Fakultät IuI
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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.
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.
Auf vielen Landmaschinen wird der CAN-Bus zur Übertragung von Daten zwischen Sensoren, Aktoren und Steuergeräten genutzt. Anwendungen wie Rückfahrkameras und Bird-ViewAnzeigen erfordern in der Regel zusätzliche, breitbandige Kommunikationskanäle. Dieser Beitrag untersucht, inwieweit ein gemeinschaftliches Kommunikationsmedium auf Basis von Ethernet zur Realisierung aktueller und zukünftiger Anwendungen auf Landmaschinen genutzt werden kann. Zusätzlich wird der Einsatz aktueller Technologien wie Audio/Video Bridging, Time-Sensitive Networking und Wifi auf einem Landmaschinengespann untersucht und bewertet.
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.
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.
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.
Aufgrund der Folgen des Klimawandels bekommen klimaanpassende Maßnahmen immer mehr Bedeutung. Durch versiegelte Flächen und Starkregen können einerseits Überschwemmungen entstehen, anderseits führen Hitze und wenig Niederschlag zu Trockenheit und Wassermangel. Deswegen ist es wichtig, klimaanpassende Maßnahmen zu fördern und diese den Bürgern näher zu bringen.
Das Ziel dieser Bachelorarbeit ist, eine Webanwendung zu entwickeln, die die Bürger zur Nutzung von Regenwasser und zu Entsiegelungen als klimaanpassende Maßnahmen motiviert, indem Nutzern eine individuelle Berechnung der Kosten und des Nutzens angeboten wird. Dafür folgt die Entwicklung der Webanwendung dem menschzentrierten Gestaltungsprozess, um eine hohe Benutzerfreundlichkeit zu erreichen. Es werden Usability-Tests als Evaluation durchgeführt.
Die Ergebnisse der Evaluation zeigen, dass die entwickelte Webanwendung die Nutzer zufriedenstellt und die Anforderungen erfüllt. Der menschzentrierte Gestaltungsprozess ist für das betrachtete Themenfeld ein wirksames und zielführendes Vorgehen bei der Entwicklung interaktiver Systeme.
Today's development of client-side web applications is based on one of the JavaScript-frameworks, such as Angular or React. The excessive dependencies that arise in the ecosystem from the Node-Package-Manager increase the security risk and the dependency of your own web application on third-party packages. Moreover, the frameworkless approach proposes a renaissance of classic web development, because it strives to avoid external dependencies as far as possible and to fall back on the standards. Whether the implementation achieves maintainability and security of frameworks is questionable. Therefore, it makes sense to research which core concepts of the frameworks meet the requirements for maintainability and security and how these are implemented. The novelty is that the concepts to be explored are moved to a standard in order to ensure the developer efficiency, security, performance and maintainability in the long term. This allows existing approaches to focus on other essential features.
The 3GPP release 16 integrates TSN functionality into 5G and standardizes various options for TSN time synchronization over 5G such as transparent mode and bridge mode. The time domains for the TSN network and the 5G network are kept separate with an option to synchronize either of the networks to the other. The TSN time synchronization over 5G is possible either by using the IEEE 1588 generalized Precision Time Protocol (gPTP) based on UDP/IP multicast or via IEEE 802.1AS based on Ethernet PDUs. The INET and Simu5G simulation frameworks, which are both based on the OMNeT++ discrete event simulator, are widely used for simulating TSN and 5G networks. The INET framework comprises the 802.1AS based time synchronization mechanism, and Simu5G provides the 5G user plane carrying IP PDUs. We modified the 802.1AS-based synchronization model of INET so that it works over UDP/IP. With that, it is possible to synchronize TSN slaves (connected to 5G UEs), across a 5G network, with a TSN master clock, present within a TSN network, that is connected to the 5G core network. Our simulation results show that 500 microseconds of synchronization accuracy can be achieved with the corrected asymmetric propagation delay of uplink and downlink between the gNodeB (gNB) and the User Equipment (UE). Furthermore, the synchronization accuracy can be improved if the delay difference between uplink and downlink is known.
