Forschungsbericht 2014/2015

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FORSCHUNGSBERICHT
2014/2015
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Vorwort
Die Hochschule Furtwangen (HFU) mit ihren drei
Standorten Furtwangen, Villingen-Schwenningen und
Tuttlingen und deutlich über 6000 Studierenden ist eine
der größeren Hochschulen für Angewandte Wissenschaften des Landes Baden-Württemberg. Die Lehre mit
innovativen Studienangeboten, die Weiterbildung und die
Forschung sind wichtige Profilelemente der Hochschule
Furtwangen und eng miteinander verflochten. Gerade mit
dem eingeleiteten verstärkten Ausbau unserer Masterstudiengänge kommt der Forschung auch für die Lehre
wachsende Bedeutung zu. Unsere jüngsten, im Herbst
2014 gestarteten Masterstudiengänge Advanced Precision Engineering, Mechatronische Systeme, Mobile Systeme, Mikromedizin und Nachhaltige Bioprozesstechnik
betreffen Themen, auf denen hoher FuE-Bedarf besteht
und auf denen auch an der HFU intensiv geforscht wird.
Unsere Absolventen sollen durch ihr Studium befähigt
werden, zukünftige Aufgaben wissenschaftlich fundiert zu
lösen. Viele unserer Masterabsolventen qualifizieren sich
nach ihrem Masterabschluss übrigens auch akademisch
weiter und promovieren.
Die Hochschule betreibt angewandte Forschung.
Anwendungsorientierung heißt dabei für uns in der
Forschung, die Umsetzbarkeit der Ergebnisse in Produkte,
Verfahren oder Dienstleistungen im Auge zu behalten und
Forschungsfragen gerade aus Anforderungen und Fragen
der Industrie heraus zu bearbeiten. In der Lehre stellen
wir uns auf veränderte und erhöhte berufliche Anforderungen durch Aktualisierung unserer Studiengänge, aber
auch durch neue Studienprofile, die zu neuen Berufsprofilen führen, ein. Zur Anwendungsorientierung gehört für
uns die enge Partnerschaft mit Unternehmen, insbesondere der Region. Viele Themen der Forschung entstehen
dabei zunächst in studentischen Projekten oder kleineren
Forschungs- und Entwicklungsaufgaben. Im Idealfall
resultieren daraus größere FuE-Projekte im Verbund
mit Firmen sowie universitären und außeruniversitären
Forschungseinrichtungen, die mit öffentlicher Förderung
und mehr Wirkung fortgesetzt werden können.
Die „Forschungslandschaft“ der HFU hat sich in den
letzten Jahren quantitativ und qualitativ vergrößert:
Neben den seit vielen Jahren herausragenden Forschungsschwerpunkten unseres Instituts für Angewandte
Forschung (IAF) – der Produktionstechnik, insbesondere
mit dem Kompetenzzentrum für Schleiftechnologie und
Feinstbearbeitung (KSF), und Smart Systems, insbesondere im Bereich der Mikrosystemtechnik, – gehört der
Forschungsschwerpunkt „Medical Technologies“ zu den
am stärksten wachsenden Bereichen. Die verstärkte Forschungsleistung spiegelt dabei wieder, dass der Bereich
der „Lebenswissenschaften“ heute ein Kernprofil der
HFU ist und viele neue Professorinnen und Professoren
gerade in den letzten Jahren hier berufen wurden.
Die Hochschule strebt an, ihre Position als eine der
forschungsstärksten Fachhochschulen des Landes
Baden-Württemberg zu halten und auszubauen. Dazu
werden in den nächsten Jahren mehrere so genannter
W3-Stellen mit klarem Forschungsbezug und geeigneter
Ausstattung besetzt und so eine Schwerpunktbildung in
der Forschung gefördert, von der wir wichtige Impulse
für die Forschung erwarten. Die Forschungsleistung wird
zunehmend auch bei der Verteilung der Ressourcen als
Parameter eingehen.
Auch am Hochschulcampus Tuttlingen werden wir
nach Ausbau des Lehrangebots in enger Absprache mit
der regionalen Industrie unsere Forschungsaktivitäten
steigern.
Ein starkes Forschungsprofil der Hochschule eröffnet
unseren Studierenden und Absolventen neue, interessante Perspektiven für ihre berufliche Karriere: Neben
dem Erwerb praktischer Forschungskompetenz durch
Mitarbeit in Forschungsprojekten eröffnet sich unseren
Masterabsolventen immer mehr auch der Weg zu Promotionen. Viele Promovierende fertigen in Kooperation
mit Partneruniversitäten ihre wissenschaftliche Arbeit
an der HFU an. Die Sicherung der Qualität dieser bei
uns laufenden Promotionen wird durch das Kooperative
Promotionskolleg der HFU gewährleistet. Im Kooperativen Promotionskolleg werden die bei uns arbeitenden
Promovierenden betreut und mit Qualifizierungs- und
Weiterbildungsmaßnahmen wissenschaftlich gefördert.
Wir haben uns damit auch strukturell auf die in den
letzten Jahren stark geänderten Aufgaben und Profilelemente einer Hochschule für Angewandte Wissenschaften eingestellt.
Wie in den vergangenen Jahren gibt der vorliegende
Forschungsbericht 2014/2015 wieder nur einen exemplarischen Überblick über die laufenden Forschungsprojekte. Sie, liebe Leserin und lieber Leser, sind herzlich
eingeladen, unsere Kompetenzen noch besser kennen zu
lernen und zu nutzen. Wenn Sie Interesse haben an dem
einen oder anderen Gebiet – kommen Sie auf uns zu!
PROF. DR. ROLF SCHOFER
REKTOR
Prof. Dr. Rolf Schofer, Rektor
Forschungsbericht der Hochschule Furtwangen 2014 | 2015
3
Inhalt
Inhaltsverzeichnis
VORWORT
8
34
Angewandte Forschung an der Hochschule Furtwangen:
Unsere Beiträge zur Gestaltung der Zukunft
Prof. Dr. Ulrich Mescheder
MEMS-Geruchssensorik zur Unterstützung
von Pflege und diskretem Leben
M.Sc. Thomas Bier, Prof. Dr. Dirk Benyoucef,
Dr. Wolfgang Kronast, Prof. Dr. Ulrich Mescheder
10
Kontaktinformationen
GESUNDHEIT
38
Patienten-spezifische Vorhersagemodelle
für Organversagen bei Intensivpatienten
Prof. Dr. Matthias Kohl, Dr. Astrid Genet
42
12
Zentrum für Angewandte Forschung: Assistive Systeme
und Technologien zur Sicherung sozialer Beziehungen und
Teilhabe für Menschen mit Hilfebedarf
Prof. Dr. Christophe Kunze, Sprecher des ZAFH-AAL
Prof. Dr. Knut Möller, Prof. Dr. Ulrich Mescheder, Prof. Dr. Dirk
Benyoucef, Prof. Dr. Christoph Reich, M.Sc. Miguel Reyes
Adame, M.Sc. Philipp Klein, M.Sc. Madeleine Berger,
M.Sc. Carina Rosencrantz, M.Sc. Hendrik Kuijs
20
Automatisierte Modellselektion in der modellbasierten
Entscheidungsunterstützung
Dr. Jörn Kretschmer, M.Sc. Axel Riedlinger,
Prof. Dr. Knut Möller
24
Sensorkombination zur Optimierung der Beurteilung von
Ventilationsverteilungen der Lunge
M.Sc. Benjamin Schullcke, M.Sc. Sabine Krüger-Ziolek,
Dr. Zhanqi Zhao, Prof. Dr. Knut Möller
Öffentliche Forschung zu sozialer Teilhabe
älterer Menschen auf dem Land
Dr. Peter Biniok, Prof. Dr. Stefan Selke
46
AAL-Forschung am Puls der Zeit im
Experimentallabor Future Care Lab
Prof. Dr. Christophe Kunze, M.Sc. Alexander Bejan
SICHERHEIT
50
Von der Risikoanalyse zur
steuerungsabhängigen Sicherheitsfunktion
Prof. Dr. Ulrich Weber, B.Sc. Tim Giardina, B.Sc. Nikita Kies,
M.Sc. Fabian Kratzke
54
28
Auditierung von rechenschaftspflichtigen
Cloud-Infrastruktur-Anbietern
Prof. Dr. Christoph Reich, M.Sc. Thomas Rübsamen
Den Mechanismen der Metastasierung auf der Spur
Prof. Dr. Margareta M. Müller
58
30
Schadenskunde und Systematik der Schadensklärung
Prof. Dr. Hadi Mozaffari-Jovein
Identifizierung Präbiotika-abbauender Bakterien im Darm
von Mäusen und Menschen
M.Sc. Elena Herrmann, B.Sc. Florian Ludwig,
Dr. Christian Riedel, Prof. Dr. Markus Egert
4
Inhalt
UMWELT
62
Einsatz eines Pikosekundenlasers
zur Mikrostrukturierung von cBN-Schleifscheiben
B.Sc. Tim Luckstein, M.Sc. Ali Zahedi,
Prof. Dr. Bahman Azarhoushang
66
Laserspektroskopie von Gasen mit Kapillar-Lichtwellenleitern
Dr. Volker Lange, Dr. Andras Kovacs, Prof. Dr. Robert Hönl
70
Miniaturisiertes Spektrometer für neue Ansätze in der Analytik
M.Sc. Alexey Ivanov, M.Sc. Isman Khazi,
Dr. Andras Kovacs, Prof. Dr. Ulrich Mescheder
74
Nachhaltigkeit im Gepäck: Kommunikation
und Bildung für Nachhaltige Entwicklung
M.Sc. Felix Hollerbach, Dr. Michaela Hölz,
Prof. Dr. Stefan Selke
78
Chrom(VI)-freie Beizen –
ein Schritt zur umweltfreundlichen Galvanik
Prof. Dr. Andreas Fath, Philipp Walter Neek
82
Mikroplastikbelastung im Rhein
B.Sc. Jonas Loritz, Dipl.-Ing. Helga Weinschrott,
Prof. Dr. Andreas Fath
86
Effektiver und nachhaltiger Gewässerschutz –
Projekt “Rheines Wasser”
Prof. Dr. Andreas Fath, Dipl.-Ing. Helga Weinschrott,
B.Sc. Anne Jenner
98
Systemsimulation eines Pedelecs – ein dynamisches Modell
für virtuelle Tests
Prof. Dr. Frank Allmendinger, David Schulz
KOMMUNIKATION
102
Miniaturisiertes taktiles Mensch-Maschine-Interface
Prof. Dr. Ulrich Mescheder, M.Sc. Rui Zhu
104
Event Processing
Prof. Dr. Bernhard Hollunder, Dipl.-Inform. Alexander Wahl
108
Korrektur optischer Abbildungsfehler
im Kontext stereoskoper Videoproduktionen
Prof. Dr. Thomas Schneider, Prof. Nikolaus Hottong
112
Der Weg zu glasfaserbasierter
Breitbandinfrastruktur in Baden-Württemberg
Prof. Dr. Jürgen Anders
116
Kulturtechnik Wischen –
Eine Medientheorie neuer mobiler Nutzungsgesten
Prof. Dr. Oliver Ruf
118
Werbung im Maschinenbau heute und morgen
Prof. Jörg Jacobi M.A., B.Sc. Tatjana Kautz
MOBILITÄT
90
Zukunftstrends des Fachkräftemangels
der Berufskraftfahrer in der Logistik
Prof. Dr. Jochen Baier
122
Autorenverzeichnis
126
94
Publikationen der HFU 2013
Handlungsstrategien für die
Risikoabsicherung von Logistikknoten
Prof. Dr. Guido Siestrup, Dipl.-Kffr. Claudia Breuer
134
Studienangebot der HFU
5
Impressum
Impressum
Herausgeber
Rektor der Hochschule Furtwangen
Prof. Dr. Rolf Schofer
Redaktion
Prof. Dr. Ulrich Mescheder (verantwortlich)
Caroline Armbruster
Verantwortlich für den Inhalt
Autoren der jeweiligen Beiträge
Gestaltung
vmm wirtschaftsverlag gmbh & co. kg
Titelseite, Inhalts- und Autorenverzeichnis: flipping rocks GbR, Augspurger & Hepting, Furtwangen
www.flippingrocks.de
Produktion
vmm wirtschaftsverlag gmbh & co. kg
Kleine Grottenau 1
D-86150 Augsburg
www.vmm-wirtschaftsverlag.de
Fotos und Bildnachweise
Autoren der Fachbeiträge
Gestaltete Portraits: Fotografie Bernd Müller, Augsburg
S. 24, S. 42: Fotografie Bernd Müller, Augsburg
Titelmotiv: Organotypisches 3D-Zellkultur-Modell zur Untersuchung von Tumor-Stroma-Interaktionen
Fotografie Bernd Müller, Augsburg
Nachdruck auch nur in Teilen nur nach vorheriger Abstimmung mit der Hochschule Furtwangen.
6
Im
Zusammenschluss
stark
Erfolg braucht innovative Forschung.
Die MS Spaichingen freut sich auf Ihren Ideenreichtum!
Persönlicher Erfolg und Unternehmenserfolg sind eng miteinander verbunden. In mehr als 45 Jahren hat sich MS ständig
weiterentwickelt, heute sind wir eine erfolgreiche, global agierende Unternehmensgruppe mit Hauptsitz in Spaichingen
sowie Produktionsstätten in Zittau, Grünhain und Webberville im Staat Michigan, USA. MS ist größer und vielschichtiger
als die meisten Hersteller: In den Geschäftsbereichen Powertrain Technology und Ultrasonic Technology entwickeln,
konstruieren und fertigen wir eine Vielzahl innovativer Lösungen. So wurde MS in den letzten Jahren mehrfach und seit
2011 jährlich als einer der 100 Top-Innovatoren des deutschen Mittelstandes ausgezeichnet.
Im Bereich Lehre und Forschung arbeiten wir seit Jahren erfolgreich mit staatlichen Hochschulen zusammen. Falls auch
Sie sich in einem spannenden und dynamischen Umfeld mit Ihrem Wissen und Ihren Ideen einbringen möchten, würden
wir uns sehr über eine Kontaktaufnahme freuen.
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Vorwort des Prorektors
Angewandte Forschung an der Hochschule Furtwangen:
Unsere Beiträge zur Gestaltung der Zukunft
Angewandte Forschung heißt für uns, sich immer
wieder mit neuen Fragestellungen zu beschäftigen,
die sich aus gesellschaftlichen, industriellen oder
politischen Anforderungen ergeben und deren
Lösung wissenschaftliche Methoden verlangen.
PROF. DR. ULRICH MESCHEDER
PROREKTOR FÜR FORSCHUNG
Auch im vorliegenden Forschungsbericht haben
wir daher die Beiträge nicht nach wissenschaftlichen Fachdisziplinen geordnet, sondern aus
„Anwendungsperspektive“. „Megathemen“ sind
hier die Gesundheit in einer zunehmend älter
werdenden Gesellschaft, die Sicherstellung
von logistischen Versorgungsstrukturen und die
Bewahrung (oder sogar Verbesserung) der ökologischen Grundlagen unseres Lebens bei gleichzeitigem Erhalt unseres Lebensstandards. Hinzu
kommt der „Hunger“ nach Informationen einer
vernetzten Welt, deren technologische Grundlage
die Informations- und Kommunikationstechnik ist.
Als Hochlohnland und im internationalen Wettbewerb benötigt Deutschland eine permanent
abrufbare Innovationsfähigkeit. Wir wollen mit
diesem Forschungsbericht beides zeigen: wie wir
als Hochschule auf gesellschaftliche und politische
Fragestellungen reagieren und welche innovativen
Beiträge an der Hochschule in der angewandten
Forschung entstehen. Dabei ist es nicht unser
Anspruch, Details der Forschungsergebnisse
in einer wissenschaftlichen Tiefe darzustellen,
die für wissenschaftliche Veröffentlichungen in
Fachzeitschriften üblich ist. Wesentlich für uns ist
vielmehr, einen Eindruck zu vermitteln, mit welchen
Fragestellungen wir uns bei den oben genannten
„Megathemen“ beschäftigen und welche Methoden und Lösungsansätze genutzt werden.
Forschung ist ein wesentliches Profilelement
unserer Hochschule. Für die HFU als Hochschule für Angewandte Wissenschaften sind
Forschungsergebnisse und wissenschaftliche
Erkenntnisse aus angewandter Forschung auch
die Basis für Inventionen, die im Idealfall durch
Kooperation mit Unternehmen für innovative
Verfahren und Produkte genutzt werden. Insbesondere mit kleinen und mittelständischen
Unternehmen (KMU) der Region ist die angewandte Forschung der Hochschule Furtwangen
eng verknüpft. Darüber hinaus sind unsere
Forschungsarbeiten auch national und international bestens vernetzt.
Die drittmittelorientierte Forschung wird im Institut für Angewandte Forschung (IAF), der zentralen
fakultätsübergreifenden Einrichtung für Forschung
an der HFU, gebündelt. Das IAF ist der zentrale
FuE-Dienstleister der HFU. Unsere Erfahrungen
im „Projekt- und Antragsgeschäft“ geben wir
übrigens auch gerne an unsere Industriepartner,
insbesondere KMU, weiter.
Tabelle 1: Forschungsschwerpunkte der Hochschule Furtwangen.
8
Am IAF bestehen die in Tabelle 1 aufgelisteten
Forschungsschwerpunkte. In diesen Schwerpunkten laufen jährlich über 60 aus Drittmitteln
finanzierte Projekte pro Jahr, die wettbewerblich
eingeworbenen Drittmittel betragen dabei inzwischen deutlich über 3 Mio. Euro. Bemerkenswert
ist hier, wie erfolgreich die Forscherinnen und
Forscher der Hochschule im Wettbewerb mit
anderen Forschungsdienstleistern Drittmittel
einwerben: Für jeden Euro Grundförderung werden mehr als zehn Euro Drittmittel eingeworben
(Abbildung 1). Nimmt man nur die Grundfinanzierung des Landes als Referenz, so ist der Hebelfaktor sogar zwanzigfach!
Forschungsleistung dokumentiert sich auch an der
Veröffentlichungsleistung der Hochschule: Die über
240 Veröffentlichungen des Jahres 2013 sind im
Anhang mit den bibliographischen Angaben dokumentiert. Diese Aufstellung soll einmal die wissenschaftliche Breite und Tiefe der Forschung dokumentieren, die deutlich über die Arbeiten in diesem
Forschungsbericht hinausgeht, sie soll andererseits
aber auch eine Vertiefung der einzelnen Beiträge
dieses Forschungsberichts ermöglichen.
Erfolgreicher Transfer setzt die Sicherung der
exklusiven Nutzbarkeit von Forschungsergebnissen
bei der industriellen Umsetzung voraus. Hierzu
dienen insbesondere Patente. So entstanden aus
den Projekten in 2013 vier Patente.
Gemessen an Drittmitteln für Forschungsprojekte
und Veröffentlichungen nimmt die HFU im Vergleich
der Hochschulen für Angewandte Wissenschaften
in Baden-Württemberg eine führende Position ein.
Starke Forschungsleistung eröffnet unseren
Studierenden und Absolventen neue Perspektiven:
Studienprojekte oder Thesisarbeiten in Projekten
mit klarer Forschungsausrichtung sind eine
besondere „Visitenkarte“ für die weitere, auch
akademische Karriere, insbesondere, wenn daraus
Veröffentlichungen entstehen. Drittmittelfinanzierte
Forschungsprojekte sind eine gute Möglichkeit für
unsere Absolventen, als Forschungsmitarbeiter
sehr konkrete FuE-Erfahrungen zu sammeln: Viele
der rund 60 Mitarbeiter, die an der Hochschule
Furtwangen in FuE-Projekten beschäftigt sind, und
viele der rund 30 an der HFU Promovierenden sind
Absolventen unserer Hochschule.
Forschung eröffnet ja mittlerweile auch an einer
Fachhochschule einen besonderen wissenschaftlichen Karriereweg: die Promotion. Rund 30 Hochschulangehörige promovieren mit ihrer Forschungsarbeit derzeit an der HFU, wobei sie dann die Arbeit
an kooperierenden Universitäten einreichen. An
mehreren Beiträgen dieses Forschungsberichts sind
junge, promovierende Wissenschaftler beteiligt.
Die nochmals gesteigerte Forschungsleistung erfordert auch eine Anpassung der Forschungsstrukturen: daher werden wir am IAF in den nächsten
Abbildung 1: Forschungsdrittmittel der Hochschule in den letzten Jahren im Vergleich zur Grundförderung.
Leistungsorientiert erhält die Hochschule regelmäßig Bonusmittel für erfolgreiche Forschung.
Jahren für starke Forschungsgruppen Institute
gründen. Die Gründung von Instituten unterliegt
dabei einem qualitätsgestütztem Verfahren: Unsere
Forschungsinstitute haben also schon „Leistung“
gezeigt! Schauen Sie auf unsere Internetseite, was
sich aktuell in der Forschung an der HFU tut, auch
welche Institute schon das Qualitätssiegel bekommen haben: www.forschung.hs-furtwangen.de.
Detaillierte Kontaktinformationen in diesem
Forschungsbericht sollen Ihnen helfen, direkt die für
Sie richtigen Ansprechpartner an der Hochschule zu
finden, darüber hinaus möchte ich aber auch auf die
nachfolgenden Kontaktadressen im IAF verweisen,
wo man Ihnen die richtigen Ansprechpartner für
Ihre Fragestellung nennen kann. Selbstverständlich
garantieren wir eine vertrauliche Behandlung Ihrer
Fragestellungen.
Und natürlich gilt auch an dieser Stelle: Gerne
nehmen wir Ihre Wünsche und FuE-Aufgaben auf!
Prof. Dr. Ulrich Mescheder, Prorektor für Forschung
9
Kontaktinformationen
www.forschung.hs-furtwangen.de
Furtwangen
Villingen-Schwenningen
Tuttlingen
Robert-Gerwig-Platz 1
78120 Furtwangen
Tel. 07723 920-0
Fax 07723 920-1109
Jakob-Kienzle-Str. 17
78054 Villingen-Schwenningen
Tel. 07720 307-0
Fax 07720 307-3109
Kronenstraße 16
78532 Tuttlingen
Tel. 07461 1502-0
Fax 07461 1502-6201
Institut für Angewandte Forschung – Schwerpunkte und Ansprechpartner
10
Geschäftsführender Leiter
07723 920-2232
[email protected]
Stellvertretender Leiter
07720 307-4390
[email protected]
Forschungsreferentin
Dr. Manuela Philipp
07723 920-2104
[email protected]
Marketing
Caroline Armbruster
[email protected]
07723 920-2100
PRODUKTIONSTECHNIK
Prof. Dr. Franz Aßbeck
07723 920-2172
07720 307-4215
Prof. Dr. Bahman Azarhoushang
Prof. Dr. Hadi Mozaffari
07461 1502-6624
Prof. Dr. Guido Siestrup
07723 920-2240
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
MEDICAL TECHNOLOGIES
Prof. Dr. Hans-Peter Deigner
07720 307-4757
07720 307-4554
Prof. Dr. Markus Egert
Prof. Dr. Gerd Haimerl
07720 307-4379
Prof. Dr. Matthias Kohl
07720 307-4746
07720 307-4390
Prof. Dr. Margareta Müller
07720 307-4231
Prof. Dr. Kai Röcker
07723 920-2954
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
SMART SYSTEMS
Prof. Dr. Dirk Benyoucef
07723 920-2342
Prof. Dr. Paola Belloni
07720 307-4553
Prof. Dr. Volker Bucher
07720 307-4748
07723 920-2232
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
WEBBASIERTE INFRASTRUKTUREN UND ANWENDUNGEN
Prof. Dr. Ullrich Dittler
07723 920-2527
Prof. Dr. Harald Gläser
07723 920-2408
Prof. Dr. Bernhard Hollunder
07723 920-2407
Dr. Thomas Jechle
07723 920-2670
Prof. Dr. Friedbert Kaspar
07723 920-2415
Prof. Dr. Christoph Reich
07723 920-2324
Prof. Dr. Ulf Schreier
07723 920-2153
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
INNOVATIONSFORSCHUNG UND GENDERFORSCHUNG
Prof. Dr. Ulrike Busolt
07720 307-4248
07720 307-4744
Prof. Dr. Eva Kirner
[email protected]
[email protected]
GESELLSCHAFT, GESUNDHEIT, NACHHALTIGKEIT
Prof. Dr. Christophe Kunze
07723 920-2583
Prof. Dr. Thomas Oppenländer
07720 307-4223
Prof. Dr. Sabine Prys
07723 920-2226
07723 920-2873
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11
Gesundheit
ZENTRUM FÜR ANGEWANDTE FORSCHUNG: ASSISTIVE SYSTEME
UND TECHNOLOGIEN ZUR SICHERUNG SOZIALER BEZIEHUNGEN
UND TEILHABE FÜR MENSCHEN MIT HILFEBEDARF
Prof. Dr. Christophe Kunze, Sprecher des ZAFH-AAL
The ZAFH-AAL (German: Zentrum für angewandte Forschung an Hochschulen für Ambient Assisted Living; English: centre for applied research for ambient assisted living) was founded in 2013 by Furtwangen University. Aim
is to create innovative systems and technologies that support autonomy and participation for elderly people and
persons with special needs. These systems and technologies are developed in an interdisciplinary consortium
integrating engineering and social sciences.
PROF. DR. CHRISTOPHE KUNZE
Fakultät Gesundheit,
Sicherheit, Gesellschaft
Sprecher Zentrum für
Angewandte Forschung Ambient Assisted Living (ZAFH-AAL)
Forschungs- und Lehrgebiete:
Konzeption assistiver Systeme,
Ambient Assisted Living
Tel. 07723 920 2583
[email protected]
Im ZAFH-AAL (Ambient Assisted Living, dt. umgebungsunterstütztes Leben), das 2013 unter Leitung der HFU
gegründet wurde, werden innovative Systeme und Technologien zur Unterstützung eines selbstständigen Lebens
bis ins hohe Alter sowie zur Sicherung sozialer Beziehungen und Teilhabe für Menschen mit Hilfebedarf erforscht.
Derartige Ansätze werden mit Blick auf die demographische Entwicklung und auf Grund des Bedürfnisses einer
immer größer werdenden Gruppe hochbetagter Bürger/innen, möglichst lang autark im gewohnten Umfeld zu
leben, dringend benötigt. Die Besonderheit des Projekts
besteht in der engen Verflechtung zwischen technischen
und sozialwissenschaftlichen Forschungsarbeiten
(Abb. 1). Im ZAFH-AAL arbeiten Wissenschaftler aus den
Ingenieurwissenschaften, der Informatik, der Soziologie,
der Pflegewissenschaft sowie der Gerontologie in
konkreten interdisziplinären Projekten zur Entwicklung
neuer Assistenzsysteme zusammen. Begleitend werden
aber auch grundlegende Fragen zu Anforderungen,
Trends und Rahmenbedingungen für AAL-Systeme in
einem partizipativen Diskurs u.a. zu ethischen, sozialen
und rechtlichen Fragen untersucht.
Das ZAFH-AAL wird zunächst für 3 Jahre gefördert.
Folgende Teilprojekte werden durchgeführt:
Entwicklung und Optimierung einer zusätzlichen
haptischen Sensorik für ältere bzw. sensorisch
behinderte Menschen
■■ µ-AAL: Entwicklung eines miniaturisierten Körpergeruchssensors
■■ Erfassung der Verhaltens- und Bewegungsmuster im
häuslichen Umfeld durch Beobachtung des Verbrauchsprofils von Energie, Wasser und Gas
■■ IT-gestützte Situationserkennung, Kommunikation und
Intervention: Entwicklung geeigneter Systeme zur
Informationsanalyse, Interventionsmechanismen und
deren Überführung in Unterstützungsdienstleistungen
■■ Person centered environment for information,
communication and learning (PCEICL): Entwicklung
einer altersgerechten, webbasierten Informations-,
Kommunikations- und Lernplattform
■■ Qualitative und quantitative sozialwissenschaftliche
Grundlegung zu Anwendung und Nutzen von AALTechnologien
■■ Prospektiver Diskurs über Ambient Assisted Living
Durch die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit und den
projektübergreifenden Charakter des Verbunds können
im ZAFH neben den konkreten Forschungsprojekten auch
grundsätzliche Fragestellungen und Querschnittsaspekte
diskutiert und bearbeitet werden. Das ZAFH-AAL leistet
hierdurch über die Teilprojekte hinaus einen Beitrag zu
Identifikation und Bearbeitung von Forschungsbedarfen
beispielsweise zu ethischen Aspekten oder Entwicklungsund Evaluationsansätzen für AAL-Lösungen, die dem
Forschungsfeld insgesamt Impulse geben.
■■
In der nachfolgenden Darstellung werden die Teil
projekte vorgestellt, die unter HFU-Projektleitung
durchgeführt werden.
Kooperationspartner im ZAFH-AAL:
■■ Hochschule Furtwangen
■■ Hochschule Ravensburg-Weingarten
■■
Katholische Hochschule Freiburg
■■ Universität Freiburg
■■ FZI Forschungszentrum Informatik
Abb. 1: Interdisziplinärer Forschungsansatz im ZAFH-AAL.
12
Gesundheit
Teilprojekt 1: Ergänzung der Wahrnehmung bei reduzierter Sinnesleistung – Entwicklung und
Optimierung einer zusätzlichen haptischen Sensorik für ältere bzw. sensorisch behinderte Menschen
Prof. Dr. Knut Möller, M.Sc. Miguel Reyes Adame
According to a recent report of the World Health Organization, 81.7% of all 39 million blind people worldwide are
50 years and older. These people have an inherent risk towards walking disabilities. However, established navigation aids for the blind such as white canes provide limited assistance. Therefore, current research in the field
of Ambient Assisted Living focuses on extending the user’s environmental perception using external sensors. Our
system robustly detects and warns users about positive and negative obstacles and transmits the environmental
information to the user through a haptic feedback.
Mit zunehmendem Alter leiden viele Menschen an einer
Sehbehinderung und sind häufig auch in ihrer Mobilität
so sehr beeinträchtigt, dass sie eine Gehhilfe benötigen.
Dies schränkt die Betroffenen meist in ihrer Fähigkeit
zur selbstständigen Orientierung, Fortbewegung und
gesellschaftlicher Teilhabe ein. Herkömmliche Hilfen
für Sehbehinderte wie beispielsweise der Blindenstock
bieten diesen Personen, die zusätzlich an einer Gehbehinderung leiden, nur begrenzt Hilfe. Daher entwickeln
wir, in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe für
Autonome intelligente Systeme der Albert-LudwigsUniversität Freiburg, einen intelligenten Rollator, der
mit Abstandssensoren ausgestattet seine Umgebung
erfassen und Hindernisse sowie Gefahren erkennen
kann. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein System zu entwickeln, welches in der Lage ist, seh- und gehbehinderte
Menschen durch Vibrationssignale in ihrer Mobilität zu
unterstützen.
Unser System besteht aus einem handelsüblichen
Rollator (Abb. 1b), der mit zwei Laserscannern ausgestattet die Umgebung als dreidimensionale Punktwolken
(Abb. 1c) erfasst. Beide Laserscanner messen dabei
den Abstand zu Objekten im Raum in einer Ebene. Durch
das automatisierte Schwenken eines Laserscanners
kann ein Großteil der Umgebung dreidimensional
erfasst werden. Der zweite Laserscanner dient zur
Erfassung der Eigenbewegung des Rollators. Die
Information über die Lage und Entfernung zu den
Hindernissen werden über kodierte Vibrationen an den
Handgriffen des Rollators und mittels eines Vibrationsgürtels (Abb. 1a) an den Benutzer weitergegeben.
PROF. DR. KNUT MÖLLER
Leiter des Instituts
für Technische Medizin
Lehrgebiet: Medizinische
Informatik
Tel. 07720 307 4390
[email protected]
Ergebnisse und Ausblick
Aktuell ist unser System in der Lage sowohl positive
Hindernisse (Wände, Einrichtungsgegenstände etc.), als
auch negative Hindernisse (abfallende Bordsteinkanten
oder Treppen) zu detektieren. Im Rahmen der „SightCity“, Deutschlands größter Fachmesse für sehbehinderte Menschen, konnte das System vorgestellt werden
und von interessierten sehbehinderten und gesunden
Messebesuchern getestet werden. Die Testpersonen
konnten nach einer kurzen Einweisung Kollisionen mit
Hindernissen mithilfe des Rollators vermeiden.
Der Fokus zukünftiger Arbeit liegt auf der Evaluierung
des Gesamtsystems, weshalb Versuche mit älteren und
sehbehinderten Personen geplant sind.
M.SC. MIGUEL REYES ADAME
Akademischer Mitarbeiter
am Institut für Technische
Medizin (ITeM)
Forschungsgebiete:
Verbesserung der Wahr
nehmung der Umgebung für
blinde und sehbehinderte
Menschen, Bewegungsanalyse,
Sensorik
Tel. 07720 307 4603
[email protected]
Abb. 1: a) Vibrationsgürtel mit Bluetooth Empfänger und Stromversorgung. Auf dem Gürtel sind 5 Vibrationsmotoren in einem Winkelabstand von
45° angebracht. b) Intelligenter Rollator mit Datenverarbeitungseinheit, festem und schwenkbarem Laserscanner. c) Dreidimensional erstellte Karte
der Umgebung aus den Laserscannerdaten.
13
Gesundheit
Teilprojekt 2: µ-AAL –
Entwicklung eines miniaturisierten Körpergeruchssensors
In „µ-AAL“ – microsystems for AAL applications – microsystem based solutions for AAL are investigated. As in the
ZAFH-AAL in general, this project does not consider only the technical part (contribution from IMTEK, Universität
Freiburg, and the research groups of Prof. Benyoucef and Prof. Mescheder), but takes also into account the research
results obtained by partners from the social science perspective (Hochschule Ravensburg-Weingarten). Here, especially the demands of the end users are investigated and transferred to product specifications. Additionally, caretaking,
ethic and psychological aspects are considered. Specifically, a sensor system is developed which allows to measure
incontinence related odors. The system should help mobile people with permanent or temporary (e.g. Stoma-patients)
incontinence to participate in daily life activities and to overcome psychological uncertainty to meet other people.
Fakultät Mechanical
and Medical Engineering
Forschungsgebiete:
Mikrosysteme, Mikround Nanotechnologie
Prorektor und Leiter des
Instituts für Angewandte
Forschung der HFU
Tel. 07723 920 2232
[email protected]
In „µ-AAL“ geht es um die Erforschung von Lösungen für
AAL, die auf mikrosystemtechnischen Verfahren beruhen.
Grundsätzlich können mit mikrosystemtechnischen
Methoden alle Sensoren, die z.B. älteren Menschen
helfen Gefährdungen zu erkennen, oder auch physiologische Daten von Personen zu erfassen, sehr kostengünstig
realisiert werden. Neben technischen Fragen – wie
realisiert man eine spezifische Messaufgabe – steht im
ZAFH-AAL-Verbund die Verknüpfung mit sozialwissenschaftlichen oder gerontologischen Fragen im Vordergrund: Welche Wünsche haben die Betroffenen, die
Helfer? Welche Bedenken gibt es z.B. bei der Erfassung
von Daten, welche ethischen Fragen sind zu berücksichtigen (Stichworte „Überwachung“, „Datensicherheit“)?
Abb. 1: FEM Simulation der stationären Temperaturverteilung
einer Hotplate mit quadratischem
Design.
Die technischen und nicht-technischen Fragestellungen
werden an einem Beispiel erforscht, bei dem es für noch
mobile Nutzer (also nicht Bettlägerige), die z.B. nach einer
Operation oder durch Krankheit zeitweise (Stoma-Träger)
oder bleibend inkontinent sind, um eine unveränderte
Teilhabe im normalen Lebensumfeld geht. Hierzu wird
ein Geruchssensor entwickelt, der die spezifischen
Geruchsereignisse erfasst und an den Betroffenen selbst
entsprechende Hinweise gibt. Gelöst wird dies durch
einen für Inkontinenz spezifischen Gassensor. Technische
Herausforderung hierbei ist, für die angestrebte mobile
Nutzung den Energieverbrauch soweit zu reduzieren, dass
mit einem normalen Handy-Akku eine Nutzungszeit von
typisch 24 h möglich ist. Dies wird mikrosystemtechnisch
durch eine sogenannte „Hotplate-Lösung“ erreicht, bei
der die für den Gassensor erforderliche Betriebstemperatur von typisch 450°C durch eine sehr dünne (5-10 µm)
Platte und sehr feine (wiederum im Mikrometerbereich)
Aufhängungen der Platte an das Substrat erreicht werden.
Auf diese Weise werden Wärmeleitungsverluste und die
Leistung zum Aufheizen auf Betriebstemperatur drastisch
reduziert. Durch die integrierte Signalverarbeitung und
den Datentransfer mit Bluetooth LE ist eine Signalisierung
des Geruchsereignisses für den Nutzer und, falls gewollt,
über ein Smartphone auch an Helfer möglich.
Partner im Teilprojekt µ-AAL sind die Universität Freiburg
(IMTEK, Gassensorik), die AG Benyoucef (Signalverarbeitung, Datenaustausch) und die AG Mescheder
(Simulationen, Technologieentwicklung) der HFU sowie
die Hochschule Ravensburg-Weingarten (Akzeptanz,
sozialwissenschaftliche Evaluierung und Begleitung).
Abb. 2: Elektronenmikroskopische
Aufnahme eines realisierten
Sensors.
14
Abb. 1 zeigt eine Temperatursimulation für eine Hotplate,
Abb. 2 den ersten Prototypen eines am IMTEK realisierten Gassensors in Hotplate-Technik. Erste Erprobungen
sind im Frühjahr 2015 vorgesehen.
Gesundheit
Teilprojekt 3: Wie wir das selbstbestimmte Leben in der eigenen Wohnung unterstützen –
Erfassung der Verhaltens- und Bewegungsmuster im häuslichen Umfeld durch Beobachtung
des Verbrauchsprofils von Energie, Wasser und Gas
Prof. Dr. Dirk Benyoucef, M.Sc. Philipp Klein
The research group around Professor Benyoucef is dedicated to research on algorithms for non-intrusive
endangerment surveillance: instead of equipping each room with cameras and sensors, data that can be
acquired without visible equipment are analyzed. The goal is to give older people and their relatives the sense
of being safe in their own apartment. It is important to point out that these systems must not be obtrusive so that
inhabitants do not need to fear continuous surveillance.
Die Arbeitsgruppe um Prof. Benyoucef erforscht
in dem Projekt Algorithmen für eine nichtinvasive Gefahrenerkennung. Ziel ist es, betroffenen
Menschen und deren Angehörigen das Gefühl zu
geben, in der eigenen Wohnung sicher zu sein.
Anstatt jeden Raum mit Überwachungskameras und
-sensoren auszustatten, sollen Daten ausgewertet
werden, die sich ohne sichtbares Equipment erfassen lassen. Grundlegende Motivation ist, Informationen aus indirekten Messungen zu gewinnen und
dadurch sowohl nichtinvasiv als auch kostengünstig
zu sein. Dem Kostenfaktor kommt eine besondere
Bedeutung für die Akzeptanz im privaten häuslichen
Umfeld zu. Wichtigste Informationsquelle ist das
sog. „Load Monitoring“, bei dem die Benutzung
von Geräten, die an das elektrische Leitungsnetz
angeschlossen sind, an zentraler Stelle im Smart
Meter analysiert wird. Diese Daten lassen einen
Rückschluss auf mögliche Gefahrensituationen
und Notfälle zu, dringen jedoch nicht offensichtlich
in die Privatsphäre der Bewohner ein. Wird eine
Gefahr erkannt, können automatisch oder nach
Rückfrage Angehörige, Nachbarn oder professionelles Pflegepersonal alarmiert werden (Abb.1).
Durch die Erkennung elektrischer Geräte kann
einerseits reagiert werden, wenn Geräte außerhalb ihres üblichen Rahmens betrieben werden
(Überhitzung, zu lange Benutzung etc.). Da viele
elektrische Geräte ortsfest sind oder üblicherweise
ortsfest betrieben werden, kann andererseits davon
ausgegangen werden, dass sich die Person in der
Nähe des Gerätes befindet, wenn es ein- oder
ausgeschaltet wird. Dies liefert eine grobe Ortsinformation, die einen Rückschluss auf die Aktivität
und Position der Person erlaubt. Ein Monitoring
dieser Daten erlaubt es, auch langsame und schwer
sichtbare Veränderungen im Leben der Personen
aufzudecken und im Falle eines sich entwickelnden
Defizits Hilfestellung zu geben.
Um eine Lokalisation auch dann zu erlauben, wenn
keine elektrischen Geräte benutzt werden, ist eine
zusätzliche optionale Sensorik vonnöten. Durch
den Einsatz von transponderloser Funkortung kann
festgestellt werden, wo und wie lange sich eine
Person im Haus bzw. in einzelnen Räumen aufhält.
Die Entwicklungsziele hierbei sind kostengünstige
Systeme, die sich flexibel in das Wohnumfeld
integrieren lassen.
PROF. DR. DIRK BENYOUCEF
Studiendekan Elektronik
und Technische Informatik
Schwerpunkte: Angewandte
Signalverarbeitung,
Non intrusiv load monitoring,
Embedded Systems,
Sensornetzwerke
Tel. 07723 920 2342
[email protected]
M.SC. PHILIPP KLEIN
Doktorand
Forschungsgebiet:
Digitale Signalverarbeitung,
Embedded Systems
Tel. 07723 920 2347
[email protected]
Abb. 1: Für die nichtinvasive Erkennung von Gefährdungssituationen im
Wohnraum greifen verschiedene Technologien ineinander.
15
Gesundheit
Teilprojekt 4: IT-gestützte Situationserkennung, Kommunikation und Intervention:
Entwicklung geeigneter Systeme zur Informationsanalyse, Interventionsmechanismen
und deren Überführung in Unterstützungsdienstleistungen
Prof. Dr. Christophe Kunze, M.Sc. Madeleine Berger
Ambient monitoring systems based on of-the-shelf building automation components such as movement sensors
can be used in order to monitor activities of daily living and to recognize changes in behaviour patterns and
potentially dangerous situations. This new generation of telecare solutions may replace existing emergencycall systems within the next years. However, there are only few studies on the evaluation of such systems, and
only little research on the analysis and interpretation of monitoring data and its integration in care processes.
Through user-workshops and field trials, the project investigates appropriate solutions.
Sprecher Zentrum für
Angewandte Forschung Ambient Assisted Living (ZAFH AAL)
Tel. 07723 920 2583
christophe.kunze@
hs-furtwangen.de
In Lebensumgebungen eingebettete Sensorik und
Systeme zur Analyse von Bewegungs- und Verhaltensmustern sind prinzipiell dazu geeignet, Gefahrensituationen und Zustandsveränderungen zu erkennen
und so das Sicherheitsbedürfnis von Pflegebedürftigen und ihren Angehörigen zu erfüllen. Hierzu können
bestehende Systeme aus der Gebäudeautomatisierung und der Hausnotruftechnik oder innovative
Sensorik (siehe Projekt 3) eingesetzt werden.
Entsprechende Lösungsansätze wurden in den
vergangenen Jahren in der Forschung intensiv
untersucht. Inzwischen sind auch etliche ambiente
Monitoringsysteme am Markt verfügbar, die Pflegenden Informationen über Ereignisse und Gefahrensituationen zur Verfügung stellen sollen. Dabei
unterscheiden sich die Systeme in der Architektur und
Benutzerschnittstelle zum Teil erheblich. Gemeinsam
Abb. 1: Struktur zukünftiger häuslicher Monitoringsysteme.
16
ist den heute verfügbaren Lösungen, dass es nur
wenig Informationen zur genauen Funktionsweise
(z.B. Algorithmik) und praktisch keine Untersuchungen
zu Auswirkungen auf Pflegeprozesse gibt.
Ziel
Um den Betroffenen einen echten Mehrwert zu
bieten, müssen die von instrumentierten Umgebungen erfassten Informationen (i.d.R. eine Vielzahl von
Einzelereignissen technischer Sensoren, wie Ein- und
Ausschalten eines Verbrauchers oder Aktivierung
eines Bewegungsmelders) zunächst
a) durch Analysen in einen für die Betreuungspersonen verständlichen und Situations- und Bedeutungskontext gebracht und
Gesundheit
b) auf geeignete Weise zugänglich und in bestehende
oder zukünftige Versorgungsprozesse eingebracht
werden.
Ziel des Teilprojektes ist es, geeignete Systeme
und Verfahren zur Informationsanalyse und Interventionsmechanismen zu entwickeln und diese in
Unterstützungsdienstleistungen zu überführen, die in
der Praxis umsetzbar sind (Abb.1). Hierzu werden auf
Basis von gemeinsam von technischen und sozialwissenschaftlichen Forschungspartnern durchgeführten
Anwender-Workshops und Feldstudien entsprechende Lösungsansätze untersucht werden.
Ergebnisse und Ausblick
In einem ersten Schritt wurden in einem Workshop
Anforderungen an IT-gestützte Situationserkennung,
Kommunikation und Intervention sowie notwendiger
Unterstützungsbedarfe aus Sicht von Pflegenden
erhoben. Angehörige erhoffen sich durch die Anwendung von AAL-Technologien eine Unterstützung bei
der Pflege und Betreuung, Hilfen bei der Koordination
der pflegerischen Tätigkeiten und Unterstützung im
Bereich der Kommunikation mit den alten Menschen
und mit den sie vor Ort betreuenden Institutionen.
Dem Pflegepersonal geht es um die Erleichterung seiner Arbeit und um die Steigerung der Pflegeeffizienz,
bzw. die Minimierung administrativer Arbeitsanteile.
In einem nächsten Schritt sollen verfügbare Systeme
charakterisiert und analysiert werden. In einer Marktrecherche wurden 18 kommerziell verfügbare ambiente Monitoring-Lösungen identifiziert, die jedoch
nur zum Teil in Deutschland verfügbar sind. Für eine
vergleichende Untersuchung wurde ein Testaufbau
in der Experimentalumgebung Future Care Lab der
HFU realisiert, in dem 5 ambiente Monitoringsysteme
zur Charakterisierung und vergleichenden Analyse
parallel installiert wurden. Mit Hilfe des Testaufbaus
können in szenariobasierten Tests vordefinierte Situationen und Ereignisse sowie die jeweiligen Reaktionen
der Systeme analysiert werden.
Auf Basis der so erzielten Ergebnisse werden im
weiteren Verlauf des Projektes Prozesse, Algorithmen
und Darstellungsmechanismen entwickelt, wie eine
optimale Unterstützung von Pflegenden erfolgen kann.
M.SC. MADELEINE BERGER
Akademische Mitarbeiterin
Projekt ZAFH-AAL
Forschungsgebiete: Ambient
Assisted Living, Technik
nutzung im Alter und Technikgestützte Pflegeprozesse
Tel. 07723 920 2970
[email protected]
17
Gesundheit
Teilprojekt 5: Person Centered Environment for Information,
Communication and Learning (PCEICL) – Eine Ambient Assisted Living Plattform
Prof. Dr. Christoph Reich, M.Sc. Carina Rosencrantz, M.Sc. Hendrik Kuijs
Many Ambient Assisted Living (AAL) solutions concentrate on the safety of the elderly people living alone at home. But
there is another huge problem: the lack of social integration. The PCEICL platform offers assistance in communication,
information acquisition and learning for elderly people to allow them to stay longer in their familiar environment and
to remain socially integrated. The platform is realized with OSGi, agent and cloud technologies for reaching a high
flexibility, modularity and intelligence. The services offered by the platform are context aware and personalizable.
PROF. DR. CHRISTOPH REICH
Professor der Fakultät
Informatik für Themen wie
Netzwerktechnik, Middleware
und IT-Management, Leiter des
Informations- und Medienzentrums der Hochschule
(Rechenzentrum, Online-System,
Learning-System, Bibliothek)
Forschungsgebiete: Cloud
Computing, QoS, Komponententechnologie, Ambient Assisted
Living, Security, Audit
Tel. 07723 920 2324
[email protected]
Im Zuge des demografischen Wandels wird es in
Deutschland immer mehr ältere Menschen geben,
die mehrheitlich möglichst lange und selbstständig
Zuhause leben möchten. Je nach Lebenssituation
sind damit unterschiedliche Herausforderungen auf
mehreren Ebenen verbunden. Älteren Menschen
fällt es dabei nicht selten schwer, wichtige Informationen selbst zu ermitteln, Kontakte zu pflegen oder
in gesundheitlich schwierigeren Zeiten notwendige
Unterstützungsleistungen zu organisieren. Dies gilt
umso mehr, wenn es keine Angehörigen oder nahe
stehenden Personen gibt, die in der Lage sind, hier
zur Seite zu stehen. Die Ambient Assisted Living (AAL)
Plattform PCEICL (Person Centered Environment for
M.SC. CARINA ROSENCRANTZ
an der Fakultät Informatik
(ZAFH-AAL, Teilprojekt PCEICL),
vorher Studium in Computer
Engineering und Advanced
Computer Science an der HFU
Forschungsgebiete: Ambient
Assisted Living, Big Data,
Cloud Computing
Tel. 07723 920 2908
[email protected]
Abb. 1: Die PCEICL Plattform.
