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Es ist davon auszugehen, dass weltweit etwa die Hälfte der industriell eingesetzten Wärme als Abwärme ungenutzt verloren geht (Quelle: Effiziente Energieversorgung durch Abwärme, Fachmagazin Energy 2.0, April 2012). Vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeit und Energieeffizienz ist es eine verantwortungsvolle Aufgabe, diese ungenutzte Energieressource schrittweise zu erschließen. Für die bisherige Vernachlässigung verfügbarer Energiequellen gibt es spezifische Gründe, die erkannt und projektbezogen möglichst ausgeräumt werden müssen. Dazu hat die Hochschule Osnabrück in Kooperation mit dem Kompetenzzentrum Energie und dem Landkreis Osnabrück eine Studie erstellt.
Regionales Wärmekataster Industrie - ReWIn
Diese Konzeptstudie schafft durch eine vorangestellte Recherche der bereits entwickelten Methoden und Technologien zur Abwärmenutzung eine Grundlage zur Potenzialabschätzung und Aufstellung eines Wärmekatasters für den Landkreis Osnabrück.
In der Studie werden für die typisch energieintensiven Branchen des Landkreises methodische Berechnungsansätze mit statistischen, branchenbezogenen Energiekennwerten und vorerst anonymisierten Unternehmensdaten neuartig kombiniert, um eine regionale Potenzialkarte der Abwärme zu erstellen. Die Studie wurde vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.
Management of agricultural processes is often troubled by disconnections and data transfer failures. Limited cellular network coverage may prevent information exchange between mobile process participants.
The research projects KOMOBAR and ISOCom designed, implemented und field-tested a delay tolerant platform for robust communication in rural areas and challenging environments. An adaptable combination of infrastructure-based cellular networks and infrastructure-free multihop ad hoc communication (WLAN) leads to a variety of new communication opportunities. Temporal storage and forwarding of data on mobile farm machinery as well as dynamic platform configurations during process runtime strongly enhance reliability and robustness of data transfers.
Die Nutzung von Sensorsystemen bei der teilflächenspezifischen Bewirtschaftung eines Schlags steigert den Ertrag sowie die Wirtschaftlichkeit des Pflanzenanbaus. Dennoch tragen weitere Faktoren zur optimalen Nährstoffversorgung einer Pflanze bei, als sie von solch einem lokal arbeitenden System erfasst werden. Um die Effizienz dieser Precision Farming Systeme auszubauen ist der nächste, hier erfolgreich durchgeführte Schritt die Anbindung der mobilen Landmaschine über das Internet an eine regionsübergreifende Datenanalyseplattform und die Ausführung zeitkritischer Optimierungsfunktionen auf der Landmaschine.
he development of context-aware applications is a difficult and error-prone task. The dynamics of the environmental context combined with the complexity of the applications poses a vast number of possibilities for mistakes during the creation of new applications. Therefore it is important to test applications before they are deployed in a life system. For this reason, this paper proposes a testing tool, which will allow for automatic generation of various test cases from application description documents. Semantic annotations are used to create specific test data for context-aware applications. A test case reduction methodology based on test case diversity investigations ensures scalability of the proposed automated testing approach.
For Delay-Tolerant Networks (DTNs) many routing algorithms have been suggested. However, their performance depends heavily on the applied scenario. Especially heterogeneous scenarios featuring known and unknown node movements as well as different kinds of data lead to either poor delivery ratios or exhausted network resources.
To overcome these problems this paper introduces Data-Driven Routing for DTNs. Data is categorized according to its requirements into priority queues. Each queue applies an appropriate DTN routing algorithm that fits the data requirements best. Simulation results show that Data-Driven Routing allows high delivery ratios for time-critical data while saving network resources during the transfer of less time-critical data at the same time.
Smart city applications in the Big Data era require not only techniques dedicated to dynamicity handling, but also the ability to take into account contextual information, user preferences and requirements, and real-time events to provide optimal solutions and automatic configuration for the end user. In this paper, we present a specific functionality in the design and implementation of a declarative decision support component that exploits contextual information, user preferences and requirements to automatically provide optimal configurations of smart city applications. The key property of user-centricity of our approach is achieved by enabling users to declaratively specify constraints and preferences on the solutions provided by the smart city application through the Decision Support component, and automatically map these constraints and preferences to provide optimal responses targeting user needs. We showcase the effectiveness and flexibility of our solution in two real usecase scenarios: a multimodal travel planner and a mobile parking application. All the components and algorithms described in this paper have been defined and implemented as part of the Smart City Framework CityPulse.
Ein modulares Framework zur Modellierung, Konfiguration und Regelung von kooperativen Agrarprozessen
(2016)
Die Komplexität vieler Agrarprozesse nimmt aufgrund von technischem Fortschritt, steigenden rechtlichen Anforderungen und Nachweispflichten beständig zu. Prozessketten werden in Kooperation verschiedener Akteure (Landwirt, Lohnunternehmer, Dienstleister, digitaler Vermittler, Behörde) gemeinsam bearbeitet, dokumentiert und geprüft. Ein ökonomisch und ökologisch ressourceneffizientes Management der Prozessausführung stellt eine Herausforderung für alle Akteure dar. Dynamische Prozessveränderungen führen vielfach zu manuellen Eingriffen in die Prozessregelung, die kostenintensive Verzögerungen verursachen. Das Forschungsvorhaben OPeRAte entwirft und evaluiert neu gestaltete Konzepte und Mechanismen zur durchgehenden Organisation und Regelung kooperativer Agrarprozesse. Es werden konfigurierbare und wiederverwendbare Module identifiziert, die sich an Prozessparameter anpassen und in artverwandten Prozessen erneut verwenden lassen. Das OPeRAte-Framework ermöglicht die Zusammenführung aller beteiligten Akteure und Ressourcen (Maschinen, Sensoren, Aktoren, Endgeräte, Server, Daten, etc.) über offene Schnittstellen. Prozessinhaber sollen durch autonome Prozesskonfigurationen und -adaptionen entlastet und durch Visualisierungen zu effizienten Entscheidungen befähigt werden. Die Konzepte dieses Beitrags dienen als Diskussionsgrundlage zur Formulierung von flexiblen und erweiterbaren Lösungsstrategien für die Landtechnik.
