed K-means clustering problems.Diese Arbeit befasst sich mit der verteilten Optimierung von Restriktions-gekoppelten Systemen. Diese Problemklasse tritt häufig in Systemen auf, die aus mehreren einzelnen Teilsystemen bestehen, die durch geteilte begrenzte Ressourcen gekoppelt sind. Das Ziel ist es, jedes Teilsystem verteilt zu optimieren und gleichzeitig sicherzustellen, dass die systemübergreifenden Restriktionen eingehalten werden. Durch die Einführung dualer Variablen für die systemübergreifenden Restriktionen kann das systemweite Problem in seine einzelne Teilprobleme zerlegt werden. Diese resultierenden Teilprobleme können dann durch iterative Anpassung der dualen Variablen koordiniert werden. In dieser Arbeit werden zwei neue Algorithmen vorgestellt, die die Eigenschaften des dualen Optimierungsproblems ausnutzen. Beide Algorithmen bestimmen in jeder Iteration eine quadratische Surrogatfunktion der dualen Funktion, die zur Anpassung der dualen Variablen optimiert wird. Der Quadratically Approximated Dual Ascent (QADA) Algorithmus bestimmt die Surrogatfunktion durch die Lösung eines Regressionsproblems, während der Quasi-Newton Dual Ascent (QNDA) Algorithmus die Surrogatfunktion iterativ über ein Quasi-Newton-Schema aktualisiert. Beide Algorithmen verwenden Schnittebenen, um die Nichtdifferenzierbarkeit der dualen Funktion zu berücksichtigen. Die vorgeschlagenen Algorithmen werden mit Algorithmen aus der Literatur für eine große Anzahl verschiedener Benchmark-Probleme verglichen und zeigen in den meisten Fällen ein besseres Konvergenzverhalten. Zusätzlich zu generischen konvexen und gemischt-ganzzahligen Optimierungsproblemen wird die verteilte Optimierung basierend auf dualer Zerlegung auf verteilte modellprädiktive Regelungs- und verteilte K-Means Clustering-Probleme angewendet
Mathematical modeling of vector-borne diseases with an additional host-to-host transmission
Get PDFMechanistic disease spread models for different vector borne diseases have been studied from the 19th century. The relevance of mathematical modeling and numerical simulation of disease spread is increasing nowadays. This thesis focuses on the compartmental models of the vector-borne diseases that are also transmitted directly among humans. An example of such an arboviral disease that falls under this category is the Zika Virus disease. The study begins with a compartmental SIRUV model and its mathematical analysis. The non-trivial relationship between the basic reproduction number obtained through two methods have been discussed. The analytical results that are mathematically proven for this model are numerically verified. Another SIRUV model is presented by considering a different formulation of the model parameters and the newly obtained model is shown to be clearly incorporating the dependence on the ratio of mosquito population size to human population size in the disease spread. In order to incorporate the spatial as well as temporal dynamics of the disease spread, a meta-population model based on the SIRUV model was developed. The space domain under consideration are divided into patches which may denote mutually exclusive spatial entities like administrative areas, districts, provinces, cities, states or even countries. The research focused only on the short term movements or commuting behavior of humans across the patches. This is incorportated in the multi-patch meta-population model using a matrix of residence time fractions of humans in each patches. Mathematically simplified analytical results are deduced by which it is shown that, for an exemplary scenario that is numerically studied, the multi-patch model also admits the threshold properties that the single patch SIRUV model holds. The relevance of commuting behavior of humans in the disease spread has been presented using the numerical results from this model. The local and non-local commuting are incorporated into the meta-population model in a numerical example. Later, a PDE model is developed from the multi-patch model
Automated and simulation-based factory layout planning using reinforcement learning