18
Information, Communication and Learning) unterstützt
ältere Menschen bei genau diesen alltäglichen
Herausforderungen und ermöglicht es ihnen, länger
selbstständig in ihrer gewohnten häuslichen Umgebung bleiben zu können.
Die PCEICL Plattform
Die PCEICL Plattform (siehe Abb. 1) ist eine altersgerechte Plattform, die der älteren Person Dienste zur
Verfügung stellt. Alle Dienste der Plattform können
individuell für jede Person nach Bedarf zusammengestellt und konfiguriert werden. PCEICL basiert auf
Gesundheit
einer Kombination aus OSGi, JADE Agenten und Cloud
Technologien und ist dadurch sehr flexibel, modular
und intelligent. Durch den Einsatz von OSGi, das bei
Assistenzsystemen im AAL-Bereich weit verbreitet ist,
können leicht bestehende aber auch neue Dienste in
die Plattform integriert werden. Um die angebotenen
Dienste optimal auf die Bedürfnisse der einzelnen
Person anpassen zu können, wird zu jedem Benutzer
ein Profil angelegt. In diesem Profil werden persönliche Informationen, Interessen, Vorlieben, Fähigkeiten
und Aktivitäten, aber auch der gesundheitliche
Zustand gespeichert. Die Daten werden semantisch
durch eine Ontologie modelliert, die von den JADE
Agenten genutzt werden kann um den jeweiligen
Diensten die benötigten Informationen über den
Benutzer bereitzustellen. Dadurch ist es dem System
beispielsweise möglich, nur solche Informationen
anzubieten, die den Benutzer interessieren. Darüber
hinaus kann durch das Wissen über motorische
und sensorische Fähigkeiten der älteren Person die
Bedienung, Funktionalität und die optische Gestaltung
der Plattform individuell angepasst werden.
Ein Anwendungsfall, der durch die Kontextsensitivität
der Plattform ermöglicht wird, ist die Unterstützung
bei alltäglichen Aufgaben in schwierigen gesundheitlichen Phasen (z.B. nach einem Sturz) durch
automatische Organisation von Haushaltshilfen oder
Transporten zu Terminen. Außerdem kann das System
dem Benutzer z.B. kommunale Veranstaltungen
passend zu seinen Gewohnheiten und Interessen
anbieten und, falls nötig, eine Mitfahrgelegenheit zu
diesen Veranstaltungen suchen. Durch das Miteinbeziehen von Umgebungsinformationen durch Sensoren
am Körper oder in der Wohnung kann die Assistenz
zusätzlich verbessert werden.
M.SC. HENDRIK KUIJS
Mitarbeit im Projekt
ZAFH-AAL, Teilprojekt PCEICL
Leiter der Abteilung Online
Services im Informationsund Medienzentrum der HFU,
vorher Studium Medien
informatik (Dipl. FH) und
Computer Science in
Media (M.Sc.) an der HFU
Forschungsgebiete:
Ambient Assisted Living,
Cloud Computing
Tel. 07723 920 2370
[email protected]
19
Gesundheit
Automatisierte Modellselektion in der modellbasierten Entscheidungsunterstützung
Dr. Jörn Kretschmer, M.Sc. Axel Riedlinger, Prof. Dr. Knut Möller
Model based decision support helps to optimize therapy in various medical fields. In mechanical ventilation,
it allows the clinician to find optimal ventilator settings to increase oxygenation and carbon dioxide removal
while decreasing the risk of additional injuries to the lung tissue. To allow an individualized modeling of patient
physiology, multiple models differing in simulation focus and complexity should be employed. In decision support the model fitting best the current clinical situation should be selected automatically. Therefore, numerical
criteria have to be introduced that quantify the suitability of each of the implemented models. The proposed
criteria include the coefficient of determination, the corrected Akaike Information Criterion, and the Confidence
Interval.
DR. JÖRN KRETSCHMER
Akademischer Mitarbeiter am
Institut für Technische Medizin,
Promotion in Medizintechnologie an der TU Dresden, M.Sc. in
Biomedical Engineering an der
Hochschule Furtwangen
Forschungsgebiete:
Physiologische Modellbildung,
Medizinische Entscheidungsunterstützung
Tel. 07720 307 4370
[email protected]
Der Einsatz mathematischer Modelle in der Medizin
erlaubt die Simulation physiologischer Vorgänge
im menschlichen Körper. Diese Simulationen
können zur Diagnostik, aber auch zur Prädiktion
im Rahmen von Therapieoptimierungen eingesetzt
werden. Zu diesem Zweck müssen die eingesetzten
Modelle an den jeweilig betrachteten Patienten
und das zugrunde liegende Krankheitsbild individuell angepasst werden. Sehr detaillierte Modelle,
die viele verschiedene Krankheitsbilder abbilden
können, bereiten aufgrund ihrer Komplexität häufig
Probleme bei der Individualisierung, da die dafür
nötigen Messdaten am Krankenbett in der Regel
nicht vorliegen. Ein flexiblerer Ansatz ist daher,
mehrere Modelle bereitzustellen, die sich in Detail
und Simulationsfokus unterscheiden. Je nach klinischer Situation und der zu treffenden Entscheidung
kann das passende Modell gewählt und angepasst
werden.
Entsprechende Modellfamilien, also Gruppen aus
Modellen, die den gleichen physiologischen Prozess
abbilden, konnten im Rahmen der Forschungsarbeiten bereits für die Bereiche Atemmechanik,
Gasaustausch und Hämodynamik erstellt werden.
Abbildung 1 zeigt beispielhaft die AtemmechanikModellfamilie mit der Anzahl der jeweils zu
individualisierenden Modellparametern. Diese
erlauben einen Rückschluss auf die Komplexität des
jeweiligen Modells. Für einen praktischen Einsatz in
einem Entscheidungssystem ist nun die Umsetzung
einer automatisierten Modellselektion notwendig.
Dies ermöglicht die objektive Wahl des jeweiligen
Modells, das die aufgenommenen Messdaten am
besten abbildet und gleichzeitig am wenigsten
komplex ist. Gleichzeitig kann geprüft werden, ob die
berechneten Modellparameter durch die Messdaten
ausreichend definiert sind.
Darstellung der Methoden
Abbildung 1: Familie der Atemmechanik-Modelle. Die Komplexität und damit der Detailgrad der Modellsimulation steigen von oben nach unten. Je komplexer das Modell, desto mehr Parameter müssen anhand von
Patientendaten identifiziert werden. Die roten Pfeile zeigen die Verwandtschaft der Modelle.
20
Anhand klinischer Messdaten wurden verschiedene numerische Auswahlkriterien evaluiert. Die
klinischen Messdaten entstammen einer Studie an
ARDS-Patienten, die mit verschiedenen Manövern
beatmet wurden. In jedem Messmanöver werden
Gesundheit
jeweils unterschiedliche physiologische Eigenschaften des Lungengewebes hervorgehoben [1]. Im
SCASS-Manöver wird unter volumenkontrollierter
Beatmung bei Erreichen eines randomisierten
Volumens das Ventil des Beatmungsgerätes für 5 s
geschlossen. Dies erlaubt die Analyse von Ausgleichvorgängen in der Lunge bei einer quasi-statischen Druck-Volumen Beziehung. Im Dynamic-Slice
Manöver werden in die gewöhnliche Beatmung eine
Reihe von Atemzügen mit vergleichsweise hohen
Spitzendrücken von 45 mbar eingefügt. Dies erlaubt
die Quantifizierung dynamischer Lungeneigenschaften. Im Folgenden werden die evaluierten Auswahlkriterien vorgestellt:
Coefficient of Determination (CD): Der CD-Wert
beschreibt, wie genau ein Modell die aufgenommenen Daten widerspiegeln kann. Der Wert liegt stets
in einem Bereich zwischen 0 und 1; ein Wert von
1 beschreibt eine totale Übereinstimmung zwischen
Modell und Realität, ein Wert von 0 signalisiert,
dass das Modell keinerlei Bezug zu den Messdaten
besitzt und damit ungeeignet für eine Prädiktion
ist [2].
Confidence Interval (CI): Das CI beschreibt den Wertebereich, um den ein Parameter verändert werden
kann, ohne dadurch einen deutlichen Einfluss auf die
Simulationsergebnisse des Modells zu bewirken. Ist
dieser sehr groß im Vergleich zum Parameterwert,
so lässt sich schlussfolgern, dass der entsprechende
Parameter nicht durch die Messdaten definiert werden kann [2, 5]. In diesem Fall sind zur eindeutigen
Definition aller Modellparameter weitere Messdaten
am Patienten zu erheben.
M.SC. AXEL RIEDLINGER
Ergebnisse
Abbildung 2 zeigt einen Vergleich der Modellsimulationen mit den an einem Patienten gemessenen
Werten bei zwei unterschiedlichen Messmanövern.
Die Bezeichnung der Modelle sind: FOM – Triviales
RC-Modell, VEM – Viskoelastisches Modell, PRM –
Rekrutierungsmodell mit nichtlinearer Compliance,
PRVEM – Viskoelastisches Rekrutierungsmodell.
Akademischer Mitarbeiter am
Institut für Technische Medizin
M.Sc. in Biomedical Engineering und B.Sc. in Medical
Engineering an der Hochschule
Furtwangen
Forschungsgebiete:
Physiologische Modellbildung,
Medizinische Entscheidungsunterstützung
Tel. 07720 307 4604
[email protected]
(1)
SSE (summed squared error) beschreibt die
quadrierte Differenz zwischen gemessenen
Daten (paw,meas) und simulierten Werten (paw,sim).
paw,meas ist der Mittelwert von paw,meas.
Corrected Akaike Information Criterion (AICc): Das
Akaike-Kriterium beschreibt ebenfalls die Übereinstimmung zwischen Messdaten und Modell, bezieht
die jeweils zu individualisierenden Modellparameter
aber als Strafmaß mit ein. Bei gleicher Abbildungsgüte zweier Modelle wird also das weniger
komplexe Modell bevorzugt [3, 4].
(2)
(3)
m ist hier die Anzahl der Modellparameter, n ist die
Anzahl der gemessenen Patientenwerte.
Abbildung 2: Vergleich der Modellsimulationen mit gemessenen Werten an einem Patienten bei zwei unterschiedlichen Manövern. Die Bezeichnung der Modelle sind: FOM – Triviales RC-Modell, VEM – Viskoelastisches Modell,
PRM – Rekrutierungsmodell mit nichtlinearer Compliance, PRVEM – Viskoelastisches Rekrutierungsmodell.
21
Gesundheit
Leiter des Instituts für
Technische Medizin
Informatik
Tel. 07720 307 4390
[email protected]
Modell
Tabelle 1 zeigt die dazugehörigen Ergebnisse der
Bewertungskriterien, die jeweils besten Werte sind
grau hinterlegt. Das SCASS Manöver kann sowohl
vom VEM als auch vom PRVEM gut nachgebildet werden, da beide Modelle die in der Einatempause (hier
ab ca. 3,5 s) stattfindenden Ausgleichseffekte in der
Lunge nachbilden können. Dieses Ergebnis ist anhand
der CD-Werte ebenfalls deutlich sichtbar. Das PRVEM
erreicht trotz der größeren Komplexität einen knapp
besseren AICc-Wert als das VEM, zeigt jedoch einen
hohen CI-Wert in einem Modellparameter (Druckniveau, bei dem kollabierte Alveolen wieder eröffnet
werden). Im Zweifelsfall sollte hier also entweder auf
das VEM zurückgegriffen oder weitere Messdaten zur
sicheren Identifizierung des PRVEM herangezogen
werden. Im Dynamic-Slice Manöver zeigen sich drei
Modelle als geeignet (FOM, VEM und PRVEM), wobei
das VEM den niedrigsten AICc-Wert aufweist. Die
CI-Werte zeigen, dass die Modellparameter dieses
Modells ausreichend genau definiert sind.
Kriterium
Manöver
SCASS
Dynamic-Slice
FOM
0,97
1,00
VEM
1,00
1,00
0,96
0,99
PRVEM
1,00
1,00
FOM
3222
883
VEM
1364
343
3459
1878
1351
388
CD
PRM
AICc
PRM
PRVEM
Tabelle 1: Ergebnisse der Bewertungskriterien bei zwei unterschiedlichen Manövern. Die Bezeichnung der
Modelle sind: FOM – Triviales RC-Modell, VEM – Viskoelastisches Modell, PRM – Rekrutierungsmodell mit
nichtlinearer Compliance, PRVEM – Viskoelastisches Rekrutierungsmodell.
22
Zusammenfassung
Die modellbasierte Entscheidungsunterstützung
sollte mehrere Modelle unterschiedlicher Komplexität
nutzen können, um eine flexible Anpassung der
Modellierung an die jeweilige klinische Situation zu
ermöglichen. Die vorgestellten Selektionskriterien zur
Wahl des am besten passenden Modells analysieren
über den CD und den AICc-Wert die Eignung der
Modelle, die gemessenen Daten abzubilden, wobei
weniger komplexe Modelle bei gleicher Abbildungsgenauigkeit bevorzugt werden. Die Auswertung der
Konfidenzintervalle garantiert darüber hinaus die
Eindeutigkeit der identifizierten Parameterwerte,
wodurch der behandelnde Kliniker diese in seine
Wahl der therapeutischen Vorgehensweise einbe
ziehen kann.
Literatur
[1] C. A. Stahl, K. Möller, S. Schumann, R. Kuhlen,
M. Sydow, C. Putensen, J. Guttmann: Dynamic
versus static respiratory mechanics in acute lung
injury and acute respiratory distress syndrome.
In: Crit Care Med 34 (2006) Nr. 8, S. 2090-2098.
[2] J. H. T. Bates: Lung mechanics - An inverse
modeling approach, Cambridge University Press,
Cambridge 2009.
[3] H. Akaike: A new look at the statistical model
identification. In: IEEE Transactions on Automatic
Control 19 (1974) Nr. 6, S. 716-723.
[4] K. P. Burnham, D. R. Anderson: Model selection
and multimodel interference: A practical information-theroretic approach, 2. Aufl., Springer, New
York 2002.
[5] C. Schranz, A. Riedlinger, R. Huhle, A. Braune,
M. Gama de Abreu, E. Koch, K. Möller: Selection
criteria for competing models of respiratory
mechanics. In: Biomed Tech 58 (Suppl. 1) (2013).
Gesundheit
Sie erforschen die Welt.
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23
Gesundheit
Sensorkombination zur Optimierung der Beurteilung
von Ventilationsverteilungen der Lunge
M.Sc. Benjamin Schullcke, M.Sc. Sabine Krüger-Ziolek, Dr. Zhanqi Zhao, Prof. Dr. Knut Möller
Ventilator settings can be adjusted based on regional information of pulmonary status which helps to guide lung
protective ventilation. However, common medical imaging technologies, e.g. X-ray Computed Tomography or
Magnetic Resonance Imaging are not suitable for detecting the ventilation of the lung. Recently, Electrical Impedance Tomography (EIT) has shown promising results in measuring the changes of ventilation distribution. Despite
the development of measurement techniques, limitations of EIT, such as low spatial resolution and sensitivity to
movement of the thorax during breathing, complicate the interpretation of obtained images. We combined an EIT
system with a body plethysmograph and a motion capturing system to improve the assessment of lung ventilation.
Results help to improve the image quality and help clinicians to get valuable information from EIT images.
M.SC. BENJAMIN SCHULLCKE
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Medizin (ITeM)
Forschungsgebiete: elektrische
Impedanztomographie,
Sensorfusion für respiratorisches Monitoring
Tel. 07720 307 4605
[email protected]
Die regionale Verteilung der Lungenventilation stellt
ein wichtiger Parameter zur Diagnostik und Therapie
von Lungenkrankheiten dar. Die Belüftung einzelner
Lungenareale kann sich aus einer Vielzahl an Gründen
unterscheiden. Zur Erfassung dieser Areale sind gängige bildgebende Verfahren wie Computertomographie
(CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) aufgrund
des kurzen Betrachtungszeitraums, des großen Zeitund Personalaufwands sowie potentieller Risiken (wie
Strahlungsbelastung oder Patiententransport) nur
bedingt geeignet. Die Elektrische Impedanztomographie (EIT) hat sich als strahlungsfreie, nichtinvasive
Methode zur echtzeitfähigen Visualisierung der
regionalen Ventilation weitgehend etabliert [1]. Mittels
Spannungsmessungen an äquidistant am Thorax
angebrachten Elektroden kann durch Bildrekonstruktionsverfahren die Änderung der Impedanzverteilung,
und somit die Änderung der Luftverteilung innerhalb
der Lunge, errechnet werden. Auch Beobachtungen
über einen längeren Zeitraum direkt am Patientenbett
sind möglich. Bei künstlich beatmeten Patienten kann
so beispielsweise die unmittelbare Auswirkung von
geänderten Beatmungsparametern beurteilt werden,
wodurch eine deutlich homogenere Luftverteilung
innerhalb der Lunge erreicht werden kann.
Die Interpretierbarkeit der durch EIT gewonnenen
Daten setzt Kenntnisse über weitere atemmechanische Einflussgrößen voraus. So wirkt sich beispielsweise die longitudinale Verschiebung der Lunge
aufgrund der Zwerchfellbewegung auf die rekonstruierte Ventilationsverteilung aus [2]. Weiter führt die
durch Atmung oder Beatmung generierte Thoraxdeformierung zu Bildartefakten, die eine Deutung der
ermittelten Daten erschwert [3, 4].
M.SC. SABINE
KRÜGER-ZIOLEK
Wissenschaftliche
Mitarbeiterin am Institut für
Technische Medizin (ITeM)
Forschungsgebiete: neue
Konzepte der Ausbildung,
Bodyplethysmographie,
elektrische Impedanz
tomographie
Tel. 07720 307 4395
[email protected]
Methoden
Abb. 1: Kombination von Bodyplethysmograph und EIT-System.
24
Durch die einzigartige Kombination mehrerer Verfahren zur Lungendiagnostik (Bodyplethysmographie, EIT,
3D Bewegungserfassung und -analyse, siehe Abb. 1)
können Messdaten fusioniert werden und ein umfassendes Bild der Lungenfunktion generiert werden
[5]. Die Bodyplethysmographie ist ein Messverfahren
zur Untersuchung der globalen Lungenfunktion und
ermöglicht, in Kombination mit der Spirometrie, die
Gesundheit
Analyse von komplexen und kombinierten Ventilationsstörungen [6]. Während der Lungenfunktionsprüfung
sitzt der Proband in einer volumenkonstanten, luftdicht
verschlossenen Glaskammer und führt an einem
Mundstück, das an ein Spirometer gekoppelt ist,
verschiedene Atemmanöver durch. Die aufgrund der
Atembewegung im Bodyplethysmographen vorliegenden Druckschwankungen sowie Änderungen des
Atemflusses werden dabei kontinuierlich detektiert
und für die Bestimmung globaler atemphysiologischer
Größen wie dem Atemwegswiderstand (Raw), der
funktionelle Residualkapazität (FRC), der totalen
Lungenkapazität (TLC) und dem Residualvolumen (RV)
herangezogen. Durch die Bodyplethysmographie ist es
möglich, absolute Lungenvolumina zu bestimmen.
Ergänzend hierzu wird die regionale Verteilung der Ventilation durch EIT visualisiert. Um geeignete Modelle zur
Kompensation der Thoraxdeformierung zu entwickeln,
wird der Einfluss der Deformierung auf die EIT-Bilder
untersucht. Mittels der Methode der finiten Elemente
(FEM) wird simuliert, wie sich Impedanzänderungen,
aber auch die Deformierung des betrachteten Objekts,
auf die Elektrodenspannungen auswirken [7]. Durch die
Deformierung ergeben sich Spannungsänderungen an
den Elektroden, wodurch Artefakte in den rekonstruierten
EIT-Bildern entstehen. Auf Grundlage des FEM-Modells
kann der Zusammenhang zwischen Deformierung und
Bildartefakten genauer untersucht werden. Weiter
werden Algorithmen, die zur Minimierung der Artefakte
dienen, entwickelt. Eine Evaluierung der durch Simulation ermittelten Erkenntnisse wurde durch Messungen an
einer freiwilligen Versuchsperson überprüft.
Die von außen sichtbare Deformierung des Thorax
wird durch eine Vielzahl reflektierender Marker von
Infrarotkameras erfasst (Abb. 2) [8]. Mittels DelaunayTriangulation wird die daraus rekonstruierte Punktewolke
der Thoraxmarker zu Tetraedern vernetzt (Abb. 3). Die
Thoraxdeformierung wird durch die Volumenänderung
der einzelnen Tetraeder dargestellt.
Abb. 2: Positionierung der reflektierenden Marker
zur Ermittlung der Thoraxbewegung.
Durch die synchrone Erfassung der globalen und
regionalen Lungenparameter sowie der Thoraxdeformierung kann präziseres Wissen über die Funktionsweise
der Lunge erlangt werden als dies durch die einzelnen
Verfahren möglich wäre. Weiter werden Schwächen
einzelner Verfahren aufgezeigt bzw. diese können durch
den Zugewinn an Information mittels geeigneter Modelle
kompensiert werden.
DR. ZHANQI ZHAO
Medizin (ITeM)
Forschungsgebiete: elektrische
Impedanztomographie,
Atemmechanik, Optimierung des positiven endex
spiratorischen Drucks
Tel. 07720 307 4613
[email protected]
Technische Medizin (ITeM)
Informatik
Tel. 07720 307 4390
[email protected]
Ergebnisse
Abb. 3: Thoraxmodell aus zusammengesetzten Tetraedern.
Blau: Brustbereich. Orange: Übergangsbereich. Rot: Bauchbereich.
Die Kombination aus EIT und Bodyplethysmographie
ermöglicht es, relative, regionale Impedanzänderungen
des Lungengewebes mit globalen Volumenänderungen
der Lunge in Verbindung zu bringen (Abb. 4). Die durch
Bodyplethysmographie ermittelten Lungenfunktionsparameter können somit als Referenz für die gemessenen
EIT-Daten dienen. Des Weiteren kann die funktionelle
Residualkapazität (FRC), also jenes Volumen, das sich
am Ende einer normalen Ausatmung in der Lunge
befindet, genutzt werden, um zu Verifizieren, dass ein
Proband innerhalb verschiedener EIT-Messungen auf
25
Gesundheit
wird eine weitere Verbesserung der EIT-Bildqualität
erwartet. Weiter werden Zusammenhänge von Bauchund Brustatmung auf atemphysiologische Größen und
die regionale Ventilationsverteilung untersucht um die
Deutung von EIT-Bildern zu vereinfachen.
Abb. 4: Einfluss der Thoraxdeformierung auf rekonstruierte EIT-Bilder mit 16 äquidistant angebrachten
Elektroden. Blaue Farbe zeigt geringe Leitfähigkeit des Gewebes an, rot steht für Gewebe mit einer erhöhten
Leitfähigkeit. Im rechten Bild sind deutlich mehr Bildartefakte erkennbar.
vergleichbarem endexspiratorischen Level atmet. Durch
die Kombination der Systeme konnte gezeigt werden,
welchen Einfluss die longitudinale Verschiebung der
Lunge auf EIT-Bilder hat. Des Weiteren kann mittels der
3D Bewegungserfassung zwischen Volumenänderungen
im Bereich des Brustkorbs, Bauchraums und Übergangsbereich unterschieden werden.
Aus den gewonnenen Erkenntnissen können behandelnde Ärzte Informationen ableiten, die Fehlanpassungen von Beatmungsgeräten vermeiden, weitere
Lungenschädigungen verhindern und daher Behandlungsergebnisse verbessern.
Danksagung
Diese Arbeit wurde teilweise vom Bundesministerium
für Bildung und Forschung BMBF, Kennziffer 01PL11008/
TREFFER und 03FH038I3/MOSES, unterstützt.
Literatur
Erkenntnisse aus simulierten EIT-Daten zeigen, dass sich
bei geringer Thoraxdeformierung vorwiegend Randartefakte im Bereich der Elektroden bilden. Weiter fortschreitende Deformierung beeinflusst auch rekonstruierte
Impedanzverteilungen im Inneren des Thorax, so dass
die Interpretierbarkeit der Daten erschwert wird.
Es konnte gezeigt werden, dass Randartefakte minimiert
werden, wenn die bei der Bildrekonstruktion angenommene Deformierung der tatsächlich vorliegenden
Deformierung entspricht. EIT-Messungen an einem
Freiwilligen konnten auf diese Weise dahingehend
optimiert werden, dass der Einfluss von Artefakten durch
Thoraxdeformierung minimiert wurde.
Zusammenfassung und Ausblick
Angepasste Algorithmen zur Bildrekonstruktion,
welche die Thoraxdeformation berücksichtigen, sorgen
für weniger Bildartefakte. Zudem wird erstmals der
Einfluss der Lungenbewegung auf EIT-Bilder erfasst. Die
Interpretierbarkeit der Daten wird somit intuitiver und
einfacher, was zu einer weiteren Verbreitung von EIT
in klinischem Einsatz beitragen kann. Zukünftig werden
noch komplexere Deformierungsmodelle entwickelt,
welche durch 3D Bewegungserfassung ermittelte Daten
in der Bildrekonstruktion berücksichtigen. Hierdurch
26
[1] Z. Zhao, et al., Regional airway obstruction in
cystic fibrosis determined by electrical impedance
tomography in comparison with high resolution CT,
Physiol Meas, vol. 34, pp. N107-14, Nov 2013.
[2] S. Krueger-Ziolek, et al., Impact of electrode positioning on EIT data interpretation, Biomed Tech, vol.
59 (s1), 2014.
[3] A. Adler, et al., Impedance imaging of lung ventilation: do we need to account for chest expansion?,
IEEE Trans Biomed Eng, vol. 43, pp. 414-20, Apr
1996.
[4] J. Zhang and R. P. Patterson, EIT images of ventilation: what contributes to the resistivity changes?,
Physiol Meas, vol. 26, pp. S81-92, Apr 2005.
[5] B. Schullcke, et al., Sensorkombination zur
Analyse der Lungenfunktion, in DMtS, Dresden,
Germany, 2014.
[6] D. Bösch and C.-P. Criée, Lungenfunktionsprüfung,
Durchführung - Interpretation - Befundung vol. 2.
Heidelberg: Springer, 2009.
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of EIDORS: an extensible software base for EIT,
Physiol Meas, vol. 27, pp. S25-42, May 2006.
[8] V. F. Parreira, et al., Optoelectronic plethysmography: a review of the literature, Rev Bras Fisioter,
vol. 16, pp. 439-53, Nov-Dec 2012.
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27
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Gesundheit
Den Mechanismen der Metastasierung auf der Spur
Prof. Dr. Margareta M. Müller
PROF. DR. RER. NAT. HABIL.
MARGARETA M. MÜLLER
Professorin für Biotechnologie
und Humanbiologie, Studien
dekanin Biomedical Engineering (BME), Fakultät Medical
and Life Sciences
Forschungsinteressen:
Komplexe 3D in vitro Modelle
als Ersatzmethoden für den
Tierversuch in der Krebs
forschung, Mechanismen
der Tumor-Stroma-Interaktion,
Entzündung und Angiogenese
im Tumor, Mechanismen
der Metastasierung
Tel. 07720 307 4231
[email protected]
Since metastasis is the late and critical state that accounts for most cancer deaths, there is an abundant need
for novel antimetastatic drugs, that target early steps in the metastatic process i.e. the survival of tumor cells in
the vasculature or their extravasation rather than being directed against the establishment of full blown meta
static tumors in the target organs. However, the development of such antimetastatic drugs has so far always
been constrained by the lack of suitable in vitro screening systems. Such systems should ideally mimic the native
3D tumor-microenvironment involving not only tumor cells but also endothelial cells and allowing the co-culture
of both cell types in their native 3D morphology as well as the real time monitoring of the treated cells. Ultimately,
successful testing systems must provide the means for quantitative analysis and thus for better understanding of
cell behavior critical for metastasis.
Therefore, we developed in cooperation with the HSG-IMIT in Villingen-Schwenningen a microfluidic system consisting of endothelial cell lined microcapillaries that allow to analyze the capillary wall contact of tumor cells, as well
as a gradient-oriented tumor extravasation from the capillary into a cell trap towards a homing factor. Presently, the
system is used to determine effects of continuous shear stress and of flow pulsation to mimic heart beats on tumor
and endothelial cells and will in the future serve as a model system for the screening of novel antimetastatic drugs.
Meist ist nicht der Primärtumor sondern die Tumormetastasen die Haupttodesursache bei Krebspatienten.
So finden sich in etwa 30% der Patienten mit neu
diagnostizierten soliden Tumoren bereits Metastasen,
die sich als Ergebnis eines mehrstufigen Prozesses
vom Primärtumor absiedeln und in entfernten Organen
anwachsen (Abb.1). Dabei schließt die metastatische
Kaskade folgende Schritte ein:
Epithelial-Mesenchymale Transition der Tumorzellen
und Durchbrechen der Basalmembran
■■ Loslösung der Tumorzellen von der Tumormasse
■■ Invasion ins Nachbargewebe
■■ Intravasation in Blut- oder Lymphgefäße
■■ Transport in den Gefäßen
■■
Extravasation aus den Gefäßen
Etablierung einer metastatischen
Kolonie von Tumorzellen
■■ Wachstum der Mikrometastase
■■ Etablierung eines sekundären Tumors.
■■
■■
Jeder dieser Schritte stellt eine physiologische Barriere
dar, die von der Tumorzelle überwunden werden muss
um erfolgreich zu metastasieren. Dabei sind insbesondere die frühen Schritte im Primärtumor inzwischen
sehr gut untersucht und auch das Homing metastatischer Zellen in die Zielorgane wird zunehmend besser
verstanden. Allerdings fehlt bisher weitgehend das
Verständnis für die Mechanismen, die es Tumorzellen
erlauben, in den Gefäßen zu überleben und sie am
Abb. 1: Schrittweiser Prozess der Metastasierung, aus: T. R. Geiger, D. S. Peeper: Metastatic mechanisms, BBA-REV CANCER 1796, 2009.
28
Gesundheit
Metastasierungsort wieder zu verlassen. Tierversuche,
wie die Injektion von Tumorzellen in die Schwanzvene
von Mäusen, liefern hier bei hohem Verbrauch an
Versuchstieren nur eine indirekte Antwort, da sie keine
unmittelbare Beobachtung der Tumorzellen in den Gefäßen erlauben. Was bisher fehlt ist ein System, in dem
sowohl die Kräfte und Mechanismen, denen Tumorzellen
im Gefäßsystem unterliegen, als auch die Mechanismen
der Gradienten-gerichteten Extravasation in vitro, d.h.
ohne Tierversuche, analysiert werden können.
tion der Tumorzellen aus dem Gefäß zu analysieren.
Außerdem dient es als Basis für ein weiterführendes
Projekt in dem neue, anti-metastatische Therapeutika
im Hinblick auf ihren Effekt auf Tumorzellüberleben
und -extravasation ausgetestet und anhand systembiologisch-mathematischer Modellierung die Effekte
ähnlicher Therapeutika vorhergesagt werden sollen.
Wir haben es uns zum Ziel gesetzt in Kooperation mit
dem HSG-IMIT ein solches System zu etablieren.
Das Projekt MICROMET wird vom BMBF in der
Förderinitiative „Alternativmethoden für den Tierversuch”, FKZ 031A255A, gefördert und am Campus
Schwenningen im Molecular Cell Biology Laboratory
durchgeführt.
Ergebnisse
Danksagung
Unser Gefäßmodell besteht aus zwei übereinander
liegenden mikrofluidischen Kanälen, die durch eine
poröse Membran voneinander getrennt sind (Abb. 2).
Der obere Kanal, der nach unten durch die Membran
abgeschlossen wird, dient als 3D Modell eines Gefäßes
und ist mit mikrovaskulären Endothelzellen aus Lunge
oder Gehirn besiedelt, während der untere Kanal das
„Cell Trap” für die Extravasation der Tumorzellen durch
die Membran bildet. Im Rahmen des Projekts war es
zunächst notwendig die Biokompatibilität der vom HSGIMIT gelieferten, mikrofluidischen Teststrukturen und die
geeignete Porengröße für die Membran auszutesten, so
dass die Endothelzellen den oberen Kanal innerhalb von
2-3 Tagen konfluent besiedeln, ohne durch die Membran in den unteren Kanal abzuwandern. Dabei sollten
Zellbesiedelung und im Kanal befindliche Tumorzellen
im inversen Videomikroskop beobachtet werden
können. Anhand dieser technischen und biologischen
Anforderungen wurden für den mikrofluidischen Chip
Polycarbonat (PC) bzw. Polydimethylsiloxan (PDMS) und
für die Membran Polyethylenterephthalat (PET) mit einer
Porengröße von 5 µm gewählt. Eine optimale Sichtbarkeit der Tumorzellen im Chip wurde durch Expression
des „Green Fluorescent Protein” (GFP) in den Lungenkarzinom- und Melanomzellen und ihre Beobachtung im
Fluoreszenzmodus des Videomikroskops gewährleistet.
Ausblick
Derzeit wird das Modell verwendet um den Einfluss
von Scherstress und pulsierendem Blutfluss auf
Endothelzellen sowie auf Überleben und Extravasa-
Abb. 2: Aufbau des Mikrofluidischen Systems.
A 1: Oberer Mikro-Kanal, repräsentiert das Blutgefäß.
A 2: PDMS-Dichtungen.
A 3: Unterer Mikro-Kanal mit laser-welded Membran, um extravasierte Tumorzellen zu sammeln.
B: Schematische Ansicht des experimentellen Setup mit kontinuierlicher Medium- und
Tumorzellperfusion in einer kontrollierten Umgebung (T, pH, O2).
C: Querschnitt durch das zusammengebaute mikrofluidisches System.
D: Versuchsaufbau am Videomikroskop.
29
Gesundheit
Identifizierung Präbiotika-abbauender
Bakterien im Darm von Mäusen und Menschen
M.Sc. Elena Herrmann, B.Sc. Florian Ludwig, Dr. Christian Riedel 1, Prof. Dr. Markus Egert
The human microbiome, which is largely located in the human intestinal tract, is pivotal for human health and
well-being. We use RNA-based stable isotope probing to link structure and function of microbial communities
that are involved in the degradation of prebiotic carbohydrates in the intestinal tracts of mice. The results will
deepen our understanding of the intestinal functionality of prebiotics, i.e. chemical substances that promote
growth and/or activity of commensal microorganisms that contribute to the well-being of their host.
Das humane Mikrobiom
PROF. DR. MARKUS EGERT
Fakultät Medical
and Life Sciences
Lehr- und Forschungsgebiete:
Medizinische Mikrobiologie,
Hygiene, Human-MicrobeInteractions, Mikrobielle
Ökologie, Diagnostik von
Mikroorganismen
Tel. 07720 307 4554
[email protected]
1 Institut für Mikrobiologie und
Biotechnologie, Universität Ulm
Der Mensch besteht aus ca. 1013 körpereigenen Zellen,
beherbergt aber gleichzeitig ca. 1014, d.h. zehnmal
mehr (!) symbiotische, zumeist bakterielle Zellen. Die
Gesamtheit mikrobieller Gene des menschlichen Körpers, auch „unser zweites Genom“ genannt, übertrifft
dabei die Anzahl menschlicher Gene sogar um das
150-fache und bietet ein breites Spektrum an biochemischen Stoffwechselprozessen, die der Mensch
selber nicht besitzt bzw. quasi an seine Symbionten
„out-gesourct“ hat [1], [2]. Der menschliche Dickdarm
stellt mit ca. 1012 Mikroorganismen pro g Darminhalt
das mit Abstand am dichtesten besiedelte Habitat
des menschlichen Körpers und eines der am dichtesten besiedelten mikrobiellen Habitate auf unserem
Planeten überhaupt dar [3], [4]. Die menschliche Darm-
Abbildung 1. Grundsätzlicher Ablauf einer RNA-SIP-Studie. Eine komplexe Gemeinschaft von Mikroorganismen
wird unter möglichst realitätsnahen Bedingungen mit einem isotopisch markierten Substrat inkubiert. Nur eine
Auswahl von Arten (rot) verstoffwechselt das Substrat und baut das 13 C-Label in seine RNA ein. Die markierte,
d.h. schwerere RNA (in rot) lässt sich von der unmarkierten, d.h. leichteren (in blau) über Dichtegradientenultrazentrifugation abtrennen. Über eine Fraktionierung des Gradienten erhält man RNA-Fraktionen mit unterschiedlicher Dichte. Eine vergleichende Sequenzanalyse markierter gegen unmarkierter RNA ermöglicht Aussagen,
welche Mikroorganismen am Umsatz des Substrates hauptsächlich beteiligt waren.
30
flora selbst besteht aus hunderten bis vielen tausenden
von Arten, deren Zusammensetzung und Aktivität
für die menschliche Gesundheit von überragender
Bedeutung sind [5]. Sie unterstützt die Verdauung,
produziert Vitamine, schützt vor Krankheitserregern,
stimuliert das Immunsystem und interagiert (vermutlich) über das Nervensystem des Darms mit dem
ganzen restlichen Körper, einschließlich des Gehirns.
Die humane Mikrobiomforschung, d.h. die Erforschung
der Gesamtheit der Mikroorganismen, die mit dem
Menschen assoziiert sind, gehört deshalb zu einem
der spannendsten Forschungsgebiete der modernen
Naturwissenschaften überhaupt [2].
Wirkung von Präbiotika
Sogenannte „Präbiotika“ sind komplexe, schwer
verdauliche Stoffe, zumeist Kohlenhydrate, denen eine
gesundheitsfördernde Wirkung auf den Menschen
zugesprochen wird. Sie soll darauf beruhen, dass
Zusammensetzung und Aktivität der Darmflora positiv
beeinflusst werden, z.B. durch die Förderung „guter“,
d.h. gesundheitsfördernder Bakterien wie Lactobacillen und Bifidobakterien. Wie dies genau geschieht,
ist allerdings trotz der großen, auch kommerziellen
Bedeutung von Präbiotika als Nahrungsergänzungsmittel immer noch weitgehend unbekannt [6], [7]. Moderne
molekularbiologische und kultivierungsunabhängige
Analyse-Techniken, wie die Hochdurchsatz-Sequenzierung bakterieller 16S rRNA-Gene, ermöglichen
heutzutage sehr detaillierte Einblicke in die Zusammensetzung der Darmflora, die zu 80% aus bisher
nicht kultivierten Arten besteht [5], [8]. Unklar bleibt
dabei aber zumeist, welche der unzähligen Arten der
Darmflora mit bestimmten metabolischen Prozessen,
wie dem Abbau von Präbiotika, assoziiert sind. Für ein
tieferes Verständnis, welche Rolle die Darmflora für die
menschliche Gesundheit spielt und wie Präbiotika hier
genau wirken, ist dies jedoch unabdingbar.
Gesundheit
Stabile Isotopenbeprobung von Nukleinsäuren
Hier kommt die sogenannte Stabile Isotopenbeprobung
(engl. stable isotope probing, SIP) von Nukleinsäuren
ins Spiel. Sie ist eine innovative Technologie, mit
der auch bislang unkultivierte Mikroorganismen mit
bestimmten Stoffwechselleistungen direkt in Bezug
gesetzt werden können [9]. Die Technik beruht auf dem
Einbau stabiler, d.h. nicht radioaktiver Isotope (z.B. 13 C)
in die Nukleinsäuren derjenigen Mikroorganismen,
die in einem Inkubationsexperiment bereitgestellte,
isotopisch markierte Substrate aktiv verstoffwechselt
haben. Eine anschließende Trennung und Sequenzierung isotopisch markierter und unmarkierter
Nukleinsäuren erlaubt, genau die Mikroorganismen
zu identifizieren, die ein Substrat assimiliert haben.
Abbildung 1 zeigt das grundsätzliche Vorgehen bei
einer SIP-Analyse.
Die SIP-Technologie wurde von Prof. Egert bereits
erfolgreich zur Identifizierung von Präbiotika-abbauenden Mikroorganismen in einem Dickdarm-Bioreaktor
angewendet [10], [11]. In einem aktuellen, vom Land
Baden-Württemberg geförderten Forschungsprojekt
(Programm Innovative Projekte / Kooperationsprojekte
2013) wird die SIP-Technologie von uns RNA-basiert
nun in einem Mausmodell eingesetzt, um Stärke abbauende Mikroorganismen zu identifizieren. Kartoffelstärke gilt ebenfalls als ein Präbiotikum. Die RNA-SIPTechnologie wurde hierfür zunächst mit 13C-markierter
RNA aus Escherichia coli Zellen im Labor für Molekulare Biomedizin der HFU etabliert (Abbildung 2).
M.SC. ELENA HERRMANN
Die 13 C-markierte RNA wurde aus E. coli K12 Zellen extrahiert, die in einem Minimalmedium mit [U13 C]-Glucose als
einziger C-Quelle kultiviert wurden. Abbildung 3 zeigt,
wie sich isotopisch markierte (schwere) und nicht markierte (leichte) RNA durch Ultrazentrifugation in einem
Dichtegradienten aus Cäsium-Trifluoracetat voneinander trennen lassen. Derzeit wird an der Identifizierung
von [U13C]-Glucose assimilierenden Bakterien aus
in vitro Inkubationen mit Maus-Fäzes gearbeitet. Als
Abschluss des Projektes sind Fütterungsversuche von
Mäusen mit isotopisch markierter Stärke geplant.
Fakultät Medical and Life
Sciences und Promotions
studentin Universität Ulm (AG
Dr. Riedel), vorher Studium
der Biologie mit Schwerpunkt
Mikrobiologie an der Eberhard
Karls Universität Tübingen
Forschungsgebiete: Biofilme,
Intestinales Mikrobiom
Tel. 07720 307 4778
[email protected]
Abbildung 2. SIP-Arbeitsplatz im Labor für Molekulare Biomedizin der HFU: Ultrazentrifuge (o.l.), Spritzenpumpe mit Schlauch und Gestell zur Fraktionierung der Ultrazentrifugationsgradienten (m). Refraktrometer zum Vermessen der Dichte der Gradientenfraktionen (u.l.). Angestochenes Ultrazentrifugationsröhrchen zur Fraktionierung des Gradienten durch Einpumpen von
Wasser (o.r.). Manuelles Auffangen der Gradientenfraktionen in einzelne Reaktionsgefäße (u.r.).
31
Gesundheit
Abbildung 3. Dichteabhängige, relative Verteilung
isotopisch markierter (blau)
und unmarkierter (orange)
E. coli RNA in einzelnen
Fraktionen eines Ultrazentrifugationsgradienten. Im
Gemisch (grün) trennen sich
markierte und unmarkierte
RNAs schwerer voneinander.
Dies beruht vermutlich auf
Sekundärstrukturen, die die
RNAs ausbilden. Hier besteht
noch Optimierungsbedarf.
B.SC. FLORIAN LUDWIG
Student der Bio- und
Prozesstechnologie,
Bachelorarbeit in der AG
von Prof. Egert, seit WS14/15
Studium Molekulare und
Angewandte Biotechnologie
(M.Sc.) an der RWTH Aachen
[email protected]
Ausblick
Die Ergebnisse dieses Projektes werden wichtige
Erkenntnisse über die Funktionalität intestinaler
mikrobieller Gemeinschaften in Säugetieren liefern
und ein besseres Verständnis der Wirksamkeit von
Präbiotika schaffen. Mit den Versuchen soll auch eine
erste Grundlage für entsprechende Untersuchungen
am Menschen gelegt werden. Darüber hinaus lässt
sich die SIP-Technologie als eine Querschnittstechnologie in vielen weiteren Forschungsprojekten einsetzen, die zum Ziel haben, die Funktionalität komplexer
mikrobieller Gemeinschaften besser zu verstehen [9],
z.B. beim Abbau bzw. Umbau organischer Substanz
durch Mikroorganismen in Bioreaktoren. Beispielhaft
sei hier das neue HFU Projekt „Integrierte Bioraffinerie Schwarzwald“ genannt. Ein weiteres, sehr
anwendungsorientiertes Feld für diese Technologie
ist der mikrobielle Schadstoffabbau oder auch die
Biogasproduktion.
Literatur
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microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature 464: 59-65.
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probing. Environ Microbiol 11: 914-926.
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33
Gesundheit
MEMS-Geruchssensorik zur Unterstützung
von Pflege und diskretem Leben
M.Sc. Thomas Bier, Prof. Dr. Dirk Benyoucef, Dr. Wolfgang Kronast, Prof. Dr. Ulrich Mescheder
The BMBF project SensOdor deals with the development of a body-odor sensor system for use in residential
care homes for elderly in order to increase the quality of life of people with urinary and fecal incontinence.
The system consists of two components. An industrial based gas-sensor and the evaluation electronics are
embedded in the sensor device. Via a radio link, the processed data are sent to a local visualization and
central information unit. This is primarily for helping nursing staff to indicate that support is acutely needed
for the body hygiene. In the project, several universities and industrial partners are cooperating. The HFU is
working and researching in the development of the sensor and the corresponding signal processing. With
pattern recognition methods, the bad-odors should be detected.
M.SC. THOMAS BIER
an der Fakultät Mechanical
Schwerpunkte: Muster
erkennung, künstliche
neuronale Netze, Entwicklung
von Embedded Systems
Tel. 07723 920 2454
[email protected]
PROF. DR. DIRK BENYOUCEF
Studiendekan Elektronik
und Technische Informatik
Schwerpunkte: Angewandte
Signalverarbeitung, Non intrusiv load monitoring, Embedded
Systems, Sensornetzwerke
Tel. 07723 920 2342
[email protected]
Ziel des Projekts SensOdor ist, die Betreuungsund Unterstützungssituation von hilfebedürftigen
Menschen mit Harn- und Stuhlinkontinenz in
der stationären Pflege zu verbessern. Mittel zur
Zielerreichung soll ein optimal an die Bedürfnisse
der unterschiedlichen Zielgruppen angepasstes
Geruchssensorsystem sein. Dazu soll ein assistives
System bestehend aus einem industriell verfügbaren
Sensorkonzept und eine dazugehörige Visualisierungseinheit entwickelt werden, das vor allem
helfenden Personen wie den Pflegekräften signalisiert, dass Unterstützung in der Körperhygiene akut
erforderlich ist.
In Folge der demografischen Entwicklung und der
verbesserten medizinischen Leistungen nimmt
die Zahl der Menschen, die unter Inkontinenz und
deren gesundheitlichen und sozialen Konsequenzen
leiden, deutlich zu. In diesem Zusammenhang wird
die Frage des Einsatzes von sogenannten Gerontotechnologien [1] bzw. AAL-Technologien wichtig und
interessant.
Technisches Entwicklungsziel ist ein entsprechend
differenziert einsetzbares Sensorsystem, das als
Körpergeruchssensor ausgelegt wird. Innovativ und
für die Betroffenen eine wesentliche Erleichterung
ist dabei der Ansatz, die Sensorik nicht im Schambereich einzusetzen, sondern Inkontinenzereignisse
auch noch in geringer Entfernung vom Körper zu
erkennen.
SensOdor ist ein BMBF-Verbundprojekt von
mehreren Hochschulen und industriellen Partnern.
In diesem Beitrag werden die Arbeiten der beiden
Forschungsgruppen der Hochschule Furtwangen
vorgestellt.
34
Darstellung der Methoden
Die komplette Nachbildung des Riechvermögens
(artificial nose [2]) ist eine sehr komplexe Aufgabe
und soll in diesem Projekt nicht adressiert werden.
Es findet vielmehr eine Einschränkung auf „Stinkegase“ (bad-odor gases) statt. Zu diesem Zweck
soll ein Sensorsystem entwickelt werden. Dieses
Sensorsystem besteht aus einem bad-odor Sensor
und der Verarbeitungselektronik, welche eine
Klassifizierung der Merkmale durchführt. Die Visualisierung der Sensordaten an der Schnittstelle zu
den Pflegekräften wird von einer weiteren Einheit
dargestellt.