Der wirtschaftliche Druck in der Landwirtschaft mit weniger Ressourcen höhere Erträge zu erwirtschaften hat zu einer zunehmenden Automatisierung und Industrialisierung agrartechnischer Prozesse geführt. Die Vernetzung von kooperativen Agrarprozessen verfügt über außerordentliches wirtschaftliches Potenzial, birgt aber auch große Gefahren für die Datensicherheit. Daten werden vielfach nicht durch den Dateneigentümer erfasst, sondern von beauftragten Dienstleistern (z.B. von Lohnunternehmen). Bei einer Datenerfassung durch Dienstleister sind Datenzugriffe nicht kontrollierbar und nachträgliche Datenmanipulationen nicht auszuschließen. Datensicherheitslösungen aus anderen Wirtschaftsbereiche lassen sich nur unzureichend auf die Landtechnik übertragen. Dieser Beitrag stellt ein Basiskonzept zur bereichsübergreifenden Datensicherheit in der Landtechnik vor. Das Ziel des Konzeptes ist, die Datenhoheit durch den Eigentümer zu jeder Zeit zu gewährleisten und ausgewählte Prozessdaten manipulationssicher zu dokumentieren.
Our world and our lives are changing in many ways. Communication, networking, and computing technologies are among the most influential enablers that shape our lives today. Digital data and connected worlds of physical objects, people, and devices are rapidly changing the way we work, travel, socialize, and interact with our surroundings, and they have a profound impact on different domains,such as healthcare, environmental monitoring, urban systems, and control and management applications, among several other areas. Cities currently face an increasing demand for providing services that can have an impact on people’s everyday lives. The CityPulse framework supports smart city service creation by means of a distributed system for semantic discovery, data analytics, and interpretation of large-scale (near-)real-time Internet of Things data and social media data streams. To goal is to break away from silo
applications and enable cross-domain data integration. The CityPulse framework integrates multimodal, mixed quality, uncertain and incomplete data to create reliable, dependable information and continuously adapts data processing techniques to meet the quality of information requirements from end users. Different than existing solutions that mainly offer unified views of the data, the CityPulse framework is also equipped with powerful data analytics modules that perform intelligent data aggregation, event detection, quality
assessment, contextual filtering, and decision support. This paper presents the framework, describes ist components, and demonstrates how they interact to support easy development of custom-made applications for citizens. The benefits and the effectiveness of the framework are demonstrated in a use-case scenario
implementation presented in this paper.
Reliable information processing is an indispensable task in Smart City environments. Heterogeneous sensor infrastructures of individual information providers and data portal vendors tend to offer a hardly revisable information quality. This paper proposes a correlation model-based monitoring approach to evaluate the plausibility of smart city data sources. The model is based on spatial, temporal, and domain dependent correlations between individual data sources. A set of freely available datasets is used to evaluate the monitoring component and show the challenges of different spatial and temporal resolutions.
Protection and privacy of data in cooperative agricultural processes : the challenges of the future
(2016)
In agriculture, the growing usage of sensors, smart mobile machinery and information systems results in high volumes of data. The data differs in accuracy, frequency, volume, type and, most importantly, owner of the information. However, cooperative processes and big data analyses require access to comprehensive amounts of data for successful agricultural operation and reasoning. In some processes instructed contractors even gather data belonging to other owners and use it for machinery operation optimisation and accounting (e.g. yield in maize harvest). Today’s approach of data handling has a high potential to conflict with European and national regulations for data protection and privacy. This article presents a concept for continuous data protection and privacy in cooperative agricultural processes. The concept aims at ensuring data sovereignty for the owner while making as much data usable for process operation and big data research at the same time. Briefly explained, owners pick a collection of data and create usage licenses for other players. The licenses specify time-limited and / or position-bound access to the data collection. Privacy environments in soft- and / or hardware protect access rights on end user devices, data share hubs and machinery devices such as agricultural terminals. In addition to access right configurations, digital signatures prevent data manipulation when cooperative players capture data during processes. Socalled signature boxes represent certificated soft- or hardware components, which are located close at data sources (e.g. as hardware attached to sensors on mobile machinery) and bind the data captured with digital signatures.
Der Einsatz des ISOBUS zeigt, dass Bedarf an Datenkommunikation auch auf landtechnischen Gespannen besteht. Jedoch wird auch deutlich, dass der ISOBUS mit seiner relativ geringen Datenrate keine Ressourcenreserven für neue Anwendungen aufweist. Aus diesem Grund ist der Wechsel der Übertragungstechnologie für die Weiterentwicklung des ISOBUS zu einem High-Speed ISOBUS notwendig. Eine geeignete und im weiteren Verlauf näher betrachtete Technologie für den Wechsel ist Ethernet. Es wird gezeigt welche Potenziale für den ISOBUS durch Ethernet entstehen und welche Herausforderungen dabei bewältigt werden müssen.