Get PDFDie Fabriklayoutplanung ist ein auf Expertenwissen basierender, kreativer und zeitintensiver Prozess, der einen erheblichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit und den Betrieb des Produktionssystems hat, sodass in der frühen Layoutplanungsphase häufig automatisierte Methoden als Unterstützungswerkzeug eingesetzt werden. Diese erfordern jedoch häufig eine analytische und vereinfachende Beschreibung des Produktionssystems, wodurch dynamische und layoutbestimmende Effekte unberücksichtigt bleiben. Mittels einer Materialflusssimulation (EDS) können diese Einflüsse realitätsnah abgebildet werden. Entwicklungen im Bereich des Reinforcement Learning (RL) zeigen, dass RL in der Lage ist, selbstständig Lösungsstrategien für komplexe Problemstellungen zu erlernen, deren Systemverhalten analytisch nicht vollständig beschreibbar ist. Die Kopplung von RL und EDS bietet somit das Potential, durch eine realitätsnahe Planungsgrundlage automatisiert optimierte Layoutvarianten zu erzeugen. Außerdem können Erklärbarkeitsansätze (XRL) genutzt werden, um Einblicke in das Lösungsverhalten des RL-Ansatzes zu erlangen. Ziel dieser Dissertation ist es, durch die kombinierte Nutzung von RL, EDS und XRL die Qualität in der frühen Layoutplanungsphase zu erhöhen. Hierzu findet eine konzeptionelle Entwicklung des RL-Ansatzes statt, die eine Modellierung des Entscheidungsproblems, der Aktionsräume, der Zustandsinformationen, der Belohnungsfunktion und der XRL-Ansätze umfasst. Anschließend wird der RL-Ansatz implementiert und es werden Experimente zur Leistungssteigerung durchgeführt, bevor er auf zwei Validierungsszenarien angewendet wird. Der Vergleich mit konventionellen Planungsansätzen zeigt, dass die Qualität der generierten Lösung durch RL gesteigert werden kann und dass die XRL-Ansätze eine detaillierte Analyse des Lösungsprozesses ermöglichen.Factory layout planning is a creative and time-consuming process based on expert knowledge that has a significant impact on the profitability and operation of the resulting manufacturing system. As a result, automated approaches are often used to support the early layout planning phase. However, these often require an analytical and simplified description of the production system, so that dynamic and layout-determining effects are not considered. These effects can be represented with the help of a discrete-event material flow simulation (DES). Besides, developments in the field of reinforcement learning (RL) show that RL can independently learn solution strategies for complex decision-making problems even in cases in which the system behavior cannot be fully described analytically. The coupling of RL and DES thus offers the potential to automatically generate realistic and optimized layout variants. In addition, explainability approaches (XRL) can be used to gain insights into the solution strategy of the RL approach. This dissertation aims to increase the quality of the early layout planning phase through the combined use of RL, EDS, and XRL. For this purpose, a conceptual development of the RL approach takes place first, which includes modeling the decision-making problem, the action space, the state information, the reward function, and the XRL approaches. The RL approach is implemented and experiments are conducted to improve the performance before it is applied to two validation scenarios. The comparison with conventional layout planning approaches shows that the quality of the generated solution can be increased using RL and that the XRL approaches allow a detailed analysis of the training and solution process
Methanemissionen aus Oberflächengewässern
Get PDFGewässer sind natürliche Quellen für das Treibhausgas Methan, welches durch anaeroben Abbau von organischem Material in den abgelagerten Sedimenten produziert wird. Jüngste Untersuchungen haben gezeigt, dass insbesondere Stauseen und Flussstauhaltungen hohe Methanemissionen aufweisen können. Der gegenwärtige Kenntnisstand ist jedoch sehr lückenhaft und Einflussfaktoren, welche die Höhe der Emissionen regulieren, sind kaum erforscht. Ziel dieses gemeinsamen Forschungsprojektes war es, Methanemissionen aus unterschiedlichen Gewässertypen zu erfassen und Einflussfaktoren auf Methanemissionen aus Flussstauhaltungen, einem Stausee und natürlichen Seen in Bayern abzuschätzen.