Recent real-time networking developments have enabled ultra reliability, very low latency and high data rates in wired networks. Wireless networking developments have also shown that they can achieve very high data rates with consistency, but they still lack in providing ultra reliability and extremely low latency. Time Sensitive Networking (TSN) developments have brought these capabilities in Industry automation and Automotive industry too. Although TSN is standardized for wired networks for a long time, for wireless networks it will be standardized within the IEEE 802.11be standard for Wi-Fi and 3GPP Release 17 for 5G in the near future. This paper provides an overview of TSN in wired and wireless networks with the aim of comparing different simulators and presenting their offered functionality and shortcomings. These tools can be used to make oneself familiar with TSN algorithms, standards, and for the development and testing of time sensitive networks. Afterwards, the paper discusses open research questions for using TSN over wireless networks.
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.
This paper presents a framework for OMNeT++ which includes time synchronization model for WLANs. Synchronization is based on the Generalized Precision Time Protocol (gPTP) standard, which aims to achieve an accuracy of less than 100 nanoseconds. The presented model is developed and implemented in OMNeT++, a discrete event network simulator, using its INET library. A new type of WLAN node is modeled which supports time synchronization at the Link layer. A clock module for WLAN nodes is also modeled which implements variable clock drift to simulate noise interference in clock frequency oscillators. Simulations with our WLAN nodes are done and the results show that using gPTP based time synchronization in wireless networks, accuracy of ±3ns can be achieved.
Im Modul Algorithmen und Datenstrukturen ist das Inverted Classroom Modell mit der Scrum-Methodik kombiniert. Die Studierenden erarbeiten die Inhalte des Moduls im Lernmanagementsystem mithilfe von Videoaufzeichnungen, digitalem Skript und interaktiven Übungseinheiten. Der Wegfall der klassischen Vorlesung ermöglicht mehr Zeit zur Beantwortung von Fragen, Diskussionen sowie der Reflexion des Erlernten durch Hörsaal-Quizze. Die Themen der Veranstaltung werden vorgegeben, aber die Bearbeitung erfolgt individuell und die Studierenden gestalten ihre eigenen Lernprozesse. Theorie und Praxis der Veranstaltung werden analog zur Scrum-Methodik in mehrwöchigen Sprints im Team bearbeitet. Die Aufgaben sind in den Kontext einer virtuellen Betriebssystemumgebung eingebettet und bauen aufeinander auf. Das Softwareprojekt wird hierzu als GitLab-Repository zur Verfügung gestellt. Die Verwendung von Git und integrierten Test-Routinen entsprechen einer realitätsnahen Vorgehensweise, wie sie in der Softwareentwicklung allgemein gängige Praxis ist.
Der Beitrag beschreibt als Werkstattbericht die Kombination des Inverted Classroom Modells mit der agilen Entwicklungsmethodik von Scrum zu einem Veranstaltungskonzept für ein Grundlagenfach der Informatik. Neben der fachspezifischen Lehre wird dadurch das Vorgehen die in der Informatik immer wichtiger werdende agile Entwicklungsmethodik zum überfachlichen Kompentenzerwerb adressiert. Der Beitrag stellt die Umsetzung der agilen Lehrmethodik vor und gibt erste Rückmeldungen aus Sicht von Studierenden und Lehrenden.
Der Beitrag beschreibt das Veranstaltungskonzept ICMScrum, welches die Ideen des Inverted Classroom mit Elementen aus Scrum kombiniert. Beginnend mit Anforderungen des aktuellen und zukünftigen Arbeitsmarktes werden die zentralen Elemente der Methodik anhand eines praktizierten Beispiels vorgestellt und kritisch diskutiert.
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.
Die Anforderungen an zukünftige Teilnehmende eines Arbeitsmarktes verändern sich. Das von Frithjof Bergmann begründete Prinzip der Neuen Arbeit (Bergmann, 2004) ist aktuell Gegenstand zahlreicher Diskussionen und Debatten über aktuelle und zukünftige Arbeitswelten. Die sich daraus ergebenden Kompetenzanforderungen passen mit der Lehre in Hochschulen wenig zusammen. Zunehmend werden agile Lernszenarien diskutiert.