The present study gives an overview of recent investigations dealing with the fatigue behaviour of the tempered martensitic steel 50CrMo4 (Fe-0.5wt%C-1wt%Cr) in the HCF and VHCF regime by taking into account a variation in material strength, by modifying the heat treatment parameters. The parameters for the tempering treatment were adapted to receive two material conditions with 37HRC and 57HRC, respectively. Subsequently, fatigue specimens were machined from the heat-treated bars for fatigue tests in an ultrasonic (f=20000Hz) and a resonance (f=95Hz) fatigue testing machine under fully reversed loading (R=-1) at laboratory air atmosphere. It was found that the dominant fatigue and fracture mechanisms change with increasing material strength. For 37HRC moderate-strength specimens crack initiation was shown to occur on the specimen surface within Cr depleted bands (segregation bands) as the dominant fatigue damage mechanism. Contrary to that, only internal crack initiation at non-metallic inclusions was observed for the high strength 57HRC condition. Furthermore, the completely different crack initiation mechanisms of the two heat treatment conditions were assessed by applying the Murakami approach relating the fatigue limit with the size of non-metallic inclusions.
This article proposes the concept of a simulation framework for environmental sensors with multilevel abstraction in agricultural scenarios. The implementation case study is a simulation of a grain-harvesting scenario enabled by LiDAR sensors. Environmental sensor models as well as kinematics and dynamic behavior of machines are based on the robotics simulator Gazebo. Models for powertrain, machine process aggregates and peripheral simulation components are implemented with the help of MATLAB/ Simulink and with the robotics middleware Robot Operating System (ROS). This article deals with the general concept of a multilevel simulation framework and in particular with sensor and environmental modeling.
Interpolation of data in smart city architectures is an eminent task for the provision of reliable services. Furthermore, it is a key functionality for information validation between spatiotemporally related sensors. Nevertheless, many existing projects use a simplified geospatial model that does not take the infrastructure, which affects events and effects in the real world, into account. There are various available algorithms for interpolation and the calculation of routes on infrastructure based graphs and distances on geospatial data. This work proposes a combined approach by interconnecting detailed geospatial data whilst regarding the underlying infrastructure model.
Aufgrund der zunehmenden Überdüngung landwirtschaftlicher Flächen durch Wirtschaftsdünger und Gärreste aus Biogasanlagen wird eine ökonomische und ökologische Vollaufbereitungstechnik zur Separation der Nährstoffe und zur Gewinnung von Prozesswasser aus Gärresten und Güllen benötigt. Das Vollaufbereitungsverfahren zur Düngemittelrückgewinnung durch mehrstufige Fest-/ Flüssigtrennung und Membrantechnik könnte diese Anforderungen durch eine intensive Optimierung der Ultrafiltrationsstufe erfüllen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Reduktion des Energiebedarfes der Ultrafiltrationsstufe um 50 %, da diese Prozessstufe ca. 50 – 70 % des Gesamtenergiebedarfes ausmacht. Damit wäre ein wirtschaftliches Vollaufbereitungsverfahren flächendeckend einsetzbar.
Für die Optimierung der Ultrafiltrationsstufe wurden Gärreste aus 19 Biogasanlagen in einem Stichprobenumfang von 42 Proben auf ihre physikalisch/chemischen Parameter und insbesondere das separierte Zentrat auf dessen Filtrierbarkeit in einer UF-Rührzelle untersucht. Im Allgemeinen zeigte sich eine hohe Schwankungsbreite der erzielbaren Permeatflüsse. Funktionelle Zusammenhänge wurden zwischen den organischen Inhaltsstoffen, der scheinbaren Viskosität der Zentrate und dem Ultrafiltrationsfluss gefunden. Gärrestzentrate weisen ein Nicht-Newtonsches rheologisches Fließverhalten auf. Hauptsächlich Biopolymere, darunter Polysaccharide und Proteine, sind sowohl für die erzielbare Flussleistung, als auch für das rheologische Verhalten relevant. Modifikation und Verringerung dieser kritischen Biopolymerfraktion bieten damit einen möglichen Optimierungsansatz, der in der Arbeit durch Ozonierung und Komplexbildung durch pH-Wert-Verschiebung realisiert wurde. Die Optimierung der Ultrafiltration wurde in drei verschiedenen Maßstäben untersucht: Labor-, Technikums- und Pilotmaßstab. Die Ozonierung zeigte dabei positive Eigenschaften in Bezug auf Flussverbesserungen und Abbau der Strukturviskosität. Durch die Modifikation und Verkleinerung der Biopolymere wurde in allen drei Maßstäben eine Flussverbesserung um den Faktor 1,4 – 2,3 erzielt.
Durch die Ansäuerung der Zentrate zu pH-Werten unterhalb der isoelektrischen Punkte der Proteine wurde eine Komplexbildung der Biopolymere erreicht, die bisher nur für Modellsysteme in der Literatur dargestellt wurde. Durch die Vergrößerung der Partikel um den Faktor 7 – 17 bei der Komplexierung wurde in allen drei Versuchsmaßstäben eine Verbesserung der Flussleistung um ca. Faktor 2 erzielt.
Die Temperaturerhöhung wurde in Rohrmodulen im Technikums- und Pilotmaßstab untersucht. Dabei zeigte sich bei einer Temperaturerhöhung von 40 – 45 °C auf 60 – 75 °C eine Verbesserung der Flussleistung um den Faktor 1,4, die auf die sinkende Permeatviskosität und eine verbesserte Deckschichtkontrolle zurückgeführt wurde. Die Kombination aus Ozonierung und hoher Prozesstemperatur zeigte synergetische Ergebnisse, da sowohl durch die hohe Prozesstemperatur, als auch durch die Ozonierung die Zentratviskosität herabgesetzt wurde. Dadurch wurde die Reynoldszahl im Rohrmodul erhöht, was einen positiven Einfluss auf die Filtrierbarkeit zeigte. Durch die erhöhte Reynoldszahl bestand die Möglichkeit, die Strömungsgeschwindigkeit im Ultrafiltrationsloop zu verringern, was einen wesentlichen Einfluss auf den Energiebedarf der Ultrafiltrationsstufe hat. Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine sehr gute Übertragbarkeit zwischen den Ergebnissen der verschiedenen Maßstäbe festgestellt. Die Ergebnisse des Labormaßstabes erlauben eine Vorhersage der Membranflüsse auf großtechnische Ultrafiltrationsanlagen. Trotz der hohen Diversität der beprobten Anlagen ermöglichten die Ergebnisse aufgrund des hohen Stichprobenumfanges mathematische Zusammenhänge zwischen den Biopolymeren und der temperaturabhängigen scheinbaren und temperaturabhängigen Viskosität von Gärrestzentraten.