Dazu wurden Methanproduktions- und Emissionsraten in insgesamt acht Gewässern untersucht. Die ermittelten Methanemissionsraten variierten über zwei Größenordnungen und können grob in zwei Kategorien unterteilt werden: An fünf von acht Untersuchungsgewässern, darunter alle untersuchten natürlichen Seen sowie zwei Stauhaltungen an der Donau, waren die Emissionen vergleichbar mit publizierten Emissionsraten aus freifließenden Gewässerabschnitten an der Saar, dem Bodensee-Untersee, sowie mit globalen Abschätzungen für Emissionsraten in Seen und Stauseen in der gemäßigten Klimazone von ~10 mg CH4 m-2 d-1. Für drei der Untersuchungsgewässer, darunter waren ausschließlich Stauhaltungen, wurden deutlich höhere Emissionsraten (>300 mg CH4 m-2 d-1) gemessen, welche mit publizierten Emissionsraten aus Stauhaltungen der Saar und der Aare vergleichbar sind, sowie mit kurzfristig erhöhten Emissionsraten während der Herbstzirkulation aus dem Mindelsee (Baden-Württemberg). Die Emissionen aus den untersuchten Gewässern erfolgten hauptsächlich in Form von aufsteigenden Gasblasen, in den Stauhaltungen auch durch Ausgasungen an den Staubauwerken.
Hohe Emissionsraten waren mit hohen potentiellen Methanproduktionsraten im Sediment verbunden, welche wiederum mit dem Anteil organischen Materials im Sediment korrelierten. Ein ausschlaggebender Einflussfaktor bei den untersuchten Gewässern mit sehr hohen Produktionsraten war die vergleichsweise große Dicke der aktiven oberen Sedimentschicht in der Methan produziert wird. Somit ist anzunehmen, dass die Sedimentationsraten in den Stauhaltungen und dem Stausee einen wesentlichen Einfluss auf die Höhe der Methanemissionen haben, wenngleich für die Verifizierung des direkten Zusammenhangs keine konkreten Messdaten verfügbar waren. Eindeutige Beziehungen zwischen Methanemissionen und den Nähstoffkonzentrationen in den untersuchten Gewässern konnten nicht nachgewiesen werden. Neben den erhöhten Produktionsraten in den Sedimenten, gehörten die Gewässer mit hohen Methanemissionen auch zu den Gewässern mit hohen Nährstoffbelastungen. Die Ergebnisse dieser Studie stimmen prinzipiell mit bisher vorliegenden Daten aus anderen Gewässern überein
Kleine Wälder, große Wirkung? Möglichkeiten und Grenzen von Mikrowäldern für eine nachhaltige Stadtentwicklung
Get PDFEinen möglichen Lösungsansatz zum Erreichen einer nachhaltigen Stadtentwicklung der beispielsweise von supranationalen Organisatio-nen wie der Europäischen Union oder den Vereinten Nationen verfolgt wird, stellt die Entwicklung städtischer Grünflächen und grüner Infrastrukturen dar. Wissenschaftliche Erkenntnisse konstatieren zunehmend deren Potenzial zum Erreichen einer nachhalti-gen Entwicklung von Städten. Gleichzeitig herrscht in Städten eine große Flächenkon-kurrenz: Zur Erfüllung der städtischen Funktionen werden Flächen und Infrastrukturen für Wohnen, Wirtschaftsaktivitäten, Mobilität und kritische Versorgung benötigt. Oft geht dies mit einer starken Versiegelung und Fragmentierung von bestehenden Flächen ein-her - so bleiben für neue Grünflächen oftmals nur kleine Bereiche, die genutzt werden können. Eine Methode zur Entwicklung von urbanen Grünflächen, die auch im europäi-schen Raum zunehmend an Popularität gewinnt, ist die Miyawaki-Methode. Sie ver-spricht verhältnismäßig kleine Flächen nutzen zu können, um sogenannte Mikrowälder, auch Tiny Forests genannt, entstehen zu lassen. Ursprünglich wurde die Methode von dem japanischen Botaniker und Pflanzenökologen Akira Miyawaki zur ökologischen Wiederaufforstung von Waldflächen durch die gezielte Nutzung natürlicher Prozesse entwickelt. Basierend auf dem Ansatz der potenziellen natürlichen Vegetation werden unterschiedliche Schritte der Analyse, Bodenbearbeitung und Pflanzung durchgeführt, um ein schnelles Wachstum zu fördern. So soll ein kleiner Wald entstehen der laut Miyawaki nicht 100 bis 200 Jahre, sondern lediglich 20 bis 30 Jahre benötigt, um sich zu einem selbsterhaltenden Ökosystem mit vielfältigen Leistungen zu entwickeln.