Die Anwendungsfelder erfordern unterschiedliche Informationsschnittstellen, welche gängige
Funkstandards unterstützen sollen. Im Rahmen
des Projekts wird von der Arbeitsgruppe von Prof.
Benyoucef evaluiert, welche Funkstandards für die
Übertragung verwendet werden können. Hierfür
sollen gängige Verfahren wie WLAN, Bluetooth
usw. untersucht werden.
Der eingesetzte Gassensor basiert auf eine bei
einem industriellen Projektpartner zur Verfügung
stehenden Technologie und verfügt über mehrere
resistive Schichten. Der chemisch-physikalische
Aufbau der Schichten erlaubt es, unterschiedliche
Gase, z.B. Ammoniak, Methan oder Stickstoff,
zu detektieren. Durch Verunreinigungen beim
Herstellungsprozess treten Querempfindlichkeiten
auf. Diese können zu Fehlklassifikationen führen.
Ziel ist es, aus den einzelnen Sensorwerten
eine zuverlässige und gegen Störungen robuste
Entscheidungsfunktion zu entwickeln, welche zum
einen Inkontinenz detektiert und zum anderen zwi-
Gesundheit
schen Kot und Urin selektieren kann. Die Arbeiten
zum Mustererkennungsverfahren werden in drei
Arbeitsschritte unterteilt:
eines Modells des Sensors, welches
die Querempfindlichkeiten mit abbildet.
■■Extraktion selektiver Merkmale aus dem Signalverlauf der Sensordaten.
■■ Verwendung eines Klassifikators, welcher den
Merkmalsraum auf die jeweilige Klasse abbildet [3].
über Zuleitungen mittels Lüftern in die Messkammer
geleitet. In dieser werden die Sensoren ausgemessen
und die entsprechenden Signale für die weitere Signalverarbeitung auf einem PC herausgeführt.
■■Entwicklung
Ergebnisse
In der Vorbereitungsphase wurde ein konfigurierbares
Dummysystem für die Evaluation der Kommunikationsschnittstelle und der Sensorschnittstelle entwickelt
(Abbildung 1). Dieses System besteht aus dem Gassensor mit Ansteuerungselektronik [4], der Verarbeitungselektronik, welche die Mustererkennung durchführt,
und einem WLAN Modul für die Datenübertragung zur
Visulisierungseinheit.
Für die Evaluation der Sensorempfindlichkeiten und die
Modellierung des Geruchssensors, wurde eine Gasmesskammer aufgebaut. Mit dieser können reale Gerüche mit unterschiedlichen Konzentrationen generiert
werden. Das Messsystem besteht im Wesentlichen aus
zwei Kammern. In der Geruchskammer werden die einzelnen Gasgemische aufbereitet. Diese werden dann
Abbildung 1: Dummysystem zur Evaluation der Kommunikationsschnittstellen. Im unteren Bildteil befindet sich die Sensoreinheit bestehend
aus Triple-Sensor mit Ansteuerungselektronik. Im oberen Bildteil ist die
Verarbeitungselektronik mit WLAN-Modul zur Kommunikation abgebildet.
Nach dem Aufbau der Gasmesskammer wurden erste
Messungen mit dem integrierten Gassensor in der
Sensoreinheit durchgeführt. In Abbildung 2 sind die
Rohdaten der Widerstandswerte zu sehen. Für das
Auge ist zu erkennen, dass nach dem Zuführen des
Gasgemisches nach 15 s ein Ausschlag bei allen 3 resistiven Schichten vorhanden ist. Es ist eine deutliche
Sensitivität der Sensoreinheit in Bezug auf bad-odor
Gase erkennbar.
Sensorsimulation
Die in SensOdor zur Anwendung kommende, bei
einem Industriepartner verfügbare Sensortechnologie
hat den großen Nachteil, dass die Leistungsaufnahme
sehr groß ist. Eine Fragestellung im Projekt war daher,
ob und wie sich die Leistungsaufnahme reduzieren
lässt, um die Möglichkeiten auch für mobile Anwendungen zu überprüfen1.
DR. WOLFGANG KRONAST
Forschungsschwerpunkte:
Nano- und Mikrosysteme,
physikalische Sensoren
und Aktoren
Tel. 07723 920 2514
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Ein innovatives, auf Mikrosystemtechnik beruhendes Konzept
wird im Rahmen vom ZAFH-AAL
speziell für mobile Anwendungen (z.B.
Stoma-Patienten) untersucht. Sensor-,
System- und Informationskonzept sind
vollkommen anders als bei SensOdor.
1
Abbildung 2: Beispielmessung einer Geruchsprobe. Zu erkennen sind die 3 Widerstandswerte des TripleSensors. Nach Beaufschlagung des Sensors mit einem Gasgemisch ist eine abrupte Änderung der relativen
Widerstandswerte zu erkennen.
35
Gesundheit
Forschungsgebiete:
Forschung der HFU
Tel. 07723 920 2232
[email protected]
Abbildung 3: Finite-Elemente-Simulationsmodell des Sensors.
Abbildung 3 zeigt das Finite Elemente Modell des Sensors,
der zur Reduktion der Wärmeverluste an 4 dünnen
Drähten aufgehängt ist. In Abbildung 4 ist die berechnete
mechanische Beanspruchung (von Mises Stress) des
Sensors bei einer mechanischen Belastung von 1000 G
Beschleunigung (Falltest) gezeigt. Es tritt eine hohe
Stressbelastung im Bereich der Aufhängung auf, falls
man den Sensor zur Reduktion der Wärmeverluste an
dünnen Drähten aufhängt. Die Ergebnisse der intensiven
Simulationsuntersuchungen der Arbeitsgruppe von
Prof. Mescheder zeigen, dass ein mobiler Einsatz mit
diesem Ansatz nicht möglich ist und hierfür neue Ansätze
erforscht werden müssen (s. ZAFH-AAL).
Projektstand
Es wurde anhand erster Messungen gezeigt, dass das
System Gerüche, welche von Stuhl und Urin ausgehen,
detektieren kann.
Die folgenden Arbeiten sind eine Auswertung der Messungen und eine Klassifikation der Signale. Zu der bisher
verwendeten Hauptkomponentenanalyse sollen weitere
Verfahren zur Musterextraktion untersucht werden. Eine
statistische Auswertung der Klassifikationsalgorithmen
anhand von Feldtests soll die Separierbarkeit von Kot und
Urin gegenüber anderen Störeinflüssen darstellen. Erste
Feldtests sind für das Jahr 2015 vorgesehen.
Literatur
Abbildung 4: Darstellung der mechanischen Beanspruchung (von Mises
Stress) des Sensors im Simulationsmodell bei Belastung mit 1000 G
Beschleunigung. Hohe Beanspruchung an der Sensoraufhängung.
36
[1] A. van Berlo et al.: Gerontechnology, In: Encyclopedia of Human Biology, 2nd Ed Vol. 4, San Diego:
Academic Press; 1997; pp 305–311.
[2] J. A. Covington et al.: Towards a truly biomimetic olfactory microsystem: An artificial olfactory mucosa,
MEMS Sensors and Actuators 2006, [102-112].
[3] C. M. Bishop: Pattern Recognition and Machine
Learning. Springer, 2006.
[4] Triple-Sensor, Umweltsensortechnik;
www.umweltsensortechnik.de/index2.htm.
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37
Gesundheit
Patienten-spezifische Vorhersagemodelle
für Organversagen bei Intensivpatienten
Prof. Dr. Matthias Kohl, Dr. Astrid Genet
PROF. DR. MATTHIAS KOHL
Fakultät Medical
and Life Sciences
Lehrgebiete: Statistik,
Statistiksoftware,
Bioinformatik, Mathematik
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Hospitals, especially in intensive care and anesthesiology, collect and document clinical data in patient data
management systems (PDMS) for many years now. In the framework of project PATIENTS, funded by BMBF
(FHprofUnt), we make use of these data and elaborate and implement a complete workflow for learning predictive models to predict the risk of organ failure in intensive care. The models are developed and validated on
clinical data from the COPRA PDMS (COPRA System GmbH, Berlin) of the intensive care units of the University
Hospital of Rostock. The database includes more than 4.500 parameters of more than 11.000 cases.
Our workflow will be incorporated into an extension module of the COPRA system. This module will turn the classical PDMS COPRA into a clinical decision support system and will support the physician in charge in diagnosing
organ failures and selecting the most appropriate therapy.
Akutes Nierenversagen (ANV) ist das häufigste
Organversagen auf der Intensivstation. Mit einer
Inzidenz (Neuerkrankungsrate) von 30-60% bei Patienten, die länger als 24 Stunden auf der Intensivstation
verbleiben [1], stellt es einen unabhängigen Risikofaktor für die Krankenhausletalität dar [2]. Die Inzidenz
des akuten Leberversagens (ALV) ist zwar wesentlich
geringer als beim ANV (11%), die Prognose dieser
Patienten ist aber bei einer Letalität von über 80%
sehr schlecht [3]. Für die Früherkennung beider Organversagen existieren derzeit keine klinisch etablierten
Tests oder Parameter [3], [4].
Der Schwerpunkt des PATIENTS Projekts (Laufzeit
2013-2016) ist die Entwicklung und Implementation
von Modellen zur Früherkennung von ANV und ALV
bei Intensivpatienten. Damit soll ein wichtiger Beitrag
geleistet werden, um die Prognose dieser Patienten
entscheidend zu verbessern. Die Modelle werden auf der
Basis der Datenbank der Intensivstationen des Universitätsklinikums Rostock entwickelt. Die Datenbank enthält
aktuell Daten von mehr als 11.000 Patientenbehandlungen, wobei pro Behandlung bis zu 4.679 Parameter in
unterschiedlichen zeitlichen Intervallen erhoben werden.
Dieser Datenschatz ist im Patientendatenmanagement-
DR. ASTRID GENET
an der Fakultät Medical
and Life Sciences, PostDoc
im Projekt PATIENTS
Forschungsgebiete:
Biostatistik, statistische
Lernverfahren, Statistiksoftware
Tel. 07720 307 4556
[email protected]
Abb. 1: Unterschied zwischen populations- und patientenspezifischen Verfahren; in Anlehnung an Figure 1 in [7].
38
Gesundheit
system (PDMS) der COPRA System GmbH abgelegt.
Ein PDMS ermöglicht die lückenlose Speicherung von
allen am Patientenbett erhobenen Messwerten sowie
von Befunden der Labor-, Röntgen-, Funktions- und
mikrobiologischen Diagnostik. Obwohl es ein wichtiges
Ziel von PDM-Systemen ist, eine höhere Behandlungsqualität und Patientensicherheit zu erreichen [5], werden
die darin enthaltenen Daten von den meisten Kliniken
kaum genutzt.
Die angestrebten Modelle zur Diagnose, Prädiktion und
Prognose von ANV oder ALV werden durch den Einsatz
statistischer Verfahren berechnet und validiert. Die
besten Modelle werden über ein Zusatzmodul für das
COPRA System den Ärzten zugänglich gemacht und können so in die tägliche Arbeit der Ärzte integriert werden.
Methoden
Für die Berechnung der Modelle kommen die modernen
Methoden des überwachten statistischen (maschinellen)
Lernens und des statistischen Matchings zum Einsatz.
Neben den sehr flexiblen Verfahren wie Support Vector
Machines (SVM) oder Bayessche Netzwerke werden
zum Vergleich auch klassische Verfahren wie die
Diskriminanzanalyse oder die logistische Regression
verwendet, deren Ergebnisse meist leichter zu interpretieren sind [6].
Erste Arbeiten deuten zudem darauf hin, dass sogenannte instanz-/patientenspezifische Verfahren zu
besseren Ergebnissen führen können als populationsspezifische Verfahren [7]. Im Unterschied zu den
üblichen populationsspezifischen Modellen, die im Mittel
gute Ergebnisse liefern, verwenden instanzspezifische
Modelle die Ähnlichkeit einer konkreten Instanz zu
den Trainingsinstanzen, um eine “personalisierte”
Vorhersage zu erreichen; siehe Abb. 1. Die Situation ist
vergleichbar mit den heute weit verbreiteten Empfehlungsdiensten (recommender systems), die etwa hinter
Kaufempfehlungen bei Onlinekäufen stecken.
Die systematische Evaluation der existierenden
patientenspezifischen Verfahren und ein detaillierter
Vergleich mit populationsspezifischen Methoden
sind wichtige Ziele des PATIENTS Projektes. Im Fall
einer binären Klassifikation (ja/nein) eignen sich für
den Vergleich von Modellen sehr gut sogenannte
Abb. 2: ROC Kurven für drei verschiedene Modelle. Im Hinblick auf die gewählten Kriterien (Sensitivität und
Spezifität) ist Modell 1 am besten gefolgt von Modell 3 und Modell 2.
ROC Kurven, bei denen zwei Kriterien gegeneinander abgetragen werden wie etwa Sensitivität und
Spezifität; siehe Abb. 2.
Datenbearbeitung, Qualitätskontrolle der Daten
sowie weitergehende statistische Analysen werden
mit Hilfe der freien Statistiksoftware R [8] durchgeführt.
Die im Projekt verwendeten Methoden sind nicht
beschränkt auf klinische Daten, sondern können
auf viele reale Probleme angewendet werden.
Heute werden entsprechende Verfahren für Suchmaschinen, Identifizierung von Bildern, Filtern von
Spam E-Mails, Empfehlungsdienste und vieles mehr
eingesetzt.
Erste Ergebnisse
In einem ersten Schritt wurden innerhalb der Fälle mit
ANV und ALV interessante klinische Phänotypen identifiziert. Aufgrund der großen Anzahl an Parametern,
die in der Datenbank gespeichert sind, wurde für die
39
Gesundheit
ersten Analysen eine Selektion aufgrund biologischer
und medizinischer Plausibilität vorgenommen. Später
sollen hierfür zusätzlich Variablenselektionsverfahren
zum Einsatz kommen [9]. Die gefilterte Datenbank
enthält die Daten von 5.773 Patienten, davon sind
1.929 Patienten mit ANV, 1.838 mit ALV und 3.627
Kontrollpatienten.
Ausblick
Für die ausgewählten Patienten und Parameter
wurden bereits verschiedene populationsspezifische
Modelle berechnet und validiert. Diese Modelle
werden aktuell mit patientenspezifischen Modellen
verglichen. Hierbei kommen zunächst existierende,
später aber auch von uns neu entwickelte patientenspezifische Verfahren zum Einsatz.
Die komplexen Ergebnisse der Lernverfahren werden
in eine für den Arzt verständliche und akzeptierte
Form umgewandelt. Dies wird die Basis für das
angestrebte Entscheidungsunterstützungssystem
sein, welches den Arzt bei der Diagnose von ANV
und ALV auf der Intensivstation und der Auswahl der
geeignetsten Therapie unterstützen wird.
40
Literatur
[1] K. Singbartl, J.A. Kellum: AKI in the ICU: definition, epidemiology, risk stratification, and
outcomes, Kidney Int 2012, 81(9): 819-825.
[2] P. Piccinni, D. N. Cruz, et al.: Prospective multicenter study on epidemiology of acute kidney
injury in the ICU: a critical care nephrology
Italian collaborative effort (NEFROINT), Minerva
Anestesiol 2011, 77(11): 1072-1083.
[3] W. M. Lee: Recent developments in acute liver
failure, Best Prac Res Clin Gastroenterol 2012,
26(1): 3-16.
[4] D. N. Cruz, Z. Ricci, C. Ronco: RIFLE and AKIN
time for reappraisal: Clinical review, Crit Care
2009, 13: 211.
[5] T. P. Clemmer: Computers in the ICU: where we
started and where we are now, J Crit Care 2004,
19(4): 201-207.
[6] T. Hastie, R. Tibshirani, J. Friedman: The elements
of statistical learning. Data mining, inference, and
prediction, 2nd edition, Springer 2009.
[7] S. Visweswaran, G. F. Cooper: Learning instancespecific predictive models, J Mach Learn Res
2010, 11: 3333-3369.
[8] R Core Team: R: A Language and Environment for
Statistical Computing, R Foundation for Statistical
Computing, Vienna, Austria, 2014.
[9] I. Guyon, A. Elisseeff: An introduction to variable
and feature selection, J Mach Learn Res, 3 (7-8),
1157-1182.
Gesundheit
VIELFALT
41
Gesundheit
Öffentliche Forschung zu sozialer Teilhabe
älterer Menschen auf dem Land
Dr. Peter Biniok, Prof. Dr. Stefan Selke
Our research focuses the question whether and how to improve the social inclusion of elderly people in rural
areas. Based on a needs assessment we developed and put to the proof a communication concept with a
so-called „space of exchange” as its primary component. This online platform enables the mutual supply
of information, discussions as well as the provision and request of assistance. The overall aim is to foster
interactions on site by use of virtual contacts. Our analysis highlights two important aspects. First, the use of
assistive technologies has to be complemented by social processes – the mere provision of technologies falls
short. Second, public research enables existing societal resources before use of technology. Therefore, social
inclusion may only be increased by a combination of social and technical mechanisms.
DR. PETER BINIOK
Studium der Informatik
und Soziologie
Forschungsgebiete: Wissenschafts- und Techniksoziologie,
Mensch-Maschine-Interaktion,
Innovationsforschung
Lehrgebiet: Technik und
Gesellschaft
Tel. 07723 920 2958
[email protected]
1 Region Furtwangen bezieht sich
dabei auf die Gemeinden Gütenbach,
Furtwangen, Vöhrenbach und
Schönwald.
2 Insgesamt wurden 26 qualitative
Interviews durchgeführt, transkribiert
und mithilfe der Software MAXQDA
ausgewertet.
1. Ausgangspunkt öffentlicher Forschung:
Altern im ländlichen Raum
Ländliche Räume besitzen Charakteristika, die das Leben
und Altern in besonderer Weise prägen [1-3]. Bezogen
auf die Region Furtwangen fallen hier bspw. die fehlende
Bahnanbindung, eine geringe Dichte von Kulturangeboten
und lange Winter ins Auge.1 Gleichzeitig finden sich
aber starke Vereinsstrukturen, der Schwarzwald als
Erholungsgebiet und die traditionsreiche Hochschule
mit spezifischen Bildungsangeboten. Diese Ressourcen
beeinflussen die Chancen auf soziale bzw. gesellschaftliche Teilhabe. Vor dem Hintergrund des demografischen
Wandels fördert das Land Baden-Württemberg Forschungsprojekte, die untersuchen, wie das Leben und
Wohnen älterer Menschen (60+) seniorenfreundlicher
und selbstbestimmter gestaltet werden kann. Im Projekt
„SONIA – Soziale Inklusion durch technikgestützte Kommunikationsangebote im Stadt-Land-Vergleich“ forschen
Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft darüber, ob und
wie ältere Menschen aktiv am täglichen Leben teilnehmen
und wodurch eine Verbesserung der Lebensqualität dieser
Abb. 1: Im Dialog mit der Bevölkerung.
42
Bevölkerungsgruppe erreicht werden kann. Die HFU analysiert hierbei, in welchem Umfang die gesellschaftliche
Teilhabe von SeniorInnen im ländlichen Raum gegeben
ist und wie diese gesteigert werden kann – auch durch
den Einsatz alltagstauglicher, technikgestützter Kommunikationsmittel. Unsere Arbeit im Projekt SONIA orientiert
sich am Vorgehen einer öffentlichen Wissenschaft, wie
sie mit dem Public Science Lab vertreten wird [4]. Unter
Bezug auf eine sog. subjektorientierte Soziologie besteht
deren Leitbild in einer dialogischen Problemdefinition und
Wissensproduktion zusammen mit BürgerInnen.
2. Vorgehen im Projekt: Prämissen und Methode
Übergreifend wird bei öffentlicher Forschung die Idee
verfolgt, im gesamten Forschungsprozess dialogische
Formate und Instrumente einzusetzen, um sozial robustes
Wissen zu erzeugen [5]. Kerngedanke ist die direkte
und praxisorientierte (auch experimentelle) Umsetzung
von Handlungsmöglichkeiten in öffentlichkeitsnahen
Aktionsfeldern. Dabei werden konkrete Problemlagen vor
Ort adressiert. Der Ansatz verweist auf die Notwendigkeit,
Akteure in die Forschung einzubeziehen und gemeinsam
Lösungen zu entwerfen, anstatt eine Lebenswelt nur von
„außen“ zu betrachten. Unsere Untersuchung orientiert
sich entsprechend an den Bedarfen der SeniorInnen
in Alltagssituationen und basiert auf erzählerischbiografischen Interviews, Gruppendiskussionen und
Expertengesprächen, die in den Landkreisen Schwarzwald-Baar-Kreis und Waldshut durchgeführt wurden [6,
7].2 Die daraus gewonnen Daten bilden die Basis für eine
Bedarfsanalyse, die zentrale Bedürfnisse und Wünsche
für ein gutes Leben sichtbar macht. Ob also eine Erhöhung der gesellschaftlichen Teilhabe nötig und möglich
ist, leiten wir insbesondere aus persönlichen Gesprächen
mit der Bevölkerung ab (Abb. 1).
Gesundheit
3. Z wischenstand der Ergebnisse:
Verschlungene Pfade der Forschung
Unsere Forschung fokussiert eine zielgerichtete Verbesserung der sozialen Teilhabe von SeniorInnen durch die
Vermehrung von Kommunikations- und Interaktionsmöglichkeiten. Das von uns entwickelte Konzept setzt hier mit
einem virtuellen „Raum des Austauschs“ an. Ziel ist es,
durch virtuelle Kontakte reale Begegnungen vor Ort bzw.
im Ort zu (re-)generieren.
3.1 Potentiale und Herausforderungen auf dem Land
Grundsätzlich korrespondieren die zentralen Ergebnisse
der Bedarfsanalyse mit den ländlichen Gegebenheiten
der Region Furtwangen. Potentiale und Herausforderungen betreffen erstens die Mobilität. Im alltäglichen Leben
ist ein eigenes Auto unverzichtbar, da der öffentliche
Nahverkehr unzureichend ausgebaut ist. Eine zunehmende Einschränkung der Mobilität älterer Menschen
erzeugt Abhängigkeiten von Familienangehörigen,
Nachbarn und Dienstleistern (etwa Lieferservice und
Fahrdienste). Bezüglich der Hilfe durch Dritte zeigt sich
zweitens die hohe Eingebundenheit der Befragten in
familiäre Strukturen und die Nachbarschaft. Dadurch
ist neben regelmäßigen Sozialkontakten auch eine
grundsätzliche Unterstützung im Alltag gewährleistet.
Allerdings sind diese Strukturen von begrenzter Dauer,
denn besonders die oft gleichaltrige Nachbarschaft
wird in Zukunft keine Hilfe mehr leisten können. Drittens
wird von den Befragten die Relevanz von Vereinsarbeit
und Freizeitaktivitäten betont. Gleichzeitig finden sich
die Vereine in vielen Orten jedoch mit schwindenden
Mitgliederzahlen und Problemen beim altersbedingten
Wechsel der Vereinsführung konfrontiert.
3.2 „Raum des Austauschs“
und Interaktion an realen Orten
Auf den Ergebnissen der Bedarfsanalyse aufbauend
wurde ein computergestütztes Kommunikationskonzept
erarbeitet, das versucht, den geschilderten Bedürfnissen gerecht zu werden. Seine praktische Nutzung
ist eng an Gruppen und Organisationen der Region
Furtwangen gekoppelt. Dies gewährleistet zum einen
die Verankerung lokaler Angebote im Lebensalltag
der SeniorInnen. Zum anderen wird eine Verstetigung
nach Abschluss des Projekts angestrebt. Mit der
SONIA-Plattform wird über Tablet-PCs ein „Raum des
Austauschs“ für ältere Menschen bereitgestellt. Das
entsprechende Kommunikationsangebot ermöglicht
es z.B. regionale Informationen abzurufen, persönliche
Kontakte zu knüpfen, ein virtuelles „Schwätzchen“
zu halten sowie auf Hilfsangebote von privaten und
kommerziellen Anbietern zurückzugreifen. Die Plattform
wird als Hilfsmittel verstanden, durch das SeniorInnen
untereinander und mit anderen Personen an realen Orten
in Interaktion treten. Eine gelungene Übertragung der
virtuellen Sozialkontakte auf das alltägliche Leben ergibt
Chancen der Gemeinschaftsbildung im ländlichen Raum.
PROF. DR. STEFAN SELKE
Professor für Soziologie und
gesellschaftlichen Wandel
Prodekan der Fakultät Gesundheit, Sicherheit, Gesellschaft
Senatsbeauftragter für
Nachhaltige Entwicklung
Forschungsgebiete: Armutsforschung im Kontext sozialer
Nachhaltigkeit, technischer
und medialer Wandel,
Öffentliche Wissenschaft
Lehrgebiet: Allgemeine und
spezielle Soziologie(n),
Gesellschaftlicher Wandel
Tel. 07723 920 2873
[email protected]
Abb. 2: Startseite der SONIA-Plattform (© basierend auf CareBW, nubedian GmbH).
43
Gesundheit
Die technische Umsetzung der Plattform basiert auf
bestehenden Einzelapplikationen (d.h. Apps wie Skype,
Fahrpläne, Zeitungen), die den „Raum des Austauschs“
bilden. Regionenspezifische Piktogramme und Terminologien fördern den Einstieg und den regelmäßigen Umgang
mit der Technologie (Abb. 2).
3.3 Strukturbildende Maßnahmen und
„Seiteneffekte“ im Praxistest
Derzeit befindet sich der „Raum des Austauschs“ in
einem Praxistest, bei dem SeniorInnen Tablet-PCs zur
Verfügung gestellt werden, um die Plattform im Echtbetrieb zu prüfen. Zur Gewährleistung des Praxisbetriebs
war es vor allem notwendig, zusammen mit der Bevölkerung ein Leitungsteam zu bilden, das in Kooperation mit
den Forschern den Praxistest organisiert und durchführt.
Zum Aufgabenbereich gehören:
■■ inhaltliche und organisatorische Leitung
■■ Betreuung während der Testphase
■■ Schulung im Umgang mit dem Tablet-PC
■■ Unterstützung in technischen Fragen.
Neben der Formierung solcher unterstützender Sozialstrukturen konnten wir bereits bei der Vorbereitung
des Praxistests beobachten, dass die Teilnahme der
SeniorInnen an unseren Informationsveranstaltungen,
an den Interviews und an Workshops mit dem Knüpfen
neuer Kontakte und mit dem Hervorbringen von Ideen
für gemeinsame Unternehmungen verbunden ist. Bereits
im Vorfeld des eigentlichen Technikeinsatzes beeinflusst
unsere Forschung also die Aktivitäten und Interaktionen
der Bevölkerung.
4. Gesellschaftliche Teilhabe:
soziale und technische Perspektive
Unser Projekt weist derzeit auf zwei wichtige Aspekte
bzgl. der Erhöhung gesellschaftlicher Teilhabe hin. Erstens wird der Einsatz von „assistiven“ Technologien von
weiteren Prozessen begleitet oder besser: sollte begleitet
werden. Trotz proklamierter Alltagstauglichkeit müssen
moderne Informations- und Kommunikationstechnologien
eingebettet werden. Die Verfügbarkeit eines Internetzugangs und Schulungen zum Umgang mit dem Tablet-PC
sind hier zentrale Dimensionen. Die bloße Bereitstellung
eines technischen Assistenzsystems greift zu kurz.
Zweitens zeigen unsere Erfahrungen, dass öffentliche
44
Forschung bereits vor jeder Technologie genau die
vorhandenen Ressourcen in der Bevölkerung aktiviert, die
eigentlich erst durch den Technikeinsatz gestärkt werden
sollen. Das weist auf das implizite Potential dialogischer
Forschungsansätze hin, die bereits vor dem eigentlichen
expliziten Technikeinsatz soziale Inklusion erhöhen. Im
Ergebnis – so unsere These – kann gesellschaftliche
Teilhabe nur durch eine Kombination aus sozialen und
technischen Mechanismen gefördert werden.
Danksagung
Das Projekt wird vom Ministerium für Arbeit und Sozialordnung, Familie, Frauen und Senioren Baden-Württemberg
gefördert. Projektpartner sind Prof. Dr. Christophe Kunze,
Jennifer Müller und Madeleine Berger sowie Fraunhofer
Institut für System- und Innovationsforschung, Fraunhofer Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation,
Geriatrisches Zentrum am Universitätsklinikum Tübingen,
Entwicklungszentrum Gut altwerden GmbH, Paul Wilhelm
von Keppler-Stiftung. Die Erhebung und Auswertung der
Daten findet unter Mitarbeit von Iris Menke statt.
Weitere Informationen: www.verbundprojekt-sonia.de
Literatur
[1] H. Mollenkopf, R. Kaspar (2005): Ageing in rural
areas of East and West Germany: increasing similarities and remaining differences, European Journal
Aging 2, S. 120-130.
[2] K. Baumgartner, F. Kolland, A. Wanka (2013): Altern
im ländlichen Raum. Entwicklungsmöglichkeiten
und Teilhabepotentiale. Stuttgart: Kohlhammer.
[3] C. H. Hennesy, R. Means, V. Burholdt (Hg.) (2014):
Countryside Connections. Older people, community
and place in rural Britain. Bristol: Policy Press.
[4] A. Treibel, S. Selke (2012): Soziologie für die Öffentlichkeit - zwei Perspektiven, Soziologie 4, S. 398-421.
[5] J. Howaldt, M. Schwarz (2010): „Soziale Innovation”
im Fokus. Skizze eines gesellschaftstheoretisch inspirierten Forschungskonzepts. Bielefeld: Transkript.
[6] F. Schütze (1983): Biographieforschung und narratives Interview, Neue Praxis 13/3, S. 283-293.
[7] Chr. Hopf (2005): Qualitative Interviews – ein Überblick, In: U. Flick, E. von Kardorff, I. Steinke (Hg.):
Qualitative Forschung. Ein Handbuch, Reinbek bei
Hamburg: Rowohlt, S. 349-360.
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45
Gesundheit
AAL-Forschung am Puls der Zeit im
Experimentallabor Future Care Lab
Prof. Dr. Christophe Kunze, M.Sc. Alexander Bejan
As the demographic change and with it the shift in Germany‘s age structure towards an elderly population
becomes evident, so do the shortcomings of its elder care system. In order to create ambient assistive systems
that suit the needs of senior citizens and support the care personnel, Furtwangen University has built its own
living lab funded by the German Research Foundation and the federal state Baden-Württemberg. The „Future
Care Lab“ allows for interdisciplinary research, implementation and evaluation of ambient care systems in the
area of Ambient Assisted Living (AAL) under realistic conditions. It also serves as a technology demonstrator to
show what the AAL-technology is currently capable of and what may be possible in the future.
Professor für Assistive Technologien und Studiendekan
des Studiengangs Allgemeine
Gesundheitswissenschaften
an der Fakultät Gesundheit,
Tel. 07723 920 2583
[email protected]
Im Zuge des demographischen Wandels verändert sich
die Altersstruktur in Deutschland, die Anzahl der pflegebedürftigen Senioren steigt dabei stetig an. Um daraus
resultierenden Problemen wie z. B. dem Pflegefachkräftemangel entgegenzuwirken, wird im interdisziplinären
Forschungsfeld Ambient Assisted Living (dt. „umgebungsunterstütztes Wohnen“) an der Fakultät Gesundheit, Sicherheit, Gesellschaft an assistiven Technologien
gearbeitet, die es älteren Menschen ermöglichen, so
lange wie möglich selbstbestimmt in der gewohnten
Umgebung zu leben. Dieser Vision entsprechende „intelligente“ Lebensumgebungen müssen viele verschiedene
Technologiebereiche (Haustechnik, Kommunikationssysteme, Interaktionstechnologien, Assistenzroboter,
Ambiente Sensorik etc.) bzw. Domänen in eine Funktions-
Bild 1: Funktionskonzept der intelligenten Lebensumgebung.
46
einheit integrieren (Bild 1). Dadurch können völlig neue
Formen der Assistenz (z. B. Unterstützung von Menschen
mit Demenz bei komplexen Alltagsaktivitäten) realisiert
werden, die in einzelnen Domänen oder mit einzelnen
Geräten nicht möglich wären.
Mit dem Ziel, eine moderne Plattform zur Realisierung und Prüfung solcher assistiver Technologien zu
schaffen, wurde im Rahmen des von der Deutschen
Forschungsgemeinschaft und dem Land Baden-Würt
temberg geförderten Projektes „ExIAL - Experimentalsystem für intelligente assistive Lebensumgebungen“
ein Experimentallabor, das „Future Care Lab“, als
Integrations-, Demonstrations- und Evaluationsumgebung gebaut.
Gesundheit
M.SC. ALEXANDER BEJAN
Bild 2: Flur mit großflächigen LED-Kacheln.
Bild 3: Wohnungssteuerungs-App mit Anzeige der Kontaktsensoren.
Verwendung
Die Verwendungszwecke des Forschungsgroßgeräts Future Care Lab sind vielfältig und reichen von
der Anwendereinbindung in Designprozesse über
Systemintegrationstests bis hin zu szenariobasierten
Evaluationsstudien unter realistischen Anwendungsbedingungen. Im Labor sind dazu aktuelle und
künftige AAL-Assistenzsysteme sowie zugrunde
liegende Technologien integriert, die in den Forschungsprojekten anwendungsspezifisch erweitert
und angepasst werden können.
Betreuer des Future Care Labs
Studium der Informatik in
Würzburg und Educational
Technology in Saarbrücken
Forschungsgebiet: Ambient
Assisted Living
Tel. 07723 920 2961
[email protected]
Bild 4: Schlafzimmer mit seniorengerechtem Bedienpanel
auf dem Tisch rechts.
Komponenten
Zu den integrierten Technologien zählen neben
Smart-Home-Komponenten wie Bewegungsmeldern
und Kontaktsensoren auch spezielle Sensorik wie
3D-Bildgebung, 3D-Lokalisierung, ein sensorischer
Fußboden oder am Körper tragbare Vitalsensorik zur
Messung von psychophysiologischen Signalen. So
kann die Wohnumgebung Aktivitäten und Zustände
des Bewohners wahrnehmen, Gefahrensituationen
erkennen und darauf in geeigneter Form reagieren
oder Hilfspersonen informieren. Zur Interaktion
stehen natürliche Nutzerschnittstellen wie Touch-,
Sprach- und Gestensteuerung zur Verfügung, die je
nach Bedarf durch visuelles Feedback über großflächige LED-Panels (Bild 2) oder auch AugmentedReality-Anwendungen wie der Einblendung von
Informationen in Datenbrillen ergänzt werden können. Aktoren wie automatisierte Rollläden, Fensterund Türöffner vereinfachen den Alltag motorisch
beeinträchtigter Bewohner. Auch Roboter wie etwa
der humanoide Kleinroboter NAO, der Low-Cost-
Bild 5: Essbereich mit modularem Esstisch.
Roboter TurtleBot und der Companionroboter
SCITOS können zur Unterstützung der Bewohner in
Anwendungsszenarien integriert werden.
Alle Systeme sind mit dem Wohnungsnetzwerk
verbunden und können zentral über ein seniorengerechtes Tablet-PC-Interface angesteuert werden
(Bild 3).
47
Gesundheit
Bild 6: Multimediabereich mit SmartTV und Multiroom-Sound-Anlage.
Bild 7: Küche mit unterschiedlich eingestellten Modulen.
Bei der Laboreinrichtung wurde auf eine barrierefreie
und nicht-stigmatisierende Möblierung geachtet, die so
weit wie möglich den Standard realer Pflegewohnungen
widerspiegelt, aber auch technische Alleinstellungsmerkmale vorweist (Bilder 4 - 9). Das Pflegebett ist z. B.
mit seinen Druck- und Lagesensoren an das Wohnungsautomatisierungssystem angebunden. Beim Esstisch
sind Tischplattensegmente manuell und bei der Küche
das Herd- und Spülenmodul elektrisch höhenverstellbar.
Auch die Pflegewanne ist höhenverstellbar und drehbar.
So können potenzielle Bewohner die Umgebung ihren
individuellen Bedürfnissen entsprechend anpassen und
ihre gewohnte Lebensqualität erhalten. Daran knüpft
auch das Beleuchtungssystem mit Tageslichtnachführung an, welches die Lichtfarbe an das jeweilige natürliche Tageslicht anpasst und so Personen mit gestörtem
Tag-Nacht-Rhythmus unterstützen kann.
wicklung und Evaluation im Labor eine entsprechende
Reife erreicht haben, in einer späteren Phase des
Projekts in geeigneten Modellwohneinheiten mobil
installiert und direkt im Feld getestet werden.
So können auch spezielle Applikationen im Wohnumfeld betroffener Personen, bspw. in Einrichtungen mit
betreutem Wohnen, untersucht werden.
Um einen ganzheitlichen Forschungsansatz zu
erreichen, können Anwendungen, die durch die Ent-
Mit Hilfe der so zur Verfügung gestellten Infrastruktur
können Forschungsergebnisse aus grundlegenden
Technologiebereichen schneller in nutzbare Anwendungen überführt werden. Auch kooperierende Industrieunternehmen aus anderen Anwendungsfeldern
erhalten so die Möglichkeit, Anwendungspotenziale
ihrer Technologien und Produkte für die Unterstützung
älterer und behinderter Menschen zu erkennen und
zu erschließen. Das Future Care Lab soll schließlich
dazu beitragen, dass AAL-Systeme in kürzeren Forschungszyklen und unter kontinuierlicher Einbindung
von Nutzern entwickelt werden können.
Bild 8: Blick in den Wohnbereich mit Roboter SCITOS rechts hinten in der Ecke.
Bild 9: Bad mit höhenverstellbarer Wanne.
Ganzheitlicher Forschungsansatz
48
Ausblick
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Wir freuen uns auf dich!
Sicherheit
Von der Risikoanalyse zur steuerungsabhängigen Sicherheitsfunktion
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Weber, B.Sc. Tim Giardina, B.Sc. Nikita Kies, M.Sc. Fabian Kratzke
For the machine building industry the field of machine-safety and plant-safety becomes increasingly important.
Especially the field of functional safety issues a challenge to the machinery engineering sector settled in BadenWürttemberg. In several research projects the HFU is working to answer the question about how to specify, realize and design safety related control systems as a modern part of risk reduction. The research project tries to find
a possibility to ease the design process of functional safety especially for small and medium-sized businesses.
PROF. DR.-ING. ULRICH WEBER
Lehrgebiete: Sicherheits
ingenieurwesen, Maschinen
sicherheit, Funktionale
Sicherheit, Methoden
der Risikobeurteilung
Tel. 07723 920 2457
[email protected]
Baden-Württemberg belegt innerhalb der gesamten
EU einen festen Platz unter den führenden Maschinenbauregionen. Daher ist es der HFU als Hochschule für
angewandte Wissenschaften ein besonderes Anliegen,
das interdisziplinäre Gebiet der Maschinen- und Anlagensicherheit in Forschung und Lehre zu etablieren.
und mittelständischen Unternehmen (KMU) bei dieser
sicherheitstechnisch anspruchsvollen Konstruktionsaufgabe Schwierigkeiten bereiten.
In aktuellen Forschungsprojekten im Bereich Maschinensicherheit liegt hierbei ein Fokus auf der Identifikation,
dem Design und der Nachweisführung von steuerungsabhängigen Sicherheitsfunktionen, SIF [2]. Derartige
Funktionen werden eingesetzt, wenn konventionelle, z.B.
feststehende trennende Schutzeinrichtungen, nicht greifen oder eine größere Flexibilität erreicht werden soll.
Vereinfacht ausgedrückt wird eine Gefährdungssituation
(Roboterarm) technisch erkannt (Raumüberwachung),
durch eine Logik verarbeitet (Auswertung der Bewegungsdaten) und eine Reaktion ausgelöst (abbremsen),
welche einen sicheren Zustand (Stillstand des Roboters)
herbeiführt (Abb.1).
■■ Einordnung von Rechtsvorgaben und Normung
B.SC. TIM GIARDINA
Forschungsgebiete:
Maschinensicherheit,
Funktionale Sicherheit
Tel. 07723 920 2976
[email protected]
1 PL entspricht dem erforderlichen
r
Performance Level (Performance
Level required) [2]; SIL entspricht dem
Sicherheits-Integritätslevel (Safety
Integrity Level) [5].
50
Mit Unterstützung der Marktüberwachung und der
Industrie wurde untersucht, welche Bereiche den klein-
Abb. 1: Beispiel einer Sicherheitsfunktion (vereinfacht).
Insbesondere folgende Problembereiche wurden
identifiziert:
■■ Durchführen von Konformitätsbewertungsverfahren
bei einem erstmaligen Inverkehrbringen
■■ Auswahl und Anwendung von Methoden der
Risikoanalyse
■■ Korrekte Spezifikation der Sicherheitsfunktion
■■ Festlegung des zu erreichenden Sicherheitslevels
(PLr und SIL)1
■■ Einschätzung und Anwendung konkurrierender
Normansätze, dabei speziell die DIN EN ISO 13849 und
die DIN EN 62061
■■ Nutzen der Freiheitsgrade bei der technischen Umsetzung (Architekturen, Ausfallraten, Diagnosedeckungsgrad, Maßnahmen gegen Common Cause Failure, CCF)
■■ Nachweisführung/ Dokumentation zur Maschinenrichtlinie bzw. Baumusterprüfung.
Sicherheit
gemeinsam mit Industriepartnern an realen Projekten
getestet. Die Ergebnisse fließen in die Verbesserung der
Methodik ein.
Ermittlung und Spezifikation
von Sicherheitsfunktionen
Abb. 2: Kernprozesse der Methodik.
In dem Forschungsprojekt KEM3S wird an der HFU
derzeit eine Methode entwickelt, mit der Maschinenhersteller hinsichtlich dieser Probleme gezielt unterstützt
werden sollen. Die relevanten Entwicklungsschritte beim
Design sicherheitsgerichteter Steuerungen wurden
hierzu untersucht und zunächst drei Kernprozessen
zugeordnet (Abb. 2).
Zu den drei Bereichen wurden jeweils Fehlermöglichkeitsuntersuchungen anhand der zugänglichen Daten
(Literatur, Unfallstatistiken, Interviews) durchgeführt.
Arbeitshilfen wie Anleitungen, Flow-Charts, Modellierungsbeispiele und Routinen werden entwickelt und
Als essentielle Voraussetzung des Konformitätsbewertungsverfahrens werden innerhalb der Risikobeurteilung
die Sicherheitsfunktionen im Sinne steuerungsabhängiger Maßnahmen ermittelt [6]. Hierbei wird jede
Sicherheitsfunktion einzeln betrachtet und mittels einer
Risikoeinschätzung der Grad der erforderlichen Risiko
minderung bestimmt (Abb. 3).
Die korrekte Formulierung und Darstellung der Sicherheitsfunktion - also welche Gefahrensituation soll mit
welchen technischen Mitteln wie erfasst, verarbeitet
und mit welchen Systemreaktionen beantwortet
werden - steht hierbei im Vordergrund. Dieser Schritt
ist entscheidend, da die grundsätzliche Wirksamkeit
der Risikominderung und der Aufwand der technischen
Umsetzung dadurch bestimmt werden. Die je nach Grad
der Risikominderung notwendige Zuverlässigkeit der
Sicherheitsfunktion kann auf Basis der systematischen
Spezifikation der SIF erfolgen. Die Arbeitshilfen sind so
B.SC. NIKITA KIES
Forschungsgebiete:
Tel. 07723 920 2977
nikita.kies@hs-furtwangende
M.SC. FABIAN KRATZKE
ehem. akademischer Mitarbeiter,
jetzt Mitarbeiter des Regierungspräsidiums Tübingen
Abb. 3: Beschreibung der Sicherheitsfunktion „Zuhaltung einer verriegelten beweglichen trennenden Schutzeinrichtung“.
51
Sicherheit
Abb. 4: Beispiele für Steuerungskategorien [3].
aufgebaut, dass entsprechende Realisierungsoptionen
direkt aus den Vorarbeiten abgeleitet werden.
■■der Zuverlässigkeit einzelner Bauteile und
Komponenten
■■von Art und Grad der automatischen Fehlererkennung
■■von Mehrkanaligkeit und Diversität
Realisierung und Implementierung
von Sicherheitsfunktionen
Die Realisierung und Implementierung umfasst die
Detailplanung und Umsetzung der Sicherheitsfunktionen.
Die formalisierten Ergebnisse der Ermittlung und Spezifikation fließen als konkrete Systemanforderungen ein um
das System detailliert beschreiben zu können.
Die entwickelten Verfahren helfen bei der zweckmäßigen
Kombination:
Abb. 5: V-Modell, Design von Sicherheitsfunktionen.
52
■■der grundlegenden Konstruktionsprinzipien.
Dieses bedingt insbesondere die Ableitung von zu erfüllenden Sicherheitsleveln (PLr , SIL) und Steuerungskategorien (Abb. 4) [5]. Entsprechende Vorgaben richten sich
an das System und an die Subsysteme, bestehend aus
Sensor, Logik und Aktor und deren Komponenten. Die
Darstellung der strukturellen Integrität und der Fehlererkennung erfolgt über die Visualisierung als sicherheitsbezogenes Blockdiagramm. Das Design der Steuerung
wird weiter durch Maßnahmen gegen systematische
Sicherheit
Fehler unterstützt. Dazu gehören u.a. Maßnahmen gegen
CCF, das Verwenden bewährter Bauteile oder auch die
Unterstützung des Konstruktionsprozesses durch grundlegende und bewährte Sicherheitsprinzipien [7].
Hierbei hat sich gezeigt, dass sich beide Bereiche gut
auf das von den Maschinen- und Steuerungsbauern
genutzte V-Modell [1] abbilden lassen (Abb. 5). Somit
kann die zu entwickelnde Methode als inhärenter
Projektbestandteil des bewährten Steuerungsdesigns
durchgängig mitgeführt werden.
Verifikation und Validierung der Sicherheitsfunktionen
Aufgabe des dritten Kernbereichs ist der Abgleich des
Ist-Zustand mit dem Soll-Zustand. Diese systematische
Verifikation hat zum Ziel den Konstruktionsprozess und
die realisierte Steuerung auf deren Robustheit hin zu
testen. Die Validierung besteht aus einem Validierungsplan, einer Analyse/Prüfung der Sicherheitsfunktionen
und einem Validierungsbericht [4]. Diese Ergebnisse
fließen in das Konformitätsverfahren und ggf. in die EGBaumusterprüfung ein.
Ergebnisse
■■ Auf Basis von Unfalluntersuchungen und Quellen wur-
den die kritischen Prozesse und typische Fehlerquellen beim Design sicherheitsgerichteter Steuerungen
identifiziert.
■■ Die relevanten Prozessschritte, welche mit der zu
entwickelten Methode unterstützt werden sollen,
wurden formuliert.
■■ Ein generischer Leitfaden zur Ermittlung und Spezifikation von SIF wurde entwickelt und an realen Projekten
erfolgreich getestet.
■■ Die Schritte der Entwicklung der sicherheitsgerichteten Steuerung wurden für die Bereiche Safety und
Security formuliert und dem V-Modell zugeordnet.
■■ Erste Ansätze zur Gestaltung von Blockdiagrammen,
im Bereich der Realisierung und Implementierung,
konnten als Handlungshilfen beschrieben werden.
■■ Teilschritte wurden getestet und verifiziert.
Ausblick
Im Verlauf des Forschungsprojektes KEM3S werden von
den Projektpartnern (Admeritia GmbH, ESCRYPT GmbH,
Lachmann & Rink GmbH), analog zu Safety, SecurityProbleme hinsichtlich des Schutzes vor unbefugten
Eingriffen in die Steuerungen untersucht und Lösungsansätze erarbeitet. Im finalen Schritt des Gesamtprojektes
sollen die beiden Bereiche Safety und Security zu einer
durchgängigen Methodik zusammengeführt werden.
Danksagung
Das Projekt Kombinierte Engineering-Methode für
Security und Safety in eingebetteten Systemen (KEM3S)
wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung
(BMBF), FKZ 16KIS0040, gefördert.
Literatur
[1] Börcsök, Josef. Elektronische Sicherheitssysteme.
Heidelberg: Hüthig, 2004.
[2] Bosch Rexroth AG, 10 Schritte zum Performance
Level, Lohr am Main: Bosch Rexroth AG, 2013.
[3] Deutsches Institut für Normung (DIN), DIN EN ISO
13849-1. Sicherheit von Maschinen - Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen - Teil 1: Allgemeine
Gestaltungsleitsätze. Deutsche Fassung EN ISO
13849-1:2008, Berlin: Beuth Verlag, 2008.