Bei der energetischen Bilanzierung der Ultrafiltrationsanlage wurden an beiden Standorten in Summe sechs Verfahrensmodifikationen gefunden, die eine Reduktion des Energiebedarfes um ≥ 50 % ermöglichen. Diese Projektzielstellung wurde durch eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit, Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und durch die Ansäuerung erreicht. Der niedrigste Energiebedarf wurde durch die Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit erreicht. Der Energiebedarf wurde bei dieser Verfahrensmodifikation um 54 – 59 % reduziert.
In einer abschließenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer 50000 t∙a-1 Anlage an einem deutschen Standort wurde durch die KWK geförderte Wärmenutzung der wirtschaftlichste Fall für eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit festgestellt. Die spezifischen Gesamtkosten des volltechnischen Verfahrens wurden von 8 – 8,50 € pro Kubikmeter aufbereitetem Gärrest auf 5 – 5,50 € um 33,5 – 37,8 % reduziert. Nach Angaben der kooperierenden Firma ist damit ein wirtschaftlicher Anlagenbetrieb möglich.
Pregnancy loss is the most common complication in pregnancy. Yet those who experience it can find it challenging to disclose this loss and feelings associated
with it, and to seek support for psychological and physical recovery. We describe our process for
interleaving interviews, theoretical development, speculative design, and prototyping Not Alone to
explore the design space for online disclosures and
support seeking in the pregnancy loss context.
Interviews with 27 women who had experienced pregnancy loss resulted in theoretical concepts such as
“network-level reciprocal disclosure” (NLRD). We discuss how interview findings informed the design of
the Not Alone prototype, a mobile application aimed at enabling disclosure and social support exchange among those with pregnancy loss experience. The Not Alone prototype embodies concepts that facilitate NLRD: perceptions of homophily, anonymity levels, and selfdisclosure by talking about one’s experience and engaging with others’ disclosures. In future work, we will use Not Alone as a technology probe for exploring
NLRD as a design principle.
Biogas plants produce nutrient rich digestates as side products, which are usually used as local fertilisers. Yet the large amount and regional gradients of biogas plants in Germany necessitate management, conditioning, and transportation of digestates, in order to follow good fertilising procedure and prohibit local over-fertilisation. With a membrane-based treatment chain, i.e. centrifugation, ultrafiltration, and reverse osmosis, digestates can be separated into a solid N,P-fertiliser, a liquid N,K-fertiliser, and dischargeable water. Up to now, the high energy demand of the process chain, in particular the ultrafiltration step, limits the economical market launch of the treatment chain. A reduction of the energy demand is challenging, as digestates exhibit a high fouling potential and ultrafiltration fluxes differ considerably for digestates from different biogas plants. In a systematic screening of 28 digestate samples from agricultural biogas plants and 6 samples from bio-waste biogas plants, ultrafiltration performance could be successfully linked to the rheological properties of the digestate’s liquid phase and to its macromolecular biopolymer concentration. By modification of the fluid characteristics through enzymatic treatment, ultrafiltration performance was considerably increased by factor 2.8 on average, which equals energy savings in the ultrafiltration step of approximately 45%. Consequently, the energy demand of the total treatment chain decreases, which offers potential for further rollout of the membrane-based digestate treatment.
Simulation von Laserscannern in Pflanzenbeständen für die Entwicklung umfeldbasierter Funktionen
(2018)
Es werden drei Modellierungsansätze zur Simulation von Laserscannern in Pflanzenbeständen für die Entwicklung umfeldbasierter Fahrzeugfunktionen beschrieben. Das Sensorsignal der Distanzmessung wird dabei anhand realer Messwerte oder phänomenologisch und auf der Basis empirisch ermittelter Kennwerte in Abhängigkeit von objekt- und sensorspezifischen Einflussfaktoren abgebildet. Basierend auf den Methoden zur Simulation von Distanzmesssystemen der Open Source Simulationsumgebung Gazebo wurden die Modellierungsansätze als spezifische Sensor- und Umfeldmodelle implementiert. Die Modelle wurden insbesondere für den Einsatz an mobilen landwirtschaftlichen Arbeitsmaschinen und für die Anwendung in der Getreideernte optimiert.
Knowledge of the small-scale nutrient status of arable land is an important basis for optimizing fertilizer use in crop production. A mobile field laboratory opens up the possibility of carrying out soil sampling and nutrient analysis directly on the field. In addition to the benefits of fast data availability and the avoidance of soil material transport to the laboratory, it provides a future foundation for advanced application options, e.g. a high sampling density, sampling of small sub-fields or dynamic adaptation of the sampling line during field sampling. An innovative key component is the NUTRI-STAT ISFET sensor module. It measures values for the ions "NO3- ”, “H2PO4- " and "K+ " as well as the pH. The ISFET sensor module was specially developed for soil nutrient analysis. The phosphorus measurement was further developed for the project "soil2data". First results from the ISFET sensor module show a measurement signal settling time of significantly less than 100 seconds and a further consistent stable measurement signal. The measurement signal dynamics of approx. 58 mV per factor 10 of concentration change is given for the measured variables pH and K+. For the measured quantities of NO3- and H2PO4- , the measurement signal dynamics are lower.