Internationale Forschungsbeiträge deuten auf die Potenziale dieser Mikrowälder hin, wobei es an einer formellen Übersicht mangelt. Auch lässt der konkrete Bezug auf eine nachhaltige Stadtentwicklung Raum für weitere Untersuchungen. Im Zuge dieser Arbeit soll daher im Rahmen einer systematischen Literaturrecherche der aktuelle For-schungsstand in Hinblick auf die Möglichkeiten und Grenzen von Mikrowäldern nach der Miyawaki-Methode in Bezug auf die Dimensionen einer nachhaltigen Stadtentwick-lung und den damit verbundenen Handlungsfeldern ermittelt werden. Darauf aufbauend sollen eine Forschungsagenda sowie mögliche Handlungsempfehlungen formuliert werden
Zum Einfluss der Leitradgestaltung auf die Kennlinieninstabilität einer radialen Kreiselpumpe
Get PDFEin sich ändernder Energiesektor erfordert Anpassungen der Betriebsweise von in Kraftwerken eingesetzten Pumpen. Insbesondere im Falle mehrstufiger Kesselspeisepumpen restringieren auftretende Kennlinieninstabilitäten die Betriebsgrenzen der Maschinen. Um einen sicheren teillastigen Betrieb solcher Pumpen sicherzustellen, besteht die Herausforderung allgemein gültige Methoden zur Beseitigung auftretender Kennlinieninstabilität herauszuarbeiten. Als Ursache von Kennlinieninstabilitäten mehrstufiger Kesselspeisepumpen konnte in einer Vielzahl vorangegangener Untersuchungen die auftretende Rotor-Stator Interaktion zwischen Laufrad und nachgeschaltetem Leitrad ausgemacht werden. Aufgrund der Komplexität der durch die Rotor-Stator Interaktion induzierten, hochgradig instationären Strömung, sind die der Kennlinieninstabilität zugrundeliegenden Strömungsphänomene bis heute noch nicht vollständig verstanden. Einigkeit herrscht darüber, dass der Schrägabschnitt des Leitrades bei Einsetzen einer Kennlinieninstabilität einen Einbruch im Druckaufbau erfährt, was die Stabilität der gesamten Kennlinie signifikant beeinflusst. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Schrägabschnittsgestaltung von Leiträdern und deren Einfluss auf die Kennlinieninstabilität einer radialen Kreiselpumpe. Hierzu wurde ein modularer Pumpenprüfstand entwickelt. Dieser umfasst als Hydraulik eine Repetierstufe mit einer im Auslegungspunkt vorherrschenden, spezifischen Drehzahl von nq = 35 (min,m3/s, m). Bei der Leitradauslegung wurde darauf geachtet, dass sich lediglich der Querschnittsflächenverlauf im Schrägabschnitt ändert. Der Leitradeintrittswinkel, engste Querschnitt und Diffusorverlauf blieben unverändert. Als Referenz zum allgemeinen Einfluss des Leitrades auf die Kennlinie wurde zusätzlich eine Variante mit glattem Leitring untersucht. Neben den klassischen Performance-Kennwerten erfolgte zur Bestimmung des sich ändernden Strömungsverhaltens eine Auswertung der Komponentenkennlinien, der auftretenden Druckpulsationen an verschiedenen radialen Positionen im Leitrad sowie die Messung der auftretenden Axialkraft.Changing demands during the energy transmission require the operating mode of pumps used in power plants to be adapted. Particularly in the case of multi-stage boiler feed pumps, head-curve instability restricts the operating flow range. In order to ensure safe off-design operation, the challenge is to find out generally valid ways to eliminate the head-curve instability of those pumps. A large number of previous studies have identified the rotor-stator interaction between the impeller and the vaned diffuser as the cause of the head-curve instability for this specific type of pumps. Due to the complexity of the highly unsteady flow induced by rotor-stator interaction, the flow phenomena underlying the performance curve instability are not fully understood yet. It is commonly believed, that the inlet triangle section of the vaned diffuser has an important role in the shape of the head-curve and instability.