Das Inverted Classroom Modell (ICM) erfreut sich seit einigen Jahren großer Beliebtheit in der Hochschullehre. Aus Studierendensicht ist die Teilnahme an einer ICM-Veranstaltung aber eine Herausforderung. Für ein erfolgreiches Lernen sind insbesondere personale Kompetenzen wie Selbstmotivation, Durchhaltevermögen und Selbstregulationskompetenz erforderlich (Pöpel & Morisse, 2019). Um diesem Umstand entgegenzuwirken, wurde vom Autor ICM mit Ideen aus Scrum für eine Informatik-Lehrveranstaltung kombiniert (siehe auch (Morisse & Heidemann, 2021)). Die Wirkung von Scrum kann sich nur entfalten, wenn die Arbeit in einzelne Sprints aufgeteilt wird und bei der Bearbeitung der Sprints auch die eigene Zusammenarbeit im Rahmen einer Retrospektive kritisch reflektiert wird. Zu diesem Zweck wird der gesamte Inhalt der Lehrveranstaltung in eine Anzahl von thematischen Blöcken aufgeteilt, die als Lehr- und Lerninhalte für die Lern-Sprints der Scrum-Umsetzung werden. Für jeden Themenblock müssen die theoretischen Inhalte erarbeitet sowie eine eigenständige Zusammenfassung formuliert werden. Ergänzend dazu wurde ein Software-Produkt definiert, in dessen Rahmen die theoretischen Inhalte einfließen konnten.
Die Durchführung eines Reviews und einer Retrospektive schließen bei Scrum einen Sprint ab. Genau dies lässt sich auch im Hochschulkontext sehr gut als Feedback-Instrument durchführen. Das Review bestand in der Inspektion der entwickelten Software. Mit der Retrospektive wird die eigene Zusammenarbeit im Team kritisch reflektiert. Ein besonderes Augenmerk verdient der kommunikative Stil zwischen Lehrenden und Studierenden. Bei einem Veranstaltungskonzept, welches getragen wird von Interaktion und Diskussion, kommt einer empathischen und wertschätzenden Kommunikation eine besondere Bedeutung zu. Das dies in der vorgestellten Veranstaltung scheinbar gelungen ist, zeigt das Zitat eines der teilnehmenden Studierenden „Ich freue mich immer auf die Review-Termine“. Zur Erinnerung: Das Review ist der Termin zur Vorstellung des erreichten Ergebnisses, also eher ein Prüfungs-Setting, bei dem Studierende ihre Arbeit präsentieren. Weitere positive Resonanzmerkmale durch die Studierenden waren die hoffnungsvollen Fragen, ob denn die Veranstaltungen im kommenden Semester auch nach ICMScrum organisiert sind.
Das Interesse am Lehrkonzept des Inverted Classroom (ICM) erfreut sich in den letzten Jahren zunehmender Beliebtheit und mit Beginn der Corona-Pandemie und dem damit verbundenen Umstieg auf Online-gestützt Lehrformate ist es noch einmal deutlich gestiegen. Beim ICM wird die Phase der Wissensvermittlung aus der Präsenzphase der traditionellen Lehrveranstaltung umgedreht: Was bisher während der gemeinsamen Veranstaltungszeit präsentiert wurde, wird nun über Texte, Videos u.a. in eine vorgelagerte Selbstlernphase aus der Veranstaltungszeit ausgelagert. Die gemeinsame Präsenzzeit wird für aktives Lernen, Vertiefung, Diskussion oder andere aktive Formate genutzt. Das Inverted Classroom Modell wird Disziplin- und veranstaltungsübergreifend in der Lehre sowohl in Schulen wie auch Hochschulen genutzt.
Die von Sutherland und Schwaber entwickelte Scrum-Methodik ist ein etabliertes Vorgehensmodell in der Software-Entwicklung und dem Projektmanagement. Scrum bietet durch definierte Rollen, Artefakte und Ereignisse einen Rahmen in dem inkrementell an der Entwicklung eines Produktes gearbeitet werden kann. Diese Inkremente werden in Arbeitszyklen (Sprints) erarbeitet, bei denen die stetige Verbesserung des Produktes und der Arbeitsweise im Fokus stehen. Mit eduScrum oder Scrum4Schools wird Scrum in die Lehre übertragen.
Es liegt auf der Hand, dass sich die Konzepte des ICM und Scrum sehr gut ergänzen und die Scrum Methodik einen formalen Rahmen für ICM bieten kann.
Der Beitrag beschreibt die Umsetzung dieser Kombination agiler Methodiken aus Scrum im Kontext des Inverted Classroom in einer Informatik-Grundlagenveranstaltung an der Hochschule Osnabrück.