High Performance and Privacy for Distributed Energy Management: Introducing PrivADE+ and PPPM
(2018)
Distributed Energy Management (DEM) will play a vital role in future smart grids. An important and often
overlooked factor in this concept is privacy. This paper presents two privacy-preserving DEM algorithms
called PrivADE+ and PPPM. PrivADE+ uses a round-based energy management procedure for switchable and
dynamically adaptable loads. PPPM utilises on the market-based PowerMatcher approach. Both algorithms
apply homomorphic encryption to privately gather aggregated data and exchange commands. Simulations
show that PrivADE+ and PPPM achieve good energy management quality with low communication requirements
and without negative influences on robustness.
In der Agrartechnik steht Landwirten und Lohnunternehmern eine steigende Anzahl digitaler Dienste zur Verfügung. Eine Modellierung, Ausführung und Steuerung von kooperativen Agrarprozessen ist aufgrund der verschiedenen, zueinander inkompatiblen IT-Lösungen nur eingeschränkt möglich. Es fehlt ein einheitlicher Standard zur Beschreibung dieser Prozesse. Der Beitrag stellt die Beschreibung von Agrarprozessen mit der Business Process Model and Notation (BPMN) dar. Domänenexperten (z.B. Landwirte, Lohnunternehmer, digitale Dienstanbieter) können kooperative Prozessabläufe plattformübergreifend gestalten, ohne dabei Prozessinterna mit anderen Akteuren teilen zu müssen. Als Brücke zwischen der kooperativen Prozessebene und der ausführenden Maschinenebene wird im Beitrag Message Queue Telemetry Transport (MQTT) eingesetzt: Mittels MQTT können Anweisungen und Informationen (z.B. Arbeitsaufträge, Statusdaten) zwischen beiden Ebenen in Echtzeit vermittelt und verarbeitet werden.
Die Unterstützung des Maschinenführers auf der Landmaschine durch digitale Dienste nimmt immer stärker zu. Die Darstellungsmöglichkeiten sind jedoch auf die Größe der eingesetzten Terminals beschränkt. Um Sichteinschränkungen aus der Kabine durch zusätzliche Terminals zu vermeiden, ist der Einsatz von Augmented Reality sinnvoll. Hier lassen sich die vorhandenen Informationen statisch oder dynamisch in das Sichtfeld des Landwirts einblenden. Doch erst durch die in diesen Beitrag gezeigte Overlay Darstellungsebene mit integrierten Informationen lässt sich das Potenzial der Augmented Reality vollständig nutzen.
Optimised Nutrient Recovery from Biogas Digestate by Solid/Liquid Separation and Membrane Treatment
(2019)
Anaerobic digestion products of agricultural biogas plants are characterised by high nitrogen, phosphorus, and potassium content. In three scale-up steps, a membrane based digestate treatment process of solid-liquid-separation, ultrafiltration, and reverse osmosis for nutrient recovery was investigated. Lab-scale trials delivered a very good understanding of fluid properties and subsequent ultrafiltration performance, which is the limiting process step in terms of energy demand and operation costs. In semi-technical experiments, optimisation, and design parameters were developed, which were subsequently applied to pilot-scale tests at two full-scale biogas plants. The process optimisation resulted in 50 % energy reduction of the ultrafiltration step. About 36 % of the sludge volume was recovered as dischargeable water, 20 % as solid N/P-fertiliser, and 44 % as liquid N/K-fertiliser.
We describe an automated approach, to easily track patients regaining their walking ability while recovering from neurological diseases like e.g. stroke. Based on captured gait data and objective measures derived out of it the rehabilitation process can be optimized and thus steered. In order to apply such system in clinical practice two key requirements have to be fulfilled: (i) the system needs to be applicable in terms of ease of use and performance; (ii) the derived measures need to be accurate.
The usage of high-level synthesis (HLS) tools for FPGAs has increased significantly over the last years since they matured and allow software programmers to take advantage of reconfigurable hardware technology.
Most HLS tools employ methods to optimize for loops, e. g. by unrolling or pipelining them. But there is hardly any work on the optimization of while loops. This comes at no surprise since most while loops have loop-carried dependences involving the loop condition which result in large recurrence cycles in the dataflow graphs. Therefore typical while loops cannot be parallelized or pipelined.
We propose a novel transformation which allows to optimize while loops nested within a for loop. By interchanging the two loops, it is possible to pipeline (and thereby parallelize) the inner loop, resulting in a reduced execution time. We present two case studies on different hardware platforms and show the speedup factors - compared to a host processor and to an unoptimized hardware implementation - achieved by our while loop optimization method.
A recently published study of high temperature nitridation of iron chromium aluminum alloys (FeCrAl) at 900°C in N2–H2 has redundantly shown the formation of locally confined corrosion pockets reaching several microns into the alloy. These nitrided pockets form underneath chromia islands laterally surrounded by the otherwise protective alumina scale. Chromia renders a nitrogen‐permeable defect under the given conditions and the presence of aluminum in the alloy. In light of these findings on FeCrAl, a focused ion beam–scanning electron microscope tomography study has been undertaken on an equally nitrided FeNiCrAl sample to characterize its nitridation corrosion features chemically and morphologically. The alloy is strengthened by a high number of chromium carbide precipitates, which are also preferential chromia formation sites. Besides the confirmation of the complete encapsulation of the corrosion pocket from the alloy by a closed and dense aluminum nitride rim, very large voids have been found in the said pockets. Furthermore, metallic particles comprising nickel and iron are deposited on top of the outer oxide scale above such void regions.