[4] Deutsches Institut für Normung (DIN), DIN EN ISO
13849-2. Sicherheit von Maschinen - Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen - Teil 2: Validierung.
Deutsche Fassung EN ISO 13849-2:2012, Berlin:
Beuth Verlag, 2012.
[5] Deutsches Institut für Normung (DIN), DIN EN 62061.
Sicherheit von Maschinen – Funktionale Sicherheit
sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer
und programmierbarer elektronischer Steurerungssysteme. Deutsche Fassung EN 62061, Berlin: Beuth
Verlag, 2013.
[6] Maschinenrichtlinie (MRL). Richtlinie 2006/42/EG
des europäischen Parlaments und des Rates vom
17. Mai 2006 über Maschinen und zur Änderung der
Richtlinie 95/16/EG (Neufassung), 2006.
[7] M. Hauke, M. Schäfer, R. Apfeld, T. Bömer, M.
Huelke, T. Borowski, K.-H. Büllesbach, M. Dorra,
H.-G. Förmer-Schäfer, W. Grigulewitsch, K.-D.
Heimann, B. Köhler und H. Zilligen, BGIA-Report
2/2008. Funktionale Sicherheit von Maschinensteuerungen - Anwendung der DIN EN ISO 13849, Berlin:
DGUV, 2008.
53
Sicherheit
Auditierung von rechenschaftspflichtigen Cloud-Infrastruktur-Anbietern
Prof. Dr. Christoph Reich, M.Sc. Thomas Rübsamen
Today‘s cloud services process data and leave the customers in the dark, how and by whom the data is collec
ted, stored and processed. This hesitates companies to introduce and to use cloud computing. Giving evidence,
that data has been processed within the meaning of the customer, would greatly increase the trust in cloud
providers. This created evidence must be generated that it is independent third-party verifiable (auditable) and if
violating the pre-agreed policies the cloud provider can be taken into account.
PROF. DR. CHRISTOPH REICH
Netzwerktechnik, Middleware
und IT-Management. Leiter des
Informations- und Medienzentrums der Hochschule (Rechenzentrum, Online-System,
Learning-System, Bibliothek)
Computing, QoS, Komponententechnologie, Security, Audit
Tel. 07723 920 2324
[email protected]
M.SC. THOMAS RÜBSAMEN
an der Fakultät Informatik,
vorher Studium von Computer
Networking und Advanced
Computer Science an der HFU
Forschungsgebiete:
Cloud Computing,
IT-Sicherheit, Audit
Tel. 07723 920 2368
[email protected]
This article shows how a proper operation of a cloud infrastructure for the user can be evidently recorded to
provide transparency regarding the processes in the cloud. We present an architecture, the Audit Agent System
(AAS), which is able to automatically perform audits and continuously reports. Part of this architecture are specialized software agents (e.g. log data analysis), which perform specific audit tasks and collect only absolutely
necessary information. Finally, a multi-provider scenario is discussed, that demonstrates the effectiveness of this
approach.
Das A4Cloud-Forschungsprojekt [1] soll das Vertrauen
in Cloud Computing stärken, indem es dem CloudKunden erlaubt, rechtliche, unternehmerische und
sozio-ökonomische Richtlinien in der Cloud durchzusetzen. Ein Cloud-Anbieter muss Rechenschaft
darüber ablegen, dass die Kundendaten in der Weise
verarbeitet werden, wie der Kunde es wünscht.
Eine spezielle Problemstellung in diesem Projekt
ist die Frage, was es heißt, den ordnungsgemäßen
Betrieb einer Cloud-Infrastruktur nachzuweisen und
für den Nutzer Transparenz hinsichtlich der Vorgänge
in der Cloud zu erzeugen. Es ist wichtig, den Umgang
mit vertraulichen Daten in einer Cloud während deren
gesamten Lebenszyklus, dazu gehört insbesondere
auch das Löschen dieser Daten, nachweisbar zu
dokumentieren. Diese Art der Nachweisbarkeit von
Cloud-Aktivitäten ist heutzutage nicht üblich. Der
Nutzer einer Cloud bekommt üblicherweise keinen
Nachweis, dass z.B. seine Daten nicht kopiert oder
korrekt verschlüsselt gespeichert wurden. Auch
wenn zentrale Anforderungen, wie Verfügbarkeit,
in Cloud-Verträge (Service Level Agreements) mit
aufgenommen wurden, liegt der Nachweis einer
Vertragsverletzung üblicherweise beim Kunden.
Ein Nachweis kann nur gelingen, wenn der Anbieter
operationale Prozesse, Mechanismen und Werkzeuge einsetzt um diese Aktivitäten nachweisbar zu
protokollieren. Der Prozess der Beweissammlung,
die Identifikation möglicher Beweisquellen und die
sichere, unveränderbare Beweisspeicherung sind
essentiell. Diese aufgezeichneten Beweise müssen
54
dem Kunden in Form eines Audit-Protokolls zur
Verfügung gestellt werden.
Dieses Dokument beschreibt ein System, das die
Beweissammlung anhand von gegebenen Richtlinien
anstößt, an den notwendigen Informationsquellen
der Cloud-Infrastruktur Beweise sammelt und diese
Informationen (Log-Dateien, Richtlinien, etc.) in einer
Art und Weise verarbeitet, dass die Privatsphäre und
die Vertraulichkeit des Kunden gewährt wird und
gleichzeitig eine Auditierung durch Dritte möglich
macht.
Audit Agent System
Das Audit Agenten System (AAS), eine Weiterentwicklung der bisherigen Arbeiten [4], [5], wird von
einem Auditor benutzt. Dabei kann ein Auditor der
Provider selbst (self-audit), ein externer Auditor
(third-party audit) oder der Kunde (audit by customer)
sein. Das AAS (siehe Abbildung 1) besteht aus den
folgenden Komponenten:
Audit Agent Controller (AAC): Diese Komponente ist
für das Sammeln von Beweisen zuständig. Wie in
Abbildung 1 gezeigt, können diese Datenquellen von
Beweisen das Cloud Management System (CMS), das
Netzwerk, Host-Betriebssysteme, Hypervisor, etc. sein.
Evidence Store (ES): Hat die Aufgabe die Beweise pro
Kunde (Tenant) sicher, verschlüsselt und geschützt
vor Manipulation zu speichern.
Audit Policy Module (APM): Dient zur Definition von
Policies (Sicherheitsregeln, Unternehmensregeln,
Sicherheit
Abbildung 1: Audit Agent System Konzept mit Evidence Quellen.
rechtliche Richtlinien, etc.) und deren Audit-Aufgaben.
Evidence Processor & Presenter (EPP): Generierung
von Audit-Reporten.
Die besonderen AAS Eigenschaften:
Einfache und effektive Erstellung von AuditAgenten, die spezielle Audit-Aufgaben durchführen.
■■ Dynamisches Ausrollen von Audit-Agenten bei
Bedarf und dadurch eine hohe Adaption an die
Audit-Aufgabenstellung möglich.
■■ Collector-Agenten sammeln Beweise direkt an
Beweisquellen und können durch direkte Interaktion mit den Audit-Agenten die Menge der Beweissammlung reduzieren.
■■ Einfache Integration von existierenden Werkzeugen
bei den Collector-Agenten, wie Virtual Machine
Introspection (VMI) [2], zur besseren Beweis
sammlung.
■■ Aggregation von Informationen aus mehreren
Quellen ist durch verschlüsselte Agenten-Kommunikation abgesichert.
■■ Isolierte Beweissammlung pro Kunde, da AAS
Multi-Tenant fähig ist. Dadurch ist es einfacher, wie
bei Wang [3] gefordert, die Privatsphäre gegenüber
Auditoren zu schützen.
■■ Alarmierung des Kunden bei Regelverletzung.
■■ Periodische Erzeugung von Audit-Reports.
■■
Funktionale Bewertung
Basis für die funktionale Bewertung des AAS
Ansatzes ist folgendes Szenario (siehe Abbildung 2):
Ein Mitarbeiter der Firma E benutzt die Customer Relationship Management (CRM)-Software. Das CRM wird
von Cloud-Anbieter 1 (CP1) als Software as a Service
(SaaS)-Service angeboten. CP1 besitzt keine eigenen
Datenverarbeitungsressourcen, sondern nutzt den
Infrastructure as a Service (IaaS)-Dienst von CP2.
Der IaaS-Cloud-Anbieter CP3 bietet als Service eine
Datenbank, die mit der CRM-Software verbunden ist.
Die Anbieter CP2 und CP3 werden von CP1 kontinuierlich bezüglich Leistung und Kosten überwacht.
Abbildung 2: Multi-Cloud-Provider-Szenario.
55
Sicherheit
Daraus wurden beispielhaft Richtlinien und dazuge
hörige Audit-Aufgaben definiert (siehe Tabelle 1):
Richtlinie
Audit-Aufgabe
Alle beteiligten Dienste
der Cloud-Anbieter
müssen hochverfügbar
sein.
■■
Wenn Nichtverfügbarkeitsvorfall auftrat, dann überprüfe „incidence process“ und sammle Beweise.
■■ Wenn „Definal of Service“ auftrat, dann überprüfe
Benachrichtigung und sammle Beweise.
Wenn CRM-Log eine Kommunikation außerhalb EU
anzeigt, dann sammle Beweise.
■■ Wenn VM-Migration stattfand, dann sammle
Beweise.
■■ Wenn VM-Provision außerhalb EU,
dann sammle Beweise.
■■ Wenn Datenbanktransaktionen außerhalb EU,
dann sammle Beweise.
■■
Die Kundendaten
müssen innerhalb EU
gespeichert sein.
Tabelle 1: Richtlinien und Audit-Aufgaben des AAS Ansatzes.
Die Audit-Aufgaben werden über das APM an
die CP1-3 gesendet und über die jeweiligen AACs
ausgewertet. Daraufhin werden spezialisierte AuditAgenten gestartet, z.B. bei CP1 zur Auswertung der
Log-Daten der CRM-Instanz innerhalb eines bestimmten Zeitraums. Bei CP2 und CP3 installiert der AAC
einen Netzwerk-Audit-Agent, welcher den Netzwerkverkehr überwacht und Regelverstöße, z.B. Datentransfers, an Ziele außerhalb der EU meldet. Alle
wichtigen Informationen werden im ES gespeichert.
Der EPP analysiert kontinuierlich die Information im
ES um Regelverstöße zu finden und gegebenenfalls
zu eskalieren. Periodisch werden auch Audit-Reports
erzeugt, die einen Überblick über die Einhaltung der
überwachten Richtlinien sowie etwaige Zwischenfälle
und Verstöße geben.
56
Zusammenfassung
In diesem Dokument wurde die Notwendigkeit
der Sammlung von Beweisen über Datenverarbeitungsvorgänge in der Cloud und deren Auswertung
in Cloud-Audits aufgezeigt. Auf diese Weise kann
mehr Transparenz in Bezug auf die Verarbeitung von
sensiblen Daten in der Cloud geschaffen, was letztlich
zu stärkerem Vertrauen in Cloud-Dienste führen kann.
Das hier vorgestellte Audit Agent System ist in der
Lage, automatisiert nach vordefinierten Kundenrichtlinien, Beweise zu sammeln, diese zu prüfen und
Bericht zu erstatten. Zum Schluss wurde ein MultiCloud-Anbieter-Szenario gezeigt, welches die Stärke
des Ansatzes verdeutlicht.
Literaturverzeichnis
[1] A4Cloud-Forschungsprojekt: www.a4cloud.eu
[2] T. Garfinkel and M. Rosenblum: A virtual machine
introspection based architecture for intrusion
detection, in: Proc. Network and Distributed
Systems Security Symposium, February 2003.
[3] C. Wang, Q. Wang, K. Ren, and W. Lou: Privacypreserving public auditing for data storage
security in cloud computing, in: Proceedings of
the 29th Conference on Information Communications, ser. INFOCOM’10. Piscataway, NJ, USA:
IEEE Press, 2010, pp. 525-533.
[4] F. Dölitzscher, C. Reich, M. Knahl, A. Passfall, and
N. Clarke: An Agent Based Business Aware Incident Detection System for Cloud Environments,
Journal of Cloud Computing: Advances, Systems
and Applications, vol. 1, no. 1, p. 9, 2012.
[5] F. Dölitzscher, T. Rübsamen, T. Karbe, C. Reich,
and N. Clarke: Sun behind clouds - on automatic
cloud security audits and a cloud audit policy
language, International Journal on Advances in
Networks and Services, vol. 6, no. 1 & 2, 2013.
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57
Sicherheit
Schadenskunde und Systematik der Schadensklärung
Prof. Dr. Hadi Mozaffari-Jovein
PROF. DR.
HADI MOZAFFARI-JOVEIN
Fakultät Industrial
Technologies
Lehr- und Forschungsgebiete:
Metallkunde und
Werkstoffwissenschaften
Tel. 07461 1502 6624
[email protected]
To find a cause of damage quickly and reliably a systematic procedure is necessary. This is the only way to
ensure that all harm-causing characteristics are recorded and a reliable damage hypothesis is created. If a component is claimed or overused, the material will react to this stress and leave typical features in the part. Through
the analysis of these characteristics it is possible to determine the type of damage and the damage history. As
soon as the cause of the claim is settled, the occurrence of further incidents can be prevented by appropriate
measures. In the degree program „Industrial Materials Engineering“ (IME) offered at Tuttlingen campus - in
addition to the focus on material sciences - a great emphasis is given to the themes of damage analysis and their
causes. To understand the causes of damages, the experience in the field of material sciences is the basis upon
which failure mechanisms can be explained.
Um die Ursache eines Schadens rasch und zuverlässig zu finden, ist eine systematische Vorgehensweise
zwingend notwendig. Nur so kann sichergestellt
werden, dass alle schadensauslösenden Merkmale
erfasst sind und eine zuverlässige Schadenshypothese erstellt wird. Wird ein Bauteil beansprucht bzw.
überbeansprucht, so reagiert der Werkstoff auf diese
Beanspruchung und hinterlässt typische Merkmale
im Bauteil. Durch die Analyse dieser Merkmale ist es
möglich, die Schadensart und den Schadensverlauf
zu bestimmen. Ist die Ursache des Schadensfalls
geklärt, kann durch geeignete Maßnahmen das
Auftreten weiterer Schadensfälle verhindert werden.
Im Studiengang Industrial Materials Engineering (IME)
in Tuttlingen befassen wir uns neben den werkstoffwissenschaftlichen Schwerpunkten auch vielfach mit dem
Thema „Schadenskunde und Analyse der Schadens
ursachen“. Hierzu dienen die Erkenntnisse aus dem
Bereich der Materialwissenschaften als Grundlage für
die Aufklärung der Schadensmechanismen.
Vielfach kann allein durch die systematische Aufbereitung der vorhandenen Daten und Informationen
die Ursache für einen Schadensfall herausgefunden
Abb. 1: Lichtmikroskopische Aufnahme eines nicht
metallischen Einschlusses in Stahl als Bruchursache.
58
werden. Die Bestandsaufnahme eines Schadens hilft
entscheidend bei der Definition der Schadenshypothese. Letztendlich sollen alle weiteren makroskopischen und mikroskopischen Einzeluntersuchungen
diese Vermutung bestätigen und der Problemlösung
dienen.
Bei der Untersuchung der Schadensfälle müssen vor
allem die materialklassenabhängigen Eigenschaften
zugrunde liegen. Ist das ausgefallene Bauteil aus
einem Kunststoff hergestellt, dann sind die möglichen Ausfallursachen gänzlich anders und sollen an
anderer Stelle gesucht werden als bei einem metallischen Werkstoff [1]. Soll beispielsweise in einer
metallischen Komponente ein durch Beanspruchung
entstandener Bruch analysiert werden, kann man hier
zwischen mindestens 20 bis 30 möglichen Brucharten
unterscheiden. Die Klassifizierung der Bruchart ist bei
der ersten Analyse der entscheidende Schritt für die
Definition der weiteren Untersuchungsmethoden und
die Klärung des Lösungsansatzes. Die Rekonstruktion
der Schadensfälle und die Analyse der möglichen
Mechanismen helfen häufig, das Problem schneller zu
verstehen und abzustellen.
Abb. 2: Lichtmikroskopische Aufnahme der Bruchstelle der Feder.
Der Bruch wurde durch einen Materialfehler im Bauteil ausgelöst.
Abb. 3: Rasterelektronenmikroskopische
Aufnahme der Bruchstelle der Feder.
Sicherheit
Abb. 4: EDX-Analyse des Einschlusses im Material mit stark erhöhtem Sauerstoffgehalt.
In den folgenden Abschnitten werden exemplarisch die möglichen Verfahren und Methoden für
unterschiedliche Analyseverfahren kurz dargestellt.
Fallbeispiele
Ein Bauteil aus Stahl brach während des Betriebes
und führte zum Stillstand der Maschine. Derartige
Ausfälle führen vielfach nicht nur zu Ausfallzeiten
der Anlagen und Maschinen sowie den dadurch
verursachten Materialschäden, sondern auch zu
langwierigen Konflikten zwischen Herstellern und
Anwendern.
In unserem Fall wurde der Ausfall durch einen
Materialfehler (oxidischer Einschluss) verursacht.
Eine abschließende Analyse mit EDX-Verfahren
(Energiedispersive Röntgenspektroskopie) half, die
chemische Zusammensetzung der Einschlüsse zu
bestimmen (Abb. 2, 3, 4, 5).
Häufig werden die Defekte im Bauteil bzw.
Werkstoff durch die Einsetzung eines nicht
werkstoffgerechten Fertigungsprozesses erzeugt.
Dabei spielen das thermodynamische Verhalten,
aber auch thermomechanische Eigenschaften der
eingesetzten Werkstoffe, eine entscheidende Rolle.
Abb. 1 zeigt die lichtmikroskopische Aufnahme der
gebrochenen Stahlsäule. Der Bruchverlauf deutete
auf einen durch Ermüdung verursachten Bruch hin,
ausgelöst durch eine Verunreinigung im Grundmaterial. Fraktographische Untersuchungen erlaubten
uns, die mögliche Stelle für den Rissbeginn zu
lokalisieren und dessen Ausbreitungsrichtung zu
bestimmen [2].
In einem anderem Fall brach eine Feder aus Stahl
während des Betriebs. Bei derartigem Versagen
wird häufig die Ursache auf die schlechte Qualität
des Materials und Werkstoffermüdung zurückgeführt. Eine Bestätigung des Ausfalls kann häufig
mit Hilfe von lichtmikroskopischen und rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen erfolgen.
Abb. 5: Sauerstoffverteilung an der bruchauslösenden Stelle der Feder.
59
Sicherheit
Hierzu kann ein Abgleich zwischen fehlerfreiem
und fehlerbehaftetem Material/ Bauteil bei der
Suche nach der Problemursache sehr hilfreich
sein. Wird bei der Ursachenanalyse das thermodynamische Verhalten des Materials hinterfragt, kann
die Lösung des Problems tiefergehende Diskussionen auslösen.
Abb. 6: Lichtmikroskopische Aufnahme der Schweißnaht im Kupfer-System. Erkennbar der Verlauf der Risse im
Kern des Schweißgutes.
In einem weiteren Fall sind zwei Metallteile mit
Hilfe des Widerstandsschweißverfahrens zusammengefügt. Nach sehr kurzer Belastungszeit brach
die Verbindungsstelle. Weitere Untersuchungen
zeigten, dass die Schmelze im Schweißgut bedingt
durch die konstitutionelle Unterkühlung zur Bildung
von intermetallischen Phasen und Mikrolunker
geführt hat (Abb. 6, 7, 8, 9). Eine Lösung hier kann
nur durch die Betrachtung der Phasendiagramme
und die Erkenntnissen aus den Erstarrungsvorgängen herangezogen werden.
Abb. 7: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Schweißnaht.
Erkennbare Querrisse und Lunker im Schweißgut.
Abb. 8: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Schweißnaht.
Erkennbar Verteilung und Verlauf der Mikrolunker umgeben von Intermetallischen Phasen (hellgrau).
60
Abb. 9: Kupferreiche Ecke des ternären Zustandsdiagramms von Cu-Zn-Sn-Legierung nach Tammann [3]. Abgebildet sind die intermetallischen Phasen, die durch die Erstarrung der Schmelze im Schweißgut entstehen können.
Sicherheit
Abb. 10: Karbidverteilung und Zeiligkeit des Ferrits im Stahlgefüge.
Abb. 11: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Korrosions
ablagerungen verursacht durch unsachgemäße Behandlung der
metallischen Komponente.
Ein Schaden muss nicht immer mit einem Versagen
bzw. Bruch des Bauteils verbunden sein. Werden die
Werkstoffe unsachgemäß behandelt bzw. bearbeitet,
kann dies die Materialeigenschaften negativ beeinflussen und verändern. Derartige Einflüsse führen
zur Verlagerung des tatsächlichen Problems. Abb. 10
zeigt einen Fall, der erst bemerkt wurde, nachdem
der Werkzeugverschleiß im Bearbeitungsprozess
extrem zunahm. Die Analyse der Mikrostruktur
half, die Ursache des Problems zu klären. In einem
weiteren Fall ist das Fehlverhalten des Bauteils durch
die Korrosion ausgelöst worden. Eine chemische
Analyse konnte die abschließende Problemursache
lokalisieren (Abb. 11).
Literatur
[1] Schadenskunde im Maschinenbau, Charakteristische Schadensursachen – Analyse und
Aussagen von Schadensfällen, J. Grosch, Expert
Verlag 2010.
[2] Handbuch Metallschäden, REM-Atlas und
Fallbeispiele zur Ursachenanalyse und Vermeidung. J. Broichhausen, L. Engel, H. Klingele, B.
Matijasevic-Lux, A. Neidel, J. Völker, H. Wanzek,
Carl Hanser Verlag 2010.
[3] G. Tammann und M. Hansen. Das ternäre System
Kupfer-Zinn-Zink. Z. Anorg. Allg. Chem., Vol. 138,
1924, S. 137-161.
Zusammenfassung
Bei der Herstellung von technischen Erzeugnissen
mit optimalen Eigenschaften werden die Erkenntnisse aus der Analyse der Schadensursachen sowie
die zur Schadensabhilfe und Schadensverhütung
eingeleiteten Maßnahmen immer wichtiger. Durch
die systematische Untersuchung von Schadensfällen
können Verbesserungen bei der Werkstoffentwicklung, der Werkstoffauswahl, der Konstruktion, der
Fertigung u.a. erzielt werden. Die hierbei gewonnenen
Erkenntnisse können die Produktqualität verbessern
sowie zur Schadensprävention und zur Herstellung
von robusten Produkten dienen.
61
Umwelt
Einsatz eines Pikosekundenlasers
zur Mikrostrukturierung von cBN-Schleifscheiben
B.Sc. Tim Luckstein, M.Sc. Ali Zahedi, Prof. Dr.-Ing. Bahman Azarhoushang
Non-mechanical tool preparation methods are novel approaches in reducing the dressing and structuring costs
of superabrasive grinding tools, which have hindered their overall acceptance in industry. In this study, the
thermal effects of picosecond laser radiation on metal-bonded cBN and diamond superabrasive grinding tool
surfaces have been analytically and experimentally investigated. The analytical approach is intended to find
threshold process parameters for the selective ablation of the superabrasive grains and the bond material. The
laser radiation experiments have been conducted with a picosecond Yb:YAG laser on metal-bonded cBN and
diamond honing tools. It has been analytically and experimentally demonstrated that, using suitable parameters,
the selective and controlled treatment of superabrasive tool components is possible.
PROF. DR.-ING. BAHMAN
AZARHOUSHANG
Fakultät Mechanical and
Medical Engineering, Leiter
des Kompetenzzentrums für
Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung (KSF)
Lehrgebiete: Fertigungstechnik,
Messtechnik, Werkzeugmaschinen, Festigkeitslehre,
Technische Mechanik,
Präzisionsbearbeitung
Tel. 07720 307 4215
[email protected]
Das Schleifen hochfester Materialien stellt in der
Schleiftechnik eine Herausforderung dar. Durch dabei
auftretende hohe Bearbeitungskräfte und -temperaturen kommt es bei ungünstig gewählten Schleifparametern schnell zu einer thermischen Beschädigung
des Werkstücks. Zudem ist die erreichbare Abtragsrate aufgrund der hohen Bearbeitungskräfte und dem
damit verbundenen Verschleiß des Schleifwerkzeugs
begrenzt, was zu einer suboptimalen Wirtschaftlichkeit führt.
Um diese Problematiken anzugehen, hat sich das
diskontinuierliche Schleifen bewährt. Der unterbrochene Schnitt beim diskontinuierlichen Schleifen kann
zu einer Reduzierung der Schleifkräfte und daraus
resultierend auch zu einer Reduzierung der Wärmeentwicklung in der Schleifkontaktzone führen [1], [2].
Durch den Einsatz eines modernen Ultrakurzpulslasers kann das neue kontaktlose Laserabricht- und
Laserstrukturierverfahren angewendet werden.
Um das Aufbringen von Mikrostrukturen auf
cBN-Schleifscheiben besser verstehen zu können,
soll eine durchgeführte Wärmediffusionsanalyse
beschrieben werden. Das genaue Ziel der Analyse
ist es, eine Beziehung zwischen Laserstrahlprozessparametern und den daraus resultierenden
Oberflächeneigenschaften herzustellen. Die Bindung
und die Schleifkörner wurden dabei getrennt
voneinander betrachtet, da diese unterschiedliche
Materialeigenschaften haben. Darüber hinaus soll
das prinzipielle Vorgehen zur Laserstrukturierung
beispielhaft anhand eines eigens angefertigten
Aufbaus erläutert werden.
Versuchsaufbau
Abb. 1: Prinzipieller Aufbau Laserkonditionieren.
62
Für die Versuche zum Abrichten und Strukturieren
mit einem Laser wurde der in Abb. 1 schematisch
dargestellte Aufbau eingesetzt, dessen Kernstück
der Yb:YAG Laser Trumicro 5050 der Firma Trumpf
bildete. Ein Laserscanner, der mit verschiedenen
Objektiven ausgestattet wurde, und Umlenkspiegel,
die den Laserstrahl zum Laserscanner navigierten,
bildeten weitere Komponenten der Lasereinheit. Die
Bewegung des Laserscanners in Z-Richtung wurde
durch eine Vertikalverfahrvorrichtung bewirkt. Die
für die Versuche weiteren notwendigen horizontalen und rotatorischen Bewegungen wurden durch
eine Schleifspindel realisiert. Abhängig von der
eingesetzten Linse wurde der Abstand zwischen
Laserscanner und Schleifscheibe so eingestellt, dass
die Schleifscheibenoberfläche genau im Fokuspunkt
des Scannerobjektivs lag. In diesem Punkt haben
Umwelt
M.SC. ALI ZAHEDI
Abb. 2: Laserabtrag mit 150 mm/s Scangeschwindigkeit und 2 W, 20 W und 25 W Laserintensität gemäß Reihenfolge.
Laserstrahlen ihre höchste Konzentration und feinste
Bearbeitungsmöglichkeit.
Grundlagenversuche zur Einstellung
der Laserparameter
Die Ergebniswerte der thermischen Analyse wurden
anhand der Erzeugung von linearen Strukturen
untersucht. Um vor allem eine gute Vergleichbarkeit
zwischen gewählten Laserintensitäten und Scannervorschüben untereinander zu schaffen, wurde die
Laserpulswiederholrate bei allen Versuchen konstant
auf 400 kHz gehalten, da diese ebenfalls die maximal generierte Oberflächentemperatur bestimmte.
Zur Schaffung einer konstanten Kühlung und dem
Abtransport von geschmolzenen Ablagerungen wurde
der Druck einer Luftdüse, welche in der Nähe der
Schleifscheibe positioniert wurde, auf 7 Bar gehalten.
Die leichten Brandspuren, in Abb. 2 links zu sehen,
beruhten lediglich auf Komponenten in der Bindung,
die eine geringere Schmelztemperatur hatten. Auch
bei 20 W Laserstärke trafen die Analyseergebnisse
ein. Hier wurde die Bindung durch die Laserstrahlen
entfernt und geschmolzen, nicht aber die Schleif
körner.
am KSF und Doktorand der
Universität Freiburg auf dem
Gebiet Mikrosystemtechnik,
vorher Master-Abschluss
in angewandter Mechanik
an der Sharif University of
Technology (2009)
Forschungsgebiete:
Feinstbearbeitung,
Mikrosystemtechnik
Tel. 07720 99798 11
[email protected]
Durch die Durchführung der Strukturierungsversuche
mit unterschiedlichen Scangeschwindigkeiten
wurden Strukturen mit ca. 120 µm erzielt. Abb. 3 zeigt
ein konfokales Bild einer erzeugten Struktur mit 40 W
Laserintensität (70 μJ Pulsenergie) und 200 mm/s
Scangeschwindigkeit.
Im ersten Experiment wurden entsprechend den
ermittelten Grenzwertlaserintensitäten Laserstärken
von 2 W, 20 W, 25 W und 50 W (entsprechend 5 µJ,
50 µJ, 62.5 µJ bzw. 125 µJ Einzelpulsenergien)
gewählt, mit denen eine kunstharzgebundene cBNSchleifscheibe strukturiert wurde. Der Scannervorschub wurde bei allen Durchgängen konstant auf
150 mm/s gehalten, um eine deutliche Wärmediffusion
zu erreichen. Der Effekt der Laserintensität nach den
gemachten Versuchen ist in der Abb. 2 gezeigt.
Wie durch die Wärmediffusionsanalyse vorher
ermittelt wurde, resultierte bei 2 W Laserintensität
(5 µJ Pulsenergie) kein Materialabtrag von den
Schleifkörnern, da die auf der Schleifscheibe erzeugte
Temperatur nicht hoch genug war. Zugleich schmolz
das Bindungsmaterial an unterschiedlichen Stellen.
Abb. 3: Konfokales Bild einer erzeugten Struktur durch Laser mit
200 mm/s Scangeschwindigkeit und 40 W Laserintensität.
63
Umwelt
Laserparameter
Wert
Pulsenergie
75 µJ
Scangeschwindigkeit
200 mm/s
Wiederholungsrate
400 kHz
Motorparameter
Wert
Drehzahl
20 U/min
Beschleunigung
50 Hz/ms
Vollschrittweite
1.8°
Schrittmodus
1/32
Tabelle 1: Ausgewählte Laser- und Motorparameter.
Laserbasierte Mikrostrukturierung
B.SC. TIM LUCKSTEIN
Maschinenbau-Ingenieur bei
der Fa. Marquardt (RietheimWeilheim). Vorher Student
an der HFU, Fakultät MME.
Bachelor-Thesis „Aufbau und
Fertigung eines Positioniersystems für die Laserbearbeitung
einer Schleifscheibe“ im KSF
erstellt.
Nachdem die Grundlagenuntersuchungen abgeschlossen waren und noch weitere Laserstruk
turierversuche mit hohem Laserscannervorschub
durchgeführt worden sind, konnten besonders
geeignete Parameter für die Laserstrukturierung
gefunden werden. Dadurch war es möglich, auch
eine kunstharzgebundene cBN-Schleifscheibe
(B151C75BH-R) der Firma Bärhausen besonders
schnell und effizient abzurichten und zu strukturieren.
Die ersten Laserstrukturierversuche damit wurden
mittels eines innovativen Schleifscheibenpositioniersystems durchgeführt.
Für einen Strukturierversuch mit der Schleifscheibe
wurde ein neues Muster entwickelt, das eine Breite
von 100 µm hatte und aus zusammengesetzten
Abrundungen bestand, um den Kühlschmierstoff
optimal an die Schleifkontaktzone zu leiten. Die Höhe
der Struktur wurde auf 1.25 mm eingestellt, was sich
aus der Abstimmung zwischen eigenen Vorgaben
und der möglichen Motorschrittweite ergab. Die
Abb. 4: Detailansicht Laserstrukturieren.
64
Abb. 5: Strukturierte Schleifscheibe bei 50, 100 und 175facher Vergrößerung.
Umwelt
Scangeschwindigkeit wurde mit 200 mm/s sehr hoch
gewählt, um in möglichst kurzer Zeit zu strukturieren.
Die ausgewählten Motor- und Laserparameter sind in
Tabelle 1 dargestellt. Eine Detailansicht zum Laserstrukturieren zeigt Abb. 4.
Wie Abb. 5 zeigt, wurde ein hervorragendes Strukturierergebnis erzielt. Die Strukturen sind entlang des
Schleifscheibenumfangs sowie entlang der Schleifscheibenbreite sehr regelmäßig aufgetragen worden
und weisen keine Lücken auf. Auch die Form und
vordefinierten Geometriewerte wurden stets beibehalten, was durch stichprobenartige Nachmessungen
geprüft wurde.
Mit einem Pikosekundenlaser lassen sich in
kürzester Zeit sehr präzise und gleichmäßige
Strukturen auf eine Schleifscheibe aufbringen.
■■ Für die Bearbeitung einer Schleifscheibe sollten
möglichst kleine Winkelbewegungen benutzt
werden, um keine Strukturabweichungen aufgrund
der Rundheit von Schleifscheiben zu erzeugen.
■■
Literatur
[1] Azarhoushang, B.; Intermittent Grinding of Ceramic Matrix Composites; Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile (2011).
[2] Kirchgatter, M.; Einsatzverhalten genuteter cBNSchleifscheiben mit keramischer Bindung beim
Außenrund-Einstechschleifen (2010).
Zusammenfassung
Resultierend aus den Grundlagenuntersuchungen
und den Strukturierversuchen zur Strukturierung
von cBN-Schleifscheiben hat sich ergeben, dass ein
Laser sehr gut zum definierten Materialabtrag von
hochharten und schwer zerspanbaren Materialien
geeignet ist. Die Erkenntnisse aus den Untersuchungen und den Experimenten lassen sich wie folgt
zusammenfassen:
Es wurde analytisch ermittelt und experimentell
bewiesen, dass die maximale generierte Oberflächentemperatur direkt von der Laserpulsintensität
abhängt.
■■ Aufgrund des unterschiedlichen Wärmediffusionsverhaltens von Schleifkorn und Bindung
erzeugen gleiche Laserparameter unterschiedliche
thermische Effekte. Der Grenzwert zur Abtragung
einer Kunstharzbindung liegt bei 5 µJ und der eines
cBN-Schleifkorns bei 62.5 µJ. Die Energiespanne
zwischen diesen Werten ist der Bereich, bei dem
die Bindung selektiv bearbeitet werden kann.
■■ Die Tiefe des Materialabtrags hängt direkt von
der Scangeschwindigkeit ab; je geringer diese ist,
desto mehr Material wird abgetragen.
■■ Die Ultrakurzpulszeit mit einem Pikosekundenlaser
bietet die Möglichkeit des kalten Materialabtrags.
Dies bedeutet, dass ein Laserpuls ein Material
binnen kürzester Zeit auf tausende Grad erhitzt und
seine Pulsdauer so bemessen ist, dass das Material fast bis auf seine Anfangstemperatur abkühlt
bevor der nächste Puls eintritt.
■■
65
Umwelt
Laserspektroskopie von Gasen mit Kapillar-Lichtwellenleitern
Dr. Volker Lange, Dr. Andras Kovacs, Prof. Dr. Robert Hönl
The development of sensors with metallic coated hollow capillaries as gas cells for laser spectroscopy is
presented. The advantage of such capillaries is the small gas volume. The sensor system has been verified for
O2 and CO2 detection. The minimum detectable concentration was found to be 11.2 ppmv at 1000 ppmv. A further
reduction of the sensor can be achieved with micro channels etched in a glass wafer. This micro channels were
successfully produced in the HFU micromachining lab. They can also be used for signal enhancement in Raman
spectroscopy.
DR. RER. NAT. VOLKER LANGE
Arbeitsgebiet:
Optische Mess- und
Sensortechnik,
Halbleitermesstechnik
Tel. 07723 920 2505
[email protected]
Die Entwicklung von Sensoren für die Laserspektroskopie mit metallbeschichteten Glaskapillaren als Gaszellen
wird vorgestellt. Derartige Glaskapillaren haben den
Vorteil, dass nur eine kleine Gasmenge benötigt wird. Mit
dem realisierten Sensorsystem wurde der Nachweis von
O2 und CO2 verifiziert. Die minimale nachweisbare Konzentration beträgt 11.2 ppmv bei 1000 ppmv. Eine weitere
Miniaturisierung des Sensors kann erreicht werden mit
Mikrokanälen, die mit nasschemischen Ätzverfahren in
Glaswafer hergestellt werden. Diese Mikrokanäle konnten im Technologielabor für Mikro- und Nanosysteme
Abbildung 1: CO2 Absorption des 2 µm Bandes.
der Hochschule Furtwangen erfolgreich hergestellt und
getestet werden. Als eine weitere Anwendung dieser
Mikrokanalstrukturen konnte eine effiziente Signalerhöhung in der Raman Spektroskopie nachgewiesen
werden.
Laserspektroskopie ist eine sehr nützliche und vielseitig
verwendbare Methode für den Nachweis von Gasen.
Die wesentlichen Vorteile dieser Methode sind die hohe
Empfindlichkeit und Selektivität. Darüber hinaus sind
Messungen in nahezu Echtzeit möglich [1]. Moleküle
mit geringer Absorptionsstärke (Linienstärke des
Bandübergangs) wie CH4, O2 und CO2 machen lange
Absorptionswege (mehrere Meter Weglänge) notwendig. Lange Absorptionswege werden üblicherweise
durch Faltung des optischen Weges in Mehrwegzellen
erreicht [2, 3]. Diese Mehrwegzellen sind jedoch
von großem geometrischem Ausmaß und benötigen
dadurch eine große Gasmenge. Kompaktere Gasmesszellen für die Laserspektroskopie können mit Hilfe von
strukturierten Hohlfasern (photonic crystal fiber, PCF)
realisiert werden [4]. Diese strukturierten Hohlfasern
erzeugen jedoch durch ihre periodische Wabenstruktur
Signalrauschen [4, 5] und benötigen lange Zeiten für
den Gasaustausch wegen des nur wenige Mikrometer
großen Durchmessers (<10 µm) des Hohlraums. Ein
rauschfreies Messsignal kann erreicht werden unter
Verwendung eines Kapillar-Lichtwellenleiters mit
Metallbeschichtung als Gasmesszelle [6] und Einsatz
eines Lasers und Detektors mit Temperaturstabilisierung (thermoelectric cooling, TEC). Metallbeschichtete
Mikrokanäle in Glaswafer ermöglichen eine weitere
Miniaturisierung des Sensors.
Kapillar Sensor
Abbildung 2: Signal der 2. Harmonischen von 3 CO2 Absorptionslinien.
66
Der Kapillar-Lichtwellenleiter-Sensor besteht aus
einer VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser)
Umwelt
Laserdiode, einer Fotodiode und einer Glaskapillare
mit innerer Metallbeschichtung. Der Laser und die
Fotodiode sind zur Temperaturstabilisierung auf einem
Peltier Element aufgebaut. Die Wellenlänge des Lasers
und der Detektor sind so gewählt, dass sie für den
Nachweis eines bestimmten Gases geeignet sind.
Im Fall von CO2 liegt ein Absorptionsband bei einer
Wellenlänge von 2 µm. Die Glaskapillare hat einen
inneren Durchmesser von 320 µm, die Dämpfung beträgt
6.4 dB/m (VSS 320/450 von Doko Eng.). Sie ist innen mit
Silber beschichtet. Zur Verhinderung der Korrosion der
Silberschicht und zur Erhöhung der Reflektivität befindet
sich auf der Silberschicht zusätzlich eine SilberjodidSchicht. Derartige Beschichtungen haben eine nahezu
gleichförmige Transmission im sichtbaren und nahen
IR Bereich des Lichtes. Dadurch kann ein und dieselbe
Kapillare zum Nachweis von Gasen verwendet werden,
deren Absorptionsbanden in völlig unterschiedlichen
Spektralbereichen liegen.
Biegeradius der Glaskapillaren (einige 100 mm) kann ein
kompakter Sensoraufbau nicht realisiert werden.
Mikrokanal Sensor
Eine weitere wesentliche Verkleinerung des Sensors auf
wenige cm2 lässt sich durch die Herstellung von Mikrokanälen in Glaswafer verwirklichen. Die Herstellung der
Mikrokanäle im Glaswafer erfolgt in einigen wenigen
Prozessschritten im Technologielabor für Mikro- und
Nanosysteme der Hochschule Furtwangen [8].
In Abbildung 4 ist das Konzept des Mikrokanalsensors abgebildet. Ein strukturierter und ein
unstrukturierter Deckelwafer bilden den Mikro
kanalsensor (blau: Glas, grün: Metallbeschichtung).
DR. ANDRAS KOVACS
Medical Engineering
Arbeitsgebiet: Mikro- und
Nanotechnologie, MEMS,
MOEMS, poröses Silizium
Tel. 07723 920 2516
[email protected]
Die Länge der Kapillare beträgt 2 m um auch niedrige
Gaskonzentrationen von Gasen mit kleiner Absorptionslinienstärke mit ausreichender Genauigkeit nachweisen
zu können. Wegen des kleinen Innendurchmessers der
Kapillare von nur 320 µm beträgt das benötigte Gas
volumen nur wenige mm3. Trotzdem ist bei diesem Innendurchmesser ein schneller Gasaustausch gewährleistet.
Als typisches Beispiel ist in Abbildung 1 das Absorptionssignal von CO2 in der Nähe des 2 µm Bandes zu sehen.
Durch Änderung des Stroms der Laserdiode steigt
die Laserleistung an und gleichzeitig ändert sich die
Wellenlänge des emittierten Lichts. Entspricht die Photonenenergie der Energie eines molekularen Übergangs
wird die Intensität des Laserlichts geschwächt, was zu
den charakteristischen Einbrüchen im Signal führt. Aus
der Tiefe dieser Einbrüche lässt sich die Gaskonzentration bestimmen. Die Identifikation der Absorptionslinien
und die Konzentrationsbestimmung erfolgt mit Hilfe der
molekularen HITRAN Datenbank [7]. Die Sensorcharakterisierung mit der Allan Varianz Methode [1] erfolgt
unter Anwendung der Wellenlängenmodulationsspektroskopie (WMS) und der Erzeugung des Signals der
2. Harmonischen. Abbildung 2 zeigt das Signal der 2.
Harmonischen von insgesamt 3 CO2 Linien. Das Allan
Diagramm für eine CO2 Konzentration von 1000 ppmv ist
in Abbildung 3 zu sehen. Die minimal nachweisbare Konzentration (minimum detectable concentration, MDC)
beträgt hier 11.2 ppmv. Wegen des großen minimalen
Abbildung 3: Allan Diagramm für 1000 ppmv CO2 Konzentration.
Abbildung 4:
Schema des Mikrokanalsensors.
67
Umwelt
PROF. DR.-ING. ROBERT HÖNL
Arbeitsgebiet: Messtechnik,
Regelungstechnik,
Optik/Optoelektronik
Tel. 07723 920 2328
[email protected]
Die Darstellung in Abbildung 4 ist nicht maßstäblich:
die Dicke des Glaswafers beträgt 1 mm, die Dicke
der Reflexionsschicht 200 nm, Kanaltiefe 130 µm,
Kanalbreite 300 µm. Abbildung 5 zeigt eine mikros
kopische Aufnahme des hergestellten Mikrokanals im
Querschnitt, Abbildung 6 das mit einem mechanischen
Oberflächenprofilometer (DEKTAK) gemessene Profil
des Mikrokanals. Die Abbildungen 7, 8 und 9 zeigen
mikroskopische Aufnahmen des hergestellten strukturierten Glaswafers mit unterschiedlicher Vergrößerung:
Gesamtaufsicht, Ausschnitt der Mikrokanalspirale
und Detailansicht der Mikrokanäle. Abbildung 6 und 9
zeigen die ausgezeichnete Qualität der hergestellten
Mikrokanalstrukturen, deren Oberflächenqualität
hervorragend für die optische Anwendung geeignet ist.
Das Einkoppeln des Laserlichts erfolgt mit einem Lichtwellenleiter. Die Transmission des Lichts im sichtbaren
Abbildung 5: Mikroskopaufnahme des Mikrokanals.
Bereich konnte in einem aufgebauten Mikrokanalsensor
nachgewiesen werden.
Als eine weitere Anwendung dieser Mikrokanäle im
Glaswafer ist die Signalverstärkung in der Raman
Spektroskopie von Gasen. Prinzipiell ist die Raman
Streuung von Gasen gering und jegliche Art der
Signalverstärkung macht die Raman Spektroskopie
effizienter [9]. In einem ersten Test konnte mit den
Mikrokanälen eine Verstärkung des Raman Streu
signals um einen Faktor 3 erzielt werden.
Zusammenfassung
Es konnte gezeigt werden, dass Glaskapillaren mit
einer inneren Metallbeschichtung geeignet sind
für die Laserspektroskopie von Gasen mit geringer
Abbildung 7: Aufsicht des strukturierten Glaswafers.
Abbildung 8: Ausschnitt aus der Mikrokanalspirale.
Abbildung 6 : Messung des Profils des Mikrokanals.
68
Abbildung 9: Detailansicht des Mikrokanals.
Umwelt
Absorptionslinienstärke. Exemplarisch wurde der
Nachweis für die Gase O2 und CO2 erbracht. Für CO2
konnte eine minimale nachweisbare Konzentration
von 11.2 ppmv bei 1000 ppmv CO2 erzielt werden. Die
erfolgreiche Herstellung von Mikrokanalstrukturen in
Glaswafer ermöglicht eine bedeutende Verringerung
der Sensorgröße.
Danksagung
Die vorliegende Arbeit wurde gefördert durch die
Europäische Union und das Land Baden-Württemberg im Rahmen des ZAFH Photonn. Die Autoren
danken S. Sanati (Karlsruhe Institute of Technology
(KIT)) für die Sensorcharakterisierung, C. Bolwien
(Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik
IPM) für Raman Testmessungen, A. Georg und C. Jerg
(Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE)
sowie X. Seng und H. Babamirimoghaddam (Hochschule Furtwangen) für die Waferprozessierung.
Literatur
[1] P. Werle, Diode-Laser Sensors for In-Situ Gas
Analysis, in: Lasers in Environmental and Life Sciences, eds. P. Hering, J. P. Lay and S. Stry, Springer
2004, ISBN 3-540-40260-8.
[2] J. White, Long Optical Paths of Large Aperture, J.
Opt. Soc. of America 32 (5), 285-288 (1942).
[3] D. R. Herriott and J. H. Schulte, Folded optical
delay lines, Appl. Opt. 4(8), 883-889, (1965).
[4] T. Ritari et al., Gas sensing using air-guiding
photonic bandgap fibers, Optics Express 12(17),
4080-4087 (2004).
[5] M. Cabaleiro, V. Lange, D. Kühlke, Oxygen sensor
based on hollow-core photonic crystal fibres,
Proc. SPIE 6990, 69900A (2008).
[6] A. Rodrigues, V. Lange, D. Kühlke, Spectroscopy
Gas Sensing Based on Hollow Fibres, Proc. of
SPIE Vol. 8073, 807311 (2011).
[7] L. S. Rothman et al, The HITRAN 2012 molecular
spectroscopic database, Journal of Quantitative
Spectroscopy and Radiative Transfer 130, 4-50
(2013).
[8] H. Babamirimoghaddam, Master Thesis, Furt
wangen University, (2014).
[9] X. Yang et al, High sensitivity gas sensing by
Raman spectroscopy in photonic crystal fiber,
Sensors and Actuators B 176, 64-68 (2013).
69
Umwelt
Miniaturisiertes Spektrometer für neue Ansätze in der Analytik
M.Sc. Alexey Ivanov, M.Sc. Isman Khazi, Dr. Andras Kovacs, Prof. Dr. Ulrich Mescheder
A novel concept for MEMS based system including porous-silicon based photonic crystals which form the heart
of miniaturized monochromators, spectrometers or tunable light sources, is presented. The fabricated poroussilicon based 1D photonic crystal is tuned with the combination of fast micromechanical tilting and pore-filling of
the porous-silicon multilayer, thereby providing the wavelength tuning of ca. ± 20% around the working wavelength. Experimental and simulation data for the visible and near-infrared wavelength range prove the concept
of a miniaturized, low price and fast tunable optical filter system. Due to its low price (chip in the range of some
Euro) and relatively high performance (almost comparable to macro spectrometers) this approach opens totally
new possibilities of integrating spectrometer based analysis in industrial processes
Forschungsgebiete:
Forschung der HFU
Tel. 07723 920 2232
[email protected]
DR. ANDRAS KOVACS
Tel. 07723 920 2516
[email protected]
Fachleute sprechen auch von
einem eindimensionalen „photonic
crystal“: bei einem solchen können
„künstlich“ ähnliche Eigenschaften
eingestellt werden, wie sie ein
Kristall von Natur aus zeigt.