Wie können wir die Lehre heute gestalten, wenn wir nicht wissen, was morgen gebraucht wird?
Unter dieser Perspektive werden aktuelle Herausforderungen und Chancen universitärer Bildung betrachtet. Ausgehend von einer höheren organisatorischen Perspektive übergehend zu der Mikroperspektive einer einzelnen Lehrveranstaltung. Die Rolle von generativen KI-Systemen wird betrachtet.
Der Begriff New Learning im Kontext von New Work wird aufgegriffen und in Anlehnung an das Agile Manifesto der SW-Entwicklung wird ein agiles Manifest für die Lehre formuliert. Dieses wird in den Zusammenhang mit den sog. Zukunftskompetenzen oder Future Skills gebracht.
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 %.
The energy transition involves various challenges. One key aspect is the decentralization of power generation, which requires new actors. In order to integrate these into the system in the best possible way, there are various approaches e.g. in cooperation in citizens' initiatives or cooperatives (Dorniok, 2016).
Cooperation in general can enable the implementation of certain business models or can increase profitability by the exploitation of economies of scale (Skovsgaard & Jacobsen, 2017; Theurl, 2010). Synergy effects result from the utilization of know-how, different technologies or resources of the partners involved to complement the own competencies and services (Eggers & Engelbrecht, 2005; Sander, 2009). Cooperation exists in various industries and enable the participating companies to compensate their size-related resource deficits (Glaister & Buckley, 1996; Todeva & Knoke, 2005). This creates the opportunity to develop innovations, open up new markets, exploit newly created economies of scale and share costs and risks (Franco & Haase, 2015). In agriculture, cooperation in the form of cooperatives have been of essential importance for a long time, especially with the aim of exploiting synergy effects (Bareille et al., 2017). In the field of renewable energy development, cooperation in form of citizen cooperatives make a significant contribution to the participation of citizens in political, social and financial aspects of the energy transition (Huybrechts & Mertens, 2014). Energy cooperatives are frequently discussed as a potential actor in the energy transition and are increasingly being established to advance the common interests of stakeholders. For example, the joint operation of decentralized power generation plants can involve new actors in the energy transition through regional cooperation (Walk, 2014).
Existing biogas plants in Germany need new business models after the 20-year Renewable Energy Sources Act feed-in tariff expires. For continued operation, a business model innovation is needed, which can be realized based on the different technical utilization pathways. Cooperation can have a significant impact on the profitability of the different business models, especially by exploiting synergy effects (Karlsson et al., 2019). In addition, cooperation can help to ensure that existing plants continue to operate at all.
Currently, the most widespread use of biogas in Germany is in the coupled generation of electricity and heat. Additionally, there is the possibility of upgrading biogas to biomethane or biogenic hydrogen path (Mertins & Wawer, 2022).
Different options for cooperative business models that exist in the biogas utilization pathways are presented. The focus is on explaining the advantages of a joint approach compared to single-farm business models and identifying the relevant actors. Subsequently, drivers and barriers for the different cooperative business models are identified and classified based on 20 semi-structured interviews with plant operators in the administrative district of Osnabrück. The aim is to identify drivers and barriers for cooperative post-EEG operation. As a result, political instruments are to be found that make it possible to involve relevant actors and thus stimulate the best possible continued operation from the point of view of the energy system. The results are structured according to the PESTEL analysis. This assigns drivers and barriers to the categories political, economic, sociocultural, technological, ecological and legal (Kaufmann, 2021). The analysis of the interviews is supplemented and validated by a literature review.
Drivers and barriers for cooperative business models are manifold and can vary mainly depending on the plant and the operator.