The present work investigates the inlet triangle section design of the vaned diffuser and its influence on the head-curve instability of a centrifugal pump. For this purpose a model pump with a modular design has been developed. The pump represents a middle stage of a multistage pumpe with a specific speed of nq = 35 (min,m3/s, m) at design conditions. When designing the vaned diffuser, care was taken to ensure that only the area distribution in the inlet triangle section is changed, while the inlet angle, throat area and the guide-vane channel shape are kept unaffected. As a reference, a model variation with a vaneless diffuser has additionally been investigated. Besides classic performance characteristics the changing flow behavior was determined by evaluating the internal head curves. Furthermore, pressure pulsations occurring at various radial positions in the vaned diffuser and axial forces are evaluated
Von Bogotá nach Berlin: Erfolgspotential und Gestaltungsparameter von Employer Branding im Kontext der zielorientierten Anwerbung kolumbianischer Fachkräfte in Medizin, Lehre und Ingenieurwesen
Get PDFDiese Arbeit erweitert das Konzept des Employer Branding (EB) zu einem Framework, das speziell für die Anwendung durch Staaten geeignet ist, und integriert Elemente des National Branding (NB) und Cultural Branding (CB), um Deutschlands Herausforderungen im Bereich des Fachkräftemangels zu adressieren. Durch die theoriegeleitete Entwicklung und eine explorative Fallstudie, die Deutschland und Kolumbien in den Bereichen Medizin, Lehre und Ingenieurwesen vergleicht, offenbart die Studie die Notwendigkeit kulturell angepasster EB-Strategien. Sie zeigt, dass die Steigerung der Attraktivität Deutschlands als Arbeitgeber und die Verbesserung der Integration und Bindung internationaler Fachkräfte entscheidend sind, um im globalen Wettbewerb effektiv zu konkurrieren.This thesis extends the concept of Employer Branding (EB) into a framework tailored for national application, integrating elements of National Branding (NB) and Cultural Branding (CB) to address Germany's skilled labor shortages. Through theory-guided development and an explorative case study comparing Germany and Colombia in the fields of medicine, education, and engineering, the study reveals the necessity of culturally adapted EB strategies. It demonstrates how enhancing Germany’s attractiveness as an employer and improving the integration and retention of international professionals are crucial for effectively competing in the global talent market.Esta tesis amplía el concepto de Employer Branding (EB) en un marco adaptado para su aplicación nacional, integrando elementos de Branding Nacional (NB) y Branding Cultural (CB) para abordar la escasez de mano de obra cualificada en Alemania. A través del desarrollo guiado por la teoría y un estudio de caso exploratorio que compara Alemania y Colombia en los campos de medicina, educación e ingeniería, el estudio revela la necesidad de estrategias de EB culturalmente adaptadas. Demuestra cómo mejorar la atractividad de Alemania como empleador y mejorar la integración y retención de profesionales internacionales son cruciales para competir efectivamente en el mercado global de talentos