1
70
Motivation
Konzept des miniaturisierten Spektrometers
Analytische Verfahren liefern z.B. in der Medizin
Daten über Stoffe (z.B. im Gewebe) und deren
zeitliche Veränderung (z.B. Tumorwachstum) und
Wechselwirkungsmechanismen (z.B. Antikörperreaktionen). Auch in Anwendungsbereichen wie
Sicherheitstechnik und Lebensmittelherstellung
werden analytische Verfahren eingesetzt. Zur
Verbesserung der analytischen Information ist es in
vielen Fällen unverzichtbar, parallel mehrere Eigenschaften zu erfassen, indem neben der üblichen
Ortsauflösung (Mikroskopie) eine Zeit- und auch eine
Wellenlängenauflösung für das zu analysierende
Objekt zur Verfügung steht („spectral imaging“). In
der Regel sind solche multimodalen Analysen nur
mit erheblichem technischem Aufwand in speziellen
Messlabors möglich. Um die Vorteile von „spectral
imaging“ breiter nutzen zu können, sind preiswerte
und zugleich miniaturisierte Lösungen, die einen
geringen Platz- und Energiebedarf besitzen, erforderlich.
Poröses Silizium wird mit Hilfe eines einfachen
elektrochemischen Ätzvorgangs in der Oberfläche
von Standard-Siliziumwafer erzeugt. Die entstehende
Porosität hängt dabei von der verwendeten Stromdichte ab. Daher ist es möglich, mit porösem Silizium
sogenannte Multilayerstrukturen zur erzeugen. Diese
verhalten sich ähnlich den Antireflexionsschichten, die
man von Brillenbeschichtungen oder als Beschichtung
von Displays kennt: Durch eine gezielte Einstellung der
Porosität kann man nämlich den Brechungsindex jeder
einzelnen der aus typisch 20-40 Einzelschichten bestehenden Schichtstruktur gezielt einstellen. Damit erhält
man passive optische Filter, die ein genau definiertes
optisches Verhalten aufweisen [4].
Die bisherigen Ansätze zur Miniaturisierung von
Monochromatoren oder Spektrometern beruhen
auf drehbaren Beugungsgittern [1], [2] oder auf
piezoelektrisch verstimmbaren Fabry-PerotInterferometern [3]. Einen vollkommen neuen Ansatz
liefert die Verwendung von porösem Silizium, mit
dem sich die Arbeitsgruppe Mikrosystemtechnik seit
vielen Jahren intensiv beschäftigt. Hieraus wurde
ein Konzept für ein Spektrometer entwickelt und
zum Patent angemeldet, das auf porösen SiliziumMultilayerstrukturen beruht, chipbasiert und daher
stark miniaturisiert ist (wenige cm³ Bauraum) und
die Kernkomponente zukünftiger Analyseverfahren
bilden kann.
Diese Technologieplattform wurde von der Arbeitsgruppe Mikrosystemtechnik in den letzten Jahren
schon für verschiedene sensorische Aufgaben genutzt
[5], [6]. Dabei werden die Schichten aus porösem
Silizium bezüglich einer gewünschten Arbeitswellenlänge als λ, λ/2- oder λ/4- Schichten hergestellt. Der
Trick hierbei besteht darin, den Strom beim elektrochemischen Ätzprozess zeitlich genau so zu steuern,
dass die erforderliche Schichtstruktur 1 entsteht, die
dann später auftreffendes Licht filtert. Der verbleibende
sehr schmalbandige Teil kann über einen bestimmten
Wellenlängenbereich verschoben werden (Monochromatormodus). In einer anderen Betriebsart kann
die spektrale Zusammensetzung des Lichts analysiert
werden (Spektrometermodus).
In Bild 1 ist eine solche Schichtstruktur gezeigt: Die
einzelnen Schichten sind rund 100 nm dick und haben
eine poröse Struktur (in dieser Vergrößerung kaum
sichtbar). Die Porengröße liegt bei 4-5 nm.
Umwelt
dem einfallenden Licht ab. Das reflektierte Licht wird
über eine Ausgangslichtfaser auf einen breitbandigen
Detektor gebracht. Durch Synchronisation des Detek
torausgangsignals mit der Drehbewegung bekommt
man dann die spektrale Information des einfallenden
Lichts (Spektrometermodus).
Simulation und Messergebnisse
Bild 1: Rasterelektronenmikroskopische Querschnittsaufnahme einer
Multilayerstruktur. Obere Grenzfläche ist Luft, untere Grenzfläche ist
kristallines Silizium.
Technisch wird die Wellenlängenverschiebung durch
eine Kombination von Kippen mit einem integrierten
mikromechanischen Aktor und Befüllen der Poren der
aus porösem Silizium bestehenden Schichtstruktur,
z.B. mit einem Alkohol, erreicht. Das Kippen wird mit
Hilfe eines Chips erreicht, in den ein Si-Kippspiegel
eingelassen ist, der elektromagnetisch angetrieben
wird (Bild 2). Der Kippspiegel wird mit Methoden der
Si-Mikrotechnologie hergestellt; in der Oberfläche des
Kippspiegels befindet sich die poröse Schichtstruktur 2.
Bild 2 zeigt auch, wie ein fasergestütztes Spektrometer
entsteht: Licht wird über eine Lichtfaser auf den drehbaren Chip mit der Schichtstruktur geleitet. Die Reflexion hängt vom Kippwinkel des Spiegels gegenüber
Es können nahezu beliebige Filtercharakteristiken
durch gezielte Einstellung des Brechungsindexsprungs zwischen den einzelnen Schichten und der
Dicke und Anzahl der Schichten erzeugt werden, z.B.
Rugatefilter, die einen relativ schmalbandigen Reflexionspeak und geringe Intensitäten der sogenannten
Seitenbanden links und rechts vom Peak aufweisen
(Bild 3). Die spektrale Breite des Peaks bestimmt
die Wellenlängenauflösung bei diesem Ansatz (mit
Rugatefiltern sind 10 nm möglich).
Die Größe der durch Kippen erzielten Wellenlängenverschiebung hängt von verschiedenen Parametern
ab. Insbesondere haben die Untersuchungen ergeben,
dass hochohmiges, also niedrigdotiertes Si-Ausgangsmaterial bei gleichem Kippwinkel eine fast 3x höhere
Wellenlängenverschiebung ermöglicht als hoch
dotiertes Silizium. Im ersten Fall erhält man bei Kippen
um 40° eine Wellenlängenverschiebung von 63 nm,
für niederohmiges Si (hochdotiert) sind es nur 23 nm.
Bild 2: Grundlegender Aufbau
des Spektrometers, in diesem
Falle eines faserbasierten
Spektrometers.
Die poröse Schichtstruktur ist
in die Oberfläche des ebenfalls
aus Silizium bestehenden
mikromechanischen Kippspiegels
eingelassen. Das schnelle Kippen
um +/-20° wird durch eine elektromagnetische Kraft erzeugt, die
zwischen seitlich angeordneten
Permanentmagneten und einer
auf dem Kippspiegel angeordneten, stromdurchflossenen
Spule (rot) entsteht. Der Chip ist
nur wenige mm² groß.
M.SC. ISMAN KHAZI
MOEMS, Mikrostanzen
Tel. 07723 920 2810
[email protected]
M.SC. ALEXEY IVANOV
Arbeitsgebiet: Mikround Nanotechnologie,
MEMS, poröses Silizium
Tel. 07723 920 2103
[email protected]
Es handelt sich also um ein sogenanntes monolithisch integriertes
Mikrosystem.
2
71
Umwelt
Zusammenfassung
Ein neuartiges, auf Si-Mikrotechnologien beruhendes
Konzept erlaubt die Realisierung sehr kleiner und
preiswerter Spektrometer oder Monochromatoren.
Die aktive Wellenlängenvariation liegt typisch im
Bereich 20% um die gewählte Arbeitswellenlänge
herum, wobei ein Anteil sehr schnell (kHz) durch
Kippen erreicht wird, eine weitere Wellenlängenverschiebung beruht auf Porenfüllung des porösen
Materials und geht damit deutlich langsamer (s).
Bild 3: Simuliertes Spektrum eines sogenannten Rugatefilters, bei dem
insbesondere die sogenannten Seitenbanden links und rechts vom
zentralen Peak (Arbeitswellenlänge) reduziert wurden. Die Peakbreite
bestimmt die erreichbare Auflösung.
Dies ist ein Resultat der unterschiedlichen Steuerbarkeit der Porösität durch den Strom beim Ätzen: Für
einen vorgegebenen Sprung der Stromdichte erhält
man bei niedrigdotiertem Silizium einen größeren
Sprung der Brechungsindizes der jeweiligen Schichten.
Bild 4 zeigt das Zusammenwirken von Kippen und
Porenfüllung. Die Porenfüllung erfolgte hier mit
Ethanoldampf, der in den sehr kleinen, nur wenige nm
großen Poren schon bei Raumtemperatur kondensiert
(kapillare Kondensation). Beide Effekte zusammen
genommen erhält man eine Verschiebbarkeit der
Arbeitswellenlänge von über 150 nm bei einer Arbeitswellenlänge um 750 nm (also rund 20%; die Verschiebbarkeit skaliert mit der gewählten Arbeitswellenlänge,
wird also im Infraroten größer). Zu beachten ist, dass
Kippen sehr schnell erfolgen kann (kHz), während
Befüllen und Entleeren der Poren relativ langsame
Vorgänge sind (weniger als 1 Hz).
Bild 4: Gemessene spektrale Verschiebung durch Kippen
und zusätzliche Porenfüllung mit Ethanoldampf.
72
Eine andere Anwendung des Prinzips sind schnell
modulierbare Lichtquellen. Mit Baugrößen im Bereich
1 cm³ und Preisen (in hohen Stückzahlen) unter 10 €
erschließen sich neue Anwendungen für die Nutzung
von „spectral imaging“ in der Prozesskontrolle.
Referenzen
[1] H. R. Seren, et al., Lamellar-Grating-Based MEMS
Fourier Transform Spectrometer, J. Microelectromech. Syst. Vol. 21, No. 2, 2012, pp. 331.
[2] S.-J. Chen, et al., Arrayed, PiezoelectricallyActuated Mirrors and Gratings for Spectrometer, Technical Proceedings of the 2010 NSTI
Nanotechnology Conference & Expo, 2010, vol. 2,
pp. 312-315.
[3] J. Masson, et al., Tunable Fiber Laser Using a
MEMS-Based In Plane Fabry-Pérot Filter, IEEE J.
Quant. Electron., Vol. 46, No. 9, 2010, pp. 13131319.
[4] M. G. Berger, et al., Dielectric filters made of PS:
advanced performance by oxidation and new
layer structures, Thin Solid Films 297, 1997, pp.
237-240.
[5] A. Kovacs, et al., Optoelectrical Detection System
Using Porous Silicon-Based Optical Multilayers,
IEEE Sensors J. 2011, 11:2413–2420.
[6] A. Kovacs, et al., Portable Optical Sensor Using
Tunable Optical Multilayers, IEEE Sensors 2013,
3-6 Nov. 2013, 4 pages.
[7] U. Mescheder, et al., Tunable Optical Filters
with Wide Wavelength Range Based on Porous
Multilayers, Nanoscale Res. Lett. 2014, 9(1):427.
Dieser Beitrag ist eine Kurzform der englischsprachigen Veröffentlichung [7].
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73
Umwelt
Nachhaltigkeit im Gepäck:
Kommunikation und Bildung für Nachhaltige Entwicklung
M.Sc. Felix Hollerbach, Dr. Michaela Hölz, Prof. Dr. Stefan Selke
PROF. DR. STEFAN SELKE
Professor für Soziologie und
gesellschaftlichen Wandel
Prodekan der Fakultät Gesundheit, Sicherheit, Gesellschaft
Forschungsgebiete: Armutsforschung im Kontext sozialer
Nachhaltigkeit, technischer
Lehrgebiet: Allgemeine
und spezielle Soziologie(n),
Gesellschaftlicher Wandel
Tel. 07723 920 2873
[email protected]
DR. MICHAELA HÖLZ
Leiterin Referat für
Nachhaltige Entwicklung,
EMAS-Beauftragte der HFU
Tel. 07723 920 2956
michaela.hoelz@
hs-furtwangen.de
Communicating the principle of sustainable development (SD) is a challenging task. Both intrinsic complexity
and fuzziness of the concept impact clear articulation. Additionally, the media seem to focus largely on the
problematic side of SD. All these factors lead to a concentration on the possible impact on the individual lifestyle
and hinder motivation to engage with the topic. Therefore, current communication of SD should consider
adapting strategies for a diverse range of societal actors. This is the starting point of the project “Backpacking
Sustainability”. With a focus on the region, it identifies and analyzes stakeholders and initiatives that promote
sustainability. Here, the aim is to visualize the local and often implicit knowledge within these projects in order to
make sustainability come alive. To do so, it offers three perspectives: research (HFU), practice (regional actors)
and the public (regional population), while each of these is covered by different participatory methods. Moreover,
the project “Backpacking Sustainability” provides the basis for a future “Regional Centre of Expertise” to sustain
the work and widen its range of influence.
Die Kommunikation der Idee Nachhaltiger Entwicklung
ist eine Aufgabe, die herausfordert. Die Komplexität und
die oft sehr sperrigen und schwammigen Definitionen
und Modelle von Nachhaltigkeit führen des Öfteren
zu Verdruss und Unverständnis gegenüber diesem
insgesamt positiv bewerteten Prinzip. Hinzu kommt, dass
eine Auseinandersetzung mit Themen der Nachhaltigkeit
seitens der Medien oft nur die Problemlagen darstellt
ohne auf konkrete Lösungswege und Positivbeispiele
einzugehen. Ebenso spielt die Angst vor Veränderung
bzw. persönlicher Einschränkung, die eine Ausrichtung
des privaten Lebens am Leitbild der Nachhaltigen
Entwicklung (vermeintlich) mit sich bringt, eine Rolle.
Kombiniert mit dem oft lähmenden Gefühl als Einzelne
und Einzelner ohnehin kaum etwas erreichen oder
bewegen zu können, führt dies zu einer komplizierten bis
voreingenommenen Beziehung großer Bevölkerungsteile
zu diesem Begriff [1]. Damit also Nachhaltigkeitskommunikation wirkt, muss diese den Zukunfts- und
Gestaltungsgedanken in den Vordergrund stellen und
Nachhaltige Entwicklung in der Art verarbeiten, dass sie
begreifbar und erlebbar wird. Nachhaltigkeitskommunikation bietet damit einen Verständigungsrahmen für
unterschiedliche gesellschaftliche Akteure [2]. Hier setzt
das Projekt „Nachhaltigkeit im Gepäck“ an.
Methoden der Befragung bearbeitet (Abb. 1). Ergänzend
dazu werden verschiedene informelle Bildungsformate
konzipiert und umgesetzt, die das Angebot einer Bildung
für Nachhaltige Entwicklung in der Region erweitern und
sowohl mit projektspezifischen als auch allgemeinen
Inhalten zu diesem Thema füllen.
Durch die Erfassung der drei Perspektiven wird der
Begriff „Nachhaltige Entwicklung“ auf einer regionalen Ebene erfahrbar und kann auf seine Genese
und konkrete Ausgestaltung im Alltag hin bewertet
werden. Zudem dient die systematische Erfassung von
AkteurInnen in Hochschule und Region als Grundlage
zur Aktivierung weiterer Projekte im Bereich Bildung für
Nachhaltige Entwicklung (BNE). Dies ist vor allem vor
dem Hintergrund einer laufenden Bewerbung um den
Status eines „Regional Centre of Expertise (RCE)“ bei der
UN University in Tokyo relevant, da hier (vorbehaltlich
Perspektiven und Ziele
Im Fokus stehen zum einen die Hochschule Furtwangen,
zum anderen PraxisakteurInnen der Nachhaltigen
Entwicklung sowie die Bevölkerung der Region. Diese
drei „Perspektiven“ der Nachhaltigkeit werden durch
das Projekt mittels unterschiedlicher Teilprojekte und
74
Abb. 1: Drei Perspektiven der Nachhaltigkeit.
Umwelt
einer Förderung) ein Kompetenzzentrum für BNE in der
Region südlicher Schwarzwald entsteht.
Der Nachhaltigkeits-Navigator
Im Oktober 2014 ging mit dem Nachhaltigkeits-Navigator
das Projekt online, das die Perspektive der Hochschule
und Forschung beleuchtet. In knapp 30 Videointerviews
mit dazugehörigen Steckbriefen stellen sowohl ForscherInnen als auch zentrale Einrichtungen und Studierende
ihre Projekte in Bezug auf Nachhaltige Entwicklung vor
(Abb. 2). Der Navigator wird in den kommenden Monaten
stetig erweitert und soll ein umfassendes Schaufenster
in die HFU bieten. Dies ist nicht nur für die Außendarstellung wichtig, sondern dient auch zur internen Information
und Kommunikation. Zudem soll er zur Vernetzung
ähnlich ausgerichteter Projekte anregen und so weitere
Initiativen anstoßen.
Abb. 2: Ausschnitte aus den Interviews mit Professoren, Mitarbeitern und Studierenden.
Der Nachhaltigkeits-Scout
Mit dem Nachhaltigkeits-Scout (Abb. 3) richtet sich der
Blick von der HFU in die Region. Ausgestattet mit einer
Interviewausrüstung (Kamera, Laptop, Aufnahmegerät)
dient er der Erfassung von Projekten, Initiativen und
Einzelpersonen, die ihr Handeln am Prinzip einer Nachhaltigen Entwicklung ausrichten und damit die Region positiv
beeinflussen. Ziel ist es, diese Projekte auf ihren Nachhaltigkeitsbezug hin zu befragen und die entstehenden Interviews und Fotos medial aufzubereiten und auszuwerten.
Forschungsaspekte sind hierbei unter anderem der
jeweils individuelle Nachhaltigkeitsbegriff, die Motivation
und Herausforderungen nachhaltigen Handelns und der
Einfluss der Region bzw. des Schwarzwaldes auf ihre
Tätigkeit. Auf diese Weise entsteht nach und nach ein Bild
nachhaltigen Engagements im südlichen Schwarzwald.
Außerdem wird das Wissen der einzelnen AkteureInnen
sichtbar und kann im Idealfall in weiteren Projekten als
Ressource genutzt werden. Die ersten Fahrten des Scouts
finden im Oktober/November 2014 statt.
Abb. 3: Der Nachhaltigkets-Scout in Form des Elektro-Smarts.
Der Zuhörautomat
Der „Zuhörautomat“ bedient die dritte Perspektive der
Nachhaltigkeit: Die Öffentlichkeit bzw. die Bevölkerung
vor Ort. Als mobiler und ansprechend gestalteter „Interviewautomat“ konzipiert (Abb. 4) wird er auf öffentlichen
Abb. 4: Konzeptskizze des Zuhörautomaten.
75
Umwelt
M.SC. FELIX HOLLERBACH
Referat für Nachhaltige
Entwicklung, Projekt
„Nachhaltigkeit im Gepäck“
Tel. 07723 920 2951
felix.hollerbach@
hs-furtwangen.de
Plätzen und Veranstaltungen aufgestellt um ein Bild
der lokalen Bevölkerung zum Thema „Entwicklung
der Region“ zu bekommen. Die Fragen werden dabei
bewusst offen gehalten um den Interviewten die Möglichkeit zu geben, frei zu sprechen und ihre Gedanken zu
der Entwicklung der Region in eigene Worte zu fassen.
Sie dienen dazu herauszufinden, welche Handlungsfelder, Probleme, Möglichkeiten und Ideen aus Sicht der
Bevölkerung für eine nachhaltige Entwicklung der Region
relevant sind. Hieraus ergeben sich bestenfalls weitere
Forschungsfragen und Anstöße für Projekte. Zudem dient
der Zuhörautomat als Präsentations-Tool der Hochschule
um Aktivitäten im Bereich Nachhaltige Entwicklung
öffentlich sichtbar zu machen und so Verknüpfungen
zwischen Hochschule und Region herzustellen.
Bildung für Nachhaltige Entwicklung
Begleitend zu den drei zuvor genannten Hauptprojekten werden verschiedene Formen informeller
Bildung konzipiert und angeboten. Bereits gestartet
ist das Kooperationsprojekt mit dem Guckloch-Kino
Furtwangen „Weitwinkel – Filme mit Zukunft“. Ab
Sommersemester 2015 sind eine Exkursionsreihe
sowie ein mehrtägiges Workshop-Event geplant, die
als Anregung dienen, vor Ort konkrete Projekte anzugehen. Daneben besteht eine Kooperation mit der
Technikinitiative-NwT 1 zu Einbindung nachhaltiger
Aspekte in die Multiplikatorenfortbildung.
Diese Projekte sollen die Auseinandersetzung mit
NE in der Region weiter fördern und vorantreiben.
Außerdem machen Sie das Engagement der HFU
nach außen hin sichtbar.
Ausblick
1 NwT wird als Fach „Naturwissenschaft und Technik“ an Schulen
angeboten.
76
Die systematische Sammlung und Aufbereitung
dieser drei Perspektiven erfolgt langfristig auf einer
eigenen Webpräsenz, die öffentlich zugänglich sein
wird und als Kommunikationsplattform dienen soll.
Die Erfassung von AkteurInnen und Wissen innerhalb
und außerhalb der Hochschule sowie der Perspektive
aus der Bevölkerung dient als Basis eines regional
wirksamen Bildungsansatzes. Dieser kann eingebettet
in ähnliche großflächige Regionalentwicklungsinitiativen (z.B. der LEADER-Gruppe südlicher Schwarzwald)
zu einem Entwicklungsmotor für nachhaltiges Handeln
werden. Durch die Bereitstellung eines breiten
Wissens-Netzwerks und geeigneter Strukturen dieses
darzustellen können alle Bildungsbereiche, von
informell bis formell, von Kindergarten bis Hochschule
profitieren. Im Hinblick auf das oben genannte
RCE dient das gesamte Projekt „Nachhaltigkeit im
Gepäck“ als Vorbereitung und zum Aufbau eines
solchen Bildungs-Netzwerks.
Danksagung
Das Projekt „Nachhaltigkeit im Gepäck“ wird vom
Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst
Baden-Württemberg gefördert.
Laufzeit: 06/2013 – 12/2015. Das Projekt „Nachhaltigkeit im Gepäck“ ist Teil des Referats für Nachhaltige
Entwicklung.
Quellen
[1] Kleinhückelkotten S., Wegner E. (2010): Nachhaltigkeit kommunizieren – Zielgruppen, Zugänge,
Methoden, Ecolog-Institut (Hrsg.), Hannover,
S. 8-9.
[2] Heinrichs H., Michelsen G. (2014): Nachhaltigkeitswissenschaften, Springer Spektrum, Berlin/
Heidelberg, S. 369 ff.
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77
Umwelt
Chrom(VI)-freie Beizen –
ein Schritt zur umweltfreundlichen Galvanik
Prof. Dr. Andreas Fath, Philipp Walter Neek
Plating on plastics needs new process steps because hexavalent chromium will be forbidden by REACH in 2017.
The actual process using chromic acid has to be substituted by a chromium-free pickling solution. Against this
background, a number of different plastics were tested with new formulas for pickling. The use of these new
etchings revealed that they were able to reduce the surface tension. Also some of the hydrophobic contents of
the plastics could be reduced. The pickled plastics were integrated in a standard process to prove the ability of
chrome plating.
PROF. DR. RER. NAT.
ANDREAS FATH
Fakultät Medical
and Life Sciences
Forschungsgebiete:
Umwelttechnik,
Oberflächentechnik,
Materialentwicklung
Tel. 07720 307 4739
[email protected]
Some of the plastics were plated with an acceptable chromic layer with good reflecting behavior. Additional
tests will be made to improve the results step by step to get a new process which could be implemented in
industrial processes. A focus is set on the improvement of the adhesion and the brightness of the metallic look.
Hexavalent chromium substitution in plating on plastic processes will make the future of electroplating more
ecological and more acceptable than today.
Die in der Kunststoffgalvanik verwendete Chromsäure ist durch das zum September 2017 kommende
Verbot von Chrom(VI)-Verbindungen durch die
REACH-Verordnung, die Einsatz und Verwendung
von Chemikalien regelt, ein nicht gelöstes Problem
in der Oberflächentechnik [1]. Hexavalentes Chrom/
Chrom(IV) und perfluorierte Tenside, die beide in
der Kunststoffgalvanik eingesetzt werden, sind cmr(carcinogen, mutagen, reproduktionstoxisch) und
pbt-Stoffe (persistent, bioakkumulierbar, toxisch).
Perfluorierte Tenside dürfen heute schon nur noch mit
Sondergenehmigung verwendet werden. Chrom(VI)
wird durch die REACH-Verordnung ganz verboten
werden und somit nur unter sehr hohen Auflagen zu
nutzen sein.
Da verchromte Produkte und Teile jedoch vielseitig
eingesetzt werden, z.B. bei Haushaltsgeräten, Sanitärarmaturen, als Automobilteile und auch in der
Wehr- und Luftfahrttechnik, muss eine chromfreie
Abbildung 1: Skizze zur Funktion der Chrom(VI)-Beize bei ABS. Links ist der Kunststoff vor der Beize, rechts
nach der Beize. Die Chromsäure löst den Kautschuk-Anteil des Kunststoffes aus der Matrix. Dabei entstehen
Aushöhlungen, welche durch ihre kleinen Zugänge wie Druckknöpfe die später eingelagerten Metallschichten
auf dem Kunststoff festhalten [2].
78
Methode zur Kunststoffgalvanisierung gefunden
werden. Im bisherigen Verfahren zur Galvanisierung
von Kunststoffen wie ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) wird durch Einsatz der Chromsäure in der Beize
die Oberfläche des Kunststoffs aufgeraut. Dabei
wird ein Anteil aus der Kunststoff-Matrix gelöst und
kleine Löcher/ Kavitäten entstehen (Abbildung 1).
In diese Kavitäten werden Palladiumkolloide eingelagert, die als Keimzentrum für Nickelatome dienen,
die die leitende Schicht bilden (chemische Metallisierung). Anschließend kann dann der so modifizierte
Kunststoff nach dem Galvanischen Prinzip mit
weiteren Metallschichten überzogen werden.
Die bisher entwickelten methodischen Ansätze
konnten für eine starke Reduzierung der benötigten
Menge an Chrom(VI) sorgen [3, 4], es aber noch
nicht aus dem Verfahren eliminieren. Die meisten der
bisher entwickelten Chrom(VI)-freien Alternativen
sind bisher nicht oder nur schwer für die Massenherstellung umzusetzen. Beispielsweise muss bei einer
Alternativmethode ein Vakuum erzeugt werden, was
eine kontinuierliche Prozessführung unmöglich macht.
Als weiteres Problem kommt hinzu, dass aus dem
bisher verwendeten ABS für die Herstellung von
Armaturen Acrylnitril in das Trinkwasser gelangen
kann. In der Trinkwasserverordnung von 2011 wurden
neue Maximalwerte festgelegt, die nun durch den
bisherigen Kunststoff überschritten werden. Das
bedeutet, dass nicht nur ein neues Chrom(IV)-freies
Verfahren entwickelt werden muss, sondern zudem
andere Kunststoffe eingesetzt werden müssen.
Umwelt
Methoden
Für eine umweltschonende Produktion von verchromten Werkstücken arbeitet die HFU mit Zulieferunternehmen und mit Herstellern an der Entwicklung
einer Methode, um vor dem kommenden Verbot eine
funktionierende und nachhaltige Alternative anbieten
zu können.
Die unterschiedlichen, vom Zulieferer bereitgestellten
Polymere wurden in den neuen Beizformulierungen bei
gleichbleibender Temperatur und Durchmischung für
unterschiedliche Zeitintervalle gegeben. Dabei wurden
sichtbare Veränderungen der Oberfläche, also Farbe
und makroskopische Strukturierung, festgehalten.
Für die Entwicklung einer neuen Chrom(VI)-freien Beize
wurden weitere zu beobachtende Parameter aufgestellt. Die neuen Formulierungen wurden basierend auf
Mineralsäuren und Lösemitteln zusammengesetzt, welche ein deutlich geringeres Umweltgefährdungpotential als Chrom(VI) haben. Da ein wichtiger Punkt in der
Beschichtbarkeit eine gute Benetzbarkeit ist, wurde
die Veränderung der Oberflächenspannung gemessen.
Dafür wurden von einem fest definierten Tropfen
fotografische Aufnahmen gemacht. Dabei wurde der
Winkel, wie in Abbildung 2 dargestellt, zwischen dem
Werkstück und der Startsteigung der Oberfläche des
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Kontaktwinkelmessung.
Blau dargestellt ist der zu messende Testtropfen auf der Oberfläche.
Wassertropfens gemessen. Dabei gilt: je kleiner der
Winkel desto besser die Beschichtbarkeit.
Außerdem wurden die Kunststoffe auf molekulare
Veränderungen untersucht, die durch die Beize
verursacht werden. Dazu wurden die Kunststoffe
vor und nach dem Beizen mit ATR-Messzellen des
FTIR-Spektrometers (Fourier-Transform-Infrarotspektrometer) aufgenommen und die gemessenen Spektren
miteinander verglichen.
PHILIPP WALTER NEEK
Die an der HFU gebeizten Kunststoffe wurden anschließend bei einem Galvanikbetrieb in den Standardprozess
nach der Beize eingefahren und durchliefen den noch
verbleibenden Produktionsprozess bis zum verchromten
Einzelteil. Die vollständig behandelten KunststoffTestkörper wurden daraufhin untersucht, ob sich eine
verchromte Oberfläche nach dem Prozess ergeben hatte.
Student im BachelorStudiengang Bio-und Prozess
technologie an der HFU
philipp.walter.neek@
hs-furtwangen.de
Ergebnisse
Bei den Kunststoffen wurden nach dem Beizen mit
den verschiedenen Formulierungen zunächst die
optischen Veränderungen festgehalten, welche 1.
keine Veränderung, 2. eine Veränderung der Farbe
und Durchsichtigkeit, bis hin zu 3. Veränderungen der
Oberflächenstruktur zeigten.
Die Kontaktwinkelmessungen waren ähnlich divergent.
So entstanden einige wenige Oberflächen, welche
nach der Behandlung hydrophober, d.h. weniger gut
benetzbar, waren als vor der Behandlung. Der größte
Teil jedoch wies mindestens eine geringe Veränderung
hin zu einer hydrophileren Oberfläche auf, d.h. dass
die Tropfen für die Kontaktwinkelmessungen breit
auseinander liefen (Abbildung 3). Einige Kontaktwinkel
Abbildung 3: Tropfen-Aufnahmen für die Kontaktwinkelmessungen. Links: Der Tropfen fließt nicht, d.h. der Kontaktwinkel ist groß; die Kunststoffoberfläche ist nach dem Beizen immer noch extrem hydrophob. Dagegen ist der Kontaktwinkel im rechten Bild gering, was für eine hydrophile
Oberfläche mit einer besseren Beschichtbarkeit spricht.
79
Umwelt
geringen Kontaktwinkel geführt hatten, auch erste
gute optische Ergebnisse bei der Galvanisierung
erzielten (Abbildung 5).
Abbildung 4: Vergleich des Spektrums eines Kunststoffes vor (blau) und nach (rot) einer Beize. Es ist eine starke
Verringerung der Peaks bei etwa 750 Wellenzahlen zu sehen; dies deutet auf eine Reduktion der aromatischen
Ringe im Kunststoff hin. Dadurch wird der Kunststoff hydrophiler, was sich in der Verringerung des Kontakt
winkels widerspiegelt.
wiesen Werte von unter 30° auf, was für eine sehr gute
Benetzbarkeit nach der Beize spricht.
Des Weiteren zeigten die Aufnahmen am FTIR
(Abbildung 4), dass einige besonders unpolare
Anteile der jeweiligen Kunststoffe durch die Beize
an der Oberfläche stark reduziert wurden. Die
vorher wasserabweisende Oberfläche der Kunststoffe wurde also nach dem Beizen hydrophil und
benetzbar.
Nach den Untersuchungen wurden die KunststoffTestkörper in den normalen Verarbeitungsprozess nach der Beize eingesetzt (Aktivierung mit
Palladiumkolloiden, chemische Metallisierung,
Verchromung). Dabei konnte festgestellt werden,
dass einige der Beizformulierungen scheinbar
die Oberfläche so verändert haben, dass eine
Beschichtung ermöglicht wurde. Es zeigte sich, dass
jene Kunststoff-Beize-Kombinationen, die zu einem
Da noch nicht alle in Frage kommenden Kunststoffe
bearbeitet worden sind, werden diese noch auf die
gleiche Weise untersucht. Sobald alle Daten vorliegen, können die neuen Formulierungen sowie die
Kunststoffe anhand dieser angepasst werden. Dabei
wird dann nicht mehr nur wie bisher das Erzeugen der
verchromten Oberfläche, sondern auch die Qualität
der entstandenen Beschichtung stärker im Fokus stehen. Dafür werden zum einen die optischen Parameter, wie Glanz und Blasenfreiheit, und zum anderen die
Beständigkeit der Oberfläche gegenüber Temperaturwechseln sowie mechanischer Belastung betrachtet.
Dafür werden eine Gitterschnittprüfung und ein
Temperaturwechseltest (300 Zyklen 20°C - 80°C) mit
den beschichteten Kunststoffen durchgeführt. Wenn
die neuen Beizen zu den gewünschten Ergebnissen
führen, werden dann in weiteren Schritten Versuchsanlagen in der Industrie auf das neue Verfahren
ausgelegt und diese in ersten Chargen erprobt.
Die ersten Ergebnisse haben gezeigt, dass es eine
nasschemische Alternative für die Chrom(VI)-freie
Verchromung von Kunststoffen gibt. Diese befindet
sich noch im Labormaßstab und muss verschiedenen
Optimierungsschritten unterzogen werden ehe sie in
den Produktionsprozess etabliert werden kann. Das
Ziel einer umweltschonenderen Galvanik ist damit
allerdings in greifbare Nähe gerückt.
Quellen
[1] Anhang XIV der REACH-Verordnung (Stand:
14.08.2014).
[2] K.-P. Müller, Praktische Oberflächentechnik,
Vieweg Verlag, Braunschweig/Wiesbaden, 2003.
[3] A. Fath‚ Kunststoffmetallisierung mit annähernd
Chrom(VI)-freier Beizlösung. Galvanotechnik,
2008, Band 99, Heft 12, S. 2914-2923.
[4] A. Fath, Implementierung eines neuen Kunststoffmetallisierungsverfahrens, Hansgrohe AG, 2007.
Abbildung 5: Kunststoff-Testkörper
nach der Beschichtung.
80
Umwelt
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81
Umwelt
Mikroplastikbelastung im Rhein
B.Sc. Jonas Loritz, Dipl.-Ing. Helga Weinschrott, Prof. Dr. Andreas Fath
The topic and aim of this research was to gain valid information about microplastic pollution of the Rhine. In
collaboration with the Alfred Wegener Institute at Helgoland we organised and realized a method for sampling
the Rhine. In total we took 11 samples at various locations along the Rhine. A special filter system was designed
for the sampling. The centerpiece is made up of a filter constructed with stainless steel web. The purification
and evaluation are still in progress and first results are being expected in spring 2015. Samples will be purified
through a combined process of enzymatic treatment and a density separation. The isolated microplastic will be
analyzed using FTIR technology. Type, size and quantity of plastic will be investigated. The aim is to form serious
estimate over the magnitude of the burden on the environment due to pollution.
PROF. DR. RER. NAT.
ANDREAS FATH
Fakultät Medical
and Life Sciences
Forschungsgebiete:
Umwelttechnik,
Materialentwicklung
Tel. 07720 307 4739
[email protected]
DIPL.-ING.
HELGA WEINSCHROTT
Fakultät Medical
and Life Sciences
Arbeitsgebiete: Physikalische
und Instrumentelle Analytik,
Kunststoffanalytik
Tel. 07720 307 4326
helga.weinschrott@
hs-furtwangen.de
Der Rhein entspringt in der Schweiz und mündet nach
1.231 Kilometern in den Niederlanden in die Nordsee.
Im Einzugsgebiet des Rheins, dem bedeutendsten und
am vielfältigsten genutzten Fluss Europas, leben etwa
50 Millionen Menschen von denen wiederum rund 22
Millionen Menschen mit Trinkwasser aus dem Rhein
versorgt werden. Die Ansammlung von Plastikmüll in
den Ozeanen ist ein bekanntes Umweltproblem und
wird schon seit einiger Zeit untersucht. Das Ausmaß
der Plastikbelastung in limnischen Gewässern ist
jedoch weitestgehend unerforscht, so auch im Rhein.
Im Rahmen des Projekts „Rheines Wasser“ von
Prof. Dr. Andreas Fath soll der Rhein auf Mikroplastikpartikel untersucht werden. Ziel der Untersuchung
ist die Gewinnung von validen Daten über den
Belastungszustand durch Mikroplastik im Rhein. In
Zusammenarbeit mit dem Alfred-Wegener-Institut
auf Helgoland (AWI) wurde dazu eine Filteranlage zur
Gewinnung von Mikroplastikpartikel entworfen und
gebaut. Für die eigentliche Untersuchung wurden
insgesamt 11 Proben an verschiedenen Stellen
entlang des gesamten Rheinverlaus entnommen. Die
Aufreinigung der gesammelten Proben erfolgt durch
ein vom AWI entwickeltes Verfahren zur Isolierung
von Mikroplastik. Diese Arbeit reiht sich an ähnliche
Untersuchungen am Bodensee, an der Elbe oder am
Neckar an und soll dazu beitragen, einen vollständigen Überblick über den Belastungszustand der
Gewässer in Deutschland und Europa zu erhalten.
Was ist Mikroplastik und welche Risiken
sind mit diesem Umweltproblem verbunden?
Mikroskopisch kleine Plastikpartikel, welche kleiner
als 5 mm im Durchmesser sind, werden als Mikropla-
82
stik bezeichnet. Weiter unterteilt man Mikroplastik in
primäres und sekundäres Mikroplastik. Zu primärem
Mikroplastik zählen Plastikgranulate im Mikrometerbereich, sogenannte „pre-production pellets“, welche
als Grundmaterial für jegliche Kunststoffprodukte
dienen und von der Industrie zur Weiterverarbeitung
produziert werden [1]. Kleinste Plastikteilchen finden
Verwendung in der Kosmetikindustrie: In Pflegeprodukten wie etwa Duschgel, Waschpeelings, Make-up
oder sogar in Zahnpasta wird Kunststoff hinzugegeben, um deren Reinigungswirkung zu verbessern oder
als Bindemittel zu dienen. Sekundäres Mikroplastik
entsteht durch den Zerfall von Makroplastik. Größere
Plastikteile werden durch physikalische, (foto)chemische oder biologische Prozesse in immer kleinere
Bestandteile zersetzt.
Der Eintrag von Mikroplastik in ein Gewässer kann auf
unterschiedliche Weise erfolgen: entweder gelangen
Makroplastikfragmente wie Plastiktüten, Granulate
oder Fischernetze direkt in ein Gewässer, wo sie
sich allmählich zersetzen, oder es gelangt durch den
Gebrauch von mikroplastikbelasteten Pflege- und
Hygieneprodukten über das Abwasser in Flüsse und
Seen. Die Auswirkungen von Mikroplastik speziell
in limnischen Gewässern sind noch weitestgehend
unerforscht. Zahllose Untersuchungen an marinen
Ökosystemen und deren Bewohnern zeigen jedoch
deutlich, welche Folgen Mikroplastik haben kann.
So können im Wasser lebende Organismen Mikroplastik mit ihrer Nahrung aufnehmen. Dies kann
zur Blockade des Magen-Darm-Trakts bis hin zur
Einlagerung von kleinsten Plastikteilen in körpereigenes Gewebe führen [2]. Mikroplastikpartikel können
wiederum Schadstoffe, mit zum Teil krebserregender
und endokriner Wirkung, adsorbieren. Da sich die
Oberfläche der Partikel durch den andauernden Zer-
Umwelt
setzungsprozess vergrößert nimmt die Adsorption von
chemischen Schadstoffen zu [3]. Bei der Aufnahme
der Partikel besteht dann das Risiko, dass adsorbierte
Schadstoffe an den Körper abgegeben werden. Durch
den Verzehr von Fischen und anderen Meeres- und
Flussbewohnern kann Mikroplastik ebenso vom
Menschen aufgenommen werden und stellt daher
eine Gefahr dar.
Methoden
Um den Belastungszustand des Rheins durch Mikroplastik erfolgreich zu untersuchen waren im Vorfeld
einige Vorbereitungen nötig. Aus diesem Grund
wurde eine Partikelgrößenanalyse von beinhalteten
Kunststoffpartikeln in handelsüblichen Hygiene- und
Pflegeprodukten durchgeführt um einen Überblick über
die Größenverteilung zu erhalten und eine geeignete
Methode der Probenahme zu finden. Die Wahl der
Methode fiel auf ein Filtrationsverfahren, bei dem
ein definiertes Volumen an Probewasser durch ein
Filterelement gepumpt wird. Die Resultate der Partikelgrößenanalyse haben dazu beigetragen das richtige
Filtergewebe mit geeigneter Porengröße zu finden.
Daraufhin wurde eine Filteranlage zur Beprobung
entworfen und konstruiert. Als Vorlage diente eine
bereits getestete Filteranlage des AWIs. Die Anlage
besteht aus einer Filterkerze aus Edelstahlgewebe
samt Gehäuse und einer Membranpumpe, welche
Rheinwasser ansaugt und es durch die Kerze fördert.
Alle im Wasser befindlichen Schwebstoffe setzen
sich auf der Oberfläche des Filters ab und können
im Anschluss auf Mikroplastikpartikel untersucht
werden. Zur Aufreinigung der Proben wird ein
enzymatisches Verfahren angewendet, das vom AWI
entwickelt wurde. Durch den Einsatz von technischen Enzymen und einem Verfahren der Dichteseparation gelingt es, alle organischen und anorganischen Bestandteile vom Mikroplastik abzutrennen.
Das isolierte Mikroplastik wird im späteren Verlauf
der Untersuchung mit Hilfe der FTIR-Technologie
(Fourier-Transform-Infrarotspektrometrie) qualitativ
und quantitativ ausgewertet.
Ergebnisse
B.SC. JONAS LORITZ
an der Fakultät Medical
and Life Sciences, vorher
Studium der Bio- und
Prozesstechnik an der HFU
Forschungsgebiete:
Mikroplastik in
limnischen Gewässern
[email protected]
Anhand der Resultate der Partikelgrößenanalyse
konnte ein geeignetes Filtergewebe ausgewählt
werden, welches den Großteil des vorhandenen
Mikroplastiks in den Wasserproben zurückhält.
Untersucht wurden verschiedene Pflegeprodukte
wie Zahnpasta, Körperpeelings und Kosmetikprodukte (Abbildung 1). Der mittlere Partikeldurchmesser der Kunststoffgranulate in den Produkten lag zwischen 10 und 45 µm. Die Wahl des Filtergewebes fiel
daher auf ein Edelstahlgewebe mit einer Porenweite
von 10 µm.
Abbildung 1: Resultate der Partikelgrößenanalyse von Polyethylen-Partikeln isoliert aus handelsüblicher Zahnpasta.
83
Umwelt
Ausblick
Ziel des Projekts war die Umsetzung einer Methode
zur Untersuchung der Gewässerbelastung durch
Mikroplastik im Rhein. In diesem Rahmen wurden in
Zusammenarbeit mit dem AWI auf Helgoland eine
Filteranlage entworfen und konstruiert. Im weiteren
Verlauf wurde der Rhein entlang des gesamten Flussverlaufs beprobt. Die Aufreinigung und Auswertung
der Proben wird momentan am AWI auf Helgoland
und an der HFU durchgeführt. Da vor allem der Aufreinigungsprozess der gesammelten Proben mehrere
Wochen bis Monate in Anspruch nehmen wird,
werden erste Ergebnisse der Untersuchung voraussichtlich im Frühjahr 2015 vorliegen. Diese sollen dazu
beitragen die Größenordnung der Belastung durch
Mikroplastik im Rhein seriös einzuschätzen und so die
Grundlage für Lösungsansätze schaffen.
Abbildung 2: Mobile Filteranlage zur Beprobung des Rheins.
Alle Bauteile der Filteranlage wurden auf eine mobile
Konstruktion aus PMMA (Plexiglas) montiert. Das
Kernelement bildet das Filtergehäuse samt Filterkerze
aus Edelstahl (Abbildung 2). Die Beprobung des
Rheins wurde an insgesamt 11 Stellen entlang des
gesamten Rheinverlaufs in doppelter Ausführung
durchgeführt. Dazu wurde jeweils 1 Kubikmeter
oberflächennahes Wasser durch das Filtergehäuse
gepumpt. Alle befahrbaren Abschnitte des Rheins
wurden vom Boot aus beprobt, bei den restlichen Stationen (vor allem Abschnitte im Bereich des Alpenrheins) wurde die Filtration vom Ufer aus durchgeführt.
Die Aufreinigung der Proben und die darauffolgende
Auswertung werden zur Zeit vorgenommen.
84
Literatur
[1] G. Liebezeit, F. Dubaish (2012): Mikroplastik –
Quellen, Umweltaspekte und Daten zum
Vorkommen im Niedersächsischen Wattenmeer.
Zeitschrift der Naturschutz- und Forschungsgemeinschaft Mellumrat: 11 (1), S. 21-31.
[2] N. v. Moos (2010): Histopathological and cytochemical analysis of ingested polyethylene powder
in the digestive gland of the blue mussel. Basel,
Switzerland.
[3] D. K. A. Barnes, et al. (2009): Accumulation and
fragmentation of plastic debris in global environments. Philosophical Transactions of the Royal
Society of London. Series B, Biological sciences:
1526, S. 1985-1998.
Umwelt
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85
Umwelt
Effektiver und nachhaltiger Gewässerschutz –
Projekt “Rheines Wasser”
Prof. Dr. Andreas Fath, Dipl.-Ing. Helga Weinschrott, B.Sc. Anne Jenner
Water is used in almost every activity in our daily life and lots of industrial processes, i.e. as solvent for chemical
synthesis, for cleaning, cooling or heating. After its use we do not give back the borrowed water to nature in the
same status we got it. To make people aware of this situation and to demonstrate that we do not do enough for
water protection we took a closer look on different substances on the whole length of the Rhine river while the
author was swimming the total distance of 1.231 km from Tomasee to Hoeck van Holland in the North Sea.
PROF. DR. RER. NAT.
ANDREAS FATH
Fakultät Medical
and Life Sciences
Forschungsgebiete:
Umwelttechnik,
Materialentwicklung
Tel. 07720 307 4739
[email protected]
DIPL.-ING.
HELGA WEINSCHROTT
Fakultät Medical
and Life Sciences
Arbeitsgebiete:
Physikalische und
Instrumentelle Analytik,
Kunststoffanalytik
Tel. 07720 307 4326
helga.weinschrott@
hs-furtwangen.de
Hundreds of samples were collected to analyze in quick tests phosphates and nitrates, others were analyzed
looking at industrial chemicals like PFT, microorganisms, algae, heavy metals and pharmaceuticals. Sewage
treatment plants have done good work in the last decay to improve the water quality of the Rhine and other rivers.
However, they still do not represent a sufficient system to get rid of all substances in this end-of-pipe treatment.
Projektziele
Um einen Beitrag zum nachhaltigen Gewässerschutz
zu leisten wurde das Forschungsprojekt „Rheines
Wasser“ gestartet (www.rheines-wasser.eu). Das
Projekt besteht aus drei Phasen. In der ersten Phase
begleitete das Projektteam den „Rheinschwimmer“
Andreas Fath im Sommer 2014 an nur 28 Tagen von
der Quelle am Tomasee bis zur Mündung in Hoek
van Holland. Bei dieser medienwirksamen Aktion
wurde generell auf den Gewässerschutz aufmerksam
gemacht und gleichzeitig Wasserproben entnommen,
die zum Teil vor Ort analysiert wurden. Außerdem trug
der Schwimmer einen sogenannten „Passivsampler“,
der alle adsorbierbaren Stoffe, mit denen er während
der Reise im Rhein in Kontakt gekommen ist, „eingesammelt“ hat. Der Sampler ist eine Membran, welche
am Bein oder auf dem Rücken platziert wurde. Die
vom Sampler eingesammelten Substanzen werden
extrahiert und mit einer hochauflösenden Massenspektrometrie vom Projektpartner Eawag identifiziert.