Drivers
• Political
o Promotion of renewable energies: reduce dependence on fossil (Russian) fuels
• Economic
o Expectation of synergies (information sharing, shared risk, economies of scale)
o Planning security (fixed supply or purchase contracts)
o Access to new markets (not accessible by single-farm business models)
o Cost savings by sharing infrastructure, technology
o Positive return expectation
• Sociocultural
o Motivating, innovative environment
o Lowers barriers to participation in new markets
o Target-oriented partnerships
o Better use of capacities and strengths
o Strengthening regional value creation
• Technological
o Economies of scale (efficiency)
o Available, mature technology
o Storable, transportable gas
o Well-developed infrastructure
• Ecological
o Increase in plant efficiency
o Reduction of greenhouse gas emissions
o Promotion of the circular economy by utilization of organic waste and agricultural residues
o Improving soil quality (fermentation residues as fertilizer)
Barriers
• Political
o Competition to other renewable energies
• Economic
o Uncertainty about future development of energy markets
o Disagreements between the cooperation partners
o Lack of flexibility due to longer-term contractual obligations
o Allocation of profits
• Sociocultural
o Cooperation with current competitor
o Cultural differences and lack of trust
o Acceptance by the general public (e.g. overproduction of maize)
• Technological
o Different technology that is difficult to combine
o Data protection
• Ecological
o Competition for agricultural land
o Use of monocultures
o Emissions from plant
o Pollution from transport
• Legal
o Legal requirements and regulations
o Unfavorable regulatory environment, e.g. long permitting process
One finding is that uncertainty is a major barrier for plant operators. This includes uncertainty about regulatory frameworks and political requirements, as well as about the general development of the energy markets. In addition, social factors such as lack of reliability and disagreement about revenue sharing are a potential barrier. A key driver for the implementation of cooperative business models is the expectation of synergy effects. In addition, operators are driven by a positive expectation of returns and the responsibility for securing the energy supply in times of crisis.
The drivers identified can now be used to develop strategies to advance cooperative business models. In particular, synergy effects should be exploited so that operators can benefit from cooperation. The advantages can also be highlighted and communicated to increase acceptance among the general public. Another important step is to reduce the barriers discussed above. In order to reduce social barriers in particular, it may be advisable to include an external partner in the cooperation, such as a municipal utility that operates an upgrading plant and concludes purchase agreements with the individual partners. In addition, it would be politically expedient to provide the operators with a clear framework for the future in order to reduce uncertainties. As a further aspect, knowledge transfer on new technologies and markets should take place.
The expiry of national subsidies for biogas in Germany means that new business models are needed. Furthermore, hydrogen is expected to make a significant contribution to the energy transition in the future. Therefore, potentials for the production of hydrogen from biogas are identified in this study. A joint upgrading infrastructure is developed that models the collaborative upgrading of biogas to hydrogen for existing biogas plants with subsequent gas grid injection. Furthermore, regions are identified that are particularly suitable as pioneer regions in Germany due to a high potential for green hydrogen production and comparatively low costs for hydrogen production. The modeling shows that collaborative upgrading achieves significant cost savings compared to single-farm upgrading. Furthermore, the potential for hydrogen production from biogas and the costs of upgrading differ significantly within the administrative districts in Germany.
Nach dem Auslaufen der 20-jährigen Förderung über eine Einspeisevergütung im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) gibt es für deutsche Biogasanlagen diverse technische Möglichkeiten für einen Weiterbetrieb. Neben der Wirtschaftlichkeit sind die Anlagenbetreibenden ein wesentlicher Entscheidungsfaktor für den Weiterbetrieb der Anlage. Somit ergibt sich die zentrale Fragestellung „Welche Treiber und Hemmnisse für Betreibende von Bestandsbiogasanlagen in Deutschland bestehen in den verschiedenen Nutzungspfaden für Biogas, sowie für kooperative Geschäftsmodelle?“. Die Erkenntnisse können unter anderem dafür genutzt werden, die Situation der Anlagenbetreibenden besser zu verstehen, um notwendige Unterstützung für einen Weiterbetrieb, beispielsweise durch Kommunen, zur Verfügung stellen zu können.
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.
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.
Knowledge of the maximum friction coefficient µmax between tire and road is necessary for implementing autonomous driving. As this coefficient cannot be measured via existing serial vehicle sensors, µmax estimation is a challenging field in modern automotive research. In particular, model-based approaches are applied, which are limited in the estimation accuracy by the physical vehicle model. Therefore, this paper presents a data-based µmax estimation using serial vehicle sensors. For this purpose, recurrent artificial neural networks are trained, validated, and tested based on driving maneuvers carried out with a test vehicle showing improved results compared to the model-based algorithm from previous works.
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.