This paper describes the development and test of a novel LiDAR based combine harvester steering system using a harvest scenario and sensor point cloud simulation together with an established simulation toolchain for embedded software development. For a realistic sensor behavior simulation, considering the harvesting environment and the sensor mounting position, a phenomenological approach was chosen to build a multilayer LiDAR model at system level in Gazebo and ROS. A software-in-the-loop simulation of the mechatronic steering system was assembled by interfacing the commercial AppBase framework for point cloud processing and feature detection algorithms together with a machine model and control functions implemented in MATLAB/ Simulink. A test of ECUs in a hardware-in-the-loop simulation and as well as HMI elements in a driver-in-the-loop simulation was achieved by using CAN hardware interfaces and a CANoe based restbus simulation.
In der Schriftenreihe „Voneinander Lehren lernen“, die vom LearningCenter der Hochschule Osnabrück herausgegeben wird, werden anwendungsbezogene Beiträge zur Qualitätsentwicklung in Studium und Lehre publiziert.
Die Schriftenreihe ist an das hochschuldidaktische Konzept des „Scholarship of Teaching and Learning“ angelehnt. Demnach soll sie insbesondere den Fachlehrenden aller Studiengänge als Plattform dienen, um ihre eigenen Erfahrungen, Ideen und Konzepte zur Lehr- und Studiengangentwicklung systematisch zu reflektieren und entsprechende Erkenntnisse für andere nutzbar zu machen. Ziel ist es, den Diskurs über hochschuldidaktische Themen in die Fächer zu tragen und so nachhaltig zu einer hohen Qualität der Lehr-Lernprozesse in den Studiengängen beizutragen. Ergänzt werden die Texte der Fachlehrenden um Beiträge von Mitarbeiter*innen der im Bereich Studium und Lehre tätigen Organisationseinheiten.
Die Schriftenreihe ist eng an das Lehrkolleg der Hochschule Osnabrück gekoppelt. Dabei handelt es sich um ein Angebotsformat des LearningCenters, in dem Professor*innen und Lehrkräfte für besondere Aufgaben die Möglichkeit haben, unter hochschuldidaktischer Begleitung innovative Lehrentwicklungsprojekte in ihren eigenen Lehrveranstaltungen und Modulen umzusetzen. Der erste Band der Schriftenreihe enthält Beiträge von Teilnehmer*innen des Lehrkollegs 2018, in dem verschiedene Entwicklungsprojekte zur Förderung von Kompetenzen für selbstreguliertes Lernen durchgeführt wurden.
Der Beitrag beschreibt die Entwicklung eines Inverted Classroom Konzeptes für ein Informatik-Grundlagenfach an einer Hochschule. Basierend auf Vorlesungsaufzeichnungen und Vorlesungsskript wurde hierbei besonderes Augenmerk auf die Gestaltung der gemeinsamen Präsenzzeit zwischen Studierenden und Lehrenden gelegt. Durch zahlreiche aktivierende Elemente sind die Studierenden hierbei gefordert, ihren Lernprozess selbst zu gestalten, um somit über die fachlichen Kompetenzen des Faches hinaus auch überfachliche Kompetenzen, wie beispielsweise Kommunikations- und Kooperationskompetenz, Selbstlernkompetenz und Eigenverantwortung zu trainieren.
Der Einsatz paralleler Hardware-Architekturen betrifft alle Software-Entwickler und -Entwicklerinnen: vom Supercomputer bis zum eingebetteten System werden Multi- und Manycore-Systeme inzwischen eingesetzt. Die Herausforderungen an das Software Engineering sind vielfältig. Zum einen ist (wieder) ein stärkeres Verständnis für die Hardware notwendig. Ohne eine skalierbare Partitionierung der Software und parallele Algorithmen bleibt die Rechenleistung ungenutzt. Zum anderen stehen neue Programmiersprachen im Vordergrund, die die Ausführung von parallelen Anweisungen ermöglichen.
Dieses Buch betrachtet unterschiedliche Aspekte bei der Entwicklung paralleler Systeme und berücksichtigt dabei auch eingebettete Systeme. Es verbindet Theorie und praktische Anwendung und ist somit für Studierende und Anwender in der Praxis gleichermaßen geeignet. Durch die programmiersprachenunabhängige Darstellung der Algorithmen können sie leicht für die eigene Anwendung angepasst werden. Viele praktische Projekte erleichtern das Selbststudium und vertiefen das Gelernte.
The Internet of Things (IoT) relies on sensor devices to measure real-world phenomena in order to provide IoT services. The sensor readings are shared with multiple entities, such as IoT services, other IoT devices or other third parties. The collected data may be sensitive and include personal information. To protect the privacy of the users, the data needs to be protected through an encryption algorithm. For sharing cryptographic cipher-texts with a group of users Attribute-Based Encryption (ABE) is well suited, as it does not require to create group keys. However, the creation of ABE cipher-texts is slow when executed on resource constraint devices, such as IoT sensors. In this paper, we present a modification of an ABE scheme, which not only allows to encrypt data efficiently using ABE, but also reduces the size of the cipher-text, that must be transmitted by the sensor. We also show how our modification can be used to realise an instantaneous key revocation mechanism.
Various overoxidized poly(1H-pyrrole) (PPy), poly(N-methylpyrrole) (PMePy) or poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) membranes incorporated into an acrylate-based solid polymer electrolyte matrix (SPE) were directly electrosynthesized by a two-step in situ procedure. The aim was to extend and improve fundamental properties of pure SPE materials. The polymer matrix is based on the cross-linking of glycerol propoxylate (1PO/OH) triacrylate (GPTA) with poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) and lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) as a conducting salt. A self-standing and flexible polymer electrolyte film is formed during the UV-induced photopolymerization of the acrylate precursors, followed by an electrochemical polymerization of the conducting polymers to form a 3D-IPN. The electrical conductivity of the conducting polymer is destroyed by electrochemical overoxidation in order to convert the conducting polymer into an ion-exchange membrane by introduction of electron-rich groups onto polymer units. The resulting polymer films were characterized by scanning electron microscopy, cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy, differential scanning calorimetry, thermal analysis and infrared spectroscopy. The results of this study show that the combination of a polyacrylate-matrix with ion selective properties of overoxidized CPs leads to new 3D materials with higher ionic conductivity than SPEs and separator or selective ion-exchange membrane properties with good stability by facile fabrication.