In der zweiten Phase werden die gesammelten
Wasserproben auf unterschiedliche Inhaltstoffe
Abbildung 1: Der Rheinschwimmer Prof. Dr. Andreas Fath.
86
untersucht. Hierbei wird die HFU von verschiedenen
Firmen und Forschungseinrichtungen unterstützt.
Die Proben sind unterschiedlichen Teilprojekten
zugeordnet.
or Ort Analytik von Wasserinhaltstoffen mit Hilfe
V
von Schnelltests der MACHEREY-NAGEL GmbH &
Co. KG, die Messergebnisse bezüglich Trübung,
chemischem Sauerstoffbedarf (CBS-Wert), Sauerstoff-, Nitrat- und Phosphatgehalt liefern. Täglich
gemessen wurden auch pH-Wert, Leitfähigkeit und
Temperatur.
■■ Für eine instrumentell aufwändige Analytik wurden
täglich entnommene Wasserproben verschlossen
und zu den Forschungseinrichtungen gebracht. Das
Wetsus-Institut in den Niederlanden untersucht
mittels ICP-MS (Massenspektrometrie mit induktiv
gekoppeltem Plasma) die Wasserproben auf
Schwermetallionen wie Blei, Arsen, Nickel, Chrom,
Cadmium etc.
■■ Fluorierte und teilfluorierte Industriechemikalien
werden mittels HPLC/MS-MS Analytik (Flüssigchromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung)
nach einem genormten Verfahren vom Technologiezentrum Wasser in Karlsruhe analysiert.
■■ Weichmacher wie DINP (Diisononylphthalat) aus
den gesammelten Tagesproben werden mittels
einer GC/MS Analytik (Gaschromatographie mit
Massenspektrometrie-Kopplung) an der HFU
analysiert.
■■ Das Eawag-Wasserforschungsinstitut in der
Schweiz analysiert etwa 20 verschiedene Substanzen mittels HPLC/MS-MS. Zu den Analyten gehören
Pestizide und Biozide (Isoproturon, Diuron, DEET
■■
Umwelt
Dies ist bereits bei den per- und polyfluorierten
Chemikalien gelungen.
Erste Ergebnisse
Nach Abschluss des Schwimmmarathons konnte
bisher die 1. Phase des Projekts abgeschlossen
werden, da schon während der „Rheinreise“ mit den
verschiedenen Analysen begonnen wurde.
B.SC. ANNE JENNER
Abbildung 2: Projektmitarbeiterin Anne Jenner bei der begleitenden
mobilen Analyse im Wohnmobil.
u.a.), Drogen (z.B. Codein, Methadon, Amphetamine), Pharmazeutika (Antibiotika, Schmerzmittel,
Betablocker, Antidepressiva u.a.), Süßstoffe (Cyclamat, Saccharin u.a.) und Korrosionsschutzmittel
(Benzotriazole).
■■ Um pathogene Keime und toxische Algen
schnell und kostengünstig nachzuweisen, hat die
SCIENION AG einen Prototypen für einen Multi
parameter-Test entwickelt, mit dem bis zu 150
verschiedene Mikroorganismen parallel detektiert
werden können. Der Test basiert auf der ribosomalen RNA-Analyse der Mikroorganismen unter
Nutzung der DNA-Microarray-Technologie. Dabei
wird rRNA aus den in der Wasserprobe lebenden
Mikroorganismen gewonnen, fluoreszenzmarkiert
und auf den DNA-Chips hybridisiert. Dabei bindet
die rRNA selektiv an die passende Sequenz der
Spezies-spezifischen Oligonukleotide. Die bei
diesem Schritt entstehenden Fluoreszenzsignale
erlauben eine genaue Bestimmung der Mikroorganismen und pathogenen Keime und deren
relative Mengen. An der HFU werden dieselben
Proben der klassischen PCR-Analysemethode
unterzogen um den Multiparameter-Test zu
bewerten.
In Abbildung 3 ist der Verlauf der Nitratkonzentration entlang des Rheins von der Quelle am Tomasee
bis zur Mündung in Hook van Holland dargestellt.
Deutlich zu erkennen ist ein signifikanter Anstieg,
der auf die sich kontinuierlich erhöhende Anzahl
von zufließendem Gewässer, sei es durch Oberflächenwasser oder Nebenflüsse, zurückzuführen ist.
Akademische Mitarbeiterin an
der Fakultät Medical and Life
Sciences, Masterstudentin im
Bereich Medical Diagnostic
Technologies an der HFU
Arbeitsgebiet: Schnelltests
[email protected]
Nitrate und Phosphate aus Düngemitteln und Gülle
aus der Landwirtschaft gefährden das Trinkwasser
[1], da diese bei starkem Regen ohne Rückhaltemöglichkeiten direkt in das Grundwasser gespült
werden. Aufgrund der stärkeren Wasserlöslichkeit
steigt v.a. die Nitratkonzentration im Grundwasser
an. Hiervon sind hauptsächlich Brunnen betroffen.
Im Vergleich zeigte die Untersuchung des Rheins,
der ebenfalls als Quelle für die Trinkwassergewinnung dient, dass er deutlich weniger belastet ist als
In der Zusammenfassung aller Ergebnisse
erhalten wir einen umfassenden Einblick in die
Wassergüte des Rheins entlang seines kompletten
Verlaufs.
In der dritten Phase sollen die Abwässer, die
verantwortlich für das Vorkommen von Schadstoffen
im Rhein und anderen Gewässern sind, mittels eines
elektrochemischen Verfahrens mineralisiert werden.
Abbildung 3: Nitratkonzentration in Abhängigkeit vom Rheinkilometer.
87
Umwelt
viele Brunnen im Bundesgebiet [2]. Grund dafür ist
die Reinigung der Abwässer in den Kläranlagen, wo
Mikroorganismen Nitrat zu Stickstoff abbauen.
Der Grenzwert für Nitrate im Trinkwasser liegt bei
50 mg/l, bei Phosphaten bei 6,7 mg/l. Wenn Nitrate
über das Grundwasser ins Trinkwasser gelangen, kann
das schlimme Folgen haben. Bei Säuglingen führt eine
erhöhte Nitratbelastung zu verminderten Sauerstofftransport – Folgen sind Blausucht sowie Erstickung.
Im erwachsenen Körper wird Nitrat zu Nitrit umgewandelt, einer Verbindung, die Krebs auslösen kann.
Abbildung 4: Phosphatkonzentration in Abhängigkeit vom Rheinkilometer.
Abbildung 5: Sauerstoffkonzentration in Abhängigkeit vom Rheinkilometer.
Abbildung 6: CSB-Werte in Abhängigkeit vom Rheinkilometer.
88
Durch den zusätzlichen Eintrag von Nitraten und
Phosphaten durch den Menschen kann es zudem zu
einem Ungleichgewicht im Ökosystem der Gewässer kommen. Man spricht von einer Eutrophierung,
wenn ein übermäßiges Algenwachstum stattfindet.
Das verstärkte Algenwachstum verbraucht sehr
viel Sauerstoff, welcher dann den aeroben Mikroorganismen für den Abbau der organischen Schadstoffe nicht mehr zur Verfügung steht. Die Folge
ist, dass anaerobe Abbauprozesse stattfinden, bei
denen übel riechende und giftige Gase wie Ammoniak, Schwefelwasserstoff und Methan entstehen.
Dieser Effekt kann bei einem Sauerstoffgehalt von
<4 mg/l einsetzen. Man spricht dann davon, dass
das Gewässer „kippt“. Hiervon ist der Rhein auf
seiner gesamten Strecke deutlich entfernt (siehe
Abbildung 5).
Trotz der guten Werte hinsichtlich der Phosphat-,
Nitrat- und Sauerstoffkonzentration kann keine
Entwarnung gegeben werden. Dies zeigt der Blick
auf die Entwicklung des Chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB-Wert) in Abbildung 6. Je weiter sich der
Rhein von seiner Quelle entfernt desto höher wird
die Konzentration von organischen oxidierbaren
Substanzen begründet durch den Anstieg der Zuleitungen aus Industrie, Landwirtschaft, Kranken- und
Pflegestationen und privaten Haushalten.
Welche Substanzen dies im Einzelnen sind, ist
Gegenstand der aktuell laufenden Untersuchungen.
Viele dieser Substanzen sind bekannt [3] und
werden schon seit mehreren Jahren überwacht [4].
Dennoch sind auch Substanzen denkbar, die bisher
nicht auf der Analyseliste der Rheinüberwachungsstationen stehen [5].
Umwelt
Ausblick
Literatur
Alle weiteren in der Einleitung erwähnten Untersuchungsprogramme sind in Bearbeitung und werden
die Rheinbeprobung komplettieren, um einen genauen
Zustand des Gewässers zu erhalten. Vor allem die in
Kläranlagen nicht abbaubaren Substanzen wie Röntgenkontrastmittel oder perfluorierte Tenside stehen im
Fokus der Analysen.
[1] www.zdf.de/wiso/nitratbelastung-im-grundwasser-wasserversorger-schlagen-alarm-33238452.
html; abgerufen am 27.10.2014.
[2] www.zeit.de/2014/37/massentierhaltung-guellegrundwasser-bruessel; abgerufen am 27.10.2014.
[3] L. Kovalova et al., Environmental
Science&Technology, 2012, Vol. 46, No. 3, pp.
1536-1545.
[4] M. Ruff, et al., AQUA & GAS, 2013, No. 5, S. 25.
[5] D. A. Burgard et al., Sci Total Environ 2013; 450-1:
242-9.
[6] A. Fath, Elektrochemischer Abbau von fluorierten
Tensiden, in: Jahrbuch Oberflächentechnik, 2011,
Bd. 67, S. 293-301, Leuze Verlag.
Unser langfristiges Ziel ist es, Systeme zu entwickeln,
die in der Lage sind, diese Substanzen nah an ihrem
Ursprungsort zu mineralisieren, um unsere Gewässer
gar nicht erst zu belasten. Ein elektrochemisches
Verfahren war für perfluorierte Tenside bisher
aussichtsreich [6] und könnte unter Verwendung
der entsprechenden Behandlungsparameter auch
andere persistente, bioakkumulierbare und toxische
Substanzen unschädlich machen.
89
Mobilität
Zukunftstrends des Fachkräftemangels
der Berufskraftfahrer in der Logistik
PROF. DR. JOCHEN BAIER
Fakultät Wirtschaftsinformatik
Forschungsgebiete:
Logistik und
Supply Chain Management
Tel. 07723 920 2934
[email protected]
The wide range of goods is not a matter of course but based on a complex system of logistics processes. Transports are carried out on the road, by rail, by air or on the water. Approximately 80% of all goods in Germany are
transported by trucks. This highlights the importance of professional drivers to our economy. They are the ones
that supply the supermarkets with products or supply auto parts just-in-sequence. But the image of the professional driver has changed; today almost nobody wants to do this kind of work. Thus, industry will have has a future
problem, that has to be analyzed.
Human knowledge is globally connected through modern communication systems; most experts and trend
researches deal with a possible future. To describe future developments, various methods are used in the strategic management, e.g. the scenario technique. Using this method, different scenarios are defined; each of them
will describe the possible future developments and trends.
Das vielfältige Angebot an Waren und Dienstleistungen ist keine Selbstverständlichkeit, sondern
basiert u.a. auf einem komplexen System logistischer
Prozesse, die sich parallel mit der Massenkonsumgesellschaft herausgebildet haben. Logistische Dienstleistungen zu erbringen erfordert Infrastrukturen.
Transporte werden auf der Straße, per Bahn, per
Luftfracht oder auf dem Wasser durchgeführt. Circa
80% aller Güter in Deutschland werden heutzutage mit
dem LKW transportiert. Damit ist der Gütertransport
per LKW wichtigste Stütze der logistischen Leistungen
Deutschlands. Diese Zahl macht deutlich, wie wichtig
Berufskraftfahrer für Wirtschaft und Gesellschaft sind.
Sie sind diejenigen, die Supermärkte mit Waren und
Baustellen mit Material versorgen oder Autoteile Justin-Sequence zum erwünschten Zeitpunkt liefern. Doch
das Bild des Berufskraftfahrers hat sich gewandelt.
Früher war der Beruf wegen viel geleisteter Arbeitsstunden gut bezahlt [Var2011] und für Quereinsteiger
geeignet, die ihren Führerschein bei der Bundeswehr
erworben hatten. Heute hat die Branche ein Nachwuchsproblem, welches es zu analysieren gilt.
In der Geschichte der Menschheit wurde schon
immer versucht, Aussagen über die Zukunft zu
machen. In der Antike wurden solche Aussagen von
Orakeln getätigt, im späten Mittelalter übernahmen
diese Aufgaben Hellseher und Astrologen. Heute, in
einem Zeitalter, in dem das Wissen der Menschheit
durch moderne Kommunikationssysteme global vernetzt ist, setzen sich Experten und Trendforscher mit
einer möglichen Zukunft auseinander. Um zukünftige
Entwicklungen näher zu beschreiben, werden im
strategischen Management verschiedene Methoden verwendet, z.B. die Szenario-Technik. Mit
90
dieser Methode werden verschiedene Szenarien
definiert, die mögliche Entwicklungen der Zukunft
beschreiben bzw. es werden Trends ermittelt.
Darstellung der Methode
Die Durchführung der Szenario-Technik ist in mehrere
Teilschritte unterteilt. Zuerst wird der momentane
Zustand der zu untersuchenden Thematik/ der
Problematik beschrieben. Dies ist wichtig, damit auf
dieser Basis im weiteren Verlauf die Einflussfaktoren
des Problems identifiziert werden können. Wurden die
Einflussfaktoren mit ihren möglichen Zukunftsprojektionen ermittelt, werden diese zu Rohszenarien weiterverarbeitet. Dies erfolgt anhand einer sogenannten
Schlüsselfaktor: Transportkosten
A1 Die Transportkosten (Kosten, welche der Unternehmer für
den Transport aufwenden muss) sind im Verhältnis
zu heute gesunken.
A2 Die Transportkosten sind im Verhältnis zu heute
gleichgeblieben.
A3 Die Transportkosten sind im Verhältnis zu heute gestiegen.
Tabelle 1: Mögliche Schlüsselfaktoren der Transportkosten.
Schlüsselfaktor: LKW-Technik
B1 Autonomes Fahren ist marktreif u. rechtlich zugelassen.
Zudem ist der LKW mit modernen Telematik Systemen u.
Fahrassistenzsystemen ausgestattet.
B2 Der LKW ist mit modernen Telematik- u. Verkehrssytemen
ausgestattet.
B3 Der LKW ist mit älteren oder kleinen Telematik Systemen ausgestattet. Fahrassistenzsysteme nach minimalem
Standard.
Tabelle 2: Mögliche Schlüsselfaktoren der Fahrzeugtechnik.
Mobilität
Cross-Impact-Bilanzanalyse und basiert auf der
Fragestellung: Wie stark beeinflusst das Eintreten von
Entwicklung X das Eintreten von Entwicklung Y? Hierbei werden immer zwei Entwicklungen von Deskriptoren (Schlüsselfaktoren) miteinander verglichen. Die
Rohszenarien werden dann detailliert in der Ausarbeitungsphase dargestellt. In der Auswirkungsanalyse
werden schließlich Pläne für Maßnahmen erstellt, um
die Zukunft in die gewünschte Bahn zu lenken. Die
Vorgehensweise bei der hier durchgeführten Studie
lässt sich in folgende sechs Schritte gliedern:
1. Aufgabenanalyse
Der erste Schritt der Szenario-Technik ist das Aufzeigen der Problemstellung, die Aufgabenanalyse.
Diese beinhaltet eine Beschreibung der aktuellen
Situation des Berufs mit folgenden Fragestellungen:
■■ Was soll mit dem
Szenario-Prozess erreicht werden?
Szenarien des Berufsbildes „Berufskraftfahrer“
■■ Welchen Zeithorizont sollen
die ermittelten Szenarien haben?
2025
■■ Welchen räumlichen Fokus sollen
die Szenarien haben?
Deutschland
2. Einflussbereiche
Anhand einer Beschreibung der ermittelten Einflussfaktoren werden aktuelle Bezüge hergestellt. Somit
können die Einflussfaktoren eindeutig identifiziert
und voneinander abgegrenzt werden. Dies ist hilfreich, damit im weiteren Verlauf bei der Anwendung
der Szenario-Technik keine Missverständnisse auftreten und dient als Strukturierung für die folgenden
Schritte. Die für diesen Beruf relevanten Einflussbereiche sind Politik, Gesellschaft, Unternehmen und
Fahrzeugtechnologien. 1
3. Deskriptoren/Schlüsselfaktoren
In diesem Schritt werden für die ermittelten Einflussfaktoren mögliche Entwicklungen für das Jahr 2025
definiert. Anhand der Cross-Impact-Analyse können
dann diese Entwicklungen im weiteren Verlauf
zueinander bewertet werden. Für die erstellte Studie
wurden folgende Deskriptoren definiert: Wettbewerb, Transportkosten, Arbeits-, Lenk- und Ruhezeiten, LKW-Technik, Familie u. Freizeit, Fahrerkapazität, Gesetzgebung u. Gesetzanwendung.
4. Mögliche Entwicklungen der Deskriptoren
Anhand der Unterordnung der Einflussfaktoren zu
den jeweiligen Deskriptoren können nun Entwicklungen dieser beschrieben werden. Beispiele hierzu
zeigen Tabelle 1 und 2.
5. Durchführung der Cross-Impact-Bilanzanalyse
Hierbei werden die möglichen Entwicklungen in einer
Matrix gegenübergestellt und zueinander bewertet.
Die Kernfrage lautet hierbei: Wie wirkt Entwicklung
X auf Entwicklung Y (siehe Tabelle 3 und 4)? Anhand
der Matrixnotation kann die Eintrittswahrscheinlichkeit zweier möglicher Entwicklungen definiert
werden.
Matrixwert
1 Sie lauten im Einzelnen: Berufsqualifikation, Löhne, eCommerce, Transportnetzwerke, Situation an Rampen,
Arbeitszeiten, Telematik Systeme,
Image, Treibstoffkosten, Kabotage
(d.h. das Erbringen von Transportdienstleistungen von einem ausländischen Trans-portunternehmen),
LKW Maut, Transportaufkommen,
Lang-LKW, Familie & Beruf, Fahrassistenzsysteme, Lenk-und Ruhezeiten,
Social Media, Healthcare, autonomes
Fahren, Wettbewerb, Gesetzgebung
und deren Anwendung, Fahrerkapazität sowie Transportkosten.
Bedeutung
-3
Stark hemmender Einfluss (verringert die Eintrittwahrscheinlichkeit erheblich)
-2
Hemmender Einfluss (verringert die Eintrittwahrscheinlichkeit)
-1
Leicht hemmender Einfluss (verringert die Eintrittwahrscheinlichkeit gering)
0
Kein Einfluss (keine Veränderung der Eintrittwahrscheinlichkeit)
1
Leicht begünstigender Einfluss (erhöht die Eintrittswahrscheinlichkeit gering)
2
Begünstigender Einfluss (erhöht die Eintrittwahrscheinlichkeit)
3
Stark begünstigender Einfluss (erhöht die Eintrittwahrscheinlichkeit erheblich)
Tabelle 3: Gewichtung der Korrelation.
Schlüsselfaktor
A
Transportkosten
A Transportkosten im Straßengüterverkehr
A1
A2
A3
B
LKW-Technik
B1
B2
B3
A1 sinkend
0
1
2
A2 stagnierend
-1
2
0
A3 steigend
3
2
-3
B LKW-Technik
B1 modern, Platooning
2
-1
-1
B2 modern
2
1
-2
B3 Standard
1
0
-1
Tabelle 4: Beispiel der beeinflussenden Schlüsselfaktoren Transportkosten und LKW-Technik.
91
Mobilität
6. Ausarbeitung der Szenarien
Um die Szenarien in der Zukunft bis ins Jahr 2025
beschreiben zu können, wird festgelegt, welche
Entwicklungen der sieben Schlüsselfaktoren
miteinander in einem Szenario am ehesten auftreten
können. Mithilfe einer Software werden die Daten der
Matrix ausgewertet und konsistente Kombinationen
von möglichen Entwicklungen der Schlüsselfaktoren
generiert. Für die Zukunftstrends des Fachkräftemangels der Berufskraftfahrer in der Logistik werden
demnach vier Szenarien erstellt: Ein positives und ein
negatives Trendszenario (d.h. diese beiden Szenarien
haben realistische Eintrittswahrscheinlichkeiten)
sowie ein positives und ein negatives Extremszenario.
Die beiden Extremszenarien werden durch eine noch
stärkere Ausweitung der negativen und positiven
Aspekte charakterisiert. Sie sollen zeigen, wie eine
Zukunft des Berufs im besten oder schlechtesten
Falle aussehen könnte, jedoch mit einer eher geringen Eintrittswahrscheinlichkeit (Abbildung 1).
Ergebnisse
Die hier gezeigte Szenario-Analyse liefert für die 4
definierten Szenarien folgende Ergebnisse:
■■
Positives Extremszenario: Besonders durch politische Maßnahmen, wie Einführung von Tariflöhnen, haben sich die Arbeitsbedingungen für den
einzelnen Fahrer verbessert. Dadurch konnten
größere Auswirkungen des Fahrermangels
verhindert werden, denn die Ausbildungszahlen
steigen kontinuierlich an.
Abbildung 1: Trichtermodell einer Szenario-Analyse [Rei1992].
92
Negatives Extremszenario: Das negative Extrem
szenario beinhaltet Lohn- und Arbeitsbedingungen,
welche einem modernen Europa des 21. Jahrhunderts nicht entsprechen. Die Fahrerausbildung
bietet keine Zukunftsperspektive. Insofern wird
es dazu kommen, dass langfristig ein Fachkräftemangel in hohem Ausmaß entsteht. Eine starke
Angebotslücke im Fuhrgewerbe ist die Folge.
■■ Positives Trendszenario: Besonders durch
politische Maßnahmen, aber auch durch den
spürbaren Fachkräftemangel selbst, haben sich
die Arbeitsbedingungen in diesem Beruf verbessert. Durch eine nachhaltige Verkehrspolitik und
damit verbundenen steigenden Ausbildungszahlen
konnten verheerende Auswirkungen des Fachkräftemangels verhindert werden. Das Image des
Berufs hat eine spürbare Aufwertung erhalten.
■■ Negatives Trendszenario: Dem Fachkräftemangel
wird auf langfristige Sicht nicht nachhaltig entgegengewirkt. Durch unzureichende Arbeitsbedingungen (lange Arbeitszeiten, geringe Entlohnung)
und das anhaltend schlechte Image, kann für eine
nachhaltige Fahrerkapazität nicht gesorgt werden.
Bis 2025 entsteht eine Angebotslücke v.a. an
qualitativ anspruchsvollen Transporten.
■■
Die Anwendung der Szenario-Technik zeigt im
vorliegenden Fall, dass sich die Lohn- und Arbeitsbedingungen des Berufs in der Zukunft stark unterscheiden können. Besonders die europaweite Transportbranche und deren Faktoren müssen betrachtet
werden: Der harte Wettbewerb durch ausländische
sowie ausgeflaggte deutsche Unternehmen wird die
Lage beeinflussen. Insofern zeigt die Interpretation
der Daten, dass ein negatives Trendszenario die
größte Eintrittswahrscheinlichkeit besitzt: Solange
die Löhne durch die harte Konkurrenz nicht steigen
und solange sich die Arbeitszeiten nicht maßgeblich
reduzieren lassen, wird sich der Beruf im Jahre 2025
im Bereich des negativen Trendszenarios wiederfinden. Da sich jedoch bereits heute in den anderen
europäischen Staaten auch ein Fahrermangel
abzeichnet, kann dies für die Transportbranche und
vor allem für die deutsche Wirtschaft ein außerordentliches Risiko mit sich bringen, da zukünftig
auch europaweit Fahrer gesucht sein werden. Die
Erhöhung der Ausbildungszahlen sollte daher für die
Mobilität
Zukunft höchste Priorität haben um die Transportwirtschaft im Straßengüterverkehr aus eigener Kraft
aufrechterhalten zu können.
Als Ausblick ist festzuhalten, dass folgende Akteure
diese Zukunft wesentlich beeinflussen können:
Die Politik muss zutreffende Harmonisierungen im
Transportgewerbe für inländische sowie ausländische Unternehmen schaffen, und zwar durch
Überarbeitung bestehender Gesetze, Einführung
neuer und korrekter Anwendung der geltenden
Gesetze.
■■ Logistikdienstleister müssen ihre Unternehmensphilosophie ändern und auf Personal setzen, welches
sie selbst ausbilden.
■■
Literatur
[Bai2011]Baier, J. 2011: Trends im Straßengüterverkehr – Aktueller Status und Meinungen
der Berufskraftfahrer in Deutschland,
Hochschule Furtwangen.
[Rei1992]Reibnitz, U. von 1992: Szenario-Technik:
Instrumente für die unternehmerische und
persönliche Erfolgsplanung. 2. Auflage,
Wiesbaden.
[Var2011]Vahrenkamp, R. 2011: Die logistische
Revolution, Campus Verlag, Frankfurt.
Nur wenn diese Faktoren in der Zukunft gemeinsam
auftreten, kann der harte Wettbewerb im Transportgewerbe in den kommenden Jahren langfristig
entschärft und dem drohenden Fachkräftemangel
entgegengewirkt werden.
93
Mobilität
Handlungsstrategien für die Risikoabsicherung von Logistikknoten
Prof. Dr. Guido Siestrup, Dipl.-Kffr. Claudia Breuer
Logistics nodes represent infrastructural linking points of transport in logistics networks. They unite different
transport and logistics companies, as well as different traffic carriers within a relatively small area enabling the use
of the same modes of transport and technical infrastructure. To enhance the resilience of logistics nodes against
risk events, the examination with security aspects and the risk-sensitive design of logistics nodes is necessary.
In this context, proactive and reactive measures can be captured. While proactive measures aim at the preventive
avoidance of risks, reactive measures comprise situational and flexible reactions to risk events. Our research is
focused on the development of situational handling strategies as a reactive measure to risk events.
PROF. DR. GUIDO SIESTRUP
Lehrgebiete: Geschäftsprozesse, Logistik und Supply
Chain Management
Prodekan der Fakultät
Wirtschaftsinformatik
und Mitglied im Institut für
Angewandte Forschung der HFU
Tel. 07723 920 2240
sig@hs-furtwangen
Logistische Knotenpunkte stellen Verknüpfungspunkte
des Verkehrs in Logistiknetzwerken dar und haben einen
maßgeblichen Einfluss auf die Güterverkehrsentwicklung [4]. Sie sind gekennzeichnet durch die räumlich
konzentrierte Ansiedlung von Logistikunternehmen und
die Zusammenführung verschiedener Verkehrsträger in
spezifischen Standortgemeinschaften [3]. Ein weiteres
wichtiges Merkmal ist die gemeinsame, unternehmensübergreifende Nutzung der in einem Logistikknoten
vorhandenen Infrastruktur.
Tritt in einem Logistikknoten ein Risikoereignis ein,
kann es regional, national und sogar international zu
Produktionsausfällen und zu Versorgungsengpässen für
die Industrie, den Handel und die Bevölkerung kommen.
DIPL.-KFFR. CLAUDIA BREUER
an der Fakultät
Wissenschaftlicher Fokus:
Logistikprozesse,
Risikomanagement
und Simulation
Tel. 07723 920 2945
brc@hs-furtwangen
Um das Gefährdungspotential von Logistikknoten und
die Anfälligkeit dieser gegenüber Risikoereignissen zu
reduzieren, mithin also deren Resilienz zu erhöhen, sind
die Auseinandersetzung mit Sicherheitsaspekten und
eine risikobewusste Gestaltung von Logistikknoten unerlässlich. Prinzipiell können in diesem Zusammenhang
antizipative und reaktive Maßnahmen ergriffen werden.
Während antizipative Maßnahmen auf die vorbeugende
Vermeidung von Risiken zielen, umfassen reaktive
Maßnahmen situativ angepasste und flexible Reaktionen
[2]. Im Rahmen unserer Forschung stehen reaktive
Maßnahmen im Vordergrund. Dabei ist anzumerken,
dass die Handhabung der Auswirkungen von Risiken in
der Literatur kaum Beachtung findet [7].
Als Beitrag zur Risikoabsicherung von Logistikknoten
ist es das Ziel unserer Forschung, situationsgerechte
Handlungsstrategien für die Rückkehr in den Normalbetrieb nach Eintritt eines Risikoereignisses zu entwickeln.
Dazu wird zunächst die Konzeption zur Entwicklung
situationsgerechter Handlungsstrategien vorgestellt,
bevor auf die gegenwärtigen Ergebnisse eingegangen
94
wird. Als Anwendungsfall werden Güterverkehrszentren
herangezogen, welche eine spezielle Ausprägung von
Logistikknoten darstellen.
Darstellung der Konzeption
Die Konzeption zur Entwicklung von situationsgerechten
Handlungsstrategien umfasst die drei Komponenten
Ziele, Strategien und Methodik und ist in Abbildung 1
dargestellt.
Durch die Ziele wird festgelegt, was erreicht werden
soll:
Da das Schadensausmaß von Risikoereignissen in
Logistikknoten maßgeblich durch die sich aus ihnen
ergebende Ausfalldauer transportrelevanter Infrastrukturen und der damit einhergehenden Unterbrechung
von Wertschöpfungsprozessen bestimmt ist, sollen
Handlungsmaßnahmen und -strategien daher insbesondere auf die Aufrechterhaltung und Fortführung des
laufenden Betriebes bzw. einen schnellen Wiederanlauf
der Geschäftstätigkeit in Logistikknoten und damit auf die
Sicherung von Warenflüssen zielen.
Die Strategien legen den Handlungsrahmen fest und
geben an, wie die Ziele erreicht werden sollen:
Aufgrund verschiedener Faktoren, welche die Entscheidungsfindung und damit die Auswahl von geeigneten
Handlungsmaßnahmen und -strategien nach Eintritt
unvorhergesehener Risikoereignisse erschweren, ist
ein Bedarf an Entscheidungsunterstützung gegeben:
Neben den unter Umständen erheblichen wirtschaftlichen Auswirkungen sind Entscheidungen nach Eintritt
unvorhergesehener Ereignisse unter einem großen
Zeitdruck zu treffen, weshalb eine strukturierte und ziel-
Mobilität
gerichtete Analyse der Entscheidungssituation nicht
möglich ist [6]. Durch die Entscheidungsunterstützung
sollen schnelle Entscheidungen und somit schnelle
Reaktionen ermöglicht werden, damit die aus unvorhergesehenen Ereignissen resultierenden negativen
Auswirkungen möglichst gering gehalten werden
können [1]. Für die Strategieformulierung stehen somit
die Aspekte Komplexitätsreduktion und Beherrschung
von Dynamiken im Vordergrund. Die Komplexität kann
durch die Verfügbarkeit risikorelevanter Informationen in Bezug auf Akteure, Ressourcen und Infrastrukturen in Logistikknoten sowie durch die Kenntnis über
die Entscheidungssituation reduziert werden.
Daraus lassen sich die folgenden Strategien zur
Komplexitätsreduktion ableiten:
■■
■■
Informationsbedarfsanalyse
Situationsanalyse.
Abbildung 1: Aufbau der Konzeption.
Die Beherrschung von Dynamiken erfolgt durch die
Berücksichtigung von Veränderungen des Warenflusses im Zeitverlauf und durch die Berücksichtigung
intertemporaler Verknüpfungen von Maßnahmen.
Daher sind zur Beherrschung von Dynamiken als
Strategien erfasst:
■■
■■
Flussanalyse und
Maßnahmenanalyse.
Durch die Methodik wird festgelegt, welche Maßnahmen für die Umsetzung der Strategien herangezogen
werden: Dazu sind verschiedene Maßnahmen
identifiziert und eine aus vier Modulen bestehende
Methodik definiert. Zunächst ist eine Ist-Analyse
durchzuführen, welche die Aufbau- und Ablauforganisation von Güterverkehrszentren berücksichtigt sowie
die relevanten Elemente und Einflussfaktoren von
Entscheidungssituationen nach Eintritt unvorhergesehener Ereignisse.
Weiterhin ist ein Modell der Entscheidungsunterstützung zu konstruieren, welches die Informationen
der Ist-Analyse als auch dynamische Entwicklungen
berücksichtigt. Für die Bewertung verschiedener
Situationen nach Schadenseintritt ist eine Szenarioanalyse durchzuführen. In einem vierten Schritt sind
situationsabhängige Handlungsstrategien zu erfassen.
Ergebnisse
Für die Darstellung eines dynamischen Systemverhaltens und den daraus resultierenden Veränderungen im
Zeitverlauf werden im Bereich der Logistik sehr häufig
Simulationsmodelle angewandt [5]. Diesem Ansatz wird
auch in unserer Arbeit gefolgt. Ein Simulationsmodell
zur Entscheidungsunterstützung ist konstruiert. Dieses
beinhaltet verschiedene Komponenten:
■■ Abbildung der Aufbau- und Ablauforganisation in
Güterverkehrszentren
■■ Definition verschiedener Szenarien zur Simulation von
Risikoereignissen
■■ Implementierung situationsabhängiger Handlungs-
maßnahmen.
Neben dem Simulationsmodell sind weiterhin situationsgerechte Handlungsmaßnahmen als Reaktion auf spezifische Situationen zu erfassen. Dabei ist zu beachten,
dass im Zeitverlauf Situationsveränderungen durch die
Änderung von Rahmenbedingungen und Einflussfaktoren
als auch durch Risikoereignisse hervorgerufene und
nicht vorhersehbare Entwicklungen auftreten können.
Für die Darstellung von Situationsänderungen, verbunden mit der Ergreifung verschiedener situationsgerechter
Handlungsmaßnahmen, eignen sich Entscheidungs-
95
Mobilität
In einem nächsten Schritt ist die Szenarioanalyse zur
Bewertung verschiedener Handlungsmaßnahmen
durchzuführen. Die Ergebnisse in Form bewerteter
situationsbezogener Handlungsmaßnahmen fließen in
den interaktiven Entscheidungsbaum und können im
Falle unvorhergesehener Ereignisse zur Entwicklung
einer Handlungsstrategie herangezogen werden.
Abbildung 2: Beispielhafter interaktiver Entscheidungsbaum.
bäume. Diese erlauben die Verkettung verschiedener
Situationen und Handlungsmaßnahmen und somit die
Abbildung einer Handlungsstrategie. Die Entscheidungsbäume sind dabei interaktiv als Ja/Nein-Entscheidungsbäume gestaltet (siehe Abbildung 2): In den Knoten eines
Entscheidungsbaumes werden risikorelevante Aspekte
zur Situation abgefragt, die interaktiv über Mausklick
mit Ja (grüner Pfeil) oder Nein (roter Pfeil) beantwortet
werden können. In Abhängigkeit von der Antwort werden
die definierten Handlungsmaßnahmen als Ergebnis
ausgegeben.
Die in diesem Beitrag vorgestellte Methodik dient
der Entscheidungsunterstützung nach Eintritt von
Risikoereignissen zur Handhabung der Auswirkungen,
welche von diesen Risikoereignissen ausgehen. Ziel
ist die Sicherung von Warenflüssen durch das Sicherstellen stabiler Wertschöpfungsprozesse.
96
[1] Breuer, C., Siestrup, G., Haasis, H.-D. und H. Wildebrand (2013): Collaborative risk management in
sensitive logistics nodes, in: Team Performance
Management, Vol. 19, Nr. 7/8, S. 331-351.
[2] Fischäder, H. (2007): Störungsmanagement in
netzwerkförmigen Produktionssystemen, Wiesbaden: Dt. Univ.-Verlag, (zugl. Diss. der Techn.
Univ. Ilmenau, 2005).
[3] Gouvernal, E., Lavaud-Letilleul, V. und B. Slack
(2011): Transport and Logistics Hubs: Separating
Fact from Fiction, in: Hall, P., McCalla, R. J.,
Camtois, C. und B. Slack (Hrsg.): Integrating
seaports and trade corridors, Farnham/ Burlington: Ashgate Publishing, S. 65-80.
[4] Huber, S., Klauenberg, J. und B. Lenz (2013):
Bestehende Ansätze und Anforderungen zur
Integration logistischer Knoten in der Nachfragemodellierung des Güterverkehrs, in: Thaller,
C. und U. Clausen (Hrsg.): Wirtschaftsverkehr
2013: Datenerfassung und verkehrsträgerübergreifende Modellierung des Güterverkehrs als
Entscheidungs¬grundlage für die Verkehrspolitik,
Berlin/ Heidelberg: Springer, S. 74-89.
[5] Kuhn, A. und S. Wenzel (2008): Simulation
logistischer Systeme, in: Arnold, D., Isermann, H.,
Kuhn, A., Tempelmeier, H. und K. Furmans (Hrsg.):
Handbuch Logistik, Berlin/ Heidelberg: Springer,
S. 73-94.
[6] Mesarovic, M. D., Macko, D. und Y. Takahara
(1970): Theory of Hierarchical, Multilevel Systems, New York u. a.: Academic Press.
[7] Wagner, S. M. und C. Bode (2007): Empirische
Untersuchung von SC-Risiken und SC-Risikomanagement in Deutschland, in: Vahrenkamp, R.
und C. Siepermann (Hrsg.): Risikomanagement
in Supply Chains: Gefahren abwehren, Chancen
nutzen, Erfolg generieren, Berlin: Erich Schmidt,
S. 59-79.
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Mobilität
Für unser Team gibt es keine Probleme, nur Herausforderungen.
Jeden Tag wachsen wir daran und schaffen Innovationen die weltweites Ansehen finden.
Unser Team besteht aus Spezialisten die Lösungen erarbeiten an denen andere Firmen scheitern.
Wir entwickeln und fertigen kunden- und anwendungsspezifische Messsysteme auf Basis der
Sensortelemetrie.
Die Sensortelemetrie an sich ist ein Prinzip der berührungslosen Energie- und Datenübertragung.
Übertragen wird mittels eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes, bilateral.
Diese Technik wird eingesetzt um Daten aus rotierenden Systemen ins starre System zu
übertragen.
Anwendungsbeispiele für den Einsatz unserer Telemetrie sind:
Rennsport - Hubschrauber - Turbinen - Turbolader - Gelenk- und
Antriebswellen von Automobilen - Windkraftanlagen - Prüfstandbau
Wir agieren seit mehr als 20 Jahren im High-Tech Sektor der Forschung und Entwicklung und
befinden uns in der Nische zwischen dem Maschinenbau und der Elektrotechnik.
Um nur einige unserer Kunden zu nennen:
Was bedeutet das für unsere Mitarbeiter und deren Aufgabenfelder?
Erfassen der Messaufgabe
Übersetzen in Randbedingungen für unser System
Die Anfertigung von kompletten Messsystemen - Zusammenspiel aus Neuentwicklung und
Standardmodulen abstimmen.
Fehlersuche auf Bauteilebene ist unser täglich Brot, da auch an Standardmodulen
Veränderungen vorgenommen werden um diese an die Messaufgabe des Kunden
anzupassen.
Unser kontinuierlich wachsende Firma ist stets auf der Suche nach neuen Mitarbeitern.
Haben wir Ihr Interesse geweckt?
Forschungsbericht
der Hochschule Furtwangen 2014 | 2015
97
Weitere Informationen finden Sie auf unserer Homepage
www.sensortelemetrie.de
Mobilität
Systemsimulation eines Pedelecs –
ein dynamisches Modell für virtuelle Tests
Prof. Dr. Frank Allmendinger, David Schulz
The German Federal Government plans to have one million electric cars on streets in 2020. In future, electric
vehicles will be increasingly important in urban areas because they enable mobility with zero emissions which
reduces particulate pollution in German cities. The market of electric cars is developing as same rapidly as the
market of light electric vehicle, especially pedelecs which are bicycles with a motorized drive system for pedal
assistance. Pedelecs are used to reach higher ranges on the way to work as same as for recreational sports.
For quicker development time of the drive control system, a novel and innovative method is used the so called
Software-in-the-Loop simulation. The main idea of this method is to replace the real pedelec with a virtual model
of itself, so that there is no hardware and bicycle needed in early development state.
PROF. DR.
FRANK ALLMENDINGER
Dipl.-Physiker, Fakultät
Industrial Technologies
Lehrgebiete: Physik,
Messtechnik- und Sensorik,
Festkörperphysik
Sensorentwicklung, Mess
technik, Simulation, Entwicklung mechatronischer Systeme
Tel. 07461 1502 6622
frank.allmendinger@
hs-furtwangen.de
Im Jahre 2020 sollen auf deutschen Straßen eine
Million Elektrofahrzeuge fahren - so strebt es die Bundesregierung an. In Zukunft werden Elektrofahrzeuge
besonders im urbanen Bereich immer bedeutsamer
werden, da sie emissionsfreie Mobilität ermöglichen
und somit zur Verbesserung der Feinstaubbelastung
in deutschen Städten beitragen. Parallel zu den Elektroautos entwickelt sich der Markt der Leichtelektro
fahrzeuge mindestens ebenso rasant. Pedelecs (Pedal
Electric Cycle) sind Fahrräder mit einem motorischen
Antriebssystem zur Tretunterstützung. Durch ihre
hohe Flexibilität werden sie als Verkehrsmittel für den
Weg zur Arbeit eingesetzt, aber auch im Freizeitsport
genutzt um größere Reichweiten zu erzielen.
rimente im Entwicklungsprozess durchzuführen, damit
die Software iterativ optimiert werden kann.
Für die Entwicklung der Antriebssysteme von
Pedelecs wird eine Software-in-the-Loop Simulation
(kurz: SiL) als innovative Entwicklungsmethode herangezogen. Bei einer SiL wird eine teilweise integrierte
Software zur Steuerung des Antriebs direkt über
Software-Schnittstellen mit der simulierten Umgebung getestet ohne Hardwaremodule zu benötigen.
Besonders in neuen Geschäftsfeldern werden solche
Methoden benötigt. Dort kann bisher noch fehlendes
Know-how teilweise durch Simulationen kompensiert
werden, da diese die Möglichkeit eröffnen, früh Expe-
Eine Simulation ist auf einem mathematischen Modell
aufgebaut, das die Zusammenhänge der zu simulierenden realen Umgebung so genau wie gefordert
beschreiben können muss. Dazu wird ein kinematisches Modell abgeleitet, an welchem mit Hilfe
des Impulssatzes die Kräftegleichungen aufgestellt
werden können (Abbildung 1).
In der Entwicklung des Fahralgorithmus für Pedelecs
werden neue Konzepte zur adaptiven Tretunterstützung getestet. Durch die Simulation können die
Parametersätze schnell und reproduzierbar getestet
werden und somit den Entwicklungsprozess insgesamt verkürzen. Dieses Projekt beschäftigte sich mit
der Entwicklung einer Systemsimulation für Pedelecs
und Ansätzen für Tretunterstützung-Algorithmen.
Modellbildung
Die Fortbewegung des Pedelecs ist ein kinematischer
Prozess und das mathematische Modell ist ein Differenzialgleichungssystem mit sieben Gleichungen:
⎛ s
⎞
⎜ Fahrer ⎟
⎜ v Fahrer ⎟
⎜
⎟
⎜ sRad ⎟
⎜ v
⎟ =
⎜ Rad ⎟
⎜ϕ Motor ⎟
⎜
⎟
⎜ω Motor ⎟
⎜ Q
⎟
⎝ Batterie ⎠
Abbildung 1: Kinematisches Modell.
98
∫ d t f (t )
mit
⎛ v
⎞
⎜ Fahrer ⎟
⎜ aFahrer ⎟
⎜
⎟
⎜ v Rad ⎟
f t = ⎜ aRad ⎟
⎜
⎟
⎜ω Motor ⎟
⎜
⎟
⎜α Motor ⎟
⎜ i
⎟
⎝ Batterie ⎠
()
Mobilität
DAVID SCHULZ
Abbildung 2: Verifizierung der Systemsimulation: Das virtuelle Pedelec wird in der gleichen Umgebung wie das reale Pedelec getestet.
Das Modell ist modular aufgebaut und besteht deshalb aus jeweils einer Differenzialgleichung für den
Fahrer, das Fahrrad, den Motor und den Akkumulator.
Die Teilsysteme sind miteinander gekoppelt. So
wurde der Fahrer als schwingungsfähige Masse auf
dem Fahrrad modelliert. Der Motor trägt über sein
Antriebsmoment am Hinterrad ein und die Batterie
speist den Motor mit Gleichstrom, der intern zu
Drehstrom gewandelt wird.
Dem Motor ist ein Getriebe nachgeschaltet mit dem
Übersetzungsverhältnis i . Somit gilt der Zusammenhang M Antrieb = i ⋅ M Motor . Das Antriebsmoment wird
durch den Motorstrom bestimmt und ist über einen
„virtuellen Freilauf“ an die Beschleunigung des
Fahrrads gekoppelt. Der Akku wird als ideal betrachtet. Hierbei ist die Änderung seiner Ladung gleich der
Summe aller seiner Ladeströme und Entladeströme.
Student Industrial Virtual
Engineering, Fakultät Industrial
Technologies
Interessengebiete:
Systemsimulation,
Regelungstechnik, FEM
und CFD sowie Optimierung
[email protected]
Simulation
Der Impulssatz für den Fahrer lautet:
mF ⋅ 
x F = Fc (x F , x R ) + Fd ( x F , x R ) − ⎡⎣ FL ( x F ) + FH (α (x F ))⎤⎦
Hierbei ist Fc und Fd die Feder- und Dämpfer-Kraft
zwischen Fahrer und Fahrrad. Sie modelliert die
Verbindung von Fahrer mit Rad. Die Luftwiderstandskraft und die Hangabtriebskraft hängen von der
Geschwindigkeit des Fahrers und von der Hangneigung ab.
Die Beschleunigung des Fahrrads wird ebenfalls
über den Impulssatz berechnet:
Das in der Modellbildung entwickelte virtuelle Pedelec
(Differenzialgleichungssystem) wurde in MATLAB als
numerische Simulation implementiert. Die Verifizierung
des Modells ist der Abschluss der Modellentwicklung.
Hierbei werden als Eingangssignale des simulierten
Pedelecs Messdaten verwendet (Abbildung 2).
Die Ergebnisse aus der Simulation wurden direkt mit
den Messergebnissen verglichen (Abbildung 3). Wenn
sich die Abweichungen in einem vertretbaren Bereich
⎛ 2 ⋅ J
⎞
M + M Antrieb ⎡
− ⎣ FH α x R + FR + Fc + Fd ⎤⎦
⎜ 2 + mRad ⎟ ⋅ xRad = Tret
R
⎝ R
⎠
( ( ))
Hierbei sind die Trägheitsgrößen die Masse des
Fahrrades mRad , das Trägheitsmoment J der
rotierenden Massen und die geometrische Größe
der Radius R der Laufräder. Die Laufräder werden
bezüglich des Trägheitsmoments als fast identisch
angenommen. Das antreibende Moment ist eine
Summe aus dem Tretmoment des Fahrers und dem
Drehmoment des Antriebssystems. Die Hangabtriebskraft, die Reibungskräfte sowie die Verbindung
des Fahrers zum Fahrrad sind äußere Kräfte.
Abbildung 3: Repräsentativer Ausschnitt einer Verifizierung: Direkter Vergleich zwischen Messung und Simula
tion, Abweichungen entstehen durch zusätzliche nicht messbare Einflüsse in der Messung (z. B. Gegenwind).
99
Mobilität
Erst wenn die Relativ-Winkelgeschwindigkeit Null
wird, beteiligt sich der Motor an der Beschleunigung
des Systems. Diese Besonderheit wird auch „System
ordnungswechsel“ genannt: Sobald sich der Motor
in das System einklinkt, reduziert sich die Anzahl der
Bewegungsgleichungen von sieben auf fünf.
Abbildung 4: Virtueller Freilauf, sobald der Motor die notwendige Relativgeschwindigkeit erreicht hat,
ist er mechanisch an das Fahrrad gekoppelt.
Ein ähnliches Phänomen ist das Nullstellenproblem.