Reibermüdung ist ein Phänomen, welches an den Kontakträndern von in Berührung ste-henden, kraftübertragenden Bauteilen beobachtet werden kann. Typische Maschinenele-mente, die in diesem Mode versagen können, sind z. B. die Schwalbenschwanzverbindung sowie ihre Ableger, die mehrzahnigen Tannenbaumfixierungen. In der Literatur beschrie-bene Untersuchungen weisen für Flachproben mit Reibbrücken ein Lebensdauerverhalten mit einem lokalen Minimum über der Anpresskraft der Reibbrücken aus. Die vorliegende Arbeit untersucht mithilfe des Sines-Ermüdungskriteriums, kombiniert mit Grenzwerten gemäß FKM-Richtlinie, ob ein solches Verhalten auch für die Schwalbenschwanzverbin-dung zutrifft. Im Gegensatz zur Reibbrückenanordnung mit separater Einleitung von kon-stanter Pressung und Längslastamplitude fluktuieren bei der Schwalbenschwanzverbin-dung die Anpresskraft und Zugkraft mit der einzigen am Hals eingeleiteten Last.
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.
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.
Compliance of agricultural AI systems : app-based legal verification throughout the development
(2024)
Significant advances in artificial intelligence (AI) have been achieved; however, practical implementation in agriculture remains limited. Compliance with emerging regulations, such as the EU AI Act and GDPR, is now vital, even for non-critical AI systems. Developers need tools to assess legal compliance, which is complex, often requiring full legal advice. To address this issue, we are developing a support app that simplifies the legal aspects of AI system development, covering the entire lifecycle, from conception to distribution. The current app, which covers the key legal area of copyright and will soon include GDPR and the AI Act, aims to bridge the gap between AI research and agriculture. An evaluation of our app by experts from both the legal and the IT domains shows that the app assists the developers so that they make legally correct statements. Consequently, it promotes legal compliance and awareness among developers, contributing to the seamless integration of AI into agriculture. The need for compliant AI systems in various industries, including agriculture, will only increase as regulations evolve.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) operates in the ISM band with 868 MHz, where the Time on Air (ToA) is regulated in the EU to 1 %. LoRaWAN nodes use the Adaptive Data Rate (ADR) algorithm to adapt their data rates during operation. The standard ADR algorithm works well with stationary nodes, however is very slow in the adaptation for mobile nodes. This paper introduces a new ADR algorithm for LoRaWAN that is supported by higher level meta-data for sensor streams, namely Quality of Information (QoI). With the help of QoI it is possible to provide additional information to the new ADR algorithm, reducing the convergence time and thus improving the Packet Delivery Ratio (PDR) of data from mobile sensor nodes. The new algorithm requires only modifications on network server side and keeps backwards compatibility with LoRaWAN nodes. Results show a significant better PDR compared to the standard ADR in scenarios with a limited number of mobile nodes.
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.
Knowledge of the small-scale nutrient status of a field is an important basis for decision-making when it comes to optimising the fertiliser use in crop production. Currently, the traditional method involves soil sampling in the field and soil sample analysis in the laboratory as two separate working processes.
The previous research project "soil2data" developed a mobile field laboratory for different carrier vehicles. In the follow-up project "prototypes4soil2data", the results of soil2data are further developed. A mixed soil sample is collected during the drive on the field. The soil sample is then wet-chemically prepared and analysed. The overall soil sampling and analysis process is divided into the following process steps: soil sampling planning, soil sampling, soil preparation, soil analysis and data management. The process steps are modified for the mobile field laboratory and the process steps run in parallel. The new soil extraction method is based on official German methods (VDLUFA) to ensure the interoperability of the analysis results with the VDLUFA fertiliser recommendations. An innovative key component is the NUTRISTAT analysis module (lab-on-chip with ISFET measurement technology). It can measure pH, the nutrients NO3-, H2PO4-, K+ and the electrical conductivity. In addition to the advantages of rapid data availability and no need to transport soil material to the laboratory, it provides a future basis for new application, e.g. verification of current results in the field during soil sampling with existing results or dynamic adjustment of soil sampling during work in the field.
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.
Innerhalb eines Forschungsprojektes wurde ein Energiesystemoptimierungsmodell entwickelt, das mögliche Geschäftsmodelle als Weiterbetriebsoptionen für Biogasanlagen betrachtet. Insbesondere der Einfluss von fluktuierenden Strommarktpreisen und variierenden Treibhausgasquoten soll kritisch im innerdeutschen Kontext beleuchtet werden.
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.
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.