The simulation of the residual stress field achieved by shot peening cannot be carried out on component-large models. Hence, an efficient unit cell model for the simulation of the shot peening process is developed. The model allows both, the simple inclusion of a pre-stress and the evaluation of the up-arching of the Almen strip. For this purpose, generalized coupling constraints for the periodic boundaries of the unit cell are developed. These allow for displacement and rotation of the coupled boundaries relative to each other. In the coupling constraints, this is accomplished by respective variables, which can either be prescribed to the analysis or read out as a result from the analysis. Hence, the unit cell can expand, shear, bend and twist under driving forces like, e. g., residual stresses or thermal effects. At the same time, deformations of the cell’s periodic boundary pairs are kept congruent by the generalized coupling. The ability to cover expansion is novel regarding known periodic boundary conditions. Also, the application of a generalized unit cell to shot peening is new.
Results obtained with the generalized unit cell are displayed, demonstrating its capabilities: A fundamental analysis of the residual stress field from shot peening shows inhomogeneities at a fatigue relevant level to be inevitable. A validation of the model was done by comparison with experimental Almen strip shot peening tests reported in literature. Shot peening under pre-stress is demonstrated and its results in terms of residual stress are evaluated. The application of the generalized unit cell is not limited to shot peening.
Kugelstrahlen ist ein im Maschinenbau eingesetztes Verfahren zur Steigerung der Ermüdungsfestigkeit. Es wird z. B. bei hochbelasteten Komponenten in der Luft- und Raumfahrt, der Fahrzeugtechnik, im Turbomaschinenbau und weiteren Industriezweigen angewandt. Die Einstellung der Betriebsparameter der Kugelstrahlanalage findet üblicherweise mit kostenintensiven empirischen Versuchen statt, mit dem Ziel, die vorgegebene Druckeigenspannung zu erreichen. In [1, 2] wird auf der Basis einer dort beschriebenen neuartigen Elementarzelle vorgeschlagen, die Almenstreifenaufbiegung als Mittel zur Spezifikation der Verfestigung heranzuziehen. Dazu ist deren Simulation notwendig, welche sich mit der entwickelten Elementarzelle wirtschaftlich bewerkstelligen lässt. In der hier vorliegenden Veröffentlichung werden die der Elementarzelle zugrundeliegenden Finite-Elemente-Netze (FE-Netze) mithilfe von Einzelbe-schussversuchen validiert. Weiterhin wird eine ähnlichkeitsmechanische Betrachtung des Kugelstrahlprozesses zur vereinfachten Parametereinstellung vorgestellt.
With the increasing size and complexity of embedded systems, the impact of software on energy consumption is becoming more important. Previous research focused mainly on energy optimization at the hardware level. However, little research has been carried out regarding energy optimization at the software design level. This paper focuses on the software design level and addresses the gap between software and hardware design for embedded systems. This is achieved by proposing a framework for software design patterns, which takes aspects of power consumption and time behavior of the hardware level into account. We evaluate the expressiveness of the framework by applying it to well-known and novel design patterns. Furthermore, we introduce a dimensionless numerical efficiency factor to make possible energy savings quantifiable.
This paper presents an optimized algorithm for estimating static and dynamic gait parameters. We use a marker- and contact-less motion capture system that identifies 20 joints of a person walking along a corridor.
Based on the proposed gait cycle detection basic metrics as walking frequency, step/stride length, and support phases are estimated automatically. Applying a rigid body model, we are capable to calculate static and dynamic gait stability metrics. We conclude with initial results of a clinical study evaluating orthopaedic technical support.
The objective of this review is a global assessment of the economics of second‐generation biorefineries, with a focus on the use of food waste and agricultural residues for chemical production by applying biotechnological processes. Analyses are conducted on feedstock and product distribution, applied economic models, and profitability figures for the period 2013–2018. In a study of 163 articles on different biorefinery systems, the production of chemicals is identified as the second major product class, after bioenergy. Bagasse and straw are frequently analyzed second‐generation feedstocks. Based on the evaluation of 22 articles, second‐generation biorefineries producing chemicals by applying biotechnological processes proves to be economically feasible. On average, both the internal rate of return (IRR) and the return on investment (ROI) are 20% and the payback period (PP) is 6 years. The cost share of feedstock in biorefineries is between 0–50%. The price of the end product and the fermentation yields have the most impact on profitability. The processing of food waste that has industrial and municipal origins appears more economical than the processing of agricultural residues. Scientists, policy makers and entrepreneurs with an appropriate risk tolerance are advised to pay particular attention to municipal food waste and the potential economic production of carboxylic acids. For various economic issues related to biorefineries, dynamic‐deterministic models are recommended, which can be extended by a stochastic model. This review provides an initial overview of the economic feasibility of second‐generation biorefineries. Further techno‐economic analyses are required to produce statistically significant statements on key profitability figures. © 2020 The Authors. Biofuels, Bioproducts, and Biorefining published by Society of Chemical Industry and John Wiley & Sons, Ltd.
Hintergrund Die physiotherapeutische Dokumentation spielt im Therapieprozess eine wichtige Rolle, erfolgt jedoch auf unterschiedlichste Weise. Es existieren derzeit eine Vielzahl von Softwarelösungen für die physiotherapeutische Dokumentation, welche sich jedoch in ihren Funktionalitäten stark unterscheiden. Ziel Mithilfe einer Befragung soll ein Konsens von Expertenaus der Physiotherapie im Themengebiet der softwarebasierten Dokumentation ermittelt werden. Anhand der Ergebnisse wird ein Anforderungskatalog für die Entwicklung einer neuartigen und benutzerorientierten Dokumentationssoftware erstellt. Methode Online-Delphi-Befragung mit neun Experten über drei Befragungswellen.