Die Bremsen des virtuellen Pedelecs verringern bei
deren Betätigung die Geschwindigkeit des Pedelecs
bis zum Stillstand. Aus numerischen Gründen wäre
das Erreichen des Stillstands (v = 0) ein äußerster
Zufall. Bei diesem Modell wird der Stillstand konsequent erreicht (Abbildung 5).
Tretunterstützungs-Algorithmen
Abbildung 5: Nach dem Bremsvorgang tritt der Stillstand numerisch exakt ein.
Abbildung 6: Unterstützungsprinzipien. Nr. 1: natürliches Tret-Moment durch den Fahrer; Nr. 2: kommerzielle
Unterstützung (Kurbelwinkel-unabhängig + konstant); Nr. 3: vorgesehene adaptive Unterstützung in Beschleunigungssituationen; Nr. 4: vorgesehene adaptive Unterstützung in Nicht-Beschleunigungssituationen - „Runder Tritt“.
befinden, gilt die Simulation als geeignet. Die größten
Einflüsse auf die Bewegung des Pedelecs haben das
antreibende Moment und die Hangabtriebskraft.
Für die spätere Anwendung der Simulation ist das
Systemverhalten wichtig. Mit dieser Simulation ist es
möglich, das Anlaufverhalten des Motors zu optimieren. Im Modell ist der Motor durch einen virtuellen
Freilauf vom restlichen Pedelec getrennt (Abbildung 4).
100
Die Arbeitsmaschine Mensch-Fahrrad ist komplex
und schwer zu beschreiben. Deshalb wurden stattdessen Messungen durchgeführt. Auf einer Teststrecke wurden die Tretkraft und die resultierenden
Bewegungsgrößen gemessen und ausgewertet. In
Abbildung 6 ist im Diagramm Nr. 1 der gemessene
Verlauf des Tretmoments dargestellt. Die Drehrichtung
ist im Gegenuhrzeigersinn aufgetragen. Der Radius ist
proportional zur Größe des resultierenden Moments.
Die linke Ausbuchtung stellt das Moment durch das
linke Bein, der die rechte Ausbuchtung durch das
rechte Bein dar.
Im Diagramm Nr. 2 ist die rote Kurve das resultierende
Moment, wenn ein Mittelmotor hinzugeschaltet wird.
Der Mittelmotor erzeugt ein konstantes, winkelunabhängiges Moment. Für das System wird keine detaillierte Information über das menschliche Tretmoment
benötigt.
Wird das Moment jedoch durch ein winkelaufgelöstes
Messsystem erfasst, sind vollkommen neue Ansätze
möglich. In Diagramm Nr. 3 und Nr. 4 sind zwei adaptive
Ansätze gezeigt. Das Konzept in Diagramm Nr. 3
vervielfacht das menschliche Tretmoment. Dadurch
entsteht eine beschleunigte Bewegung. Der Fahrspaß
kann dadurch gesteigert werden. Dieses Konzept ist
für Betriebszustände mit niedriger Geschwindigkeit
vorgesehen. In Diagramm Nr. 4 wird durch adaptive
Regelung der „Runde Tritt“ erzeugt. Besonders
interessant wird dieser Ansatz beim Betrieb des
Mobilität
Pedelecs an der Abschaltgrenze (25 km/h oder 45 km/h
bei S-Pedelecs). Mit diesem Ansatz erreicht man
eine Null-Beschleunigung, das häufig auftretende
„Ruckeln“ des Systems wird dadurch unterdrückt.
Diese beiden Konzepte können auch Geschwindigkeits- und Steigungsabhängig kombiniert werden.
Zusammenfassung
In diesem Projekt wurde ein virtuelles Pedelec entwickelt, mit welchem Software-in-the-Loop Simulationen durchgeführt werden können. Anwendung findet
dieses dynamische Modell bei der Entwicklung der
Antriebssteuerung des Pedelecs. Dadurch können in
kürzerer Zeit mehr Parametersätze getestet werden,
ohne dass die Hardware bereits fertig entwickelt sein
muss.
Das Modell des Synchronmotors kann sowohl als
Mittelmotor eingesetzt oder auch als Radnabenmotor
verwendet werden, um entweder am Vorder- oder
Hinterrad oder an beiden Rädern eingesetzt zu werden (Allrad-Konzept). Durch ein winkelauflösendes
Messsystem werden neue Tretunterstützungsmodi
möglich.
Danksagung
Der Initiator dieses Projekts ist die Firma Marquardt
Mechatronik GmbH. Besonderer Dank gilt Herrn Peter
Broghammer und Herrn Dietmar Weisser, die das
Projekt betreut und unterstützt haben.
Dieser Artikel baut auf der Praxissemesterarbeit
von David Schulz auf, die im Februar 2014 durch die
„Private Stiftung Ewald Marquardt für Wissenschaft
und Technik, Kunst und Kultur“ mit einem Sonderpreis
ausgezeichnet wurde. Wir danken Herrn Ewald Marquardt für die großzügige Unterstützung des Projekts.
Literatur
[1] Nationaler Entwicklungsplan Elektromobilität,
Bundesministerium für Verkehr und digitale
Infrastruktur, http://www.bmvi.de/SharedDocs/
DE/Anlage/VerkehrUndMobilitaet/nationalerentwicklungsplan-elektromobilitaet.pdf?__
blob=publicationFile Seite 18, 17.10.2014.
[2] D. Schulz, Praxissemester Projekt Bericht –
Systemsimulation Pedelec, 6. September 2013,
Marquardt Mechatronik GmbH, Hochschule
Furtwangen.
101
Kommunikation
Miniaturisiertes taktiles Mensch-Maschine-Interface
Prof. Dr. Ulrich Mescheder, M.Sc. Rui Zhu
Forschungsgebiete:
Forschung der HFU
Tel. 07723 920 2232
[email protected]
M.SC. RUI ZHU
an der Fakultät Mechanical
Forschungsgebiete:
Mikrosysteme, Mikroaktoren
Tel. 07723 920 2101
[email protected]
HMIs (Human-Machine-Interfaces) are of increasing importance due to the ongoing trend towards digitalization
and electrification of our environment and especially due to progress in so-called assistive technologies (in
automation, in cars, AAL). One transfer channel is the tactile channel which is widely employed for transmission
from humans to machines (touch screens, simple buttons, switches etc.), however, the opposite direction from
machine (computer) to humans is only used in very specific and limited (in respect to information density) applications. One example of this direction is Braille for blind people and haptic feedback provided by touch-screens.
In 2013 the MIT presented a 3D tactile display in the size of desk [1].The HFU is working on miniaturized tactile
devices which can transmit even complex information content (and even 3D structures as MIT’s device) via the
tactile senses e.g. in the fingertip.
Komfortable Mensch-Maschine-Schnittstellen sind von
wachsender Bedeutung aufgrund der zunehmenden
Technisierung und Digitalisierung unserer Umwelt.
Nach wie vor ist das Auge (Sehen) die wichtigste
Schnittstelle zu einem Rechner oder allgemein zu
einem informationstechnischen System. Auch das Ohr
(Hören) ist ein wichtiger Informationskanal, aber als
Mensch-Maschine-Schnittstelle nur eingeschränkt
nutzbar. Während bei der Informationseingabe taktile
Schnittstellen seit einigen Jahren insbesondere mit
berührungsempfindlichen Displays Einzug gehalten
haben, ist die taktile Schnittstelle beim Empfangen von
Informationen auf einfache Inhalte beschränkt. Mittels
Braille-Ausgabegeräten können allerdings Blinde Texte
„lesen“. Jüngst hat das MIT ein taktiles 3D-Display
vorgestellt, das die Größe eines Schreibtischs hat [1].
An der HFU arbeitet man seit zwei Jahren an miniaturisierten taktilen Displays. Im Rahmen eines BMBFProjekts wurde die taktile Informationsausgabe zur
Navigationsunterstützung von Blinden untersucht [2].
Das Konzept lässt sich auch als taktiles Interface zur
Informationsübermittelung an den Menschen in einer
Vielzahl von weiteren Anwendungen und Situationen
nutzen.
Konzept des miniaturisierten taktilen Informationsgebers
Die Informationen werden bei dem HFU-Konzept in
Form von einzelnen ausfahrbaren „Beulen“ („bumps“),
die im Idealfall aus einer planen Oberfläche hervortreten, repräsentiert (1 bump = 1 bit). In [2] wurde
dargestellt, welche Empfindlichkeit die menschliche
Haut für taktile Informationen hat. Als Ergebnis wurden
Layoutregeln für ein miniaturisiertes taktiles Display
festgelegt. Demnach sind für die vier möglichen Rezep-
102
toren in der menschlichen Haut die besten Ergebnisse
durch Anregung der sogenannten Merkel-Zellen in der
Haut zu erwarten. Die Amplitude der einzeln herausfahrbaren „bumps“ muss danach mindestens 30 µm
sein, sollte aber unter 300 µm bleiben, um nicht auch
noch die sogenannten Ruffini-Rezeptoren in der Dermis
anzuregen. Als Amplitude wurden daher 100 µm festgelegt. Weiterhin wird ein dynamisches Signal benötigt (bei
5 Hz vibrierende Beule). Wegen der begrenzten lokalen
Auflösung der Merkel-Rezeptoren ist ein Abstand
zwischen den „bumps“ unter 500 µm nicht sinnvoll.
Die Herausforderung besteht nun darin, mit Hilfe der
Mikrotechnik solche relativ großen Bewegungshübe
von 100 µm auf kleinstem Raum zu realisieren. Hierzu
wird das Prinzip des pneumatischen Verstärkers
verwendet: eine kleine Kammer wird mit einer
inkompressiblen Flüssigkeit (z.B. Paraffinöl) gefüllt
und durch zwei flexible Membranen abgeschlossen.
Durch unterschiedliche Flächenverhältnisse der beiden
flexiblen Membranen kann das Verstärkungsverhältnis
eingestellt werden: eine kleine (pneumatische) Anregung auf der Seite mit größerer Membranfläche führt zu
einer sehr viel größeren Auslenkung auf der Seite mit
der kleineren Membranfläche (Abb. 1a).
Die zweite Herausforderung ist, ein geeignetes, miniaturisiertes Aktorprinzip zur pneumatischen Anregung zu
finden. An der HFU werden dazu EAP - Electro-ActivePolymers - untersucht [3].
Stand der Arbeiten und erste Ergebnisse
Das pneumatische Verstärkungsprinzip wurde mit
Finite-Elemente-Methoden simuliert (Comsol). Dabei
Kommunikation
zeigt sich, dass die Art der Anregung der größeren
Membranfläche für das Verstärkungsverhältnis entscheidend ist. Während bei einer normalen Druckbeaufschlagung einer Membran mit einem Flächendruck das
Verstärkungsverhältnis mit ca. 2 relativ klein ist, kann
bei einer stempelartigen Auslenkung der Membran ein
Verstärkungsverhältnis von über 10 erreicht werden
(Abb. 1 b, c).
Mit den oben genannten Vorgaben wurde ein erstes,
allerdings noch pneumatisch angeregtes kleines
Display entwickelt und erstmals auf der Sight City in
Frankfurt im Mai 2014 erfolgreich getestet. Die Herstellung ist in Abb. 2 gezeigt: Zunächst werden in einen SiWafer Kavitäten geätzt, die mit einem Öl gefüllt werden.
Anschließend werden die beiden Oberflächen mit einer
PDMS-Folie belegt, womit die mit Öl gefüllten Kavitäten
verschlossen werden. PDMS ist ein farbloser und biokompatibler Polymer. Zur Verarbeitung der PDMS-Folien
hat die HFU jüngst ein Patent angemeldet [4].
Abb. 1: (a) Prinzip der pneumatischen Verstärkung; (b, c) Finite Elemente Simulation für zwei unterschiedliche
Verformungsarten der größeren (hier unteren) Membranfläche. Während bei einer sich normalerweise einstellenden gekrümmten Membranverbiegung ein Hub von 52,8 µm der unteren Membran nur auf 134 µm verstärkt
wird (c), erzielt man bei einer stempelartigen Bewegung der unteren Membran eine Verstärkung von 11,4 µm
auf 123,3 µm, also um mehr als einen Faktor 10 (b).
Einen Eindruck eines Arrays gibt Abb. 3. Auf der Sight
City wurde die Erkennbarkeit verschiedener Zeichenfolgen mit Blinden und Sehbehinderten erfolgreich
getestet.
Derzeit wird im Rahmen einer Promotion in Kooperation
mit der Universität Freiburg (Frau Prof. Wallrabe) das
EAP-Prinzip untersucht. Erste Ergebnisse zeigen, dass
damit grundsätzlich miniaturisierte taktile Displays
realisierbar sind.
Referenzen
[1] www.fastcodesign.com/3021522/innovation-bydesign/mit-invents-a-shapeshifting-display-youcan-reach-through-and-touch, abgerufen am
21.10.2014.
[2] U. Mescheder, R. Huster, R. Zhu: Mikrosystemtechnischer Informationsgeber für ein Blindennavigationssystem, Forschungsbericht der HFU 2012, S.
17-19.
[3] K. Ren, S. Liu, M. Lin, Y. Wang, Q.M, Zhang: A compact electroactive polymer actuator suitable for
refreshable Braille display, Sensors and Actuators
A 143 (2008) 335–342.
[4] Patentanmeldung: A. Filbert, R. Zhu: Verfahren zur
Herstellung polymerer Membranen.
Abb. 2: Ablauf der Verfahrensschritte zur Herstellung eines „bumps“, der mit Hilfe des Prinzips der pneumatischen Verstärkung ausgelenkt wird.
Abb. 3: Array mit 8 pneumatisch
auslenkbaren bumps, Chipfläche ist
etwa 2 cm². Die „bumps“ sind ca.
um 100 µm ausgelenkt.
103
Kommunikation
Event Processing
Prof. Dr. Bernhard Hollunder, Dipl.-Inform. Alexander Wahl
Event Processing covers concepts and technologies that allow the continuous analysis of streams of information in real-time. In this context, a piece of information is represented by a so-called event indicating that
something of interest has happened. This article briefly introduces the computational model of event processing
followed by a list of important application domains. As event processing has moved to the mainstream computing over the last years, new challenges came up, in particular from the perspective of software engineering.
Challenges currently being addressed by the Software Engineering working group of the faculty of Computer
Science are discussed.
PROF. DR.
BERNHARD HOLLUNDER
Fakultät Informatik
Forschungsgebiete:
Software Engineering,
Software-Architektur,
Gütekriterien für
verteilte Dienste
Prodekan der
Tel. 07723 920 2407
[email protected]
Verschiedene Trends haben die IT in den letzten
Jahren immens geprägt, wie beispielsweise die
steigende Anzahl internetfähiger Endgeräte sowie
deren Vernetzung. Hiermit sind nicht nur die mobilen
Endgeräte gemeint, die inzwischen (fast) jeder von
uns hat und nicht nur zum Telefonieren nutzt. Die
Vernetzung wird vor allem auch durch die Vielzahl von
installierten Sensoren zur Erfassung und Verarbeitung unterschiedlichster Daten vorangetrieben.
Stellvertretend für eine Reihe von Domänen soll
hier die Automobilbranche erwähnt werden, die das
Fahrzeug als Teil des Internets werden lässt. Moderne
Fahrzeuge erfassen und verbreiten eine Vielzahl von
Motor- und Leistungsdaten, die etwa zur Optimierung
der Fahrweise oder der frühzeitigen Identifikation von
technischen Problemen und deren Behebung – auch
unter Verwendung externer Dienste – genutzt werden
können. Des Weiteren können zusätzliche Datenquellen wie etwa Wetter- und Verkehrsdaten vor
und während der Fahrt für die ideale Routenplanung
herangezogen werden.
Die massive Vernetzung internetfähiger Geräte hat
zur Folge, dass das zu speichernde Datenvolumen
weiterhin massiv ansteigt. Seit Jahren wird diese
Situation auch mit „Big Data“ umschrieben. Die
riesigen Datenmengen wären jedoch nahezu nutzlos,
wenn diese nicht ausgewertet werden können.
Daher wurden im Umfeld von Big Data in den letzten
Jahren eine Reihe von neuen Algorithmen konzipiert
und implementiert. Viele dieser Ansätze folgen der
klassischen Datenbank-orientieren Arbeitsweise:
„Speichern von Daten und die anschließende
Verarbeitung“. Hiermit ist gemeint, dass die neu
übermittelten Daten zunächst über entsprechende
Schnittstellen in einen Datenspeicher geschrieben
werden. Nachfolgend können über Anfragen auf
diese Daten zugegriffen werden. Für viele Anwendungsbereiche, wie etwa Suchmaschinen, hat sich
diese Strategie bewährt, insbesondere dann, wenn
eine zeitliche Latenz zwischen dem Speichern und
Abfragen von Informationen unkritisch ist. Soll jedoch
zeitnah („near real-time“) auf neue Informationen
reagiert werden, bedarf es anderer Techniken – wie
sie etwa im Bereich des „Event Processing“ konzipiert wurden.
Event Processing
Abbildung 1: Grundsätzliche Arbeitsweise des Event Processing.
104
Beim Event Processing (vgl. [1], [2]) wird die oben
genannte Arbeitsweise invertiert: Beim Eintreffen
neuer Daten – den sogenannten Ereignissen –
erfolgt zuerst die Verarbeitung, um nachfolgend
geeignete Aktionen durchzuführen wie etwa die
Aktualisierung von Datenbeständen, den Aufruf
von Diensten oder die Erzeugung von aggregier-
Kommunikation
ten Daten, die in der Literatur auch als komplexe
Ereignisse bezeichnet werden. Abbildung 1 illustriert
diese Arbeitsweise.
■■
In der oberen Bildhälfte wird der kontinuierlich
eingehende Strom von Ereignissen in Form von
kleinen Rechtecken dargestellt. Je nach Ereignisquelle hat ein einzelnes Ereignis einen bestimmten
Typ, der beispielsweise eine GPS-Koordinate, ein
Vitalparameter, das Publizieren einer Nachricht
in einem sozialen Netz oder eine Aktion innerhalb
eines Bestellvorgangs repräsentiert.
Anwendungsbereiche
Der Ereignisstrom wird fortlaufend von einer Event
Processing Anwendung beobachtet. Vereinfacht
dargestellt besteht eine Event Processing Anwendung aus zwei Teilen: der Event Processing Engine
und einer Menge von anwendungsspezifischen
Anfragen. Diese Anfragen zeichnen sich dadurch
aus, dass sie zum einen Beziehungen und zeitliche
Korrelationen zwischen verschiedenen Ereignissen
spezifizieren können und zum anderen kontinuierlich
über dem eingehenden Ereignisstrom ausgewertet
werden. Wenn in dem Ereignisstrom eine Kombination von verschiedenen Ereignissen gefunden wird,
die eine Anfrage erfüllt, wird eine festgelegte Aktion
durchgeführt.
Für die Definition von Anfragen können Sprachen
aus der Familie der „Event Processing Languages“
(EPL) verwendet werden. Die folgende, abstrakte
Anfrage soll einen Eindruck von der Mächtigkeit
sowie der Komplexität einer EPL geben:
select e, g from pattern
where[pattern e=E -> NOT f=F -> g=G]
where e.attr1 == g.attr2 AND timer:within(2 sec)
Zur Erfüllung dieser Anfrage müssen die folgenden
Bedingungen zutreffen:
Es treten zwei Ereignisse e und g, jeweils vom Typ
E und G, auf (select e,g … e=E … g=G).
■■ Die Eigenschaft attr1 von e ist identisch
mit der Eigenschaft attr2 von g
(e.attr1 == g.attr2).
■■ Das Ereignis g folgt dem Ereignis e innerhalb von
2 Sekunden (timer:within(2 sec)).
Zwischen dem Auftreten von e und g
darf kein Ereignis vom Typ F vorkommen
(pattern e=E -> NOT f=F -> g=G).
In unterschiedlichen Anwendungsbereichen werden
die Techniken des Event Processing zur zeitnahen
Verarbeitung von Informationen eingesetzt. Exemplarisch sollen folgende Bereiche genannt werden:
Umweltinformationssysteme zur permanenten
Auswertung von Messdaten und direkter Benachrichtigung beim Überschreiten kritischer Grenzwerte
■■ Verkehrsleitsysteme zur optimalen Nutzung von
Verkehrsinfrastrukturen in Abhängigkeit aktueller
Verkehrsströme und Wetterdaten
■■ Logistiksysteme zur kontinuierlichen Lokation von
Gütern und der intelligenten Steuerung
■■ Finanzwirtschaft zur unmittelbaren Erfassung von
Änderungen von Börsenwerten und Währungsschwankungen
■■ Monitoring von Netzinfrastrukturen zur Erkennung
von Anomalien
■■ Überwachung von Gütekriterien in verteilten
Infrastrukturen.
■■
DIPL.-INFORM.
ALEXANDER WAHL
der Fakultät Informatik
Forschungsgebiete:
Gütekriterien für
verteilte Dienste
Tel. 07723 920 2320
[email protected]
Das letztgenannte Szenario wurde in dem Forschungsprojekt QoS/SOA des BMBF ausgearbeitet
und zeigt die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des
Event Processing [3], [5].
Aktuelle Herausforderungen und Forschungsaspekte
Durch den breiten Einsatz des Event Processing
ergeben sich Grenzen bzw. Defizite dieser Technologie, aus denen sich interessante Herausforderungen
für die weitere Forschung ergeben. Beispielsweise
stehen nur in eingeschränkter Form Lösungen für die
folgenden Fragestellungen zur Verfügung:
■■
Wie kann bei einer signifikanten Erhöhung des
Datenvolumens (Stichwort „Big Data“) die Skalierbarkeit gewährleistet werden?
■■ Bedingt durch die temporale Semantik von
EPL-basierten Anfragesprachen ergibt sich eine
besondere Komplexität bei der Verifikation und
■■
105
Kommunikation
Validierung von Event Processing Anwendungen.
Hier stellt sich die Frage, welche Methoden der
Qualitätssicherung und Testautomatisierung
eingesetzt werden können?
■■ Wie sieht ein geeignetes Vorgehensmodell für die
Erstellung von Event Processing Anwendungen aus
und welche „Best Practices“ haben sich bewährt?
In der Arbeitsgruppe Software Engineering der
Fakultät Informatik werden derzeit insbesondere die
ersten beiden Fragestellungen näher untersucht.
Mit „Storm“ (vgl. https://storm.incubator.apache.
org) steht ein hochskalierbares System für das
„Stream Processing“ in Echtzeit zur Verfügung. Im
Gegensatz zum Event Processing verfügt Storm
über keine deklarative Anfragesprache. Die Analyse
der Ereignisströme erfolgt stattdessen durch eine
sogenannte Topologie aus untereinander vernetzten
lesenden und modifizierenden Komponenten. Die
Anwendungslogik muss dabei vollständig in einer
Programmiersprache, wie Java, codiert werden. Dies
hat zur Folge, dass die Umsetzung der geforderten
Fachlogik typischerweise mit höherem Aufwand und
Produktivitätsverlust verbunden ist. Es stellt sich
somit die Frage, wie sich die Stärken von beiden
Technologien – die Skalierbarkeit von Storm sowie
die Nutzung einer deklarativen Anfragesprache beim
Event Processing – kombinieren lassen. Derzeit wird
an der Fakultät der folgende Ansatz verfolgt: Für eine
gegebene Menge von EPL-Anfragen soll automatisiert
eine entsprechende Storm-Topologie abgeleitet
werden, die optimal skaliert.
Bei der agilen Softwareentwicklung werden
funktionale Erweiterungen bzw. Änderungen der
Anwendungslogik jeweils in kurzen Entwicklungszyklen durchgeführt. Hierbei ist es erforderlich, dass
Maßnahmen zur Qualitätssicherung in den jeweiligen
Iterationen berücksichtigt und möglichst automatisiert
durchgeführt werden können. Bewährte Testverfahren des Software Engineerings wurden bislang
jedoch nur in eingeschränkter Weise hinsichtlich der
spezifischen Anforderungen des Event Processing
verfeinert. In einer sogenannten „Mapping Study“ [4]
werden aktuell in der Arbeitsgruppe systematisch die
in der Literatur vorgeschlagenen Ansätze „kartographiert“. Dies umfasst eine Kategorisierung bezüglich
der Testmethodik sowie der praktischen Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Konzepte.
106
Zusammenfassung
Bedingt durch die Vielzahl möglicher Anwendungsgebiete werden weitere Maßnahmen zur Produktivitätssteigerung beim Software Engineering von Event
Processing Anwendungen benötigt. In der gleichen
Weise wie in den letzten Jahren die Plattformen für
das Event Processing (wie etwa Esper, StreamInsight und StreamBase, um nur einige zu nennen)
gereift sind und eine hohe Robustheit aufweisen,
müssen zusätzliche praxistaugliche Konzepte und
Verfahren für die Entwicklung von Event Processing
Anwendungen bereitgestellt werden. Ausgewählte
Themenaspekte, wie die weiter oben beschriebenen,
werden derzeit an der Fakultät Informatik untersucht.
[1] G. Cugola, A. Margara: Processing Flows of
Information: From Data Stream to Complex Event
Processing, ACM Computing Surveys, 44(3):15:1–
15:62, 2012.
[2] O. Etzion, P. Niblett: Event Processing in Action,
Manning, 2010.
[3] B. Hollunder, A. Al-Moayed, A. Wahl: A Tool
Chain for Constructing QoS-aware Web Services.
In: Performance and Dependability in Service
Computing: Concepts, Techniques and Research
Directions, S. 189-211, IGI Global, ISBN 978-160960-794-4, 2011.
[4] K. Petersen, R. Feldt, S. Mujtaba, M. Mattsson:
Systematic Mapping Studies in Software Engineering. In: Proceedings of the 12th International
Conference on Evaluation and Assessment in
Software Engineering (EASE‘08), S. 68-77, 2008.
[5] A. Wahl, A. Al-Moayed, B. Hollunder: An
Architecture to Measure QoS Compliance in
SOA Infrastructures, The Second International
Conference on Advanced Service Computing,
S. 27-33, 2010.
Kommunikation
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107
Kommunikation
Korrektur optischer Abbildungsfehler
im Kontext stereoskoper Videoproduktionen
Prof. Dr. Thomas Schneider, Prof. Nikolaus Hottong
Among the different types of lens aberrations by which many cinematographic camera systems are afflicted,
geometric distortion is particularly ciritical for stereoscopic video production. Lens distortion causes edges
that are perfectly straight in the real scene to appear curved in the image. Different distortion profiles in stereo
camera pairs result in alignment problems and in discrepancies between left and right views. In the course of the
project ADEKKA 1, an algorithm for a highly precise and robust detection of lens correction parameters has been
developed and implemented. A benchmark test against the distortion correction modules of two commercial
software packages indicates a superior correction performance and robustness of the ADEKKA module, which
has the added advantage of requiring a less intricate calibration process.
PROF. DR.
THOMAS SCHNEIDER
Fakultät Digitale Medien
Lehrgebiete: Mathematik und
Physik der digitalen Medien
Forschungsgebiete:
Optische und
digitaloptische Systeme
Tel. 07723 920 2879
[email protected]
Verzeichnung von Aufnahmeund Projektionsoptiken
Objektive für Photo- und Videokameras weisen
ebenso wie Optiken von Lichtbildprojektoren je nach
Bauart und Qualitätskategorie mehr oder weniger
große Abweichungen (Aberrationen) von idealem
Abbildungsverhalten auf. Zu den Aberrationen, die
für stereoskope Videoproduktionen und -projektionen
besonders problematisch sind, zählen Verzeichnungsfehler, d.h. Variationen des Abbildungsmaßstabs über
das Bildfeld. Im Gegensatz zu anderen optischen
Bildfehlerarten kann Verzeichnung nicht durch
„Abblenden“, d.h. durch Verkleinerung des Öffnungsdurchmessers der Objektiv- oder Kamerablende,
verringert werden.
Verzeichnung ist am deutlichsten wahrnehmbar, wenn
Motive aufgenommen werden, die längere gerade
Kanten besitzen. Bei den am häufigsten auftretenden
Verzeichnungsformen erscheinen Kanten zur Bildmitte
hin oder von der Bildmitte weg gekrümmt, man spricht
im ersten Fall von „kissenförmiger“, im zweiten von
„tonnenförmiger“ Verzeichnung, Abb. 1 und 2.
1 Autodetektion und Korrektur von
Kameraobjektivfehlern im Hinblick
auf stereoskope Videoproduktionsverfahren.
108
Während tonnenförmige Verzeichnung typisch für
Weitwinkelobjektive in Retrofokusbauweise ist, zeigen
Teleobjektive oder Zoomobjektive bei langer Brennweiteneinstellung oft kissenförmige Verzeichnung;
dagegen werden wellenförmige Verzeichnungscharakteristiken, die physikalisch durchaus möglich sind,
vgl. [3], im modernen computergestützten OptikDesign nach Möglichkeit vermieden.
Verzeichnung im Kontext der Stereoskopie (S3D)
Verzeichnung in monokularen Stand- oder Bewegtbildern wird je nach Motiv und Ausmaß als mehr oder
weniger große ästhetische Störung des Bildeindrucks
wahrgenommen, dagegen sind bei stereoskopen
Filmproduktionen die Unterschiede im Verzeichnungsverlauf zwischen linkem und rechtem Kanal problematisch. Denn zum einen erschweren diese schon
bei der Aufnahme die Ausrichtung (das Alignment)
der Kameras und zum anderen treten selbst nach
zeitaufwändig erzielter Kompromiss-Ausrichtung noch
sogenannte Teilbildkonflikte auf, welche zu Sehirritationen beim Zuschauer führen können, vgl. [2], [4], [7]. Zur
Abb. 1: Bilder von Schachbrettmustermotiven mit tonnenförmiger Verzeichnung (links) bzw. kissenförmiger Verzeichnung (rechts).
Kommunikation
PROF. NIKOLAUS HOTTONG
Abb. 2: Dieses Bild mit einer Teilansicht des I-Gebäudes am Standort
Furtwangen zeigt deutliche tonnenförmige Verzeichnung.
Abb. 3: Bilder eines Gittermotivs bei unterschiedlichen Verzeichnungscharakteristiken im Rechts- bzw. Linkskanal (zur Verdeutlichung farblich
unterschieden).
Verdeutlichung ist in Abb. 3 eine in der Praxis typische
Situation dargestellt. Die zugrundeliegenden Verzeichnungsparameter wurden an einem Paar von Kameraobjektiven gemessen, die kissenförmige Verzeichnung mit
voneinander verschiedenen Zentren aufweisen.
die grundsätzlich auftreten und beim Zuschauer
Sehbeschwerden auslösen können: In der linken
oberen Ecke zeigt sich ein deutlicher Unterschied der
Bildinhalte, rechts ist beispielhaft der Vertikalversatz
zweier Kanten hervorgehoben (vertikale Disparität)
und im Zentralbereich wird die innerste Gitterzelle in
unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben dargestellt.
Letzteres ergibt für den Betrachter lokal einen Effekt,
wie er in der Ophtalmologie unter dem Stichwort
Aniseikonie bekannt ist.
Die menschliche Stereopsis ist bei gesundem Visus
äußerst präzise ausgeprägt (hyperacuity) und
entsprechend leicht irritierbar, vgl. [2]. Abb. 4 zeigt
schematisch die Arten von Stereo-Teilbildkonflikten,
Lehrgebiete: Medientechnologien, A/V-Produktion,
Netzwerktechnologien
Forschungsgebiete: S3DProduktion, Virtual Sets,
Postmediale Produktions
wirklichkeiten
Tel. 07723 920 2519
[email protected]
Abb. 4: Schematische Darstellung der Auswirkungen verzeichnungsinduzierter Stereo-Teilbildkonflikte auf die menschliche Wahrnehmung.
109
Kommunikation
Erfassung und digitale Korrektur
optischer Abbildungsfehler
Die durch die Abbildungskette vom Motiv über das
Objektiv und den Sensor bis hin zum Speichermedium erzielten Bildergebnisse können grundsätzlich
an verschiedenen Schnittstellen verändert werden.
So können kamerainterne Prozessschritte heute
z.B. durch die Nachbearbeitung mit Bildbearbeitungswerkzeugen ergänzt werden. In Tabelle 1 sind
verschiedene Ansätze zur Erfassung und Korrektur
von Verzeichnung zusammengestellt.
Auf dem Markt findet sich eine Vielzahl von
Softwarepaketen, die Verzeichnungskorrektur
ermöglichen, entweder durch direkte Benutzereingaben nach individueller Inspektion von
Bildern oder auf Grundlage von Profilen, die von
Objektivherstellern geliefert oder von der Benutzern
erstellt und eingelesen werden können. Aufgrund
von Fertigungstoleranzen und wegen der variablen
Bedingungen im Einsatz können die Eigenschaften
von Objektiven im Einzelfall von Herstellerangaben
mitunter deutlich abweichen. Insofern erscheint mit
Blick auf die Anforderungen bei S3D-Anwendungen
die Erfassung der Verzeichnungsparameter der
jeweils vorliegenden Objektivexemplare angezeigt.
Andererseits erfordert der Einsatz in der Praxis eine
möglichst einfache Handhabung.
Im Projekt ADEKKA wurde daher ein Algorithmus
zur präzisen und robusten bildbasierten Erfassung
von radialer Verzeichnung, vgl. [5], anhand einfacher
orthofrontaler Aufnahmen von Schachbrett-Testbildern entwickelt, vgl. Abb. 1 sowie [6]. Zur Detektion
und subpixelgenauen Lokalisierung der Eckpunkte
Methoden zur Erfassung von Verzeichnung
Korrekturverfahren
Subjektive oder softwaregestützte
Sichtprüfung und Bildanalyse
Manuell
Erstellung von
Korrekturprofilen
auf der Basis von
Herstellerdaten.
nach individueller
Vermessung der jeweils
vorliegenden Objektive
Mit kamerainterner
Hard- / Software.
Bildbasierte Erfassung von Verzeichnung
anhand von Testbildern unter kontrollierten
Bedingungen.
Tabelle 1: Ansätze zur Erfassung und digitalen Korrektur von Verzeichnung.
110
Individuelle oder
automatisierte
Bildkorrektur.
dient eine von Chen und Zhang in [1] vorgestellte
Methode. Den Kern des Algorithmus stellt die
iterative Bestimmung eines Verzeichnungszentrums
V und eines Polynoms P mit den folgenden Eigenschaften dar:
(1) P beschreibt als Ausgleichspolynom die Ist-Abstände der
im Bild vorhandenen Eckpunkte zum Verzeichnungszentrum
V als Funktion der Soll-Abstände, die sich aus der Fortsetzung der zentralen Elementarzelle um V zu einem Soll-Gitter
ergeben.
(2) Unter allen Kombinationen mit der Eigenschaft (1) ergibt
die (V, P) durchgeführte Inverse-Warping-Transformation
(vgl. [8]) ein Bild mit minimaler Differenz D zwischen längster
und kürzester Viereckskante.
Ergebnisse der Prüf- und Messreihen
Zur Prüfung der Zuverlässigkeit und Präzision des
Algorithmus erfolgten Tests anhand von Serien
synthetisch erzeugter Schachbrettbilder, die
durch einen Pseudozufallsgenerator mit additivem
Gauß-Rauschen versehen wurden. Variationen
des Schwarz-Weiß-Kontrasthubs, der Verzeichnungscharakteristik und des Rauschniveaus (mit
Sigma-Werten zwischen 0 und 0,4) sorgten für eine
Abdeckung der relevanten Merkmalmannigfaltigkeit,
die deutlich über die in der Praxis vorkommenden
Werte hinausgeht.
Um eine robuste und präzise Grundlage für die
Erfassung der Verzeichnungsparameter sicherzustellen, wurde zunächst das nach Chen und Zhang
implementierte Detektionsmodul separat geprüft. Die
Testergebnisse zeigt Tabelle 2 in kondensierter Form.
Eckpunktdetektion
und -lokalisierung
Trefferquote
bei Detektion
Lokalisierungsfehler
Werte bei günstigen
Bedingungen (geringes Rauschniveau,
großer Kontrasthub):
100%
0,05 Pixellängen
Typische Werte
(Gaußrauschen
mit Sigma-Werten
bis 0,15, mittlerer
Kontrasthub):
100%
im Subpixelbereich
Tabelle 2: Qualität der Eckpunktdetektion und -lokalisierung in synthetisch erzeugten Schachbrettbildern.
Kommunikation
Die Bewertung der Korrekturleistung des Algorithmus insgesamt erfolgt anhand der Differenz D
zwischen größter und kleinster im Bild vorkommenden
Schachfeldkantenlänge. Je kleiner der Wert von
D ist, desto kleiner ist (unter der Voraussetzung
orthofrontaler Ausrichtung der Kamera zum Testbild)
die geometrische Verzerrung bzw. der nach Korrektur
verbleibende Restfehler. Als Maß für die Robustheit
gegenüber Bildrauschen wird die Streuung der
Lokalisierung des Verzeichnungszentrums verwendet.
In Tabelle 3 sind die Ergebnisse der mit synthetisch
erzeugten Bildern durchgeführten Testreihen zusammengefasst.
In einer weiteren Testreihe wurde der ADEKKAAlgorithmus mit dem Verzeichnungskorrekturmodul
eines kommerziellen Produktes („Produkt 1“) vergli
chen. Hierbei war der Restfehler nach Korrektur mit
unserem Algorithmus jeweils um den Faktor 5 bis 10
geringer als bei Produkt 1, das sich zudem als deutlich
weniger robust gegenüber Bildrauschen erwies.
Schließlich erfolgt ein Vergleich mit den Korrekturmodulen zweier Softwarepakete anhand von Realbildern,
dessen Ergebnisse in Tabelle 4 dokumentiert sind.
Über die Performanzunterschiede hinaus ist festzustellen, dass die Verwendung von Produkt 2 die
Aufnahme und Auswertung einer größeren Anzahl
von Kalibrierbildern erfordert.
Empirische Tests mit einer repräsentativen Stichprobe
von 27 Teilnehmern unter praxisnahen Sehbedingungen haben die hohe Empfindlichkeit der Probanden für verzeichnungsbedingte Teilbildkonflikte im
Stereofilm bestätigt, sofern die Bildmotive entsprechende geometrische Strukturen aufweisen [7]. Die
Ergebnisse der Studie zeigen jedoch auch, dass die
nach Korrektur mit dem ADEKKA-Algorithmus verbleibenden Restfehler unterhalb der Wahrnehmungsschwelle sind. Für S3D-Anwendungen ist die mit dem
Algorithmus zu erzielende Korrekturgüte somit mehr
als ausreichend.
Förderung
Das Projekt ADEKKA wurde durch das Landesprogramm „Innovative Projekte“ von 2011 bis 2013
gefördert.
Qualität der
Verzeichnungskorrektur
Werte von D nach Korrektur
Streuung der Lokalisierung
des Verzeichnungszentrums
Typische Werte
unter 1 Pixellänge
unter 6 Pixellängen
Werte bei günstigen
Bedingungen
unter 0,5 Pixellänge
unter 4 Pixellängen
Tabelle 3: Performanz des ADEKKA-Algorithmus bei synthetisch verzeichneten Bildern.
Bildkategorie
Unkorrigiert
Produkt 1
Produkt 2
ADEKKA
1
Optimal belichtet
10 Px
11 Px
4 Px
2 Px
2
Unterbelichtet
10 Px
Kein Ergebnis
4 Px
2 Px
3
Verrauscht
10 Px
4 Px
4 Px
2 Px
Tabelle 4: Performanz des ADEKKA-Algorithmus bei Analyse und Korrektur von Realbildern im Vergleich
mit Korrekturmodulen zweier kommerzieller Softwarepakete. Angegeben ist jeweils die gerundete Differenz
zwischen der größten und der kleinsten im Bild gemessenen Viereckskantenlänge in Pixeleinheiten (Px).
Literatur
[1] D. Chen, G. Zhang: A New Sub-Pixel Detector
for X-Corners in Camera Calibration Targets,
International Conferences in Central Europe on
Computer Graphics,Visualization and Computer
Vision, Plzen, Czech Republic, 2005.
[2] R.T. Held, M. Banks: Misperceptions in Stereoscopic Displays: A Vision Science Perspective,
5th Symposium on Applied Perception in Graphics and Visualization, Los Angeles, California,
USA, 2008.
[3] B. Hönlinger, H.H. Nasse: Verzeichnung, Carl
Zeiss AG, Camera Lens News, 2009.
[4] B. Mendiburu: 3D Movie Making: Stereoscopic
Digital Cinema from Script to Screen, Amsterdam,
Elsevier Science, Technology; Focal Press, 2009.
[5] C. Ricolfe-Viala and A.-J. Sanchez-Salmeron:
Lens distortion models evaluation, Applied
Optics, Vol. 49, No. 30, 2010.
[6] T. Schneider, S. Piontek, P. Hafen, N. Hottong:
Robust Autodetection of Camera Lens Distortion
Parameters, Tagungsband 3rd IEEE International
Conference on Consumer Electronics, Berlin,
2013.
[7] T. Sipahi: Empirische Untersuchung zur Auswirkung von Objektivverzeichnungen in S3D-Produktionen, Master-Thesis, HS Furtwangen, Fakultät
Digitale Medien, 2014.
[8] G. Wolberg: Digital Image Warping, IEEE Computer Society Press, 1990.
111
Kommunikation
Der Weg zu glasfaserbasierter
Breitbandinfrastruktur in Baden-Württemberg
PROF. DR. JÜRGEN ANDERS
Stiftungsprofessur
„Digitale Infrastrukturen
im Ländlichen Raum“
Arbeitsgebiete: Breitband
technologien, Strategische
Netzplanung, Beratung
öffentlicher Institutionen
Tel. 07723 920 2926
juergen.anders@
hs-furtwangen.de
On August 20th, 2014, the „Digital Agenda“ has been published by the German Government [1]. An area-wide
coverage of broadband internet access with at least 50 Mbit/s until 2018 is, among others, the main objective of
the agenda.
Since then, all political institutions from federal states, districts as far as individual townships are engaged
in the implementation. In particular in rural areas with a low density of population, developing a broadbandinfrastructure is a challenge. As the return on investment takes a long time, for private industry an engagement
usually is economically unviable [2].
Furtwangen University participated in the joint research project “fibernet.rnk” with the aim to shape a feasible
strategy in order to develop a future proof broadband infrastructure based on optical fiber technology. Using
the example of the Rhein-Neckar-Kreis, a three-step development process has been outlined for a Fiber to
the Buildung, FTTB architecture. Besides technical issues, also economic, financial, judicial, and regulatory
aspects have been considered.
Die Breitbandversorgung in Deutschland wird
aktuell auf allen politischen Ebenen diskutiert.
Die Bundesregierung hat am 20. August 2014 in
der Digitalen Agenda die Ziele auf Bundesebene
formuliert [1]. Unter anderem wird darin angekündigt, dass bis zum Jahr 2018 eine flächen
deckende Breitbandversorgung mit 50 Mbit/s zur
Verfügung stehen sollen. Die Landesregierungen,
Regionalverbände, Kreis- und Stadtverwaltungen
bis hin zu zahlreichen Dorfgemeinden im ländlichen Raum gehen nun der Frage nach, wie die
Ziele erreicht und die Breitbandversorgung in der
Zukunft gesichert werden können.
Der kreisweite Netzausbau – Interkommunaler
Verbund für flächendeckende Versorgung
Die Hochschule Furtwangen wurde im Rahmen
des Modellprojektes „fibernet.rnk“ des Landes
Baden-Württemberg mit der Ausarbeitung einer
landesweiten Strategie für den zukünftigen
Ausbau der Breitbandinfrastruktur beauftragt.
Am Beispiel des Rhein-Neckar-Kreises konnte
ein 3 Stufenplan entwickelt werden, über den die
Glasfaser als Zugangstechnologie der nächsten
Generation flächendeckend ausgebaut werden
wird. Die Umsetzung der Strategie wurde im April
2014 von dem Kreistag beschlossen. Circa zwei
Drittel der Landkreise in Baden-Württemberg
haben sich inzwischen dieser Vorgehensweise
angeschlossen.
Es hat sich schnell gezeigt, dass die einzelne
Kommune bei dieser komplexen Aufgabe im
Allgemeinen nicht alleine ans Ziel kommen kann.
Bereits 2009 haben sich aus diesem Grund im
Bereich Ravensburg Kommunen im Rahmen einer
interkommunalen Zusammenarbeit zusammengeschlossen um die Aufgabe gemeinsam zu bewältigen.
Baden-Württemberg hat mit dieser neuen Initiative zum glasfaserbasierten Netzausbau Modellcharakter und nimmt bundesweit eine führende
Position ein.
112
Als Folge der Liberalisierung des Telekommunikationsmarktes werden Investitionen in den Netzausbau vor allem in Gebieten mit hoher Besiedlungsdichte und großer Kundenbasis getätigt. Im
ländlichen Raum jedoch sind die Netzbetreiber aus
wirtschaftlichen Gründen oftmals nicht bereit, den
Ausbau der Breitband-Infrastruktur über eigene
Investitionsmittel vorzunehmen [2]. Hier war es in
der Vergangenheit die Sache der Kommunen, das
Versorgungsproblem in der Gemeinde zu lösen.
Aufgrund der Vorteile des interkommunalen Verbundes hat das Land Baden-Württemberg im Jahr
2013 das Modellprojekt „fibernet.rnk“ gestartet
mit dem Ziel, einen kreisweiten Netzausbau
strategisch und planerisch mit allen technischen,
rechtlichen und finanziellen Aspekten am Beispiel
des Rhein-Neckar-Kreises zu untersuchen. Es
sollte eine allgemein anwendbare Ausbaustrategie
entwickelt und deren wirtschaftliche und rechtliche Rahmenbedingungen untersucht werden.
Kommunikation
Die Ausbaustrategie musste dabei einerseits die
akuten Versorgungsengpässe berücksichtigen und
kurzfristige Lösungen bereitstellen. Andererseits
erfordert eine flächendeckende Versorgung aller
Haushalte mit Glasfaser (Fiber to the Building,
FTTB) eine langfristige Strategie, die sich über die
nächsten 15-20 Jahre erstreckt.
Als Modellprojekt dient das Ergebnis anderen
Landkreisen als Vorlage, um in ähnlicher Weise
vorzugehen. Zielsetzung ist, in Baden-Württemberg eine landesweit homogene Netz- und
Verwaltungsstruktur zu schaffen.
Ausbaustrategie und Verantwortlichkeiten –
Backbone und innerörtlicher Ausbau
Der Netzausbau erfolgt auf drei Netzebenen: Zum
einen der Anbindung der Gemeinde über den
sogenannten „Backbone“, der kreisweit für alle
Kommunen zur Verfügung gestellt wird. Zum anderen dem innerörtlichen Ausbau, der innerhalb der
Gemarkung wiederum in zwei weitere Netzebenen
unterteilt ist: dem Zugang einzelner Ortsteile
innerhalb der Gemarkung sowie der Realisierung
der Hausanschlüsse innerhalb der Ortsteile.
Abbildung 1 zeigt schematisch die vorgeschlagene
Netzstruktur.
Der Backbone wird von dem Landkreis realisiert
und im Rahmen des Zweckverbands den Gemeinden zur Nutzung zur Verfügung gestellt. Die einzelne Gemeinde erhält zwei Übergabepunkte, von
denen aus der innerörtliche Ausbau vorgenommen
werden kann. Je nach Struktur der Gemeinde
und deren innerörtlichen Ausbaugebiete können
mehrere Zugangspunkte realisiert werden. Die
eigentlichen Zugangsnetze, die zu den Hausanschlüssen führen, werden an die Übergabe- und
Zugangspunkte herangeführt. Der Landkreis plant,
realisiert und verwaltet diese Netzebene ohne das
Zutun der einzelnen Gemeinde.
Im Gegensatz dazu wird der innerörtliche Ausbau
hinter den Übergabe- und Zugangspunkten von
jeder Gemeinde individuell geplant und realisiert.
Da sich jede Kommune in Bezug auf die Versorgungslage, den Bedarf und die finanzielle Ausstattung unterscheidet, kann für den innerörtlichen
Abbildung 1: Netzebenen des Ausbaus.
113
Kommunikation
Ausbau keine allgemein gültige Vorgabe gemacht
werden.
Schrittweise zum Hochleistungsnetz –
bedarfsgerecht und in 3 Stufen
Aus diesem Grunde wurde eine Organisationsform
der „geteilten Verantwortung“ zwischen dem Landkreis und den Kommunen erarbeitet: während der
Landkreis in alleiniger Verantwortung die Zuführung
bereitstellt, obliegt es alleine den Entscheidungsgremien der einzelnen Gemeinde zu welchem
Zeitpunkt und mit welchem Umfang die innerörtlichen
Ausbaumaßnahmen vorgenommen werden sollen.
Hat jedoch der Stadt- oder Gemeinderat einen
innerörtlichen Ausbau beschlossen, so übernimmt
wiederum der Landkreis über den Zweckverband die
Umsetzung der Ausbaumaßnahmen.
Bei dem innerörtlichen Ausbau wird die Gemarkung
in verschiedene Ausbaugebiete unterteilt, die sich
wiederum nach aktuellem Versorgungsgrad und
Bedarf unterscheiden. Tendenziell werden gering versorgte Gebiete mit hohen Bedarfsmeldungen vorzeitig
ausgebaut. Es hat sich in dem Projekt gezeigt, dass
dies vor allem die Gewerbegebiete sowie Gegenden
ohne Anbindung an das Breitband-Koaxialkabel-Netz
betrifft. Dementsprechend werden diese Ausbaugebiete in die erste Stufe aufgenommen.
Mit diesem Ansatz bleibt das Prinzip der kommunalen
Selbstverwaltung erhalten, ohne dass die Gemeinden
jedoch mit der komplexen Aufgabe der Umsetzung
des Breitbandausbaus belastet werden. Der kreisweite Zweckverband dient als Kompetenzzentrum, in
dem alle für die Umsetzung notwendigen Aktivitäten
gebündelt vorgenommen werden können. Durch
diese Aufstellung kann eine erheblichen Senkung der
Verwaltungskosten und eine Beschleunigung bei der
Umsetzung für alle Gemeinden erreicht werden.
Abbildung 2: Ausbaugebiete innerhalb der Gemeinde Muster.
114
Abbildung 2 zeigt als Beispiel die Festlegung der
Ausbaugebiete innerhalb der Gemarkung beispielhaft an der Gemeinde „Muster“. Wie häufig der Fall,
so ist auch hier die Versorgungslage im Stadtzentrum (violette und grüne Färbung) vergleichsweise
gut.
Jedoch bereits das angrenzende Gewerbegebiet
(türkis) weist eine Versorgungslage auf, die dem
Bedarf der dort ansässigen Unternehmen nicht mehr
gerecht wird. Um die Attraktivität der Gemeinde
als Wirtschaftsstandort jedoch zu erhalten, muss
Kommunikation
eine Unterversorgung in dem gewerblichen Bereich
schnellstmöglich behoben werden. Aus diesem Grund
wird das Gewerbegebiet in dem Masterplan innerhalb
von 1-3 Jahren mit einer Glasfaser zu jedem Gewerbebetrieb ausgebaut.
Ähnlich stellt sich die Situation häufig in abgelegenen
Ortsteilen dar. In dem Plan der Gemeinde Muster
erscheint dies im südwestlichen Bereich (blaue
Färbung). Aufgrund gravierender Unterversorgung
soll auch dieses Gebiet innerhalb von 1-3 Jahren ausgebaut werden. Da es sich um ein reines Wohngebiet
handelt, wird im ersten Schritt die Glasfaser nicht
bis an jedes Haus geführt, sondern an den zentralen
Punkten mit aktiven Verstärker-Knoten terminiert
(Digital Subscriber Line Multiplexer, DSLAM). Der
Hausanschluss erfolgt in diesem Falle weiterhin über
das vorhandene Kupferkabel.
Gebiete, die heute vergleichsweise gut versorgt sind
(im Beispiel der Gemeinde Muster das Stadtgebiet),
kann der Ausbau zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen. Je nach Versorgungsgrad erfolgt dies innerhalb
der kommenden 4-9 oder auch 10-15 Jahre. In diesen
beiden Zeitfenstern wird jedoch grundsätzlich die
Glasfaser als Hausanschluss favorisiert.
Fazit
Mit dem Modellprojekt „fibernet.rnk“ konnte am
Beispiel des Rhein-Neckar-Kreises eine kreisweite
Ausbaustrategie formuliert werden. Durch Berücksichtigung aller Aspekte des Ausbaus bis hin zu einer
flächendeckenden Versorgung der Gebäude mit
Glasfaseranschlüssen konnte gezeigt werden, dass
sich die Ausbaustrategie sowohl nach technischen
als auch nach wirtschaftlichen und rechtlichen
Gesichtspunkten darstellen lässt. Mittels langfristiger
Finanzierungsbedingen im Bereich der Kommunalwirtschaft können die notwendigen Investitionen
bereitgestellt werden.
Als Ergebnis des Forschungsprojektes wird ein Weg
aufgezeigt, Investitionen in eine nachhaltige und für
die kommenden Jahrzehnte geeignete BreitbandInfrastruktur zu tätigen, die auf der zukunftssicheren
Glasfasertechnologie beruht.
Literatur
[1] Digitale Agenda der Bundesregierung, BMWi,
BMVI, BMI, 20. August 2014.
[2] Thomas Plueckebaum, WIK Consult, Studie
„Implikationen eines flächendeckenden
Glasfaserausbaus und sein Subventionsbedarf“,
Februar 2012.
115
Kommunikation
Kulturtechnik Wischen –
Eine Medientheorie neuer mobiler Nutzungsgesten
Prof. Dr. phil. Oliver Ruf
The paper asks for the preconditions and the consequences of the emergence of new media gestures in
environments of mobile communication. From a theoretical perspective the question is not just what these
gestures (here: sliding and wiping on the touch-screen of a smartphone or a tablet PC) are applicable to conduct
understood as the result of new media action. Rather, it is also a question of the nature of new media devices.
By engaging the question of this media theory, it is possible to sketch this observation in a few brisk moves by
describing the immense practical and aesthetic potential of a media phenomenology that is placed between
technique and design.
PROF. DR. PHIL. OLIVER RUF
Professor an der Fakultät
Digitale Medien der HFU
Lehr- u. Forschungsgebiete:
Medienästhetik, Gestaltungstheorie, Kulturwissenschaften
Tel. 07723 920 2523
[email protected]
Einen zentralen Neuigkeitswert mobiler digitaler
Medien stellt ein kulturtechnisches Modell dar, das
sich aus deren Benutzbarkeit erschließt: Man ist
hierzu darauf angewiesen, den eigenen Finger auf
die Bildschirmoberfläche etwa eines Smartphones
zu legen bzw. auf einen dort virtuell simulierten
Schalter zu setzen und diesen gestisch von links nach
rechts zu ziehen oder besser formuliert: darauf hin
und her zu wischen (Bild 1). So funktionieren seither
alle hierfür eigens programmierten Applikationen
auf nachfolgenden bzw. ähnlichen technischen
Medien; das Wischen per Fingerbewegung verändert
von Grund auf den digitalen Mediengebrauch. Die
Reflexion auf das Wesen des Wischens als Mediengeste und als gleichermaßen neue Kulturtechnik steht
dabei in engstem Kontakt mit anwendungsorientierten
Funktionen auf dem Gebiet von mobiler Telefon- und
Computertechnik; in diesen Bereichen kann das
Wischen neue Möglichkeiten der Kommunikation
erweisen, die für die vorausgesetzten Mediengeräte
praktisch innoviert werden können, die zugleich aber
auch eine theoretische Beforschung verlangen, wie
sie der vorliegende Beitrag skizziert.
Methoden
Bild 1: Berührungsempfindliche Bildschirme verlangen neue Benutzergesten,
die als neue Kulturtechniken zu erforschen sind.
116
Forschungsgeleitete Schritte werden dazu durch
den Versuch realisiert, die medien- und gestaltungsästhetischen Implikationen einer Kulturtechnik mit
dem Namen Wischen sowohl zu formulieren als auch
analytisch in einen größeren sozialen Rahmen zu
stellen. Anspruch und Ziel einer solchen kulturwissenschaftlich geleiteten Forschungsinitiation ist einerseits ein begriffliches Anliegen, was sich methodisch
in einer etymologischen Rückbesinnung artikuliert.
Andererseits konstituiert sich diese Forschung in dem
Bestreben, überhaupt eine neue Theorie respektive
Philosophie medienwissenschaftlicher Provenienz
zu formulieren. Gemäß dem älteren Diktum, dass es
„falsch“ ist, „Mediengeräte als bloße Konsumptionsmittel zu betrachten“, da sie „im Prinzip immer
zugleich Produktionsmittel“ sind [1], lokalisiert diese
Theorie Wischen in einem entsprechend medialen
Kontext im Feld produktiver Medien(be)nutzung.
Es lässt sich festhalten, dass mit der Einführung
von Medienmaschinen, die auf Berührungen ihrer
Bildschirmoberflächen sensorisch reagieren, die
Verwendung des Wischens zum Namen zuvor nicht
in dieser Form existierender Gestensteuerungen
avanciert.
Kommunikation
Ergebnisse
Auf diese Weise kann die Beforschung des Wischens
als Medientechnologieästhetik angegeben werden,
etwa wenn sich zeigt, dass der noch junge, medientechnologisch geprägte Verwendungskontext des
Wischens in unmittelbarer Verbindung mit dessen
Etymologie steht. Wie das Wischen beispielsweise
spätestens seit dem Mittelalter sprachhistorisch
auftritt um alltägliche Handlungen zu benennen, wird
gegenwärtig unter Wischen die Übertragung dieser
Handlungen aus dem Alltag in das digitale System
verstanden. Aufgrund von Erfahrungswissen bzw.
durch die Aktivierung von bestehenden Wissensstrukturen und der Anwendung von Vorwissen aus der
realen, alltäglichen Umwelt soll dessen Nutzern die
Bedienung besonders leicht fallen, indem Parallelen
zu den virtuellen Objekten gezogen und Handlungsweisen übertragen werden. Hinter all diesen Implikationen gestischer Handhabungen steht im Resultat
der Begriffszusammenhang des Wischens, der die
betroffenen Mediengeräte qua haptischer Bedienbarkeit, ihres Wahrnehmungsgehalts – und trotz
ihres technologischen Charakters – in die Nähe des
Natürlichen rückt. Daher erscheint das Wischen als
die „allgemeine Schnittstelle zwischen Gleichungssystemen und Sinneswahrnehmung, um nicht Natur
zu sagen.“ [2] Um diese Theorie-Betrachtung des
Wischens fruchtbar zu machen, ist insbesondere eine
Phänomenologie der Geste notwendig [3]. Diese kann
idealiter dazu anleiten, die so erfolgende Erforschung
des Wischens mit einer weiteren wichtigen, basalen
Kulturtechnik zu konfrontieren: mit derjenigen des
Schreibens [4].
Fazit/Ausblick
können, sondern dass auch die Maschine möglicherweise – beinah – unabhängig schreiben könnte. Eine
Medientheorie des Wischens und mit ihr auch eine
Medienästhetik des Körpers bzw. genauer: der Hand
[5] deuten die Richtung an, in der eine derart fokussierte und an sie Anschluss suchende Forschung
verlaufen müsste. Diese ist darauf angewiesen, dass
unterschiedliche Wissenschaften miteinander in Dialog treten: Die designwissenschaftlich geschulte und
digital ambitionierte Medienarchäologie hat hierzu
die Aufgabe, Technikfolgen aus Sicht der Gestaltung
kritisch abzuschätzen; der ingenieurwissenschaftlich
geprägten Medieninformatik fällt die Aufgabe zu, flexibel reagierende Programmiersprachen zu entwickeln,
die der Maschine am Ende solche Impulse geben
können, die aus einer Wisch-Bewegung einen –
womöglich autonom – geschriebenen Text machen.
Literatur
[1] Enzensberger, Hans Magnus: Baukasten zu einer
Theorie der Medien. In: Kursbuch 20 (1970),
S. 159-186, hier S. 167.
[2] Kittler, Friedrich A.: Optische Medien. Berliner
Vorlesung 1999. 2., durchges. u. erw. Ausg. Berlin
2011, S. 297.
[3] Flusser, Vilém: Gesten. Versuch einer Phänomenologie. Düsseldorf/Bensheim 1991.
[4] Ruf, Oliver: Wischen und Schreiben. Von Mediengesten zum digitalen Text. Berlin 2014.
[5] Ruf, Oliver: Die Hand. Eine Medienästhetik. Wien
2014.
[6] Kittler, Friedrich A.: Es gibt keine Software.
In: Ders.: Die Wahrheit der technischen Welt.
Essays zur Genealogie der Gegenwart. Hrsg. v.
Hans Ulrich Gumbrecht. Berlin 2013, S. 285-299,
hier S. 288.
Wie Schreiben und Programmieren eine Wesensverwandtschaft eingehen und wie dann „[m]oderne
Medientechnologien [...] grundsätzlich darauf angelegt“ sind, „die Sinneswahrnehmungen zu unterlaufen“, so ist zu folgern, dass „schlichtweg nicht mehr
zu wissen“ ist, „was unser Schreiben tut, und beim
Programmieren am Allerwenigsten.“ [6]
Aus dieser These ist die Idee abzuleiten, dass
nicht nur Schreibprodukte durch Softwarecodes
programmierter Maschinen hervorgebracht werden
117
Kommunikation
Werbung im Maschinenbau heute und morgen
Prof. Jörg Jacobi M.A., B.Sc. Tatjana Kautz
Advertising is becoming increasingly digital. But does that also apply to the mechanical engineering sector in
Baden-Württemberg with products that call for detailed explanation, or does the industry continue to trust in
traditional advertising media such as advertisements in trade journals? This study seeks to identify possible
trends and maps out the current “advertising behaviour” of this branch of industry, which is dominated by small
and medium-sized companies.
Wie wirbt der Werkzeug- und Maschinenbau in
Baden-Württemberg heute und morgen? Werbeziele
im B2B-Bereich sind in der Regel die Steigerung von
Bekanntheitsgrad und Image, die Produktinformation und
natürlich der Verkauf. Anders als im B2C-Bereich sind die
Zielgruppen im B2B-Bereich in der Regel aber wesentlich
spezieller und kleiner. Das wirkt sich auf die Auswahl
der Werbeträger und Werbemittel aus. Unangefochtene
Nummer 1 war so in der Vergangenheit Werbung in
Fachzeitschriften. Experten gehen im B2B-Bereich
jedoch von einem Trend hin zu digitalen Werbeformaten
aus – weg von Printwerbung.
PROF. JÖRG JACOBI M.A.
Fakultät Wirtschafts
ingenieurwesen
Lehrgebiete: Unternehmenskommunikation und PR,
Werbung und Mediaplanung,
Messewesen
Tel. 07723 920 2187
[email protected]
Stand der Forschung
Eine Studie des Verband Deutscher Fachpresse aus
dem Jahr 2013 (WerbeTrend 2013) geht im B2B-Bereich
von einem Trend hin zu digitalen Werbeformaten aus.
Ausgenommen wird allerdings der Bereich Social Media.
Die Nutzung für Werbezwecke würde nur schleppend
zunehmen. Printwerbung sei eher rückläufig. Die Studie
Welche der folgenden Werbemittel hat Ihr Unternehmen in den letzten 6 Monaten genutzt,
um für Produkte/das Unternehmen zu werben? (Mehrfachauswahl möglich)
sagt weiter aus, dass die Webseite als wichtigstes
Informations- und Kommunikationsmedium angesehen
wird. Gefolgt von Veröffentlichungen (PR und Werbung)
in Fachzeitschriften.
Eine Entscheideranalyse desselben Verbandes aus dem
Jahr 2013/14 sagt, dass die Fachzeitschrift weiterhin das
Medium Nr. 1 ist, wenn es um die Informationsbeschaffung geht. Das auch, weil die Fachzeitschrift nach wie
vor als besonders glaubwürdig, objektiv und seriös gilt.
Die Internetseite eines Unternehmens – an zweiter Stelle
– dient häufig der vertiefenden Information – nicht selten
angestoßen durch die Lektüre eben einer Fachzeitschrift.
Nicht minder bedeutsam scheint dieser Studie zufolge
zudem der persönliche Kontakt bzw. das Gespräch.
Studienergebnisse der Konradin Mediengruppe aus dem
vergangenen Jahr stützen diese Einschätzung. Auch sie
zeigen, dass die Fachzeitschrift im B2B-Bereich der zentrale Werbeträger und das Informationsmedium Nr. 1 für
Entscheider ist. Mehr noch: die gedruckte Fachzeitschrift
hat gegenüber den „Online-Brüdern und -Schwestern“
noch deutlich die Nase vorn. Vernachlässigt werden
auch dieser Studien zufolge die sozialen Medien.
Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:
19%
16%
■■ Die Fachzeitschrift als Printausgabe ist im B2B-Bereich
14%
12%
8%
5%
2%
das Medium Nr. 1.
9%
5%
2%
7%
■■ Die Fachzeitschrift als Onlineausgabe gewinnt an
Bedeutung.
Abb. 1: Werbemaßnahmen der Unternehmen in den vergangenen 6 Monaten.
118
Sonstige (Bitte angeben)
AdWords
Soziale Medien
(z. B. Facebook oder YouTube)
Eigener
Unternehmensnewsletter
Banner (oder ähnliches)
bwz. sonstige Einbindungen
in fremden Newslettern
Banner (oder ähnliches)
auf Webseiten
Plakate
Prospekte (online)
Prospekte (print)
Anzeigen in
Fachzeitschriften (online)
Anzeigen in
Fachzeitschriften (print)
■■ Internetseiten von Unternehmen dienen der vertieften
Information.
■■ Soziale Medien spielen im B2B-Bereich eine eher
untergeordnete Rolle.
Methode
Die Studie an der Fakultät Wirtschaftsingenieurwesen (WING) der Hochschule Furtwangen wurde im
Kommunikation
Sommersemester 2014 im Rahmen einer BachelorThesis durchgeführt. Befragt wurden 350 Maschinenbauunternehmen mit 10 bis 500 Mitarbeiterinnen und
Mitarbeitern (Mittelstand) und eigener Homepage in
Baden-Württemberg. Die Befragung wurde online
durchgeführt; die Rücklaufquote betrug 15 Prozent (53
Unternehmen, bereinigt: 51).
Werbung auf Webseiten von Fachzeitschriften
45 % der befragten Unternehmensvertreter gibt an,
dass sie auf Webseiten von Fachzeitschriften werben
und z. B. Videos einbinden, Banner schalten oder ein
Firmenprofil hinterlegen. 29 % sagen, dass sie nur in
Fachzeitschriften werben, und 26 % geben an, dass
sie weder in Fachzeitschriften noch auf Webseiten
von Fachzeitschriften werben (Abb. 4).
Ergebnisse
Dazu passt, dass die Befragten Prospekte (print und
online) sowie mit etwas Abstand Anzeigen in Fachzeitschriften als am wichtigsten für den Erfolg ihres
Unternehmens ansehen (Abb. 2).
Wenn Unternehmen Webseiten von Fachzeitschriften
für ihre Marketingkommunikation nutzen, stehen
die Einbindung eines Firmenprofils (27 %) oder eines
Unternehmenslogos (27 %) an erster Stelle. 12 %
geben an, dass sie Banner oder Ähnliches schalten.
B.SC. TATJANA KAUTZ
Fakultät
Wirtschaftsingenieurwesen
[email protected]
Wie wichtig schätzen Sie die Werbemaßnahmen für den Erfolg Ihres Unternehmens ein?
4,92
Prospekte (print)
3,72
Prospekte (online)
3,62
Anzeigen in FZ (print)
Eigener Newsletter
3,6
AdWords
Anzeigen in FZ (online)
2,66
2,36
Plakate
2,06
0
1
1
3
4
5
Abb. 2: Wichtigkeit der Werbemittel für den Unternehmenserfolg.
In welcher Form werben Sie in Fachzeitschriften? (Mehrfachauswahl möglich)
42%
41%
5%
4%
Ad
ve
rto
ria
ls
e
äg
itr
Be
Be
ikl
eb
er
0%
r
Be
ih
ef
te
r
ge
ile
ig
en
5%
ze
Dabei haben Fachzeitschriften als Werbeträger
einen ausgezeichneten Ruf. So sind fast 90 %
(„stimme voll zu“ und „stimme zu“) überzeugt,
dass ihr Unternehmen mit Werbung in Fachzeitschriften den Großteil ihrer Zielgruppe anspricht.
Immerhin 60 % sind sogar der Meinung, dass ihre
Zielgruppen Anzeigen in Fachzeitschriften eher
wahrnehmen als Bannerwerbung im Internet.
Mehr noch: Über die Hälfte der Befragten glaubt,
dass ihre Zielgruppen Bannerwerbung im Netz
im Vergleich zu Anzeigenwerbung als störend
empfinden.
2,85
Banner o.ä.
auf Webseiten
Banner o.ä.
in fremden NL
An
Vorzugweise schalten die Unternehmen dann
Anzeigen (42 %) oder liefern Beiträge – also PRArtikel oder Ähnliches (Abb. 3).
3,16
Soziale Medien
Über die Hälfte der Befragten (61 %) gibt an, ein
bis zwölf Mal pro Jahr in Fachzeitschriften zu werben. Jeweils knapp ein Fünftel nutzen Fachzeitschriften als Werbeträger noch häufiger – nämlich
13 - 24 bzw. 25 - 52 Mal pro Jahr.
Be
Fachzeitschriftenwerbung
3,3
3%
So
ns
tig
es
Gefragt nach den Werbemitteln, welche die Unternehmen in den vergangenen sechs Monaten eingesetzt
haben, stechen die Printprodukte hervor (Abb. 1). So
geben 19 % der Befragten an, dass sie mit Prospekten
geworben haben. Anzeigen in Fachzeitschriften folgen
mit 16 %. Onlineprospekte setzten 14 % ein, Social
Media immerhin noch 9 %.
Abb. 3: Werbeformen in Fachzeitschriften.
119
Kommunikation
Social Media Werbung
Wirbt Ihr Unternehmen auf Webseiten von Fachzeitschriften
(Videoeinbindungen, Banner, Firmenprofil usw.)?
Ja
Nein, nur klassisch in Fachzeitschriften (Anzeigen, Beileger, Beihefter usw.)
Nein, weder in Fachzeitschrifen, noch auf Webseiten von Fachzeitschriften
Weiß nicht
26%
Ein weiterer Themenschwerpunkt der Studie war
die Frage, inwieweit B2B-Unternehmen im badenwürttembergischen Werkzeug- und Maschinenbau
Social Media Plattformen wie Facebook für Werbung
einsetzen (Abb. 5). 41 % geben an, dass sie Social
Media Werbung für sinnvoll halten. 29 % erachten
diese Form der Werbung für ihr Unternehmen als
„nicht sinnvoll“, und rund ein Drittel hat dazu keine
Meinung.
Nachgefragt, warum Social Media Werbung für rund
ein Drittel nicht sinnvoll ist, nennen die Befragten
mehrheitlich folgende Gründe:
45%
29%
Zielgruppe ist nicht auf Social Media „unterwegs“.
Plattformen sind für die Investitionsgüterindustrie
bzw. den B2B-Bereich nicht geeignet; Produkte
sind beratungsintensiv.
■■ Soziale Medien werden überwiegend privat genutzt.
■■
Abb. 4: Webseiten von Fachzeitschriften als Werbeträger.
■■
Sind Werbemaßnahmen in Sozialen Medien (z.B. Facebook oder Youtube)
Ihrer Meinung nach sinnvoll für Ihr Unternehmen?
Ausblick / Prognose
41%
Ja, sinnvoll
29%
29%
Nein, nicht sinnvoll
Weiß nicht
Weitere Ergebnisse
Abb. 5: Social Media Werbung.
Wirbt Ihr Unternehmen auf Webseiten von Fachzeitschriften
(Videoeinbindungen, Banner, Firmenprofil usw.)?
Überwiegend über Printmedien (Fachzeitschriften, Prospekte usw.)
Überwiegend über digitale Formate/Internet
(Fachzeitschriften, Banner, Newsletter usw.)
Printmedien und digitale Formate/Internet werden nahezu ausgeglichen genutzt
12%
70%
18%
Abb. 6: Werbeprognose.
120
70 % der Befragten gehen davon aus, dass „Digitale
Werbeformate“ und Printwerbung in naher Zukunft
ähnlich stark genutzt werden (Abb. 6). Nur 18 %
glauben, dass dann digitale Formate vorherrschen
werden, und 12 % meinen, dass Printmedien weiterhin
den Ton angeben werden.
In der Studie ging man weiter davon aus, dass
B2B-Unternehmen, die regelmäßig in Fachzeitschriften werben, heute auch die Onlineangebote der
Fachzeitschriften auf deren Webseiten nutzen. Diese
Annahme wird durch die Ergebnisse der Befragung
nicht bestätigt.
Deutlich zeigt die Studie dagegen, dass es einen
Zusammenhang zwischen dem Werbeaufwand und
der Unternehmensgröße gibt. Wenig überraschend
schalten nämlich größere Unternehmen mehr Anzeigen in Fachzeitschriften als kleinere.
Dass „nur“ 41 % der Befragten Social Media Werbung
für sinnvoll erachten, führte zu der weitergehenden
Kommunikation
Fragestellung, ob diese Einschätzung mit dem Alter
der Befragten zu tun haben könnte. Diese Annahme
konnte jedoch nicht eindeutig bestätigt werden.
Zusammenfassung
Klassische Printmedien sind für die Investitionsgüterindustrie nach wie vor ein wichtiger Werbeträger.
Die meisten Unternehmen werben regelmäßig in
Fachzeitschriften. Online-Werbung zieht jedoch – in
gemäßigtem Tempo – nach. Webseiten von Fachzeitschriften werden immer häufiger für die Einbindung
eines Firmenprofils oder des Unternehmenslogos
genutzt. Werbemittel wie Banner oder Ähnliches
werden dagegen bislang eher selten geschalten.
Internetquellen
A. Stegemann: Konradin Mediengruppe: Zahlen
bitte – Aktuelle Zahlen zum Mediennutzungsverhalten
im B2B. In: http://www.konradin.de/sixcms/media.
php/2245/mediennutzung_stegemann_konradin.pdf/,
zugegriffen am 10.04.2014.
o.V.: Verband Deutscher Fachpresse: B2B-Entscheideranalyse 2013/14. In: http://www.deutschefachpresse.de/entscheideranalyse/, zugegriffen am
10.04.2014.
o.V.: Verband Deutscher Fachpresse: „WerbeTrend
2013“: Digitale Formate als Wachstumstreiber. In:
http://www.deutsche-fachpresse.de/werbetrend/,
zugegriffen am 10.04.2014.
Literatur
[1] K. Backhaus, M. Voeth: Industriegütermarketing.
9. Auflage, München 2009.
[2] P. Masciadri, D. Zupancic: Marken- und Kommunikationsmanagement im B-to-B-Geschäft.
Clever positionieren, erfolgreich kommunizieren.
Wiesbaden 2010.
[3] M. Zerres, C. Zerres, F. Thiebes: Maschinenbaumarketing, Band 83, München 2012, S. 47-73 und
S. 137-152.
121
Autorenverzeichnis
GESUNDHEIT
Prof. Dr.
Matthias Kohl
Sciences
Lehrgebiete: Statistik,
Statistiksoftware, Bioinformatik, Mathematik
Tel. 07720 307 4746
[email protected]
Prof. Dr.
Dirk Benyoucef
Medical Engineering
Studiendekan Elektronik &
Technische Informatik
Schwerpunkte: Angewandte Signalverarbeitung, Non intrusiv load
monitoring, Embedded
Systems, Sensornetzwerke
Tel. 07723 920 2342
[email protected]
Dr. Jörn Kretschmer
Akad. Mitarbeiter am
Institut für Technische
Medizin
Promotion in Medizintechnologie an der TU
Dresden, M.Sc. in Biomedical Engineering an der
Hochschule Furtwangen
Forschungsgebiete:
Physiologische Modellbildung, Medizinische
Tel. 07720 307 4370
[email protected]
Prof. Dr.
Ulrich Mescheder
Medical Engineering
Forschungsgebiete:
Mikrosysteme, Mikro- und
Nanotechnologie
Forschung der HFU
Technische Medizin
Prof. Dr. Markus Egert
Sciences
Informatik
Lehr- und Forschungsgebiete: Medizinische
Mikrobiologie, Hygiene,
Human-Microbe-Interactions, Mikrobielle
Ökologie, Diagnostik von
Mikroorganismen
Tel. 07720 307 4390
[email protected]
Tel. 07720 307 4554
[email protected]
Tel. 07723 920 2232
[email protected]
Forschungsgebiete:
elektrische Impedanztomographie, Sensorfusion
für respiratorisches
Monitoring
Dr. Wolfgang Kronast
Medical Engineering
Forschungsschwerpunkte:
Nano- und Mikrosysteme,
physikalische Sensoren
und Aktoren
Forschungsgebiete:
Biostatistik, statistische
Lernverfahren, Statistiksoftware
Tel. 07720 307 4556
[email protected]
Dr. Zhanqi Zhao
Wiss. Mitarbeiter am
Medizin
Forschungsgebiete: elektrische Impedanztomographie, Atemmechanik,
Optimierung des positiven
endexspiratorischen
Drucks
Tel.: 07720 307 4613
[email protected]
Tel. 07723 920 2514
[email protected]
Tel.: 07720 307 4605
[email protected]
M.Sc.
Madeleine Berger
Akad. Mitarbeiterin im
Projekt ZAFH-AAL
Tel. 07723 920 2970
[email protected]
122
Forschungs- und Lehrgebiete: Konzeption assistiver Systeme, Ambient
Assisted Living
Tel. 07723 920 2583
[email protected]
Dr. Astrid Genet
Sciences, PostDoc im
Projekt PATIENTS
M.Sc.
Benjamin Schullcke
Wiss. Mitarbeiter am
Medizin
Prof. Dr.
Christophe Kunze
Professor für Assistive
Technologien und Studiendekan des Studiengangs
Allgemeine Gesundheitswissenschaften an
der Fakultät Gesundheit,
M.Sc. Elena Herrmann
Sciences, Promotionsstudentin Universität Ulm
(AG Dr. Riedel), vorher
Studium der Biologie mit
Schwerpunkt Mikrobiologie an der Eberhard Karls
Universität Tübingen
Forschungsgebiete:
Biofilme, Intestinales
Mikrobiom
Tel. 07720 307 4778
[email protected]
M.Sc. Thomas Bier
Medical Engineering
M.Sc. Miguel
Reyes Adame
Medizin
Schwerpunkte: Mustererkennung, künstliche neuronale Netze, Entwicklung
von Embedded Systems
Forschungsgebiete: Verbesserung der Wahrnehmung der Umgebung für
blinde und sehbehinderte
Menschen, Bewegungsanalyse, Sensorik
Tel. 07723 920 2454
[email protected]
Tel. 07720 307 4603
[email protected]
M.Sc. Philipp Klein
Medical Engineering
Doktorand
Forschungsgebiete: Digitale Signalverarbeitung
und Embedded Systems
Tel. 07723 920 2347
[email protected]
Autorenverzeichnis
MOBILITÄT
Professor für Soziologie
und gesellschaftlichen
Wandel
Gesundheit, Sicherheit,
Gesellschaft
Forschungsgebiete:
Armutsforschung im
Kontext sozialer Nachhaltigkeit, technischer
Lehrgebiet: Allgemeine
und spezielle Soziologie(n), Gesellschaftlicher
Wandel
Tel. 07723 920 2873
[email protected]
Prof. Dr. rer. nat. habil.
Margareta M. Müller
Professorin für Biotechnologie und Humanbiologie,
Studiendekanin Biomedical Engineering (BME),
Sciences
Komplexe 3D in vitro Modelle als Ersatzmethoden
für den Tierversuch in der
Krebsforschung, Mechanismen der Tumor-Stroma-Interaktion, Entzündung und Angiogenese im
Tumor, Mechanismen der
Metastasierung
M.Sc. Hendrik Kuijs
Mitarbeiter im Projekt
ZAFH-AAL, Teilprojekt
PCEICL
Leiter der Abteilung Online Services im Informations- und Medienzentrum
der HFU, vorher Studium
Medieninformatik (Dipl.
FH) und Computer Science
in Media (M.Sc.) an der
HFU
M.Sc.
Carina Rosencrantz
Akad. Mitarbeiterin an
der Fakultät Informatik
(ZAFH-AAL, Teilprojekt
PCEICL), vorher Studium
in Computer Engineering
und Advanced Computer
Science an der HFU
Prof. Dr.
Frank Allmendinger
Dipl.-Physiker, Fakultät
Industrial Technologies
Lehrgebiete: Physik,
Messtechnik- und Sensorik,
Festkörperphysik
Prof. Dr. Guido Siestrup
Forschungsgebiete: Ambient Assisted Living, Big
Data, Cloud Computing
Sensorentwicklung,
Messtechnik, Simulation,
Entwicklung mechatronischer Systeme
Lehrgebiete: Geschäftsprozesse, Logistik und
Supply Chain Management
Wirtschaftsinformatik und
Mitglied im Institut für
Angewandte Forschung
der HFU
Tel. 07723 920 2908
[email protected]
Tel. 07461 1502 6622
[email protected]
Tel. 07723 920 2240
sig@hs-furtwangen
M.Sc. Axel Riedlinger
Medizin
M.Sc. in Biomedical
Engineering und B.Sc. in
Medical Engineering an
der HFU
M.Sc. Alexander Bejan
Akad. Mitarbeiter an
Studium der Informatik in
Würzburg und Educational
Technology in Saarbrücken
Dipl.-Kffr.
Claudia Breuer
Akademische Mitarbeiterin der Fakultät
Forschungsgebiete:
Physiologische Modellbildung, Medizinische
Forschungsgebiet:
Betreuer des Future Care
Labs
Forschungsgebiete:
Cloud Computing
Tel. 07723 920 2370
[email protected]
Tel. 07720 307 4231
[email protected]
Dr. Peter Biniok
Studium der Informatik
und Soziologie
M.Sc.
Sabine Krüger-Ziolek
Wiss. Mitarbeiterin am
Medizin
Forschungsgebiete:
Wissenschafts- und
Techniksoziologie,
Mensch-Maschine-Interaktion, Innovationsforschung
Lehrgebiet: Technik und
Gesellschaft
Forschungsgebiete: neue
Konzepte der Ausbildung,
Bodyplethysmographie,
elektrische Impedanztomographie
Tel. 07720 307 4604
[email protected]
Forschungsgebiete:
Logistik und Supply Chain
Management
Tel. 07723 920 2934
[email protected]
Wissenschaftlicher
Fokus: Logistikprozesse,
Risikomanagement und
Simulation
Tel. 07723 920 2945
brc@hs-furtwangen
Tel. 07723 920 2961
[email protected]
Tel.: 07720 307 4395
[email protected]
Tel. 07723 920 2958
[email protected]
123
Autorenverzeichnis
UMWELT
UMWELT
Prof. Dr.-Ing.
Bahman Azarhoushang
Medical Engineering,
Leiter des Kompetenzzentrums für Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung
(KSF)
Lehrgebiete: Fertigungstechnik, Messtechnik,
Werkzeugmaschinen, Festigkeitslehre, Technische
Mechanik, Präzisionsbearbeitung
Prof. Dr. rer. nat.
Andreas Fath
Sciences
Forschungsgebiete:
Umwelttechnik, Oberflächentechnik, Materialentwicklung
Tel. 07720 307 4739
[email protected]
Prof. Dr.-Ing. Robert Hönl
Medical Engineering
Dr. rer. nat. Volker Lange
Medical Engineering
Dr. Andras Kovacs
Medical Engineering
Arbeitsgebiet: Messtechnik, Regelungstechnik,
Optik/Optoelektronik
Arbeitsgebiet: optische
Mess- und Sensortechnik,
Halbleitermesstechnik
Tel. 07723 920-2328
[email protected]
Tel. 07723 920 2505
[email protected]
Tel. 07723 920 2516
[email protected]
B.Sc. Jonas Loritz
Akad. Mitarbeiter an der
Sciences, vorher Studium
der Bio- und Prozesstechnik an der HFU
M.Sc. Alexey Ivanov
Medical Engineering
M.Sc. Isman Khazi
Medical Engineering
poröses Silizium
MOEMS, Mikrostanzen
Tel. 07723 920 2103
[email protected]
Tel. 07723 920 2810
[email protected]
Dr. Michaela Hölz
Leiterin Referat für
Nachhaltige Entwicklung,
EMAS-Beauftragte der
HFU
Tel. 07723 920 2956
[email protected]
Tel. 07720 307 4215
[email protected]
Forschungsgebiete: Mikroplastik in lim-nischen
Gewässern.
M.Sc. Ali Zahedi
KSF und Doktorand der
Universität Freiburg auf
dem Gebiet Mikrosystemtechnik
Vorher Master-Abschluss
in angewandter Mechanik
an der Sharif University of
Technology (2009)
Forschungsgebiete:
Feinstbearbeitung, Mikrosystemtechnik
Tel. 07720 99798 11
[email protected]
Dipl.-Ing.
Helga Weinschrott
Sciences
[email protected]
Arbeitsgebiete: Physikalische und Instrumentelle
Analytik, Kunststoffanalytik.
Tel. 07720 307 4326
[email protected]
B.Sc. Anne Jenner
Akad. Mitarbeiterin an
der Fakultät Medical and
Life Sciences, Masterstudentin im Bereich Medical
Diagnostic Technologies
an der HFU
Arbeitsgebiet: Schnelltests
[email protected]
124
M.Sc. Felix Hollerbach
Referat für Nachhaltige
Entwicklung, Projekt
„Nachhaltigkeit im Gepäck“
Tel. 07723 920 2951
[email protected]
Autorenverzeichnis
KOMMUNIKATION
Stiftungsprofessur
„Digitale Infrastrukturen
im Ländlichen Raum“
Prof. Dr.
Bernhard Hollunder
Fakultät Informatik,
Informatik
Arbeitsgebiete:
Breitbandtechnologien,
Strategische Netzplanung,
Beratung öffentlicher
Institutionen
Forschungsgebiete:
Gütekriterien für verteilte
Dienste
Tel. 07723 920 2926
[email protected]
Tel. 07723 920 2407
[email protected]
Prof. Jörg Jacobi M.A.
Fakultät Wirtschaftsingenieurwesen
Lehrgebiete: Unternehmenskommunikation und
PR, Werbung und Mediaplanung, Messewesen
Tel. 07723 920 2187
[email protected]
SICHERHEIT
Prof. Dr.-Ing.
Ulrich Weber
Prof. Dr.
Hadi Mozaffari-Jovein
Fakultät Industrial Technologies
Lehrgebiete:
Sicherheitsingenieurwesen, Maschinensicherheit, Funktionale Sicherheit,
Methoden der Risikobeurteilung
Lehr- und Forschungsgebiete: Metallkunde und
Werkstoffwissenschaften
Tel. 07461 1502 6624
[email protected]
Tel. 07723 920 2457
[email protected]
Prof. Dr.
Christoph Reich
Netzwerktechnik, Middleware und IT-Management
Leiter des Informationsund Medienzentrums der
Hochschule
Forschungsgebiete:
Cloud Computing, QoS,
Komponententechnologie,
Security, Audit.
Tel. 07723 920 2324
[email protected]
Prof. Dr.
Thomas Schneider
Prof. Nikolaus Hottong
Lehrgebiete: Mathematik
und Physik der digitalen
Medien
Forschungsgebiete: Optische und digitaloptische
Systeme
Lehrgebiete: Medientechnologien, A/V-Produktion,
Netzwerktechnologien
Forschungsgebiete:
S3D-Produktion, Virtual
Sets, Postmediale Produktionswirklichkeiten
Tel. 07723 920 2879
[email protected]
Tel. 07723 920 2519
[email protected]
Prof. Dr. phil. Oliver Ruf
Professor an der Fakultät
Digitale Medien
Lehr- u. Forschungsgebiete: Medienästhetik,
Gestaltungstheorie,
Kulturwissenschaften
Tel. 07723 920 2523
[email protected]
B.Sc. Tim Giardina
B.Sc. Nikita Kies
Forschungsgebiete:
Forschungsgebiete:
Tel. 07723 920 2976
[email protected]
Tel. 07723 920 2977
niki@hs-furtwangende
M.Sc.
Thomas Rübsamen
Akad. Mitarbeiter an der
Fakultät Informatik, vorher
Studium von Computer
Networking und Advanced
Computer Science an
der HFU
Computing, IT-Sicherheit,
Audit
Tel. 07723 920 2368
[email protected]
M.Sc. Rui Zhu
Wiss. Mitarbeiter an der
Medical Engineering
Dipl.-Inform.
Alexander Wahl
Akad. Mitarbeiter der
Forschungsgebiete: Mikrosysteme, Mikroaktoren
Forschungsgebiete:
Gütekriterien für verteilte
Dienste
Tel. 07723 920 2101
[email protected]
Tel. 07723 920 2320
[email protected]
125
Publikationen
Publikationen 2013
1. Begutachtete wissenschaftliche Publikationen (peer review)
1.
Jbeily N, Suckert I, Gonnert FA, Acht B, Bockmeyer CL, Grossmann SD,
Blaess MF, Lueth A, Deigner HP, Bauer M, Claus RA. Hyperresponsiveness
of mice deficient in plasma-secreted sphingomyelinase reveals its pivotal
role in early phase of host response. J. Lipid Res. 2013 54(2), doi 10.1194/jlr.
M031625.4010-4024.
2.M. Egert, H.-M. Höhne, T. Weber, R. Simmering, B. Banowski and R. Breves:
Identification of compounds inhibiting the C-S lyase activity of a cell extract
from a Staphylococcus sp. isolated from human skin. Lett. Appl. Microbiology
57 (6), Epub 2013 Sep 23, ISSN: 0266-8254, doi10.1111/lam.12146, S. 534-539.
3.
M.M. Scheer, F. Münch, S.Bohn, G. Haimerl, M. Weyand, F. Harig: OxygenatorLeistungsvergleich: Compactflo Evolution Phisio M versus Inspire 6 M Phisio.
KARDIOTECHNIK 1/2013, ISSN:0941-2670, S. 9-17.
4.M. Knahl: Application of IT Management Frameworks in Higher Education Institutions. In: X. Franch, P. Soffer (Eds.): Advanced Information
Systems Engineering Workshop, Lecture Notes in Business Information
Processing,Volume 148, 2013,http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-38490-5,
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5.M. Knahl, B. Contius, H. Ebsen: Ermittlung der Prozessreife für IT-Servicemanagementprozesse. HMD - Praxis Wirtschaftsinformatik, Volume 289, 50.
Jahrgang, Februar 2013, ISSN 1436-3011, S. 52-60.
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M. Sieder, M. Knahl, J. Hoffmann: Globale Supportkonzepte für den
kontinuierlichen Betrieb heterogener Systemlandschaften. HMD - Praxis
Wirtschaftsinformatik. Volume 291, 50. Jahrgang, Juni 2013, ISSN 1436-3011,
S. 95-103.
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F. Flessa, A. Kehl and M. Kohl: Analysing diversity and community structures
using PCR-RFLP: a new software application, Molecular Ecology Resources
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M. Sossdorf, G.P. Otto, K. Menge, R.A. Claus, W. Lösche, B. Kabisch, M. Kohl,
U.C. Smolenski, P. Schlattmann, K. Reinhard, J. Winning: Potential effect of
physiotherapeutic treatment on mortality rate in patients with severe sepsis
and septic shock: A retrospective cohort analysis, Journal of Critical Care
2013 Dec; 28(6), ISSN: 0883-9441, doi 10.1016/j.jcrc.2013.06.023, S. 954-958.
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O. Bayer, D. Schwarzkopf, T. Doenst, D. Cook, B. Kabisch, C. Schelenz, M.
Bauer, N.C. Riedemann, Y. Sakr, M. Kohl, K. Reinhart, C.S. Hartog: Peri
operative fluid therapy with tetrastarch and gelatin in cardiac surgery a prospective sequential analysis, Critical Care Medicine 2013 Nov; 41(11),
ISSN: 0090-3493, doi 10.1097/CCM.0b013e3182978fb6, S. 2532-2542.
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Passivated Porous Silicon Membranes, ECS Transactions 2013, 50 (37), ISSN
1938-6737, doi 10.1149/05037.0207ecst, S. 207-216.
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physiological interactions in a hybrid system of mathematical models. J
Clin Monit Comput. 2013 Aug 29., [Epub ahead of print], ISSN 1387-1307, doi
10.1007/s10877-013-9502-1, 11 Seiten.
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Efficient Computation Of Interacting Model Systems. J Biomed Inform, 46
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13. C. Schranz, K. Meffray, K. Moeller: Model-based Analysis of Ventilation
Inhomogeneity in Respiratory Mechanics. Engineering, Vol. 5 No. 10B, 2013,
pp. 363-367.
14. J. Yu, K. Moeller: Assistive Navigation Device for Visually Impaired - A Study
on Reaction Time to Tactile Modality Stimuli. Engineering, Vol. 5 No. 10B,
2013, pp. 195-198.
126
15. Z. Zhao, B. Vogt, I. Frerichs, U. Müller-Lisse, K. Möller: Developing customized
evaluation software for clinical trials: an example with obstructive lung
diseases. Engineering, Vol. 5 No. 10B, 2013, pp. 103-107.
16. P.D. Docherty, C. Schranz, J.G. Chase, Y.S. Chiew, K. Möller: Utility of a novel
error-stepping method to improve gradient-based parameter identification
by increasing the smoothness of the local objective surface: A case-study
of pulmonary mechanics. Comput Methods Programs Biomed. 2013, ISSN:
0169-2607, doi 10.1016/j.cmpb.2013.06.017. [Epub ahead of print], 9 Seiten.
17. Z. Zhao, U. Müller-Lisse, I. Frerichs, R. Fischer, K. Möller: Regional
airway obstruction in cystic fibrosis determined by electrical impedance
tomography in comparison with high resolution CT. Physiol. Meas. 2013
Nov;34(11):N107-148.
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133
STUDIENANGEBOT
Bachelor
Master
Bachelor
Master
Bachelor
Master
Bachelor
Master
Bachelor
Master
Bachelor
Master
Bachelor
Master
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Furtwangen
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Tuttlingen
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Tuttlingen
Industrial Virtual Engineering (B.Sc.)
Tuttlingen
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Product Engineering (B.Eng.)
Furtwangen
Security & Safety Engineering (B.Sc.)
Furtwangen
Studium Plus (B.Sc.)
Furtwangen & Villingen-Schwenningen
Advanced Precision Engineering (M.Sc.)
Angewandte Materialwissenschaften (M.Sc.) in Planung
Tuttlingen
Mechatronische Systeme (M.Sc.)
Tuttlingen
Security & Safety Engineering (M.Sc.)
Furtwangen
Smart Systems (M.Sc.)
Furtwangen
Informatik
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Allgemeine Informatik (B.Sc.)
Furtwangen
Computer Networking (B.Sc.)
Furtwangen
Software Produktmanagement (B.Sc.)
Furtwangen
Informatik (M.Sc.)
Furtwangen
Mobile Systeme (M.Sc.)
Furtwangen
Campus
Wirtschaftsinformatik (B.Sc.)
Furtwangen
WirtschaftsNetze (eBusiness) (B.Sc.)
Furtwangen
Business Application Architectures (M.Sc.)
Furtwangen
Business Consulting (M.Sc.)
Furtwangen
Wirtschaftsingenieurwesen
Campus
Marketing und Vertrieb (B.Sc.)
Furtwangen
Service Management (B.Sc.)
Furtwangen
Sales & Service Engineering (MBA)
Furtwangen
Digitale Medien
Campus
Medieninformatik (B.Sc.)
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Medienkonzeption (B.A.)
Furtwangen
Musikdesign (B.Mus.)
Musikhochschule Trossingen
OnlineMedien (B.Sc.)
Furtwangen
Design Interaktiver Medien (M.A.)
Furtwangen
Medieninformatik (M.Sc.)
Furtwangen
Internationale Wirtschaft
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Internationale Betriebswirtschaft (B.A.)
International Business Management (B.A.)
International Engineering (B.Sc.)
Executive Master of
International Business Management (MBA)
International Business Management (MBA)
International Management (M.Sc.)
Gesundheit Life Sciences
Campus
Angewandte Gesundheitswissenschaften (B.Sc.)
Furtwangen
Industrial MedTec (B.Sc.)
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Molekulare und Technische Medizin (B.Sc.)
Biomedical Engineering (M.Sc.)
Medical Devices & Healthcare Management (MBA)
Tuttlingen
Medical Diagnostic Technologies (M.Sc.)
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Nachhaltige Bioprozesstechnik (M.Sc.)
Physikalisch Technische Medizin (M. Sc.)
Online Study Programme
Technical Physician (M.Sc.)
Vorlesungen in Englisch
Vorlesungen in Englisch & Deutsch
Vorlesungen in Deutsch & Französisch
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