Ergebnisse Hinsichtlich der Anforderungen an die Anamnese konnte ein Konsens erzielt werden. Bei der Gliederung des Befundes kam es zu keiner Übereinstimmung der Experten. Das Ergebnis lässt sich durch unterschiedliche manualtherapeutische Konzepte erklären, die für die Befunderhebung verwendet wurden. Schlussfolgerung Eine softwarebasierte Dokumentation sollte standardisierter als bisher erfolgen, um den ClinicalReasoning-Prozess zu unterstützten. Gleichzeitig ist dabei eine gewisse Flexibilität geboten. Die gesammelten Anforderungen können für die Entwicklung einer neuartigen und benutzerorientierten mobilen Anwendung zur Effizienzsteigerung in der physiotherapeutischen Dokumentation verwendet werden.
Der nachfolgende Projektbericht, welcher im Rahmen des Masterprojektes und des Moduls „Bildgebende Sensortechnik“ erarbeitet wurde, ist wie folgt den beiden Fächern zuzuordnen.
Die Kapitel, welche sich mit der Inbetriebnahme und den Umgang des SICK RMS320 Radarsensors beschäftigen, sind Teil des Masterprojektes. Dies betrifft die Kapitel 2.2, 4.1, 4.3 und in Teilen das Kapitel 4.5.
Dem Modul „Bildgebende Sensortechnik“ sind hingegen die Messung des Einflusses von Kleidung auf die Erkennungsfähigkeit eines Menschen sowie die Radarmessungen der verschiedene Prüfkörper zuzuordnen. Dies wird in den Kapiteln 2.3, 3, 4.2, 4.4 und 4.5 behandelt.
Die „Grundlagen der Radartechnik“ sind für beide Teile gleichbedeutend wichtig.
Analysis of methods for prioritizing critical data transmissions in agricultural vehicular networks
(2020)
Applying wireless communication technologies to agricultural vehicular networks often results in high end-to-end delays and loss of packets due to intermittent or broken connectivity. This paper analyses the methods for the successful delivery of the vehicular data within acceptable delay times. Different kinds of data that are generated and transmitted in agricultural networks are considered in this paper, followed by the data prioritization methods which allow critical data to be prioritized against other data. In this regard, Enhanced Distributed Channel Access, Differentiated Services, and application-based data rate variation are discussed in conjunction with the Simple Network Management Protocol. These techniques are simulated or tested separately and then together and the results show that even in poor network conditions, high-prioritized data is not lost or delayed.
Process modeling languages help to define and execute processes and workflows. The Business Process Model and Notation (BPMN) 2.0 is used for business processes in commercial areas such as banks, shops, production and supply industry. Due to its flexible notation, BPMN is increasingly being used in non-traditional business process domains like Internet of Things (IoT) and agriculture. However, BPMN does not fit well to scenarios taking place in environments featuring limited, delayed, intermittent or broken connectivity. Communication just exists for BPMN - characteristics of message transfers, their priorities and connectivity parameters are not part of the model. No backup mechanism for communication issues exists, resulting in error-prone and failing processes. This paper introduces resilient BPMN (rBPMN), a valid BPMN extension for process modeling in unreliable communication environments. The meta model addition of opportunistic message flows with Quality of Service (QoS) parameters and connectivity characteristics allows to verify and enhance process robustness at design time. Modeling of explicit or implicit, decision-based alternatives ensures optimal process operation even when connectivity issues occur. In case of no connectivity, locally moved functionality guarantees stable process operation. Evaluation using an agricultural slurry application showed significant robustness enhancements and prevented process failures due to communication issues.
The effects of reaction parameters on Hurn:xwiley:23670932:media:cptc202000216:cptc202000216-math-0001 production from ethanol photocatalysis in the gas phase have been investigated. The photocatalytic activity evolves from an early mass‐transfer limited regime to an independent one at later irradiation times, which is interpreted in terms of a photocatalytic site activity distribution. Ethanol molar fraction exhibits two different domains, with Hurn:xwiley:23670932:media:cptc202000216:cptc202000216-math-0002 production increasing up to a molar fraction of 0.12, beyond which it plateaus. Hurn:xwiley:23670932:media:cptc202000216:cptc202000216-math-0003 :AcH ratios are very sensitive to reaction conditions, reaching 1.8 at low reactant flows. UV light is converted to Hurn:x-wiley:23670932:media:cptc202000216:cptc202000216-math-0004 with an efficiency of nearly 3 %.
Due to the resource-constrained nature of embedded systems, it is crucial to support the estimation of their power consumption as early in the development process as possible. Non-functional requirements based on power consumption directly impact the software design, e.g., watt-hour thresholds and expected lifetimes based on battery capacities. Even if software affects hardware behavior directly, these types of requirements are often overlooked by software developers because they are commonly associated with the hardware layer. Modern trends in software engineering such as Model-Driven Development (MDD) can be used in embedded software development to evaluate power consumption-based requirements in early design phases. However, power consumption aspects are currently not sufficiently considered in MDD approaches. In this paper, we present a model-driven approach using Unified Modeling Language profile extensions to model hardware components and their power characteristics. Software m odels are combined with hardware models to achieve a system-wide estimation, including peripheral devices, and to make the power-related impact in early design stages visible. By deriving energy profiles, we provide software developers with valuable feedback, which may be used to identify energy bugs and evaluate power consumption-related requirements. To demonstrate the potential of our approach, we use a sensor node example to evaluate our concept and to identify its energy bugs.